用于原电池的由碳纤维增强塑料制成的具有防潮层的壳体,原电池、蓄电池和机动车

技术领域

本发明涉及用于原电池的壳体，原电池，蓄电池和机动车。

背景技术

无论是在固定应用中，例如在风力发电设备中，在机动车内，例 如在混合动力车辆和电动车辆，还是在消费者领域，例如在笔记本电 脑和移动电话中，经常在安全性，可靠性，性能和使用寿命方面对所 使用的蓄电池系统提出较高的要求。

蓄电池-单池的使用寿命的一个重要的参数是能量密度或电容 量，此外由电动机驱动的车辆的行程长度也取决于电容量。电容量在 重量上也可以通过每公斤瓦小时(Wh/kg)表示。

蓄电池-单池的电容量或额定-电容量是由蓄电池-单池的所谓的 活性材料决定。例如在锂离子单池的情况下这是正极中的锂化的金属 氧化物和负极中的石墨或碳。此外，在单池中所谓的惰性-材料像分 离器和电极粘合剂对于单体电池的功能也是必需的。为了优化能量密 度人们致力于减少惰性的单池-材料部分，其中也包括单池的壳体， 以便相应地提高能量密度。

尤其地，锂离子工艺特别适合于广泛的应用领域。此外，锂离子 工艺的突出之处体现在能量密度高和自放电极低。锂离子单池拥有至 少一个正电极和负电极(正极和阴极)，能够可逆地嵌入(Intercalation) 或重新脱嵌(Deintercalation)锂离子(Li+)。第二种具有吸引力的 蓄电池-系统是可重复充电的金属锂-系统。在这里负极由锂-金属制成 和正极活性材料例如以具有层结构的过渡金属氧化物像锂的二氧化 钴(LiCoO2)为基础。

为了执行锂离子的嵌入或锂离子的脱嵌，必需存在电解液成分， 所谓的锂-导电盐。实际上对于全部当前的锂离子单体电池，无论是 在消费者领域(移动电话，MP3-播放器或强大工具)还是在汽车领域 (混合动力汽车-HEV)插入式混合动力汽车(PHEV)和电动汽车(EV) 中都使用六氟磷酸锂(LiPF6)作为锂-导电盐。所述LiPF6对于潮湿 特别活泼，经多级水解分裂成氟氢(HF)。

为了防止由于导电盐的水解分裂产生的潮湿锂离子单池受到损 坏，按照背景技术使用具有通常为金属薄膜或金属片形式的金属部分 的壳体，其中金属薄膜或金属片基本上表示对空气潮湿的阻隔。其中 可划分为所谓的具有薄膜包装的软包和硬的，金属壳体(硬盒)内的 单池，所述单池通常被设计为棱形和圆柱体形。所述硬的金属壳体可 以是例如由铝和通过冷拉深工艺制成。在这个领域中还未显示使用过 塑料，这是因为相对于潮湿塑料通常具有某种穿透性。

但是，与塑料相比，硬盒，例如由铝或优质钢制造的硬盒在体积 相同的情况下更重。但是由于追求在单池层面上提高特殊的能量密 度，尽可能地减少惰性材料的份额。

此外，按照自然规律由金属制成的壳体对外是导电的。能够例如 容易地引起在连接的基础-单池之间的高压-蓄电池-系统内的电绝缘 问题。

在机械作用的情况下，尤其在由碎裂或类似事件造成金属壳体毁 坏这种事故过程中，金属壳体可能在单池中造成内部短路。这可能导 致剧烈地变热，单池打开，单池组件的冒烟，形成火焰或甚至发生爆 炸。例如当单池处于充满电的状态的时，尤其要注意观察。

至于如何降低蓄电池内的惰性材料的份额，从DE 10 2008 023 571 A1中已知一种用于固定单池的壳体的壳体薄膜，所述薄膜由聚烯 烃或类似材料制成并且在其上面设置由有机硅化合物制成的防潮层。 但是相应地设计的壳体同样易于受到对损坏和由此导致的危险。

也可以通过并联连接或串联连接将各个单池连接成蓄电池模块 并再连接成蓄电池组。其中根据定义一个蓄电池是由至少两个已连接 的单池组成。在以下单池和蓄电池这些概念不会作为同义词使用。但 是相反，蓄电池，蓄电池系统，蓄电池模块和蓄电池组将继续同义地 使用。

发明内容

按照本发明将提供一种用于原电池的壳体，所述壳体由碳纤维增 强塑料(CFK)制成并且配置有防潮层。

优选地，原电池涉及一种锂离子电池或可重复充电的锂电池，所 述电池基于通常使用的活性材料尤其能够防潮。但是按照本发明的壳 体也可以用于其它电池类型。

专业人士从背景技术中已知适用的碳纤维增强塑料。其中优选使 用热塑性塑料并且尤其是聚烯烃和尤其优选聚丙烯(PP)，聚乙烯(PE) 或它们的共聚物。另一种特别优选的塑料是聚苯硫醚(PPS)。

专业人士已知具有相应的成型和长度的适用的碳纤维。

所述的碳纤维增强塑料拥有良好的耐热性，优秀的抗化学性和机 械稳定性。

与例如铝薄膜相反，所使用的塑料是潮湿可穿透的。因此按照本 发明在壳体的外侧和/或内侧设置潮湿不能透过的层，其中优选在外侧 上面制造所述层，这是因为这样更简单和经济。所述防潮层在防潮性 能方面可以与金属膜或金属片，例如轧制铝-薄膜相比拟。

防潮层能够是通过例如常用的方法像化学气相沉积(CVD)，物 理气相沉积(PVD)滚压包层或类似的方法涂覆。当然根据所要涂覆 的层决定采取哪一种方法。

优选地，通过CVD涂覆的层是由聚对二甲苯，有机硅化合物为 材质或以二氧化硅为基础。已经证明以二氧化硅为基础的层尤其适合 用作防潮层。

所述层也可以由通过PVD涂覆的金属，例如铝或优质钢制造。 在是金属的情况下也可以使用滚压包层法，其中优选通过PVD涂覆 的薄金属层。

薄的防水层如上所述已经被为专业人士所熟知并且例如在DE10 2008023571A1中或在K.Marquardt等所著的“Entwicklung einer hermetischen G1as-Silizium Verpackung Verkapselung(密封玻璃硅包装 薄膜的开发)”中被描述为集成的锂-聚合物蓄电池的壳体； MikroSystem Technik KONGRESS(KONGRESS微系统技术公司)， 柏林，2009，12-14.10.2010。

能够出人意料地将CFK的有利的特性组合成用于原电池的壳体 以及防潮层。令人惊讶的是，防潮层能够长时间稳定地与CFK-壳体 连接在一起。通过将碳纤维增强聚丙烯与密封的玻璃阻挡层相组合能 够达到特别好的结果。

完全没有令人想到的是，碳纤维在单池的内部在化学上和电化学 上对于单池的成分，例如有机碳酸盐、例如碳酸乙烯酯(EC)、锂- 导电盐、六氟磷酸锂(LiPF6)或微量地存在的氟氢(HF)在很长的 时间上是惰性的，尽管碳或石墨通常会在相应的环境中发生反应。

按照本发明所使用的材料允许自由地成型壳体，尤其是在与壳体 的维度例如长度，宽度和高度相关的壁厚方面。

此外，能够使壳体更好地与被放入的电池-绕组的形状相匹配。 例如能够在壳体的内部构成圆形，所述圆形对电池-绕组的棱形形状 的不可能包装进行补偿。

由此也能够在壳体内部实现更好地机械支撑电池-绕组，而不使 用保持器(Retainer)，所述保持器将电池-绕组保持就位并且将其与 内电池壁部分开。

在壳体-圆形部内的电池-绕组的改善的机械接触使得按照本发明 的原电池在整体上具有更高的使用寿命。

由此在壳体内只有很少的空的空间，由此在电池的内部只需要很 少的自由电解液。

将碳纤维增强塑料成型为立体硬壳体的其他的适合的变型已经 为专业人士所熟悉，在这里就不在详细阐述。

通过按照本发明的原电池的壳体能够有利地毫无问题地替换按 照背景技术的至今的以金属为基础的单池-壳体，其中同时可以避免 其缺点。

按照本发明的原电池的壳体由此具有较低的重量，并且由此在单 池层面上具有较高的特殊的重量能。碳纤维增强复合材料只相当于大 约铝的50％，以及刚好是钢的20％。此外所述的按照本发明使用的材 料在材料成本和制造成本方面耗费也很低。

除此之外碳纤维增强塑料还拥有其它优势例如极好的撞击性能， 较低的疲劳倾向和特别高的耐腐蚀性。

按照本发明的壳体有利地实现减振，由此可以预防疲劳现象，并 且具有极低的热膨胀。

碳纤维增强塑料的改善的热转移造成均匀的温度分布，该温度分 布实现了延长的使用寿命。

在发生故障时不再会发生金属件进入单池里面的危险，由此不会 出现开始时所述的损害。即使在发生火灾时壳体也具有良好的安全特 性，这是因为碳纤维增强塑料特别不易燃。

优选布置在壳体内的原电池是锂离子单池。

本发明的另一个主题是一种具有至少两个之前所述的锂离子单 池的锂离子蓄电池以及一种机动车，其具有用于驱动机动车的电驱动 电机和与电驱动电机相连接的或可连接的锂离子蓄电池。

在从属权利要求中给出了并且在说明书中阐述了本发明的优选 的改进方案。

具体实施方式

下面借助一个示例对本发明进行说明。

为了试验性地证明按照本发明的蓄电池壳体的撞击安全性执行 撞击试验。

100个(具有软的小袋子式-单池壳体的)锂离子聚合物单池被 电连接成一个参考系统，被置入一个铝-壳体内并且充满电，由此所 述系统就有420伏的电压。

蓄电池获得一个由碳纤维增强塑料制成的壳体，而其它部件没 有变化，其中是用聚丙烯(PP)作为塑料。

试验是按照欧洲NCAP-撞击试验通过正面撞击执行，其中试验 车辆在时速为64公里和覆盖面为40％的情况下撞击可变形的障碍。 使用典型的轿车作为试验车。参考系统的壳体发生变形并且出现短路 和发热。按照本发明的蓄能器的碳纤维增强壳体没有变形并且其蓄电 池-功能未受到破坏。