具有带引流插入件的棱柱形电化学电池的存储装置以及相关联的蓄电池
阅读说明：本技术 具有带引流插入件的棱柱形电化学电池的存储装置以及相关联的蓄电池 (Storage device having prismatic electrochemical cells with drainage insert and associated accumulator ) 是由 M·西莫内蒂 M·纳苏姆比 于 2020-03-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电能存储装置(DS),所述电能存储装置包括：至少一个电化学电池(CE),所述电化学电池是棱柱形的并且包括锂离子活性部分(PA),所述锂离子活性部分容置在保护罩(EP)中,所述保护罩包括由具有第一热导率的材料制成的第一壁(P1),所述第一壁与第二壁连成一体；以及热交换器,所述第二壁抵靠着所述热交换器安置,并且所述热交换器负责排泄由所述电化学电池(CE)产生且经转移到所述保护罩(EP)中的热量。所述第一壁(P1)的至少其中一个包括插入件(ID),所述插入件延伸直到所述第二壁并且具有大于所述第一热导率的第二热导率,并且所述插入件负责朝向所述第二壁引流经转移到所述第一壁(P1)中的热量。(The invention discloses an electrical energy storage Device (DS), comprising: at least one electrochemical Cell (CE) prismatic and comprising a lithium-ion active Portion (PA) housed in a protective casing (EP) comprising a first wall (P1) made of a material having a first thermal conductivity, said first wall being integral with a second wall; and a heat exchanger against which the second wall is disposed and which is responsible for draining the heat generated by the electrochemical Cell (CE) and transferred into the protective cover (EP). At least one of the first walls (P1) comprises an Insert (ID) extending up to the second wall and having a second thermal conductivity greater than the first thermal conductivity, and the insert is responsible for directing towards the second wall the heat transferred into the first wall (P1).)
技术领域
本发明要求于2019年4月19日提交的法国申请1904184的优先权，该申请的内容(文字、附图和权利要求)在此并入本文引作参考。
本发明涉及具有电化学电池的电能存储装置，所述电化学电池是棱柱形类型的并且包括锂离子类型的活性部分。
背景技术
如本领域技术人员所已知，在锂离子类型的电化学电池中发生电化学反应，所述电化学反应根据可逆过程把化学能转化为电能。该类型的电池包括多孔正电极、多孔负电极、多孔隔板、(液体类型或非水性凝胶类型的)电解质以及集电器。所述正电极通常由锂化的过渡金属氧化物制成，并且所述负电极通常由石墨制成。
这种电化学电池可根据以下四种主要形式封装：圆柱形、纽扣干电池、棱柱形和柔性袋(或“pouch”)。本发明更确切地涉及棱柱形、刚性且内部几何形状称作“bobino-écrasée”的类型的电化学电池。在该类型的电化学电池中，电极和隔板浸泡在电解质中，并且布置成平放地彼此堆叠、缠绕、然后压碎。电极、隔板和电解质构成活性部分(或“jelly roll”)，该活性部分是所述电化学电池在每次充电或放电期间生成的热的绝大部分所在地。
通常，该活性部分容置在通常由铝(经冲压和焊接铝)制成的刚性保护罩(enveloppe)中，并且插置有例如由聚酯薄膜制成的电绝缘罩。该保护罩包括抵靠着电能存储装置所包括的热交换器安置的壁，所述热交换器负责排泄由每个电化学电池产生且经转移到所述每个电化学电池的保护罩中的热量。
在充电期间以及在放电期间都会生成这些热量(或热损失)，所述热量有至少四个来源：欧姆损失(或通过焦耳效应的损失)，其以热方式表达了阻止电流通过的电阻；熵热，其表示了由于在发生在电池中的电化学反应期间的反应物熵变而引起的可逆热；与相变有关的热(相较于前两项，该热被视作是可忽略的)；以及由于浓度梯度而引起的热(相较于最前两项，该热也被视作是可忽略的)。
由于棱柱形电化学电池的内部几何形状(bobino-écrasée)，所述棱柱形电化学电池具有热学各向异性，这意味着该棱柱形电化学电池的整体热导率在空间的所有方向上并不相等，和因此，该棱柱形电化学电池所生成的热量的排泄在空间的所有方向上并不相同。该热学各向异性有两个主要来源：所述活性部分的缠绕和压碎；以及(会损害在活性部分与保护罩之间的热扩散的)元件在电化学电池中的存在性。
该热学各向异性被证明是有问题的，因为该热学各向异性阻碍了对于所述电化学电池的内部温度的良好控制，这会加速所述电化学电池的老化并且限制所述电化学电池的性能。事实上，冷却由抵靠着所述热交换器安置的壁实施，这引起了在所述电化学电池中沿着与该壁垂直的方向的温度梯度，沿着该方向，热导率是微弱的(其通常为大约35Wm-1K-1，而由铝制成的保护罩的热导率为大约220Wm-1K-1)。
本发明的目的因此尤其在于改善所述情况。
发明内容
为此，本发明尤其提供了一种电能存储装置，所述电能存储装置包括：
-至少一个用于存储电能的电化学电池，所述电化学电池是棱柱形的并且包括锂离子活性部分，所述锂离子活性部分容置在保护罩中，所述保护罩包括由具有第一热导率的材料制成的第一壁，所述第一壁与第二壁连成一体；以及
-热交换器，所述第二壁抵靠着所述热交换器安置，并且所述热交换器负责排泄由所述电化学电池产生且经转移到所述保护罩中的热量。
该存储装置的特征在于，所述第一壁的至少其中一个包括插入件，所述插入件延伸直到所述第二壁并且具有大于所述第一热导率的第二热导率，并且所述插入件负责朝向所述第二壁引流(drainer)经转移到所述第一壁中的热量。
由此获得了对于所述电化学电池的均匀得多的冷却和因此在该电化学电池中相较于在现有技术的电化学电池中微弱得多的沿着与所述第二壁垂直的方向的温度梯度。
根据本发明的存储装置可包括可单独或组合采用的其它特征，尤其是：
-在第一实施例中，每个插入件可容置在经限定在所述第一壁的材料中的容置部中；
-每个插入件所具有的在与所述第二壁平行的平面中的截面的形式可在于，在所述第一壁的朝向所述电化学电池的活性部分定向的第一面附近处比在所述第一壁的与所述第一面相反的第二面附近处具有更大的宽度，以便容忍(encaisser)在该电化学电池的充电或放电期间的体积膨胀；
-在第二实施例中，每个插入件可与所述第一壁的朝向所述电化学电池的活性部分定向的第一面固定地连成一体；
-在第一实施例和第二实施例中，每个插入件可由石墨制成；
-在第三实施例中，每个插入件可由相变材料制成，并且容置在经限定在所述第一壁的材料中的密封容置部中；
-每个电化学电池可包括电绝缘罩，所述电绝缘罩插置在所述活性部分与所述保护罩之间；
-所述存储装置可包括串联联结和/或并联联结的至少两个电化学电池，所述至少两个电化学电池中的每个包括抵靠着所述热交换器安置的第二壁。
本发明还提供了一种可充电蓄电池，所述可充电蓄电池包括至少一个上文所述类型的电能存储装置。
本发明还提供了一种运输工具，所述运输工具任选地是机动类型的，并且包括至少一个上文所述类型的电能存储装置和/或至少一个上文所述类型的可充电蓄电池。
附图说明
通过阅读下文的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在所述附图中：
-图1以沿平面YZ的剖视图示意性地示出了根据本发明的电能存储装置的实施例，
-图2以透视图示意性地示出了根据本发明的电能存储装置的棱柱形电化学电池在组装之前的主要组成元件，
-图3以沿平面XY的剖视图示意性地示出了保护罩的第一实施例，该保护罩容置了根据本发明的电能存储装置的棱柱形电化学电池的活性部分，以及
-图4以沿平面XY的剖视图示意性地示出了保护罩的第二实施例，该保护罩容置了根据本发明的电能存储装置的棱柱形电化学电池的活性部分。
具体实施方式
本发明的目的尤其在于提供一种具有电化学电池CE的电能存储装置DS，所述电化学电池是棱柱形类型的并且包括锂离子(或Li-ion)类型的活性部分PA，所述活性部分朝向所述电能存储装置的热交换器EC引流热量。
在下文中，作为非限制性示例，认为电能存储装置DS用于装备可充电蓄电池，其中，所述电能存储装置可任选地与至少一个其它电能存储装置DS串联联结和/或并联联结。但本发明并不限于该应用。事实上，根据本发明的电能存储装置DS可构成可充电蓄电池。
另外，在下文中，作为非限制性示例，认为可充电蓄电池用于装备机动类型的运输工具(例如汽车)。但本发明并不限于该应用。事实上，包括至少一个电能存储装置DS的可充电蓄电池可用于装备任何系统、仪器、设备(其中包括工业设备)、建筑物(公共或私人建筑物)或外部空间(公共或私人外部空间)。由此，可充电蓄电池可尤其用于装备任何类型的运输工具(陆地运输工具、海洋(或河流)运输工具或空中运输工具)。注意到，至少一个运输工具可包括至少一个根据本发明的电能存储装置DS和/或至少一个可充电蓄电池(其包括至少一个电能存储装置DS)。
图1上示意性地示出了根据本发明的电能存储装置DS的实施例。
如图1上所示，根据本发明的电能存储装置DS包括至少一个用于存储电能的电化学电池CE(其是棱柱形类型的)以及热交换器EC。在图1上非限制性所示的示例中，电能存储装置DS包括串联联结的四个电化学电池CE，所述电化学电池是棱柱形类型的。但根据本发明的电能存储装置DS可包括大于或等于一(1)的任何数量的棱柱形电化学电池CE。另外，当电能存储装置DS包括多个棱柱形电化学电池CE时，这些棱柱形电化学电池(CE)之间可串联联结和/或并联联结，并且所述棱柱形电化学电池全都抵靠着热交换器EC安置。
如图2上所示，棱柱形电化学电池CE包括至少一个锂离子类型的活性部分PA，所述活性部分容置在保护罩EP中。
尽管图2上未显示，活性部分PA包括多孔正电极、多孔负电极、多孔隔板、(液体类型或非水性凝胶类型的)电解质以及集电器。例如，所述正电极可由锂化的过渡金属氧化物制成，并且所述负电极可由石墨制成。
该活性部分PA具有本领域技术人员良好已知的bobino-écrasé类型的内部几何形状，此处未显示。缠绕方向(即与活性部分PA的长边(或长度)平行的方向)是方向X，与所述缠绕方向垂直的方向(此处是与活性部分PA的短边(或宽度)平行的方向)是方向Y，方向Z与方向X和方向Y垂直。
保护罩EP包括由具有第一热导率c1的材料制成的第一壁P1，所述第一壁与第二壁P2连成一体。例如，该材料是铝。第二壁P2限定在平面XY中并且抵靠着(电能)存储装置DS的热交换器EC安置(此处安置在该热交换器上)。另外，第二壁P2优选地由同第一壁P1相同的材料制成，所述第一壁与该第二壁(P2)固定地连成一体。因此，该第二壁(P2)例如由铝制成。所述第一壁P1与所述第二壁P2垂直并因此安置在平面XZ和YZ中。另外，每个第一壁P1包括第一(内)表面F1和第二(外)表面F2，所述第一(内)表面定向成朝向所述电化学电池CE的活性部分PA，并且所述第二(外)表面与所述第一面F1相反。
热交换器EC负责排泄由(每个)电化学电池CE产生且经转移到该热交换器(CE)的保护罩EP中的热量。该热交换器例如包括至少一个回路，所述至少一个回路任选地由两个板或由至少一个暖气管(caloduc)限定，冷却流体在所述至少一个暖气管中流通。
注意到，如图2上非限制性所示，棱柱形电化学电池CE可包括补充的组成元件。由此，该棱柱形电化学电池可包括例如由聚酯薄膜制成的第一电绝缘罩EI1，该第一电绝缘罩容置了活性部分PA(并因此插置在该活性部分(PA)与刚性保护罩EP之间)。该棱柱形电化学电池还可包括例如由聚甲基丙烯酸甲酯(或PMMA)制成的第二电绝缘罩EI2，该第二电绝缘罩容置了刚性保护罩EP。该棱柱形电化学电池还可任选地包括连接器CN，该连接器安置成与活性部分PA的集电器接触。该棱柱形电化学电池还可任选地包括盖CF，该盖用于在连接器CN之后安置并且用于再封闭(刚性)保护罩EP和第二电绝缘罩EI2。
根据本发明，如图3和图4上部分且非限制性所示，第一壁P1的至少其中一个(优选地全部，如图所示)包括插入件ID，所述插入件延伸直到第二壁P2并因此沿着方向Z(此处，竖直方向)。每个插入件ID具有第二热导率c2，该第二热导率大于(优选地远大于)构成保护罩EP的材料的第一热导率c1，并且所述插入件负责朝向第二壁P2引流经转移到第一壁P1中的热量。
例如，第二热导率c2可以是第一热导率c1的至少2倍至10倍。
由于插入件ID的该高热导率，相较于第一壁P1的材料，热量更容易由这些插入件(ID)捕获，并因此可快得多地且有效得多地(通过引流)转移到抵靠着热交换器EC安置的第二壁P2中。这由此导致(每个)电化学电池CE的均匀得多的冷却和因此在(每个)电化学电池中相较于在现有技术的电化学电池中微弱得多的沿着方向Z的温度梯度。因此，显著减小了热学各向异性，这能够显著增加(每个)电化学电池CE的寿命，同时改善了所述电化学电池的功能。另外，插入件ID的存在不修改电化学电池CE的每单位体积的能量密度。此外，所述引流还能够改善保护罩EP的沿方向X和Y的热导率。
可预期保护罩EP的至少三个实施例。
在图3上所示的第一实施例中，每个插入件ID可容置在专用于该插入件且经限定在所述第一壁P1的材料中的容置部中。为此，可例如在该壁(P1)经切割/折叠/焊接以形成保护罩EP之前在该壁P1的材料厚度中(通过去除材料)创建每个插入件ID的容置部。
例如，每个插入件ID所具有的在与第二壁P2平行的平面XY中的截面的形式在于，在第一壁P1的第一面F1(其定向成朝向所述电化学电池的CE的活性部分PA)附近处比在该第一壁P1的第二面F2附近处具有更大的宽度，以便容忍在该电化学电池CE的充电或放电期间的体积膨胀。该可选配置用于在存在内部压力变化的情况下保证刚性保护罩EP的密封性。此外，因为插入件ID通过沿着方向Z延伸而一体化在刚性保护罩EP的厚度中，该第一实施例能够不修改电化学电池CE的尺寸。
在图3上非限制性所示的示例中，插入件ID所具有的在平面XY中的截面是梯形的，该截面的长边位于第一面F1附近，并且(与所述长边平行的)短边位于第二面F2附近。但可预期其它形式，只要其宽度在第一面F1附近处比在第二面F2附近处更大。例如，具有更大宽度的边(其位于第一面F1附近)可经倒圆角，并且/或者，具有更小宽度的边(其位于第二面F2附近)可以是尖的(或有角的)。
在图4上所示的第二实施例中，每个插入件ID可与所述第一壁P1的第一面F1(其定向成朝向电化学电池CE的活性部分PA)固定地连成一体。
在图4上非限制性所示的示例中，插入件ID所具有的在平面XY中的截面是梯形的，该截面的长边定向成朝向活性部分PA，并且(与所述长边平行的)短边与第一面F1固定地连成一体。但可预期其它形式，只要其宽度在第一面F1附近处比面向活性部分PA处更小。
例如，在第一实施例和第二实施例中，每个插入件ID可由石墨制成。但所述插入件还可例如由石墨烯或铜制成。
在(未示出的)第三实施例中，每个插入件ID可由相变材料(从固相到液相的相变材料)制成。在液相下，该材料具有第二热导率c2，该第二热导率远大于该材料在固相下所具有的热导率且远大于第一热导率c1。此外，相变能够储存能量并因此不会过度加热电化学电池CE，因为该相变发生在恒定的温度下。在该情况下，每个插入件ID容置在经限定在所述第一壁P1的材料中的密封容置部中。
每个容置部可例如在该壁(P1)经切割/折叠/焊接以形成保护罩EP之前在壁P1的厚度中通过去除材料来创建。
此处，相变潜热能够显著增加由刚性保护罩EP吸收且朝向第二壁P2转移的热量的量。
例如，该相变材料可以是矿物(或无机)化合物，例如水合盐。该水合盐可由有机盐和水的混合得到，其优点在于具有较大的潜热，以使得所述材料可通过简单的状态改变存储或放出能量(即状态改变能量)，同时保持恒定的温度。
因为插入件ID通过沿着方向Z延伸而一体化在刚性保护罩EP的厚度中，该第三实施例能够不修改电化学电池CE的尺寸。
注意到，考虑到由本发明带来的在朝向热交换器EC转移的热量方面提供的显着增益，可预期降低了热交换器EC的冷却性能。
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