專利名稱：電池組包裝組件及相關方法
電池組包裝組件及相關方法
背景技術：
本發明一般性地涉及一種電絕緣涂層。更具體地，本發明涉及在電池組包裝組件中用于鈉電池的電隔離的高溫電絕緣涂層。本發明還涉及一種制造所述電池組包裝的方法。電池組為用于在移動系統例如電動交通工具、混合電動交通工具和非交通工具 (例如機車、越野采礦交通工具、船用應用、公交車和汽車)和固定應用例如不間斷電力供應(UPS)系統和“Telecom” (電信系統)中儲存一部分能量的必要元件。在交通工具的情況下，能量通常在制動期間再生，用于在發動期間后來使用。總的來說，當后來使用的要求低時可產生能量，因此降低燃料消耗。總的來說，出于某些原因，電池組運行環境是苛刻的， 包括但不限于環境運行溫度的大變動、延長的機械顫動以及存在腐蝕性污染物。此外，在嚴格的條件下實現充電和放電，包括在重型交通工具加速時大量的放電電流以及在制動時大量的充電電流。然而，假定高初始資金成本，混合交通工具電池組通常預期具有延長的壽命。通常，這些電池組由許多電池組成。每個電池與相鄰的電池電隔離， 同時，各電池以串聯或并聯排列彼此電連接。通常，單個的電池通過放置在電池之間的云母片材或云母卷或箔分隔，用于電絕緣。已知存在許多不同類型的電池組。然而，如普通技術人員所理解的，當前的高溫電池組(例如，鈉金屬鹵化物電池組)易于由于對電池組的機械顫動破壞而失效。機械顫動引起在云母片材和電池之間的相對運動，導致由于電蠕變而在電池之間損失電連接。顫動還可導致在密封空間中的擊打失效，并且可導致破壞云母片材的機械和絕緣性質。因此，期望開發一種具有高可靠性和延長的壽命的電池組包裝，具有改進的電絕緣以用于混合運輸交通工具例如機車的高顫動環境。發明概述根據本發明的一些實施方案，提供了包含多個電化學電池的電池組包裝組件。所述電化學電池通過施用于電化學電池的外表面的高溫電絕緣涂層彼此隔離。本發明的一些實施方案還提供了一種用于在電池組包裝組件中在單個電化學電池之間提供電隔離的方法。所述方法包括通過高溫熱沉積方法將高溫絕緣材料的涂層施用于電池的外表面的步驟。高溫絕緣材料的熔點大于電化學電池的運行溫度。附圖參考附圖，閱讀以下詳細說明可更好地理解本發明的這些和其他特征、方面和優
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圖1為本發明的一個實施方案的示意圖；圖2為本發明的另一個實施方案的示意圖。發明詳述如以下詳細討論的，本發明的一些實施方案提供了在電池組包裝中用于單個電化學電池的電隔離的高溫電絕緣涂層。這些實施方案有利地避免在運行期間破壞電池之間的電絕緣的風險。本發明的實施方案還描述了一種在每個電池的外表面上施用這種高溫涂層
3的方法。雖然本討論在用于電池組的涂層的上下文中提供了實例，本領域普通技術人員將容易地理解這些涂層在其他上下文中的應用也在本發明的范圍內，例如用于熱阻擋涂層或腐蝕阻擋涂層。本發明將描述關于用于移動系統的電池組包裝。然而，本發明同樣適用于可在高溫(通常大于約250°C)下運行的其他類型的電池組。此外，本發明可用于固定應用，例如不間斷電力供應(UPS)系統和電信系統。本文在整個說明書和權利要求書中使用的近似語言可應用于修飾任何數量表示， 這些數量可允許變化但不會導致相關的基本功能的變化。因此，被一個或多個術語例如 “約”修飾的數值不局限于指定的精確值。在一些情況下，近似語言可相應于測量該值的儀器的精度。本文使用的“陰極材料”為在充電期間供應電子的材料，并且作為氧化還原反應的一部分存在。“陽極材料”在充電期間接受電子，并且作為氧化還原反應的一部分存在。本文使用的術語“電隔離”是指相對于并排排列的電池，在電池組包裝組件中每個電化學電池與相鄰的電池電分離。本文使用的“擊穿強度”是指在施用的AC或DC電壓下材料的介質擊穿抗性的度量。將在擊穿前施用的電壓除以材料的厚度，以提供擊穿強度值。其通常以相對于單位長度的單位電位差來測量，例如千伏/毫米(kV/mm)。除非另外說明，否則本文使用的術語“高溫”通常是指超過約250攝氏度(V )的溫度。根據本發明的一個實施方案，提供了一種電池組包裝組件。所述電池組包裝組件包含多個電化學電池，所述電化學電池通過施用于每個電化學電池的外表面的高溫電絕緣涂層而電隔離。圖1舉例說明根據本發明的一個實施方案的電池組包裝組件10的示例性圖。在舉例說明的實施方案中，電池組包裝10包括多個電化學電池12。電池12以串聯和并聯排列彼此電連接。電池的數量以及它們的電排列通常取決于電池組包裝的輸出要求以及最終的使用應用。電池12在包裝中彼此相鄰堆疊。每個電池12具有外表面18，其中的一部分與相鄰的電池接觸。每個電池12通過施用于每個電池12的外表面18或在至少一個接觸面上的高溫電絕緣涂層30與相鄰的電池電隔離，如以下所述。圖1的一個電池12的示意圖示于圖2。電化學電池12包含具有內表面16和外表面18的金屬外殼14。電池12還包含具有第一表面22和第二表面M的隔板20。第一表面22限定第一室沈的至少一部分，第二表面M限定第二室28。第一室沈布置在第二室 28內。第一室沈通過隔板20與第二室28離子連通。金屬外殼14的外表面18涂布有高溫電絕緣涂層30。在該實施方案中，第一室沈和第二室28還包括集電器32和34以收集通過電化學電池產生的電流。金屬外殼14通常為容器，并限定在外殼14的內表面16和隔板20的第二表面M 之間的第二室觀。用于金屬外殼的合適的金屬材料可選自例如鎳、低碳鋼、不銹鋼、涂鎳的鋼、鉬和涂鉬的鋼。為了在電池組包裝中電隔離單個電化學電池，通過在電池的外表面18上施用高溫絕緣涂層，每個電池與相鄰的電池分離。應理解的是，在本文主要舉例說明的一些實施方案中，將涂層施用于每個電化學電池的外表面。然而，在其他實施方案中，可將涂層施用于一個電池的外表面，有時可足以將電池與未提供有涂層的相鄰電池的接觸面絕緣。此外，還可將涂層施用于其他表面，這部分取決于涂層施用技術。作為一個實例，可在金屬外殼14 的內表面16上施用涂層。在該情況下，至少一個集電器可能結合到陽極結構的一些部分中。從工藝的立場，向這些其他表面施用涂層有時可能是有利的，因為可消除有時必要的不同的掩蔽步驟。絕緣涂層可承受高溫，也就是，至少在電化學電池的運行溫度下。電化學電池可在約250-約400°C的溫度范圍內運行。在一個優選的實施方案中，電池的運行溫度可在約 270°C -約350°C范圍內。在某些實施方案中，運行溫度可達到高達約400°C。為了滿足高溫和安全性要求，選擇熔點為至少約500°C的絕緣材料用于絕緣涂層。在一個實施方案中， 絕緣材料的熔點在約500°C -約600°C范圍內。合適的高溫絕緣材料可包括但不限于陶瓷、玻璃、搪瓷、高溫聚合物或它們的組合。在一個實施方案中，陶瓷材料包括氧化物、碳化物或氮化物。在一個示例性實施方案中， 陶瓷材料為氧化鋁。在高溫下多種聚合物可為合適的，并且稱為“高溫聚合物”。這些聚合物的玻璃化轉變溫度通常超過約200°C，并且它們的熔融/分解溫度超過約300°C。高溫絕緣聚合物的非限制性實例包括硅烷、硅氮烷、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺和改性聚酰亞胺(聚酰亞胺清漆)例如氰基改性聚酰亞胺和硅酮改性聚酰亞胺；氰酸酯、biamaleimides、酚醛塑料(例如，工程化的酚醛塑料)、三聚氰胺、脲醛樹脂和含有任何前述物質的不同的共聚物。在一個優選的實施方案中，高溫絕緣聚合物為聚酰亞胺清漆、酚醛基的清漆、聚硅氮烷基的樹脂例如HTT1800 (得自KION Corporation)、聚硅氮烷嵌段共聚物(CERASET SN 預制陶瓷聚合物、Lanxide Corporation，Newark，DE)、改性聚醚醚酮(PEEK)和氰酸酯。可使用不同的聚酰亞胺清漆，其中聚酰胺酸溶解于有機溶劑中。這種清漆的具體的非限制性實例包括 T0RAYNEECE (得自 iToray Industries Inc.)、U_varnish (得自 Ube industries, Ltd.)、RIKAC0AT (得自 New Japan Chemical Co.，Ltd.)、0PT0MER (得自 Japan Synthetic Rubber Co.，Ltd.)、SE812 (得自 Nissan Chemical Industries, Ltd.)和 CRC8000 (得自 Sumitomo Bakelite Co. , Ltd)。在另一個實施方案中，聚合物為聚合物復合材料。本文使用的術語“復合材料”是指由多于一種組分制成的材料。因此，在該實施方案中，聚合物或共聚物含有至少一種無機組分，例如，填料材料。所述聚合物可選自上述較高溫度聚合物。填料材料可為以上討論的陶瓷材料中的一種。陶瓷材料可具有多種形狀或形式，例如，顆粒、纖維、片狀體、晶須、棒或兩種或更多種前述形式的組合。在一個實施方案中，可使用具有特定的粒度、粒度分布、平均顆粒表面積、顆粒形狀和顆粒截面幾何形狀形式的陶瓷材料(例如，顆粒)。(取決于組分的類型，例如，在晶須或棒的情況下，其他規格還可依附于長寬比)。在一個實施方案中，陶瓷材料可以約重量-約80%重量的量存在于聚合物復合材料中，基于所述聚合物復合材料的總重量。在另一個實施方案中，陶瓷材料可以約5% 重量-約60%重量的量存在，基于所述聚合物復合材料的總重量。在又一個實施方案中，陶瓷材料可以約10%重量-約50%重量的量存在，基于所述聚合物復合材料的總重量。高溫絕緣涂層預期在苛刻的環境中具有堅固性和長壽命。涂層耐苛刻的機械條件，并且不會由于移動系統(例如機車和公交車)的顫動或振動而龜裂或磨損。在一些實施方案中，除了電隔離以外，絕緣涂層還對電化學電池提供防腐性。在運行期間，已熔融的鈉可泄漏流出外殼的外表面。施用高溫絕緣涂層防止磨損(磨損可導致泄漏)，繼而防止在電池中可能的腐蝕問題。因此，高溫絕緣涂層提供了顫動吸收，耐磨性和在電池之間的電隔
1 O涂層的以上討論的性質取決于不同的參數，例如涂層的厚度、沉積方法、用于涂層的材料，等。在一個實施方案中，高溫絕緣涂層的厚度在約50 μ m-約Imm范圍內，在一些具體的實施方案中，為約100 μ m-約500 μ m。在一個實施方案中，高溫絕緣涂層的擊穿電壓 (或介電強度)為至少約10kV/mm。在一個實施方案中，涂層的硬度值在約100HV-約2000HV 范圍內。隔板20布置在金屬外殼14內。隔板可具有垂直于軸的截面輪廓，其為圓形、三角形、正方形、十字形或星形。隔板通常為在使用期間傳導堿金屬離子的堿金屬離子導體固體電解質。用于隔板的合適的材料可包括堿金屬’-氧化鋁、堿金屬“-氧化鋁、堿金屬’-沒食子酸鹽或堿金屬“-沒食子酸鹽。在一個實施方案中，隔板包括β ”氧化鋁。在一個實施方案中，一部分隔板包含α氧化鋁，而另一部分隔板包含β ”氧化鋁。比起β氧化鋁，α氧化鋁可相對更順從于結合(例如，壓縮結合)，并且可有助于電池的密封和/或制造。在一個實施方案中，隔板20可為具有第一表面22和第二表面M的管狀容器。隔板通過所選的離子導電率表征。隔板的電阻(即，跨其厚度)可部分取決于自身的厚度。合適的厚度可小于約5毫米。在一個實施方案中，隔板的厚度在約0. 5毫米-約5毫米范圍內。在一個優選的實施方案中，隔板的厚度在約1毫米-約2毫米范圍內。在一個實施方案中，堿金屬離子跨隔板20在第一室沈和第二室觀之間輸送。合適的離子材料可包括鈉、鋰和鉀中的一種或多種。堿金屬為陽極材料。在一個實施方案中， 陽極材料為鈉。至少第一室或第二室可接受和儲存陽極材料儲器。在使用期間陽極材料通常熔融。適用于陽極材料的添加劑可包括金屬氧清除劑。合適的金屬氧清除劑可包括錳、 釩、鋯、鋁或鈦中的一種或多種。其他可用的添加劑可包括通過熔融陽極材料來提高隔板表面的潤濕的材料。此外，一些添加劑可關于集電器增強隔板的接觸或潤濕，以確保在整個隔板中基本上均勻的電流流動。在一個實施方案中，電化學電池12為鈉金屬鹵化物電池。第一室可含有陰極材料，第二室可含有陽極材料。陰極材料可以元素形式或作為鹽存在，這取決于電荷的狀態 (即，關于存在的材料的形式的比率)。陰極材料可含有堿金屬，并且陰極材料的鹽形式可為鹵化物。用作陰極材料的合適的材料可包括鋁、鎳、鋅、銅、鉻、錫、砷、鎢、鉬、鐵和它們的不同的組合。堿金屬的鹵離子可為氯、氟、溴、碘或它們的不同的組合。在一個實施方案中，可使用至少兩種陰極材料，S卩，第一陰極材料和第二陰極材料。第一陰極材料可包括鋁、鎳、鋅、銅、鉻和鐵。第二陰極材料與第一陰極材料不同，并且也可選自鋁、鎳、鋅、銅、鉻和鐵。其他合適的第二陰極材料為錫、砷、鎢、鈦、鈮、鉬、鉭、釩和它們的不同的組合。相對于第二陰極材料，第一陰極材料可存在的比率小于約100 1。 在一個實施方案中，相對于第二陰極材料，第一陰極材料可存在的比率在約100 1-約 50 1范圍內。在另一個實施方案中，相對于添加劑金屬，第一陰極材料可存在的比率在約 50 1-約1 1范圍內。在又一個實施方案中，相對于添加劑金屬，第一陰極材料可存在的比率在約1 1-約1 95范圍內。陰極材料可自支撐或為液體/熔融的。在一個實施方案中，陰極材料在電傳導載體結構上布置。所述載體結構可具有多種形式，例如泡沫、網、編織、氈或多個包裝的顆粒、 纖維或晶須。在一個實施方案中，合適的載體結構可由碳形成。一種示例性碳形式為網狀泡沫。載體結構也可由金屬形成。陰極材料可固定于載體結構的外表面。在一些情況下，載體結構可具有高表面積。 在載體結構上的陰極材料可與隔板的第一表面相鄰，并延伸離開該隔板表面。載體結構可離開第一表面延伸至大于約0. 01毫米的厚度。在一個實施方案中，厚度在約0. 01毫米-約 1毫米范圍內。在一個實施方案中，厚度在約1毫米-約20毫米范圍內。對于更大容量電化學電池，厚度可大于20毫米。含硫或含磷添加劑可布置在陰極材料中。例如，元素硫、硫化鈉或三苯基硫化物可布置在陰極中。在陰極中存在這些添加劑可降低或防止鹽的重結晶和晶粒生長。在另一個實施方案中，電化學電池12為鈉-硫電池。在該實施方案中，第一室含有為鈉的陽極材料，第二室含有陰極材料。陰極材料通常為硫。如以上討論的，電化學電池12具有集電器32和34，包括陽極集電器和陰極集電器。陽極集電器與陽極材料電連通，陰極集電器與陰極材料電連通，或者與相應的室電連通。用于陽極集電器的合適的材料可包括W、Ti、Ni、Cu、Mo或其中兩種或更多種的組合。還可使用碳。陰極集電器可為金屬絲、葉片或網，通常由Pt、Pd、Au、Ni、Cu、C或Ti形成。集電器可被電鍍或鍍過。陽極集電器和陰極集電器通常具有大于約1毫米(mm)的厚度。第一室沈和第二室28可通過密封結構(在圖中未示出)密封至隔板20，所述密封結構例如墊圈、密封條或密封組合物。密封結構使得電池的內含物與環境之間分離，并且也防止泄漏和污染。另外，密封結構將第一室和第二室與外部環境隔離和彼此隔離。例如，所述密封結構可為玻璃狀組合物、金屬陶瓷或它們的組合。合適的玻璃狀密封組合物可包括但不限于磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、鍺酸鹽、釩酸鹽、鋯酸鹽和砷酸鹽。這些材料可采用不同的形式，例如，硼硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硅酸鈣、二元堿金屬硅酸鹽、堿金屬硼酸鹽或其中的兩種或更多種的組合。金屬陶瓷可含有氧化鋁和難熔金屬。合適的難熔金屬可包括鉬、錸、鉭或鎢中的一種或多種。或者，隔板的末端部分可包括α氧化鋁。α氧化鋁可與密閉第二室的蓋直接結合。合適的結合方法可包括熱壓縮結合、擴散結合或薄膜鍍金屬。這些方法中的每一種可與焊接或銅焊技術結合使用。密封結構能在升高的溫度下保持完整。第一室沈和第二室觀各自通常在大于約 3000C的溫度下密封。在一個實施方案中，電池組包裝組件的運行溫度范圍為約250-400°C。 在一些優選的實施方案中，電池組包裝的運行溫度可在約270°C -約350°C范圍內變化。在某些實施方案中，電池組包裝的運行溫度可高達約400°C。在鹵素和陽極材料存在下，隔板不蝕刻或成坑。根據本發明的一個實施方案，提供了在電池組包裝中在單個電化學電池之間提供電隔離的方法。所述方法包括將高溫絕緣材料的涂層施用于電池的外表面的步驟，通常 (但不總是)對每個電池施用。高溫絕緣材料的熔點大于電池組包裝的運行溫度。通過高溫熱沉積方法施用高溫絕緣涂層。多種沉積技術可用于高溫絕緣涂層的沉積。合適的高溫熱沉積方法的實例包括但不限于等離子體噴霧方法、HVOF(高速氧-燃料)噴霧方法、液體火焰噴霧方法和冷噴霧方法。在一個示例性實施方案中，等離子體噴霧沉積為空氣等離子體噴霧(APS)沉積方法。在一些實施方案中，高溫絕緣涂層為如以上討論的陶瓷涂層。在那些實施方案中，可使用基于前體的沉積技術。所述前體可為溶膠、凝膠、溶膠溶液、溶膠-凝膠或填充顆粒的前體。可在沉積后，在熱處理下進行涂布。例如，鋁可在合適的溶劑(例如正丁醇、正丙醇或異丙醇) 中混合，以形成合適的前體(例如，相應的醇鹽)。或者，含有鋁的有機金屬化合物可用作前體。可通過合適的基于液體前體的噴霧技術沉積涂層，并熱處理，以形成致密的氧化物氧化鋁。
雖然本文僅舉例說明和描述了本發明的某些特征，但是本領域技術人員可想到許多修改和變化。因此，應理解的是，所附權利要求旨在涵蓋落入本發明真實精神內的所有的這種修改和變化。
權利要求
1.一種電池組包裝組件，所述組件包含多個電化學電池，所述電化學電池通過施用于電化學電池外表面的高溫電絕緣涂層彼此電隔離。
2.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述多個電化學電池以串聯、并聯或串聯和并聯排列的組合電連接。
3.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述電化學電池的外表面包含金屬外殼。
4.權利要求3的電池組包裝組件，其中所述金屬外殼包含選自鎳、低碳鋼、不銹鋼、涂鎳的鋼、鉬和涂鉬的鋼的金屬材料。
5.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述高溫電絕緣涂層包含陶瓷、搪瓷、高溫絕緣聚合物或它們的組合。
6.權利要求5的電池組包裝組件，其中所述陶瓷包含氧化物、碳化物或氮化物。
7.權利要求5的電池組包裝組件，其中所述高溫絕緣聚合物為選自硅烷、硅氮烷、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺、酚醛塑料、三聚氰胺和脲醛樹脂的聚合物。
8.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述絕緣材料的熔點為至少約500°C。
9.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述涂層的厚度在約50μπι-約Imm范圍內。
10.權利要求9的電池組包裝組件，其中所述涂層的厚度在約100μ m-約500 μ m范圍內。
11.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述涂層的擊穿電壓為至少約10kV/mm。
12.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述涂層的硬度值在約100-約2000HV范圍內。
13.權利要求1的電池組包裝組件，其中每個電化學電池包含第一室、第二室和隔板， 所述隔板具有限定第一室的至少一部分的第一表面和限定第二室的第二表面，并且第一室通過所述隔板與第二室離子連通。
14.權利要求13的電池組包裝組件，其中所述第一室與第二室電絕緣。
15.權利要求13的電池組包裝組件，其中所述第一室布置在第二室內。
16.權利要求13的電池組包裝組件，其中所述隔板為堿金屬-離子導體，并且包含堿金屬-β-氧化鋁、堿金屬-β 〃 -氧化鋁、堿金屬沒食子酸鹽或堿金屬〃 -沒食子酸鹽中的至少一種。
17.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述電化學電池為鈉金屬鹵化物電池。
18.權利要求1的電池組包裝組件，其中所述電化學電池為鈉-硫電池。
19.權利要求13的電池組包裝組件，其中至少第一室或第二室包含本身包含鈉的陽極材料。
20.一種用于在電池組包裝組件中在單個電化學電池之間提供電隔離的方法，所述方法包括通過高溫熱沉積方法將高溫絕緣材料的涂層施用于每個電池的外表面的步驟，其中所述高溫絕緣材料的熔點大于電化學電池的運行溫度。
21.權利要求20的方法，其中所述高溫熱沉積方法為等離子體噴霧方法、HVOF(高速氧-燃料)方法或冷噴霧方法。
全文摘要
本發明描述了一種電池組包裝組件。所述電池組包裝組件包含多個電化學電池，其中所述電化學電池通過施用于每個電化學電池的外表面的高溫電絕緣涂層彼此隔離。本發明還描述了用于在單個電化學電池之間提供電隔離的方法。
文檔編號H01M10/39GK102598348SQ201080049793
公開日2012年7月18日 申請日期2010年7月13日 優先權日2009年8月28日
發明者M·拉馬內, V·S·文卡塔拉馬尼 申請人:通用電氣公司