[发明专利]电化学电池单元的缠绕式电极组件及制造其的方法和装置

说明书

技术领域

本公开涉及一种包括螺旋缠绕式电极组件的电化学电池单元以及以螺旋构造缠绕该电极组件的方法。具体地，本公开涉及包括当在横截面中观察时具有多边形形状的螺旋缠绕式电极组件的电化学电池单元，以及螺旋缠绕该电极组件以使其具有多边形形状的方法。

背景技术

电池组为从便携式电子设备到可再生动力系统和环保车辆的各种技术提供电力。例如，混合电动车辆（HEV）结合内燃发动机使用电池组和电动马达以提高燃料效率。电池组由多个电池模块形成，其中每个电池模块包括若干电化学电池单元。模块内的电池单元串联或并联地电连接。同样地，电池组内的电池模块串联或并联地电连接。

与常规混合电动车辆一起使用的一些电池组被设计成提供相对高的电压，例如400伏特（V）。为了实现该高电压，电池组包括数百个电化学电池单元，且因此会非常大。为了减小电池组的空间需求，期望改善电池组、模块和电池单元内的空间利用（容积效率）。

已经出现不同的电池单元类型以便应对多种多样的安装情况的空间需求，并且在汽车中所使用的最常见的类型是圆筒形电池单元、多边形（即棱柱形）电池单元和软包电池单元。不论电池单元的类型如何，每个电池单元均可以包括电池单元壳体和布置在电池单元壳体中的电极组件。电极组件可以设置成例如呈堆叠构造或卷绕构造。堆叠构造可包括与负极板交替并且由中间分隔件板（separator plate）分开的一系列堆叠的正极板。卷绕构造可包括由与细长的负电极堆叠并且由分隔件分开的细长的正电极形成的电极对。卷绕构造可通过将电极对缠绕在心轴上来形成。例如，可以使心轴围绕缠绕轴线旋转，并且电极对被缠绕在心轴上。心轴的横截面形状通常为圆形，并且缠绕在其上的电极对形成具有圆筒形形状的绕组。尽管具有矩形或扁平形状的主轴已经被用于尝试形成具有矩形横截面形状的绕组，但是所得的绕组的外层会具有圆角，其中圆角的半径随绕组的匝数增加。

包括缠绕式电极组件的多边形电池单元的体积效率相对于其它构造而言是低的，因为电极组件可包括不填充多边形电池单元壳体的内角的圆角。存在对于包括卷绕式电极组件的多边形电池单元的内部体积的改进的使用的需要。

发明内容

在一些方面，电化学电池单元包括布置在电池单元壳体内的电极组件。电极组件由包括正电极、负电极和布置在正电极和负电极之间的分隔件的堆叠电极对形成。电极对被设置成呈螺旋缠绕构造，其包括布置在相邻线性部分之间的相交部处的角部分。具体地，电极对被布置成形成多边形螺旋缠绕构造，其中多边形螺旋缠绕构造的每匝的角部分的半径是恒定的，而与匝数无关。此外，绕组的一匝的线性部分的长度不同于绕组的另一匝的线性部分的长度。因此，电化学电池单元可包括具有可变长度和恒定半径的绕组，即，每匝的角部分的半径保持恒定，而不论匝数如何，并且线性部分的长度变化。因此，能够将绕组的最外层的角部分的半径设定为对应于期望的多边形形状。例如，能够形成矩形绕组以便在具有高容积效率的棱柱形电池单元壳体中使用。

这能够与一些常规缠绕式电极对相比较，常规缠绕式电极对中线性部分的长度不随每一匝改变，而且每个角的半径随每一匝增加。以下等式（等式1）可指导这种常规缠绕式电极对：

（等式1）：绕组的长度＝（a*边长*n）+（b*2*Σ*R*n*ø/360）

在等式1中，

a =多边形的边数（假设所有边相等）

b =多边形的角的数量，其中术语“角”指代对应于两个相邻边的相交部的区域

r =角的半径

ø=角的角度

n =匝数

R =Σnr

将观察到的是，在这种常规缠绕式电极对中，在每一匝上，边长均不改变，而且每个角的半径增加因子nr（取决于该匝）。因此，这种常规缠绕式电极对能够被认为具有恒定的长度和可变的半径。随匝数增加，半径增加，并且因此电池单元壳体内的电极组件的容积效率降低。

在一些方面，电极组件包括堆叠的电极对。电极对包括正电极、负电极和布置在正电极和负电极之间的分隔件。电极对以多匝螺旋缠绕式构造设置，以形成包括布置在线性部分之间的角部分的绕组。绕组的每匝的角部分的半径是恒定的，而不论匝数如何。

电极组件可包括以下特征中的一个或多个：绕组的一匝的线性部分的长度不同于绕组的另一匝的线性部分的长度。绕组的单匝内的连续线性部分的长度沿从电极对的最外端朝向电极对的最内端的方向减小。