用于電池組制造中輕金屬組件的腐蝕防護(hù)的等離子涂層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及用于鋰離子電池組電池(lithium-1on battery cell)材料的棱柱形鋁或鎂容器的涂層，從而保護(hù)輕質(zhì)金屬免受鹽水腐蝕，并且當(dāng)它們?cè)谑褂弥信獫駮r(shí)在觸摸容器之間提供電絕緣。更具體地，當(dāng)鋁或鎂容器中已裝有其熱敏電極和電解質(zhì)成分后，提供可用于在大氣環(huán)境中和相對(duì)較低的溫度下涂布該容器的涂料和常壓等離子涂布方法。本發(fā)明的實(shí)踐對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)輛上使用的鋰離子電池組裝體(battery assembly)或其中輕金屬電池組容器可能暴露于含水腐蝕性鹽或類(lèi)似物的其它應(yīng)用特別有用。
發(fā)明背景
[0002]鋰離子電池組電池的組裝體越來(lái)越多地應(yīng)用于提供機(jī)動(dòng)車(chē)輛中的動(dòng)力。電池組的各個(gè)電池能夠提供約三至四伏的電勢(shì)以及基于電池中電極材料的組成和質(zhì)量的直流電流。電池能夠經(jīng)過(guò)多個(gè)循環(huán)的放電和再充電。通過(guò)以并聯(lián)電連接和串聯(lián)電連接組合的方式組合合適數(shù)目的獨(dú)立電池來(lái)組裝電池組以供應(yīng)用，從而滿足特定電動(dòng)機(jī)的電壓和電流要求。在電動(dòng)車(chē)輛的鋰離子電池組應(yīng)用中，組裝后的電池組可包括，例如，高達(dá)三百個(gè)獨(dú)立包裝的電池，其電互連以為牽引電動(dòng)機(jī)提供四十至四百伏電壓和足夠的電功率以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。由電池組所產(chǎn)生的直流電流可被轉(zhuǎn)化成交流電流以用于更有效的電機(jī)運(yùn)行。
[0003]電池組可以用作電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車(chē)輛的唯一動(dòng)力源或作為各種類(lèi)型的由(一個(gè)或多個(gè))電動(dòng)機(jī)和烴燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的組合供能的混合動(dòng)力車(chē)輛中的參與動(dòng)力源。在減少所有類(lèi)型功耗的需求中，存在對(duì)降低車(chē)輛所有組件的質(zhì)量，包括鋰離子電池組的質(zhì)量的持續(xù)需求。
[0004]用于給機(jī)動(dòng)車(chē)輛供能的鋰離子電池組通常使用獨(dú)立電池的殼體(can)進(jìn)行組裝。也就是說(shuō)，各電池都具有其自身的殼體，其包圍鋰離子電池的材料元件，該鋰離子電池具有自各電池容器伸出的用于與另外一個(gè)或多個(gè)電池的電極極耳(tab)互連的導(dǎo)電性電極極耳(端子)。一定數(shù)量的電池殼體，例如12或24個(gè)電池殼體，通常分組并相互連接為“模塊”。一定數(shù)量的模塊，或類(lèi)似物，組裝成具有所需電壓和電流生產(chǎn)容量的“包(pack)”。電池殼體的形狀往往是棱柱形，具有六個(gè)矩形側(cè)面和底面，用于模塊的組裝和支撐。所述殼體給組裝的電池組和電池組供能的車(chē)輛增加了重量。
[0005]所述殼體的材料必須為電池組件的組裝和容納提供強(qiáng)度，并且所述殼體必須能夠冷卻電池組的電池，因?yàn)殡娀瘜W(xué)電池在其使用中產(chǎn)生大量的熱。另外，在機(jī)動(dòng)車(chē)輛應(yīng)用中，鋰離子電池組裝體通常位于車(chē)體結(jié)構(gòu)的低位，在此位置其可能暴露于來(lái)自路面的外部腐蝕性材料。此前，出于強(qiáng)度、熱傳遞以及耐鹽水性的目的，已經(jīng)由鋼制成殼體。但鋼相對(duì)較重。有必要適應(yīng)更輕的金屬以用于意在汽車(chē)應(yīng)用的鋰離子電池組電池的組裝體中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐，使合適的鋁合金或鎂合金材料成形為合適的薄壁容器形狀，其用于插入鋰離子電池的元件。如上所述，容器的形狀通常是棱柱形并且將它們稱(chēng)為殼體。通常使殼體成形為具有已移去的(或可移動(dòng)的)側(cè)面(或頂面)，以便可以將預(yù)成型的電極材料和隔膜材料放置在開(kāi)放側(cè)面的殼體中。典型地，多步驟程序涉及殼體中的電極材料、隔膜和電解質(zhì)的放置，電極極耳焊接到殼體上的端子以與其它殼體等互連，如將在本說(shuō)明書(shū)下文中更詳細(xì)描述的那樣。但是，按照本發(fā)明，將含聚硅氧烷(silicone)聚合物的涂料施加到殼體的外表面(和任選施加到內(nèi)表面)以保護(hù)輕質(zhì)鋁或鎂免受鹽水或其它腐蝕性環(huán)境材料侵蝕。
[0007]涂布方法使用六甲基二硅氧烷(HMDSO)作為起始材料，并且通過(guò)低溫常壓等離子體處理將該材料施加到輕金屬殼體的表面。液態(tài)HMDSO被輸送到等離子體噴嘴(可商購(gòu))，在其中液態(tài)HMDSO在空氣-等離子體物流中被蒸發(fā)，并且該噴嘴對(duì)著具有其鋰離子電池材料內(nèi)容物的鋁殼體或鎂殼體的表面。優(yōu)選地，該材料通過(guò)等離子體噴嘴輸送到殼體的所有外表面，以形成聚合六甲基二硅氧烷(典型地，聚硅氧烷聚合物)的共同延伸的涂層。厚度為約
0.1至約I至約3微米的涂層通常適合于保護(hù)輕金屬殼體材料免受車(chē)輛運(yùn)行中遇到的腐蝕性元素。該涂層是疏水性的以將電池殼體表面與周?chē)乃艚^，并且還提供接觸電池殼體表面時(shí)的電絕緣層以電隔離它們，特別是在水的存在下。
[0008]所選擇的涂料和常壓等離子體涂布方法的優(yōu)點(diǎn)是，該保護(hù)性涂料可在生產(chǎn)線上任何多個(gè)不同步驟或位置處機(jī)械施加到(例如)鋁殼體或鎂殼體表面，其中鋰離子電池元件被放置在殼體中，或用殼體上的端子形成電極連接，或者將電解質(zhì)插入到殼體中，或者殼體閉合(can closure)、電池活化、殼體密封、電池殼體測(cè)試或預(yù)成形的鋰離子電池殼體的其它處理。當(dāng)制造和組裝電池時(shí)，可以將耐久性疏水聚硅氧烷類(lèi)聚合物涂料施加到輕金屬殼體的表面，并且該涂料可以施加并成形而不會(huì)損壞其所施加至其上的容器內(nèi)的重要組成。
[0009]任選地，可以在插入電池的活性元件之前涂布?xì)んw的內(nèi)表面。并且可以在將殼體傳送到在線(in-line)操作之前涂布?xì)んw的外表面，在所述在線操作中將電池元件組裝在輕金屬殼體中。但優(yōu)選的是在電池元件的在線類(lèi)型組裝和制造以及將它們放置在其中它們要用于車(chē)輛電池組的輕金屬容器中的預(yù)定步驟中涂布外表面。
[0010]本發(fā)明實(shí)踐的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將從涂布方法的一個(gè)實(shí)例的詳細(xì)描述中變得明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0011]附圖是一個(gè)直立的鋁殼體或鎂殼體的斜視圖，其具有移除的主側(cè)面部分，顯示出容器中一卷層狀鋰離子單電池(lithium-1on single-cell)元件的放置。在圍繞電池元件至少部分閉合所述殼體之后，使用例如計(jì)算機(jī)控制的機(jī)載(robot-carried)噴嘴，用來(lái)產(chǎn)生空氣中二硅氧烷的常壓等離子體并且施加聚硅氧烷基涂料到電池材料的輕金屬容器表面上，從而將聚合六甲基二硅氧烷的涂料施加到殼體的每一個(gè)外表面上。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明涉及生產(chǎn)用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛電池組，特別是用于其中要將電池組安置在車(chē)輛上(其中電池(或獨(dú)立的電池殼體)可能暴露于道路飛濺的鹽水或其它腐蝕性水組分)的應(yīng)用的鋰離子電化學(xué)電池。每個(gè)電池的電極和隔膜元件通常單獨(dú)成形，其以合適的電池排布來(lái)組裝，并放入預(yù)成形的、部分開(kāi)口的容器主體或者殼體中。該容器殼體的形狀通常為棱柱形，其具有三組相對(duì)的矩形側(cè)面，因此多個(gè)殼體可以放置在一起，并電互聯(lián)以形成車(chē)輛電池組。在許多應(yīng)用中，將2至300個(gè)基本上相同的單電池加入I或T形的排布中并且放置在互補(bǔ)支護(hù)盤(pán)或板上，其承載在車(chē)體的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。并且提供了用于多個(gè)電池殼體的水冷卻(或水-乙二醇冷卻)的裝置，因?yàn)楫?dāng)其放電和充電時(shí)，它們產(chǎn)生熱量。有時(shí)冷卻導(dǎo)管在殼體中，或作為殼體的一部分成形。
[0013]當(dāng)車(chē)輛在許多道路位置、條件和氣候下行駛時(shí)，在電池組構(gòu)件和支撐件的組件在車(chē)體上的位置，其也會(huì)暴露于環(huán)境水。容器主體由鋼制成，或者由合適的聚合物組分(或聚合物/金屬箔層疊體)制成，以抵抗環(huán)境鹽水腐蝕。但聚合物材料不容易將熱量從運(yùn)行的鋰離子電池中傳導(dǎo)離開(kāi)，而鋼相對(duì)較重。本發(fā)明的目的是使輕金屬容器材料(如鋁或鋁合金或者鎂或其合金)適應(yīng)用作獨(dú)立的鋰離子電池用殼體材料或容器材料。按照本發(fā)明的實(shí)踐，通過(guò)使用低溫、常壓等離子體噴涂工藝施加六甲基二硅氧烷以在輕金屬電池殼體的表面上形成聚硅氧烷聚合物涂層。所得的聚硅氧烷聚合物涂層提供針對(duì)構(gòu)成電池組裝體的鋁殼體或鎂殼體的基于水的腐蝕的良好保護(hù)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，在其中將電極-電流導(dǎo)體元件、隔膜元件和電解質(zhì)組裝并且適配到其長(zhǎng)方棱柱形容器中的在線組裝/生產(chǎn)方法過(guò)程中使聚硅氧烷涂層在鋁殼體或鎂殼體表面上形成。
[0014]該附圖圖解了示例性長(zhǎng)方棱柱形電池殼體10，其具有六個(gè)由合適的鋁或鎂合金形成的薄壁側(cè)。如上所述，該電池殼體的形狀可使其能夠相對(duì)類(lèi)似形狀的電池殼體放置以組裝電池模塊等。在該圖解中，電池殼體10的正面主垂直側(cè)(front-facing major verticalside)12很大程度上是剖開(kāi)的以顯示電池的實(shí)體元件的組裝卷(assembled roll) 14。電池殼體10的背面主垂直側(cè)與正面?zhèn)?2的尺寸和形狀相同，但此視圖中隱藏了背面?zhèn)取Ｒ粋€(gè)垂直邊側(cè)16是可見(jiàn)的，并且相對(duì)的、類(lèi)似形狀的垂直邊側(cè)被隱藏。電池殼體10的底表面被隱藏，而頂側(cè)18顯示在與電池殼體10的側(cè)面12、16分離和升高的位置。在本發(fā)明的許多實(shí)踐中，電池殼體1的頂側(cè)18沒(méi)有連接到電池殼體結(jié)構(gòu)的剩余部分中，直到電池的固體元件的組裝卷14已經(jīng)放置在頂部開(kāi)放的殼體中。
[0015]在本發(fā)明的這一實(shí)施方案中，薄層電池元件的組裝卷14由陽(yáng)極元件20的單一的相對(duì)較長(zhǎng)的層、長(zhǎng)的隔膜層22、陰極元件24的單一的相對(duì)較長(zhǎng)的層和另一個(gè)長(zhǎng)的隔膜層22組成。陽(yáng)極元件20的層將具有