棱柱形电池单元，具棱柱形电池单元的电池及其制造方法.pdf

一种棱柱形电池单元，包括分别连接在一个正集电器和一个负集电器上的一个正电极组和一个负电极组，每个所述正电极组和所述负电极组包括多个正负电极板，所述正负电极组装配成使正负电极板交替堆叠，而在相邻的正负电极之间插入隔板，其中，一个电极组的电极板叠加在一起，并且焊接在对应的集电器上，该焊接大体上沿着电极组的叠加部分，并且至少位于远离所述电极组的所述集电器的表面上。

1.  一种棱柱形电池单元，包括分别连接在一个正集电器和一个负集电器上的一个正电极组和一个负电极组，每个所述正电极组和所述负电极组包括多个正负电极板，所述正负电极组装配成使正负电极板交替堆叠，而在相邻的正负电极之间插入隔板，其特征在于，一个电极组的电极板叠加在一起，并且焊接在对应的集电器上，该焊接大体上沿着电极组的叠加部分，并且至少位于远离所述电极组的所述集电器的表面上。

2.  根据权利要求1的电池，其特征在于，所述集电器包括一个长条形的通槽，其中容纳有所述电极组的叠加部分，所述电极组大体上沿着所述槽焊接在所述集电器上。

3.  根据权利要求2的电池，其特征在于，所述槽大体上平行于所述电极板较长的侧面伸展。

4.  根据权利要求2的电池，其特征在于，所述通槽靠近所述集电器的中心。

5.  根据权利要求2的电池，其特征在于，所述槽沿着所述集电器的长度方向纵向伸展。

6.  根据权利要求2的电池，其特征在于，所述集电器的宽度相当于或大于所述电极组的堆叠厚度。

7.  根据权利要求1的电池，其特征在于，所述集电器包括板状元件，所述板状元件的宽度大体上垂直于所述电极板，使得该焊接部分具有大体上为T形的横截面。

8.  根据权利要求2的电池，其特征在于，所述集电器的厚度大于适合于电子束焊接或二氧化碳激光器焊接的厚度。

9.  根据权利要求2的电池，其特征在于，所述焊接为弧焊，包括惰性气体保护焊。

10.  根据权利要求2的电池，其特征在于，所述电池单元为具有碱性电解液的可充电的镍金属电池单元。

11.  根据权利要求1的电池，其特征在于，所述电极组的叠加部分夹在所述集电器之间。

12.  根据权利要求1的电池，其特征在于，所述电池单元密封在一个塑料外壳内部，并且所述集电器连接在露在所述塑料外壳外面的接线柱上，所述接线柱的横截面宽度与堆叠的电极板的宽度相当。

13.  一种电池，包括前述权利要求的任意一种电池单元。

棱柱形电池单元，具棱柱形电池单元的电池及其制造方法
发明领域
本发明涉及棱柱形电池单元，具棱柱形电池单元的电池及其制造方法。具体而言，本发明涉及可充电的棱柱形电池单元以及具有棱柱形电池单元的可充电电池。更准确地说，本发明涉及具有棱柱形单元的可充电的NiMH(镍金属氢化物)可充电电池，当然其并不仅限于此。
背景技术
大体上为棱柱形的电池单元是最普通和最常涉及的，并且被称为棱柱形电池单元。棱柱形电池单元具有一种特有的棱柱形，更准确地说是一种矩形棱柱形，因为电池单元通常是由多个大体上为矩形的电极板平行地堆叠而形成的一个基本上为矩形的棱柱形电极组。每个平行电极板连接到它们各自的集电器上，进而连接到它们各自的接线柱上。
电极组的配件，集电器以及接线柱一般被封装在一个棱柱形外壳中，使得封装好的电池单元整体形状为棱柱形，由此而称为“棱柱形电池单元”。一个棱柱形电池一般包括多个平行布置并整体连接在一起的棱柱形电池单元，使得该电池同样也整体上为棱柱形。然而，可以理解术语“棱柱形电池单元”一般是指具有多个平行堆叠的电极板的电池单元，这些电极板沿着它们相应的横向侧面电连接在一起，以区别于圆柱形电池单元，其中圆柱形电池单元的每个电极组包括一个螺旋形或螺旋盘绕成的多个大体上为圆柱形表面的电极板。
在本说明书中，术语“棱柱形电池单元”并不意味着将其限定或限制为棱柱形的电池单元，而可以总体上扩展为包含具有正负电极组的电池单元，其具有多个一端连接而相反的另一端非电连接的平行堆叠的电极板。该正负电极组的电极板是相互交替堆叠的，并且在连接到相应的集电器之前穿过了该相应电极组的开口。应当理解，棱柱形电池单元具有矩形电极板是很常见的，但是电极板为矩形既不是基本的又不是绝对必需的。
具有棱柱形单元的电池通常用于大电流场合或应用于需要大功率密度的场合。例如，诸如镍金属氢化物(NiMH)电池之类的可充电棱柱形电池近年来已经被广泛应用于电动车(EV)或氢动力电动车(HEV)的动力来源，因为它们具有高能量密度的特性。
一般地，电能是通过处于液体电解质中的正负电极组之间发生化学反应而产生的，并且首先通过集电器然后通过接线柱传递给负载。在很多电池中，电极板和集电器之间的接触点是电池内电阻的重要来源。较高的内电阻意味着高能损耗并且会引入热损耗问题，这是因为在电极板和集电器之间的接合点将会产生热量。这种能量损耗和发热对于大电流场合，例如对于电动车或氢动力电动车的场合，是特别不受欢迎的，这是因为它会对效率产生不利影响，并且为了防止过热而避免过早损坏或电池损坏，内部的热量需要适当地耗散出去。
US6,544,684描述了一种棱柱形电池，其中集电器板沿着多个选定的区域在靠近电极板的集电器的内表面长度方向垂直地焊在电极板的侧边。
US6,457,667试图使用热喷镀工艺将电极和集电器连接起来。
然而，通常的电池单元结构并不是完全令人满意的，仍然需要对棱柱形电池单元以及具有该电池单元的电池加以改进。
发明内容
根据本发明，提供一种棱柱形电池单元，包括分别连接在一个正集电器和一个负集电器上的一个正电极组和一个负电极组，每个所述正电极组和所述负电极组包括多个正负电极板，所述正负电极组装配成使正负电极板交替堆叠，而在相邻的正负电极之间插入隔板，其中，一个电极组的电极板叠加在一起，并且焊接在对应的集电器上，该焊接大体上沿着电极组的叠加部分，并且至少位于远离所述电极组的所述集电器的表面上。
优选，所述集电器包括一个长条形的通槽，其中容纳有所述电极组的叠加部分，所述电极组大体上沿着所述槽焊接在所述集电器上。
优选，所述槽大体上平行于所述电极板较长的侧面伸展。
优选，所述通槽靠近所述集电器的中心。
优选，所述槽沿着所述集电器的长度方向纵向伸展。
优选，所述集电器的宽度相当于或大于所述电极组的堆叠厚度。
优选，所述集电器包括板状元件，所述板状元件的宽度大体上垂直于所述电极板，使得该焊接部分具有大体上为T形的横截面。
优选，所述集电器的厚度大于适合于电子束焊接或二氧化碳激光器焊接地厚度。
优选，所述焊接为弧焊，包括惰性气体保护焊。
优选，所述电池单元为具有碱性电解液的可充电的镍金属电池单元。
优选，所述电极组的叠加部分夹在所述集电器之间。
优选，所述电池单元密封在一个塑料外壳内部，并且所述集电器连接在露在所述塑料外壳外面的接线柱上，所述接线柱的横截面宽度与堆叠的电极板的宽度相当。
下面将参照附图以示例的方式对本发明的优选实施例进行详细说明，其中：
图1显示的是平行堆叠在一起的多个正负电极板，
图1A是图1所示的堆叠电极板的俯视平面图，
图2显示的是图1所示的堆叠电极板叠加成一个正电极组和一个负电极组，
图2A显示的是图2所示的叠加的电极组的俯视平面图，
图3A显示的是包括正负电极组，集电器和接线柱的一个配件的第一优选实施例的部分分解装配图，
图3B是图3A的配件和一个棱柱形电池单元外壳的部分分解图，
图4A显示的是包括正负电极组，集电器和接线柱的一个配件的第二优选实施例的部分分解装配图，
图4B是图4A的配件和一个棱柱形电池单元外壳的部分分解图，
图5A显示的是包括正负电极组，集电器和接线柱的一个配件的第三优选实施例的部分分解装配图，
图5B是图5A的配件和一个棱柱形电池单元外壳的部分分解图，
图6显示的是包括本发明的一个棱柱形电池单元的棱柱形电池。
在本说明书下列描述中，以一个镍金属氢化物(NiMH)电池作为一个适当的示例进行说明，因为镍金属氢化物可充电电池已经被广泛使用了，并且已知在合理的价格下具有较高的能量密度特性以及具有合理的电池寿命。然而，应当理解，对本领域技术人员而言，不失一般性，本说明书对其它类型的棱柱形电池已作必要的改进，尤其对于可充电棱柱形电池。
图1显示的是一堆平行插入的正负电极板，其中相邻的电极板之间插入有隔板。电极板被分成一个正电极组10和一个负电极组20，其中正电极组包括多个具有正引导部分12的正电极板11，负电极组包括多个具有负引导部分22的负电极板21。所述正负电极集中在一起形成一个棱柱形单元的电极组。电极组10，20设置成使正电极板11和负电极板21交错，在每一对正负电极板之间插入有一个隔板30。
每个电极板包括一个有效区域40和一个引导区域50。一对正负板相应的有效区域并列布置，并且在电解液存在的情况下反应将化学能转换成电能。一个典型的棱柱形电池单元的电极板的有效区域40大体上为矩形，其较长或纵向的侧面与引导部分50并列布置。引导部分50一般是长条形的，并且具有与有效区域的纵向侧面同样的长度，同时大体上为矩形。电极板的矩形有效区域通常由一块矩形基础材料形成，因此有效区域40和引导部分50具有大体上同样的长度。当然，应当理解，有效区域通常为矩形，但这并不是绝对必需的，有效区域可以使用矩形之外的形状，这并不失一般性。
在一个镍金属氢化物可充电电池中，正电极板的有效区域由一种镀有氢氧化镍的镍泡沫金属组成。电极板一般很薄以减少材料成本和重量，这是因为电荷发生反应实质上是在表面上进行的。集电器通常是具有良好的导热性和导电性的镀镍铜或钢。对于棱柱形电池单元，其电极板通过电子束焊接或二氧化碳激光器焊接连接到集电器上，集电器一般是薄的镀镍板，这是因为实际的熔合线是位于焊接电源的靠近表面后面的。由于这种集电器板具有一个很小的横截面积，所以它们对于导热和导电并非特别有效。在电极板点焊于集电器的位置上，焊点通常存在较高的电阻，因而集电器的传导并不能十分有效地散除不利的热量。
在本发明中，电极板的引导部分50首先叠加在一起。此处的叠加并不仅仅限于电极组各自的引导部分的压接，包装，集聚，焊接或扣紧。叠加的引导部分可以通过钎焊，熔接或诸如铆接的机械固定方式来进一步保持。此外，在引导部分叠加在一起之前，电极组通常已经是以一种紧密压紧的关系与相邻的电极板形成交错的结构了。
参照图3A至5B，叠加的电极组与集电器和接线柱整体装配在一起。配件被插入一个棱柱形外壳中。
参照图3A和3B，显示的是本发明的一个棱柱形电池单元的优选实施例。首先参照图3A，电极板处于平行堆叠的插入结构状态，使得同一电极组的电极板沿着引导部分的外侧和较长的自由边被叠加在一起。这种叠加可以通过，例如电极板的引导部分的自由纵向的或较长的侧面机械压接在一起。这种叠加可以进一步通过电极板的叠加边缘的熔焊或钎焊，或通过其他的机械固定，例如，通过铆接，而得到加强。电极组已经叠加在一起之后，电极组就连接到了集电器上。
此优选实施例的集电器60包括两个部分。第一部分61包括一个主导体元件61，其大体上为倒L形，并具有一个从倒L形主导体元件的较短的弯曲端的上表面62伸出的一个大体上圆柱形的接线柱70。主导体元件的较长的侧面63的一部分大体上纵向沿着主导体元件的较长的侧面63的整个长度伸出，使得倒L形主导体的较长的侧面从其水平方向看的时候，也具有一个倒L形。
第二部分64包括一个大体棱柱形的元件，其与主导体元件的较长的伸出部分配合，使得当第一61和第二部分64钎焊或熔焊在一起的时候，电极组的叠加部分被夹在该两个部分中间，集电器的较长侧面大体为矩形。包含交错和叠加的电极组13，23的配件和集电器60安装在一起。安装之后，叠加的电极组就夹在该两个集电器之间，即正负集电器的内表面彼此相对。
下面描述配件的安装，包括叠加电极组和集电器，叠加的电极组的较长或横向的侧面首先与集电器的主导体元件的较长的侧面纵向对齐。集电器60的第二部分64然后通过，例如一个夹具加以定位，使得电极组的纵向叠加部分牢固地夹持在集电器的第一部分61和第二部分64之间形成的缺口之间。叠加部分然后大体上沿着其整个长度熔焊或钎焊到集电器上，使得电极叠加部分的两个横向侧面分别钎焊在集电器的第一和第二部分。
通过基本上沿着叠加部分的整个长度构成电连接，并且通过在靠近叠加部分的集电器的两边之间构成电接触，可以基本上获得更好的导电性和导热性。
此外，由于熔焊或钎焊是沿着集电器的前或外表面进行而将电极板叠加在一起的，熔焊可以更好地得到控制，并且电极板的过早熔化不会成为主要问题。
此外，由于在焊接时叠加部分夹在集电器的第一和第二部分间形成的缺口之间，且焊接也发生在集电器的前或外表面上，因而主导体元件可以足够厚，用以提高导热性和导电性，从而不但减少了内电阻同时提供了通过集电器然后到达接线柱以至外界散热的更好的通道。配件已经形成之后，配件被插入一个装有碱性电极的外壳80中，然后该外壳可以通过密封操作密封起来。应当注意，外壳大体上是棱柱形，使得密封的电池单元大体上也是棱柱形。
参照图4A和4B，显示的是本发明的第二优选实施例。第二优选实施例的棱柱形单元结构大体上与图3A和3B所示的第一优选实施例相同。下列说明中，相同的附图标记将做适当的扩展。
参照图4A和4B，集电器是一个大体上倒L形的主构件，其具有一个沿着集电器的主侧面纵向伸展的通槽，而电流连接器并不具有一个第一部分和一个第二部分。纵向通槽65适合于紧密地容纳叠加部分，使得各个电极组的叠加部分沿着通槽紧密地容纳在其中。电极组的叠加的引导部分已经安装进纵向通槽之后，电极组的叠加引导部分可以熔焊或钎焊在集电器的主侧面上。由于叠加的引导部分是沿着通槽容纳的，因而焊接可从集电器的外表面进行，从而可以实现更好和更经济的焊接。
参照图5A和5B显示的是本发明的第三优选实施例，此优选实施例的集电器与第二优选实施例的大体相同，不过通槽伸展到集电器主体下部的自由端，使得电极组的叠加部分可以沿着从集电器的自由端纵向伸展的通槽滑到焊接的位置。
参照图6，其中显示了任意一个优选实施例中的多个棱柱形单元以大体平行的方式整体结合形成一个显示在本发明的一个示例中的棱柱形电池。
虽然本发明已经通过上述优选实施例进行了说明，但是应当理解实施例是作为示例来帮助对本发明进行理解的，并不是为了限制本发明的范围和精神。此发明的范围应当由上述的本发明的总体原则和精神来决定。特别地，对所属技术领域的人员来说，明显的或小的变化或改变以及基于本发明的改进应被认为是属于本发明的范围和界限之内的。
此外，虽然本发明已经针对NiMH电池进行了说明，应当理解，在不失一般性的情况下，无论是否进行了改变，本发明可以应用于其它的棱柱形电池。