用于電池組制造中輕金屬組件的腐蝕防護的等離子涂層的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發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，從而保護輕質金屬免受鹽水腐蝕，并且當它們在使用中弄濕時在觸摸容器之間提供電絕緣。更具體地，當鋁或鎂容器中已裝有其熱敏電極和電解質成分后，提供可用于在大氣環境中和相對較低的溫度下涂布該容器的涂料和常壓等離子涂布方法。本發明的實踐對于機動車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似物的其它應用特別有用。
發明背景
[0002]鋰離子電池組電池的組裝體越來越多地應用于提供機動車輛中的動力。電池組的各個電池能夠提供約三至四伏的電勢以及基于電池中電極材料的組成和質量的直流電流。電池能夠經過多個循環的放電和再充電。通過以并聯電連接和串聯電連接組合的方式組合合適數目的獨立電池來組裝電池組以供應用，從而滿足特定電動機的電壓和電流要求。在電動車輛的鋰離子電池組應用中，組裝后的電池組可包括，例如，高達三百個獨立包裝的電池，其電互連以為牽引電動機提供四十至四百伏電壓和足夠的電功率以驅動車輛。由電池組所產生的直流電流可被轉化成交流電流以用于更有效的電機運行。
[0003]電池組可以用作電動機驅動的電動車輛的唯一動力源或作為各種類型的由(一個或多個)電動機和烴燃料發動機的組合供能的混合動力車輛中的參與動力源。在減少所有類型功耗的需求中，存在對降低車輛所有組件的質量，包括鋰離子電池組的質量的持續需求。
[0004]用于給機動車輛供能的鋰離子電池組通常使用獨立電池的殼體(can)進行組裝。也就是說，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或多個電池的電極極耳(tab)互連的導電性電極極耳(端子)。一定數量的電池殼體，例如12或24個電池殼體，通常分組并相互連接為“模塊”。一定數量的模塊，或類似物，組裝成具有所需電壓和電流生產容量的“包(pack)”。電池殼體的形狀往往是棱柱形，具有六個矩形側面和底面，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度，并且所述殼體必須能夠冷卻電池組的電池，因為電化學電池在其使用中產生大量的熱。另外，在機動車輛應用中，鋰離子電池組裝體通常位于車體結構的低位，在此位置其可能暴露于來自路面的外部腐蝕性材料。此前，出于強度、熱傳遞以及耐鹽水性的目的，已經由鋼制成殼體。但鋼相對較重。有必要適應更輕的金屬以用于意在汽車應用的鋰離子電池組電池的組裝體中。
【發明內容】
[0006]根據本發明的實踐，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為殼體。通常使殼體成形為具有已移去的(或可移動的)側面(或頂面)，以便可以將預成型的電極材料和隔膜材料放置在開放側面的殼體中。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，如將在本說明書下文中更詳細描述的那樣。但是，按照本發明，將含聚硅氧烷(silicone)聚合物的涂料施加到殼體的外表面(和任選施加到內表面)以保護輕質鋁或鎂免受鹽水或其它腐蝕性環境材料侵蝕。
[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HMDSO被輸送到等離子體噴嘴(可商購)，在其中液態HMDSO在空氣-等離子體物流中被蒸發，并且該噴嘴對著具有其鋰離子電池材料內容物的鋁殼體或鎂殼體的表面。優選地，該材料通過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輕金屬殼體材料免受車輛運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圍的水隔絕，并且還提供接觸電池殼體表面時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點是，該保護性涂料可在生產線上任何多個不同步驟或位置處機械施加到(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、電池殼體測試或預成形的鋰離子電池殼體的其它處理。當制造和組裝電池時，可以將耐久性疏水聚硅氧烷類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損壞其所施加至其上的容器內的重要組成。
[0009]任選地，可以在插入電池的活性元件之前涂布殼體的內表面。并且可以在將殼體傳送到在線(in-line)操作之前涂布殼體的外表面，在所述在線操作中將電池元件組裝在輕金屬殼體中。但優選的是在電池元件的在線類型組裝和制造以及將它們放置在其中它們要用于車輛電池組的輕金屬容器中的預定步驟中涂布外表面。
[0010]本發明實踐的其它目的和優點將從涂布方法的一個實例的詳細描述中變得明顯。
【附圖說明】
[0011]附圖是一個直立的鋁殼體或鎂殼體的斜視圖，其具有移除的主側面部分，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，使用例如計算機控制的機載(robot-carried)噴嘴，用來產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外表面上。
【具體實施方式】
[0012]本發明涉及生產用于機動車輛電池組，特別是用于其中要將電池組安置在車輛上(其中電池(或獨立的電池殼體)可能暴露于道路飛濺的鹽水或其它腐蝕性水組分)的應用的鋰離子電化學電池。每個電池的電極和隔膜元件通常單獨成形，其以合適的電池排布來組裝，并放入預成形的、部分開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，其具有三組相對的矩形側面，因此多個殼體可以放置在一起，并電互聯以形成車輛電池組。在許多應用中，將2至300個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支護盤或板上，其承載在車體的結構構件上。并且提供了用于多個電池殼體的水冷卻(或水-乙二醇冷卻)的裝置，因為當其放電和充電時，它們產生熱量。有時冷卻導管在殼體中，或作為殼體的一部分成形。
[0013]當車輛在許多道路位置、條件和氣候下行駛時，在電池組構件和支撐件的組件在車體上的位置，其也會暴露于環境水。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，以抵抗環境鹽水腐蝕。但聚合物材料不容易將熱量從運行的鋰離子電池中傳導離開，而鋼相對較重。本發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)適應用作獨立的鋰離子電池用殼體材料或容器材料。按照本發明的實踐，通過使用低溫、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構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。在本發明的優選實施方案中，在其中將電極-電流導體元件、隔膜元件和電解質組裝并且適配到其長方棱柱形容器中的在線組裝/生產方法過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方棱柱形電池殼體10，其具有六個由合適的鋁或鎂合金形成的薄壁側。如上所述，該電池殼體的形狀可使其能夠相對類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(front-facing major verticalside)12很大程度上是剖開的以顯示電池的實體元件的組裝卷(assembled roll) 14。電池殼體10的背面主垂直側與正面側12的尺寸和形狀相同，但此視圖中隱藏了背面側。一個垂直邊側16是可見的，并且相對的、類似形狀的垂直邊側被隱藏。電池殼體10的底表面被隱藏，而頂側18顯示在與電池殼體10的側面12、16分離和升高的位置。在本發明的許多實踐中，電池殼體1的頂側18沒有連接到電池殼體結構的剩余部分中，直到電池的固體元件的組裝卷14已經放置在頂部開放的殼體中。
[0015]在本發明的這一實施方案中，薄層電池元件的組裝卷14由陽極元件20的單一的相對較長的層、長的隔膜層22、陰極元件24的單一的相對較長的層和另一個長的隔膜層22組成。陽極元件20的層將具有