CN100358175C - 棱柱形电池的构造 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池(10)，具有一个带有两个相对的内侧面的密封棱柱形壳体(12、14)，两个内侧面之间限定了具有宽度和长度的内腔。上述的其中一侧面限定了一个弧(20)，另一侧面限定了一个正对着所述的一侧面的凸形弧的凹形弧(26)。一个电极叠层安装在壳体内腔，包括面对面排列的正(32)、负(30)电极板。该电极叠层被放置在壳体的内侧面之间，使得叠层可以被保持在一侧面和另一侧面的延伸元件之间，并且变形以符合凸形弧(20)而维持在正(32)、负(30)电极板之间的压力。叠层张紧在壳体向内隆起的表面上。通过在叠层内维持好的板间接触压力，本发明能提供良好的总的活性材料利用率(为达到高电池容量)并有助于防止具有宽侧面电池的壳体膨胀。本发明还公开了构造电池的方法。

Description

棱柱形电池的构造
技术领域
本发明涉及棱柱形电化学电池及其壳体结构。
背景技术
电化学电池的形状一般分为棱柱形或圆柱形。正如其名，圆柱形电池具有圆柱形的壳体。常见的圆柱形电池的实例为标准碱性电池，尺寸为AA，AAA，C和D。棱柱形电池具有例如平行六面体的棱柱形壳体形状。常见的棱柱形电池的例子包括标准的12伏汽车电池。
许多常见类型的电池具有电极为薄板状外形的内电极构造，其中正极和负极材料叠放在一起并被绝缘分离板隔离开。这种面对面的板排列的一个原因是为了在成对电极之间产生高扩散区。
理想的情况下，在电极叠层中相邻电极薄板在整个电池的寿命中保持着紧密的“接触”(也就是彼此很接近)。次优化的接触能够减少电池的总容量(总的可使用能量)，和会导致其它不理想的结果，例如在锂离子(LiION)电池充电过程中发生镀锂。在圆柱形电池中，电极和分离板的叠层一般被卷起放置在盒子内。卷起的叠层中的张力倾向于将叠层压向盒子的侧边(也就是向其未被卷起的状态运动)，而在相邻电极板面之间维持着轻微的压力。在棱柱形电池中，电极叠层或者卷起(如图3所示)或者来回地折叠起来(如图4所示)。图3的结构可以称为卷绕式扁平带卷(WFW)，而图4的结构可以称为扇形折叠或手风琴式折叠。
在较长且较薄的棱柱形电池(在电极叠层的弯曲或折叠之间有着较大比例的距离的电池)中，叠层的弯曲或褶皱中的任何张力(倾向于将叠层压回平面状态)，在缺少壳体侧壁施加的正压力的情况下，都不足以维持在板之间、沿叠层平直部分的全长方向上的适当量的压力。通过使电池壳腔变得比整个叠层的名义的总厚度稍薄，或者在壳体内插入一弹簧(例如一片簧)使叠层的平直部分一起偏移可以获得这种正压力。
压向电极叠层平直部分的正压力一般倾向于将壳体的宽侧面向外弯曲。如果壳体的侧面建造得不能足以抵抗这个施加的弯距，上述作用就会加到内腔的压力的作用上而导致不理想的整个电池外形的形变。当然，通过增加壳体侧壁的厚度能提高它们的硬度，但通常会付出增加重量的代价，而且对于标准尺寸的电池来讲，会导致内腔体积的损失。内部的弹簧也会占据电池内部的体积，否则这个体积可以留给活性物质。
发明内容
本发明的目的是提供一种棱柱形电池构造，其中在防止壳体宽侧面向外过分弯曲的同时，能够在相邻电极板之间维持所需压力。
按照本发明一方面，提供了一种电化学电池，包括：一形成内腔的棱柱形壳体，所述壳体的第一侧面是一弯曲面；一个安装在壳体内腔内的电极叠层，该叠层包括以面对面方式放置的正、负电极板，所述的正、负电极板被安置成正、负电极板的整个区域处于张紧状态，并设成有符合上述弯曲面的曲度。
在一些实施例中，壳体的第二侧面具有一正对所述第一侧面凸形弧的中心部分，和向着第一侧面延伸并跨过凸形弧的元件。这些元件安排成将电极叠层保持在对着凸弧的变形位置。
优选地，第一和第二侧面在它们区域中心处间隔的距离小于内腔长度的50％。
本发明的多个实施例包括一个或多个如下特征。凸形弧基本上跨过内腔的长度。第二侧面限定了一个正对着所述第一侧面的凸形弧的凹形弧。正负电极板被一多孔分离板分隔。每个正、负电极板各有添加的活性材料。第一和第二电极板都在一侧被涂上活性材料。变形的叠层的电极板沿一侧面的凸形弧被拉紧。壳体与上述所有电极板之间都绝缘(例如，电池是“中性的盒子”)。
在一些实施例中，正电极板包括一个涂有包含金属氧化物的活性材料的第一导电板，负电极板包括一个涂有包含碳的活性材料的第二导电板，壳体也包括电解液。在一些例子中，金属氧化物是锂化物而电解液是有机物。在其它一些例子中，电解液是含水的。
根据本发明建造的一些电池为绕线式扁平带卷结构，而一些为褶式折叠(如扇形折叠)结构。
在一些结构中，壳体包括一个盒子和一个盖，其中盒子和盖的一个和另一个都分别具有两个相对的内侧面中的一个和另一个。在一个优选的结构中，盒子限定了凸形弧。在一些实施例中，每个盒子和盖都包含一单层模压金属。在另一些实施例中，每个盒子和盖各由塑料制成，并具有紧邻内侧面的基本上扁平的外侧面。
根据本发明的另一方面，一个电化学电池具有两个相对的宽侧面(具有宽度和长度并限定了在其之间的一内腔)的密封棱柱形壳体，和一个在壳体内腔的电极叠层(包括以面对面排列的正负电极板)。壳体包括一限定了壳体的第一宽侧面的盒子，和一个限定了壳体的第二宽侧面的盖。宽侧面的一个和另一个都相应地限定了基本上跨过侧面长度的凸形弧和凹形弧。凸形弧和凹形弧被正对地放置，这样内腔的纵向中心线就限定了一对应的弧。正负电极板被一多孔分离板分隔，而且电极叠层放置在壳体的宽侧面之间，使得叠层可以随着凸形弧和凹形弧变形来维持在正负电极板之间的压力。
根据本发明的另一方面，电极叠层被放置在上述壳体的侧表面之间，这样叠层被保持在一侧表面和另一侧表面的延伸元件之间，并且张紧在凸形弧上来维持在正负电极板之间的接触压力。
根据另一方面，一个电化学电池具有一个形成内腔的壳体，和一个包含在壳体内腔的电极叠层，内腔由一弯曲面限定在一个侧面上。电极叠层包括以面对面方式放置的正负电极板，该正负电极板被安置成整个板区域处于张力状态下，并设成沿着限定内腔的弯曲面的曲线。
本发明的另一方面提供了一种构造上述电化学电池的方法。该方法包括如下步骤：
(1)将电极叠层放置在盒子和盖之间，使得电极叠层在壳体腔体内放置成叠层的一面与凸形弧相接触；
(2)将盒子和盖压在一起，使得电极叠层沿凸形弧变形，在正负电极板之间产生接触压力；
(3)在电极叠层处在变形状态时，将盒子加上盖。
在一些实施例中，该方法包括在放置电极叠层的步骤前，将电极叠层折叠成扇形折叠结构，或者将电极叠层缠绕成绕线式扁平带卷结构。
附图说明
下面从图例说明和权利要求中会很明显地看出其它特点和优点。
附图的简要说明，附图中：
图1为具有一模压壳体的棱柱形电池的透视图。
图2为沿图1中2-2线的截面图。
图3示出一卷绕式扁平带卷的电极结构。
图4示出一扇形折叠(手风琴式折叠)的电极结构。
图5示意地说明一沿弧形伸展的电极叠层。
图6示出一沿紧邻的弧形伸展的电极叠层。
图7为图2中电池的卷绕式扁平带卷结构的实施例。
图8为图2中电池的扇形折叠结构。
图9为一具有一模压壳体的棱柱形电池透视图。
图10为沿图9中10-10线的截面图。
具体实施方式
图1中棱柱形电池10具有一由盒子12和盖14组成的外壳。壳体长度L为42毫米，宽度W为48毫米，总厚度T为4毫米。在电池的安装过程中，盖14被压进盒子12中同时沿接头16焊接来密封住电池。安装在盖14上的孔中的接点18a和18b分别相应地与电池中的正负电极板相互连通。接点都与壳体绝缘，这样电池是“中性的盒子”。盖14和盒子12都是模压304不锈钢。
如图2所示，为清楚起见图中电池内的容纳物已被移走，盒子12的底部向内，基本上通过其总长形成一弧度不大的、平滑的、半径R约为234毫米的弧20。除了在盒子的边缘，盒子的底部隆起跨过其总宽，这样实际上盒子的整个底部向内隆起，盒子的底部的内表面是凸形的。盒子底部的名义厚度ta为0.25毫米。在盒子的上边缘设有一凸肩22用来安放盖14的外缘，这样在安装时盖子底部就盖在凸肩22上。
将盖14模压成在四周具有一个高起的、窄的凸缘24。被凸缘限定的区域(超过盖子区域的90％)向外隆起形成弧度不大的、平滑的、对着盒子底部弧20的弧26。换句话讲，盖14的内表面轻微地凹陷，同时盒子12的内表面凸起。盖的名义厚度tb为0.32毫米。弧26的半径略微大于弧20的半径，这样在盒子和盖之间形成的内腔的最小厚度约为2.45毫米(tC1，在电池的中心)，内腔的厚度从中心逐渐增加到接近凸缘24的3.1毫米(tC2)，然后在凸缘24处迅速增加到3.4毫米(tC3)。另外一种表示盖14结构特征的方法是它在接近两个相对的外缘设有向内伸展的凸台28，凸台28跨着一弧26。在电池中心处盖的隆起部分的顶点，在凸缘24外表面所在平面上仅升高约0.1毫米。
图3和图4说明在棱柱形电池内电极叠层的折叠结构的替代方式。在每个例子中，折叠的叠层由一个负电极板30，一个正电极板32和一个或两个分离板34组成。每个电极板包括一层添加的沉积在导电箔基片上的活性材料。将电极板的活性面折叠在一起并用一分离板34分隔开。电极板可以沿其长度偏移使他们折叠的扩散区最大化。对于图3中卷绕式平板带卷排列方式，一个额外的分离板34设置在正电极板的箔面上来使两电极的箔面相互绝缘。对于图4中扇形折叠排列方式，只需要用一个分离板。前面已讲述过，图3中外层电极板的最小弯曲半径大于图4中电极板的弯曲半径，因此卷绕式平板带卷排列可能更适用于很薄的电极板，这种电极板具有的活性材料在电极板以一狭小的半径被弯曲时倾向于产生裂纹或者弯不好。电极板应该具有足够的挠性以抵抗他们在折叠状态产生裂纹。负电极板30的箔基片在安装时与壳体相互导电(穿过一薄片的刚性连接可以用来确保它们之间的连接)，而正电极32与壳体中的引线接头(例如图1中的接点18a或18b)相连接来与外部负载连接。在盒为中性的电池中，如图1所示的，负电极同样与壳体电绝缘(例如通过另一分离板)，同时与另一接点相连接。两面具有活性材料的电极板同样可以用在卷绕式平板带卷结构中，其中在每个板一面的活性材料最好沿电极板长度偏离电极板另一面上的活性材料，以便提高靠近电极板末端的活性材料的利用率。
图5扼要地说明了本发明的电池壳体的结构如何能在电极板之间提供一良好的接触压力。在这个代表性的图例中，一平面盖36设有两个从其内表面40伸展出的肋38。盒子44的底部42在肋38之间的区域向上隆起。在将盖插入盒子时，电极叠层46被肋38弯曲以符合底部42的曲度。由肋38施加在电极叠层上的力使得在叠层弯曲时保持叠层中的折叠边不动，这样在当电极板实际上扣紧在盒子底部的隆起部分时，就给叠层中的单个电极板加上一个残余张力。这个在电极板平面上的张力，导致在单个电极板层之间和电极与盒子之间产生接触压力。即使在把盖安装到盒子上时只有电极叠层的上层才被拉紧，电极叠层也被弯曲成一个弯曲面，并承受一个相应的板间接触压力。注意这个板间压力不需要盖36的扁平内表面40被加载顶着电极叠层46，或甚至与电极叠层接触。然而，正是在电极叠层基本上在弯曲的盒子底部上变形之前在叠层边缘附近由肋38形成的接合导致了电极板叠层中的预想张力。仅沿着弧形弯曲叠层，而不引起叠层总长度增加的情况下，不会产生板间压力，因为叠层中单个极板在沿着这种大弧度“弯曲”时，并不具有足够的弯曲强度来产生施加在盒子底部的负荷。
如图2中所示的盒子那样，图5中盒子44的底部42向内隆起，这样盒子底部的内外表面都被弯曲。因此，借助由盒子内压力或者来自电极叠层接触压力施加的压力就可以使盒子底部向外弯曲，而不会延伸超出壳体的矩形外壳之外。
如图6所示，电极叠层可以张紧在两个或多个交替的曲面上。在所示的结构中，电极叠层46张紧跨过盒子50中的弯曲部分48a和盖52中的邻近的弯曲部分48b。注意弯曲部分48a和48b结合起来，大致上穿过了在肋38之间的整个长度，它们在电池的中心相互重叠，这样弯曲的叠层基本上没有明显的平面区域。尽管在图5和6中示出一个卷绕式平板带卷电极叠层46，一个扇形折叠结构同样可以应用在这两种排列中。
图7说明了带有图2中壳体和一个扇形折叠电极叠层54的锂离子电池。为表示清楚，包括负电极、分离板和正电极的每层被图示为单一的折叠。在叠层的每一端都有三个180度弯曲56，这样共有七个这样的层基本平行地伸展在电池的长度上。在这个实施例中，正电极的长度为301毫米，厚度为0.13毫米，宽度为63毫米，在每平方厘米电极区有28.36毫克锂金属氧化物。负电极的长度为309毫米，厚度为0.13毫米，宽度为65毫米，在每平方厘米电极区有13.05毫克锂金属氧化物。微孔聚乙烯-聚丙烯分离板的厚度为0.025毫米。优选地，电极的面对面容量要匹配，有助于减少充电时锂的电镀。在测试时，具有如图2所示的弯曲壳体的扇形折叠式棱柱形电池，产生了每小时0.686安培的可用能量。
扇形折叠式电极叠层具有七层，其名义厚度为7乘以(0.13+0.025+0.13)，或者约为2.0毫米(例如比在电池中心盖和盒子之间的最小距离2.45毫米小0.45毫米左右)。这样，在盒子中心的板间接触压力不是从盖的压力产生的结果，而是在叠层中的张力产生的。在电极板和分离板中在弯曲处56的残余弯曲张力促使叠层倾向于在边缘呈现一比在电池中心较大的总厚度，这样在将盖安装到盒子时，盖的凸台28(图2)首先与电极叠层接触，在盖被向下压到位置时在叠层的边缘将其压紧。
如图8所示，同样的原理适用于卷绕式平板带卷结构。在接近折叠边缘，由于在叠层边缘附近的弯曲应力，叠层58呈现出比各层厚度总和更大的总厚度。在这个结构中，由于在叠层边缘的叠层的厚度，正负电极的长度略小于在扇形折叠式结构中的电极长度。否则，电极板和分离板在结构上与上述扇形折叠结构中的完全一致。在扇形折叠中穿过电池的厚度上有一个七层叠层的总和。然而在卷绕式平板带卷叠层的情形下，在电池中心的名义叠层厚度是7乘以(0.13+0.025+0.13+0.025)，或者约为2.17毫米(仍然小于内腔最小厚度2.45毫米)。正如对上述图5的讨论，在图7和8的实施例中的盒子底部可以被内压力或叠层力向外弯曲，而没有延伸超出盒子底部边缘限定的平面。此外，盖和盒子底部比同样尺寸和厚度的平板要坚固，能够以较小的向外变形抵抗内载荷和压力。它们同样更能抵抗外来的载荷和/或压力。
图1，2，7和8中的壳体都为模压金属，例如不锈钢和镀镍冷轧钢，并且具有与它们弯曲内表面相对应的弯曲外表面。在图9和10所示的另一实施例中，壳体60和盖62由模压塑料制成，并且分别具有扁平外表面64和66。每个外表面都被模制成具有如图10所示的弯曲内表面，来提供如上与模压金属实施例有关内容所述的同样的叠层张力。在盖上设有两个孔型通道用以安装接点68。
其它实施例和特征包括在下述权利要求的范围中。例如，本发明的叠层张紧的原理可以与其它已知技术，例如在盒子和盖间加压以在电极叠层的宽层之间提供更多的板间压力。

Claims (25)

1.一种电化学电池，包括：一形成内腔的棱柱形壳体，所述壳体的第一侧面是一弯曲面；
一个安装在壳体内腔内的电极叠层，该叠层包括以面对面方式放置的正、负电极板，所述的正、负电极板被安置成正、负电极板的整个区域处于张紧状态，并设成有符合上述弯曲面的曲度。
2.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的内腔的弯曲面限定了一个凸形弧；和
所述的电极叠层被放置在壳体的上述第一侧面和与第一侧面正对的第二侧面之间，使得叠层可以变形以符合凸形弧而维持在正、负电极板之间的接触压力。
3.按照权利要求2所述的电化学电池，其特征在于所述第二侧面具有一个正对上述第一侧面的凸形弧的中心部分，和向着所述第一侧面延伸并跨过所述凸形弧的元件，所述的元件安排成将所述的电极叠层保持在对着凸形弧的变形位置。
4.按照权利要求2所述的电化学电池，其特征在于上述凸形弧跨过上述内腔的长度。
5.按照权利要求2所述的电化学电池，其特征在于所述第二侧面限定了一个正对着所述第一侧面上凸形弧的一个凹形弧。
6.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的正、负电极被一多孔分离板分隔。
7.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于每个正、负电极板都包括添加的活性材料。
8.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的正电极板包括一个涂有包含金属氧化物的活性材料的第一导电板，和
所述的负电极板包括一个涂有包含碳的活性材料的第二导电板，
所述的壳体还包括一电解液。
9.按照权利要求8所述的电化学电池，其特征在于所述的金属氧化物是锂氧化物，而所述的电解液是有机物。
10.按照权利要求8所述的电化学电池，其特征在于所述的电解液是含水的。
11.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的电极叠层是绕线式扁平带卷结构。
12.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的电极叠层是褶式折叠结构。
13.按照权利要求8所述的电化学电池，其特征在于所述的第一和第二导电板每个都仅在一面涂上活性材料。
14.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的壳体包括一个盒子和一个盖，盒子和盖分别包括所述正对的第一侧面和第二侧面中的一个。
15.按照权利要求14所述的电化学电池，其特征在于所述的盒子限定了所述的凸形弧。
16.按照权利要求14所述的电化学电池，其特征在于每个盒子和盖都由单层模压金属制成。
17.按照权利要求14所述的电化学电池，其特征在于所述的每个盒子和盖都由塑料制成，并具有紧邻内侧面的扁平的外侧面。
18.按照权利要求2所述的电化学电池，其特征在于所述的弯曲的电极叠层沿弯曲面的凸形弧被拉紧。
19.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的壳体与上述所有电极板都电绝缘。
20.按照权利要求3所述的电化学电池，其特征在于上述第一侧面和第二侧面在其区域中心处间隔的距离小于内腔长度的50％。
21.按照权利要求1的电化学电池，其特征在于所述的壳体包括：
一限定了壳体的第一宽侧面的盒子，和
一个限定了壳体的第二宽侧面的盖，壳体的第一和第二宽侧面分别限定了跨过侧面长度的、相对地安排的凸形弧和凹形弧，使得内腔的纵向中心线限定了一对应的弧；
所述的电极叠层放置在所述的宽侧面之间，使得所述的叠层可以变形以符合凸形弧和凹形弧而维持在正、负电极板之间的接触压力。
22.按照权利要求1所述的电化学电池，其特征在于所述的棱柱形壳体的第一侧面限定了一个凸形弧，
与上述第一侧面正对的第二侧面具有一正对所述第一侧面中凸形弧的中心部分，和朝着第一侧面延伸并跨骑凸形弧的元件；
所述的电极叠层被放置在所述的壳体的第一和第二侧面之间，使得叠层被保持在第一侧面和第二侧面的延伸的元件之间，并张紧跨过凸形弧来维持在正、负电极板之间的接触压力。
23.一种构造按照权利要求1的电化学电池的方法，所述的电池包括：
一个包括两个相对的、具有宽度和长度并在其间限定了一内腔的宽侧面的密封棱柱形壳体，所述的壳体包括：
一限定了壳体的第一宽侧面的盒子，和
一个限定了壳体的第二宽侧面的盖，
所述的壳体中第一和第二宽侧面中的一个限定了一个凸形弧，
一安装在壳体内腔的电极叠层，它包括面对面放置的并被一多孔分离板相分隔的正、负电极板，所述的方法包括如下步骤：
将电极叠层放置在盒子和盖之间，使得电极叠层放置在壳体腔体内并且叠层的一面与凸形弧相接触；
将盒子和盖压在一起，使得所述的电极叠层沿凸形弧变形，在所述的正、负电极板之间产生接触压力；
在所述的电极叠层处在变形状态时，将所述的盒子加上盖。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于它还包括在放置电极叠层的步骤前，将所述的电极叠层折叠成扇形折叠结构。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于它还包括在放置电极叠层的步骤前，将所述的电极叠层折叠成绕线式扁平带卷结构。
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