CN100495768C - 壳式二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种壳式二次电池，包括：电极组件，其包括正极板、负极板、以及置于正极板和负极板之间的隔板；用以容纳电极组件的壳；连接到壳开口部分的盖组件。盖板上形成有电解质注入孔和焊接在电解质注入孔上以密封电解质注入孔的插塞，其中，在采用微硬度测量仪测量时所述软铝插塞的维氏硬度值小于27。

Description

壳式二次电池
本申请要求享有2004年1月27在韩国专利局递交的系列号为No.2004-00004929的申请的权益，在此引用其全文作为参考。
技术领域
本发明涉及一种壳式二次电池，特别涉及一种用于壳式二次电池的电解质注入孔的密封结构。
背景技术
二次电池为可反复充电的电池，其可在紧凑的结构中具有较大的电容量。在各种二次电池中，最近开发出镍-金属氢化物(Ni—MH)电池和锂离子(Li—ion)电池，并将其用于壳式二次电池中。二次电池可以根据所采用的电解质分为不同种类，如采用液体电解质、固体聚合物电解质或凝胶相(gel-phase)电解质。
在一种采用液体电解质的锂二次电池的情况下，由于锂和水(H2O)之间会发生反应，必须采用一种非水型液体电解质。由于锂二次电池采用非水型液体电解质，所以锂二次电池在其充电过程中不会受到水的分解电压的影响，这样，锂二次电池具有较高的电池电压。
液体电解质由游离于有机溶剂中的锂盐构成。这里，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、含有烷基的碳酸酯，或与上述成分类似的有机化合物。
采用固体电解质的锂二次电池不会产生固体电解质的泄漏。但是，与普通化学电池类似，在采用液体电解质的壳式锂离子二次电池中，防止液体电解质的泄漏也十分重要。具体地说，由于锂离子二次电池被用作移动电话、计算机、个人数字助理及便携式摄像机等贵重电子器材的电源，液体电解质的泄漏成为亟待解决的问题。
典型地，在壳式二次电池中，液体电解质的泄漏主要发生在壳与盖组件之间的焊接部以及盖组件上的电解质注入孔。
图1是包括盖板110的电解质注入孔112及插塞的壳式二次电池的上部的部分截面图。
参见图1，在电极组件12被插入壳11中后，壳11的开口通过盖组件100密封。盖组件100通过焊接连接到壳11上，从而使壳11的开口被盖组件覆盖。电解质注入孔112形成在盖组件100的盖板110内。在盖组件100被焊接到壳11上后，电解质通过电解质注入孔112注入到壳11中。然后将球形的插塞160压入电解质注入孔112以密封电解质注入孔112。插塞160被压入在盖板110一侧上形成的电解质注入孔112中并被焊接到盖板110上。由于即使是在插塞160被机械地压入盖板110的电解质注入孔112，电解质也有可能通过插塞160和盖板110之间形成的细缝而泄漏，因此必须将插塞160焊接到盖板110上。
盖板110和形成插塞160的球通常采用铝制成。由于铝具有极佳的电和热传导特性，因此通常采用激光焊接将插塞160焊接到盖板110上。当激光束照射到在插塞160边缘形成的焊接部分时，插塞160和在盖板110中形成的电解质注入孔112的内部部分被部分地焊接在一起，从而使插塞160被焊接到盖板110上。
近期，壳被制造成具紧凑尺寸，以实现轻重量及较高的电池容量。因此，近期制成了厚度小于1mm的盖板。如果盖板的厚度减小，那么盖板的机械强度将降低，由于外力造成盖板变形的可能性增加。特别地，在安全孔形成在盖板而不是壳的下部的壳式二次电池中，如果安全孔设置在盖板的处理区域附近，盖板在处理过程中可能会被外力造成严重变形。
如果盖板在生产过程中由于外力会轻易产生变形，那么由于盖板的变形会导致在焊接部分形成裂缝，以及诸如焊接的一定处理步骤不易进行。因而，由于焊接的失败将会导致电解质的泄漏。
图2是示出在通过将铝球压入电解质注入孔来密封壳时在电解质注入孔附近产生的问题的部分截面图，图3示出了在图2中所示密封部分进行焊接工作时产生的问题的部分截面图。
参见图2和图3，在铝球被压入电解质注入孔时，靠近电解质注入孔的盖板110的预定部分被压下。另外，形成插塞160’的铝球并未完全插入电解质注入孔，铝球的上部从盖板110的上表面向上突出。另外，在盖板110中形成的电解质注入孔的下部变得更宽，从而使得铝球的预定部分插入电解质注入孔中。也就是说，插塞160’的外表面不能与电解质注入孔的内壁紧密地接触，而只与电解质注入孔的入口部分接触。因此，插塞160’对电解质注入孔的密封功能将受到损害。因此，盛在壳中的电解质会流到电解质注入孔的入口部分，并在电解质注入孔的入口部分形成位于插塞160’和电解质注入孔之间的细缝。特别的，如果向铝球上施加压力会造成电池变形，从而发生电解质泄漏。
另外，虽然电解质不会被泄漏到盖板110的上表面，但是位于插塞160’和电解质注入孔之间的细缝可能充满电解质。如果在位于插塞160’和形成电解质注入孔内壁的盖板110之间的焊接部分进行焊接工作，如果电解质污染了位于插塞160’和电解质注入孔之间的焊接部分，那么焊接的可靠性降低。另外，如图3所示，在被污染的焊接部分形成称为“渣(spatter)”的杂质区162，电解质可能会通过该杂质区或在从焊接部分除去杂质区后在焊接部分形成的针孔而泄漏。另外，外部湿气或氧气可能通过针孔渗透入壳中，造成膨胀现象。因此，需要一种能够可靠密封电解质注入孔的壳式二次电池。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种通过在小尺寸壳式二次电池中在球被压入电解质注入孔时防止盖板发生变形而能够可靠密封电解质注入孔的壳式二次电池。
本发明的另一个实施例提供了一种可以通过在球被压入电解质注入孔时防止盖板产生变形而能够防止位于盖板和壳之间的焊接部分发生变形的壳式二次电池。
本发明的又一实施例提供了一种可以在位于电解质注入孔和插塞之间的焊接部分进行焊接工作时能够防止出现“渣(spatter)”的壳式二次电池。
一种壳式二次电池包括：电极组件，其包括正极板、负极板、以及置于正极板和负极板之间的隔板；用以容纳电极组件的壳；连接到壳的开口部分的盖组件，其包括形成有电解质注入孔的盖板和焊接在电解质注入孔上以密封电解质注入孔的插塞，其中插塞包括软铝，其中，在采用微硬度测量仪测量时所述软铝插塞的维氏硬度值小于27。
根据本发明的实施例，插塞中至少一部分包括软铝，该软铝在氩氛(argonatmosphere)下经过软化处理。
优选地，在微硬度测量仪测量下等于或小于26。
盖板采用厚度等于或小于1mm的铝或铝合金制成。
根据本发明的实施例，通过将软铝球压入电解质注入孔形成插塞，从盖板上表面突出的插塞的上部的高度等于或小于0.15mm。如果插塞的上部高度超过0.15mm，那么在接下来的激光焊接工序中将很难保证焊接均匀，或是插塞的预定区域不能完全溶化，从而形成针孔。
当盖板和插塞采用铝合金制成时，通过点焊或者连续激光焊接将盖板焊接到插塞。
附图说明
图1所示为包括盖板中传统的电解质注入孔及插塞的壳式二次电池的上部的部分截面图；
图2所示为在通过将铝球压入电解质注入孔以密封壳时在传统的电解质注入孔附近产生的问题的部分截面图；
图3示出了在图2中所示的密封部分进行焊接工作时产生的的问题的部分截面图；
图4所示为根据本发明实施例的矩形锂离子二次电池的分解透视图；以及
图5和图6分别示出了根据本发明实施例在压入步骤和焊接步骤中位于电解质注入孔和插塞之间的连接状态的部分截面图。
具体实施方式
参见图4，矩型锂离子二次电池包括：具有阴极13、隔板14和阳极15的电极组件12；用于容纳电极组件12的壳11，以及与壳11相连的盖组件。
为了制造电极组件12，阴极13和阳极15呈大面积的板型，以增加电的容量，隔板14置于阴极13和阳极15之间。接着，这种层叠结构螺旋卷绕，以果冻卷的形式形成电极组件12。在电极组件被卷绕之前隔板14设置在阴极13或阳极15的上表面，以防止阳极15与阴极13接触。
阴极13包括：以具有极佳导电特性的薄金属如铝箔制成的正极集电器；以及主要由基于锂的氧化物组成并涂覆在正极集电器的两表面上的正极活性材料。正极导件16电连接到正极集电器上不含有正极活性材料的预定部分。
阳极15包括：具有极佳导电特性的薄金属如铜箔制成的负极集电器；以及主要由碳构成并涂覆在负极集电器的两表面上的负极活性材料。负极导件17电连接到不含有负极活性材料的负极集电器的预定部分。
阴极13和阳极15的极性以及正极导件16和负极导件17的极性可以彼此互换。绝缘带18缠绕在正极导件和负极导件16和17与电极组件12的上表面之间的面间表面(interfacial surface)上，以防止阴极13和阳极15之间短路。
隔板14采用聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯、聚丙烯的共聚物制成。在本发明的一实施例中，隔板14的宽度大于阴极13和阳极15的宽度，以防止阴极13和阳极15之间发生短路。
如图4所示，矩形锂离子电池的壳11为通过深冲压工艺制成的基本上呈六面体形状的金属容器。壳可以作为一端子。壳优选采用具有重量轻、导电性好及抗腐蚀的铝或铝合金制成。但是，也可以采用铁制造壳11。壳11是用来容纳电极组件和电解质的容器。壳11的上部形成有开口区以接受电极组件12，并用盖组件进行密封。在圆柱型锂离子电池中，壳为圆柱形状。
盖组件包括平板型盖板110，其尺寸和形状与壳11的开口部分相对应。在一实施例中，盖板110优选采用铝或铝合金制成，以提高与壳11的可焊性。盖板110具有位于中部的贯穿孔111，其用于容纳电极端子130。电极端子130穿过盖板110的贯穿孔。管状的垫圈120安装在电极端子130上以使电极端子130和盖板110电绝缘。绝缘板140安装在盖板110下方并位于盖板110中部附近，以及端板150排列在绝缘板140下方。
正极导件16通过焊接与盖板110电连接，以及负极导件17通过焊接电连接到电极端子130。电极端子130通过垫圈120与盖板110绝缘，而负极导件17以蛇形折叠。正极导件16和负极导件17根据极性分别电连接到正温度系数(PTC)器件和保护电路模块。
此时，绝缘壳190安装到电极组件12的上表面，以使电极组件12与盖组件电绝缘，并覆盖电极组件12的上部。绝缘壳190采用具有绝缘特性的高分子聚合树脂(high polymer resin)，在一实施例中，绝缘壳190采用聚丙烯制成。绝缘壳190形成有位于中部的导件孔191，其用于允许电极组件12的中间部分和负极导件17贯穿。此外，绝缘壳190在一侧形成有电解质孔192。如果在导件孔191旁形成有用于正极导件16的导件孔，则电解质孔192可以省略。
电解质注入孔112形成在盖板110的一侧。电解质注入孔112在将电解质注入壳11后通过插塞260密封。
插塞260通过将一铝或铝合金的球部件机械地压入电解质注入孔112形成。因而，插塞260必须具有大于电解质注入孔112的直径。在位于电解质注入孔112和插塞260之间的焊接部分进行激光焊接。
下面，将介绍一种一种具有上述结构的二次电池的制造方法。首先，具有依次层迭阴极13、隔板14和阳极15的电极组件12以果冻卷的形式卷起来。电极组件12插入矩型壳11内。
然后，将绝缘壳190设置在电极组件12的上表面。正极导件16和负极导件17贯穿导件孔191从绝缘壳中伸出。
此后，连接盖组件与壳11的开口部分。首先，位于壳外周边部分的电极端子130和垫圈120通过贯穿孔111插入盖板110中。接着，电极端子130通过在盖板110和端板150之间插入绝缘板140电连接到位于盖板110下的端板150。
正极导件16直接焊接到盖板110的下表面，负极导件17焊接到电极端子130的下端，同时负极导件17以蛇形折叠。
接着，将盖板110焊接到壳11以将壳11电连接到阴极13、正极导件16和盖板110，从而使壳11为正极性。另外，电极端子130电连接到阳极15、负极导件17和端板150，从而使电极端子130为负极性。
然后，电解质通过电解质注入孔112注入壳11中。电解质被注入壳11之后，在电解质注入孔112上放置球以密封电解质注入孔112。球通过在电解质注入孔112中形成插塞260的机械压入工艺插入电解质注入孔112中。为了提高是解质注入孔112的密封效果，将插塞焊接到盖板110上。
图5和图6分别示出了根据本发明实施例在压入步骤和焊接步骤中电解质注入孔和插塞之间的连接状态的部分截面图。
参见图6，盖板110采用厚度大约为0.8mm的铝制成，以实现薄而容量高的电池。在电解质注入孔的入口部分可形成一倾斜部分250。或者，电解质注入孔的内壁可以以没有倾斜部分的直结构形成。用于密封电解质注入孔的铝球包括软铝球。铝球采用由比1050 AL更软的1070 A1制成。通过在氩氛下对1070AL进行球形成处理可以增加铝球的软度。软铝球的硬度大约为维氏硬度值(HV)26。
由于球采用软铝制成，所以即使在盖板110采用厚度约为0.8mm的铝板制成时，可以轻松地将球压入电解质注入孔。因此，在压入工序后，可以减少从盖板110的上表面突出的球上部的预定部分。此外，现制成的(now-created)插塞260可以与电解质注入孔的内壁均匀并紧密地接触。施加到球上的压力主要用于使球变形而使盖板不变形。因此，由于球是由软性材料形成的，因此可以降低压力，防止盖板110在压力的作用下而发生变形或损坏。
为了将铝球压入电解质注入孔，可以采用气缸驱动方法或凸轮驱动方法。气缸驱动方法采用由气缸驱动的冲压机撞击软铝球。另一方面，凸轮驱动方法通过由凸轮驱动的冲压机撞击软铝球。特别地，根据凸轮驱动方法，冲压机与椭圆形的凸轮连接，从而使冲压机随着凸轮的转动在预定距离内往复运动。从而，较小的压力迅速而频繁地施加到软铝球上，以分布撞击力。因此，施加到盖板上的压力可以降低，从而使盖板的变形减到最小。
由于由球形成的插塞260与电解质注入孔的整个内壁紧密接触，因此电解质不会存流在插塞260’和电解质注入孔之间，以及在插塞260’和电解质注入孔之间不会形成使电解质泄漏的细缝。
在这种情况下，如果插塞260焊接到盖板110上，那么可能取得如图6所示的密集焊接区。因此，可以有效防止由于渣和细缝造成的壳式二次电池的泄漏。
表1到表3给出了，由微硬度测量仪测量出的一般的铝板、普通1050AL球以及根据本发明的1070 AL球(D＝1.1mm)的维氏(Vickers)硬度值。Hv值为通过将标准棱锥状(standard pyramid)压头的重量除以第一和第二对角线长度的积，然后乘以1.854得到的通用Vickers硬度值。
表1(普通铝板)
Figure C200510002961D00091
Figure C200510002961D00101
表2(1050AL)
Figure C200510002961D00102
表3(1070AL)
从上表中可以看出，本发明的软铝球比普通铝球软约15％。此外，本发明软铝球的Vickers硬度值小于27，其平均值约为26。但是，普通铝球的Vickers硬度值基本上超过了27，并且平均值约为29.5。
如上所述，本发明的二次电池可以解决现有技术中的问题，例如，在位于盖板和壳之间的焊接部分的焊接失败、细缝和在盖板的电解质注入孔和插塞之间发生的电解质泄漏。
根据本发明的实施例，可以防止位于电解质注入孔和插塞之间的焊接部分在焊接过程中由于电解质充满焊接部分而被污染，并同时防止在焊接部分形成针孔。
根据本发明的另一实施例，可以防止电解质从壳式二次电池中泄漏，从而提高壳式二次电池的可靠性。
虽然结合本发明的实施例说明了本发明的目的，但是熟悉本领域的人员可以在所附权利要求的精神和范围内对本发明作出各种改进、附加物和替代物。

Claims (6)

1、一种壳式二次电池，包括：
电极组件，其包括正极板、负极板，以及位于所述正极板和负极板之间的隔板；
壳，用于容纳所述电极组件；以及
盖组件，其连接到所述壳，并包括形成有电解质注入孔的盖板，和焊接在所述电解质注入孔上以密封电解质注入孔的软铝插塞，
其中，在采用微硬度测量仪测量时所述软铝插塞的维氏硬度值小于27。
2、根据权利要求1所述的壳式二次电池，其特征在于，所述插塞是通过将软铝球压入所述电解质注入孔形成的，所述软铝球是通过在氩氛下执行将1070AL形成球的处理而形成的。
3、根据权利要求2所述的壳式二次电池，其特征在于，所述软铝球的维氏硬度值等于或小于26。
4、根据权利要求1所述的壳式二次电池，其特征在于，所述盖板采用厚度等于或小于1mm的铝或铝合金制成。
5、根据权利要求1所述的壳式二次电池，其特征在于，所述插塞通过将软铝球压入所述电解质注入孔形成，并且从所述盖板的上表面突出的插塞的上部的高度等于或小于0.15mm。
6、根据权利要求1所述的壳式二次电池，其特征在于，所述盖板通过点焊或者激光焊接而焊接到所述插塞上。
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