CN100517851C - 圆柱形锂二次电池 - Google Patents

Abstract

一种圆柱形锂二次电池包括卷绕的电极组件，其具有第一电极板和第二电极板以及插入到所述第一电极板和第二电极板之间的分隔件。核心构件基本上为管状，并且沿着其轴向方向形成切口，该切口形成两个边缘。核心构件插入到电极组件的中央空间中，并且当受到外部压力时具有预定的变形方向。该电池还包括：外壳，具有用于容纳电极组件的空间以及敞开的上部；和盖子组件，固定到外壳的上部以将外壳的上部密封。

Description

圆柱形锂二次电池

本申请要求于2004年10月28日提交到韩国知识产权局的第10-2004-0086899号韩国专利申请的利益和优先权，其全部内容通过引用包括于此。

技术领域

本发明涉及一种圆柱形锂二次电池，更具体地讲，涉及一种通过预先确定核心构件的变形方向而能够提高电池稳定性的圆柱形锂二次电池。

背景技术

近来，小尺寸和轻型电气/电子设备，例如蜂窝电话、笔记本式计算机和摄像机，已经被广泛地开发和制造。这些便携式电气/电子设备具有内置的电池组，以在不能提供单独电源的任何地方运行。内置的电池组包括至少一个电池，其用于在预定时间周期输出预定电平的电压以驱动便携式电气/电子设备。

近来，为了使用经济，电池组已经开始使用了可再充电的二次电池。二次电池一般可包括镍-镉(Ni-Cd)电池、镍-氢(Ni-MH)电池、或者诸如锂(Li)电池或锂离子(Li-ion)电池的锂二次电池。

锂二次电池的工作电压(3.6V)比广泛用于便携式电子设备的镍-镉电池或镍-氢电池的工作电压高3倍。锂二次电池的能量密度(每单位重量的能量)大于镍-镉电池或镍-氢电池的能量密度。因此，锂二次电池的使用迅速地增加。

在锂二次电池中，锂氧化物用作正电极活性材料，碳用作负电极活性材料。通常，根据使用的电解质溶液的类型，锂二次电池被分为液体电解质电池或聚合物电解质电池。此外，使用液体电解质的电池称为锂离子电池，使用聚合物电解质的电池称为锂聚合物电池。此外，锂二次电池可被制造成各种形状。锂二次电池的典型形状包括圆柱体、多面体和袋状。

通常，圆柱形锂二次电池包括电极组件，该电极组件具有涂有正电极活性材料的正电极板和具有涂有负电极活性材料的负电极板以及插在正电极板和负电极板之间以防止它们之间短路的分隔件。这些部件被基本圆柱形地卷绕，并且圆柱形外壳容纳该电极组件。电解质溶液注入到圆柱形外壳中以允许锂离子移动。

圆柱形锂二次电池一般按照如下制造。

首先，涂有正电极活性材料并连接到正电极接头(tap)的正电极板、涂有负电极活性材料并连接到负电极接头的负电极板以及分隔件被堆叠。接着，该堆被卷绕为基本圆柱形，从而形成基本圆柱形电极组件。

接着，将基本圆柱形电极组件容纳在圆柱形外壳中，执行防止电极组件分离的处理，将电解质溶液注入圆柱形外壳中，并且执行密封处理，从而形成圆柱形锂二次电池。

通常，在圆柱形锂二次电池中，在电极组件的中央部分形成空的空间。但是可能造成这样的问题：该空的空间可导致电极组件展开和变形。

为了解决这个问题，已经提出了一种将预定的核心构件插入到电极组件的中央空间中的方法，如图1所示。通常，通过将一种板卷绕为具有圆形截面来形成核心构件100。此外，核心构件100的一部分沿其轴向方向被切开。

但是，存在的问题是：外部压力可使核心构件100易于变形或损坏。当核心构件100被变形或损坏时，电极组件的分隔件可被损坏。分隔件的损坏可导致正电极板和负电极板之间的短路，这可导致圆柱形锂二次电池被损坏或爆炸。

另外，当核心构件100由于外部压力，特别是横向压力而变形时，管状的截面可不均匀地变形。因此，存在分隔件可被严重损坏的问题。

发明内容

为了解决上述问题，可提供一种通过预先确定核心构件的变形方向而能够提高电池稳定性的圆柱形锂二次电池。

根据本发明的一方面，一种圆柱形锂二次电池包括卷绕的电极组件，该卷绕的电极组件具有第一电极板和第二电极板以及插入到所述第一电极板和第二电极板之间的分隔件。核心构件基本上为管状，其中在其轴向方向上形成切口以形成两个边缘。核心构件插入到电极组件的中央空间中。核心构件由于受到外部压力而变形的方向被预先确定。外壳具有用于容纳电极组件的空间以及敞开的上部，并且盖子组件固定到外壳的上部以将外壳的上部密封。

在一个实施例中，核心构件的两个边缘中的一个可布置在两个边缘中的另一个的内侧，从而当施加外部压力时，核心构件具有螺旋卷绕的形状。

此外，在核心构件的外表面的一部分上可形成有凹口。凹口也可布置在与切口相对的位置，并且沿核心构件的轴向方向而形成。

在电极组件和外壳的下表面之间可布置有下绝缘板，并且在电极组件和盖子组件之间可布置有上绝缘板。

此外，第一电极板和第二电极板中的一个可通过电极接头电连接到外壳的下表面，并且核心构件可布置在电连接到所述下表面的电极接头上。

根据本发明的另一方面，一种圆柱形锂二次电池包括卷绕的电极组件，该卷绕的电极组件具有第一电极板和第二电极板以及插入到所述第一电极板和第二电极板之间的分隔件。核心构件基本上为管状，并且具有沿其轴向方向的切口以形成两个边缘。核心构件被插入到电极组件的中央空间中，并且核心构件的两个边缘中的一个布置在所述两个边缘中的另一个的内侧。外壳具有用于容纳电极组件的空间以及敞开的上部，并且盖子组件固定到外壳的上部以将外壳的上部密封。

附图说明

通过结合附图描述本发明示例性的实施例，本发明的上述和其它特点和方面将会变得更加清楚，其中：

图1是传统核心构件的透视图；

图2A是根据本发明实施例的圆柱形锂二次电池的透视图；

图2B是沿图2A中的线A-A所取的截面图；

图3A是根据本发明实施例的圆柱形锂二次电池的核心构件的透视图；

图3B是沿图3A中的线B-B所取的截面图；

图4是根据本发明实施例的制造圆柱形锂二次电池的方法的流程图；

图5A是根据本发明实施例的电极组件和卷绕轴的透视图；

图5B是包括图5A中的电极组件的圆柱形锂二次电池的部分截断图；

图5C是根据本发明实施例的具有核心构件的图5B中的圆柱形锂二次电池的截面图；

图5D是根据本发明实施例的完成形式的图5C的圆柱形锂二次电池截面图；和

图6是显示在根据本发明另一实施例的圆柱形锂二次电池中的核心构件相对于外部压力变形的俯视图。

具体实施方式

将参照附图来描述本发明的实施例。在附图中，相同的标号表示相同的部件。

如图2A和图2B所示，本发明实施例的圆柱形锂二次电池200包括：电极组件300，用于在充电和放电周期期间产生电压差；圆柱形外壳400，用于容纳电极组件300；盖子组件500，装配到圆柱形外壳400的上部以防止电极组件300分离；电解质溶液600，注入到圆柱形外壳400中，以允许锂离子在电极组件300中移动；和核心构件700，放置在电极组件300的中央空间中。

电极组件300包括：第一电极板310，涂有正电极活性材料和负电极活性材料中的一种(例如，正性材料)；第二电极板320，涂有正电极活性材料和负电极活性材料中的另一种(例如，负电极活性材料)；和分隔件330，放置在第一电极板310和第二电极板320之间，以防止第一电极板310和第二电极板320之间的短路，并且仅允许锂离子在其中移动。此外，第一电极板310和第二电极板320以及分隔件330被卷绕为基本圆柱形，并且被容纳在圆柱形外壳400中。此外，一般由铝(Al)制成的并向上突出预定长度的第一电极接头315连接到第一电极板310。此外，一般由镍(Ni)制成的并向下突出预定长度的第二电极接头325连接到第二电极板320。但是，本发明不限于此。此外，在电极组件300的上部和下部上分别附着有上绝缘板341和下绝缘板345，以防止与盖子组件500和圆柱形外壳400直接接触。

圆柱形外壳400具有：敞开区域，电极组件300位于该预定空间中；和圆柱形侧表面板410，其具有预定的直径。在圆柱形侧表面板410的下部，底板420封闭圆柱形外壳400的一端。圆柱形侧表面板410的上部敞开，从而电极组件300可被插入。在圆柱形外壳400的底板420的中央附着有电极组件300的第一电极接头315和第二电极接头325中的一个(例如，第二电极接头325)，从而圆柱形外壳400也起着与第一电极板310和第二电极板320之一相同的功能(例如，负电极端口)。此外，圆柱形外壳400一般由铝(Al)、铁(Fe)或它们的合金制成。此外，圆柱形外壳400包括：卷边(crimping)部分430，其具有一侧弯曲结构，用于在向下的方向上挤压盖子组件500的上部；和弯边(beading)部分440，其具有内凹结构，用于在向上的方向上挤压盖子组件500的下部。

盖子组件500包括导电的安全孔510，第一电极接头315焊接到其上，并且在过度充电或产生不正常的热量的情况下，该导电的安全孔510被翻转。印刷电路板(PCB)520电和机械地连接到导电的安全孔510的上部，并且电路在导电的安全孔510被翻转的时候断开。正温度装置530电和机械地连接到印刷电路板520的上部，电路在预定的温度或更高的温度断开。导电的电极盖540电和机械地连接到正温度装置530的上部，以将实电流施加到外部。绝缘填料550具有环绕导电的安全孔510、印刷电路板520、正温度装置530和电极盖540的圆周部分的形状，以将这些部件与圆柱形外壳400绝缘。在该实施例中，电极盖540连接到电极组件300的第一电极接头315和第二电极接头325中的一个(例如，第一电极接头315)，从而电极盖540具有与第一电极板310类似的功能(例如，正电极端口)。

电解质溶液600用作锂(Li)离子的移动介质，所述锂离子在充电和放电周期期间在电池中的正电极和负电极通过电化学反应而产生。电解质溶液600可以是非水有机电解质溶液，其是锂盐和高纯有机溶剂的混合物。此外，电解质溶液600可以是使用聚合物电解质的聚合物。然而，本发明不限于电解质溶液的这些类型。

核心构件700被构造为基本管状，其中，沿核心构件700的轴向方向形成切口。此外，切口的两个边缘中的一个布置在另一个边缘的内侧。核心构件700插入到卷绕的电极组件300的中央空间中，以防止卷绕的电极组件300松驰和展开，并且防止由于外部压力而导致的卷绕的电极组件300的变形。此外，如果电极组件300的第二电极接头325焊接到圆柱形外壳400的底板420的中央部分，那么插入到卷绕的电极组件300的中央空间中的核心构件700挤压第二电极接头325，从而第二电极接头325能够与圆柱形外壳400的底板420接触。

参照图2A至图3B，根据本发明实施例的圆柱形锂二次电池的核心构件700被构造为管状，其中，在核心构件700的轴向方向上形成切口710。此外，切口710的两个边缘中的一个布置在另一个边缘的内侧。

当核心构件700由于外部压力而导致变形时，由于可以预先确定核心构件700的变形方向，所以可以将由核心构件700的变形导致的对电极组件300的影响最小化。具体地讲，当核心构件700变形时，电极组件300的分隔件330在具有最高可能性的位置可被损坏。在这种情况下，由于核心构件700的切口710的两个边缘中的一个布置在另一个边缘的内侧，所以当核心构件700由于外部压力而导致变形时，核心构件700能够在其内方向上螺旋地卷绕。因此，可防止核心构件700的弯曲变形。其结果是，可以将由核心构件700的变形导致的对电极组件300的影响最小化。在这种情况下，还可增加核心构件700抗轴向外部压力的能力。

此外，在核心构件700的外表面上形成凹口720。因此，当横向外部压力施加于核心构件700上时，核心构件700能够更容易地变形。因此，在该实施例中，将凹口720布置在与切口710相对的位置。如果凹口720被布置在与切口710相对的位置，那么当横向压力施加于核心构件700上时，核心构件700的截面可相对于凹口720均匀地变形。

参照图2A和图4，根据本发明实施例的制造圆柱形锂二次电池的方法包括：形成电极组件300的电极组件形成步骤S1；结合电极组件300的电极组件结合步骤S2；插入核心构件700的核心构件插入步骤S3；注入电解质溶液600的电解质溶液注入步骤S4；和组合盖子组件500的盖子组件组合步骤S5。

参照图4和5A，首先，在电极组件形成步骤S1中，第一电极板310、分隔件330和第二电极板320顺序地堆叠。接着，卷绕轴800放置在该堆叠的结构的一端，并且该堆叠的结构被卷绕为基本圆柱形，从而完成了电极组件300。在该实施例中，在卷绕处理完成之前，第一电极接头315和第二电极接头325分别附在第一电极板310和第二电极板320上。

参照图4和图5B，在电极组件结合步骤S2中，圆柱形电极组件300结合到圆柱形外壳400。在圆柱形电极组件300结合到圆柱形外壳400之后，卷绕轴800从电极组件300被分离，从而在电极组件300的中央部分形成基本圆柱形空间。

在该实施例中，卷绕轴800可在电极组件300被结合之前被分离，但是本发明不限于此。此外，下绝缘板345(未显示)预先结合到圆柱形外壳400。

参照图4和图5C，在核心构件插入步骤S3中，核心构件700插入到电极组件300的中央部分的空间中，该空间通过将卷绕轴800分离而形成。

在插入核心构件700之前，可通过使用接触焊接工艺将电极组件300的第一电极接头315和第二电极接头325中的一个(例如，第二电极接头325)附在圆柱形外壳400的底板420上。因此，核心构件700被放置为与第二电极接头325的上表面接触，从而具有牢固地将第二电极接头325结合到圆柱形外壳400的功能。核心构件700的高度可大约为电极组件300的高度的90％到110％。如果核心构件700的高度小于电极组件300的高度的90％，那么用于固定和支撑电极组件300的力可能太弱。此外，如果核心构件700的高度大于电极组件300的高度的110％，那么核心构件700可与盖子组件500的部件接触。

接着，在电解质溶液注入步骤S4中，电解质溶液600被注入直至电极组件300的上端。此外，电解质溶液600具有允许锂离子在充电和放电周期期间在电极组件300的第一电极板310和第二电极板320之间移动的功能。

参照图4和图5D，在盖子组件组合步骤S5中，由多个部件构造的盖子组件500固定到圆柱形外壳400的上部，以防止电极组件300和核心构件700分离，并且防止电解质溶液泄漏。

更具体地讲，具有环状的绝缘填料550固定到圆柱形外壳400的上部，并且电连接到电极组件300的第一电极接头315和第二电极接头325中的一个(例如，第一电极接头315)的导电的安全孔510、印刷电路板520、正温度装置530以及电极盖540被顺序地固定。

接着，相应于绝缘填料550的下部的圆柱形外壳400的部分受到弯曲处理，从而向内凹进地形成弯边部分440。此外，圆柱形外壳400的上部受到卷边处理，以形成卷边部分430。通过弯边部分440和卷边部分430，可以防止盖子组件500分离。结果，完成了圆柱形锂二次电池200。

参照图6，当外部压力，具体地讲，当横向压力施加于圆柱形锂二次电池200时，核心构件700被螺旋地卷绕并变形。发生这种情况是因为核心构件700的切口710的两个边缘中的一个布置在另一个边缘的内侧，并且凹口720布置在核心构件700的外表面。

如上所述，当横向压力施加于圆柱形锂二次电池200的核心构件700时，核心构件700在其内方向上被螺旋地卷绕并变形。因此，可以防止核心构件700的弯曲变形。即，可增加核心构件700抗这种外部压力的能力。

其结果是，可以提高圆柱形锂二次电池200抗外部压力的稳定性。

因此，可提供一种通过预先确定核心构件的变形方向而能够提高电池稳定性的圆柱形锂二次电池。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (8)

1、一种圆柱形锂二次电池，包括：

卷绕的电极组件，具有第一电极板和第二电极板以及插入到所述第一电极板和第二电极板之间的分隔件；

核心构件，为管状，并且具有沿着其轴向方向形成的切口和沿着其轴向方向形成的凹口，所述切口形成两个边缘并具有与核心构件的轴向长度相同的长度，所述凹口形成在核心构件的外表面的一部分上，所述核心构件插入到所述电极组件的中央空间中，并且具有响应于施加的外部压力的预定变形方向；

外壳，具有用于容纳电极组件的空间以及敞开的上部；和

盖子组件，固定到外壳的敞开的上部以将外壳的上部密封，

其中，所述凹口布置在核心构件上的与切口相对的位置。

2、根据权利要求1所述的圆柱形锂二次电池，其中，所述两个边缘中的一个布置在所述两个边缘中的另一个的内侧，从而核心构件具有响应于外部压力的螺旋卷绕的形状。

3、根据权利要求1所述的圆柱形锂二次电池，还包括：

下绝缘板，布置在电极组件和外壳的下表面之间；和

上绝缘板，布置在电极组件和盖子组件之间。

4、根据权利要求1所述的圆柱形锂二次电池，

其中，第一电极板和第二电极板中的一个通过电极接头电连接到外壳的底表面，并且

其中，核心构件布置在电连接到所述外壳的底表面的电极接头上。

5、一种圆柱形锂二次电池，包括：

卷绕的电极组件，具有第一电极板和第二电极板以及插入到所述第一电极板和第二电极板之间的分隔件；

核心构件，为管状，其中，沿所述核心构件的轴向方向形成切口和凹口，所述切口形成两个边缘并具有与核心构件的轴向长度相同的长度，所述凹口形成在核心构件的外表面的一部分上，所述核心构件被插入到电极组件的中央空间中；

外壳，具有用于容纳电极组件的空间以及敞开的上部；和

盖子组件，固定到外壳的上部以将外壳的上部密封，

其中，所述凹口布置在核心构件上的与切口相对的位置，

其中，所述两个边缘相对于彼此而布置，从而如果核心构件受到外部压力，则所述核心构件沿着预定的方向变形为螺旋卷绕的形状。

6、一种可插入到卷绕的电极组件的中央空间中的核心构件，所述电极组件具有第一电极板和第二电极板以及插入到所述第一电极板和第二电极板之间的分隔件，所述核心构件包括：

内表面和外表面，所述内表面和外表面为管状；和

沿核心构件的轴向方向的切口部分和沿核心构件的轴向方向的凹口，所述切口部分形成核心构件的两个边缘并具有与核心构件的轴向长度相同的长度，所述凹口形成在核心构件的外表面的一部分上，从而当核心构件受到外部压力时，所述核心构件沿着预定的方向变形，

其中，所述凹口布置在核心构件上的与切口相对的位置。

7、根据权利要求6所述的核心构件，其中，所述两个边缘中的一个布置在所述两个边缘中的另一个的内侧，从而当施加外部压力时，核心构件具有螺旋卷绕的形状。

8、一种可插入到卷绕的电极组件的中央空间中的核心构件，所述电极组件具有第一电极板和第二电极板以及插入到所述第一电极板和第二电极板之间的分隔件，所述核心构件包括：

内表面和外表面，所述内表面和外表面为管状；和

沿核心构件的轴向方向的切口部分和沿核心构件的轴向方向的凹口，所述切口部分形成核心构件的两个边缘并具有与核心构件的轴向长度相同的长度，所述凹口形成在核心构件的外表面的一部分上，

其中，所述凹口布置在核心构件上的与切口相对的位置，

其中，所述两个边缘相对于彼此而布置，从而如果核心构件受到外部压力，则所述核心构件沿着预定的方向变形为螺旋卷绕的形状。

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