CN101010817B - 膜封装的电气装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

当封装膜因异常时产生的气体而膨胀时，容易和积极地配置释放的压力和压力释放位置。膜封装电池(1)具有电池元件(2)和用于密封电池元件(2)的两个封装膜(4，5)。封装膜(4，5)包括可热密封的树脂层和不透气层，当它们的外围边缘被热熔合时，彼此相对的可热密封的树脂层保持电池元件(2)并密封电池元件(2)。在封装膜(4，5)中的一个中形成通过交联可热密封的树脂层形成的交联结构(8)，使得一部分热密封区(6)中的区域具有暴露于电池元件壳体单元的位置和与外界空气接触的另一部分。

Description

膜封装的电气装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种以电池或者电容器为代表的电气装置，特别涉及一种包括诸如由封装膜材料密封的化学电池元件、电容器元件等等的电气装置元件的膜封装电气装置，以及制造这种膜封装电气装置的方法。
背景技术
膜封装电气装置的一种类型是膜封装电池。迄今为此，已知有膜封装电池，其包括被在其厚度方向上的各个相对侧面上放置的封装膜夹着的电池元件并具有比电池元件的平面尺寸大的尺寸，电池元件被电池元件周围彼此连接的相对封装膜密闭地密封(也简称为“密封”)。正负极突片(tab)作为电极连接到电池元件。对于该密封的电池元件，突片穿过封装膜伸出。每个封装膜通常包括层叠膜，该层叠膜包括金属层和可热密封的树脂层。用彼此热熔合的可热密封的树脂层来密封电池元件。
如同采用除了膜之外的封装材料的金属罐等那样，使用封装膜材料的电池需要可靠密封的热熔合区，以便于阻止周围空气进入电池，并还阻止电解液泄漏。尤其是，密封可靠性对于包含非水电解质的电池很重要(下文中称作“非水电解质电池”)。如果出现热密封故障，则电解质将由于暴露于周围空气的组分而导致损坏，导致电池性能显著降低。
如果电池在使用的同时将超出电池额定范围的电压施加给电池，那么由于电解质溶剂的电解可能产生气体。而且，如果在额定范围之外的高温下使用电池，那么产生物质，该物质是由于电解质盐的分解产生的气体。实质上，理想的是在额定范围内使用电池，以便于不从电池产生气体。然而，由于一些原因在电池控制电路故障的情况中，可能施加了异常电压，或者由于一些原因可能出现高的周围温度，容易导致电池产生大量的气体。
电池内产生气体导致在电池中聚集内部压力。为了避免电池遭受由于非常高的内部压力聚集导致的意外爆炸，使用金属罐作为封装部件的很多电池具有压力安全阀，用于在电池中有内部压力聚集的情况下释放来自电池的气体。对于使用膜作为封装材料的膜封装电池来说，由于结构限制很难具有压力安全阀。如果膜封装电池承受内部压力聚集，那么膜将膨胀，直到它最终破裂，使得气体穿过破裂喷出。不可能确定这种膜出现破裂的位置。根据膜破裂的位置，电池可能不利地影响周围区域中的装置或者部件。
已经提出了一些压力释放结构，用于消除由于常规膜封装电池中气体的产生导致的问题。
例如，如图1所示，JP-A No.2004-55290公开了具有封装膜104的膜封装电池101，其中围绕电池元件(未示出)热密封该封装膜104，以形成热密封区106，该热密封区106包括朝着容纳电池元件的区域凸起的部分。封装膜104具有气体释放器107，该气体释放器107具有设置在热密封区106的凸起部分中的其顶端。形成气体释放器107，但是不是通过热密封工艺来形成的。
当封装膜104因膜封装电池101中产生的气体导致内部压力聚集而膨胀时，热密封区106承受剥落应力。由于热密封区106包括凸起部分，所以剥落应力集中在热密封区106的凸起部分上，使得封装膜104更尤其在凸起部分比其它部分逐渐剥落。当封装膜104的剥落到达气体释放器107时，膜封装电池101的内部开始和周围空气接触，气体释放器107释放气体。
发明内容
只要在彼此相对的封装膜的可热密封的树脂层之间出现封装膜剥落，上述常规压力释放结构不会有问题。然而，常规压力释放结构的不利之处在于，如果封装膜在其它区域剥落，它不能充分地起作用。
下面将参考图2到4描述上面的缺点。
图2是图1所示的膜封装电池的气体释放器的横截面图。如图2所示，封装膜104具有彼此相对设置的它们的可热密封的树脂层111。在热密封区106中，可热密封的树脂层111热熔合在一起。可热密封的树脂层111外面的层包括金属层112。当在膜封装电池中出现内部压力聚集时，有助于剥落封装膜104的剥落应力被施加到热密封区106的内边缘，使得封装膜104逐渐剥落，同时破裂可热密封的树脂层111。
如果可热密封的树脂层111在可热密封的树脂层111的厚度方向上逐渐破裂，如图3所示，那么剥落位置移动到可热密封的树脂层111和金属层112之间的界面。随后，封装膜104的剥落沿着可热密封的树脂层111和金属层112之间的界面前进，如图3中的粗线所示的。最后，如图4所示，当封装膜104的剥落到达封装膜104的外边缘时，没有穿过气体释放器107，膜封装电池101的内部开始和周围空气接触，释放压力。
如上所述，当封装膜的剥落沿着可热密封的树脂层和金属层之间的界面前进时，气体释放器不能起到安全阀的作用，直到封装膜的外边缘剥落才能释放压力。结果，释放的压力增加了。封装膜的剥落经过热密封区域的凸起部分之后，由于沿着可热密封的树脂层和金属层之间的界面的剥落前进的方向还没有固定，所以压力释放位置可能变化非常大。因此，根据剥落怎样前进，常规释放结构释放的压力和压力释放位置可能容易变得不稳定。
上述问题不局限于膜封装电池，而是还能在可能产生气体的电气装置元件被封装膜封装在其中的膜封装电气装置中发现这些问题。
本发明的目的是提供一种膜封装电气装置以及制造这种膜封装电气装置的方法，在由于故障情况中产生气体导致封装膜膨胀时，该膜封装电气装置能够容易地和可靠地设置释放的压力和压力释放位置。
为了实现上述目的，根据本发明的膜封装电气装置具有电气装置元件和密封电气装置元件的封装膜。封装膜至少具有各个可热密封的树脂层，并且该装置元件被彼此相对的可热密封的树脂层围绕，这些树脂层沿着其外围区域彼此热熔合以沿着其提供热密封区。封装膜具有设在其之间的内部空间，充当电气装置元件壳体，在该壳体中容纳密封在其中的电气装置元件。彼此相对的至少一个封装膜具有设置在包括一部分热密封区的连续区中并由可热密封的树脂层的交联树脂构成的交联结构，交联结构具有暴露于电气装置元件壳体的一部分和保持与周围空气接触的另一部分。
在根据本发明的膜封装电气装置中，彼此相对的封装膜具有彼此热熔合的它们的可热密封的树脂层，以密封电气装置元件。在包括热密封区的那部分的区域中，彼此相对的至少一个封装膜具有在如上所述的特定区中通过交联热密封树脂形成的交联结构。当向热密封区施加剥落应力时，提供交联结构的区中的封装膜以比其它区域更小的力剥落。因此，由于在膜封装电池中内部压力聚集而将向热密封区施加剥落应力时，封装膜在提供交联结构的区中优选沿着彼此相对的封装膜之间的界面逐渐剥落。结果，指定了剥落位置和压力释放位置，使得容易配置释放的压力。
在根据本发明的膜封装电气装置中，热密封区应当优选具有朝着电气装置元件壳体突出的凸起密封部分、设置在包括凸起密封部分的范围中的交联结构。由于施加到热密封区的剥落应力集中到凸起密封部分，所以加速了提供交联结构的区域中剥落的前进。膜封装电气装置应当优选包括设置在封装膜的外围区中的气体释放器，在其中气体释放器和周围空气相通且和电气装置元件壳体不接触，并且交联结构包括保持和气体释放器接触的区域，作为保持和周围空气接触的其它部分。具有这种结构，通过气体释放器可靠地释放压力。如果管子连接到气体释放器，那么将释放压力时排放的气体引导到适当的位置。可以通过交联封装膜的可热密封的树脂层提供交联结构或者可以通过熔合到封装膜的交联树脂片提供交联结构。
根据本发明，还提供了一种制造膜封装电气装置的方法，该膜封装电气装置具有被封装膜围绕的电气装置元件，该封装膜至少具有各个可热密封的树脂层并具有彼此热熔合以提供热密封区的各个外围区，在其间具有内部空间的该封装膜充当电气装置元件壳体，在该电气装置元件壳体中容纳密封在其中的电气装置元件。该方法包括如下步骤：通过在包括封装膜的热密封区的一部分的连续区域中的彼此相对的封装膜的至少一个中热交联可热密封的树脂层的工艺形成交联结构，交联结构具有露出到电气装置元件壳体的一部分和保持与周围空气接触的另一部分；在具有形成在其中的交联结构的封装膜之间夹着和围绕着电气装置元件，其中可热密封的树脂层彼此相对；以及热熔合彼此相对的封装膜的外围区，使电气装置元件夹在其间以密封电气装置元件。
在制造根据本发明的膜封装电气装置的方法中，在热熔合封装膜之前，通过在封装膜的给定区域中交联可热密封的树脂层，预先形成交联结构。然后通过具有设置在其中的交联结构的封装膜围绕电气装置元件，然后彼此热熔合彼此相对的封装膜的外围区，由此提供根据本发明的膜封装电气装置。
通过向可热密封的树脂层施加电子束可以形成交联结构。可以通过为形成交联结构而施加的电子束的剂量容易地控制提供交联结构的区中的剥落强度。
根据本发明，在可热密封的树脂层的区中提供交联结构，并使用交联结构热熔合封装膜。在由于故障产生气体而导致封装膜膨胀时，可以容易和可靠地配置释放的压力和气体释放位置。
附图说明
图1是常规膜封装电池的透视图；
图2是图1所示的膜封装电池的热密封区的横截面图；
图3是图1所示的膜封装电池的热密封区的横截面图，示出了封装膜剥落前进的例子；
图4是图1所示的膜封装电池的热密封区的横截面图，示出了封装膜剥落沿着可热密的封树脂层和金属层之间的界面前进的方式；
图5是根据本发明的第一个实施例的膜封装电池的分解透视图；
图6是围绕图5所示的膜封装电池的压力释放结构的区域的部分平面图；
图7是沿着图6的线A-A的横截面图；
图8是示出了图7所示的凸起热密封区中封装膜剥落的方式的视图；
图9是示出了用于比较交联的封装膜的剥落强度和没有交联的封装膜的剥落强度的试验结果的曲线；
图10是根据本发明的第二个实施例的膜封装电池的平面图；
图11是根据本发明的第三个实施例的膜封装电池的平面图；
图12是沿着图11的线B-B截取的横截面图；
图13是根据本发明的第四个实施例的膜封装电池的平面图；
图14是图13所示的膜封装电池的修改的平面图；
图15是图13所示的膜封装电池的另一种修改的平面图；以及
图16是根据本发明的另一实施例的膜封装电池的热密封区域附近的区域的横截面图。
附图标记的说明：
1，21，31，41，51，61膜封装电池
2，32，72电池元件
3a，23a正极突片
3b，23b负极突片
4，5，24，34，44，54，64，74，75封装膜
4a杯状部分
6，26，36，46，76热密封区
6a，26a，36a凸起热密封区
7，27，37，67，77气体释放器
8，28，38，48，58，68交联结构
11可热密封的树脂层
12不透气层
13保护层
24a非密封区
36，69管子
78树脂片
具体实施方式
图5示出了根据本发明的第一个实施例的膜封装电池1。膜封装电池1具有基本上为平面矩形的电池元件2和密封电池元件2的两个封装膜4，5，该电池元件2具有正极和负极、分别连接到电池元件2的正极和负极的正极突片3a和负极突片3b的呈平行六面体的层叠组件。
电池元件2是这样的结构，其中正极和负极与夹在其间的隔板交替层叠，所述正极和负极每个都包括具有彼此相对并涂敷有电极材料的表面的金属箔。没有被电极材料涂敷的未涂敷部分从正极和负极的各个侧面突出。正极的未涂敷部分被超声焊接在一起，并连接到正极突片3a，负极的未涂敷部分被超声焊接在一起，并连接到负极突片3b。正极和负极的超声焊接的未涂敷部分称为集电器。因此，正极突片3a和负极突片3b连接到电池元件2的集电器。
使电极材料的未涂敷部分在相同方向地堆叠电池元件2的正极和负极。因此，正极突片3a和负极突片3b连接到电池元件2的一侧。正极突片3a和负极突片3b用作电连接到外部电路的电极。如图6所示，正极突片3a和负极突片3b具有伸出封装膜4，5的末端部分。在本实施例中，膜封装电池1具有基本上伸长的矩形平面形状，其正极突片3a和负极突片3b从伸长的矩形形状的较短边伸出。
如果膜封装电池1是非水电解质电池，例如锂离子电池，那么使用铝箔作为正极的金属箔，并使用铜箔作为负极的金属箔。正极突片3b包括铝板，负极突片3b包括镍板或者铜板。如果负极突片3b包括铜板，那么其表面可以镀镍。
隔板可以是能够被电解溶液浸渍的片状部件，例如多孔膜、无纺布(nonwovenfabric)或者由热塑性树脂如聚烯烃等制成的织物。
由于封装膜4，5在其厚度方向在各对侧面上夹着并包围电池元件2，所以封装膜4，5具有比电池元件2的平面尺寸大的平面尺寸。封装膜4，5具有围绕电池元件2彼此热熔合的它们的重叠相对表面，由此密封电池元件2。因此，电池元件2的整个外围边缘被密封到热密封区域中，在图6中示出阴影表示的热密封区6。其中一个封装膜4具有杯状部分4a，以产生围绕电池元件2的空间的电池元件壳体。完全围绕杯状部分4a形成热密封区6。可以通过深冲压(deep-drawing)封装膜4来形成杯状部分4a。在本实施例中，仅仅在封装膜4中形成杯状部分4a。然而，可以在封装膜4，5中都形成杯状部分。可替换地，可以不形成杯状部分，在封装膜4，5柔韧的条件下，电池元件2可以被封装膜4，5围绕。
封装膜4，5的每一个都包括层叠膜。封装膜4，5的每一个的层叠膜包括柔性的并能够热密封的电池元件2使得电解液不从电池元件2泄漏的膜。典型地，如图7所示，层叠膜包括由可热密封的树脂构成的可热密封的树脂层11、诸如金属薄膜的不透气层12和由诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)或者尼龙等聚脂膜构成的保护层13的层叠组件，这些层以指定的顺序连续层叠。封装膜4，5的每一个至少可以具有可热密封的树脂层11和不透气层12，如果必要择加入保护层13。为了密封电池元件2，布置可热密封的树脂层11彼此相对，并围绕电池元件2。
不透气层12的薄膜可以包括具有厚度为从10到100μm范围的A1、Ti、Ti合金、Fe、不锈钢或者Mg合金的膜。稍后将描述可热密封的树脂层11的可热密封的树脂。为了充分地热熔合可热密封的树脂层11，每个可热密封的树脂层11应当优选具有从10到200μm范围的厚度并更优选从30到100μm范围的厚度。
密封区具有压力释放结构。在本实施例中，压力释放结构位于正极突片3a和负极突片3b之间。压力释放结构具有凸起热密封部分6a和气体释放器7，其中凸起热密封部分6a包括朝着电池元件2突出的热密封区6的内边缘部分，气体释放器7从封装膜4，5的外边缘朝着凸起热密封部分6a延伸并具有到达热密封部分6a的末端。气体释放器7形成为封装膜4，5之间的区域，其中封装膜4，5没有热熔合，而只是简单地彼此相对。由此保持气体释放器7与周围空气相通。在与电池元件壳体彼此隔开的位置处布置气体释放器7，由此保持气体释放器7与电池元件壳体不接触。
下封装膜5，即不具有在其中的杯状部分的封装膜5，具有通过交联处理形成在可热密封的树脂层11的部分中的交联结构8。交联结构8设置在至少包括热密封部分6a的区域中。因此，交联结构8是具有暴露于电池元件壳体的一部分和暴露于气体释放器7的另一部分的单一连续区。由于交联结构8设置在包括热密封部分6a的区域中，所以上封装膜4的可热密封的树脂层11热熔合到热密封部分6a中的下封装膜5的交联结构8。
在实际的膜封装电池1中，从膜封装电池1的外面不能看到交联结构8。然而，在图6中，为表示其位置而示出交联结构8。同样应用于根据其它实施例的膜封装电池的平面图中。
当向可热密封的树脂层11施加电子束时，可以形成交联结构8。通过向树脂添加交联剂可以交联可热密封的树脂。然而，使用掩模阻止电子束，可以由电子束容易地有选择性地只在一定位置形成交联结构8。
由于通过向可热密封的树脂层11施加电子束可以形成交联结构8，所以可热密封的树脂层11的可热密封的树脂可以包括树脂组合物，当受到电子束照射时其可以热熔合并可以产生交联结构8。树脂组合物可以是单树脂、多种类型树脂的混合、或者具有添加(混合或者涂敷等，还可以在下面使用)了电子束活性化合物的电子束可降解的树脂组合物。
树脂组合物可以是：聚烯烃均聚物，诸如聚乙烯(高、中和低密度聚乙烯或者直链低密度聚乙烯)；聚烯烃共聚物，诸如丙烯-乙烯共聚物、丙烯和/或乙烯以及诸如丁烯-1等α-烯烃的共聚物；或者树脂，诸如具有由-(CH2-CHX)-表示的重复单元的变性聚烯烃(X表示取代基，诸如H、CH3等等)，例如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(EMA)、乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(EGMA)等。
如果将下面所指的电子束活性化合物添加到其中，那么例如电子束可降解的聚异丁烯、聚甲基丙烯酸酯、聚偏二氟乙烯等还可以用作可热密封的树脂层11的树脂。
电子束活性化合物不局限于当它暴露于电子束时起反应的本领域的特定化合物，而是应当优选为能够形成交联结构的多官能团化合物。例如，电子束活性化合物可以是多功能团丙烯酸组合物，诸如三甘醇二(甲基)丙烯酸酯(triethylene glycol di(metha) acrylate)、三甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯(trimethyl propane tri(metha) acrylate)、季戊四醇四丙烯酸酯(pentaerythritol tetracrylate)、二季戊四醇六丙烯酸酯(dipentaerythritol hexacrylate)、季戊四醇丙烯酸酯六亚甲基二异氰酸酯(pentaerythritol acrylate hexamethylene diisocianate)、尿烷聚合物(urethane polymer)等等，单官能团丙烯酸化合物，诸如甲基(甲基(metha))丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯(methoxypolyethylene glycol(metha)acrylate)等等，多功能团丙烯酸化合物和单功能团丙烯酸化合物的组合物，脂环族环氧化合物，诸如3，4-环氧环己基甲基(epoxycyclohexylmethy1)-3'，4'-环氧环己烷羧酸酯(epoxycyclohexane carboxylate)，1，4-(6-甲基-3 ，4-环氧环己基甲基羧酸酯(epoxycyclohexylmethyl carboxylate))丁烷等，或者乙烯化合物，诸如乙烯基毗咯烷酮(vinylpyrroridone)、醋酸乙烯酯、乙烯基吡啶(vinylpyrroridine)、苯乙烯等。这些电子束活性化合物可以全部混合在可热密封的树脂层中或者可以涂敷到可热密封的树脂层的表面上。
在密封电池元件2的步骤之前，或者具体是在电池元件2被封装膜4，5围绕之前，将电子束施加到可热密封的树脂层11，同时用电子束阻挡件遮挡其中将不形成交联结构8的封装膜5的区域。电子束阻挡件可以由任何材料制成，只要它们能够阻挡电子束施加到其中将不形成交联结构8的区域。例如，电子束阻挡件可以由诸如铝、铁、铅、钛、铜等金属材料或者玻璃材料制成。在这些材料中，诸如铝、铁等等金属材料是优选的，因为它可以容易地加工或者形成为所需要的形状。
下面将描述制造根据本实施例的膜封装电池1的方法。
用电子束照射两个封装膜4，5中的一个的预定区域以形成交联结构8。
然后，用封装膜4，5夹住并围绕已经预先制备好的具有正极突片3a和负极突片3b的电池元件2。此时，定向封装膜4，5，使得可热密封的树脂层11彼此相对。其后，按压围绕电池元件2的彼此相对的封装膜4，5的区域，并通过热密封头(未示出)加热成热密封区6，由此密封电池元件2。如果使用对于热密封区6具有在形状上互补的按压表面的热密封头，那么不需要形成凸起密封部分6a和气体释放器7的特殊步骤。彼此相对地定位封装膜4，5和热密封头，使得凸起密封部分6a的位置将和封装膜5的交联结构8的位置对准。
例如，通过将封装膜4，5的三个侧面热熔合在一起或者通过一次热密封一个以产生具有一侧开口的包，通过封装膜4，5的开口侧将电解质溶液引入到包中，其后热熔合剩余的开口侧。如果在减压气氛(减压腔)中热熔合剩余一侧，那么当将密封的膜封装电池1放回到大气压力环境中时，在大气压力下封装膜4，5挤压电池元件2，并由此保持和电池元件2的紧密接触。
尽管由此构成的膜封装电池1正在被使用，但是如果由于施加超出标准范围的电压或者由于暂时的高温导致从电池元件2产生气体，那么在膜封装电池1中逐渐形成内部压力聚集。内部压力聚集导致作为用于围绕电池元件2的空间的电池元件壳体膨胀成圆屋顶的形状，对热密封区6的内边缘施加了剥落应力。
由于热密封区6包括如上所述的凸起密封部分6a，剥落应力在凸起密封部分6a上集中，并且封装膜4，5的剥落选优在凸起密封部分6a中发展。如图7清楚地示出的，凸起密封部分6a是封装膜5的交联结构8和封装膜4的可热密封的树脂层11彼此热熔合的区域。交联结构8在高温时比可热密封的树脂层11不容易变软。当交联结构8和可热密封的树脂层11彼此热密封时，交联结构8和可热密封的树脂层11没有彼此完全结合在一起，而是在交联结构8和可热密封的树脂层11之间维持存在边界。术语“在高温下不容易变软”意味着温度与应变特性，即，当树脂温度升高同时在恒定压力下向树脂增压而绘制的所谓的蠕变曲线，具有小的梯度，其中水平轴表示温度。
因为交联结构8和可热密封的树脂层11在凸起密封部分6a中彼此热熔合，所以封装膜4，5的剥落沿着封装膜5的交联结构8和封装膜4的可热密封的树脂层11之间的边界前进。当剥落前进时，如图8所示，封装膜4，5沿着封装膜4的没有交联的可热密封的树脂层11和封装膜5的交联结构8之间的凸起密封部分6a的边界彼此分离，使得电池元件壳体和气体释放器7开始彼此接触。当电池元件壳体和气体释放器7开始彼此接触时，电池元件壳体中的气体通过气体释放器7从膜封装电池1排放出去，由此释放电池元件壳体中的压力。由于交联结构8定义了封装膜4，5之间的剥落界面，所以在稳定压力下膜封装电池1允许气体通过气体释放器7可靠地释放，该过程是高度可靠度的。
下面将描述设置在封装膜4，5中的一个上的交联结构8允许封装膜4，5沿着其间的界面剥落的原理。
如果交联的树脂层(下文中称作“交联树脂层”)和没有交联的树脂层(下文中称作“非交联树脂层”)彼此热熔合，那么在交联树脂层和非交联树脂层之间的熔合界面中出现下面的现象。在交联树脂层中，交联的聚合物链不流动。因此，交联的聚合物链不容易熔合以及与非交联树脂层中的聚合物链结合在一起。然而，根据交联树脂层中的交联程度，没有交联的聚合物链存在于交联聚合物链的空隙中或者矩阵内。在这种非交联自由聚合物链聚集的小区域中，聚合物链可以熔合并在高于熔点的温度下流动。
如果这种小区域保持与交联树脂层和非交联树脂层之间的熔合界面接触，那么当将保持彼此接触的交联树脂层和非交联树脂层被加热到高于熔点的温度时，聚合物链穿过熔合界面流到树脂层中。当冷却和固化加热的树脂层时，以连续结合的方式在穿过熔合界面的树脂层之间形成包括交联树脂层中的非交联聚合物链和交联树脂层中的聚合物链的组合物的凝聚体或者结晶体。
如上所述，当交联树脂层和非交联树脂层彼此热熔合时，交联树脂层中的非交联聚合物链有助于树脂层之间的熔合，并且交联树脂层中的交联聚合物链与非交联树脂层不连续地结合在一起。不连续结合的这种区域存在于树脂层之间的熔合界面中。因此，当剥落应力对树脂层起作用时，剥落沿着树脂层之间的熔合界面，即封装膜4，5之间的界面前进。
如果交联树脂层的交联程度变化，那么聚集了非交联的自由聚合物链的小区域的比例变化。结果，当交联树脂层和非交联树脂层热熔合时，在穿过熔合界面的树脂层之间连续结合的凝聚体或结晶体的比例变化。具体地，如果交联树脂层的交联程度降低，那么小区域的比例增加，以及在树脂层之间连续结合的凝聚体或者结晶体的比例增加。因为在树脂层之间连续结合的凝聚体或者结晶体的比例较高，所以树脂层的熔合强度更高。由于通过改变电子束的剂量可以控制交联树脂层的交联程度，所以通过控制电子束的剂量可以自由地控制树脂层的熔合强度。
换句话说，熔合强度意味着剥落强度。由于熔合强度越高，熔合层越难剥落，所以剥落强度越大。如下所述，本发明人进行了剥落测试，以便检测存在交联结构层和不存在交联结构层时剥落强度之间的差异。
首先，在与另一个封装膜相对的一个封装膜中形成交联结构层，同时交联结构层和非交联结构层彼此面对，彼此热熔合封装膜的10mm宽的部分。为了比较，采用没有交联结构层的封装膜，并彼此热熔合封装膜的10mm宽的部分。然后，切掉垂直于热熔合部分的横向方向的方向上的相等长度的封装膜的热熔合部分，其包括没有热熔合部分，产生了本发明的样品(Sinv-1，Sinv-2)和比较样品(Scom-1，Scom-2)。
由此制备两个发明的样品和两个比较样品。夹紧没有热熔合的部分，热熔合部分以180度分离方向剥落。测量热熔合部分剥落时作用的力。在图9中示出测量结果。在图9中，水平轴表示剥落长度，其表示卡盘之间的距离。剥落长度实际上包括封装膜的伸长。热熔合部分完全剥落时卡盘之间的距离大约是25mm。从图9可以看出的是，Sinv-1、Sinv-2通常以比Scom-1、Scom-2小的力剥落。换句话说，存在于彼此相对的封装膜之间的界面中的交联结构对于减小剥落强度是有效的。
本实施例中的气体的释放压力依赖于凸起密封部分6a中的封装膜4，5的剥落强度。如上所述，熔合强度依赖于形成交联结构8所施加的电子束的剂量。因为电子束的剂量越高，用电子束照射的可热密封的树脂层11的交联程度越高，有助于减小凸起熔合部分6a中封装膜4，5的剥落强度。由于剥落强度较小，所以可以在较低的压力下释放气体。因此，通过适当调节可热密封的树脂层11的交联程度可以将释放的压力设置为希望的水平。
在设计膜封装电池1中优选的释放压力范围从0.05MPa到1MPa并更优选从0.1MPa到0.2MPa，按照在大气压力之上的增加表示该释放压力。如果释放压力低于0.05MPa，那么如果发生例如当大电流短暂流过电池或者电池被暂时加热到高温的小问题，气体也容易被释放，结果是膜封装电池1将不能正常工作。相反，如果释放压力高于1MPa，那么在剥落前进到气体释放器7之前，气体容易通过另一个区域释放，并且气体可能以不期望的方向喷射。
在上面的实施例中，在膜封装电池1的较短侧面、尤其是在其正极突片3a和负极突片3b伸出的侧面，设置单个的压力释放结构。然而，压力释放结构的数量和设置它们的位置可以按照使用膜封装电池1的目的以及使用膜封装电池1的条件而改变。图10示出了这种修改的一个例子，作为本发明的第二个实施例。
图10中所示的膜封装电池21在其较长侧面具有压力释放结构。在本实施例中，正极突片23a和负极突片23b从膜封装电池21的较短侧面伸出。因此，压力释放结构设置在不同于正极突片23a和负极突片23b伸出的侧面的侧面上。电池元件(未示出)在厚度方向上在其两个侧面上被两个装置膜24夹着并包围着。电池元件被其整个外围边缘热熔合的封装膜24密封，正极突片23a和负极突片23b从其中伸出。电池元件的结构细节和封装膜24的层细节与第一个实施例的相同，将不在下面描述。
压力释放结构具有通过热熔合密封膜24形成的并且朝向电池元件突出的包括热密封区26的内边缘的一部分的凸起密封部分26a，以及从封装膜24的外边缘朝着凸起热密封部分26a延伸并具有到达热密封部分26a的末端的气体释放器27。气体释放器27形成为封装膜24没有被热熔合而只是彼此相对的区域。保持气体释放器27和周围空气相通。
如果压力释放结构设置在正极突片23a和负极突片23b伸出的一侧上，那么由于在正极突片23a和负极突片23b伸出的一侧上在电池元件和热密封区26之间需要用于集电器的空间，所以可以在热密封区26中设置凸起密封部分，而不需要改变膜封装电池21的外轮廓尺寸。然而，如果在没有伸出正极突片23a和负极突片23b的一侧上设置压力释放结构，那么在该侧上的电池元件和热密封区26之间不存在这样的空间。如果只是将凸起密封部分26a添加到热密封区26，那么将增大膜封装电池21的外轮廓尺寸。
根据本实施例，封装膜24是包括向外凸起的部分的形状，并形成热密封区26，使得在向外凸起的部分上设置与电池元件壳体连通的湾形状(bayed-shape)的区域，其中在湾形状区域中形成凸起密封部分26a。凸起密封部分26a的相对侧面形成为封装膜24没有被热熔合的未密封部分24a。由于提供了与电池元件壳体接触的湾形状的区域并在湾形状的区域中形成凸起密封部分26a，所以保持膜封装电池21的外轮廓尺寸的增加为最小，并可以提供具有应力集中区域作用的凸起密封部分26a。
在本实施例中，两个封装膜24中的一个具有通过施加电子束在可热密封的树脂层中形成的交联结构28。
交联结构28设置在包括凸起密封部分26a的区域中，并具有暴露于电池元件壳体和气体释放器27的部分。因此，如在第一个实施例中那样，由于在电池元件壳体中内压力聚集而导致的封装膜24的剥落沿着交联结构28和另一个封装膜的可热密封的树脂层之间的边界前进。因此，根据本实施例，膜封装电池1允许气体以稳定的压力通过气体释放器7可靠地释放，并且该过程是高度可靠的。
图11和12示出了根据本发明的第三个实施例的膜封装电池。
根据本实施例的膜封装电池31不同于第二个实施例之处在于，管39连接到气体释放器27上。根据本实施例的膜封装电池31和第二个实施例相同之处在于，具有在热密封区36的一部分中作为应力集中区域而设置的凸起密封部分36a和作为封装膜34没有被热熔合的空间的气体释放器37的压力释放结构被布置成其末端在凸起密封部分36a中，并且交联结构38被设置在包括凸起密封部分36a的区域中的两个封装膜36之一的可热密封的树脂层中。
管39具有密封地连接到气体释放器37的端部和伸出到适当位置的另一开口端，其中在该位置处，产生的气体可以从电池元件32排放出去，而没有负面影响。由于管39的另一端是开放的，所以气体释放器37通过管39和周围空气相通。当从电池元件32产生气体时，作为容纳电池元件32的空间的电池元件壳体中的内部压力增加，导致封装膜34在凸起密封部分36a中剥落。当封装膜34剥落时，将气体从电池元件壳体引入到气体释放器37中，穿过管39，并从管39的开口端排放出去。
通过将管39连接到气体释放器37，可以根据需要选择排放气体的位置。由于根据需要可以通过管39选择排放气体的位置，所以还可以根据需要选择压力释放结构的位置。本实施例在这样的情况中尤其有效，其中在膜封装电池31周围存在对气体敏感的部件和装置并且不优选从气体释放器37直接排放气体。如果管39的开口端布置在离开膜封装电池31的位置，那么可以在离开膜封装电池31的位置排放气体。仅仅当限定封装膜34的剥落界面并且电池元件壳体和气体释放器37可靠地彼此接触时，管39起到有效的作用。
管39应当由选由柔性材料制成。如果管39是由柔性材料制成的，那么可以容易地布置管39。在安装了封装电池31之后，排放气体的位置可以自由改变。通过在两个封装膜34之间夹住管39的端部并将封装膜34的外边缘粘接到管39的外圆周表面，可以将管39连接到气体释放器37。只要能够密封地连接管39，则可以用任何方法粘接封装膜34和管39。可以用粘接剂粘接封装膜34和管39，或者如果管39是由热塑性树脂制成的，那么可以通过热熔合来粘接封装膜34和管39。尤其是，如果管39是由和封装膜34的可热密封的树脂层的可热密封的树脂相同的树脂制成的，那么可以通过热熔合来连接管39。管39可以如下热熔合：热熔合封装膜34以形成气体释放器37，同时为插入管39留一个口，然后通过该口将管39的端部插入到气体释放器37，在这之后将管39热熔合到封装膜34。可替换地，当密封电池元件32时，将管39放置在夹在封装膜34之间的位置处，在封装膜34中形成热密封区36的同时连接管39。
在本实施例中，将管39应用到第二个实施例。管39也可应用于第二个实施例。
在上面每一个实施例中，优选在热密封区中设置允许封装膜的剥落前进的应力集中区，并在应力集中区中设置交联结构。如上所述，在高温时交联结构比其它区域更不容易变软，结果是设置交联结构的区域具有比其它区域小的剥落强度。因此，如果仅仅通过提供交联结构就可以充分地限定剥落位置，那么不需要提供应力集中区，并可以在一部分热密封区中提供交联结构。将在下面描述这种替换的一些实例。
图13示出了根据本发明的第四个实施例的膜封装电池。根据本实施例的膜封装电池41采用伸长的矩形封装膜44，其具有在其周围完全伸出并具有恒定宽度的热密封区46，由此密封电池元件(未示出)。热密封区46在其一部分中交联结构48，该交联结构48包括设置在可热密封的树脂层中并具有暴露于用于在其中容纳电池元件的电池元件壳体的内边缘以及与热密封区46的外边缘对准的外边缘。因此交联结构48除了具有暴露于电池元件壳体的部分之外，还具有和周围空气相通的部分。
根据本实施例，尽管在热密封区46中没有提供应力集中区，但是提供交联结构的区域具有比热密封区46的其它区域小的剥落强度。因此，由于在膜封装电池41中的内部压力集中而导致的封装膜44的剥落优选在提供有交联结构48的区域中前进。当剥落到达交联结构48的外边缘时，电池元件壳体开始和周围空气接触，从提供有交联结构48的区域的外边缘排放气体并由此释放压力。
只要交联结构48具有暴露于电池元件壳体的部分以及没有暴露于电池元件壳体的部分，并且其与周围空气相通，则交联结构48的形状和尺寸没有限制。在图13中，交联结构48具有伸长的矩形形状。图14示出了具有梯形形状的交联结构58的膜封装电池51。在图14中，交联结构58具有其长度L1大于其外围边缘的长度L2的内边缘，使得交联结构58具有从在电池元件壳体附近的边缘向外逐渐变小的尺寸。如此成形的交联结构58和这样的方式匹配，其中封装膜54逐渐剥落，并由此允许封装膜54平滑地剥落。
图15示出了没有应力集中区的压力释放结构的另一个例子。图15中示出的膜封装电池61采用根据第三个实施例的管69应用到图14中所示的实例。封装膜64具有不通过热熔合封装膜64而形成的气体释放器67，气体释放器47具有设置在提供有交联结构68的区域中的末端。管69密封地连接到气体释放器67。当交联结构68通过气体释放器67和管69连通到周围空气时，可以在稳定的压力下从特定位置排放气体。如果可以从封装膜64的外边缘排放气体，那么无需管69，气体释放器67可以直接连通到周围空气，如在第一个实施例中那样。
在上面的实例中，在封装膜中提供交联结构。可替换地，交联结构可以不设置在封装膜中，而是可以通过在彼此相对的两个膜之间夹入交联树脂片来形成，或者换句话说，通过将交联树脂片熔合到彼此相对的封装膜之一来形成。在图16中示出了这种实施例，其中示出了热密封区附近的区域。在图16所示的实施例中，在热密封区76的一部分中，交联树脂片78夹在两个封装膜74，75之间。树脂片78具有暴露于容纳电池元件72的电池元件壳体的一部分和暴露于气体释放器77的另一部分。只要满足这些条件，树脂片78的尺寸和形状不受限制，并可以以和上面的实施例相同的方式布置其它结构细节。
在封装膜74，75被彼此热熔合之前，树脂片78被热熔合到彼此相对的封装膜74，75的任一个。树脂片78应当优选由和封装膜74，75的可热密封的树脂层74a，75a相同的树脂制成，以便于获得密封电池元件72所需的最小熔合强度。树脂片78可以是膜或者网孔的形式。如果树脂片78是网孔的形式，那么通过粘结效应(anchoring effect)可以获得所需的熔合强度，该粘结效应是当通过热熔合而熔化的可热密封的树脂层74a，75a进入到树脂片78的孔隙中时而引起的。通过与树脂片78的形式无关地适当调节交联程度，还可以控制封装膜74，75的熔合强度。热密封区76沿着一个封装膜74和树脂片78之间的界面或者另一个封装膜75和树脂片78之间的界面的任一个剥落。在任何情况中，剥落在包括树脂片78的区域中前进。
通过树脂片78提供的交联结构提供了和上面的实施例相同的优点。根据本实施例，尤其是，由于通过和封装膜74，75不同的树脂片78提供交联结构，所以容易确定是否在封装膜74，75中提供交联结构。因此，有助于制造过程中部件管理，可以得到可能用于封装膜74，75(尤其是可热密封的树脂层74a、75a)的更宽的材料选择。
上面已经描述了本发明的典型实施例。然而，本发明不局限于这些实施例，而是可以在本发明的技术思想的范围内作出变化。
例如，在上面的一些实施例中，在两个封装膜中的一个中提供交联结构。然而，如果它们可以产生密封电池元件的足够粘接力，则可以在两个封装膜中提供交联结构。在这种情况中，施加到各个封装膜的电子束的剂量可以彼此相等或者不同。如果将这种布置应用到图16所示的实施例中，那么交联树脂片分别熔合到各封装膜上。
在上面的实施例中，两个封装膜在厚度方向上从它的相对侧面夹着电池元件，并沿着它们的四个侧面热熔合。可替换地，可以在其本身上折叠单一的封装膜来提供两个叶片，其可以夹着电池元件，并沿着它们开放的三个侧面热熔合，由此密封电池元件。
在上面的实施例中，电池元件是层叠结构，其中交替层叠了多个正极和多个负极。然而，可以应用具有交替布置的正极和负极的卷绕电池元件，使得正极、负极和隔板构成为带状，正极和负极与在其间插入的隔板重叠，并且它们被卷绕并其后被压成平面形状。
可以应用在普通电池中使用的所需电池元件，只要它们包括正极、负极和电解质。在通常的锂离子二次电池中使用的电池元件包括：正极板，其每个都具有用正极活性材料例如锂锰复合氧化物、锂钴氧化物等涂敷的相对表面的铝箔；和负极板，其每个都具有能够掺杂或不掺杂锂的碳材料涂敷的相对表面的铜箔，正极板和负极板以彼此相对关系布置，隔板插入其间，组件被包括锂盐的电解质溶液浸渍。可以使用的其它电池元件包括用于其它类型的化学电池的电池元件，例如镍氢电池、镍镉电池、锂金属一次或者二次电池、锂聚合物电池等。本发明还可应用于具有能够在其中存储电能并根据化学反应或者物理反应产生气体的电气装置元件的电气装置，例如电容器，诸如双层电容器，或者电容元件，诸如电解质电容器。
在上面的实施例中，正极突片和负极突片从膜封装电池的一侧伸出。然而，正极突片和负极突片可以从不同的侧面伸出，例如膜封装电池的相对两侧或者相邻两侧。

Claims (16)

1.一种膜封装电气装置，包括：
电气装置元件；和
封装膜，至少具有各个可热密封的树脂层并且用彼此相对的可热密封的树脂层围绕所述电气装置元件，相对的可热密封的树脂层沿着其外围区域彼此热熔合以沿着其提供热密封区，在其间具有内部空间的所述封装膜充当电气装置元件壳体，在该电气装置元件壳体中容纳密封在其中的所述电气装置元件，
其中，所述相对封装膜的至少一个具有设置在包括一部分热密封区的连续区中并由交联树脂构成的交联结构，所述交联结构具有暴露于所述电气装置元件壳体的一部分和保持与周围空气接触的另一部分，以及，
其中，所述热密封区具有朝着所述电气装置元件壳体突出的凸起密封部分，所述交联结构设置在包括所述凸起密封部分的范围中。
2.根据权利要求1的膜封装电气装置，其中在所述封装膜中形成所述热密封区，以提供与所述电气装置元件壳体相接触的非热密封区，所述非热密封区的内边缘的长度L1大于其外边缘的长度L2，以使得非热密封区交联结构具有从所述电气装置元件壳体附近的边缘向外逐渐变小的尺寸，所述凸起密封部分位于所述非热密封区中。
3.根据权利要求1的膜封装电气装置，还包括设置在所述封装膜的外围区中的气体释放器，所述气体释放器与周围空气相通且保持与所述电气装置元件壳体不接触，所述交联结构包括当所述其它部分保持与周围空气接触时保持与所述气体释放器接触的区域。
4.根据权利要求3的膜封装电气装置，其中提供所述气体释放器，作为彼此相对的封装膜没有彼此热熔合的区域。
5.根据权利要求4的膜封装电气装置，还包括连接到所述气体释放器的管。
6.根据权利要求5的膜封装电气装置，其中所述管夹在彼此相对的封装膜之间，并具有粘接到所述封装膜的外围表面。
7.根据权利要求6的膜封装电气装置，其中所述管由与所述可热密封的树脂层的树脂相同的树脂构成，并通过热熔合粘接到所述封装膜。
8.根据权利要求1的膜封装电气装置，其中通过交联所述封装膜的可热密封的树脂层提供所述交联结构。
9.根据权利要求1的膜封装电气装置，其中通过熔合到所述封装膜的交联树脂片提供所述交联结构。
10.一种制造膜封装电气装置的方法，该膜封装电气装置具有被封装膜围绕的电气装置元件，该封装膜至少具有各个可热密封的树脂层并具有彼此热熔合以提供热密封区的各个外围区，在其间具有内部空间的所述封装膜充当电气装置元件壳体，在该电气装置元件壳体中容纳密封在其中的所述电气装置元件，所述方法包括步骤：
在包括封装膜的所述热密封区的一部分的连续区域中的彼此相对的封装膜的至少一个中形成由交联树脂构成的交联结构，所述交联结构具有暴露于所述电气装置元件壳体的一部分和保持与周围空气接触的另一部分；
由具有形成在其上的所述交联结构的所述封装膜夹着并围绕所述电气装置元件，使得所述可热密封的树脂层彼此相对；以及
热熔合彼此相对的所述封装膜的外围区，使所述电气装置元件夹在其间，以密封所述电气装置元件。
11.根据权利要求10的方法，其中形成交联结构的所述步骤包括向将形成所述交联结构的所述封装膜的区域施加电子束的步骤。
12.根据权利要求10的方法，其中热熔合外围区的所述步骤包括如下步骤：通过提供所述封装膜没有被热熔合的区域，从所述封装膜的外边缘到所述交联结构的所述其它部分，形成与周围空气相通的气体释放器。
13.根据权利要求12的方法，还包括将管连接到所述气体释放器的步骤。
14.根据权利要求13的方法，其中连接管的所述步骤包括在彼此相对的封装膜之间夹入所述管并将所述管和所述封装膜彼此粘接的步骤。
15.根据权利要求10的方法，其中形成交联结构的所述步骤包括交联所述封装膜的可热密封的树脂层的步骤。
16.根据权利要求10的方法，其中形成交联结构的所述步骤包括将交联树脂片熔合到所述封装膜的步骤。
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