CN101140980A - 具有表面处小凹槽的电池单元和包括该电池单元的电池包 - Google Patents

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Abstract

这里公开了一种电池单元，该电池单元包括安装在电池壳体(单元壳体)的容纳部分中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件。该单元壳体设置在与电极组件的上端交界面对应的单元壳体的预定区域中，同时该电极组件安装于容纳部分中，且有一小凹槽，该凹槽用于压靠在电极组件的上端，以便防止电极组件的向上运动。小凹槽连续形成，与电极组件的上端平行。

Description

具有表面处小凹槽的电池单元和包括该电池单元的电池包
技术领域
本发明涉及一种电池单元，包括安装于电池壳体(单元壳体)的容纳部分中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件，且更具体涉及这样一种电池单元，其被构造成这样的结构，其中单元壳体设置在与电极组件的上端交界面对应的单元壳体的预定区域中，同时电极组件安装于容纳部分，且有一小凹槽，其用于压靠在电极组件的上端，以便防止电极组件的向上运动，且该小凹槽连续形成，与电极组件的上端平行。
背景技术
随着移动设备日益发展，而且对移动设备的需求增加，作为移动设备的能源，对电池的需求也急剧增加。而且，已经进行了很多关于电池的研究，以便满足各种需要。
在电池形状上，对菱形二次电池的需求或者袋形二次电池的需求非常得高，它们薄得足以应用在产品上，如移动手机上。在电池的材料上，对锂二次电池(诸如锂离子电池和锂离子聚合电池)的需求非常高，它具有较高的能量密度，较高的放电电压和较高的输出稳定性。
而且，二次电池可以根据电极组件的结构而分类，电极组件具有阴极/隔板/阳极结构。例如，电极组件可以构造为以下形式：果冻卷(卷绕)形式的结构，其中将呈长片的阴极和阳极卷绕起来，同时将隔板分别设置在阴极和阳极之间；叠置形式的结构，其中将具有预定尺寸的多个阴极和阳极彼此连续地叠置起来，同时将隔板分别设置在阴极和阳极之间；或者叠置/折叠形式，其中将具有预定尺寸的多个阴极和阳极彼此连续地叠置起来，同时将隔板分别设置在阴极和阳极之间，从而构成双单元或者全单元，然后将双单元或全单元卷起来。
近来，很多关注转到了袋形电池上，这种电池被构造成以下结构：其中将叠置或者叠置/折叠形式的电极组件安装在由铝叠层片制成的袋形电池壳体中，这是因为较低的制造成本，较轻的重量，以及形状上容易修改。结果，袋形电池的使用逐渐增加。
图1为分解透视图，典型地显示了现有代表性的袋形二次电池10的一般结构。
参照图1，袋形二次电池10包括电极组件30，多个电极接头40和50，它们从电极组件30伸出，电极引线60和70，它们被分别焊接在电极接头40和50上，和电池壳体20，用于容纳电池组件30。
电极组件30为能量产生元件，其包括阴极和阳极，它们彼此连续地叠置起来，同时有隔板分别设置在阴极和阳极之间。电极组件30被构造成叠置结构或叠置/折叠结构。电极接头40和50从电极组件30的对应的电极板伸出。电极引线60和70电连接于电极接头40和50，它们分别从电极组件30的对应电极板伸出，例如，通过焊接而电连接。电极引线60和70部分地暴露到电池壳体20的外部。在电极引线60和70的上下表面上，部分地附着有绝缘薄膜80，其用于提高电池壳体20和电极引线60和70之间的密封性能，同时用于保证电池壳体20和电极引线60和70之间的电绝缘。
电池壳体20由铝叠层片制成。电池壳体20具有其中限定出的空间，用于容纳电极组件30。电池壳体20一般形成袋形。在电极组件30是叠置形式电极组件的情况下，如图1所示，电池壳体20的内上端与电极组件30间隔开，使得多个阴极接头40和多个阳极接头50能够分别连接到电极引线60和70。
图2为放大的截面视图，显示了图1所示的二次电池的电池壳体的内上端，其中阴极接头彼此连接成集中状态，并且连接到阴极引线，而图3为正视看透(see-through)图，显示了组装状态下的图1的二次电池。
参照这些附图，多个阴极接头40(从电极组件30的阴极收集器41处伸出)连接到阴极引线60的一端，例如，通过焊接，将阴极接头40彼此一体结合起来，从而呈现出由此构成的焊接束的形式。阴极引线60由电池壳体20密封，同时阴极引线60的另一端61暴露于电池壳体20的外部。由于多个阴极接头40彼此一体结合起来，从而构成焊接束，因此电池壳体20的内上端与电极组件30的上端表面间隔开一定预定距离，且组合成焊接束形式的阴极接头40近似地弯曲成V形。因此，电极接头和对应电极引线之间的联接区域可以被称为“V形区域”。
然而，这种V形区域在电池安全方面具有问题。当电池掉落，同时电池的上端(即电池的阴极引线)朝下，或者有外部物理作用力施加在电池的上端时，电极组件30将会朝着电池的内上端移动，或者电池壳体20的上端将会破碎。结果，电极组件30的阳极与阴极接头42或者阴极引线60接触，且因此可能会在电池内产生短路。从而，极大降低了电池的安全性。
因此，根据本发明，作为主要解决上述问题的方案，已经提出了这样构造的二次电池，其中对应于电池中电极组件的上端交界面的电池壳体的预定区域被修改为特定的形状。
在这方面，已知一些技术，用于在电池壳体的一个表面中形成凹槽。作为例子，日本专利注册号No.3730981公开了一种二次电池，其构造成这样的结构，其中有多个凸形部分形成在电池壳体的至少一个表面上，它们围绕着电极组件，用以提高散热性，且这些凸形部件被填充了填充物。这种技术的优点在于，电池壳体的薄膜表面区域借助于这多个凸形部分而得到增加，结果，增加了散热性，且凸形部分的形状由其中的填充物来稳定保持。然而，不可能防止以下情况：当有外力施加到电极组件的电极接头时，由于电极组件的向上运动而造成的电池内部短路。
作为另一个例子，日本专利申请公开No.2001-057179公开了一种二次电池，其构造成这样的结构，其中有凹槽或凸形部分形成在电池壳体的至少一个表面上，它们呈X形线性图案的形状，从而抑制了电池壳体的膨胀，且因此防止了电池壳体的变形。如此申请说明书中清楚描述的，这种交叉线结构上起到了交叉梁的作用，增加了电池壳体的总体强度，从而防止了电池壳体由于电池壳体的膨胀而造成的变形。但是，这种技术的问题在于，只是在线性图案形成X形时，才能实现所期望的效果。而且，这种技术的另一个问题在于，只是在电池壳体是金属容器时，才能实现期望的效果，且因此当电池壳体是片式的电池壳体时，不能获得满意的结果。另外，需要线性图案形成得很深，以便于结构上实现交叉梁的作用。但是，这个方法可能会极大损害这些线的交叉区域处的电池壳体的机械强度。
因此，对能够防止二次电池由于电极组件的运动而造成的短路、且在制造工艺上没有困难的技术有着很高的需要。
发明内容
因此，已经做出了本发明来解决上述问题，并且解决了待解决的其他技术问题。
作为多种广泛和透彻的研究和实验的结果，以解决上述问题，本发明的发明人发现，当有小凹槽形成在对应于电极组件的上端和电子接头之间的交界面的单元壳体的预定区域，使得小凹槽连续形成，平行于电极组件的上端时，可以防止电极组件的向上运动，且可以防止由于外部冲击(如掉落)而造成的内部短路发生，而且在制造工艺上没有困难，从而提高了电池单元的安全性。基于这些发现，完成了本发明。
根据本发明的一个方面，通过提供一种电池单元，实现了上述和其他的目的，该电池单元包括安装在电池壳体(单元壳体)的容纳部分中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件，其中单元壳体设置在与电极组件的上端交界面对应的单元壳体的预定区域中，同时电极组件安装于容纳部分，且有一小凹槽，其用于压靠在电极组件的上端，以便防止电极组件的向上运动，该小凹槽连续形成，与电极组件的上端平行。
由于电池掉落或有外力作用于电池而引起的电池内部短路出现是电池爆炸或燃烧的主要因素。这是因为，当电池掉落或有外力施加于电池时，电极组件移动，且因此阴极和阳极彼此接触。由于在接触电阻部分产生电流，因此将产生很高的电阻热。当由于高电阻热而使电池内部温度超过临界温度水平时，阴极活性材料的氧化结构破裂，且因此出现热量失控(runaway)现象。结果，电池可能会着火或爆炸。
另一方面，在根据本发明的电池单元中，电极组件安装于单元壳体中，同时电极组件在形成于单元壳体的预定区域的小凹槽作用下而稳定地保持到位。因此，当电池掉落或者当有外力施加于电池时，小凹槽抑制了电极接头在单元壳体中的向上运动，从而防止了电池的内部短路发生，由此提高了电池的安全性。
而且，小凹槽压靠于处于对应于电极接头和电极组件之间的交界面的单元壳体的预定区域处的电极组件的上端。因此，能够有效利用不会影响电池容量和运行的区域。
而且，小凹槽连续形成于对应于电极接头和电极组件之间的交界面的单元壳体的预定区域，以致于小凹槽平行于电极组件的上端。这样，与前面所述的凸形部分形成在电池壳体的外表面，或者凸形部分修改成线性图案相比，小凹槽更容易形成在单元壳体处。
根据情况，单元壳体还可以设置在对应于电极组件下端交界面的单元壳体的预定区域，同时电极组件被安装于容纳部分，且有另一小凹槽，该小凹槽连续形成，与电极组件的下端平行。在此情况下，通过上端小凹槽和下端小凹槽的协同作用，电极组件更稳定固定在电池壳体中。具体而言，小凹槽形成在电极组件的上下端交界面处，使得电极组件稳定地固定于单元壳体的容纳部分，从而可以相当大地降低由于外部冲击作用于电池或者电池的掉落而造成电极组件移动的可能性。
电极组件并不特别限定，只要电极组件构造成这样的结构就行了，即其中多个电极接头彼此连接起来，构成阴极和阳极。优选的，电极组件构成堆叠或堆叠/折叠形式结构。堆叠/折叠形式的电极组件的细节公开在韩国专利申请公开No.2001-0082058，No.2001-0082059和No.2001-0082060中，这些申请以本专利申请的申请人的名义提交。上述专利公开的内容在此通过参照引入。
根据本发明的小凹槽的深度并不特别限定，只要小凹槽形成在对应于电极接头和电极组件之间的交界面的单元壳体的预定区域就行了。优选的，小凹槽的深度为0.5毫米到1.5毫米。
当小凹槽的深度小于0.5毫米时，难以防止电极组件的向上移动。另一方面，当小凹槽的深度大于1.5毫米时，电池壳体可能会由于小凹槽在电池壳体中的形成而断裂。
在优选实施例中，小凹槽构成在竖直截面呈半圆凹陷的结构。半圆形凹陷结构的小凹槽抑制了电池壳体在有小凹槽形成于其中的断裂。而且，小凹槽结构上具有较高的形状保持性。优选的，半圆形凹陷结构的小凹槽的曲率半径为0.3毫米到3毫米。
在根据本发明的电池单元中，单元壳体优选由叠层片制成，其包括树脂层和金属层。具体而言，单元壳体可以是袋形壳体，其构成这样的结构，即其中容纳电极组件的容纳部分形成在铝叠层片中。在电极组件安装于容纳部分后，例如用热焊来密封由叠层片制成的单元壳体。
优选的，根据本发明的电池单元为锂二次电池。特别的，本发明特别适合于这样一种二次电池，其具有浸渍呈凝胶形式的、含有锂电解液的电极组件，即所谓的锂离子聚合电池。
根据本发明的另一方面，提供了一种电池包，其包括安装电池包壳体中的电池单元。
一般的，电池单元以电池包形式使用，电池包构成这样的结构，即其中电池单元安装于电池包壳体中，以便提高电池单元的单元壳体的机械强度，且稳定地定位电池单元外部的各种元件。
当电池单元的外表面与电池壳体的内表面接触时，形成于电池单元的外表面的长而凹形的凹槽提供了预定间隙。这个间隙可以用作冷却剂流动通道，以帮助热量从电池单元中散发出来。
在优选实施例中，电池包壳体的内表面构成与电池单元的小凹槽对应的结构，从而减小了由于电池单元在电池包壳体中的运动而造成的短路出现的可能性。具体而言，通过在电池包壳体的内表面处形成对应于电池单元的小凹槽的小突起，可以增加电池单元和电池包壳体之间的接触力。在此情况下，形成在电池包壳体内表面的该小突起接合到形成于电池单元的外表面的小凹槽中，从而保证了当有外力作用于电池包时的电池单元与电池包壳体的稳定结合。
当小凹槽形成于对应于电极组件的下端交界面的单元壳体的预定区域时，小突起也可以形成在电池包壳体的内表面，使得小突起对应于该小凹槽。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，将更清楚理解本发明的上述以及其他的目的、特征和其他优点，在图中：
图1为显示现有的袋形二次电池的一般结构的分解透视图；
图2为截面放大视图，显示了图1所示的二次电池的电池壳体的内上端，其中阴极接头彼此连接成集中状态，并且连接到阴极引线；
图3为显示图1的二次电池在组装状态下的正视图；
图4为截面放大视图，显示了根据本发明优选实施例的二次电池的电池壳体的内上端，其中阴极接头彼此连接成集中状态，并且连接到阴极引线；
图5为显示根据本发明优选实施例的二次电池在组装状态下的正视图；
图6为显示根据本发明另一优选实施例的二次电池在组装状态下的正视图；和
图7为截面放大视图，显示了根据本发明优选实施例，具有形成在其中的小凹槽的电池单元和电池包中的电池包壳体之间的接触区域。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。但是，应当注意，本发明的范围并不受所示实施例限制。
图4为放大截面视图，显示了根据本发明优选实施例的二次电池的电池壳体的内上端，其中阴极接头彼此连接成集中状态，且连接于阴极引线，而图5为显示构造成这样结构的二次电池的正视图，其中有小凹槽形成对应于电极组件的上端交界面的电池壳体的预定区域中。
参照附图，袋形二次电池包括电极组件150，其具有焊接到电极引线120的电极接头140，容纳电极组件150的电极壳体130，形成在对应于电极组件150的上端和电极接头140之间的交界面的电池壳体130的预定区域中的小凹槽110。
小凹槽110在对应于电极组件150的上端交界面的电池壳体130的区域处连续地形成，平行于电极组件150的上端，而电极组件150安装在电池壳体130的容纳部分160中，使得小凹槽110压靠于电极组件150的上端。
小凹槽110近似构造成半圆形凹陷结构，其在截面上的曲率半径为0.5毫米或者更大。而且，小凹槽110的深度为0.5毫米到1.5毫米。
借助于小凹槽110，电极组件150在电池壳体130的预定区域稳定保持到位。因此，当电池掉落且电极引线120朝下时，或者当有外力作用于电极组件150的电极引线120时，小凹槽110抑制了电极接头140在电池壳体130中的向上运动，从而防止了电极接头140和电极引线120之间的短路发生。另外，电池壳体130的表面面积在有小凹槽110的情况下增大，且因此提高了二次电池的散热性能。
根据情况，如图6所示，还可以在对应于电极组件150的下端交界面的电池壳体130的预定区域连续地形成另一小凹槽112，与电极组件150的下端平行。在此情况下，通过下端小凹槽112和上端小凹槽112的协同作用，电极组件150被更稳定固定在电池壳体130中。
图7为截面放大视图，显示了根据本发明优选实施例，具有形成在其中的小凹槽的电池单元100和电池包中的电池包壳体200之间的接触区域。
参照图7，电池单元100具有形成于电池壳体130的预定区域的小凹槽110，如前所述，而电池包壳体200具有与小凹槽110对应的小突起210。当有外力作用于电池包时，通过电池单元100的小凹槽110和电池包壳体200的小突起210之间的接合，电池单元保持稳定固定在电池包壳体中。
在小突起210未形成在电池包壳体200的情况下，由于小凹槽110，故电池单元100具有在电池单元100和电池包壳体210之间限定出的预定间隙S。该间隙S被用作冷却剂流动通道，以帮助电池单元100散热。
尽管出于示出目的，本发明的优选实施例已经描述了，但是本领域技术人员将理解到，在不背离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换都是可能的。
从上述描述中明显的是，根据本发明的电池单元具有以下效果，抑制了电极接头的向上运动，从而防止了：当电池单元掉落时或者当有外部冲击施加于电池单元时，电池单元的内部短路发生，由此还提高了电池单元的安全性。

Claims (10)

1.一种电池单元，其包括安装于电池壳体(单元壳体)的容纳部分中的阴极/隔板/阳极结构的组件，其中：
该单元壳体设置在与电极组件的上端交界面对应的单元壳体的预定区域中，同时该电极组件安装于容纳部分中，且有一小凹槽，该凹槽用于压靠在电极组件的上端，以便防止电极组件的向上运动，该小凹槽连续形成，与电极组件的上端平行。
2.权利要求1的电池单元，其中单元壳体还设置在与电极组件的下端交界面对应的单元壳体的预定区域中，同时该电极组件安装于容纳部分中，且有另一个小凹槽，该小凹槽连续形成，与电极组件的下端平行。
3.权利要求1的电池单元，其中小凹槽的深度为0.5毫米到1.5毫米。
4.权利要求1的电池单元，其中小凹槽构成垂直截面为半圆形凹陷的结构。
5.权利要求4的电池单元，其中半圆形凹陷结构的小凹槽的曲率半径为0.3毫米到3毫米。
6.权利要求1的电池单元，其中单元壳体由叠层片制成，该叠层片包括树脂层和金属层。
7.一种电池包，其包括安装在电池包壳体内的如权利要求1-6中任一项的电池单元。
8.权利要求7的电池包，其中由于小凹槽，电池包具有在电池单元和电池包壳体的内表面之间限定出的冷却剂流动通道。
9.权利要求7的电池包，其中电池包壳体的内表面构造成与电池单元的小凹槽相对应的结构。
10.权利要求7的电池包，其中电池单元为锂二次电池。
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