CN101248544A - 电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池组(21)，其中收纳着电池，该电池的构成是：将由正极板(1)、负极板(2)和隔膜(3)构成的电极组(4)装填在电池罐(6)内，一个电极与电池罐导通，而另一个电极与电池端子(27)导通；其特征在于：所述电池组具有由导电部件构成的电池组壳体(14)，所述电池组壳体(14)与所述电池端子(27)导通，而且使绝缘体介于所述电池组壳体与所述电池之间。这样，即使电池组受到使收纳的电池发生变形之类的来自外部的物理冲击，也可以获得低成本的、同时不会降低体积能量密度而将损伤抑制在最低限度的电池组。

Description

电池组
技术领域
本发明涉及对于来自外部的物理冲击、可以确保安全性的电池组(battery pack)。
背景技术
近年来，伴随着电子设备的多样化，要求具有高容量、高电压、高输出功率、高安全性的电池和电池组。特别是作为用于提供安全的电池的机构，一般地在电池组上搭载安全电路，而且在电池上具有用于防止电池温度上升的PTC或温度熔断器、进而感知电池的内部压力以截断电流的保护机构等。
但是，即使具有以前的保护机构，也在来自外部的物理冲击的作用下，由于电池组以及电池发生变形或者遭到破坏，因而瞬间地在电池内部发生正极和负极的短路，在此情况下，很难追随温度的急剧上升而发挥保护功能，从而有可能使电池的温度上升和导致气体的发生。
作为防止这种现象发生的方法，人们研究了一种如下的方法，即在施加引起电池变形之类的来自外部的物理冲击的情况下，使电池外部的正极和负极的短路比电池内部的正极和负极的短路更快地发生，由此降低电池罐内的电能。
例如提出了如下的方案(参照专利文献1、2)，即在与一个电极进行电接触的电池罐的外周部，经由绝缘体而层叠与另一个电极进行电接触的导电体，这样在发生来自外部的物理冲击时，扎破该绝缘体而使电池外部发生短路，由此使安全性得以提高。
但是，在专利文献1和专利文献2所记载的电池中，由于在每个电池上层叠或卷装着使外部短路的导电部件，所以成本较高，而且生产效率低。再者，由于发电元件在电池的体积中所占的比例减少，所以对高容量化是不利的，而且在用多个电池构成的电池组中，存在的问题是将导致体积能量密度以及重量能量密度的降低。
专利文献1：特开平9-274934号公报
专利文献2：特开平11-204096号公报
发明内容
于是，本发明鉴于上述以前的课题，目的在于提供一种电池组，该电池组即使受到引起所收纳的电池发生变形之类的来自外部的物理冲击，也可以是低成本的，并且不会降低体积能量密度而可以将损坏抑制在最低限度的水平。
为了实现上述的目的，本发明涉及一种电池组，其中收纳着电池，该电池的构成是：将由正极板、负极板和隔膜构成的电极组装填在电池罐内，一个电极与电池罐导通，而另一个电极与电池端子导通；其特征在于：所述电池组具有由导电部件构成的电池组壳体，所述电池组壳体与所述电池端子导通，而且使绝缘体介于所述电池组壳体与所述电池之间。
根据本发明的电池组，由于使用从各自的电池去除导电部件、且与电池组的筐体功能一体化的电池组壳体，因而能够防止电池组的体积能量密度的降低，特别是在电池因异常引起的发热时，也由于电池组壳体本身的冷却效果，电池组的安全性得以更加提高。另外，由于不需要在每个电池上使用导电部件，因而可以抑制部件数量、加工工序的增加，从而可以抑制成本的上升。
附图说明
图1是本发明的实施例1的电池组的剖面图。
图2是表示上述电池组所使用的组电池的外观图。
图3是上述实施例1的电池组的外观图。
图4是本发明的实施例2的电池组的外观图。
图5是上述实施例2的电池组的剖面图。
图6是本发明的实施例3的电池组的外观图。
图7是上述实施例3的电池组的剖面图。
图8是本发明的实施例4的电池组的外观图。
图9是上述实施例4的电池组的剖面图。
图10是本发明的比较例的电池组的剖面图。
图11是本发明的电池的剖面图。
具体实施方式
本发明的电池组是一种收纳着电池的电池组，该电池的构成是：将由正极板、负极板和隔膜构成的电极组装填在电池罐内，一个电极与电池罐导通，而另一个电极与电池端子导通；其中，上述电池组具有由导电部件构成的电池组壳体，上述电池组壳体与上述电池端子导通，而且使绝缘体介于上述电池组壳体与上述电池之间。
根据本构成的电池组，在从外部施加物理冲击的情况下，与电池内部发生的正极负极的短路相比，使介于电池组壳体和电池罐之间的绝缘体破裂而产生的短路更快地进行，便可以避免电池的温度上升。作为本发明的电池组壳体所使用的导电部件，可以使用铁、镍、铝、铜等金属材料。特别是从轻量化以及电阻的角度考虑，更优选使用铝。另外，导电部件既可以局部地存在缺损部位，进而也可以是条纹状、格子状等。
作为介于本发明的电池组壳体和电池之间的绝缘体，既可以作为电池组绝缘体形成于电池组壳体的内周面，还可以作为电池罐绝缘体形成于电池罐的外周面，进而也可以介于两者之间。
作为在电池组壳体的内表面形成为电池组绝缘体的方法，可以在电池组壳体的内周面上，采用粘结、印刷、涂布、喷涂、浸渍等通常可以利用的方法直接形成绝缘体。另外，也可以采用如下的方法来构成电池组壳体，如在预先形成电池组绝缘体的框体或部件后，将其插入电池组壳体中并进行粘贴的方法，或者在预先构成的电池组绝缘体的外周面上形成导电部件的方法。在此情况下，可以用蒸镀、镀覆等方法来得到。电池组绝缘体优选的是耐热温度在100℃以上的材料。这是因为：如果因电池的温度上升，电池组绝缘体发生熔融或变质，则有可能不能得到短路效果。另外，作为电池组绝缘体的材料，可以列举出聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃系树脂，或聚碳酸酯等酯系树脂。其中，从加工性等角度考虑，优选的是聚碳酸酯。
另一方面，在电池罐绝缘体形成于电池罐外周面的情况下，优选的是在从电池构成完成时起到往电池组上搭载电池时为止的操作中，可以抑制因错误而造成的短路。作为在电池罐的外周面上形成电池罐绝缘体的方法，可以采用以下的方法来得到，如将绝缘薄膜卷装在电池罐的外周面的方法，或者将绝缘材料涂覆在电池外周面的方法等。作为电池罐绝缘体的材料，优选的是热收缩树脂，作为材料，可以列举出聚烯烃系树脂。
另外，在电池组壳体及电池罐两者上形成绝缘体的情况下，当然也可以得到同样的效果。在本发明的电池组中，电池组壳体的厚度优选为100μm～500μm，绝缘体的总厚度优选为50μm～400μm。这是因为：如果在50μm以下，则通常时的绝缘很困难，如果在400μm以上，则在发生物理冲击的情况下，不能切实地得到绝缘体的破裂。
另外，作为本发明的电池组绝缘体，也可以局部地形成于上述电池组壳体的内周面。作为局部地形成的方法，依照其功能可以采用各式各样的方案。例如，在只搭载电池组绝缘体作为绝缘体的情况下，为高效率地发挥绝缘功能，可以考虑在电池和电池组壳体的接点部位，至少设立电池组绝缘体。另外，在并用电池组绝缘体和电池罐绝缘体作为绝缘体的情况下，使电池组绝缘体介入搭载了电池的电池组壳体中的空隙部，由此便不会降低电池的体积占有率而可以实现高容量化。再者，在这样局部地配置的情况下，当向电池组壳体内插入电池时，不但可以得到定位的效果，而且使用时也可以在电池组壳体的内部固定电池，因而也可以避免因振动引起的电池的不良现象。
另外，本发明的电池组的特征在于：在电池组壳体的外周面上形成绝缘部件。通过在电池组壳体的外周面上形成绝缘部件，可以防止在从电池组的制作时起、直至将电池组搭载于电子设备上的操作中产生的外部短路。再者，该绝缘部件没有必要在整个电池组的外周面上形成，也可以是局部地形成。而且在此情况下，电池组绝缘体和外周面的绝缘部件优选使用同一材料、而且设计为在电池组壳体的缺损部连续的结构。特别在进行内模成形时，可以容易地设立电池组绝缘体。
图1表示串联2个圆筒形18650尺寸的锂离子二次电池的电池组。电池组21包括：具有使用了铁、镍、铝、铜等导电部件的电池组壳体14的电池收纳部22和电池组盖23。另外，在电池组壳体14的外周面形成绝缘部件15，而且在内周面形成电池组绝缘体26。在电池组21的内部收纳着图2所示的组电池18。组电池18在各电池上卷装电池罐绝缘体17，连接板16焊接在电池端子27上。该连接板16经由连接引线24而与电池组壳体14导通。
下面就本发明实施方案进行说明。
(实施例1)
图11是锂离子二次电池的剖面图。锂离子二次电池的构成是：将隔膜3配置于在带状的正极集电体上涂布了正极活性物质层的正极板1和在带状的负极集电体上涂布了负极活性物质层的负极板2之间，并将其卷绕成螺旋状，从而构成电极组4，然后将该电极组4与电解液一起收纳在电池容器5内。隔膜3也配置在电极组4的最外周和电池罐6的内周面之间，进而使端部从正极板1和负极板2的活性物质涂布部的两端缘向上下外侧突出出来。电池容器5由作为负极端子的圆筒容器状电池罐6和作为正极端子的电池盖7构成，经由绝缘性垫圈8在板状电池盖7的外周对电池罐6的侧周部6a的上端开口部进行敛缝，由此便使电池容器5得以封闭。6b是为了对绝缘性垫圈8敛缝而沿四周在上述电池罐6的侧周部6a设立的凹槽，6c是为了对绝缘性垫圈8敛缝而被弯折的顶面外缘部。该绝缘性垫圈8使电池罐6与电池盖7电绝缘。另外，正极引线10的一端焊接在正极板1上，另一端焊接在电池盖7上，从而将正极板1和电池盖7进行电连接。负极引线11的一端焊接在负极板2上，另一端焊接在电池罐6的底部6d上，从而将负极板2和电池罐6进行电连接。另外，在电极组4和电池盖7之间介入上部绝缘板12，在电极组4和电池罐6的底部6d之间介入底部绝缘板9。
在实施例1中，作为电解液，使用的是在以体积比为1∶1的配比混合碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂中，以1mol/dm3的浓度溶解作为溶质的六氟磷酸锂(LiPF6)而得到的溶液。另外，正极合剂使用的是将LiMn2O4、作为导电剤的乙炔黑和作为粘结剂的聚偏氟乙烯按各自重量比为92∶3∶5的比例进行混合而得到的材料，其中LiMn2O4是将电解二氧化锰(MnO2)和碳酸锂(Li2CO3)混合成Li/Mn＝1/2，然后于800℃下在大气中烧结20小时而制作的。此外，为了将正极合剂混炼成浆料状，作为粘结剂的聚偏氟乙烯使用溶解在作为溶剂的n-甲基吡咯烷酮(NMP)中的溶液。上述混合比例是作为固体成分的比例。将含有该正极活性物质的浆料涂布在由厚度为15μm的铝箔构成的正极集电体的两面，以形成正极活性物质层而制造出正极板1。然后，进行压缩成形使正极板1的厚度为200μm。负极合剂使用以重量比为97∶3的比例混合人造石墨和作为粘结剂的丁苯橡胶(SBR)而得到的材料。此外，为了将负极合剂混炼成浆料状，作为粘结剂的丁苯橡胶使用水溶性的悬浮液。上述混合比是作为固体成分的比例。将含有该负极活性物质的浆料涂布在由厚度为14μm的铜箔构成的负极集电体的两面，形成负极活性物质层而将其作为负极板2。然后，进行压缩成形使负极板2的厚度为170μm。在完成的电池上，作为电池罐绝缘体17，覆盖厚度为80μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯制热收缩管直至顶面外缘部6c，并用90℃的热风使其加热收缩，从而完成了电池的制作。
其次，如图2所示，用镍制的厚度为0.2mm的连接板16将二个已制作的圆筒型锂离子二次电池串联连接起来，进而在连接板16上安设用于与构成电池组的电池组壳体14导通的连接引线24，从而制作出组电池18。
图3表示实施例1的电池组外观图。在实施例1中，作为用作电池组壳体14的导电部件，使用0.2mm的铝板。在电池收纳部22的铝板上，在不与电池直接连接的空间部冲8个直径为3mm的孔，以制造铝板的缺损部。另外，在电池组盖23的铝板上也同样在不与电池直接连接的空间部，冲4个直径为3mm的孔，以制造铝板的缺损部。之后，采用内模成形的方法，在各自铝板的外周面形成由0.15mm厚的聚碳酸酯树脂(阻燃性UL94V-0级)构成的绝缘部件15，同时在铝板的内侧面的空间部，成形直径为4mm、厚度为0.15mm的电池组绝缘体26，从而设计为使电池组绝缘体26和绝缘部件15用铝板的缺损部进行连接的结构。
其次，从组电池18的正极侧使连续引线24与电池收纳部22和电池组盖23的电池组壳体14导通，之后采用超音波焊接方法将电池收纳部22和电池组盖23焊接在一起，从而制作出电池组21。这时，组电池处于4.2V的充电状态。
(实施例2)
如图4所示，在电池收纳部22和电池组盖23的电池组壳体的内侧面，留下使导电部件露出的5mm×5mm的导电部件露出部25，除此以外，用与实施例1同样的方法形成电池组绝缘体26，从而设计为使电池组绝缘体26和绝缘部件15用铝板的缺损部连接的结构。之后，从组电池18的正极侧使用连接引线24使其与导电部件露出部25导通，由此便构成实施例2的电池组。实施例2的电池组的剖面图如图5所示。
(实施例3)
与实施例2同样地在构成电池组21的电池收纳部22和电池组盖23各自的内侧面，留下5mm×5mm的导电部件露出部25，除此以外，在形成电池组绝缘体的同时，在外周面成形φ4mm的绝缘部件15，从而设计为使电池组绝缘体26和绝缘部件15用铝板的缺损部连接的结构。之后，从组电池18的正极侧使用连接引线24使其与导电部件露出部25导通，由此便构成实施例3的电池组。实施例3的电池组的外观图如图6所示，该电池组的剖面图如图7所示。
(实施例4)
如图8所示，注塑成形具有5mm×5mm的孔的聚碳酸酯树脂制电池组绝缘体26，将其制作成0.15mm的厚度。将该电池组绝缘体插入到使用铝板作为电池组壳体14的电池收纳部22中。之后，从组电池18的正极侧使用连接引线24使其与导电部件露出部25导通，从而构成实施例4的电池组。该电池组的剖面图如图9所示。
(实施例5)
除了不在电池罐6的外周部附加电池罐绝缘体17以外，其余与实施例4同样地构成电池组，将其设定为实施例5的电池组(图中没有标示)。
(实施例6)
除不将电池组绝缘体26插入到电池收纳部22中以外，其余与实施例4同样地构成电池组，将其设定为实施例6的电池组(图中没有标示)。
(比较例)
作为所使用的电池收纳部30和电池组盖31，其是注塑成形由厚度为0.35mm的聚碳酸酯树脂(阻燃性UL94V-0级)构成的绝缘部件15而形成的，将在内部装有与实施例1相同的组电池18的电池组作为比较例的电池组。该比较例的电池组的剖面图如图10所示。
对于在以上的实施例和比较例中得到的各电池组，进行了以下的评价。
(A)钉刺试验
对制作的电池组10个，在20℃和40℃的环境温度下，使用直径为2mm的铁制的钉，按每秒5mm的速度，且以通过位于电池组内的一个电池在高度方向和直径方向的中心部的方式刺入，直至贯穿电池组，观察因电池的发热引起的电池组的损坏和电池的气体喷出。其结果如表1所示。
表1
Figure A20068003070300121
(B)压坏试验
对制作的电池组10个，在20℃和40℃的环境温度下，使用直径为10mm的铁制的圆形棒，在长度方向以每秒50mm的速度压坏电池组，直至电池组的厚度成为初期的50％以下。这时，圆形棒在长度方向的位置相对于在电池组内的2个电池的高度方向处于垂直方向。另外，压坏电池组的位置是压坏电池在高度方向的中心部。此时，对因电池的发热引起的电池组的熔融和电池的气体喷出进行了观察。其结果如表2所示。
表2
Figure A20068003070300122
如上述表1、表2所示，对于在电池组21中使用了由导电部件构成的电池组壳体14的电池组(实施例1～6)，不论环境温度如何，均没有发生电池组的树脂部分因电池的发热而熔融、或者从电池中喷出气体的现象。但是，对于在电池组中不使用电池组壳体14的电池组(比较例)，在环境温度较高的情况下，结果使电池组遭到损坏。一般认为：如果环境温度较高，则环境温度有助于电池的温度上升，所以发生了电池组的熔融和气体喷出。这样一来，通过在电池组中使用由导电部件构成的电池组壳体14，即使在环境温度较高情况下，从外部受到使电池组和电池发生变形之类的物理冲击，电池组壳体和电池罐的短路也可以比电池内部的短路更快地进行，从而在电池罐的外部消耗电能。因此，不会诱发伴随着因电池内部的短路引起的温度急剧上升的异常反应，从而可以确保电池的安全性。
正如以上所说明的那样，根据本发明，可以提供一种电池组，它即使受到电池组和电池发生变形之类的来自外部的物理冲击，其安全性、可靠性也优良，成本较低而且不会降低体积能量密度。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. (修改后)一种电池组，其中收纳着电池，该电池的构成是：将由正极板(1)、负极板(2)和隔膜(3)构成的电极组(4)装填在电池罐(6)内，一个电极与电池罐导通，而另一个电极与电池端子导通；其特征在于：所述电池组具有由导电部件构成的电池组壳体(14)，所述电池组壳体与所述电池端子导通，而且使绝缘体介于所述电池组壳体与所述电池罐之间，由此在所述绝缘体破裂时，使所述电池短路。
2. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：在所述电池组壳体(14)上设置有缺损部。
3. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述绝缘体为形成于所述电池组壳体(14)的内周面的电池组绝缘体(26)。
4. 根据权利要求3所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体局部形成于所述电池组壳体(14)的内周面。
5. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述绝缘体为形成于所述电池罐(6)的外周面的电池罐绝缘体(17)。
6. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述绝缘体为形成于所述电池组壳体(14)的内周面的电池组绝缘体(26)和形成于所述电池罐(6)的外周面的电池罐绝缘体(17)。
7. 根据权利要求6所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体(26)局部地形成于所述电池组壳体(14)的内周面。
8. 根据权利要求3所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体(26)被设置为至少埋入所述电池组壳体(14)和所述电池之间的空间部。
9. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：在所述电池组壳体(14)的外周面形成有绝缘部件(15)。
10. 根据权利要求9所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体(26)和所述绝缘部件(15)为同一材料，而且设计为在设立于所述电池组壳体(14)上的缺损部连续的结构。

Claims (10)

1. 一种电池组，其中收纳着电池，该电池的构成是：将由正极板(1)、负极板(2)和隔膜(3)构成的电极组(4)装填在电池罐(6)内，一个电极与电池罐导通，而另一个电极与电池端子导通；其特征在于：所述电池组具有由导电部件构成的电池组壳体(14)，所述电池组壳体与所述电池端子导通，而且使绝缘体介于所述电池组壳体与所述电池之间。
2. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：在所述电池组壳体(14)上设置有缺损部。
3. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述绝缘体为形成于所述电池组壳体(14)的内周面的电池组绝缘体(26)。
4. 根据权利要求3所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体局部形成于所述电池组壳体(14)的内周面。
5. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述绝缘体为形成于所述电池罐(6)的外周面的电池罐绝缘体(17)。
6. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：所述绝缘体为形成于所述电池组壳体(14)的内周面的电池组绝缘体(26)和形成于所述电池罐(6)的外周面的电池罐绝缘体(17)。
7. 根据权利要求6所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体(26)局部地形成于所述电池组壳体(14)的内周面。
8. 根据权利要求3所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体(26)被设置为至少埋入所述电池组壳体(14)和所述电池之间的空间部。
9. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于：在所述电池组壳体(14)的外周面形成有绝缘部件(15)。
10. 根据权利要求9所述的电池组，其特征在于：所述电池组绝缘体(26)和所述绝缘部件(15)为同一材料，而且设计为在设立于所述电池组壳体(14)上的缺损部连续的结构。
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