CN101369671B - 电池和包含该电池的电池组以及包括该电池组的车辆 - Google Patents

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Abstract

一种电池和包含该电池的电池组以及包括该电池组的车辆。公开了一种具有电力产生元件和外包装的电池。该电力产生元件包括单元电池层，单元电池层包括第一电极、第二电极和布置在第一电极和第二电极之间的电解质层。在第一电极中，第一集电体设置有正极活性材料层和负极活性材料层中的一方。在第二电极中，第二集电体设置有正极活性材料层和负极活性材料层中的另一方。第一集电体和第二集电体具有如下厚度：当导体从外部穿透至少两个电池、并且经由导体在两个电池之间形成短路时，在电池的温度达到预定值之前，第一集电体和第二集电体的短路部分通过由电流产生的热熔化，从而阻止短路。

Description

电池和包含该电池的电池组以及包括该电池组的车辆 
技术领域
本发明涉及一种包括交替堆叠的正极和负极的电池以及包含该电池的电池组。 
背景技术
为了努力减少大气污染和减慢全球变暖，期望减少二氧化碳的排放量。汽车工业已经引入了电动汽车(下文中是“EV”)和混合动力汽车(下文中是“HEV”)来减少二氧化碳的排放量，这吸引了相当大的注意。电动机驱动二次电池组是这些车辆的实际应用的关键，现在，正在积极地进行电动机驱动二次电池组的开发。 
在所有类型的电池中，非水电解质电池(也称为非水溶剂型二次电池)、特别是锂离子二次电池具有最高的理论能量，并且作为电动机驱动二次电池吸引了很多注意。同样，现在正在加速它们的开发。 
典型的锂离子二次电池包括层结构(电力产生元件)，该层结构包括正极、负极以及连接正极和负极的电解质层。通常用由如铝箔等轻金属箔和层压在箔的两个表面上的树脂薄片构成的金属-树脂层压片包装电力产生元件，使得电极端子向外突出。 
关于锂离子二次电池的集电体，例如，通常使用如铝箔等金属箔作为正极集电体，通常使用如铜箔等金属箔作为负极集电体。 
日本待审专利申请2003-243038号公报公开了一种锂离子二次电池组，在该锂离子二次电池组中，如果内部短路，则由在短路部分流动的短路电流加热铝薄膜，铝原子扩散，以允许恢复短路部分的绝缘性，从而防止电池的温度升高。然而，当两个以上的电池串联形成电池组并且在电池之间发生短路时，即使在恢复正极的短路部分中的绝缘性之后，短路电流也继续流动。结果，电池温度升高，并且电池可能被破坏。 
发明内容
公开了即使当在两个以上的电池之间发生短路时也可以阻止短路电流的流动的电池的实施方式。 
这里公开的电池的一个实施方式包括电力产生元件和外包装，该电力产生元件包括至少一个单元电池层，该外包装被构成用于包装至少一个单元电池层。每一个单元电池层均包括第一电极和第二电极，第一电极具有正极活性材料层和负极活性材料层中的一方、以及第一集电体，第二电极具有正极活性材料层和负极活性材料层中的另一方、以及第二集电体。电解质层被布置在第一电极和第二电极之间。第一集电体和第二集电体均具有如下厚度：当导体从外部穿透至少两个电池、并且在至少两个电池之间形成短路时，在电池的温度达到预定值之前，第一集电体和第二集电体的各短路部分通过由电流产生的热熔化，从而阻止短路。 
还公开了包括多个串联连接的这里示教的实施方式的电池的电池组。 
还公开了包括作为电动机驱动电源的由这里公开的电池实施方式制成的电池组的车辆。 
当结合附图阅读以下说明时，这里示教的本发明的其它应用对本领域的技术人员来说将变得明显。 
附图说明
这里的说明参照附图，其中，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中： 
图1是作为这里公开的电池的典型实施方式的锂离子电池的总体结构的示意性剖视图； 
图2是这里公开的电池的典型实施方式的锂离子电池的立体图； 
图3A至图3C是由第一实施方式的电池构成的电池组的典型实施方式的示意性外部视图，分别是电池组的俯视图、主视图和侧视图； 
图4是示出构成电池组的电池之间的短路机理的例子的示意性剖视图，该例子是导体从外部穿透串联的两个电池，并且通过该导体在两个电池之间形成短路的情况； 
图5是装有如图3所示的电池组的车辆的立体图； 
图6是沿与第二实施方式的锂离子电池中的负极集电体的平面方向垂直的方向截取的剖视图； 
图7是示出实施例6至13和比较例2和3的电池组中的每一个的相对能量密度的图； 
图8是示出实施例6至13和比较例2和3的电池组的相对温度的上升率的图。 
具体实施方式
现在说明根据本发明的电池的某些实施方式。这里应该理解，为了说明方便，改变了图的比例，图的比例不一定表示实际尺寸。 
这里公开的电池的类型可以改变。例如，可以是非水电解质电池。关于非水电解质电池的结构和构造的类型，本发明可适用于包括层叠型(扁平)电池、卷筒型(筒状)电池等任何已知结构。 
非水电解质电池的电解质的形式也不受特别限制。例如，本发明可适用于隔膜浸有非水电解液的液体电解质电池、聚合物凝胶电解质电池(也称为聚合物电池)、以及固体聚合物电解质电池(全固体电解质电池)中的任一方。聚合物凝胶电解质和固体聚合物电解质可以单独使用，或者通过浸在隔膜中使用。 
此外，这里公开的电池可以是一次电池或二次电池。电池的电极材料和在电极之间移动的金属离子也不受特别限制，本发明可适用于任何已知的电极材料。例如，本发明可适用于锂离子二次电池、钠离子二次电池、钾离子二次电池、镍氢化物二次电池、以及镍镉二次电池。锂离子二次电池由于其高电压特别有利，使得它们适用于上述EV和HEV车辆。锂离子二次电池实现特别用于驱动车辆的电源和辅助电源的高能量密度和高输出密度。 
因此，虽然以下说明锂离子二次电池作为这里公开的本发明的典型实施方式，但是，本发明的技术范围不限于以下说明的实施方式。 
图1示出第一实施方式。图1是示出层叠的非偶极锂离子二次电池(下文中也称为“锂离子电池”)的总体结构的示意性剖视图。 
参照图1，在本实施方式的锂离子电池10中，聚合物-金属复合层压膜用作外包装22。外包装22的整个外周部被熔接使得电力产生元件17被密封在外包装22内。 
电力产生元件17具有包括多个单元电池层16的层结构。每一个单元电池层16均包括正极、电解质层13和负极。正极包括正极集电体11，并且使正极活性材料层12位于正极集电体11的两个表面上。负极包括负极集电体14，并且使负极活性材料层15位于负极集电体14的两个表面上。正极、电解质层13和负极按序层叠，使得电解质层13位于正极的一个表面上的正极活性材料层12和负极的一个表面上的负极活性材料层15之间。将被堆叠的单元电池层16的数量优选是例如5～40，更优选是10～30，但是不受特别限制。 
对于上述结构，正极集电体11、相邻的正极活性材料层12、相邻的电解质层13、相邻的负极活性材料层15和相邻的负极集电体14构成一个单元电池层16。从而，也可以将本实施方式的锂离子电池10描述为具有包括彼此并联地电连接的多个单元电池层16的结构。注意，位于电力产生元件17的最外侧的负极集电体14a均仅在一个表面上设置有负极活性材料层15。 
正极电极片18经由各自正极端子引线20通过超声波焊接、电阻焊接等被固定到电极的正极集电体11。类似地，负极电极片19经由各自负极端子引线21被固定到负极集电体14。正极电极片18和负极电极片19从层压膜的外周部的热接部突出，以使其突出到外包装22的外部(也参照图1)。 
集电体由导电材料组成。活性材料层形成在集电体的两个表面上以形成电极，最终形成电池的一部分。如这里公开的那样，集电体的两个表面都由相同极性(正极或负极)的活性材料层覆盖。然而，在包含由多个单元电池层的堆叠体构成的电力产生元件的电池中，位于电池的最外侧的电极不参与电池反应。从而，位于最外侧的每一个集电体均仅需要 内侧面上的一个活性电极层。 
基于电池的期望用途确定集电体的尺寸。例如，如果集电体用于要求显示高能量密度的大尺寸的电池，则使用大的集电体。 
这里公开的电池的特征在于，集电体(11和14)形成为具有预定厚度。特别地，与现有技术的例子相比，正极和负极的集电体(11和14)较薄。在一个实施方式中，与现有技术的例子相比，负极集电体14具有显著小的厚度。在导体从外部穿透至少两个电池并且经由该导体在两个电池之间形成短路的情况下，该结构实现下述优异的效果。 
用于正极集电体11和负极集电体14的材料不受特别限制。例如，可以采用金属或导电性聚合物。该材料的例子包括：如铝、镍、铁、不锈钢、钛和铜等金属材料；镍铝覆层材料；铜铝覆层材料；以及包含这些金属的任意组合的镀层材料。也可以使用具有涂覆有铝的金属表面的箔。从电池的电子电导率和动作电位的角度考虑，铝和铜是适当的。 
在一个实施方式中，如果构成正极集电体11和负极集电体14的金属材料的熔点(mp)不同，则具有较低熔点的集电体被称为“第一集电体”，具有较高熔点的集电体被称为“第二集电体”。使第一集电体的厚度比第二集电体的厚度大。如下所述，该结构增强了本发明所提供的优点。根据一个优选实施方式，第一集电体是正极集电体11，第二集电体是负极集电体14。换句话说，正极集电体11可以由具有较低熔点的材料(如铝等)制成，负极集电体14可以由具有较高熔点的材料(如铜等)制成。 
正极集电体11和负极集电体14的具体厚度不受特别限制。在某些实施方式中，正极集电体11具有1～26μm的厚度， 在其它实施方式中，正极集电体11的厚度范围是1～20μm。负极集电体14具有例如1～9μm的厚度。为了使本发明所提供的优点最大化，当集电体由铝构成时，集电体的厚度是26μm以下。在某些实施方式中，厚度是20μm以下，15μm以下，10μm以下或者6μm以下。在优选实施方式中，厚度是4μm以下。铝集电体是典型的正极集电体11。在集电体由铜构成的情况下，厚度优选是9μm以下。在其它实施方式中，厚度是6μm以下，4μm以下或者3μm以下。最优选地，厚度是2μm以下。铜集电体是典型的负极集电体14。 
利用具有位于提到的范围内的厚度的集电体，可以在电池温度到达特定值之前迅速解决短路。下面参照图4说明导体从外部穿透至少两个电池的情况特有的短路现象。集电体的厚度的下限不受特别限制。从防止电极制造过程中集电体的破损从而提高生产率的角度考虑，当集电体由铝构成时的厚度的下限是例如6μm以上。当集电体由铜构成时的厚度的下限是例如4μm以上。 
正极活性材料层12和负极活性材料层15含有活性材料和根据需要含有其它合适的添加剂。 
正极活性材料层12含有正极活性材料。正极活性材料的例子包括：如LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2和Li(Ni-Co-Mn)O2等锂-过渡金属复合氧化物，这些锂-过渡金属复合氧化物的过渡金属可以由其它元素部分地置换；锂-过渡金属磷酸盐化合物；以及锂-过渡金属硫酸盐化合物。如果需要，可以使用两种以上的正极活性材料。在一个优选实施方式中，正极活性材料是锂-过渡金属复合氧化物。当然，也可以使用除上述那些材料之外的正极活性材料。 
负极活性材料层15含有负极活性材料。负极活性材料的 例子包括：如石墨、软碳以及硬碳等碳材料；锂-过渡金属复合氧化物(例如，Li4Ti5O12)；金属材料；以及锂-金属合金材料。如果需要，可以使用两种以上的负极活性材料的组合。在某些优选实施方式中，负极活性材料是碳材料或锂-过渡金属复合氧化物。当然，也可以使用除上述那些材料之外的负极活性材料。 
包含在正极活性材料层12和负极活性材料层15中的活性材料的平均粒径不受特别限制，但是从高输出的角度考虑，优选在1～20μm的范围，更优选1～5μm。当然，平均粒径可以在这些范围之外。注意，在说明书中，“粒径”指的是活性材料的粒子的轮廓上的任意两点之间的距离中的最大长度L。“平均粒径”指的是在使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等获得的几个到几十个图像中观察到的粒子的直径的平均值。 
可以包含在正极活性材料层12和负极活性材料层15中的添加剂的例子包括例如粘合剂、导电性添加剂、电解质盐(锂盐)以及离子导电性聚合物。粘合剂的例子包括聚偏二氟乙烯(PVdf)和合成橡胶粘合剂。 
导电性添加剂是混和以提高正极活性材料层12和负极活性材料层15的导电性的添加剂。导电性添加剂的例子包括如炭黑(例如，乙炔黑)、石墨、气相生长碳纤维等碳材料。包含在正极活性材料层12或负极活性材料层15中的导电性添加剂有效地形成活性材料层内的电子网络并且提高电池的输出性能。 
电解质盐(锂盐)的例子包括Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6和LiCF3SO3。 
离子导电性聚合物的例子包括聚环氧乙烷(PEO)基聚 合物和聚环氧丙烷(PPO)基聚合物。 
包含在正极活性材料层12和负极活性材料层15中的成分的混和比不受特别限制。可以适当地参照关于非水溶剂二次电池的公知文献来调整混和比。 
正极活性材料层12和负极活性材料层15的厚度也不受特别限制，可以适当地应用本领域的公知常识。例如，正极活性材料层12和负极活性材料层15的厚度可以位于大约2～100μm的范围内。 
构成电解质层13的电解质可以是液体电解质或聚合物电解质。液体电解质包含有机溶剂、即增塑剂和溶解在有机溶剂中的锂盐、即支持电解质。可用作增塑剂的有机溶剂的例子包括如碳酸亚乙酯(EC)和碳酸丙二酯(PC)等碳酸酯。支持电解质(锂盐)的例子包括如LiBETI等可以添加到电极的活性材料层的化合物。 
聚合物电解质可以被分成含有电解液的凝胶电解质和不含有电解液的本征型聚合物电解质两类。 
凝胶电解质包含由离子导电性聚合物构成的基体聚合物和注入到该基体聚合物中的液体电解质。可用作基体聚合物的离子导电性聚合物的例子包括聚环氧乙烷(PEO)和聚环氧丙烷(PPO)以及它们的共聚物。如锂盐等电解质盐在该聚环氧烷基聚合物中溶解性很好。 
在电解质层由液体电解质或凝胶电解质构成的情况下，可以在电解质层中使用隔膜。隔膜的具体形式的例子包括由聚乙烯、聚丙烯等构成的聚烯烃微孔膜。 
本征型聚合物电解质包含基体聚合物和溶解在该基体聚合物中的支持电解质(锂盐)，并且不含有有机溶剂，即，不含有增塑剂。从而，在电解质层由本征型聚合物电解质构成 的情况下，不存在液体从电池泄漏的风险，从而可以提高电池的可靠性。 
如果形成交联结构，则凝胶电解质和本征型聚合物电解质的基体聚合物可以显示优异的机械强度。例如，在存在适当的引发剂的情况下，可以通过使用于形成聚合物电解质的可聚合的聚合物(例如，PEO或PPO)聚合来形成交联结构。聚合过程的例子包括热聚合、紫外线聚合、射线聚合和电子束聚合。 
为了从电池引出电流，与集电体电连接的电极片，即正极电极片18和负极电极片19从电池外包装延伸。特别地，如图1所示，与正极集电体11电连接的正极电极片18以及与负极集电体14电连接的负极电极片19从层压片延伸，即，从外包装22延伸。 
构成电极片18、19的材料不受特别限制，可以使用通常用作锂离子电池的电极片的已知的高导电性材料。对于电极片，如铝、铜、钛、镍、不锈钢(SUS)、或这些金属的合金等金属材料是适当的。对于较轻的重量、耐腐蚀性和高导电性，铝和铜是更优选的。正极电极片18和负极电极片19可由相同的材料或不同的材料构成。正极集电体11和负极集电体14可延伸成使得延伸部用作正极电极片18和负极电极片19。作为选择，正极电极片18和负极电极片19可单独制备并且安装到集电体。 
如果需要，使用正极端子引线20和负极端子引线21。例如，如果正极电极片18和负极电极片19由正极集电体11和负极集电体14的延伸部直接形成，则不需要设置正极端子引线20和负极端子引线21。 
正极端子引线20和负极端子引线21可以是通常用于现有 的锂离子电池的端子引线。从外包装22延伸的部分可以由耐热的绝热热收缩性管等覆盖，从而当这些部分与周边装置接触时，不会对产品(例如，汽车部件，特别是电子装置等)产生不利影响。 
现有的金属罐壳体可以用作外包装22。由能够容纳电池的含有铝的层压膜构成的袋状壳体也可以用作外包装22。层压膜的例子包括但不限于具有PP/铝/尼龙结构的三层层压膜。在本发明中，可以提高输出、具有优异的冷却性能、并且适用于如EV、HEV等大尺寸的设备的电池的层压膜是优选的。 
如图2所示，根据这里示教的一个实施方式的扁平的层叠型锂离子二次电池50具有扁平的长方形形状。正极电极片58和负极电极片59从两侧延伸，以输出电力。电力产生元件57被包装在锂离子二次电池50的电池组外包装52中。外包装52的外周部被热密封，并且在引出正极电极片58和负极电极片59的状态下密封电力产生元件57。电力产生元件57与图1所示的锂离子二次电池10的电力产生元件17对应，并且包括多个上述单元电池层16的堆叠体。 
这里公开的电池的形状不限于图1和图2所示的层叠的扁平形状。在卷筒型锂离子电池中，电池的形状可以是筒状或矩形。作为选择，具有筒状的电池可以变形为扁平的长方形形状。当电池具有筒状或矩形形状时，外包装不受特别限制，可以使用层压膜或已知的筒状罐(金属罐)。 
引出电极片58和59的方式可以是任何方式，而不限于图2所示的方式。例如，可以从同一侧引出正极电极片58和负极电极片59。作为选择，两个以上的正极电极片58和负极电极片59可被设置成电极片从所有侧延伸。在卷筒型锂离子电池中，可以使用筒状罐(金属罐)代替电极片来形成端子。 
这里示教的两个以上的电池可以电连接以形成如图3A至图3C所示的电池组。 
如图3A至图3C所示，电池组300包括彼此串联和并联地连接的多个可拆卸地安装的电池组单元250，每一个电池组单元250均包括串并联连接的多个第一实施方式的锂离子电池。利用该结构，可以形成适用于要求高容积能量密度和高容积输出密度的车辆驱动电源和辅助电源的电池组300。 
可拆卸地安装的电池组单元250通过如母线等电连接构件彼此连接，并且使用连接固定件310堆叠。在制造电池组300时，可基于要求的电池组容量和将安装电池组300的车辆(电动车辆等)的类型来确定将被连接和堆叠的电池组单元250的数量。 
本发明人已经强烈地研究了用于如EV和HEV等车辆的发展的电池组技术。在研究过程中，本发明人已经发现：在两个以上的电池之间发生短路的情况下，短路电流有时继续流动。这将在稍后详细说明。 
图4是示出在彼此连接的两个电池之间发生短路的试验条件的示意性剖视图。这是导体从外部穿透串联连接的两个电池并且通过该导体在两个电池之间形成短路的情况的例子。 
如图4所示，导电构件30穿透包括串联电连接的两个锂离子电池10a和10b的电池组单元40。 
这里，设想在彼此独立的各电池中发生短路。根据现有技术的公知理解，相信一旦正极集电体11和负极集电体14中的至少一方的短路部分通过放热熔化而烧坏，则由导电构件30产生的短路将停止，并且构成该部分的原子扩散。在图4中，示出正极集电体11被烧坏的情况。然而，即使当正极集电体 11(或负极集电体14)的短路部分通过熔化被烧坏，也可以在电池组单元40中串联连接的电池10a和10b之间发生短路，并且电流可保持流动。本发明人已经发现该现象并且成功地提供了如果在串联的电池之间发生短路也能阻止电流流动的方法。 
在导电构件30穿透两个电池10a和10b使得这些电池彼此连接的情况下，即使在现有技术中，也可以通过使正极集电体11与导电构件30熔接来形成短路部分中的由交叉符号表示的非导电部分27。这样，可以阻止在单个电池内发生的短路(电流流动)。 
相反地，在两个电池彼此串联地电连接的状态下，如图4中的电池组单元40所示，通过电池10a和10b之间的连接端子25在电池10a和10b的未熔化的负极集电体14之间形成不期望的短路。结果，短路电流I保持流过连接端子25和导电构件30。图4中的箭头表示短路电流I和离子的流动。因此，由于连续短路导致电池组性能下降。在这里公开的本发明的实施方式中，如上所述，集电体被设计成较薄。这允许正极集电体11和负极集电体14二者的与导电构件30接触的短路部分通过短路电流产生的热熔化，最后被烧坏。因此，可以阻止短路电流经由导电构件30的流动。不受任何特定理论的约束，设想：当从短路电流得到的热量不变时，集电体的厚度的减小使集电体的热容量减小，并且使集电体的温度升高加速，从而促进了集电体的熔化，并且阻止了新发现的短路。 
应该注意，电池组通常设计有相对于标称工作容量的特定的容量余量。虽然短路部分的通过熔化被烧坏的区域由于熔化而不能参与电力的产生，但是电力产生损失相对于整个电池组的总反应区域较小。从而，可以由余量补偿该损失， 在此后的工作过程中可以毫无问题地对电池组进行充放电。 
虽然上面说明的是实现这些优点的具体实施方式，但是本发明不限于这些实施方式，可以进行各种变形和修改。例如，在变形例中，可以改变集电体的厚度，并且还可以实现上述优点。可以通过减小如上所述的由铝或铜构成的集电体的厚度来实现相同的优点。在使用其它材料形成集电体时，在确定可以实现本发明的优点的集电体的厚度的上限时可以遵守以下准则。 
集电体是否由于短路熔化而烧坏从而阻止短路取决于由于电流流动在短路部分产生的热量Q(热值)与熔化集电体所需的熔化热量C之间的大小关系。换句话说，当Q大于C(Q＞C)时，集电体的短路部分由于熔化而烧坏。 
单位是焦耳(J)的热值Q与短路部分的单位是欧姆(Ω)的电阻Rn以及单位是安培(A)的短路电流值I的平方成正比。Rn与集电体的构成材料的电阻系数成正比，与集电体的体积成反比。 
集电体的熔化热量C(J)与集电体的比热Cp(J/g·℃)、集电体的熔化温度Tm(℃)以及集电体的体积成正比。 
考虑到上述问题，在集电体的构成材料不变的情况下，可以通过减小集电体的厚度从而减小集电体的体积来增大Q并且减小C，以实现Q＞C。 
随着具体的电池组构造改变，即，电极活性材料层的厚度和堆叠的单元电池的数量改变，可以实现这里公开的优点的集电体的厚度改变。例如，当电极活性材料层的厚度和堆叠的电池的数量增大时，电池组容量和电极电阻Rb(Ω)也增大。由于在发生短路时流动的短路电流值I是用Rb除单位是伏特(V)的电池组电压E，因此，I随着Rb增大而相对减小。 由于Q也随着I减小，因此，在该情况下，为了实现Q＞C，必须进一步减小C。例如，可以进一步减小集电体的厚度以满足Q＞C。 
如上所述，Q和C的具体值根据如集电体的构成材料等各种条件而改变。然而，可以通过遵循上述准则适当地调整集电体的厚度，以实现期望的优点。如果可以从理论上计算Q和C的具体值，则Q和C的适当的比值可以是例如Q/C＞1.2或者Q/C＞1.5。 
在这里的实施方式中，正极集电体11和负极集电体14二者均满足关系Q＞C。从而，可以克服短路电流在电池组的电池之间继续流动的问题，即，可以克服用作电池组的电池特有的、现有技术中不期望的现象。 
根据图4所示的电池组实施方式，由于在短路中流动的电流导致在电池的温度达到特定值之前，短路部分熔化并且阻止短路。这里，“特定值”指的是电池可能遭到破坏的温度。该特定值根据如电极活性材料、电解液和隔膜等具体的电池组和电池构造而不同，并且不能唯一地限定。可以根据具体细节适当地调整该特定值。例如，可以将该特定值设定在60℃～70℃的范围中。可以通过利用具有较高的耐热性的材料形成电池来增大该特定值。可以通过利用具有较低的耐热性的材料形成电池来减小该特定值。 
可以通过以上述电池组的形式使用本实施方式的电池来将它们安装在车辆中。安装在车辆中的电池组可以用作驱动例如车辆的电动机的电源。 
图5是示出具有图3A至图3C所示的电池组的车辆的概念图。如图5所示，电池组300可以安装在电动车辆400的车身的中央部分的座椅的下方。通过将电池组300安装在座椅下方， 可以实现宽阔的内部空间和更大的行李箱。安装电池组300的位置不限于座椅下方，可以安装到后行李箱下方或者车辆的前部的发动机室中。具有电池组300的电动车辆400具有高耐久性，并且提供长时间使用的足够高的输出。此外，可以提供燃料消耗和驱动性能优越的混合动力车辆。 
制造这里公开的电池实施方式的方法不受特别限制。可以使用任何现有的方法制造电池。 
当电解质是液体电解质时，可以如下制造电池。将含有如活性材料和导电性添加剂等电极材料的电极浆料涂布(涂覆)在集电体箔的两个表面上，以形成正极和负极。电极被切割成负极比正极大。然后，将电极在90℃时的真空干燥剂中干燥1天。在将由聚丙烯等构成的适当厚度(例如，约25μm)的多孔膜置于正极和负极之间的状态下交替堆叠正极和负极，使得负极位于最外侧。正极和负极接界，引线被焊接到正极和负极。在将正极和负极的引线露出的状态下将得到的堆叠体放置在铝层压膜袋中，利用分配器(dispenser)注入电解液，并且在减小的压力下密封边缘，以形成电池。 
除了使用电解液作为电解质的电池之外，如凝胶电解质电池和全固体聚合物电池等电池的制造都可以参照现有技术来完成。从而，这里省略其说明。 
除了负极集电体具有层结构之外，第二实施方式与第一实施方式相同。特别地，负极集电体具有堆叠导电层和增强层的结构。“增强层”是用于增强集电体的刚性的层。 
图6是沿与本实施方式的锂离子电池中的负极集电体的平面方向垂直的方向截取的剖视图。如图6所示，本实施方式的负极集电体14具有包括增强层14c和分别布置在增强层14c的两个相反面上的两个金属层14b的结构。 
作为典型的电池集电体，本实施方式的负极集电体14在一个或两个表面上设置有活性材料层，以形成电极(负极)，并且最终构成电池的一部分。注意，虽然图6中示出在增强层14c的两个表面上形成金属层14b的结构，但是，可以根据情况使用仅在增强层的一个表面上设置金属层的负极集电体14。金属层可以是由除金属之外的导电材料(例如，导电性聚合物)构成的导电层。 
本实施方式的该结构实现第一实施方式中所述的期望的优点和其它优点，即：抑制电池制造过程中(特别地，在将电极浆料涂布到集电体上的过程中)金属层的破裂，并且增大电池的产量。此外，由于当电池摇动(被安装在车辆上)时增强层吸收电池内部的振动，因此，增强了抗振性。在本实施方式中，“负极集电体14的短路部分”指的是负极集电体14的金属层14b中的短路部分。 
在本实施方式中，构成层叠的负极集电体14的金属层14b的金属和构成层叠的负极集电体14的增强层14c的材料可以是任何适当的金属或材料。例如，可以使用用作现有技术中的电池集电体材料的金属和现有技术中已知的绝缘体。列出的作为构成上述第一实施方式中的集电体的材料的例子的材料可以用作构成金属层14b的金属。 
构成增强层14c的材料是例如树脂、陶瓷或树脂/陶瓷合成材料等绝缘材料。从减小增强层的重量的观点考虑，增强层14c由树脂适当构成，并且可以是任何合适的树脂。树脂的例子包括聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)。在这些材料中，从耐热性的观点考虑，聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯是特别优选的。聚酰亚胺的具体例子是Kapton(商品名)。 
在本实施方式中，负极集电体14的金属层14b和增强层14c的厚度不受特别限制。然而，为了阻止由导体从外部穿透至少两个电池形成的短路，优选控制增强层14c的厚度。为了阻止短路，必须通过短路中流动的电流产生的热熔化正极集电体11和负极集电体14的金属层14b。在该情况下，可以预料：如果增强层14c过厚，则由于增强层14c的热容量增加导致由短路电流产生的热被吸收，不能获得用于熔化金属层14b的足够的热。从而，设想：可以通过控制增强层14c的厚度使得在短路过程中增强层14c不过度吸收用于熔化负极集电体14的金属层14b所需的热来实现期望的优点。 
本实施方式中的负极集电体14的金属层14b和增强层14c的厚度的具体值可以是能实现上述优点的任何值。可以根据需要调整厚度。例如，金属层14b的厚度(如果增强层14c的两个表面都覆盖有金属层14b，则是金属层14b的总厚度)优选位于第一实施方式的与集电体相关的部分中说明的范围内。增强层14c的厚度是例如大约4～20μm。虽然不受限制，但是在本实施方式中，负极集电体14的总厚度优选是6～12μm，更优选是8～10μm。在金属层14b由铜构成的实施方式中，金属层14b的厚度可以是0.1～6μm，更优选是0.1～2μm。 
虽然上面通过采用负极集电体14具有层结构的例子说明本发明，但是，正极集电体11可以具有类似的层结构。在该实施方式中，正极集电体11的金属层和增强层的厚度也不受特别限制。然而，为了实现阻止由导体从外部穿透至少两个电池形成的短路的期望优点，可以如上所述控制金属层和增强层的厚度。 
只要能够实现上述优点，层叠型的正极集电体11的金属 层和增强层的厚度的具体值也不受特别限制，并且可以适当地调整厚度。例如，金属层的厚度(如果增强层的两个表面都覆盖有金属层，则是金属层的总厚度)优选位于第一实施方式的集电体所述的范围内。增强层的厚度可以是大约8～19μm。在该情况下，正极集电体11的总厚度可以是5～20μm，或者更优选是5～10μm。在金属层由铝构成的例子中，金属层的厚度优选但不是必须是1.4～12μm。在某些优选实施方式中，金属层的厚度优选是1.4～8μm。 
可以利用现有技术(例如，截面的SEM分析)测量上述各种厚度。 
如上所述，在集电体包括增强层的第二实施方式中，在根据第一实施方式所述的准则确定集电体的厚度(即，集电体的金属层的厚度)时必须考虑增强层的厚度。也就是说，为了阻止短路，必须熔化金属层14b。在该情况下，如果增强层14c的厚度是不期望的厚，则可以假定金属层14b将不熔化。在不受理论约束的情况下，这可能是因为随着增强层14c的热容量的增大，由短路电流产生的热被吸收，结果，不能获得熔化金属层14b所需的热。从而，在设计第二实施方式的集电体时，增强层14c的厚度被控制成在短路过程中不过度地吸收熔化负极集电体14的短路部分(即，负极集电体14的金属层14b)所需的热的厚度。这样，可以实现本发明的优点。 
下面借助于实施例和比较例说明这里公开的本发明的优点。注意，本发明的技术范围不限于下面说明的这些实施例。 
在下面的实施例和比较例中，使用具有各种厚度的集电体的非水电解质电池形成电池组，并且监视短路过程中温度的升高。 
特别地，如下制备比较例1和实施例1～5的电池组。 
在制备负极时，制备具有表1所述的厚度的铜箔作为负极集电体。通过在适量的N-甲基吡啶-2-吡咯烷酮(NMP)、即浆料粘度调节溶剂中分散硬碳、即负极活性材料(90质量份)和PVdF、即粘合剂(10质量份)来制备负极活性材料浆料。通过使用涂布机将得到的负极活性材料浆料涂布到如上制备的负极集电体中的每一个的两个表面上，干燥该浆料，并且利用辊压机(roll pressing machine)对该浆料施压以形成负极活性材料层(厚度：每一侧75μm)。将得到的具有电极活性材料层的集电体切成10cm×5cm的尺寸，并且将镍负极引线焊接在负极集电体上，从而形成负极。 
在制备正极时，制备具有表1所述的厚度的铝箔作为正极集电体。通过在适量的NMP、即浆料粘度控制溶剂中分散LiMn2O4、即正极活性材料(85质量份)，乙炔黑、即导电性添加剂(5质量份)和PVdF、即粘合剂(10质量份)来制备正极活性材料浆料。通过使用涂布机将得到的正极活性材料浆料涂布到如上制备的正极集电体中的每一个的两个表面上，干燥该浆料，并且利用辊压机对该浆料施压以形成正极活性材料层(厚度：每一侧110μm)。将得到的具有电极活性材料层的集电体切成9.5cm×4.5cm的尺寸，并且将铝正极引线焊接在正极集电体上，从而形成正极。 
在制备电池和电池组时，制备聚乙烯微孔膜(厚度：30μm，尺寸：10.5cm×5.5cm)作为隔膜。作为电解液，在碳酸亚乙酯(EC)/碳酸二乙酯(DMC)等体积混合物中制备1M的锂盐、LiPF6的溶液。 
如图1所示，顺次堆叠如上所述制备的11个正极、10个负极和11个隔膜以形成层结构(电力产生元件)，使得隔膜位于正极的正极活性材料层和相邻的负极的负极活性材料层之 间。 
正极引线和负极引线分别被焊接到正极电极片和负极电极片上，得到的层结构(电力产生元件)被放置在由铝层压片制成的外包装中，使得正极电极片和负极电极片从外包装露出。注入如上所述制备的电解液，并且密封袋，以形成如图2所示的层叠型锂离子电池。 
使用如图3A至图3C所示的电池连接母线串联连接3个层叠型锂离子电池，以制造电池组，该电池组用于下述短路试验。 
现在说明用于监视短路试验中的放电过程中温度升高的试验。 
组装实施例1～5和比较例1的电池组中的每一个，开始以0.5库仑(C)充电至完全充电状态(电池组端子电压：4.2V)。在处于完全充电状态的电池组被放置1星期之后，电池组以1C开始放电直至2.0V(电池组端子电压)，并且测量容量。然后，以0.5C将电池组或电池充电至完全充电状态，并且如图4所示，将具有3mm直径的导电构件插入以穿透整个电池组，从而进行短路试验。以100C进行放电直至2.0V(电池组端子电压)，并且测量放电过程中的电池表面温度，并且确定电池温度升高的最大值。通过将热电偶安装在电池的层压外包装的中央部分(由图2中的G所示的部分)上来测量电池表面温度。对于每一个电池，将热电偶安装在三个电池的每一个上，电池的电池温度升高的最大值的平均值用作电池表面温度。表1示出实验结果。 
如表1所示，在实施例1～5的电池组中，温度的升高是75℃以下。由该结果可以假定在500msec内阻止短路。此外，电池可以再次使用。相反地，在比较例1的电池组中，不能阻止 短路电流，并且观察到120℃的温度升高。电池组不可再次使用。 
表1还包括两个参照例。参照例1是与用于比较例1中的电池组中的一个电池相同的单个电池。除了用作正极集电体的铝箔的厚度变为20μm之外，参照例2是与参照例1的单个电池相同的单个电池。如表1所示，参照例1和2的电池的温度升高仅是大约60℃～65℃，并且该电池可以再次使用。对参照例进行的实验表明：如果单独使用比较例1的电池而不堆叠为电池组，则可以阻止短路。 
为了确认集电体的烧坏或破裂，以100C对实施例1～5和比较例1的电池组以及参照例1和2的电池进行放电。然后，进一步调查电池组可被进一步充电还是放电。随后，拆开电池组和电池以确认集电体箔中是否有被烧坏(破裂)。 
在实施例1～5的电池组中，确认所有集电体的短路部分的周边被烧坏，从而形成非导电部分。相反地，在比较例1的电池组和参照例1和2的电池中，铝箔的短路部分的周边被烧坏以阻止电流的流动，但是铜箔的周边部分没有被烧坏。 
在不受单一理论约束的情况下，具有相同电池构造的参照例1和比较例1之间的电池温度的升高不同的原因可能如下。当电池形成为如比较例1中的电池组时，沿着各电池的铜箔和短路部分以及沿着电池间端子形成新的导电路径，使得电流继续在电池组中流动。结果，电池的温度升高120℃。相反地，在观察到铝箔的烧坏(破裂)的参照例1和2的电池中，由于不存在电池间端子，因此未形成新的导电路径。从而，可以仅由铝箔的烧坏阻止电流流动到集电体箔的短路部分，并且可以将电池的温度升高抑制到60℃～65℃。 
上面的说明表明：本发明的电池可以阻止构成电池组的 电池之间的短路，这对于仅可以在一个电池中阻止短路的现有电池是不可能的。 
表1
接着说明其它实施例。 
在制备用于实施例6的负极时，制备包括按顺序堆叠的Cu(厚度：3μm)/PI(厚度：4μm)/Cu(厚度：3μm)的负极集电体。通过在适量的N-甲基吡啶-2-吡咯烷酮(NMP)、即 浆料粘度调节溶剂中分散硬碳、即负极活性材料(90质量份)和聚偏二氟乙烯(PVdF)、即粘合剂(10质量份)来制备负极活性材料浆料。通过使用涂布机将得到的负极活性材料浆料涂布到如上制备的负极集电体的两个表面上，然后干燥该浆料。利用辊压机对得到的层电极施压以形成负极活性材料层(厚度：75μm)，并且将得到的层电极切成10cm×5cm的尺寸。将由镍构成的负极引线焊接到负极集电体上，以形成负极。 
在制备用于实施例6的正极时，制备铝箔(厚度：20μm)作为正极集电体。通过在适量的N-甲基吡啶-2-吡咯烷酮、即浆料粘度调节溶剂中分散LiMn2O4、即正极活性材料(85质量份)、乙炔黑、即导电性添加剂(5质量份)和聚偏二氟乙烯(PVdF)、即粘合剂(10质量份)来制备正极活性材料浆料。通过使用涂布机将得到的正极活性材料浆料涂布到如上制备的正极集电体的两个表面上，然后干燥该浆料。用辊压机对得到的层电极施压以形成正极活性材料层(厚度：110μm)，并且将得到的层电极切成9.5cm×4.5cm的尺寸。将铝正极引线焊接到正极集电体上，以制备正极。 
为了制备实施例6的电池组，制备聚乙烯微孔膜(PE隔膜)(厚度：30μm，尺寸：10.5cm×5.5cm)作为隔膜。作为电解液，在碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DMC)等体积混合物中制备1M的锂盐、LiPF6的溶液。顺次堆叠如上所述制备的10个层电极(11个正极和10个负极)和11个隔膜，使得正极的正极活性材料层面对相邻的负极的负极活性材料层。 
在层电极的位于最外侧的外表面上未形成活性材料层。铝正极引线被焊接在层电极的位于正极侧最外层的集电体(Al表面)上。镍负极引线被焊接到层电极的位于负极侧最 外层的集电体(Cu表面)上。 
在引出正极引线和负极引线的状态下将得到的层结构(电力产生元件)包装在由铝层压片制成的外包装中，并且将电解液注入到该外包装中。密封该外包装以形成层叠型电池。 
使用如图3A至图3C所示的电池连接母线串联连接如上获得的两个层叠型电池以形成电池组。 
在制备实施例7时，除了使用Cu/PI/Cu箔(厚度：2.5μm/5μm/2.5μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备实施例8时，除了使用Cu/PI/Cu箔(厚度：1μm/8μm/1μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备实施例9时，除了使用Cu/PI/Cu箔(厚度：0.5μm/9μm/0.5μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备实施例10时，除了使用Cu/PI/Cu箔(厚度：0.3μm/9.4μm/0.3μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备实施例11时，除了使用Cu/PI/Cu箔(厚度：0.1μm/9.8μm/0.1μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备实施例12时，除了使用Cu/PI/Cu箔(厚度：0.05μm/9.9μm/0.05μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备实施例13时，除了使用Cu/PET/Cu箔(厚度：1μm/8μm/1μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备比较例2时，除了使用Cu箔(厚度：10μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
在制备比较例3时，除了使用Cu/PET/Cu箔(厚度：2μm/6μm/2μm)作为负极集电体之外，制备具有与实施例6的电极构造和层数量相同的电极构造和层数量的电池和电池组。 
进行短路试验以测量容量。组装实施例6～13以及比较例2和3的电池组中的每一个，在组装之后开始以0.5C充电，并且在全充电状态(4.2V)下放置。然后，以1C的速率测量容量。然后，以100C对电池组进行放电，并且利用安装在外包装的中央部分、即图2中的G所示的位置上的热电偶测量放电过程中的电池表面温度。下表2中示出结果。图7是示出相对能量密度的图，图8是示出相对温度的升高率的图。 
为了确认是否在金属层中发生烧坏或破裂，检查实施例6～13以及比较例2和3的电池组中的每一个以判断在如上所述以100C放电之后该电池组是否可再次进行充电和放电。然后，拆开电池组和电池以确认在集电体箔中是否发生烧坏(破裂)。 
确认如下：在所有的实施例中，在集电体的短路部分附近的部分中发生烧坏和形成非导电部分。相反地，在比较例2和3的电池组中，虽然铝箔的短路部分附近的部分被烧坏，并且阻止电流流动到铝箔的短路部分，但是，铜箔的短路部分附近的部分未被烧坏。 
表2 
Figure G200810134668XD00271
Figure G200810134668XD00281
＊：在实施例13和比较例3中，增强层的构成材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，在其它实施例中，增强层的构成材料是聚酰亚胺。 
说明上述实施方式是为了容易理解本发明，而不是为了限制本发明。相反地，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求书的范围内的各种变形和等同配置，所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含如法律所允许的所有变形和等同结构。 
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年8月15日提交的日本专利申请系列No.2007-211988和No.2007-211989，以及2007年11月9日提 交的日本专利申请No.2007-292446的优先权，每一个日本专利申请的全部内容均通过引用包含于此。 

Claims (18)

1.一种电池，其包括：
电力产生元件，其包括至少一个单元电池层；以及
外包装，其被构造成用于包装所述至少一个单元电池层，每一个单元电池层包括：
第一电极，其具有正极活性材料层和负极活性材料层中的一方、以及第一集电体；
第二电极，其具有所述正极活性材料层和所述负极活性材料层中的另一方、以及第二集电体；以及
电解质层，其布置在所述第一电极和所述第二电极之间，其中，所述第一集电体和所述第二集电体均具有如下厚度：当导体从外部穿透至少两个电池并且在所述至少两个电池之间形成短路时，在所述电池的温度达到预定值之前，所述第一集电体和所述第二集电体的各短路部分通过由所述短路产生的热熔化，从而阻止所述短路。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述第一集电体的熔化温度比所述第二集电体的熔化温度低，所述第一集电体比所述第二集电体厚。
3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述第一集电体是铝，所述第二集电体是铜。
4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述第一集电体的厚度是1～26μm，所述第二集电体的厚度是1～9μm。
5.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述第一集电体的厚度小于4μm，所述第二集电体的厚度小于2μm。
6.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述第一集电体是正极集电体，所述第二集电体是负极集电体。
7.根据权利要求6所述的电池，其特征在于，所述电池是锂离子二次电池。
8.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述第二集电体包括至少一个金属层和增强层。
9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，所述增强层的厚度被构造成在所述电池的温度达到所述预定值之前，所述第二集电体的短路部分发生熔化。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，所述第一集电体是铝，所述第二集电体的所述至少一个金属层是铜。
11.根据权利要求10所述的电池，其特征在于，所述第一集电体的厚度是1～26μm，所述第二集电体的厚度是1～9μm。
12.根据权利要求10所述的电池，其特征在于，所述第一集电体的厚度小于4μm，所述第二集电体的厚度小于2μm。
13.根据权利要求11所述的电池，其特征在于，所述第一集电体是正极集电体，所述第二集电体是负极集电体。
14.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，所述增强层是树脂。
15.根据权利要求14所述的电池，其特征在于，所述树脂是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
16.根据权利要求13所述的电池，其特征在于，所述电池是锂离子二次电池。
17.一种包括多个串联连接的权利要求1所述的电池的电池组。
18.一种包括作为电动机驱动电源的权利要求17所述的电池组的车辆。
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