CN101390243B - 具有电极支撑元件的电极组件以及包括该电极组件的二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以阴极/隔离膜/阳极结构构建的堆叠型电极组件以及一种包括该电极组件的二次电池，其中该电极组件在其规定区域中具有至少一个通孔，并且一对构建为凹-凸接合型结构的支撑元件(一个凸接合元件与一个凹接合元件)在电池盒内通过所述通孔插入；当凸接合元件插入凹接合元件、同时外径小于通孔内径的凹接合元件通过通孔插入时，凹接合元件的外表面与该通孔紧密接触。本发明的电极组件具有限制当对电极组件施加外力时阴极与阳极脱离于隔离膜发生移动，从而防止内部短路的发生，并最终改善含有该电极组件的二次电池的安全性的效果。此外，本发明的电极组件还具有限制在二次电池充放电期间由于电极组件反复收缩与膨胀造成的电极移动的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有电极支撑元件的电极组件，更具体而言，涉及一种以阴极/隔离膜/阳极结构构建的堆叠型电极组件，其中该电极在其规定区域具有至少一个通孔，并且一对构建为凹-凸接合型结构的支撑元件通过所述通孔插入电池盒内，从而防止阴极和阳极的移动；还涉及一种包括该电极组件的二次电池。
背景技术
由于移动设备的日益发展以及对移动设备需求的增加，对作为移动设备能量来源的电池的需求也迅速增加。因此，对能满足各种需要的电池进行了许多研究。
在电池形状方面，方形二次电池或板状(pouch-shaped)二次电池薄得足以用于诸如移动电话等产品，对它们的需求很高。在电池材料方面，锂二次电池例如锂离子电池及锂离子聚合电池具有高能量密度、高放电电压及高输出稳定性，因此对它们的需求很高。
对于二次电池要解决的主要问题之一是改善二次电池的安全性。例如，锂二次电池可能由于电池内温度及压力的升高而爆炸，这可能由电池的异常运行造成，例如内部短路、超出许可电流与电压的过度充电、暴露于高温下、或者由于掉落或外部碰撞而引起的变形。
在二次电池中，有一种包括堆叠型电极组件的二次电池，该堆叠型电极组件的结构强度较低；因此，二次电池由于掉落或外部碰撞而发生内部短路的可能性较高。
图1为分解透视图，其示出了一个包括通常的堆叠型电极组件的板状二次电池的结构。
参见图1，板状二次电池100构建为其中包括阴极、阳极及隔离膜的电极组件300装配于电池盒中、从而使分别与阴极抽头与阳极抽头电连接的两个电极引线301与302暴露在外的结构，所述阴极与阳极布置为使阴极抽头与阳极抽头彼此相反伸出，并且所述隔离膜分别位于阴极和阳极之间。
电池盒200用软包装材料例如铝层压片制成。该电池盒200包括下盒及上盒，下盒具有一个用于接收电极组件300的空心接收部分。电池盒200可使用构建为对应于电极装置300的形状的模具制成。
通过焊接将堆叠型电极组件300的阴极抽头和阳极抽头同电极引线301和302连接。在电极引线301和302的上下表面贴上绝缘膜400以保证电池盒200与电池引线301和302之间的电绝缘性和密封性。
然而，该板状二次电池100存在的问题是，电池盒200由低强度的软包装材料制成，因此，当该二次电池掉落或外部碰撞施加到该二次电池时，电池盒容易发生变形。此外，在堆叠型电极组件300中，可能由于掉落或外部碰撞造成电极在隔离膜附近的移动从而发生内部短路。尤其是，二次电池使用期间二次电池的掉落或振动频繁发生。因此，非常需要一种技术以更有效地保障二次电池的安全性。
为了解决上述问题，韩国实用新型登记文本0355114公开了一种技术，其在电池盒内装配包括阴极、阳极及隔离膜的电极板组(电极组件)并将绝缘支撑栓通过电极组件和电池盒内形成的通孔插入以限制阴极和阳极的移动。然而，因为该支撑栓要通过电池盒的通孔插入，故这项技术本质上要求电池盒为硬的。并且，电解质可能会通过电池盒的通孔从电池盒中漏出。此外，当支撑栓通过电极组件的通孔插入时，可能会造成阴极和阳极于通孔中彼此接触，从而可能发生内部短路。
另外，日本专利申请公开文本2000-030670公开了一种二次电池，其中电极组件的中间形成通孔，并且待通过该通孔插入的绝缘连接元件在装配于电极组件的一个主要表面的平板元件处形成。然而，这项技术需要有作为附加装配元件的平板元件。此外，当绝缘连接元件通过通孔插入时，可能发生内部短路。
出于略微不同的目的，日本专利申请公开文本2002-246007公开了一种技术，其装配用于电连接至电极组件的阴极和阳极一侧末端的电流收集端子(current collecting terminal)，在电极中钻孔，将导电栓通过该孔插入以使导电栓连接到电流收集端子上；该技术不同于使用电极抽头实现电连接的常规技术。然而，这项技术存在的问题是，制造方法非常复杂，该二次电池的整体尺寸将不可避免地增加，以及该二次电池在二次电池充放电过程中体积变化不受限制，虽然该二次电池构建为在电极组件的一部分中形成通孔并将附加元件通过该通孔插入的结构。
发明内容
技术问题
因此，为了解决上述问题以及一些尚未解决的其它技术问题而作出本发明。
具体地，本发明的一个目的是提供这样一种电极组件，该电极组件能在外力施加于其上时限制该电极组件的阴极与阳极脱离于隔离膜发生移动，而防止内部短路的发生，从而改善包括该电极组件的二次电池的安全性。
本发明的另一目的是提供这样一种电极组件，该电极组件能在二次电池充放电期间限制由于电极组件的反复收缩与膨胀而造成的电极移动。
本发明的又一目的是提供一种包括所述电极组件的二次电池。
技术方案
根据本发明的一方面，上述及其它目的可通过提供一种构建为阴极/隔离膜/阳极结构的堆叠型电极组件而实现，其中所述电极组件在其规定区域具有至少一个通孔，并且一对构建为凹-凸接合型结构的支撑元件(一个凸接合元件与一个凹接合元件)在电池盒内通过所述通孔插入；当凸接合元件插入凹接合元件、而外径小于通孔内径的凹接合元件通过通孔插入时，凹接合元件的外表面与该通孔紧密接触。
通常，由施加于电池的外力造成的电池内的内部短路可能是引起电池爆炸或着火的主要因素。这是因为当碰撞或振动施加于电池时，电极在电极组件中发生移动，使得因阴极活性材料与阳极活性材料间接触电阻部分的传导电流而产生高电阻热。当高电阻热使得电池内部温度超过临界温度水平时，阴极活性材料的氧化物结构将坍塌，并因而出现热失控现象。结果是，电池可能着火或爆炸。
根据本发明，另一方面，将电极组件装配于电池盒中，且电极组件的电极通过支撑元件被牢固地设置在位置上。因此，即使对电池施加外力时，电极在电极组件中的移动也是受到限制的，并因此可防止内部短路的发生，而最终改善该电池的安全性。
在本发明中，电极组件的“规定区域”为选自所述电极组件两个主要表面的任意区域，该电极组件构建为其中多个阴极、隔离膜与阳极有规律的顺序堆叠的结构。例如，电极组件的规定区域可为该电极组件两个主要表面的中间部分或相对侧部分。然而，电极组件的规定区域并无特别限制，只要能有效限制电极移动即可。
为方便起见，构建为凸凹接合型结构的支撑元件在下文中也被称为凸凹接合元件，或简单地称为支撑元件。
根据本发明，该凸凹接合元件可根据通孔的内部结构构建为各种结构。优选地，凸凹接合元件可构建为这样一种凸缘结构；在该凸缘结构中，与电池盒接触的凸凹接合元件的末端具有大于通孔的尺寸。因而，构建为凸缘结构的凸凹接合元件部分地盖住电极组件的外表面，从而使得电极和隔离膜在电极和隔离膜的堆叠方向上彼此更紧密地接触。结果是，可限制在电池充放电期间因电极组件收缩与膨胀造成电极与隔离膜的分离而引起的电极个体移动。
优选地，使凸接合元件和/或凹接合元件的凸缘端连接于电池盒的内表面。因而可防止电极组件在电池盒中移动，从而可在当对电池施加外力时进一步改善电池的安全性。凸缘端与电池盒内表面的连接可通过多种方式实现。例如，可通过粘附或热焊将凸缘端连接于电池盒的内表面。
通常，要求支撑元件通过电极组件的通孔插入时，支撑元件的外表面要与通孔的内表面达到紧密接触，从而可防止当对电池施加外力时电极组件中电极的移动。因此，为了保证使单部件支撑元件如上述常规工艺所述通过电极组件的通孔插入，要求该支撑元件的外径与该通孔的内径大致相同。然而，当该支撑元件通过电极组件的通孔插入时，可能使通孔中的电极末端发生变形而彼此接触，从而可能在电池组装完成后电流传导时发生短路。
根据本发明，另一方面，在凸接合元件插入凹接合元件、且外径小于通孔内径的凹接合元件如上所述通过通孔插入时，该凹接合元件的外表面与通孔紧密接触，由此将支撑元件装配至电极组件，因此解决了上述问题。
具体而言，在电极组件中形成内径大于凹接合元件外径的通孔，将该凹接合元件通过电极组件的通孔插入，且将直径大于凹接合元件的凸接合元件插入凹接合元件中从而使凹接合元件的直径增加，由此使凹接合元件与通孔的内表面紧密接触，因此不会出现由常规技术造成的问题。
所述凸接合元件没有特别的限制，只要凸接合元件构建为在其插入凹接合元件时能增加该凹接合元件的外径的结构即可。例如，凸接合元件的外径可大于凹接合元件的内径。或者，凸接合元件可构建为其中凸接合元件的外径从远离凸缘的一端至与凸缘连接的另一端逐渐增加的结构。在后种情况中，凸接合元件的最大外径可大于凹接合元件内径并且其最小外径可小于凹接合元件内径，由此容易地实现凸凹接合元件之间的接合。
凹接合元件构建为对应于凸接合元件外表面的空心结构，从而使凸接合元件可插入凹接合元件中。优选地，凹接合元件构建为使凹接合元件的内侧端部在其凸接合元件插入的侧面呈向下的锥形，从而使凸接合元件可被插入凹接合元件中。
在另一优选实施方案中，电极组件的通孔构建为，使隔离膜中形成的通孔部分的内径小于阴极与阳极中形成的通孔部分的内径。在该情况下，隔离膜在通孔中相对突出，其由于凹接合元件插入通过所述通孔而发生弯曲，并且阴极与阳极的末端被弯曲的隔离膜覆盖。结果是，防止了阴极与阳极间的接触。
这里，阴极与阳极通孔部分的内径大小与阴极和阳极间的接触无关。因此，阴极与阳极通孔部分的内径没有特别限制，只要该阴极与阳极通孔部分的内径大于隔离膜通孔部分的内径即可。优选地，阳极通孔部分的内径小于阴极通孔部分的内径，以使阳极表面锂金属的树脂状生长(树枝状)最小化。
优选地，凹接合元件的外径大于隔离膜通孔部分的内径且小于阴极与阳极通孔部分的内径，从而使当凹接合元件通过通孔插入时，仅通孔中向内伸出的隔离膜发生弯曲。
根据本发明，凸凹接合元件可通过多种方式彼此接合。例如，凸凹接合元件可通过强配合(forcible fitting)或凸凹接合元件接触面上形成的内外螺纹的螺纹啮合实现彼此接合。
本发明中，表述凸凹接合元件的内、外径是用来说明在凸凹接合元件接合过程中凸接合元件对凹接合元件的插入情况。例如，由于凸接合元件的外表面与凹接合元件的内表面相接触，所以用凹接合元件的内径与凸接合元件的外径比较凹凸接合元件的尺寸。当比较凸凹接合元件的绝对大小时，使用凸凹接合元件的直径，而不是凹接合元件的内径与凸接合元件的外径。
凸凹接合元件没有特别限制，只要该凸凹接合元件由绝缘材料制成且在使电池的组件发生变化时能保持特定形状即可。优选地，该凸凹接合元件由树脂制成，例如聚丙烯或聚四氟乙烯。
根据本发明的另一方面，提供一种包括具有上述构造的电极组件的二次电池。优选地，该电池是一种具有装配于电池盒中的电极组件的板状二次电池，该电池盒由包括金属层及树脂层的层压片制成。
优选地，将该电池用作高输出、大容量电池组中包含的单元电池。高输出、大容量电池组可用作交通工具的能量来源。在该情况下，由于电极组件具有如上所述的结构特征，即使当该高输出、大容量电池组频繁振动或受到外部碰撞时，仍可提供高安全性。
附图说明
本发明的上述及其它目的、特征与其它优点将结合附图通过以下详细说明更清楚地理解，其中：
图1为分解透视图，其示出了一个包括通常的堆叠型电极组件的板状二次电池；
图2为分解剖视图，其部分示出了一个装配有电极支撑元件的二次电池，该支撑元件构建为本发明的一个优选实施方案的凸凹接合型结构；
图3为图2的部分组装剖视图；
图4为透视图，其部分示出了本发明一个优选实施方案的装配有如图3所示支撑元件的二次电池；
图5为剖视图，其示出了适用于图2所示接合结构的电极支撑元件的另一实例；并且
图6为剖视图，其示出了装配有电极支撑元件的电极组件，该支撑元件构建为本发明的另一优选实施方案的接合结构。
具体实施方式
现将结合附图对本发明的优选实施方案进行详细描述。然而，应注意本发明的范围并不以所述实施方案为限。
图2为部分示出一个二次电池的分解剖视图，该二次电池装配有构建为本发明一个优选实施方案的凹凸接合型结构的电极支撑元件；图3为图2的部分组装剖视图。
首先参见图2，二次电池101构建为如下结构：在该二次电池101中，包括阴极310、阳极320、及隔离膜330的堆叠型电极组件300装配于层压片制成的电池盒200中。通过电极组件300中形成的通孔340将一对构建为凸-凹接合型结构的支撑元件(凹凸接合元件)600与700插入以支撑电极组件300。为了便于说明，与支撑元件600和700相比，通孔340被夸大地示于图中。
凹凸接合元件600与700具有凸缘610与710，该凸缘在其接触电池盒200一侧的尺寸大于通孔340。如图3已组装的二次电池的部分剖视图所示，凸缘610与710连接于电池盒200的内表面，由此电极组件300与电池盒200更紧密地接触。
再参见图2，凹接合元件600的外径Rf小于通孔340的内径rh，以防止当支撑元件600与700通过电极组件300插入时电极组件300的阴极310末端与阳极320末端相互接触。因此，凹接合元件600通过通孔340插入，而凹接合元件600与通孔340的内表面间隔开。另外，凸接合元件700的外径Rm大于凹接合元件600的内径rf。从而，当凸接合元件700插入凹接合元件600时，凹接合元件600借由凸接合元件700而与通孔340的内表面紧密接触。
凹接合元件600的内侧端部构建为向下的锥形结构620，借此使相对较大的凸接合元件700易于插入凹接合元件600中。
凸接合元件700与凹接合元件600间的接合可通过多种方式实现。例如，凹接合元件600可在其内表面630处具有一个螺纹部分，凸接合元件700可在其外表面720处具有一个螺纹部分，且凸接合元件700的螺纹部分与凹接合元件600的螺纹部分相螺纹啮合，由此可实现凸接合元件700与凹接合元件600间的接合。
图4为示出了本发明的一个优选实施方案的二次电池的部分透视图，该二次电池装配有上述结构的支撑元件。
参见图4，一个二次电池101在装配于电池盒200内的电极组件300的上下端拐角的邻近区域具有四对支撑元件600和700，该四对支撑元件对称分布。然而，支撑元件600与700的分布并无特别限制。
支撑元件600与700包含在电池盒200内部，因此不可能出现由于提供了支撑元件600与700而发生的电解质泄漏。
图5为示出了适用于图2所示接合结构的电极支撑元件的另一实例的剖视图。
参见图5，凸接合元件701构建为其中凸接合元件701的外径从远离凸缘710的端部731到与凸缘710连接的端部741逐渐增加的结构；该凸接合元件701被插入到与图2所示的凹接合元件形状大致相同的凹接合元件601中。并且，凸接合元件701构建为使该凸接合元件701的最大外径Rm-max大于凹接合元件601的内径rf，并且该凸接合元件701的最小外径Rm-min小于凹接合元件601的内径rf。因此，当凸接合元件701插入凹接合元件601中时，以如图2中相同的方式借由凸接合元件701使凹接合元件601与通孔内表面相接触。
图6为示出了一个电极组件的剖视图，该电极组件装配有构建为本发明另一优选实施方案的接合结构的电极支撑元件。
参见图6，电极组件302构建为如下结构：其中阴极312、阳极322及隔离膜332堆叠为使在隔离膜332中形成的通孔部分的内径rs小于阴极和阳极中形成的通孔部分的内径rc和ra，从而防止当凹凸接合元件602与702通过电极组件302插入时阴极312与阳极322相互接触。因此，当凹凸接合元件602与702通过电极组件302的通孔342插入时，相对突出的隔离膜332发生弯曲，从而覆盖阴极312和阳极322的内侧末端。从而，可防止阴极312与阳极322间的接触。
另外，电极组件302构建为使阴极通孔部分的内径rc大于阳极通孔部分的内径ra。这是因为当阳极322的尺寸大于阴极312时，不考虑内部短路，可使阳极322表面上锂金属的树脂形生长(树枝状)最小化。
虽然本发明的优选实施方案已为说明目的公开，但本领域技术人员应了解，在不偏离所附权利要求书所公开的本发明的主旨与范围的情况下，各种改进方案、附加方案与替代方案均是可行的。
产业实用性
如上述描述表明，本发明的电极组件具有限制当对电极组件施加外力时阴极与阳极脱离于隔离膜移动、从而防止内部短路的发生、并最终改善含有该电极组件的二次电池的安全性的效果。此外，本发明的电极组件还具有限制在二次电池充放电期间由于电极组件反复收缩与膨胀造成的电极移动的效果。
Claims (13)
1.一种以阴极/隔离膜/阳极结构构建的堆叠型电极组件，其中所述电极组件在其规定区域中具有至少一个通孔，并且构建为凸-凹接合型结构的一个凸接合元件和一个凹接合元件在电池盒内通过所述通孔插入；当所述凸接合元件插入所述凹接合元件、而外径小于所述通孔内径的凹接合元件通过所述通孔插入时，凹接合元件的外表面与所述通孔紧密接触；
其中电极组件的通孔构建为使隔离膜中形成的通孔部分的内径小于阴极和阳极中形成的通孔部分的内径；并且
其中凸凹接合元件由绝缘材料制成且在使电池的组件发生变化时能保持特定形状。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中凸凹接合元件构建为其中与电池盒相接触的凸凹接合元件的末端具有大于通孔的尺寸的凸缘结构。
3.根据权利要求2所述的电极组件，其中凸接合元件和/或凹接合元件的凸缘端连接于电池盒的内表面。
4.根据权利要求1所述的电极组件，其中凸接合元件构建为其中凸接合元件的外径从远离凸缘的一端至与凸缘连接的另一端逐渐增加的结构。
5.根据权利要求4所述的电极组件，其中凸接合元件的最大外径大于凹接合元件的内径且凸接合元件的最小外径小于凹接合元件的内径。
6.根据权利要求1所述的电极组件，其中凹接合元件构建为使凹接合元件的内侧端部在其凸接合元件插入的侧面呈向下的锥形。
7.根据权利要求1所述的电极组件，其中阳极通孔部分的内径小于阴极通孔部分的内径。
8.根据权利要求1所述的电极组件，其中凹接合元件的外径大于隔离膜中形成的通孔部分的内径且小于阴极和阳极中形成的通孔部分的内径。
9.根据权利要求1所述的电极组件，其中凸凹接合元件通过凸凹接合元件接触面处形成的内外螺栓的螺纹啮合相互接合。
10.根据权利要求1所述的电极组件，其中凸接合元件和凹接合元件由塑性树脂制成。
11.一种包括根据权利要求1至10中任一项所述的电极组件的二次电池。
12.根据权利要求11所述的二次电池，其中该电池为具有装配于电池盒内的电极组件的板状二次电池，该电池盒由包括金属层与树脂层的层压片制成。
13.根据权利要求11所述的二次电池，其中该电池被用作交通工具用高输出、大容量电池组中包含的单元电池。
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