CN101404327B

CN101404327B - 使用电极组件的二次电池、电极组件及电极组件的制造方法

Info

Publication number: CN101404327B
Application number: CN2008101342941A
Authority: CN
Inventors: 金泰元
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: CN101404327A; KR20090035225A; US20090092859A1; KR100929032B1

Abstract

本发明公开一种利用电极组件的二次电池、所述电极组件以及制造所述电极组件的方法。本发明包括一种通过利用高频感应加热方法接合板和电极接线片来防止材料被损坏并改进安全性的电极组件。还包括一种利用该电极组件的二次电池。该电极组件通过堆叠和卷绕隔板、接合至正电极接线片的正极板和接合至负电极接线片的负极板而形成，并且其特征在于，粘合侧通过对所述正电极接线片与所述正极板的整个被焊接部分或者对所述负电极接线片与所述负极板的整个被焊接部分进行表面焊接而形成，或者通过对所述正电极接线片与所述正极板的整个被焊接部分以及对所述负电极接线片与所述负极板的整个被焊接部分进行表面焊接而形成。

Description

使用电极组件的二次电池、电极组件及电极组件的制造方法

技术领域

本发明涉及电极组件、包括该电极组件的二次电池、制造电极组件的方法以及利用这些方法制造的电极组件，更具体地说，涉及利用高频感应加热将电极板与电极接线片接合在一起来阻止机械结构和材料被损坏并改进安全性的电极组件、包括该电极组件的二次电池、制造电极组件的方法以及利用这些方法制造的电极组件。

背景技术

由于信息技术快速变化且对信息迅速访问的需要增加，因此增加了用户对小型、轻质且具有高性能的便携式电子设备的需求。

诸如PDA、移动电话、可携式摄像机之类的便携式电子设备具有高能量密度装置，并使用可再充电的二次电池作为它们的主要电源。

由于供电时间、尺寸、重量等因素，在确定便携式电子设备的便携性和移动性时，二次电池被认为是非常重要的因素。

二次电池正被设计成增加供电时间，并被设计为小型且轻质。此外，二次电池包括保护电路板，该保护电路板上装有保护装置，以延长二次电池的寿命并防止意外事故。

二次电池的例子包括镍-锌电池、镍-镉电池、镍-氢电池和锂二次电池。在这些电池中，具有高工作电压和高的每单位重量的能量密度的锂二次电池得到了广泛的使用。

通过将保护电路模块连接至裸电池来使用锂二次电池，其中通过将电极组件容纳在由诸如铝之类的物质形成的容器中、使用盖组件来完成容器、将电解质注入该容器内并密封该容器来形成该裸电池。

根据容器的形状，锂二次电池被分为圆柱形、棱柱形和袋形，而根据电解质，锂二次电池被分为锂离子电池和锂聚合物电池。

通常，容器中所容纳的电极组件为胶卷形，其中正极板、负极板和这两个板之间的隔板堆叠且卷绕在该胶卷形中。

正极板通过以正电极活性材料涂覆由铝或铝合金形成的正电极集电体而形成，而负极板通过以负电极活性材料涂覆由铜或铜合金形成的负电极集电体而形成。

然后，在正极板和负极板上各自形成未涂覆活性材料的非涂覆部。用于将电极组件电连接至外部的电极接线片焊接至各非涂覆部。

也就是说，正电极接线片焊接至在正极板上形成的正电极非涂覆部，而负电极接线片焊接至在负极板上形成的负电极非涂覆部。

然后，由于电极接线片由导电性良好的镍形成，因此材料彼此不同的电极接线片和电极板焊接在一起。

也就是说，由铝物质制成的正极板焊接至由镍物质形成的正电极接线片，而由铜物质制成的负极板焊接至由镍物质形成的负电极接线片。

通过电阻焊接难以接合不同材料的金属。因此，板和电极接线片通过超声波焊接接合在一起。然而，超声波焊接可能易于在焊接时生成金属废料，因此可能导致内部短路。此外，由于超声波焊接是一种点焊方法，因此接合处可能易于被外部冲击分离，并生成接触电阻和内部电阻。

因此，为了保证接合处具有足够的面积，需要重复进行超声波焊接。重复的进行可能会在处理期间损坏材料或产生损耗。

此外，局部虚接合处(nonexistent joint)可能随着时间的推移或磨损而出现，但是从外表上难以检查出这种非法接合处，而需要进行破坏性测试。

发明内容

本发明提供一种电极组件，该电极组件通过堆叠和卷绕隔板、焊接有正电极接线片的正极板和焊接有负电极接线片的负极板而形成，其特征在于，所述正电极接线片与所述正极板、所述负电极接线片与所述负极板、或者所述正电极接线片与所述正极板以及所述负电极接线片与所述负极板，通过表面焊接整个接合处而形成粘合侧。

进一步，本发明提供一种电极组件，该电极组件通过堆叠和卷绕隔板、焊接有正电极接线片的正极板和焊接有负电极接线片的负极板而形成，并提供一种包括容纳该外部组件的外壳的二次电池，其特征在于，粘合侧通过对所述正电极接线片与所述正极板的整个被焊接部分或者对所述负电极接线片与所述负极板的整个被焊接部分进行表面焊接而形成，或者通过对所述正电极接线片与所述正极板的整个被焊接部分以及对所述负电极接线片与所述负极板整个被焊接的部分进行表面焊接而形成。

进一步，所述粘合侧的特征在于利用高频感应加热方法而形成。

进一步，所述粘合侧的特征在于被形成为具有与感应线圈相对应的面积，所述感应线圈利用高频感应加热方法将所述正极板与所述正电极接线片接合在一起或者将所述负极板与所述负电极接线片接合在一起。

进一步，所述正电极接线片由镍形成，而所述正极板由铝形成。

如上所述，在本发明中，所述正极板与所述正电极接线片或者所述负极板与所述负电极接线片，利用所述高频感应加热方法而接合在一起，因此，防止所述正电极材料和负电极材料被损害，并且安全性得到了改进。

进一步，易于保护大的接合处，从而防止由于为了保护大的接合处而重复焊接所引起的制造效率损失。

附图说明

参见以下结合附图来考虑的详细描述，对本发明的更完整的认知和许多所伴随的优势将变得显而易见，并且更好理解。在附图中，相似的附图标记指示相同或类似的部件，其中：

图1A是根据本发明实施例的电极组件的分解透视图；

图1B是图1A中的电极组件的平面图；

图2A是根据本发明第一实施例的构造的平面图，该实施例描述利用高频感应加热方法将板与电极接线片接合在一起的方法；

图2B是根据图2A的第一实施例的构造的侧视图；

图3是根据本发明第二实施例的构造的平面图，该实施例描述利用高频感应加热方法将板与电极接线片接合在一起的方法；

图4A和图4B是根据本发明第一实施例的利用高频感应加热方法而被接合的构造的平面图和侧视图；以及

图5示出根据本发明的包括电极组件的二次电池的例子。

具体实施方式

现在将参见示出发明优选实施例的附图，在下文中更充分地描述本发明。然而，该发明可以以不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于这里所列出的实施例。相反，所提供的这些实施例使得该公开内容将全面和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，层的厚度和区域的厚度被扩大。

图1A和图1B是根据本发明一实施例的电极组件10的分解透视图和平面图。

参见图1A和图1B，电极组件10包括第一电极板20(在下文中，称为“正极板”)、第二电极板30(在下文中，称为“负极板”)和隔板40。

正电极接线片21接合在正极板20的侧端，而负电极接线片31接合在负极板30的侧端。

在正极板20上形成有：正电极集电体22，收集通过化学反应所生成的电子并将这些电子传递到外部电路；正电极涂覆部23，由涂覆正电极集电体22的一侧或两侧的正电极活性材料形成并以堵塞或隔离锂离子的结构构造；正电极集电体22的正电极非涂覆部24，未涂覆正电极活性材料，使得正电极集电体22按照原状露出。

正电极集电体22可以使用不锈钢、镍、铝、钛或其合金，或者可以使用以碳、镍、钛或银对铝或不锈钢的表面进行表面处理后的产物。优选地，在以上提到的物质中，正电极集电体22可以使用铝或铝合金。

正电极集电体22的形式可以为箔、薄膜、薄片、穿孔物、多孔物或发泡剂。正电极集电体22的厚度通常为1至50μm，并且优选地为1至30μm。本发明不限制正电极集电体的形式和厚度。

正电极涂覆部23由能够堵塞或隔离锂离子的正电极活性材料形成。优选地，正电极活性材料可以是从钴、锰、镍以及一种或多种具有锂的复合氧化物中选出的至少一种。

正电极接线片21由镍形成，并向外部电路传递在正电极集电体22中收集的电子，该正电极接线片21通过高频感应加热方法接合至正电极非涂覆部24。

稍后将参见图2A和图2B，详细描述利用高频感应加热方法的接合方法。

保护构件25可以形成在正极板20的正电极接线片21被接合处的顶侧。提供保护构件25，以通过保护接合处来防止短路，并且优选地，保护构件25可以是热稳定材料，例如诸如聚酯之类的聚合树脂。另外，保护构件25具有完全包围接合至正电极非涂覆部24的正电极接线片21的宽度和长度。

在负极板30上形成有：负电极集电体32，收集通过化学反应所生成的电子并将这些电子传递到外部电路；负电极涂覆部33，由涂覆负电极集电体32的一侧或两侧的负电极活性材料形成并以堵塞或隔离锂离子的结构构造；和负电极集电体32的负电极非涂覆部34，未涂覆负电极活性材料，使得负电极集电体32按照原状露出。

负电极集电体32可以使用不锈钢、镍、铜、钛或其合金，或者可以使用以碳、镍、钛或银对铜或不锈钢的表面进行表面处理后的产物。优选地，在以上提到的物质中，负电极集电体32可以使用铜或铜合金。

负电极集电体32的形式可以为箔、薄膜、薄片、穿孔物、多孔物或发泡剂。负电极集电体32的厚度通常为1至50μm，并且优选地为1至30μm。本发明不限制负电极集电体的形式和厚度。

负电极涂覆部33由能够堵塞或隔离锂离子的负电极材料形成。优选地，负电极活性材料可以使用诸如晶体碳、无定形碳、碳化合物、碳化纤维之类的碳材料，锂金属、锂合金等。

例如，无定形碳包括硬质碳、焦炭、在1500℃以下成为可塑体的中间相碳微球(MCMB)、中间相沥青碳纤维(MPCF)等。

晶体碳包括石墨类的材料，并且具体来说，包括天然石墨、石墨化焦炭、石墨化MCMB、石墨化MPCF等。

锂合金可以使用锂和铝、锌、铋、镉、锑、硅、铅、锡、镓或铟的合金。

负电极接线片31由镍形成，并将在负电极集电体32中收集的电子传递到外部电路，该负电极接线片31通过高频感应加热方法接合至负电极非涂覆部34。

稍后将参见图2A和图2B，详细描述使用高频感应加热方法的接合方法。

保护构件35可以形成在负极板30的负电极接线片31被接合处的顶侧。

保护构件35用于通过保护接合处来防止短路的发生，并且优选地，保护构件35可以是热稳定材料，例如，诸如聚酯之类的聚合树脂。

进一步，保护构件35具有完全包围接合至负电极非涂覆部34的负电极接线片31的宽度和长度。

隔板40通常由诸如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)之类的热塑树脂形成。

在以上提到的多孔结构中，当由于电池内部的温度上升而接近热塑树脂的熔点时，隔板40熔化并闭紧，从而变成绝缘薄膜。

当隔板40变为绝缘薄膜时，正极板20与负极板30之间的锂离子的移动被切断，并且电流无法再流动，电池内部的温度停止升高。

图2A和图2B是本发明第一实施例的平面图和侧视图，该实施例描述通过高频感应加热方法将电极板102和电极接线片101接合在一起的方法。

参见图2A和图2B，电极板102和电极接线片101被布置在固定夹具105与感应线圈103之间。

作为替代地，在电极板102和电极接线片101被布置之后，固定夹具105和感应线圈103可以分别被布置在电极板102和电极接线片101的任一侧。

在电极板102被布置在固定夹具105的一侧之后，电极接线片101可以被布置在电极板102上，或者在电极接线片101被布置在固定夹具105的一侧之后，电极板102可以被布置在电极接线片101上。

感应线圈103的端子104被连接至外部电源(未示出)，并接收从该外部电源(未示出)施加的电力。

电极接线片101和电极板102可以具有正极性或负极性。当电极接线片101和电极板102具有正极性时，电极板102可以由铝材料形成，而电极接线片101可以由镍形成。

当电极接线片101和电极板102具有负极性时，电极板102可以由铜形成，而电极接线片101可以由镍形成。进一步，电极板102可以涂覆或者不涂覆活性材料。然而，在所存在的风险在于活性材料在接合过程期间被损坏或恶化时，优选地，可以在电极板102未涂覆活性材料的状态下进行该接合过程。

在以上提到的状态下，当将来自外部电源(未示出)的高频电流快速向感应线圈103通电时，由高频电流所生成的磁通量感应产生通过电极接线片101和电极板102的高密度涡电流。

由于涡电流强烈产生在电极板102的表面和电极接线片101上，因此，电极板102的表面和电极接线片101被加热。

进一步，生成与通电电流和磁通密度成比例的电磁力F1，由此瞬时向电极接线片101和电极板102施加压力。因此，涡电流所生成的热和电流的流动所生成的电磁力F1对待接合在一起的电极接线片101和电极板102进行加热和加压。

通常，由于所使用的高频电流的频率在50Hz至1M Hz的范围内，并且感应线圈103与电极板102之间的距离在0.1至50mm的范围内，因此优选地，可以在这些范围内进行接合。

根据待接合在一起的电极接线片101和电极板102的材料，可以不同地设置通电时间、高频电流的频率以及感应线圈103与电极板102之间的距离。

图3是本发明第二实施例的平面图，该实施例用于描述通过高频感应加热方法将电极板112和电极接线片111接合在一起的方法。

与第一实施例不同的是，第二实施例示出在不包括夹具时将电极接线片111与电极板112接合在一起的方法。

参见图3，待接合在一起的电极接线片111和电极板112被布置在两个感应线圈113之间，每个感应线圈都包括用于连接至外部电源的端子114。另外，在电极接线片111和电极板112被布置之后，感应线圈113可以分别被布置在电极接线片111和电极板112的任一侧。

由于第二实施例的构造元件111、112、113和114中的各元件具有与第一实施例的构造元件101、102、103和104中的各元件相同的构造和作用效果，因此不再给出进一步的描述。

在第一实施例中，与通电电流和磁通密度成比例生成的电磁力F1只在一个方向上对待接合在一起的电极接线片101和电极板102加压。

然而，在第二实施例中，由于感应线圈113分别设置于待接合在一起的电极接线片111和电极板112的两侧，因此与通电电流和磁通密度成比例生成的电磁力F2和F3能够在两个方向上对电极接线片111和电极板112加压。

图4A和图4B是根据第一实施例的利用高频感应加热方法将电极接线片101和电极板102接合在一起的示例的平面图和侧视图。

参见图4A和图4B，当电极接线片101和电极板102通过高频感应加热方法接合在一起时，形成与感应线圈相对应的待接合的粘合侧106(bondedside)。

粘合侧106可以具有各种形状，所述形状依据对电极接线片101和电极板102进行加热和加压的感应线圈的形状和面积而定。因此，在电极接线片101和电极板102的接触面积较小时，可以很容易通过使感应线圈的面积变小来调整粘合侧106的面积，或者在电极接线片101和电极板102的接触面积较大时，可以很容易通过使感应线圈的面积变大来调整粘合侧106的面积。

进一步，当有必要具有大粘合侧时，由于可以通过瞬时加热和挤压，而非诸如常规超声波焊接之类的重复焊接，来保护该大粘合侧，因此可防止材料被损坏。进一步，可以控制在接合时所生成的金属废料，以有利于安全。

图5示出根据本发明的包括电极组件的二次电池200的例子。

参见图5，二次电池200包括电极组件210和容纳该电极组件210的外壳220。

电极组件210具有上述构造，并且外壳220具有所示的袋形。外壳220包括安全地托住电极组件210的底部外壳221以及密封底部外壳221的顶部外壳223。

进一步，外壳220可以是圆柱形、棱柱形或者袋形。外壳220可以具有绝缘层、金属层和保护层基本顺序堆叠的结构。

绝缘层是最里面的层，并且由具有绝缘属性和热粘结性的物质层形成。金属层防止渗水以及电解质损失。保护层是最外面的层，保护电池的整个主体。

位于顶部外壳223和底部外壳221内部边缘的绝缘层受热熔化，使得顶部外壳223和底部外壳221彼此连接，从而进行密封。

从电极组件210伸出的正电极接线片211和负电极接线片213突出到外壳220的外部。突出的正电极接线片211和负电极接线片213电连接至外部电路。

二次电池200可以进一步包括保护电路模块，该保护电路模块上装有保护装置，从而延长电池的寿命并防止意外事故。

进一步，当外壳220是棱柱形或圆柱形时，可以通过允许在利用电镀冲压方法、由诸如铝之类的金属材料制成的罐中容纳电极组件，通过盖组件完成罐的顶端以及注入电解质来形成二次电池200。

已经利用优选实施例描述了发明。然而，应当理解，本发明的范围不限于所公开的实施例。相反，本发明范围意在包括本领域技术人员的能力范围之内的、利用目前已知或将来的技术来进行的各种修改、替代布置和等价物。因此，权利要求的范围应当按照最广义的解释，以便包括所有这些修改和相似布置。

Claims

1.一种电极组件，通过堆叠和卷绕隔板、接合有正电极接线片的正极板和接合有负电极接线片的负极板而形成，该电极组件包括：

粘合侧，通过对所述正电极接线片与所述正极板的整个被焊接部分或者对所述负电极接线片与所述负极板的整个被焊接部分进行表面焊接而形成，或者通过对所述正电极接线片与所述正极板的整个被焊接部分以及对所述负电极接线片与所述负极板的整个被焊接部分进行表面焊接而形成，并且

所述电极组件进一步包括：在所述正电极接线片和负电极接线片中的每一电极接线片被接合的部分的顶部表面上提供的保护构件，该保护构件具有完全包围所述正电极接线片和负电极接线片中的被接合的每一电极接线片的宽度和长度。

2.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述粘合侧利用高频感应加热而形成。

3.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述粘合侧形成为具有与感应线圈相对应的面积，所述感应线圈利用高频感应加热将所述正极板与所述正电极接线片接合在一起或者将所述负极板与所述负电极接线片接合在一起。

4.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述正电极接线片和所述正极板由不同的金属形成。

5.根据权利要求4所述的电极组件，其中所述正电极接线片由镍形成，所述正极板由铝形成。

6.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述负电极接线片和所述负极板由不同的金属形成。

7.根据权利要求6所述的电极组件，其中所述负电极接线片由镍形成，所述负极板由铜形成。

8.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述正极板包括：

正电极集电体；

在所述正电极集电体的一侧或两侧上被涂覆正电极活性材料的正电极涂覆部；和

在所述正电极集电体上未被涂覆所述正电极活性材料的正电极非涂覆部。

9.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述负极板包括：

负电极集电体；

在所述负电极集电体的一侧或两侧上被涂覆负电极活性材料的负电极涂覆部；和

在所述负电极集电体上未被涂覆所述负电极活性材料的负电极非涂覆部。

10.一种二次电池，包括：通过堆叠和卷绕隔板、接合有正电极接线片的正极板和接合有负电极接线片的负极板而形成的电极组件；和容纳所述电极组件的外壳，该二次电池包括：

11.根据权利要求10所述的二次电池，其中所述外壳为袋形、圆柱形和棱柱形中的任意一种形状。

12.根据权利要求10所述的二次电池，进一步包括安装有保护装置的保护电路模块。

13.根据权利要求10所述的二次电池，其中所述粘合侧利用高频感应加热而形成。

14.根据权利要求10所述的二次电池，其中所述粘合侧形成为具有与感应线圈相对应的面积，所述感应线圈利用高频感应加热将所述正极板与所述正电极接线片接合在一起或者将所述负极板与所述负电极接线片接合在一起。

15.根据权利要求10所述的二次电池，其中所述正电极接线片由镍形成，所述正极板由铝形成。

16.根据权利要求10所述的二次电池，其中所述负电极接线片由镍形成，所述负极板由铜形成。

17.一种制造电极组件的方法，该电极组件通过堆叠和卷绕隔板、接合有正电极接线片的正极板和接合有负电极接线片的负极板而形成，并且该电极组件包括：在所述正电极接线片和负电极接线片中的每一电极接线片被接合的部分的顶部表面上提供的保护构件，该保护构件具有完全包围所述正电极接线片和负电极接线片中的被接合的每一电极接线片的宽度和长度，该方法包括以下步骤：

提供固定夹具，该固定夹具将所述正极板与所述正电极接线片接合在一起或者将所述负极板与所述负电极接线片接合在一起；

提供感应线圈，该感应线圈包括待连接至外部电源的端子；

通过将板布置为接合至所述固定夹具并将电极接线片布置为接合在所述板与所述感应线圈之间，或者通过将所述电极接线片布置为接合至所述固定夹具并将所述板布置为接合在所述电极接线片与所述感应线圈之间，来布置所述板和所述电极接线片；以及

通过从所述外部电源通过所述端子将高频电流向所述感应线圈通电，来将所述板和所述电极接线片接合在一起。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述将所述板和所述电极接线片接合在一起的步骤利用热和压力进行所述接合，所述热是通过所述高频电流所产生的磁通量在所述板和所述电极接线片的表面上形成的涡电流而生成的，所述压力是通过与所述通电电流和所述磁通量成比例产生的电磁力而施加的。

19.一种制造电极组件的方法，该电极组件通过堆叠和卷绕隔板、接合有正电极接线片的正极板和接合有负电极接线片的负极板而形成，并且该电极组件包括：在所述正电极接线片和负电极接线片中的每一电极接线片被接合的部分的顶部表面上提供的保护构件，该保护构件具有完全包围所述正电极接线片和负电极接线片中的被接合的每一电极接线片的宽度和长度，该方法包括以下步骤：

提供两个感应线圈，每个感应线圈都包括待连接至外部电源的端子，所述感应线圈将所述正电极接线片与所述正极板接合在一起或者将所述负电极接线片与所述负极板接合在一起；

通过将板布置在所述两个感应线圈之间并将电极接线片布置在所述板与所述两个感应线圈中的任一感应线圈之间，或者通过将所述电极接线片布置在所述两个感应线圈之间并将所述板布置在所述电极接线片与所述两个感应线圈中的任一感应线圈之间，来布置所述板和所述电极接线片；以及

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述将所述板和所述电极接线片接合在一起的步骤利用热和压力进行所述接合，所述热是通过所述高频电流所产生的磁通量在所述板和所述电极接线片的表面上形成的涡电流而生成的，所述压力是通过与所述通电电流和所述磁通量成比例产生的电磁力而施加的。

21.一种通过根据权利要求17所述的方法来制造的电极组件。

22.一种通过根据权利要求19所述的方法来制造的电极组件。