CN101425569B - 帽组件和利用该帽组件的二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种帽组件和利用该帽组件的二次电池。一种二次电池包括电极组件、用于容纳电极组件的罐和用于密封罐的帽组件。帽组件包括排放板。排放板包括凹入的变形部分、形成在变形部分的中心的突起和围绕变形部分形成的凹槽。
Description
技术领域
本发明的多个方面涉及一种二次电池，更具体地讲，涉及一种在预定的压强下变形从而改善压强分布以提高稳定性的帽组件和利用该帽组件的二次电池。
背景技术
通常，与不能被再充电的干电池不同，二次电池是可再充电的。正在开发的二次电池为紧凑的并具有高容量。低容量电池包括具有一个电池单元的包(pack)，并用于小型便携式电子产品，例如蜂窝式电话、等离子体显示面板(PDP)、笔记本计算机、相机等。
高容量电池包括具有多个连接的电池单元的包，例如，高容量电池广泛地用作混合交通工具的电源。具体地讲，因为锂二次电池与传统的镍-镉电池、镍-金属氢化物电池等相比具有更高的操作电压(3.6V)和每单位重量更高的能量密度，所以锂二次电池广泛地用在各种装置中。
根据容纳电极组件的壳的形状，锂二次电池可被分成罐式(can-type)锂二次电池或袋式(pouch-type)锂二次电池。罐式锂二次电池可被进一步分成棱柱锂二次电池或圆柱式锂二次电池。此外，根据锂二次电池中包含的电解液的类型，锂二次电池可被分成锂离子二次电池或锂聚合物二次电池。
当锂二次电池被过充电时，因为电解液从电极组件的上部蒸发，所以电极组件的上部的电阻增大。此外，随着锂开始被提取出来，电极组件在其中心部分变形。电极组件的上部的电阻导致局部加热和电池内部温度的升高。在这种情况下，因为电解液添加剂(例如环己烷苯(CHB)和苯并芘(BP))在电池被过充电时通常分解并产生气体，所以电池的内部压强快速升高。
为了解决上述问题，在圆柱式锂二次电池中，当电池的内部压强因为过充电或异常操作而升高至规定值以上时，帽组件阻断电池中的电流流动，使得温度不再升高。这使得电池的稳定性提高。
圆柱式二次电池包括罐和通过绝缘衬垫结合到罐的上部开口的帽组件。罐容纳电极组件和电解液。电极组件由两个矩形板状的电极和置于电极之间用于防止两个电极之间短路的分隔件组成。电极和分隔件被卷绕成凝胶卷(jelly-roll)式的形状。
帽组件包括顺序地堆叠的排放装置(vent)、电流阻断装置(CID)、正温度系数(PTC)热敏电阻器和帽顶(cap-up)。在传统的帽组件中，当二次电池的内部压强在预定水平以上时，排放装置变形，从而启动CID来阻断电流的流动，并将电极组件产生的气体排出到外部。
当排放装置由于内部压强而变形时，传统的帽组件会具有大范围的启动压强。因此，当排放装置没有变形，但应该启动CID以阻断电流时，或者当排放装置没有变形成能够使CID启动时，难以确保电池的稳定性。相反，当排放装置变形从而启动CID时，电池可能报废，即使该电池仍然有用。
发明内容
本发明的多个方面提供了一种包括排放装置(vent)的帽组件。该排放装置包括板和形成在板的一侧的电连接部分。电连接部分包括具有凹入形状的变形部分和形成在变形部分上的突起。
本发明的多个方面提供了一种二次电池，该二次电池包括：电极组件，包括正极板、负极板以及设置在这两个电极板之间的分隔件；罐，用于容纳电极组件；帽组件，用于密封罐。所述排放装置包括板和形成在板的一侧的电连接部分。电连接部分包括具有凹入形状的变形部分和形成在变形部分的一侧的突起。
根据本发明的多个方面，突起和变形部分可沿着相反的方向延伸。
根据本发明的多个方面，电连接部分可形成在板的中心。
根据本发明的多个方面，突起可形成在变形部分的中心。
根据本发明的多个方面，用于启动CID的突起设置在排放装置的中心部分，压强均匀地作用于排放装置的整个区域上，使得排放装置均匀地变形，从而改善了启动压强的分布并提高了稳定性。
本发明另外的方面和/或优点将通过下面的描述被部分地阐述，通过描述将部分地显而易见，或者可通过实践本发明而获知。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例的描述，本发明的这些和/或其它方面及优点将变得清楚和更易于理解，在附图中：
图1是根据本发明示例性实施例的圆柱式二次电池的剖视图；
图2是图1的圆柱式二次电池的分解透视图；
图3A是根据本发明示例性实施例的帽组件中的排放装置的透视图；
图3B是图3A的排放装置的剖视图。
具体实施方式
现在将对本发明的示例性实施例做出详细描述，本发明示例性实施例的示例示出在附图中，其中，相同的标号始终表示相同的元件。为了解释本发明的多个方面，以下参照附图来描述示例性实施例。如这里所提到的，当第一元件被称作设置“在”第二元件“上”或与第二元件相邻时，第一元件可直接接触第二元件，或者可以通过可设置在第一元件和第二元件之间的一个或多个其它元件将第一元件与第二元件分开。相反，当元件被称作“直接”设置“在”另一元件上时，不存在中间元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何一个和所有组合。
图1和图2是示出根据本发明示例性实施例的圆柱式二次电池的剖视图和分解透视图。参照图1和图2，两个板状的电极21和23被堆叠并缠绕，形成凝胶卷式的电极组件20。分隔件25设置在电极21和23之间，和/或设置在电极21和23下方，从而防止电极21和23之间的短路。
通过用正极活性材料浆料或负极活性材料浆料涂覆集流体板来形成电极21和23中的每个电极。集流体板是由铝或铜制成的金属箔或金属网。通常，通过在溶剂中搅拌颗粒状活性材料、辅助导体、粘合剂和增塑剂来获得所述浆料。在后续的电极形成工艺中去除溶剂。
未涂覆部分形成在集流体的没有涂覆浆料的位置。电极接线片27和29连接到未涂覆部分。电极接线片27朝罐10的开口延伸，电极接线片29朝罐10的底表面延伸。
罐10由铁材料(不锈钢)、铝合金等制成。罐10可以由深冲压法形成。电极组件20通过开口被插入到罐10中。
在插入电极组件20之前，用下绝缘板11覆盖电极组件的底表面。将电极接线片29弯曲成与罐10的底表面平行，同时使电极接线片29与下绝缘板11的下表面分隔开。电极组件20的中心是空的。
下绝缘板11在与电极组件20的中空对应的区域具有孔。电极接线片29的一部分面对该孔。将焊条插入到电极组件20的中空中，以将电极接线片29焊接到罐10的底表面。因此，罐10的极性与电极接线片29的极性相同，从而罐本身用作电极端子。
在一些示例性实施例中，中心销(pin)13可被插入到电极组件20的中空中。中心销13防止罐10由于外力而变形。中心销13还用作排除电极组件20产生的气体的通道。中心销13抑制随着时间的过去会发生的由电极组件20的充电和/或放电导致的电极组件20的变形，从而延长电池寿命。
在焊接电极接线片29之后，将上绝缘板15放置在电极组件20上，并通过上绝缘板15的孔插入电极接线片27。随后可将电极接线片27焊接到帽组件40。
然后，对罐10的侧壁进行压褶(crimp)以形成圆缘(bead)17，从而固定电极组件20和上绝缘板15。即使在受到外部冲击的过程中，圆缘17也防止电极组件20在罐10内部容易地上下运动，从而提供可靠的电连接。
随后，将电解液注入到罐10中，从而覆盖电极组件20。可以在形成圆缘17之前注入电解液。在罐10的开口中设置绝缘衬垫30，并将帽组件40与罐10结合，从而密封罐10。绝缘衬垫30是围绕帽组件40弯曲的弹性材料。绝缘衬垫30使具有不同极性的帽组件40与罐10绝缘，并有助于密封罐10。
帽组件40包括电连接到电极接线片27的排放装置50、通过排放装置50的操作被启动的电流阻断装置(CID)60、正温度系数(PTC)热敏电阻器70和帽顶80(电极端子)。可以预先组装帽组件40的部件，然后可将所述部件设置在绝缘衬垫30上，或者可将所述部件顺序地堆叠在衬垫30上。然后，向着衬垫30卷曲圆柱式罐10的开口，从而固定帽组件40并密封罐10。
帽顶80放置在PTC热敏电阻器70上，CID60放置在PTC热敏电阻器70下方，且排放装置50放置在CID60下方。也就是说，排放装置50、CID60、PTC热敏电阻器70和帽顶80顺序地堆叠。当内部压强因电极组件20产生的气体而在预定水平以上时，排放装置50启动CID60，从而阻断电流流动并释放气体。
图3A是排放装置50的透视图，图3B是排放装置50的剖视图。参照图3A和图3B，排放装置50形成为盘状板51(排放板(vent plate))，并包括电连接部分53。电连接部分53可以形成在板51中的任何位置。在一些实施例中，电连接部分53形成在板51的中心部分，使得当电连接部分53变形时易于启动CID60。
排放装置50还包括凹槽59，以有利于排放装置50的变形。排放装置50的凹槽59可以围绕变形部分55。凹槽59可朝电极组件20延伸。因为如果凹槽59的深度太深或太浅，则排放装置50会出现故障，所以本领域技术人员可以选择合适的深度。
电连接部分53电连接到电极接线片27，并包括变形部分55和突起57。当压强在预定水平以下时，变形部分55朝电极组件20延伸。突起57可以朝罐10的开口延伸，因此，突起57和变形部分55可从排放装置50沿着相反的方向延伸。当电池的内部压强在所述预定水平以上时，向着CID60逐渐按压变形部分55，使得变形部分55朝CID60变形，并且突起57断开(break)CID60。
突起57可以形成在变形部分55中的任何位置。例如，突起57可以形成在变形部分55的中心，使得内部压强被均匀地施加到变形部分55。突起57具有有利于启动CID60的结构。因此，当变形部分55朝CID60延伸时，向着CID60按压突起57，从而使CID60阻断电池中的电流流动。突起57在形状上可以是半球形或者圆锥形。
变形部分55与传统的变形部分相比具有更大的面积和更小的曲率(curvature)，使得压强被更均匀地施加在变形部分55的整个区域上。因此，变形部分55均匀地变形，从而改善了启动压强的分布。
下面的表1示出了表示根据对比示例的传统排放装置的启动压强和根据本发明示例性实施例的排放装置的启动压强的数据。
表1
| 编号 | 对比示例 | 示例性实施例 |
| 1 | 7.7 | 8.3 |
| 2 | 8.1 | 8.3 |
| 3 | 7.2 | 7.8 |
| 4 | 6.9 | 7.3 |
| 5 | 8.4 | 8.3 |
| 6 | 7.2 | 8.1 |
| 7 | 7.4 | 7.8 |
| 8 | 9 | 7.4 |
| 9 | 7.6 | 8.2 |
| 10 | 7.6 | 8.1 |
| 11 | 8.2 | 8.5 |
| 12 | 6.8 | 7.9 |
| 13 | 7.1 | 8.4 |
| 14 | 10.4 | 7.3 |
| 最大 | 10.4 | 8.5 |
| 最小 | 6.8 | 7.3 |
表1示出了表示当在7kgf/cm2的压强下由排放装置启动CID时测量的压强的数据。总共执行14次实验。在表1中可以看出，对比示例具有最小6.8kgf/cm2至最大10.4kgf/cm2范围的值。示例性实施例具有最小7.3kgf/cm2至最大8.5kgf/cm2范围的值。由此可见，与对比示例的传统排放装置相比，示例性实施例的排放装置在更接近7kgf/cm2的压强下变形。
下面的表2示出了基于表1中的数据利用MINI-TAP(统计程序)计算出的Cp(短期过程能力)值和Cpk(长期过程能力)值。
表2
| 对比示例 | 实施例 | |
| Cp | 1.12 | 2.29 |
| Cpk | 1.06 | 2.27 |
Cp和Cpk是这样的指数，即，所述指数指示过程是否具有制造适于特定规格的产品的能力，所述指数例如为过程能力与所述规格的比率。Cp和Cpk分别取决于规格和偏移之间的关系。Cp表示相对于实际的过程散布(自然公差)，可允许的过程散布(部件公差)的定量表达。当对两个值提供可允许的规格时，使用Cp。通过将规格上限(USL)和规格下限(LSL)分别设定为11kgf/cm2和5kgf/cm2来计算数据。
Cpk是指示过程能力偏离分布中心的程度的指数。高的Cpk是指将发生偏离USL和LSL的可能性较小。Cp和Cpk之间的关系如下：
Cpk＝(k-1)Cp ……(1)
在上面的等式中，k是指示偏移程度的系数，并且由下式来计算：
在上面的等式中，μ表示平均数，M表示规格的中心值，T表示USL-LSL。
在表2中可以看出，对比示例的Cpk值为1.06，示例性实施例的Cpk值为2.27，其大于1.06。这表明在过程中示例性实施例将偏离USL和LSL的可能性较小。由此可见，与对比示例的传统排放装置的启动压强的分布相比，改善了示例性实施例的排放装置的启动压强的分布。
虽然已经示出和描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对该示例性实施例做出改变，本发明的范围限定在权利要求及其等同物中。
Claims (22)
1.一种帽组件，所述帽组件包括排放板、电流阻断装置、正温度系数热敏电阻器和帽顶，排放板包括凹入的变形部分和形成在变形部分中的突起，电流阻断装置设置在排放板上方，正温度系数热敏电阻器设置在电流阻断装置上方，帽顶设置在正温度系数热敏电阻器上方。
2.如权利要求1所述的帽组件，其中，排放板为盘状。
3.如权利要求1所述的帽组件，其中，突起和变形部分从排放板沿着相反的方向延伸。
4.如权利要求1所述的帽组件，其中，变形部分形成在排放板的中心。
5.如权利要求1所述的帽组件，其中，突起形成在变形部分的中心。
6.如权利要求1所述的帽组件，其中，排放板包括设置在变形部分周围的凹槽。
7.如权利要求6所述的帽组件，其中，所述凹槽远离帽顶延伸。
8.一种二次电池，所述二次电池包括：
电极组件，包括正极板、负极板以及设置在正极板和负极板之间的分隔件；
罐，用于容纳电极组件；
帽组件，用于将罐的开口密封，并包括排放板、电流阻断装置、正温度系数热敏电阻器和帽顶，排放板包括凹入的变形部分和形成在变形部分中的突起，电流阻断装置设置在排放板上方，正温度系数热敏电阻器设置在电流阻断装置上方，帽顶设置在正温度系数热敏电阻器上方。
9.如权利要求8所述的二次电池，其中，排放板为盘状。
10.如权利要求8所述的二次电池，所述二次电池还包括设置在帽组件和罐之间的绝缘衬垫。
11.如权利要求8所述的二次电池，其中，变形部分形成在排放板的中心。
12.如权利要求8所述的二次电池，其中，变形部分电连接到电极接线片，电极接线片连接到电极组件。
13.如权利要求8所述的二次电池，其中，突起形成在变形部分的中心。
14.如权利要求8所述的二次电池，其中，突起和变形部分从排放板沿着相反的方向延伸。
15.如权利要求14所述的二次电池，其中，变形部分朝电极组件延伸。
16.如权利要求14所述的二次电池，其中，突起朝罐的开口延伸。
17.如权利要求8所述的二次电池，其中，排放板包括围绕变形部分的凹槽。
18.如权利要求17所述的二次电池，其中，凹槽朝电极组件延伸。
19.一种用于密封二次电池的帽组件，所述帽组件包括：
排放板，包括凹入的变形部分、从变形部分延伸的突起和围绕变形部分形成的凹槽；
电流阻断装置，设置在排放板上方；
正温度系数热敏电阻器，设置在电流阻断装置上方；
帽顶，设置在正温度系数热敏电阻器上方，
其中，当变形部分变形时，突起断开电流阻断装置。
20.如权利要求19所述的帽组件，其中，
凹槽和变形部分从排放板延伸所沿的方向与突起从排放板延伸所沿的方向相反。
21.如权利要求19所述的帽组件，其中，突起形成在变形部分的中心。
22.如权利要求19所述的帽组件，其中，突起为半球形或者圆锥形。
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