CN101454925A - 安全性和容量改善的锂二次电池 - Google Patents

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Abstract

本说明书公开了一种二次电池，具有电极组件，该电极组件构造为其中多个电极堆叠而同时分隔板分别置于该电极之间以及该电极的电极头相互连接的结构，该电极组件安装在电池壳中，其中该电极头耦合电极引线所处的区域，即电极头－电极引线耦合区域，位于该电池壳的上端接触区域，以及该接触区域在该电池的厚度方向上弯曲，从而该电极组件与该电池壳的内部空间分隔。

Description

安全性和容量改善的锂二次电池
技术领域
本发明涉及具有安全性和容量增加的锂二次电池，更具体地，涉及一种具有以下结构构造的电极组件的二次电池，该电极组件被构造为多个电极堆叠起来的同时分隔板分别置于这些电极之间以及该电极的电极头相互连接的结构，该电极组件安装在电池壳内，其中电极头耦合电极引线所处的区域(电极头-电极引线耦合区域)位于该电池壳的上端接触区域，该接触区域在电池的厚度方向上弯曲，从而该电极组件与该电池壳的内部空间分隔。
背景技术
随着移动设备日益发展，且此种移动设备的需求与日俱增，电池作为移动设备的能源，其需求也急剧增加。而且，已进行了与满足不同需求的电池有关的大量研究。
就电池的形状而言，棱形二次电池或袋形二次电池的需求非常高，这些二次电池薄得足以应用到诸如移动电话之类的产品中。就电池材料而言，具有高能量密度、高放电电压以及高输出稳定性的锂二次电池的需求非常高，该锂二次电池诸如为锂离子电池和锂离子聚合物电池。
此外，二次电池可以根据具有阴极/分隔板/阳极结构的电极组件的构造分类。例如，电极组件可以构造为：凝胶卷型(卷绕)结构，在该结构中长片型阴极和阳极被卷绕，同时分隔板分别置于该阴极和阳极之间；堆叠型结构，在该结构中多个具有预定尺寸的阴极和阳极连续地彼此堆叠，同时分隔板分别置于该阴极和阳极之间；或者堆叠/折叠型结构，在该结构中多个具有预定尺寸的阴极和阳极连续地彼此堆叠，同时分隔板分别置于该阴极和阳极之间以形成双电池(bi-cell)或者满电池(full-cell)，然后将该双电池或满电池卷绕。
近来，更多的关注投向袋形电池，该袋形电池构造为以下这种结构，在该结构中此种堆叠型或堆叠/折叠型电极组件安装在由铝薄板制成的袋形电池壳内，因为其制造成本低、重量轻、且形状易于改变。因此，袋形电池的使用已逐渐增加。
图1是一幅分解立体图，典型地示出了常规袋形二次电池10的总体结构。
参见图1，袋形二次电池10包括电极组件30、从电极组件30延伸的多个电极头40和50、分别熔焊到电极头40和50上的电极引线60和70以及用于容纳电极组件30的电池壳20。
电极组件30是发电元件，包括连续地一个在另一个上堆叠的阴极和阳极，同时分隔板分别置于该阴极和阳极之间。电极组件30构造为堆叠结构或堆叠/折叠结构。电极头40和50分别从电极组件30的相应电极板延伸。例如通过熔焊，电极引线60和70分别电连接到从电极组件30的相应电极板延伸的电极头40和50上。电极引线60和70部分地暴露于电池壳20的外面。电极引线60和70的上和下表面部分地附接有绝缘薄膜80，用于改善电池壳20和电极引线60和70之间的密封性，同时用于确保电池壳20和电极引线60和70之间的电绝缘。
电池壳20是由铝薄板制成的。电池壳20具有一个在其内限定用于容纳电极组件30的空间。电池壳20通常以袋形的形状形成。在电极组件30是如图1所示的堆叠型电极组件的情况下，电池壳20的内上端与电极组件30间隔开，以使得多个阴极头40和多个阳极头50可以分别耦合到电极引线60和70。
图2是局部放大图，示出了图1所示的二次电池的电池壳的内上端，其中阴极头以集中的状态相互耦合并且连接到阴极引线，以及图3是前透视图，示出了处于已装配状态的图1的二次电池。
参见这些附图，多个从电极组件30的阴极集电器41延伸的阴极头40连接到阴极引线60的一端，例如通过以熔焊将阴极头40相互整体组合起来而构成的熔焊束的形式连接。该阴极引线60由电池壳20密封，而阴极引线60的另一端61暴露在电池壳20外面。由于多个阴极头40被相互整体组合起来以构成熔焊束，因此电池壳20的内上端与电极组件30的上端表面间隔一预定距离，并且以熔焊束的形式组合的阴极头40大致弯曲成V形。因此，电极头和对应的电极引线之间的耦合区域可以称为“V型区域”。
但是，此V型区域在电池的容量和安全性方面具有几个问题。首先，电池的容量取决于电极组件30的尺寸。但是，V型区域限制了安装在电池壳20中的电极组件30的尺寸，因此降低了电池的容量。具体地，如图3所示，电极组件30的上端和绝缘薄膜80之间的距离L1非常大，因此电极组件30的上端和绝缘薄膜80之间的距离不可避免地减小了电极组件30的尺寸。
此外，当电池以电池的上端，即电池的阴极引线60朝下的方式跌落，或者当外部物理力施于电池的上端时，不论怎样，电极组件30朝电池壳20的内上端移动，或者电池壳20的上端被挤压变形。结果，电极组件30的阳极与阴极头42或阴极引线60形成接触，因此可能在电池内发生短路。因此，大大降低了电池的安全性。尤其是此种内部短路是因熔焊束以下的一些阴极头和最外面阳极之间的接触而发生的。
因此，十分需要一种能够从根本上解决上述问题的技术。
发明内容
因此，为解决上述问题和其他尚未解决的技术问题，作出了本发明。
经过各种各样的解决上述问题的广泛和深入的研究及实验，本发明的发明人已经发现，当电极头-电极引线耦合区域位于具有其内安装有电极组件的二次电池的电池壳的上端接触区域，而不在电极组件的上端上方的电池壳的空间内，以及电池壳的接触区域是弯曲的时侯，根据本发明的二次电池有效避免了因诸如振动或跌落的外部冲击而所引起的内部短路的发生，从而进一步改善根据本发明的二次电池的安全性；并且最大程度利用了电池壳的内部空间，从而根据本发明的二次电池具有比与根据本发明的二次电池具有相同尺寸的常规二次电池更大的容量。本发明是基于这些发现而完成的。
根据本发明的一个方面，通过提供一种二次电池可以实现上述或其他目的，该二次电池具有电极组件，该电极组件构造为其中多个电极堆叠而同时分隔板分别置于这些电极之间以及电极的电极头相互连接的结构，该电极组件安装在电池壳中，其中该电极头耦合电极引线所处的区域(电极头-电极引线耦合区域)位于电池壳的上端接触区域，以及该接触区域在电池的厚度方向上弯曲，从而电极组件与该电池壳的内部空间分隔。
在本发明的一优选实施方案中，接触区域是一个上壳构件的上端和下壳构件的上端相互接触的区域，其中该上壳构件和下壳构件构成电池壳。具体地，接触区域是这样一个区域，在该区域中上壳构件和下壳构件沿电池壳的边缘相互接触以使得在电极组件安装在电池壳内的同时该电池壳被密封。接触区域可以在电极组件的电极的堆叠部分附近从其上侧边缘或下侧边缘竖直延伸。在本说明书中，在电极组件的上端附近位于对应电极组件的位置处的接触区域称为“上端接触区域”，其中电极头从该电极组件的上端突出。
在一优选实施方案中，电极头-电极引线耦合区域是多个被相互整体耦合的电极头耦合到对应电极引线的区域。耦合区域可以紧邻热熔焊部分布置，在该热熔焊部分进行热熔焊以在电池壳的上端接触区域密封电池壳。具体地，耦合区域可以置于上壳构件和下壳构件之间的电池壳的上端接触区域。例如，当在上端接触区域的上部分进行热熔焊时，阴极头-阴极引线耦合区域和阳极头-阳极引线耦合区域可以位于接触区域的下部分处的在上壳构件和下壳构件之间的接触界面上。由于此结构，电极引线位于上壳构件和下壳构件之间，而与耦合区域相对的电极引线的端部从电池壳部分地暴露。
如上所述，热熔焊部分可以在电极头-电极引线耦合区域附近、在接触区域的上部分处沿电池壳的边缘形成。根据不同的情况，热熔焊部分也可以在横向方向以及在电极头-电极引线耦合区域的上部分形成。例如，热熔焊部分可以形成于阴极头-阴极引线耦合区域的外部区域(a)、阳极头-阳极引线耦合区域的外部区域(b)以及电极头-电极引线耦合区域之间的中间区域(c)。替代地，热熔焊部分可以形成于阴极头-阴极引线耦合区域的外部区域(a)以及阳极头-阳极引线耦合区域的外部区域(b)，或者形成于电极头-电极引线耦合区域之间的中间区域(c)。当如上所述在除电极头-电极引线耦合区域之外的大部分接触区域进行热熔焊时，增加了电池壳的密封性，并且进一步改善了电池壳承受施于其上的外力的结构稳定性。
根据一优选结构，热熔焊部分和电极引线可以在电池壳的上端接触区域、在电池的纵向方向上再次竖直弯曲，这主要是在电池的厚度上弯曲。具体地，当接触区域构造为其中该接触区域从其下侧边缘在电极组件的电极的堆叠部分附近竖直延伸的结构时，该接触区域可以竖直弯曲，以使得电极头-电极引线耦合区域平行于电池的厚度方向，然后可以竖直弯曲，以使得电极引线和热熔焊部分平行于电池的纵向方向。在这种情况下，电极引线从电极的上端突出，以使得电极引线垂直于电极的上端，因此电池的保护电路模块可以在电池的纵向方向上连接到电极引线。
根据另一优选结构，热熔焊部分和电极引线可以在电池壳的上端接触区域、在电池的厚度方向上再次水平弯曲，这主要是在电池的厚度上弯曲。具体地，当接触区域构造为其中该接触区域从其下侧边缘在电极组件的电极的堆叠部分附近竖直延伸的结构时，该接触区域可以竖直弯曲，以使得电极头-电极引线耦合区域平行于电池的厚度方向，然后可以水平弯曲，以使得电极引线和热熔焊部分平行于电池的厚度方向。在这种情况下，电极引线从电极的上端突出，以使得电极引线平行于电极的上端，因此电池的保护电路模块可以在电池的厚度方向上连接到电极引线。
优选地，绝缘薄膜置于电池壳的上端接触区域，以使得绝缘薄膜包围电极头、电极引线以及在电极头和电极引线之间的耦合区域的顶面和底面，用于改善电极头和电极引线以及电池壳之间的密封性，同时用于保证电极头和电极引线以及电池壳之间的电绝缘。
根据本发明，只要电极组件构造为其中多个电极头相互连接以构成阴极和阳极的结构，电极组件不受具体限制。优选地，电极组件构造为堆叠型或者堆叠/折叠型结构。韩国专利申请公布No.2001-0082058、No.2001-0082059以及No.2001-0082060中公开了堆叠/折叠型电极组件的细节，这些申请是以本专利申请的申请人的名义提交的。上述专利公布的公开内容通过引用的方式全文纳入本说明书。
电极组件基本构造为其中阴极和阳极连续地一个在另一个上堆叠而同时分隔板分别置于阴极和阳极之间的结构。根据不同的情况，分隔板可以具有足够的长度，以使得分隔板的端部紧邻上端接触区域或者部分重叠于上端接触区域，从而进一步改善电池的安全性。
电极头可以以多种方式相互连接。优选地，电极头通过熔焊更稳定地相互连接。
优选地，根据本发明的二次电池是一种具有充满凝胶形式的含锂电解质的电极组件的电池，一种所谓的锂离子聚合物电池。
还优选地，根据本发明的二次电池是一种具有安装于袋形壳内的电极组件的袋形电池，该袋形壳由包括金属层和树脂层的薄板制成的，尤其是由铝薄板制成的。
附图说明
从结合附图的下面详细描述中将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征以及其他优点，其中：
图1是一幅分解立体图，示出了常规袋形二次电池10的总体结构；
图2是局部放大图，示出了图1所示的二次电池的电池壳的内上端，其中阴极头以集中的状态相互耦合并且连接到阴极引线；
图3是前透视图，示出了处于已装配的状态的图1的二次电池；
图4是一个分解立体图，示出了根据本发明的优选实施方案的袋形二次电池；
图5是前透视图，以电池壳的上端及侧接触区域密封的状态示出了图4的袋形二次电池的电池壳的上端及侧接触区域，在该电池壳中安装有电极组件；
图6是前透视图，示出了在电池壳的上端和侧接触区域被密封的状态下的根据本发明的另一优选实施方案的袋形二次电池的电池壳的上端和侧接触区域，在该电池壳中安装有电极组件；
图7是局部放大图，示出了图5所示的袋形二次电池的电池壳的上端接触区域，其中在电极头和电极引线之间的耦合区域根据一个优选的结构定位；以及
图8是局部放大图，示出了根据另一优选的结构的图5所示的袋形二次电池的电池壳的上端接触区域。
具体实施方式
现在将参照附图详细地描述本发明的优选实施方案。然而，应注意，本发明的范围不受所图解的实施方案所限制。
图4是一个分解立体图，示出了根据本发明的优选实施方案的袋形二次电池，以及图5是一前透视图，示出了在电池壳的上端及侧接触区域被密封的状态下的图4的袋形二次电池的电池壳的上端及侧接触区域，在该电池壳中安装有电极组件。
参见这些附图，袋形二次电池100包括电极组件300以及用于容纳电极组件300的电池壳200，该电极组件具有分别熔焊到阴极引线410和阳极引线420的阴极头310和阳极头。
电池壳200包括下壳构件220和上壳构件210，该下壳构件被成形为适合于容纳电极组件300的形状，该上壳构件在其一侧整体连接到下壳构件220以使得该上壳构件210充当盖子。电池壳200还包括接触区域230a和230b，在这些接触区域处使得上壳构件210和下壳构件220在电池壳200组装期间相互紧密接触。
接触区域230a和230b包括与电极组件300的上端相对应的上端接触区域230a和与电极组件300的相对侧相对应的侧接触区域230b，电极头310和320从该电极组件300的上端突出。而且，接触区域230a和230b包括热熔焊部分240，在该热熔焊部分处进行热熔焊操作以密封电池壳200。具体地，上端接触区域230a部分热熔焊，然而侧接触区域230b被整个热熔焊。
同时，多个从电极组件300突出的阴极头310通过熔焊相互耦合。同样地，多个也从电极组件300突出的阳极头320通过熔焊相互耦合。此外，阴极头310和阳极头320的上端411和421通过熔焊耦合到从电池壳200暴露出来的阴极引线410和阳极引线420。阴极头310和阳极头320的上端411和421与阴极引线410和阳极引线420之间的耦合区域340位于上壳构件210和下壳构件220之间的上端接触区域230a。耦合区域340没有与热熔焊部分240重叠。
在电极头310和320、电极引线410和420以及耦合区域340处布置有绝缘薄膜430，该绝缘薄膜将电极头310和320、电极引线410和420以及耦合区域340包围，以保持电池壳200的密封性和避免在弯曲和热熔焊期间发生短路。热熔焊部分240的相对侧沿虚线A和B竖直弯曲，以使得在热熔焊之后电池的体积最小。
图6是前透视图，示出了在电池壳的上端和侧接触区域被密封的状态下的根据本发明的另一优选实施方案的袋形二次电池的电池壳的上端和侧接触区域，在该电池壳中安装有电极组件。
图6所示的二次电池101在总体结构上与图4和图5所示的二次电池100相同；但是，二次电池101与二次电池100的区别在于：在除电极头310和320与电极引线410和420之间的耦合区域340之外的大部分的上端接触区域230a处进行热熔焊。因此，与图5相比时，二次电池101与二次电池100的区别在于：在阴极和阳极耦合区域340和341的外部区域a和b，以及耦合区域340和341之间的中间区域c，还有热熔焊部分240处进行热熔焊。根据不同的情况，可以仅在外部区域a和b或者中间区域c进行热熔焊。
如上所述，大部分的上接触区域230a被热熔焊，从而进一步增加了电池壳的密封性，并大大改善了电池壳承受外力的结构稳定性。
图7是局部截面图，典型地示出了根据本发明的一优选实施方案的电池壳的上端接触区域，以及图8是局部截面图，典型地示出了根据本发明的另一优选实施方案的电池壳的上端接触区域。为了便于理解，电极组件的上端和电池壳之间的空间区域绘制得有些放大。但是，应理解，根据本发明的结构，该空间区域可以非常小或甚至不存在。
参见这些附图，通过密封电池壳200，同时电极组件300安装在电池壳200中，并且将电池壳200的上端接触区域230a在二次电池100的厚度方向y上竖直弯曲，由此来制造二次电池100。由于从上端接触区域230a突出的阴极引线411将被电连接到外部(例如，保护电路模块)，因此再次将上端接触区域230a的一部分(包括阴极引线411)竖直或水平弯曲，这将在后文更详细地描述。
在描述上端接触区域230a的弯曲结构之前，将进一步描述先前结合图4和图5描述的上端接触区域230a的截面结构。上端接触区域230a部分包围多个从上壳构件210和下壳构件220之间的阴极301突出的阴极头310以及连接到阴极头310的阴极引线410。此外，上端接触区域230a完全围绕阴极头310和阴极引线410之间的耦合区域340。阴极头310、阴极引线410以及在阴极头310和阴极引线410之间的耦合区域340由绝缘薄膜430围绕。由于该结构，可清楚地看出，在电极组件300的上端和电池壳200之间的距离L2相比图2明显减小。
电极组件300构造为这样一种结构，在该结构中阴极301和阳极302连续地一个在另一个上堆叠，同时分隔板分别置于阴极301和阳极302之间。为了避免在二次电池的反复充电和放电期间而使得锂离子被沉积在阳极302的表面，阳极302具有比阴极301的尺寸更大的尺寸。根据不同的情况，分隔板303可以具有足够的长度，以致分隔板303的端部紧邻上端接触区域230a，或者与上端接触区域230a部分重叠。在这种情况下，当电极组件300因外力的施加而朝上端接触区域230a移动时，进一步减小了因阴极301和阳极302之间的接触而引起的短路的可能性。
如图7所示，上端接触区域230a竖直弯曲，以使得阴极头310和阳极头410之间的耦合区域340平行于电池的厚度方向y，然后再次将电极引线的一些突出端411和热熔焊部分240竖直弯曲而与电池的纵向方向x平行。根据此弯曲结构，电极引线的突出端411与电池的纵向方向x平行弯曲。因此，能够在电池的纵向方向x上将保护电路模块500连接到电极引线。
如图8所示，上端接触区域230a竖直弯曲，以使得阴极头310和阳极头410之间的耦合区域340平行于电池的厚度方向y，然后将电极引线的一些突出端411和热熔焊部分240水平弯曲而与电池的厚度方向y平行。根据此弯曲结构，再次将电极引线的突出端411弯曲而与电池的厚度方向y平行。因此，能够在电池的厚度方向y上将保护电路模块500连接到电极引线。
虽然为示例的目的已公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应理解，各种修改、增加及替代是可能的，而不脱离所附的权利要求书所公开的本发明的范围与精神。
工业实用性
从上面描述可清楚发现，根据本发明的二次电池有效地避免了因诸如振动或跌落而所引起的内部短路的发生。因此，进一步提高了根据本发明的二次电池的安全性。另外，最大程度利用了电池壳的内部空间。因此，相比具有与根据本发明的二次电池相同尺寸的常规二次电池，根据本发明的二次电池具有更高的容量。

Claims (14)

1.一种二次电池，具有电极组件，该电极组件构造为其中多个电极堆叠而同时分隔板分别置于这些电极之间以及该电极的电极头相互连接的结构，该电极组件安装在电池壳中，其中
该电极头耦合电极引线所处的区域，即电极头-电极引线耦合区域，位于该电池壳的上端接触区域，以及该接触区域在该电池的厚度方向上弯曲，从而该电极组件与该电池壳的内部空间分隔。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中该接触区域是一个上壳构件的上端和下壳构件的上端相互接触的区域，其中该上壳构件和该下壳构件构成该电池壳。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其中将该耦合区域紧邻热熔焊部分布置以在该电池壳的接触区域处密封。
4.根据权利要求3所述的二次电池，其中该热熔焊部分在该电极头-电极引线耦合区域附近、在该接触区域的上部分处沿该电池壳的边缘形成，或者在横向方向以及在该电极头-电极引线耦合区域的上部分形成。
5.根据权利要求3所述的二次电池，其中从该电池壳突出的电极引线以及该热熔焊部分在该电池的纵向方向上再次竖直弯曲。
6.根据权利要求5所述的二次电池，其中该电池的保护电路模块PCM在该电池的纵向方向上连接到该电极引线。
7.根据权利要求3所述的二次电池，其中从该电池壳突出的电极引线以及该热熔焊部分在该电池的厚度方向上再次水平弯曲。
8.根据权利要求7所述的二次电池，其中该电池的保护电路模块在该电池的厚度方向上连接到该电极引线。
9.根据权利要求1所述的二次电池，其中绝缘薄膜置于该电池壳的上端接触区域，以使得该绝缘薄膜包围该电极头和电极引线。
10.根据权利要求1所述的二次电池，其中该电极组件构造为堆叠型或堆叠/折叠型结构。
11.根据权利要求1所述的二次电池，其中该分隔板具有足够的长度，以使得该分隔板的端部紧邻该上端接触区域或部分重叠于该上端接触区域。
12.根据权利要求1所述的二次电池，其中该二次电池为锂离子聚合物电池。
13.根据权利要求1所述的二次电池，其中该电池壳为由包括金属层和树脂层的薄板制成的袋形壳。
14.根据权利要求13所述的二次电池，其中该板为铝薄板。
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