CN101682006A - 单元电池及电源 - Google Patents

Abstract

一种电池(2)，该电池包括与壳体(20)中的孔(26)相适配的绝缘部件(40)以及电极端子(60、70)，各电极端子贯通绝缘部件(40)并延伸到壳体(20)之外。绝缘部件(40)包括：将各电极端子(60、70)与孔(26)的内表面隔离并封闭各电极端子(60、70)与所述内表面之间的界面的第一绝缘部(42)；以及在绝缘部(40)的外端部沿各电极端子(60、70)的表面形成的第二绝缘部(48)。

Description

单元电池及电源

技术领域

本发明涉及一种单元电池和一种通过将金属部件焊接到单元电池的端子上而形成的电源。

背景技术

现有一种单元电池，其中，电极端子的一端与容纳于壳体内的电极单元相连接，电极端子的另一端贯通形成于壳体内的孔并延伸到外部。在具有这种结构的单元电池中，例如，如日本专利申请特开2005-339990(JP-A-2005-339990)号公报所公开的，在孔内设有树脂部件(绝缘部件)以将端子与壳体隔离。

具有这种结构的单元电池在有些情况下以将另一部件(例如，金属部件)焊接到电极端子上的形式来使用。例如，关于作为车辆的动力源等安装于车辆上的电源或者其构成元件，可以使用多个单元电池(单电池；典型地，诸如锂二次电池等二次电池)串联或者并联的电池组。将多个单电池相连接的方法的例子在日本专利申请特开2005-339925(JP-A-2005-339925)号公报中进行了说明，其中，连接部件(母线)焊接到单电池的电极端子上。有些情况下，将另一部件焊接到电极端子上来连接单元电池和外部电路。

然而，当以这种方式将另一部件焊接到电极端子上时，由于由在焊接过程中施加的热而引起的树脂部件的温度升高，该树脂部件会熔融。当树脂部件的熔融过度进行时，将会成为诸如电极端子和壳体之间绝缘不良以及壳体内部密封不良等问题的诱因。

发明内容

本发明提供了一种单元电池，其中，电极端子贯通树脂部件并延伸到壳体之外，并且防止了由于电极端子的焊接导致的电极端子和壳体之间的绝缘不良或壳体内部密封不良等问题的发生。本发明还提供了一种通过将金属部件焊接到单元电池的电极端子上构造而成的电源。

根据本发明的第一方面，提供了一种单元电池，其中电极单元容纳在具有孔的壳体内。所述单元电池包括与所述孔相适配的绝缘部件。所述单元电池还包括与电极单元相连接且贯通所述绝缘部件并通过所述孔延伸到壳体之外的电极端子。所述电极端子具有在所述壳体外侧进一步延伸到所述绝缘部件之外的露出部。所述绝缘部件包括：插置在所述电极端子与所述孔之间的第一绝缘部；和沿着通过所述孔延伸到所述壳体之外的所述电极端子的表面形成的第二绝缘部。

所述第一绝缘部可以将所述电极端子与所述孔的内表面隔离，并封闭所述内表面与所述电极端子之间的界面。

根据具有这种结构的单元电池，当在所述露出部的焊接过程中施加的热被传递至所述绝缘部时，所述第二绝缘部首先被焊接热(例如，通过电极端子传递的热)熔融，从而能够抑制形成所述第二绝缘部的孔侧部分的所述第一绝缘部的温度升高。因而，当将所述第二绝缘部制备成吸收焊接时供给的热且熔融的“熔融部”时，能够抑制除了所述第二绝缘部以外的部分的温度升高。因而，避免了位于所述第二绝缘部的孔侧的绝缘部件部分的熔融，从而能够抑制壳体内部的密封不良以及壳体和电极端子之间的绝缘不良。因而，根据本发明的单元电池能够稳定地获得特定的密封性能，例如防止液态电解质泄漏和防止水分进入壳体的能力。因此，这种单元电池可用作通过将金属部件焊接到露出部上构造而成的电源的构成元件。

本说明书中的术语“单元电池”一般指能够从中获取电能的蓄电装置，并且概念地包括二次电池(诸如锂离子电池、金属锂离子二次电池、镍氢电池和镍镉电池等蓄电池，以及诸如双电荷层电容器等蓄电装置)和一次电池。

所述绝缘部件还可以包括设置在所述第一绝缘部与所述第二绝缘部之间的第三绝缘部。另外，可以在所述第三绝缘部的顶面上形成有凹部。

所述凹部可以沿所述第三绝缘部的所述顶面的外周形成，并且，当所述第二绝缘部熔融时，所述凹部可以防止所述第二绝缘部的熔成物流出。

所述凹部可形成为使其体积等于或大于所述第二绝缘部的体积。

所述第二绝缘部和所述第三绝缘部可以一体地形成。

在构成所述壳体的部件中，至少形成有所述孔的部件可以由金属制成。

所述电极端子的至少从贯通所述绝缘部件的部分到所述露出部的部分可以由铜制成。术语“由铜制成”的意思是该部分基本上由铜或以铜为主体的合金(铜合金)制成。

所述绝缘部件可以包含从由聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、氟塑料、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PES)组成的组中选出的树脂。

所述绝缘部件可以由熔点等于或高于200℃的树脂制成。

本发明的第二方面涉及使用多个单元电池构造而成的电源，所述电源通过将金属部件焊接到露出部上而形成。由于如上所述防止了由于在熔融时施加的热而导致的电极端子和壳体之间的绝缘不良或密封不良的发生，所以能够更稳定地获得特定的密封性能和绝缘性能。因而，对于使用单元电池构造而成的电源能够获得更优的品质稳定性。

所述多个单元电池可以通过将所述金属部件的一端和另一端焊接到所述多个单元电池中的相邻两个单元电池各自的电极端子上而电连接。

可以基于从所述露出部与所述金属部件之间的焊接部到所述第二绝缘部的顶端的距离，以及为进行焊接而被熔融的被焊接物的体积，来设定所述第二绝缘部的体积。

本发明的第三方面涉及装备有上述电源的车辆。

附图说明

由以下参照附图对示例性实施例的说明，本发明的前述及其它特征和优点将变得显而易见，其中，相同的标号用于表示相同的元件，其中：

图1是示出根据一实施例的单元电池的截面图；

图2是示出根据该实施例的单元电池的主要部分的说明图；

图3是示出根据一变形例的单元电池的主要部分的截面图；

图4是示出通过将金属部件焊接到电极端子上而形成的电池组的说明图；

图5是示出金属部件被焊接到电极端子上的状态的截面图；以及

图6是示意性示出根据一实施例的车辆的侧视图。

具体实施方式

以下将通过示例的方式参照附图具体说明本发明的实施例，在本实施例中，本发明适用于锂离子单元电池和利用锂离子单元电池构造而成的电池组。在以下关于附图的说明中，具有相同功能的部件或部分用相同的参考符号标示，在某些情况下将省略重复的说明。

根据本实施例的锂离子单元电池除了稍后将说明的树脂部件的形状以外与典型的锂离子单元电池相似，它包括：具有典型的电池构成元件(即正负极活性材料、正负极集电体、隔板等)的电极单元；容纳所述电极单元和适当的电解质的壳体；以及正负极端子(电极端子)，各电极端子的一端，即电极单元侧的一端，与电极单元相连接，各电极端子的另一端延伸到壳体之外。

作为示例，图1中所示的锂离子电池2包括：扁平形的电极单元80，该电极单元80通过层叠片状正电极(以下称为“正极片”)82和片状负电极(以下称为“负极片”)84以及两个片状隔板(以下称为“隔板片”)，并卷绕层叠的片而得到；容纳电极单元80的壳体20；以及正极端子60和负极端子70，各端子的一端即电极单元侧一端连接到电极单元80，各端子的另一端(外侧端)贯通稍后将说明的树脂部件40并延伸到壳体20外侧。

壳体20包括：一端(图1中位于顶部的面)开口的矩形保持部件22；以及附设的用于封闭开口端的盖部件24。盖部件24上设有用于允许正极端子60和负极端子70的另一端(外侧端)延伸到壳体外侧的两个孔26。各保持部件22和盖部件24典型地由诸如铝等金属材料制成。箱形壳体20通过在开口端通过例如焊接将盖部件24与保持部件22相接合而构成。

在各正极端子60和负极端子70上装有作为绝缘部件的例如由聚苯硫醚(PPS)制成的树脂部件40。树脂部件40自内侧起依次设有间隔部42、伸出部44和薄壁部48。薄壁部48和间隔部42形成为分别从设于间隔部42与薄壁部48之间的大致为板状的伸出部44的上表面和下表面的中央部沿各电极端子60和70的表面分别向上和向下延伸的筒形。通过从盖部件24的外侧将间隔部42插入孔26内而将树脂部件40装入孔26内。另外。间隔部42(树脂部件40)插置在孔26的内表面与各端子60和70之间，使得盖部件24与端子60和70电绝缘，并且孔26与各端子60和70之间的界面被密封以防止诸如水分等异物进入。间隔部42、薄壁部48和伸出部44可以分别视作本发明的“第一绝缘部”、“第二绝缘部”和“第三绝缘部”。

具体地，如图2所示，伸出部44的上表面(薄壁部48侧的端面)设有沿着伸出部44的外周的环形槽46(凹部)。如图2所示，环形槽46可以与薄壁部48开始延伸的部位(薄壁部48的基部)略微间隔开。可替代地，例如图3所示，环形槽46还可以形成为直接邻接薄壁部48的基部。树脂部件40的形状可以设定成使得环形槽46的容积基本上等于或者大于(例如，基本上等于)薄壁部48的体积。图2和3中示出了装在负极端子70上的树脂部件40。装在正极端子60上的树脂部件40可以具有与前述树脂部件40同样的形状。

如图1中所示，设于正极端子60和负极端子70的一端侧即电极单元侧的连接部62和72例如通过焊接而与正极板82和负极片84相连接。各端子60和70贯通与孔26相适配的树脂部件40，并延伸到壳体20之外。设于端子60和70的另一侧(外侧)的各露出部68和78进一步延伸到树脂部件40(薄壁部48)之外，并暴露于外部。连接部62和72与露出部68和78通过引线部64和74相连接。各正极端子60和负极端子70可以是一体成型的部件例如金属部件，或者可以是通过接合多个部件而构成的端子。可以使用与通常的锂离子电池同样的材料作为端子60和70的材料而没有特殊限制。例如，可以分别选择铝和铜作为用于正极端子60和负极端子70的材料。

如图4所示，具有这种结构的电池2以例如电池组10的形式被使用，在电池组10中，多个电池(单电池)2以阵列形式设置，并且通过将作为连接部件的金属母线3的一端和另一端分别焊接到相邻的电池2的正极端子60和负极端子70上而串联电连接。诸如铜和铝之类的高导电性金属材料可以被用作母线3的材料。例如，被焊接到负极端子70上的一端(负极侧端部)由与负极端子70相同的材料例如铜制成，被焊接到正极端子60上的一端(正极侧端部)由与正极端子60相同的材料例如铝制成。可以采用母线3的负极侧端部和正极侧端部在中央部接合的形式。根据实际情况，可以采用包括诸如钨极惰性气体保护焊(TIG)、金属极惰性气体保护焊(MIG)和等离子焊之类的电弧焊以及激光焊和电子束焊在内的一般金属焊接方法作为焊接母线3与端子60和70的方法。

参照图2至5，将通过示例的方式针对将母线3焊接到负极端子70上的情况说明树脂部件40的作用。当母线3的一端例如通过TIG焊接机4被焊接到负极端子70的露出部78上时，从焊接机4向焊接部(露出部78)供给的焊接热被传递至负极端子70的内侧(图5中的下部)。当树脂部件40由于热传递而被加热至高于其熔点的温度时，树脂部件40的被加热部分熔融。然而，由于在母线3被焊接到负极端子70上之前，在树脂部件40的外端部(在露出部78侧的端部)设置有薄壁部48(参见图2和3)，所以薄壁部48首先由于来自焊接部的热传递而熔融，因此，位于薄壁部48下方的树脂部件40部分的温度升高被抑制。薄壁部48发挥用于对抗焊接热的“焊接部”的功能，从而限制了其它部分(伸出部44和间隔部42)熔融。因而，在焊接后得到的电池2(通过焊接制成的、作为电池组10的构成元件的单电池2)中能够更确实地防止端子70和盖部件24之间的绝缘不良和/或密封不良的发生。因而，能够实现诸如电池组10的制造效率提高(例如降低不合格率)、品质稳定性提高等有益效果。

另外，由于焊接热而被熔融的薄壁部48(制成薄壁部的树脂材料的熔成物)被收集在设于伸出部44的上表面部的环形槽46内，被冷却固化，并形成与其它部分(伸出部44和间隔部42)成一体的树脂部件40。因而，能够有效地利用焊接前用于制造薄壁部48的树脂材料，作为焊接后用于单元电池2内的树脂部件40的制造材料。另外，如上所述防止了熔融的树脂从树脂部件40流出，从而能够避免例如熔融的树脂附着于不期望树脂附着的部位并损害电池外观等问题。

可以考虑诸如从负极端子70和母线3之间的焊接部到薄壁部48的顶端之间的距离、负极端子70的材料、负极端子70的厚度和树脂部件40的材料等电池组10的构造及其材料，以及诸如焊接方法、焊接时间和为进行焊接而被熔融的被焊接物的体积等焊接条件，等等，来设定形成薄壁部48的树脂的量(薄壁部48的体积)和薄壁部48的形状。例如，薄壁部48的构造和体积可以设定成，使得在焊接过程中刚好整个薄壁部48被熔融。以这种方式，不用不必要地增加端子70从壳体20伸出的长度(即最小化单元电池2或电池组10占据空间的增大)就可以实现本发明的有益效果。尽管没有特别限制，但是，当负极端子70由铜制成，树脂部件40由聚苯硫醚(PPS)制成，并且焊接部与薄壁部48的上端(焊接部侧一端)之间的距离约为5mm至10mm时，薄壁部48的体积可以为被熔融以执行诸如TIG焊接之类的焊接的铜的体积的约1倍至10倍。

图5示出了这样的示例，其中树脂部件40形成为使得焊接前薄壁部48的体积与环形槽46的容积大致相等，且刚好整个薄壁部48由于焊接而被熔融，使得焊接后树脂部件40(图5中所示的状态)中环形槽46刚好被薄壁部48的熔成物填充。在制成薄壁部48的树脂材料以这种方式被转移至环形槽46内后，如图5所示，在焊接后的树脂部件40中，伸出部44的上表面是平的并且不存在不必要的突出部。

可使用具有电绝缘性且对诸如电解液之类的电解质具有高耐久性的材料作为制成树脂部件40的树脂材料。例如，除了上述的PPS外，还可以使用聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、氟塑料、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PES)等。优选使用耐热温度(熔点)约为150℃或更高(更优选地，约为200℃或更高)的树脂材料。在本实施例中，选用熔点约为280℃的PPS作为树脂材料的一个例子。可以采用与一般的树脂部件制造方法同样的方法使用这种树脂材料进行具有预定形状的树脂部件40的制造(成形)，这并非本发明的特定特征，因此，省略其详细说明。

返回参照图1，以下将给出对根据本实施例的单元电池2的构造和所使用的材料的进一步的说明。可以使用与在一般的锂离子电池中使用的材料同样的、诸如铝、钢和不锈钢之类的金属材料作为制造构成壳体20的保持部件22和盖部件24的材料。可替代地，例如，保持部件22可由树脂制成，盖部件24可由金属材料制成。这里所公开的技术可适用于整个壳体20(保持部件22和盖部件24)由树脂制成的单元电池2。

容纳于壳体20内的电极单元80是通过交替地层叠在长形的片状正极集电体上设有正极活性物质层的正极片82、隔板片、在长形的片状负极集电体上设有负极活性物质层的负极片84以及隔板片，然后在纵向上卷绕层叠的片而形成。没有活性物质层从而集电体被露出的部分(活性物质层未形成部分)设于沿各正极片82和负极片84的纵向延伸的一侧。当正极片82和负极片84以及两个隔板片被层叠时，正极片82和负极片84在宽度方向(沿着卷绕轴线的方向)上彼此略微偏离，使得正负极活性物质层彼此重叠，正极片82的活性物质层未形成部分和负极片84的活性物质层未形成部分分别沿着片的纵向延伸的一侧和另一侧单独地配置。这四个片被卷绕，然后，所得到的卷制体在侧面方向上被挤压变形以获得扁平形状的电极单元80。

由于如上所述在宽度方向上略微偏离地卷绕各片，电极单元80在轴向上的中央部成为卷制芯部81，其中，正极片82的正极活性物质形成部和负极片84的负极活性物质形成部以及隔板片被紧密地卷绕。另一方面，在电极单元80的一侧(图1中的左侧)，正极片82的活性物质层未形成部分，即正极集电体，从卷制芯部81向外露出。露出部在扁平的电极单元80的厚度方向上聚集，且正极端子60的连接部62(例如，通过焊接)连接到该聚集的露出部。类似地，负极片84的活性物质层未形成部，即在电极单元80的轴向上的另一侧从卷制芯部81向外露出的负极集电体，被聚集，且负极端子70的连接部72(例如，通过焊接)连接到该聚集的露出部。

构成电极单元80的材料和部件可以与用于一般的锂离子电池的材料和部件类似，对此没有特别限制。例如，铝箔或适用于正极的其它金属箔可用于正极集电体。可以使用一种或多种用于一般的锂离子电池的材料作为正极活性物质而无特殊限制。这种材料的例子包括诸如LiMn₂O₄、LiCoO₂和LiNiO₂之类的锂过渡金属氧化物。另一方面，铜箔或适用于负极的其它金属箔可用于负极集电体。可以使用一种或多种用于一般的锂离子电池的材料作为负极活性物质而无特殊限制。这种材料的例子包括诸如石墨、无定形碳之类的碳基材料、锂过度金属氧化物以及过渡金属氮化物。插置在正极片和负极片之间的隔板片的例子包括由多孔聚烯烃树脂制成的隔板片。在此处公开的技术中，容纳于壳体内的电极单元不限于上述卷制型电极单元。例如，可以是通过交替地层叠多个正极片和多个负极片以及插置在正极片和负极片之间的各界面处的隔板片而形成的层叠型电极单元。

作为与电极单元80一起容纳于壳体20内的电解质，例如可使用也可以在一般锂离子电池中使用的液态电解质(电解液)。这种电解液的组成可以是通过将诸如LiPF₆等锂盐作为支持电解质与诸如碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯的混合溶剂等适当的非水溶剂进行混合而得到的。可以使用固体电解质或胶状电解质作为电解质。当固体电解质或胶状电解质被用作电解质时，可以存在不需要隔板的情况(即，电解质自身还可以发挥隔板的作用)。

此处公开的单元电池2和诸如利用这种单元电池构造而成的电池组10之类的电源可以用作安装在车辆特别是汽车上的电动机的电源。因此，根据本发明，例如如图6中示意性所示，提供了一种车辆1，特别是设有电动机作为动力产生装置的汽车，例如混合动力车辆、纯电动车辆和燃料电池车辆等，该车辆1设有通过用焊接到锂离子单元电池2的露出部68和78上的母线3将多个单元电池2串联连接而形成的电池组(电源)10作为电源。

已经参照示例性实施例对本发明进行了说明，但是应理解本发明不限于上述实施例或结构。相反地，本发明意图覆盖各种变型和等同配置。另外，以各种组合和构成示出了示例性实施例的各要素，但包括更多或更少或者仅单个要素的其他组合和构造也在本发明的精神和范围内。

例如，尽管已经通过示例的方式针对包括矩形(箱形)容器的锂离子电池2说明了根据本发明的单元电池的构造和功能，但是，本发明可以适用于使用不同的电解质和不同的电极单元材料的各种电池，诸如用锂或锂合金作为负极的锂二次电池、镍氢电池、镍镉电池或者将物理能转换为电能的双电荷层电容器。

Claims (14)

1.一种单元电池，包括具有孔的壳体、容纳在所述壳体内的电极单元、与所述孔相适配的绝缘部件、以及电极端子，所述电极端子的一端连接到所述电极单元，且所述电极端子的另一端贯通所述绝缘部件并通过所述孔延伸到所述壳体之外，所述单元电池的特征在于：

所述电极端子具有在所述壳体外侧进一步延伸到所述绝缘部件之外的露出部；以及

所述绝缘部件包括：插置在所述电极端子与所述孔之间的第一绝缘部；和沿着通过所述孔延伸到所述壳体之外的所述电极端子的表面形成的第二绝缘部。

2.根据权利要求1所述的单元电池，其中，所述第一绝缘部将所述电极端子与所述孔的内表面隔离，并封闭所述内表面与所述电极端子之间的界面。

3.根据权利要求1或2所述的单元电池，其中：

所述绝缘部件还包括设置在所述第一绝缘部与所述第二绝缘部之间的第三绝缘部；并且

在所述第三绝缘部的顶面上形成有凹部。

4.根据权利要求3所述的单元电池，其中，所述凹部沿所述第三绝缘部的所述顶面的外周形成，并且，当所述第二绝缘部熔融时，所述凹部防止所述第二绝缘部的熔成物流出。

5.根据权利要求3或4所述的单元电池，其中，所述凹部形成为使其体积等于或大于所述第二绝缘部的体积。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的单元电池，其中，所述第二绝缘部和所述第三绝缘部一体地形成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的单元电池，其中，在构成所述壳体的部件中，至少形成有所述孔的部件由金属制成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的单元电池，其中，所述电极端子的至少从贯通所述绝缘部件的部分到所述露出部的部分由铜制成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的单元电池，其中，所述绝缘部件包含从由聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、氟塑料、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚砜(PES)组成的组中选出的树脂。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的单元电池，其中，所述绝缘部件由熔点等于或高于200℃的树脂制成。

11.一种使用多个根据权利要求1至10中任一项所述的单元电池构造而成的电源，其中，所述电源通过将金属部件焊接到所述露出部上而形成。

12.根据权利要求11所述的电源，其中，所述多个单元电池通过将所述金属部件的一端和另一端焊接到所述多个单元电池中的相邻两个单元电池各自的电极端子上而电连接。

13.根据权利要求11或12所述的电源，其中，基于从所述露出部与所述金属部件之间的焊接部到所述第二绝缘部的顶端的距离，以及为进行焊接而被熔融的被焊接物的体积，来设定所述第二绝缘部的体积。

14.一种车辆，其特征在于装备有根据权利要求11至13中任一项所述的电源。

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