CN101796666A - 锂离子棱柱状电池技术领域 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了锂离子棱柱状电池，所述锂离子棱柱状电池包括电池组件和其内设置有电池组件的外壳，所述电池组件包括阳极、包含锂的阴极、以及在阳极与阴极之间的分隔体，所述外壳包括两个或更多个排气口，所述排气口中的至少两个被构造成在棱柱状电池的内部压力达到不同预定水平的内部压力时破裂。

Description

锂离子棱柱状电池技术领域
技术领域
本发明涉及二次锂电池，具体地讲涉及锂离子棱柱状电池。
发明背景
可再充电电池，也称为二次电池，包含通过充电而再生的活性材料。取决于它们的构造，当这些电池所产生的能量降低至最佳效率以下时，可将它们以许多方式中的任何一种进行再充电。基于电池的化学组成，将可再充电电池分解成两大类。这两个类别，即碱性二次电池和锂二次电池，均包含很多种类的电池型式。
与二次电池形成对比的是，一次电化学电池旨在仅放电例如放电至耗尽一次，然后即废弃。一次电池不打算再充电。一次电池描述于例如David Linden的Handbook of Batteries(McGraw-Hill，第2版，1995)中。
二次电化学电池可被再充电许多次，例如超过五十次，超过一百次，或更多次。在一些情况下，二次电池可包括相对坚固的分隔体，例如具有许多层的那些和/或相对较厚的那些。二次电池也可被设计成能适应可能会在电池中发生的变化，诸如溶胀。二次电池描述于例如Falk&Salkind的“Alkaline Storage Batteries”(John Wiley&Sons，Inc.1969)；美国专利345,124；和法国专利164,681中，这些专利均据此以引用方式并入本文。
数字照相机和其它电子装置(例如，移动电话、MP3播放器和个人数字助理(PDA)诸如BlackBerries.RTM.)是靠电池诸如二次镍金属氢化物电池或二次锂离子电池来运行的。一种类型的已在数字照相机中使用的电池为3.7V的二次棱柱状锂离子电池。此类电池可例如以商品名PentaxD-L12从Panasonic商购获得。被称为“棱柱状电池”的电池通常所具有的厚度远远小于它们的宽度和长度。例如，Pentax D-L12电池具有约53.0mm的长度、约35.2mm的宽度和约7.0mm的厚度。很多棱柱状电池具有在40mm至60mm长乘30mm至40mm宽乘4mm至10mm厚范围内的尺度。
发明概述
一般来讲，本发明的特征在于呈棱柱状电池形式的锂离子二次电池。所述电池包括具有棱柱形状的外壳、和设置在外壳内的阳极、包括作为活性组分的锂的阴极、分隔体和电解质。
在一个方面，本发明的特征在于棱柱状电池型的锂离子二次电池，其中阴极包含LiFePO4。因此，在一个方面，本发明的特征在于一种二次电池，所述二次电池包括棱柱形的外壳，所述外壳容纳阳极、包括LiFePO4的阴极、以及在阳极与阴极之间的分隔体。这些电池具有可用于数字照相机和其它应用的所期望的特性。
在一些情况下，本文所述的电池为可快速充电的可再充电电池。在所述电池需要被置换之前，它们可提供超过100次的循环，通常数百次或数千次的循环。一些优选的电池具有大于约5mAh的容量。
这些电池还具有15分钟或更短，优选5分钟或更短时间的充电能力。此外，使用LiFePO4阴极制造的优选的电池一般可表现出良好的安全性、快速充电能力(例如，5分钟或更短时间)、良好的功率密度、一致的性能和环境容受性。5分钟或更短时间的快速充电能力可最小化使用不便性。优选的电池也提供优异的循环寿命(例如，在0.5A/0.5A速率下的至初始容量的80％的大于1000次循环并且优选大于1500次循环)和储存寿命(3年)。
在另一方面，本发明的特征在于一种锂离子棱柱状电池，所述锂离子棱柱状电池包括电池组件，所述电池组件包括阳极、包含锂的阴极、和在阳极与阴极之间的分隔体、以及其内设置有电池组件的外壳。外壳包括多个排气口，所述排气口中的至少两个被构造成当棱柱状电池的内部压力达到不同的预定水平时破裂。
一些具体实施包括下列一个或多个特征。排气口中的至少一个可位于外壳的侧面中。排气口中的至少一个可为精压部件。排气口中的至少一个可为细长凹槽，所述细长凹槽具有三角形或梯形横截面。在一个优选的具体实施中，排气口中的一个包括细长凹槽。细长凹槽可具有约0.05英寸至0.70英寸的长度、约0.006英寸至0.008英寸的深度、和约0.004英寸至0.006英寸的宽度。细长凹槽所具有的长度为电池宽度的约50％至80％，其深度使得凹槽中的壁厚为外壳壁厚的约20％至30％，并且其宽度为外壳壁厚的约50％至60％。细长凹槽可靠近电池的上边缘，例如，细长凹槽可在电池的侧壁上以与外壳的顶部边缘相距一定距离平行于电池的顶部表面延伸，所述距离为电池总高度的约20％至40％。
本发明的特征还在于制造棱柱状电池的方法，所述方法包括变形电池外壳的某个区域以形成具有三角形或梯形横截面的细长凹槽。外壳的变形可通过精压或电化学加工来实现。
在另一方面，本发明的特征在于一种锂离子棱柱状电池，所述锂离子棱柱状电池包括：外壳，所述外壳具有至少一个大体上平坦的侧面，所述侧面沿所述外壳的长度延伸，外壳限定负触点和正触点；外壳内的阳极、和包含锂的阴极，其中至少阴极为薄片形式，所述薄片具有预定长度；以及多个连接插片，所述连接插片以间隔开的位置沿阴极的长度设置以将阴极连接到正触点。
一些具体实施包括下列一个或多个特征。阴极可包括薄片形式的金属基底例如铝箔、和设置在基底上的活性材料涂层。连接插片可沿阴极的上边缘设置。连接插片可沿阴极的长度均匀地间隔开。电池可包括两个、三个或更多个连接插片。连接插片可由铝形成。阴极可包括具有多个插片的单一薄片或多个薄片，每个薄片均具有至少一个插片。连接插片可与基底成一整体，或可焊接到基底上。
对于本专利申请来讲，“棱柱状电池”具有至少四个大致平坦的侧面，并且具有一个大体上小于两个其它尺度(例如，长度和宽度)的尺度(例如，厚度)。举例来讲，棱柱状电池可具有约2mm至约15mm(例如，约4mm至约10mm)的厚度，约10mm至约50mm(例如，约20mm至约40mm)的宽度，和约20mm至约60mm(例如，约30mm至约40mm)的长度。长度、宽度和厚度分别如图1B中的L、W和T所示的那样测量。
本发明的一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。通过该说明书和附图并通过所述权利要求书，本发明的其它特征和优点将显而易见。
附图概述
图1为从前部观察的电池的透视图；图1A为从后部观察的相同电池的透视图，其显示了电池侧壁中的排气口；图1B为电池的另一个透视图，其指示如何测量电池的各个尺度。
图2为图1的电池的透视图。
图3为图1的电池的电池的剖面图。
图4为棱柱状电池的高度示意性的顶视图，其中移除了覆盖件以显示出电池顶部处的多个连接插片。
图5为图4的棱柱状电池的剖面图。
图6为图1所示电池的分解图。
图7为图1所示电池的电池接头的分解图，并且图7A为电池接头的装配图。
图8A至8E为可供选择的排气口几何形状的高度示意性的视图。
图9和10为图线，它们分别显示了棱柱状电池的随容量和充电时间而变的电压，所述电池具有如本文所述的构造，包括具有LiFePO4作为其活性材料的阴极。
图11为图线，其显示了具有单一阴极插片的电池的充电电压，所述电池可与具有相同的化学物质和构造但包括两个阴极插片的电池相比较。
发明详述
参见图1和1A，二次锂电池100包括外壳102，所述外壳102包括前侧壁103和后侧壁105，侧壁中的每一个均限定大块平坦的表面。
如图1B所示，外壳102也具有上表面104。上表面104包括两端105和107，它们限定电池100的宽度W。电池100为棱柱状电池，因此外壳102也具有大于其宽度W的长度L、和大体上小于其长度和宽度的厚度T，如上所述。外壳102可由金属或金属合金(例如，镍、镀镍钢、不锈钢、铝、含铝合金)或塑料(例如，聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯)制成。例如，外壳102由不锈钢制成。
电池接头121可例如通过激光焊接接合到外壳102的顶部边缘上。下文将讨论图7和7A所示的电池接头121的结构。如图6所示，塑料顶部123和塑料覆盖件115安装在电池接头的顶部上以限定电池和其中利用电池的装置之间的接口。
参见图1A，电池100包括细长排气口101。排气口101为具有减小的壁厚的凹槽，所述凹槽提供如下的区域：其中外壳102的金属在电池的内部压力增大而超过预定上限时将优先破裂。排气口101可通过在罐的制造期间将凹槽精压到侧壁105中来形成。作为另外一种选择，排气口101可通过电化学加工来形成，或可通过其它适用于形成具有减小的壁厚的凹槽的技术来形成。在一些优选的具体实施中，凹槽具有三角形或梯形横截面。排气口区域中的壁厚将取决于所需的爆裂压力。例如，如果预定爆裂压力为70psi至80psi，则最薄点处的壁厚一般为凹槽之外的外壳壁厚的约20％至30％。在侧壁105上提供排气口101可允许在发生电池的显著的尺度畸变之前减弱内部压力。在优选的具体实施中，排气口101被构造成在预定压力下破裂，所述预定压力将最小化尺度畸变，从而使得厚度T的变化将小于1mm。
参见图6至7A，电池100也包括接头121的覆盖件111的上表面109中的辅助排气口107。辅助排气口107被构造成在不同于排气口101的压力下破裂。例如，排气口107可被构造成在150psi至160psi的压力下破裂。辅助排气口107被设计成在(尽管排气口101提供了排气)电池的内部压力继续升高时破裂。这种内部压力的继续升高(其可归因于过热或其它滥用条件)会产生潜在的危险状况(由于电池可能会爆炸)。辅助排气口107为上表面104的薄壁区域，其壁厚是经过选择的以在高压下但在达到危险状况之前破裂。如同上述的排气口101一样，排气口107也可通过精压或电化学加工来形成。排气口107可具有如图6至7A所示的“狗骨”形状，或可具有任何所需的形状，所述形状包括至少一个两线相交处以形成缺口敏感位置，裂缝可从所述位置扩展开。其它合适形状的实例显示于图8A至8E中，并且包括X形、十字形、多个十字形、和诸如图8E所示的“叉丝”形状。一般来讲，此排气口相对于接头121的总体长度来讲比较小，并且由于其尺寸较小且位于接头上，其将趋于在高于排气口101的压力下破裂。排气口107在更高压力下破裂不仅是因为缺口面积一般小于排气口101，而且也是因为其位于覆盖件上。排气口区域中的金属通常通过延展断裂模式断开，即，断裂的特征在于金属的撕裂和显著的塑性变形。在棱柱状包装的内部增压期间，外壳的侧壁对压力更敏感，因此会比外壳的顶部覆盖件或底部经历更高水平的位移和塑性变形。由于这种较大的塑性变形的缘故，侧面排气口会在低于顶部排气口的压力下打开。在一些具体实施中，覆盖件中的排气口107的壁厚为约0.02mm至0.03mm。排气口107的壁厚通常将为覆盖件壁厚的约6％至10％。
现在参见图2和6，电池100的表面104包括两个电触点：正触点106和负触点108。如图6所示，这些触点设置在电池接头121上并且为暴露的，以便通过塑料覆盖件115中的开口117和119来接触，所述覆盖件限定表面104。位于电触点106和108之间的是两个凹槽110和112，所述凹槽也由塑料覆盖件115限定。正触点106大致位于表面104的末端105处，而负触点108大致位于表面104的末端107处。一般来讲，凹槽110和112由不导电材料制成。凹槽110和112可由如下材料制成：例如塑料(例如，聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯乙烯)。在一些情况下，凹槽110和112是由与外壳102相同的材料制成，而在其他情况下，凹槽110和112和外壳102由不同的材料制成。
负触点108和正触点106可为镍质或铜质的。如本文所用，术语“镍”和“铜”旨在延伸至这些金属的合金，其中镍或铜包括它们的至少显著的比例。
如果端子108和106的暴露的接触表面是镍质的，则此类端子触点和一些数字照相机的对应的端子之间的电阻可足够高以致妨碍照相机的正常性能。例如，升高的接触电阻可影响获得所需的脉冲功率，该脉冲功率是以最有效的方式操作照相机所必需的。因此，在一些具体实施中，将镍触点108和106的暴露的表面分别镀覆上一层金108a和106b，如U.S.2005/0158621所述，该专利的全部公开内容均以引用方式并入本文。
虽然镍是用于端子108和106的优选的基底，但也可使用其它基底108b和106b，例如，铜或银。
图7和7A所示的电池接头包括覆盖件111、内部触点132(阴极连接到其上)、和设置在内部触点132和覆盖件111之间的绝缘体层130。电池接头也包括用以将内部触点、绝缘体和覆盖件保持在一起的铆钉134、以及包括密封件137、垫圈138和外部正触点106的外部触点组合件。优选地，垫圈由与正触点106的材料焊接相容的材料例如镀镍钢或镍形成(如果正触点由镍基材料形成的话)以允许将正触点106容易地焊接到垫圈上。类似地，一般优选铆钉由与形成内部触点的材料焊接相容的材料形成，例如它们两者均可由铝形成。
该电池使用具有间隔开的阴极和阳极的卷绕电极设计以增大表面积，如图5所示。在这种情况下，阴极154与阳极150卷绕在一起，其中分隔体158喷涂在阳极与阴极上或层压在它们之间。在图5所示的具体实施中，电极被卷绕成使得卷绕体具有10个至15个层。也可将电极和分隔体折叠或层压在一起。
在一些优选的电池中，阴极154包括LiFePO4作为其活性材料。阴极也可包括粘合剂。阴极的厚度将取决于电池的构型和性能特征。
阳极一般为碳阳极。其它合适的阳极材料可包括合金基阳极(例如，与Al、Si或Sn合金的Li金属)、具有碳的钛酸锂(Li4Ti5O12)、和各种金属氧化物。
电池也将包括电解质162，如电池领域所熟知的那样。在本文所述的电池中，电解质在充电和放电期间一般不消耗。因此，电解质的量由电极和分隔体中可用的孔隙体积决定。
每个电极(阴极和阳极)均可通过如下方式制造：提供基底并且将基底的双面涂覆上适当的材料，例如对于阳极可涂覆碳，并且对于阴极可涂覆粘合剂、导电性碳和活性材料的混合物。优选地，对于阴极，每个侧面上的涂层均为约30微米至45微米厚以便总阴极厚度在卷绕或折叠之前为约70微米至90微米。对于阳极，优选的是每个侧面上的涂层均为约15微米至20微米厚以便总阳极厚度在折叠之前为约45微米至55微米。用于阴极的基底可为例如铝箔，并且可具有约8微米至约35微米的厚度。用于阳极的基底可为例如铜箔，并且可具有约4微米至约35微米的厚度。
可将分隔体158喷涂到电极中的任一个或它们两者上以便于装配，或其可为设置在阴极和阳极之间的独立组件。
现在参见图4和5，提供连接插片以将阴极和阳极连接到上述的触点106和108上。在图4和5所示的具体实施中，电池包括单一阳极插片120和两个阴极插片122、124。阴极插片和阳极插片可例如由铝形成。如果需要，电池可包括两个以上的阴极插片，例如三个、四个或甚至更多个。利用多个阴极插片可提供集电网络，从而在阴极的长度上产生大体上均匀的电流分布。多个阴极插片也趋于减小局部电流密度。因此，电压降和电阻热可减小，从而可减小电池的内阻。例如，当使用两个阴极插片而不是单一阴极插片时，电池的内阻可减小约25％至30％。这种减小由图11所示的数据示出，所述图描绘了对两个锂离子棱柱状电池进行五分钟充电的情况，所述电池中的一个具有单一阴极连接插片，并且另一个具有两个阴极插片。将单一插片连结到阴极的前沿上，而在两个插片的构造中，将一个插片连接在前沿处，并且将另一个连接在阴极长度方向上的中点处。具有两个阴极插片的电池的工作电压比单一插片的电池的工作电压低0.05V，从而使得利用两个插片的构造更易于获得五分钟充电时间。
一般来讲，可优选将阴极插片沿阴极的长度均匀地间隔开。然而，也可使用其它间距以有利于制造。
本文所述的电池表现出良好的性能特征，例如图9和10所示。图9为在5分钟的快速充电和90分钟的慢速充电期间的棱柱状电池的电压和容量图。该图显示，在一些具体实施中，本文所述的棱柱状电池可用5分钟来充电至0.45Ah而达到3.8V的截止电压，并且可按常规方式以恒定电流-恒定电压方法用90分钟来充电至0.475Ah而达到3.6V。因此，该电池仅用5分钟即可充电至额定容量的约95％。图10为各种放电速率下的棱柱状电池的电压和容量图。该图显示，在一些具体实施中，棱柱状电池具有最大40C(C＝0.5A)的高放电速率能力，并且可保持最大20A的高电平负载。
现在已描述了本发明的一些实施方案。但是应当理解，在不背离本发明精神和范围的条件下可以进行各种修改。
例如，上述的排气布置和/或多个连接插片可与其它电池化学物质一起使用。可使用其它锂离子化学物质，例如氧化钴锂或氧化镍锂。如果使用这些化学物质，则可能有必要添加热敏电阻器或其它装置或电子器件以便控制充电，如本领域所熟知的那样。
因此，其它实施方案在以下权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种二次电池，所述二次电池包括
棱柱形的外壳；和
阳极、包括LiFePO4的阴极、和位于设置在外壳内的阳极和阴极之间的分隔体。
2.一种锂离子棱柱状电池，所述锂离子棱柱状电池包括
电池组件，所述电池组件包括阳极、包含锂的阴极、和在阳极与阴极之间的分隔体；以及
其内设置有所述电池组件的外壳，所述外壳包括两个或更多个排气口，所述排气口中的至少两个被构造成当所述锂离子棱柱状电池的内部压力达到不同预定水平的内部压力时破裂。
3.如权利要求2所述的锂离子棱柱状电池，其中所述排气口中的一个位于所述外壳的侧面上。
4.如权利要求2所述的锂离子棱柱状电池，其中所述排气口中的至少一个包括精压部件。
5.如权利要求2所述的锂离子棱柱状电池，其中所述排气口中的至少一个包括细长凹槽，所述细长凹槽具有三角形或梯形横截面。
6.如权利要求2所述的锂离子棱柱状电池，其中所述排气口中的一个包括细长凹槽，所述细长凹槽具有长度、深度和宽度，所述长度为所述外壳的宽度的约50％至80％，所述深度使得所述凹槽中的壁厚为所述外壳的壁厚的约20％至30％，并且所述宽度为所述外壳的壁厚的约50％至60％。
7.如权利要求5所述的锂离子棱柱状电池，其中所述细长凹槽在所述外壳的侧壁上以与所述外壳的顶部边缘相距一定距离平行于所述锂离子棱柱状电池的顶部表面延伸，所述距离为所述锂离子棱柱状电池的总高度的约20％至40％。
8.如权利要求3所述的锂离子棱柱状电池，其中所述锂离子棱柱状电池还包括密封地接合到所述外壳上的覆盖件，并且另一个排气口位于所述覆盖件中。
9.如权利要求8所述的锂离子棱柱状电池，其中所述覆盖件中的排气口的壁厚为所述覆盖件的壁厚的约6％至10％。
10.如权利要求8所述的锂离子棱柱状电池，其中所述覆盖件中的排气口具有包括至少两条相交线的形状。
11.如权利要求2所述的锂离子棱柱状电池，其中所述阴极包含LiFePO4。
12.一种二次锂离子电池，所述二次锂离子电池包括：
外壳，所述外壳沿所述外壳的长度具有至少一个大体上平坦的侧面，其中所述外壳支撑负触点和正触点；
设置在所述外壳内的阳极和包含锂的阴极，其中至少所述阴极包括具有预定长度的薄片；和
多个连接插片，所述连接插片以间隔开的位置沿所述阴极的长度设置以将阴极连接到正触点。
13.如权利要求12所述的二次锂离子电池，其中所述阴极包括薄片形式的金属基底、和设置在所述基底上的活性材料涂层。
14.如权利要求13所述的二次锂离子电池，其中所述薄片形式的金属基底包括铜箔。
15.如权利要求12所述的二次锂离子电池，其中所述连接插片沿所述阴极的长度均匀地间隔开。
16.如权利要求12所述的二次锂离子电池，其中所述连接插片由铝形成。
17.如权利要求12所述的二次锂离子电池，其中所述阴极包含LiFePO4。
18.如权利要求12所述的二次锂离子电池，其中所述阳极和所述阴极每个均包括箔层和设置在所述箔层的表面上的活性材料涂层。
19.如权利要求12所述的二次锂离子电池，其中所述阳极和阴极各自为薄片的形式，所述薄片螺旋卷绕在一起，并且所述二次锂离子电池还包括置于所述螺旋卷绕的薄片之间的分隔体。
20.如权利要求12所述的二次锂离子电池，其中所述外壳具有介于约2mm和15mm之间的厚度、介于约10mm和50mm之间的宽度、和介于约20mm和60mm之间的长度。
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