CN101904029B - 具有改进的安全性的袋型二次电池 - Google Patents

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Abstract

提供一种袋型二次电池，该袋型二次电池包括：电极组件；电极片，其从该电极组件向外延伸；袋型电池壳，其用于安置该电极组件；第一密封部分，其用于密封该袋型电池壳和该电极片；以及第二密封部分，其在该第一密封部分和该电极组件之间、除电极片所处位置之外的位置形成。该二次电池被配置为具有这样一种结构，使得通过进一步密封该电极片除了其占据的部分以外的内部部分，一个通道借助于电极片部分形成。这样一种结构允许气体容易地单方向排出，即使当电池内部由于气体的形成达到一定水平的内部压力时，并且使得气体排出方向能够实现在先的预期。因此，可提供一种具有改进的安全性的袋型二次电池。

Description

具有改进的安全性的袋型二次电池
技术领域
本发明涉及一种具有改进的安全性的袋型二次电池(pouch typesecondary battery)。更具体地，本发明涉及这样一种袋型二次电池，其能够通过以下方式来获得改进的安全性：密封在电极片和袋(pouch)之间的非重叠部分以在电池组电池(battery cell)和片-密封部分(tab-sealing portion)之间产生一个通道，使得在该电池的内侧产生的气体可以仅沿着电极片的方向排出。
背景技术
技术的发展和对移动设备需求的增加已导致对作为能源的二次电池的需求迅速增加。为了跟上目前的这种趋势，大量的探索和研究都集中在能够满足用户各种需要的电池的开发上。
在电池的形状方面，对有着小厚度(slim thickness)且因此可应用至诸如手机的电子产品中的矩形电池和袋型电池有很大的需求。在电池的材料方面，对具有杰出的能量密度、放电电压和安全性的锂二次电池——诸如锂钴聚合物电池(lithium cobalt polymerbatteries)——有很大的需求。
关于二次电池的主要研究目的中的其中之一是改进电池的安全性。一般来说，由于可能源于电池不正常工作情况——诸如内部短路、超过电流和电压的可接受水平的过度充电状态、电池暴露在高温下、以及诸如掉落的外部冲击——引起其内部的高温度和高压力，该锂二次电池可能会发生电池爆炸。例如，当袋型二次电池遭受诸如掉落的外部冲击或遭受由外部施加力时，该袋型二次电池易发生内部短路的风险。
在近些年，可重复充电的二次电池作为能量源被广泛地用于无线移动设备。另外，二次电池作为电动汽车(EVs)和混合动力电动汽车(HEVs)的动力源也吸引了很大的注意力，所述电动汽车和混合动力电动汽车被提出作为能够解决由化石燃料驱动的车辆——诸如汽油汽车和柴油汽车——引起的空气污染问题的对策。
中型/大型设备——诸如机动车辆(motor vehicle)——需要高功率、大容量的动力源。为了这个目的，通常采用具有多个电池组电池的电连接的中型/大型电池系统。与在小型设备中使用的相同类的其他电池比较，在这种中型或大型的电池系统中被广泛地用作单元电池的袋型锂离子聚合物二次电池具有相对大的尺寸。
该袋型聚合物二次电池通常由以下部分组成：一个电极组件、从该电极组件向外延伸的电极片、被焊接至该电极片的电极引线、以及一个用于安置该电极组件且由聚合物树脂和铝的层压片材形成的袋。
参考图1，锂离子(聚合物)电池100具有从电池向外突出的电极片10、10′以确保电流的流动。因此，应该对所述袋——包括该电极片10、10′——进行密封以完成该电池的最后组装。在此，在四个侧边20a、20b、20c、20d上进行密封，其中该袋和电极片是相互重叠的。在这种情况下不利的是，在电极片的内侧部分30、30′基本没有实现密封，使得在电极片10、10′和密封部分(sealing portions)没有相互重叠的区域(如圆圈所示的)内的粘合强度很弱。结果，很有可能根据对该外部袋结构和电极片的密封，气体朝向将具有弱粘合强度的区域排出。
这种不期望的情况在图2的结构中发生，其中电极片被彼此平行地安装在电池的任一侧上，同时也在图1的结构中发生，其中电极片被安装在电池上和下两侧。
在常规的锂离子(聚合物)电池中，电极片的密封仅在电极片和袋的重叠部分20a、20b、20c、20d、120a、120b、120c、120d上进行，如图1和2所示。
在这种情况下，气体的排出在不期望的区域(如圆圈所示的)内发生，这可能导致与用于HEVs的电池组相关联的设计的困难。来自电池组内部的气体的多个方向的泄放，而不是气体的单向泄放，不允许气体被简单排出到外面。此外，尽管在电池内部形成气体后，应该实现更迅速地将内部气体排出以确保电池的安全性，但是由于泄放气体所需要的延长的时间段，常规的电池极易受电池安全性明显恶化的影响。
为此，极需开发一种具有一安全装置的二次电池，当该电池到达给定的内部压力水平时，通过释放高压条件来阻碍在该电池内部形成气体，从而能够防止电池破裂或爆炸。
发明内容
技术问题
因此，鉴于上述与当袋型二次电池被过充电或暴露在高温情况下时产生的各种安全性风险因素相关的问题，作出了本发明。
技术方案
在根据本发明的袋型二次电池中，通过除了在电极片和袋相互重叠的区域中提供第一密封部分以外，还在电极片被定位的袋的内侧区域中、除了该电极片所处位置以外的位置处进一步包括第二密封部分，使得通过在该电池组电池内侧和电极片密封部分中形成的通道，气体被允许仅排出至片-密封部分。根据这样的结构配置，由于电池的单向泄放(如果有的话)，气体可以容易地从电池组内部逸出到外面，且容易地允许电池的泄放由此改进电池的安全性。
因此，本发明的一个目标是提供一种具有改进的安全性的袋型二次电池，该二次电池被配置为使得即使当施加外部压力或热时，电池的爆炸在一个方向上发生，或者在电池内产生的气体在一个方向上泄放。
有益效果
如在下文中将更详细地描述的，本发明的袋型二次电池通过以下方式配置：当气体在电池内形成时，通过一个使用电极片的密封部分形成的通道，允许单向地排出气体。因此，可容易地设计更安全的电池组和安全设备。此外，本发明提供一种具有改进的安全性的袋型二次电池，因为当电池内达到一定的压力水平时更容易实现气体的排出。
附图说明
图1示出了一个常规的袋型二次电池，该常规的袋型二次电池具有在其两侧上形成的电极片；
图2示出了一个常规的袋型二次电池，该常规的袋型二次电池具有在其任一侧上形成的电极片；
图3示出了根据本发明的一个实施方案的具有至少一个第二密封部分的袋型二次电池；
图4示出了根据本发明的另一个实施方案的具有至少一个第二密封部分的袋型二次电池；以及
图5、6和图7示出了根据本发明的一个实施方案、在第一密封部分上形成第二密封部分。
具体实施方案
依照本发明的一方面，上述和其他目标可以通过提供一个这样的袋型二次电池来实现，该袋型二次电池包括：一个电极组件；电极片，其从该电极组件向外延伸；一个袋型电池壳，其用于安置该电极组件；第一密封部分，其用于密封该袋型电池壳和该电极片；以及第二密封部分，其在该第一密封部分和该电极组件之间、除电极片所处位置之外的位置处形成。
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明。
当电极片被放置在电池的两个相对侧上时，如图3所示，根据本发明的袋型二次电池包括：从电极组件250延伸的负电极和正电极的电极片210、210′，该电极组件250由负极板、隔板和正极板(未示出)组成；一个袋型电池壳(未示出)，其用于安置该电极组件250；第一密封部分220a、220b、220c、220d，其用于密封该电池壳和该电极片210、210′；以及第二密封部分240a、240b、240c、240d，其位于该第一密封部分220a、220b、220c、220d和该电极组件250之间的、除电极片所处位置之外的位置。
在下文中，将描述根据本发明的袋型二次电池的制备。首先，制备电极组件250。该电极组件250包括一个应用正极活性材料的正电极、一个应用负极活性材料的负电极以及一个隔板，该隔板被放置在该正电极和该负电极之间且防止该正电极和该负电极之间短路且仅允许锂离子的迁移。
本发明中可以使用的正极活性材料可以是硫族化合物(chalcogenide compound)。该正极活性材料的实例可以包括复合金属氧化物，诸如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1-xCoxO2(0＜x＜1)、LiMnO2等。
负极活性材料的实例可以包括碳(C)-基材料、硅、锡、氧化锡、复合锡合金、过渡金属氧化物、锂金属氮化物或锂金属氧化物等。通常，正极集电器由铝(Al)制成，负极集电器由铜(Cu)制成，以及隔板由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成。然而，本发明并不局限于此。
此外，该正极集电器通常由铝(Al)制成并且附接至正电极片，该正电极片从该正极集电器向上突起一给定的长度。尽管对于负极集电器的材料没有特定的限制，但该负极集电器通常由镍(Ni)制成并且附接至负电极片，该负电极片从该负极集电器向下突起一给定的长度。
制备电极组件350，并且制备一个用于容纳该电极组件350的袋。该袋由以下部分组成：一个金属层，其由一种金属材料——诸如铝(Al)——形成；一个热熔层，其在该金属层的上表面形成；以及一个绝缘膜，其在该金属层的下表面形成。
该热熔层由改性的聚丙烯(例如，流延聚丙烯(CPP))制成且用作一个粘合层。该绝缘膜可以由一种树脂材料——诸如尼龙或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)——形成。该袋的结构和材料并不局限于此。
该袋具有一个带有一接收电极组件350的内部空间的接收部，并且该袋由上部和下部组成，该上部和下部在将电极组件350放置在该接收部中之后被结合在一起。
该袋的上部和下部接收电极组件350和电极片，并且通过第一密封部分220a、220b、220c、220d被相互结合在一起。在该袋的制备完成之后，该电极组件被安置在用于容纳该电极组件的接收部中，并且被设置在该袋的下部。在此，该电极组件被放置在该袋的下部的接收部中。在该电极组件的该布置状态下，该电极组件的电极片210、210′局部地突出到该袋的外面。
本发明的电池还包括第二密封部分，该第二密封部分位于相应于除了电极片以及电极片基本延伸处之外的第一密封部分的内侧部分的区域处。
当该第二密封部分被如上设置时，不包含第二密封部分且在该电极组件的方向延伸的内部电极片部分(如图中圆圈所示的)期望具有相对低的粘合强度。根据这种结构，形成了一个连接在电池内侧和电极片之间的通道，由此当该电池的内部压力由于气体的产生而到达一定水平时，气体仅沿该电极片被定位的方向被泄放(如箭头所示)。也即，该结构被配置为在该袋壳和电极片之间的密封部分的内侧、除电极片所处位置之外的所有位置具有第二密封部分。因此，本发明的电池被设计为使得在未设置电极片的位置处电池破裂的风险被最大地降低，并且气体的排出可仅发生在该电极片的密封部分(箭头方向)。
另一方面，当根据本发明的电极片被单方向地放置时，也即，在电池的任一侧上彼此平行放置时，如图4所示，该袋型二次电池包括：从电极组件350延伸的负电极和正电极的电极片310、310′，该电极组件350由负极板、隔板和正极板(未示出)组成；一个袋型电池壳(未示出)，其用于安置该电极组件350；第一密封部分320a、320b、320c、320d，其用于密封该袋型电池壳和该电极片310、310′；以及第二密封部分340a、340b、340c、340d，其位于在第一密封部分320a、320b、320c、320d和电极组件350之间、除该电极片所处位置之外的位置。
同时，该第二密封部分的形成可以由密封工具的变型来实现，如图5、6和图7所示，即通过把仅包括第一密封部分220a、220b、320a、320b的1形工具改变为包括第二密封部分240a、240b、240c、240d、340a、340b、340c、340d的形状。
此外，该第二密封部分优选地被形成为具有250±20μm的厚度，以便具有足够的强度以承受液体和气体的泄漏压力。
包含在根据本发明的二次电池的电池壳内的该电极组件可以具有各种结构，诸如堆叠结构(stack structure)、凝胶卷(jelly-roll)(卷绕)结构等。通常，根据电极组件的结构、电解质的组成等，二次电池可以被归类为例如锂离子电池、锂离子聚合物电池、锂聚合物电池以及类似物。在本发明的文本中，优选的是锂离子聚合物电池——其可在低生产成本下制造——较不易受到液体泄漏的风险，并且能容易且方便地通过一种简单方法来组装。
该锂离子聚合物电池通常通过以下方法制造：将正电极/隔板/负电极的电极组件放置在由铝层压片材制成的袋型电池壳内，接着注入电解质，以及向接合位置施加高温和高压以热熔密封该电池壳。
电极引线的一端被定位在该壳的内侧，同时被附接至该电极组件的电极片。该电极引线的另外的相对端被暴露在该壳的外侧。在这些电极引线中，正电极引线通常由铝箔制成，而负电极引线通常由铜箔制成。该电极片常规地通过点焊被附接至该电极引线。该电极引线的厚度大约为200μm至500μm。
树脂片材被插入在电池壳和电极引线之间的接合位置。通常，该片材由聚合物树脂——诸如PP和PE——制成且厚度为100μm至300μm。
发明的实施方案
现在，将参考以下的实施例更详细地描述本发明。这些实施例仅提供用于说明本发明，并不应当被理解为限制本发明的范围和主旨。
实施例1：在包括在该电池的两侧上形成的电极片的结构中具有 第二密封部分的二次电池的制造
制备0.3mm厚的铜的负电极片，该负电极片被附接至一个电极组件的负极集电器，该电极组件由负电极/隔板/正电极组成。接着，铝箔(用于正电极引线)和铜箔(用于负电极引线)分别地被焊接-附接至相应的电极片。接下来，如图5和6所示，形成有第二密封部分(250±20μm)的二次电池借助于密封工具的变型制造。该电极组件被放置在由铝层压片材制成的袋型壳里，并且包含1M  LiPF6的碳酸基(carbonate-based)锂电解质随后被注入其中，接着通过该片材的热熔制造一个锂离子聚合物电池。
实施例2：在包括在该电池的任一侧上形成的电极片的结构中具 有第二密封部分的二次电池的制造
一个锂离子聚合物电池以与实施例1相同的方式制造，除了第二密封部分(250±20μm)借助于如图7所示的密封工具的变型而形成。
对比实施例1
一个锂离子聚合物电池以与实施例1相同的方式制造，除了没有形成第二密封部分。
试验实施例1
测试在实施例1和实施例2以及对比实施例1中制造的二次电池的安全性。由此得到的结果给出在如下表1中。
表1
[表1]
[表]
  对比实施例1   实施例1和实施例2
  泄放方向   气体在电池的侧边(sides)泄放   气体泄放至电极片
通过表1的结果，可以看出如本发明形成第二密封部分，导致气体泄放至电极片，然而如对比实施例1没有安装第二密封部分，导致气体在不一致的方向上且朝向弱密封部泄放。

Claims (7)

1.一种袋型二次电池，包括：
电极组件；
电极片，其从该电极组件向外延伸；
袋型电池壳，其用于安置该电极组件；
第一密封部分，其用于密封该袋型电池壳和该电极片；以及
第二密封部分，其在该第一密封部分和该电极组件之间、除电极片所处位置之外的位置处形成，
其中，气体通过所述电极片的第一密封部分被泄放。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中该第二密封部分借助于密封工具的变型形成，使得该第二密封部分被布置在该第一密封部分上的非电极片所处的位置处。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其中该电极片被定位在该电极组件的两侧上。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中该电极片被定位在该电极组件的任一侧上。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中该第二密封部分的厚度为250±20μm。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中该电池是锂二次电池。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中该电池被用在中型或大型电池系统中。
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