CN102035016B

CN102035016B - 二次电池及其制造方法

Info

Publication number: CN102035016B
Application number: CN201010299097.2A
Authority: CN
Inventors: 金大奎
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: KR20110035484A; CN102035016A; KR101118261B1; EP2312682B1; JP2011077020A; EP2312682A1; JP5307746B2; US8455124B2; US20110076549A1

Abstract

本发明涉及二次电池及其制造方法。所述二次电池包括：包括正极板、负极板以及插入其间的隔板的电极组件；包围所述电极组件的外周表面的密封带；容纳所述电极组件的外壳；和密封所述外壳的帽组件。所述密封带由能热收缩的材料形成。在将所述电极组件和所述密封带密封在所述外壳中之后，在预定温度下加热所述外壳以使所述密封带收缩。

Description

二次电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及二次电池及其制造方法，且更具体而言，涉及其中电极组件接近外壳从而防止由于外部冲击例如二次电池落下所引起的电极组件与帽组件之间的短路的二次电池及其制造方法。

背景技术

近来，已经广泛开发和制造了各种小型手持电子/电气设备例如蜂窝式电话、笔记本电脑、可携式摄录像机等。所述手持电子/电气设备包括电池组以在没有单独电源的情况下运行。所述电池组可分为镍-镉(Ni-Cd)电池、镍-金属氢化物(Ni-MH)电池、和锂(Li)电池。考虑到经济效益，通常使用利用二次(可再充电)电池的电池组。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供改进的二次电池以及制造其的改进方法。

本发明的另一目的是提供二次电池及其制造方法，其中电极组件插入到外壳中接近该外壳。因此，所述电极组件可插入到所述外壳中而没有损坏，并且可防止由于外部冲击例如落下所引起的电极组件的移动或旋转。

根据本发明的一个方面，二次电池可用如下构成：包括正极板、负极板、和插入其间的隔板的电极组件，包围所述电极组件外周表面的密封带，容纳所述电极组件的外壳，和密封所述外壳的帽组件。本文中，所述密封带由能热收缩的材料形成。

根据本发明的另一方面，制造二次电池的方法包括：提供包括正极板、负极板和插入所述两个电极板之间的隔板的电极组件，用由能热收缩的材料形成的密封带包围所述电极组件的外周表面，将所述电极组件、所述密封带和电解质溶液容纳在外壳中，将所述电极组件与帽组件电连接，和使用所述帽组件密封所述外壳，并且在预定的温度下加热所述外壳以使所述密封带收缩。

附图说明

随着在结合附图考虑时，通过参照以下具体描述，本发明变得更好理解，本发明的更完整理解以及其许多附带优点将容易明晰，其中相同的附图标记表示相同或类似的部件，其中：

图1为作为根据本发明原理的示例性实施方式构建的二次电池的分解斜视图；

图2为作为根据本发明原理的示例性实施方式构建的二次电池的横截面视图；

图3为作为根据本发明原理的示例性实施方式构建的电极组件的实例的斜视图；和

图4为根据本发明原理的示例性实施方式的在热收缩之前的电极组件的形状的斜视图。

具体实施方式

将参照附图更充分地描述本发明的以上和其它目的、特征和功能。此外，在附图中，为了清楚起见，可放大元件或区域的长度和厚度。而且，在整个说明书中，相同的数字表示相同的元件。一个部分与另一部分“连接”，这意味着这些“直接连接”或者在其间具有第三器件的情况下彼此“电(间接)连接”。

在不同类型的电池例如镍-镉(Ni-Cd)电池、镍-金属氢化物(Ni-MH)电池、和锂(Li)电池中，锂二次电池由于工作电压是Ni-Cd电池和Ni-MH电池的三倍高并且每单位重量的能量密度比Ni-Cd电池和Ni-MH电池高而广泛地用于手持电子/电气设备。

根据所用电解质的种类，锂二次电池可分为使用液体电解质的锂离子电池和使用聚合物电解质的锂聚合物电池。根据所制造电池的形状，锂二次电池也可分为棱柱型、圆柱型和袋型。

二次电池通常包括：电极组件，容纳容许锂离子在电极组件中移动的电解质的外壳，和密封所述外壳的帽组件。此处，圆柱形二次电池包括用于防止在电极组件的充电或放电期间电极组件变形的具有预定长度的中心销。所述中心销包括：设置在所述电极组件中的主体，和设置在主体中在中心销的长度方向上以提供用于使由于过充电、暴露于高热、和内部故障而在电极组件附近产生的气体向帽组件移动的通道的孔。

电极组件包括：正极板，其具有其上涂覆正极活性材料的正极集流体以及与正极集流体的一侧电连接的正极耳；负极板，其具有其上涂覆负极活性材料的负极集流体以及与负极集流体的一侧电连接的负极耳；和设置在所述正极板和所述负极板之间的隔板。

电解质容许在电池的充电或放电期间由电化学反应产生的锂离子在电极组件的正极板和负极板之间移动。电解质可为：非水有机电解质溶液，其为锂盐和高纯度有机溶剂的混合物；或使用聚合物的聚合物电解质。

为了防止在由于过充电、暴露于高热、或者外部冲击引起的内部故障例如对电极组件的损坏发生时二次电池的发热、燃烧和爆炸，帽组件包括安全排气口，其由于在电极组件周围产生并且移动通过中心销的气体而变形或者破裂。

设计二次电池使得外壳的内径比电极组件的外径稍大以防止在将电极组件容纳在外壳中时对电极组件的损坏。因此，由于外部冲击例如电池落下，电极组件可移动或者可旋转，这导致电极组件和帽组件之间的电短路。

图1为作为根据本发明原理的示例性实施方式构建的二次电池的分解透视图，和图2为根据本发明原理的示例性实施方式的二次电池的横截面视图。

参照图1和2，根据本发明示例性实施方式的二次电池包括：电极组件110，设置在电极组件110中的中心销120，容纳电极组件110、中心销120、和电解质(未示出)的外壳130，设置在电极组件110和外壳130之间的密封带200，和密封外壳130的帽组件140。

电极组件110包括正极板111、负极板112及设置在正极板111和负极板112之间的隔板113。正极板111具有其上涂覆正极活性材料(未示出)的正极集流体(未示出)、以及与正极集流体的一侧电连接并且向着帽组件140凸出的正极耳114。负极板112具有其上涂覆负极活性材料(未示出)的负极集流体(未示出)、以及与负极集流体的一侧电连接并且以与正极耳114相反的方向凸出的负极耳115。

此处，在本发明的示例性实施方式中，电极组件110的正极耳114被描述为向着帽组件140凸出。然而，电极组件110的负极耳115可向帽组件140凸出，和正极耳114可以与负极耳115相反的方向凸出。

正极活性材料可为含锂的过渡金属氧化物或者锂硫族化物化合物，例如LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄或LiNi_1-x-yCo_xM_yO₂(此处，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，且M为金属例如Al、Sr、Mg或La)。负极活性材料可为碳材料例如结晶碳、无定形碳、碳复合物或碳纤维，锂金属或锂合金。

正极集流体或负极集流体可由选自以下的一种形成：不锈钢、镍、铜、铝、以及其合金。优选地，正极集流体由铝或铝合金形成，和负极集流体由铜或铜合金形成，以使电极组件110的效率最大化。

将隔板113插入正极板111和负极板112之间以防止其间的电短路和容许锂离子在两个电极板之间移动。隔板113可由基于聚烯烃的聚合物层形成，例如由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成，或者以其多层结构形成。隔板113也可由包括陶瓷材料的多孔层、或者基于聚烯烃的聚合物层和包括陶瓷材料的多孔层的组合形成。

此处，陶瓷材料可为选自以下的一种：二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钛(TiO₂)、以及其绝缘性的氮化物、氢氧化物、和醇盐。

电解质溶液促进在电池的充电或放电期间由电化学反应产生的锂离子在电极组件110的正极板111和负极板112之间的移动。电解质溶液可为非水有机电解质溶液例如锂盐和高纯度有机溶剂的混合物，或者使用聚合物的聚合物电解质。

在电极组件110中设置中心销120以防止在电池的充电或放电期间电极组件110变形和提供用于使由于过充电、暴露于高热、或通过外部冲击引起的内部故障而在电极组件110附近产生的气体向帽组件140移动的通道。中心销120可包括具有预定长度的主体122，且可进一步包括密封主体122的内部空间的密封部件124和插入到主体122的密封空间中的熄灭部件125。

可将主体122在电极组件110的厚度方向上形成至预定长度。主体122可在其中具有在主体122的纵向上的通孔，其起到用于在电极组件110附近产生的气体的通道的作用。主体122可由绝缘材料例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、或金属材料例如钢、不锈钢、铝或铝合金形成，以在高温条件例如过充电或暴露于高热下容易地移动气体。

当内部故障发生时，密封部件124可熔化或破裂以容许中心销120的主体122起到用于在电极组件110附近产生的气体的通道的作用，和使插入到主体122中的熄灭部件125插入到电极组件110中。密封部件124可由在高温下熔化或破裂的聚合物树脂例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PBT)形成。考虑到二次电池中内部故障通常发生的温度，密封部件124可在100～130℃下熔化或破裂。

外壳130可以具有预定半径、顶部开口和圆形底部的圆柱形状形成以容纳电极组件110、中心销120和电解质溶液。外壳130可由重量轻且柔性的金属材料例如铝、铝合金或不锈钢形成。因此，当将以与正极耳114相反的方向凸出的负极耳115与外壳130的底部电连接时，外壳130可起到负极端子的作用。

外壳130可包括凸缘部分135和卷边部分137。凸缘部分135是通过使在帽组件140和电极组件110之间的外壳130的外周表面向内凸出预定距离而形成的。卷边部分137是通过基于帽组件140使外壳130的上端向内弯曲而形成的。形成有凸缘部分135和卷边部分137的外壳130防止帽组件140与外壳130的分离，和防止在使用帽组件140密封之后由于外力引起的电极组件110的垂直移动。

为防止电极组件110和帽组件140之间、以及电极组件110和外壳130之间不必要的电连接，可在电极组件110上设置上绝缘板117，和可在电极组件110下方设置下绝缘板116，所述上绝缘板具有一个或多个孔，在电极组件110周围产生的气体可移动通过所述孔。

帽组件140可包括帽盖(cap-up)145、安全排气口142、电流中断器件(CID)143、和垫圈141。帽盖145与外部端子(未示出)电连接并且与外壳130的顶部开口结合以密封外壳130。安全排气口142与电极组件110的正极耳114电连接，并且在内部压力由于电极组件110周围产生的气体而超过预定水平时变形或破裂以排出气体。在安全排气口142上形成电流中断器件(CID)143，以在安全排气口142由于内部压力变形或破裂时通过被损坏或破裂而阻断电极组件110和外部端子之间的电连接。垫圈141使帽组件140与外壳130绝缘。

此处，帽组件140可进一步包括环形正温度系数(PTC)热敏电阻144，其设置在CID 143和帽盖145之间以防止在电极组件110和外部端子之间产生的过电流。

密封带200用于防止以圆形形状卷绕的电极组件在插入到外壳130中之前解卷。密封带200设置成包围以圆形形状卷绕的电极组件110的外周表面。密封带200由能热收缩的材料形成，其在预定温度下收缩从而增加密封带200的总厚度。例如，密封带200可由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、或其混合物形成。此处，密封带200的一个末端附着于卷绕的电极组件110的最外端，从而容易防止电极组件110的解卷。

在本发明的示例性实施方式中，密封带220被描述为直接包围电极组件110的外周表面。然而，在密封带220和电极组件110之间可设置至少一个带或膜(未示出)。在此情况下，密封带200的末端通过至少一个保护带附着于卷绕的电极组件110的最外端。

图4为根据本发明示例性实施方式的包括密封带的电极组件在热收缩前的形状的透视图。如图4中所示，密封带200可包括在预定区域中的沿着密封带200的宽度方向具有预定长度的多个沟槽或凹槽210。密封带200的宽度方向指电极组件卷绕时的轴向。在预定温度下，密封带200的热收缩发生在沟槽或凹槽210周围，从而由于热收缩使沟槽或凹槽210之间的区域200a的厚度增加。即，当密封带200被加热至预定温度时，密封带200收缩使得沟槽或凹槽210变成多边形或菱形，如图1中所示。此处，当使密封带200在宽度方向上收缩时，也可使电极组件110的隔板收缩。因此，可将沟槽或凹槽210形成为在宽度方向上预定长度，以容许密封带200在其中电极组件110卷绕的方向上收缩。

密封带200可包括如图3中所示的若干子密封带200以在密封带200收缩的同时防止隔板113的收缩。

根据本发明示例性实施方式的二次电池的制造方法包括：提供包括正极板111、负极板112和设置于所述两个电极板之间的隔板113的电极组件110；用由能热收缩的材料形成的密封带200包围电极组件110的外周表面；和将电极组件110和密封带200容纳在外壳130中。此处，如图4中所示，密封带200可包括多个具有预定长度的沟槽或凹槽210以对由于热收缩而厚度增加的区域200a进行控制。

在本发明的示例性实施方式中，所述制造方法被描述为用密封带200包围电极组件110的外周表面。然而，所述制造方法包括用至少一个带或膜(未示出)包围电极组件110的外周表面，和用密封带200包围至少一个带或膜。

随后，用电解质溶液填充外壳130。使电极组件110的正极耳114与帽组件140的安全排气口142电连接。然后，使用帽组件140密封外壳130。

之后，通过在预定温度下对外壳130的外围进行加热而使密封带200收缩，并且因此电极组件110接近外壳130。此处，由于密封带200的热收缩在沟槽或凹槽210周围进行，因此在热收缩完成后，密封带200在沟槽或凹槽210之间的区域200a的厚度增加。结果，被密封带200包围的电极组件110在位置上接近外壳130。由于热收缩，沟槽或凹槽210可转变为多边形特别是菱形形状。

预定温度可为约90℃或更低，且优选约40℃～60℃，以防止容纳在外壳130中的电解质溶液变性或防止对电极组件的损坏。

当密封带200收缩少于50％时，电极组件110可为未充分地接近外壳130。当密封带200收缩超过70％时，也可使电极组件110的隔板113收缩。因此，密封带200可由收缩50～70％的能热收缩的材料形成，且优选地由在约40℃～60℃下收缩50～70％的能热收缩的材料形成，以防止如上所述的对二次电池的损坏。

在本发明的示例性实施方式中，已经描述了具有设置在以圆柱形形状卷绕的电极组件中的中心销和以圆柱形类型形成的外壳的二次电池。然而，棱柱型或袋型二次电池在电极组件由于外部冲击例如落下而移动或旋转时也具有在电极组件和帽组件之间的电短路。因此，密封带由如本文中所述的能热收缩的材料形成，并且因此外壳可接近电极组件。

因此，在根据本发明示例性实施方式的二次电池中，包围电极组件外周表面的密封带由能热收缩的材料形成，以通过在预定温度下加热外壳而使密封带收缩。因此，电极组件接近外壳，从而防止由于外部冲击例如落下引起的电极组件的移动或旋转。

根据本发明，在二次电池中，在由能热密封的材料形成包围电极组件的外周表面的密封带，和使用帽组件密封外壳后，将外壳在预定温度下加热以使密封带的部分区域由于热收缩而变厚。因此，可防止由于外部冲击例如落下引起的电极组件和帽组件之间的电短路。

虽然已经参照了本发明的一些示例性实施方式描述了本发明，然而，本领域技术人员应理解在不脱离在所附权利要求以及其等价物中限定的本发明的精神或范围的情况下可对本发明进行多种改进和变型。

Claims

1.二次电池，包括：

包括正极板、负极板以及插入其间的隔板的电极组件；

包围所述电极组件外周表面的密封带；

容纳所述电极组件的外壳；和

密封所述外壳的帽组件，

所述密封带由能热收缩的材料形成，

其中所述密封带由在40℃～60℃下收缩50％～70％的材料形成，和

其中所述密封带包括包围所述电极组件外周表面的多个子密封带，

其中在热收缩之前，所述密封带包括沿着密封带的宽度方向形成的多个沟槽，并且在所述热收缩之后，所述多个沟槽转变为多边形孔。

2.权利要求1的二次电池，其中所述密封带包括在密封带的厚度由于热收缩而增加的区域中形成的多个多边形孔。

3.权利要求2的二次电池，其中所述多边形孔以菱形形状形成。

4.权利要求1的二次电池，其中将密封带的一个末端附着于所述电极组件的最外端设置于其中的外周表面。

5.权利要求1的二次电池，其中所述电极组件包括设置于其中的中心销。

6.权利要求1的二次电池，其中所述密封带的至少一个区域的厚度由于所述密封带的热收缩而增加。

7.权利要求1的二次电池，进一步包括：

至少一个保护带，其设置在所述密封带和所述电极组件之间。

8.制造二次电池的方法，包括：

提供包括正极板、负极板和插入正极板与负极板之间的隔板的电极组件；

用由能热收缩的材料形成的密封带包围所述电极组件的外周表面；

将所述电极组件、所述密封带以及电解质溶液容纳在外壳中；

将所述电极组件与帽组件电连接并且使用所述帽组件密封所述外壳；和

加热所述外壳以使所述密封带收缩，

其中所述密封带由在40℃～60℃下收缩50～70％的材料形成，和

其中在所述密封带的预定区域中形成多个沟槽或凹槽，之后加热所述外壳以容许所述密封带的热收缩在所述沟槽或凹槽周围进行，和

其中在所述密封带的宽度方向上形成所述沟槽或凹槽。

9.权利要求8的方法，其中所述加热在40℃～60℃的范围内进行。

10.权利要求8的方法，其中将所述密封带的一个末端附着于所述电极组件的最外端，并且通过所述密封带包围所述电极组件。

11.权利要求8的方法，其中所述电极组件包括设置在其中的中心销。

12.权利要求8的方法，进一步包括：

用至少一个保护带包围所述电极组件的外周表面；

用所述密封带包围至少一个保护带的表面。