CN102210053A - 堆叠的蓄电池 - Google Patents

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Abstract

提供了具有改进的过充电特性的堆叠的蓄电池。在该堆叠的蓄电池中，堆叠的电池元件的叠层用外部封装膜密封。在该叠层中，平板状正电极或平板状负电极被容纳在袋状分隔器中使得正电极引线端子或负电极引线端子引出的方向与分隔器的机器方向一致；合成树脂膜粘合在袋状分隔器的两个外表面上，该合成树脂膜跨过与分隔器的机器方向一致的边缘，其附着强度大于分隔器的热收缩应力且其软化点高于分隔器的软化点；并且被容纳在袋状分隔器中的正电极或负电极以及不被包含在袋状分隔器中的反电极被相对布置。

Description

堆叠的蓄电池
技术领域
本发明涉及一种堆叠的蓄电池，该堆叠的蓄电池含有通过堆叠平板状正电极和负电极获得的电池元件，该电池元件被密封在膜状外壳中。正电极或负电极被包含在袋状分隔器中并且与相应反电极堆叠。
背景技术
锂离子电池以及其它大的充电－放电容量电池被广泛用于各种便携的电池供电装置（包含蜂窝电话）。在比如电动汽车、电动自行车、电动工具和电能存储器之类的这种应用中也需要具有大的充电－放电容量的有效蓄电池。
这些高功率电池使用一种堆叠的电池，其中平板状正电极和平板状负电极被堆叠在一起，分隔器布置在平板状正电极和平板状负电极之间。正电极使用铝箔用作集流器。正电极的集流器涂覆有锂-过渡金属复合氧化物颗粒以及赋予导电性的制剂（比如炭黑）。类似地，负电极使用铜箔用作集流器。负电极的集流器涂覆有炭颗粒（比如石墨颗粒）以及赋予导电性的制剂（比如炭黑）。
为了制作平板状正电极和负电极，相应电极活性材料被施加到用作集流器在其预定区域上的带状铝箔和带状铜箔。其上未沉积活性材料层的相应未涂覆区域与所述被涂覆区域一体形成，用以连接翼片从而提供电连接。
为了制作比如锂离子电池的堆叠的蓄电池，平板状正电极和负电极被堆叠在一起并且分隔器布置于其间，以形成电池元件，该电池元件进而密封在膜状外壳中。
尽管体积能量密度和质量能量密度是期望的，但是密封在膜状外壳中的堆叠的蓄电池并没有包封在刚性外部容器中且因此在它们的电池元件在过充电膨胀时可能影响周围环境。因而，需要有效的对策来应对与高容量堆叠的蓄电池的过充电关联的问题。
堆叠的锂离子电池中使用的平板状正电极被包含在袋状分隔器中用以与负电极堆叠。尽管与彼此独立布置的分隔器板相比，袋状分隔器可以提高电池的可靠性，但是在这些袋状分隔器被过度加热并且经历热收缩时或者在这些袋状分隔器暴露于由电解质溶液在超过电流测试标准的苛刻条件下过充电时分解生成的高压气体时，这些袋状分隔器可能变形。这种变形可能造成所述袋在通过例如热熔合工艺而接合的其接合区中破裂。结果，正电极可能会接触负电极。
某些不含水电解质蓄电池含有包封在金属外部容器中的卷绕式电池元件。这些电池中使用的分隔器可能经历热收缩并且可能电接触外壳。为了防止这些电池中在热收缩的分隔器与外壳之间的电接触，提出了使用居间绝缘体构件，所述构件是比分隔器更有效的绝缘体（参考例如专利文献1）。类似地，已经提出了不含水电解质蓄电池，其中绝缘体构件附着到卷绕式电池元件的分隔器（参考例如专利文献2）。
现有技术文献
专利文献
专利文献l：JP-A-2000-251866
专利文献2：JP-A-2006-196276。
发明内容
技术问题
某些堆叠的蓄电池含有平板状正电极和平板状负电极的堆叠，其中正电极或负电极被包含在袋状分隔器中。本发明的目的是提供这样的堆叠的蓄电池，其中在显著超过抵消过充电当前所要求的电池性能的测试条件下，防止电池失控（runaway）。特别地，本发明的目的是提供锂离子电池形式的堆叠的蓄电池，其中在比由IEC标准规定的10V-1C条件明显更加极端的36V-1C的条件下防止了电池失控。
解决问题的方案
本发明涉及一种堆叠的蓄电池，其中平板状正电极或者平板状负电极被包含在袋状分隔器中，该袋状分隔器取向成使得正引线端子或负引线端子引出的方向与分隔器的机器方向对齐；合成树脂膜在该袋状分隔器的两侧跨过接合区的边缘被施加到该袋状分隔器，该合成树脂膜具有高于由该分隔器的热收缩造成的应力的附着强度并且具有高于该分隔器的软化点的软化点；并且被包含在该袋状分隔器中的正电极或负电极与不被包含在该分隔器中的反电极以相对的方式堆叠以形成堆叠的电池元件，该堆叠的电池元件进而被密封在膜状外壳中。
本发明涉及上述堆叠的蓄电池，其中在该袋状分隔器的两侧跨过接合区的边缘被施加到该分隔器的合成树脂膜的一部分被包含在该袋状分隔器内的该正电极或该负电极在堆叠方向上投影的投影部中。
另外，本发明涉及上述堆叠的蓄电池，其中该袋状分隔器和负电极被堆叠在一起，同时由该袋状分隔器的外围以及该负电极的除引出电极引线端子的边缘以外的两个相邻侧来定位。
本发明涉及上述堆叠的蓄电池，其中用于定位正电极或负电极的定位区被形成在该袋状分隔器内。
本发明的有益效果
在本发明的堆叠的蓄电池中，正电极或负电极被包含在袋状分隔器中，所述袋状分隔器被取向成使得电极引线端子引出的方向与该分隔器的机器方向对齐。合成树脂膜在该袋状分隔器的外部的两侧并且跨过与分离器的机器方向对齐的边缘被施加到该袋状分隔器。该合成树脂膜具有高于由该分隔器的热收缩造成的应力的附着强度。包含正电极或负电极的分离器与平板状反电极堆叠以形成堆叠的电池元件，该堆叠的电池元件进而被密封在膜状外壳中。这种构造可以在明显高于预期的电压被施加而造成过充电时防止袋状分隔器在接合区破裂。这种过充电会造成产生气体而使压力增加或者产生导致由分隔器热收缩造成的应力的热量，导致分隔器的破裂。结果，可以防止在分隔器破裂且正电极接触负电极时发生的电池失控。
附图说明
图1为说明本发明的堆叠的蓄电池的一个实施例的图示。图1A为堆叠的蓄电池的透视图。图1B为沿图1A中的线A-A’截取的截面图。图1C为图1B的与图1C对应的部分的放大视图。
图2为说明制造本发明的堆叠的蓄电池过程中的各步骤的图示。图2A、2B、2C、2E和2F为说明相应步骤的图示。图2D为沿图2B中的线A-A’截取的截面图。
图3为说明本发明的堆叠的蓄电池的另一实施例的图示。图3A为堆叠的蓄电池的透视图。图3B为沿图3A中的线A-A’截取的截面图。图3C为图3B的与图3C对应的部分的放大视图。
具体实施方式
现在将参考锂离子电池描述本发明的堆叠的蓄电池。在这种电池中，被包含在袋状分隔器中的正电极与负电极堆叠以形成电池元件，该电池元件进而密封在膜状外壳中。当利用比用于过充电的国际安全标准规定的10V-1C条件显著更高的高电压和高充电速率对该电池充电时，由于电解质溶液分解产生气体，压力可能增加，或者由于分隔器的热收缩可能产生应力。结果，在袋状分隔器的熔合功能被激活之前袋状分隔器在其接合区中可能破裂，造成破裂区域附近的正电极直接接触负电极。
本发明人已经发现，通过防止在袋状分隔器的熔合功能被激活之前袋状分隔器在其接合区中破裂，从而阻止离子渗透跨过分隔器，当该堆叠的蓄电池以比预期更高的电压和更高的速率过充电时，该电池可能对周围环境造成的影响可以被最小化。
现在将参考附图描述本发明。
图1为说明本发明的堆叠的蓄电池的一个实施例的图示。图1A为堆叠的蓄电池的透视图。图1B为沿图1A中的线A-A’截取的截面图。图1C为图1B的与图1C对应的部分的放大视图。
参考锂离子电池描述的本发明的堆叠的蓄电池1包括矩形平板状正电极和矩形平板状负电极。
堆叠的蓄电池1包含密封在膜状外壳5中的电池元件3。电池元件3包含袋状分隔器30，所述袋状分隔器30包含矩形平板状正电极10且与矩形平板状负电极20堆叠，并且袋状分隔器30布置在正电极和负电极之间。
正电极10具有沉积在正电极收集器12上的正电极活性材料层14并且具有连接到其的相应正引线端子16。一组正引线端子16接合在一起并连接到正电极端子18，该正电极端子通过密封区7进而引出到外部。类似地，负电极20具有沉积在负电极收集器22上的负电极活性材料层24并且具有连接到其的相应负引线端子26。一组负引线端子26接合在一起并连接到负电极端子（未示出），该负电极端子进而引出到外部。
除了正引线端子16布置于其上的边缘以外，袋状分隔器30具有在其上形成的接合区32。接合区32通过热熔合工艺或其它合适工艺来形成。如图1C的放大视图所说明，合成树脂膜40通过粘合层42附着到接合区32的外表面并且沿着与正引线端子引出的方向垂直的宽度延伸跨过袋状分隔器30的边缘36。
合成树脂膜40可以以比由分隔器的热收缩造成的应力更大的附着强度附着到分隔器。合成树脂膜40也可以具有高耐热性，使得该膜在分隔器的软化温度以下不软化。
通常，原始分隔器织物是通过拉伸分隔器材料以及同时或者在分离的步骤中形成具有预定孔隙度的孔来形成的。因而，织物中的纤维在生产期间在机器方向或MD上取向。大体上，织物在机器方向上卷绕。
为了由原始分隔器织物制成袋状分隔器，使用这样的分隔器织物，其中所述分隔器织物在机器方向上卷绕且其中矩形电极的长度与机器方向对齐。
因而，当分隔器受到热收缩时，在与机器方向横切的方向或TD上生成应力，造成分隔器在TD方向上收缩。与之对照，在MD方向上生成更小的收缩应力。
因此，即使在MD方向上在袋状分隔器的一个端处合成树脂膜没有被施加到接合区32M中的分隔器，袋状分隔器的特性也基本上不受影响。
图2为说明在本发明的堆叠的蓄电池的生产中的各步骤的图示。
如图2A所示，袋状分隔器30是通过下述方式生产的：将原始分隔器织物切割成预定尺寸，并且通过热熔合工艺或其它合适工艺接合所切割的织物的除正电极被插入到的那个边以外的三个边，从而形成接合区32。
原始分隔器织物具有分隔器的纤维沿着其取向的机器方向或MD以及与机器方向垂直的横切方向或TD，并且在机器方向上从原始分隔器织物的卷轴展开并切割成预定尺寸。接着，所切割的分隔器通过将机器方向与矩形正电极的长边对齐来布置并且接着在接合区32中被接合以形成袋。
在接合分隔器从而制作袋状分隔器期间，定位区34也可以被形成用于在正电极置于袋状分隔器中时将正电极定位在距分隔器的外围一定距离处。
替代形成定位区34，位于袋状分隔器30内部的接合区32的一部分32A可以用作定位区。
如图2B所示，合成树脂膜40接着跨过袋状分隔器的接合区32的边缘36被施加到袋状分隔器的接合区32。
图2D为沿着图2B中的线A-A’截取的放大截面图。
合成树脂膜40跨过袋状分隔器30的接合区32的边缘36被施加到接合区32的外表面的两边。
合成树脂膜40可具有高于分隔器（比如聚丙烯膜）的软化点且可以不由于分隔器的热收缩造成的应力而变形。特定实例包含由聚苯乙烯、聚酰亚胺或其它合适材料制成的膜。将沉积在合成树脂膜40上的粘合层42可以是基于丙烯酸的粘合剂或者具有期望的耐化学性的其它粘合层。
如图2C所示，正电极10接着置于袋状分隔器30中。正电极10由设在袋状分隔器中的定位区34定位，或者由取代该定位区的袋状分隔器30的接合区的内表面32A定位。结果，获得包含正电极的袋状分隔器，该袋状分隔器在平行于正电极的堆叠表面的表面上的投影具有宽度X和高度Y。正电极被布置在距袋状分隔器的外围预定距离处。
如图2F所示，预定数目的图2E所示的负电极（每个具有宽度X和高度Y）和预定数目的图2C所示的袋状分隔器（每个包含正电极）通过使它们的邻近边与定位夹具50对齐而堆叠在一起。尽管该堆叠被固定就位使得正电极和负电极将保持对齐，但是相应正电极的正引线端子16连接在一起，相应负电极的负引线端子26也连接在一起。
接着，正端子连接到相应正引线端子且负端子连接到相应负引线端子以形成电池元件，该电池元件进而密封在膜状外壳中从而制成堆叠的蓄电池。
尽管上文已经参考其中负电极的面积大于对置的正电极的面积的锂离子电池描述了堆叠的蓄电池，但是正电极的面积可以大于负电极的面积，在这种情况下通过将负电极置于袋状分隔器中，可以以类似方式生产该电池。
图3为说明本发明的另一实施例的图示。图3A为堆叠的蓄电池的透视图。图3B为沿着图3A的线A-A’截取的截面图。图3C为图3B的对应于图3C的部分的放大视图。
图3A、3B和3C示出的堆叠的蓄电池具有与参考图1描述的堆叠的蓄电池相似的构造，除了沿着与正引线端子引出的方向垂直的宽度被施加到接合区32的合成树脂膜40的位置以外。
特别地，堆叠的蓄电池l包含密封在膜状外壳5中的电池元件3。电池元件3包含袋状分隔器30，所述袋状分隔器30包含矩形平板状正电极10且与矩形平板状负电极20堆叠，并且袋状分隔器30布置在正电极和负电极之间。
正电极10具有沉积在正电极收集器12上的正电极活性材料层14并且具有连接到其的相应正引线端子16。一组正引线端子16接合在一起并连接到正电极端子18，该正电极端子进而穿过密封区7引出到外部。类似地，负电极20具有沉积在负电极收集器22上的负电极活性材料层24并且具有连接到其的相应负引线端子26。一组负引线端子26接合在一起并连接到负电极端子（未示出），该负电极端子进而引出到外部。
除了正引线端子16布置于其上的边缘以外，袋状分隔器30具有在其上形成的接合区32。接合区32是由热熔合工艺或其它适当工艺形成的。如图3C的放大视图所说明的，合成树脂膜40通过粘合层42以比由分隔器的热收缩造成的应力更大的附着强度附着到接合区32的外表面，并且沿着与正引线端子引出的方向垂直的宽度延伸跨过袋状分隔器30的边缘36。
由于被附着的合成树脂膜40的端部44、46在正电极在堆叠的方向上投影的投影部中接合到袋状分隔器，分隔器通过正电极的端部在堆叠的方向上的投影部中的合成树脂膜而被加强。
结果，防止了分隔器在分隔器经受热收缩并且在平行于正电极的方向上被拉伸而接触正电极的边缘时撕裂或刺穿。这进一步提高了合成树脂膜附着的效果。
实例
实例1
制备由下述构成的浆料：按质量计63份的锂-锰复合氧化物、按质量计4.2份的乙炔黑（数量平均颗粒尺寸为7μm）、按质量计2.8份的聚偏氟乙烯以及按质量计50份的N-甲基-2-吡咯烷酮。
浆料跨过20微米厚、150mm宽的铝箔的宽度而被施加到作为集流器的该铝箔，并且间歇地沿着箔的长度在130mm的长度上被施加，其中未被涂覆的长度为20mm。经涂覆的收集器被干燥和压制以形成180微米厚的正电极活性材料层。
13mm宽、17mm长的电极引线端子形成于每个未被涂覆的区域中，从而使正电极在其65mm宽、125mm长的区域中被涂覆。
每个正电极覆盖有25微米厚的聚丙烯分隔器，并且通过热熔合在正电极的1.5mm的端部上接合到分隔器。
接着，具有基于丙烯酸的粘合层的30微米厚的聚丙烯胶带在从正电极的投影部的端部到在堆叠的方向上投影的分隔器上的1mm区域上，在分隔器的机器方向上跨过端部被施加到分隔器。
由袋状分隔器覆盖的14个正电极与15个负电极接着被堆叠在一起，并且正引线端子和负端子被连接。每个堆叠置于由膜状外壳形成的袋中。作为电解质溶液，含有1M LiPF6的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的混合溶剂被注入袋内。所述袋被密封从而制成总共10个锂离子电池。
如此获得的10个锂离子电池以1C电流过充电到36V。所生产的电池都不产生烟雾。
对照实例1
按照与实例1相同的方式生产10个锂离子电池，只是具有粘合层的合成树脂胶带不被施加跨过分隔器的接合区。在相同的过充电测试中，当以1C电流充电到25V时，所生产的锂离子电池中的4个产生烟雾。
工业应用性
本发明提供的堆叠的蓄电池包含平板状正电极和平板状负电极，平板状正电极和平板状负电极中任何一个均被包含在袋状分隔器中，所述袋状分隔器取向成使得正引线端子引出的方向与分隔器的机器方向对齐。在分隔器的外部的两边并且跨过在分隔器的机器方向上延伸的边缘，合成树脂膜在接合区中被施加到袋状分隔器。合成树脂膜具有高于由分隔器的热收缩造成的应力的附着强度，并且其软化点高于分隔器的软化温度。包含正电极的分隔器与平板状负电极堆叠以形成堆叠的电池元件，该堆叠的电池元件进而被密封在膜状外壳中。具有这种构造的袋状分隔器可以提供非常安全的堆叠的蓄电池，其中即使在电池以高于预期的电压和充电速率被充电时也防止了电池失控。
附图标记列表
1：堆叠的蓄电池
3：电池元件
5：膜状外壳
7：密封区
10：正电极
12：正电极收集器
14：正电极活性材料层
16：正引线端子
18：正电极端子
20：负电极
22：负电极收集器
24：负电极活性材料层
26：负引线端子
30：袋状分隔器
32：接合区
32A：接合区的内表面
32M：MD端部处的接合区
34：定位区
36：袋状分隔器的边缘
40：合成树脂膜
42：粘合层
44，46：端部
50：定位夹具

Claims (4)

1. 一种堆叠的蓄电池，其特征在于，平板状正电极或平板状负电极被包含在袋状分隔器中，该袋状分隔器被取向成使得正引线端子或负引线端子引出的方向与该分隔器的机器方向对齐；合成树脂膜在该袋状分隔器的两侧跨过接合区的边缘被施加到该袋状分隔器，该合成树脂膜具有高于由该分隔器的热收缩造成的应力的附着强度并且具有高于该分隔器的软化点的软化点；并且被包含在该袋状分隔器中的正电极或负电极与不被包含在该分隔器中的反电极以相对的方式堆叠以形成堆叠的电池元件，该堆叠的电池元件进而被密封在膜状外壳中。
2. 根据权利要求1所述的堆叠的蓄电池，其特征在于，在该袋状分隔器的两侧跨过接合区的边缘被施加到该分隔器的合成树脂膜的一部分被包含在该袋状分隔器内的该正电极或该负电极在堆叠方向上投影的投影部中。
3. 根据权利要求1或2所述的堆叠的蓄电池，其特征在于，该袋状分隔器和负电极被堆叠在一起，同时由该袋状分隔器的外围以及该负电极的除引出电极引线端子的边缘以外的两个相邻侧来定位。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的堆叠的蓄电池，其特征在于，用于定位正电极或负电极的定位区被形成在该袋状分隔器内。
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Pledgee: Sumitomo Mitsui Banking Corporation

Pledgor: Vision AESC Energy Components Co., Ltd.

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