CN102439754A

CN102439754A - 耐水性袋状二次电池

Info

Publication number: CN102439754A
Application number: CN2010800223048A
Authority: CN
Inventors: 金甫炫; 李汉浩; 蔡宗铉
Original assignee: LG Chemical Co Ltd
Current assignee: LG Corp
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2012-05-02
Also published as: EP2434560A4; WO2010134788A2; US8148004B2; US8530075B2; KR20100126226A; EP2434560A2; US20120148914A1; US20110086259A1; WO2010134788A3; JP2012527724A; JP5793788B2

Abstract

本发明涉及一种具有高耐水性的袋状二次电池。本发明的包括正端子、隔离膜和负端子的袋状二次电池的特征在于：该二次电池的密封部具有台阶，该密封部的外侧的厚度比该密封部的内侧的厚度薄。本发明能够通过常规制造过程来进一步提高该密封部的耐水性和密封性能，并且具有降低制造成本的效果。

Description

耐水性袋状二次电池

本申请要求在2009年5月21日在韩国提交的韩国申请No.10-2009-0044318的优先权，该韩国申请的全部内容由此通过引用的方式整体并入。

技术领域

本发明涉及一种具有高耐水性的袋状二次电池。

背景技术

二次电池具有如下结构：即，由能够充电或放电的正极、隔离层和负极组成的电极组件被内置在由层压板形成的外壳中，该外壳包括金属罐或树脂层以及金属层，例如是圆柱形或矩形(angular)的，其内灌注有电解质。可以根据其结构来对电极组件进行分类。例如，电极组件可以包括：圆柱形(即，卷绕型)至凝胶卷(Jelly-roll)型的电极组件；堆叠型电极组件，在堆叠型电极组件中，被切割成特定尺寸单位的多个正极和负极依次堆叠，在正极和负极之间设有隔离层；堆叠/折叠型电极组件等，在堆叠/折叠型电极组件中，二分电池(Bi-cell)或全电池(Full cell)被卷绕起来，每个二分电池或全电池中均堆叠有特定单位的正极和负极，在该正极和负极之间设有隔离层。

在上述这些电池结构中，圆柱形电池结构的有利之处在于其结构稳定性良好，而使用层压板外壳的电池结构的有利之处在于它重量轻且易于制造。近年来，随着电子器件的小型化、轻量化和越来越薄的趋势以及对于减轻中大型电池组的重量的需求，使用层压板的电池的使用量急剧增大。由于其外壳的形状，使用层压板的电池经常被称为袋状二次电池。

图1是与使用层压板作为电池外壳的一个二次电池(在下文中称为“袋状二次电池”)的制造相关的分解透视图。

参考图1，通过如下方式来制造袋状二次电池100：首先将电极组件300安装在袋状电池外壳200上，然后在电极引线410和420在电池外壳200的顶部暴露的情况下将电极引线410和420联接到电池外壳200，该袋状电池外壳200由利用高分子树脂(polymer resin)和铝(Al)制成的层压板形成，所述电极组件300由正极、隔离层和负极形成。

电池外壳200包括上盖230和下壳220，该下壳220中形成有收容单元210。电池外壳200具有底部成一体的文件夹式结构。

在电极组件300置于收容单元210内的状态下，下壳220的顶表面240以及该下壳220两侧的外周表面250附着到上盖230的接触表面并被一起密封。因此，在该电池组装之后，下壳220的顶表面240以及下壳220两侧的外周表面250形成密封单元。

从电极组件300突出的电极突片310和320连接到相应的电极引线410和420。密封膜500连接到电池外壳200与电极引线410、420彼此连接处的相应部分。密封膜500用于防止电解质泄漏，防止空气中的水分渗入该电池，并确保电极引线410和420的电绝缘性。

图2示出了另一袋状二次电池的实例，并且它是示出如下袋状二次电池的透视图，在该二次电池中，电极引线分别从电池外壳的顶部和底部突出。

图2的袋状二次电池101与图1的袋状二次电池100的不同之处在于：电极引线411和421分别布置在电池外壳的顶部和底部，并且电池外壳被分离成下壳221和上壳231。因此，该电池外壳由通过热压缩所述下壳221和上壳231形成的上密封单元241、下密封单元261、以及两侧的密封单元251和271组成。可以仅在上壳231或下壳221中形成收容单元211，或者也可以在下壳221和上壳231这二者中形成收容单元211。

图3示出了形成通常在袋状二次电池中用作电池外壳的层压板的密封单元的过程，并且示出了联接后的层压板的截面。

参考图3，层压板10包括：形成最外侧部分的外侧树脂层11、防止物质渗入的金属层12、以及具有密封功能的内部树脂层13。

外侧树脂层11用于保护该电池免受外界影响，因此，要求外侧树脂层11具有与优良的抗拉强度、耐大气腐蚀性相对应的厚度等。外侧树脂层11通常由柔性尼龙制成。金属层12用于防止空气、水分等被引入到该电池中并且它通常由铝(Al)制成。利用在电极组件被内置于电池外壳中的状态下施加的热和压力，内部树脂层13被热压缩，因此提供密封性。内部树脂层13通常由流延聚丙烯(cast polypropylene)(CPP)制成。

具有多层层压结构的电池外壳层压板10被构造成具有在密封单元中彼此面对的内部树脂层13。这些内部树脂层13利用热压缩而联接到一起。在这种情况下，在层压板彼此联接到一起的部分处，内部树脂层13向外部暴露。因为内部树脂层13通常由高分子树脂制成，所以水分易于渗入到暴露的内部树脂层13中。所渗入的水分导致在电池安全性方面具有不良后果，例如它在电池内产生副反应，减少电池的寿命，使电池外壳的金属层12氧化，使密封单元的附着强度变弱，并且可能使电解质泄漏。此外，如果电池被长时间使用，则所渗入的水分会减少电池的寿命并降低其安全性。为此，已经进行了各种尝试来防止水分渗入和电解质泄漏。

例如，日本未审专利申请公报No.2004-087239公开了一种层压板，其中，通过利用热加压压缩、对多个层压膜附着到一起处的横向部分进行成形，使得多个金属层(即，阻断性金属层)彼此接触，从而使内部树脂层覆有金属层。

然而，在上述技术中，多个金属层仅仅是通过热加压压缩而彼此接触。因此，上述技术的问题在于：因为这些金属层之间的联接不够稳定，所以无法获得足够的耐水性，并且，因为金属层之间的联接会由于长期使用而变弱，所以这些金属层将彼此分离。

日本未审专利申请公报No.2004-055154公开了一种通过如下方式来防止由于内部树脂层暴露而引起的电解质泄漏和水分渗入的技术：使一对层压膜中的一个层压膜的周边部比该一对层压膜中的另一个层压膜的周边部更向外延伸，并且在与朝向该一对层压膜中的一个层压膜的周边部弯曲的延伸部分的前端接触的部分上执行激光焊接，使得最外层由于激光的热量而挥发且两个金属层的端部熔化并组合到一起。

然而，上述方法的问题在于：在过程方面，它要求很高程度的准确性，因为该一对层压膜中的一个层压膜必须足够准确地弯曲，以密封该一对层压膜中的另一个层压膜，并且，由于增加了该过程，所以电池的制造成本增加了。

此外，日本未审专利申请公报No.2000-223090公开了这样一种技术：其中，金属层和热压缩层相互堆叠，朝向电池外壳内侧的热压缩部的一部分被除去以露出金属层，并且当电池被密封时，执行双重密封处理，该双重密封处理包括热压缩层的热压缩和金属层的焊接。

然而，上述方法的问题在于：由于要执行双重密封处理，所以该过程复杂且增加了成本。

发明内容

因此，考虑到现有技术中存在的上述问题，已经做出了本发明。

在各种试验和深入研究之后，本申请的发明人已经发现：如果在密封单元的外侧顶端处形成有台阶，则能够根本性地防止电池内的物质由于水分渗入引起的电池内的副反应而受到腐蚀的现象，从而能够延长电池的寿命并提高其稳定性。

根据本发明的一个方面，提供了一种袋状二次电池，该袋状二次电池包括正极、隔离层和负极。这里，该二次电池的密封单元包括台阶，从而在厚度方面，该密封单元的外侧比该密封单元的内侧薄。

在本发明的袋状二次电池中，所述台阶中的每一个均包括从所述内侧到所述外侧非连续地形成的一个或多个台阶。在本发明的袋状二次电池中，所述台阶中的每一个均从所述内侧到所述外侧连续地形成。

在本发明的袋状二次电池中，所述密封单元的最外侧内部树脂层的厚度是未被热压缩的内部树脂层的厚度的3％至50％。

在本发明的袋状二次电池中，所述密封单元的最内侧内部树脂层的厚度是未被热压缩的内部树脂层的厚度的50％至95％。

在本发明的袋状二次电池中，所述密封单元的宽度在3mm至20mm的范围内。

附图说明

从以下结合附图给出的对优选实施例的描述中，本发明的上述及其它目的和特征将变得显而易见，在附图中：

图1和图2是示出了常规袋状二次电池的结构的透视图；

图3是示出了形成袋状二次电池中通常使用的层压板的密封单元的过程的示图；

图4到图6是本发明一个实施例的透视图；并且

图7是曲线图，示出了在密封单元中形成有台阶的情况下以及在密封单元中未形成有台阶的情况下的、时间和所产生的氟化氢(HF)量的比较。

具体实施方式

在下文中，将参考附图来详细描述本发明的某些实施例，以便本领域的技术人员能够容易地实施本发明。

本发明涉及一种袋状二次电池，该袋状二次电池包括正极、隔离层和负极，其中，该二次电池的密封单元包括台阶，从而在厚度方面，该密封单元的外侧比该密封单元的内侧薄。

换言之，根据本发明，在通过把由正极、隔离层和负极组成的电极组件收容在袋状电池外壳内并利用热压缩对电池外壳进行密封而制造的袋状二次电池中，通过热压缩密封而被密封的密封单元的外侧在厚度方面比该密封单元的内侧薄。

上述用语“外侧”是指：与放置在电池外壳中心处的电极组件的收容单元相距较远的部位或部分，而上述术语“内侧”是指：与放置在电池外壳中心处的电极组件的收容单元相距较近的部位或部分。

从以下等式1可见，通过所述密封单元渗入的水分量与和外部接触的内部树脂层的截面积(L*T)成比例。在本发明中，在密封单元中形成有台阶，并且在内部树脂层的厚度T方面，这些台阶的外侧比这些台阶的内侧薄，以便增强耐水性。

等式1

物质传递率＝D*ΔC/W*L*T

其中，D是扩散系数，ΔC是浓度差，W是距离(position)，L是内部树脂层的截面宽度，T是内部树脂层的截面高度(厚度)。

即，在本发明中，这些台阶允许层压板的内部树脂层向外部暴露的程度最小，由此增强该电池的耐水性和密封性。该内部树脂层在层压板彼此结合到一起的部分处暴露。所暴露的内部树脂层主要由高分子树脂制成，因而水分易于渗入到所暴露的内部树脂层中。所渗入的水分导致在电池安全性方面产生不良后果，例如它使电池内的物质和电池外壳的金属层氧化，使密封单元的附着强度变弱，并且可能使电解质泄漏，而且，当电池被长时间使用时，它还导致电池的寿命减少并降低电池的安全性。在所述电解质中含有LiPF₆锂盐的情况下，LiPF₆必须以Li+和PF₆-离子的形式存在。然而，由于不希望的副反应，生成了作为副产物的、不稳定的PF₅。所生成的、不稳定的PF₅与H₂O发生反应，由此形成氟化氢(HF)。所形成的HF使得固体电解质界面层(SEI layer)破裂并导致正极溶解。该现象在高温下更加显著。

因此，内部树脂层可以形成为具有较薄厚度以增强耐水性。然而，无条件地形成具有较薄厚度的内部树脂层并非是优选的。随着内部树脂层的厚度的减小，内部电解质可能向外泄漏，并且在金属层之间或者金属层与电解质之间可能产生接触。因此，电池的绝缘性大大恶化。

因此，在本发明中，为了解决上述问题，形成了多个台阶，每个台阶均具有厚度不同的内侧和外侧。换言之，所述台阶的外侧具有较薄的厚度以增强耐水性，而所述台阶的内侧具有较厚的厚度以确保电池的绝缘性和密封性。在本发明中，能够以各种方式来形成所述台阶。

密封单元的外侧能够在比该密封单元的内侧相对更高的密封压力下形成。根据本发明的一个实施例，可以使用如下方法：即，使用其内形成有台阶的辊子通过热压缩来形成层压板的方法，或者使用其内形成有台阶的杆(bar)通过热压缩来形成层压板的方法(即，使用与要形成的台阶具有相同形状的辊子或杆，通过对层压板进行热压缩，能够在密封所述电池外壳的同时容易地形成台阶)。

如图4到图6所示，电池外壳的所述台阶可以形成为从内侧到外侧地具有一个非连续台阶，但也可以形成为具有一个或多个非连续台阶。替代地，所述台阶可以从内侧到外侧连续地形成。

在本发明中，所述台阶的内侧在厚度方面比所述台阶的外侧薄。因此，如图4到图6所示，只要存在高低之差就可以了，该台阶的形状并不受限制。

在本发明中，与所述台阶相关的密封单元的厚度不受特别限制，并且该密封单元的最外侧内部树脂层的厚度优选是未被热压缩的内部树脂层的厚度的3％至50％。如果该密封单元的最外侧内部树脂层的厚度超过未被热压缩的内部树脂层的厚度的50％，则耐水性变差。如果该密封单元的最外侧内部树脂层的厚度小于未被热压缩的内部树脂层的厚度的3％，则由于层压板的各个金属层彼此接触，电池的绝缘性可能不好。

此外，该密封单元的最内侧内部树脂层的厚度优选是未被热压缩的内部树脂层的厚度的50％至95％。如果该密封单元的最内侧内部树脂层的厚度小于未被热压缩的内部树脂层的厚度的50％，则难以防止电解质泄漏并且电池的绝缘性不好。如果该密封单元的最内侧内部树脂层的厚度超过未被热压缩的内部树脂层的厚度的95％，则密封性可能恶化。

通常，在用作电池外壳的层压板经受热压缩之前，内部树脂层具有0.5μm至50μm的厚度。

该密封单元的宽度不受特别限制，但优选在3mm至20mm的范围内。

此外，本发明还提供了一种制造袋状二次电池的方法，其包括以下步骤：通过交替地依次堆叠正极、隔离层和负极来形成电极组件；将电极组件收容在袋状电池外壳中；以及，通过热压缩该电池外壳而在电池外壳中形成密封单元。这里，当电池外壳被热压缩时，在各个密封单元中形成台阶，所述台阶的外侧在厚度方面比所述台阶内侧薄。

在根据本发明的上述制造袋状二次电池的方法中，可以使用如下方法来形成密封单元：即，使用其内形成有台阶的辊子而对层压板进行热压缩的方法，或者使用其内形成有台阶的杆而对层压板进行热压缩的方法(即，使用与要形成的台阶具有相同形状的辊子或杆，通过对层压板进行热压缩，能够在密封所述电池外壳的同时容易地形成台阶)。此外，还可以利用比密封单元的内侧相对更高的密封压力来密封并形成该密封单元的外侧。

在下文中，将参考附图进一步描述本发明的一个实施例，但本发明的范围不限于此。

图4是示出根据本发明一个实施例的、在密封单元中形成有台阶的袋状二次电池的示图。

参考图4，袋状二次电池100a具有如下结构：其中，电极引线411a和421a对称地分别形成在电池外壳201a的上侧和下侧。在彼此分离的上壳231a和下壳221a内置于电极组件(未示出)中的状态下，利用其内形成有台阶的辊子、通过热压缩来制造该袋状二次电池100a。这里，这些台阶形成在密封单元的末端。在通过热压缩而形成的上密封单元241a、下密封单元261a以及电池外壳两侧的密封单元251a和271a中，上下地形成有台阶600和700。

当如上所述地在密封单元的末端形成这些台阶时，能够减少内部树脂层13向外部暴露的面积。此外，内部树脂层13的未向外部暴露的部分能够形成得较厚。

图5和图6是示出了根据本发明另一个实施例的台阶的形状的示图。在本发明的实施例中，如图5所示，所述台阶可以包括两个或更多个非连续台阶，或者，如图6所示，也可以包括多个连续台阶。

从图7可见，与密封单元中未形成有台阶的情形相比，在密封单元中形成有台阶的本发明中，增强了耐水性，并且，随着时间的流逝而在电池内产生的氟化氢(HF)的量进一步减少了。

如上所述，本发明的有利之处在于：能够简化制造过程，能够进一步提高密封部分的耐水性和密封性，并且能够降低制造成本。

尽管已针对其优选实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，在不偏离如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变型。

Claims

1.一种袋状二次电池，所述袋状二次电池包括正极、隔离层和负极，其中，所述二次电池的密封单元包括台阶，从而在厚度方面，所述密封单元的外侧比所述密封单元的内侧薄。

2.根据权利要求1所述的袋状二次电池，其中，所述台阶中的每一个均包括从所述内侧到所述外侧非连续地形成的一个或多个台阶。

3.根据权利要求1所述的袋状二次电池，其中，所述台阶中的每一个均从所述内侧到所述外侧连续地形成。

4.根据权利要求1所述的袋状二次电池，其中，所述密封单元的最外侧内部树脂层的厚度是未被热压缩的内部树脂层的厚度的3％至50％。

5.根据权利要求1所述的袋状二次电池，其中，所述密封单元的最内侧内部树脂层的厚度是未被热压缩的内部树脂层的厚度的50％至95％。

6.根据权利要求1所述的袋状二次电池，其中，所述密封单元的宽度在3mm至20mm的范围内。