CN102484240A - 电池极耳结构 - Google Patents

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Abstract

电池用的阴极和阳极结构各自包括焊接至基板的一个或多个极耳。制造电池的方法可以包括提供焊接至电池的阴极和阳极各自的基板的极耳。用于阴极或阳极结构的极耳可以由与相应的阴极或阳极的基板相同或相似的材料来提供。

Description

电池极耳结构
相关专利申请的交叉引用
本专利要求提交于2009年1月28日的美国临时专利申请号61/147,896的权益。
技术领域
本专利涉及二次电池组电池用极耳、二次电池组电池用极耳的组成以及制造和连接二次电池组电池用极耳的方法。
背景技术
电池具有从供电消费类电子产品如手机、电脑和用具到供电电动和混合动力电动汽车以及给移动火箭发射器提供动力的许多用途。
如图1所示，典型的电池组电池1由阴极板102、阳极板104、设置在阴极板和阳极板之间的隔离器106、设置在阴极板和阳极板之间的电解质108以及分别连接至阴极板和阳极板102、104的集流体或极耳110、112构成。
电池组电池的各种构造包括棱柱形、纽扣形和圆柱形构造。在圆柱形电池构造如图2所示的圆柱形电池2中，阴极板202、阳极板204和隔离器206绕中心销218卷绕成圆柱体220。集流体或极耳208设置在阴极上，集流体或极耳210设置在阳极上。集流体208电连接至导电阴极盖212。类似地，集流体210电连接至阳极盖214，其也可以形成其内设置有圆柱体卷220的电池容器。绝缘体/间隔器216将阳极盖214与阴极盖212分开，而绝缘体222隔离圆柱体卷220与阳极盖214。根据电池化学的需要，可以提供孔224。
存在许多电池化学。锂离子基化学由于其高充电密度和充电/循环寿命特性而常常优于铅-酸、镍-铬(NiCad)或镍-金属氢化物(NiMH)化学。锂离子电池(有时称作Li离子电池)为可再充电电池类型，其中锂离子在阳极和阴极之间移动。锂离子在放电时从阳极移动到阴极并且在充电时从阴极移动到阳极。集流体用来连接自/至阳极和阴极的载荷子、电子。
虽然集流体(有时被称作极耳或引线)不构成电池化学的一部分，但极耳的数目、结构、组成和位置可对电池组电池的效率具有很大的影响。效率可以根据充电/放电率(即动力电池)、最高充电电势(即能量电池)、电荷利用率等来测量。
附图说明
图1为典型锂离子电池组电池的示意图。
图2为典型圆柱状电池组电池的示意图。
图3示意性地图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对。
图4示意性地图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对。
图5示意性地图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对。
图6示意性地图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对。
具体说明
虽然本发明容许多个不同形式的实施方案，而本文将详细描述其具体实施方案，要理解本公开内容应视作本发明的原理的例证，并且不意在将本发明限于所示具体实施方案。
图3图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对3，其可用来形成电池组电池的相应电极，特别是可用来形成圆柱形锂离子电池组电池的电极。阴极300可包括其上设置有活性材料304的金属箔基板302。阳极306可包括其上设置有活性材料310的金属箔基板308。
阴极基板302可以是铝箔或铝合金箔。阳极基板308可以是铜箔或铜合金箔。阴极活性材料304可以是主要含有磷酸铁锂、磷酸锰锂、氧化钴锂、氧化镍锂或其他合适含锂材料的组合物。阳极活性材料310可以是碳基材料，例如石墨，但是也可以使用其他阳极材料如锂金属。
基板302的每一面的端部312不含活性材料304，并且极耳314连接至端部312。极耳314是金属的并且导电，例如，极耳314可以是与形成基板302的金属箔相同或相似的金属箔。极耳314可以通过焊接连接至端部312，例如，极耳314可以通过声波焊接连接至端部312。
基板308的端部316不含活性材料310，并且极耳318连接至端部316。极耳318是金属的并且导电，例如，极耳318可以是与形成基板308的金属箔相同或相似的金属箔。极耳318可以通过焊接连接至端部316，例如，极耳318可以通过声波焊接连接至端部316。
极耳314和318可以覆盖有由聚酰亚胺材料制成的带，所述带例如由Dupont制造的Kapton带。使用Kapton带的原因主要在于其高温度性能。可以类似地覆盖下文描述的其它实施方案的相应极耳。
在替代的结构中，阴极300和阳极306可以是双面的，即相应箔的每一面都涂覆有它们各自的活性材料。阳极306的第二面320、特别是无活性材料的端部316’相比于端部316可以伸长。经伸长的无活性材料的端部316’可以便于阴极302和阳极306卷绕成圆柱体。
图4图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对4，其可用来形成电池组电池的相应电极，特别是可用来形成圆柱形电池组电池的电极。阴极400可包括其上设置有活性材料404的金属箔基板402。阳极406可包括其上设置有活性材料410的金属箔基板408。
阴极基板402可以是铝箔或铝合金箔。阳极基板408可以是铜箔或铜合金箔。阴极活性材料404可以是主要含有磷酸铁锂、磷酸锰锂、氧化钴锂、氧化镍锂或其他合适含锂材料的组合物。阳极活性材料410可以是碳基材料，例如石墨，但是也可以使用其他阳极材料如锂金属。
阴极基板402的第一端部412不含活性材料404，并且第一阴极极耳414连接至端部412。第二端部413不含活性材料404，并且第二阴极极耳415连接至端部413。阴极极耳414、415可以是金属的并且导电，可以是与形成基板304的金属箔相同或相似的金属箔。阴极极耳414、415可以通过焊接连接至各自的端部。例如，阴极极耳414、415可以通过声波焊接连接至它们各自的端部。
阳极基板408的第一端部416不含活性材料410，并且第一阳极极耳418连接至第一端部416。阳极基板408的第二端部417不含活性材料410，并且第二阳极极耳419连接至第二端部417。极耳418、419可以是金属的并且导电，可以由与形成基板408的金属箔相同或相似的金属箔制成。极耳418、419可以通过焊接连接至它们各自的端部。例如，极耳418、419可以通过声波焊接连接至它们各自的端部。
在替代的结构中，阴极400和阳极406可以是双面的，即相应箔的每一面都涂覆有活性材料。阳极406的第二面420、特别是无活性材料的端部416’相比于端部416可以伸长。经伸长的无活性材料的端部416’可以便于阴极402和阳极406卷绕成圆柱体。
将极耳设置在阳极基板和阴极基板的每个端部处提供了至/自阳极和阴极的电荷的耦合，因为该情形可以更加均一。
图5图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对5，其可用来形成电池组电池的相应电极，特别是可用来形成圆柱形电池组电池的电极。阴极500可包括其上设置有活性材料504的金属箔基板502。阳极506可包括其上设置有活性材料510的金属箔基板508。
阴极基板502可以是铝箔或铝合金箔。阳极基板508可以是铜箔或铜合金箔。阴极活性材料504可以是主要含有磷酸铁锂、磷酸锰锂、氧化钴锂、氧化镍锂或其他合适含锂材料的组合物。阳极活性材料510可以是碳基材料，例如石墨，但是也可以使用其他阳极材料如锂金属。
基板502的第一端部512不含活性材料504，并且第一阴极极耳514连接至端部512。第二端部513不含活性材料504，并且第二阴极极耳515连接至端部513。阴极极耳514、515可以是金属的并且导电，可以是与形成基板502的金属箔相同或相似的金属箔。极耳514、515可以通过焊接连接至各自的端部。例如，极耳514、515可以通过声波焊接连接至它们各自的端部。
阳极基板508的第一端部516不含活性材料510，并且第一阳极极耳518连接至第一端部516。基板508的第二端部517不含活性材料510，并且第二阳极极耳519连接至第二端部517。极耳518、519可以是金属的并且导电，可以是与形成基板508的金属箔相同或相似的金属箔。极耳518、519可以通过焊接连接至它们各自的端部。例如，极耳518、519可以通过声波焊接连接至它们各自的端部。
在替代的结构中，阴极500和阳极506可以是双面的，即相应箔的每一面都涂覆有活性材料。阳极506的第二面520、特别是无活性材料的端部516’相比于端部516可以伸长。经伸长的无活性材料的端部516’可以便于阴极502和阳极506卷绕成圆柱体。
阴极500可包括沿着阴极基板502的长度设置的一个或多个额外的极耳，即极耳530。如图5所示，一个额外的极耳530设置与极耳514和515中的每一个等距。可以提供不止一个额外的极耳530。如果在极耳514和515之间提供不止一个额外的极耳，则这类极耳可以等距地间隔或不规则地间隔。而且，虽然所示出的阳极508不包括额外的极耳，但阳极可同样形成有额外的极耳。额外的极耳530也可以具有与基板502相同或相似的金属箔。额外的极耳530可以例如通过声波焊接而焊接至基板502。在任何情况下，在此实施方案以及下文所述实施方案中，在基板和额外的极耳之间的基板上不存在活性材料。
将极耳提供在阳极基板和阴极基板的每个端部处提供了至/自阳极和阴极的电荷的耦合，因为该情形可以更加均一。提供额外的中间极耳进一步促进至及自阴极/阳极的电荷均一耦合和传输。
图6图示了根据本发明的一个实施方案的阳极/阴极对6，其可用来形成电池组电池的相应电极，特别是可用来形成圆柱形电池组电池的电极。阴极600可包括其上设置有活性材料604的金属箔基板602。阳极606可包括其上设置有活性材料610的金属箔基板608。
阴极基板可以是铝箔或铝合金箔。阳极基板可以是铜箔或铜合金箔。阴极活性材料可以是主要含有磷酸铁锂、磷酸锰锂、氧化钴锂、氧化镍锂或其他合适含锂材料的组合物。阳极活性材料可以是碳基材料，例如石墨。
阴极600包括多个极耳614，所述多个极耳614沿着阴极基板602的长度设置，然而，自阴极基板602的端部偏移。极耳614可以是金属的并且导电，可以是与形成基板602的金属箔相同或相似的金属箔。极耳614可以通过焊接连接至阴极基板602。例如，极耳614可以通过声波焊接连接至阴极基板。
基板608的第一端部616不含活性材料610，并且第一阳极极耳618连接至第一端部616。基板608的第二端部617不含活性材料610，并且第二阳极极耳619连接至第二端部617。极耳可以是金属的并且导电，可以通过焊接连接至它们各自的端部。例如，极耳618和619可以通过声波焊接连接至它们各自的端部。
在替代的结构中，阴极600和阳极606可以是双面的，即相应箔的每一面都涂覆有活性材料。阳极606的第二面620、特别是无活性材料的端部616’相比于端部616可以伸长，这可以便于阴极600和阳极608形成圆柱体。而且，虽然示出阴极600包括沿着基板长度的极耳，但阳极同样可形成有沿着其长度的极耳。
沿着阳极基板和阴极基板的长度提供间隔的极耳提供了至/自阳极和阴极的电荷的耦合，因为该情形可以更加均一。提供额外的中间极耳进一步促进至/自阴极/阳极的电荷均一耦合和传输。
在任何上述实施方案中，阴极和阳极结构可具有以下特性：
阴极：
长度：485-1715毫米(mm)
厚度：0.020±0.002mm
在每一面上的活性材料：81-191克/平方米(g/m2)
压制厚度：0.113-0.169mm
密度：2.396-2.593g/cm2
阳极：
长度：535-1795mm
厚度：0.009±0.002mm
在每一面上的活性材料：53-90g/m2
压制厚度：0.089-0.138mm
密度：1.325-1.510g/cm3
阳极比率：1.14-1.30
在不限制前述一般性的前提下，以下是用于多种电池的阴极和阳极结构的合适组合的实例。
实施例1(16340型能量电池)：
阴极：
长度：485mm
厚度：0.020mm
活性材料，每一面：188±3g/m2
压制厚度：0.167±0.002mm
密度：2.53g/cm3
极耳数目：1，在一端
阳极：
长度：535mm
厚度：0.009mm
活性材料，每一面：84±3g/m2
压制厚度：0.120±0.002mm
密度：1.510g/cm3
阳极比率：1.30
极耳数目：1，在一端
实施例2(26650型，动力电池)：
阴极：
长度：1715mm
厚度：0.020mm
活性材料，每一面：115±2g/m2
压制厚度：0.116±0.003mm
密度：2.396g/cm3
极耳数目：2，每一端一个
阳极：
长度：1795mm
厚度：0.009mm
活性材料，每一面：55±2g/m2
压制厚度：0.092±0.003mm
密度：1.325g/cm3
阳极比率：1.14
极耳数目：2，每一端一个
实施例3(18650型，能量电池)：
阴极：
长度：590mm
厚度：0.020mm
活性材料，每一面：188±2g/m2
压制厚度：0.167±0.002mm
密度：2.560g/cm3
极耳数目：2，每一端一个
阳极：
长度：645mm
厚度：0.009mm
活性材料，每一面：84±3g/m2
压制厚度：0.133±0.002mm
密度：1.350g/cm3
阳极比率：1.25
极耳数目：2，每一端一个
实施例4(26650型，能量电池)：
阴极：
长度：1225mm
厚度：0.020mm
活性材料，单面：188±3g/m3
活性材料，双面：376±4g/m3
压制厚度：0.165±0.003mm
密度：2.593g/cm3
极耳数目：3，每一端一个并且两端之间等距处一个
阳极：
长度：1305mm
厚度：0.009mm
活性材料，单面：86±3g/m3
活性材料，双面：172±4g/m3
压制厚度：0.141±0.003mm
密度：1.303g/cm3
阳极比率：1.28
极耳数目：2，每一端一个
实施例5(26650型，动力电池)：
阴极：
长度：1715mm
厚度：0.020mm
活性材料，每一面：115±2g/m2
压制厚度：0.116±0.003mm
密度：2.396g/cm3
极耳数目：4或5，等距间隔，自端部偏移
阳极：
长度：1795mm
厚度：0.009mm
活性材料，每一面：55±2g/m2
压制厚度：0.092±0.003mm
密度：1.325g/cm3
阳极比率：1.28
极耳数目：3，每一端一个并且两端之间等距处一个
虽然以上描述了特定的实施方案和结构的具体组合，但所述结构能够以多种另外的方式进行组合。单一或多个极耳阴极结构可以与其他单一或多个极耳阳极结构组合。具有不同活性材料量和密度的阴极结构可以与具有不同活性材料量和密度的阳极结构组合，与其对应设置极耳数目。因而，以上提供了合适的范围和实例，而没有穷举所有可能的实例、构造或结构组合。
要注意的是，任何上述实施方案可以卷绕成圆柱体来形成电池组电池，如电池200。然而，采用如本文所述的阴极和阳极结构，可以形成其他电池构造如棱柱形、纽扣形等。
极耳已被描述为与各自的基板相同或相似的金属箔。极耳可以由实质上任何导电材料来构造，所述导电材料可以可靠地连结至基板，允许传导来自基板的电荷。优选地，极耳为可易于例如通过焊接连结至基板的材料。此外，对于给定的阳极/阴极结构和活性材料组成而言，极耳在阴极和阳极结构上的数目和布置可以来使得促进并提高至/自阳极和阴极的电荷传输。
虽然本公开内容容许多种改动和替代形式，某些实施方案通过举例示于附图和文中所述的实施方案中。然而，应当理解，本公开内容无意于使本发明限于所述的具体形式，而是相反，本发明旨在涵盖由所附权利要求所限定的所有改动、替代方案和等价物。
还应当理解，除非在本专利中使用句子“如本文所用的术语‘____’由此定义为是指...”或类似的句子来明确地定义术语，否则无意于明确的或含蓄地限制该术语的含义超出其直白或普通含义，并且该术语不应当解释为基于该专利的任何部分(除了权利要求书的语言文字之外)中所作的任何声明来限制范围。就本专利结尾处的权利要求中所记载的任何术语是指在本专利中与单一含义相一致的意义而言，这样做的目的是为了清楚起见，从而不使读者混淆，并且无意于使这些要求保护的术语含蓄地或以另外方式限于该单一含义。除非要求保护的要素是在没有任何结构的记载前提下通过记载措词“手段”和功能来定义，否则任何要求保护的要素的范围无意于基于35U.S.C.§112，第6段的运用来进行解释。

Claims (15)

1.一种用于电池组电池的电极，其包括：
基板；
设置在所述基板上的活性材料；和
连接至所述基板的多个集流体极耳，至少基于所述活性材料的特性和所述基板的组成选择所述基板上的极耳的数目和布置。
2.根据权利要求1所述的电极，其包括连接至所述基板的端部的单个极耳。
3.根据权利要求1所述的电极，其包括连接至所述基板的每个端部的极耳。
4.根据权利要求1所述的电极，其包括沿着所述基板的长度间隔的至少3个极耳。
5.根据权利要求4所述的电极，其中所述3个极耳沿着所述基板的长度等距地间隔。
6.根据权利要求1所述的电极，其中所述极耳焊接至所述基板。
7.根据权利要求6所述的电极，其中所述极耳声波地焊接至所述基板。
8.根据权利要求1所述的电极，其中所述极耳包括金属箔。
9.根据权利要求8所述的电极，其中所述基板包括金属箔。
10.根据权利要求1所述的电极，其中所述电极为阴极或阳极中的一者。
11.一种用于电池组电池的阴极/阳极对，所述阴极/阳极对包括：
所述阴极/阳极对的阴极，所述阴极/阳极对的阴极包括其上设置有活性材料的阴极基板和连接至所述阴极基板的多个阴极集流体极耳；和
所述阴极/阳极对的阳极，所述阴极/阳极对的阳极包括其上设置有活性材料的阴极基板，并且所述阴极基板的端部不含活性材料，以及阳极集流体极耳连接至所述端部。
12.一种制造用于电池组电池的电极的方法，所述方法包括：
至少基于活性材料的特性和基板的组成选择用于电极的集流体极耳的数目；
至少基于所述活性材料的特性和所述基板的组成选择所述极耳在所述基板上的位置；和
使选定数目的极耳连接至所述基板上的选定位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述极耳由与所述基板相同或相似的材料制成。
14.根据权利要求11所述的方法，其包括使选定数目的极耳通过焊接连接至所述基板上的选定位置。
15.根据权利要求11所述的方法，其包括使选定数目的极耳通过声波焊接连接至所述基板上的选定位置。
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