CN102906926A - 堆叠型二次电池 - Google Patents

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Abstract

公开了一种堆叠型二次电池，其即使在高温环境下也能够抑制袋状隔离物的开口的热收缩，并防止在堆叠电极之间发生短路。在所公开的堆叠型二次电池中，各自均具有引出端子(2)的正电极(13)和负电极经由插入的隔离物(15)交替地堆叠。正电极(13)和负电极中至少一种极性的电极容纳于通过两个片状隔离物结合而形成的袋状隔离袋(15)中，隔离袋在一部分中具有开口(3)。另外，容纳于隔离袋(15)中的电极(13)的引出端子(2)通过开口(3)伸出到隔离袋(15)的外部，并且通过电绝缘层(8)覆盖开口(3)的外周。

Description

堆叠型二次电池
技术领域
本发明涉及一种堆叠型二次电池(secondary cell)，更具体地涉及一种其中电极的两个表面都被隔离物(separator)覆盖且进行堆叠的堆叠型二次电池。
背景技术
在电动辅助自行车、电动摩托车或者不可中断电源设备中使用可以充电的二次电池。
二次电池也包括堆叠型。在堆叠型二次电池中，通过将多个正电极和多个负电极交替堆叠、且在其中插入隔离物来形成堆叠单元，每一电极均与用于电流收集的引线相连。然后将堆叠单元与电解液一起密封在由层压膜形成的容器中。
典型地，由诸如聚乙烯或聚丙烯之类的合成树脂制成的精细多孔膜用作将正电极和负电极电隔离的隔离物。
此外，作为相关技术的一个示例，专利文件1公开了一种使用袋(sack)状隔离物的层压二次电池。
图1A是相关技术示例的袋状隔离物的示意性框图，并且示出了袋状隔离物和插入到隔离物中的正电极的示意截面图。图1B是相关技术示例的袋状隔离物的示意性框图，并且是容纳于袋状隔离物中的正电极的外部示意图。
在相关技术的二次电池中，各自均插入到隔离袋中的正电极和负电极交替地堆叠以形成堆叠单元。图1A和1B示出了将正电极插入到隔离袋中的状态。负电极具有相同的配置。
隔离袋26是将两个片状隔离物接合在一起而形成的袋状。正电极21容纳于该隔离袋26内部，从正电极21引出用于导电连接的端子(引出端子)22。绕隔离袋26的正电极21的周边，设置将两个片状隔离物接合在一起的熔融接合部24，其中在熔融接合部24之间具有开口的空间。通过这些熔融接合部24将两个片状隔离物接合在一起以形成袋状。将两个片状隔离物连续地结合在一起的熔融密封部25设置在熔融接合部24的外围。引出端子22通过电极引出部23伸出到隔离袋26的外部，电极引出部23是隔离袋26中的开口。此时，从正电极21引出的引出端子22的位置与从负电极(未示出)引出的引出端子的位置不同。因此，正电极21的引出端子22和负电极的引出端子不会接触(例如，参考专利文件1)。
提供熔融密封部25具有防止从正电极21分离的活性材料流出隔离袋26的优点，并且还提供了限制由于隔离袋26的热量而收缩的效果。
隔离袋26通过将由诸如聚乙烯或聚丙烯之类的树脂进行延展而生产的两个片状隔离物结合在一起来制造，因此在暴露于高温时收缩。当将典型的隔离物保持于105℃一小时时，收缩率是3％-4％。
现有技术文献
专利文件
专利文件1：JP 2003-017112A。
发明内容
本发明要解决的问题
在专利文件1中描述的相关技术中，从隔离袋26伸出的正电极21的引出端子22(参见图1A和1B)以及类似地从隔离袋伸出的负电极的引出端子没有设置在平面上交迭的位置处，因此通常不会发生短路。然而，将正电极和负电极分别容纳于相应隔离袋中增加了与隔离袋的制造和将每一电极插入到隔离袋中有关的制造步骤中的复杂度问题，并且增加了制造成本。
因此，可以考虑只将一个极性的电极(例如正电极21)容纳于隔离袋26中的配置。然而，容纳于隔离袋26中的电极从电极引出部23露出，增加了与没有容纳于隔离袋26中的相邻电极接触并因此导致发生短路的可能。更具体地，当隔离袋26收缩时，正电极21从隔离袋26中露出并且与没有容纳于隔离袋中的负电极接触，导致短路的发生，并且增加了着火或破裂的危险。因为熔融密封部25不会被热损坏，正电极21没有从熔融密封部25露出。然而，必要地，电极引出部23包括在隔离袋26中，并且引出端子22通过电极引出部23从隔离袋26内伸出到隔离袋26外，如图1所示。结果，熔融密封部25不能设置在电极引出部23处。因此，当隔离袋26暴露于高温时，电极引出部23经受热收缩(隔离袋26的外围朝着隔离袋26的中心移动)，从而增加了正电极21从电极引出部23露出的可能性，如图2所示。在这些情况下，存在露出的正电极21和没有容纳于隔离袋中的负电极之间发生短路的可能性。
为了防止在交迭的正电极21和负电极之间发生短路，必须将两种类型的电极都容纳于隔离袋26中，如在专利文件1的相关技术中那样，从而成本减小成为一个问题。此外，当将两种类型的电极均容纳在相应的隔离袋中时，由于隔离袋的上述热收缩，正电极和负电极在各自的电极引出部处露出。依赖于热收缩的程度，正电极和负电极的露出部分可能非常大，从而位置上的略微偏差增加了接触并且发生短路的可能性。
因此，本发明提出了一种堆叠型二次电池，其中抑制了高温环境下袋状隔离物的开口的热收缩，并且防止了发生电极之间的短路。
解决问题的手段
在本发明的堆叠型二次电池中，将每一个均具有引出端子的正电极和负电极经由插入的隔离物交替地堆叠。正电极和负电极中至少一种极性的电极每一个均容纳于袋状隔离袋中，每一隔离袋通过将两个片状隔离物结合在一起来形成，此外，每一隔离袋均在一部分中具有开口。此外，容纳于隔离袋内的电极的引出端子经由开口伸出到隔离袋外部。开口的外围被电绝缘层覆盖。
本发明的效果
根据本发明，即使在高温环境下也可以抑制袋状隔离物开口的热收缩，从而可以防止发生电极之间的短路。
附图说明
图1A是相关技术的一个示例的袋状隔离物的示意性框图，并且是袋状隔离物和插入到该袋状隔离物中的正电极的示意性截面图。
图1B是相关技术的一个示例的袋状隔离物的示意性框图，并且是容纳于袋状隔离物中的正电极的外部示意图。
图2示出了相关技术的一个示例的袋状隔离物已经经历了热收缩的状态。
图3A是根据本发明的堆叠型二次电池的示例性实施例的示意性框图，并且是堆叠型二次电池的外部示意图。
图3B是根据本发明的堆叠型二次电池的示例性实施例的示意性框图，并且是堆叠单元的示意性框图。
图4A是本发明的隔离袋的示意性框图，并且是隔离袋和插入到隔离袋中的正电极的示意性截面图。
图4B是本发明的隔离袋的示意性框图，并且是容纳于隔离袋中的正电极的外部示意图。
图5是本发明的另一隔离袋和插入到隔离袋中的正电极的示意性截面图。
图6示出了工作示例和比较示例的测试结果。
具体实施方式
接下来将基于附图描述本发明的示例性实施例。在附图中向具有相同功能的结构赋予相同的附图标记，并且可以省略对这些结构的多余解释。
图3A是根据本发明的二次电池的示例实施例的示意性框图，并且是该二次电池的外部示意图。图3B是根据本发明的二次电池的示例性实施例的示意性框图，并且是堆叠单元的示意性框图。
两个片状隔离物粘合在一起以形成隔离袋15。通过交替地堆叠片状负电极14和包封到隔离袋15中的片状正电极13来形成堆叠单元(电池元件)18，并且通过固定带19来固定堆叠单元18。此外，在正电极13和负电极14中均设置引出端子2(参见图4A)。正电极13的引出端子2与用于电流收集的铝引线16相连。负电极14的引出端子(未示出)与镍引线17相连。将堆叠单元18和电解液12一起密封在铝层压膜11的容器内部。正电极13的引出端子2的设置位置与负电极14的引出端子的设置位置不同，从而正电极13的引出端子2和负电极14的引出端子不会彼此接触，并且不会发生短路。
如上所述，由诸如聚乙烯或聚丙烯之类的合成树脂制成的精细多孔膜典型地用于构成隔离袋15的两个片状隔离物，这种精细多孔膜具有沿膜树脂宽度方向的方向性，所述宽度方向与制造时膜树脂的切除(take-off)方向正交。
图4A是本发明的隔离袋15的示意性框图，并且是隔离袋15和插入到隔离袋15中的正电极13的示意性截面图。图4B是容纳于隔离袋15中的正电极13的外部示意图。
通过绕正电极13的周边设置的熔融接合部4(接合部之间具有开口的空间)，将两个片状隔离物接合在一起以形成隔离袋15。优选地，将两个片状隔离物连续接合的熔融密封部5设置在熔融接合部4的外围或者内周。替代地，当熔融密封部5设置在内周处时不需要设置熔融接合部4，或者可以将熔融接合部4接合在一起以连续地接合熔融接合部4。
作为开口的电极引出部3设置在隔离袋15外围的一部分中。隔离袋15内的正电极13的用于电流收集的引出端子2通过该电极引出部3露出到隔离袋5的外部。在电极引出部3的位置处设置熔融接合部4或熔融密封部5阻塞了开口，并且因此不会将熔融接合部4或者熔融密封部5设置在这一位置处。在本发明中，沿电极引出部3的开口设置电绝缘层8。优选地，使用不会经历热收缩或者表现出比隔离袋15小的热收缩的材料用作电绝缘层8。
通过采用这种配置，即使在高温环境中电绝缘层8也不会收缩，从而可以抑制电极引出部3处隔离袋15的收缩。结果，正电极13不会从隔离袋15的电极引出部3露出。因此，可以防止交迭的正电极13和负电极14之间的接触和短路。此外，即使在电极引出部3的位置处稍稍露出了正电极13，电极13和14两者之间电绝缘层8的插入防止了电极13和14之间发生短路。
接下来将执行高温环境实验，其中制造了几种类型的堆叠单元18并且将其暴露于高温环境中。
所采用的隔离袋15每一个均由两个片状隔离物制成，所述片状隔离物具有聚乙烯单层结构，其沿膜的拉紧(take-up)方向具有1000kgf/cm2的断裂强度，并且沿膜的宽度方向具有1000kgf/cm2的断裂强度。
工作示例1
高度为100mm、宽度为50mm的正电极13容纳于通过两个片状隔离物制造的隔离袋15内，每一个片状隔离物具有104mm的高度和54mm的宽度。宽度为2mm的熔融接合部4设置在隔离袋15的整个周长周围，除了电极引出部3处之外，并且进一步设置与熔融接合部4的外围连续的熔融密封部5。此外，与隔离袋15的外围位置对齐地将宽度为2mm的聚丙烯(PP)带作为电绝缘层8粘附至电极引出部3，以便不会从外围伸出。聚丙烯(PP)带的长度比引出端子2的宽度长2mm。作为制成这种电极绝缘层8的聚丙烯，使用具有可能的最低热收缩比的类型，或者使用热收缩比至多比制成隔离物的聚乙烯的热收缩比低的类型。这一点与下面的工作示例2和3相同。
工作示例2
高度为100mm、宽度为50mm的正电极13容纳于通过两个片状隔离物制造的隔离袋15内，每一个片状隔离物具有104mm的高度和54mm的宽度。宽度为2mm的熔融接合部4设置在隔离袋15的整个周长周围，除了电极引出部3处之外，并且进一步设置与熔融接合部4的外围连续的熔融密封部5。将宽度为3mm的聚丙烯(PP)带作为电绝缘层8粘附至电极引出部3，以固定伸出部和引出端子2，使得聚丙烯带从隔离袋15的外围伸出1mm(参见图5)。聚丙烯(PP)带的长度比引出端子2的宽度长2mm。
工作示例3
高度为100mm、宽度为50mm的正电极13容纳于通过两个片状隔离物制造的隔离袋15内，每一个片状隔离物具有104mm的高度和54mm的宽度。宽度为2mm的熔融接合部4设置在隔离袋15的整个周长周围，除了电极引出部3处之外，并且进一步设置与熔融接合部4的外围连续的熔融密封部5。宽度为4mm的聚丙烯(PP)带作为电极引出部3上的电绝缘层8，使其从隔离袋15的外围伸出2mm。然后粘附伸出部以便固定伸出部和引出端子2。聚丙烯(PP)带的长度比引出端子2的宽度长2mm。
工作示例4
高度为100mm、宽度为50mm的正电极13容纳于通过两个片状隔离物制造的隔离袋15内，每一个片状隔离物具有104mm的高度和54mm的宽度。宽度为2mm的熔融接合部4设置在隔离袋15的整个周长周围，除了电极引出部3处之外，并且进一步设置与熔融接合部4的外围连续的熔融密封部5。宽度为3mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)带作为电极引出部3上的电绝缘层8，使其从隔离袋15的外围伸出1mm。然后粘附聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)带以便固定伸出部和引出端子2。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)带的长度比引出端子2的宽度长2mm。
工作示例5
高度为100mm、宽度为50mm的正电极13容纳于通过两个片状隔离物制造的隔离袋15内，每一个片状隔离物具有104mm的高度和54mm的宽度。宽度为2mm的熔融接合部4设置在隔离袋15的整个周长周围，除了电极引出部3处之外，并且进一步设置与熔融接合部4的外围连续的熔融密封部5。将宽度为3mm的聚苯硫醚(PPS)带作为电绝缘层8进一步粘附到电极引出部3，从隔离袋15的外围伸出1mm，使得固定伸出部和引出端子2。聚苯硫醚(PPS)带的长度比引出端子2的宽度长2mm。
比较示例
该示例是使用与专利文件1类似的相关技术的方法。高度为100mm、宽度为50mm的正电极13容纳于通过两个片状隔离物制造的隔离袋15内，每一个片状隔离物具有104mm的高度和54mm的宽度。宽度为2mm的熔融接合部4设置在隔离袋15的整个周长周围，除了电极引出部3之外。还设置与熔融接合部4的外围连续的熔融密封部5。
测试条件
针对每一个工作示例和比较示例，准备了十四个正电极13，每一个均插入到通过上述方法制作的隔离袋15中，并且准备了没有插入到隔离袋15中的15个负电极14，每一个电极均具有100mm的高度和50mm的宽度。然后按照从负电极14开始的顺序交替地堆叠负电极14和容纳于隔离袋15中的正电极13，进一步地对齐，并且通过聚丙烯(PP)带固定，使得电极不会上下或左右偏移，以获得堆叠单元18。此时，正电极和负电极之间的间距是2mm。
将按照这种方式制作的堆叠单元18放置到恒温炉中，然后按照5±2℃/分钟将恒温炉的温度增加至130±2℃，然后保持在130±2℃10分钟。然后又在室温下将堆叠单元18充分冷却，然后研究正电极13和负电极14之间是否存在短路。将堆叠单元18进一步拆分，并且测量隔离袋15的电极引出部3的收缩量。
参照与锂离子二次电池的安全测试相关的日本工业标准JISC8712来设置这些测试条件。
测试结果
图6示出了测试结果。
在工作示例1中，施加电绝缘带的电绝缘层8那部分最终没有收缩，但是隔离袋15的其他部分收缩。结果，电极引出部3最终朝着隔离袋15的中心移动0.5mm。然而，正电极13没有从隔离袋15露出，并且没有发生短路。
在工作示例2-5中，施加电绝缘带的电绝缘层8那部分没有收缩，此外因为将电绝缘带固定到引出端子2，电极引出部3没有移动。结果，正电极13没有从隔离袋15露出，并且没有发生短路。
此外，基于工作示例3-5的结果，聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯硫醚都适用于电绝缘层8。
另外，基于工作示例2和3可知，使作为电绝缘层8的电绝缘带从隔离袋15的外围伸出约1mm，然后将电绝缘带粘附到引出端子2就足够了。
另一方面，在使用诸如专利文件1的相关技术的比较示例中，隔离袋的电极引出部经历了收缩，并且隔离袋在电极引出部收缩了4.1mm。结果，正电极从隔离袋露出。
基于上述结果可以看出，使用本发明的堆叠型二次电池使得能够防止由于热收缩而导致的正电极13从隔离袋15露出，因此使得能够防止在正电极13和负电极14之间发生短路。因为只需要将一个极性的电极容纳于隔离袋15中，本发明有助于减小成本。此外，即使隔离袋15出现一些收缩而引起正电极13的一部分几乎从隔离袋15露出，在正电极13和负电极14之间插入的电绝缘层8也防止发生短路。
尽管使得电绝缘层8的长度比引出端子2的宽度长2mm，比引出端子2的宽度长出的长度对于防止沿水平方向收缩是优选的，并且该长度不局限于2mm。
尽管在前述说明中将正电极13容纳于隔离袋15中，也可以采用将负电极14容纳于隔离袋15中而没有将正电极13容纳于隔离袋15中、或者将正电极13和负电极14各自均容纳于隔离袋15中的配置。
尽管以上已经示出了本发明的优选示例实施例并且描述了细节，应该理解的是本发明不局限于上述示例实施例，并且可以进行不脱离本发明要旨的各种改进和修改。
本申请要求2010年5月18日递交的日本专利申请No.2010-114240的权益，该申请的全部公开通过引用合并于此。
附图标记说明
2    引出端子
3    电极引出部(开口)
4     熔融接合部
5     熔融密封部
8     电绝缘层
11    铝层压膜
12    电解液
13    正电极
14    负电极
15    隔离袋
16    铝引线
17    镍引线
18    堆叠单元
19    固定带

Claims (8)

1.一种堆叠型二次电池，包括：
具有引出端子的正电极；
具有引出端子的负电极，所述负电极经由插入的隔离物与所述正电极交替地堆叠；
袋状隔离袋，各隔离袋通过将两个片状隔离物结合在一起而形成，并且容纳所述正电极和所述负电极中的至少一方；
开口，设置在每一个所述隔离袋的一部分中，并且容纳于所述隔离袋中的所述电极的所述引出端子从所述开口伸出到外部；以及
电绝缘层，所述电绝缘层覆盖所述开口的外围。
2.根据权利要求1所述的堆叠型二次电池，其中所述电绝缘层的一部分在所述开口的位置处从所述隔离袋的外围伸出，并且固定到容纳于所述隔离袋中的电极的所述引出端子。
3.根据权利要求1或2所述的堆叠型二次电池，其中所述隔离袋在容纳于所述隔离袋中的电极的周边周围除了所述开口之外的位置处设置有多个熔融接合部，所述熔融接合部之间具有间隔，两个所述片状隔离物在所述熔融接合部处接合在一起。
4.根据权利要求3所述的堆叠型二次电池，其中在除了所述开口之外的位置处设置将所述熔融接合部的内周或外周连续熔合的熔融密封部，或者在除了所述开口之外的位置处熔合所述熔融接合部之间的间隔。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的堆叠型二次电池，其中所述电绝缘层由在加热时不收缩的材料构成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的堆叠型二次电池，其中所述电绝缘层是聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚苯硫醚。
7.一种堆叠型二次电池的短路防止方法，包括如下步骤：
在袋状隔离袋中容纳具有引出端子的正电极和具有引出端子的负电极的至少一方中的每一电极，其中所述负电极与所述正电极经由插入的隔离物交替地堆叠，通过将两个片状隔离物结合在一起形成每一个所述隔离袋，每一个所述隔离袋均在一部分中具有开口；
使得容纳于所述隔离袋中的所述电极的所述引出端子经由所述开口伸出到所述隔离袋的外部；以及
利用电绝缘层覆盖所述开口的外围，所述电绝缘层在加热时不收缩，使得即使当向所述隔离袋施加热时所述开口也不收缩，使得容纳于所述隔离袋中的电极不会从所述隔离袋露出，并且使得容纳于所述隔离袋中的电极不会与其他电极接触。
8.根据权利要求7所述的堆叠型二次电池的短路防止方法，其中通过所述电绝缘层接合且固定每一个所述开口的外围和容纳于所述隔离袋中的电极的所述引出端子。
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