CN103155225B - 新型结构的帽组件与利用该帽组件的圆筒形电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种帽组件，该帽组件安装在具有阴极∕隔板∕阳极结构的果冻卷式电极组件中的容器的开放上端上，其中，果冻卷状物的电极引线被电连接到具有切口的安全排放孔的下端，在电池的内部产生高压的情况下，该切口破裂以排出高压气体，并且用于在预定的温度下中断电流的安全元件被设置在安全排放孔与电极引线之间。

Description

新型结构的帽组件与利用该帽组件的圆筒形电池
技术领域
本发明涉及一种新型结构的帽组件，并且，尤其涉及一种布置在电池的圆筒形容器的开放的上端处的帽组件，在该电池中，阴极/隔板/阳极结构的电极组件(果冻卷状物)被安装在圆筒形容器中，其中，果冻卷状物的电极引线被电连接到具有切口的安全排放孔的下端，当在电池中产生高压时，该切口破裂以排出高压气体，并且用于在预定的温度下中断电流的安全元件设置在安全排放孔与电极引线之间。
背景技术
随着移动装置已经日益改进并且对该移动装置的需求已经增加，对作为用于移动装置的能源的二次电池的需求也已经大大增加。在该二次电池之中的是具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池，在该锂二次电池中已经进行了许多研究并且现在该锂二次电池被商业化且广泛地使用。
取决于电池壳体的形状，二次电池可以被划分为具有安装在圆筒形金属容器中的电极组件的圆筒形电池、具有安装在棱柱形金属容器中的电极组件的棱柱形电池或具有安装在由铝层压片形成的袋形壳体中的电级组件的袋形电池。圆筒形电池的优点在于，圆筒形电池具有相对大的容量并且在结构上是稳定的。
另外，安装在电池壳体中的电极组件充当具有阴极/隔板/阳极堆结构的功率产生元件，该功率产生元件能够被充电和放电。电极组件可以被划分为：果冻卷式电极组件，该果冻卷式电极组件被构造成具有如下结构，被涂敷活性材料的长片式阴极和长片式阳极被卷绕，而隔板被布置在阴极与阳极之间；或堆叠式电极组件，该堆叠式电极组件被构造成具有如下结构，具有预定尺寸的多个阴极和阳极被依次堆叠，而隔板被分别布置在阴极与阳极之间。果冻卷式电极组件的优点在于，果冻卷式电极组件易于制造并且具有高的能量密度每单位质量。
图1是典型地示出一般圆筒形电池的竖直截面透视图。
参考图1，通过如下过程制造圆筒形电池100：将果冻卷式(卷绕式)电极组件120插入圆筒形壳体130中，将电解质注入圆筒形壳体130中，并且将具有电极端子(未示出)例如阴极端子的顶帽140联接到圆筒形壳体130的开放的上端。
果冻卷式电极组件120被构造成具有如下结构，在该结构中，在隔板123被布置在阴极121与阳极122之间的状态下，阴极121和阳极122被卷绕成圆形。圆筒形中心销150被布置在卷的中央，即，电极组件120的中央。中心销150大体由金属材料制成以呈现预定的强度。中心销150被构造成具有通过卷起金属片形成的中空圆筒形结构。中心销150用于固定并且支撑电极组件120。此外，当对二次电池充电和放电时或当操作二次电池时，中心销150充当通过二次电池的内部反应产生的排出的气体的通道。
同时，锂二次电池的缺点在于，锂二次电池具有低安全性。例如，当电池被过度充电至约4.5V或以上时，阴极活性材料被分解，在阳极发生锂金属的树枝状生长，并且电解质被分解。这时，从电池产生热，结果是，上文提及的分解和若干子分解迅速地进行，并且最后，电池可能着火并且爆炸。
为了解决上文提及的问题，因此，一般的圆筒形二次电池包括电流中断装置(CID)，该电流中断装置被安装在限定在果冻卷式电极组件与顶帽之间的空间中以当二次电池发生故障时中断电流并且释放内部压力。
图2至图4中示出由该CID执行的一系列操作。
参考该附图，顶帽10突出以形成阴极端子。顶帽10具有排气口。在顶帽10的下方依次布置正温度系数(PTC)元件20，该正温度系数元件20用于当电池的内部温度升高时通过电池电阻的显著增加来中断电流；安全排放孔30，该安全排放孔30被构造成在正常状态下具有向下凹陷的形状以及用于当电池的内部压力增加时突出并且破裂以用于排出气体；以及电流中断装置50，该电流中断装置50在其上端的一侧处被联接到安全排放孔30并且在其下端的一侧处被连接到电极组件40的阴极。另外，电流中断装置50的外周被电流中断装置垫圈52包围以固定电流中断装置50。
因此，在正常操作条件下，电极组件40的阴极经由电极引线42、电流中断装置50、安全排放孔30以及PTC元件20连接到顶帽10以实现电气传导。
然而，当由于各种原因诸如过度充电从电极组件40产生气体时，电池的内部压力增加，并且安全排放孔30的形状被反向，如图3中所示。即，安全排放孔30向上突出。这时，安全排放孔30从电流中断装置50分离以中断电流。因此，防止过度充电进一步进行，从而实现安全性。然而，当电池的内部压力继续增加时，安全排放孔30破裂，如图4中所示，结果是，加压气体通过顶帽10的排气口经由破裂的安全排放孔30被排出，从而防止电池爆炸。
同时，除上述的过度充电特性之外，圆筒形二次电池必须呈现高温存储特性。
高温存储特性需要电池的如下独特特性，在该电池中，当电池被维持在预定的温度下(例如，75℃)持续长时间段时，电池的电压不会下降。具体地，甚至在测试之后高温存储特性需要电池在正常电压和电流下的操作。
当电池被充电到比正常电压高的水平时，过度充电特性需要CID用于有效地中断电压和电流的正常运行，从而防止电池在由于电池的内部压力和温度增加使电池爆炸之前爆炸。
在8至14kgf/cm2的短路压力范围内调节注入的电解质的量的方法主要被用于满足高温存储特性和过度充电特性。
如果将少量电解质注入圆筒形电池容器中，则尽管高温存储特性变得有利，但过度充电特性变得不利。即，如果电解质的量是小的，则电池单元的内部空间增加。因此，如果在电池单元被过度充电的状态下在电池单元中产生气体，则在用于使CID破裂的充足的气体产生之前，电池单元的内部温度增加，结果使电池单元爆炸。
另一方面，如果将大量的电解质注入圆筒形电池容器中，则尽管过度充电特性变得有利，但高温存储特性变得不利。即，如果电解质的量是大的，则电池单元的内部空间减小。因此，如果在电池单元在高温下的状态下在电池单元中产生气体，则CID破裂，结果电池单元不能使用。
因此，非常需要新型结构的帽组件以及包括诸如帽组件的圆筒形电池，该帽组件能够同时满足高温存储特性和过度充电特性，而无需调节所注入的电解质的量。
发明内容
技术问题
因此，已经完成本发明来解决以上问题以及尚未解决的其它的技术问题。
为了解决如上文所述的问题，作为各种广泛和深入研究的结果，本申请的发明人已经发现，当用于在预定的温度下中断电流的安全元件被联接在帽组件的安全排放孔与电极引线之间时，能够同时满足高温存储特性和过度充电特性，而无需调节所注入的电解质的量。基于该发现已经完成了本发明。
技术方案
根据本发明的一个方面，以上的和其它的目的可以通过提供一种布置在电池的圆筒形容器的开放的上端处的帽组件来实现，在该电池中，阴极/隔板/阳极结构的电极组件(果冻卷状物)被安装在圆筒形容器中，其中，果冻卷状物的电极引线被电连接到具有切口的安全排放孔的下端，当在电池中产生高压时，该切口破裂以排出高压气体，并且用于在预定的温度下中断电流的安全元件设置在安全排放孔与电极引线之间。
即，在根据本发明的帽组件中，帽组件的安全排放孔和果冻卷状物的电极引线经由用于在预定的温度下中断电流的安全元件被电连接到彼此。因此，能够同时满足高温存储特性和过度充电特性，而无需调节所注入的电解质的量。
具体地，在根据本发明的帽组件中，安全元件用于在预定的温度下中断电流，并且因此，虽然电池单元的内部压力稍微增加，但是电流不中断，而不像常规帽组件那样，在常规帽组件中，当电解质的量是大的时，电池单元的内部空间减小，结果当产生气体时使电流中断装置(CID)破裂。因此，根据本发明的帽组件有助于高温存储特性。
另外，甚至在电解质的量较小的情况下，当电池单元的内部温度由于过度充电而连续地增加时，电流被安全元件中断，并且因此，电池单元的温度在爆炸之前达到预定的温度。因此，能够抑制温度的进一步上升，从而有效地防止电池单元的爆炸。
此外，根据本发明的帽组件不需要电流中断装置以及用于电流中断装置的垫圈，并且因此，能够降低制造成本。另外，充分的是，注入适当的量的电解质到电池单元被正常操作的程度，并且因此，能够提高注入效率。
此外，安全元件位于在安全排放孔与电极引线之间使得安全元件被布置成与果冻卷状物相邻。因此，安全元件能够较迅速地反应以改变果冻卷状物的温度以在预定的温度下中断电流。
优选地，用于防止在果冻卷状物与安全元件之间的接触的绝缘板被安装在果冻卷状物的顶部以防止由于在安全元件与果冻卷状物之间的接触而发生短路。
在优选的示例中，安全元件可以包括热熔丝。
当电池被热冲击、过度充电或电压下降时，热熔丝中断电流，从而提高电池的安全性。另外，热熔丝容易地解决基于过程的问题，诸如短路压力的增加和减小。
预定的温度可以是80℃至110℃，优选是80℃至100℃。如果温度太低，则在高温存储条件下可能使电流中断。另一方面，如果温度太高，则在过度充电条件下可能使电流不中断。
电极引线可以被从电极引线的安全元件联接到的区域的前端向外弯曲，使得电极引线被从果冻卷状物的中央向外引导；并且然后电极引线被从电极引线的安全元件联接到的区域的后端向内弯曲。因此，防止安全元件弯曲和损坏。
在以上结构中，安全元件可以被联接到电极引线的上端的一部分。例如，安全元件可以通过焊接被一体地联接到电极引线的上端的一部分。
安全排放孔是一种安全装置，当由于电池的异常操作或组成电池的部件的劣化而使电池的内部压力增加时，该安全装置排出来自电池的气体，从而确保电池的安全。例如，当在电池中产生气体并且电池的内部压力超过临界值时，安全排放孔破裂，并且因此，气体穿过破裂的安全排放孔并然后被从电池通过形成在顶帽处的一个或多个气体排出口排出。
安全排放孔的材料不被特别地限制。优选地，安全排放孔由具有0.15mm至0.4mm的厚度的铝片形成，使得当电池的内部压力超过临界值时安全排放孔破裂。
在优选的示例中，安全排放孔在其中央处可以设有被构造成向下凹入的凹陷，第一切口和第二切口可以分别形成在限定凹陷的上弯曲区域和下弯曲区域处，第一切口可以形成闭合曲线，在第一切口的下方形成的第二切口可以被构造成一侧开放的开放曲线的形状，并且第二切口可以形成为比第一切口深。
由于第二切口形成为比第一切口深，所以当其压力超过临界压力的加压气体被施加到安全排放孔时，第二切口被切断。另一方面，当其压力小于临界压力的加压气体被施加到安全排放孔时，第一切口与第二切口协作以使凹陷向上升高。
在优选的示例中，帽组件可以被构造成具有如下结构，在该结构中，顶帽和安全排放孔被堆叠，至少一个气体排出口形成在该顶帽处，并且垫圈可以被安装在帽组件的外周。
因此，电极引线的顶部通过焊接被联接到安全排放孔，安全元件被联接到该电极引线，并且因此，能够通过连续的过程制造帽组件。
另外，与包括如图2中所示的顶帽、安全排放孔、PTC元件、CID和电流中断装置垫圈的常规帽组件相比，被构造成具有上文的结构的帽组件不需要正温度系数(PTC)元件、电流中断装置(CID)和电流中断装置垫圈。
由于根据本发明的帽组件不需要如上文所述的电流中断装置和电流中断装置垫圈，所以能够降低帽组件的制造成本。另外，由于根据本发明的帽组件不需要PTC元件，所以能够减小与PTC元件的高度成正比的压褶部分(criming part)的高度，结果卷边部分(beaded part)的高度增加，从而增加果冻卷状物的电池容量。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括帽组件的圆筒形电池。
根据本发明的圆筒形二次电池通过如下过程制造：在果冻卷式电极组件被安装在圆筒形金属容器中的状态下，将帽组件联接到圆筒形金属容器的开放的上端，将电极组件的阳极焊接到容器的下端，并且在电极组件和电解质被包含在容器中的状态下，将电极组件的阴极焊接到联接到容器的上端的帽组件以密闭地密封电池。
根据本发明的电池可以是具有高能量密度、高放电电压以及高输出稳定性的锂二次电池。以下将详细描述根据本发明的锂二次电池的其它部件。
一般地，锂二次电池包括阴极、阳极、隔板以及含有锂盐的非水电解质。
例如通过将阴极活性材料、导电材料以及粘合剂的混合物涂敷到阴极集电器并且对所涂敷的混合物进行干燥可以制造阴极。根据需要，可以进一步添加填料。通过将阳极材料涂敷到阳极集电器并且对所涂敷的阳极材料进行干燥可以制造阳极。根据需要，可以进一步添加上文提及的成分。
隔板被布置在阳极与阴极之间。隔板可以由呈现高离子渗透性和高机械强度的绝缘薄膜形成。
含有锂盐的非水电解质由非水电解质和锂盐组成。液体非水电解质、固体非水电解质或无机固体非水电解质可以被用作非水电解质。
在本发明所属的领域中，集电器、电极活性材料、导电材料、粘合剂、填料、隔板、电解质以及锂盐是公知的，因此，将省略其详细描述。
可以使用本发明所属的领域中公知的一般方法来制造根据本发明的锂二次电池。即，通过将多孔隔板布置在阴极与阳极之间并且将电解质注入多孔隔板中可以制造锂二次电池。
例如，通过将由先前描述的锂过渡金属氧化物活性材料、导电材料以及粘合剂组成的浆料涂敷到集电器并且对浆料进行干燥可以制造阴极。以相同的方式，例如，通过将由先前描述的碳活性材料、导电材料以及粘合剂组成的浆料涂敷到薄的集电器并且对浆料进行干燥可以制造阳极。
有利的效果
如从上文的描述明显的是，在根据本发明的帽组件中，用于在在预定的温度下中断电流的安全元件被连接在安全排放孔与电极引线之间。因此，能够同时满足高温存储特性和过度充电特性，而无需调节所注入的电解质的量。
附图说明
根据结合附图进行的下列详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征以及其它优点，其中：
图1是示出一般圆筒形电池的竖直截面透视图；
图2至图4是示出通过电流中断装置(CID)的操作来中断电流并且对来自圆筒形电池的高压气体进行排放的一系列过程的竖直截面图；
图5是典型地示出根据本发明的实施例的圆筒形电池的局部截面图；
图6是示出在图5的圆筒形电池中使用的安全排放孔的透视图；并且
图7是典型地示出图5的安全元件的截面图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细地描述本发明的优选实施例。然而，应注意，本发明的范围并不限于示出的实施例。
图5是典型地示出根据本发明的实施例的圆筒形电池的局部截面图，并且图6是典型地示出在图5的圆筒形电池中使用的安全排放孔的透视图。
参考这些附图，根据本发明的实施例的圆筒形电池100a通过如下过程制造：将果冻卷状物110插入容器200中，将电解质注入容器200中并且将帽组件300安装到容器200的开放的上端。
帽组件300被构造成具有如下结构，在该结构中，顶帽310和用于减小电池的内部压力的安全排放孔320在相互紧密接触的同时被布置在气密的垫圈400中，该气密的垫圈400被安装在容器的压褶部分202的内侧并且在容器200的卷边部分210的上部分的内侧。顶帽310的中央向上突出以充当用于与外部电路连接的阴极端子。多个通孔312围绕顶帽310的突起形成，使得压缩气体通过通孔312被从容器200排出。
另外，帽组件300被构造成具有如下结构，在该结构中，顶帽310和安全排放孔320被堆叠，充当气体排出口的通孔312形成在顶帽310处。垫圈400被安装在帽组件300的外周处。
因此，与图2的帽组件相比，图5的帽组件300不需要正温度系数(PTC)元件20。因此，与PTC元件20的高度成正比例的压褶部分202的高度减小，结果卷边部分210的高度H增加，从而增加果冻卷状物110的电池容量。
安全排放孔320是传输电流的薄膜结构。使安全排放孔320的中央凹入以形成凹入的中央部分322。具有不同的深度的两个切口324和326分别形成在中央部分322的上弯曲区域和下弯曲区域处。
另外，果冻卷状物110的电极引线600被连接到安全排放孔320的下端。用于在80℃至110℃的温度下中断电流的安全元件610被联接到电极引线600。
由于安全元件610被布置成与果冻卷状物100相邻，所以安全元件610能够较迅速地反应以改变果冻卷状物100的温度来中断电流。
用于防止在果冻卷状物110与安全元件610之间接触的绝缘板220被安装在果冻卷状物110的顶部，从而防止由于在果冻卷状物110与安全元件610之间接触而发生短路。
另外，电极引线600被从电极引线600的联接有安全元件610的区域的前端向外弯曲，使得电极引线600被从果冻卷状物的中央向外引导；并且然后电极引线600被从电极引线600的联接有安全元件610的区域的后端向内弯曲。
同时，形成在安全排放孔320的上部分处的第一切口324形成闭合曲线，并且形成在安全排放孔320的下部分处的第二切口326被构造成其一侧是开放的开放曲线的形状。另外，第二切口326形成为比第一切口324深。因此，第二切口326的联接力小于第一切口324的联接力。
因此，当容器200的内部压力超过临界压力时，安全排放孔320的第二切口326破裂，结果加压气体被从容器200通过顶帽310的通孔312排出。
图7是典型地示出图5的安全元件的截面图。
参考图7，作为安全元件的热熔丝610被构造成使得热熔丝610的中间区域A形成为薄片的形状。因此，例如，当电池的内部温度是80℃或以下时，电流不被中断，从而满足高温存储特性。另一方面，当电池单元的内部温度超过80℃时，热熔丝610的相对薄的中间区域A破裂以使从果冻卷状物110流到安全排放孔320的电流中断，从而防止电池由于过度充电而爆炸。
除了上文提及的结构之外，可以使用其它不同的结构来在预定的温度下中断电流。
虽然出于说明性目的已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离如在所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，能够进行各种变形、添加和替换。

Claims (11)

1.一种布置在电池的圆筒形容器的开放的上端处的帽组件，在所述电池中，阴极/隔板/阳极结构的电极组件被安装在所述圆筒形容器中，其中
所述电极组件的电极引线被电连接到具有切口的安全排放孔的下端，其中，当在所述电池中产生高压时，所述切口破裂以排出高压气体，
用于在预定的温度下中断电流的安全元件设置在所述安全排放孔与所述电极引线之间，并且
所述电极引线被从所述电极引线的联接有所述安全元件的区域的前端向外弯曲，使得所述电极引线从所述电极组件的中央被向外引导，然后所述电极引线被从所述电极引线的联接有所述安全元件的所述区域的后端向内弯曲。
2.根据权利要求1所述的帽组件，其中，用于防止所述电极组件与所述安全元件之间接触的绝缘板被安装在所述电极组件的顶部。
3.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述安全元件包括热熔丝。
4.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述预定的温度是80℃至110℃。
5.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述预定的温度是90℃至100℃。
6.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述安全元件形成在所述电极引线的上端的一部分处。
7.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述安全排放孔由具有0.15mm至0.4mm的厚度的铝片形成。
8.根据权利要求1所述的帽组件，其中，在所述安全排放孔的中央处设有被构造成向下凹入的凹陷，第一切口和第二切口分别形成在限定所述凹陷的上弯曲区域和下弯曲区域处，所述第一切口形成闭合曲线，形成在所述第一切口的下方的所述第二切口被构造成一侧开放的开放曲线的形状，并且所述第二切口形成为比所述第一切口深。
9.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述帽组件被构造成具有如下结构，在该结构中，顶帽和所述安全排放孔被堆叠，至少一个气体排出口形成在所述顶帽处，并且
垫圈被安装在所述帽组件的外周处。
10.一种包括根据权利要求1所述的帽组件的圆筒形电池。
11.根据权利要求10所述的圆筒形电池，其中，所述电池包括锂二次电池。
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