CN104737322A - 三维非矩形电池单元结构 - Google Patents

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Abstract

本发明所公开的实施例提供了一种电池单元。所述电池单元包括一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极。所述电池单元还包括包封所述层的袋。最后，所述电池单元具有三维非矩形形状，以有利于有效地利用由所述电池单元供电的便携式电子设备内的空间：例如孔(202)可延伸穿过所述层和所述袋两者。电池引片(204,206)、或电子部件诸如BMU可被定位在所述孔内。

Description

三维非矩形电池单元结构
技术领域
本发明所公开的实施例涉及用于便携式电子设备的电池。更具体地讲，本发明所公开的实施例涉及具有三维非矩形形状的电池单元，该三维非矩形形状有利于通过容纳便携式电子设备中的部件来有效地利用便携式电子设备内的空间。
背景技术
目前使用可再充电电池来为各式各样的便携式电子设备供电，所述便携式电子设备包括膝上型计算机、平板电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)、数字音乐播放器和无绳电动工具。最常用的一种可再充电电池是锂电池，其可包括锂离子或锂聚合物电池。
锂聚合物电池通常包括被封装在柔性袋中的单元。此种袋通常重量轻且制造成本低。此外，可以将这些袋定制成各种单元尺寸，从而允许将锂聚合物电池用于空间受限的便携式电子设备(例如移动电话、膝上型计算机和/或数字照相机)中。例如，锂聚合物电池单元可以通过在镀铝层压袋中包封压制电极和电解质而实现90-95％的封装效率。然后可以在便携式电子设备内并排放置多个袋，并进行串联和/或并联电耦接，以形成用于便携式电子设备的电池。
然而，空间的有效利用可能受到现有电池组架构中单元使用和布置的限制。具体地，电池组通常包含相同容量、大小和尺寸的矩形单元。单元的物理布置可以附加地反映出单元的电气配置。例如，常用六单元电池组可以包括六个相同大小和容量的锂聚合物单元，配置成两两串联、三三并联(2s3p)的构造。在此类电池组内，并排放置的两排每排三个单元可以堆叠在彼此之上；每排可以采用并联电耦合构造，并且两排之间可以采用串联电耦合构造。因此，电池组可能需要便携式电子设备中的空间，其长度至少为每个单元的长度、厚度为每个单元的两倍、并且宽度为每个单元的三倍。
此外，这种常见类型的电池组设计可能无法利用便携式电子设备中为电池组保留的矩形空间外部的自由空间。例如，这种类型的矩形电池组可能无法有效率地利用弯曲、倒圆和/或不规则形状的自由空间。按照同样的思路，可以容纳电池组的方式来布置和/或设计便携式电子设备中的其他部件。例如，可将电池管理单元(BMU)附接到电池组的侧面，从而突出到电池组所占用的矩形空间之外。
因此，可以通过与包含锂聚合物电池单元的电池组的封装效率、容量、形状因数、设计和/或制造相关的改进，而有利于便携式电子设备的使用。
发明内容
本发明所公开的实施例提供了一种电池单元。所述电池单元包括一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极。所述电池单元还包括包封所述层的袋。最后，电池单元具有三维非矩形形状以有利于有效利用由电池单元供电的便携式电子设备内的空间。
在一些实施例中，非矩形形状包括延伸穿过所述层和所述袋两者的孔、沿电池单元的表面形成的凹陷部、和/或沿电池单元的一个或多个侧面形成的凹口。非矩形形状还可包括被布置成堆叠构造的不同尺寸的一组电极片，其中在电极片中形成有弯曲部。
在一些实施例中，电池单元还包括耦接到阴极的第一导电引片和耦接到阳极的第二导电引片，其中第一导电引片和第二导电引片延伸穿过袋中的密封件以为电池单元提供端子。
在一些实施例中，第一导电引片和第二导电引片被定位在所述孔、凹陷部和/或凹口内。
在一些实施例中，非矩形形状适合于便携式电子设备中的部件。例如，所述凹口、孔和/或凹陷部可以配合电池管理单元(BMU)、印刷电路板(PCB)、和/或BMU和/或PCB的电磁屏蔽装置。导电引片还可被定位在所述凹口、孔和/或凹陷部内或其附近，以有利于将电池单元耦接到便携式电子设备中的部件和/或其他电池单元上。
在一些实施例中，所述孔和/或凹陷部与正方形形状、矩形形状、圆形形状和/或椭圆形形状相关联。
在一些实施例中，所述凹陷部形成在电池单元的长度上延伸的通道。
在一些实施例中，该一组层形成具有暴露于所述袋的最外侧阴极层的单元叠层。
附图说明
图1A示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图1B示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图2示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图3示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图4A示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图4B示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图5A示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图5B示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元。
图6示出了根据本发明所公开的实施例的便携式电子设备。
图7A示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元中的示例性的一组层。
图7B示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元的袋中的示例性的一组层。
图7C示出了聚丙烯层中可以如何发生破裂，该破裂靠近根据本发明所公开的实施例的单元叠层的拐角。
图7D示出了根据本发明所公开的实施例的非矩形单元叠层的不同表面。
在附图中，类似的附图标号是指相同的附图元件。
具体实施方式
给出以下描述是为了使本领域的任何技术人员能够做出并使用实施例，并且以下描述是在特定应用及其要求的语境中提供的。对于本领域的技术人员而言，对本发明所公开的实施例的各种修改将是显而易见的，并且可以将本文定义的一般原理应用于其他实施例和应用而不脱离本公开的实质和范围。因此，本发明不限于所示的实施例，但要符合根据本文公开的原理和特征的最广泛范围。
此具体实施方式中描述的数据结构和代码通常存储在计算机可读存储介质上，其可以是能够存储供计算机系统使用的代码和/或数据的任何设备或介质。计算机可读存储介质包括但不限于易失性存储器、非易失性存储器、磁性和光学存储设备，例如磁盘驱动器、磁带、CD(光盘)、DVD(数字多功能光盘或数字视频光盘)、或现在已知或以后开发的能够存储代码和/或数据的其他介质。
可以将具体实施方式部分描述的方法和过程具体化为代码和/或数据，其可存储在如上所述的计算机可读存储介质中。当计算机系统读取并执行计算机可读存储介质上存储的代码和/或数据时，计算机系统执行具体化为数据结构和代码并存储于计算机可读存储介质内的方法和过程。
此外，可以将本文描述的方法和过程包括在硬件模块或装置中。这些模块或装置可以包括但不限于专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)、在特定时间执行特定软件模块或一段代码的专用或共享处理器、和/或其他现在已知或以后开发的可编程逻辑设备。当激活硬件模块或装置时，它们执行包括在其中的方法和过程。
本发明所公开的实施例涉及电池单元的设计，其包括包封在袋中的一组层。这些层可以包括具有活性涂层的阴极、隔板、以及具有活性涂层的阳极。这些层可以堆叠和/或卷绕以形成凝胶卷、双单元和/或其他类型的电池结构。电池单元还包括耦接到阴极的第一导电引片和耦接到阳极的第二导电引片。第一导电引片和第二导电引片延伸穿过袋中的密封件，以为电池单元提供端子。
此外，电池单元可具有三维非矩形形状和/或设计。术语“非矩形”可表示电池单元透过任何切割平面而不是矩形的，或者换句话讲，当从顶部、底部和/或侧面观察时，电池单元不是矩形的。非矩形形状和/或设计可有利于通过例如容纳便携式电子设备中的部件和/或便携式电子设备的弯曲壳体而有效地利用便携式电子设备内的空间。接着，电池单元可以比同样便携式电子设备中的矩形电池单元提供更大的容量、封装效率和/或电压。
如图1A所示，电池单元可包括沿电池单元的表面的凹陷部102。凹陷部102可形成沿电池单元的长度延伸的通道。凹陷部102又可容纳便携式电子设备中的部件，诸如印刷电路板(PCB)、电池管理单元(BMU)和/或部件的电磁屏蔽装置。
电池单元还可包括一组导电引片104-106，所述导电引片延伸穿过包封电池单元的袋中的密封件。可以使用导电引片104-106来将电池单元与一个或多个其他电池单元电耦接以形成电池组。例如，导电引片104可耦接到电池单元的阴极，并且导电引片106可耦接到电池单元的阳极。导电引片104-106还可以串联、并联或串并联构造耦接到其他电池单元以形成电池组。导电引片104-106可被定位在凹陷部102附近和/或之内，以有利于将电池单元耦接到驻留在凹陷部102中的部件上，诸如BMU。
或者，如图1B所示，电池单元可包括圆形和/或椭圆形凹陷部108。凹陷部108可容纳被成型为不同于由图1A的凹陷部102所容纳的部件的部件。例如，凹陷部108可容纳便携式电子设备的壳体的一部分。
本领域的技术人员应当理解，可在电池单元中形成不同形状和尺寸的凹陷部。例如，电池单元可包括矩形、正方形、圆形和/或椭圆形的凹陷部以容纳便携式电子设备内的各种部件和/或结构。
电池单元还可包括其他非矩形特征部。如图2所示，电池单元可包括延伸穿过所述层和所述袋两者的孔202，而不是深度浅于电池单元厚度的凹陷部。与上述凹陷部一样，孔202可为矩形、正方形、圆形、椭圆形，和/或有利于有效地利用便携式电子设备内的空间的任何其他形状。
孔202可允许穿过电池单元和/或沿该电池单元的顶部或底部堆叠的其他电池单元的中部放置部件。例如，连接电池单元的BMU可以穿过孔202和/或其他电池单元中的类似孔来布线。此外，可将一组导电引片204-206放置在孔202内，以有利于将电池单元耦接到BMU和/或其他电池单元。
还可将上述非矩形特征部结合在电池单元内。如图3所示，两个电池单元可以彼此邻近定位并且包括孔302-304和凹陷部306-308两者。例如，一个电池单元可包括矩形和/或正方形孔302以及从孔302延伸到右侧的凹陷部306，并且另一个电池单元可包括矩形和/或正方形孔304和从孔304延伸到左侧的凹陷部308。
孔302-304和凹陷部306-308的这种组合可允许电池单元容纳便携式电子设备中的部件。例如，可将BMU、PCB、电磁屏蔽装置和/或其他部件放置在凹陷部306-308和/或孔302-304内以形成不具有任何突出的矩形形状。可随后使用驻留在孔302-304内的导电引片310-316将部件电耦接到电池单元。
电池单元还可具有弯曲的形状。如图4A所示，电池单元可包括一组层402-408，所述一组层由被布置成堆叠构造的不同尺寸的电极片形成。例如，层402-408可包括四种不同尺寸的电极片的叠层。可以堆叠一系列最大尺寸的电极片以形成层402，并且可以将一系列较小尺寸的电极片放置在层402下方以形成层404。可随后将一组第三大的电极片堆叠在层404下方以形成层406，并且最后可将最小的电极片放置在层406下方以形成层408。层402-408的这种尺寸差异可使电池单元能够适合于弯曲的空间。例如，层402-408可形成填充便携式电子设备壳体内的弯曲拐角的阶梯形状。
为更有利于使用便携式电子设备中的可用空间，可在层402-408中形成向上的弯曲。例如，所述弯曲可增加电池单元在仅由层402-408的水平堆叠形成的弯曲部上方的曲率。
电池单元还可沿与图4A中的方向相反的方向弯曲。如图4B所示，电池单元可包括尺寸从上到下减小的堆叠电极片的四个层410-416，类似于图4A的层402-408。然而，层410-416是向下而非向上弯曲，以使电池单元适合于具有不一样的曲率的空间。例如，向下弯曲可允许电池单元适合于这样的壳体：其具有由壳体的弯曲侧面和/或壁与壳体的平坦侧面和/或壁形成的拐角。
最后，如图5A所示，可通过沿电池单元的拐角形成凹口502来在电池单元中生成非矩形形状。一组导电引片504-506还可被定位在凹口502内而不是沿电池单元的侧面。继而，凹口502和/或导电引片504-506可容纳便携式电子设备中的部件，诸如BMU、PCB、和/或BMU和/或PCB的电磁屏蔽装置。例如，可将部件放置在凹口502内以形成没有突出的矩形和/或正方形形状，并且引片504-506可用于将电池单元电耦接到便携式电子设备中的部件和/或其他电池单元。
如图5B所示，可沿电池单元的一侧而不是在两侧的交汇处(例如，拐角)来形成凹口508。还可将导电引片510-512放置在凹口508内以将电池单元电连接到放置在凹口508内的部件。
一般可以将上述可再充电电池单元用于任何类型的电子设备中。例如，图6示出了便携式电子设备600，其包括处理器602、存储器604和显示器608，它们全都由电池606供电。便携式电子设备600可以对应于膝上型计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、平板电脑、便携式媒体播放器、数字相机和/或其他类型的由电池供电的电子设备。电池606可以对应于包括一个或多个电池单元的电池组。每个电池单元可包括密封在袋中的一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板、具有活性涂层的阳极、和/或粘结剂涂层。
电池单元还可包括非矩形形状，其可包括延伸穿过所述层和所述袋两者的孔和/或沿电池单元的表面形成的凹陷部。非矩形形状还可包括被布置成堆叠构造的不同尺寸的一组电极片，以及在电极片中形成的弯曲部。最后，非矩形形状可包括沿电池单元的一个或多个侧面形成的凹口。
电池单元的非矩形形状和/或设计可有利于有效地利用便携式电子设备内的空间。例如，非矩形形状可容纳便携式电子设备中的部件，诸如BMU、PCB和/或电磁屏蔽装置。非矩形形状还可允许电池单元适合于便携式电子设备的壳体内的非矩形(例如，弯曲的)空间。
单元和袋结构
图7A示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元中的示例性的一组层。这些层可以卷绕以形成凝胶卷结构，或者可以堆叠以形成堆叠单元结构。还需注意，所建议的层厚度仅出于举例说明的目的而提供；所述层可以薄于或厚于所建议的厚度。
所示的层包括具有铜层702(其例如可为6-10微米厚)和石墨层704(其例如可为50-70微米厚)的阳极。所示的层还包括具有铝层710(其例如可为10-14微米厚)和锂层708(其例如可为50-70微米厚)的阴极，所述锂层包含锂材料，诸如LiCoO2、LiNCoMn、LiCoAl或LiMn2O4。
隔板层706被插入石墨层704和锂层708之间。例如，隔板层706可为9-13微米厚并且包含聚乙烯(PP)、聚丙烯(PP)和/或PE与PP的组合，诸如PE/PP或PP/PE/PP。该隔板包括也提供“热关闭”机制的微多孔薄膜。如果电池单元达到这些材料的熔点，则孔关闭，这防止离子流过隔膜。
隔板层706还可包括可为单面或双面的微氧化铝(AL2O3)涂层。该氧化铝涂层是有利的，因为它提供氧化铝的机械耐用性，其约与LiCoO2粒子本身一样耐用。此外，由氧化铝层提供的其他耐用性可例如防止LiCoO2粒子穿过隔板706以自己的方式工作，这可潜在地导致分流。
将上述层浸入电解质(未示出)，该电解质例如可为可包含碳酸亚乙酯(EC)、聚碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)或碳酸二甲酯(DMC)的基于LiPF6的电解质。该电解质还可包含添加剂，诸如碳酸乙烯酯(VC)或聚苯乙烯(PS)。该电解质另外可为溶液或凝胶(如果使用了胶凝剂)的形式。
图7B示出了根据本发明所公开的实施例的电池单元的袋中的示例性的一组层。该袋包括尼龙和/或聚醚醚酮(PEEK)层714，该层驻留在阻止水分进入的铝层716的顶部。(需注意，可将粘合剂设置在层714和层716之间，并且该粘合剂可包括用作着色剂的油墨。)该袋还可包括可选的聚氨酯顶层712以减小反射率并提供糙面精整。电池袋还包括底部保护层718，该层可为聚丙烯和/或烯烃。
在一个或多个实施例中，使用冲压机在袋中形成凹坑以容纳电池单元。参见图7C，在该冲压过程中，铝层716趋于在拐角处变薄，并且保护性聚丙烯层718可形成微裂纹724。在随后将电解质放入单元中时，这可在铝层716和单元叠层724之间形成电连接，并且导致铝进入溶液形成LiAl，这是一个问题。
要防止该问题，理想的是，单元叠层724的最外层的电势应与铝层716的电势相同。因此，理想的是，单元叠层724叠层的底部和单元叠层724的顶部将最外侧的铝阴极层暴露于电池袋。需注意，为使体积效率最大化，电极通常被单侧涂覆。因此，对于单元叠层724的底部和顶部，可将含有铝的单侧涂覆的阴极暴露于所述袋。所述袋的铝层716与阴极的铝之间的零电势差可防止铝被腐蚀，即使在聚丙烯层718中存在裂纹724时也是如此。
更一般地，图7D示出了根据本发明所公开的实施例的具有阶梯结构的非矩形单元叠层732的不同表面。需注意，阶梯之间的一组界面740-741可为(1)匹配的裸金属或(2)阳极对阴极以使体积效率最大化。此外，阶梯状单元叠层732的暴露于袋734的表面736-739应理想地为铝阴极层。
仅仅出于例示和描述的目的给出了各种实施例的前述描述。它们并非意在穷举本发明或将本发明限制为所公开的形式。因此，对于本领域熟练的从业者而言许多修改和变型将是显而易见的。另外，以上公开并非意在限制本发明。

Claims (30)

1.一种电池单元，包括：
一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极；
包封所述层的袋；和
孔，所述孔延伸穿过所述层和所述袋两者，以有利于有效地利用由所述电池单元供电的便携式电子设备内的空间。
2.根据权利要求1所述的电池单元，还包括：
耦接到所述阴极的第一导电引片；和
耦接到所述阳极的第二导电引片，
其中所述第一导电引片和所述第二导电引片延伸穿过所述袋中的密封件，以为所述电池单元提供端子。
3.根据权利要求1所述的电池单元，还包括：
沿所述电池单元的表面形成的凹陷部，
其中所述凹陷部和所述孔容纳所述便携式电子设备中的部件。
4.根据权利要求3所述的电池单元，其中所述部件为电池管理单元BMU。
5.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述孔与正方形形状、矩形形状、圆形形状和椭圆形形状中的至少一者相关联。
6.一种电池单元，包括：
被布置成堆叠构造的不同尺寸的一组电极片；
包封所述电极片的袋；和
弯曲部，所述弯曲部形成在所述电极片中，以有利于有效地利用由所述电池单元供电的便携式电子设备内的空间。
7.一种电池单元，包括：
一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极；
包封所述层的袋；和
凹陷部，所述凹陷部沿所述电池单元的表面形成，以有利于有效地利用由所述电池单元供电的便携式电子设备内的空间。
8.根据权利要求7所述的电池单元，还包括：
延伸穿过所述层和所述袋两者的孔，
其中所述凹陷部和所述孔容纳所述便携式电子设备中的部件。
9.根据权利要求7所述的电池单元，其中所述凹陷部容纳所述便携式电子设备中的印刷电路板PCB和电磁屏蔽装置中的至少一者。
10.根据权利要求7所述的电池单元，其中所述凹陷部与正方形形状、矩形形状、圆形形状和椭圆形形状中的至少一者相关联。
11.根据权利要求7所述的电池单元，其中所述凹陷部形成在所述电池单元的长度上延伸的通道。
12.根据权利要求7所述的电池单元，其中所述一组层形成具有暴露于所述袋的最外侧阴极层的单元叠层。
13.一种电池单元，包括：
一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极；
包封所述层的袋；和
凹口，所述凹口沿所述电池单元的一个或多个侧面形成，以有利于有效地利用由所述电池单元供电的便携式电子设备内的空间。
14.根据权利要求13所述的电池单元，还包括：
耦接到所述阴极的第一导电引片；和
耦接到所述阳极的第二导电引片，
其中所述第一导电引片和所述第二导电引片延伸穿过所述袋中的密封件，以为所述电池单元提供端子。
15.根据权利要求14所述的电池单元，其中所述第一导电引片和所述第二导电引片被定位在所述凹口内。
16.一种便携式电子设备，包括：
由电池组供电的一组部件；和
所述电池组，所述电池组包括：
电池单元，所述电池单元包括：
一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极；
包封所述层的袋；和
孔，所述孔延伸穿过所述层和所述袋两者，以有利于有效地利用所述便携式电子设备内的空间。
17.根据权利要求16所述的便携式电子设备，其中所述电池单元还包括：
耦接到所述阴极的第一导电引片；和
耦接到所述阳极的第二导电引片，
其中所述第一导电引片和所述第二导电引片延伸穿过所述袋中的密封件，以为所述电池单元提供端子。
18.根据权利要求16所述的便携式电子设备，其中所述电池单元还包括：
沿所述电池单元的表面形成的凹陷部，
其中所述凹陷部和所述孔容纳所述便携式电子设备中的部件。
19.根据权利要求18所述的便携式电子设备，其中所述部件为电池管理单元BMU。
20.根据权利要求16所述的便携式电子设备，其中所述孔与正方形形状、矩形形状、圆形形状和椭圆形形状中的至少一者相关联。
21.一种便携式电子设备，包括：
由电池组供电的一组部件；和
所述电池组，所述电池组包括：
电池单元，所述电池单元包括：
被布置成堆叠构造的不同尺寸的一组电极片；
包封所述电极片的袋；和
弯曲部，所述弯曲部形成在所述电极片中，以有利于有效地利用所述便携式电子设备内的空间。
22.一种便携式电子设备，包括：
由电池组供电的一组部件；和
所述电池组，所述电池组包括：
电池单元，所述电池单元包括：
一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极；
包封所述层的袋；和
凹陷部，所述凹陷部沿所述电池单元的表面形成，以有利于有效地利用所述便携式电子设备内的空间。
23.根据权利要求22所述的便携式电子设备，其中所述电池单元还包括：
延伸穿过所述层和所述袋两者的孔，
其中所述凹陷部和所述孔容纳所述便携式电子设备中的部件。
24.根据权利要求22所述的便携式电子设备，其中所述凹陷部容纳所述便携式电子设备中的印刷电路板PCB和电磁屏蔽装置中的至少一者。
25.根据权利要求22所述的便携式电子设备，其中所述凹陷部与正方形形状、矩形形状、圆形形状和椭圆形形状中的至少一者相关联。
26.根据权利要求22所述的便携式电子设备，其中所述凹陷部形成在所述电池单元的长度上延伸的通道。
27.一种便携式电子设备，包括：
由电池组供电的一组部件；和
所述电池组，所述电池组包括：
电池单元，所述电池单元包括：
一组层，所述一组层包括具有活性涂层的阴极、隔板和具有活性涂层的阳极；
包封所述层的袋，其中所述袋是柔性的；和
凹口，所述凹口沿所述电池单元的一个或多个侧面形成，以有利于有效地利用所述便携式电子设备内的空间。
28.根据权利要求27所述的便携式电子设备，其中所述电池单元还包括：
耦接到所述阴极的第一导电引片；和
耦接到所述阳极的第二导电引片，
其中所述第一导电引片和所述第二导电引片延伸穿过所述袋中的密封件，以为所述电池单元提供端子。
29.根据权利要求28所述的便携式电子设备，其中所述第一导电引片和所述第二导电引片被定位在所述凹口内。
30.根据权利要求27所述的便携式电子设备，其中所述凹口容纳所述便携式电子设备中的部件。
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