CN105684191B - 具有用于防止短路的装置的电池单体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池单体，在该电池单体中，包括正电极、负电极和介于正电极和负电极之间的分隔膜的电极组件被安装在电池单体外壳的接纳部中；正端子和负端子从电极组件的外部周向表面的至少一个表面突出；并且绝缘材料被添加到电极组件和电池单体外壳之间。

Description

具有用于防止短路的装置的电池单体
技术领域
本发明涉及一种具有用于防止短路的装置的电池单体。
背景技术
随着由于化石燃料的消耗导致能源价格升高和对于环境污染的关心加重，对于环境友好的可替代能源的需求在将来必定会扮演越来越重要的角色。因此，对于用于产生各种电力诸如核能、太阳能、风能和潮汐能的技术的研究正在进行中，并且用于更加有效率地使用所产生的能量的电力存储设备也正在吸引很多的关注。
特别地，随着移动装置技术继续发展并且对于移动装置的需求继续增加，对于作为能源的电池的需求正在快速地增加。相应地，对于能够满足各种需要的电池的大量研究已经得到实施。
在电池的形状方面，对于薄得足以应用于诸如蜂窝式电话的产品的棱柱形二次电池或者袋形二次电池的需求是非常高的。另一方面，在用于电池的材料方面，对于呈现高的能量密度、放电电压和输出稳定性的锂二次电池诸如锂离子电池和锂离子聚合物电池的需求也是非常高的。
另外，可以基于每一个二次电池的电池外壳的形状而将二次电池分类成圆柱形电池、棱柱形电池和袋形电池，其中圆柱形电池被构造成具有电极组件被安装在圆柱形金属容器中的结构，棱柱形电池被构造成具有电极组件被安装在棱柱形金属容器中的结构，并且袋形电池被构造成具有电极组件被安装在由层压铝片制成的袋形外壳中的结构。
特别地，近年来，因为低的制造成本、轻的重量、易于修改其形状等，所以已经对于袋形电池产生了大量的兴趣，袋形电池构造成具有这样的结构，在该结构中这种堆叠或者堆叠/折叠型电极组件被安装在由层压铝片制成的袋形电池外壳中。另外，这种袋形电池的使用已经逐渐地增加。
此外，可以基于电极组件的结构来对二次电池进行分类，电极组件具有其中正电极和负电极在分隔物介于正电极和负电极之间的状态下被堆叠的结构。例如，电极组件可以构造成具有其中长片型正电极和长片型负电极在分隔物布置在正电极和负电极之间的状态下被卷绕的果冻卷(卷绕)型结构，或者其中每一个具有预定尺寸的多个正电极和负电极在分隔物被分别布置在正电极和负电极之间的状态下被顺序地堆叠的堆叠型结构。近年来，为了解决由果冻卷型电极组件和堆叠型电极组件引起的问题，已经研制了一种堆叠/折叠型电极组件，堆叠/折叠型电极组件是果冻卷型电极组件和堆叠型电极组件的组合，具有提高的结构，其中预定数目的正电极和负电极在分隔物被分别布置在正电极和负电极之间的状态下被顺序地堆叠以构成双单体或者全单体，在此之后，多个双单体或者全单体在置于分隔膜上的同时被顺序地折叠。
关于二次电池的主要研究项目之一在于提高二次电池的安全性。例如，二次电池可以由二次电池中的高的温度或压力或二次电池的变形而导致爆炸，二次电池中的高的温度或压力可以由二次电池的异常状态诸如二次电池的内部短路、利用高于允许电流或者电压的电流或者电压对二次电池过度充电、二次电池暴露于高温造成，二次电池的变形由二次电池跌落或者施加到二次电池的外部冲击引起。
具体地，如果电池单体受到从电池单体外侧穿入电池单体中的金属部件损坏，则金属部件直接地接触电极组件的电极，结果内部短路可能在电池单体中发生或者电池单体可能着火，由此极大地降低电池单体的安全性。
图1是示意性地示出其中传统电池单体局部受到金属部件损坏的实例的典型视图。
参考图1，电池单体100构造成具有如下结构，在该结构中，电极组件150被安装在电池外壳141和142中，电极组件150包括正电极111和112与负电极121和122，其中分隔物131、132和133分别介于正电极111和112与负电极121和122之间。电池单体100的一个部分受到已经从电池单体100外侧穿入电池单体100中的金属部件160损坏。
金属部件160已经破坏穿过电池外壳141并且然后穿入电池单体100中，导致电极组件150已经局部受到损坏。在此情形中，构成电极组件150的正电极111和112与负电极121和122直接地接触金属部件160。结果，在电池单体100中发生内部短路，导致电池单体可能着火或者爆炸。
因此，能够根本上解决以上问题的技术是高度必要的。
发明内容
技术问题
已经做出本发明以解决尚待解决的以上问题和其它技术问题。本发明的一个目的在于提供一种电池单体，该电池单体在电极组件和电池外壳之间设有绝缘材料以当电池单体受到金属部件损坏时防止由于在电极组件的电极和穿入电池单体中的金属部件之间的直接接触而在电池单体中发生短路或者电池单体燃烧，由此提高电池单体的安全性。
另外，本发明的另一个目的在于提供一种电池单体，能够与电极组件的形状无关地将绝缘材料应用于该电池单体，并且该电池单体使用一种简单的结构实现了安全性的提高。
技术方案
根据本发明的一个方面，能够通过提供这样的电池单体来实现以上和其它目的，所述电池单体被构造使得包括正电极、负电极和介于正电极和负电极之间的分隔物的电极组件被安装在电池外壳中形成的接纳部中，正电极端子和负电极端子从电极组件的至少一侧突出，并且绝缘材料设置在电极组件和电池外壳之间。
在根据本发明的电池单体中，如上所述，绝缘材料设置在电极组件和电池外壳之间。因此，当电池单体受到金属部件损坏时能够防止由于在电极组件的电极和穿入电池单体中的金属部件之间的直接接触而在电池单体中发生短路或者电池单体燃烧，由此提高电池单体的安全性。
另外，与电极组件的形状无关地，仅绝缘材料设置在传统电极组件的外表面或者传统电池外壳的内表面处。因此，能够使用简单的结构提高电池单体的安全性。
在具体实例中，绝缘材料可以在绝缘材料与电极组件的外表面或者电池外壳的内表面紧密接触的状态下设置在电极组件和电池外壳之间。
如果绝缘材料设置在电极组件中，例如在正电极和负电极之间，则离子在电极之间的流动可能受到绝缘材料干扰。在另一方面，如果绝缘材料设置在电池外壳的外表面处，则绝缘材料向外暴露。在此情形中，绝缘材料可能被污染物减弱、可能劣化或者可能被磨损。结果，电池外壳可能部分地或者全部地向外暴露，并且因此绝缘材料可能不呈现期望的效果。
根据本发明，在绝缘材料与电极组件的面对电池外壳的内表面的外表面或者电池外壳的面对电极组件的外表面的内表面紧密接触的状态下，绝缘材料设置在电极组件和电池外壳之间。结果，当电池单体受到金属部件损坏时，绝缘材料位于金属部件和电极组件的电极之间。因此，能够防止在金属部件和电极组件的电极之间的直接接触，由此防止电池单体着火或者爆炸，因此提高电池单体的安全性。
然而，本发明不限于此。绝缘材料可以设置在电极组件的外表面和电池外壳的内表面上。
在另一个具体实例中，绝缘材料可以全部地或者部分地在电极组件和电池外壳之间设置在电极组件的除电极组件的正电极端子和负电极端子之外的其余区域处。
即，根据电池单体所应用到的装置的形状，绝缘材料可以局部地仅仅设置在电极组件的向外暴露的并且可能因此易于断裂的区域处，或者可以全部地设置在电极组件的除电极组件的正电极端子和负电极端子之外的其余区域处。
在此情形中，绝缘材料可以设置在电极组件的外表面或者电池外壳的内表面的整个面积的30％到90％，优选地50％到70％上。另外，绝缘材料可以具有等于电极组件的厚度的0.1％到20％，优选地5％到10％的厚度。
如果绝缘材料设置在小于电极组件的外表面或者电池外壳的内表面的整个面积的30％上或者如果绝缘材料具有等于比电极组件的厚度的0.1％小的厚度，则不能呈现期望的短路防止效果。另一方面，如果绝缘材料设置在大于电极组件的外表面或者电池外壳的内表面的整个面积的90％处或者如果绝缘材料具有等于比电极组件的厚度的20％大的厚度，则可能难以利用电解质浸渍电极组件。
具体地，当电池单体受到金属部件损坏时，绝缘材料弹性地拉伸成包围已经穿入电极组件中的金属部件的外表面的形状。
因此，如果绝缘材料设置在小于电极组件的外表面或者电池外壳的内表面的整个面积的30％上，则不能够有效地防止在金属部件与电极组件的正和负电极之间的直接接触以因此呈现期望的安全性提高效果，因为绝缘材料并不覆盖已经穿入电极组件中的金属部件的整个外表面。
另一方面，如果绝缘材料具有等于比电极组件的厚度的0.1％小的厚度，则根据金属部件的形状或者刚度，绝缘材料可能受到损坏，由此不能够呈现期望的安全性提高效果。
同时，绝缘材料不受特别限制，只要绝缘材料设置在电极组件的外表面或者电池外壳的内表面处从而在不影响电池单体的性能的同时呈现期望的短路防止效果和期望的安全性提高效果。例如，绝缘材料可以是绝缘涂料、Parafilm膜、泡沫橡胶或者它们的混合物。
在此情形中，绝缘涂料可以是从由丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、丁基橡胶(IRR)、氯丁二烯橡胶(CR)和三元乙丙橡胶(EPDM)组成的组选择的至少一种。绝缘涂料可以在电极组件和电池外壳之间施加到电极组件的外表面或者电池外壳的内表面。
另外，泡沫橡胶可以是天然橡胶或者合成橡胶。具体地，合成橡胶可以是从由丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、聚丁橡胶、异戊二烯橡胶、乙丙橡胶、硫化橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶和丙烯酸橡胶组成的组选择的至少一种。
构成根据本发明的电池单体的电极组件的结构不受特别限制，只要电极组件构造成具有包括正电极、负电极和介于正电极和负电极之间的分隔物的结构。具体地，电极组件可以构造成具有其中正电极和负电极在分隔物介于正电极和负电极之间的状态下被卷绕的结构；其中每一个具有预定尺寸的多个正电极和负电极在分隔物分别布置在正电极和负电极之间的状态下被顺序地堆叠的结构；或者如下结构，在该结构中，每一个具有预定尺寸的多个正电极和负电极在分隔物分别布置在正电极和负电极之间的状态下被顺序地堆叠以构成单元单体，在此之后多个单元单体在布置在分隔膜上的同时被顺序地折叠。
另外，构成根据本发明的电池单体的电池外壳的结构不受特别限制，只要带有上述构造的电极组件与电解质一起被接纳在电池外壳中。具体地，电池外壳可以是构造成具有包括圆柱形或者棱柱形容器和在容器的开口上端上装载的盖的结构的外壳，或者由包括树脂层和金属层的层压片制成的袋形外壳。
根据本发明的电池单体的种类不受特别限制，只要电池单体在构造成具有上述结构的同时呈现期望的效果。在一个具体实例中，根据本发明的电池单体可以是呈现高的能量密度、放电电压和输出稳定性的锂二次电池，诸如锂离子电池或者锂离子聚合物电池。
在本发明所属技术领域中，包括锂二次电池的电池单体的构造、结构和制造方法是众所周知的，并且因此其详细说明将省略。
根据本发明的另一个方面，提供一种包括带有上述构造的电池单体的装置。该装置可以是从由蜂窝电话、平板计算机、膝上型计算机、电力工具、电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和电力存储设备组成的组选择的任一种。
在本发明所属技术领域中该装置和设备是众所周知的，并且因此将省略其详细说明。
附图说明
与附图相结合，根据以下详细说明，将更加清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1是示意性地示出传统电池单体局部受到金属部件损坏的实例的典型视图；
图2是示出根据本发明的实施例的电池单体的结构的典型视图；
图3是示意性地示出图2的电池单体局部受到金属部件损坏的实例的典型视图；并且
图4是典型地示出根据本发明的其它实施例的电池单体的设置了绝缘弹性部件的区域的平面视图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。然而，应该指出，本发明的范围不受所示意的实施例限制。
图2是示出根据本发明的实施例的电池单体的结构的典型视图，并且图3是示意性地示出电池单体局部受到金属部件损坏的实例的典型视图。
参考图2和3，电池单体200被构造成具有如下结构，在该结构中，电极组件250被安装在电池外壳241和242中，电极组件250包括正电极211和212与负电极221和222，其中分隔物231、232和233分别介于正电极211和212与负电极221和222之间，并且绝缘材料271和272分别设置在电极组件250与电池外壳241和242之间。
如果金属部件260从电池单体200外侧穿入电池单体200中，则电池单体200的一部分可能受到损坏。具体地，金属部件260可能破坏穿过电池外壳241并且然后可能穿入电池单体200中，导致电极组件250可能局部受到损坏。
在此情形中，基于金属部件的外部形状，设置在电极组件250和电池外壳241之间的绝缘材料271被拉伸成包围已经穿入电池单体200中的金属部件260的外表面的形状。
结果，绝缘材料271防止已经穿入电池单体200中的金属部件260和构成电池单体200的电极组件250的正电极211和212与负电极221和222之间的直接接触，由此防止在电池单体200中发生内部短路或者防止电池单体200着火，因此提高电池单体200的安全性。
图4是典型地示出根据本发明的其它实施例的电池单体的设置了绝缘弹性部件的区域的平面视图。
参考图4，根据本发明的电池单体410被构造成使得正电极端子411和负电极端子412从电极组件413的一侧突出，并且根据本发明的另一个电池单体420被构造成使得正电极端子421和负电极端子422从电极组件423的相对侧突出。
绝缘材料414设置在电池单体410的电极组件413和外壳(未示出)之间，并且绝缘材料424设置在电池单体420的电极组件423和外壳(未示出)之间。具体地，绝缘材料414在电极组件413和外壳之间设置在电极组件413的除电极组件413的正电极端子411和负电极端子412的之外的其余区域处，并且绝缘材料424在电极组件423和外壳之间设置在电极组件423的除电极组件423的正电极端子421和负电极端子422之外的其余区域处。
因此，即使当电池单体410和420的除正电极端子411和421与负电极端子412和422之外的其余区域局部受到金属部件损坏时，仍然可以防止在金属部件与正电极和负电极之间的直接接触，由此防止在电池单体410和420中发生内部短路或者防止电池单体410和420着火，因此提高电池单体410和420的安全性。
<实例1>
制造构造成具有其中正电极和负电极在分隔物被分别介于正电极和负电极之间的状态下被堆叠的结构的堆叠型电极组件。随后，卷绕由特氟隆(Teflon)制成的绝缘带，以覆盖电极组件的上表面、下表面和相对的侧表面。随后，在袋形铝电池外壳中接纳电极组件，并且然后密封电池外壳以制造电池单体。
<对照实例1>
除了不卷绕任何绝缘带以覆盖电极组件的上表面、下表面和相对的侧表面之外，以与在实例1中相同的方式制造电池单体。
<试验实例1>
将根据实例1和对照实例1制造的电池单体连接到外部装置。在将电传导测试器连接到在电池单体和外部装置之间的连接部的状态下，从610mm的高度抛落具有15.8mm的直径和91.9kg的重量的针形部件从而向根据实例1和对照实例1制造的电池单体的上表面施加冲击。在根据实例1和对照实例1制造的电池单体的不同区域上执行九次冲击测试以检查是否由于在针形部件和电极之间的直接接触而在电池单体中发生内部短路。结果在表格1中示出。
[表格1]
能够从表格1看到，在根据本发明的实例1制造的构造成具有其中卷绕绝缘带以覆盖电极组件的上表面、下表面和相对的侧表面的结构的电池单体中，与在根据对照实例1制造的电池单体的情形中相比，更多地防止了由于在针形部件和电极之间的直接接触而发生内部短路。
这是因为，当针形部件穿入电池单体中时，绝缘带防止了在针形部件和电极之间的直接接触。
虽然已经为了说明性的意图公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应理解，在不偏离如在所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替代都是可能的。
工业实用性
如根据以上说明清楚地，在根据本发明的电池单体中，绝缘材料设置在电极组件和电池外壳之间。因此，能够防止当电池单体受到金属部件损坏时由于在电极组件的电极和穿入电池单体中的金属部件之间的直接接触而在电池单体中发生短路或者电池单体燃烧。另外，能够与电极组件的形状无关地将绝缘材料应用于电池单体。进而，仅在传统电极组件的外表面或者传统电池外壳的内表面上设置绝缘材料。因此，能够使用一种简单的结构提高电池单体的安全性。

Claims (11)

1.一种电池单体，所述电池单体被构造成使得电极组件被安装在形成于电池外壳中的接纳部中，所述电极组件包括正电极、负电极和介于所述正电极和所述负电极之间的分隔物，正电极端子和负电极端子从所述电极组件的至少一侧突出，并且绝缘材料被设置在所述电极组件和所述电池外壳之间，
其中，所述绝缘材料的厚度等于所述电极组件的厚度的0.1％到20％，
其中，所述绝缘材料是绝缘带，所述绝缘带覆盖所述电极组件的上表面、下表面和相对的侧表面，
其中，在所述绝缘材料与所述电极组件的外表面或所述电池外壳的内表面紧密接触的状态下，所述绝缘材料被设置在所述电极组件和所述电池外壳之间，并且
其中，在所述电极组件和所述电池外壳之间，所述绝缘材料部分地设置在所述电极组件的除了所述电极组件的所述正电极端子和所述负电极端子之外的其余区域上，并且
其中，所述绝缘材料被设置在所述电极组件的外表面或所述电池外壳的内表面的整个面积的30％到90％上。
2.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述电极组件被构造成具有如下结构，即：所述正电极和所述负电极在所述分隔物介于所述正电极和所述负电极之间的状态下被卷绕。
3.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述电极组件被构造成具有如下结构，即：每一个具有预定尺寸的多个正电极和负电极在分隔物分别布置在所述正电极和所述负电极之间的状态下被顺序地堆叠。
4.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述电极组件被构造成具有如下结构，在所述结构中，每一个具有预定尺寸的多个正电极和负电极在分隔物分别布置在所述正电极和所述负电极之间的状态下被顺序地堆叠以构成单元单体，在此之后多个单元单体在被放置在分隔膜上的同时被顺序地折叠。
5.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述电池外壳被构造成具有包括圆柱形或棱柱形容器和在所述容器的开口上端上装载的盖的结构。
6.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述电池外壳是由包括树脂层和金属层的层压片制成的袋形外壳。
7.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述电池单体是锂二次电池。
8.一种包括一个或多个根据权利要求1所述的电池单体的装置。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置是从由蜂窝电话、平板计算机、膝上型计算机、电力工具、电动车辆和电力存储设备组成的组中选择的任一种。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置是混合动力电动车辆。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置是插电式混合动力电动车辆。
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