CN106797045B - 包括具有与阶梯式电极组件相对应的凸起的电池壳体的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池，所述电池具有安装在电池壳体中的电极组件，所述电池包括构造成阶梯式结构的电极组件和电池壳体，电极组件中的两个或更多个电极或电池单元具有不同的平面尺寸，电池壳体中的接收部在其内表面上设置有朝向所述电极组件凸出的至少一个凸起。

Description

包括具有与阶梯式电极组件相对应的凸起的电池壳体的电池
技术领域
本申请要求于2014年9月19日提交至韩国知识产权局的申请号为10-2014-0125098的韩国专利申请的权益，该申请的全部内容通过引用并入本申请。
本发明涉及包括具有与阶梯式电极组件相对应的凸起的电池壳体的电池。
背景技术
随着移动设备的日益发展，以及对这种移动设备需求的增加，二次电池作为移动设备的电源，其需求量急剧增加。近年来，二次电池已经作为电源用于电动车(EV)和混合动力电动车(HEV)。在这样的二次电池中，锂二次电池表现出高能量密度、放电电压、以及输出稳定性，其需求很高。
基于其外观，锂二次电池一般可分为圆柱形电池、棱柱形电池或袋状电池。基于电解液的类型，锂二次电池也可分为锂离子电池、锂离子聚合物电池或锂聚合物电池。
移动设备近来的小型化趋势增加了对具有小厚度的棱柱形电池或袋状电池的需求。特别地，由于袋状电池的形状容易改变、制造成本低、重量轻，目前人们对这种袋状电池的关注度极高。
一般来说，在密封状态下，袋状电池是一种在袋状电池壳体内部具有电极组件和电解质的电池，袋状电池壳体由包括树脂层和金属层的层压片制成。安装在电池壳体内的电极组件可以构造成具有果冻卷(卷曲)型结构、堆叠型结构、或者组合型结构(堆叠/折叠)。
电极组件通常制造成具有类似矩形的形状。电极组件安装在电池壳体内部以制造具有长方体形状的袋状电池。
然而，近年来，根据超薄型设计或各种其他设计的趋势变化，需要新型的电池。矩形电极组件难以充分利用设备中的空间。出于这样的原因，作为基于设备的形状可以以各种形式应用的电极组件，已经开发了具有除了一般矩形形状以外的各种外部形状的电极组件，对应于移动设备的形状将二次电池应用到设备中。
图1是示例性示出包括阶梯式电极组件的电池的平面图(a)和侧视图(b)。
如图1所示，袋状二次电池10被构造成具有如下结构，其中电极组件30以密封状态安装在袋状电池壳体20内，使得电连接至电极组件30的正极接线片和负极接线片的两个电极引线40和41暴露在外，所述电极组件30包括正极、负极和分别设置在正极和负极之间的隔板。
电极组件30构造为阶梯式结构，其中具有不同尺寸的多个电极或电池单元31和32在基于平面的高度方向上堆叠。
电池壳体20包括下壳体21以及上壳体22，下壳体21包括用于接收电极组件30的凹形接收部，上壳体22被构造成覆盖下壳体21以密封电极组件30。如图1所示，上壳体22和下壳体21一体的连接到彼此。或者，上壳体22和下壳体21可以分开设置。电池壳体20的接收部设置有与电极组件30的外部形状相对应的阶梯24。
从图中可以看出，容纳在电池壳体的接收部中的电极组件被设计为使得电极组件的尺寸对应于接收部的尺寸，由此电极组件被紧密地容纳在接收部中。然而，由于其制造误差，具有特定尺寸的间隙可存在于电极组件和接收部之间。此外，在电极组件被构造为具有阶梯式结构，且其中具有不同尺寸的多个电极或电池单元在基于平面的高度方向上堆叠的情况下，电极组件和接收部之间的间隙可能由于形状复杂的阶梯式形状而进一步增大，这可能降低电池的安全性。
在传统的电池中，电极组件可能由于电极组件与电池壳体的接收部之间的间隙而移动，并且当外部和内部冲击施加到电极组件时，电极组件可能容易损坏。为此，增加了提高包括阶梯式电极组件的电池的完全性的要求。
因此，对于能够解决上述问题的电池壳体和包括该电池壳体的电池存在较高的需求。
发明内容
技术问题
本发明是为了解决上述问题和尚待解决的其他技术问题而做出的。
作为进行各种广泛和深入研究及实验以解决上述问题的结果，本申请的发明人发现，如下文将描述的，在电池壳体的接收部的内表面设置朝向电极组件凸出的一个或多个凸起以防止一个或多个电极或电池单元移动的情况，可容易地防止在接收部和电极组件之间形成间隙，从而提高电池的安全性，同时不需要增加用于将电极组件固定在电池中的构件。本发明是基于这些发现完成的。
技术方案
根据本发明的一个方面，可通过提供一种电池来实现上述及其他目的，所述电池具有电极组件并且构造为具有其中隔板分别设置在安装于电池壳体中的正极和负极之间的结构，所述电池包括电池壳体，电池壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和/或下壳体设置有用于接收电极组件的接收部，电极组件被构造为具有多个电极或电池单元在基于平面的高度方向上堆叠、并且至少两个电极或电池单元具有不同的平面尺寸的阶梯式结构，其中电池壳体的接收部在其内表面上设置有朝向电极组件凸出的至少一个凸起，以防止至少一个电极或电池单元的移动。
这里，至少一个凸起朝向电极组件凸出，意味着当从接收部的外部观察时，凸起被构造为具有电池壳体的接收部的外表面向内凹陷的形状，并且意味着当从接收部的内部观察时，凸起被构造为具有接收部的内表面朝向电极组件凸出的形状。
因此，在根据本发明的电池中，电池壳体的接收部在其内表面上设置有朝向电极组件凸出的至少一个凸起以防止至少一个电极或电池单元的移动。因此，可以防止在接收部和电极组件之间形成间隙，从而大大提高电池的安全性。
另外，在根据本发明的电池中，例如，堆叠在阶梯式电极组件的最下层的电极可具有相对大的平面尺寸，并且至少一个具有相对小的平面尺寸的电极或电池单元可堆叠在最下面的电极上。
如上文所述，在电极组件被构造为阶梯式结构，且其中具有不同尺寸的多个电极或电池单元在基于平面的高度方向上堆叠的情况下，电极组件的结构可能比具有单层结构的常规电极组件更复杂，其结果是精确地定位堆叠的电极或电池单元非常困难。在具有相对小尺寸的电极或电池单元堆叠于相对较高层的情况下，电极或电池单元与接收部之间的间隙可能会增大。
因此，在具体示例中，可定位凸起使其对应于至少一个具有相对小的平面尺寸的电极或电池单元的侧面。具体地，凸起可推挤具有相对小的平面尺寸的电极或电池单元的至少一个侧面，以防止电极或电池单元的移动。
可以通过从外部沿向内方向按压接收部的外表面而形成凸起。具体地，凸起可以被构造为棱锥形形状、棱柱形形状或半球形形状。更具体地，凸起可被构造为梯柱形形状。
在具体示例中，至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在形成电极端子的方向上可具有不同的宽度。或者，至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在形成电极端子的方向上可具有不同的长度。或者，至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在形成电极端子的方向上可具有不同的宽度和长度。
此外，至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在电极或者电池单元堆叠的方向上可具有相同的厚度。或者，至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在电极或者电池单元堆叠的方向上可具有不同的厚度。然而，本发明并不限于此。特别地，至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在电极或者电池单元堆叠的方向上可具有不同的厚度。
在具体示例中，每个电池单元可以是构造为具有下述结构的电池单元，其中在一个或多个隔板设置在一个或多个正极以及一个或多个负极之间的状态下堆叠一个或多个正极以及一个或多个负极，其中相同种类的电极位于堆叠结构的相对侧；或者每个电池单元可以是构造为具有下述结构的电池单元，其中在一个或多个隔板设置在一个或多个正极以及一个或多个负极之间的状态下堆叠一个或多个正极以及一个或多个负极，其中不同种类的电极位于堆叠结构的相对侧。具体地，具有位于堆叠结构相对侧的相同种类的电极的电池单元可被构造为具有正极位于堆叠结构的相对侧或负极位于堆叠结构的相对侧的结构。例如，电池单元可被构造为具有正极、隔板、负极、隔板、正极顺序堆叠的结构。或者，电池单元可被构造为具有负极、隔板、正极、隔板、负极顺序堆叠的结构。可以提供较多数量的正极和较多数量的负极。具有位于堆叠结构相对侧的相同种类的电极的电池单元可被构造为具有正极和负极位于堆叠结构相对侧的结构。例如，电池单元可被构造为具有正极、隔板、负极顺序堆叠的结构。可以提供更多数量的正极和更多数量的负极。
此外，对各电极或电池单元的形状没有特别的限制。例如，每个电极或电池单元可构造为长方体的形状。当从上方观察时，每个电极或电池单元可构造为多边形形状或圆形形状。或者，每个电极或电池单元可构造为平面形状或弯曲形状。
此外，至少两个具有不同平面尺寸的电极或电池单元可以在与选自接收部的上侧面、后侧面、左侧面和右侧面中的至少一个面接触的状态下在形成电极端子的方向上堆叠，由此可以设定凸起的位置。例如，在电极或电池单元在与接收部的上侧面接触的状态下堆叠时，凸起可以在接收部的上侧面上形成。
在具体示例中，至少两个具有不同平面尺寸的电极或电池单元在形成电极端子的方向上可具有不同的宽度。在这种情况下，电极或电池单元具有不同的宽度，但是具有相同的长度。因此，电极或电池单元可以在与接收部的上侧面和/或下侧面接触的状态下堆叠，凸起可包括形成在接收部的形成有电极端子的上侧面(当从上方观察)上的一个或多个凸起，或者凸起可包括形成在与上侧面相对的接收部的下侧面上的一个或多个凸起。
在另一个具体示例中，至少两个具有不同平面尺寸的电极或电池单元在形成电极端子的方向上具有不同的长度。在这种情况下，电极或电池单元具有不同的长度，但是具有相同的宽度。因此，电极或电池单元可在与接收部的上侧面以及与上侧面相邻的左侧面和右侧面接触的状态下堆叠，凸起可包括形成在选自接收部的形成有电极端子的上侧面(当从上方观察时)、以及与上侧面相邻的接收部的左侧面和右侧面之中的任一面上的一个或多个凸起。
在进一步的具体示例中，至少两个具有不同平面尺寸的电极或电池单元在形成电极端子的方向上具有不同的宽度和长度。在这种情况下，电极或电池单元具有不同的宽度和长度。因此，电极或电池单元可在与接收部的上侧面接触的状态下堆叠，或者电极或电池单元可在与选自接收部的上侧面以及与上侧面相邻的左侧面和右侧面之中的任一面接触的状态下堆叠，凸起可包括形成在接收部的形成有电极端子的上侧面(当从上方观察时)上的一个或多个凸起，或者凸起可包括形成在选自接受部的上侧面以及与上侧面相邻的左侧面和右侧面之中的任一面上的一个或多个凸起。
如上所述，在根据本发明的电池单元中，凸起的形状和位置可以根据具有不同平面尺寸的两个或更多个电极或电池单元之间的宽度和/或长度的差异、以及电极或电池单元的堆叠位置而改变。
同时，电池壳体可以是由包括树脂层和金属层的层压片制成的袋状壳体。上壳体和下壳体可以一体形成以构成单个构件，或者可以彼此分开地形成。
特别地，根据本发明的电池单元可以是锂二次电池。
可以通过将电极组件放置在电池壳体中并用包含锂盐的非水电解液注入电极组件来制造锂二次电池。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造电池的方法。
具体地，根据本发明的电池的制造方法包括：制造电池壳体的工序，电池壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和/或下壳体设置有用于接收电极组件的接收部，所述接收部在其内表面上设置有用于防止电极或电池单元移动的至少一个凸起；制造电极组件的工序，所述电极组件被构造为具有阶梯式结构，其中多个电极或电池单元在基于平面的高度方向上堆叠，并且至少两个电极或电池单元具有不同的平面尺寸；以及在电极组件安装于电池壳体中的状态下进行的将电解液注入电池壳体，并且通过热熔密封电池壳体的边缘的工序。
具体地，制造电池壳体的工序可包括：(a)制备模具的步骤，(b)在所述模具的上表面上设置袋状膜的步骤，(c)制备具有与所述模具的形状相对应的形状的夹具的步骤，以及(d)使用所述夹具按压所述袋状膜以形成用于接收所述电极组件的接收部和在所述接收部的内表面上形成至少一个凸起的步骤。
在一个具体示例中，凸起可形成在与至少一个具有相对小的平面尺寸的电极或电池单元的侧表面相对应的位置。
根据本发明的其他方面，提供了一种包括电池作为电池单元的电池组以及包括电池组作为电源的装置。
所述装置可以是选自智能手机、移动电话、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴电子设备、电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车以及电力存储系统中的任意一种。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：
图1是示出包括阶梯式电极组件的传统电池的平面图和侧视图；
图2是示出根据本发明实施方式的电池的平面图、A-A’侧视截面图和前视图；以及
图3至图5是示出根据本发明其他实施方式的电池的平面图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。然而，应当注意，本发明的范围不受所示实施例的限制。
图2是示意性示出根据本发明实施方式的电池的平面图(a)、A-A’侧视截面图(b)和前视图(c)。
如图2所示，根据本发明的电池100的电池壳体120包括上壳体125和下壳体127。下壳体127设置有接收部130，接收部130中安装有电极组件110。
此外，电极组件110被构造为具有阶梯式结构，其中在基于平面的高度方向上，堆叠有在形成电极端子140的方向上具有不同长度D1和D2的两个电极或电池单元111和112。在阶梯式结构中，堆叠在阶梯式电极组件110的最下层的电极111具有相对较大的平面尺寸，具有相对较小的平面尺寸的电极或电池单元112堆叠在电极111上。
电极组件110以密封状态安装在电池壳体120的接收部130中。两个电极端子141和142在与电极或电池单元111和112的正极接线片和负极接线片电连接的状态下暴露于外。
此外，电池壳体120设置有密封部121，上壳体125和下壳体127通过密封部121以密封状态彼此连接。接收部130设置有与阶梯式电极组件110的外部形状对应的阶梯。
此外，平面尺寸彼此不同的电极或电池单元111和112构造为使电极或电池单元111和112的长度D1和D2在形成电极端子140的方向上彼此不同。电极或电池单元111和112在与接收部的上侧面126、左侧面127和右侧面128接触的状态下堆叠。
接收部130的内表面上设置有凸起170、171和172，凸起170、171和172朝向电极组件110凸出，以防止电极或电池单元111和112的移动。
如前视图(c)所示，每个凸起170、171和172被构造成具有电池壳体的接收部130的外表面向内凹陷的梯柱形形状。如侧视截面图(b)所示，每个凸起170、171和172被构造成具有接收部的内表面朝向电极组件110凸出的梯柱形形状。
此外，凸起170、171和172被定位以对应于电极或电池单元112的侧表面，所述电极或电池单元112为电极或电池单元111和112之中的具有相对较小的平面尺寸的一个。凸起170、171和172可以推挤电极或电池单元112的侧表面，以防止电极或电池单元112的移动。
同时，图3至图5是示意性示出根据本发明其他实施方式的电池的平面图。
如图3所示，图3中的电池200被构造为具有下述结构，其中具有不同平面尺寸的电极或电池单元211和212被接收在电池壳体220的接收部230中，平面尺寸彼此不同的电极或电池单元211和212被构造为使得电极或电池单元211和212的宽度W1和W2在形成电极端子240的方向上彼此不同。也就是说，在电极或电池单元的堆叠方向上，堆叠在最下层的电极或电池单元211的宽度W1大于电极212的宽度W2。电极211和212在与接收部230的上侧面226和下侧面229接触的状态下堆叠。凸起270和271分别形成在接收部230的上侧面226和下侧面229上。凸起270和271位于与电极或电池单元212的侧面相对应的位置，以防止电极或电池单元212的移动。
如图4所示，图4中的电池300被构造为具有下述结构，其中具有不同平面尺寸的三个电极或电池单元311、312和313被接收在电池壳体320的接收部330中，电极或电池单元311、312和313被构造为使得电极或电池单元311、312和313的宽度W3、W4和W5以及长度D5、D6和D7在形成电极端子的方向上彼此不同。电极或电池单元311、312和313在与接受部的上表面326接触的状态下堆叠。凸起370、371和372形成在接收部的上侧面326上。凸起371位于与堆叠在电极或电池单元堆叠方向上的最上层的电极或电池单元313的侧表面相对应的位置，凸起370和372位于与堆叠在中间层的电极或电池单元312的侧表面相对应的位置，从而可以防止电极或电池单元312和313的移动。
如图5所示，图5中的电池400被构造为具有下述结构，其中与图4中电池300的方式相同，具有不同平面尺寸的三个电极或电池单元411、412和413被接收在电池壳体420的接收部430中，电极或电池单元411、412和413被构造为使得电极或电池单元411、412和413的宽度W6、W7和W8以及长度D8、D9和D10在形成电极端子的方向上彼此不同。电极或电池单元411、412和413在与接收部430的上表面426和右侧面428接触的状态下堆叠。凸起470和471分别形成在接收部430的上侧面426和右侧面428上。凸起470位于与堆叠在电极或电池单元堆叠方向上的最上层的电极或电池单元413的上侧面相对应的位置，凸起471位于与堆叠在中间层的电极或电池单元412的右侧面相对应的位置，由此可以防止电极或电池单元412和413的移动。
如上所述，在根据本发明的电池中，凸起的形状和位置根据具有不同平面尺寸的两个或更多的电极或电池单元之间的宽度和/或长度的差异、以及电极或电池单元的堆叠位置而改变。
在根据上述本发明的电池中，电池壳体的接收部在其内表面上设置有凸起，所述凸起朝向电极组件凸出以防止一个或多个电极或电池单元的移动。因此，可以防止在接收部和电极组件之间形成间隙，从而大大提高电池的安全性。
虽然本发明为了说明的目的公开了示例性实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书中公开的本发明范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可行的。
工业实用性
从上述说明可以看出，在根据本发明的电池中，电池壳体的接收部在其内表面上设置有凸起，所述凸起朝向电极组件凸出以防止一个或多个电极或电池单元的移动。因此，在不增加用于将电极组件固定在电池中的构件的情况下，可以防止在接收部和电极组件之间形成间隙，从而大大提高了电池抵抗外部冲击的安全性。

Claims (19)

1.一种电池，所述电池具有电极组件，所述电极组件构造为具有隔板分别设置在安装于电池壳体中的正极和负极之间的结构，所述电池包括：
电池壳体，包括上壳体和下壳体，所述上壳体和/或下壳体设置有用于接收电极组件的接收部；和
构造为具有阶梯式结构的电极组件，在所述阶梯式结构中，多个电极或电池单元在基于平面的高度方向上堆叠，并且至少两个所述电极或电池单元具有不同的平面尺寸，其中，
所述电池壳体的接收部在其内表面上设置有朝向电极组件凸出的至少一个凸起，以防止至少一个电极或电池单元的移动，
所述凸起经定位以对应于至少一个具有相对小的平面尺寸的电极或电池单元的侧面，并且所述凸起形成在所述接收部的侧面上，所述接收部的侧面形成为无台阶的平面以便与具有不同的平面尺寸的至少两个电极或电池单元接触。
2.根据权利要求1所述的电池，其中所述凸起推挤具有相对小的平面尺寸的电极或电池单元的至少一个侧面，以防止电极或电池单元的移动。
3.根据权利要求1所述的电池，其中通过从外部沿向内方向按压接收部的外表面而形成所述凸起。
4.根据权利要求1所述的电池，其中所述凸起构造为具有棱锥形形状、棱柱形形状或半球形形状。
5.根据权利要求1所述的电池，其中所述凸起构造为具有梯柱形形状。
6.根据权利要求1所述的电池，其中至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在形成电极端子的方向上具有不同的宽度和/或长度。
7.根据权利要求1所述的电池，其中至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在电极或者电池单元堆叠的方向上具有不同的厚度。
8.根据权利要求1所述的电池，其中每个电池单元是构造为具有下述结构的电池单元，其中一个或多个正极以及一个或多个负极在一个或多个隔板设置在一个或多个正极以及一个或多个负极之间的状态下堆叠，其中相同种类的电极位于堆叠结构的相对侧；或者每个电池单元是构造为具有下述结构的电池单元，其中一个或多个正极以及一个或多个负极在一个或多个隔板设置在一个或多个正极以及一个或多个负极之间的状态下堆叠，其中不同种类的电极位于堆叠结构的相对侧。
9.根据权利要求1所述的电池，其中至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在形成电极端子的方向上具有不同的宽度，其中当从上方观察时，所述凸起包括形成在接收部的形成有电极端子的上侧面上的一个或多个凸起，或者所述凸起包括形成在与上侧面相对的接收部的下侧面上的一个或多个凸起。
10.根据权利要求1所述的电池，其中至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在形成电极端子的方向上具有不同的长度，其中当从上方观察时，所述凸起包括形成在选自接收部的形成有电极端子的上侧面、与上侧面相邻的接收部的左侧面和右侧面之中的任一面上的一个或多个凸起。
11.根据权利要求1所述的电池，其中至少两个具有不同平面尺寸的电极或者电池单元在形成电极端子的方向上具有不同的宽度和长度，其中当从上方观察时，所述凸起包括形成在接收部的形成有电极端子的上侧面上的一个或多个凸起，或者所述凸起包括形成在选自接收部的上侧面、与上侧面相邻的左侧面和右侧面之中的任一面上的一个或多个凸起。
12.根据权利要求1所述的电池，其中所述电池壳体是由包括树脂层和金属层的层压片制成的袋状壳体。
13.根据权利要求1所述的电池，其中所述上壳体和下壳体一体形成以构成单个构件，或者彼此分开地形成。
14.根据权利要求1所述的电池，其中所述电池是锂二次电池。
15.一种制造根据权利要求1所述的电池的方法，所述方法包括：
制造电池壳体的工序，电池壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和/或下壳体设置有用于接收电极组件的接收部，所述接收部在其内表面上设置有用于防止电极或电池单元移动的至少一个凸起；
制造电极组件的工序，所述电极组件被构造为具有阶梯式结构，在所述阶梯式结构中，多个电极或电池单元在基于平面的高度方向上堆叠，并且至少两个电极或电池单元具有不同的平面尺寸；以及
在电极组件安装于电池壳体中的状态下进行的将电解液注入电池壳体并且通过热熔密封电池壳体的边缘的工序，
其中所述凸起经定位以对应于至少一个具有相对小的平面尺寸的电极或电池单元的侧面，并且所述凸起形成在所述接收部的侧面上，所述接收部的侧面形成为无台阶的平面以便与具有不同的平面尺寸的至少两个电极或电池单元接触。
16.根据权利要求15所述的方法，其中制造电池壳体的工序包括：
(a)制备模具的步骤；
(b)在所述模具的上表面上设置袋状膜的步骤；
(c)制备具有与所述模具的形状相对应的形状的夹具的步骤；以及
(d)使用所述夹具按压所述袋状膜以形成用于接收所述电极组件的接收部和在所述接收部的内表面上形成至少一个凸起的步骤。
17.一种电池组，包括根据权利要求1至14中任一项所述的电池作为电池单元。
18.一种装置，包括根据权利要求17所述的电池组作为电源。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述装置选自智能手机、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴电子设备、电动车以及电力存储系统。
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