CN106992271B - 用于二次电池的盖组件及包括其的二次电池 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于二次电池的盖组件和一种包括该盖组件的二次电池。所述盖组件包括：盖板；通气板，设置在盖板下方并且包括向下突出的通气部分，通气板被构造为在二次电池中的内部压力增大时变形；底板，设置在通气板下方并且连接到通气部分，底板与通气板一起构成电流中断装置(CID)；中间板，设置在通气板与底板之间并且通过底板电连接到通气板；以及绝缘件，设置在通气板与中间板之间，其中，绝缘件包括交联聚合物材料。即使在诸如短路情况的发热情况发生在二次电池中时也可以维持CID的稳定性能。
Description
本申请要求于2016年1月20日在韩国知识产权局提交的第10-2016-0007051号韩国专利申请的权益，该韩国专利申请的公开内容通过引用全部包含于此。
技术领域
一个或更多个实施例涉及一种用于二次电池的盖组件，该盖组件被构造为即使在二次电池中由于短路等产生热时也确保电流中断装置(current interrupt device，CID)的稳定性能。
背景技术
二次电池是可再充电的，因此，可以重复地用作便携式电子装置、电动工具、园艺工具、电动车辆(EV)、电力存储系统等的能量源。
通常，圆柱形二次电池以这样的应用被使用，在这样的圆柱形二次电池中设置电流中断装置(CID)以确保圆柱形二次电池的安全。
CID是用于防止由二次电池中出现的高的内部压力的情况而引起的爆炸的保护装置。当二次电池的内部压力增大时，CID使二次电池的电极组件与盖组件之间的电流中断以停止对二次电池的充电。
然而，如果这样的CID的绝缘件由于产生的热而熔化(例如，在短路的情况下)，那么电流不会被CID中断。
例如，当二次电池的正极板和负极板短路时，由于由短路电流引起的焦耳热而会出现异常情况，如果二次电池的CID的绝缘件被焦耳热熔化，那么从电极组件流到盖组件的电流不会被中断。结果，二次电池会被过度充电并且会着火或爆炸。
发明内容
一个或更多个实施例包括一种用于二次电池的盖组件，盖组件被构造为即使在二次电池中由于短路等产生热时也稳定地维持电流中断装置(CID)的性能。
另外的方面将在下面的描述中进行部分地阐述，并且部分地通过描述将是明显的，或可以通过实施本实施例而习得。
根据一个或更多个实施例，用于二次电池的盖组件包括：盖板；通气板，设置在盖板下方并且包括向下突出的通气部分，通气板被构造为在二次电池的内部压力增大时变形；底板，设置在通气板下方并且连接到通气部分，底板与通气板一起构成电流中断装置(CID)；中间板，设置在通气板与底板之间并且通过底板电连接到通气板；以及绝缘件，设置在通气板与中间板之间，其中，绝缘件包括交联聚合物材料。
绝缘件可以包括交联聚丙烯(PP)树脂材料。
绝缘件可以包括交联聚乙烯(PE)树脂材料。
绝缘件可以通过在注塑成型工艺之后执行水交联工艺来交联。
绝缘件可以具有带有开口的圆环形状，抗变形肋可以在抗变形肋竖立在设置有圆环形状的平坦表面的方向上沿着圆环形状的绝缘件的外周侧延伸。
抗变形肋可以具有向下减小的厚度。
抗变形肋可以具有内侧和外侧，抗变形肋的外侧可以是锥形的。
多个突起可以沿着圆环形状的绝缘件的内侧的内周从所述内侧朝向绝缘件的中心突出。
通气板可以具有S形弯曲结构，S形弯曲结构包括下弯曲部分和上弯曲部分，通气板可以过盈配合到圆环形状的绝缘件，其中，通气板过盈配合到绝缘件之后，所述多个突起可以与下弯曲部分的上部接合以防止通气板与绝缘件的分离。
中间板和绝缘件可以分别在它们的中心区域中包括通孔，通气板可以通过绝缘件的通孔和中间板的通孔直接连接到底板的中心区域。
根据一个或更多个实施例，二次电池包括盖组件。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，这些和/或其它方面将变得明显并更容易领会，在附图中：
图1是示出根据实施例的二次电池的剖视图；
图2是示出根据实施例的盖组件的分解透视图；
图3是示出根据实施例的盖组件的剖视图；
图4A是示出根据实施例的绝缘件的俯视透视图；
图4B是示出根据实施例的绝缘件的仰视透视图；
图5是示出图3的部分A的放大图，即，示出根据实施例的盖组件的局部剖视图；
图6是示出根据另一实施例的盖组件的局部剖视图；
图7A是示出根据对比示例的热机械分析(TMA)的结果的曲线图；
图7B是示出根据发明示例的TMA的结果的曲线图；
图8A至图8D是顺序地示出对根据对比示例和发明示例制造的盖组件执行绝缘测试的程序的图，该绝缘测试在二次电池的实际操作条件下执行；
图9A是示出对包括根据发明示例制造的盖组件的二次电池执行的外部短路测试的结果的曲线图；以及
图9B是示出对包括根据对比示例制造的盖组件的二次电池执行的外部短路测试的结果的曲线图。
具体实施方式
现在将对在附图中示出其示例的实施例进行详细地参考，其中，同样的参考标记始终表示同样的元件。就这一点而言，本实施例可以具有不同的形式并且不应被解释为受限于在此阐述的描述。因此，在下面仅通过参照附图来描述实施例以解释本描述的多个方面。如在这里所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任意组合和所有组合。
在下文中，将参照附图来描述实施例。
图1是示出根据实施例的二次电池100的剖视图。
参照图1，实施例的二次电池100包括被构造为产生电流的电极组件110、容纳电极组件110的罐体120以及结合到罐体120并电连接到电极组件110的盖组件130。
电极组件110包括正极板111、负极板113和隔板112，隔板112置于正极板111与负极板113之间。正极板111、隔板112和负极板113可以顺序地堆叠并且以凝胶卷的形式卷绕。电极组件110可以具有圆柱形形状，中心销114可以置于电极组件110的中心部分中以维持电极组件110的圆柱形形状。
正极板111包括具有金属箔的集流体、施用活性物质的涂覆部分111a和未施用活性物质的非涂覆部分111b。负极板113包括具有金属箔的集流体、施用活性物质的涂覆部分113a和未施用活性物质的非涂覆部分113b。正极集流板111c连接到正极板111的非涂覆部分111b，负极集流板113c连接到负极板113的非涂覆部分113b。
罐体120是具有在其端部中的开口和用于容纳电极组件110的空间的圆柱形的桶。负极集流板113c可以焊接到罐体120的底表面，因此，罐体120可以用作负极端子。罐体120可以包括不锈钢、铝或其等同物。然而，罐体120不限于此。
盖组件130结合到罐体120的开口并且垫圈140设置在它们之间，从而密封包含电极组件110和电解质的罐体120。另外，盖组件130包括电流中断装置(CID)并且电连接到电极组件110。
图2是示出根据实施例的盖组件130的分解透视图，图3是示出根据实施例的盖组件130的剖视图。
参照图2和图3，盖组件130包括盖板131、通气板132、绝缘件133、中间板134和底板135。大体上，CID由通气板132和底板135形成，连接部分CP形成在通气板132与底板135之间的焊接部分处。
盖板131连接到正极集流板111c并且用作二次电池100的正极端子。盖板131包括向外突出的端子131a和通气孔131b。
通气板132置于盖板131下方以围绕盖板131的边缘部分。通气板132形成CID的上部并且通过连接部分CP电连接到形成CID的下部的底板135。
通气板132在二次电池100的内部压力增大时变形。例如，如果二次电池100的内部压力由于在诸如过充电情况下由电极组件110产生的气体而增大，那么通气板132的形状向上恢复，因此，如随后描述的，通气板132与底板135分离，从而中断电流。
例如，通气板132包括通气部分132a，通气部分132a被构造为在预设压力条件下破裂以排出来自二次电池100的内部的气体并且使通气板132与底板135之间的电连接中断。当CID操作时，作为通气板132与底板135之间的接触的连接部分CP可以在通气部分132a中断时分离，结果，电极组件110和盖板131可以被电断开。
参照图3，通气部分132a从通气板132朝着罐体120突出。另外，凹槽132b形成在通气部分132a周围以引导通气部分132a的破裂。如果罐体120的内部压力由于罐体120中产生的气体而增大，那么破裂可以首先在凹槽132b处发生，然后气体可以通过通气孔131b排出，从而防止二次电池100的爆炸。
底板135置于通气板132下方且面对通气板132并且绝缘件133和中间板134设置在它们之间。底板135通过连接部分CP电连接到通气部分132a。
中间板134置于绝缘件133下方，通孔133a和134a分别形成在绝缘件133和中间板134中。因此，通过通孔133a和134a突出到罐体120中的通气部分132a可以连接到底板135。
因此，中间板134的一侧通过底板135和通气部分132a电连接到通气板132，中间板134的另一侧通过连接构件136连接到正极集流板111c。结果，正极集流板111c通过连接构件136、中间板134、底板135、通气部分132a和通气板132电连接到盖板131。
如上所述形成的盖组件130插入罐体120中，然后通过夹紧来固定到罐体120。此时，弯曲到罐体120中的夹紧部分121形成在罐体120的开口的边缘上，具有向内凸出的形状的卷边部分(beaded portion)122在盖组件130与电极组件110之间形成在罐体120上。夹紧部分121挤压盖组件130，因此改善了盖组件130与罐体120之间的结合强度。卷边部分122的内径小于盖组件130的外径，因此电极组件110可以固定地置于罐体120中。
如上所述，在盖组件130中，盖板131、通气板132、绝缘件133、中间板134和底板135顺序地堆叠。
在中间板134设置在通气板132与底板135之间的状态下，通气板132和底板135形成CID，因此设置在中间板134的边缘部分与通气板132的边缘部分之间的绝缘件133可以对CID的功能具有关键作用。
例如，如果绝缘件133通过短路情况下的热而变形并熔化，那么即使在CID操作之后，电流也会再次流动。
即，当CID操作时，作为通气板132与底板135之间的接触的连接部分CP被通气部分132a的破裂而分离，因此从电极组件110流到盖组件130的电流中断。此后，如果绝缘件133在异常加热状态下熔化，那么会在通过绝缘件133而彼此绝缘的通气板132的边缘部分与中间板134的边缘部分之间形成直接的或间接的电流通路，电流会通过该直接的或间接的电流通路从电极组件110再次流到盖组件130。
因此，根据实施例，绝缘件133包括相比于现有技术中使用的材料具有改善的耐热特性的聚合物材料。
根据实施例，绝缘件133可以包括交联聚丙烯(PP)树脂材料。根据另一实施例，绝缘件133可以包括交联聚乙烯(PE)树脂材料。
例如，可交联PP树脂可以注塑成型并且通过水交联工艺(water crosslinkingprocess)处理以形成包括交联PP树脂结构的绝缘件133。同样地，可交联PE树脂可以注塑成型并且通过水交联工艺处理以形成包括交联PE树脂结构的绝缘件133。
可交联PP或PE除了用作用于中断通气板132与中间板134之间的电流的绝缘材料之外，可交联PP或PE树脂可以通过用于量产的注塑成型工艺容易地形成为适于盖组件130的组装和功能的形状。另外，可交联PP或PE树脂可以通过作为后置工艺的交联工艺来处理，从而改善PP或PE树脂的耐热特性。
会存在耐热性比PP或PE树脂高的材料。然而，因为这种材料的熔点高而难以对材料执行注塑成型工艺。因此，根据实施例，当考虑盖组件130的成型和量产时，可以通过使用PP或PE树脂的注塑成型工艺来形成绝缘件133，并且可以对绝缘件133执行作为后置工艺的水交联工艺。
根据实施例，如上所述，因为绝缘件133通过水交联工艺(后置工艺)进行交联，所以绝缘件133可以包括抗变形肋133b(参照图4A和图4B)，从而防止水交联工艺期间绝缘件133的变形(扭转)。
图4A是示出根据实施例的绝缘件133的俯视透视图，图4B是示出根据实施例的绝缘件133的仰视透视图。图5是示出图3中的部分A的放大图。
参照图4A和图4B，绝缘件133具有带有中心开口的圆环形状。绝缘件133的开口是上面描述的通孔133a，通孔133a与中间板134的通孔134a一起提供空间以允许通气部分132a突出到罐体120中。
另外，如图4A和图5中所示，抗变形肋133b沿着圆环形状的绝缘件133的外周侧形成。抗变形肋133b是沿着抗变形肋133b竖立在其上置有圆环形状的绝缘件133的平坦表面的方向延伸的加强肋。
另外，如图4A和图5中所示，多个突起133c沿着圆环形状的绝缘件133的内周形成。突起133c从圆环形状的绝缘件133的内侧朝向通孔133a突出，因此，通气板132可以过盈配合(interference fit)到圆环形状的绝缘件133并且可以不与绝缘件133分离。
例如，如图5中所示，通气板132可以包括形成S形弯曲结构的下弯曲部分132c和上弯曲部分132d，在将通气板132结合到绝缘件133之后，突起133c可以与下弯曲部分132c的上部接合，从而防止通气板132与绝缘件133的分离。
根据另一实施例，如图6中所示，抗变形肋133b'的厚度可以向下减小。
例如，抗变形肋133b'可以具有内侧和外侧，抗变形肋133b'的外侧可以形成锥形结构，使得抗变形肋133b'的厚度可以向下减小。即，抗变形肋133b'的外侧可以从抗变形肋133b'竖立在其上置有圆环形状的绝缘件133的平坦表面的方向以角度α呈锥形。角度α可以是大约5°。
如上所述，绝缘件133通过用于量产的注塑成型工艺容易地形成为适于盖组件130的组装和功能的形状。因此，因为绝缘件133的抗变形肋133b'的外侧具有锥形结构，所以绝缘件133可以与注塑模具容易地分离。例如，工作者可以通过使用针将抗变形肋133b'的上部(最厚的部分)抬起来使绝缘件133与注塑模具容易地分离。
在下文中，将参照图7A至图9B来描述根据发明示例和对比示例的绝缘件。
首先，在发明示例中，通过将PP树脂注塑成型来制造具有绝缘件形状的注塑成型部件，然后通过将注塑成型部件与交联剂一起置于水中并且将水煮沸来对注塑成型部件执行水交联工艺。
PP树脂和交联剂是由三菱(Mitsubishi)提供的XPM800HM和PZ010。
如果水交联工艺的工艺温度低于大约70℃，那么交联会发生异常，如果水交联工艺的工艺温度高于大约90℃，那么绝缘件形状会是有问题的。因此，水交联工艺的工艺温度可以调整为在大约80℃±10℃的范围内。在发明示例中，水交联工艺的工艺温度是80℃±5℃。
如果水交联工艺的工艺时间短于大约3小时，那么绝缘件的耐热性会存在问题，如果水交联工艺的工艺时间长于大约4小时，那么水交联工艺的产率会是低的。因此，水交联工艺的工艺时间可以调整为在大约3小时至大约4小时的范围内。在发明示例中，水交联工艺的工艺时间是4小时。
接下来，在对比示例中，使用聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)来制造具有绝缘件形状的注塑成型部件。
使用探针对发明示例和对比示例的绝缘件执行热机械分析(TMA)。图7A示出对对比示例的绝缘件执行的TMA的结果，图7B示出对发明示例的绝缘件执行的TMA的结果。在图7A和图7B中，左边的竖直轴是指探针的位移(μm)，水平轴是指温度(℃)，右边的竖直轴是指斜率(μm/℃)。
首先，如图7A中所示，在使用PBT制造的绝缘件的样品的情况下，探针在215℃下完全贯穿样品(100％贯穿是指通过图7A中箭头表示的贯穿深度)。这里，215℃是通过差示扫描量热法(DSC)测量的PBT的玻璃化转变温度(Tg)。
然而，如图7B中所示，在使用PP树脂通过注塑成型工艺和水交联工艺制造的绝缘件的情况下，探针首先在154℃(其是通过DSC测量的PP树脂的玻璃化转变温度(Tg))下贯穿(50％贯穿)绝缘件(50％贯穿是指通过图7B中的箭头表示的贯穿深度)。此后进行热分解，并且探针在大约270℃至360℃的温度范围(该温度范围是指通过图7B中的方形表示的分解区域)之上完全贯穿绝缘件。
TMA的这些结果表明，发明示例的绝缘件作为盖组件130的通气板132与中间板134之间的绝缘件比对比示例的绝缘件更有用。二次电池100的温度通常会由于在短路测试期间产生的热而增加到50℃，甚至增加到250℃。因此，在通过二次电池100的CID响应于短路的操作而使电流中断之后，发明示例的绝缘件可以在未被熔化的情况下稳定地维持电流中断状态。
另外，制造包括发明示例的绝缘件的盖组件和包括对比示例的绝缘件的盖组件，并在二次电池的实际操作条件下对盖组件执行绝缘测试。
即，如图8A至图8D中所示，将分别使用发明示例的绝缘件和对比示例的绝缘件制造的盖组件中的每个置于具有大约350℃的温度的热板上，并且使用1.5kg重量对每个盖组件压制大约1分30秒，然后测量每个盖组件的内电阻(IR)。具有大约350℃的温度的热板可提供与二次电池的异常发热条件相似的条件，使用1.5kg重量的压制可提供与具有在其内产生气体的二次电池的内部压力条件相似的条件。
根据绝缘测试的结果，包括对比示例的绝缘件的盖组件短路，包括发明示例的绝缘件的盖组件维持绝缘。
绝缘测试的这些结果表明，当CID在二次电池的实际操作条件下被操作时，根据发明示例的盖组件可稳定地维持使从电极组件到盖组件的电流中断的绝缘状态，根据对比示例的盖组件会导致电流的再流动。
另外，制造包括发明示例的绝缘件的盖组件和包括对比示例的绝缘件的盖组件，并对分别包括盖组件的二次电池执行外部短路测试。通过在25℃和10mΩ条件下在每个二次电池的正极端子与负极端子之间形成短路来执行外部短路测试。图9A示出对根据发明示例制备的二次电池执行的外部短路测试的结果，图9B示出对根据对比示例制备的二次电池执行的外部短路测试的结果。在图9A和图9B中，左边的竖直轴是指电压(V)，水平轴是指时间(秒)，右边的竖直轴是指温度(℃)。
参照图9A，包括发明示例的盖组件的二次电池在上述条件下被外部短路之后在17秒处具有0V的输出电压。即，在上述条件下使二次电池外部短路之后，二次电池的CID在17秒处开始操作，此后稳定地维持通过CID的电流中断。在那时，在不考虑通过CID的操作的改变的情况下，二次电池的温度逐渐增加。
参照图9B，虽然包括对比示例的盖组件的二次电池在上述条件下被外部短路之后在17秒处具有0V的输出电压，但二次电池的输出电压在1秒到2秒后恢复并且维持在某一值处直到32秒。该原因是，对比示例的绝缘件通过诸如外部短路期间的热的因素而变形并熔化，因此，电流从CID的操作的数秒之后开始再次流动。另外，由于电流的再流动，二次电池的温度相对急剧地增加到100℃。
如上所述，在二次电池的CID在诸如过充电情况的情况下操作后，使用包括根据一个或更多个实施例的绝缘件的盖组件的二次电池可以稳定地维持电流中断状态。
在另一实施例中，在制造包括交联PE树脂的绝缘件时，可以使用上面提及的工艺。在这种情况下，除了使用PE树脂替代PP树脂之外，可以应用以上描述。
如上所述，根据一个或更多个以上实施例，即使在诸如电池短路情况的异常发热情况下，盖组件的绝缘件也不会熔化，并且盖组件可以稳定地维持用于使从电极组件到盖组件的电流中断的CID的功能。
另外，根据一个或更多个以上实施例，盖组件的绝缘件可以通过用于量产的注塑成型工艺形成为适于盖组件的组装和功能的形状。另外，绝缘件的耐热特性可以通过单一的后置工艺(即，水交联工艺)得到改善，因此，可以节省制造成本。
另外，根据一个或更多个以上实施例，当制造盖组件的绝缘件时，绝缘件在水交联工艺中不会变形，因此，可以减少不良率(fraction defective)。
如上所述，根据一个或更多个以上实施例，CID的性能即使在诸如电池短路情况的发热情况下也可以是稳定的。
应该理解的是，这里描述的实施例应该仅以描述性的含义来考虑，而非为了限制的目的。对每个实施例内的特征或方面的描述应该通常被视为可用于其它实施例中的其它相似的特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一个或更多个实施例，但本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离如由权利要求限定的精神和范围的情况下，可在此做出形式上和细节上的各种变化。
Claims (11)
1.一种用于二次电池的盖组件，所述盖组件包括：
盖板；
通气板，设置在盖板下方并且包括向下突出的通气部分，通气板被构造为在二次电池中的内部压力增大时变形；
底板，设置在通气板下方并且连接到通气部分，底板和通气板一起构成电流中断装置；
中间板，设置在通气板与底板之间，并且通过底板电连接到通气板；以及
绝缘件，设置在通气板与中间板之间，
其中，绝缘件包括交联聚合物材料，
其中，绝缘件具有带有开口的圆环形状，
抗变形肋在抗变形肋竖立在设置有圆环形状的平坦表面的方向上沿着圆环形状的绝缘件的整个外周侧朝向中间板延伸，并且
沿着整个外周侧，抗变形肋在同一水平截面处具有均匀的厚度。
2.根据权利要求1所述的盖组件，其中，绝缘件包括交联聚丙烯树脂材料。
3.根据权利要求2所述的盖组件，其中，绝缘件通过在注塑成型工艺之后执行水交联工艺来交联。
4.根据权利要求1所述的盖组件，其中，绝缘件包括交联聚乙烯树脂材料。
5.根据权利要求4所述的盖组件，其中，绝缘件通过在注塑成型工艺之后执行水交联工艺来交联。
6.根据权利要求5所述的盖组件，其中，抗变形肋具有向下减小的厚度。
7.根据权利要求6所述的盖组件，其中，抗变形肋具有内侧和外侧，抗变形肋的外侧是锥形的。
8.根据权利要求5所述的盖组件，其中，多个突起沿着圆环形状的绝缘件的内侧的内周从所述内侧朝向绝缘件的中心突出。
9.根据权利要求8所述的盖组件，其中，通气板具有S形弯曲结构，S形弯曲结构包括下弯曲部分和上弯曲部分，通气板过盈配合到圆环形状的绝缘件，
其中，通气板过盈配合到绝缘件后，所述多个突起与下弯曲部分的上部接合以防止通气板与绝缘件的分离。
10.根据权利要求5所述的盖组件，其中，中间板和绝缘件分别在它们的中心区域中包括通孔，
通气板通过绝缘件的通孔和中间板的通孔直接连接到底板的中心区域。
11.一种包括根据权利要求1至10中的任意一项所述的盖组件的二次电池。
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