CN107431149A - 具有提高的安全性的二次电池 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种具有提高的安全性的二次电池。本公开内容提供一种袋型二次电池，其包括电极组件以及包括第一袋状部和第二袋状部的袋护套材料。所述袋型二次电池包括双电极引线，其中第一电极引线附接至第一袋状部，且第二电极引线附接至第二袋状部。在所述袋型二次电池中，通过利用由过充电时产生的膨胀或压力引起的体积膨胀现象而使电流中断，从而可避免电池被进一步充电。此外，当压力因附加反应而增加时，气体朝向双电极引线的每一个的内部引线部分释放。结果，可以提高容纳在袋中的电池单元、模块和电池组的稳定性，从而提高电池的寿命。

Description

具有提高的安全性的二次电池
技术领域
本公开内容涉及一种具有提高的安全性的二次电池。更具体地，本公开内容涉及一种通过调整阴极/阳极的电极引线的结构以在二次电池过充电时藉由膨胀或压力引起的体积膨胀使电流中断而使单元、模块和电池组的安全性得以提高的二次电池。
本申请要求于2015年4月22日在韩国提交的韩国专利申请第10-2015-0056818号的优先权，通过引用将上述专利申请的公开内容结合在此。
背景技术
随着电子设备的数字化和高性能转换改变了消费者的需求，对包括锂离子二次电池、锂离子聚合物电池和超级电容器(电双层电容器和伪电容器)的二次电池的市场需求已变为开发具有低重量、高能量密度和高容量的电池。此外，已积极进行对混合动力汽车(HYBRID ELECTRIC VEHICLE)、电动汽车(ELECTRIC VEHICLE)和燃料电池汽车(FUEL CELLVEHICLE)的开发，以处理未来能源和环境问题，因此需要作为汽车电源的电池的规模扩大。
二次电池是能够被充电和放电的电池并且可被划分为镍镉(Ni-Cd)电池、镍金属氢化物(Ni-MH)电池和锂(Li)二次电池或类似电池。在这些电池中，相较于其他二次电池，锂二次电池因每单位重量具有更高的驱动电压和能量密度而具有明显的优势。
一般来说，二次电池具有如下结构：其中隔板插置在阴极和阳极之间以形成电极组件，电解质被注入电极组件中，所得的电极组件被密封在壳体中。电极组件可被划分为：包卷型电极组件，通过将电极活性材料施加至长片型集电器箔的两个表面上以形成阴极和阳极，将隔板插置在阴极和阳极之间，并且缠绕所得的电极组件，从而形成包卷型电极组件；和堆叠型电极组件，通过将电极活性材料施加至具有预定单元尺寸的集电器箔的两个表面上，将多个阴极和阳极与插置其间的隔板依次堆叠，从而形成堆叠型电极组件。根据封闭在电池壳体内的电极组件的形状，二次电池也可被划分为：包括被封闭在圆柱型金属罐内的电极组件的圆柱型电池；包括被封闭在棱柱形金属罐内的电极组件的棱柱形型电池；和包括被封闭在由铝层压片制成的袋型壳体内的电极组件的袋型电池。
此外，占二次电池的主要部分的锂二次电池的缺点在于它们具有较低的安全性。例如，当电池被过充电至约4.5V以上时，阴极活性材料可能会分解，锂金属枝晶可能会在阳极上生长，可能会发生电解质的分解。在这期间，热辐射加速了上述分解反应和一些副反应，导致电池着火和爆炸。此外，当锂二次电池被密封之后首次充电时，电池内部产生大量的气体。这种气体的产生导致在电极和聚合物电解质层之间产生气泡，导致电池的质量因接触劣势而迅速下降。
因此，已经进行了一些尝试来解决上述问题，藉由向电解质中添加一种添加剂或在电池中设置诸如电流中断装置(CID，current interruptive device)之类的装置以在二次电池异常操作时中断电流或释放内部压力。然而，这样的添加剂不利地影响二次电池的质量，而且诸如CID之类的装置导致二次电池的制造成本增加并使制造工艺复杂化。
在这种情况下，需要开发一种能够在过充电时提高安全性的袋型二次电池。
发明内容
技术问题
设计本公开内容来解决现有技术的问题，因此，本公开内容涉及提供一种能够避免过充电因而具有提高的安全性的二次电池。
技术方案
在本公开内容的一个方面中，提供一种袋型二次电池，包括：电极组件；和袋护套材料，所述袋护套材料用于接收电极组件并且包括第一袋状部和第二袋状部，其中第一袋状部和第二袋状部藉由各个密封部彼此粘附，所述袋型二次电池进一步包括：第一电极引线，所述第一电极引线从电极组件延伸并且附接至第一袋状部；第二电极引线，所述第二电极引线附接至第二袋状部并且从袋护套材料的外部突出出来；第一密封构件，所述第一密封构件插置在第一电极引线和第二电极引线之间以防止第一电极引线与第二电极引线彼此接触；和膜状连接构件，所述膜状连接构件用于将第一电极引线与第二电极引线电性连接。
根据本公开内容的一个实施方式，膜状连接构件的一个终端可附接至第一电极引线，膜状连接构件的另一个终端可附接至第二电极引线。
根据本公开内容的另一实施方式，膜状连接构件可以是柔性(flexible)的。
根据本公开内容的另一实施方式，当袋护套材料的内部压力超过临界值时，位于膜状连接构件的一个终端附接至第一电极引线处的部分或位于膜状连接构件的另一个终端附接至第二电极引线处的部分可因压力而分离。
根据本公开内容的另一实施方式，当袋护套材料的内部压力超过临界值时，膜状连接构件的预定部分可因压力而破裂。
根据本公开内容的另一实施方式，当袋护套材料的内部压力超过临界值时，第一密封构件可因压力而破裂。
根据本公开内容的另一实施方式，第一密封构件可相较于膜状连接构件设置在袋型二次电池的外侧。
根据本公开内容的另一实施方式，袋型二次电池可进一步包括第二密封构件，所述第二密封构件相较于膜状连接构件设置在袋型二次电池的内侧，并且第二密封构件插置在第一电极引线和第二电极引线之间以防止第一电极引线与第二电极引线彼此接触。
根据本公开内容的另一实施方式，当袋护套材料的内部压力超过临界值时，第二密封构件可因压力而破裂。
根据本公开内容的另一实施方式，袋型二次电池可进一步包括第三密封构件，所述第三密封构件分别形成在第一袋状部和第一电极引线之间以及第二袋状部和第二电极引线之间。
有益效果
本公开内容提供以下效果。根据本公开内容的袋型二次电池包括电极组件以及包括第一袋状部和第二袋状部的袋护套材料。所述袋型二次电池通过在第一袋状部中形成第一电极引线和在第二袋状部中形成第二电极引线而具有双电极引线。因此，在所述袋型二次电池中，通过利用由过充电时产生的膨胀或压力引起的体积膨胀现象而使电流中断，从而可避免电池被进一步充电。此外，当压力因附加反应而增加时，气体朝向双电极引线的每一个的内部引线部分释放。结果，可以提高容纳在袋中的电池单元、模块和电池组的稳定性，从而提高电池的寿命。
附图说明
附图举例说明本公开内容的优选实施方式，且与以下详细描述一起用以提供对本公开内容的技术特征的进一步理解，因而，本公开内容不应被解释为局限于这些附图。
图1示出了传统的电极引线部分的结构。
图2示出了根据本公开内容的一个实施方式的双连接电极引线部分的结构。
图3示出了在根据本公开内容的一个实施方式的二次电池过充电时电流的中断以及在由附加反应导致的膨胀时发生的排气机制。
图4示出了根据本公开内容的另一实施方式的双连接电极引线部分的结构。
[主要元件的描述]
10：电极引线
11：第一密封构件 11’：第二密封构件
12：袋护套材料
13：膜状连接构件
14：内部电池。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的优选实施方式。在描述之前，应该理解的是，在说明书和所附权利要求书中所使用的术语不应解释为受限于一般和字典意义，而是应在以允许发明人对最佳解释适当地定义术语的原则的基础上根据对应于本公开内容的技术方面的意义和概念来解释。因此，本文中提出的描述仅仅是出于举例说明目的而已，并不意在限制本公开内容的范围，因此应当理解的是，在不背离本公开内容的范围的情况下，可对本公开内容进行其他等同替换和修改。
在本公开内容的一个发明中，提供一种袋型二次电池，包括：电极组件；和袋护套材料，所述袋护套材料用于接收电极组件并且包括第一袋状部和第二袋状部，其中第一袋状部和第二袋状部藉由各个密封部彼此粘附，所述袋型二次电池进一步包括：第一电极引线，所述第一电极引线从电极组件延伸并且附接至第一袋状部；第二电极引线，所述第二电极引线附接至第二袋状部并且从袋护套材料的外部突出出来；第一密封构件，所述第一密封构件插置在第一电极引线和第二电极引线之间以防止第一电极引线与第二电极引线彼此接触；和膜状连接构件，所述膜状连接构件用于将第一电极引线与第二电极引线电性连接。
当二次电池过充电时，电解质的分解发生在阴极处，锂金属在阳极处沉淀。因此，电池的特性劣化，因电极的点火或热辐射而产生气体。由于过电压或膨胀现象导致的电解质的分解引起的气体产生而使电池的内部压力迅速增加，因而电池可能会鼓起来。
为了解决上述问题，根据本公开内容的一个实施方式的二次电池包括用于将包含阴极引线和阳极引线的电极引线双连接的结构。因此，在二次电池过充电期间由电解质的蒸发产生的气体导致的电池内部的膨胀力集中在双电极引线中相对较弱的连接构件上。接着，双电极引线的该连接构件部分因该聚合力而分离或破裂以中断充电电流，从而防止电池被进一步充电。
此外，当二次电池的压力因附加反应而增加更多时，插置在第一电极引线和第二电极引线之间的第一密封构件破裂，因而气体朝向袋型电池的壳体外部释放(venting)。因此，可以提高容纳在袋中的电池单元、模块和电池组的稳定性。
图1示出了传统的电极引线部分的结构。
一般而言，如图1中所示，传统的电极引线包括用于接收电极引线10和内部单元14的袋护套材料12。电极引线10经由密封部连接至袋护套材料12，并且部分地暴露在袋护套材料12外部。
根据本公开内容，如图2中所示，电极引线10具有改进的结构，在其中电极引线10经由用于在引线之间建立电连接的膜状连接构件13连接至彼此。换句话说，根据本公开内容，所述袋型二次电池包括电极组件以及包含第一袋状部和第二袋状部的袋护套材料，其中第一电极引线附接至第一袋状部，第二电极引线附接至第二袋状部。
为实现电池的正常运作，第一电极引线和第二电极引线应当电性连接至彼此。然而，根据本公开内容，第一电极引线和第二电极引线因插置在两条电极引线之间的第一密封构件11而彼此不直接接触。因而，根据本公开内容，利用膜状连接构件13来将第一电极引线和第二电极引线电性连接至彼此。
在正常状态下，第一电极引线和第二电极引线经由膜状连接构件13彼此电接触，因而电池可正常地运作。
在此，如图2中所示，膜状连接构件13的一个终端附接至第一电极引线，且膜状连接构件13的另一个终端附接至第二电极引线。
如图2中所示，膜状连接构件13可由导电柔性(flexible)金属或非金属材料制成，从而可形成曲面。
在此，诸如金属膜、导电聚合物膜或导电无机膜之类的任何材料可用于膜状连接构件13，而没有特别限制，只要其具有导电性即可。
此外，针对用于将第一电极引线和第二电极引线彼此电性连接的方法，当通过焊接将电极相对的位置处的预定部分粘附在一起而使它们电性连接时，焊接部分可因施加至二次电池的振动冲击而被损坏。在这种情况下，第一电极引线和第二电极引线之间的电连接断开，因而在电池的正常运作期间，电流可被中断。
然而，当根据本公开内容经由膜状连接构件13使第一电极引线和第二电极引线彼此电性连接时，膜状连接构件13表现出即使当在电池的正常运作期间施加振动冲击时也能够减轻冲击的缓冲功能。因此，可显著降低电极引线之间的电连接断开的可能性。
图3示出了在根据本公开内容的一个实施方式的二次电池过充电时电流的中断以及在由附加反应导致的膨胀(venting)时发生的排气机制。
参照图3，在二次电池的过充电期间，袋护套材料12的内部因由电解质的蒸发产生的气体而膨胀，膨胀力聚集在电极引线10中的具有相对较低强度的膜状连接构件13上。聚集在膜状连接构件13上的力使膜状连接构件13的预定部分破裂以中断充电电流，从而防止电池被进一步充电。
在此，当袋护套材料12的内部压力超过临界值时，膜状连接构件13可因压力而在预定部分处破裂。
尽管未示出，当袋护套材料12的内部压力超过临界值时，位于具有相对较低强度的膜状连接构件的一个终端附接至第一电极引线处的部分可因压力而分离，或其中位于膜状连接构件的另一个终端附接至第二电极引线处的部分可因压力而分离，从而使充电电流中断。
此外，当袋护套材料12的内部压力因附加反应而进一步增加时，插置在第一电极引线和第二电极引线之间的第一密封构件11破裂以使二次电池的内部打开。因而，气体朝向袋型二次电池的外部释放。
在此，当袋护套材料12的内部压力超过临界值时，第一密封构件11因压力而破裂以使二次电池的内部可以打开。
此外，图2中示出，第一密封构件11相较于膜状连接构件13设置在袋型二次电池外侧。然而，本公开内容并不限于此。
换句话说，第一密封构件11可相较于膜状连接构件13设置在袋型二次电池内侧。在这种情况下，当二次电池的内部压力超过临界值时，第一密封构件11首先破裂，接着膜状连接构件13破裂或当压力进一步增加时在其附接至电极引线的部分处分离，从而使电连接中断。
图4示出了根据本公开内容的另一实施方式的双连接电极引线部分的结构。
参照图4，当第一密封构件11相较于膜状连接构件13设置在袋型二次电池的外侧时，二次电池可进一步包括第二密封构件11’，第二密封构件11’相较于膜状连接构件13设置在袋型二次电池的内侧并且插置在第一电极引线和第二电极引线之间以防止第一电极引线和第二电极引线彼此接触。
在此，第二密封构件11’使袋护套材料密封得更牢固。具体地，第二密封构件的作用是吸收可能会施加至膜状连接构件13的振动冲击，从而防止膜状连接构件13在电池的正常运作期间破裂。
类似于第一密封构件11，当袋护套材料的内部压力超过临界值时，第二密封构件11’可因压力而破裂。
此外，所述袋型二次电池可进一步包括第三密封构件，所述第三密封构件分别用于促进第一袋状部和第一电极引线之间的密封以及第二袋状部和第二电极引线之间的密封。
此外，第一袋状部和第二袋状部彼此粘附处的密封部、用于防止第一电极引线和第二电极引线之间的电接触的第一密封构件和第二密封构件、以及形成在每个袋状部和每条电极引线之间的第三密封构件可包括本领域中目前使用的任何材料，而没有特别限制，只要该材料不具有导电性即可。
此外，本文中使用的阴极、阳极、隔板、电解质、袋护套材料或类似物可通过对本领域技术人员来说已知的工艺和/或方法容易地获得。形成电极-隔板组件的阴极、阳极和隔板可以是用于制造锂离子二次电池通常使用的那些。
具体地，通过将包含阴极活性材料、导电剂和粘合剂的混合物施加至阴极集电器随后进行干燥可获得阴极。如果需要的话，混合物可进一步包括填料。
一般而言，阴极集电器具有3-500μm的厚度。可使用任何阴极集电器而无特别限制，只要其不会在相应电池中引起化学变化且具有高导电性即可。阴极集电器的具体实例包括：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳、或经碳、镍、钛或银表面处理过的铝或不锈钢。集电器可具有细微的表面不规则性，以增加阴极活性材料的粘附力。集电器可具有诸如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫或无纺布体之类的各种形状。
一般而言，以包括阴极活性材料在内的混合物的总重量计，导电剂添加的量为1-50wt％。可使用任何导电剂而无特别限制，只要其不会在相应电池中引起化学变化且具有导电性即可。例如，导电剂可包括：石墨，诸如天然石墨或人工石墨；炭黑，诸如炭黑、乙炔黑、ketjen黑、槽法炭黑、炉法炭黑、灯黑或热炭黑；导电纤维，诸如碳纤维或金属纤维；金属粉末，诸如氟化碳、铝或镍粉；导电晶须，诸如氧化锌或钛酸钾；导电氧化物，诸如钛氧化物；或导电材料，诸如聚苯撑衍生物。
粘合剂是有助于活性材料或导电剂的结合或者结合至集电器的成分。一般而言，以包括阴极活性材料在内的混合物的总重量计，粘合剂添加的量为1-50wt％。粘合剂的具体实例包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯单体共聚物(EPDM)、磺化EPDM、丁苯橡胶、氟橡胶、各种共聚物或类似物。
填料被可选地用作抑制阴极膨胀的成分。可使用任何填料，只要其不会在相应电池中引起化学变化且为纤维材料即可。填料的具体实例包括：烯烃聚合物，诸如聚乙烯或聚丙烯；纤维材料，诸如玻璃纤维或碳纤维；或类似物。
此外，通过将阳极材料施加至阳极集电器随后进行干燥可制备阳极。如果需要的话，阳极可进一步包括上述成分。
阳极集电器一般具有3-500μm的厚度。可使用任何阳极集电器，只要其不会在电池中引起任何化学变化且具有导电性即可。例如，铜、不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳、经碳、镍、钛或银表面处理过的铜或不锈钢、或铝镉合金可用作阳极集电器。类似于阴极集电器，阳极集电器可具有细微的表面不规则性，以增加阳极活性材料的粘附力，并且可具有诸如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫或无纺布体之类的各种形状。
作为用于使阴极和阳极之间绝缘的隔板，可使用众所周知的聚烯烃基隔板以及包括诸如烯烃基基板和形成于其上的有机/无机复合层在内的复合隔板，而无特别限制。
将具有上述结构的电极组件容纳在袋护套材料中并且将电解质注入其中，从而获得电池。
在此使用的电解质是包括非水电解质和锂在内的含锂盐的非水电解质。
非水电解质的具体实例可包括：非质子有机溶剂，诸如N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁内酯、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二甲亚砜、1,3-二氧戊环、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊环衍生物、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、碳酸丙烯酯衍生物、四氢呋喃衍生物、醚、丙酸甲酯、丙酸乙酯或类似物。
此外，锂盐可以是易溶于非水电解质的材料。锂盐的具体实例包括：LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族羧酸锂和四苯基硼酸锂、酰亚胺或类似物。
已详细地描述了本公开内容。然而，应当理解的是，该详细描述和具体实例在表示本公开内容的优选实施方式的同时，仅仅是作为说明给出，因为由这些详细描述，本公开内容范围内的各种改变和修改对本领域的技术人员来说将变得显而易见。
此外，本说明书中使用了表示方向的诸如顶部和底部、左和右以及前和后之类的一些术语。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，这些术语是为了便于描述而指的相对位置，且随观察者的观察位置或每个构成元素的配置而变化。

Claims (10)

1.一种袋型二次电池，包括：
电极组件；和
袋护套材料，所述袋护套材料用于接收所述电极组件并且包括第一袋状部和第二袋状部，其中所述第一袋状部和所述第二袋状部藉由各个密封部彼此粘附，
所述袋型二次电池进一步包括：
第一电极引线，所述第一电极引线从所述电极组件延伸并且附接至所述第一袋状部；
第二电极引线，所述第二电极引线附接至所述第二袋状部并且从所述袋护套材料的外部突出出来；
第一密封构件，所述第一密封构件插置在所述第一电极引线和所述第二电极引线之间以防止所述第一电极引线与所述第二电极引线彼此接触；和
膜状连接构件，所述膜状连接构件用于将所述第一电极引线与所述第二电极引线电性连接。
2.根据权利要求1所述的袋型二次电池，其中所述膜状连接构件的一个终端附接至所述第一电极引线，所述膜状连接构件的另一个终端附接至所述第二电极引线。
3.根据权利要求2所述的袋型二次电池，其中所述膜状连接构件是柔性的。
4.根据权利要求2所述的袋型二次电池，其中当所述袋护套材料的内部压力超过临界值时，位于所述膜状连接构件的一个终端附接至所述第一电极引线处的部分或位于所述膜状连接构件的另一个终端附接至所述第二电极引线处的部分因压力而分离。
5.根据权利要求2所述的袋型二次电池，其中当所述袋护套材料的内部压力超过临界值时，所述膜状连接构件的预定部分因压力而破裂。
6.根据权利要求1所述的袋型二次电池，其中当所述袋护套材料的内部压力超过临界值时，所述第一密封构件因压力而破裂。
7.根据权利要求1所述的袋型二次电池，其中所述第一密封构件相较于所述膜状连接构件设置在所述袋型二次电池的外侧。
8.根据权利要求7所述的袋型二次电池，进一步包括：第二密封构件，所述第二密封构件相较于所述膜状连接构件设置在所述袋型二次电池的内侧，并且所述第二密封构件插置在所述第一电极引线和所述第二电极引线之间以防止所述第一电极引线与所述第二电极引线彼此接触。
9.根据权利要求8所述的袋型二次电池，其中当所述袋护套材料的内部压力超过临界值时，所述第二密封构件因压力而破裂。
10.根据权利要求1所述的袋型二次电池，进一步包括：第三密封构件，所述第三密封构件分别形成在所述第一袋状部和所述第一电极引线之间以及所述第二袋状部和所述第二电极引线之间。
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