CN108140747B - 具有较少结构应变的弯曲电池单体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有如下结构的电池单体，其中在包含负极、正极和隔膜的电极组件与电解液一起收容在单体壳中的状态下，电极组件与电解液一起通过将所述单体壳的外周边进行热熔而密封在所述单体壳中，其中所述电极组件和所述单体壳具有如下结构，其中所述电极组件和单体壳的彼此相对的端部朝相同方向一起弯曲，从而在所述电池单体的外表面上形成弯曲表面，并且所述单体壳的热熔的外周边中的至少一个在形成内表面的同时弯曲成密合至弯曲表面。

Description

具有较少结构应变的弯曲电池单体及其制造方法
技术领域
本申请要求基于2015年11月23日提交的韩国专利申请10-2015-0163991号的优先权的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。
本发明涉及具有较少结构应变的弯曲电池单体(battery cell)及其制造方法。
背景技术
随着技术发展和对移动装置的需求增加，对于作为能源的二次电池的需求迅速增加。在二次电池之中，已经对具有高能量密度和放电电压的锂二次电池单体进行了许多研究。这里，锂二次电池单体已经在市场上广泛使用。
通常，对于在电池单体的形状方面具有薄厚度并且可以应用于例如移动电话的产品的棱柱形二次电池单体和袋型二次电池单体的需求已经增加，并且对于在材料方面具有高能量密度、放电电压和输出稳定性的例如锂离子电池和锂离子聚合物电池的锂二次电池的需求已经增加。
其中，袋型电池单体是具有如下结构的二次电池单体，其中电极组件和电解液内置于袋状层压片中，该袋状层压片能够容纳电极组件并且具有高的每单位重量能量密度、价格便宜并且容易地使其自身的形状应变。
袋型电池单体的示例性结构在图1和图2中示出。
参考图1和图2，电池单体10具有如下结构，其中包含正极、负极和插置在其间的隔膜的电极组件30与电解液一起内置于单体壳(cell case)20中，并且密封作为单体壳20的外周端的外周边14a、14b和14c，而与电极组件的电极极耳40和50连接的电极引线60和70突出到单体壳20的外部。
另一方面，近年来，由于装置本身的设计在消费者的产品选择中是一个非常重要的因素，所以考虑到生产率等等，在现有的平面设计之外开发了各种类型的设计。例如，诸如移动电话和膝上型计算机的装置可以被设计成具有用于人体工程学设计的预定弯曲表面，并且电池单体也被设计成符合这种设计。
例如，随着已经开发了具有形成在外表面上的弯曲表面的许多设计，已经开发出通过弯曲相应部分从而稳定地安装在具有该设计的装置上的具有弯曲表面的电池单体。图3示意性地示出具有弯曲结构的袋型电池单体。
参考图3，在电池单体10a中，电极组件30和单体壳20具有如下结构，其中在彼此相对的位置处的两端朝相同方向一起弯曲，使得弯曲表面形成在电池单体的外表面上，并且外周边14b在沿电极组件方向弯曲的同时密合至单体壳20的外表面23。
然而，袋型单体壳20的外周边14b通过热而熔合并粘结，因此与单体壳20的其他部分不同，例如拉伸和牵拉的弹性应变较小，并且当单体壳20弯曲时施加的张力在外周边14b上没有因拉伸或牵拉而减轻。
特别地讲，由于张力朝与弯曲方向A和A'基本相反的方向施加到(朝单体壳20的侧表面23的方向弯曲并密合的)外周边14b，所以外周边14b具有恢复到原始形状的强烈倾向。由于此原因存在如下问题：电极组件30和单体壳20也会应变并恢复到其原始形状，而难以维持电池单体10a的弯曲表面。
此外，施加到外周边14b的张力使外周边14b应变从而解除密封状态，或者对单体壳20和电极组件30的端部施加强外力，这是使其形状应变的原因。
因此，对于能够解决上述问题并弯曲以形成弯曲表面的电池单体的需要增加。
在本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此它可能含有不形成本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【技术问题】
已经完成了本发明以解决现有技术的上述问题和过去所要求的技术问题。
本发明致力于提供一种具有即使在形成弯曲表面的状态下也几乎不会发生结构应变的特殊结构的电池单体以及一种用于制造能够解决例如对电池单体的性能具有重大影响的劣化的不利因素的电池单体的方法。
发明内容
本发明的示例性实施方式提供了一种电池单体。
所述电池单体具有如下结构：其中在包含正极、负极和隔膜的电极组件与电解液一起收容在单体壳中的状态下，单体壳的外周边通过热熔而密封。
电极组件和单体壳具有如下结构，其中在彼此相对的位置处的两端朝相同方向一起弯曲，从而在电池单体的外表面上形成弯曲表面。
单体壳的热熔的外周边中的至少一个在形成内表面的同时弯曲成密合至弯曲表面。
也就是说，在根据本发明的示例性实施方式的电池单体中，将外周边弯曲并密合至单体壳的被施加了相对较小张力的部分上，因此当单体壳弯曲时或处于弯曲状态时所施加的张力几乎不施加到外周边。
结果，不会发生外周边的密封状态解除或者外周边由于对张力的反应而恢复为原始形状的现象，因此根据本发明的示例性实施方式的电池单体的结构在形成弯曲表面的状态下几乎没有应变。
为了更详细地描述这一点，比较并描述了示出根据相关技术的电池单体的图1至3和示出根据本发明的示例性实施方式的电池单体的图6。
通常，在弯曲成具有弯曲表面的电池单体10a中，在弯曲方向A和A'上施加张力，并且该张力被同等地施加到电极组件以及单体壳20。基于单体壳20描述该情况，该张力在与弯曲方向相反的外弯曲表面22上产生强烈的张力，并且施加到单体壳20上的张力从电池单体10a的中心部C朝末端方向施加。
类似地，在其上形成有外周边14b的单体壳20的侧表面23上，也从电池单体10的中心部C朝末端方向施加张力，并且同时对应于翘曲而朝扇形方向对外周边14b施加张力。扇形方向的张力可以朝与弯曲方向A和A'相反的方向施加或垂直地施加。
因此，由于作为抗翘曲的阻力的张力被施加到单体壳20，所以单体壳20的一部分可以对应于张力而被拉伸。
同时，在袋型电池单体10中，如图2中所示，外周边14c和14b需要朝电极组件方向弯曲，以减小电池单体10的面积，同时防止湿气渗透通过热熔的外周边14c和14b。
然而，如上所述，外周边14c和14b通过热而熔合并粘结，因此与单体壳20的其他部分不同，例如拉伸和牵拉的弹性应变较小。因此，热熔的外周边14c和14b通过对张力的反应而具有恢复到原始形状的强烈倾向。
此外，如图3中示出，如果外周边14b在侧向上密合，则可能对应于翘曲而朝扇形方向对外周边14b施加张力，由于张力朝与弯曲方向相反的方向施加或垂直地施加，所以外周边14b的密封状态可能因该张力而被解除，并且当施加更强的张力时，外周边14b可能破裂。与图3不同，在外周边朝外弯曲表面22(其为与弯曲方向相反的表面)的方向弯曲并密合时，也会产生问题。
也就是说，图1至3的电池单体的结构的问题在于，电极组件和单体壳易于因热熔的外周边而应变并恢复到原始形状，并且单体壳的密封可能在外周边受损的同时被解除。
此外，由于外周边恢复到原始形状的现象持续地影响单体壳和电极组件，所以存在即使在形成弯曲表面的状态下结构也发生应变且因此无法维持电池单体处于期望的形式的问题。
同时，参考图6，由于力是朝中心部C的方向从电池单体100的端部施加到与弯曲方向B和B'对应的内表面101，因此在该部分的单体壳和电极组件上几乎没有产生张力。
在根据本发明的示例性实施方式的电池单体100中，具有相对非常低的张力的向内弯曲的表面101密合至热熔的外周边124，因此与图1至3中示出的电池单体不同，在外周边124上没有产生张力。
因此，在根据本发明的示例性实施方式的电池单体100中，由于在外周边124上没有形成张力，所以外周边通过对其的反应而恢复到原始形状的现象不会发生，从而电池单体100的结构没有应变。
此外，由于外周边124的密封状态被解除或损坏的可能性非常低，所以尽管本发明的示例性实施方式的电池单体100具有弯曲表面结构，但是其具有非常高的结构稳定性。
如上所述，根据本发明的示例性实施方式的电池单体具有弯曲结构，从而在外表面上形成弯曲表面，并且同时，其中热熔的外周边的弯曲结构应变的特殊结构和电池单体的详细结构和构造将参考以下非限制性实例更详细地描述。
在一个详细的实例中，单体壳包含：
形成电池单体的外表面的第一表面、作为与第一表面相对的表面的第二表面以及在第一表面和第二表面之间的侧表面；和
从侧表面和第二表面向外延长用于热熔密封的外周边，
其中电极组件和单体壳可以朝第二表面的方向弯曲，并且外周边中的至少一个可以弯曲成密合至第二表面。
在一些情况下，具有该结构的单体壳可以进一步包含用于增强其机械刚度的构件。详细地说，单体壳具有添加在第二表面上以防止电极组件的弯曲形状改变的增强构件。
增强构件可以与单体壳一起朝第二表面的方向弯曲。
此外，增强构件另外地添加在从第二表面延长的至少一个外周边上。
在弯曲成密合至第二表面的外周边上，增强构件可以与外周边一起朝第二表面的方向弯曲。
在具有弯曲形状的电池单体中，由于充电和放电时正极板和负极板的收缩和膨胀，曲率半径R可以改变。特别地讲，凹形弯曲的第二表面是在制造电池单体时被施加了相当大的应力的区域，并且电池单体具有通过在充电时扩展凹面来降低收缩应力的倾向。
此时，增强构件可以抑制凹形第二表面扩展以维持电池单体的形状。
增强构件可以由胶粘剂等附接到单体壳的第二表面，并且可以是聚合物树脂，例如聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚苯硫醚，但不限于此。
所述外周边包含：第一外周边，一对电极端子中的至少一个电极端子位于所述第一外周边上；
一对第二外周边，所述一对第二外周边从第一外周边的两个端部彼此平行地延长而成；和
第三外周边，所述第三外周边与第一外周边平行、且在第二外周边之间延长而成，
其中第二外周边可以具有以弯曲成密合至单体壳的第二表面的状态与第二表面一起弯曲的结构。
也就是说，第二外周边可以在与第二表面一起弯曲的同时形成电池单体的内表面，并且该内表面可以是弯曲表面。
在该结构中，对应于单体壳的第一外周边和第三外周边的电极组件的端部，可以对应于单体壳的第一外周边和第三外周边而朝单体壳的第二表面的方向弯曲。
在该结构中，当电极组件和单体壳的两个端部朝第二表面的方向弯曲时，密合至第二表面的第二外周边具有如下结构优点：在与单体壳弯曲的方向相反的方向不施加张力。
如上所述，这是由于如下事实导致的：力仅从弯曲的端部朝中心部的方向递送到与弯曲方向对应的第二表面。原因在于，即使相同方向的力施加到密合至第二表面的第二外周边，也没有朝与单体壳弯曲的方向相反的方向施加张力。
根据本发明的示例性实施方式，单体壳具有可变特性，从而在单体壳具有内置于其中的电池组件的状态下能够容易地弯曲。也就是说，在单体壳具有内置于其中的电极组件的状态下，可变单体壳可能因外力而应变。
可变单体壳的详细结构可以是由包含金属层和树脂层的层压片构成的袋型壳。
层压片可以具有如下结构，其中具有优异耐久性的树脂外层被添加到金属阻挡层的一个表面(外表面)上并且热熔性树脂密封层被添加到另一表面(内表面)上。
树脂外层需要对外部环境具有优异的耐久性，因此需要具有高于预定水平的拉伸强度和耐候性。在这方面，作为树脂外层的聚合物树脂，可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和取向的尼龙膜。
作为金属阻挡层，可以使用铝来发挥改善单体壳的强度的功能以及防止例如气体、湿气的异物进入或漏出的功能。
作为树脂密封层的聚合物树脂，可以优选使用具有热熔性(热胶粘性)和低吸湿性以抑制电解液渗透并且不膨胀或被侵蚀的聚烯烃系树脂，详细地说，可以使用未拉伸的聚丙烯(CPP)。
通常，由于例如聚丙烯的聚烯烃系树脂对金属的低胶粘性，所以作为改善对金属阻挡层的胶粘性的方法，优选可在金属层与树脂密封层之间另外设置胶粘层以改善胶粘性和阻挡特性。胶粘层的材料的实例可以包括包含例如聚氨酯系材料、丙烯酸系材料、热塑性弹性体的组合物，但是材料不限于此。
可变单体壳具有如下结构，其中层压片的树脂层在彼此面对面密合的同时彼此热熔，并且可以从外部密封电极组件和电解液。所述外周边可以是指粘结在该结构中的单体壳的外周部分。更详细地说，在具有其中电极组件和电解液在内置于单体壳中的同时被密封的密封结构的电池单体中，外周边可以以平面状成为电池单体的端部。
在一个详细的实例中，电池单体包含：由弯曲的单体壳的第二表面形成的第一弯曲表面和密合至第二表面的第二外周边；
由弯曲的单体壳的第一表面形成的第二弯曲表面；以及
由单体壳的侧表面形成的平面状的一对拱形平坦表面，
其中从第一弯曲表面施加到单体壳的张力比由第二弯曲表面和平坦表面施加到单体壳的张力低5％到70％。
也就是说，在根据本发明的示例性实施方式的电池单体中，如上所述，被施加相对较低的张力的第一弯曲表面设置有第二外周边，因此如相关技术那样，电极组件和单体壳因外周边而应变并恢复到原始形状的现象几乎不发生。
电池单体可以具有如下结构，其中在电极组件的电极端子通过第一外周边平行地突出的状态下，外周边被密封；或者如下结构，其中在电极端子各自通过第一外周边和第三外周边突出的状态下，外周边被密封，但不限于这些结构。
根据本发明的示例性实施方式，电池单体可以根据期望的形状弯曲成具有各种曲率半径(R)，但是如果曲率半径R太小，则在应力集中在电池单体的中心部上的同时可能发生例如畸变的应变，而如果曲率半径过大，则难以控制曲率半径，并且电池单体可能会恢复到原始状态，即，再次处于平坦状态。
因此，电池单体可以具有如下结构，其中电极组件和单体壳以在10R至200R范围内的曲率半径R一起弯曲。在所述电池单体中，曲率半径R是形成弯曲表面的曲线上相切的圆的半径。这里，曲率半径大的事实意味着弯曲度小，并且曲率半径小的事实意味着弯曲度大。根据本发明的示例性实施方式，曲率半径R的单位可以是毫米或厘米。
在一个详细的实例中，曲率半径R可以是50R至200R，并且曲率半径R的单位可以是毫米。
在另一详细的实例中，曲率半径R可以是20R至50R，并且曲率半径R的单位可以是厘米。
以电池单体的垂直截面为基准，曲率半径R可以是第一弯曲表面上的第一曲率半径R1和第二弯曲表面上的第二曲率半径R2的平均值。
第一曲率半径R1是以电池单体的垂直截面为基准而言在第一弯曲表面的曲线上相切的圆的半径。
在第一弯曲表面的曲线上的所有点处的圆的半径可以细微地不同，这对应于制造过程中的误差范围并且因此可以具有基本上相同的曲率半径。详细地说，第一曲率半径R1可以是第一弯曲表面的曲线上相切的半径的平均值。
在一些情况下，在第一弯曲表面的曲线中，中心部和端部处的曲率半径可以在10％至50％的范围内相互不同地构成。
此时，第一曲率半径R1可以是第一弯曲表面的曲线上相切的半径的平均值。然而，在具有曲率半径小、即弯曲状态相对大的结构的二次电池中，弯曲状态可能倾向于在重复充电和放电期间恢复。在这种情况下，与单体壳的端部相邻的极板在被单体壳压制的同时被施加了相当大的力，因此穿透隔膜而引起短路。
因此，在该结构中，在第一弯曲表面的曲线中，端部的曲率半径可以是比中心部的曲率半径大的结构。
第二曲率半径R2可以与第一曲率半径R1细微地不同，这对应于制造过程中的误差范围并且可以被认为具有基本上相同的曲率半径。根据本发明的示例性实施方式，电池单体的曲率半径R被定义为第一弯曲表面上的第一曲率半径R1和第二弯曲表面上的第二曲率半径R2的平均值。
此外，第二曲率半径R2可以是以电池单体的垂直截面为基准而言在第二弯曲表面的曲线上的圆的半径。与第一曲率半径R1类似，在第二弯曲表面的曲线上的所有点处的圆的半径可以细微地不同，这对应于制造过程中的误差范围并且可以被认为具有基本上相同的曲率半径。详细地说，第二曲率半径R2可以是第二弯曲表面的曲线上相切的半径的平均值。
在一些情况下，在第二弯曲表面的曲线中，中心部和端部处的曲率半径可以在10％至50％的范围内相互不同地构成。此时，第二曲率半径R2可以是第二弯曲表面的曲线上相切的半径的平均值。在该结构中，在第二弯曲表面的曲线中，可以是端部的曲率半径比中心部的曲率半径大的结构。
也就是说，第一曲率半径和第二曲率半径可以基本上相同，并且同时，第一弯曲表面和第二弯曲表面上的所有点处的曲率半径可以基本上相同。
另一方面，第一曲率半径和第二曲率半径可以基本上相同，但是第一弯曲表面和第二弯曲表面上的端部处的曲率半径可以形成为大于中心部处的曲率半径。在该结构中，当施加到极板的活性材料在电池单体的重复充电和放电期间重复膨胀和收缩时，端部与在相同条件下具有较小曲率半径的两个端部相比，由于恢复带来的应变相对小，从而施加到电极组件的端部的力小。因此，存在极板发生短路的可能性低的优点。
同时，在一个详细的实例中，电极组件和单体壳可以以电池单体的中心为基准弯曲成彼此对称。
与此不同，电极组件和单体壳可以以电池单体的中心为基准弯曲成彼此不对称。
这里，电池单体的中心是指与单体壳的第一外周边和第三外周边平行并且穿过电池单体的中心部的水平轴。
根据本发明的示例性实施方式，电极组件可以具有处于其中隔膜插置在多个正极和负极之间的状态的堆叠结构，或者可以是其中隔膜以如下状态螺旋卷绕的结构，其中以隔膜插置在至少一个正极和负极之间的状态堆叠的多个单元单体排列在隔膜中。
此外，电池单体的种类不受特别限制，但是其详细实例可以包括具有高能量密度、放电电压、输出稳定性等等的锂二次电池，例如锂离子(Li离子)二次电池、锂聚合物(Li聚合物)二次电池以及锂离子聚合物(Li离子聚合物)二次电池。
通常，锂二次电池包含正极、负极、隔膜、含锂盐的非水性电解质。
例如，通过在正极集电器和/或扩展集电器上涂覆并干燥正极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物来制备正极，并且如果需要，可以向混合物中进一步添加填料。
正极集电器和/或扩展集电器通常具有3微米至500微米的厚度。正极集电器和扩展集电器不受特别限制，只要它们具有高导电性而不引起电池的化学变化即可。例如，可以使用不锈钢，铝，镍，钛，焙烧碳，或者以碳、镍、钛、银等进行过表面处理的铝或不锈钢。正极集电器和扩展集电器可以在其表面上形成细微粗糙度以增加正极活性材料的粘附性，并且可以具有各种形式例如膜、片、箔、网、多孔体、发泡体、无纺布体等等。
正极活性材料可以是层状化合物，例如锂钴氧化物(LiCoO2)或锂镍氧化物(LiNiO2)或者取代了一种或多种过渡金属的化合物；锂锰氧化物，例如化学式Li1+xMn2-xO4(其中x为0至0.33)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2等等；锂铜氧化物(Li2CuO2)；钒氧化物，例如LiV3O8、LiFe3O4、V2O5和Cu2V2O7；由化学式LiNi1-xMxO2(其中M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，且x＝0.01至0.3)表示的Ni位点型锂镍氧化物；由化学式LiMn2-xMxO2(其中M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，且x＝0.01至0.1)或Li2Mn3MO8(其中M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；LiMn2O4，其中该化学式中的一部分Li被取代成碱土金属离子；二硫化物化合物；Fe2(MoO4)3等等，但不限于此。
相对于包含正极活性材料的混合物的总重量，导电材料通常以1重量％至30重量％添加。这一导电材料不受特别限制，只要其具有导电性而不会引起电池中的化学变化即可，并且其实例可以包括石墨，例如天然石墨和人造石墨；炭黑，例如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽黑、炉黑、灯黑和夏黑；导电纤维，例如碳纤维和金属纤维；金属粉末，例如氟化碳粉末、铝粉末和镍粉末；导电晶须，例如氧化锌和钛酸钾；导电金属氧化物，例如钛氧化物；导电材料，诸如聚亚苯基衍生物等等。
粘合剂是有助于在活性材料和导电材料之间的粘结和对集电器的粘结的组分，并且相对于包含正极活性材料的混合物的总重量，通常以1重量％至30重量％的量添加。粘合剂的实例可以包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯丁烯橡胶、氟橡胶、各种共聚物等等。
该填料任选地作为抑制正极膨胀的组分使用，并且不受特别限制，只要其是不会引起电池中的化学变化的纤维材料即可。填料的实例可以包括烯烃系聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯；纤维材料，例如玻璃纤维、碳纤维等等。
通过在负极集电器和/或扩展集电器上涂覆并干燥负极活性材料来制造负极，并且任选地，可以根据需要进一步包含如上所述的组分。
负极集电器和/或扩展集电器通常具有3微米至500微米的厚度。负极集电器和/或扩展集电器不受特别限制，只要其具有导电性而不会引起电池的化学变化即可。例如，可以使用铜，不锈钢，铝，镍，钛，焙烧碳，或用碳、镍、钛、银等进行过表面处理的铜或不锈钢，铝-镉合金等。此外，与正极集电器类似，可以在表面上形成细微粗糙度以增强负极活性材料的粘附性，并且可以使用各种形式，例如膜、片、箔、网、多孔体、发泡体和无纺布体。
负极活性材料的实例可以包括碳，例如非石墨化碳和石墨系碳；金属复合氧化物，例如LixFe2O3(0≤x≤1)、LixWO2(0≤x≤1)、SnxMe1-xMe'yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me’：Al、B、P、Si、元素周期表的I、II和III族的元素、卤素；0<x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；锂金属；锂合金；硅系合金；锡系合金；金属氧化物，例如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4和Bi2O5；导电聚合物，例如聚乙炔；Li-Co-Ni系材料等等。
隔膜插置在正极和负极之间，并且使用具有高离子渗透率和机械强度的绝缘薄膜。隔膜的孔径通常为0.01微米至10微米，且厚度通常为5微米至300微米。作为隔膜，使用例如由烯烃系聚合物例如耐化学性且疏水性的聚丙烯、玻璃纤维、聚乙烯等制成的片材、无纺布等等。当使用例如聚合物的固体电解质作为电解质时，该固体电解质可以作为隔膜使用。
电解液可以是含有锂盐的非水性电解液，并且可以包含非水性电解液和锂盐。作为非水性电解液，使用非水性有机溶剂、有机固体电解质、无机固体电解质等等，但不限于此。
作为所述非水性有机溶剂，例如，可以使用非质子性有机溶剂，例如N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、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、碳酸亚丙酯衍生物、四氢呋喃衍生物、醚、焦磷酸甲酯和丙酸乙酯。
作为所述有机固体电解质，例如，可以使用包括聚乙烯衍生物、聚环氧乙烷衍生物、聚环氧丙烷衍生物、磷酸酯聚合物、聚搅拌赖氨酸、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、离子解离基团等等的聚合物。
作为所述无机固体电解质，例如，可以使用Li的氮化物、卤化物、硫酸盐等等，例如Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH和Li3PO4-Li2S-SiS2。
所述锂盐是可以很好地溶解在非水性电解质中的材料，并且其实例可以包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族羧酸锂、4-苯基硼酸锂、亚氨基锂等等。
此外，为了改善充电/放电特性、阻燃性等的目的，在非水性电解液中，可以添加例如吡啶、亚磷酸三乙酯、三乙醇胺、环醚、乙二胺、正甘醇二甲醚、六磷酸三酰胺、硝基苯衍生物、硫、醌亚胺染料、N-取代的
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唑烷酮、N,N-取代的咪唑烷、乙二醇二烷基醚、铵盐、吡咯、2-甲氧基乙醇、三氯化铝等等。在一些情况下，可以进一步包含例如四氯化碳或三氟乙烯的含卤素溶剂以赋予不燃性，可以进一步包含二氧化碳气体以改善高温储存特性，可以进一步包含碳酸氟代亚乙酯(FEC)、丙烯磺内酯(PRS)等等。
在一个详细的实例中，可以通过向作为高介电常数溶剂的EC或PC的环状碳酸酯和作为低粘度溶剂的DEC、DMC或EMC的直链碳酸酯的混合溶剂中加入例如LiPF6、LiClO4、LiBF4和LiN(SO2CF3)2的锂盐来制备含锂盐的非水性电解质。
本发明的一个示例性实施方式提供了一种用于制造电池单体的方法。
详细地说，根据本发明的示例性实施方式的方法包括：
(a)通过将电极组件安装在可变单体壳上并且在注入电解液的状态下对单体壳的外周边进行热熔来制备板状单体；
(b)将在外周边之中彼此相对的一对第二外周边朝单体壳的第二表面水平弯曲并密合；
(c)在上下分离的夹具中安装并压制所述板状单体，所述夹具刻印有具有小于曲率半径R的曲率半径r的电池单体的形状；以及
(d)打开夹具以取出电池单体，然后将电池单体静置预定的时间使得部分地恢复弯曲状态从而形成曲率半径R。
通常，用于制造弯曲的电池单体的方法包括：对电极组件施加热和压力并弯曲电极组件，然后将易于应变的袋型单体壳进行密封从而对应于这样的弯曲形状。
然而，该制造方法可能会如下大大劣化电池单体的性能。
首先，热直接施加到电极组件，因此电池单体的劣化可能会严重。该劣化使电极的结构应变或者导致形成电极的活性材料分解，这是导致电池单体的性能劣化的原因。
其次，即使单体壳像电极组件一样应变，因此造成制造过程的负担，并且当在将弯曲的电极组件安装在单体壳中的同时注入电解液并对其充电时，在电极组件中包含的应力也可能由于在弯曲过程期间电解液的塑性作用而恢复，从而存在由电极组件的端部被单体壳的内表面压制而致短路可能性增加的问题。
另一方面，根据本发明的示例性实施方式的用于制造电池单体的方法并不是通过仅对电极组件压制而形成弯曲表面，而是在其中电极组件安装在单体壳中且然后注入电解液并执行了初始充电和放电的状态下通过后加工工序形成弯曲表面。因此，应变可以相对降低并且热不直接施加到电极组件，使得劣化可以最小化。
此外，当通过压制电极组件本身形成弯曲表面时，用于收容电极组件的单体壳需要再次形成弯曲表面，从而不易于形成弯曲表面并且该工序复杂。然而，根据本发明的示例性实施方式，单体壳还与电极组件一起被压制成弯曲，因此工序效率优异。
此外，在压制工序期间，电池单体的电解液在电极组件被弯曲的过程中起到一种增塑剂的作用，从而使由极板的界面摩擦力产生的应力的出现最小化，从而可以大大降低弯曲的电极组件由于在重复充电和放电过程期间的应力而恢复到原始状态的倾向。
为了有利于一体成型，单体壳由具有预定可变性的材料制成，这些材料在压制工序(b)期间可以容易地应变和弯曲。
工序(c)是在电池单体的外表面上形成弯曲表面的工序，并且是使用具有与期望的弯曲表面的形状对应的形状的夹具(例如，凹型夹具)和具有与其对应的形状的夹具(例如，凸型夹具)压制电池单体的工序。
在一些情况下，可以在压制工序期间执行热处理。在这种情况下，加热方法不受特别限制。例如，夹具中安装有加热器从而在压制的同时执行加热。
在压制工序期间施加的压力和温度足以不引起电池单体中的电极组件劣化，并且优选在10℃至90℃下在150kgF至500kgF的压力下执行。然而，优选在室温下执行压制反应而无需单独的加热工序，从而使由于加热引起的电极组件和电解液的劣化最小化。
解决了在压制工序(c)期间在电池单体中出现的应力，从而稳定地维持弯曲表面的形状，使得在静置工序(d)期间可以形成期望的曲率半径R。
本发明提供其中形成了预定的弯曲表面的电池单体，具有内置于以与电池单体相同的形状弯曲的电池组壳中的结构的电池组，以及使用该电池组作为电源的装置。
详细地说，所述电池组可以用作作为移动电子装置或可佩戴电子装置的装置所用的电源。
附图说明
图1至3是根据相关技术的电池单体和弯曲电池单体的示意图；
图4为根据本发明的一个示例性实施方式的电池单体的示意图；
图5是示出图4中所示的电池单体和其中该电池单体被弯曲的结构的垂直截面图；
图6为根据本发明的一个示例性实施方式的弯曲电池单体的示意图；
图7为根据本发明的另一示例性实施方式的弯曲电池单体的垂直截面图；
图8为根据本发明的一个示例性实施方式的制造电池单体的工序的示意图；
图9是根据本发明的一个示例性实施方式的包含具有弯曲表面的电池单体的电池组的透视图；
图10为根据本发明的另一示例性实施方式的电池单体的垂直截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考根据本发明的示例性实施方式的附图来描述本发明，这是为了更容易地理解本发明，但是本发明的范围不限于此。
图4为根据本发明的一个示例性实施方式的电池单体100a的结构的示意图；
参考图4，电池单体100a具有如下结构：其中在包含正极、负极和隔膜的电极组件110与电解液一起收容在单体壳120中的状态下，单体壳120的外周边124、125和126通过热熔而密封，并且该结构是与图1和图2的电池单体100的结构相同的结构。因此，将省略重复构造的描述。
单体壳120包含形成电池单体100的外表面的第一表面122、与第一表面122相对的第二表面121、以及在第一表面122和第二表面121之间的侧表面123。
单体壳120还包含从侧表面123和第二表面121向外延长的外周边124、125和126。
外周边124、125和126包含：电极组件110的一对电极端子60和70中的至少一个位于其上的第一外周边126，从第一外周边126的两个端部彼此平行地延长而成的一对第二外周边124和125，以及与第一外周边126平行且在第二外周边124和125的端部之间延长而成的第三外周边(未示出)。
这些外周边124、125和126被热熔，且热熔的第一外周边126、第二外周边124和125以及第三外周边形成电池单体100的端部。
由此，热熔的外周边124、125和126中的第二外周边124和125朝电极组件110的方向弯曲，以防止湿气经其渗透，并且减小电池单体100的面积，详细而言，弯曲成密合至单体壳120的第二表面121。
在这种状态下，如图5中所示，在电池单体100中，与单体壳120的第一外周边126和第三外周边对应的电极组件110的端部111和112朝单体壳120的第二表面121的方向弯曲，且单体壳120对应于电极组件110的翘曲，在第一外周边126和第三外周边朝相同方向弯曲的同时应变为弯曲的电池单体100。
如上所述，该结构具有如下结构优点：当电极组件110和单体壳120的两个端部朝第二表面121的方向弯曲时，在密合至第二表面121的第二外周边124和125上在与单体壳120弯曲的方向相反的方向不会出现张力。
这是由于如下事实导致的：力仅从电池单体100的端部朝向中心部递送到单体壳120的第二表面121。原因在于，即使相同方向的力施加到密合至第二表面121的第二外周边124和125，也没有朝与单体壳120弯曲的方向相反的方向施加张力。
关于此，图6为根据本发明的一个示例性实施方式的弯曲的电池单体的示意图。
参考图6以及图4和5，电池单体100包含由弯曲的单体壳120的第二表面121和密合至第二表面121的第二外周边124和125形成的第一弯曲表面101、由弯曲的单体壳120的第一表面122形成的第二弯曲表面102，以及由单体壳120的侧表面123形成的平面状的一对拱形平坦表面103。
电池单体100与电极组件110和单体壳120一起以曲率半径R弯曲，其中曲率半径R是第一弯曲表面101上的第一曲率半径R1和第二弯曲表面102上的第二曲率半径R2的平均值。
在电池单体100中，电极组件110和单体壳120在单体壳120的第一外周边126和第三外周边之间与这些平行，并且以穿过电池单体100的中心的水平轴C为基准弯曲成彼此对称。
同时，在电池单体100中，在弯曲方向B和B'上施加张力，该张力被同等地施加到电极组件110以及单体壳120。该张力在电池单体100的外弯曲表面102上产生强烈的张力，特别地讲，施加到单体壳120的张力在从电池单体100的中心部C朝末端方向施加的同时拉伸单体壳120的一部分。
此外，在电池单体100的平坦表面103上，张力也是从电池单体100的中心部C朝末端方向施加，并且同时对应于翘曲而朝扇形方向施加所述张力，并且朝扇形方向的张力是朝与弯曲方向B和B’相反的方向施加或垂直地施加。
另一方面，力是从电池单体100的端部朝中心部C的方向递送到电池单体100的第一弯曲表面101。由于这个原因，张力几乎不施加到第一弯曲表面101。
也就是说，根据本发明的示例性实施方式的电池单体100包含由易于因张力而恢复到原始形状的第二外周边124和125与在其上几乎不产生张力的单体壳120的第二表面121的组合形成的第一弯曲表面101，并且由于该第一弯曲表面101的结构因该组合而几乎没有应变，所以即使存在由于翘曲而产生的张力，也可以防止电池单体100的弯曲表面被解除或者第二外周边124和125、单体壳120和电极组件110的结构发生应变的现象。
图7示出根据本发明的另一示例性实施方式的电池单体200的垂直截面图。
参考图7，在电池单体200中，电极组件210和单体壳220以电池单体100的中心C为基准弯曲成彼此不对称。
详细地说，在电池单体200中，第一弯曲表面201由具有不同曲率半径Ra、Rb和Rc的曲线构造，详细而言，第一弯曲表面201以电池单体200的中心C为基准的两个部分具有不对称的结构，其中它们以不同的曲率半径弯曲。
这里，第一弯曲表面201的第一曲率半径R1'是不同曲率半径Ra、Rb和Rc的平均值，其与第二弯曲表面202基本相同。
同时，在曲率半径小的结构、即弯曲状态相对较大的结构中，强烈地出现恢复弯曲状态的倾向，并且当恢复弯曲状态时，由于电极组件210的与端部相邻的极板被单体壳220压制而使电池单体200的端部被施加了相当大的力，并且穿透隔膜而容易短路，所以有利的是，电池单体200的至少端部具有曲率半径相对较大的结构，即弯曲状态相对较小的结构。
因此，电池单体200在第一弯曲表面201和第二弯曲表面202上具有端部的曲率半径Rc大于中心部的曲率半径Rb的结构。
在该结构中，当施加到极板的活性材料在电池单体200的重复充电和放电期间重复膨胀和收缩时，端部与在相同条件下具有较小曲率半径的两个端部相比，由于恢复带来的应变相对小，从而施加到电极组件210的端部的力小，由此降低上述极板短路的可能性。
图8示意性地示出根据本发明的示例性实施方式的制造形成有弯曲表面的电池单体100的工序。
参考图8，用于形成弯曲表面的设备包含设置有具有曲率半径r的凸部311的上夹具310和设置有具有曲率半径r的凹部321的下夹具320，使得下夹具320可以与上夹具310啮合。在电池单体100a中，电极组件与电解液一起内置于可变单体壳中，并且安装在下夹具320的凹部321上以形成弯曲表面。
如果上夹具310朝下夹具320的方向下降以压制电池单体100a，则在电池单体100a弯曲的同时形成与上夹具310和下夹具320的形状对应的弯曲表面。
因此，与如在相关技术中在电极组件上直接热压不同，作为后加工工序的压制工序在电极组件收容在可变单体壳内并注入电解液并且执行了初始充电和放电的状态下执行，由此使电极组件的劣化最小化。此外，单体壳中的电解液充当一种增塑剂，以使由于在压制工序期间在极板之间的界面摩擦力而出现的应力最小化，从而可以大大降低在电池单体100的充电和放电过程期间由于应力引起恢复的倾向。
同时，压制工序优选在室温下执行，但是根据需要可以伴随预定的热处理工序。为此目的，可以在上夹具310和/或下夹具320中安装有加热器(未示出)。
在压制工序之后，夹具310和320打开以取出电池单体100，并静置预定的时间，使得弯曲状态部分地恢复以产生曲率半径R。因此，施加到电池单体100的应力通过压制工序来解决，使得可以稳定地维持弯曲表面。制造的电池单体100具有两端一起向上弯曲的形状，并且其曲率半径R可以等于或大于上夹具310的曲率半径r。
图9示意性地示出其中安装了根据本发明的示例性实施方式的电池单体的电池组。
参考图9，电池组400的电池组壳包含：以与电池单体相同的形状平滑地弯曲以形成弯曲表面的电池组壳体420、安装在其上表面上的上盖410和安装在其下表面上的下盖(未示出)。上盖410设置有凹槽部411，使得外部输入和输出端子可以突出。
如上所述，设置有预定弯曲表面的电池组400安装在设计成具有各种弯曲表面的装置如移动电话中以高效地利用内部空间，由此制造具有密合结构的装置。因此，可以根据消费者的喜好开发具有各种设计的装置，这可能有助于产品的多样化。
图10示出根据本发明的另一示例性实施方式的电池单体的垂直截面图。
图10中示出的电池单体500的结构与上文参考图4至6描述的电池单体类似，但与图4至6中示出的电池单体的不同之处在于增强构件530添加在单体壳520的第二表面521上。
增强构件530与单体壳520一起朝第二表面521的方向弯曲以防止电池单体500的弯曲形状恢复。
已经参考附图描述了本发明的示例性实施方式，但是可以基于内容由具有普通技术的人员对特定示例性实施方式进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围。
[工业适用性]
如上所述，在根据本发明的示例性实施方式的电池单体中，外周边弯曲并密合至施加了相对较小的张力的单体壳的部分，因此当单体壳弯曲或处于弯曲状态时施加的张力几乎不施加到外周边。结果，不会发生由于张力的反应而解除外周边的密封状态或使外周边恢复到原始形状的现象，因此根据本发明的示例性实施方式的电池单体的结构在形成弯曲表面的状态下几乎没有应变。
根据本发明的示例性实施方式的用于制造电池单体的方法不是通过仅压制电极组件来形成弯曲表面，而是通过后加工工序在电极组件安装在单体壳中且随后注入电解液并执行了初始充电和放电的状态下形成弯曲表面。因此，应变可能相对小并且热直接施加到电极组件，从而可以使劣化最小化。

Claims (26)

1.一种电池单体，具有如下结构，其中在包含正极、负极和隔膜的电极组件与电解液一起收容在单体壳中的状态下，单体壳的外周边通过热熔而密封，其中
所述电极组件和所述单体壳具有如下结构，其中在彼此相对的位置处的两个端部朝相同方向一起弯曲，使得在所述电池单体的外表面上形成弯曲表面，且
所述单体壳的热熔的外周边的至少一个在形成内表面的同时弯曲成密合至弯曲表面。
2.根据权利要求1所述的电池单体，其中：所述单体壳包含：
形成电池单体的外表面的第一表面、作为与所述第一表面相对的表面的第二表面以及在所述第一表面和所述第二表面之间的侧表面；和
从所述侧表面和所述第二表面向外延长用于热熔密封的外周边，且
所述电极组件和所述单体壳朝所述第二表面的方向弯曲，并且所述外周边中的至少一个弯曲成密合至所述第二表面。
3.根据权利要求2所述的电池单体，其中：所述外周边包含：
第一外周边，所述电极组件的一对电极端子中的至少一个位于所述第一外周边上；
一对第二外周边，所述一对第二外周边从所述第一外周边的两个端部彼此平行地延长而成；和
第三外周边，所述第三外周边与所述第一外周边平行、并且在所述第二外周边的端部之间延长而成，且
所述第二外周边具有以弯曲成密合至所述单体壳的第二表面的状态与所述第二表面一起弯曲的结构。
4.根据权利要求3所述的电池单体，其中：当所述电极组件和所述单体壳的两个端部朝所述第二表面的方向弯曲时，密合至所述第二表面的所述第二外周边在与所述单体壳弯曲的方向相反的方向不产生张力。
5.根据权利要求2所述的电池单体，其中：所述外周边以平面状形成所述电池单体的端部。
6.根据权利要求2所述的电池单体，其中：所述电池单体包含：
由弯曲的单体壳的第二表面和密合至所述第二表面的第二外周边形成的第一弯曲表面；
由所述弯曲的单体壳的第一表面形成的第二弯曲表面；以及
由所述单体壳的侧表面形成的平面状的一对拱形平坦表面，且
从所述第一弯曲表面施加到所述单体壳的张力比由所述第二弯曲表面和所述平坦表面施加到所述单体壳的张力低5％至70％。
7.根据权利要求3所述的电池单体，其中：
所述电池单体具有如下结构，其中在所述电极组件的电极端子通过所述第一外周边平行地突出的状态下，所述第一外周边、所述第二外周边和所述第三外周边被密封；或者
所述电池单体具有如下结构，其中在所述电极端子各自通过所述第一外周边和所述第三外周边突出的状态下，所述第一外周边、所述第二外周边和所述第三外周边被密封。
8.根据权利要求3所述的电池单体，其中：
对应于所述单体壳的第一外周边和第三外周边的所述电极组件的端部，对应于所述单体壳的所述第一外周边和所述第三外周边而朝所述单体壳的第二表面的方向弯曲。
9.根据权利要求8所述的电池单体，其中：所述电极组件和所述单体壳以所述电池单体的中心为基准弯曲成彼此对称。
10.根据权利要求8所述的电池单体，其中：所述电极组件和所述单体壳以所述电池单体的中心为基准弯曲成彼此不对称。
11.根据权利要求6所述的电池单体，其中：所述电池单体具有如下结构，其中所述电极组件和所述单体壳在10R至200R的曲率半径R的范围内一起弯曲。
12.根据权利要求11所述的电池单体，其中：所述曲率半径R是50R至200R，并且所述曲率半径R的单位是毫米。
13.根据权利要求11所述的电池单体，其中：所述曲率半径R是20R至50R，并且所述曲率半径R的单位是厘米。
14.根据权利要求11所述的电池单体，其中以所述电池单体的垂直截面为基准，所述曲率半径R是所述第一弯曲表面上的第一曲率半径R1和所述第二弯曲表面上的第二曲率半径R2的平均值。
15.根据权利要求1所述的电池单体，其中：
所述电极组件具有处于其中所述隔膜插置在多个正极和负极之间的状态的堆叠结构，或者
所述电极组件具有其中所述隔膜以如下状态螺旋卷绕的结构，其中以所述隔膜插置在至少一个正极和负极之间的状态堆叠的多个单元单体排列在所述隔膜中。
16.根据权利要求1所述的电池单体，其中：所述单体壳为由包含金属层和树脂层的层压片制成的袋型壳。
17.根据权利要求2所述的电池单体，其中：所述单体壳具有添加到所述第二表面上以防止所述电极组件的弯曲形状改变的板状增强构件，且
所述增强构件与所述单体壳一起朝所述第二表面的方向弯曲。
18.根据权利要求17所述的电池单体，其中：所述增强构件另外地添加在从所述第二表面延长的至少一个外周边上，并且
在弯曲成密合至所述第二表面的所述外周边上，所述增强构件与所述外周边一起朝所述第二表面的方向弯曲。
19.一种用于制造权利要求1至18中任一项所述的电池单体的方法，包括如下工序：
(a)通过将电极组件安装在可变单体壳上并且在注入电解液的状态下对所述单体壳的外周边进行热熔来制备板状单体；
(b)将在所述外周边之中彼此相对的一对第二外周边朝所述单体壳的第二表面水平弯曲并密合；
(c)在上下分离的夹具中安装并压制所述板状单体，所述夹具刻印有具有小于曲率半径R的曲率半径r的电池单体的形状；以及
(d)打开所述夹具以取出所述电池单体，然后将所述电池单体静置预定的时间使得部分地恢复弯曲状态从而形成所述曲率半径R。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：工序(c)在150kgF至500kgF的压力下执行。
21.根据权利要求19所述的方法，其中：工序(c)在10℃至90℃下执行。
22.根据权利要求19所述的方法，其中：所述夹具中安装有加热器。
23.根据权利要求19所述的方法，其中：压制所述板状单体是在室温下执行的。
24.一种电池组，具有如下结构，其中权利要求1所述的电池单体安装在以与所述电池单体相同的形状弯曲的外部材料上。
25.一种使用权利要求1所述的电池单体作为电源的装置。
26.根据权利要求25所述的装置，其中：所述装置是移动电子装置或可佩戴的电子装置。
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