CN108701783B - 袋型二次电池和袋膜形成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种袋型二次电池，其包含电极组件和袋壳，所述电极组件具有彼此面对设置的正极板和负极板，所述袋壳具有以容纳所述电极组件的方式形成的凹槽，其中所述袋壳包含第一袋膜和热熔合到所述第一袋膜的第二袋膜，并且其中凹槽形成在所述第一袋膜和所述第二袋膜中的至少一个中，并且在所述凹槽的底面上，以所述底面的面积等于或大于覆盖所述凹槽的开口的参考面的面积的方式放置有所述电极组件。

Description

袋型二次电池和袋膜形成装置
技术领域
本发明涉及一种袋型二次电池，更具体地说，涉及一种通过减少死区而具有增加的能量密度的袋型二次电池，还涉及用于所述袋型二次电池的袋膜形成装置。
本申请要求于2017年1月11日在韩国提交的韩国专利申请10-2017-0004339号的优先权，所述专利申请的公开内容通过引用并入本文。
背景技术
最近，对可以通过使用电能操作的电子产品的兴趣正在增加。因此，随着技术发展和对电子产品的需求增加，作为能源的二次电池的需求以更多样化的形式迅速增加。因此，正在进行许多关于二次电池的研究以满足各种需求。
二次电池根据其外部类型分为袋型二次电池、圆柱形二次电池、矩形二次电池等，其中袋型二次电池是其中电极组件被包括在由金属层压片制成的袋壳中的二次电池。袋型二次电池的优点在于，它可以以低制造成本容易地制造，并且还通过串联和/或并联连接多个单元电池而容易地构造具有大容量的电池组。
例如，单杯型袋型二次电池包含由铝层压片制成的袋壳和容纳在所述袋壳中并具有多个堆叠的电化学电池的电极组件，每个电化学电池具有正极、隔板和负极。
图1是显示常规袋型二次电池的示意性横截面图，图2是用于说明常规袋膜形成装置在袋膜中形成凹槽的形成过程的图。
参照图1，袋壳包含下袋膜1和上袋膜2。此外，上袋膜2具有其中可放置电极组件3的凹槽。凹槽形成在上袋膜2处，与电极组件3的形状相对应，并且凹槽的深度取决于电极组件3的厚度。
参照图2，常规袋膜形成装置包含模具4和冲头5。成形槽4a形成在模具4处，所述成形槽4a的形状对应于通过使用袋膜2形成的所需袋壳。此时，成形槽4a的深度与要在所需袋壳中形成的凹槽的深度相对应。另外，冲头5用于将袋膜2放置在模具4上并向其施加力，即冲压，以通过使用袋膜2形成具有所需深度的凹槽的袋壳。
然而，因为模具4的成形槽4a的直径大于冲头5的直径，所以袋膜2的凹槽不与模具的成形槽4a完全一致地形成。也就是说，由于成形槽4a与冲头5之间的尺寸差异以及袋膜2的稍微柔韧的性质，在成形过程中，袋膜2的侧面相对于成形槽的侧壁在间隔状态下倾斜地成形。因此，如果袋膜的侧面如上所述倾斜地成形，则凹槽的底面面积减小。例如，如图1所示，假设凹槽参考面的全宽度为L1，则底面的全宽度为L1–2×(L2+L3)，其小于凹槽的参考面。
然而，因为能够容纳在袋壳中的电极组件的尺寸与凹槽的底面面积有关，所以凹槽的底面面积的减小对能量密度是不利的。近来，已经积极地研究和开发了具有高能量密度和紧凑设计的电池组。为了实现这样的电池组，指出，考虑到二次电池的电池单元，应该比常规技术更加提高能量密度。因此，需要通过减小常规袋型二次电池的内部空间中的死区来增加能量密度。
发明内容
技术问题
本发明是鉴于上述常规技术而设计的，本发明涉及提供一种袋型二次电池和用于所述袋型二次电池的袋膜形成装置，所述袋型二次电池能够通过减少袋壳内的死区而相比于常规技术容纳更高容量的电极组件来增加能量密度。
技术方案
在本发明的一个方面，提供一种袋型二次电池，其包含电极组件和袋壳，所述电极组件具有彼此面对设置的正极板和负极板，所述袋壳具有形成以容纳所述电极组件的凹槽，其中所述袋壳包含第一袋膜和热熔合到所述第一袋膜的第二袋膜，并且其中凹槽形成在所述第一袋膜和所述第二袋膜中的至少一个中，并且在所述凹槽的底面上，以所述底面的面积等于或大于覆盖所述凹槽的开口的参考面的面积的方式放置有所述电极组件。
凹槽可以包含第一侧面区域和第二侧面区域，在所述第一侧面区域中凹槽的全宽度从参考面沿着深度逐渐减小，在所述第二侧面区域中凹槽的全宽度从第一侧面区域的终点到底面逐渐增大。
第一侧面区域可以具有圆化形状。
电极组件的全宽度可以对应于凹槽在第一侧面区域的终点处的全宽度。
凹槽可以形成在第一袋膜处。
第一袋膜和第二袋膜可以使用单个膜形成，并且第二袋膜可以设置为与第一袋膜重叠以形成单杯型袋壳。
在本发明的另一方面，还提供了一种用于形成具有凹槽的袋壳的袋膜形成装置，所述装置包含：模具，其被构造为形成具有与凹槽相对应的形状的成形槽并具有设置成在水平方向上相对移动的第一模具单元和第二模具单元；和冲头，其被构造为移入成形槽中或从成形槽移出，并且设置成在成形工艺之前通过空气压力将袋膜的凹槽靶标紧密地附着到成形槽的表面。
上面放置有袋膜的第二模具单元的顶面可以比第一模具单元相对更宽。
冲头可以具有多个能够向外注射压缩空气的排气孔。
冲头可以由能根据空气的注入而收缩和膨胀的柔软材料制成。
有益效果
根据本发明的一个实施方案，可以提供一种袋型二次电池，其能够通过减小袋壳内部的死区而容纳更高容量的电极组件来增加能量密度。
根据本发明的另一个实施方案，可以提供一种能够形成具有凹槽的袋膜的袋膜形成装置，在所述凹槽的底面上可放置电极组件，所述底面至少等于或大于覆盖袋膜凹槽的开口的参考面。
附图说明
图1是示出常规袋型二次电池的示意性横截面图。
图2是用于说明常规袋膜形成装置在袋膜中形成凹槽的成形过程的图。
图3是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的袋壳的透视图。
图4是示出图3的袋壳和电极组件的示意性横截面图。
图5是示出在图3的袋壳中容纳电极组件、然后密封袋壳的示意性横截面图。
图6是示出图5的袋型二次电池在密封部分折叠后垂直翻转的示意性横截面图。
图7至图10是用于说明根据本发明的一个实施方案的袋膜形成装置在袋膜中形成凹槽的成形过程的图。
图11和图12是用于说明根据本发明的另一实施方案的袋膜形成装置在袋膜中形成凹槽的成形过程的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施方案。在描述之前，应该理解的是，本说明书和所附权利要求中使用的术语不应该被解释为限于一般和字典的含义，而是根据允许本发明人适当地定义术语以获得最佳解释的原则基于与本发明的技术方面相对应的含义和概念来解释。
因此，本文提出的描述仅仅是用于说明目的的优选示例，并不旨在限制本发明的范围，因此应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用它的其它等同物和变体。
参照图3和图4，根据本发明的一个实施方案的袋型二次电池包含电极组件10，以及由第一袋膜30和能够在垂直方向上热熔合到第一袋膜30的第二袋膜40组成的袋壳20，所述第一袋膜30具有能够容纳电极组件10的凹槽31。
如下面将更详细说明的，根据本发明的袋壳20具有与常规袋壳20相同的全宽度，但是可进一步确保可以有效地容纳电极组件10的内部空间。因此，基于相同的规格，根据本发明的袋型二次电池具有更高的能量密度，这是因为与常规袋型二次电池相比，它可以容纳具有更大容量的电极组件10。如果使用根据本发明的袋型二次电池，则与常规袋型二次电池相比，可以设计更紧凑的电池组。
首先，将简要描述根据本发明的袋型二次电池的电极组件10。尽管为了便于说明而未详细示出，但电极组件10可包含彼此面对设置的正极板和负极板。正极板和负极板通过用活性材料浆料涂覆集电器而形成。所述浆料通常通过搅拌其中加入粒状活性材料、辅助导体、粘合剂、增塑剂等的溶剂形成。
正极板和负极板以板形式提供，并且设置成间隔开，以使得它们的板彼此面对。在正极板与负极板之间插入隔板，使得正极板和负极板不直接相互接触。隔板具有多孔结构，使得正极板和负极板被阻挡而不会短路，从而允许在充电或放电期间进行电荷转移。
电极引线可以连接到电极组件10，并且电极引线可以从袋壳20暴露出来以用作可以电连接到另一个二次电池或外部器件的电极端子。电极引线可以与直接连接到电极组件10的电极极耳耦合。这里，至少一个正极极耳和至少一个负极极耳可以分别与正极引线11和负极引线12耦合。
袋壳20可包含由聚合物材料制成的外绝缘层，内粘合层，和插入在外绝缘层与内粘合层之间的金属层。这里，金属层可以由选自铁、碳、铬锰合金、铁铬镍合金以及铝或其等同物中的任何一种制成，并且广泛使用铝金属箔。袋壳20保护电极组件10和诸如电解质的内部组件，并且执行补充电极组件10和电解质的电化学性质并从其中散热的功能。
如图3所示，根据该实施方案的袋壳20包含第一袋膜30和第二袋膜40，其边缘可以彼此重叠。第一袋膜30和第二袋膜40使用单个膜形成，并且第一袋膜30具有使用成形工艺形成的凹槽31，使得电极组件10可以放置在其中。第二袋膜40设置成与第一袋膜30重叠，以形成单杯型袋壳20。
在这个实施方案中，凹槽31仅形成在第一袋膜30中，但是也可以在第二袋膜40中形成相同形状的凹槽31。也就是说，通过在第一袋膜30和第二袋膜40中都形成凹槽31，可以容纳比这个实施方案的电极组件10更厚的电极组件10。另外，第一袋膜30和第二袋膜40可以单独制备，并且在垂直方向上热熔合。
图5是示出电极组件容纳在图3的袋壳中、然后密封袋壳的示意性横截面图，图6是示出图5的袋型二次电池在密封部分折叠之后被垂直翻转的示意性横截面图。
参照图4至图6，能够放置电极组件10的凹槽31的底面36的面积可以等于或大于覆盖凹槽31的开口的参考面33的面积。这里，参考面33可以被理解为对应于第二袋膜40的覆盖凹槽31的开口的一个表面的表面。
作为参考，单杯型袋壳20具有密封部分S，该密封部分S通过如下形成：设置第二袋膜40以与第一袋膜30重叠，然后热熔合它们的平台部分，即它们彼此重叠的外缘部分。如图6所示，密封部分S可以朝向电极组件10折叠。此时，袋型二次电池的全宽度可以近似等于参考面33的全宽度。
再次参照图4和图5，凹槽31具有第一侧面区域34和第二侧面区域35，在第一侧面区域34中凹槽31的全宽度从参考面33沿着深度逐渐减小，在第二侧面区域35中凹槽31的全宽度从第一侧面区域34的终点到作为最深处的凹槽31的底面36逐渐增大。
第一侧面区域34具有圆化形状。换句话说，第一侧面区域34是形成凹槽31的顶部的部分，并且当从侧面观察袋壳20时，第一侧面区域34可以朝向电极组件10凹进。
通过在第一袋膜30的凹槽31中设置第一侧面区域34，可以防止应力集中在相应部分上。换句话说，如果在成形过程中袋膜达到金属层和绝缘层的材料的柔软度极限，则袋膜可能会撕裂而不能承受由成形引起的应力。特别地，凹槽31的顶部边缘即使在成形之后也易受应力的影响。因此，在本发明中，通过设置以圆化形状成形的第一侧面区域34，应力可以不集中而是分散在凹槽31的顶部边缘处。第一侧面区域34可以对应于袋膜形成装置的模具100的边缘部分的曲率R，稍后进行说明。
同时，考虑到袋壳20内部的空间效率，期望第一侧面区域34与第二侧面区域35相比相对非常短。在这个实施方案中，第一侧面区域34形成在凹槽31中，但是第一侧面区域34可以不形成在凹槽31处。也就是说，凹槽31可以形成具有直接从参考面33增大的全宽度的第二侧面区域35，而没有形成第一侧面区域34。
第二侧面区域35可以是决定凹槽31的深度的区域。也就是说，第二侧面区域35可以大致对应于电极组件10的厚度。第二侧面区域35形成为使得凹槽31的全宽度沿着凹槽31的深度，即沿着凹陷方向，逐渐增大。第二侧面区域35的终点连接到凹槽31的底面36的四个边缘。因此，凹槽31的底面36的宽度可以由第二侧面区域35的斜面或长度确定。在这个实施方案中，第二侧面区域35形成为使得凹槽31的底面36与凹槽31的参考面33相同。
如果如在本发明中凹槽31的底面36等于凹槽31的参考面33，则可能将大于常规电极组件10(参见图1)的电极组件10放置于凹槽31中。
更具体地，参照图1和图5，将比较具有相同全宽度L1的常规袋型二次电池和根据本发明的袋型二次电池。在常规袋型二次电池中，全宽度(L1)是常规电极组件10的总宽度(T1)、死区的全宽度(2×L3)和应力松弛区域的全宽度(2×L2)的总和。同时，在根据本发明的袋型二次电池中，全宽度(L1)是电极组件10的全宽度(T2)与第一侧面区域34的全宽度(2×L2)的总和。
总之，在常规袋型二次电池和根据本发明的一个实施方案的袋型二次电池之间建立了以下关系。
L1＝T1+(2×L3)+(2×L2)＝(T2)+(2×L2)
因此，在本发明中，可以理解的是，即使袋壳的全宽度相同，也可以容纳比能够容纳在常规袋壳20中的电极组件10大的电极组件10。
如上所述，形成根据本发明的袋壳20，使得凹槽31的底面36成形为与参考面33相同，因此可能的是可容纳全宽度对应于凹槽31至少在第一侧面区域34的终点处的全宽度的电极组件10，这可以增加袋型二次电池的能量密度。
在下文中，参照图7至图10，将描述用于形成袋壳20的袋膜形成装置。
图7至图10是用于说明根据本发明的一个实施方案的袋膜形成装置在袋膜中形成凹槽31的成形过程的图。
根据本发明的一个实施方案的袋膜形成装置包含模具100，其由第一模具单元120和第二模具单元130组成，所述模具单元设置成可在水平方向上相对移动以形成具有对应于凹槽31的形状的成形槽110，以及冲头200，所述冲头200被构造为移入成形槽110或从成形槽110移出，并且在成形过程之前通过空气压力将袋膜的凹槽靶标30a紧密地附着到成形槽110的表面。
模具100是具有与袋膜的凹槽31相同形状的成形槽110的金属结构并用作模子(mold)。特别地，构成根据本发明的模具100的第一模具单元120和第二模具单元130设置成在水平方向上可相对移动。可选地，也可以使第一模具单元120和第二模具单元130中的任何一个相对于另一个移动，或者它们两者相对于彼此水平移动。
第一模具单元120和/或第二模具单元130可以使用例如作为模具100的移动机构的线性运动(LM)导轨(guide)(未示出)相对于彼此移动。此外，可以使用任何驱动装置，只要它能够使第一模具单元120和第二模具单元130相对于彼此移动即可。
在本发明中，第一模具单元120和第二模具单元130在水平方向上相对移动，使得袋膜可以容易地从模具100的成形槽110中拉出，同时在成形过程之后保持其形成的形状。
另外，其上放置袋膜的第二模具单元130的顶面可以比第一模具单元120相对更大。在单杯型袋壳20中，第一袋膜30和第二袋膜40一体地成形以使得它们的一侧边缘彼此连接。为了更好地制造单杯型袋壳20，第二模具单元130可以制造得比第一模具单元120的顶面宽，以在第一袋膜30中形成凹槽31时支撑第二袋膜40。
根据这个实施方案的冲头200设置成可相对于模具100的成形槽110上下移动，使得放置在模具100上的袋膜的凹槽靶标30a被冲压到成形槽110中。特别地，在这个实施方案中，用于将压缩空气从内部喷射到外部的多个排气孔210设置在冲头200的下端，使得袋膜可以通过空气压力紧密地附着到成形槽110的表面。
同时，模具100的成形槽110的角部和冲头200的角部被倒圆以具有预定的曲率，从而可以减小在成形过程中施加到袋膜的应力以防止袋膜被损坏。
在下文中，将简要描述袋壳20的成形过程。
如图7和图8中所示，将袋膜放置在模具100上，并且使用冲头200冲压袋膜的凹槽靶标30a。此时，使袋膜的凹槽靶标30a与成形槽110的底面36接触。
然后，如图9所示，操作空气压缩机(未示出)以通过排气孔210将压缩空气从冲头200排出。因此，袋膜可以紧密地附着到成形槽110的侧面。如果袋膜完全成形，则空气压缩机停止运转。
之后，如图10所示，从模具100移除冲头200，然后第一模具单元120和第二模具单元130相对于彼此移动，使得形成的袋膜可以安全地从模具100移除。然后，将袋膜从模具100中完全取出以完成成形过程。
根据如上构造的袋膜形成装置，袋膜可以机械地形成，使得凹槽31的底面36的面积等于或大于袋膜的参考面33的面积。
在下文中，将描述根据本发明的另一实施方案的袋膜形成装置。
图11和图12是用于说明根据本发明的另一实施方案的袋膜形成装置在袋膜中形成凹槽的成形过程的图。与前一实施方案中相同的附图标记表示相同的组件，并且相同的组件将不再详细描述。
这个实施方案的冲头200'由能够随着空气注入而收缩或膨胀的柔性材料制成。例如，在这个实施方案中，冲头200'是由橡胶制成的气囊，空气可以注入其中，并且气囊可以在空气注入其中时膨胀。
因此，如图11所示，通过使用其中注入预定量空气的冲头200'压制凹槽靶标30a，将袋膜推入成形槽110中。之后，如图12所示，如果在冲头200'插入成形槽110的状态下再次注入空气，则冲头200'根据成形槽110的形状而膨胀，使得袋膜的凹槽靶标30a紧密地附着到成形槽110的表面。
之后，取出空气以使冲头200'收缩，然后第一模具单元120和第二模具单元130相对于彼此移动以将袋膜从成形槽110拉出。
在根据本发明的另一实施方案的袋膜形成装置中，冲头200'由柔软材料制成，因此比由硬质材料制成的前一实施方案的冲头200更软。因此，袋膜在成形过程中不太可能被损坏。另外，因为由柔软材料制成的冲头200'在成形槽110内膨胀以压制袋膜的整个凹槽靶标30a，所以凹槽靶标30a更紧密地附着到袋膜的成形槽110上，从而进一步提高成形完整性。
已经详细描述了本发明。然而，应该理解的是，详细描述和具体实施例虽然表明了本发明的优选实施方案，但是仅以说明的方式给出，这是因为根据该详细描述，在本发明范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
同时，当在本说明书中使用指示上、下、左、右、前和后方向的术语时，对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些术语仅仅代表相对位置以便于解释，并且可以基于观察者的位置或其中放置物体的形状而变化。

Claims (9)

1.一种袋型二次电池，其包含电极组件和袋壳，所述电极组件具有彼此面对设置的正极板和负极板，所述袋壳具有以容纳所述电极组件的方式形成的凹槽，
其中所述袋壳包含第一袋膜和热熔合到所述第一袋膜的第二袋膜，
其中在所述第一袋膜和所述第二袋膜中的至少一个中形成有凹槽，并且在所述凹槽的底面上，以所述底面的面积等于或大于覆盖所述凹槽的开口的参考面的面积的方式放置有所述电极组件，
其中所述凹槽包含第一侧面区域和第二侧面区域，在所述第一侧面区域中所述凹槽的全宽度从所述参考面沿着深度逐渐减小，在所述第二侧面区域中所述凹槽的全宽度从所述第一侧面区域的终点到所述底面逐渐增大，并且
其中所述第一袋膜和所述第二袋膜使用单个膜形成。
2.根据权利要求1所述的袋型二次电池，
其中所述第一侧面区域具有圆化形状。
3.根据权利要求1所述的袋型二次电池，
其中所述电极组件的全宽度对应于所述凹槽在所述第一侧面区域的终点处的全宽度。
4.根据权利要求1所述的袋型二次电池，
其中所述凹槽形成在所述第一袋膜处。
5.根据权利要求4所述的袋型二次电池，
其中所述第二袋膜设置成与所述第一袋膜重叠以形成单杯型袋壳。
6.一种用于形成根据权利要求1所述的袋型二次电池的袋壳的袋膜形成装置，所述装置包含：
模具，其被构造为形成具有与凹槽相对应的形状的成形槽，并具有设置成在水平方向上相对移动的第一模具单元和第二模具单元；和
冲头，其被构造为移入到所述成形槽中或从所述成形槽移出，并且设置成在成形工艺之前通过空气压力将所述袋膜的凹槽靶标紧密地附着到所述成形槽的表面。
7.根据权利要求6所述的袋膜形成装置，
其中放置所述袋膜的所述第二模具单元的顶面比所述第一模具单元相对更宽。
8.根据权利要求6所述的袋膜形成装置，
其中所述冲头具有多个能够向外注射压缩空气的排气孔。
9.根据权利要求6所述的袋膜形成装置，
其中所述冲头由能根据空气的注入而收缩和膨胀的柔软材料制成。
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