CN110226259A - 包括传热构件的袋形二次电池 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种袋形二次电池，该袋形二次电池包括用于容纳电极组件和电解质溶液的层压片，其中层压片配置成具有包括外涂层、金属层和内粘合层的结构，并且其中设置有传热构件，以将电极组件连接至层压片的金属层。

Description

包括传热构件的袋形二次电池
技术领域
本申请要求享有于2017年8月29日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请第2017-0109714号的权益，通过引用将上述专利申请的公开内容作为整体结合在此。
本发明涉及一种包括传热构件的袋形二次电池，更具体地，涉及一种在使用由层压片制成的电池壳体的情形中，为了在不使用额外冷却构件的情况下提高二次电池的散热效率，包括用于将电极组件连接至层压片的金属层的传热构件的袋形二次电池。
背景技术
作为用于需要高输出和大容量的装置的电源，能够充电和放电的二次电池引起了相当大的关注，所述需要高输出和大容量的装置包括电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(Plug-In HEV)，这些车辆已被提出来解决由使用化石燃料的现有汽油和柴油车辆导致的诸如空气污染之类的问题。
二次电池基于形状可分为圆柱形电池单元、棱柱形电池单元和袋形电池单元。在这些电池单元之中，当前更多的兴趣关注于可高度集成堆叠、具有较高的每单位重量能量密度、可以以低成本制造并且可容易变形的袋形电池单元。
袋形电池单元是包括由层压片制成的电池壳体的电池单元，并且袋形电池单元配置成具有其中电极组件安装在电池壳体中的结构。
针对外表面通常较软的袋形电池的主要研究项目之一是提高袋形电池的安全性。因二次电池的异常状态导致的二次电池中的高温和压力，锂二次电池可能爆炸，二次电池的异常状态诸如为二次电池中的短路、高于允许电流或电压情况下二次电池的过度充电、二次电池暴露于高温、或者由于掉落或具有施加至此的外部冲击引起的二次电池的变形。
与此相关，可采用利用较厚集流体来增大热容量的方法。然而，在此情况中，作为集流体的厚度增大的结果，电极组件的总厚度增大，由此难以设计高容量电池单元。或者，可采用通过在袋形电池壳体中设置额外冷却管或模块来防止温度升高的方法。然而，在此情况中，增加了与引入新冷却系统有关的成本，并且必须根据冷却系统的尺寸，在冷却系统的安装位置和冷却系统的布置方面重新设计电池。
同时，在二次电池的操作异常的状态中可使用中断电流流动的方法。然而，在二次电池的温度超过其临界点的情况中，难以防止二次电池着火或爆炸。
韩国登记专利第1697764号公开了一种聚合物复合材料，其包括石墨主体以及选自由以下项构成的群组的至少之一：用于浸渍石墨主体的低粘度单体、低聚物和树脂、以及上述项的组合。
尽管上述专利公开了表现出高散热效率的材料，但该专利没有建议将该材料应用于袋形二次电池。此外，该聚合物复合材料可与电池壳体中的电解质溶液反应。
作为常规技术的其他示例，韩国专利申请公开第2016-0040167号公开了一种包括连接构件的电池组，具有不同熔点的不同种类的金属耦接至该连接构件，韩国登记专利第1520168号公开了一种包括具有不同厚度的包层结构的电极引线的锂二次电池，日本专利申请公开第2000-030975号公开了一种配置成具有以下结构的冷却构件：散热构件连接至金属类复合材料的芯，该金属类复合材料的芯具有散布在作为基质的金属中的填料，诸如陶瓷颗粒或陶瓷纤维。然而，这些公开申请都没有建议提高袋形二次电池的散热效率的方法。
因此，迫切需要能够在不附接额外装置的情况下将来自二次电池的热量快速排放到二次电池的外部，同时将电池单元的厚度增加最小化，由此提高二次电池的安全性的技术。
发明内容
技术问题
鉴于上述问题及其他待解决的技术问题而做出本发明，本发明的一个目的是提供一种袋形二次电池，所述袋形二次电池包括由包含金属层和树脂层的层压片制成的电池壳体，其中设置有传热构件，以将电极组件连接至层压片的金属层，由此从电极组件产生的热量经由传热构件被快速排放到层压片，因此提高所述袋形二次电池的散热效率。
本发明的另一个目的是提供一种二次电池，所述二次电池配置成具有能够将在二次电池的正常使用，诸如二次电池的充电和放电期间从二次电池产生的热量快速排放外部的结构，由此延长二次电池的寿命，并且二次电池配置成具有能够防止由于二次电池的异常使用而发生的高温现象的结构，由此防止二次电池着火或爆炸并因而提高二次电池的安全性。
技术方案
根据本发明的一方面，可通过提供一种袋形二次电池实现上述及其他目的，所述袋形二次电池包括用于容纳电极组件和电解质溶液的层压片，其中所述层压片配置成具有包括外涂层、金属层和内粘合层的结构，并且其中设置有传热构件，以将所述电极组件连接至所述层压片的所述金属层。
就是说，袋形二次电池配置成具有其中传热构件位于电极组件与构成电池壳体的层压片之间，使得传热构件将电极组件连接至层压片的金属层的结构。因此，可经由层压片的金属层将从电极组件产生的热能快速排到外部。
根据本发明的袋形二次电池使用具有一般厚度的电极集流体。因此，可解决常规技术中使用厚金属板作为电极集流体而导致的电极组件的总厚度增加的问题。此外，由于传热构件位于安装在电池壳体中的电极组件与电池壳体之间，因此与将额外冷却构件附接到电池壳体外部的情形相比，可减小二次电池的总尺寸。因此，可将二次电池应用于小尺寸装置并且可降低与增加冷却构件有关的成本。
在一具体示例中，传热构件配置成具有能够将电极组件连接至层压片的金属层的结构。因此，在传热构件介于层压片与电极组件之间的状态下即使层压片和电极组件布置成彼此紧密接触的情形中，电极组件也不直接连接至层压片的金属层，因为层压片的内粘合层位于层压片的金属层与电极组件之间。
因此，为了将电极组件直接连接至层压片的金属层，传热构件可配置成具有延伸穿过层压片的内粘合层的凸出结构。
位于电极组件与层压片之间的传热构件可附接到层压片，从而接触电极组件的最外侧电极。
例如，在制造层压片时，在层压片的内粘合层的外表面上设置传热构件，并且执行层压。在该情形中，传热构件的至少一部分可接触层压片的金属层，或者传热构件和层压片可成一体。
或者，在将电极组件容纳于电池壳体中之后在电极组件的表面上设置传热构件的状态下密封电池壳体的情形中，可调整电极组件容纳单元的高度、电极组件的高度和传热构件的高度，使得传热构件的一部分接触金属层。即使在密封步骤时传热构件的一部分未接触金属层的情形中，也可通过排气工艺将传热构件连接至金属层。
此外，具有其中正极和负极在隔膜分别介于正极与负极之间的状态下进行堆叠的结构的电极组件通常配置成最外侧电极的外表面未被施加电极活性材料，从而未涂覆有电极活性材料的表面位于电极组件的最外侧。在传热构件位于层压片与电极组件之间的情形中，传热构件可接触电极组件的最外侧电极的未涂覆表面。
传热构件可包括平板型主体和从平板型主体的一个表面垂直延伸的凸出部。平板型主体可位于层压片的内粘合层与电极组件的最外侧电极之间，并且凸出部可配置成具有延伸穿过层压片的内粘合层的结构。
在一具体示例中，传热构件可配置成具有从电极组件的最外侧电极的外表面垂直延伸的凸出结构。凸出结构的顶端可连接至层压片的金属层。
凸出结构可以是耦接至电极组件的最外侧电极的结构。凸出结构可以是电极和传热构件的结合体。
或者，凸出结构可以是与电极组件的最外侧电极可分离的结构。凸出结构可设置成垂直于最外侧电极的平面并且垂直于层压片的金属层。凸出结构可以是插入到层压片的内粘合层中的针状物或杆状物。
凸出结构可包括以均匀间隔布置的多个凸出部。考虑到将来自电极组件的热能快速移向层压片的效率，可形成多个凸出部。此外，这些凸出部可以均匀间隔布置，使得可从电极组件的整个外表面均匀且快速地移动热能。
凸出结构是延伸穿过层压片的内粘合层，以将电极组件连接至层压片的金属层的结构。凸出结构的高度可以是层压片的内粘合层的厚度的100％至120％，优选为110％至120％。
在凸出结构的高度小于层压片的内粘合层的厚度的100％的情形中，电极组件未连接至层压片的金属层，这是不期望的。在凸出结构的高度大于层压片的内粘合层的厚度的120％的情形中，电极组件与层压片之间的距离增大，从而无用浪费的空间的尺寸增加，此外还降低了散热效果，这也是不期望的。
具体地说，考虑到层压片的内粘合层的厚度通常范围从20μm到100μm的事实，凸出结构可具有范围从20μm到140μm，优选从22μm到120μm的高度。
在凸出结构的高度小于20μm的情形中，电极组件未连接至层压片的金属层，这是不期望的。在凸出结构的高度大于120μm的情形中，电极组件与层压片之间的距离增大，从而无用浪费的空间的尺寸增加，这也是不期望的。
考虑到电极组件的最外侧电极配置成接触层压片的内粘合层的事实，电极组件可配置成具有其中正极和负极在隔膜分别介于正极与负极之间的状态下进行堆叠的结构。例如，电极组件可以是堆叠型电极组件、堆叠/折叠型电极组件或层压/堆叠型电极组件。或者，可堆叠一个或多个电极组件。
另外，在使用堆叠型电极组件、堆叠/折叠型电极组件和层压/堆叠型电极组件的每一个作为单元电池的情形中，可堆叠具有不同尺寸但单元电池的平面尺寸相同的单元电池。
同时，根据本发明的袋形二次电池配置成具有其中电极组件的最外侧电极连接至电池壳体的金属层的结构。考虑到当构成电池壳体的上壳体和下壳体通过热熔合被密封时上壳体和下壳体的金属层彼此接触，电极组件可配置成使得电极组件的最外侧电极是具有相同极性的电极，以便防止在二次电池中发生短路。
或者，在电极组件的最外侧电极中的仅一个最外侧电极连接至电池壳体的金属层的情形中，电极组件的最外侧电极可以是具有不同极性的电极。
传热构件是用于将电池单元中产生的热能快速排放到电池壳体之外的构件。因此，传热构件可由表现出高热导率的金属制成。
例如，传热构件可由选自由铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、钨(W)、碳(C)和铁(Fe)构成的群组中的至少一种制成。优选地，传热构件由铝或铜制成。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括袋形二次电池的电池组。
具体地说，电池组可用作需要耐高温的能力、长周期、高速率特性等的装置的电源。该装置的具体例子可包括移动电子装置(mobile device)、可穿戴电子装置(wearabledevice)、电池供电马达驱动的电动工具(power tool)、诸如电动车辆(Electric Vehicle,EV)，混合动力电动车辆(Hybrid Electric Vehicle,HEV)或插入式混合动力电动车辆(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV)之类的电动汽车、诸如电动自行车(E-bike)或电动滑板车(E-scooter)之类的电动两轮车辆、电动高尔夫球场车(electric golf cart)、以及电力存储系统(Energy Storage System)。然而，本发明并不限于此。
该装置的结构和制造方法在本发明所属技术领域中是公知的，将省略其详细描述。
附图说明
图1是示出根据本发明一实施方式的电极组件的垂直截面图。
图2是示出根据本发明一实施方式的层压片、传热构件和电极的部分分解透视图。
图3是图2中所示的层压片、传热构件和电极的部分垂直截面图。
图4是示出根据本发明另一实施方式的层压片、传热构件和电极的部分分解透视图。
图5是图4中所示的层压片、传热构件和电极的部分垂直截面图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，以使本发明所属领域的普通技术人员能够容易实现本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的操作原理时，当结合在此的已知功能和构造的详细描述可能使本发明的主旨不清楚时，将省略其详细描述。
尽可能地，在整个附图中将使用相同的参考标记指代执行相似功能或操作的部分。同时，在本发明下面的描述中，在一个部分“连接至”另一个部分的情形中，该一个部分不仅可直接连接至该另一个部分，而且该一个部分还可经由又一个部分间接连接至该另一个部分。此外，“包括”某一元件意味着不排除其他元件，而是可进一步包括其他元件，除非有相反描述。
将详细参照本发明的优选实施方式，附图中图解了这些实施方式的一些例子。
图1是示意地示出根据本发明的袋形二次电池中使用的电极组件的垂直截面图。
参照图1，由参考标记100表示的电极组件是堆叠型电极组件，堆叠型电极组件配置成具有其中正极和负极在隔膜110分别介于正极与负极之间的状态下进行堆叠的结构，每个正极配置成正极活性材料101涂覆在正极集流体102的一个表面或两个表面上，每个负极配置成负极活性材料103涂覆在负极集流体104的一个表面或两个表面上。
电极组件100的最上面的电极是负极，电极组件100的最下面的电极是正极。或者，电极组件100的最外侧电极可以是具有相同极性的电极，例如正极或负极。
电极组件100的最上面的电极是配置成负极活性材料103仅涂覆在负极集流体104的内表面上的单面负极，并且电极组件100的最下面的电极是配置成正极活性材料101仅涂覆在正极集流体102的内表面上的单面正极。电极组件100的除了最外侧电极以外的其他电极是每一个都配置成电极活性材料涂覆在电极集流体的两个表面上的双面电极。
如上所述，由于由金属材料制成的电极集流体位于电极组件的面向传热构件的最外侧，因此来自电极组件的热能可经由传热构件快速移向袋形电池壳体。
或者，在其上未涂覆有电极活性材料的未涂覆电极被用作为最外侧电极的情形中，可使用层压/堆叠型电极组件或堆叠/折叠型电极组件来替代堆叠型电极组件100。
图2是示意地示出根据本发明一实施方式的层压片、传热构件和电极的部分分解透视图，图3是示意地示出图2中所示的层压片、传热构件和电极彼此耦接的状态的垂直截面图。
参照图2和图3，由参考标记210表示的层压片配置成具有其中外涂层201、金属层202和内粘合层203顺序堆叠的层状结构。层压片210的内表面面向由参考标记220表示的传热构件。传热构件220的平板型主体221位于层压片210的内粘合层203与由参考标记234表示的电极之间。传热构件220的凸出部222穿过内粘合层203接触层压片210的金属层202。
每个凸出部222被显示为配置成具有长方体结构。或者，每个凸出部222的与金属层相邻的顶端可配置成具有半球形结构，每个凸出部222可整体上配置成具有三角锥结构，或者每个凸出部222可配置成具有线性结构。然而，优选地，每个凸出部222的接触层压片的金属层的表面尽可能地大，以便提高散热效率。
每个凸出部222的高度h2被显示为与内粘合层203的厚度h1相同。或者，每个凸出部222的高度h2可以是内粘合层203的厚度h1的100％至120％。
每个凸出部22从平板型主体221的平面垂直凸出。凸出部222设置成彼此间隔开相同的距离。
因此，来自电极组件的热能可经由传热构件从最外侧电极移动到层压片的金属层，从而可从整个最外侧电极均匀且快速地移动热能。
图4是示出根据本发明另一实施方式的层压片、传热构件和电极的部分分解透视图，图5是示意地示出图4的层压片、传热构件和电极的部分垂直截面图。
参照图4和图5，由参考标记310表示的层压片配置成具有其中外涂层301、金属层302和内粘合层303顺序堆叠的层状结构。
由参考标记332表示的传热构件附接到由参考标记334表示的电极的上表面，从而从电极的上表面垂直凸出。在电极334和传热构件332的结合体330容纳在电池壳体中的情形中，传热构件332穿过层压片310的内粘合层303接触构成电池壳体的层压片310的金属层302。
每个传热构件332的形状和高度可与传热构件220的每个凸出部222的形状和高度相同，因此将省略其描述。
如上所述，在设置电极和传热构件的结合体的情形中，可方便地制造电极组件。此外，与使用传热构件220的情形相比，在使用传热构件332的情形中，可与传热构件220的平板型主体的厚度的减小成比例地增大电池的容量。
就是说，根据本发明的袋形二次电池配置成具有其中在电池壳体中设置有传热构件的结构。因此，可容易排放来自二次电池的热能，从而可提高二次电池的安全性。
下文中，将参照下面的实施例描述本发明。提供这些实施例仅是用于举例说明本发明，不应被解释为限制本发明的范围。
热导率的测量
<实验例>
为了检查一般导电性粘合剂与根据本发明的传热构件之间的热导率差异，如下面所述，制备七种当前市售的导电性粘合剂作为比较例1至7，制备五种根据本发明的传热构件作为实施例1至5，并且测量导电性粘合剂和传热构件的热导率。
在25℃的温度下使用由Mathis公司制造的型号TC-30的热导率测量仪测量导电性粘合剂和传热构件的热导率。此外，按照ASTM C 518测量导电性粘合剂和传热构件的热导率。同时，除了上述仪器以外，还可使用能够同时测量固体、液体、膏体(Paste)等的热导率的仪器测量导电性粘合剂和传热构件的热导率。
下面的表1中示出了比较例1至7的制造商及基材。
[表1]
制造商 基材
比较例1 Aremco 铝
比较例2 Duralco 铝
比较例3 Aremco 银
比较例4 Duralco 银
比较例5 Aremco 镍
比较例6 Duralco 镍
比较例7 Duralco 碳
下面的表2中示出了根据实施例1至5的传热构件和根据比较例1至7的导电性粘合剂的热导率的测量结果。
[表2]
参照上面的表2，可以看出即使在使用相同基材制造导电性粘合剂和传热构件的情形中，导电性粘合剂的热导率也比传热构件的热导率低得多。
例如，当比较将铝用作基材的实施例1和比较例1时，能够看出实施例1的热导率是比较例1的热导率的大约196倍。
因此，在袋形二次电池配置成具有其中导电性粘合剂施加到电极组件与层压片之间，使得层压片的金属层经由导电性粘合剂连接至电极组件的结构的情形中，能够看出，由于导电性粘合剂的低热导率，不容易将袋形二次电池中产生的热能快速排放到电池壳体之外。
本发明所属领域技术人员将理解到，在不背离本发明的范围的情况下，基于上面的描述各种应用和修改是可能的。
-参考标记说明
100：电极组件
101：正极活性材料
102：正极集流体
103：负极活性材料
104：负极集流体
110：隔膜
201、301：外涂层
202、302：金属层
203、303：内粘合层
210、310：层压片
220、332：传热构件
221：平板型主体
222：凸出部
234、334：电极
330：电极和传热构件的结合体
h1：内粘合层的厚度
h2：每个凸出部的高度
工业实用性
由以上描述显而易见的是，根据本发明的袋形二次电池配置成具有包括传热构件的结构，所述传热构件用于将安装在电池壳体中的电极组件连接至构成电池壳体的层压片的金属层。因此，可将二次电池的总厚度的增加最小化，并且可防止构成二次电池的电池单元的容量减小。
此外，可将二次电池中产生的热能快速排放到电池壳体之外，从而可防止由于二次电池的异常使用而导致的热失控现象。因此，可最大限度地防止由于电池单元的退化导致的二次电池的寿命缩短，从而可提供具有提高的寿命特性和提高的安全性的二次电池。

Claims (12)

1.一种袋形二次电池，所述袋形二次电池包括用于容纳电极组件和电解质溶液的层压片，其中：
所述层压片配置成具有包括外涂层、金属层和内粘合层的结构，并且
设置有传热构件，以将所述电极组件连接至所述层压片的所述金属层。
2.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述传热构件包括延伸穿过所述层压片的所述内粘合层的凸出结构。
3.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述传热构件附接到所述层压片，从而接触所述电极组件的最外侧电极。
4.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述传热构件包括平板型主体和从所述平板型主体的一个表面垂直延伸的凸出部。
5.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述传热构件配置成具有从所述电极组件的最外侧电极的外表面垂直延伸的凸出结构。
6.根据权利要求2或5所述的袋形二次电池，其中所述凸出结构包括以均匀间隔布置的多个凸出部。
7.根据权利要求2或5所述的袋形二次电池，其中所述凸出结构的高度是所述层压片的所述内粘合层的厚度的100％至120％。
8.根据权利要求2或5所述的袋形二次电池，其中所述凸出结构具有范围从20μm至140μm的高度。
9.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述电极组件是选自由堆叠型电极组件、堆叠/折叠型电极组件、和层压/堆叠型电极组件构成的群组中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的袋形二次电池，其中所述电极组件配置成使得所述电极组件的最外侧电极是具有相同极性的电极或具有不同极性的电极。
11.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述传热构件由表现出高热导率的金属制成。
12.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中所述传热构件由选自由铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、钨(W)、碳(C)和铁(Fe)构成的群组中的至少一种制成。
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