CN110352510A - 包括注塑成型电池壳体的二次电池 - Google Patents

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Abstract

披露了一种二次电池，二次电池配置成具有其中电极组件与电解质材料一起被容纳在电池壳体中的结构，其中电池壳体中设置有用于容纳电极组件的空间，并且其中电池壳体由可注塑成型的热塑性树脂制成。在使用具有用于电极组件和电解质材料的空间并且包括由可注塑成型的热塑性树脂制成的电池壳体的二次电池的情况下，可形成注塑模具，使得模具的尺寸对应于电极的厚度，从而解决了包括金属层的传统层压片的成形性较低的问题。此外，可省略形成层压片的工序以及为了使用层压片而必然需要的利用按压构件来密封电池壳体的工序，从而简化了制造工艺，并由此提高了生产率。

Description

包括注塑成型电池壳体的二次电池
技术领域
本申请要求于2017年10月31日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2017-0143675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注塑成型电池壳体的二次电池，更具体地，涉及这样一种二次电池，这种二次电池配置成具有其中电极组件与电解质材料一起被容纳在电池壳体中的结构，其中设置有用于容纳电极组件的空间的电池壳体由可注塑成型的热塑性树脂制成。
背景技术
锂二次电池被用作多种装置的能源。锂二次电池广泛用在诸如电动车辆之类的大型装置以及诸如智能手机之类的小型移动装置中。锂二次电池根据其电池壳体的形状分为圆柱形电池、棱柱形电池和袋形电池。圆柱形电池和棱柱形电池的每一个是配置成具有其中电极组件安装在金属罐中的结构的电池，袋形电池是配置成具有其中电极组件安装在由铝层压片制成的袋形电池壳体中的结构的电池。在这些电池之中，能够以高集成度堆叠、具有较高每单位重量的高能量密度、廉价、且易于变形的袋形电池引起了相当大的关注。
在袋形电池的情形中，电极组件被容纳在铝层压片中。在电池容量增加的情况下，电极组件的厚度也增加。在没有足够空间安装电池的情况下，除了减小电池壳体的厚度之外别无选择。在铝层压片的厚度减小的情况下，铝层压片的成形性也降低。结果，难以增加电极组件容纳单元的深度。
同时，铝层压片的刚性低于金属罐型电池壳体的刚性。结果，铝层压片具有较低的抗外部冲击能力，并且难以将铝层压片固定成具有均匀的形状。
与此相关，韩国注册专利第1089168号披露了一种袋形锂二次电池，其包括：用于以单元电池的形式封装电极组件的第一树脂型封装材料，该第一树脂型封装材料配置成具有包括内部树脂层和外部树脂层的双层结构；和用于以模块的形式同时封装使用第一封装材料单独封装的两个或更多个单元电池的第二金属型封装材料。
韩国注册专利第1089168号中披露的袋形锂二次电池使用包括内部树脂层和外部树脂层的形成层状结构的树脂型封装材料。在使用包括铝的层压片作为一般袋形二次电池的电池壳体的情况下，可防止由于铝层的暴露而导致的电池壳体的绝缘特性的降低。然而，该电池壳体不可能充分地防止诸如湿气之类的异物引入其中。此外，需要将构成多层结构的不同层结合的工序，因此工序复杂化。
此外，韩国注册专利第1084801号披露了一种将芯组件安装在模具中并将熔融树脂注入注塑成型装置中以制造二次电池的方法。韩国注册专利第1084801号中披露的芯组件配置成具有包括袋形裸电池和连接至裸电池的保护电路模块的结构。然而，由于韩国注册专利第1084801号中披露的二次电池配置成具有其中电极组件被容纳在袋形电池壳体中的结构，因此该专利没有提出提高电池壳体的成形性的解决方案。
韩国注册专利第0889203号披露了一种树脂模制成型二次电池，其配置成具有这样的结构，其中，在包括保护电路的安全装置结合至包括安装有电极组件的袋形电池壳体的裸电池的状态下，裸电池和保护电路二者都被树脂模覆盖。然而，由于韩国注册专利第0889203号中披露的二次电池配置成具有其中电极组件安装在袋形电池壳体中的裸电池被树脂模覆盖的结构，因此该专利没有解决传统技术的问题。
也就是说，尚未提出包括能够容纳具有相对较大厚度的电极组件且同时解决成形性差的问题的薄袋形电池壳体的二次电池。
发明内容
技术问题
鉴于上述问题和尚未解决的其他技术问题进行了本发明，本发明的目的在于提供一种其中与电解质材料一起容纳电极组件的电池壳体，其中电池壳体中设置有用于容纳电极组件的空间。具体地说，本发明提供了一种电池壳体及其制造方法，所述电池壳体能够容纳厚度增加的电极组件以便增加电池的容量且同时能够解决成形性差的问题。
技术方案
根据本发明的一个方面，可通过提供一种二次电池来实现上述和其他目的，所述二次电池配置成具有其中电极组件与电解质材料一起被容纳在电池壳体中的结构，其中所述电池壳体中设置有用于容纳所述电极组件的空间，并且其中所述电池壳体由可注塑成型的热塑性树脂制成。
在使用包括诸如铝层之类的金属层的传统层压片作为袋形电池壳体的情况下，由于层压片的刚性低于金属罐型电池壳体的刚性，因此层压片不可能有效地保护电极组件免受外部冲击，并且难以将层压片固定成具有均匀的形状。
此外，随着对高输出、大容量二次电池的需求增加，电极组件的厚度增加。此外，用于容纳电极组件的容纳单元的深度也已增加，以便容纳增厚的电极组件。
此外，在不增加二次电池的厚度的情况下制造大容量二次电池的情形中，增加电极组件的厚度，并且减小电池壳体的厚度。在电池壳体的厚度减小的情况下，更难以增加容纳单元的深度。
如上所述，在使用层压片作为电池壳体以便制造传统的袋形二次电池的情形中，由于电池的低刚性，导致电池壳体的安全性和成形性成为问题。
然而，如在本发明中那样使用由可注塑成型的热塑性树脂制成的电池壳体的情况下，将热塑性树脂注入到具有与电极组件的厚度对应的尺寸的注塑成型用模具中，以便制造电池壳体。因此，可容易地制造其中形成有深电极组件容纳单元的电池壳体。
此外，不需要形成用于容纳电极组件的空间的工序以及使用按压构件来密封电池壳体的工序，从而可简化制造二次电池的工艺，并由此可提高二次电池的生产率。
在一具体示例中，电池壳体可包括上壳体和下壳体。在单独形成上壳体和下壳体之后，将电极组件和电解质材料容纳在上壳体和下壳体中，并且将上壳体和下壳体密封。
例如，由于电池壳体由热塑性树脂制成，因此可通过热熔合、超声波熔合、或激光熔合密封上壳体和下壳体。
也就是说，可通过热熔合、超声波熔合、或激光熔合密封上壳体和下壳体的彼此面对的对应部分。
在另一具体示例中，电池壳体可配置成通过注塑成型而具有一体化结构。在电极组件放置在模具中的状态下将热塑性树脂注入到用于注塑成型的模具中的情况下，可制造具有其中热塑性树脂围绕电极组件的整个外表面的结构的电池壳体。该电池壳体可配置成具有其中电池壳体在外表面上没有接缝的一体化结构。因此，不需要如上所述将彼此分离的上壳体和下壳体彼此结合的工序。
在根据本发明的二次电池中，电池壳体由可注塑成型的热塑性树脂制成。在这种情况下，需要补充由在传统层压片中包括的金属层所执行的阻湿层的功能。因此，本发明的电池壳体可由包括吸湿添加剂的热塑性树脂制成，以便防止二次电池的性能因从外部引入其中的湿气而降低。
或者，根据本发明的二次电池可配置成具有其中铝带围绕电极组件的表面的至少一部分的结构，以便保护电极组件免受包括湿气在内的异物的影响。例如，铝带可附接至除电极组件中的伸出电极端子的外端面之外的电极组件的外侧表面。或者，铝带可附接至电极组件的整个外表面，以便防止湿气渗透到整个电极组件中。
在电池壳体具有包括上壳体和下壳体的可分离结构的情况下，可通过在形成电池壳体之后将电极组件和电解质材料容纳到电池壳体中并密封电池壳体的工序来制造二次电池。电解质材料可以是可注入电池壳体中的液体。
或者，在电池壳体配置成通过注塑成型而具有一体化结构的情况下，在电极组件放置在模具中的状态下形成电池壳体，从而围绕电极组件的整个外表面。在这种情况下，不可能注入液体电解质材料。因此，电解质材料可以是固体，固体电解质材料可构成电极组件。
热塑性树脂可以是选自由聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺、聚氯乙烯、丙烯酸、氟树脂、和聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的群组中的至少一种。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造二次电池的方法。
根据本发明一实施方式的制造二次电池的方法可包括：
(a)制备用于制造电池壳体的模具，所述电池壳体具有用于容纳电极组件的空间；
(b)将热塑性树脂注入所述模具中，以单独形成上壳体和下壳体；
(c)将电极组件放置在从所述模具分离的所述上壳体和所述下壳体中，将所述上壳体和所述下壳体彼此结合以构成电池壳体，并且将电解质材料注入所述电池壳体中；和
(d)通过熔合密封所述电池壳体的结合部分。
在该制造二次电池的方法中，使用包括上壳体和下壳体的可分离电池壳体。将电极组件放置在注塑成型的电池壳体中，将电解质材料注入电池壳体中，并且将上壳体和下壳体的彼此面对的对应部分彼此结合。
根据本发明另一实施方式的制造二次电池的方法可包括：
(a)制备用于制造电池壳体的模具，所述电池壳体具有用于容纳电极组件的空间；
(b)将电极组件放置在所述模具中；
(c)将热塑性树脂注入放置有所述电极组件的所述模具中，以形成其中放置有所述电极组件的电池壳体；和
(d)将所述电池壳体与所述模具分离。
在该制造二次电池的方法中，制造具有一体化结构的电池壳体。在形成电池壳体之前，在电极组件放置在用于形成电池壳体的模具中的状态下将热塑性树脂注入模具中，使得电池壳体形成在电极组件的整个外表面上。
在这种情况下，不需要如上所述将彼此分离的上壳体和下壳体彼此结合的额外工序。
在上述每种制造方法中使用的热塑性树脂可包括可吸收电池中产生的湿气的吸湿性添加剂，从而防止电极组件的性能降低。
此外，在上述每种制造方法中使用的电极组件可配置成具有铝带围绕电极组件的表面的至少一部分的结构。与其中使用包括金属层的传统层压片作为电池壳体的情况相比，可解决无法有效防止引入异物的问题。
热塑性树脂可以是选自由聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺、聚氯乙烯、丙烯酸、氟树脂、和聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的群组中的至少一种。
在制造具有一体化结构的电池壳体的方法中，将电极组件放置在用于形成电池壳体的模具中，并且将热塑性树脂注入到放置有电极组件的模具中，以便制造其中设置有电池组件的电池壳体。如上所述制造的二次电池可以是使用固体电解质作为电解质材料的全固态电池。
因此，电极组件不使用额外的隔膜，并且可配置成具有其中固体电解质插置在正极与负极之间的结构。
根据本发明的其他方面，提供了一种包括两个或更多个二次电池作为单元电池的电池组和一种包括所述电池组作为电源的装置。
电池组可用作需要耐高温的能力、长寿命、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(wearable device)、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-inHybrid 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)、以及能量存储系统(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，因此将省略其详细描述。
附图说明
图1是示出根据本发明一实施方式的二次电池的分解透视图。
图2是示出根据本发明一实施方式的电池壳体的分解透视图。
图3是示出根据本发明多个实施方式的电极组件的一系列透视图。
图4是示出根据本发明另一个实施方式的二次电池的透视图。
图5是示出用于制造图1的二次电池的模具的透视图。
图6是示出用于制造图4的二次电池的模具的透视图。
最佳实施方式
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过程中，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。
现在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是示出根据本发明一实施方式的二次电池的分解透视图。
参照图1，由参考标记100表示的二次电池包括由可注塑成型的热塑性树脂制成的电池壳体，电池壳体包括上壳体110和下壳体120。上壳体110设置有用于容纳电极组件130的容纳单元111，下壳体120设置有用于容纳电极组件130的容纳单元121。电极组件130与电解质材料一起设置在容纳单元111和121中。容纳单元111的高度D2和容纳单元121的高度D3之和等于或大于电极组件130的厚度D1。
在电极组件130被容纳在上壳体110和下壳体120中的状态下，上壳体110的容纳单元的外边缘112和下壳体120的容纳单元的外边缘122定位成彼此面对。外边缘112和122通过热熔合、超声波熔合、或激光熔合被密封。
图2是示出根据本发明一实施方式的电池壳体的分解透视图。
参照图2，如图1中所示的电池壳体一样，由参考标记200表示的电池壳体是包括上壳体210和下壳体220的可分离电池壳体。电池壳体200由可注塑成型的热塑性树脂制成。热塑性树脂包括吸湿性添加剂。
图3是示意性地示出三种电极组件的一系列透视图。
参照图3，由参考标记230、240和250表示的每个电极组件可以是果冻卷型(卷绕型)电极组件，其配置成具有其中长片型正极和长片型负极在隔膜分别插置在正极与负极之间的状态下进行卷绕的结构；堆叠型电极组件，其配置成具有其中被切割成具有预定尺寸的多个正极和被切割成具有预定尺寸的多个负极在隔膜分别插置在正极与负极之间的状态下顺序地堆叠的结构；堆叠/折叠型电极组件，其配置成具有其中双电池(Bi-cell)或全电池(Full-cell)使用隔离片进行卷绕的结构，双电池或全电池的每一个配置成具有其中预定数量的正极和负极在隔膜分别设置在正极与负极之间的状态下堆叠的结构；或层压/堆叠型电极组件，其配置成具有其中双电池或全电池在隔膜分别设置在双电池或全电池之间的状态下堆叠和层压的结构。
此外，由参考标记230、240和250表示的每个电极组件可以是构成全固态电池的电极组件。每个电极组件可配置成具有其中固体电解质插置在正极与负极之间的结构。
电极组件230、240或250被示出为具有其中电极端子231、241或251在不同方向上伸出的结构。或者，电极端子可在一个方向上伸出。
铝带可附接至每个电极组件230、240和250的外表面的至少一部分，以便防止湿气渗透到电极组件中。具有线性图案的铝带235附接至电极组件230。铝带245附接至电极组件240的侧表面，从而围绕除电极组件中的伸出电极端子241的端面之外的电极组件的侧表面。铝带255附接至包括伸出电极端子的电极组件的端面在内的电极组件250的整个外表面。
图4是示出根据本发明另一个实施方式的二次电池的透视图。
参照图4，由参考标记300表示的二次电池配置成具有其中电极组件330被容纳在电池壳体310中，仅电极端子331从电池壳体向外伸出，并且电池壳体310在外表面上没有接缝的一体化结构。
包括在二次电池300中的电极组件330配置成具有其中固体电解质插置在正极与负极之间的结构。不使用液体电解质溶液。因此，二次电池是所有部件都是固态的全固态电池。
通过在将电极组件放置在模具中的状态下将热塑性树脂注入到用于形成电池壳体的模具中来制造二次电池300。
图5是示出用于制造如图1中所示的可分离二次电池的模具的透视图。
参照图5，由参考标记400表示的模具设置有凹形单元442，凹形单元442具有与上壳体或下壳体的尺寸和形状对应的尺寸和形状。此外，模具设置有多个注入口441，通过注入口441注入热塑性树脂。
将电极组件放置在使用模具400制造的电池壳体中，将上壳体和下壳体彼此结合，将电解质注入电池壳体中，并且将上壳体和下壳体的相对表面热熔合，以密封电池壳体。
图6是示出用于制造如图4中所示的一体化二次电池的模具的透视图。
参照图6，由参考标记500表示的模具包括上模具510和下模具520。在上模具510和下模具520的每一个中限定有用于容纳电极组件530的空间。上模具510和下模具520在其中电极组件530被容纳在所述空间中的状态下彼此结合，并且通过热塑性树脂注入口521将热塑性树脂注入模具中。
热塑性树脂形成配置成围绕电极组件530的整个外表面的一体化电池壳体。
电极组件530的外表面可以无需任何处理，或者铝带可附接至电极组件的外表面的至少一部分。此外，热塑性树脂可不包括任何添加剂，或者可包括吸湿性添加剂。
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。
工业实用性
从以上描述显而易见的是，根据本发明的二次电池包括由可注塑成型的热塑性树脂制成的电池壳体，其中电池壳体中设置有用于容纳电极组件和电解质材料的空间。即使在增加电极组件的厚度的情况下，也可调节用于注塑成型的模具的尺寸，以便容纳厚电极组件，由此可制造具有大容量和高能量密度的二次电池。
此外，不需要形成电池壳体的额外工序或使用按压构件的热熔合工艺，从而简化了制造工序，并由此提高了生产率。
此外，构成电池壳体的热塑性树脂可包括吸湿性添加剂，或者铝带可附接至电极组件的外表面，由此可防止异物引入电极组件中。

Claims (14)

1.一种二次电池，所述二次电池配置成具有其中电极组件与电解质材料一起被容纳在电池壳体中的结构，其中
所述电池壳体中设置有用于容纳所述电极组件的空间，并且
所述电池壳体由可注塑成型的热塑性树脂制成。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电池壳体包括上壳体和下壳体。
3.根据权利要求2所述的二次电池，其中所述上壳体和所述下壳体通过热熔合或超声波熔合被密封。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电池壳体配置成通过注塑成型而具有一体化结构。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电池壳体由包括吸湿性添加剂的热塑性树脂制成。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电极组件配置成具有其中铝带围绕所述电极组件的表面的至少一部分的结构。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电解质材料是液体或固体。
8.根据权利要求1所述的电池壳体，其中所述热塑性树脂是选自由聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺、聚氯乙烯、丙烯酸、氟树脂、和聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的群组中的至少一种。
9.一种制造二次电池的方法，所述方法包括：
(a)制备用于制造电池壳体的模具，所述电池壳体具有用于容纳电极组件的空间；
(b)将热塑性树脂注入所述模具中，以单独形成上壳体和下壳体；
(c)将电极组件放置在从所述模具分离的所述上壳体和所述下壳体中，将所述上壳体和所述下壳体彼此结合以构成电池壳体，并且将电解质材料注入所述电池壳体中；和
(d)通过熔合密封所述电池壳体的结合部分。
10.一种制造二次电池的方法，所述方法包括：
(a)制备用于制造电池壳体的模具，所述电池壳体具有用于容纳电极组件的空间；
(b)将电极组件放置在所述模具中；
(c)将热塑性树脂注入放置有所述电极组件的所述模具中，以形成其中放置有所述电极组件的电池壳体；和
(d)将所述电池壳体与所述模具分离。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述热塑性树脂进一步包括吸湿性添加剂。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述电极组件配置成具有其中铝带围绕所述电极组件的表面的至少一部分的结构。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述热塑性树脂是选自由聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺、和聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的群组中的至少一种。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述电极组件配置成具有其中固体电解质插置在正极与负极之间的结构。
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