CN110352511A - 不具有卷边部的圆柱形电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种圆柱形电池单元，包括：果冻卷型电极组件，配置成具有其中正极和负极在隔膜设置在正极与负极之间的状态下进行卷绕的结构；不具有卷边部的圆柱形电池壳体；位于圆柱形电池壳体的开口上端处的盖组件；和衬垫，被安装成围绕安全排气部的外周和安全排气部的下表面的一部分，以便保持盖组件与圆柱形电池壳体之间的绝缘，其中盖组件包括：安全排气部，配置成在电池壳体中的压力增加时破裂以便排气；安装在安全排气部上的盖板，盖板中形成有用于排气的通孔；和电流中断构件，附接至安全排气部的下端，用于在电池壳体中的压力增加时中断电流，并且其中衬垫位于电池壳体的开口上表面的外周部分上并且结合至用于固定盖组件的垫片。

Description

不具有卷边部的圆柱形电池单元
技术领域
本申请要求于2017年9月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2017-0117208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。
本发明涉及一种不具有卷边部的圆柱形电池单元，更具体地，涉及一种圆柱形电池单元，其配置成具有这样的结构，其中果冻卷型电极组件被容纳在不具有卷边部的圆柱形电池壳体中，并且其中围绕安全排气部的外周和安全排气部的下表面的一部分的衬垫结合至固定盖组件的垫片，以便保持圆柱形电池壳体与盖组件之间的绝缘，由此电池单元的容量与被省略的卷边部的尺寸成比例地增加。
背景技术
可充电和放电的二次电池已广泛用作无线移动设备的能源。此外，二次电池作为被开发用于来解决由于使用化石燃料的现有汽油车辆和柴油车辆而导致的诸如空气污染之类的问题的电动车辆和混合动力电动车辆的能源已引起了相当大的关注。因此，二次电池由于其优点而被用在越来越多的应用中，并且在未来，二次电池有望应用于更多的应用和产品。
一般来说，基于电池壳体的形状，二次电池分为具有安装在圆柱形金属罐中的电极组件的圆柱形电池、具有安装在棱柱形金属罐中的电极组件的棱柱形电池、以及具有安装在由铝层压片制成的袋形壳体中的电池组件的袋形电池。安装在电池壳体中的电极组件是包括正极、负极、以及插置在正极与负极之间的隔膜并且能够充电和放电的发电元件。电极组件分为果冻卷型电极组件或堆叠型电极组件，果冻卷型电极组件配置成具有其中施加有活性材料的长片型正极和长片型负极在隔膜设置在正极与负极之间的状态下进行卷绕的结构，堆叠型电极组件配置成具有其中具有预定尺寸的多个正极和具有预定尺寸的多个负极在隔膜分别设置在正极与负极之间的状态下顺序地堆叠的结构。果冻卷型电极组件的优点在于易于制造果冻卷型电极组件并且果冻卷型电极组件具有较高的每单位重量的能量密度。
图1是示意性地示出具有卷边部的一般圆柱形电池单元的上部的垂直截面图。
参照图1，通过将果冻卷型电极组件130放置在圆柱形罐101中限定出的容纳单元中，将电解液注入容纳单元中，使得电极组件130完全被电解液浸渍，并且将盖组件110结合至圆柱形罐的开口上端来制造圆柱形电池单元100。
盖组件110连接至正极接片131，并且盖组件110配置成具有这样的结构，其中在顶盖102和用于降低内部压力的安全排气部103彼此紧密接触的状态下，顶盖102和安全排气部103设置在用于保持气密性的衬垫105中，衬垫安装至圆柱形罐的压接部和卷边部120的上部内表面。顶盖102的中间部分向上突出，使得在顶盖102连接至外部电路时顶盖102用作正极端子，并且沿着顶盖102的突出部分的外周形成有多个通孔，圆柱形罐中的气体通过多个通孔被排出到圆柱形罐之外。
然而，在圆柱形罐形成有卷边部的情况下，圆柱形罐的高度减小，从而降低了电池单元的容量。此外，在执行卷边工艺时圆柱形罐的高度或直径发生变化的情况下，需要改变卷边条件。结果，生产率降低，并且成本增加。
为了解决这些问题，专利文献1披露了一种不具有卷边部的圆柱形电池单元。然而，所披露的圆柱形电池单元配置成具有这样的结构，其中盖组件通过过盈装配插入圆柱形罐中，并且盖组件的外周被焊接到圆柱形罐。因此，在盖组件的组装期间，盖组件或圆柱形罐可容易被损坏。
专利文献2披露了一种不具有卷边部的圆柱形电池单元，该圆柱形电池单元配置成在圆柱形罐的内表面上形成突起或支撑结构，以便固定盖组件。然而，该专利文献没有披露能够通过改变用于保持圆柱形罐与盖组件之间的绝缘的衬垫的结构来增加电池单元的容量的技术。
因此，为了增加圆柱形电池单元的容量，迫切需要一种能够将盖组件结合至圆柱形壳体而不损坏盖组件且同时将其中容纳果冻卷型电极组件的圆柱形罐中限定出的无效空间的尺寸最小化的技术。
-相关技术文献
(专利文献0001)韩国专利申请公开第2016-00885858号
(专利文献0002)韩国专利申请公开第2007-0080866号
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圆柱形电池单元，该圆柱形电池单元配置成具有这样的结构，其中果冻卷型电极组件被容纳在不具有卷边部的圆柱形电池壳体中，并且其中用于保持盖组件与圆柱形电池壳体之间的绝缘的衬垫围绕安全排气部的外周和安全排气部的下表面的一部分，并且所述衬垫结合至固定盖组件的垫片，由此其中容纳果冻卷型电极组件的圆柱形电池壳体的尺寸与被省略的卷边部的尺寸成比例地增加。
因此，可提供一种具有与电极组件容纳单元的尺寸的增加成比例地增加的容量的圆柱形电池单元。
技术方案
根据本发明的一个方面，可通过提供一种圆柱形电池单元实现上述和其他目的，所述圆柱形电池单元包括：
果冻卷型电极组件，所述果冻卷型电极组件配置成具有其中正极和负极在隔膜设置在正极与负极之间的状态下进行卷绕的结构；
不具有卷边部的圆柱形电池壳体；
盖组件，所述盖组件位于圆柱形电池壳体的开口上端处；和，
衬垫，所述衬垫被安装成围绕安全排气部的外周和所述安全排气部的下表面的一部分，以便保持所述盖组件与所述圆柱形电池壳体之间的绝缘，
其中所述盖组件包括：所述安全排气部，所述安全排气部配置成在所述电池壳体中的压力增加时破裂以便排气；安装在所述安全排气部上的盖板，所述盖板中形成有用于排气的通孔；和电流中断构件，所述电流中断构件附接至所述安全排气部的下端，用于在所述电池壳体中的压力增加时中断电流，
其中所述衬垫位于所述电池壳体的开口上表面的外周部分上，并且结合至用于固定所述盖组件的垫片。
通常，圆柱形电池单元配置成使得包括电流中断装置(Current InterruptDevice,CID)和正温度系数(PTC)元件(Positive Temperature coefficient Element)的顶盖结合至圆柱形罐的开口上端，以便保证圆柱形电池单元的安全性，所述电流中断装置用于在电池单元异常操作时中断电流并减小电池单元中的压力大小，所述正温度系数元件用于当电池单元中的温度增加时通过增加电池单元电阻来中断电流。
为了将顶盖结合至圆柱形罐，圆柱形罐的上端部分向内凹入预定宽度，将顶盖装在圆柱形罐的上端，并且圆柱形罐的上端部分弯曲以形成卷边部，使得顶盖的外周被卷边部包围。使用卷边部结合顶盖是基于制造圆柱形罐的金属的塑性变形和高机械强度来实现的，由此稳定地保持顶盖的结合。
然而，由于卷边部的形成导致电池壳体中的空间减小，从而降低了电池单元的容量。
如在本发明中，在位于圆柱形电池壳体的开口上表面上的垫片结合至盖组件的情况下，盖组件在附接至垫片的状态下得以固定，由此可从电池壳体省略用于固定盖组件的卷边部。
如上所述，由于使用不具有卷边部的电池壳体，因此可省去形成卷边部的工序，由此可省去为了形成卷边部而调节电池单元的尺寸的工序并且因而可降低成本。
此外，由于省去了形成卷边部的工序，因此不必使用配置成具有围绕盖板的上表面的一部分的结构的衬垫。本发明中使用的衬垫可配置成具有围绕盖板的外周或安全排气部的外周、以及安全排气部的下表面的一部分的结构。
此外，果冻卷型电极组件的高度可与被省略的卷边部的高度成比例地增加，因此可提供具有与电极组件的体积增加而成比例地增加的容量的圆柱形电池单元。
在一具体示例中，衬垫可经由热塑性粘合剂层结合至垫片。将热塑性粘合剂层附接至垫片的下表面，设置衬垫后，热塑性粘合剂层被加热以熔化，由此衬垫和垫片可彼此结合。
热塑性粘合剂层没有特别限制，只要热塑性粘合剂层在正常使用电池单元的温度下提供高粘合力而不熔化即可。例如，热塑性粘合剂层可以是选自由聚氨酯(Polyurethane,PU)、聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)、硅(Silicon)基树脂，环氧(epoxy)基树脂、聚酯(Polyester)、异氰酸酯(isocyanate)基树脂和工程塑料(Engineering plastic)构成的群组中的至少一种，并且所述工程塑料可以是聚醚醚酮(Polyether ether ketone,PEEK)、聚酮(Polyketone,PK)、含氟聚合物(fluoropolymer,FP)、液晶聚合物(Liquid crystalpolymer,LCP)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide,PPS)、聚邻苯二甲酰胺(Polyphthalamide,PPA)、聚酰胺(Polyamide,PA)、聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯(Polycyclohexylene dimethyleneterephthalate,PCT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate,PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)、聚甲醛(Polyoxymethylene,POM)、改性聚丙烯(PP-modified)、超高分子量聚乙烯(Ultra high molecular weightPolyethylene,PE-UHMW)、高密度聚乙烯(High-density polyethylene,PE-HD)、或低密度聚乙烯(Low-density polyethylene,PE-LD)。
根据本发明的圆柱形电池单元不包括用于将盖组件固定在圆柱形电池壳体中的结构。盖组件可在与衬垫一起结合至垫片的状态下被容纳在电池壳体中。
由于垫片在结合至盖组件的状态下位于圆柱形电池壳体的开口上表面的外周部分上，因此垫片的尺寸必须设定成使得在垫片被固定在适当位置的状态下，垫片不能朝向电池壳体的内部移动。然而，在垫片的外径大于电池壳体的外径的情况下，电池壳体的上端的尺寸不必要地增加。因此，优选地，垫片的外径等于电池壳体的外径。
例如，盖组件的外径可小于垫片的外径，并且盖组件和垫片可彼此结合，使得盖组件的中心与垫片的中心对齐。垫片的外周可比盖组件的外周进一步向外延伸。
因此，比盖组件的外周进一步向外延伸的垫片的下表面的外周可在定位成置于电池壳体的外周部分的上表面上的状态下通过焊接结合至电池壳体的外周部分的上表面。
为了增加如上所述的电池壳体与垫片之间的焊接力，垫片可由与电池壳体相同的材料制成。
衬垫可配置成具有以下结构，所述结构包括：第一结合部，所述第一结合部结合至电流中断构件的下表面的外周部分；台阶部，所述台阶部从第一结合部的外周垂直向上弯曲；第二结合部，所述第二结合部从台阶部的上部向外弯曲，从而与第一结合部平行并且结合至安全排气部的下表面；第三结合部，所述第三结合部从第二结合部的外周垂直向上弯曲并且结合至安全排气部的外周和盖板的外周；和第四结合部，所述第四结合部结合至垫片，从而用作第三结合部的上部外周。
因此，衬垫可配置成具有围绕安全排气部的外周和盖板的外周且同时支撑位于盖板下方的电流中断构件的下表面的一部分的结构。或者，在安全排气部配置成具有围绕盖板的外周的结构的情况下，衬垫可配置成具有围绕安全排气部的外周且同时支撑电流中断构件的下表面的一部分的结构。
垫片结合至衬垫并结合至盖组件。为了实现垫片与盖组件之间的结合，垫片可具有足以覆盖盖板的外周的一部分的内径。
具体地说，衬垫和盖板可在垫片结合至衬垫的第四结合部和盖板的一部分的状态下固定至垫片。
在一具体示例中，电极组件与盖组件的下端之间的距离可小于台阶部的高度。
根据本发明的圆柱形电池单元使用不具有卷边部的圆柱形电池壳体。因此，与设置有卷边部的情况相比，结合至电流中断构件的电极接片的长度减小，并且电极组件的高度与被省略的卷边部的高度成比例地增加。因此，电极组件与盖组件的下端之间的距离变得相对较短。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括所述圆柱形电池单元的电池组。
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是示出具有卷边部的常规圆柱形电池单元的上部的垂直截面图。
图2是示出根据本发明实施方式的盖组件的垂直截面图。
图3是示出其中容纳有图2的盖组件的圆柱形电池单元的上部的垂直截面图。
图4是示出图3的部分A的放大图。
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。
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2是示出根据本发明实施方式的盖组件的垂直截面图。
参照图2，由参考标记210表示的盖组件包括：安全排气部203，安全排气部203配置成在电池壳体中的压力增加时破裂以便排气；安装在安全排气部203上的盖板202；和电流中断构件204，电流中断构件204附接至安全排气部203的下端，用于在电池壳体中的压力增加时中断电流。
衬垫205经由热塑性粘合剂层221结合至垫片211，衬垫205配置成具有围绕盖组件210的外周和盖组件210的下表面的一部分的结构。热塑性粘合剂层221贴附成从自垫片211的外周起向内间隔开预定距离D的垫片211的部分延伸。垫片211的外径大于衬垫205的外径，垫片211结合至衬垫205，使得垫片211的中心与衬垫205的中心对齐。
衬垫205配置成具有以下结构，该结构包括：第一结合部205a，第一结合部205a结合至电流中断构件204的下表面的外周部分；台阶部205b，台阶部205b从第一结合部205a的外周垂直向上弯曲；第二结合部205c，第二结合部205c从台阶部205b的上部向外弯曲，从而与第一结合部平行并且结合至安全排气部203的下表面；第三结合部205d，第三结合部205d从第二结合部205c的外周垂直向上弯曲并且结合至围绕盖板202的外周的安全排气部203的外周；和第四结合部205e，第四结合部205e结合至垫片211，从而用作第三结合部205d的上部外周。
或者，在其中安全排气部未配置成具有围绕盖板的外周的结构的情况下，第三结合部205d可定位成结合至安全排气部的外周并且结合至盖板的外周。
图3是示意性地示出图2的盖组件被容纳在圆柱形电池壳体中的状态的局部垂直截面图，图4是示出图3的部分A的放大图。
参照图3和图4，垫片211在经由热塑性粘合剂层221结合至衬垫205的第四结合部和配置成具有围绕盖板202的结构的安全排气部203的一部分的状态下，位于圆柱形电池壳体201的开口上表面的外周部分上。
或者，与图3不同，在安全排气部203未配置成具有围绕盖板202的结构的情况下，垫片211在经由热塑性粘合剂层221结合至衬垫205的第四结合部和盖板202的一部分的状态下，位于圆柱形电池壳体201的开口上表面的外周部分上。
垫片211的外径等于电池壳体201的外径，并且垫片211的下表面的未贴附有热塑性粘合剂层221的外周211a通过焊接结合至电池壳体201的外周部分的上表面201a。
与电池壳体101不同，电池壳体201不具有卷边部120。因此，与设置卷边部的情况相比，可增加电极组件230的尺寸。结果，电极组件与位于盖组件下端的电流中断构件之间的距离减小，从而小于衬垫205的台阶部的高度。
从以上描述中显而易见的是，根据本发明的圆柱形电池单元使用不具有卷边部的电池壳体，并且配置成具有其中盖组件和衬垫经由热塑性粘合剂层结合至垫片，以便将盖组件固定至电池壳体的结构。因此，可与被省略的卷边部的高度成比例地增加电极组件的尺寸，由此可提供高容量的圆柱形电池单元。
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、200：圆柱形电池单元
101、201：圆柱形电池壳体
102、202：顶板
103、203：安全排气部
104、204：电流中断构件
105、205：衬垫
205a：衬垫的第一结合部
205b：衬垫的台阶部
205c：衬垫的第二结合部
205d：衬垫的第三结合部
205e：衬垫的第四结合部
110、210：盖组件
130、230：电极组件
131：正极接片
201a：电池壳体的外周部分的上表面
211：垫片
211a：垫片的下表面的外周
221：热塑性粘合剂层
D：垫片的外周与热塑性粘合剂层的外周之间的距离
工业实用性
从以上描述显而易见的是，根据本发明的圆柱形电池单元使用不具有卷边部的圆柱形电池壳体和配置成具有不围绕盖板的上表面的结构的衬垫。因此，可增加其中安装电极组件的圆柱形电池壳体的尺寸，从而可提供高容量的圆柱形电池单元。
此外，不需要形成卷边部的工序，由此可防止由于卷边部的生产而导致的生产率降低和成本增加。

Claims (12)

1.一种圆柱形电池单元，包括：
果冻卷型电极组件，所述果冻卷型电极组件配置成具有其中正极和负极在隔膜设置在所述正极与所述负极之间的状态下进行卷绕的结构；
不具有卷边部的圆柱形电池壳体；
盖组件，所述盖组件位于所述圆柱形电池壳体的开口上端处；和
衬垫，所述衬垫被安装成围绕安全排气部的外周和所述安全排气部的下表面的一部分，以便保持所述盖组件与所述圆柱形电池壳体之间的绝缘，其中，
所述盖组件包括：所述安全排气部，所述安全排气部配置成在所述电池壳体中的压力增加时破裂以便排气；安装在所述安全排气部上的盖板，所述盖板中形成有用于排气的通孔；和电流中断构件，所述电流中断构件附接至所述安全排气部的下端，用于在所述电池壳体中的压力增加时中断电流，其中，
所述衬垫位于所述电池壳体的开口上表面的外周部分上，并且结合至用于固定所述盖组件的垫片。
2.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述衬垫经由热塑性粘合剂层结合至所述垫片。
3.根据权利要求2所述的圆柱形电池单元，其中，
所述热塑性粘合剂层是选自由聚氨酯(Polyurethane,PU)、聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)、硅(Silicon)基树脂，环氧(epoxy)基树脂、聚酯(Polyester)、异氰酸酯(isocyanate)基树脂和工程塑料(Engineering plastic)构成的群组中的至少一种，并且
所述工程塑料是聚醚醚酮(Polyether ether ketone,PEEK)、聚酮(Polyketone,PK)、含氟聚合物(fluoropolymer,FP)、液晶聚合物(Liquid crystal polymer,LCP)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide,PPS)、聚邻苯二甲酰胺(Polyphthalamide,PPA)、聚酰胺(Polyamide,PA)、聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯(Polycyclohexylene dimethylene terephthalate,PCT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate,PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate,PET)、聚甲醛(Polyoxymethylene,POM)、改性聚丙烯(PP-modified)、超高分子量聚乙烯(Ultra high molecular weight Polyethylene,PE-UHMW)、高密度聚乙烯(High-density polyethylene,PE-HD)、或低密度聚乙烯(Low-density polyethylene,PE-LD)。
4.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述盖组件在与所述衬垫一起结合至所述垫片的状态下被容纳在所述电池壳体中。
5.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述垫片具有与所述电池壳体的外径相等的外径。
6.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述垫片的下表面的外周通过焊接结合至所述电池壳体的外周部分的上表面。
7.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述垫片由与所述电池壳体相同的材料制成。
8.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述衬垫配置成具有以下结构，所述结构包括：第一结合部，所述第一结合部结合至所述电流中断构件的下表面的外周部分；台阶部，所述台阶部从所述第一结合部的外周垂直向上弯曲；第二结合部，所述第二结合部从所述台阶部的上部向外弯曲，从而与所述第一结合部平行并且结合至所述安全排气部的下表面；第三结合部，所述第三结合部从所述第二结合部的外周垂直向上弯曲并且结合至所述安全排气部的外周和所述盖板的外周；和第四结合部，所述第四结合部结合至所述垫片，从而用作所述第三结合部的上部外周。
9.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述垫片具有足以覆盖所述盖板的外周的一部分的内径。
10.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述垫片结合至所述衬垫的所述第四结合部和所述盖板的一部分。
11.根据权利要求1所述的圆柱形电池单元，其中所述电极组件与所述盖组件的下端之间的距离小于所述台阶部的高度。
12.一种电池组，包括根据权利要求1至11中任一项所述的圆柱形电池单元。
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