CN110945679A - 包括被构造成阻挡焊接激光束的结构的圆柱形二次电池及包括该圆柱形二次电池的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆柱形二次电池，包括：圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体用于容纳电极组件和电解质溶液；帽组件，所述帽组件位于所述圆柱形电池壳体的开口上端上；以及果冻卷型电极组件，所述果冻卷型电极组件具有如下结构：在分隔件被置于正极电极片材与负极电极片材之间的状态下，所述正极电极片材和负极电极片材被卷绕，其中，在包括压接部的所述圆柱形电池壳体的内表面的至少一部分上形成有保护层，所述保护层由表现高导热性的材料制成。

Description

包括被构造成阻挡焊接激光束的结构的圆柱形二次电池及包 括该圆柱形二次电池的电池组
技术领域
本申请要求2018年3月2日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.2018-0025074的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本发明涉及一种包括被构造成阻挡焊接激光束的结构的圆柱形二次电池，并且更具体地，本发明涉及一种被构造成具有如下结构的圆柱形二次电池：由表现高导热性的材料制成的保护层形成在包括压接部的、圆柱形电池壳体的内表面的至少一部分上，所述圆柱形电池壳体被构造成容纳电极组件和电解质溶液。
背景技术
作为用于电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆汽车(Plug-In HEV)的电源，能够被充电和放电的二次电池备受关注，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所引起的问题，诸如空气污染。
此外，二次电池也已开始被用在需要高输出的动力工具、电动自行车(E-bike)、电动踏板车(E-scooter)、电动高尔夫球车或储能系统中。
二次电池被分为圆柱形二次电池、棱柱形二次电池以及袋形二次电池，在所述圆柱形二次电池中，电极组件被安装在圆柱形金属罐中，在所述棱柱形二次电池中，电极组件被安装在棱柱形金属罐中，在所述袋形二次电池中，电极组件被安装在由铝层压片材制成的袋状壳体中。在这些电池当中，圆柱形二次电池具有这样的优点：圆柱形二次电池的容量大，并且圆柱形二次电池的结构稳定。
被安装在电池壳体中的电极组件是发电元件，所述发电元件被构造成具有这样的结构：正极电极、分隔件和负极电极被堆叠和构造成能够被充电和放电。电极组件被分为果冻卷型电极组件或堆叠型电极组件，所述果冻卷型电极组件被构造成具有这样的结构：活性材料被施加至长片材型正极电极和长片材型负极电极，并且在分隔件被置于所述长片材型正极电极和长片材型负极电极之间的状态下，所述长片材型正极电极和长片材型负极电极被卷绕；所述堆叠型电极组件被构造成具有这样的结构：具有预定大小的多个正极电极和具有预定大小的多个负极电极在分隔件被置于所述正极电极和所述负极电极之间的状态下被顺序地堆叠。果冻卷型电极组件的优点在于：果冻卷型电极组件易于制造，并且果冻卷型电极组件具有较高的单位重量能量密度。
通常，为了制造高容量和高电压的电池，多个电池单体彼此串联和/或并联连接，以制造电池模块或电池组。将金属板等连接到电池单体的电极端子的方法可以被用作用于连接电池单体的手段。
对于圆柱形电池单体，在圆柱形电池单体竖立使得这些圆柱形电池单体中的每一个圆柱形电池单体的纵向方向垂直于地面的状态下，可以使用诸如线接合这样的连接方法来将多个圆柱形电池单体彼此连接。
可替代地，可以通过焊接来将金属板附接到多个电池单体，以便实现电池单体之间的电连接。
然而，在激光焊接被用作将金属板焊接到电池单体的方法的情况下，激光的能量可以集中于每个电池单体的被焊接部分上，由此可能发生过热现象，或者由于过度焊接而可能穿透电池壳体，由此存在电解质溶液从电池壳体泄漏的风险。
对此，专利文件1公开了一种电池，所述电池被构造成具有这样的结构：用于制造卷绕型电极组件的片材型电极的边缘几乎弯曲成直角，并联接到位于卷绕型电极组件的上部处的集电板，并且集电板和片材型电极彼此相交的拐角部分处填充有被构造成阻挡激光束的材料，使得当在集电板外部执行激光焊接时，不会传递焊接热。
然而，专利文件1公开的是被构造成阻挡在电池单体中的电极与集电板之间的联接时产生的焊接热的结构，但是未公开被构造成阻挡当金属板附接到电池单体的外表面时产生的焊接热的结构。
专利文件2公开了一种密封型电池，所述密封型电池包括设置在电池壳体与端子之间的绝缘体，其中，电池壳体包括盖板，在所述盖板覆盖护套罐的开口部的状态下，所述盖板的外周边缘被焊接到所述开口部，并且传热抑制部在被焊接部分(位于盖板与护套罐的开口部之间)与绝缘体之间被安装至所述盖板处。
专利文件2中公开的传热抑制部被构造成具有这样的结构：在盖板的外表面上形成有不规则部分，由此可以防止焊接热被传递到向外突出的电极；然而，这难以防止焊接热被传递到电池壳体的内部。
专利文件3公开了一种电池组，所述电池组被构造成具有这样的结构：两个或更多个圆柱形电池单体通过连接构件彼此并联连接，其中，电池单体通过激光焊接联接到连接构件，并且在连接构件上形成有被构造成防止腐蚀的镀层。
然而，专利文件3未公开能够防止在激光焊接时对位于电池壳体中的电极组件造成损坏的结构。
因此，迫切需要能够在使用激光焊接来将圆柱形二次电池彼此联接时防止由于焊接热而对电池壳体和电极组件造成损坏的技术。
(现有技术文件)
(专利文件1)日本专利申请公开No.2001-093506
(专利文件2)韩国专利申请公开No.2015-0058042
(专利文件3)韩国专利申请公开No.2013-0111055
发明内容
【技术问题】
已鉴于上述问题做出了本发明，并且本发明的目的是提供这样一种圆柱形二次电池：在用于电池单体之间联接的焊接时，所述圆柱形二次电池针对焊接热具有改进的安全性。
【技术方案】
根据本发明的一个方面，上述和其它目的可通过提供一种圆柱形二次电池来实现，所述圆柱形二次电池包括：圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体被构造成容纳电极组件和电解质溶液；帽组件，所述帽组件位于所述圆柱形电池壳体的开口上端上；以及果冻卷型电极组件，所述果冻卷型电极组件被构造成具有如下结构：在分隔件被置于正极电极片材与负极电极片材之间的状态下，所述正极电极片材和负极电极片材被卷绕，其中，在包括压接部的所述圆柱形电池壳体的内表面的至少一部分上形成有保护层，所述保护层由表现高导热性的材料制成。
所述保护层可以由铜或铜合金制成。
所述果冻卷型电极组件的负极电极接线片可以联接到形成在所述电池壳体的内表面上的所述保护层，并且所述保护层可以形成在所述电池壳体的整个内表面上。
所述负极电极接线片可以由铜或镍材料制成。
所述联接可以通过超声波焊接、电阻焊接或激光焊接来执行。
所述果冻卷型电极组件可以包括由镍材料制成的负极电极接线片，并且可以在所述保护层的与所述负极电极接线片联接的表面上形成镀镍层。
所述保护层可以被构造成具有如下结构：在所述保护层的与所述保护层的面对所述电池壳体的内表面的表面相反的表面上形成不平整部分。
所述保护层可以另外形成在所述圆柱形电池壳体的外表面的至少一部分上。
当激光的波长是0.6μm至1.1μm时，所述保护层可以具有62％至90％的反射率。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括圆柱形二次电池的电池组，每个圆柱形二次电池均被构造成具有上述结构，其中，所述圆柱形二次电池通过金属板彼此并联连接。
所述金属板可以通过激光焊接而联接到每个所述圆柱形二次电池的压接部，或者联接到每个所述圆柱形二次电池的电池壳体的下表面。
所述金属板可以被构造成具有如下结构：在所述金属板的与所述圆柱形电池壳体的压接部联接的一部分上形成突起。
所述金属板的与所述圆柱形电池壳体的下表面联接的部分可以被构造成具有平坦结构。
附图说明
图1是示出在电池壳体的内表面上形成有保护层的圆柱形二次电池的竖直截面图。
图2是示出金属板联接到图1的圆柱形二次电池的结构的竖直截面图。
图3是示出金属板的立体图。
图4是示出多个圆柱形二次电池(其中一个圆柱形二次电池在图1中示出)通过金属板彼此联接的状态的立体图。
图5是示出金属的反射率的曲线图。
具体实施方式
为了解决上述问题，根据本发明的圆柱形二次电池可以包括：圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体被构造成容纳电极组件和电解质溶液；帽组件，所述帽组件位于圆柱形电池壳体的开口上端上；以及果冻卷型电极组件，所述果冻卷型电极组件被构造成具有这样的结构：在分隔件被置于正极电极片材与负极电极片材之间的状态下，所述正极电极片材和负极电极片材被卷绕，其中，由表现高导热性的材料制成的保护层可以形成在包括压接部的圆柱形电池壳体的内表面的至少一部分上。
为了满足对于高容量和高电压的电池的需要，多个电池单体可以彼此联接以增加电池的容量，或者可以制造具有高电压的电池。为了将电池单体彼此联接，如上所述，可以使用汇流条或金属板。
也就是说，可以通过在布置电池单体的状态下将汇流条或金属板联接到电池单体的电极来实现电池单体之间的串联连接或并联连接。
在根据本发明的圆柱形二次电池中，在帽组件位于电池壳体的上端处的状态下形成压接部，以便固定帽组件。压接部是电池壳体的一部分，因此可以用作负极电极端子。
因此，在汇流条或金属板联接到压接部的情况下，可以将汇流条或金属板联接到多个圆柱形二次电池的压接部，以便制造第一电池模块，所述第一电池模块被构造成具有圆柱形二次电池彼此并联连接的结构。
另外，圆柱形二次电池的顶帽用作正极电极端子。因此，汇流条或金属板可以联接到多个圆柱形二次电池的顶帽，以便制造第二电池模块，所述第二电池模块被构造成具有圆柱形二次电池彼此并联连接的结构，并且第一电池模块和第二电池模块可以彼此电连接，以便制造高电压和高输出的电池组。
电池壳体可以由具有改进强度的金属材料(诸如铝、铝合金或不锈钢)制成。在汇流条或金属板由金属制成的情况下，保证了可焊性，由此可以防止汇流条或金属板与电池单体分离。
而且，在由表现高导热性的材料制成的保护层形成在电池壳体的内表面中的情况下，可以将集中于被焊接部分上的焊接热迅速地移动到其它部分。因此，可以防止焊接热集中于特定区域，诸如压接部，因此可以防止由于过度焊接而导致的焊接热集中造成电池壳体被穿透，因此防止电解质溶液的泄漏。
如上所述，根据本发明的圆柱形二次电池被构造成具有包括电池壳体和保护层的两层结构，由此可以在防止可焊性的劣化的同时改善散热效率。
保护层优选表现高导热性。例如，保护层可以由金、银、铜或其合金制成。
果冻卷型电极组件的负极电极接线片可以联接到形成在电池壳体的内表面上的保护层，并且保护层可以形成在电池壳体的整个内表面上。
例如，负极电极接线片可以由铜或镍材料制成。在负极电极接线片由铜材料制成并且保护层由铜材料制成的情况下，可以保证将负极电极接线片焊接到其上形成有保护层的电池壳体的可焊性。
可替代地，果冻卷型电极组件可以包括由镍材料制成的负极电极接线片。为了防止由于保护层形成在电池壳体的内表面上而导致的可焊性的劣化，可以在保护层的与负极电极接线片相联接的表面上形成镀镍层。
可以使用超声波焊接、电阻焊接或激光焊接来将金属板联接到电池壳体。优选地，使用激光焊接，因为可以执行精确的焊接，并且防止基底材料的性质变化。
具体地，在执行激光焊接来将金属板联接到圆柱形二次电池的压接部的情况下，焊接热可能集中于压接部的被焊接部分上，由此电池壳体可能受损。为了折射或者散射激光束，可以在保护层的与保护层的面对电池壳体的内表面的表面相反的表面上形成不平整部分，由此可以防止能量集中于特定区域上。
在具体示例中，考虑到保护层表现高导热性，保护层可以形成为较厚，以分散施加到圆柱形二次电池的焊接热。
可替代地，保护层可以形成在电池壳体的外表面及其内表面上。保护层可以另外形成在圆柱形电池壳体的外表面的至少一部分上。
当激光的波长是0.6μm至1.1μm时，保护层可以具有62％至90％的反射率。
对此，图5示出了基于光的波长的金属的反射率。参考图5，在使用YAG激光器的情况下，碳钢(Fe)的反射率是大约58％，而镍(Ni)的反射率是大约70％。在使用YAG激光器的情况下，铜(Cu)的反射率是大约90％。
因此，与碳钢或镍被用于保护层的情况相比，在铜材料被用于保护层的情况下，可以反射在激光焊接时产生的激光束的大约90％，由此可以防止焊接热集中于被焊接部分上。
本发明还提供一种电池组，所述电池组包括圆柱形二次电池，每个圆柱形二次电池均被构造成具有上述结构，其中，圆柱形二次电池通过金属板彼此并联连接。
金属板可以通过激光焊接被联接到圆柱形二次电池中的每一个的压接部或者联接到圆柱形二次电池中的每一个的电池壳体的下表面。
联接到压接部的金属板可以被构造成具有板状结构，并且可以被构造成具有这样的结构：连续地布置多个管，每个所述管具有与圆柱形二次电池中的每一个的压接部的形状和大小相对应的形状和大小，或者所述金属板可以被构造成具有这样的结构：在金属板的联接到压接部的部分上形成突起。
考虑到电池壳体的下表面是平面，金属板的联接到圆柱形电池壳体的下表面的部分可以被构造成具有平坦结构。
此外，根据本发明的圆柱形二次电池可以被用作用于小型设备的电源。此外，根据本发明的圆柱形二次电池被优选地用作中型或大型电池模块(被用作中型或大型设备的电源)的单元电池。
所述设备的特定示例可以包括移动电子设备、可穿戴电子设备、由电池供电的电机驱动的动力工具、电动汽车(诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)或插电式混合动力电动车辆(PHEV))、电动两轮车辆(诸如电动自行车(E-bike)或电动踏板车(E-scooter))、电动高尔夫球车和储能系统。然而，本发明不限于此。
在下文中，将参考附图详细地描述本发明的优选实施例，使得本发明的优选实施例可由本发明所属领域的技术人员容易地实现。然而，在详细地描述本发明的优选实施例的操作原理时，当并入本文的已知功能和构造的详细描述可能模糊本发明的主题时，将省略并入本文的已知功能和构造的详细描述。
此外，将在附图中自始至终使用相同的附图标记来指代执行类似的功能或操作的部分。在本说明书中，一个部分被表述为“连接到另一部分”的情况下，该一个部分不仅可以直接地连接到另一部分，而且该一个部分可以经由另一个部分间接地连接到另一部分。此外，“包括某个元件”不意味着排除其它元件，而是意味着可以进一步包括这样的元件，除非另外提及。
将参考附图详细地描述本发明的实施例。
图1是示出在电池壳体的内表面上形成有保护层的圆柱形二次电池的竖直截面图。
参考图1，圆柱形二次电池100被构造为使得保护层102形成在电池壳体101中，并且保护层102也形成在电池壳体的压接部105的内表面上。
因此，可以使用钢片材来制造电池壳体101，所述钢片材由保护层102形成在其一个表面上的金属材料制成。
图2是示出金属板联接到图1的圆柱形二次电池的结构的竖直截面图，并且图3是示意性地示出金属板的立体图。
参考图2和图3，金属板210联接到圆柱形二次电池200的上端。具体地，金属板210联接到圆柱形二次电池的压接部205的上端220。
在图2中，金属板210被示出为与顶帽204的上端隔开。然而，这是为了理解的方便而示出的。在金属板的与顶帽的上端相对应的部分被钻孔(a)或者凹入(b)的情况下，类似于图3中所示的金属板，金属板可以联接到用作负极电极端子的压接部，而不接触作为正极电极端子的顶帽。
如上所述，在执行激光焊接来将压接部和金属板彼此联接的情况下，压接部205的上端220可能因激光束的能量而过热。然而，如本发明所述，在形成有保护层202的情况下，可以防止能量的集中。
另外，不同于图2所述情形，金属板当然可以不联接到电池壳体的压接部，而是可以联接到电池壳体的下表面。
具体地，参考图3，金属板(a)形成为管形，其中，金属板的外周的直径尺寸可以对应于图2的圆柱形二次电池的水平截面的直径，并且金属板的厚度的尺寸可以对应于压接部205的上端的宽度。金属板(b)被形成为具有这样的结构：在金属板的平面的下表面上形成突起221，其中，可以防止由于形成在金属板的中心中的凹入部分而导致金属板与顶帽之间相接触。
图3仅仅示出能够被用在本发明中的金属板的具体图示。只要金属板能够通过激光焊接联接到电池壳体来电连接电池单体，并且具有能够防止发生短路的结构，则金属板的结构不受特别限制。
图4是示意性地示出圆柱形二次电池通过金属板彼此联接的状态的立体图。
参考图4，金属板310联接到多个圆柱形二次电池100的上端。金属板310联接到圆柱形二次电池100的压接部，使得圆柱形二次电池彼此并联连接。
图4示出五个二次电池彼此联接的状态。然而，彼此联接的二次电池的数目不受特别限制，而是依赖于所使用的设备所需要的电池容量和电压。
在下文中，将参考以下示例描述本发明。此示例是仅为了更容易理解本发明而提供的，因此不应该被解释为限制本发明的范围。
<示例>
电极组件被容纳在由金属材料制成的圆柱形电池壳体中，并且在圆柱形电池壳体的整个内表面上形成有由铜材料制成的保护层，帽组件位于圆柱形电池壳体上，然后执行压接工艺，以便制造圆柱形二次电池。
金属板位于圆柱形二次电池的压接部上，并且在1064nm的波长下执行激光焊接，以便将压接部和金属板彼此联接。
<比较例>
使用与示例相同的方法来制造与金属板相联接的圆柱形二次电池，不同之处在于，所使用的由金属材料制成的圆柱形电池壳体上没有形成保护层。
<实验例>
检查根据示例和比较例制造的各自联接有金属板的圆柱形二次电池的损坏情况，结果被示出在下表1中。
[表1]
壳体的被焊接部分 电极组件
示例 未损坏 未损坏
比较例 部分熔化 损坏
参考上表1，在根据比较例制造的圆柱形二次电池中，激光束产生热量，由于电池壳体中未形成单独的保护层，因此无法防止激光束集中于被焊接部分上，即，不可能分散激光束，由此被焊接部分的一部分熔化。因此，存在电解质溶液泄漏的风险。
然而，在根据示例制造的圆柱形二次电池中，电池壳体中形成有由铜材料制成的保护层，并且由铜材料制成的保护层也形成在压接部的内表面上(金属板与电池壳体在此相联接)。由于保护层能够反射大多数激光束，所以可以防止激光束被引入到电池壳体中，同时保持金属板与电池壳体之间的焊接强度。
在本发明中，如上所述，可以防止焊接热集中于被焊接部分上。由于可以迅速地分散热能，所以可以防止对电池壳体和电极组件造成损坏，并且防止电解质溶液的泄漏。
本发明所属领域的技术人员应领会的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以基于上述描述进行各种应用和修改。
(附图标记说明)
100、200：圆柱形二次电池
101：电池壳体
102、202：保护层
105、205：压接部
204：顶帽
210、310、a、b：金属板
220：压接部的上端
221：突起
【工业适用性】
如从上述描述中显而易见的，在根据本发明的圆柱形二次电池中，由表现高导热性的材料制成的保护层形成在包括压接部的电池壳体的内表面的至少一部分上。因此，在电池壳体的压接部上进行激光焊接、以电连接圆柱形二次电池的情况下，由于设置有保护层，从而可以防止对电池壳体和电极组件造成损坏。

Claims (13)

1.一种圆柱形二次电池，包括：
圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体被构造成容纳电极组件和电解质溶液；
帽组件，所述帽组件位于所述圆柱形电池壳体的开口上端上；以及
果冻卷型电极组件，所述果冻卷型电极组件被构造成具有如下结构：在分隔件被置于正极电极片材与负极电极片材之间的状态下，所述正极电极片材和负极电极片材被卷绕，其中，
在包括压接部的所述圆柱形电池壳体的内表面的至少一部分上形成有保护层，所述保护层由表现高导热性的材料制成。
2.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述保护层由铜或铜合金制成。
3.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，
所述果冻卷型电极组件的负极电极接线片被联接到形成在所述电池壳体的内表面上的所述保护层，并且
所述保护层形成在所述电池壳体的整个内表面上。
4.根据权利要求3所述的圆柱形二次电池，其中，所述负极电极接线片由铜或镍材料制成。
5.根据权利要求3所述的圆柱形二次电池，其中，所述联接通过超声波焊接、电阻焊接或激光焊接来执行。
6.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，
所述果冻卷型电极组件包括由镍材料制成的负极电极接线片，并且
在所述保护层的与所述负极电极接线片联接的表面上形成镀镍层。
7.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述保护层被构造成具有如下结构：在所述保护层的与所述保护层的面对所述电池壳体的内表面的表面相反的表面上形成不平整部分。
8.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述保护层另外形成在所述圆柱形电池壳体的外表面的至少一部分上。
9.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，当激光的波长是0.6μm至1.1μm时，所述保护层具有62％至90％的反射率。
10.一种电池组，所述电池组包括根据权利要求1至9中的任一项所述的圆柱形二次电池，其中，所述圆柱形二次电池通过金属板彼此并联连接。
11.根据权利要求10所述的电池组，其中，所述金属板通过激光焊接而联接到每个所述圆柱形二次电池的压接部，或者联接到每个所述圆柱形二次电池的电池壳体的下表面。
12.根据权利要求10所述的电池组，其中，所述金属板被构造成具有如下结构：在所述金属板的与所述圆柱形电池壳体的压接部联接的一部分上形成突起。
13.根据权利要求10所述的电池组，其中，所述金属板的与所述圆柱形电池壳体的下表面联接的一部分被构造成具有平坦结构。
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