CN111108631B - 被构造成防止过充电的圆柱形二次电池 - Google Patents

Abstract

公开了一种圆柱形二次电池，所述圆柱形二次电池被构造成具有添加粘合单元的结构，所述粘合单元包括粘合材料、导电材料和PTC颗粒，粘合单元被构造成将用作圆柱形二次电池的正极电极端子的盖组件与果冻卷型电极组件的正极电极突片彼此联接。

Description

被构造成防止过充电的圆柱形二次电池

技术领域

本申请要求2018年5月30日提交的韩国专利申请No.2018-0061573的优先权的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

本发明涉及一种被构造成防止过充电的圆柱形二次电池，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：果冻卷型电极组件的正极电极突片经由粘合单元被联接到盖组件。

背景技术

可被充电和放电并且可被重复地使用的二次电池已被用作用于便携式电子设备、电动工具、电动车辆、电力存储系统等的能源，并且用于高输出和高容量的二次电池的需求已增加。

根据电池壳体的形状，二次电池被分为：电极组件被安装在圆柱形金属罐中的圆柱形二次电池；电极组件被安装在棱柱形金属罐中的棱柱形二次电池；以及电极组件被安装在由铝层压片制成的袋形壳体中的袋形二次电池。

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堆叠有正极电极、分隔件和负极电极的结构，并且可被充电和放电。电极组件被分为：果冻卷型电极组件，其被构造成具有这样的结构：在分隔件被设置在施加有活性材料的片型正极电极和片型负极电极之间的状态下，对片型正极电极和片型负极电极进行卷绕；或堆叠型电极组件，其被构造成具有这样的结构：在分隔件分别设置在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之间的状态下，正极电极与负极电极被顺序地堆叠。果冻卷型电极组件的优点在于，易于制造果冻卷型电极，并且果冻卷型电极组件具有较高的单位重量能量密度。由于这些原因，果冻卷型电极组件已被广泛地制造。果冻卷型电极组件通常被应用于圆柱形电池。

通常，在圆柱形电池中，果冻卷型电极组件的正极电极突片被联接到盖组件，使得顶盖用作正极电极端子。正极电极突片和盖组件通过焊接(例如，激光焊接)彼此联接。

然而，在焊接过程中，可能产生残余异物，由此可能损坏电极组件的外观，或者可能使顶盖发生畸变。

因此，需要能够解决在形成圆柱形二次电池的正极电极端子时所产生问题的技术以及能够防止二次电池的过充电的技术。

与此相关，专利文件1公开了这样一种结构：其中，多个第一电极突片被设置在子板和中间板的下方，以被结合到子板和中间板两者，其中，随着结合结构的接触的紧密度的增加，内部电阻减小，由此减小不良焊接的可能性。

也就是说，专利文件1公开了一种能够减小二次电池的内部电阻的结构，但是未提出除了可能产生异物的焊接方法以外的任何联接方法。

专利文件2公开了这样一种的结构：其中，端子板被附接到导电粘合剂的上表面，负极电极端子通过形成在端子板中的中空部电连接，并且负极电极突片被附接到导电粘合剂的下表面。然而，专利文件2中公开的二次电池被构造成具有这样的结构：其中，导电粘合剂熔化或者变形，因此负极电极突片和负极电极端子的连接部彼此分离，使得负极电极突片和负极电极端子彼此间隔开，由此解除了负极电极突片与负极电极端子之间的电连接。

专利文件3公开了一种盖组件，所述盖组件被构造成具有这样的结构：其中，包括被顺序堆叠的顶盖和安全阀的堆叠体的外周表面被主垫圈包裹，并且电流中断器件(在所述电流中断器件处，所述堆叠体的外周表面被副垫圈包裹)被结合到安全阀的下侧，其中，通过副垫圈来防止主垫圈的下垂。

专利文件4公开了一种结构：其中，在通过卷绕正极电极、负极电极和多孔分隔件而形成的电极的最内侧处，导线围绕正极电极和负极电极中的一个的基板卷绕至少1.5匝，以形成电极芯，电极突片被附接到基板的1.5匝部分和卷绕开始部分之间的区域，并且电极突片的端部被连接到盖组件。

然而，专利文件3和专利文件4未提出能够解决在将电极端子和电极突片彼此连接的过程中所产生问题的方案。

因此，非常需要这样的技术：能够在圆柱形二次电池中容易形成果冻卷型电极组件的正极电极突片与盖组件之间的连接结构，能够在无需物理上分割连接结构的情况下解除电连接，并且能够防止由于可能在焊接等期间所产生异物所引起的问题。

(现有技术文件)

(专利文件1)韩国专利申请公开No.2017-0081449

(专利文件2)韩国专利申请公开No.2003-0044512

(专利文件3)韩国专利申请公开No.2011-0039934

(专利文件4)韩国专利申请公开No.2001-0054738

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一种圆柱形二次电池，所述圆柱形二次电池被构造为使得可以防止在将电极突片和盖组件彼此电连接的过程中产生异物，或者防止盖组件在上述过程中摇动。

【技术方案】

根据本发明，可通过提供一种圆柱形二次电池来实现上述和其它目的，所述圆柱形二次电池包括：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，在分隔件被设置在片型正极电极和片型负极电极之间的状态下，所述正极电极与所述负极电极被卷绕；圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体被构造成容纳所述果冻卷型电极组件；以及盖组件，所述盖组件被安装到所述圆柱形电池壳体的开口上端，其中，所述盖组件的下端表面经由粘合单元被连接到所述果冻卷型电极组件的正极电极突片，并且所述粘合单元包括粘合材料、导电材料和正温度系数(PTC)颗粒。

所述粘合材料可以由以下各项构成的组中选择的至少一种制成：聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛和聚酯丙烯酸酯。

所述导电材料可以由以下各项构成的组中选择的至少一种制成：石墨、炭黑、导电纤维、金、银、铜、铝以及金、银、铜和铝的合金。

所述PTC颗粒可以由硅橡胶或聚乙烯制成。

所述导电材料和所述PTC颗粒可以按照5:1至1:1的比例彼此混合。

所述圆柱形二次电池可以被构造成使得：当所述圆柱形二次电池的内部温度增加时，由于所述PTC颗粒的电阻增加，而可以终止所述圆柱形二次电池的充电。

可以在所述充电被终止的状态下维持所述盖组件的下端与所述粘合单元之间的联接以及所述正极电极突片与所述粘合单元之间的联接。

排气构件可以位于所述盖组件的下端处，所述盖组件可以被构造成具有省略PTC元件和电流中断器件(CID)过滤器的结构，并且所述果冻卷型电极组件可以延伸以具有与被省略的所述PTC元件和所述电流中断器件过滤器的厚度相对应的附加长度。

所述果冻卷型电极组件的正极电极突片可以经由所述粘合单元被联接到所述盖组件的排气构件的下表面。

所述PTC颗粒可以具有比终止所述充电的温度高的玻璃化转变温度。

所述粘合材料可以具有比所述PTC颗粒的玻璃化转变温度低的玻璃化转变温度。

附图说明

图1是示出常规的普通圆柱形二次电池的竖直截面图。

图2是示出根据本发明实施例的圆柱形二次电池的竖直截面图。

图3是示出了包括在图1和图2的圆柱形二次电池中的电极组件的高度的比较情况的竖直截面图。

图4是示出在粘合单元变形之前和之后的状态的放大图。

图5是示出实验例的结果的曲线图。

具体实施方式

根据本发明的圆柱形二次电池可以包括：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，在分隔件被设置在片型正极电极与片型负极电极之间的状态下，片型正极电极和片型负极电极被卷绕在一起；圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体被构造成容纳所述果冻卷型电极组件；以及盖组件，所述盖组件被安装到所述圆柱形电池壳体的开口上端，其中，所述盖组件的下端表面可以经由粘合单元被连接到所述果冻卷型电极组件的正极电极突片，并且所述粘合单元可包括粘合材料、导电材料和正温度系数(PTC)颗粒。

也就是说，在本发明中，使用粘合单元来将盖组件的下端表面和果冻卷型电极组件的正极电极突片彼此联接，并且粘合单元包括粘合材料、导电材料和PTC颗粒。

具体地，本发明的粘合单元可以包括：粘合材料，所述粘合材料被构造成在将粘合单元的形状维持在正常状态下的同时增加正极电极突片与盖组件之间的联接力；导电材料，所述导电材料被构造成用作正极电极突片与盖组件之间的电连接路径；以及PTC颗粒，当二次电池的内部温度增加时，所述PTC颗粒的电阻突然增加。

如上所述，在根据本发明的圆柱形二次电池中，包括粘合材料的粘合单元在不使用常用焊接方法(诸如激光焊接)的情况下被添加到与正极电极突片联接的盖组件的下表面，以实现正极电极突片与用作正极电极端子的盖组件之间的电连接。

因此，可以防止如下问题的发生：如在常规技术中那样，由于使用用于圆柱形二次电池的激光焊接而导致异物从电极组件分离，由此分隔件受损或者与电解液发生反应。

粘合材料不受特别限制，只要粘合材料由能够增加正极电极突片与盖组件之间的联接力的材料制成即可。例如，粘合材料可以由以下各项构成的组中选择的至少一种制成：聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛和聚酯丙烯酸酯。

导电材料用作正极电极突片与盖组件之间的电连接路径。导电材料不受特别限制，只要导电材料由表现出高导电性的材料制成即可。例如，导电材料可以由以下各项构成的组中选择的至少一种制成：石墨、炭黑、导电纤维(诸如碳纤维或金属纤维)、金、银、铜、铝以及金、银、铜和铝的合金。

PTC颗粒具有如下特性：在正常温度下，PTC颗粒的电阻相对较低，由此PTC颗粒容易传送电流，但是当电池的温度增加或者由于过电流在电池中流动而使得电池的内部温度增加时，PTC颗粒的电阻突然增加到正常状态下的电阻的大约1000倍至10000倍或更多倍。

根据欧姆定律，可看到，当电阻在电流值均匀的状态下增加时，电压与电阻的增加值成比例地增加。当PTC颗粒的电阻突然增加时，二次电池的电压与其成比例地增加。因此，当达到充电结束电压时，二次电池的充电被终止。因此，可以中断二次电池的过充电，由此可以防止由于二次电池的温度的持续增加而导致二次电池的爆炸或燃烧。

未特别限制PTC颗粒，只要PTC颗粒由在正常温度下具有低电阻性质而在高温度下具有高电阻性质的材料制成即可。例如，PTC颗粒可以由硅橡胶或聚乙烯制成。

在具体实例中，导电材料和PTC颗粒可以按照5:1至1:1的比例彼此混合。

在PTC颗粒与导电材料的混合比例小于1/5的情况下，电阻增加性质不十分明显，由此难以获得期望的电阻增加效果，这是不理想的。在PTC颗粒的含量大于导电材料的含量的情况下，导电性成为问题，这也是不理想的。

在根据本发明的圆柱形二次电池中，当由于电池的过充电而导致电池的内部温度增加时，电池的电压随着PTC颗粒的电阻的增加而成比例地增加。结果，电池的电压达到充电结束电压，由此充电被终止。也就是说，与常规技术(被置于正极电极突片与盖组件之间的粘合单元熔化，由此正极电极突片和盖组件彼此物理分离)不同，根据本发明，可以使得在充电终止的状态下维持盖组件的下端与粘合单元之间的联接以及正极电极突片与粘合单元之间的联接。

在具体示例中，排气构件可以位于盖组件的下端处，并且盖组件可以被构造成具有省略PTC元件和电流中断器件的结构。因此，在本发明中，可以使用具有小厚度的盖组件，即薄盖组件，以防止与PTC元件和电流中断器件的厚度相对应的容积残留为死区。也就是说，由于盖组件的厚度的减小，可以增加果冻卷型电极组件的高度，由此可以在维持圆柱形二次电池的总长度的同时增加电极组件的高度。因此，可以提供高容量的二次电池。

同时，根据本发明的圆柱形二次电池包括排气构件，所述排气构件被构造成：当电池的内部压力由于气体而增加时，排出电池壳体中产生的气体。排气构件可以被构造成具有这样的结构：在排气构件中形成凹口，使得排气构件容易破裂，以排出气体；排气构件可以被构造成具有其中排气构件大致平坦的结构；或者排气构件可以被构造成具有其中排气构件向下凹入的结构。

在具有上述结构的圆柱形二次电池中，排气构件可以位于顶盖的下方，并且正极电极突片可以通过位于果冻卷型电极组件上方的绝缘构件经由粘合单元被连接到排气构件的下表面。

优选地，维持PTC颗粒的形状，同时直到由于二次电池的内部温度增加而使得二次电池的电压达到充电结束电压，PTC颗粒的性质才发生改变。PTC颗粒的玻璃化转变温度可以高于充电被终止时的温度。

同时，考虑到如下事实，粘合材料的玻璃化转变温度可低于充电被终止的温度：能够获得粘合材料的至少一部分可以甚至在二次电池的电压达到充电结束电压之前熔化的效果，由此可以增加导电材料的成分之间的距离，因此可以增加电阻。

在下文中，将参考附图详细地描述本发明的优选实施例，使得本发明所属领域的技术人员可容易地实现本发明的优选实施例。然而，在详细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使本发明的主题模糊时，将省略这些详细描述。

此外，将在所有附图中使用相同的附图标记来指代执行类似功能或操作的部分。在本说明书中，当一个部分被说成被“连接”到另一部分的情况下，该一个部分不仅可以被直接地连接到另一部分，而且该一个部分可以经由其它部分被间接地连接到另一部分。此外，“包括特定元件”不意味着排除其它元件，而是意味着，除非另外提及，否则可以进一步包括此类元件。

将参考附图详细地描述本发明的实施例。

图1是示出常规的普通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包括：电池壳体130，其中容纳有果冻卷型电极组件120；以及盖组件110，所述盖组件110位于电池壳体130的上部处。顶盖101位于盖组件110的上端处，PTC元件102、安全阀103以及电流中断器件104被顺序地堆叠在顶盖101的下方，所述PTC元件102被构造成在高温度下中断电流的流动，所述安全阀103被构造成排出高压气体，所述电流中断器件104被构造成在电池的内部压力增加时中断电流的流动。

在盖组件110与电池壳体之间的接触部处设置有垫圈106，所述垫圈106被构造成保证二次电池的密封力，并且果冻卷型电极组件的正极电极突片121通过焊接被联接到电流中断器件104的下表面。

绝缘构件111可以位于果冻卷型电极组件120的上方，所述绝缘构件111被构造为防止正极电极突片121与电池壳体130之间的接触。

图2是示出根据本发明实施例的圆柱形二次电池的竖直截面图。

参考图2，圆柱形二次电池200包括：电池壳体230，其中容纳有果冻卷型电极组件220；盖组件210；以及垫圈206，所述垫圈206位于盖组件210与电池壳体230之间，所述垫圈被构造为保证电池壳体的密封力。

顶盖201位于盖组件210的上部处，并且排气构件203位于顶盖201下方，所述排气构件203被构造成在电池的内部压力增加时中断电流的流动。也就是说，圆柱形二次电池200的盖组件210被构造成具有这样的结构：省略了圆柱形二次电池100的结构中的PTC元件102和电流中断器件104。

果冻卷型电极组件220的正极电极突片221可以经由粘合单元205被联接到排气构件203的下表面，并且排气构件203可以被连接到顶盖201，使得顶盖201用作正极电极端子。

绝缘构件211可以位于果冻卷型电极组件220上方，所述绝缘构件211被构造成防止正极电极突片221与电池壳体230之间的接触。

图3是示出了包括在图1和图2的圆柱形二次电池中的电极组件的高度的比较情况的竖直截面图。

参考图3，圆柱形二次电池200被构造成具有这样的结构：省略了圆柱形二次电池100中的PTC元件102和电流中断器件104。

因此，圆柱形二次电池200的盖组件的厚度h2小于圆柱形二次电池100的盖组件的厚度h1。

如上所述，在盖组件的厚度被减小的情况下，假设圆柱形二次电池的总高度彼此相等，则圆柱形二次电池200的电极组件的高度h5变得大于圆柱形二次电池100的电极组件的高度h4。

图4是示出图2所示粘合单元变形之前和之后状态的放大图。

参考图4，粘合单元405的上表面被联接到排气构件203，并且粘合单元的下表面被联接到正极电极突片221。

粘合单元405包括粘合材料401、导电材料402和PTC颗粒403。

在正常状态下，经由粘合单元405来实现排气构件203与正极电极突片221之间的联接，由此实现通过导电材料402的电连接。然而，当粘合材料401由于电池的温度增加而熔化、因此导电材料402的成分之间的距离增加时，电阻可增加。在温度进一步增加的情况下，PTC颗粒403的电阻突然增加，由此二次电池的电压增加到充电结束电压。因此，可以中断电流的流动。

替换地，在即使粘合材料401未发生熔化、而PTC颗粒403的电阻也增加的情况下，也可以由于电压的增加而中断电流的流动。

在下文中，将参考以下示例描述本发明。这些实施例仅提供用于更容易理解本发明，而不应该被解释为限制本发明的范围。

<示例1>

基于粘合单元的总重量，40wt％的聚酯树脂(作为粘合材料)、30wt％的银(作为导电材料)和30wt％的聚乙烯(作为PTC颗粒)与NMP混合，并且上述材料被干燥以制造浆态粘合单元。

如此制造的粘合单元被添加到被构造成具有图2所示结构的圆柱形二次电池的正极电极突片，并且被添加到圆柱形二次电池的盖组件的下端，以实现正极电极突片与排气构件之间的电连接。

<示例2>

与示例1不同的是，使用40wt％的银(作为导电材料)和20wt％的聚乙烯(作为PTC颗粒)，此外以与示例1相同的方式制造浆态粘合单元，然后制造被添加有粘合单元的圆柱形二次电池。

<示例3>

与示例1不同的是，使用50wt％的银(作为导电材料)和10wt％的聚乙烯(作为PTC颗粒)，此外与示例1相同的方式制造浆态粘合单元，然后制造被添加有粘合单元的圆柱形二次电池。

<比较例1>

制备被构造成具有图1所示结构的圆柱形二次电池，并且制造被构造成具有如下结构的圆柱形二次电池：正极电极突片和盖组件通过焊接彼此联接。

<比较例2>

与示例1不同的是，使用60wt％的银作为导电材料，并且不使用PTC颗粒，此外以与示例1相同的方式制造浆态粘合单元，然后制造被添加有粘合单元的圆柱形二次电池。

<实验例>

粘合单元的电阻的测量

使用根据示例1至3以及比较例1和2制造的圆柱形二次电池来测量温度随二次电池的电阻变化情况，结果被示出在图5中。

在25℃、50℃、75℃、90℃、100℃和110℃的温度下执行测量。

参考图5，可看到的是，在PTC颗粒的含量比导电材料的含量高20％的情况下，当温度增加到75℃或更高时，电阻突然增加。

另外，在示例1的情况下，当温度超过50℃时，电阻增加，并且随着PTC颗粒的含量的增加，粘合单元的电阻随温度变化的增加大致变得更陡。

在未添加PTC颗粒的比较例1和通过焊接来附接正极电极突片的比较例2的情况下，电阻随温度变化的增加不明显。

因此，在圆柱形二次电池的内部温度随圆柱形二次电池达到异常状态而增加的情况下，期望的是PTC颗粒的电阻增加，粘合单元的电阻增加，并且圆柱形二次电池的电压达到充电结束电压，由此可以防止圆柱形二次电池由于其过充电而爆炸或者着火。

本发明所属领域的技术人员应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以基于以上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、201：顶盖

102：PTC元件

103：安全阀

104：电流中断器件

203：排气构件

205、405：粘合单元

106、206：垫圈

110、210：盖组件

111、211：绝缘构件

120、220：果冻卷型电极组件

121、221：正极电极突片

130、230：电池壳体

h1、h2：盖组件的厚度

h4、h5：电极组件的高度

401：粘合材料

402：导电材料

403：PTC颗粒

工业适用性

如从上述描述显而易见的，在根据本发明的圆柱形二次电池中，通过包括粘合材料的粘合单元来实现电池的电极组件和电极端子之间的电连接，由此可以防止在将电极组件和电极端子彼此连接的过程中产生异物。

此外，圆柱形二次电池被构造成具有如下结构：在电极组件与电极端子之间的连接被维持在粘合单元处的状态下，随着电压增加到充电结束电压或更高，则终止电池的充电。因此，可以省略使得电极组件和电极端子彼此分离所需的空间，由此可以与所省略的空间成比例地增加电池的容量。

此外，可以防止盖组件的位置变化，由此可以减小电池缺陷率。

Claims (9)

1.一种圆柱形二次电池，包括：

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：在分隔件被设置在片型正极电极和片型负极电极之间的状态下，所述正极电极与所述负极电极被卷绕；

圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体被构造成容纳所述果冻卷型电极组件；以及

盖组件，所述盖组件被安装到所述圆柱形电池壳体的开口上端，其中，

所述盖组件的下端表面经由粘合单元被连接到所述果冻卷型电极组件的正极电极突片，并且

所述粘合单元包括粘合材料、导电材料和正温度系数颗粒，

其中，排气构件位于所述盖组件的下端处，所述盖组件被构造成具有省略正温度系数元件和电流中断器件过滤器的结构，并且所述果冻卷型电极组件延伸以具有与被省略的所述正温度系数元件和所述电流中断器件过滤器的厚度相对应的附加长度，并且

其中，所述果冻卷型电极组件的所述正极电极突片经由所述粘合单元被联接到所述盖组件的所述排气构件的下表面，并且所述排气构件被构造成在电池的内部压力增加时排出电池壳体中产生的气体并中断电流的流动。

2.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述粘合材料由以下各项构成的组中选择的至少一种制成：聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛和聚酯丙烯酸酯。

3.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述导电材料由以下各项构成的组中选择的至少一种制成：石墨、炭黑、导电纤维、金、银、铜、铝以及金、银、铜和铝的合金。

4.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述正温度系数颗粒由硅橡胶或聚乙烯制成。

5.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述导电材料和所述正温度系数颗粒按照5:1至1:1的比例彼此混合。

6.根据权利要求1所述的圆柱形二次电池，其中，所述圆柱形二次电池被构造成使得：当所述圆柱形二次电池的内部温度增加时，由于所述正温度系数颗粒的电阻增加而终止所述圆柱形二次电池的充电。

7.根据权利要求6所述的圆柱形二次电池，其中，在所述充电被终止的状态下维持所述盖组件的下端与所述粘合单元之间的联接以及所述正极电极突片与所述粘合单元之间的联接。

8.根据权利要求6所述的圆柱形二次电池，其中，所述正温度系数颗粒具有比终止所述充电的温度高的玻璃化转变温度。

9.根据权利要求6所述的圆柱形二次电池，其中，所述粘合材料具有比终止所述充电的温度低的玻璃化转变温度。

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