CN111164782A - 覆膜电池、电池组和制造该覆膜电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种覆膜电池，所述覆膜电池使得能够在不会负面地影响电池元件的密封性能的情况下减小占用面积；和一种制造所述覆膜电池的方法。此覆膜电池包含：电池元件，包含正极和负极；电解质；和外包装体，包含将这些元件密封的膜。所述外包装体包含：(a)第一部分，具有第一底壁21和第一侧壁，所述第一侧壁被设置为沿着所述第一底壁的外边缘的整个周边立起；(b)第二部分，具有第二底面和第二侧壁，所述第二侧壁被设置为从所述第二底面的外边缘的至少一部分立起；和(c)接合部，将所述电池元件定位在所述第一底壁与所述第二底壁之间，并且在所述第一部分和所述第二部分彼此面对的情况下，将所述第一部分和所述第二部分的外周部彼此接合，并且包含侧壁接合部，所述侧壁接合部中所述第一侧壁和所述第二侧壁被彼此接合，所述侧壁接合部被定位在所述电池元件的厚度范围之外。

Description

覆膜电池、电池组和制造该覆膜电池的方法
技术领域
本发明涉及一种电池元件被封装入由膜制成的包装体中的覆膜电池、一种其中堆叠有多个覆膜电池的电池组和一种制造所述覆膜电池的方法。
背景技术
常规地，作为使用膜的覆膜电池，其中电池元件被用层压有金属层和热熔性树脂层的层压膜进行密封的覆膜电池是已知的。电池元件被层压膜包围，然后通过在连接至电池元件的正极和负极的引线端子被从层压膜引出的状态下通过热封等在层压膜的外周部处将层压膜的相对表面接合来密封。
在这种类型的覆膜电池中，通常通过在厚度方向上从两侧将电池元件夹持来用两个膜包围电池。因此，通过将膜的表面接合而形成的接合部形成为在垂直于电池元件的厚度方向的面内方向上扩展。结果，覆膜电池的占用面积(footprint，当覆膜电池被从电池元件的厚度方向投影时的覆膜电池的占据面积)中增加了接合部的面积。占用面积的增加引起覆膜电池的体积能量密度减小。
专利文献1(日本特开2003-223874号公报)公开了一种覆膜电池，其中电池元件被第一外包装膜和第二外包装膜覆盖，其中，第一外包装膜具有容纳电池元件的凹部和通过使凹部的周边在凹部的方向上弯曲而形成的第一弯曲部，第二外包装膜具有与第一弯曲部相对应的第二弯曲部，并且第一弯曲部和第二弯曲部被接合。
由此，可以通过分别在第一外包装膜和第二外包装膜上形成第一弯曲部和第二弯曲部并且将它们接合来抑制覆膜电池的占用面积的增加。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特开2003-223874号公报
发明内容
技术问题
然而，在专利文献1中描述的覆膜电池中，由于第一弯曲部是通过使凹部的周边在凹部的方向上弯曲而形成的，所以第一外包装膜在第一弯曲部处以接近于180度的角度弯曲。这样的急剧弯曲可能损坏层压膜的金属层。当层压膜的金属层损坏时，电池元件的密封性能降低，并且在一些情况下，电解质可能泄漏。
此外，在专利文献1中描述的覆膜电池中，在垂直于电池元件的厚度方向的方向上引出正极引线端子和负极引线端子，并且不考虑引线端子对覆膜电池的占用面积的影响。结果，占用面积中增加了引线端子的尺寸。
本发明的目的是提供一种在不会不利地影响电池元件的密封性能的情况下具有较小的占用面积的覆膜电池、一种制造所述覆膜电池的方法、一种其中堆叠有多个覆膜电池的电池组和一种电池模块。
问题的解决方案
根据本发明的覆膜电池包含：
电池元件，包含至少一个正极和至少一个负极；和
外包装体，由被构造成将所述电池元件与电解质一起密封的膜制成，
其中，所述外包装体包含
(a)第一部分，具有第一底壁和第一侧壁，所述第一侧壁遍及所述第一底壁的整个外周端从所述第一底壁的外周端立起；
(b)第二部分，具有第二底壁和第二侧壁，所述第二侧壁在所述第二底面的外周端的至少一部分处从所述外周端立起；和
(c)接合部，其中在所述电池元件位于所述第一底壁与所述第二底壁之间、并且所述第一部分和所述第二部分彼此面对的状态下，所述第一部分和所述第二部分的外周部被彼此接合，其中，所述接合部包含其中所述第一侧壁和所述第二侧壁被接合并且位于所述电池元件的厚度范围之外的侧壁接合部。
此外，在根据本发明的电池组中，多个所述覆膜电池被堆叠并串联和/或并联连接。
(本说明书中使用的术语的定义)
“电池元件的厚度”是指电池元件在垂直于电池元件与外包装体的底壁接触的表面的方向上的尺寸。
“占用面积”是指当覆膜电池被从电池元件的厚度方向投影时的覆膜电池的占据面积。
外包装体的“底壁”是指从上方和下方将电池元件夹持的外包装体的平坦部分。
外包装体的“侧壁”是指从底壁的外周端立起的外包装体的一部分，并且在侧壁中不包含从该立起部分进一步以一定角度延伸的部分。
发明的有益效果
根据本发明，可以提供一种在不会不利地影响电池元件的密封性能的情况下具有较小的占用面积的覆膜电池、一种制造所述覆膜电池的方法、一种其中堆叠有多个覆膜电池的电池组和一种电池模块。
附图说明
[图1]图1是根据本发明的一个实施方式的覆膜电池的分解透视图。
[图2]图2是图1中示出的电池元件的示意截面图。
[图3A]图3A是示出来自电池元件的正极端子和负极端子的引出位置的变更例的透视图。
[图3B]图3B是示出来自电池元件的正极端子和负极端子的引出位置的变更例的透视图。
[图3C]图3C是示出来自电池元件的正极端子和负极端子的引出位置的变更例的透视图。
[图3D]图3D是示出来自电池元件的正极端子和负极端子的引出位置的变更例的透视图。
[图3E1]图3E1是具有图3A中示出的电池元件的覆膜电池的透视图。
[图3E2]图3E2是具有图3B中示出的电池元件的覆膜电池的透视图。
[图3E3]图3E3是具有图3C中示出的电池元件的覆膜电池的透视图。
[图3E4]图3E4是具有图3D中示出的电池元件的覆膜电池的透视图。
[图4]图4是在图1中示出的覆膜电池的端子的位置处切开的示意截面图。
[图5]图5是示出本发明的一个实施方式中的外包装体的结构的变更例的透视图。
[图6]图6是示出本发明的一个实施方式中的外包装体的结构的变更例的透视图。
[图7]图7是示出根据本发明的一个实施方式的电池组和电池模块的示意截面图。
[图8A]图8A是示出根据本发明的一个实施方式的电池组和电池模块的示意截面图。
[图8B]图8B是示出根据本发明的一个实施方式的电池模块的外观的透视图。
[图9]图9是示出根据本发明的实施方式的电池组的连接的实例的示意截面图。
[图10]图10是示出包含二次电池的电动车辆的实例的示意图。
[图11]图11是示出包含二次电池的蓄电装置的实例的示意图。
具体实施方式
参考图1，示出了根据本发明的一个实施方式的覆膜电池1的分解透视图，包含电池元件10和外包装体，所述外包装体由将电池元件10与电解质一起包含在内的膜制成。外包装体具有第一部分21和第二部分22，所述第一部分21和所述第二部分22在其厚度方向上从两侧包围电池元件10并且密封其外周部从而密封电池元件10和电解质。正极端子31和负极端子32分别从壳突出一部分并连接至电池元件10。
如图2中所示，电池元件10具有这样的构造，其中多个正极11和多个负极12被设置成彼此面对从而交替地定位(在图2中，为了简单地示出结构，正极端子31和负极端子32被示出为在相反的方向上引出)。此外，在正极11与负极12之间设置隔膜13以确保正极11与负极12之间的离子传导并且防止正极11与负极12之间的短路。然而，当正极11和负极12中的至少一者的最外层具有能够用作隔膜13的替代物的绝缘层时，隔膜13可以是不必要的。
正极11和负极12各自具有由例如金属箔形成的集电器和在该集电器的一个或两个表面上形成的活性材料层。活性材料层被形成为例如在俯视下呈矩形形状，并且集电器的形状具有从形成有活性材料层的区域延长的延长部。
各正极11的延长部被收集并焊接在一起以形成正极极耳10a，并且该正极极耳10a被电连接至正极端子31。类似地，各负极12的延长部被收集并焊接在一起以形成负极极耳10b，并且该负极极耳10b被电连接至负极端子32。
由于具有如图示的平面层压结构的电池元件10没有具有小曲率半径的部分(靠近卷绕结构的卷绕芯的区域)，因此与具有卷绕结构的电池元件相比较，电池元件10具有不太易受由充电和放电而导致的电极体积变化影响的优点。也就是说，具有平面层压结构的电池元件对使用易于引起体积膨胀的活性材料的电极组件来说是有效的。
在图1中示出的实施方式中，从电池元件10的同一边引出正极端子31和负极端子32，但是引出正极端子31和负极端子32的位置可以是任意的。
例如，如图3A中所示，可以从电池元件10的彼此相对的边引出正极端子31和负极端子32。在这种情况下，例如，如图3B中所示，可从相对于从厚度方向投影的电池元件10的中心点非点对称的位置引出正极端子31和负极端子32。通过以这种方式布置正极端子31和负极端子32，即使覆膜电池1的正极端子31和负极端子32被错误地连接至其它装置或其它电池，它们也由于端子的引出位置改变而不能被连接至其它装置或电池。结果，能够防止与其它装置或电池的短路。此外，可从电池元件10的两个相邻边引出正极端子31和负极端子32，如图3C中所示。此外，如图3D中所示，正极端子31和负极端子32中的至少一者可以是多个，使得正极端子31被从电池元件10的两个相对的边引出并且负极端子32被从剩余两个相对的边引出。在任何情况下，可在与正极端子31和负极端子32被引出的方向相对应的位置处形成正极极耳10a和负极极耳10b。
图3E1至图3E4示出分别密封有图3A至图3D中示出的电池元件10的覆膜电池1的透视图。图3E1对应于图3A，图3E2对应于图3B，图3E3对应于图3C，并且图3E4对应于图3D。在任何情况下，正极端子31和负极端子32从外包装体的第一部分和第二部分之间的接合部延伸至外包装体的外部。
此外，在所图示的实施方式中，示出了具有层压结构的电池元件10，所述层压结构具有多个正极11和多个负极12。然而，具有卷绕结构的电池元件可以具有一个正极11和一个负极12。
再次参考图1，形成外部主体的第一部分21和第二部分22可由彼此不同的膜形成。第一部分21具有第一底壁21a和第一侧壁21b，所述第一侧壁21b遍及第一底壁21a的整个外周端从第一底壁21a的外周端立起。第二部分22具有第二底壁22a和第二侧壁22b，所述第二侧壁22b在第二底壁22a的外周端的至少一部分处从第二底壁22a的外周端立起。例如，在图1中示出的实施方式中，第二侧壁22b遍及第二底壁22a的整个外周端从第二底壁22a的外周端立起。
第一侧壁21b和第二侧壁22b的立起角度(相对于底壁21a和底壁22a的角度)优选地为30°以上，更优选地为45°以上，并且进一步优选地为60°以上。由于立起角度为90°时难以制造并且变得难以堆叠如稍后所描述的覆膜电池，立起角度优选地小于90°。第一侧壁21b和第二侧壁22b的立起角度可以是相同的角度。然而，例如，第一侧壁21的立起角度可以是更大的。在此实施方式中，由于膜不会弯曲超过90°，因此防止了对层压膜中的金属层的损坏，并且能够提供具有优异的密封性能的外包装体。
第一底壁21a和第二底壁22a的尺寸与电池元件10的尺寸相同或比电池元件10的尺寸稍大(例如，在纵向和横向边中大了约1mm至5mm，优选地约1mm至3mm)，使得能够容纳电池元件10。此外，第一底壁21a和第二底壁22a的尺寸可以是不同的。例如，如果第二底壁22a比第一底壁21a稍(例如，在纵向和横向边中约为1mm至6mm)大，则可以易于堆叠如稍后所描述的覆膜电池。
电池元件10被放置在由第一底壁21a和第一侧壁21b形成的凹部中。第一部分21和第二部分22彼此面对，使得电池元件10位于第一底壁21a与第二底壁22a之间。当第一部分21和第二部分22彼此面对时的第二部分22的取向是如下取向：相对于放置在第一部分21的凹部中的电池元件10，第二侧壁22b与该第二底壁相比被定位为更远。
相对的第一部分21和第二部分22遍及第一部分21和第二部分22的整个周边在彼此面对的外周部处接合，从而在外包装体上形成接合部(在包括图1的附图中，接合部被画阴影)。如图4中所示，此接合部包含侧壁接合部23，所述侧壁接合部23中第一侧壁21b和第二侧壁22b在第一侧壁21b和第二侧壁22b彼此面对的区域中彼此接合。当第一部分21和第二部分22如上所述彼此面对时，侧壁接合部23在电池元件10的厚度T方向上位于电池元件10的厚度T的范围之外。
如上所述，第一部分21和第二部分22被构造为使得位于电池元件10的厚度T的范围之外的侧壁接合部23形成，并且两者彼此接合。由此，能够减少覆膜电池1的占用面积。
在此实施方式中，正极端子31和负极端子32两者都通过侧壁接合部23被从外包装体引出。正极端子31和负极端子32在外部主体的外侧取向的方向是任意的，并且可从减少占用面积和安装容易性的角度适当地确定。例如，正极端子31和负极端子32可以取向为第一侧壁21b和第二侧壁22b的立起方向，或者可以取向得更向上(在厚度方向上)，或者可以取向为比第一侧壁21b和第二侧壁22b的立起方向更横向。为了使占用面积变得更小，优选的是，正极端子31和负极端子32至少不完全在横向方向上(与垂直于电池元件10的厚度方向的平面平行)取向。
作为构成外包装体的膜，例如，可使用在接合部处设置有热熔性树脂膜的金属薄膜、或包含金属薄膜和热熔性树脂膜这至少两个层的层压膜。作为金属薄膜，可使用能够防止水分渗入到内部中的已知材料。该材料的实例包括诸如铝、不锈钢、镍、铜等的薄膜。
作为热熔性树脂膜，可使用能够通过其热熔性来密封外部主体的已知材料。该材料的实例包括诸如聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和尼龙的树脂。
在本实施方式中，层压膜的热熔性树脂膜被设置为使得热熔性树脂膜存在于在接合部处第一部分21和第二部分22彼此面对的侧上。在图1的实施方式中，热熔性树脂膜在第一部分21中至少被设置在侧壁21b内侧(凹部内侧)，而在第二部分22中被至少设置在侧壁22b外侧(凹部外侧)。
从层压膜的片加工第一部分21和第二部分22的形状的方法不受特别限制，并且通常使用称作拉深工序(包括深拉深工序)的压制工序。
下面是本实施方式的变形例。在图1的实施方式中，构成外包装体的第一部分21和第二部分22是分开的加工膜(两个独立的膜)，但是第一部分21和第二部分22可以是整体膜。图5示出了一个实例。
在图5中，在膜的左侧部分中，第一底壁21a和从其外周端立起的第一侧壁21b由一个层压膜形成为第一部分21。另一方面，在膜的右侧部分中，第二底壁22a和从其外周端立起的第二侧壁22b被形成为第二部分22。电池元件(未示出)被放置在第一底壁21a上并且膜如箭头所示的那样在第一部分21与第二部分22之间的边界处弯曲。由此，能够包围电池元件并且能够形成类似于图1的实施方式的构造。
本实施方式的最优选构造是如图1和图5中所示的那样其中第二侧壁22b遍及第二底壁22a的外周端的整个周边而立起的构造。然而，即使在第二侧壁22b仅部分地形成在第二部分22中的构造中，也可以抑制由于正极端子和负极端子而导致的占用面积的增加，并且类似于图1和图5中示出的构造，这种构造也适合于构造后述的电池组和电池模块。
将参考图6具体地描述。第一部分21包含第一底壁21a和从其外周端立起的第一侧壁21b。然而，侧壁21b的一部分(在此实例中为三个边)具有从侧壁进一步向外延长的延长壁21c。延长壁21c未被包含在侧壁中。
第二部分22具有第二底壁22a和仅形成在外周端的一部分(在此实例中为一个边的一部分)处的第二侧壁22b。当用第一部分和第二部分形成外部主体时，第一部分的延长壁21c被熔接到第二部分的第二底壁22a的外周，并且第一部分的第一侧壁21b和第二部分的第二侧壁22b被熔接。从电池元件10引出的正极端子31和负极端子32中的至少一者、优选两者被从由第一侧壁21b和第二侧壁22b形成的侧壁接合部引出。因此，能够抑制由于正极端子31和/或负极端子32而导致的占用面积的增加。
[制造覆膜电池的方法]
为了制造根据本实施方式的覆膜电池，首先，通过将层压膜拉深(包括深拉深)等来准备构成外包装体的第一部分和第二部分。放置单独制造的电池元件使得其位于外包装体的第一底壁和第二底壁之间，并且除了一部分开口以外将周围热熔接。例如，在图1的实例中，在留下侧壁的一部分的同时，将第一侧壁21a和第二侧壁22a热熔接。此时，可以通过首先对三个边执行热熔接来以袋形状形成外包装体，并且可以从剩余的一个边放置电池元件。
接下来，从开口注入电解液以用该电解液浸渍电极。此后，通过热熔接来密封外包装体的开口以完成覆膜电池。根据这样的制造方法，由于在热熔接之后膜没有弯曲，因此层压膜中的金属层的损坏被抑制，并且能够在组装电池之前容易地检查层压膜的状态。
[电池组和电池模块]
根据本实施方式的覆膜电池能够以各种构造使用，并且能够通过组合多个覆膜电池(单元电体)以构造电池组并且根据需要将该电池组收容在壳体中来形成紧凑的电池模块。
图7示出将覆膜电池(单元电体)组合而得的电池组和将电池组收容在壳体中而得的电池模块41的实例。此电池模块41是六个覆膜电池1(1-1至1-6)被垂直地堆叠并收容在模块壳体42中的实例。覆膜电池1的第一侧壁和第二侧壁(21b和22b)分别从第一底壁21a和第二底壁22a立起。因此，当覆膜电池1被垂直地堆叠时，覆膜电池1-2的第一底壁21a放置在覆膜电池1-1的第二底壁22a上，并且能够以相同的方式依次堆叠覆膜电池1-1至1-6。
由于正极端子31和负极端子32在第一侧壁和第二侧壁(21b和22b)的方向上延伸(参见图4)，因此当覆膜电池被堆叠时，如图7中所示，端子(例如，在正极端子31之间和在负极端子32之间)彼此靠近或接触。因此，能够在不特别增加电池模块的体积和底部面积的情况下容易地将端子彼此连接。通常，在电池模块最上部处的覆膜电池1-6的上方形成间隙。在此部分中，可以放置用于抑制覆膜电池的松动的单体保持弹簧43，或者可以设置用于观察电池状态的其它测量装置(诸如厚度计和压力计)或诸如保护电路的电子电路。
如图8A和图8B中所示，最上面的电池(在这些图中为覆膜电池1-6)的正极端子31和负极端子32可以从模块壳体42中引出，例如，如图8B中所示的那样引出至模块壳体42的上表面。根据此构造，能够减小上部处覆膜电池的上部间隙，并且从模块壳体42中引出的正极端子31和负极端子32能够被方便地用于与其它装置连接。
在电池组中，作为单元电体的覆膜电池能够被串联、并联或以两种组合的方式连接。通过串联和/或并联连接，能够自由地调节容量和电压。可根据电池容量和输出来适当地设置包含在电池组中的覆膜电池的数目。
例如，可将图1中示出的覆膜电池如图7中所示的那样堆叠并且将相邻或接触的正极端子31和负极32连接来进行并联。此外，例如，使用如图3A中示出的从相对的边引出正极端子和负极端子的覆膜电池，如图9中所示，将多个覆膜电池(在该图中，示出了三个电池1-1至1-3)堆叠，使得正极和负极被交替地布置，并且使用绝缘体44，组合为使得正极与负极的连接和绝缘交替，从而形成串联连接成为可能。如图9中所示，可通过以下方式来串联连接电池1-1至1-3：用绝缘体44将电池1-1的正极31和电池1-2的负极32绝缘；将电池1-1的负极32与电池1-2的正极31之间进行连接；将电池1-2的负极32连接至电池1-3的正极31；以及用绝缘体44将电池1-2的正极31和电池1-3的负极32绝缘。即使在使用图1中示出的覆膜电池的情况下，通过交替地堆叠正极端子和负极端子被调换的电池并且使用绝缘体使得连接和绝缘交替，串联连接也是可能的。
[电池部件和电池元件]
本发明适用于可被膜覆盖的所有电池，并且能够适合地应用于例如诸如锂离子二次电池的二次电池。在下文中，将描述锂离子二次电池。如上所述，电池元件具有正极、负极、隔膜和根据需要的绝缘层。将在下面描述这些构件和电解质的代表性实例。
[1]负极
负极具有这样的结构，其中，例如，负极活性材料通过负极粘合剂粘附至负极集电器，并且负极活性材料作为负极活性材料层被层压在负极集电器上。只要不显著地损害本发明的效果，就可使用能够随着充放电而吸收和解吸锂离子的任何材料作为本实施方式中的负极活性材料。通常，如在正极的情况下一样，还通过在集电器上设置负极活性材料层来构造负极。类似于正极，负极也可以酌情具有其它层。
负极活性材料不受特别限制，只要它是能够吸收和解吸锂离子的材料即可，并且可任意地使用已知的负极活性材料。例如，优选使用诸如焦炭、乙炔黑、中间相微珠、石墨等的碳质材料；锂金属；诸如锂-硅、锂-锡的锂合金；钛酸锂等作为负极活性材料。在这些材料当中，从良好的循环特性和安全性以及优异的连续充电特性的观点来看最优选地使用碳质材料。可以单独使用一种负极活性材料，或者可以以任意组合和比率组合使用两种以上负极活性材料。
此外，负极活性材料的粒径是任意的，只要不显著地损害本发明的效果即可。然而，从初始效率、倍率特性、循环特性等电池特性优异的观点来看，粒径通常为1μm以上，优选地为15μm以上，并且通常为约50μm以下，优选地为约30μm以下。此外，例如，通过用沥青等有机物质涂布上述碳质材料然后将该碳质材料煅烧而获得的材料，或通过使用CVD方法等在表面上形成无定形碳而获得的材料等，也可以用作碳质材料。用于涂布的有机物质的实例包括从软沥青到硬沥青的煤焦油沥青；诸如干馏液化油的煤重油；诸如常压渣油和减压渣油的直馏重油；诸如在原油、石脑油等的热分解时作为副产物制造的分解重油(例如，乙烯重质馏分)的石油重油。将通过使这些重油在200℃至400℃下蒸馏而获得的固体状残渣物粉碎至1μm至100μm的尺寸而得的材料也可被用作有机物质。此外，氯乙烯树脂、酚醛树脂、酰亚胺树脂等也可被用作有机物质。
在本发明的一个实施方式中，负极包含金属和/或金属氧化物以及碳作为负极活性材料。金属的实例包括Li、Al、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La及这些中的两种以上的合金。这些金属或合金可以作为两种以上的混合物使用。此外，这些金属或合金可以含有一种以上非金属元素。
金属氧化物的实例包括硅氧化物、氧化铝、锡氧化物、铟氧化物、氧化锌、氧化锂及它们的复合物。在本实施方式中，优选地含有锡氧化物或硅氧化物作为负极活性材料，并且更优选地含硅氧化物。这是因为硅氧化物是相对稳定的并且几乎不引起与其它化合物的反应。另外，例如，可以将0.1质量％至5质量％的选自氮、硼和硫中的一种以上元素添加到金属氧化物中。以这种方式，能够改善金属氧化物的导电性。另外，可通过利用气相沉积等用碳等导电材料涂布金属或金属氧化物来类似地改善导电性。
碳的实例包括石墨、无定形碳、类金刚石碳、碳纳米管及它们的复合物。高结晶性石墨具有高导电性并且在相对于由诸如铜的金属制成的负极集电器的粘附性和电压平坦性方面优异。另一方面，由于具有低结晶性的无定形碳有相对小的体积膨胀，因此减轻整个负极的体积膨胀的效果高，并且由于诸如晶粒边界和缺陷的不均匀性而导致的劣化几乎不发生。
金属和金属氧化物具有如下特征：接受锂的容量比碳大得多。因此，能够通过使用大量的金属和金属氧化物作为负极活性材料来改善电池的能量密度。为了实现高能量密度，优选的是负极活性材料中的金属和/或金属氧化物的含量比率高。较大量的金属和/或金属氧化物是优选的，因为这增加负极整体的容量。负极中所含的金属和/或金属氧化物的量优选地为负极活性材料的0.01质量％以上，更优选地为0.1质量％以上，并且进一步优选地为1质量％以上。然而，金属和/或金属氧化物与碳相比在吸收和解吸锂时有大体积变化，并且可能失去电连接。因此，负极活性材料中的金属和/或金属氧化物的量为99质量％以下，优选地为90质量％以下，更优选地为80质量％以下。如上所述，负极活性材料是能够随着负极中的充放电而可逆地吸收和解吸锂离子的材料，并且不包括其它粘合剂等。
负极活性材料层例如可以通过将上述负极活性材料进行辊压成形而形成为片电极，或者通过压缩成形而形成为颗粒电极。然而，通常，可通过在集电器上施加涂布液并进行干燥来形成负极活性材料层，其中可以通过将上述负极活性材料、粘合剂(粘合试剂)和根据需要含有的各种助剂与溶剂一起浆化来获得涂布液。
负极粘合剂不受特别限制，并且其实例包括聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物、丁苯共聚物橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、亚克力、丙烯酸、丙烯酸钠、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺等。除了上述之外，还可包括丁苯橡胶(SBR)等。当使用诸如SBR乳液的水性粘合剂时，也可使用诸如羧甲基纤维素(CMC)的增稠剂。从“足够的接合强度”与“高能量”之间的权衡的观点来看，使用的负极粘合剂的量相对于100质量份的负极活性材料优选地为0.5重量份至20质量份。可以混合负极粘合剂并使用。
作为负极集电器的材料，可任意地使用已知的材料，例如，从电化学稳定性的观点来看优选地使用诸如铜、镍、不锈钢、铝、铬、银及其合金的金属材料。其中，从容易加工和成本的观点来看铜是特别优选的。还优选的是负极集电器还预先经受表面粗糙化处理。此外，集电器的形状也是任意的，并且其实例包括箔形状、平板形状和网眼形状。还可以使用诸如拉制金属或冲压金属的穿孔型集电器。
负极可例如通过在负极集电器上形成含有负极活性材料和负极粘合剂的负极活性材料层来制造。用于形成负极活性材料层的方法的实例包括刮刀法、模涂机法、CVD法、溅射法等。在预先形成负极活性材料层之后，可以通过诸如气相沉积、溅射等方法来形成铝、镍或其合金的薄膜以获得负极集电器。
为了减小阻抗，可以将导电助剂材料添加到含有负极活性材料的涂层中。导电助剂材料的实例包括薄片状、煤状、纤维状碳质微粒等，诸如石墨、炭黑、乙炔黑、气相生长的碳纤维(例如，由昭和电工公司制造的VGCF(注册商标))等。
[2]正极
正极是指电池中的高电位侧的电极。作为实例，正极包含能够随着充放电而可逆地吸收和解吸锂离子的正极活性材料，并且具有其中正极活性材料作为利用正极粘合剂进行一体化而得的正极活性材料层而被层压在集电器上的结构。在本发明的一个实施方式中，正极的每单位面积的充电容量为3mAh/cm2以上，优选地为3.5mAh/cm2以上。从安全性等的观点来看，正极的每单位面积的充电容量优选地为15mAh/cm2以下。在这里，每单位面积的充电容量是从活性材料的理论容量计算出的。也就是说，正极的每单位面积的充电容量是通过(用于正极的正极活性材料的理论容量)/(正极的面积)来计算出的。需要注意的是，正极的面积是指正极的一个表面而不是两个表面的面积。
本实施方式中的正极活性材料不受特别限制，只要它是能够吸收和解吸锂的材料即可，并且可从若干观点来选择。从高能量密度的观点来看优选地含高容量化合物。高容量化合物的实例包括镍酸锂(LiNiO2)和通过用其它金属元素部分地置换镍酸锂的Ni而获得的锂镍复合氧化物，并且通过下式(A)表示的层状锂镍复合氧化物是优选的。
LiyNi(1-x)MxO2 (A)
(条件是0≤x＜1，0＜y≤1.2，并且M是选自由Co、Al、Mn、Fe、Ti和B构成的组中的至少一种元素。)
从高容量的观点来看，Ni含量优选地高，或者也就是说，在式(A)中x小于0.5，更优选地为0.4以下。此类化合物的实例包括LiαNiβCoγMnδO2(0<α≤1.2，优选地1≤α≤1.2，β+γ+δ＝1，β≥0.7，并且γ≤0.2)和LiαNiβCoγAlδO2(0<α≤1.2，优选地1≤α≤1.2，β+γ+δ＝1，β≥0.6，优选地β≥0.7，γ≤0.2)，特别是LiNiβCoγMnδO2(0.75≤β≤0.85，0.05≤γ≤0.15，0.10≤δ≤0.20)。更具体地，例如，可优选地使用LiNi0.8Co0.05Mn0.15O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2和LiNi0.8Co0.1Al0.1O2。
从热稳定性的观点来看，还可以在式(A)中Ni含量不超过0.5，或者也就是说，x为0.5以上。还优选的是，特定过渡金属不超过一半。此类化合物的实例包括LiαNiβCoγMnδO2(0<α≤1.2，优选地1≤α≤1.2，β+γ+δ＝1，0.2≤β≤0.5，0.1≤γ≤0.4，0.1≤δ≤0.4)。更具体的实例包括LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2(缩写为NCM433)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(缩写为NCM523)和LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2(缩写为NCM532)(条件是这些化合物包括各过渡金属的含量变化约10％的那些)。
另外，可以将由式(A)表示的两种以上化合物作为混合物使用，例如，还优选使用具有作为混合物的在9:1～1:9(作为典型实例，2:1)范围内的NCM532或NCM523和NCM433。此外，可通过将在式(A)中具有高Ni含量的材料(x为0.4以下)与具有不超过0.5的Ni含量的材料(x为0.5以上，诸如NCM433)混合来形成具有高容量和高热稳定性的电池。
除了上述正极活性材料以外，实例还包括具有层状结构或尖晶石结构的锰酸锂，诸如LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)、Li2MnO3和LixMn1.5Ni0.5O4(0<x<2)；LiCoO2和通过用其它金属来部分地置换这些过渡金属而获得的材料；基于这些锂过渡金属氧化物的化学计量组成具有过量Li的材料；和具有橄榄石结构的材料，诸如LiFePO4。此外，也可使用通过用Al、Fe、P、Ti、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La等部分地置换这些金属氧化物而获得的材料。可以单独使用上述正极活性材料中的一种，或者可组合使用两种以上。
与负极活性材料层类似，正极活性材料层可以例如通过将上述正极活性材料辊压成形而形成为片电极，或者通过压缩成形而形成为颗粒电极。然而，通常，可通过在集电器上施加涂布液并进行干燥来形成正极活性材料层，其中可以通过将上述正极活性材料、粘合剂(粘合试剂)和根据需要含有的各种助剂与溶剂一起浆化来获得涂布液。
作为正极用粘合剂，可使用与负极用粘合剂类似的材料。其中，从通用性和低成本的观点来看聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯是优选的，并且聚偏二氟乙烯是更优选的。从“足够的粘合强度”与“高能量”之间的权衡的观点来看所使用的正极粘合剂的量相对于100质量份的正极活性材料优选地为2重量份至15质量份。
为了减小阻抗，可以将导电助剂材料添加到含有正极活性材料的涂层中。导电助剂材料的实例包括薄片状、煤状、纤维状碳质微粒等，诸如石墨、炭黑、乙炔黑、气相生长的碳纤维(例如，由昭和电工公司制造的VGCF)等。
作为正极集电器，可使用与负极集电器类似的材料。特别地，作为正极，使用铝、铝合金、铁、镍、铬、钼型不锈钢的集电器是优选的。
为了减小阻抗，可以将导电助剂材料添加到含有正极活性材料的正极活性材料层中。导电助剂材料的实例包括石墨、炭黑、乙炔黑等。
[3]绝缘层
绝缘层是多孔的并且具有其中非导电粒子通过粘合剂结合的结构。作为非导电粒子，例如，可使用各种无机粒子、有机粒子和其它粒子。其中，无机氧化物粒子或有机粒子是优选的，特别地，从粒子的高热稳定性的观点来看，更优选使用无机氧化物粒子。
无机粒子的实例包括：诸如氧化铝、硅氧化物、氧化镁、钛氧化物、BaTiO2、ZrO、氧化铝-二氧化硅复合氧化物的无机氧化物粒子；诸如氮化铝和氮化硼的无机氮化物粒子；诸如硅、金刚石等的共价晶体粒子；诸如硫酸钡、氟化钙、氟化钡等的难溶离子晶体粒子；诸如滑石和蒙脱石的粘土细粒子。这些粒子根据需要可以经受元素置换、表面处理、固溶处理等，并且可以单独或以两种以上的组合使用。其中，从电解液中的稳定性和电位稳定性的观点来看无机氧化物粒子是优选的。
非导电粒子的形状不受特别限制，并且可以为球形、针状、棒状、纺锤形、板状等。当非导电粒子的形状为球形时，非导电粒子的平均粒径的范围优选地为0.005μm～10μm，更优选地为0.1μm至5μm，特别优选地为0.3μm至2μm。
当用于形成绝缘层的绝缘层浆料中所含的溶剂为非水溶剂时，可将在非水溶剂中分散或溶解的聚合物用作粘合剂。作为在非水溶剂中分散或溶解的聚合物，聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚六氟丙烯(PHFP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚全氟烷氧基氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺等可用作粘合剂，并且不限于此。此外，还可使用用于将活性材料层粘合的粘合剂。
当绝缘层用浆料中所含的溶剂为水性溶剂(使用水或含有水作为主成分的混合溶剂作为粘合剂的分散介质的溶液)时，可使用在水溶剂中分散或溶解的聚合物作为粘合剂。在水性溶剂中分散或溶解的聚合物包括例如丙烯酸类树脂。作为丙烯酸类树脂，优选使用通过将诸如丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸2-羟乙酯、甲基丙烯酸2-羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙基己酯、丙烯酸丁酯的单体进行聚合而获得的均聚物。丙烯酸类树脂可以是通过将上述单体中的两种以上进行聚合而获得的共聚物。此外，可以将所述均聚物和共聚物中的两种以上混合。除了上面提及的丙烯酸类树脂之外，还可使用诸如丁苯橡胶(SBR)和聚乙烯(PE)的聚烯烃树脂、聚四氟乙烯(PTFE)等。可单独或以两种以上的组合使用这些聚合物。其中，优选使用丙烯酸类树脂。粘合剂的形式不受特别限制，并且可原样使用呈粒子(粉末)形式的粒子，或者可使用以溶液状态或乳液状态制备的那些。可以以不同的形式使用两种以上粘合剂。
根据需要，绝缘层可以包含上述非导电填料和粘合剂以外的材料。此类材料的实例包括能够充当绝缘层浆料用增稠剂的各种聚合物材料。特别地，当使用水性溶剂时，优选含有充当增稠剂的聚合物。作为充当增稠剂的聚合物，优选地使用羧甲基纤维素(CMC)或甲基纤维素(MC)。
尽管不受特别限制，但是非导电填料对整个绝缘层的比率适合地为约70质量％以上(例如，70质量％至99质量％)，优选地为80质量％以上(例如80质量％至99质量％)，并且特别优选地为约90质量％至95质量％。
绝缘层中粘合剂的比率适合地为约1质量％至30质量％以下，优选地为5质量％至20质量％以下。在含有无机填料和粘合剂以外的绝缘层形成组分(例如，增稠剂)的情况下，增稠剂的含量比率优选地为约10质量％以下，更优选地为约7质量％以下。如果粘合剂的比率太小，则绝缘层本身的强度(形状保持性)和对活性材料层的粘附性降低，这可能引起诸如破裂和剥离的缺陷。如果粘合剂的比率太大，则绝缘层的粒子之间的间隙变得不足，并且绝缘层中的离子渗透性在一些情况下可能降低。
为了维持离子传导性，绝缘层的孔隙率(空隙率)(孔体积对表观体积的比率)优选地为20％以上，更优选地为30％以上。然而，如果孔隙率太高，则由于施加至绝缘层的摩擦或冲击而会发生绝缘层脱落或破裂，孔隙率优选地为80％以下，更优选地为70％以下。
可由构成绝缘层的材料的比率、真比重和涂层厚度来计算孔隙率。
绝缘层的厚度优选地为1μm以上且30μm以下，更优选地为2μm以上且15μm以下。
[4]电解液
电解液包括但不特别限于在电池的工作电位下稳定的非水电解液。非水电解液的具体实例包括非质子有机溶剂，诸如：环状碳酸酯，诸如碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸氟亚乙酯(FEC)、碳酸叔二氟亚乙酯(t-DFEC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸亚乙烯基酯(VC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)；链状碳酸酯，诸如碳酸烯丙基甲酯(AMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙基甲基酯(EMC)、碳酸二丙酯(DPC)；碳酸亚丙酯衍生物；脂族羧酸酯，诸如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸乙酯；环状酯，诸如γ-丁内酯(GBL)。可以单独使用非水电解液或者可以组合使用两种以上的混合物。此外，可以使用诸如环丁砜、氟化环丁砜、丙烷磺酸内酯或丙烯磺酸内酯的含有硫的环状化合物。
电解液中所包含的支持盐的具体实例包括但不特别限于诸如LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2的锂盐。支持盐可以单独使用，或者可以组合使用其两种以上。
电解液可以还包含添加剂。添加剂的实例包括但不特别限于卤代环状碳酸酯、不饱和环状碳酸酯、酸酐和环状或链状二磺酸酯。通过添加这些化合物，能够改善诸如循环特性的电池特性。推测这是因为这些添加剂在锂离子二次电池的充放电期间分解以在电极活性材料的表面上形成膜，从而抑制电解液和支持盐的分解。
[5]隔膜
当电池元件10在正极11与负极12之间包含隔膜13时，该隔膜不受特别限制，并且由聚丙烯、聚乙烯、氟类树脂、聚酰胺、芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、纤维素等制成的多孔膜或无纺布，以及以上述材料作为基材将二氧化硅、氧化铝、玻璃等无机物质进行粘附或接合而得的物品，和单独作为无纺布或布从上述材料加工而得的物品可以被用作隔膜。隔膜的厚度可以是任意的。然而，从高能量密度的观点来看，薄隔膜是优选的并且厚度可以为例如10μm至30μm。
[电池使用]
根据本发明的覆膜电池、组合根据本发明的覆膜电池而得的电池组和电池模块可以被进一步串联和/或并联连接。可根据电池组的目标电压和容量来适当地选择电池的串联数和并联数。
[车辆]
上述覆膜电池、电池组和电池模块可被用于车辆。能够使用覆膜电池、电池组和电池模块的车辆的实例包括混合动力电动车辆、燃料电池车辆和电动车辆(四轮车辆(轿车、卡车和公共汽车等商用车辆，轻型车辆等)、摩托车(二轮摩托车和三轮车))。需要注意的是，根据本实施方式的车辆不限于汽车，并且所述电池还可用作用于其它车辆例如电气列车，以及轮船、潜水艇、卫星等移动体的各种电源。作为这样的车辆的实例，图10示出电动车辆的示意图。图10中示出的电动车辆200具有通过串联和并联连接多个上述电池而构造成满足所需要的电压和容量的电池组210。
[蓄电装置]
上述覆膜电池、电池组和电池模块可用于蓄电装置。使用所述二次电池或电池组的蓄电装置的实例包括在供给至普通家庭的商用电源与家用电器等负载之间连接以在停电的情况下用作备用电源或辅助电源的蓄电装置、以及用于大规模蓄电以便将由光伏发电等可再生能源产生的时间变化大的电力输出稳定化的蓄电装置。这样的蓄电装置的实例示意性地示出在图11中。图11中示出的蓄电装置300具有通过串联和并联连接多个上述电池、电池组和电池模块而构造成满足所需的电压和容量的电池组310。
[其它]
此外，上述电池或其电池组可被用作诸如移动电话、笔记本计算机等移动装置的电源。
实施例
接下来，将描述覆膜电池的具体实例。实施方式不限于本描述，并且本领域的技术人员可依照本说明书中的公开内容和技术常识来做出材料和尺寸方面的改变及其它改变。
<覆膜电池的制造>
将正极、负极和隔膜层压以制造厚度为约8mm的电池元件。从电池元件的一个边引出的正极端子和负极端子的长度为约25mm。
使用具有聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙/铝/聚丙烯的四层结构的铝层压膜，实施深拉深加工以形成第一侧壁21b从矩形第一底壁21a的四个边以约60°的角度立起约17mm的形状，使得聚丙烯侧凹入且第一底壁21a略大于电池元件，从而形成外包装体的第一部分21。
类似地，使用具有聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙/铝/聚丙烯的四层结构的铝层压膜，实施深拉深加工以形成第二侧壁22b从矩形第二底壁22a的四个边以约60°的角度立起约8mm的形状，使得聚对苯二甲酸乙二醇酯侧凹入且第二底壁22a略(例如，长宽约3mm至5mm)大于第一底壁21a，从而形成外包装体的第二部分22。
将电池元件10放置在第一部分21的凹部的第一底壁21a上，然后将第二底壁22a放置在电池元件10上，使得第二部分22的凹部面向上。此时，第一侧壁21b和第二侧壁22b的上端的高度基本上相同。
在通过使用夹具来将第一侧壁21b和第二侧壁22b保持在一起的同时，以约8mm的宽度将三个边热熔接。在从未熔接的一边注入电解液之后，将剩余一个边热熔接以完成覆膜电池1。
将覆膜电池堆叠，并且将正极端子和负极端子串联和/或并联连接以制造电池组。此外，通过将电池组收容在壳体中、根据需要设置单体保持弹簧并且根据需要将测量装置或电子电路组合来制造电池模块。
工业适用性
根据本发明的二次电池(覆膜电池、电池组和电池模块)能够用于例如需要电源的任何工业领域和涉及电能的输送、储存和供给的工业领域。具体地说，它可以用于移动装置如移动电话和笔记本计算机的电源；包括电动汽车、混合动力电动汽车、电动摩托车和电动辅助自行车等电动车辆，火车，卫星和潜水艇的移动/运输介质的电源；UPS等备用电源；以及储存由太阳能发电、风力发电等产生的电力的蓄电装置；等。
符号说明
1 覆膜电池
10 电池元件
10a 正极极耳
10b 负极极耳
11 正极
12 负极
21 第一部分
21a 第一底壁
21b 第一侧壁
22 第二部分
22a 第二底壁
22b 第二侧壁
31 正极端子
32 负极端子
41 电池模块
42 模块壳体

Claims (10)

1.一种覆膜电池，包含：
电池元件，包含至少一个正极和至少一个负极；和
外包装体，由被构造成将所述电池元件与电解质一起密封的膜制成，
其中，所述外包装体包含
(a)第一部分，具有第一底壁和第一侧壁，所述第一侧壁遍及所述第一底壁的整个外周端从所述第一底壁的外周端立起；
(b)第二部分，具有第二底壁和第二侧壁，所述第二侧壁在所述第二底面的外周端的至少一部分处从所述外周端立起；和
(c)接合部，其中在所述电池元件位于所述第一底壁与所述第二底壁之间、并且所述第一部分和所述第二部分彼此面对的状态下，所述第一部分和所述第二部分的外周部被彼此接合，其中，所述接合部包含其中所述第一侧壁和所述第二侧壁被接合并且位于所述电池元件的厚度范围之外的侧壁接合部。
2.根据权利要求1所述的覆膜电池，还包含连接至所述电池元件的正极端子和负极端子，并且
其中，所述正极端子和所述负极端子中的至少一者通过所述侧壁接合部被从所述外包装体中引出。
3.根据权利要求1或2所述的覆膜电池，其中，所述第二侧壁遍及所述第二底壁的整个外周端从所述外周端立起。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的覆膜电池，其中，所述第一底壁和所述第二底壁在俯视下具有矩形形状。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的覆膜电池，其中，所述第一部分和所述第二部分由不同的膜形成。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的覆膜电池，其中，所述第一部分和所述第二部分由单个膜形成。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的覆膜电池，其中，所述膜是具有金属层和层压在所述金属层上的热熔性树脂层的层压膜。
8.一种电池组，其中：
多个根据权利要求1至7中的任一项所述的覆膜电池被堆叠并串联和/或并联连接。
9.一种电池模块，其中，根据权利要求8所述的电池组被收容在模块壳体中。
10.一种制造覆膜电池的方法，所述方法包括：
将正极和负极布置成彼此面对以构造电池元件；
将所述电池元件封装入外包装体中；和
将电解液注入到所述外包装体中，
其中，所述外包装体包含
(a)第一部分，具有第一底壁和第一侧壁，所述第一侧壁遍及所述第一底壁的整个外周端从所述第一底壁的外周端立起；
(b)第二部分，具有第二底壁和第二侧壁，所述第二侧壁在所述第二底面的外周端的至少一部分处从所述外周端立起；和
(c)接合部，其中在所述电池元件位于所述第一底壁与所述第二底壁之间、并且所述第一部分和所述第二部分彼此面对的状态下，所述第一部分和所述第二部分的外周部被彼此接合，并且
其中，所述接合部包含其中所述第一侧壁和所述第二侧壁被接合并且位于所述电池元件的厚度范围之外的侧壁接合部。
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