CN111566837A - 二次电池 - Google Patents

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李炳国
李炳九
金餐培
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Abstract

公开了一种二次电池。本发明具有形成于顶盖和第一垫圈紧密接触的区域中的绝缘层，并且该绝缘层可以包含陶瓷材料和粘合剂，使得在外部导电物体与圆柱形二次电池的正极和负极直接电连接的情况下，该二次电池的电极片能够尽可能快地断开连接。

Description

二次电池
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月5日提交的韩国专利申请No.10-2018-0065057的优先权的权益，其全部内容通过参引并入于此。
技术领域
本发明涉及一种二次电池，更具体地涉及一种具有能够解决因外部短路而可能发生的安全性问题的结构的二次电池。
背景技术
随着对电子设备的需求和技术发展的加快，对用于向电子设备供应能量的二次电池的需求也在增加。特别地，已经对具有比现有锂离子二次电池的能量密度和放电电压更高的能量密度和放电电压的锂离子二次电池进行了许多研究。
根据结构特征或制造特征，二次电池可以被分类为：圆柱形或方形二次电池和袋型二次电池，圆柱形或方形二次电池具有下述结构：包括电极和隔板的电极组件被容纳在圆柱形或方形金属壳中，袋型二次电池具有下述结构：在电极组件被容纳在包含铝的袋型箱中。其中，圆柱形二次电池的优点在于其具有相对较大的容量并且结构稳定。
然而，在包括圆柱形二次电池的二次电池的情况下，二次电池在使用期间可能暴露于各种类型的危险中。在这种情况下，可能会发生诸如二次电池的着火或爆炸之类的问题。为了防止上述问题的发生，二次电池通常设置有用于提高二次电池的安全性的各种构件。
用于提高二次电池的安全性的构件可以例如包括压接垫圈和电流中断装置(current interrupt device，CID)垫圈，该压接垫圈被设置在形成于电池罐的上部部分中的压接部与顶盖或安全排气装置之间以将二次电池的内部空间相对于外部进行密封，该电池罐构成二次电池的主体，CID垫圈设置于安全排气装置与电流中断装置(CID)滤波器之间。
当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，必须尽可能快地切断二次电池的电极片。然而，根据现有技术，当二次电池的正极和负极通过外部导电物体彼此直接电连接时，存在以下问题：通过断开电极片来切断电流需要大量时间。
发明内容
技术问题
本发明要解决的目的在于，当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，通过尽可能快地断开电极片来快速切断电流。
技术方案
根据本发明的用于实现上述目的的一个方面，公开了一种二次电池，该二次电池包括：电池壳，该电池壳容纳电极组件并且具有上侧敞开的结构；顶盖，该顶盖设置在电池壳的上部部分上；安全排气装置，该安全排气装置设置在顶盖的下方；电流中断装置(CID)滤波器，该电流中断装置(CID)滤波器设置在安全排气装置的下方；第一垫圈，该第一垫圈设置在电池壳的上部部分的内表面上，并且紧密地附接至安全排气装置的侧部部分以使安全排气装置与电池壳的上部部分隔离；以及第二垫圈，该第二垫圈设置在安全排气装置与CID滤波器之间，并且该第二垫圈紧密地附接至CID滤波器的上部部分以围绕CID滤波器的外端部，该第二垫圈紧密地附接至安全排气装置的下部部分，其中，在顶盖和第一垫圈彼此紧密地附接的区域上形成有绝缘层。
绝缘层可以包含陶瓷材料和粘合剂。
陶瓷材料可以包括氧化铝或氧化硅。
粘合剂的含量可以为基于绝缘层的总重量的20wt％至90wt％。
绝缘层的厚度与顶盖的厚度的比率的范围可以为0.015至0.15。
电池壳的上部部分上可以形成有压接部，该压接部具有完全地或部分地呈S形弯折的结构，并且第一垫圈可以紧密地附接至该压接部的内表面。
绝缘层可以形成于顶盖的顶表面上的位于第一垫圈的内部区域中以及压接部的上端部与顶盖之间的区域上。
绝缘层的厚度可以为0.015mm至0.045mm。
顶盖的厚度可以为0.3mm至1.0mm。
有利效果
根据本发明，当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，可以尽可能快地断开二次电池的电极片以快速切断电流。
附图说明
图1是图示了根据本发明的第一实例的二次电池的上部结构的横截面图。
图2是图示了根据本发明的第二实例的二次电池的上部结构的横截面图。
图3是图示了根据本发明的二次电池的第一垫圈的结构的横截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图对根据本发明的二次电池的结构进行描述。
二次电池
图1是图示了根据本发明的第一实例的二次电池的上部结构的横截面图，并且图2是图示了根据本发明的第二实例的二次电池的上部结构的横截面图。
如图1和图2中所图示的，根据本发明的二次电池10可以包括容纳电极组件(未示出)的电池壳100。电池壳100可以具有上侧敞开的结构。电池壳100可以具有圆柱形形状。也就是说，根据本发明的二次电池可以是圆柱形二次电池。
如图1和图2中所图示的，在电池壳100的上部部分中可以形成有具有呈S形弯折的结构的压接部110。在此，表述“压接部110具有呈S形弯折的结构”意指：压接部110具有向电池壳的外部突出的至少一个区域以及向电池壳的内部突出的至少一个区域。例如，如图1和图2中所图示的，压接部110的上部部分可以向电池壳100的外部突出，并且压接部110的下部部分可以向电池壳100的内部突出。
在电池壳100的上部部分上可以布置有顶盖200。顶盖200可以是用于对电池壳100的敞开的上部部分进行密封的组成部件。
在顶盖200的下方可以设置有安全排气装置300。安全排气装置300可以是用于在二次电池的内部压力超过预定范围时将二次电池内的气体排出的组成部件。为此，在安全排气装置300中可以形成有凹口310，该凹口310的厚度小于安全排气装置300的其他部分中的每个其他部分的厚度。在下文中，在本说明书中，形成于安全排气装置300中的凹口将被称为“第一凹口310”。当二次电池的内部压力超过预定范围时，安全排气装置300的第一凹口310可以断裂以将二次电池内的气体排出。因此，可以防止由于二次电池的内部压力的增加而引起的爆炸。
如图1中所图示的，安全排气装置300可以紧密地附接至顶盖200的下部部分。此处，如图1中所图示的，安全排气装置300的端部可以向上弯折并且然后再向电池壳的内部弯折，使得安全排气装置300的该端部包围顶盖200的外周部分。在另一方面，如图2中所图示的，安全排气装置300可以具有下述结构：安全排气装置300的端部仅向上弯折一次以包围顶盖200的侧表面。
在安全排气装置300的下方可以设置有电流中断装置(CID)滤波器400。安全排气装置300的一部分区域和CID滤波器400的一部分区域可以彼此紧密地附接或彼此粘附。例如，如图1和图2中所图示的，安全排气装置300的中央部分和CID滤波器400的中央部分可以彼此紧密地附接或彼此粘附。安全排气装置300和CID滤波器400可以在除了安全排气装置300和CID滤波器彼此紧密地附接或彼此粘附的区域之外彼此间隔开。
CID滤波器400可以是被配置为在紧急情况下切断二次电池的电流的组成部件。为此，在CID滤波器400中可以形成有凹口410，该凹口410的厚度小于CID滤波器400的其他部分中的每个其他部分的厚度。在下文中，在本说明书中，形成于CID滤波器400中的凹口将被称为“第二凹口410”。当二次电池的内部压力超过预定范围时，CID滤波器400可以断裂以切断二次电池的电流。特别地，当形成第二凹口410时，CID滤波器400可以在第二凹口410处断裂。因此，可以防止由于二次电池的内部压力的增加而引起的爆炸。
如上面所描述的，顶盖和安全排气装置可以设置在电池壳的上部部分中。然而，电池壳的内部空间的密封性可能会如以往那样恶化。当密封性恶化时，二次电池内的电解质可能泄漏到外部，并且外部异物可能被引入到二次电池中。
因此，为了改善电池壳的内部空间的密封性，可以在电池壳100的上部部分上另外地设置有垫圈500。垫圈500可以被布置在电池壳的上部部分的内表面上。当压接部110形成于电池壳100的上部部分中时，垫圈500可以紧密地附接至压接部110的内表面。如上面所描述的，当安全排气装置300具有向上弯折并且然后再向电池壳的内部弯折的结构时，垫圈500可以布置在压接部110与安全排气装置之间，并且垫圈500可以紧密地附接至安全排气装置的外部部分。在下文中，布置于电池壳100的上部部分上的垫圈500将被称为“第一垫圈”。可以设置第一垫圈500来进一步改善电池壳的内部空间的密封性。
如上面所描述的，安全排气装置300的所述一部分区域和CID滤波器400的所述一部分区域可以彼此紧密地附接或彼此粘附，并且安全排气装置300和CID滤波器400的其他区域可以彼此间隔开。此外，在安全排气装置300与CID滤波器400之间可以设置有垫圈600，使得将安全排气装置300和CID滤波器400彼此间隔开的区域保持为彼此间隔开。在下文中，设置于安全排气装置300和CID滤波器400上的垫圈600将被称为“第二垫圈”。可以设置第二垫圈600来将安全排气装置300和CID滤波器400彼此间隔开的区域保持处于间隔开的状态。
继续参照图1和图2，在根据本发明的二次电池中，在顶盖200和第一垫圈500彼此紧密附接的区域上可以形成有绝缘层700。更优选地，绝缘层700可以粘附至顶盖200的顶表面上的顶盖200和第一垫圈500彼此紧密地附接的区域(参见图2中的虚线)。例如，绝缘层700可以以喷射(spray injection)方式形成在顶盖200的顶表面上。替代性地，绝缘层700可以以将形成绝缘层的材料施加并压制至顶盖200的顶表面的涂覆方式形成，或者以由喷嘴来注射用于形成绝缘层的材料以使其通过喷嘴到达顶盖200的顶表面的方式形成。
绝缘层700可以包含陶瓷材料和粘合剂(binder)。陶瓷材料可以包含氧化铝或氧化硅。
当二次电池的正极和负极通过外部导电物体彼此电连接时，在过量的电流流过的同时在二次电池中产生热量。在这种情况下，为了安全起见，优选的是，通过断开二次电池的电极片来切断流过二次电池的电流。
在此，当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，必须尽可能快地切断二次电池的电极片。然而，根据现有技术，当二次电池的正极和负极通过外部导电物体彼此直接电连接时，存在以下问题：通过断开电极片来切断电流需要大量时间。
根据本发明的绝缘层可以是用于解决花费大量时间来断开电极片的问题的组成部件。也就是说，作为由本发明的发明人进行的实验的结果，在一定条件下在顶盖的顶表面上形成有包含陶瓷材料和粘合剂的单独的绝缘层的情况下，当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，可以显著减少通过断开电极片来切断电流所花费的时间。
由于本发明的绝缘层700包含陶瓷材料以及粘合剂，因此与以其他方式利用陶瓷材料形成绝缘层时相比可以形成具有较大厚度的绝缘层。
例如，可以使用蒸发作为将陶瓷材料施加至顶盖的方法。然而，当以蒸发的方式将陶瓷材料施加至顶盖以形成绝缘层时，绝缘层的厚度可能受到限制。也就是说，当以蒸发的方式将陶瓷材料施加至顶盖以形成绝缘层时，如果绝缘层的厚度增加，则绝缘层可能由于陶瓷材料之间的粘附力的恶化而脱层。因此，绝缘层的厚度会受到限制。在此，当绝缘层的厚度减小时，在二次电池中所产生的热量、特别是在电极片电连接至CID滤波器的二次电池中所产生的热量可以容易地散逸。如上面所描述的，当二次电池的上部部分中所产生的热量散逸时，由于电极片的温度不会迅速升高，因此通过断开电极片来切断电流可能会花费相当多的时间。
然而，如上面所描述的，由于根据本发明的绝缘层不仅包含陶瓷材料而且包含粘合剂，因此可以通过粘合剂提高陶瓷材料之间的粘合力。因此，即使在顶盖上形成有厚度较厚的绝缘层，也可以保持绝缘层的形状，以防止在二次电池的上部部分中所产生的热量散逸到外部。因此，根据本发明，当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，电极片可以快速断开。
当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，如果电极片没有快速断开，则二次电池的整体温度可能急剧增加。这会导致二次电池的爆炸或起火。
然而，根据本发明，当在顶盖上形成绝缘层使得电极片快速断开时，可以切断二次电池的电流以防止二次电池的温度急剧增加。也就是说，根据本发明，在形成电极片的空间中可以引起局部温度升高，以使电极片快速断开并且防止二次电池的温度急剧增加。
根据本发明的绝缘层的粘合剂可以包括有机粘合剂。如上面所描述的，绝缘层可以通过以喷射方式进行的涂敷而形成。当粘合剂包括有机粘合剂时，由于形成绝缘层的材料在利用喷射方式的涂覆步骤中保持处于液相，因此利用喷射方式进行的涂敷可以顺利地进行。
此外，基于绝缘层的总重量，根据本发明的绝缘层中含有的粘合剂的含量可以为20wt％(重量百分比)至90wt％、优选地30wt％至70wt％、更优选地40wt％至50wt％。当粘合剂的含量小于基于绝缘层的总重量的20wt％时，陶瓷材料之间的粘合可能不会顺利地进行。在另一方面，当粘合剂的含量超过基于绝缘层的总重量的90wt％时，由于陶瓷材料的量过少，因此二次电池的上部部分中所产生的热量可以散逸到外部。因此，电极片可能不会快速断开。
如图1中所图示的，绝缘层700可以形成在第一垫圈500的内部区域I(参见图3)中的压接部110的上部部分的端部(即，压接部的从压接部的上部部分向电池壳的内部弯折的部分)与顶盖200之间。因此，即使第一垫圈500熔化，也可以实现防止电池壳100和安全排气装置300彼此直接接触的效果。
当绝缘层700形成于顶盖200的顶表面上时，绝缘层700的厚度与顶盖200的厚度的比率的范围可以为0.015至0.15。当绝缘层700的厚度与顶盖200的厚度的比率小于0.015时，由于绝缘层的厚度过小，因此二次电池的上部部分中所产生的热量可以顺畅地散逸到外部。因此，当外部导电物体直接电连接至圆柱形二次电池的正极和负极时，电极片可能不会迅速断开。在另一方面，绝缘层700的厚度与顶盖200的厚度的比率超过0.15，由于绝缘层的厚度过大，因此二次电池的可组装性特别是顶盖的可组装性可能会恶化，并且二次电池可能变形。更优选地，绝缘层700的厚度与顶盖200的厚度的比率的范围可以为0.021至0.064。
特别地，绝缘层700的厚度可以为0.015mm至0.045mm。此外，顶盖200的厚度可以为0.3mm至1.0mm。
实施例1
将二氧化硅(SiO2)、有机粘合剂和无机粘合剂添加到溶剂异丙醇(isopropylalcohol)和二丙二醇单甲醚(dipropyleneglycol monomethyl ether)，以制备用于形成绝缘层的组合物。基于用于形成绝缘层的该组合物的总重量，二氧化硅的含量为20wt％，有机粘合剂的含量为10wt％，并且无机粘合剂的含量为20wt％。
以下述涂敷方式进行涂敷：将如上所述制备的用于形成绝缘层的组合物施加并压制至圆柱形电池壳的顶盖的边缘，以形成厚度为0.020mm的绝缘层。
此处，在顶盖的下方设置有安全排气装置，并且在该安全排气装置的下方设置有CID滤波器。安全排气装置的中央部分和CID滤波器的中央部分彼此粘附，并且安全排气装置的外周部分和CID滤波器的外周部分通过第二垫圈彼此间隔开。第二垫圈紧密地附接至安全排气装置的底表面和CID滤波器的顶表面。顶盖的厚度为0.7mm，并且安全排气装置的厚度为0.3mm。
顶盖被布置在电池壳的容纳电极组件的上部部分中，从而制造用第一垫圈密封的圆柱形二次电池。
实施例2
除了形成于顶盖的顶表面上的绝缘层的厚度为0.025mm之外，圆柱形二次电池以与实施例1相同的方式来制造。
实施例3
除了形成于顶盖的顶表面上的绝缘层的厚度为0.030mm之外，圆柱形二次电池以与实施例1相同的方式来制造。
实施例4
除了形成于顶盖的顶表面上的绝缘层的厚度为0.035mm之外，圆柱形二次电池以与实施例1相同的方式来制造。
实施例5
除了形成于顶盖的顶表面上的绝缘层的厚度为0.040mm之外，圆柱形二次电池以与实施例1相同的方式来制造。
比较实例
除了在顶盖的顶面上不形成绝缘层之外，圆柱形二次电池以与实施例1相同的方式来制造。
实验实例1
在根据实施例和比较实例的二次电池的正极和负极通过利用电阻为15.0mΩ的电路而彼此电连接之后，对切断电流所花费的时间进行测量。测量结果如下。
[表1]
Figure BDA0002547788470000091
与比较实例相比，在实施例的情况下，已证实，切断二次电池的电流所花费的时间显著减少。例如，与比较实例相比，在实施例5的情况下，已证实，切断二次电池的电流所花费的时间显著减少至约40％。特别地，根据实验实例1，已证实，切断电流所花费的时间随着绝缘层变厚而减少。
实验实例2
在根据实施例2和比较实例的二次电池的正极和负极通过利用电阻为15.0mΩ的电路而彼此电连接之后，通过利用附接至二次电池的主体的热电偶在切断电流的时间点对二次电池的温度进行测量。测量结果如下。
[表2]
Figure BDA0002547788470000101
与比较实例相比，在实施例2的情况下，已证实，在切断二次电池的电流的时间点，二次电池的温度显著降低。也就是说，已证实，在与根据比较实例的二次电池的温度进行比较时，在电流被切断的时间点，根据实施例2的二次电池的温度显著降低至约70％。

Claims (9)

1.一种二次电池，包括：
电池壳，所述电池壳容纳电极组件，并且具有上侧敞开的结构；
顶盖，所述顶盖设置在所述电池壳的上部部分上；
安全排气装置，所述安全排气装置设置在所述顶盖的下方；
电流中断装置(CID)滤波器，所述电流中断装置滤波器设置在所述安全排气装置的下方；
第一垫圈，所述第一垫圈设置在所述电池壳的所述上部部分的内表面上，并且紧密地附接至所述安全排气装置的侧部部分以使所述安全排气装置与所述电池壳的所述上部部分隔离；以及
第二垫圈，所述第二垫圈设置在所述安全排气装置与所述电流中断装置滤波器之间，所述第二垫圈紧密地附接至所述电流中断装置滤波器的上部部分以围绕所述电流中断装置滤波器的外端部，并且所述第二垫圈紧密地附接至所述安全排气装置的下部部分，
其中在所述顶盖和所述第一垫圈彼此紧密地附接的区域上形成有绝缘层，并且
所述绝缘层包含陶瓷材料和粘合剂。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述粘合剂包括有机粘合剂。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述陶瓷材料包括氧化铝或氧化硅。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述粘合剂的含量为基于所述绝缘层的总重量的20wt％至90wt％。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述绝缘层的厚度与所述顶盖的厚度的比率的范围为0.015至0.15。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中在所述电池壳的所述上部部分上形成有压接部，所述压接部具有完全地或部分地呈S形弯折的结构，并且
所述第一垫圈紧密地附接至所述压接部的内表面。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述绝缘层形成于所述顶盖的顶表面上的位于所述第一垫圈的内部区域中并且在所述压接部的上端部与所述顶盖之间的区域上。
8.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述绝缘层的厚度为0.015mm至0.045mm。
9.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述顶盖的厚度为0.3mm至1.0mm。
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