CN111819714B - 圆柱形锂离子二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例涉及一种圆柱形锂离子二次电池。所要解决的技术问题是提供一种圆柱形锂离子二次电池，该圆柱形锂离子二次电池被设计为使得形成安全排气孔并且同时或之后可以将过量金属引导到与安全排气孔相邻的弯曲部分，从而增强罐底板的平坦度并且减少对安全排气孔的损坏。为此，本发明提供了一种圆柱形锂离子二次电池，该圆柱形锂离子二次电池包括：圆柱形罐；电极组件，被容纳在圆柱形罐中；以及盖组件，用于密封圆柱形罐，其中，圆柱形罐包括圆形底板部分、从底板部分朝向电极组件弯曲的弯曲部分以及形成在弯曲部分上的安全排气孔。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及一种圆柱形锂离子二次电池。
背景技术
锂离子二次电池由于各种优点(包括高操作电压、每单位重量的高能量密度等)而正被广泛用于便携式电子装置和混合动力汽车或电动车辆的电源中。
锂离子二次电池可以大体上被分类为圆柱形二次电池、棱柱形二次电池、袋形二次电池。特别地，圆柱形锂离子二次电池通常包括圆柱形电极组件、结合到电极组件的圆柱形罐、注入到罐中以允许锂离子的移动的电解质以及结合到罐的一侧以防止电解质的泄漏和电极组件的分离的盖组件。
在本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对所描述的技术的背景的理解，因此它可能包含不构成对本领域普通技术人员而言在本国已知的现有技术的信息。
发明内容
技术问题
本发明的实施例提供了一种圆柱形锂离子二次电池，该圆柱形锂离子二次电池被设计为使得形成安全排气孔并且同时或之后可以将过量金属引导到与安全排气孔相邻的弯曲部分，从而增强罐底板的平坦度并且减少对安全排气孔的损坏。
技术方案
提供了一种本发明的圆柱形锂离子二次电池实施例，该圆柱形锂离子二次电池包括：圆柱形罐；电极组件，被容纳在圆柱形罐中；以及盖组件，用于密封圆柱形罐，其中，圆柱形罐包括圆形底板部分、从底板部分朝向电极组件弯曲的弯曲部分以及形成在弯曲部分上的安全排气孔。
弯曲部分和安全排气孔可以具有圆环形形状。
弯曲部分可以包括从底板部分朝向电极组件弯曲的一对弯曲部和将所述一对弯曲部连接的平坦部，安全排气孔可以包括从平坦部朝向电极组件倾斜的一对倾斜部和将所述一对倾斜部连接的平面部。
弯曲部分可以具有从0.1mm至0.15mm的范围的深度，安全排气孔可以具有范围从0.05mm至0.2mm的厚度。
弯曲部分可以具有从0.1mm至0.13mm的范围的深度，安全排气孔可以具有从0.075mm至0.105mm的范围的厚度。
安全排气孔可以具有从0.49mm3至0.31mm3的范围的体积，弯曲部分可以具有从0.3mm3至0.75mm3的范围的体积。
在100℃至300℃的温度下熔化的树脂板可以附着到弯曲部分以覆盖安全排气孔。
空间可以被提供在安全排气孔与树脂板之间。
在100℃至300℃的温度下熔化的树脂层可以涂覆在安全排气孔上。
有益效果
如上所述，本发明的实施例提供了一种圆柱形锂离子二次电池，该圆柱形锂离子二次电池被设计为使得形成安全排气孔并且同时或之后可以将过量金属引导到与安全排气孔相邻的弯曲部分，从而增强罐底板的平坦度并减少对安全排气孔的损坏。也就是说，在本发明的实施例中，除了安全排气孔之外，在罐底板上进一步形成从罐底板朝向电极组件弯曲的弯曲部分，因此在形成安全排气孔时被推开的过量金属可以移动到弯曲部分，从而增强罐底板的平坦度。如上所述，如果罐底板的平坦度增强，则可以在后续工艺(诸如卷边工艺和压接工艺)中减小尺寸误差。因此，总体降低了由于二次电池的尺寸分布引起的不良。
另外，根据本发明的实施例，可以增强罐底板的平坦度，从而减小焊接到罐底板的接线片的焊接强度的分布。这会引起在电池制造工艺中的元件的焊接和布置过程中的尺寸稳定性，从而减少各种不良因素。
另外，根据本发明的实施例，可以通过将树脂板附着到弯曲部分的表面来覆盖安全排气孔，或者可以在安全排气孔的表面上直接涂覆树脂层，从而在形成安全排气孔时防止安全排气孔的暴露于涂层外部的表面被氧化或损坏。当二次电池的温度升高至超过预定温度时，树脂板或树脂层可以熔化，从而不会阻碍安全排气孔的操作。
附图说明
图1a、图1b和图1c是根据实施例的圆柱形锂离子二次电池的透视图、剖视图和分解透视图。
图2a是示出根据实施例的圆柱形锂离子二次电池中的圆柱形罐的底板部分的仰视图，图2b是沿着图2a的线2b-2b截取的剖视图，图2c是示出区域2c的放大剖视图。
图3是示出根据另一实施例的圆柱形锂离子二次电池中的圆柱形罐的倒置的底板部分的局部放大剖视图。
图4是示出根据另一实施例的圆柱形锂离子二次电池中的圆柱形罐的倒置的底板部分的局部放大剖视图。
图5是示出在根据实施例的圆柱形锂离子二次电池中破裂压力与形成在圆柱形罐的底板部分上的安全排气孔的厚度之间的关系的曲线图。
图6a是示出在根据实施例的圆柱形锂离子二次电池中形成在圆柱形罐的底板部分上的弯曲部分的深度与安全排气孔的厚度之间的关系的图，图6b是示出安全排气孔的相对于安全排气孔的厚度的体积变化的曲线图，图6c是示出弯曲部分的相对于弯曲部分的深度的体积变化的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明的示例实施例。
本发明的各种实施例可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于在此所阐述的示例实施例。相反，发明的这些示例性实施例被提供使得本发明将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员传达发明的发明构思。
另外，在附图中，为了简洁和清楚，夸大了各种组件的尺寸或厚度。同样的附图标记始终指同样的元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或更多个的任何组合和所有组合。另外，将理解的是，当元件A被称为“连接到”元件B时，元件A可以直接连接到元件B，或者可以存在中间元件C并且元件A和元件B彼此间接连接。
在此所使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不旨在成为发明的限制。如在此所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也旨在包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”或“包括”和/或它们的变型时，说明存在所陈述的特征、数量、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或更多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
将理解的是，尽管术语第一、第二等可以在此用于描述各种构件、元件、区域、层和/或部分，但是这些构件、元件、区域、层和/或部分不应该被这些术语限制。这些术语仅用于将一个构件、元件、区域、层和/或部分与另一构件、元件、区域、层和/或部分区分开。因此，例如，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一构件、第一元件、第一区域、第一层和/或第一部分可以被称为第二构件、第二元件、第二区域、第二层和/或第二部分。
为了易于描述，在此可以使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等空间相对术语来描述如图中所示的一个元件或特征与另一(其它)元件或特征的关系。将理解的是，空间相对术语旨在涵盖在使用或操作中的元件或特征的除了图中所描绘的方位之外的不同方位。例如，如果图中的元件或特征被翻转，则被描述为“在”其它元件或特征“下方”或“之下”的元件将被定位为“在”其它元件或特征“上”或“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以涵盖上方和下方两种方位。
图1a、图1b和图1c是根据实施例的圆柱形锂离子二次电池的透视图、剖视图和分解透视图。
如图1a至图1c所示，根据实施例的圆柱形锂离子二次电池100可以包括圆柱形罐110、电极组件120和盖组件140。另外，圆柱形锂离子二次电池100还可以包括结合到电极组件120的中心销130。
圆柱形罐110可以包括圆形底板部分111和从底板部分111向上延伸预定长度的侧部部分112。在制造二次电池的过程中，圆柱形罐110的顶部部分可以是敞开的。因此，在二次电池的组装期间，电极组件120和中心销130可以与电解质一起插入到圆柱形罐110中。圆柱形罐110可以由例如钢、镀镍钢、不锈钢、铝或铝合金制成，但是本发明的实施例不限于此。圆柱形罐110可以包括形成在盖组件140的下部部分以防止盖组件140偏离到外部的向内凹陷的卷边部113以及形成在盖组件140的上部部分处的向内弯曲的压接部114。
同时，圆柱形罐110可以在其底板部分上包括从底板部分111朝向电极组件120弯曲的弯曲部分1110以及形成在弯曲部分1110上且比形成在弯曲部分1110上的底板部分111薄的安全排气孔1120。弯曲部分1110使过量的金属能够被引导到与安全排气孔1120相邻的弯曲部分1110，从而增强底板部分111的平坦度并且减少安全排气孔1120的损坏或开裂。安全排气孔1120在圆柱形罐110的内部压力异常升高时断裂，然后使内部气体排出。稍后将进一步详细描述弯曲部分1110和安全排气孔1120。
电极组件120可以被容纳在圆柱形罐110中。电极组件120可以包括涂覆有负电极活性物质(例如，石墨或碳)的负电极板121、涂覆有正电极活性物质(例如，诸如LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4的过渡金属氧化物)的正电极板122以及位于负电极板121与正电极板122之间以防止电短路并仅允许锂离子的移动的隔膜123。负电极板121、正电极板122和隔膜123可以卷绕成大致圆柱形形状。在示例实施例中，负电极板121可以由铜(Cu)箔制成，正电极板122可以由铝(Al)箔制成，隔膜123可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但是本发明的实施例不限于此。另外，向下突出并以预定长度延伸的负电极接线片124可以焊接到负电极板121，以预定长度向上突出的正电极接线片125可以焊接到正电极板122，反之亦然。另外，负电极接线片124可以由镍(Ni)制成，正电极接线片125可以由铝(Al)制成，但是本发明的实施例不限于此。
另外，电极组件120的负电极接线片124可以焊接到圆柱形罐110的底板部分111，并且圆柱形罐110可以用作负电极。相反地，正电极接线片125可以焊接到圆柱形罐110的底板部分111，并且圆柱形罐110可以用作正电极。
第一绝缘板126可以置于电极组件120与底板部分111之间，第一绝缘板126结合到圆柱形罐110并且具有形成在其中心部分处的第一孔126a和形成在其外侧处的第二孔126b。第一绝缘板126可以防止电极组件120电接触圆柱形罐110的底板部分111。特别地，第一绝缘板126可以防止电极组件120的正电极板122电接触底板部分111。在示例实施例中，当由于例如二次电池中的异常而产生大量气体时，第一孔126a可以允许气体通过中心销130快速向上移动，第二孔126b可以允许负电极接线片124穿过其以被焊接到底板部分111。
第二绝缘板127可以置于电极组件120与底板部分111之间，第二绝缘板127结合到圆柱形罐110并且具有形成在其中心部分处的第一孔127a和形成在其外侧处的多个第二孔127b。第二绝缘板127可以防止电极组件120电接触盖组件140。特别地，第二绝缘板127可以防止电极组件120的负电极板121电接触盖组件140。在示例实施例中，当由于例如二次电池中的异常而产生大量气体时，第一孔127a可以允许气体快速移动到盖组件140，第二孔127b可以允许正电极接线片125穿过其以焊接到盖组件140。在电解质注入工艺中，第二孔127b可以允许电解质快速地流入电极组件120中。
另外，第一绝缘板126的第一孔127a的直径和第二绝缘板127的第一孔127a的直径可以比中心销130的直径小，因此可以防止中心销130由于例如外部冲击而电接触圆柱形罐110的底板部分111或盖组件140。
中心销130可以是中空圆柱形管的形状，并且可以结合到电极组件120的大致中心部分。中心销130可以由例如钢、不锈钢、铝、铝合金或聚对苯二甲酸丁二醇酯制成，但是本发明的实施例不限于此。中心销130可以防止电极组件120在二次电池的充电或放电期间变形，并可以用作气体移动的路径。
盖组件140可以包括具有多个通孔141a的上盖141、形成在上盖141下的安全板142、安装在安全板142下的绝缘板143、安装在绝缘板143下并具有第一通孔144a和第二通孔144b的下盖144、固定在下盖144的底表面上并电连接到正电极接线片125的子板145以及使上盖141、安全板142、绝缘板143、下盖144与圆柱形罐110的侧部部分112绝缘的绝缘垫圈146。在示例实施例中，绝缘垫圈146可以被压缩在形成在圆柱形罐110的侧部部分112上的卷边部113与压接部114之间。当在圆柱形罐110中产生异常内部压力时，形成在上盖141和下盖144中的通孔141a、144a和144b可以将内部气体排放到圆柱形罐110的外部。内部压力可以使安全板142向上反转并且与子板145电分离。然后，安全板142可以破裂，并且内部气体可以被排放到罐110的外部。
另外，电解质(未示出)可以注入到圆柱形罐110中，因此在电池的充电和放电期间，通过负电极板121和正电极板122中的电化学反应生成的锂离子可以移动。电解质可以是包括锂盐和高纯度有机溶剂的混合物的非水有机电解质。另外，电解质可以是例如使用例如包括固体电解质的聚合物，但是本发明的实施例不限于此。
图2a是示出根据实施例的圆柱形锂离子二次电池100中的圆柱形罐110的底板部分111的仰视图，图2b是沿着图2a的线2b-2b截取的剖视图，图2c是示出区域2c的放大剖视图。
如图2a至图2c中所示，圆柱形罐110可以包括大致圆形的底板部分111、从底板部分111朝向电极组件120弯曲的弯曲部分1110以及形成在弯曲部分1110上的安全排气孔1120。
在一些示例中，弯曲部分1110和定位在弯曲部分1110内部的安全排气孔1120可以具有大致圆环形形状。
底板部分111可以具有大致平坦的第一表面111a和与第一表面111a背对的大致平坦的第二表面111b。在示例实施例中，第一表面111a与第二表面111b之间的距离可以被定义为底板部分111的厚度。
弯曲部分1110可以包括从底板部分111朝向电极组件120弯曲的一对弯曲部1111和将一对弯曲部1111连接的平坦部1112。在示例实施例中，每个弯曲部1111也可以具有大致弯曲的第一表面1111a和与第一表面1111a背对的大致弯曲的第二表面1111b。另外，第一表面1111a与第二表面1111b之间的距离可以被定义为弯曲部1111的厚度。
平坦部1112也可以具有大致平坦的第一表面1112a和与第一表面1112a背对的大致平坦的第二表面1112b。在示例实施例中，第一表面1112a与第二表面1112b之间的距离可以被定义为平坦部1112的厚度。另外，底板部分111和弯曲部分1110(包括弯曲部1111和平坦部1112)可以具有相同的厚度。然而，在弯曲部分1110中，平坦部1112的第二表面1112b可以定位在底板部分111的第一表面111a和第二表面111b之间，或者可以定位为比底板部分111的第一表面111a高。另外，在弯曲部分1110中，平坦部1112的第二表面1112b可以定位为比底板部分111的第二表面111b高。
安全排气孔1120可以包括从弯曲部分1110的平坦部1112朝向电极组件倾斜的一对倾斜部1121和将一对倾斜部1121连接的平面部1122。也就是说，安全排气孔1120的倾斜部1121形成为从平坦部1112的第二表面1112b向上倾斜，安全排气孔1120的平面部1122定位在平坦部1112的第一表面1112a和第二表面1112b之间。在示例实施例中，安全排气孔1120的厚度可以由平面部1122与平坦部1112的第一表面1112a之间的距离限定。
以这样的方式，在根据实施例的弯曲部分1110和安全排气孔1120中，当使用模具形成弯曲部分1110和安全排气孔1120时，从安全排气孔1120去除的金属的量被弯曲部分1110吸收，从而避免底板部分111的翘曲。也就是说，当形成安全排气孔1120的倾斜部1121和平面部1122时，过量金属可以被推到相邻区域，并且被推的过量金属可以被弯曲部分1110吸收，从而保持底板部分111的平坦度。这里，如果安全排气孔1120的深度相对大，则弯曲部分1110也可以具有相对大的深度。另外，安全排气孔1120的深度相对小，弯曲部分1110也可以具有相对小的深度。
图3是示出根据另一实施例的圆柱形锂离子二次电池100中的圆柱形罐110的倒置的底板部分111的局部放大剖视图。
如图3中所示，在例如约100℃至约300℃的温度下熔化的树脂板1130可以附着到弯曲部分1110的平坦部1112(即，平坦部1112的第二表面1112b)以覆盖安全排气孔1120，但是本发明的实施例不限于此。在一些示例中，树脂板1130可以包括聚丙烯、聚乙烯或聚对苯二甲酸酯。在一些示例中，树脂板1130可以具有大致圆环形形状。另外，在一些示例中，由于树脂板1130形成为大致平坦的，所以可以在安全排气孔1120与树脂板1130之间提供空间。
以这种方式，树脂板1130在二次电池100的操作温度(例如，0℃至70℃)下保护安全排气孔1120(例如，抑制在安全排气孔1120处产生锈)。然而，如果二次电池100的操作温度超过约100℃，则树脂板1130熔化，因此安全排气孔1120的操作不会被阻碍。
图4是示出根据另一实施例的圆柱形锂离子二次电池100中的圆柱形罐110的倒置的底板部分111的局部放大剖视图。
如图4中所示，在例如约100℃至约300℃的温度下熔化的树脂层1140可以涂覆在安全排气孔1120上，即，涂覆在倾斜部1121和平面部1122上，但是本发明的实施例不限于此。在一些示例中，树脂层1140可以包括聚丙烯、聚乙烯或聚对苯二甲酸酯。通常，如果使用模具形成安全排气孔1120，则定位在安全排气孔1120的表面上的镀镍被去除以将钢暴露在外部，导致安全排气孔1120的表面生锈。
然而，如上所述，可以通过在安全排气孔1120的表面上形成具有约1μm至约100μm的厚度的树脂层1140来防止生锈。另外，树脂层1140在二次电池100的操作温度下保护安全排气孔1120，但是如果二次电池100的操作温度超过约100℃，则树脂层1140被熔化，因此不会阻碍安全排气孔1120的操作。
图5是示出在根据实施例的圆柱形锂离子二次电池100中，破裂压力与形成在圆柱形罐110的底板部分111上的安全排气孔1120的厚度之间的关系的曲线图。在图5中，X轴(横轴)指示安全排气孔1120的厚度，Y轴(纵轴)指示安全排气孔1120的破裂压力。
如图5中所示，当安全排气孔1120的厚度是约60μm时，破裂压力是约30Kgf/cm2。当安全排气孔1120的厚度是约80μm时，破裂压力是约35Kgf/cm2。当安全排气孔1120的厚度是约100μm时，破裂压力是约50Kgf/cm2。当安全排气孔1120的厚度是约140μm时，破裂压力是约100Kgf/cm2。也就是说，随着安全排气孔1120的厚度增大，破裂压力增大。然而，当安全排气孔1120的厚度是45μm或更小时，安全排气孔1120在制造工艺中会由于其相对小的厚度而开裂。当安全排气孔1120具有70μm或更小的厚度时，存在安全排气孔1120开裂的可能性。当安全排气孔1120具有75μm或更大的厚度时，安全排气孔1120足够厚，并且不存在安全排气孔1120开裂的风险。
因此，期望安全排气孔1120具有从约75μm至约105μm的范围的厚度。然而，二次电池100的破裂压力应该被控制在约30Kgf/cm2至约150Kgf/cm2的范围内。因此，安全排气孔1120的厚度可以被控制在约50μm至约200μm的范围内。
图6a是示出在根据实施例的圆柱形锂离子二次电池100中形成在圆柱形罐110的底板部分111上的弯曲部分1110的深度与安全排气孔1120的厚度之间的关系的图，图6b是示出安全排气孔1120的相对于安全排气孔1120的厚度的体积变化的图，图6c是示出弯曲部分1110的相对于弯曲部分1110的深度的体积变化的图。在图6b中，X轴(横轴)指示安全排气孔1120的厚度，Y轴(纵轴)指示安全排气孔1120的空间体积。在图6c中，X轴(横轴)指示弯曲部分1110的深度，Y轴(纵轴)指示弯曲部分1110的空间体积。
如图6a中所示，弯曲部分1110的深度可以被定义为底板部分111的第二表面1111b与弯曲部分1110的平坦部1112的第一表面1112a之间的距离，安全排气孔1120的厚度可以被定义为安全排气孔1120的平面部1122与弯曲部分1110的平坦部1112的第一表面1112a之间的距离。
如图6b中所示，当安全排气孔1120的厚度从约0.05mm变化(增加)到约0.20mm时，安全排气孔1120的空间体积(空间容积)从约0.49mm3变化(减小)到约0.31mm3。实验结果表明，安全排气孔1120的厚度可以被控制在约0.05mm至约0.20mm的范围内，安全排气孔1120的最佳厚度可以在从约0.075mm至约0.105mm的范围内。如果安全排气孔1120的厚度小于约0.05mm，则在制造工艺期间会发生开裂。如果安全排气孔1120的厚度大于约0.20mm，则破裂压力会变得非常高。
如图6c中所示，当弯曲部分1110的深度从约0.05mm变化(增加)到约0.14mm时，弯曲部分1110的空间体积从约0.08mm3变化(减小)到约0.59mm3。实验结果表明，弯曲部分1110的深度可以被控制在从约0.10mm至约0.15mm的范围内，弯曲部分1110的最佳深度可以在从约0.10mm至约0.13mm的范围。如果弯曲部分1110的深度小于约0.10mm，则在制造工艺期间对从安全排气孔1120去除的金属的吸收率会是低的，并且平坦度会降低。如果弯曲部分1110的深度大于约0.15mm，则罐110的内部体积会被过度减小。
尽管已经描述了前述实施例以实践本发明的二次电池，但是这些实施例是出于说明性的目的而被阐述的，并且不用于限制本发明。本领域技术人员将容易理解的是，在不脱离如所附权利要求书中限定的发明的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化，并且这些修改和变化涵盖在本发明的范围和精神内。
Claims (9)
1.一种圆柱形锂离子二次电池，所述圆柱形锂离子二次电池包括：
圆柱形罐；
电极组件，被容纳在圆柱形罐中；以及
盖组件，用于密封圆柱形罐，
其中，圆柱形罐包括圆形底板部分、从底板部分朝向电极组件弯曲的弯曲部分以及形成在弯曲部分上的安全排气孔，底板部分与弯曲部分具有相同的厚度，并且弯曲部分具有从0.1mm至0.15mm的范围的深度。
2.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，弯曲部分和安全排气孔具有圆环形形状。
3.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，弯曲部分包括从底板部分朝向电极组件弯曲的一对弯曲部和将所述一对弯曲部连接的平坦部，安全排气孔包括从平坦部朝向电极组件倾斜的一对倾斜部和将所述一对倾斜部连接的平面部。
4.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，安全排气孔具有从0.05mm至0.2mm的范围的厚度。
5.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，弯曲部分具有从0.1mm至0.13mm的范围的深度，安全排气孔具有从0.075mm至0.105mm的范围的厚度。
6.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，安全排气孔具有从0.49mm3至0.31mm3的范围的体积，弯曲部分具有从0.3mm3至0.75mm3的范围的体积。
7.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，在100℃至300℃的温度下熔化的树脂板附着到弯曲部分以覆盖安全排气孔。
8.根据权利要求7所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，在安全排气孔与树脂板之间提供有空间。
9.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，在100℃至300℃的温度下熔化的树脂层涂覆在安全排气孔上。
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