CN112703630B - 具有重叠注塑的玻璃馈通件的圆柱形电池单元 - Google Patents

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Abstract

所公开的技术涉及用于圆柱形电池单元的电馈通件。该电气馈通件可包括：环形通道，该环形通道具有外侧壁、内侧壁和基部；绝缘体，该绝缘体由玻璃形成并且具有重叠注塑部分；和销，该销延伸穿过该绝缘体并且被构造成形成外部电池端子。该绝缘体粘结到该环形通道的该内侧壁和该环形通道的该基部的一部分。该重叠注塑部分防止一组电极与该电极馈通件之间的电接触。

Description

具有重叠注塑的玻璃馈通件的圆柱形电池单元
优先权
本申请要求2018年12月6日提交的名称为“CYLINDRICAL BATTERY CELL WITHOVERMOLDED GLASS FEEDTHROUGH,”的美国专利申请序列号16/211,433的权益，该美国专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求2018年9月6日提交的名称为“CYLINDRICAL BATTERY CELLWITH OVERMOLDED GLASS FEEDTHROUGH”的美国临时专利申请序列号62/727,778的权益，这些专利申请中的每一篇全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及圆柱形电池单元，并且更具体地，涉及具有重叠注塑的玻璃馈通件的圆柱形电池单元。
背景技术
电池单元被用来为各式各样的便携式电子设备供电，所述便携式电子设备包括膝上型计算机、平板电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)、数字音乐播放器，手表和可穿戴设备。常用的电池类型是锂电池，其可包括锂离子或锂聚合物电池。
锂电池通常包括由阳极电极和阴极电极的交替层制成的电池，在该交替层之间设置了分隔物。这些层可被封装在圆柱形壳体中。电池的阳极电极可电耦接到壳体的壁，其中壳体本身由导电材料制成。然而，阴极电极可能需要电馈通件以使得能够通过壳体与阴极电极电连接。此外，电馈通件必须将与阴极电极的电连接与壳体绝缘，以防止电池单元短路。包封电极的壳体可填充有电解质，从而需要电馈通件还提供气密密封以防止不希望的泄漏或故障。
圆柱形电池单元的常规馈通件可利用压接操作来将馈通件附接到壳体。然而，此类压接操作可能需要壳体上的额外空间以容纳压接件并确保适当密封，从而降低封装效率。
发明内容
所公开的实施方案提供了一种电池单元，该电池单元利用重叠注塑的玻璃馈通件来防止电极与该馈通件的电接触或短路。该电池单元包括一组卷绕层，该组卷绕层包括阴极层、阳极层和设置在该阴极层与该阳极层之间的分隔物层。该组层包封在圆柱形壳体内，该圆柱形壳体具有用于接收馈通件的开口。该馈通件包括：环形通道，该环形通道具有外侧壁、内侧壁和基部；绝缘体，该绝缘体由玻璃形成；和销，该销延伸穿过该绝缘体。该绝缘体粘结到该环形通道的该内侧壁和该环形通道的该基部的一部分。该绝缘体还包括在该环形通道的基部与该组层之间延伸的重叠注塑部分。该重叠注塑部分被构造成防止该组层与该环形通道之间的电接触。该销电耦接到该组层以形成外部电池端子。
在一些实施方案中，电池馈通件包括环形通道、绝缘体和销。该环形通道可包括外侧壁、内侧壁和基部。该绝缘体可由玻璃形成，并且粘结到该环形通道的该内侧壁和该环形通道的该基部的一部分。该绝缘体还包括从该环形通道的基部延伸的重叠注塑部分。该销被构造成形成外部电池端子。
在一些实施方案中，公开了一种用于制造电池单元的方法。该方法包括通过开口将一组层插入圆柱形壳体内。该组层包括阴极层、阳极层和设置在该阴极层与该阳极层之间的分隔物层。该方法还包括将从该组层延伸的突片焊接到销，该销电耦接到该组层以形成外部电池端子。该方法还包括将突片折叠在圆柱形壳体内以及将馈通件设置在圆柱形壳体的开口内。该馈通件包括环形通道，该环形通道具有外侧壁、内侧壁和基部。该馈通件还包括由玻璃形成的绝缘体，该绝缘体粘结到该环形通道的该内侧壁和该环形通道的该基部的一部分。该绝缘体包括从该环形通道的基部延伸的重叠注塑部分。该重叠注塑部分被构造成防止该组层与该环形通道之间的电接触。该馈通件还包括延伸穿过绝缘体的销。
附图说明
通过参考以下结合了附图的描述可更好地理解本文的实施方案，其中类似的附图标号表示功能相同或类似的元件。应当理解这些附图仅示出了本公开的示例性实施方案，并且因此不被视为是对本公开范围的限制，因此将通过使用附图以另外的特定性和细节来描述和解释本文的原理，其中：
图1A示出了常规圆柱形电池单元的透视图；
图1B示出了常规圆柱形电池单元的横截面视图；
图2示出了根据本主题技术的各个方面的具有重叠注塑的玻璃馈通件的圆柱形电池单元的横截面视图；
图3示出了根据本主题技术的各个方面的具有重叠注塑的玻璃馈通件的圆柱形电池单元的详细横截面视图；
图4示出了根据本主题技术的各个方面的组装电池单元的横截面视图；
图5示出了根据本主题技术的各个方面的便携式电子设备；并且
图6示出了根据本主题技术的各个方面的用于制造电池单元的示例性方法。
具体实施方式
下面详细讨论本公开的各种实施方案。虽然讨论的是具体实施方式，但应当理解这仅仅为了说明目的而进行。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的实质和范围的情况下可以使用其他部件和配置。
用于便携式电子设备的可再充电电池通常包括由阳极电极和阴极电极的交替层制成的电池，在所述交替层之间设置了分隔物。所述交替层可封装在壳体中，并且可利用电馈通件来通过壳体与阴极电极进行电连接。包封电极的壳体可填充有电解质，从而需要馈通件气密地密封壳体以防止不希望的泄漏或故障。此外，电馈通件必须将电连接与壳体绝缘，以防止电池单元短路。
圆柱形电池单元的常规馈通件可利用压接操作来将馈通件附接到壳体。然而，此类压接操作需要壳体上的额外空间以容纳压接件并确保适当密封，从而降低封装效率。因此，需要在小型或薄圆柱形电池单元中使用的紧凑且稳固的馈通件的某些实施方案，该馈通件改善封装效率并增加能量容量。
所公开的技术通过利用玻璃馈通件(其利用重叠注塑件将馈通件与电极绝缘)来解决圆柱形电池单元的常规馈通件的前述限制，从而通过消除对压接操作和相关联部件的需要来改善封装效率并增加能量容量。
图1A和1B示出了常规圆柱形电池单元100的视图。常规圆柱形电池单元100利用压接操作在馈通件处形成压接件110。压接件110需要使用插入件120，该插入件形成用于压接操作的机械止动件，并且在压接时，在电池单元100的壳体与馈通件之间形成密封。如图1B所示，插入件120和与成功的压接操作相关联的其他部件导致一组层或凝胶卷结构与电池单元100的端部之间具有距离H1。具体地，为了将壳体的侧壁充分地压接至插入件120，压接件110周围必须有足够的区域来允许执行压接操作。
图2示出了根据本主题技术的各个方面的具有重叠注塑的玻璃馈通件的圆柱形电池单元200的横截面视图。电池单元200包括具有第一开口270的圆柱形壳体210、包封在圆柱形壳体210内的一组卷绕层250以及馈通件220。壳体210可由刚性材料诸如金属合金形成，该金属合金可例如包括不锈钢、铝、铝合金或本领域普通技术人员已知的其他足够刚性的材料。壳体210可在壳体210的内部具有非腐蚀性涂覆线，并且被构造成包封和保护设置在壳体内的一组或多组电极或层。壳体210可具有圆柱形、立方体形、棱柱形、圆锥形或棱锥形。在一个方面，壳体210可从管材中提取以形成具有第一开口270和第二开口280的圆筒。在其他方面，壳体210可具有与第一开口270相对的闭合端。第一开口270和/或第二开口280可各自被构造成接收馈通件220。
该组卷绕层250可包括至少一个具有活性涂覆物的阴极层、分隔物和至少一个具有活性涂覆物的阳极层，如下文参考图4所讨论的。突片(如图3所示)可从阳极层和/或阴极层延伸，如下文进一步讨论的。
馈通件220可包括环形通道230、绝缘体240和销260。馈通件220被构造成将该组层250密封在壳体210内，并且经由销260提供与该组层250的阳极层或阴极层的电连接。馈通件220可设置在第一开口270内并且粘结、胶合、焊接或联接到壳体210。如图2所示，馈通件220通过利用粘结、胶合、焊接或联接操作消除了对压接操作的需要，并且利用重叠注塑的绝缘体240来防止环形通道230与该组层250之间的无意电接触。因此，当与图1B的常规电池单元100相比时，该组层250(例如，凝胶卷结构)与电池单元200的端部之间的距离H2减小，从而通过消除对压接操作和相关联部件的需要来改善封装效率并增加能量容量。
图3示出了根据本主题技术的各个方面的具有重叠注塑的玻璃馈通件220的圆柱形电池单元200的详细横截面视图。馈通件220的环形通道230包括外侧壁、内侧壁和基部。环形通道230的外侧壁接触壳体210的对应侧壁，并且在粘结、胶合、焊接或联接操作之后，在馈通件220与壳体210之间形成气密密封。例如，可通过将环形通道230的外侧壁焊接到壳体210的侧壁来将环形通道230沿周边焊接到壳体210的开口270。环形通道230可由刚性材料制成，并且还可由足以用于焊接到壳体210的材料制成。例如，如果壳体210由不锈钢材料形成，则环形通道230也可由不锈钢材料形成，以允许环形通道230和壳体210进行焊接。
绝缘体240由电绝缘材料诸如玻璃形成，并且包括重叠注塑部分242以防止该组层的阴极254或阳极256与环形通道230之间的电接触。绝缘体240可粘结到环形通道230的内侧壁和环形通道230的基部的一部分。绝缘体240也粘结到销260并且围绕销260。绝缘体240的重叠注塑部分242在环形通道230的基部与该组层的分隔物252之间延伸。如上所述，重叠注塑部分242防止该组层与环形通道230之间的电接触。
销260延伸穿过绝缘体240并且电耦接到该组层的阴极254或阳极256以形成外部电池端子。销可包括金属或合金或能够导电的材料诸如钼。在一个方面，销260可点焊到从该组层的阴极254或阳极256延伸的突片258。突片258可从开口270延伸以有利于点焊操作到销260。当耦接到从该组层延伸的突片258时，来自阴极254或阳极256的电能例如通过突片258并且到达销260，从而为电池单元200提供外部端子。在焊接之后，突片258可被构造成存放或折叠在壳体210内，在馈通件220近侧，并且更具体地，在环形通道230近侧。绝缘体240的重叠注塑部分242被进一步构造成防止突片258的折叠部与环形通道230之间的电接触。例如，通过延伸重叠注塑部分242的直径以径向延伸超过突片258的折叠部，防止了突片258的折叠部和环形通道230之间的电接触。
在一些方面，电池单元200还可包括设置在第二开口280处的第二馈通件(如图2所示)。第二开口280可与第一开口270相对设置。第二馈通件可包括与馈通件220相同的部件，这些相同的部件可包括第二环形通道(类似于环形通道230)、第二绝缘体(类似于绝缘体240)和第二销(类似于销260)。第二馈通件被构造成电耦接该组层的阴极254或阳极256以形成第二外部电池端子。
图4示出了根据本主题技术的各个方面的组装电池400的横截面视图。该组装电池400包括电池单元200、壳体210、馈通件220、电池管理单元410和电池端子420。电池管理单元410被配置为管理电池单元200的再充电。端子420被构造成与便携式电子设备上的对应连接器接合，以向便携式电子设备的部件提供电力。
电池单元200包括多个层250，该多个层包括具有活性涂覆物的阴极254、分隔物252和具有活性涂覆物的阳极256。例如，阴极254可以是涂覆有锂化合物(例如，LiCoO2、LiNCoMn、LiCoAl或LiMn2O4)的铝箔，阳极256可以是涂覆有碳或石墨的铜箔。例如，分隔物252可包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和/或PE与PP的组合，诸如PE/PP或PP/PE/PP。分隔物252包括也提供“热关闭”机制的微多孔薄膜。如果电池单元达到这些材料的熔点，则孔关闭，这防止离子流过薄膜。
多个层250可卷绕以形成凝胶卷结构，或者可堆叠以形成堆叠单元结构。多个层250包封在壳体210内并且浸入电解质430中，该电解质例如可为可包含碳酸亚乙酯(EC)、聚碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)或碳酸二甲酯(DMC)的基于LiPF6的电解质。该电解质还可包含添加剂，诸如碳酸乙烯酯(VC)或聚苯乙烯(PS)。该电解质另外可为溶液或凝胶的形式。
多个层250中的阳极层256可耦接到壳体210，或者可经由从阳极层256延伸的第二突片(未示出)耦接到第二馈通件。多个层250中的阴极层254可耦接到第一突片258，该第一突片可包括从每个阴极层254延伸的中间突片440。第一突片258和第二突片从多个层250延伸，以用于根据需要与其他电池单元、电池管理单元410或其他部件电连接。
图5示出了根据本主题技术的各个方面的便携式电子设备500。上述可再充电电池200一般可用于任何类型的电子设备中。例如，图5示出了便携式电子设备500，其包括均由电池200供电的处理器502、储存器504和显示器506。便携式电子设备500可对应于膝上型计算机、平板电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)、数字音乐播放器、手表、可穿戴设备和/或其他类型的由电池供电的电子设备。电池200可对应于包括一个或多个电池单元的电池组。每个电池单元可包括密封在壳体中的一组层(其包括具有活性涂覆物的阴极、分隔物、具有活性涂覆物的阳极)，并且利用电馈通件，该电馈通件通过经由实施具有重叠注塑的绝缘体240的馈通件220防止意外或无意的电力短缺来最大化封装效率并提高可靠性，如上所述。
图6示出了根据本主题技术的各个方面的用于制造电池单元的示例性方法600。应当理解，对于本文所讨论的任何方法，除非另外指明，可以在各种实施方案的范围内，以相似的或另选的或平行的顺序，执行另外的、更少的、另选的步骤。
在操作610处，通过壳体中的开口将一组层插入圆柱形壳体内。该组层包括阴极层、阳极层和设置在该阴极层与该阳极层之间的分隔物层。在操作620处，将从该组层延伸的突片焊接到馈通件的销。该销电耦接到该组层以形成外部电池端子。在操作630处，将突片折叠在圆柱形壳体内。在操作640处，将馈通件设置在圆柱形壳体的开口内。如上所述，该馈通件包括环形通道，该环形通道具有外侧壁、内侧壁和基部。该馈通件还包括由玻璃形成的绝缘体，该绝缘体粘结到该环形通道的该内侧壁和该环形通道的该基部的一部分。该绝缘体还包括重叠注塑部分，该重叠注塑部分从环形通道的基部延伸，以防止该组层与环形通道之间的电接触，以及防止突片与环形通道之间的电接触。该馈通件还包括销，其中该销延伸穿过绝缘体。
在操作650处，通过开口的周边将环形通道的外侧壁焊接到圆柱形壳体来将馈通件焊接到圆柱形壳体。在操作660处，用电解质填充圆柱形壳体。
方法600还可包括将第二馈通件设置在圆柱形壳体的第二开口内。第二馈通件可包括第二环形通道，该第二环形通道包括外侧壁、内侧壁和基部。该第二馈通件还可包括由玻璃形成的第二绝缘体，该第二绝缘体粘结到第二环形通道的内侧壁和第二环形通道的基部的一部分。该第二绝缘体还包括重叠注塑部分，该重叠注塑部分从第二环形通道的基部延伸，以防止该组层与第二环形通道之间的电接触，以及防止从该组层延伸的第二突片与第二环形通道之间的电接触。该第二馈通件还包括延伸穿过第二绝缘体的第二销，该第二销电耦接到该组层以形成第二外部电池端子。在一个方面，该第二销可经由焊接操作联接到第二突片，如上文相对于操作620所讨论的。
方法600还可包括沿第二开口的周边将第二环形通道的外侧壁焊接到圆柱形壳体，从而在圆柱形壳体的第二开口处形成气密密封。
虽然使用多种示例和其他信息来解释所附权利要求的范围内的方面，但不应基于此类示例中的特定特征或布置来暗示权利要求的限制，因为普通技术人员将能够使用这些示例来延伸出多种具体实施。尽管以特定于结构特征和/或方法步骤的示例的语言对主题进行了描述，但应当理解，所附权利要求中限定的主题并不一定限于所描述的特定特征或行为。例如，此类功能性可在除本文所标识的部件之外的部件中以不同方式分布或执行。相反，所描述的特征和步骤被公开为所附权利要求书范围内的系统和方法的部件的示例。

Claims (14)

1.一种电池单元，包括：
一组卷绕层，所述一组卷绕层包括阴极层、阳极层和设置在所述阴极层与所述阳极层之间的分隔物层；
圆柱形壳体，所述圆柱形壳体包封所述一组卷绕层，所述壳体包括用于接收馈通件的第一开口，所述馈通件包括：
环形通道，所述环形通道包括外侧壁、内侧壁和基部；
绝缘体，所述绝缘体由玻璃形成，所述绝缘体粘结到所述环形通道的所述内侧壁和所述环形通道的所述基部的一部分，所述绝缘体还包括在所述环形通道的所述基部与所述一组层之间延伸的重叠注塑部分，所述重叠注塑部分被构造成防止所述一组层与所述环形通道之间的电接触；和
销，所述销延伸穿过所述绝缘体，所述销电耦接到所述一组层以形成外部电池端子。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述环形通道的所述外侧壁沿所述第一开口的周边焊接到所述壳体。
3.根据权利要求1所述的电池单元，还包括从所述一组层延伸的突片，其中所述销在所述第一开口近侧焊接到所述突片。
4.根据权利要求3所述的电池单元，其中所述突片包括在所述环形通道近侧的折叠部，并且其中所述绝缘体防止所述突片的所述折叠部与所述环形通道之间的电接触。
5.根据权利要求4所述的电池单元，其中所述绝缘体的所述重叠注塑部分具有径向延伸超过所述突片的所述折叠部的直径。
6.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述圆柱形壳体还包括与所述第一开口相对设置的第二开口，所述第二开口被构造成接收第二馈通件，所述第二馈通件包括：
第二环形通道，所述第二环形通道包括外侧壁、内侧壁和基部；
第二绝缘体，所述第二绝缘体由玻璃形成，所述第二绝缘体粘结到所述第二环形通道的所述内侧壁和所述第二环形通道的所述基部的一部分，所述第二绝缘体还包括在所述第二环形通道的所述基部与所述一组层之间延伸的重叠注塑部分，所述重叠注塑部分被构造成防止所述一组层与所述第二环形通道之间的电接触；和
第二销，所述第二销延伸穿过所述第二绝缘体，所述第二销电耦接到所述一组层以形成第二外部电池端子。
7.根据权利要求6所述的电池单元，其中所述第二环形通道的所述外侧壁沿所述第二开口的周边焊接到所述壳体。
8.一种电池馈通件，包括：
环形通道，所述环形通道包括外侧壁、内侧壁和基部；
绝缘体，所述绝缘体由玻璃形成，所述绝缘体粘结到所述环形通道的所述内侧壁和所述环形通道的所述基部的一部分，并且所述绝缘体还包括从所述环形通道的所述基部延伸的重叠注塑部分；和
销，所述销延伸穿过所述绝缘体，所述销被构造成形成外部电池端子。
9.根据权利要求8所述的电池馈通件，其中所述环形通道的所述外侧壁被构造成沿电池单元壳体的周边焊接到所述壳体。
10.根据权利要求8所述的电池馈通件，其中所述环形通道的材料包括不锈钢。
11.根据权利要求8所述的电池馈通件，其中所述销的材料包括钼。
12.一种用于制造电池单元的方法，所述方法包括：
通过开口将一组层插入圆柱形壳体内，所述一组层包括阴极层、阳极层和设置在所述阴极层与所述阳极层之间的分隔物层；
将从所述一组层延伸的突片焊接到销，所述销电耦接到所述一组层以形成外部电池端子；
将所述突片折叠在所述圆柱形壳体内；
将根据权利要求8所述的电池馈通件设置在所述圆柱形壳体的所述开口内。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括将第二馈通件设置在所述圆柱形壳体的第二开口内，所述第二馈通件包括：
第二环形通道，所述第二环形通道包括外侧壁、内侧壁和基部；
第二绝缘体，所述第二绝缘体由玻璃形成，所述第二绝缘体粘结到所述第二环形通道的所述内侧壁和所述第二环形通道的所述基部的一部分，所述第二绝缘体还包括从所述第二环形通道的所述基部延伸的重叠注塑部分，所述重叠注塑部分被构造成防止所述一组层与所述第二环形通道之间的电接触；和
第二销，所述第二销延伸穿过所述第二绝缘体，所述第二销电耦接到所述一组层以形成第二外部电池端子。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括沿所述第二开口的周边将所述第二环形通道的所述外侧壁焊接到所述圆柱形壳体。
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