CN113924684A - 电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池(100，200)，其包括：设计为形成壳腔(117)的壳体(119，201)；放置在壳腔(117)内并且包括一个或多个单元(120)的堆叠型电极组件(113)，每个单元都包括正极(103)、负极(104)、电解质以及位于正极和负极(103，104)之间的分隔件(102)；用于将组件(113)保持在一起的保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)，其特征在于，所述一个或多个单元(120)的至少每个负极(104)包括一个或多个凹部(110)，这些凹部沿着组件(113)的高度竖向对齐，以便为保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)构造基本平坦的接触表面(116)。本发明还涉及所述组件(113)自身。
Description
技术领域
本发明涉及电源系统，更具体地涉及可以用作电源的电池，尤其是用于穿戴式电子设备的电池。本发明具体涉及一种电池，该电池包括：设计为形成壳腔的壳体；堆叠型电极组件，该堆叠型电极组件放置在壳腔内并且包括一个或多个单元，每个单元都包括正极、负极、电解质以及位于正极和负极之间的分隔件；和用于将组件保持在一起的保持装置。
背景技术
便携式和可佩戴式电子装置方面的最新研发需要最小化的电源系统，即能够提供高容积能量和功率密度的电池。电极堆垛是一种能够有效地满足此类应用的要求的合适设计。包括正极和负极堆垛的堆叠型电池在本领域中是已知的。在正极和负极之间设置分隔件以防止短路，同时允许从一个半电池到另一个半电池的充分离子传导性。这种包括堆叠型电极的组件的电池例如在专利US 3907599 B1、专利公报EP 2610945 A1或专利公报EP3139434 A1中被公开。堆叠型电极的组件经由分别从正极和负极突出的接触片连接到外部电路。
在设计具有这些堆叠型电极的电池时，本领域技术人员面临的问题是如何最大限度地利用可用容积以优化电池的整体功率密度，除其他方面外，他或她需要考虑电极的尺寸和形状、接线片的设计、电极与接线片之间的接触方式的设计以及电极包装的设计。所有上述考虑还必须考虑到所设计电池的整个制造过程必须尽可能简单且具有成本效益。
传统上，包装带被应用在电极堆垛周围以将单个电极和分隔件保持在一起。然而，现有技术电池的设计在包装带的翼片与电极的边缘之间提供的接触表面积小，从而导致较差的包装紧密度和电极之间的层叠对齐。这些因素降低了电池性能的品质，并且在组装过程中需要更高的精度。缺乏包装紧密度和堆垛对齐会导致电池本身内的容积浪费，从而限制了其整体能量密度。
此外，不规则折叠的翼片留下的大空间使电极堆垛能够在施加外力时靠着金属壳体移动。因此，在电池的运输和/或使用期间，电极堆垛的移动增加了缺陷和功能故障的风险。
因此，需要能够克服上述缺点的替代电池设计。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种电池，该电池包括：设计成形成壳腔的壳体；堆叠型电极组件，其放置在壳腔内并且包括一个或多个单元，每个单元都包括正极、负极、电解质以及位于正极和负极之间的分隔件；和用于将组件保持在一起的保持装置。根据本发明，一个或多个单元的至少每个负极包括一个或多个凹部，这些凹部沿组件的高度竖向对齐，以便为保持装置构造基本平坦的接触表面。
在本发明的一个实施例中，壳体由金属制成并包括正极侧部、负极侧部和垫圈。
在本发明的另一实施例中，保持装置的形式为胶带、粘合胶、夹持件或其组合。
在本发明的再另一实施例中，保持装置包括橡胶基材料、丙烯酸基材料、硅酮基材料或其组合。
在本发明的再另一实施例中，电池包括包装带，该包装带包括放置在组件与壳体之间的基部。
在本发明的又一实施例中，保持装置包括与基部成一体的至少一个包装翼片。在一个实施例中，基部和包装翼片独立地包括由以下材料制成的基材：聚酯、聚烯烃、聚酰亚胺、含氟聚合物、乙烯基聚合物、苯乙烯聚合物、玻璃纤维基的基材、纤维素基材料、其衍生物或其组合。
在本发明的另一实施例中，至少一个包装翼片包括面向组件的粘合剂层。
在本发明的另一实施例中，包装带是绝缘包装带，以避免组件与壳体之间的电接触。
在本发明的再另一实施例中，每个负极具有比一个或多个单元的每个正极大的表面，并且仅一个或多个单元中的每个负极包括至少一个凹部。
在本发明的另一实施例中，每个正极包括阴极接片，并且每个负极包括阳极接片，阴极接片被焊接在一起形成正极焊接接头，并且阳极接片被焊接在一起以形成负极焊接接头，正极焊接接头朝向壳体的正极侧部大致竖直地折叠，并且负极焊接接头朝向壳体的负极侧部大致竖直地折叠。
在本发明的又一实施例中，基部和包装翼片为单件式。
在本发明的又一实施例中，包装带包括至少两个包装翼片，所述至少两个包装翼片从绝缘体基部的两侧优选对称地延伸。
在本发明的又一实施例中，电池还包括接触片，该接触片放置在包装带和与所述绝缘包装带相邻的正极金属壳体之间，所述接触片布置为引导一个或多个单元与正极侧部之间的接触。
在本发明的又一实施例中，电池是纽扣电池。
在又一方面，本发明涉及一种堆叠型电极组件，该组件包括：一个或多个单元，每个单元都包括正极、负极和位于正极与负极之间的分隔件；用于将组件保持在一起的保持装置，其特征在于，一个或多个单元的至少每个负极包括一个或多个凹部，这些凹部沿着组件的高度竖向地对齐，以便为保持装置设计基本平坦的接触表面。
在又一方面，本发明涉及一种生产如上所述的电池的方法，该方法包括以下步骤：
a)通过在正极与负极之间放置分隔件来将它们交替地堆叠在一起以形成堆叠型电极组件；
b)对堆叠型电极组件施加保持装置，以保持堆叠型电极永久紧密并相互对齐；
c)用电解质填充在步骤b)中获得的堆叠型电极组件；
d)将在步骤c)中获得的堆叠型电极的组件放入壳体中；
e)组装壳体。
作为替代，在上述方法中步骤c)和d)可以调换，即首先将堆叠型电极组件放入壳体中，然后再填充电解质。
根据本发明的电池显示出电极堆垛的增加的紧密度和对齐性，并提供更好和更持久的性能。由于存在至少一个凹部，电极与保持装置之间的接触表面大幅增加并变成大的平坦区域。这实现了保持装置和电极堆垛的完美配合。
此外，根据本发明的电池能够提高电极堆垛相对于电池壳体的整体紧密度，并因此确保了在施加外力时更可靠的性能。
根据本发明的电池能够提高活性电极材料的容积利用率，从而大幅提高电池能量密度。
电池的组装过程也不太复杂，因为组件的紧密排列的电极一旦放入电池壳体中就不能自由移动。
附图说明
本发明的目的、优点和特征将在以下对仅通过示例以非限制性的方式给出并由附图示出的本发明的至少一个实施例的详细描述中更清楚地显现，在附图中：
图1示出了本发明的锂纽扣电池的透视图；
图2示意性地示出了图1的锂纽扣电池的分解图；
图3是图1中的纽扣电池的堆叠型电极组件的负极焊接接头的透视图；
图4是图1中的纽扣电池的堆叠型电极组件的正极焊接接头的透视图；
图5是图1中的纽扣电池的堆叠型电极组件的透视图的细节，该组件具有可单独使用或组合使用的不同保持装置；
图6是从顶部观察的图1的纽扣电池的平面图的横截面；
图7是图1的纽扣电池的截面图，示出了折叠的正极焊接接头；
图8是本发明的软包电池的透视图；
图9是图8的软包电池的纵向截面，示出了堆叠型电极的组件。
具体实施方式
参照图1至图7，锂纽扣电池100包括由两个金属侧部，更具体地，是由对应于负极壳体的盖101和对应于正极壳体的杯状件108组成的壳体119。当盖101和杯状件108已经组装好时，它们在彼此之间形成壳腔117，堆叠型电极组件113被放置在该壳腔117内(图6)。垫圈107夹在盖101与杯状件108之间，盖101已被压入到所述垫圈107中。
组件113由若干单元120制成，每个单元都包括负极104(阳极)、电解质(未示出)、正极103(阴极)以及位于负极104与正极103之间的分隔件102。每个负极104都包括被设计为引导与盖101的接触的阳极接片115。每个正极103地具有被设计为引导与杯状件108的接触的阴极接片114。在一个实施例中，所有的阳极接片115都被焊接在一起以形成负极焊接接头112，该负极焊接接头112经由第一负极104’将负极104与盖101电连接，并且所有的阴极接片114被焊接在一起以形成正极焊接接头111，该正极焊接接头111经由另外的正极接触片106将正极103与杯状件108电连接，如下文所述。在本发明的一个实施例中，如图7所示，正极焊接接头111朝向壳体119的正极侧部108大致竖直地折叠并且负极焊接接头112朝向壳体119的负极侧部101大致竖直地折叠(未示出)。这样，可以避免在组装和使用过程中焊接接头111和112意外接触到电池100的错误极，从而防止短路的风险。此外，图7中的截面清楚地显示了焊接接头111和112的折叠能够使组件113膨胀靠近垫圈107，从而增加电池100的能量密度。
在一个实施例中，如例如在图6中所示，正极和负极焊接接头111、112位于组件113的相对两侧。替代地，正极和负极焊接接头111、112可以以任何其他构型位于组件113的边缘周围。
具有低还原电势的锂金属或含锂合金、类石墨材料、金属氧化物、硫化物、氮化物等可以用作活性负极材料。通常把溶于非水系统中的锂盐作为电解质，凝胶状电解质应用于锂聚合物电池中，并且固体电解质可以用于固态锂电池中。阴极是能够使锂离子伴随电化学反应而嵌入结构中并同时产生能量的化合物。诸如硫磺、金属氧化物、硫化物、磷酸盐、硅酸盐等化合物可以用作正极活性材料。
堆叠电极结构应用于具有高功率性能的锂电池中。为了实现这个目标，将阴极和阳极材料涂覆在金属箔或网状件上，然后与放置在它们之间的分隔件102交替地层叠在一起。分隔件102的材料可选自具有多孔结构的聚合物，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或其混合物。电解质被充填到堆叠电极中。
组件113的电极103和104基本上是盘形的。正极103被封装在袋状的分隔件102中并且电极103和104一个在另一个之上地交替堆叠以形成具有一定高度或厚度的大致圆柱形的堆垛113。该堆垛在两个端面处包括负极104，即毗邻盖101的第一负极104’和置于堆垛的另一端的第二负极104”。负极104，104’和104”为两侧被涂覆的电极。在另一个实施例中，负极104’和104”为单侧被涂覆的电极，空白的金属侧分别面向盖101和带105。在另一个实施例中，负极204’和204”的空白的金属侧可包括具有结构为非晶态、晶态或者石墨烯的碳的导电涂层。
在一个实施例中，负极104具有大于正极103的总圆盘表面，并且每个负极104都包括围绕其边缘对称定位的四个凹部110。每个负极104的凹部110沿着组件113的高度竖向对齐，以便构造基本平坦的接触表面116，如图2至6所示。凹部110可以具有不同的形状，这取决于所使用的用于将组件113保持在一起的装置，如以下将示出的。在一个实施例中，凹部110具有基本上方形的形状，以便构造方形的接触表面116。
如图所示，纽扣电池100还可包括绝缘包装带105，该包装带105包括绝缘体基部105a，和在该所示实施例中其形式为从绝缘体基部105a的任一侧对称地延伸的包装翼片105b的四个保持装置。包装翼片105b设计成能与由负极104的边缘上的凹部110形成的平坦接触表面116接触。在其他实施例中，包装翼片105b可以包括任何其他合适数量的包装翼片，其中对应的平坦接触表面116将相应地布置。在另一实施例中，如图5所示，保持装置可以是胶带118b、粘合胶(未示出)、夹持件118a、118c、118d的形式。这种替代保持装置的形状被设计成适合组件113的平坦接触表面116。保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)包括橡胶基材料、丙烯酸基材料、硅酮基材料或其组合。
绝缘包装带105应当放置成使得绝缘体基部105a位于堆叠型电极组件与其中一个壳体之间，以避免堆叠型电极组件与所述壳体之间的电接触并且包装翼片105b保持堆叠型电极组件113以形成紧凑的电极包。更具体地，绝缘包装带105放置成使得绝缘体基部105a位于最后一个负极104”与杯状件108之间，以避免所述最后一个负极104”与杯状件108之间的电接触.
如图3、4和6所示，包装翼片105b沿着堆叠型电极的组件的高度或厚度折叠，并靠着第一负极104’向后折叠以紧紧地保持和包装堆叠型电极组件113。
在该实施例中，绝缘体基部105a和包装翼片105b形成一体件。在另一实施例中，包装翼片105b可以单独制造，然后通过本领域技术人员已知的任何合适的方式与绝缘体基部105a成一体或附接到绝缘体基部105a。
绝缘体基部105a和包装翼片105b包括由选自包括聚酯、聚烯烃、聚酰亚胺、含氟聚合物、乙烯基聚合物的组的材料制成的基材，以及面向堆叠型电极组件的粘合剂层。所述粘合剂层由选自包括橡胶基材料、丙烯酸基材料和硅酮基材料的组的材料制成。在其他实施例中，粘合剂层可以仅在包装翼片205b的面向堆叠型电极组件的一面上设置在包装翼片205b上。
在一优选实施例中，绝缘包装带105由包括聚酰亚胺基材和丙烯酸酯粘合剂层的
制成。
绝缘包装带105的形状可以根据正极和负极的形状进行设计。优选地，绝缘体基部105a具有比堆叠型电极组件的面对的最后一个负极104”大的面积，以最大限度地降低最后一个负极104”和杯状件108接触的短路风险。
纽扣电池100还包括放置在绝缘包装带105与杯状件108之间的另外的金属正极接触片106，所述另外的正极接触片106被布置成引导正极103与所述杯状件108之间的接触。所述另外的正极接触片106布置成与正极接触片114焊接在一起。
本发明的纽扣电池100通过包括以下步骤的方法组装：
a)通过在正极103与负极104之间放置分隔件102来将它们交替地堆叠在一起，以形成堆叠型电极组件；
b)用保持装置105b、118a、118b、118c和/或118d保持在a)步骤中获得的堆叠型电极组件；
c)用所述绝缘包装带105包装在步骤b)中获得的堆叠型电极组件；
d)将阳极接片114焊接在一起以形成负极焊接点112，并且将阴极接片115与另外的正极接触片106焊接在一起以形成正极焊接点111；
e)任选地将焊接接头111朝向壳体119的正极侧部108大致竖直地折叠并且将负极焊接接头112朝向壳体119的负极侧部101大致竖直地折叠；
f)用电解质填充在步骤c)或d)中获得的堆叠型电极组件；
g)将在步骤e)中获得的堆叠型电极组件放入盖101和杯状件108中。
h)通过将盖101压入垫圈107以封闭纽扣电池100来组装盖101和杯状件108。
充填获得的组件的步骤f)和g)的顺序可以以任一次序进行。
参照图8和9，描述了本发明的又一实施例。电池200包括由非导电软包箔201的限定壳腔117的两个部分组成的壳体，这些部分借助于密封部分205密封在一起。壳腔117容纳如上所述的电极组件113。将电极组件113的阴极接片和阳极接片焊接在一起以分别形成阳极接片206的焊点和阴极接片207的焊点。阳极接片206的焊点和阴极接片207的焊点分别借助于熔封部204连接到负极接线片202和正极接线片203，从而允许经软包箔201导电。
软包箔可以是夹层结构，其中两个外层是聚合物，中间层是铝箔。软包箔也可以是聚合物单层或多层结构，其例如由聚酯、聚烯烃、聚酰亚胺、含氟聚合物、乙烯基聚合物、苯乙烯聚合物、聚酰胺(尼龙)、聚丙烯腈、聚乳酸、聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯或其混合物制成。
Claims (16)
1.一种电池(100，200)，包括：设计为形成壳腔(117)的壳体(119，201)；放置在所述壳腔(117)内并且包括一个或多个单元(120)的堆叠型电极组件(113)，每个单元都包括正极(103)、负极(104)、电解质以及位于所述正极和负极(103，104)之间的分隔件(102)，其中所述一个或多个单元的所述正极电连接在一起以形成正极端子并且所述一个或多个单元的所述负极电连接在一起形成负极端子；用于将所述组件(113)保持在一起的保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)，其特征在于，所述一个或多个单元(120)的至少每个负极(104)包括一个或多个凹部(110)，这些凹部沿着所述组件(113)的高度竖向对齐以便为所述保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)构造基本平坦的接触表面(116)，所述凹部布置在距所述正极端子和所述负极端子的一定距离处并且布置在所述组件(113)最靠近所述壳腔(117)的内壁的位置处。
2.根据权利要求1所述的电池(100)，其中，所述壳体(119)由金属制成并且包括正极侧部(108)、负极侧部(101)和垫圈(107)。
3.根据权利要求1或2所述的电池(100，200)，其中，所述保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)呈胶带、粘合胶、夹持件、或其组合的形式。
4.根据权利要求3所述的电池(100，200)，其中，所述保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)包括橡胶基材料、丙烯酸基材料、聚硅氧烷基材料、或其组合。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池(100，200)，还包括包装带(105)，所述包装带包括放置在所述组件(113)与所述壳体(119，201)之间的基部(105a)。
6.根据权利要求5所述的电池(100，200)，其中，所述保持装置包括与所述基部(105a)成一体的至少一个包装翼片(105b)。
7.根据权利要求6所述的电池(100，200)，其中，所述基部(105a)和所述包装翼片(105b)独立地包括由以下材料制成的基材：聚酯、聚烯烃、聚酰亚胺、含氟聚合物、乙烯基聚合物、苯乙烯聚合物、玻璃纤维基的基材、纤维素基材料、其衍生物、或其组合。
8.根据权利要求6或7所述的电池(100，200)，其中，所述至少一个包装翼片(105b)包括面向所述组件(113)的粘合剂层。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的电池(100)，其中，所述包装带(105)是绝缘包装带以避免所述组件(113)与所述壳体(119)之间的电接触。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电池(100，200)，其中，每个负极(104)具有比所述一个或多个单元(120)的每个正极(103)大的表面积，并且仅所述一个或多个单元(120)的每个负极(104)包括至少一个凹部(110)。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的电池(100)，其中，每个正极(103)包括阴极接片(114)并且每个负极(104)包括阳极接片(115)，所述阴极接片(114)被焊接在一起以形成正极焊接接头(111)，并且所述阳极接片(115)被焊接在一起以形成负极焊接接头(112)，所述正极焊接接头(111)朝向所述壳体(119)的正极侧部(108)大致竖直地折叠，并且所述负极焊接接头(112)朝向所述壳体(119)的负极侧部(101)大致竖直地折叠。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的电池(100，200)，其中，所述基部(105a)和所述包装翼片(105b)为一体件。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的电池(100，200)，其中，所述包装带(105)包括从所述绝缘体基部(105a)的两侧优选对称地延伸的至少两个包装翼片(105b)。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的电池(100)，其中，该电池还包括放置在所述包装带(105)和与所述绝缘包装带(105)相邻的正极金属壳体(108)之间的接触片(106)，所述接触片(106)被布置成引导所述一个或多个单元(120)的正极(103)与所述正极侧部(108)之间的接触。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电池(100)，所述电池是纽扣电池。
16.一种堆叠型电极组件(113)，包括：一个或多个单元(120)，每个单元都包括正极(103)、负极(104)和位于所述正极和负极(103，104)之间的分隔件(102)；用于将所述组件(113)保持在一起的保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)，其特征在于，所述一个或多个单元(120)的至少每个负极(104)包括一个或多个凹部(110)，这些凹部沿着所述组件(113)的高度竖向地对齐，以便为所述保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)构造基本平坦的接触表面(116)。
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