CN114072946A - 电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池(100)，该电池包括：具有正极侧部(108)和负极侧部(101)的金属壳体(119)，所述金属壳体设计成形成壳腔(117)；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)、和位于所述正极和负极(103，104)之间的分隔件(102)，其特征在于，所述一个或多个单元(104)的正极电连接在一起以形成正极端子(111)，并且所述一个或多个单元(104)的负极(104)电连接在一起以形成负极端子(112)，所述正极端子(111)基本上竖直地朝向所述壳体(119)的正极侧部(108)折叠并且所述负极端子(112)基本上竖直地朝向所述壳体(119)的负极侧部(101)折叠。

Description

电池

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，该壳体具有正极侧部和负极侧部；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。

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。

现有技术的电池设计必须使焊接的电极接片保持扁平和自由，当负极接片意外接触正极侧部并且正极接片意外接触电池金属壳体的负极侧部时，这大大增加了短路的风险。

扁平接片引起的短路风险要求组装过程中更高的精度，并大大增加了生产的废品率。此外，当电池交付给最终用户时，它会导致不确定的自放电。

用于扁平焊接接片的大空间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，扁平焊接接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

本发明涉及一种电池，该电池包括：具有正极侧部和负极侧部的金属壳体，该金属壳体设计为形成壳腔；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、电解质位于正极和负极之间的分隔件，其特征在于，所述一个或多个单元的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负极电连接在一起以形成负极端子，正极端子基本上竖直地朝向壳体的正极侧部折叠，负极端子基本上竖直地朝向壳体的负极侧部折叠。

在本发明的一个实施例中，一个或多个单元的每个正极包括阴极接片和每个负极包括阳极接片，阴极接片被焊接在一起以形成正极端子，阳极接片被焊接在一起以形成负极端子。

在本发明的另一实施例中，电池还包括用于将一个或多个单元保持在一起的保持装置。

在本发明的又一实施例中，壳体包括垫圈。

根据本发明的另一个实施例，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。在另一个实施例中，包装带是绝缘包装带，以避免组件与壳体之间的电接触。

根据本发明的另一实施例，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地对齐，以便为保持装置构造基本平坦的接触表面。

在另一实施例中，保持装置呈胶带、粘合胶、夹持件或其组合的形式。

在一个实施例中，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。

在本发明的另一实施例中，保持装置包括与基部成一体的至少一个包装翼片。在又一实施例中，所述基部和所述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。

根据本发明的又一实施例中，每个负极具有比所述一个或多个单元的每个正极大的表面积，并且仅所述一个或多个单元的每个负极包括至少一个凹部。

在本发明的再另一实施例中，所述电池还包括放置在所述包装带和与所述绝缘包装带相邻的正极金属壳体之间的接触片，所述接触片布置成引导所述正极端子与所述正极侧部之间的接触。

在又一实施例中，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)通过在具有阴极接片的正极与具有阳极接片的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)将阴极接片焊接在一起以获得正极端子，并且将阳极接片焊接在一起以获得负极端子；

c)将正极端子基本上竖直地折叠到一个方向上，并且将负极端子基本上竖直地折叠到相反的方向上；

d)用电解质填充在步骤c)中获得的堆叠型电极组件；

e)将在步骤d)中获得的堆叠型电极组件放入具有正极侧部和负极侧部的金属壳体中，其中将正极端子朝向正极侧部放置，并且将负极端子朝向负极侧部放置；

f)组装壳体。

替代地，在上述方法中步骤d)和e)可以调换，即首先将堆叠型电极组件放入壳体中，然后填充电解质。

根据本发明的电池显示出增加的紧密度，并提供更好和更持久的性能。由于折叠的正极和负极端子，根据本发明的电池能够提高活性电极材料的容积利用率，从而大大增加电池能量密度。

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。

电池的组装过程也不太复杂，由此使短路风险并因此使废品率最小化。

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。

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。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。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。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的总圆盘表面积，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，以便构造出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，以便构造出方形的接触表面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2、3和5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任选地保持在步骤a)中获得的堆叠型电极组件；

c)用所述绝缘包装带105任选地包装在步骤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)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。

Claims (14)

1.一种电池(100)，包括：具有正极侧部(108)和负极侧部(101)的金属壳体(119)，所述金属壳体(119)设计成形成壳腔(117)；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负极电连接在一起以形成负极端子，其中，所述正极端子基本上竖直地朝向所述壳体(119)的正极侧部(108)折叠并且所述负极端子(112)基本上竖直地朝向所述壳体(119)的负极侧部(101)折叠，其中，所述电池还包括放置在所述正极侧部(108)与所述正极端子的远端的边缘之间的金属正极接触片，并且其中所述负极端子(112)经由与所述负极侧部(101)直接接触的第一负极(104’)将所述负极(103，104)连接到所述负极侧部(101)。

2.根据权利要求1的电池(100)，其中，所述一个或多个单元(120)的每个正极和每个负极(103，104)相应地包括阴极接片(114)和阳极接片(115)，所述阴极接片(114)被焊接在一起以形成所述正极端子(111)，并且所述阳极接片被焊接在一起以形成所述负极端子(112)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电池(100)，还包括用于将所述一个或多个单元(120)保持在一起的保持装置(105b，118a，118b，118c，118d)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电池(100)，其中，所述壳体(119)还包括垫圈(107)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电池(100)，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)之间的基部(105a)。

6.根据权利要求5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。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的电池(100)，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)构造基本上平坦的接触表面(116)。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的电池(100)，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。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的电池(100)，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、硅酮基材料、或其组合。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的电池(100)，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)。

11.根据权利要求10所述的电池(100)，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底：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。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的电池(100)，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)。

13.根据权利要求5至12中任一项所述的电池(100)，其中，所述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)布置成引导所述正极端子(111)与所述正极侧部(108)之间的接触。

14.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。

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