CN114175370A - 附接有通气部的袋形电池单元及其制造方法 - Google Patents

附接有通气部的袋形电池单元及其制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种袋形电池单元及其制造方法，该袋形电池单元包括：由层压片制成的袋形电池壳体；容纳在袋形电池壳体中的电极组件；以及配置为排出袋形电池壳体中的气体的通气部，其中袋形电池壳体设置有开口，开口通过附接至开口的内侧的通气部来打开或关闭，其中当袋形电池单元中的压力增加时通气部打开以迅速排出气体，并且通气部可逆地阻挡电池单元的内部和外部。

Description

附接有通气部的袋形电池单元及其制造方法
技术领域
本申请要求于2019年12月13日提交的韩国专利申请第2019-0166594号的优先权的权益，通过引用将上述专利申请的整个公开内容结合在此。
本发明涉及一种附接有通气部的袋形电池单元及其制造方法，更具体地，涉及一种具有附接至袋形电池壳体的外表面的通气部的袋形电池单元及其制造方法，该通气部能够打开和关闭，使得当袋形电池单元中的压力增加时气体被平稳地排出。
背景技术
可重复使用并且具有高能量密度的锂二次电池作为具有环境友好特性的新能源已经引起关注，因为锂二次电池能够显著减少化石燃料的使用并且不会由于能量的使用而产生副产物。
基于外壳构件的种类和形状，锂二次电池可分为由层压片制成的袋形电池单元、由金属罐制成的圆柱形电池单元、或由金属罐制成的棱柱形电池单元。电极组件基于其形状分为果冻卷型电极组件、堆叠型电极组件、堆叠折叠型电极组件、或层压堆叠型电极组件。
由于袋形锂二次电池可容易制造为具有各种尺寸、重量轻且具有高能量密度，所以袋形锂二次电池已被用作需要高输出和高容量能源的电动车辆或混合动力电动车辆的电源。
通过将电极组件和电解液容纳在由层压片制成的袋形电池壳体中并且使用热量和压力将电池壳体的外周气密地密封来制造袋形锂二次电池。
在制造锂二次电池的过程中，在激活时由于电解液的分解而产生气体。此外，甚至在对电池单元进行充电和放电的过程中以及在异常使用环境中，电池单元中也会产生气体。结果，电池单元中的压力增加。
这种压力增加可能会引起电池单元的爆炸。由于该原因，已经进行了在电池爆炸之前将气体排出到外部以便确保电池的安全性的研究。
与此相关，专利文献1涉及一种被添加有阀构件的电池模块，阀构件包括由特氟龙基树脂制成的多孔膜，其中阀构件由诸如PTFE之类的多孔膜制成，并且多孔膜由支撑构件固定在形成于壳体盖中的通气孔的下侧。
就是说，专利文献1公开了应用于电池模块壳体的阀构件，但并未公开能够应用于袋形电池单元的通气构件。
专利文献2涉及一种二次电池，该二次电池具有这样的结构，该结构配置为通过在与电池壳体一体形成的突出部中限定出的通路来排出电池壳体中的气体，其中突出部和通路从电池壳体的外周的一侧突出。
因此，高度需要一种具有这样的结构的袋形电池单元及其制造方法，即，在不增加电池壳体的外部尺寸的同时，当袋形电池单元中的压力增加时平稳地排出气体并且在排出气体之后电池能够继续使用的结构。
(现有技术文献)
(专利文献1)韩国专利申请公开第2012-0009592号(2012.02.02)
(专利文献2)韩国专利申请公开第2018-0038880号(2018.04.17)
发明内容
技术问题
鉴于上述问题而做出了本发明，本发明的目的是提供一种袋形电池单元及其制造方法，该袋形电池单元具有附接至形成于袋形电池壳体中的开口的内侧的通气部，该通气部能够打开和关闭。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的附接有通气部的袋形电池单元包括：由层压片制成的袋形电池壳体；容纳在所述袋形电池壳体中的电极组件；以及配置为排出所述袋形电池壳体中的气体的通气部，其中所述袋形电池壳体设置有开口，所述开口通过附接至所述开口的内侧的所述通气部来打开或关闭。
所述通气部可配置为具有其中形成有孔隙的第一层和其中未形成有孔隙的第二层堆叠的结构。
所述第一层和所述第二层可由相同的材料制成。
所述材料可以是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)。
所述袋形电池壳体可包括外部树脂层、金属层和内部树脂层，并且所述通气部可被附接成使得所述第一层与所述内部树脂层彼此接触。
所述内部树脂层可在所述内部树脂层的一部分熔融并移动到所述第一层的所述孔隙中的状态下硬化，从而所述内部树脂层可与所述第一层彼此结合。
所述通气部可附接至所述袋形电池壳体的与密封部相邻的部分。
所述袋形电池壳体可包括：其中形成有电极组件容纳部的第一电池壳体、以及结合至所述第一电池壳体的第二电池壳体，所述第二电池壳体配置为与所述第一电池壳体一起气密地密封所述袋形电池壳体，并且所述通气部可附接至所述第一电池壳体的中央部分和所述第二电池壳体的中央部分中的至少一个。
另外，本发明提供了一种制造袋形电池单元的方法。具体地，该制造袋形电池单元的方法包括：(a)制备其中形成有开口的层压片；(b)将通气部分附接至所述开口；(c)将所述层压片成形，以制造袋形电池壳体；以及(d)将电极组件容纳在所述袋形电池壳体中并且将所述袋形电池壳体气密地密封。
所述通气部可配置为具有其中形成有孔隙的第一层和其中未形成有孔隙的第二层堆叠的结构。
所述第一层和所述第二层可由相同的材料制成。
所述材料可以是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)。
此外，本发明提供了一种包括所述袋形电池单元的电池组。
附图说明
图1是其中形成有根据第一实施方式的通气部的袋形电池单元的透视图。
图2是其中形成有根据第二实施方式的通气部的袋形电池单元的透视图。
图3是沿着图1的A-A’截取的垂直剖面的局部放大图。
图4是通气部的第一层的SEM照片。
图5是通气部的第二层的SEM照片。
图6是图3的另一实施方式。
图7是袋形电池壳体与通气部之间的重叠结合部分的SEM照片。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明所属领域的普通技术人员能够容易实施本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的工作原理中，当本文中并入的已知功能和构造的详细描述可能会使本发明的主旨模糊不清时，则将省去该详细描述。
此外，整个附图中将使用相同的参考标记来表示执行相似功能或操作的部件。在整个申请中一个部件被称为连接至另一个部件的情况下，该一个部件不仅可直接连接至该另一个部件，而且该一个部件还可经由另外的部件间接连接至该另一个部件。此外，包括某一元件并不意指排除其他元件，而是指可进一步包括其他元件，除非另有说明。
除非特别限制，否则通过限制或添加来具体化元件的描述可应用于所有发明，并且不限制具体发明。
下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1是其中形成有根据第一实施方式的其中通气部的袋形电池单元的透视图。
参照图1，袋形电池单元100配置为具有电极组件与电解液一起被容纳在由层压片制成的袋形电池壳体中并且袋形电池壳体的外周被密封的结构。
电极组件可以是正极引线101和负极引线102在一个方向上突出的单向电极组件。或者，与图1中示出的不同，电极组件可以是正极引线和负极引线在不同方向上突出的双向电极组件。
袋形电池壳体110包括：其中形成有电极组件容纳部113的第一电池壳体111；以及结合至第一电池壳体111从而气密地密封袋形电池壳体110的第二电池壳体112。在第二电池壳体112的中央部分形成有开口，通气部130附接至开口的内侧。
通气部130具有圆形的平面形状。由于通气部的尺寸比形成在袋形电池壳体110中的开口的直径大，所以通气部从袋形电池壳体的内侧阻挡袋形电池壳体的开口。
虽然在图1中未示出，但是除了第二电池壳体112的中央部分之外，还可在第一电池壳体111的中央部分形成通气部。或者，也可仅在第一电池壳体的中央部分形成通气部。
在袋形电池壳体110由于因袋形电池单元100的副反应而在袋形电池单元100中产生的气体而膨胀的情况下，第一电池壳体和第二电池壳体的中央部分膨胀最大，从而压力可集中于第一电池壳体和第二电池壳体的中央部分。在这种情况下，通气部处的气体的压力与袋形电池单元外部的压力之间的差增加，因此气体可经由通气部的孔隙排出。
就是说，在袋形电池单元中的压力与袋形电池单元外部的压力之间没有或者几乎没有差异的情况下，没有气体经由根据本发明的通气部排出，通气部防止异物进入到电池单元中。然而，在袋形电池单元的内部与外部之间的压力差为0.1atm以上的情况下，袋形电池单元中的气体由于压力差而经由通气部的第一层和第二层排出。在由于气体被排出到一定程度而导致袋形电池单元的内部与外部之间的压力差为0.1atm以下、或者在它们之间没有压力差的情况下，可以可逆地执行阻挡气体排出的过程。
图2是其中形成有根据第二实施方式的通气部的袋形电池单元的透视图。
参照图2，除了通气部230的位置与形成在图1的袋形电池单元中的通气部130的位置不同之外，袋形电池单元200在结构上与图1的袋形电池单元相同。
图2的通气部230配置为具有这样的结构，即，三个通气部230在彼此间隔开的状态下附接至袋形电池壳体的与密封部215相邻的部分。
图2中所示的通气部230的半径比图1所示的通气部210的半径小。考虑到通气部的附接位置、电池壳体的尺寸以及产生的气体的量，可选择性地应用通气部的数量、尺寸以及位置。
图3是沿着图1的A-A’截取的垂直剖面的局部放大图，其详细示出了附接有根据本发明的通气部的袋形电池壳体的结构。
参照图3，袋形电池壳体110包括外部树脂层110a、金属层110b以及内部树脂层110c。
外部树脂层110a用于保护电池单元免受外部影响。因此，需要外部树脂层表现出优异的对外部环境的耐受性，因此对于其厚度来说需要外部树脂层的优异的拉伸强度和耐候性。例如，可使用诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybuthyleneterephthalate，PBT)或聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate，PEN)之类的聚酯类树脂；诸如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)之类的聚烯烃类树脂；诸如聚苯乙烯之类的聚苯乙烯类树脂；聚氯乙烯类树脂；或聚偏二氯乙烯类树脂。这些材料可单独使用或作为两种或更多种材料的混合物使用，并且可进一步使用定向尼龙(ONy)膜。
金属层可由铝(Al)或铝合金制成，以便除了表现出防止诸如气体和湿气之类的异物进入或电解液泄漏的功能之外，还表现出提高电池壳体的强度的功能。铝合金的示例可包括合金编号8079、1N30、8021、3003、3004、3005、3104、和3105。这些材料可单独使用或作为两种或更多种材料的混合物使用。
表现出热熔合性(热结合性)、对电解液具有低吸湿性以抑制电解液的渗透、并且不会由于电解液而膨胀或被侵蚀的聚合物树脂可用作内部树脂层。优选地，使用聚丙烯、酸改性聚丙烯或它们的组合。
在一个优选示例中，根据本发明的袋形电池壳体可配置为具有其中外部树脂层的厚度为5μm至40μm，金属层的厚度为20μm至150μm，并且内部树脂层的厚度为10μm至50μm的结构。在层压片的每一层的厚度太小的情况下，难以实现材料阻挡功能和强度提高，这是不期望的。另一方面，在层压片的每一层的厚度太大的情况下，成形性降低，并且导致片的厚度增加，这也是不期望的。
根据本发明的通气部130配置为具有其中形成有孔隙的第一层131和其中未形成有孔隙的第二层132堆叠的结构。第一层131和第二层132由相同材料，诸如聚四氟乙烯(PTFE)制成。
PTFE表现出优异的电解液耐受性、耐热性和疏水性。因此，可使用PTFE作为附接至袋形电池壳体内侧的通气部的材料。
通气部130的第一层131与通气部的第二层132的形状的不同之处在于，在第一层中形成有孔隙，而在第二层中未形成有孔隙。
与此相关，图4是通气部的第一层的SEM照片，图5是通气部的第二层的SEM照片。
参照图4和图5，可以看出，图4的第一层具有其中形成了供第一层的内部和外部彼此连通的开放型孔隙的结构，图5的第二层具有其中第二层的表面是粗糙的但未形成孔隙的结构。然而，由于第二层由PTFE制成，所以气体可经由聚合物中的微小间隙排出。
就是说，袋形电池壳体的内部树脂层可熔融到通气部的第一层的孔隙中，从而通气部可稳定地附接至袋形电池壳体的内表面。袋形电池壳体内产生的气体可经由通气部的第一层和第二层排出到外部。
另外，PTFE的熔点为327℃，这与主要用作袋形电池壳体的内部树脂层的聚丙烯(PP)的大约160℃的熔点极大不同。
在施加热量和压力以便将由PTFE制成的通气部附接至由PP制成的内部树脂层的情况下，如果热量施加到使PTFE熔融的程度，则PP会损坏。另一方面，在热量施加到使PP熔融但不损坏PP的程度的情况下，由于PTFE未熔融，因此难以将通气部和内部树脂层彼此结合。
在本发明中，使用其中通气部附接至袋形电池壳体，使得形成有孔隙的第一层131与袋形电池壳体的内部树脂层110c接触的结构。因此，在对袋形电池壳体与通气部之间的重叠部分施加高温高压，以便将通气部附接至袋形电池壳体的情况下，内部树脂层110c在内部树脂层的一部分熔融并移动到第一层131的孔隙中的状态下硬化，从而在内部树脂层锚定(anchoring)到第一层131的状态下，第一层131与内部树脂层110c彼此结合。
图6是图3的另一实施方式，其详细示出了附接有根据本发明的通气部的袋形电池壳体的结构。
参照图6，袋形电池壳体310配置为具有其中外部树脂层310a、粘合剂层310d、金属层310b、粘合剂层310d和内部树脂层310c在图上按照向下的方向顺序堆叠的结构，与图3中所示的袋形电池壳体的不同之处在于，在外部树脂层与金属层之间进一步设置粘合剂层，并且在金属层与内部树脂层之间进一步设置粘合剂层。就是说，通过设置粘合剂层，图6的袋形电池壳体的各层之间的粘附力可大于图3的袋形电池壳体的各层之间的粘附力。
通气部330包括其中形成有孔隙的第一层331和其中未形成有孔隙的第二层332，并且第一层331附接至内部树脂层310c。
因此，在对通气部与袋形电池壳体310之间的重叠部分施加热量和压力，以便将通气部附接至袋形电池壳体的情况下，内部树脂层310c熔融并移动到第一层331的孔隙，从而内部树脂层和第一层通过锚定(anchoring)彼此结合。
另外，即使在通气部附接至袋形电池壳体的开口的外侧的情况下，当袋形电池壳体中的压力由于气体而增加时，也可实现气体排出效果。然而，在这种情况下，袋形电池壳体的金属层从袋形电池壳体的形成开口的部分暴露。结果，由于电解液的副反应而产生的氢氟酸腐蚀由铝制成的金属层，这是不期望的。
图7是袋形电池壳体与通气部之间的重叠结合部分的SEM照片。
参照图7，袋形电池壳体包括外部树脂层410a、金属层410b以及内部树脂层410c。通气部430具有第一层431和第二层432堆叠的结构。
外部树脂层410a具有PET层、粘合剂层、尼龙层和粘合剂层在向内的方向上顺序堆叠的结构。金属层410b是由铝制成的层。内部树脂层410c可由聚丙烯和酸改性聚丙烯的组合制成，或者可由流延聚丙烯膜制成。
通气部430包括由PTFE制成并且其中形成有孔隙的第一层431、和由PTFE制成并且其中未形成有孔隙的第二层432。
在袋形电池壳体与通气部彼此结合之前，外部树脂层的总厚度可以是33.1μm，金属层的厚度可以是41.4μm，内部树脂层的厚度可以是80μm。
可通过在金属层上挤出聚丙烯和酸改性聚丙烯的每一个来制造内部树脂层，可将内部树脂层与金属层和外部树脂层层压，以制造袋形电池壳体。聚丙烯的厚度可以是40μm，酸改性聚丙烯的厚度可以是40μm。
或者，内部树脂层可由具有80μm厚度的流延聚丙烯(CPP)膜制成。可使用粘合剂将流延聚丙烯膜附接至金属层，并且可将流延聚丙烯膜和金属层与外部树脂层层压，以制造袋形电池壳体。
当对袋形电池壳体和通气部施加热量和压力以使得袋形电池壳体和通气部彼此结合时，内部树脂层的聚丙烯熔融并移动到第一层的孔隙中。结果，如图7中所示，内部树脂层的厚度减小至12.2μm，并且在第一层431中看不到孔隙。
就是说，可以看出，内部树脂层进入到第一层的孔隙中，内部树脂层和第一层通过锚定彼此结合，因此均匀地实现内部树脂层与第一层之间的整体粘附。因此，通气部稳定地附接至袋形电池壳体的内侧。
将第一层与内部树脂层彼此附接所需的温度可以是180℃至220℃，将第一层与内部树脂层彼此附接所需的压力可以是0.05MPa至0.5MPa，并且可在1秒至5秒的范围内选择性地应用施加时间。
作为具体示例，在由于电解液的副反应而在袋形电池单元中产生气体的情况下，袋形电池单元中的压力变得大于外部大气压，从而可经由形成在袋形电池壳体中的开口以及通气部的第一层和第二层排出气体。
因此，在根据本发明的袋形电池单元中，可以可逆地执行：当电池单元中的压力增加时通过通气部排出电池单元中的气体、以及当电池单元中的压力变得等于外部大气压时阻挡气体排出并防止外部湿气进入的过程。
另外，根据本发明的制造袋形电池单元的方法可包括：(a)制备其中形成有开口的层压片的步骤；(b)将通气部附接至开口的步骤；(c)将层压片成形以制造袋形电池壳体的步骤；以及(d)将电极组件容纳在袋形电池壳体中并且将袋形电池壳体气密地密封的步骤。
就是说，考虑到加工便利性，优选的是，在形成电极组件容纳部之前形成开口，并且在通气部附接至开口的状态下形成电极组件容纳部。
然而，根据需要，可在步骤(c)与步骤(d)之间执行步骤(b)。或者，可在步骤(c)与步骤(d)之间执行在层压片中形成开口并且将通气部附接至开口的步骤。
通气部可配置为具有其中形成有孔隙的第一层和其中未形成有孔隙的第二层堆叠的结构，第一层和第二层的每一个可由PTFE制成。
本发明所属领域的技术人员将理解到，基于上面的描述，在本发明的范畴内各种应用和修改是可能的。
(参考标号说明)
100、200：袋形电池单元
101：正极引线
102：负极引线
110、310：袋形电池壳体
110a、310a、410a：外部树脂层
110b、310b、410b：金属层
110c、310c、410c：内部树脂层
111：第一电池壳体
112：第二电池壳体
113：电极组件容纳部
130、230、330、430：通气部
131、331、431：第一层
132、332、432：第二层
215：密封部
310d：粘合剂层。
工业实用性
通过上面的描述显见的是，根据本发明的袋形电池单元配置为具有通气部附接至电池壳体的内侧的结构，因此可将由于通气部的添加而引起的电池单元的尺寸增加最小化。
此外，当电池单元中的压力增加时，气体被立即排出，因此可将电池单元中的压力维持在预定水平。
此外，根据本发明的通气部并不是在打开时破裂，而是能够打开和关闭，从而可逆地使用，因此可在排出气体之后继续使用电池单元。

Claims (13)

1.一种袋形电池单元，包括：
由层压片制成的袋形电池壳体；
容纳在所述袋形电池壳体中的电极组件；以及
配置为排出所述袋形电池壳体中的气体的通气部，其中
所述袋形电池壳体设置有开口，所述开口通过附接至所述开口的内侧的所述通气部来打开或关闭。
2.根据权利要求1所述的袋形电池单元，其中所述通气部配置为具有其中形成有孔隙的第一层和其中未形成有孔隙的第二层堆叠的结构。
3.根据权利要求2所述的袋形电池单元，其中所述第一层和所述第二层由相同的材料制成。
4.根据权利要求3所述的袋形电池单元，其中所述材料是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)。
5.根据权利要求2所述的袋形电池单元，其中
所述袋形电池壳体包括外部树脂层、金属层和内部树脂层，并且
所述通气部被附接成使得所述第一层与所述内部树脂层彼此接触。
6.根据权利要求5所述的袋形电池单元，其中所述内部树脂层在所述内部树脂层的一部分熔融并移动到所述第一层的所述孔隙中的状态下硬化，从而所述内部树脂层与所述第一层彼此结合。
7.根据权利要求1所述的袋形电池单元，其中所述通气部附接至所述袋形电池壳体的与密封部相邻的部分。
8.根据权利要求1所述的袋形电池单元，其中
所述袋形电池壳体包括：其中形成有电极组件容纳部的第一电池壳体、以及结合至所述第一电池壳体的第二电池壳体，所述第二电池壳体配置为与所述第一电池壳体一起气密地密封所述袋形电池壳体，并且
所述通气部附接至所述第一电池壳体的中央部分和所述第二电池壳体的中央部分中的至少一个。
9.一种制造袋形电池单元的方法，所述方法包括：
(a)制备其中形成有开口的层压片；
(b)将通气部分附接至所述开口；
(c)将所述层压片成形，以制造袋形电池壳体；以及
(d)将电极组件容纳在所述袋形电池壳体中并且将所述袋形电池壳体气密地密封。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述通气部配置为具有其中形成有孔隙的第一层和其中未形成有孔隙的第二层堆叠的结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一层和所述第二层由相同的材料制成。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述材料是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)。
13.一种电池组，包括根据权利要求1至8中任一项所述的袋形电池单元。
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