CN1280938C - 带有安全排气口的袋形二次电池 - Google Patents

Abstract

袋形二次电池有一个安全排气口，它能在电池内部温度因过度充电、过度放电或过热而升高时，通过除掉袋形外壳的密封机构，在内部气体压力因过度充电、过度放电或内部短路而急剧升高从而导致电池爆炸和失火以前排出内部气体，起到防爆防火的作用。该袋形二次电池包括：带有正极板和负极板的电极组件，在正极板和负极板之间插有间隔件；正极端子和负极端子，它们分别从正极板和负极板引出；袋形外壳，它有一个用于容纳电极组件的空间，该空间要密封起来，密封部分设置在该空间外围，正极端子和负极端子中的至少一个暴露于密封部分；以及至少一个开口部件，它布置在密封部分上，由熔点低于袋形外壳密封部分的熔点的树脂材料制成。

Description

带有安全排气口的袋形二次电池

相关申请的相互引用

本申请要求2002年8月20日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请2002-49208的优先权，在此将上述申请的公开内容全部结合作为参考。

技术领域

本发明涉及一种二次电池，具体涉及带有安全排气口的袋形二次电池，该电池能防爆、防火。

背景技术

二次电池一般是可再充电的，其尺寸能制作得较小，并具有很高的容量。典型的二次电池的例子包括镍金属氢化物(Ni-MH)电池和锂(Li)二次电池。

二次电池可分为：利用了圆柱形铝罐的圆柱形电池，利用了长方形铝罐的矩形电池，以及容纳在薄膜袋形外壳内、并与外壳的外观相应的袋形电池。

准确而言，袋形电池一般通过以下方式制造：将能产生电流的电极组件装到由柔软的薄膜材料制成的袋形外壳内，然后将其密封。当该袋形电池的内部压力因过度充电而升高时，就会释放出气体，引起电池组膨胀、爆炸。具体而言，当锂离子电池过度充电时，液态电解质分解，释放出二氧化碳或一氧化碳之类的气体，从而导致电池内部压力升高。此外，如果由于过度充电或短路而导致过电流流过电池，电池的内部压力和温度升高，从而导致失火风险，就安全角度而言，这是很严重的问题。

为了确保安全，这种二次电池必需满足充电和使用的温度要求。在严苛的使用条件下，即，在充/放电过程中的温度或使用电池装置的工作温度非常高时，电池的内部温度升高，导致爆炸和失火。

因此，考虑到安全，制成的二次电池在商业销售前都要经过各种安全测试，包括抗过度充电或强制放电的安全性试验，例如高温存储测试之类的热学安全试验、热冲击试验或热学暴露试验。热学安全试验可通过让电池静置于各种温度条件下达几分钟到几小时来实施。即使在这样的条件下，满足安全要求的电池也不会发生爆炸和失火。但是，在极端情况下，只有除掉电池的密封才能防爆防火。

人们为了克服二次电池的这些安全问题而作了各种尝试。具体而言，人们竭尽全力寻求通过在电池袋上安装安全排气口以排除电池内部气体的技术。韩国专利公开98-44210通过举例方式公开了这样一种二次电池，它被构造成在电池前上端设置独立的气体出口或止回阀，所述气体出口或止回阀由防爆性低的材料制成。气体出口被设计成能在电池因过度充电或过量放电而膨胀时破裂，或通过止回阀排出内部气体。但是，电池制造过程中，在电池的上端设置独立装置必需要求增加工艺，这就降低了生产率。

美国专利4678725号公开了如下内容：当电池内部压力升高到预定水平的压力时，电池上端设置的电极分接头的可热熔部分破裂，从而将内部气体排到电池外部。但是，根据该技术，设置独立的安全排气口要求修改电池组，并且必需制造一种不同于传统外壳的独立外壳。即便可以使用传统外壳，但由于安全排气口有不密封的部分，并且在该不密封部分上安装了一个线夹，因此为了粘结必需考虑线夹的爆裂强度，这就增加了工艺步骤量，同时降低了断裂可靠性。

日本专利公开物2000-100399公开了一种聚合物锂二次电池的外部薄膜容器，其中外部容器的外壳包括易热熔的层，这些层彼此粘结，以密闭方式密封出容纳电极组件的空间，其中一部分外部容器外壳是能在较低温度下熔融的断裂部分，所述熔断温度要低于非断裂部分熔融的温度，也就是说，断裂部分的熔度低。因此，当电池的内部压力降低到预定值时，断裂部分破裂。

但是，仅仅降低断裂部分的熔融温度相当困难。此外，调节断裂部分的可熔结合力也很难实现，从安全排气口的工艺性和可靠性角度来看，这是很不利的。

发明内容

因此，本发明包括一种带有安全排气口的袋形二次电池，它在因过度充电、过度放电或过热而导致内部温度升高时，能简单地通过去除袋形外壳的密封机构防爆防火。

另外，本发明包括一种带有安全排气口的袋形二次电池，当内部气体压力因过度充电、过度放电或内部短路而过度升高时，它能在电池爆炸和失火前排出内部气体。

依照本发明的一个方面，一种袋形二次电池包括：带有正极板和负极板的电极组件，正极板和负极板之间插有隔板；分别从正极板和负极板引出来的正极端子和负极端子；具有容纳着电极组件的空间的袋形外壳，其中所述空间是密封的；设置在该空间外围的密封部分，其中正极端子和负极端子中的至少一个暴露于密封部分，在密封部分上面布置了至少一个开口部件，它由熔点比袋形外壳的密封部分的熔点低的树脂材料制成。

开口部件具有面向袋形外壳空间的平坦的第一端。另外，第一端优选与密封部分的内侧端相连，并面向布置了开口部件的密封部分的空间。开口部件可为多边形。可以选择的是，开口部件可以是三角形，它的一边面向设置了开口部件的密封部分的内侧，与该边相对的角优选为30到80度范围内。另外，开口部件可以是圆形、椭圆形、或半圆形。

开口部件在垂直于密封部分的方向上的厚度要小于布置了开口部件的密封部分的一半宽度。

另外，可将开口部件布置在设有开口部件的密封部分的一半宽度下方。

正极和负极端子彼此隔开预定距离，它们借助密封部分暴露于袋形外壳之外，开口部件插在密封部分的正极端子和负极端子之间。

袋形外壳在密封部分的内表面上设有树脂材料制成的粘附层，开口部件由熔点比粘附层的熔点低的树脂材料制成。在此，开口部件可由聚乙烯树脂材料制成。

附图说明

通过下面结合附图对本发明实施例的描述，将使本发明的这些和/或其它方面和优点变得明显，且更容易被理解，附图中：

图1是依照本发明实施例的袋形二次电池所选取的透视图；

图2是依照本发明另一实施例的袋形二次电池所选取的透视图；

图3是沿图2的线I-I剖开的横截面视图；

图4是图2所示开口部件的平面图；

图5是图2所示袋形二次电池的平面图；

图6到13是依照本发明其它实施例的袋形二次电池的平面图；以及

图14和15示出了图2所示袋形二次电池的工作状态。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施例。

图1是依照本发明实施例的袋形二次电池所选取的透视图。在图1中，依照本发明的袋形二次电池包括：电极组件10，它具有正极板和负极板，在这些电极板之间插有间隔件；袋形外壳30，其中容纳着电极组件10。图1所示的电极组件10是堆栈式电极组件，其中正极板和负极板叠在一起，中间插有间隔件，但本发明并不限于此。如图2所示，依照本发明的电极组件可以是胶卷式(jelly-roll)的电极组件20，其中正极板和负极板卷绕在一起，中间插有间隔件。胶卷型的电极组件适用于本发明的所有实施例，下面将对它们进行描述。

图1所示的电极组件10一般用于聚合物锂二次电池。正极板是通过将正极片材热压到由金属箔、例如铝箔制成的正极集电器的至少一个平面上而成，正极片材含有包括氧化锂的正极活性材料。负极板是通过将负极片材热压到由金属箔、例如铜箔制成的负极集电器的至少一个平面上而成，负极片材含有包括碳料的负极活性材料。将电极组件10装到袋形外壳30中，然后将电解质溶液注入到电极组件10中，接着密封袋形外壳30，于是制得了二次电池。

如图1所示，在堆栈式电极组件10中，从每块电极板中拉出一根电极分接头11，电极引线部分12与电极分接头11焊在一起。具体而言，从正极板拉出正极分接头11a，将正极引线12a焊接到正极分接头11a上。另外，从负极板拉出负极分接头11b，将负极引线12b焊接到负极分接头11b上。在每根电极引线12a和12b上粘有聚合的保护胶带24。即使在将袋形外壳30密封后，正极引线和负极引线12a和12b也会形成暴露在袋形外壳30外面的电极端子。

如图2所示，依照本发明另一实施例的胶卷型电极组件20一般用于锂离子电池，它被构造成在正极板和负极板(未示出)之间插有间隔件(未示出)，并将所得产品卷绕起来。正极板是通过在由金属箔片、例如铝箔制成的正极集电器上涂覆含正极活性材料、例如氧化锂的正极复合浆料而成的。负极板是通过在由金属箔、例如铜箔制成的负极集电器上涂覆含负极活性材料如碳材料的负极复合浆料而成的。胶卷型的电极组件20装在袋形外壳30内，并被密封起来，但不能密封电解质溶液注入孔，接着通过电解质溶液注入孔注入电解质溶液，并密封电解质溶液注入孔，于是制得二次电池。

从胶卷型电极组件20的每块电极板上抽出电极分接头22。具体而言，是从正极板抽出正极分接头22a，从负极板上抽出负极分接头22b。与堆栈式电极组件10中类似的是，在每根电极分接头22a、22b上都粘有聚合的保护胶带24。在袋形外壳30外，正极分接头和负极分接头22a、22b分别暴露给正极和负极端子。

正如上面所述，如图1和2所示，堆栈式电极组件10或胶卷型电极组件20都装在内部具有空间33的袋形外壳30中。袋形外壳30具有壳体31和袋形盖32，壳体被制成凹形的，由此提供了空间33，袋形盖32盖住壳体31，从而将空间33密封起来。袋形盖32的一端从壳体31开始延伸。在壳体31中，在空间33周围形成一个让壳体31被袋形盖32密封起来的凸缘34，袋形盖32与壳体31的凸缘34联接，从而将空间33密封起来。如图5所示，随着袋形盖32的一端与壳体31相连，空间33被三个边的密封部分35a、35b和35c密封起来。但是，该袋形外壳的形状并不限于前面所述的情况。尽管未示出，电极组件可装在其一面有开口的袋形外壳内，然后将开口面密封起来。该情况下就会形成一个密封部分。以下描述是参照袋形外壳、特别是带有壳体和袋形盖的袋形外壳给出的。

袋形二次电池的袋形外壳30由金属材料和树脂材料组成的叠片制成。如图3中所示，壳体31可由通过以下方式压制的复合材料制成：在金属、例如铝制成的箔片31a的内表面上设置由改性聚丙烯、例如浇铸聚丙烯(CPP)组成的热粘附层31b，在箔片31a的外表面上设置由聚合物树脂、例如由尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)组成的聚合物材料31c，在箔片31a和树脂材料31c之间插有热粘附层316。袋形盖32的结构与壳体31的相同。于是，袋形外壳30可通过让热粘附层31b在彼此接触的状态下进行热压缩而密封。

如图5所示，具有上述结构和材料的袋形外壳30有三个密封部分35a、35b和35c。第一密封部分35a布置在与壳体31和袋形盖32彼此连接的那一部分35d相对的地方，那里暴露着电极组件20的正极分接头和负极分接头22a和22b。在第一密封部分35a的两侧形成的第二和第三密封部分35b和35c沿图5所示的虚线折叠起来，由此缩小了电池尺寸。图5是图2所示袋形二次电池的平面图，它基本上与图1所示的电池相同。下面为了解释方便，将参照各个实施例描述具有图2所示胶卷型电极组件20的袋形二次电池。但是，具有堆栈式电极组件10的袋形二次电池也可以按照类似方式来布置。

如图2和5所示，在袋形外壳30的至少一个密封部分35a、35b和35c中布置至少一个开口部件41，由此构成安全排气口40。依照本发明的实施例，开口部件41可布置在第一密封部分35a的正极分接头22a和负极分接头22b之间，但其并不限于此。正如后面要描述的，开口部件41还可设置在袋形外壳30的侧面上，即设在第二或第三密封部分35b或35c上。尽管未示出，开口部件41可设置于在每一个相应密封部分之间的部分处，即设置在袋形外壳30的一角上。开口部件41优选设置在每个密封部分中心，这是因为当电池的内部温度和压力升高时，密封部分中心将遭受最严峻的压力和应力。

在本发明中，开口部件41由树脂材料制成，该材料的熔点比布置了开口部件41的密封部分35a的熔点低。这种设计方案能保证，在电池温度升高时，开口部件41在袋形外壳30的密封部分35a熔融之前熔融，于是在此处除掉密封。由此，在袋形外壳30包括由CPP制成的热粘附层、且密封部分是通过让热粘附层借助热压彼此相连而形成的情况下，开口部件41可由熔点低于CPP的聚乙烯(PE)树脂材料制成。尽管PE的熔点随密度而变，但用于构成开口部件41的PE的熔点通常却要比构成热粘附层的聚丙烯的低。该设计方案还适用于下面要解释的本发明的所有实施例。

开口部件41可以是多边形的，优选是图4所示的三角形。在此，三角形开口部件41的至少一边是平的以提供第一端41a。如图2和5所示，开口部件41被布置成让第一端41a面向第一密封部分35a处的袋形外壳30的内部，即空间33。相对空间33而言，去除了第一密封部分35a的密封的那一部分是平的，它是开口部件41熔融时产生的那个部分，由此就会促进第一密封部分35a的破裂。

如图4所示，通过调整与第一端41a相对的角度A，开口部件41就会促进第一密封部分35a的破裂。一般而言，为了更有效地让第一密封部分35a破裂，角度A为30到80度。

如图5所示，开口部件41可被布置成让其第一端41a与第一密封部分35a的内端、即面向第一密封部分35a的空间33的那一端相连，这能使开口部件41更容易接收来自电池内部空间33的热量，并在第一端41a熔融时促进开口部件41的开裂。

此外，可将开口部件41布置在小于第一密封部分35a的宽度L的一半的位置。如果开口部件41占据太多的第一密封部分35a的部分，布置了开口部件41的区域上的粘结强度就将大大减弱。

如图5所示，开口部件41从第一端41a开始的高度、即开口部件41在垂直于第一密封部分35a的方向上的厚度T，要小于第一密封部分35a的宽度L的一半。第一密封部分35a还可用于调整布置开口部件41的区域上的粘结强度。

可通过各种方式在位置、尺寸和形状方面改进上述开口部件41。如图6所示，开口部件41的高度、即它在垂直于第一密封部分35a的方向上的厚度，可大于第一密封部分35a的宽度L的一半。但是，该情况下，开口部件41要布置在对应于第一密封部分35a的长度L的一半的区域的下方。如图6所示，开口部件41的第一端41a可超出第一密封部分35a以伸向空间33。

如图7所示，在设置小尺寸开口部件的情况下，可布置两个或多个开口部件41，由此形成了熔融时具有预定宽度的断裂部分。

参照图8，可与在第一密封部分35a中一样，将开口部件设置在第二和第三密封部分35b和35c中。第二和第三密封部分35b和35c沿图8所示的虚线折叠一次或多次。该情况下，优选将开口部件41布置在折线内。在侧面密封部分、即第二和第三密封部分35b、35c上，可采用与上述厚度和位置相同的厚度和位置来设置开口部件。在侧面密封部分上的开口部件41分别对应于电极组件20侧面上设置的第一和第二安全排气口40a和40b。

尽管可将上述开口部件制成三角形，让它的两边长度相等，但依照本发明的开口部件的形状并不限于此。如图9和10所示，可将开口部件布置成不让最长边42b面向空间33。但是，该情况下，面向空间33的第一端42a优选是平的，与第一端42a相对的角度B优选为30到80度。正如上面所述，开口部件42的高度、即开口部件42在垂直于第一密封部分35a的方向上的厚度T，要小于第一密封部分35a的宽度L的一半。开口部件41可布置在对应于第一密封部分35a的宽度L的一半的区域下方。如图9和10所示，可按连续方式布置两个或多个开口部件42，这会促使此处发生破裂。

出于方便，已参照采用了三角形开口部件的安全排气口描述了本发明，但本发明并不限于此。如图11所示，依照本发明的安全排气口40可拥有菱形的开口部件43，它也可以具有其它类型开口部件的各种形状。如图12所示，可设置圆形或椭圆形的开口部件44。如图13所示，可设置半圆形的开口部件45。

下面描述依照本发明的袋形二次电池的开口部件的操作。现在通过举例描述图2和5所示的具有开口部件的袋形二次电池。

当图2和5所示的袋形二次电池被过度充电/过度放电或暴露于高温下时，电池内部产生气体，如图14所示，导致电池体积膨胀。电解液的膨胀进一步加大了电池的体积膨胀。如果电池继续膨胀，就会在电池内部发生失火和爆炸。因此，必需在失火、爆炸产生之前排出电池的内部气体。

如上所述，当电池内部释放出气体时，电池的内部压力和温度也升高。依照本发明，如果电池的内部温度升高到预定温度，进而达到安全排气口40的开口部件41的熔点，开口部件41就会熔化，由此腾空被开口部件41占据的空间。由于开口部件41的空间被腾空，安全排气口40内第一密封部分35a的粘结宽度就会薄于其它部分的宽度，于是其粘结强度也会降低。因此，如图15所示，与安全排气口40内的开口部件41所占据的空间相对应的那部分破裂，电池的内部气体通过该破裂部分排出，由此避免了电池失火和爆炸。

上述插在袋形外壳粘附层之间的开口部件由不同于粘附层所用材料的材料制成。因此，将开口部件插在粘附层之间降低了带有开口部件的密封部分的粘结强度。于是，带有开口部分的密封部分比其它部分更容易破裂，由此避免了电池的爆炸和火灾。

正如上面所述的，本发明尤其具有以下优点。

第一，由于改善了电池的热稳定性，因此可以避免电池在高温条件下使用时发生爆炸和火灾的风险，或者可避免电池发生热击穿。

第二，即使在电池的内部气体压力因过度充电、内部短路等原因而过高时，它也能保证电池安全。

第三，由于电池安全性是通过简单结构来实现的，因此它能提高电池的工艺性。

虽然已经参照本发明的优选实施例具体表示并描述了本发明，但本领域普通技术人员要理解的是，在不脱离所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可在形式和细节上对本发明作出各种变化。

Claims (11)

1.一种袋形二次电池，它包括：

电极组件，它带有正极板、负极板以及正极端子和负极端子，在正极板和负极板之间插有隔板，正极端子和负极端子分别从正极板和负极板延伸出来；

袋形壳体，它具有容纳电极组件的空间和密封部分，其中所述空间要被密封起来，所述密封部分设置在所述空间的外围，正极端子和负极端子中的至少一个暴露于密封部分；以及

至少一个开口部件，它设置在密封部分上，并由熔点比袋形外壳的密封部分的熔点低的树脂材料制成。

2.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中开口部件有一个平坦的第一端，该平坦的第一端面向袋形外壳的空间。

3.根据权利要求2所述的袋形二次电池，其中第一端与密封部分的内侧端相连，所述内侧端面向布置了开口部件的密封部分的空间。

4.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中开口部件是多边形的。

5.根据权利要求4所述的袋形二次电池，其中开口部件是三角形的，其中该三角形的一边面向布置了开口部件的密封部分的内侧，与该边相对的角在30到80度的范围内。

6.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中开口部件是圆形、椭圆形、或半圆形。

7.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中开口部件在垂直于密封部分的方向上的厚度小于布置了开口部件的密封部分的宽度的一半。

8.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中开口部件安置在布置了开口部件的密封部分的一半宽度的下方。

9.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中正极端子和负极端子彼此间隔开预定距离，它们借助密封部分暴露在袋形外壳之外，开口部件插在密封部分的正极端子和负极端子之间。

10.根据权利要求1所述的袋形二次电池，其中袋形外壳在密封部分的内表面上有一层由树脂材料制成的粘附层，开口部件由熔点低于粘附层熔点的树脂材料制成。

11.根据权利要求10所述的袋形二次电池，其中开口部件由聚乙烯树脂材料制成。

Images