CN1298063C - 具有层叠膜的扁平二次电池模块 - Google Patents

Abstract

由于两种电池在密封方法方面的不同，以熔合粘结密封型层叠膜为其外包装体的扁平二次电池在密封可靠性方面要比以焊接密封型罐为其外包装体的扁平二次电池差一些。因此，在寻找使层叠膜二次电池的密封可靠性更接近于罐型二次电池的密封可靠性的方法方面存在着大的挑战。通过进一步增加密封力而不对现有层叠膜二次电池采取任何措施，是可以提高密封可靠性的，其方式是将现有层叠膜二次电池的熔合粘结区域自上侧至下侧从外面夹住，以便机械地将来自外部的密封力加到层叠膜自身的密封力上。

Description

具有层叠膜的扁平二次电池模块

技术领域

本发明涉及使用扁平层叠膜二次电池构建的模块，特别涉及用于夹住扁平层叠膜二次电池的结构。

背景技术

一般地，金属罐型二次电池是二次电池的最主要一种类型，并且在许多情况下，二次电池的生产方式是，在金属罐中放入电源生成元件和电解液之后，执行析取电极这一步，并且最后，对金属盖进行激光焊接。这样，罐型二次电池具有高密封性能，好处是即使是长期使用它也不会有电解液从金属罐泄漏到外部的问题。同时，由于最近使用层叠膜作为外包装体的二次电池的大量涌现，该种电池比金属罐型二次电池轻且形状灵活，因此对于形状灵活多样以及重量密度改善的需求比较强劲。

在扁平层叠膜二次电池中使用的层叠膜是通过将尼龙片粘合到薄铝片的前表面上，以及将一般具有熔合粘结属性的聚乙烯片或聚丙烯片粘合到薄铝片的后表面上来获得的。在使用这种铝层叠膜来包裹电源生成元件和析取电极之后，层叠膜的三个或四个面被熔合粘结以生成二次电池，经常被称为扁平层叠膜二次电池。由于层叠膜型二次电池在结构上具有熔合粘结的面，因此该熔合粘结面的密封属性可以说是与电解液的泄漏问题有关。不过，在当前条件下，通过熔合粘结而获得的密封属性与在罐型二次电池中通过激光焊接而获得的密封属性相比很难保证有长期可靠性，并且因此对于层叠膜型二次电池来说，要想延长密封属性是很大的挑战。

发明内容

本发明的提出考虑到了上述情况，并且本发明的一个目标是改善扁平层叠膜二次电池的密封属性。

有层叠膜作为外包装体的扁平层叠膜二次电池的密封力一般取决于层叠膜的熔合粘结性能，并且密封力的长期可靠性与融合粘结宽度成正比。例如，在保证五年期密封可靠性的情况下，当密封力较大时，熔合粘结宽度较窄，但是相反，当密封力较小时，熔合粘结宽度需要足够得宽。

另一方面，当将罐型电池的密封属性与层叠型电池的密封属性相比时，由于密封方法的不同，显然罐型电池的焊接密封方法是优选的。为了使层叠膜的密封属性尽可能接近罐型电池的密封属性，有必要改善层叠膜的熔合粘结性能以及加宽其熔合粘结宽度。

不过，层叠膜熔合粘结性能的改善除了需要一定时间以外，还需要研制成本，并且熔合粘结宽度的拓展也需要时间和研制专用密封设备的成本。进而存在一个问题，即材料成本的增加会使产品成本增加。因此，本发明提出一种模块结构，在这种结构中现有层叠膜自身的密封力加上了来自外部的密封力，以便尽可能地接近罐型电池的密封属性。

在本发明提出的模块结构中，有层叠膜作为外包装体的现有扁平层叠膜二次电池的四面密封部分经由密封辅助板被模块盖子从上侧和下侧机械地夹住。有了密封辅助板的插入，层叠膜自身的密封力就加上了通过盖子和密封辅助板来夹住密封部分的密封力，因此能够进一步改善层叠膜自身的密封性能。

因此，本发明提供的模块的特征在于，在模块中包括有(固定于其中的)扁平层叠膜二次电池，并且扁平层叠膜二次电池的层叠膜密封部分的一部分或全部从上侧至下侧被密封辅助板夹在中间。在这种情况下，适当的是上述密封辅助板被模块的上、底盖子夹住。

为了讲述本发明的模块结构，首先，拿现有模块结构来作为例子。图1和图2示出了现有模块结构。图1示出了通过在盒形壳体9中装上扁平层叠膜二次电池3并且将填充物10注入盒形壳体9和扁平层叠膜二次电池3之间的空间中以便将扁平层叠膜二次电池3固定在壳体中而获得的结构。在一些现有模块结构中，将橡胶片5插入盒形壳体9和扁平层叠膜二次电池3之间的空间中。

图2示出了顶盖-底盖型模块结构，它是通过将扁平层叠膜二次电池3夹在顶盖1和底盖2之间以便通过两个盖子之间挤压的力来固定扁平层叠膜二次电池3。不过也存在一些情况，其中橡胶片5插于扁平层叠膜二次电池3的固定表面和每一个顶盖和底盖1和2之间，并且也有其他情况，其中填充物10被注入在扁平层叠膜二次电池3的每一个侧面和顶盖、底盖1和2之间产生的空间，基本结构是通过由顶盖盒底盖1和2挤压的力来将扁平层叠膜二次电池3固定住。

在任何一个上述结构中，扁平层叠膜二次电池的密封属性取决于层叠膜自身的密封力。在模块构建之后，甚至将填充物10注入到由模块内部的扁平层叠膜二次电池产生的空间中，也不能将外力加到叠层密封部分上，因此在这种情况下，扁平层叠膜二次电池的密封性能也取决于层叠膜自身的密封力。

与此相反，本发明提出了一种能够解决现有模块结构一直不能解决的问题的结构。本发明的基本作用用图3说明。如图3所示，本发明的模块结构是夹住扁平层叠膜二次电池3的层叠膜密封区域11，以便经由密封辅助板4将其从上侧和下侧夹在模块的顶盖1和底盖2之间，从而通过密封辅助板4机械地夹住层叠膜密封区域11。因此，由于存在夹力，层叠膜自身的密封力被加以来自外部的密封辅助板4的密封力，从而改善了层叠膜的密封性能。密封区域11由示出了扁平层叠膜二次电池透视图的图4中的填充区域表示，并且该部分是通过熔合粘结来密封的。

为了实现本发明的模块结构，需要密封辅助板4具有一定的硬度，用于从上侧和下侧将层叠膜的密封部分区域夹在中间，以改善密封性能。同时，由于从层叠膜外包装体中析取电极，并且密封部分的电极析取侧的截面具有如图5所示的凸凹构造，因此密封辅助板4优选地使用适合凸凹构造的弹性材料。图6示出了从一端析取正负电极情况下的凸凹构造，并且在这种情况下，密封辅助板4优选地使用适合凸凹构造的弹性材料。

优选应用的密封辅助板包括：密封辅助板4，由适合凸凹构造的弹性塑料材料、由弹性塑料材料和金属材料的结合材料、或者由弹性塑料材料和高硬度的塑料材料的结合材料制成；以及由厚度等于或大于扁平层叠膜二次电池3的扁平橡胶垫圈制成密封辅助板6(图7)。

在通过密封辅助板4或6将层叠膜的密封区域11夹在中间的过程中，虽然任何程度的挤压力都会造成一定影响，但是仍希望能尽可能大的密封力。不过在密封辅助板4的情况下，较大挤压力的产生需要提高密封辅助板4的硬度，从而自然会增加密封辅助板4的重量。在密封辅助板6的情况下，为了因密封辅助板6收缩而导致的变形足够，也需要增加模块顶盖1和底盖2的硬度，从而自然会增加顶盖1和底盖2的重量。考虑到模块的重量密度，应该最大幅度地抑制总重量的增加。

附图说明

图1是现有模块A的结构的示意图；

图2是现有模块B的结构的示意图；

图3是本发明的模块结构的示意图；

图4是扁平层叠膜二次电池的熔合粘结密封区域的示意图；

图5为构建的用于从相对侧析取电极的这种类型扁平层叠膜二次电池的电极析取部分的放大视图；

图6为构建的用于从同一侧析取电极的这种类型扁平层叠膜二次电池的电极析取部分的放大视图；

图7是本发明的实例2的模块结构的示意图；

图8是本发明的实例1的模块结构的示意图；以及

图9为一实例视图，示出了本发明的一个模块结构的例子(以4行和4列的16系列的大尺寸模块的例子)。

注意，标号1表示模块的顶盖。标号2表示模块的底盖。标号3表示扁平层叠膜二次电池。标号4表示密封辅助板(由高硬度材料和弹性材料结合而成的类型)。标号5表示海绵片。标号6表示密封辅助板(仅由弹性材料制成的类型)。标号7表示电极。标号8表示层叠膜。标号9表示盒形壳体。标号10表示填充物。标号11表示扁平层叠膜二次电池的层叠膜熔合粘结区域。

具体实施方式

下面参照附图来讲述本发明的实施例。如图3所示，本发明的实施例的结构特征在于，分别通过密封辅助板4将扁平层叠膜二次电池3夹在模块顶盖1和底盖2之间。所放置的密封辅助板4从上至下将作为扁平层叠膜二次电池3外包装体的层叠膜的密封区域11夹在中间。

由于密封辅助板4需要一定的硬度或刚度，用于机械地夹住层叠膜密封区域，因此密封辅助板4使用高硬度金属材料或高硬度塑料材料比较合适。同时，由于从层叠膜密封区域析取电极，因此密封部分的电极析取侧的截面具有凸凹构造。因此，密封辅助板4最好是使用适合凸凹构造的弹性材料。因此，密封辅助板4可以由作为适合凸凹构造的弹性材料的橡胶垫圈、高硬度金属材料或者高硬度塑料材料的结合材料制成。进而，密封辅助板4可以只由具有少量压缩持久变形的弹性材料制成。在这种情况下，密封辅助板的厚度设计需要考虑橡胶材料的压缩持久变形量与其压力之间的关系。

可以将普通金属材料、加强塑料等作为用于模块外包装体的材料例子来讲述。在本发明的模块结构中，通过模块的顶盖和底盖的每一个夹住密封辅助板，从而产生密封辅助板的密封力，通过该密封力夹住扁平层叠膜二次电池的层叠膜密封部分，因此，用于夹住密封部分的力越大，则效果越好。因此，用于模块外包装体的材料最好使用高硬度金属材料；不过，使用这样的金属材料也有缺点，因为模块的比重不希望地变小，因此有必要选择与模块应用相一致的最适宜材料。

在密封辅助板是由高硬度金属材料或高硬度塑料材料和弹性橡胶垫圈制成的情况下，如果用于使各个密封辅助板4从上侧和下侧来夹住层叠膜的密封区域11的高硬度材料已经被螺栓等固定，以对密封区域11施加夹力，则模块顶盖和底盖需要具有一定的夹力，以便恰好使扁平层叠膜二次电池不能在模块内部移动，因此可以在从低硬度材料到高硬度材料的较大范围内选择用于模块外包装体的材料。

另一方面，在密封辅助板6仅由具有少量压缩持久变形的弹性橡胶材料制成的情况下，模块外包装体需要具有一定力量来使密封辅助板6变形，并且也从上侧和下侧夹住层叠膜的密封区域11，因此用于模块外包装体的材料最好是在高硬度金属材料或高硬度塑料材料中选择。

不过，由于存在外力来夹住层叠膜的密封区域11，因此期望密封性能的改善至少要从层叠膜自身密封性能的改善开始，因此基本没有指定用于密封辅助板6和模块外包装体组合的材料。

下面使用图8来讲述本发明的例子1。首先，使用ABS树脂作为模块的材料。顶盖1和底盖2的尺寸为W105mm×D170mm×T7mm(厚度：5mm)，并且每一侧都提供了用于固定的螺栓孔。密封辅助板4由SUS材料制成，其尺寸为90mm×140mm×3mm同时其框架宽为10mm(内空部分：70mm×120mm)，并且在密封辅助板4的上表面和下表面中的每一个的框架宽度中心处形成了2mm宽×1mm深的槽。而且，在密封辅助板4的每一侧上都提供了用于固定螺栓的突起。使用作为弹性橡胶的每侧2mm的硅树脂橡胶，并将其置于密封辅助板4的框架槽中，以完成本发明的密封辅助板4。

采用了包括有电源生成元件的层叠型电池，以作为以层叠膜作为外包装体或外部覆盖体的扁平层叠膜二次电池3。电源生成元件是通过将正极和负极切成薄片并且在它们之间插有隔离物而形成的，并浸在非水电解液中。扁平层叠膜二次电池3的尺寸为W90mm×D140mm×T4mm，所包含的电源生成元件的尺寸为W70mm×D124mm×T3.8mm。而且，作为外包装体的层叠膜厚度为100μm，并且层叠膜的熔合粘结宽度(密度区域宽度)为10mm。

在上述结构中，如图8所示，扁平层叠膜二次电池3被密封辅助板4和硅树脂型海绵片5所层叠，并且用螺栓固定密封辅助板4。此时，将压力试纸置于密封辅助板4的橡胶垫圈区域和层叠膜的密封区域11之间，以调整挤压力。本例子中使用的硅树脂型海绵片5是具有约25的硬度的片。但是所采用的硅树脂型海绵片5并不具有硬度特征，当层压扁平层叠膜二次电池时，使用该薄片来填充扁平层叠膜二次电池之间所产生的空间，因此该薄片具有较高的弹性，并且比密封辅助板4的硅树脂橡胶柔软得多。在本例子中，考虑到密封辅助板所使用的硅树脂橡胶的压缩持久变形量，应将表面压力设定为不小于1kgf/cm²。相应的总重量为10kgf。

最后，包括有密封辅助板4、扁平层叠膜二次电池3和硅树脂型海绵片5的螺栓固定单元被夹在模块顶盖1和底盖2之间。

接下来，使用图7来讲述例子2。首先，使用玻璃环氧树脂作为模块的材料。玻璃环氧树脂是相比于其他环氧树脂来说具有高硬度的环氧树脂之一。模块顶盖1和底盖2的尺寸为W105mm×D170mm×T7mm(厚度：5mm)，如例子1所示。密封辅助板6仅由弹性橡胶制成，并且使用硅树脂橡胶作为密封辅助板6的材料。其尺寸为90mm×140mm×4.5mm，而其框架宽为10mm(内空部分：70mm×120mm)。这里使用的以层叠膜作为外包装体的扁平层叠膜二次电池3与例子1相同。

在上述结构中，如图7所示，扁平层叠膜二次电池3被密封辅助板6(带有内空部分的硅树脂橡胶)和硅树脂型海绵片5所层压，并且密封辅助板6和扁平层叠膜二次电池3被夹在模块顶盖1和底盖2之间以被固定住。此时，将压力试纸置于密封辅助板6(带有内空部分的硅树脂橡胶)和层叠膜的密封区域11之间，以调整夹力。本例子2中所使用的硅树脂型海绵片5与例子1中的相同。在本例子中，考虑到所使用的硅树脂橡胶的压缩持久变形量，应将表面压力设定为约1kgf/cm²。相应的总重量为约42kgf。

虽然上述的例子1和例子2只使用了一个扁平层叠膜二次电池，但是本结构并不局限于一个电池，并且可以应用到多个扁平层叠膜二次电池。而且，用于固定密封辅助板4的螺栓数目和位置也没有限制，螺栓的放置只是为了均匀地固定辅助板。

图9示出了使用四行和四列共16个扁平层叠膜二次电池3组成的16系列大型模块结构的一个例子。

随后，通过使用两种现有模块和例子1和2中的模块来进行密封属性评估。密封属性评估非常严格，其中将扁平层叠膜二次电池模块置于高温和高湿的环境中，以促进扁平层叠膜二次电池中的电解液的分解，同时水分穿过层叠膜的熔合粘结层渗入，以产生氢氟酸，使层叠膜的熔合粘结密封部分的密封属性加速恶化，从而导致电解液从二次电池中泄漏。该测试是在60℃/90％RH的环境下进行的，并且使用石蕊试纸来确认电解液的泄漏。

如图1所示，现有模块A构造为扁平层叠膜二次电池3和海绵片5被挤入厚度为1mm的铝制圆柱形罐盒子9中。图2所示的现有模块B构造为扁平层叠膜二次电池3分别经由厚度为1mm的上部和下部硅树脂型海绵片5，被夹在由SUS材料制成的、厚度为3mm的顶盖1和底盖2之间。在考虑密封评估时，需要注意在用于对照的现有模块A和B中没有使用填充器10。

表1示出了密封属性评估测试的结果。在表1中，根据在现有模块A的层叠膜密封性能恶化并且发生了电解液泄漏的时段，通过抗泄漏时段比(这是对电解液泄漏被确认的抗泄漏时段的放大)，对现有模块B和本例子的模块的密封属性进行比较。从表1明显可以看出，例子1和例子2的模块的抗泄漏时段为现有模块A的抗泄漏时段的2.5倍或更长。尽管在本例子的每一个模块中发生电解液泄漏的时段没有根据评估时段被指明，但是至少发现通过将层叠膜的熔合粘结密封部分从上侧至下侧机械地加住可以使模块的密封属性提高2.5倍或以上。

[表1]

	现有模块A	现有模块B	例子1	例子2
					抗泄漏时段的放大	1	1.2	2.5倍或以上	2.5倍或以上

如上所述，使用本发明的模块结构能够将现有模块结构的密封属性提高2.5倍或以上。而且，本发明的模块结构扩展能够组成大型模块。

工业可用性

本发明的模块结构具有提高总体密封力(密封属性)的效果，其方式是将扁平层叠膜二次电池的熔合粘结密封区域夹在从上侧至下侧之间以进行机械压紧，并且从而为层叠膜自身的密封力添加上了来自层叠膜外界的机械密封力。而且，由于本发明的结构可以应用于单个电池或多个电池，因此在构建大型模块中，具有使密封属性得到提高的这一状态得到保持的效果。进而，本发明的结构具有通过选择用于密封辅助板和模块外包装体的材料来自由设置模块密封力的效果。

Claims (8)

1.一种模块，其特征在于所述模块包括扁平层叠膜二次电池，并且所述扁平层叠膜二次电池的层叠膜密封部分区域的全部或一部分被密封辅助板从上侧至下侧夹住。

2.如权利要求1所述的模块，其特征在于所述密封辅助板被模块的顶盖和底盖所夹住。

3.如权利要求1所述的模块，其特征在于所述密封辅助板是仅由弹性塑料材料、由弹性塑料材料和金属材料的结合、或由弹性塑料材料和高硬度塑料材料的结合制成的。

4.如权利要求2所述的模块，其特征在于所述密封辅助板是仅由弹性塑料材料、由弹性塑料材料和金属材料的结合、或由弹性塑料材料和高硬度塑料材料的结合制成的。

5.如权利要求1所述的模块，其特征在于扁平层叠膜二次电池具有通过交替地将正电极、隔离物和负电极层叠而获得的电源生成元件。

6.如权利要求2所述的模块，其特征在于扁平层叠膜二次电池具有通过交替地将正电极、隔离物和负电极层叠而获得的电源生成元件。

7.如权利要求3所述的模块，其特征在于扁平层叠膜二次电池具有通过交替地将正电极、隔离物和负电极层叠而获得的电源生成元件。

8.如权利要求4所述的模块，其特征在于扁平层叠膜二次电池具有通过交替地将正电极、隔离物和负电极层叠而获得的电源生成元件。

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