CN1332470C - 电池组件 - Google Patents

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Abstract

提供一种电池组件，该组件能提高电池组件的容积效率而不需要容纳在树脂模制壳体中。第一层压材料具有通过拉深而形成的凹部，电池元件容纳在该凹部中。第二层压材料层叠以致覆盖凹部的开口而密封开口的外围。第一和第二层压材料向内弯曲以覆盖电池元件，并通过加热粘结并固定在一起。第一层压材料具有包括聚丙烯层，软铝层，和尼龙层或PET层的三层结构。第二层压材料具有相似的结构但是包括硬铝层。因此，第二层压材料具有足够的强度以抵抗变形而不需要将电池单元容纳在树脂模制壳体中。

Description

电池组件
有关申请的交叉文献
本文本基于2003年11月14日在日本专利局提出的日本优先权文本JP2003-385287，其全部内容列入本文作为参考。
发明背景
1.技术领域
本发明涉及一种用于例如，一种锂离子聚合物二次电池的电池组件，。
2.背景技术
最近，已经发展便携式电子设备，如膝上型个人计算机，移动电话，和PDA(个人数字助理)，而且，作为设备的电源，广泛应用具有如高电压，高能量密度和轻质量的优点的锂离子电池。
此外，已经解决了在使用液体状态的电解质时出现的液体的泄漏的缺点的锂离子聚合物二次电池已经得到了实际应用，例如，使用含有以非水电解质溶液浸渍的聚合物的凝胶聚合物膜或处于固态的电解质作为电解质的锂离子聚合物二次电池。
聚合物锂离子电池具有由包含正极，负极和聚合物电解质的电池元件的单元结构，其中引线分别从正极和负极中引出，而且电池元件被一种外部覆盖材料覆盖，例如，铝的层压件。此外，该电池单元与安在其上面的具有线路部分接线板一起放置在盒子状的塑胶模制壳体中，该壳体由上壳体和下壳体组成。以下的专利文件1描述了具有以上结构的锂离子聚合物二次电池的实施例。(专利文件1：日本专利申请公开，2002-8606)。
在本发明的说明书中，具有带状正极，带状负极，和聚合物电解质和/或放置在正极和负极之间的隔膜相互层叠并且以纵方向上螺旋地盘绕在一起成为提到的电池元件，其中，接线端子分别从正极和负极中引出。电池元件以外覆盖膜覆盖作为所述的“电池单元”。还具有一个必需的电路，如保护性电路的该电池单元而称为“电池组件”。
发明概要
在具有其中电池元件含于铸模壳体的常规结构的电池组件中，该铸模壳体具有厚度为约0.3-0.4mm的壁，因此，考虑到用作固定部件的双面的粘结带的厚度或者误差，电池组件的厚度大于电池单元厚度约0.8至1mm。此外，上面的和下面的铸模壳体需要一种其外周方向适于用超声波焊结而使其粘结的结构，因此，需要厚度为约0.7mm的壁，以至于电池组件的体积不可避免的是电池单元体积的1.3至1.4倍。
因此，本发明提供了一种电池组件，该电池组件可以抑制电池组件体积的增大而不牺牲机械强度和安全性。
为达到上述目的，本发明第一实施方案就是一种具有聚合物电池的电池元件的电池组件，其中，电池元件是以敞开状态放在硬质外覆盖材料上面的方式，使电池元件以硬质的外覆盖材料覆盖；硬质外覆盖材料是封闭的而且硬质外部覆盖材料的两端是粘结一起的；这样，电池组件成形为具有两侧壁向外扩展的横截面基本上呈半圆形的结构。
本发明的第二个实施方案是一种具有聚合物电池的电池元件的电池组件，其中，电池组件具有外部覆盖材料，该覆盖材料由第一和第二具有基本相同尺寸的层压材料构成；电池元件处于第一层压材料中形成的凹部，第一和第二层压材料相互层叠从而第二层压材料覆盖了在凹部的开口以密封该开口的外周；在第一层压材料的凹部的底部外侧使每个第一和第二层压材料的两端都粘结在一起；而且电池组件成形为其中两个侧壁向外扩展的横截面具有基本半圆形的结构。
根据本发明，组件中的电池单元可以是最大，并因此，可以获得一个高能量密度的组件，从而解决了如下常规的的缺点，即当单元被放在外部覆盖物铸模壳体中时，在壳体与包含在壳体里面的单元之间形成缝隙从而降低了电池组件的体积能量密度。
在本发明中，由于电池单元具有由金属制成的硬质层压膜覆盖的外部表面，甚至在组件的侧部没有使用框架或类似物，电池组件就可以保持强度，耐裂缝性，和抗图针或类似的穿透的合适强度。
在本发明中，仅需要用于支撑接线板的框架并且减少了包括外部覆盖铸模壳体的几个部分，因此，降低了相当的费用。
与以往的电池单元不同，本发明的电池单元可以提高强度。
在本发明中，该单元部分的生产和该组件部分的生产是通过连续的步骤来进行的，因此，缩短了所需的生产时间。
附图简述
图1是说明本发明应用的一个的实施方案的电池组件的示意图；
图2是显示本发明的一个实施方案中制作的单元的状态的示意图；
图3是本发明的一个实施方案中的电池元件的透视图；
图4是本发明的一个实施方案中的单元的透视图；
图5是本发明的一个实施方案中的层压材料1A的叠层结构的示意图；
图6是本发明的一个实施方案中的单元的示意图。
优选实施方案的描述
以下，结合附图对本发明的一个实施方案进行描述。图1显示了本发明应用的用于锂离子聚合物二次电池的电池组件的结构。标记1A和1B分别指的是第一和第二层压材料，以及电池元件由层压材料1A和1B覆盖以构成单元。电池元件相当于锂离子聚合物二次电池以及例如具有长边为49mm，短边为40mm，厚度为4.4mm的片状结构。
如以下描述的层压材料1A和1B，构成包含形成在金属层的两个表面上的粘结层和表面保护层的三层结构的薄膜。层压材料1B的表面保护层整个呈现在电池单元的外表面上。图1B显示了通过沿着线P切开的层压材料1A，1B并去掉它们而使电池元件14露出的情形。
露出分别与电池元件的正极和负极连结的接线端子2和3。通过接触焊，超声波焊接或类似的将接线端子2、3和保护电路连结一起。如图1A所示，具有安装在其上的保护电路并且被粘结到电池元件上的电路板6，是插在顶盖4和支撑板5之间的部分以形成整块。用于电路板6的保护电路具有温度保护单元，如PTC(正温度系数)或热敏电阻器，当电路成为高温时，该温度保护单元将切断单元中的电流通路。
接着，将粘结剂或类似物初步填充到由此露出接线端子2和3的端面的一面(side)内，(以下，这个面(side)经常指定为“顶面”)，然后由顶盖4，支撑板5，和电路板6构成的整块插入到这面内。然后，层压材料1B的粘结层由此暴露的单元部分和由树脂如聚丙烯(PP)制成的顶盖通过加热而粘结，因此，提高了粘结强度。
然后，将粘结剂预先装进露出单元部分的接线的端面侧的对面(以下，这个面(this side)指定为“底面”)，并且由树脂制成的后盖7(图1C)插入到底面内。最后，将由具有粘结剂的铝-沉积的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜制成的外部覆盖片8(图.1D)施加到最终产物中。
参照图2对一个单元部分的实施方案进行描述。在这个实施方案中，使用了两种层压材料1A和1B。为了在其中包含电池元件，通过用冲模拉伸将层压材料1A预先加工成预定的形状。电池元件包含在通过拉伸形成的凹部。热粘结薄板12放置在与凹部的底部相对应的位置的外表面上。
在图3中，标记14表示电池元件。电池元件14包含带状正极，带状负极，和聚合物电解质和/或放在正极和负极之间的隔膜，将其相互层叠，并且以纵方向成螺旋地盘绕在一起，其中接线端子2和3分别从正极和负极中引出。
正极由形成在带状阳电极集电体的正极活性物质以及还有形成在正极活性物质层上的聚合物电解质层所构成。负极由形成在带状负极集电体的活性物质层以及形成在负极活性物质层上的聚合物电解质层所构成。接线端子2和3分别被焊接在正极集电体和负极集电体上。可以使用早已提及的材料作有正极活性物质，负极活性物质，和聚合物电解质。
在正极中，根据所要求的电池的类型可以使用金属氧化物，金属硫化物，或特殊的聚合物，作为正极活性物质。例如，当制备锂离子电池时，可以使用主要包含LixMO2的含锂复合氧化物(其中M代表至少一种过渡金属，和x通常代表0.05至1.10并根据电池的充放电状态而变化)，作为正极活性物质。作为构成含锂复合氧化物的过渡金属M优选是Co，Ni或Mn。
含锂离子复合氧化物的具体实例，包括LiCoO2，LiNO2，LiNiyCo1-YO2(其中0＜y＜1)，和LiMn2O4。这些含锂复合氧化物可呈现高电压和良好的能量密度。作为选择，可以使用不含锂的金属硫化物或氧化物TiS2，MoS2，NbSe2，或V2O5，作为正极活性物质。在正极中，许多这种正极活性物质可以组合使用。此外，当使用上述阳极活性物质构成正极时，可以添加导电剂，粘合剂或类似物。
作为负极的材料，可以使用能够掺杂和脱出锂的材料。例如，可以使用如非石墨化的碳材料或石墨材料的碳质材料。尤其是，可以使用例如热解碳，焦炭(沥青焦炭，针形焦炭，石油焦炭)，石墨，玻璃态碳，有机聚合物的煅烧产品(苯酚树脂，呋喃树脂或类似物通过在适当的温度下煅烧而使其碳化获得的)，碳光纤，或活性炭的碳质材料。此外，可以使用聚合物如聚乙炔或聚吡咯，或氧化物如SnO2，作为能够掺杂锂和脱出锂的材料。当由上述材料构成负极时，可以添加粘合剂或类似的材料。
聚合物电解质是由其中掺入一种由聚合物材料，电解质溶液，和电解质盐混合而获得的凝胶电解质的聚合物构成。该聚合物材料具有和电解质溶液相配伍的特性，并且，使用如硅凝胶体，丙烯酸凝胶体，丙烯腈凝胶体，改性的聚磷腈聚合物，聚环氧乙烷，聚环氧丙烷，或复合聚合物，交联聚合物，或其改性聚合物，或氟系聚合物材料，如聚偏氟乙烯，聚(1，2-二氟乙烯-共-四氟丙烯)，或聚(1，2-二氟乙烯-共-三氟乙烯)，或其混合物。
电解质溶液组分是在其中可分散的上述聚合物材料，并且，作为非质子溶剂例如可使用碳酸亚乙酯(EC)，碳酸亚丙酯(PC)，碳酸亚丁酯(BC)，或类似物，作为电解质盐使用与溶剂兼容的并且电解质盐由阳离子和阴离子组合而构成。作为阳离子使用碱金属或碱土金属，作为阴离子使用Cl-，Br-，I-，SCN-，ClO4 -，BF4 -，PF6 -，CF3SO3 -，或类似物。作为电解质盐尤其是，使用六氟磷酸锂或四氟硼酸锂的浓度要使其能溶解在电解质溶液中。
在该实施方案中，层压材料1A和1B用于上述的电池元件起外部覆盖材料的作用。在常规的锂离子聚合物二次电池中，仅使用单层的层压材料，然而，在本实施方案中，使用包括两个层压材料1A和1B的层叠结构。
图5示出了层压材料1A的层叠结构。作为层压材料1A，其应适于拉伸，并适用于在其中形成凹入的部分以使电池元件可嵌入。并且层压材料1A比层压材料1B更柔软。层压材料1A从内侧面起(该面接触层压材料1B)具有作为粘结层的聚丙烯(PP)层15A，作为金属层的软铝金属层16A，和作为表面保护层17A的尼龙层或PET层(聚对苯二甲酯乙二醇酯)。
聚丙烯层15A阻止聚合物电解质在性能上的变化。作为聚丙烯层15A使用铸塑的聚丙烯(CPP)或类似物。例如，聚丙烯(PP)层15A具有约为30μm的厚度。
软铝金属层16A防止湿气进入电池元件。作为软铝金属层76A可使用具有厚度约为30-130μm的范围内的退火铝(3003-O JIS H 4160)或(3004-O JISH4160)或类似物。尼龙层或PET层17A保护表面。尼龙层或PET层17A的厚度约为10-30μm。
另一方面，层压材料1B是硬质层压材料，当其弯曲时可保持形状并可抵抗因外力引起的变形。层压材料1B具有作为粘结层的聚丙烯层，硬质铝金属层，和尼龙层或PET层作为表面保护层。
在层压材料1B中的聚丙烯层和尼龙层或PET层与层压材料1A中的对应层是相似的。作为硬质铝金属层使用厚度为约30-130μm范围内的未退火铝(3003-O JIS H 4160)或(3004-O JIS H 4160)或类似物。在层压材料1A和1B中的各层的厚度在考虑整个厚度的适当选择。
在一个实施方案中描述了用于生产单元部分的方法。将层压材料1A预先进行深拉伸，以用于在其中容纳电池元件14。在层压材料1A中形成的凹部容纳有电池元件14。在图2A中，示出了凹部的底部的外表面，并且凹部的开口与底部相对。
接着，层压材料1B层叠在层压材料1A上，以使其覆盖凹部的开口并且层压材料1A和1B的各聚丙烯层是相互对置。在这种情况下，如图2A中所示，层压材料1A和1B的位置有位移。层压材料1A具有相同长度的顶面长边21和底面长边22，并且具有相同长度的左侧短边23和右侧短边24。类似的，层压材料1B具有相同长度的顶面长边31和底面长边32，并且具有相同长度的左侧短边33和右侧短边34。对于位置的左右关系如图所示。
顶面长边21，31和底面长边22，32分别具有基本上相同的长度。长边的长度确定要使各个层压材料的短边(分别是短边23和24，和短边33和34)相互接触或短边的边面相互对置并具有微小的间隙，在其中的状态是使其中层压材料覆盖用于容纳电池元件的部分。
在层压材料1B的顶面长边31上形成一对凹槽并位于用于容纳电池元件部分的侧壁的扩展部分。底面长边22和32具有基本上相同的长度。层压材料1A的短边23，24比层压材料1B的短边22，32稍微短些。因此，当层压材料1A和1B互相层叠时，靠近沿着顶面长边的边缘只有层压材料1B显示出来。如上述提供由树脂制成的顶盖时，层压材料1B的聚丙烯层是通过加热而与顶盖的表面粘结。该层压材料1B的粘结层可以在底侧端面附近露出。
如图2A所示，用于容纳电池元件的凹部的层压材料1A是形成在离中心稍微向右移位的位置。层压材料1B层叠在层压材料1A上以使它稍向右移动。因此，如图2A所示，层压材料1A和1B相互层叠后，形成了其中仅出现层压材料1A的左侧区域和仅出现层压材料1B的右侧区域。层压材料以这样移位的原因是归于一个层压材料的聚丙烯层粘结到另一个层压材料时，在层压材料1A和1B的接缝附近具有一定的粘结宽度。
然后，如图2A所示，电极元件插入装置中，并且在减压时，凹部的开口处的外围四边进行密封。在这种情况下，整个相互层叠的聚丙烯层部分可以通过加热而粘结。然后，密封的电池元件被放置在模具中，电池元件经由模具而成型以致使得其中端面11A和11B在两面向外扩展的横截面具有基本上为半圆的形状如在图4和图6所示。如图1B，图6A中所示出的情况，其中通过沿着线P切开层压材料1A，1B并去除它们以使电池元件14露出来。
接着，如图2A所示，将具有预定形状的热粘结薄片12插入凹部的底面的外侧。热粘结薄片12是用于将层压材料1A的尼龙层或PET层17A粘结到一起的辅助部件，也就是，通过加热至高温以使尼龙与尼龙或PET与PET粘结在一起。尤其是，考虑到总厚度，使用的热粘结薄片的厚度大约是10-60μm，并且熔化温度约为100℃。优选的，热粘结薄片12应具有对电池元件不会产生不利影响的熔化温度。
然后，在图2A中示出的处于敞开状态下的层压材料1A和1B的短边23，24和33，34向内弯曲的以使层压材料覆盖其中包含电池元件的凹部，并且通过从外部加热而粘结在一起，从而固定封闭的状态。图4和6示出了其中层压材料由密封剂密封的情况。
如图4和6所示，接缝L1形成在层压材料外部，在接缝L1处，层压材料1B的短边33和34相互接触或短边的边缘面相互对置并在其中具有微小的狭缝，而接缝L2形成在层压材料1B内部，在接缝L2处，层压材料1A的短边23和24相互接触或短边的边缘面相互对置并在其中有微小的狭缝。
图6C示出接缝L1和L2部分的横截面。层压材料1A的尼龙层或PET层17A安置在热粘结薄片12下，这里没有示出。当层压材料1A和1B向内弯曲并密封时，层压材料1A和1B倒置在热粘结薄片12上，即，层压材料1A安置在热粘结薄片12的下面并且层压材料1B安置在热粘结薄片12的上面。在图6C中，标记15B代表层压材料1B的聚丙烯层，标记16B代表硬铝金属层，而标记17B表示尼龙层或PET层。
如图6C所示，层压材料1A的尼龙层或PET层17A设置在热粘结薄膜12的上面并与其接触。因此，形成了一种将热粘结薄膜12安置在尼龙层或PET层17A之间的结构，从而，尼龙层或PET可以通过在外部加热而粘结在一起。此外，层压材料1A和1B的各个聚丙烯层16A和16B相互对置并且相互接触，因此，聚丙烯层16A和16B可以通过外部的加热而粘结在一起。
因此，可以制成其中硬质的层压材料1B起外部覆盖材料的作用的电池组件，而不需要使用树脂制作的盒状外壳，并且不需要提供在电池组件的两面上由树脂制成的框架。
本发明不限于以上描述的本发明的实施例，并且在不丧失本发明的效果时可以有多种变化或修改。例如，在电池组件内部的层压材料1A是不露出的，从而省略了表面保护层，可以使用层叠的结构，在其中，聚丙烯层(PP)作为粘结层安置在软铝金属层16A的两个面上(见图5)。在这种情况下，层压材料1A的粘结层相互对置，因此可以省略热粘结薄片12。此外，除了热粘结外，还可以使用粘结剂。
此外，在本发明中，可以使用这种结构，其中，层压材料1A和1B向内弯曲以形成在顶部和底部的开口，而来自开口的接线端子銲结在电路板上，然后将电路板由在电路板支撑架支撑该支撑架是在不同步骤中单独制备的，此外，当弯曲接线端子时电路板支撑架插进开口。

Claims (8)

1.一种具有聚合物电池的电池元件的电池组件，其中，
所述电池元件包含带状正极、带状负极、聚合物电解质和/或放置在正极和负极之间的隔膜，其相互层叠，并且以纵方向成螺旋地盘绕在一起，其中接线端子分别从正极和负极中引出，
所述的电池元件由硬质外部覆盖材料覆盖，以致使所述的电池元件以敞开状态放置在所述的硬质外部覆盖材料上，并且封闭所述的硬质的外部覆盖材料，和将所述的硬质的外部覆盖材料的两端粘结在一起；
成形所述电池组件以使得其中两个侧面向外扩展的横截面基本具有半圆形。
2.一种具有聚合物电池的电池元件的电池组件，其中，
所述电池元件包含带状正极、带状负极、聚合物电解质和/或放置在正极和负极之间的隔膜，其相互层叠，并且以纵方向成螺旋地盘绕在一起，其中接线端子分别从正极和负极中引出，
所述电池组件的外部覆盖材料含有基本上有相同尺寸的第一和第二层压材料；
在所述第一层压材料中形成的凹部内容纳所述电池元件；
所述第一和第二层压材料是相互层叠以使得所述第二层压材料覆盖所述凹部的开口以密封所述开口的外围；
每个所述第一和第二层压材料的两个端部在所述第一层压材料的凹部的底部的外侧相互粘结在一起；
成形所述电池组件以使得其中两个侧面向外扩展的横截面具有基本半圆形。
3.根据权利要求2的电池组件，其中
所述的第一和第二层压材料的接缝位置是错开的。
4.根据权利要求2的电池组件，其中
所述第一和第二层压材料分别包含相互层叠的粘结层，金属层和表面保护层；
所述第一和第二层压材料的所述各个粘结层层叠以使其相互对置。
5.根据权利要求4的电池组件，其中
所述粘结层是热粘结层，而所述第一层压材料的各个表面保护层是通过在所述凹部的底部上的外表面上的热粘结薄膜而粘结。
6.根据权利要求2的电池组件，其中
所述第一层压材料包含相互层叠的粘结层，金属层和表面保护层；
所述第二层压材料包含相互层叠的粘结层，金属层和表面保护层；
所述第一和第二层压材料的所述各粘结层是层叠以使其相互对置。
7.根据权利要求2的电池组件，其中
所述第一和第二层压材料分别包含金属层；
所述第一层压材料的所述金属层具有柔软性质以至于能通过拉拔而处理；
所述第二层压材料的金属层具有硬质特性以至于能保持形状并且能抵抗因外力而形成的变形。
8.根据权利要求7的电池组件，其中
所述第一层压材料的所述金属层是退火铝；
所述第二层压材料的所述金属层是未退火铝。
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