CN1393040A - 二次电池的安全板 - Google Patents

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Abstract

一种二次电池安全板，能够防止因内部压力过大容易爆炸诸如锂离子二次电池的电池爆炸。在二次电池内，在阴极和阳极之间设置隔离体，缠有隔离体、阴极和阳极的胶质滚筒装在电池壳内，所述电池壳与阳极相连，具有电解液，电池壳的开口被上盖组件封闭，所述上盖组件与阴极相连。由电池壳上的弯曲槽形成的安全板作为安全部件，用以防止因内部压力增大而致电池爆炸。其中破裂几乎在弯曲槽的所有部分同时发生，减小了二次电池爆炸的危险。通过根据电池壳的尺寸和槽的位置减小破裂压力的偏差，提高了二次电池的安全性，而且，即使在槽破裂后，也能防止使用者受伤害，因为所述槽是按弯曲的形式形成的。

Description

二次电池的安全板
本申请以在2000年9月29日和2001年2月5日分别在韩国工业产权局申请的10-2000-57507和10-2001-5484号申请为基础，这里将二者的内容引为对比文献。
技术领域
本发明涉及二次电池，具体地说，涉及一种二次电池的安全板，这种安全板能够防止由于锂离子二次电池的内部压力所致的电池爆炸。
背景技术
当今，随着各种小型电子设备，如高效笔记本电脑和无线电话等的广泛使用，加大了对用作设备电源的二次电池的需求，这种二次电池能够再次充电，而且能量密度大。
在这类二次电池中，锂离子二次电池包括碳阳极、锂金属氧化物阴极、聚烯烃隔离体和电解液，通过锂离子在阳极与阴极之间移动时产生的电动势实现电池的充电和放电。
然而，锂离子二次电池的工作电位高，所以可能瞬间流过很高的能量，而且，因过量充电或短路，也使阴极材料的化学活性大大提高，从而阴极材料与电解液快速反应，产生大量气体。
于是，锂离子二次电池内部的压力或温度迅速增高，引起电池爆炸，以致可能损坏周围设备，甚或可能伤害使用者。
因此，已经开发出多种安全部件，用以防止锂离子二次电池爆炸。
例如，美国专利US5,738,952公开一种结构，是使安全板通过焊接连接在阴极引线接头上，在预定阈值压力下翻转，安全板的焊接部分断开而切断电流，从而防止压力和温度升高。其中，如果压力超过预定压力，电池壳的一个壁或电流流过的路径中断，以便防止压力增高。
然而，它仍存在如下缺点，即对于压力敏感的安全板而言，由于这样的附加安全板是安装在电池壳外部的，在电池的任何非正常反应情况下，即使通过从电池外部切断电流可以防止电流流过，制造和组装都存在困难。日本专利公开特开平02-284350和特开平09-320549公开了一种用于二次电池的安全部件，它由电池壳表面上的直线形的槽或由这种直线形成的“X”形槽构成。
然而，这样的直线形槽从侧面的中心部分到槽上的每一点具有不同距离，所述侧面的面积最大，在整个电池壳容胀而破裂的预定阈值压力下容胀最大，因而施加在槽每一部分上的压力不同，所以槽的所有部分不同时破裂，而是薄弱部分首先破裂。
因此，除非把电池壳的整个槽形成为不同厚度，否则不能形成同时破裂的槽，因为优选的是整个槽最好同时破裂。
而且，另一个问题是难以设计安全部件，因为压力偏差随槽的位置和电池壳的尺寸而不同。
在成“X”形槽的情况下，存在的问题是难以精确地将槽刻在电池壳上，而且为了在考虑电池壳尺寸的预定压力下使槽破裂，就需要重新设计。
另外，直线形槽和X形槽即使在破裂后能够防止电池爆炸，也可能由于槽的尖锐破裂部分而伤害使用者。
发明内容
于是，本发明是针对二次电池的安全板，实质上解决由于现有技术的限制和缺点所引致的一个或多个问题。
本发明的目的在于提供一种二次电池的安全板，其中，当二次电池的内部压力升高时，给槽施加均匀压力，以便使槽同时破裂。
本发明的另一目的在于提供一种二次电池的安全板，其中，按照电池壳的尺寸和槽的位置，使槽破裂的压力偏差是均匀的，以便提高二次电池的安全性。
本发明的再一目的在于提供一种二次电池的安全板，能够防止槽破裂后由于槽的破裂部分伤害使用者。
为了实现这些和其它优点以及本发明的目的，有如实施例所述和所概括描述的，在二次电池内，在阴极和阳极之间设置隔离体，在电池壳内安置有缠有隔离体、阴极和阳极的胶质滚筒，所述电池壳与阳极相连，具有电解液，电池壳的开口被上盖组件封闭，所述上盖组件与阴极相连，二次电池的安全板的特征在于在电池壳上形成槽作为安全部件，用以防止因内部压力增大而致电池爆炸，其中所述槽形成为弯曲的。
所述弯曲槽最好形成在电池壳的外部，所述电池壳形成六棱柱形，并且所述弯曲槽形成在面积最大的侧面上。
最好使所述弯曲槽形成在柱状电池壳面积最大的侧面的对角线上，曲率半径为3mm至50mm。
还有，最好形成有从弯曲槽的两端或任何一端延伸的直线槽。
所述电池壳有槽部分的厚度是电池壳整个厚度的10％至30％。
附图说明
这里所包括的附图用于更好地理解本发明，它们构成本说明书的一部分，表述本发明的实施例，与文字描述一起说明本发明的原理。其中：
图1是由本发明优选实施例的安全板形成的二次电池的局部剖开及放大的透视图；
图2是表示由本发明安全板形成的电池壳的最大面积侧面的主视图；
图3是表示本发明另一优选实施例安全板位置的主视图；
图4是表示在由安全板形成的二次电池内产生内部压力情况下，呈封闭曲线的估计压力分布的主视图；
图5至图7是分别表示由本发明其它优选实施例安全板形成的二次电池的主视图；
图8(A)-(C)是用于比较分别由本发明各实施例安全板形成的二次电池的示意图；
图9是表示由本发明安全板形成的二次电池因严重过量充电致安全板破裂情况的示意图；
图10是表示当安全板由于过量充电而破裂时，二次电池中温度变化的曲线；
图11是表示当安全板由于过量充电而破裂时，二次电池中电压变化的曲线；
图12是表示通过提高热盒温度使安全板破裂情况的示意图，所述热盒内装有由本发明安全板形成的二次电池。
具体实施方式
以下详细参照本发明的优选实施例，即各附图描述的本发明举例。图1是表示由本发明安全板形成的二次电池的局部剖开将放大的透视图。
在各种二次电池中，将参照锂离子柱状二次电池描述本发明(下称“柱状二次电池”)。
所述柱状二次电池包括：胶质滚筒8，上面一起缠有阴极2、隔离体4和阳极6，并装在电池壳10内，电池壳10与阳极相连。该柱状二次电池安装有上盖组件12，所述上盖组件12在电池壳10上与阴极2连接，其中，通过在上盖组件12上形成的注入孔12a将电解质溶液注入电池壳10内，并密封所述注入孔12a。
所述上盖组件12包括焊接在电池壳10上的上盖14，位于上盖14下部中心的下板16，以及阴极端子22和上、下垫圈18、20。所述阴极端子22通过上下垫圈18、20铆接在上盖14和下板16之间。
下板16连接到阳极6和胶质滚筒8的分接头24上。
胶质滚筒8分别在上端和下端设置有上绝缘板26和下绝缘板28，用于绝缘。
上述柱状二次电池在电池壳上形成有安全板30，作为防止爆炸的安全部件。
如图2和3所示，安全板30被设计成在电池壳10上形成有弯曲槽，当电池的内部压力过大时，所述弯曲槽撕裂。
最好使弯曲槽形成在电池壳10外部面积最大的侧面上，当二次电池的内部压力过大时，所述电池壳的最大面积部分侧面是最先容胀的最薄弱部分。
最好使弯曲槽形成在电池壳10的外部，以便有利于释放电池的内部压力。
按照本发明刻在电池壳10外部的弯曲槽，位于面积最大的侧面的对角线或者从对角线延伸的假想线的曲线中心，以便在阈值压力下，能比以前的直线或者X形槽更精确地破裂。
具体地说，弯曲槽形成在最大面积部分的每个角附近，而不是中心部分，曲率半径最好约为3mm至50mm。
考虑到施加在最大面积部分的侧面上的应力集中的同时，形成所述弯曲槽。也就是说，对本领域的技术人员而言，显然是如果由于柱状二次电池的内部压力提高，面积最大部分的侧面容胀，则最大面积的中心部分容易胀最大，而四个边角部分容胀最小。
如果各连接点处应力相等地加在面积最大部分的整个侧面上，则在朝向面积最大部分侧面的中心部分应力点的分布表现为封闭椭圆形曲线，而在朝向侧面的外角部分表现为封闭长方形曲线，如图4所示。
在最大面积部分的中心部分和角部之间应力迅速变化，而且本发明的弯曲槽形成在最弱的部分。
因此，在弯曲槽的所有部分产生的应力集中几乎没有偏差，以致当安全板30破裂时，槽的所有部分几乎同时破裂，从而使得压力偏差最小。
由于同样理由，如图5所示的直线槽32可以从弯曲槽的两端或任何一端延伸。直线槽32最好为5mm或更小，如果直线槽32长度超过5mm，则压力偏差可能增大。
图6和图7分别示出本发明的优选实施例，其中，安全板30以不同形状形成在电池壳10的最大面积部分。
一般的锂离子柱状二次电池的电池壳10由不锈钢、镀镍钢、铝合金和塑料中的任何一种形成。
根据电池的大小和电池壳材料设计电池壳10的厚度，最好形成电池壳的厚度在0.3mm至0.7mm范围内。
在电池壳10上形成的弯曲槽厚度小于电池壳10的厚度，其中在把阈值压力设计得较高时，弯曲槽部分的电池壳变得较厚，而在把阈值压力设计得较小时，弯曲槽部分的电池壳变得较薄。
具体地说，有槽部分的电池壳厚度最好是电池壳10厚度的10％至30％。
以下将参考优选实施例详细描述本发明，但并非对本发明的限制。
[实施例]
如图1所示，把胶质滚筒8装在电池壳10内，所述胶质滚筒8中稀烃隔离体4把锂钴氧化物阴极2和碳活性材料阳极6分开。
电池壳10形成为柱状，厚度为0.45mm，长度为63mm，高度为48mm。
在电池壳10上形成的弯曲槽10的宽度为0.7mm，长度为13mm，厚度为0.1mm，曲率半径为40mm。
在把胶质滚筒8装在电池壳10内的情况下，把连接到胶质滚筒的阴极上的分接头24焊接到上盖组件12的正极端子22上。
在利用激光把上盖14焊接成与电池壳10的开口紧密接触后，通过上盖14的电解质溶液注入孔12a注入电解质溶液，所述电解质溶液含有碳酸乙烯(EC)、碳酸环丁烷(DEC)和锂盐(LiPF6)，并封闭电解质溶液注入孔12a，从而制成锂离子柱状二次电池。
[比较例]
如图8(A)-(C)所示，在最大面积部分的侧面上形成不同形状的安全板，并在压力逐渐增大到安全板初始破裂时，测量二次电池的破裂压力。图8(A)-(C)中的所有数值用毫米表示。
利用放电加工形成安全板的槽，其中由铝制成有槽的电池壳，铝的厚度为0.1mm，槽的厚度为0.4mm。
在类型1中，分别形成长度为2mm和5mm的两种A。
在类型3中，分别形成长度为3mm、5mm和7mm的三种B。
破裂实验的结果表示在表1中，其中×表示没有发生破裂。[表1]
  次数   类型1   类型2   类型3(B＝3mm)   类型3(B＝5mm)   类型3(B＝7mm)
    1     ×     ×     7.5     8.1     7.0
    2     ×     ×     7.0     8.4     9.0
    3     ×     ×     7.5     7.3     9.5
    4     ×     ×     7.0     7.0     9.0
    5     ×     ×     7.0     7.8     8.1
    6     ×     ×     8.0     7.8     9.3
    7     ×     ×     8.1     7.0     8.6
    8     ×     ×     7.2     8.2     8.2
    9     ×     ×     8.0     8.1     8.2
如表1所示，弯曲槽形成在最薄弱的面积最大的部分，以使安全板总是最先破裂，而且，在这样破裂的情况下，压力偏差为1kgf/cm2或更小。
也就是说，通过使用由弯曲槽形成的安全板，锂离子柱状二次电池稳定地破裂，而不发生爆炸。
[实验例1]
为了试验在锂离子柱状二次电池内产生非正常的内部压力时安全板是否发生稳定破裂，进行了过量充电实验、热盒实验和跌落实验。
进行UL1642标准的跌落实验，是通过在1.9m高度处把电池壳扔下三次，观察弯曲槽是否破裂，旨在检测锂离子柱状二次电池的稳定性。
正如实验结果所示，弯曲槽没有破裂。过量充电实验3C是通过使用充电/放电实验机器进行的，以便观察安全板破裂的压力。
正如过量充电实验结果所示，安全板仍如图9所示那样工作。
经过过量充电的锂离子柱状二次电池的内部温度变化和电压变化分别示于图10和图11中的曲线。
进行热盒实验是为了观察当提高柱状二次电池的温度时安全板是否破裂。
正如热盒实验的结果所示，当热盒内部温度升高到大约150℃时，安全板破裂，如图12所示那样。
[实验例2]
在实验例2中，试验本发明按照柱状二次池的尺寸设计的安全板是否稳定破裂和安全板由于压力偏差破裂。
在下面的表2中，A类型是锂离子柱状二次电池，厚度为6.3mm，宽度为3.4cm，高度为5.0cm，B类型电池的厚度为6.3mm，宽度为3.0cm，高度为6.7cm。[表2]
 A类型电池  B类型电池  A类型电池  B类型电池
  次数   破裂压力(kgf/cm2)   破裂压力(kgf/cm2)   次数   破裂压力(kgf/cm2)  破裂压力(kgf/cm2)
    1     10.2     10.5     16     10     11
    2     9.8     11     17     10.2     11
    3     10     11     18     10     11
    4     10.2     10.8     19     9.9     11
    5     10.5     11     20     10     11
    6     10.2     10.5     21     10     10.5
    7     10.2     10.5     22     10.2     11
    8     10     11     23     10     11
    9     10.3     11     24     10.2     10.5
    10     10.5     11     25     10.2     11
    11     10.7     10.5     26     10.2     12
    12     10     10.5     27     10.2     10.5
    13     10.1     11     28     10.2     11
    14     10     10.5     29     10.2     11
    15     9.9     11     30     10.2     10.5
     A类型电池       B类型电池
  最大破裂压力(kgf/cm2)     10.7     12
  最大破裂压力(kgf/cm2)     9.8     10.5
  最大破裂压力(kgf/cm2)     10.1     10.9
如表2所示，以平均破裂压力为准，破裂压力在1.1kgf/cm2范围。也就是说，破裂压力偏差不大，从而可以预计破裂是较为稳定的，提高了柱状二次电池的稳定性。
如上所述，本发明的二次电池安全板相对于现有技术表现出效果得到改善。
换句话说，当二次电池的内部压力增高时，压力均匀地加在弯曲槽上，使弯曲槽的所有部分几乎同时发生破裂，减小了二次电池爆炸的危险。
另外，通过考虑电池壳的尺寸和槽的位置而减小破裂压力的偏差，使二次电池的安全性得到提高。
此外，即使在槽破裂后，也能避免使用者受到伤害，因为槽是按弯曲形式形成的。
这里虽然参照优选实施例描述和说明了本发明，但本领域的技术人员显然可以进行各种改进和改型，而不致脱离本发明的精神和范围。因此，本发明函盖落入权利要求书的范围及其等同替换的有关本发明的各种改进和改型。

Claims (13)

1.一种二次电池安全板，其中，在阴极和阳极之间设置隔离体；缠有隔离体、阴极和阳极的胶质滚筒安置在电池壳内；所述电池壳与阳极相连，具有电解液，电池壳的开口被上盖组件封闭；所述上盖组件与阴极相连，其特征在于：在所述电池壳上形成槽，作为安全部件，防止因内部压力增大而致电池爆炸，
其中，所述槽形成为弯曲的。
2.根据权利要求1所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽形成在电池壳的外部。
3.根据权利要求2所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽形成在六角形电池壳的面积最大的侧面上。
4.根据权利要求3所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽形成在所述面积最大侧面的对角线上。
5.根据权利要求3所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽的曲率半径为3mm至50mm。
6.根据权利要求4所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽形成有从弯曲槽的两端延伸的直线槽。
7.根据权利要求4所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽形成有从弯曲槽的任何一端延伸的直线槽。
8.根据权利要求5所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽形成有从弯曲槽的两端延伸的直线槽。
9.根据权利要求5所述的二次电池安全板，其特征在于，所述弯曲槽形成有从弯曲槽的任何一端延伸的直线槽。
10.根据权利要求6所述的二次电池安全板，其特征在于，所述电池壳上有槽部分的厚度是电池壳整个厚度的10％至30％。
11.根据权利要求7所述的二次电池安全板，其特征在于，所述电池壳上有槽部分的厚度是电池壳整个厚度的10％至30％。
12.根据权利要求8所述的二次电池安全板，其特征在于，所述电池壳上有槽部分的厚度是电池壳整个厚度的10％至30％。
13.根据权利要求9所述的二次电池安全板，其特征在于，所述电池壳上有槽部分的厚度是电池壳整个厚度的10％至30％。
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