CN1412876A - 带有热防护器的可充电电池 - Google Patents
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Abstract
一种可充电电池，包括：一电池单元，其中一阴极板，一分离器和一阳极板被顺序地叠置，并且被缠绕在一起；一容器，用作该电池单元的外壳，并且在其中注入电解质；一盖组件，结合到该外壳的上部；和一热防护器，安装在该外壳中，用于将一从电池单元中拉出的电极导线，经盖组件电连接到一电极端子，并且用于当电池单元过度充电时切断电流。当由于过度充电而使电池内部温度升高时，安装在外壳中的热保护器能够精确地检测温度的升高，并且切断电流，从而防止过热，并且改善可充电电池的可靠性。
Description
要求优先权
根据美国专利法第119条的有关规定，本申请提到的并要求优先权的申请是：2001年10月18日在韩国工业产权局申请的“带有热防护器的可充电电池”，其申请号为2001-64384。
技术领域
本发明涉及一种可充电电池(secondary battery)，尤其涉及一种带有热防护器的可充电电池，能够通过感应其内部温度而切断电流。
背景技术
锂可充电电池能够重复地充电和放电，与镍镉(Ni-Cd)电池和镍金属氢化物(Ni-MH)电池相比，由于其操作电压较高以及单位重量的能量密度较高，因此已经得到快速的发展。锂可充电电池根据所用的电解质能够被分成液体电解质电池和固体电解质电池。通常，采用液体电解质的电池称为锂离子电池，采用聚合的电解质的电池称为锂聚合物电池。
但是，锂聚合物电池存在一些安全问题。具体说，锂聚合物电池包括一个碳阳极、一个氧化锂阴极和一种有机溶剂电解质。当一锂离子电池被过度充电时，电解质在阴极被分解，并且锂金属在阳极析出。其结果是，电池的性能降低，并且电池可能产生过量的热或者甚至燃烧。
由于锂聚合物电解质在充电和放电期间是局部过热，热敏感的聚合电解质可能融化或者软化。其结果是，电流和电势不均匀，并且可能发生短路。而且，有着火或者爆炸的危险。
通常，在锂离子电池中引起燃烧或产生热的机理可解释为由内部短路和过热引起的。为了消除这些危险，锂离子电池已经设置有各种保护装置。
带有这样的防护器的可充电电池公开在授予Tsumamoto等人的于1999年3月9日公布的日本特许公开号为No.1999-67188的专利上，其名称是“用于可充电电池和锂可充电电池的导线端子”。在这样的可充电电池中，一阳极导线端子包括一用于充电线路的导线端(充电导线端)，一集电体导线端，一用于放电线路的导线端(放电导线端)，其从集电体导线端分出，和一熔断器，设置在充电导线端与集电体导线端之间。引线端和熔断器被置于多层树脂薄膜之间。可充电锂电池包括一电池单元和一用于电池单元的基部。如公知的，在电池单元中，一阴极板、一分离器和一阳极板被缠绕在一起。
阳极导线端子的充电导线端和放电导线端固定在阳极板上，从电池单元突出。阴极导线端子上带有一树脂薄膜，固定到阴极板上，从电池单元突出。
当具有上述结构的可充电电池被过度充电时，产生热，安装在阳极导线端子中的熔断器的温度升高。当熔断器的温度升高到例如130℃时，熔断器烧坏。其结果是，充电导线端与集电体导线端的电连接断开，并且充电电流被切断。
上述充电锂电池具有下面的问题。熔断器被密封在树脂薄膜中，并且被插入到外壳中，其中熔断器的厚度在树脂薄膜内提供一小的间隙。由于电解质包含在外壳内，电解质通过间隙渗入到熔断器，改变熔断器的物理性质。其结果是，在特定温度下熔断器很难正确地操作。因此，该可充电电池不可靠。
发明内容
因此，本发明提供一种更安全的带有热防护器的可充电电池，当电池充电过度时能够切断电流。
在一方面，提供一种可充电电池，包括：一电池单元，其中一阴极板，一分离器和一阳极板被顺序地叠置，并且被缠绕在一起；一容器，用作该电池单元的外壳，并且在其中注入电解质；一盖组件，结合到该外壳的上部；和一热防护器，安装在该外壳中，用于将一从电池单元中拉出的电极导线，经盖组件电连接到一电极端子，并且用于当电池单元过度充电时切断电流。
热防护器可以包括：一本体；一安装在该本体上的熔断器；多个导线，各连接到熔断器的相应端；一连接器，其电连接到多个导线中的一个。热防护器的本体可以具有一熔断器的安装区域，该熔断器连接多个导线，并且具有一表面区域比外壳稍大一些，从而压配合到外壳中。
在根据本发明的可充电电池中，熔断器的一端可以被焊接到端子导线，其电连接到电极端子，熔断器的另一端可以被焊接到分接头导线，其电连接到电极导线。
较佳的是，根据本发明的可充电电池连接器包括：一个导线板；和一聚合树脂薄膜，缠绕在该导线板上。
较佳的是，该熔断器由可操作在约85-120℃范围内的低熔点材料形成。
附图说明
对本发明的更完整的理解，及其许多优点，结合附图并参照下面详细的描述，会更清楚，更容易理解。其中：
图1是一导线端子的透视图；
图2是带有图1的导线端子的可充电电池的分解透视图；
图3是根据本发明的一实施例的可充电电池的分解透视图；
图4是图3的一热防护器的分解透视图；
图5是图4的热防护器的完整组件的透视图。
具体实施方式
参见图1，一阳极导线端子10包括一导线端11用于充电线路(充电导线端)，一集电体导线端12，一导线端13用于放电线路(放电导线端)，其从集电体导线端12分出，和一熔断器14设置在充电导线端11与集电体导线端12之间。导线端11到13和熔断器14位于多层树脂薄膜15之间。
一可充电锂电池使用阳极导线端子10，如图2所示。参见图2，该可充电锂电池包括一电池单元19和一用于电池单元19的基部20。如所公知的，在电池单元19中，一阴极板，一分离器和一阳极板被缠绕在一起。
阳极导线端子10的充电导线端11和放电导线端13被固定到阳极板上，从电池单元19突出。一阴极导线端子25上带有树脂薄膜26，固定到阴极板上，从电池单元19突出。
当具有上述结构的可充电电池被过度充电时，会产生热，安装在阳极导线端子10中的熔断器14的温度上升。当熔断器14的温度达到例如130℃时，熔断器14烧坏。其结果是，充电导线端11与集电体导线端12断电，以及充电电流被切断。
上述的可充电锂电池存在下面的问题。熔断器14被密封在树脂薄膜15中，并且被插入到壳体20中，并且熔断器14的厚度在树脂薄膜内提供一小的间隙。由于电解质包含在该壳体20中，电解质通过间隙渗入到熔断器14，并且改变熔断器的物理性质。其结果是，熔断器14不能正确地在一特定温度下操作。因此，该可充电电池是不可靠的。
根据本发明一实施例的可充电锂电池如图3所示。参见图3，一可充电锂电池30包括一电池单元31，一插入有电池单元31的外壳32，一个盖组件33连接到外壳32，和一热防护器40。
电池单元31包括一阴极板，一阳极板，和插入到阴极板和阳极板之间的一分离器，用于电绝缘。各阴级板和阳极板包括一个电流收集器，和一活性材料层，其涂覆在电流收集器的至少一个表面上。电池单元31被形成为一“凝胶卷”，其中顺序设置的阴极板，分离器，和阳极板被绕在一起。
在电池单元31中，一阴极导线31a和一阳极导线31b从相应的阴极板和阳极板突出来。带一孔34a的上绝缘板34被置于电池单元31的上表面。阳极导线31b穿过孔34a。
热防护器40安装在绝缘板34上。热防护器40包括一本体41，一安装在本体1中的熔断器42，和多个导线。
将要连接到外壳32上的盖组件33被安装到热防护器40上。盖组件33包括一盖板35，其通过焊接被约束到外壳32的上部。
盖板35具有一孔35a，一电极端子36能够被插入通过该孔。电极端子36电连接到从电池单元31中拉出的电极导线中的一个。在此实施例中，电极端子36是一阳极端子，其电连接到阳极导线31b。阴极导线31a被焊接到外壳32上。可替换地，阴极导线31a和阳极导线31b的位置能够交换。在那种情况下，元件31a将是阳极导线，其电连接到外壳32上，而元件31b将是阴极导线，其连接到电极端子36，用作阴极端子。对于电极连接结构有多种可能的实施例。
电极端子36由一环状的密封套37包围。密封套37由一绝缘材料形成，如聚合树脂，用于盖板35和电极端子36之间电绝缘，并且防止电解质从外壳32泄露。由密封套37包围电极端子36，通过盖板35的孔35a，通过铆接或旋压的方式紧密地固定。
另一绝缘板38可以放置在盖板35的下面。盖板35具有一电解质注入孔35b。当电解质注入以后，用一个球将该电解质注入孔35b孔密封。
根据本发明的一个性质，当电池30过度充电时，能够快速切断电流的热防护器40被安装在外壳32和盖组件33之间。由于热防护器40安装在外壳32内，防止了电池30中燃烧或者产生热的风险，并且电池的可靠性改善了。
图4是热防护器40的分解的透视图。参见图4，热防护器40包括一个本体41，一被插入到本体41中的熔断器42，一分接头导线43和一端子导线44，该分接头导线43和端子导线44被电连接到熔断器42，一连接器45被电连接到从电池单元31拉出的阳极导线31b。
特别是，本体41被安装在外壳32中。因此，较佳的是，本体41由聚合树脂形成，从而不与电解质发生化学反应。有利的是，本体41由聚合树脂形成，其在高温时热膨胀，并且被压配合到外壳32中，从而防止电解质沿外壳32的壁泄漏。本体41形成有一比外壳32的尺寸略大的表面。
本体41具有一安装区域41a，用于安装熔断器42。安装区域41a可能具有多种形状，只要其能够允许熔断器42在一特定温度操作，而不与电解质发生反应。
熔断器42被安装在安装区域41a上。熔断器42由低熔点材料，例如铅合金形成，其当电池30内部温度升高时由于产生热而烧坏。熔断器42的一端被焊接到分接头导线43，另一端被焊接到端子导线44。熔断器42在约85-120℃的温度下操作，并且较好的是95±5℃。
分接头导线43和端子导线44的焊接有熔断器的外边缘涂覆有一密封材料46。一聚合树脂47，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，被超声熔合到分接头导线43和端子导线44以及熔断器42的顶部表面。熔断器42用密封材料46和聚合树脂47双重密封。
熔断器42被焊接到各分接头导线43和端子导线44的一端，被插入到限定其位置的本体41的安装区域41a。
同时，为了防止热防护器40进入外壳32和接触电解质，该连接器45形成在本体41中。该连接器45包括一导线板48，其电连接到阳极导线31b，和一薄膜49，其固定到导线板48。该薄膜49由一聚合树脂形成，其不与电解质发生反应，并且较佳的是一个氯化了的聚丙烯(CPP)，聚乙烯(PE)，和CPP的三层结构。该薄膜49被熔合到导线板48上。
连接器45是与本体41整体形成的。特别是，连接器45通过插入铸模而被插入并结合到本体41中。连接器48的上导线48a暴露在本体41的顶部表面，而连接器48的下导线48b暴露在本体41的底部表面。连接器45的薄膜49被熔合到导线板48上，它位于本体41内，并且在铸模过程中熔化并完全结合到本体41上。
图5是图4的热防护器40的完整组件的透视图。参见图5，熔断器42被放置到本体41的安装区域41a。分接头导线43在安装区域41a的一端以一方向延伸，熔断器42的一端被焊接到分接头导线43。端子导线44在安装区域41a的另一端以同一方向延伸，熔断器42的另一端被焊接到端子导线44。端子导线44被电连接到电极端子36，该电极端子36由一密封套37围绕。
连接器45被固定在本体41的一端。如上面参照图4所描述的，其上缠绕有薄膜49的导线板48，通过插入铸模而被插入并结合到本体41，导线板48的上导线48a暴露在本体41的顶部表面。上导线48a被焊接到分接头导线43。导线板48的下导线48b暴露在本体41的底部表面。下导线48b被焊接到从电池单元31拉出的阳极导线31b。
在具有上述结构的热防护器40中，下导线48b被连接到从电池单元31拉出的阳极导线31b，上导线48a从下导线48b延伸，被连接到分接头导线43。分接头导线43经熔断器42电连接到端子导线44。端子导线44电连接到电极端子36。因此，阳极导线31b经下导线48b，上导线48a，分接头导线43，熔断器42和端子导线44而被电连接到电极端子36。
下面描述具有上述结构带有热防护器40的电池30的组装方法。
首先，参见图3，提供外壳32和将要被结合到外壳32的上部的盖组件35。在电池单元31中，阴极板，分离器，阳极板上下顺序地放置，被缠绕成“凝胶卷”形状，并插入到外壳32中。阳极导线31b的位置与热防护器40的下导线48b相配，以便焊接。
然后，上绝缘板34被放置电池单元31中，并且热防护器40被插入到电池单元31中。热防护器40的本体41被压配合到外壳32中。为此，本体41被设计成其表面区域稍大于外壳32。
通常，通过外壳的内壁与本体41的边缘之间的间隙，电解质渗透到热防护器40。但是，根据本发明，由于本体41由聚合树脂形成，其随着温度升高而热膨胀，并且被压配合到外壳32中，因此本体41向着外壳32的内壁膨胀，当充电和放电操作期间，电池30产生热的时候，本体41将间隙完全密封。其结果是，能够防止电解质沿外壳32的内壁渗入到热防护器40。
在热防护器40安装到外壳32中之前，从电池单元31中拉出的阳极导线31b，需要电连接到热防护器40的连接器45。连接器45具有导线板48，其上缠绕有多层聚合树脂薄膜49，通过插入铸模而将连接器45连接到本体41。导线板48的下导线48b暴露在本体41的底部表面，并且焊接到阳极导线31b。
然后，熔断器42的两端分别焊接到分接头导线43和端子导线44，该熔断器被安装在本体41的安装区域41a，在此状态下，分接头导线43焊接到导线板49的暴露在本体4顶部表面的上导线48a。为了方便，在组装时，在将分接头导线43焊接到上导线48a之前，将端子导线44焊接到电极端子36的底部，该电极端子36穿过盖板35的孔35a而被插入。
在热防护器40安装在外壳32中之后，盖组件33被放置在热防护器40上，并且根据通常的电池制造方法与外壳32结合。然后，通过盖板35上形成的电解质注入孔35b将电解质注入，并且密封电解质注入孔35b。阴极导线31a被焊接到外壳32或者盖板35。
在由上述方法制造的电池30中，当电池30内的温度由于失败(例如过度充电)而升高时，熔断器42的温度升高。当熔断器42的温度升高到特定的温度以上时，熔断器42烧坏。其结果是，从阳极导线31b到电极端子36的电流被强制切断，从而防止不期望的反应，如过热。
下面的表1示出了电池过度充电的实验结果。
表1
| 充电率 | 比较例1 | 比较例2 | 例 | |
| 1C | 是否操作 | - | 50/50 | 50/50 |
| 有无失败 | 满意 | 满意 | 满意 | |
| 2C | 是否操作 | - | 48/50 | 50/50 |
| 有无失败 | 不好 | 不好 | 满意 | |
| 3C | 是否操作 | - | 50/50 | 50/50 |
| 有无失败 | 不好 | 满意 | 满意 |
在表1中，表示为N2/N1的值，其中N1表示被测试的电池的总数，N2表示未失败的电池的数目。比较例1是未安装防护器的，比较例2是安装了传统防护器的。在例中，安装了根据本发明的防护器40的。
如表1所示，当未安装防护器时，电池在2C和3C放电率变得不稳定。在此情况下，那些电池可能发生燃烧或者爆炸。当采用传统防护器时，虽然在3C高放电率时没有燃烧或爆炸，但是在2C放电率时50个电池中有两个爆炸。
但是，根据本发明的带有热防护器40的电池30中，由于熔断器42在特定温度下正确地操作，在1C，2C和3C的所有放电率时都没有燃烧或爆炸。这是因为当过度充电时，热防护器40感应电池30的温度升高，切断电流。
如上所述，根据本发明的带有热防护器的可充电电池具有以下效果。
第一，当由于充电过度，使得电池内部温度升高时，安装在外壳中的热防护器精确检测温度的升高，而切断电流，从而防止过热和提高可靠性。
第二，虽然热防护器被安装在电池内，电解质不会渗入到热防护器中。其结果是，热防护器能够在特定的温度下正确地操作，以中断过剩的电流。
第三，由于热防护器能够安装在电池内，能够制造一个坚实的轻巧的电池，确保安全。
第四，由于在电池外壳中电池内部温度的升高被检测，因此电流能够被适时切断，以快速反应电池中热变化。
本发明已经被特别地示出，并且参照较佳实施例进行了描述，但是应当明白，不离开本发明的由所附的权利要求限定的宗旨和范围，本领域的技术人员可以在形式和细节上作出各种变化。
Claims (22)
1.一种可充电电池，包括：
一电池单元，其中一阴极板，一分离器和一阳极板被顺序地叠置，并且被缠绕在一起；
一容器，用作该电池单元的外壳，并且在其中注入电解质；
一盖组件，结合到该外壳的上部；和
一热防护器，安装在该外壳中，用于将一从电池单元中拉出的电极导线，经盖组件电连接到一电极端子，并且用于当电池单元过度充电时切断电流。
2.根据权利要求1的可充电电池，其特征在于该热防护器包括：
一本体；
一安装在该本体上的熔断器；
多个导线，各连接到熔断器的相应端；和
一连接器，其电连接到多个导线中的一个。
3.根据权利要求2的可充电电池，其特征在于该本体具有一熔断器的安装区域，并且具有一表面区域比外壳稍大一些，从而压配合到外壳中。
4.根据权利要求3的可充电电池，其特征在于该本体通过铸模形成，采用热膨胀的材料，当电池内的温度升高时，该本体向外壳的内壁膨胀，从而阻止电解质从外壳的内壁和本体之间的间隙泄漏。
5.根据权利要求2的可充电电池，其特征在于该熔断器的一端被焊接到与电极端子电连接的一端子导线，并且该熔断器的另一端被焊接到与电极导线电连接的一分接头导线。
6.根据权利要求5的可充电电池，其特征在于该熔断器的外边缘被焊接到多个导线，并且被涂覆一密封材料，用于紧密的密封。
7.根据权利要求2的可充电电池，其特征在于该连接器包括：
一个导线板；和
一聚合树脂薄膜，缠绕在该导线板上。
8.根据权利要求7的可充电电池，其特征在于该连接器通过插入铸模，与该本体一体形成。
9.根据权利要求8的可充电电池，其特征在于该导线板包括：
一上导线，其暴露在本体的上表面，被焊接到分接头导线；和
一下导线，其从上导线延伸，并暴露在本体的底部表面，被焊接到电极导线。
10.根据权利要求9的可充电电池，其特征在于该电极导线经下导线，上导线，分接头导线，熔断器和一端子导线而被电连接到电极端子，以提供电流，并且当电池单元过度充电时，熔断器烧坏，电流切断。
11.根据权利要求2的可充电电池，其特征在于该熔断器由可操作在约85-120℃范围内的低熔点材料形成。
12.一种可充电电池，包括
一电池单元，包括一阴极板和一阳极板，并且具有从其延伸的一电极导线；
一容器，用作该电池单元的外壳，并且在其中注入电解质；
一盖组件，结合到该外壳的上部；和
一热防护器装置，安装在该外壳中，用于将一来自电池单元的电极导线，电连接到一电极端子，并且用于当电池单元过度充电时切断电流。
13.根据权利要求12的可充电电池，其特征在于该热防护器装置包括：
一本体；
一安装在该本体上的熔断器；
多个导线，各连接到熔断器的相应端；和
一连接器，其电连接到多个导线中的一个。
14.根据权利要求13的可充电电池，其特征在于该本体具有一熔断器的安装区域，并且具有一表面区域比外壳稍大一些，从而压配合到外壳中。
15.根据权利要求13的可充电电池，其特征在于该本体通过铸模形成，采用能够热膨胀的材料，当电池内的温度升高时，该本体向外壳的内壁膨胀，从而阻止电解质从外壳的内壁和本体之间的间隙泄漏。
16.根据权利要求2的可充电电池，其特征在于多个导线包括一端子导线，电连接到电极端子，一分接头导线，电连接到电极导线，并且其中熔断器的一端被焊接到端子导线，熔断器的另一端被焊接到分接头导线。
17.根据权利要求16的可充电电池，其特征在于该熔断器的外边缘被分别焊接到端子导线，和分接头导线，并且被涂覆一密封材料，用于紧密的密封。
18.根据权利要求13的可充电电池，其特征在于该连接器包括：
一个导线板；和
一聚合树脂薄膜，缠绕在该导线板上。
19.根据权利要求18的可充电电池，其特征在于该连接器通过插入铸模，与该本体一体形成。
20.根据权利要求13的可充电电池，其特征在于多个导线包括一端子导线电连接到电极端子，一分接头导线电连接到电极导线，并且其中连接器包括一导线板，其包括：
一上导线，其暴露在本体的上表面，被焊接到分接头导线；和
一下导线，其从上导线延伸，并暴露在本体的底部表面，被焊接到电极导线。
21.根据权利要求20的可充电电池，其特征在于该电极导线经下导线，上导线，分接头导线，熔断器和端子导线而被电连接到电极端子，以提供电流，并且当电池单元过度充电时，熔断器烧坏，电流切断。
22.根据权利要求13的可充电电池，其特征在于该熔断器由可操作在约85-120℃范围内的低熔点材料形成。
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