CN1430304A

CN1430304A - 电池组件

Info

Publication number: CN1430304A
Application number: CN02158387A
Authority: CN
Inventors: 金田洋
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2003-07-16
Anticipated expiration: 2022-12-30
Also published as: US7087344B2; DE10260798B4; US20030124416A1; CN1246922C; JP3937839B2; KR100498701B1; DE10260798A1; JP2003203615A; KR20030057482A

Abstract

一种电池组件，包括具有层状覆层的电池单体、一对橡胶片、一对压力板，以及一对从电池组件的内部到外部的外壳构件。在压力板和壳构件之间、在电池单体的中央区域设置具有四个支柱的插入件，以缓解在电池单体的外围区域上的集中应力。插入件可以单独地形成或与压力板一体形成。

Description

电池组件

发明领域

本发明涉及电池组件，尤其涉及包括扁平二次电池的组件电池的结构。

相关技术的描述

一般来说，现有的二次电池具有缺点在于，重复的充放电操作引起了内部气体的产生，此气体进入到电池单体的电极之间，从而降低了二次电池的性能。尤其是，由于内部气体增大了在电池体的电极之间的缝隙，因此具有层状覆层的二次电池单体遭受到覆层中体积的增加，由此严重地降低了二次电池的性能。

为了解决在包括带有层状覆层的电池单体的电池组件中存在的上述问题，通常采用具有抑制气体产生作用的电解液和/或具有构造成抑制电池单体的电极缝隙增加的电池的结构。但实际上在二次电池的长寿命过程中，这种电解液并不能有效地防止体积增加。另外，构造成抑制电极缝隙增加的结构增加了每单位单体的重量，由此降低了每单位重量二次电池或包括多个这种二次电池的组件的电流存储容量。

发明概述

因此，本发明的目的是提供一种包括多个扁平二次电池单体的电池组件，此电池组件能够有效地抑制电池单体的体积增加并且具有更小的重量。

本发明提供一种电池组件，它包括电池单体、夹在电池单体两侧的一对压力板，在其中容纳了该对压力板和此电池单体的外壳，所述外壳使压力板彼此挤压，并在各压力板和外壳的相应部分之间、在每个压力板的中央区域设置插入件。

根据本发明的电池组件，在压力板和外壳的相应部分之间、在压力板的中央区域提供插入件使得施加到电池单体外围区域的压力降低，其中，即使外壳具有外包装，电池单体也会受到压力板基本上均匀的压力。

参考附图、由下面的描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将更为显而易见。

附图的简要说明

图1是根据本发明第一实施例的电池组件的分解透视图。

图2是根据本发明第二实施例的电池组件的分解透视图。

图3是根据本发明第三实施例的电池组件的分解透视图。

图4是常规电池组件的分解透视图。

图5是另一常规电池组件的分解透视图。

本发明的最佳实施方式

在描述本发明的实施例之前，为了更好地理解本发明，先描述常规技术的缺陷。

一般来说，电池组件所用的常规箱式外壳的简单结构可以通过增加箱式外壳的厚度以增加机械强度的方式来抑制电池单体体积的增加。但是，这种结构增加了整个电池组件的重量，从而降低了每单位重量的电池组件的电流存储容量。另一方面，具有更小重量的电池组件不能抑制由于变形例如翘曲引起的电池单体的体积增加，因而使得体积增加、电池性能变差。

参见图4，常规电池组件包括扁平二次电池单体16、夹在电池单体16两侧的例如由橡胶制成的一对弹性片15，以及其中容纳弹性片15和扁平电池单体16的刚性箱式外壳18。在弹性片15和刚性外壳18之间的缝隙中设置填充材料19。电池单体16包括层状覆层和电池体，所述电池体容纳其中并具有叠合结构，此叠合结构包括多个组合体，各组合体包括阴极、第一隔板、阳极和第二隔板。在某些常规电池组件中省略了橡胶片15。

在上述常规电池组件中，如果由于电池的重复充放电操作产生了内部气体，那么此内部气体就会相对于塑料片15和填充材料19的外部压力而引起电池单体16内部的体积增加。由于这种体积增加会在电池单体的电极之间产生缝隙，因此会导致电池性能下降。

参见图5，另一种常规电池组件包括：电池单体16，夹在电池单体16两侧的一对弹性片15，以及夹在弹性片15的两侧、包括一对壳构件或盖片、插入有填充材料19的外壳11。通过螺钉和螺母(未示出)施加的机械力将该对壳构件11的外周边彼此压紧，由此将此对壳构件11连接在一起。

在图5所示的另一种常规电池组件的结构中，由于壳构件11的翘曲，将在壳构件11外围处的由螺钉和螺母提供的机械力施加到电池单体16的外围处。虽然弹性片15可以减轻在电池单体16的外围区域上集中的机械压力，但其自身仍在一定程度上保留着机械力的集中。当由于电池单体16的重复充放电操作产生了内部气体时，壳构件11的体积就会增加，其中，由于机械力通过螺钉和螺母施加到了外围部分，因此相对于其外围部分、壳构件11的中央部分有所增加。这导致在电池单体16的外围部分具有更大的应力，并引起了在电池体的电极之间更大的缝隙。

在电池单体16的外围部分处大的应力可能损坏隔板的边缘，由此在电池单体16中出现短路事故。此事故是由于外壳的层状结构所引起的，采用例如由金属板或厚树脂板制成的刚性外壳可以防止此类事故发生。然而，在任何一种情况中，该刚性外壳导致重量和成本的增加并且降低了每单位重量的电池组件的电流存储容量。

鉴于上述原因，应当对电池单体16施加适当的压力，以避免由于重复充放电操作所引起的体积的增加。另外，为了利用壳构件11得到这种适当的压力，在不存在电池单体16外围上的应力集中的情况下，需要利用壳构件11的反作用力抑制其翘曲。这需要将均匀的压力施加到电池单体上，并且应当在不采用重金属板或厚树脂板的情况下实现。

现在，参考附图根据其优选实施例对本发明进行详细描述。参见图1，根据本发明第一实施例的电池组件包括：电池单体16，此电池单体包括层状覆层和具有如在常规电池组件中所述的叠合结构的电池体；夹在电池单体16两侧的一对橡胶板15；夹在橡胶板16和电池单体15的两侧的一对压力板14；夹在压力板14、橡胶板15和电池单体16两侧的一对壳构件11；以及在各压力板14和相应的一个壳构件11之间、在压力板14的中央区域设置插入件12。在此实施例中的插入件12包括在矩形的四个顶点处设置的四个支柱或矩形棱柱13。此对壳构件11在其外围处由螺钉和螺母(未示出)连接在一起。

由于壳构件11或顶和底盖的翘曲，因此它具有沿垂直方向施加压力的作用。矩形棱柱13将压力转移到压力板15，缓解了集中在压力板14的外围区域的压力。压力板14通过具有缓解压力不均作用的橡胶片15将压力施加到电池单体16，这种压力不匀可能是由于电池单体16的制造误差引起的。可以改变和选择矩形棱柱13的数量和设置，从而使压力板14能够以在中央区域和外围区域之间尽可能均匀的压力压向电池单体16。

缓解了在其外围区域对于电池单体16的压力集中的该电池组件结构容许了以大的设计选择权对壳构件11的材料进行选择。也就是说，壳构件11可以由轻型材料制成，例如层状膜，不需要由重金属板或厚树脂板制成。

本实施例用于电池组件的材料可以是树脂材料、金属或合金，应当根据电池组件的外力、重量、体积和性能等进行选择，例如每单位重量的存储容量。如果希望组件具有更高的刚度或更高的机械强度，组件应当由金属或合金制成，它们会稍微增加组件的重量。如果希望电池组件具有更轻的重量，电池组件应当由树脂材料制成，和由金属制成的组件相比，它会在一定程度上降低其刚度或机械强度。

已经制造出了此实施例的样品。用于所选出的电池组件样品的基本材料是不锈钢。壳构件11为100mm宽、150mm长、3mm厚，在插入件12中的四个矩形棱柱13的每个为10mm宽、20mm长、2mm厚，压力板14为80mm宽、134mm长、3mm厚，橡胶片15为70mm宽、124mm长、1.5mm厚。橡胶片15由具有更高弹性模量的氟系材料的海绵状物制成。电池单体16包括电池体和在其中容纳电池体的层状覆层，所述层状覆层由层状膜制成，所述电池体注入有非水电解液并且具有组合体的叠合层状结构，各组合体包括阴极、第一隔板、阳极和第二隔板。电池单体为90mm宽、140mm长、4mm厚，而电池体为70mm宽、124mm长、3.8mm厚。层状覆层为100μm厚。

在制造样品电池组件的过程中，将电池单体16、橡胶板15、压力板14和插入件13夹在一对壳构件11之间，外力施加到此壳构件11并由此发生翘曲。调节在插入构件12中矩形棱柱13的位置，以便向压力板14提供基本上均匀的压力。通过夹在橡胶片15和电池单体16之间的压力感应纸测量所施加压力的均匀性和所施加外力的大小。

在上述样品中，对于施加了40kgf和80kgf外力的情况来说，没有观察到电池单体16的电池体在电池单体16的外围受到集中的应力。也就是说，以基本上均匀的压力将电池单体16夹在橡胶板15之间。这是在多个(在此例中是2-4个)电池单体16彼此层叠的情况下观察到的。按照每单位面积的电池单体的负荷来说，所述40kgf和80kgf外力分别相应于0.5kgf/cm²和1.0kgf/cm²。

对样品电池组件进行充放电循环测试，其中在45摄氏度的环境温度下、在4.2伏特和2.5伏特的终止电压之间进行500次循环的恒流恒压(CCCV)测试。CCCV测试的结果示于表1中，其中，对于外部压力为0.5kgf/cm²(样品1)和1.0kgf/cm²(样品2)的各种情况，在各特定次数的充放电循环之后，二次电池的电流存储容量与最初电流存储容量的比率(容量保持率(％))对照各特定次数的循环绘出。为了与这些样品进行对照，同样对相应于图4和5所示的常规技术的对比例进行CCCV测试。

图4所示的对比例1具有在里面容纳二次电池16的1mm厚的铝外壳18，聚氨酯树脂设置在它们之间的缝隙中作为填充材料。图5所示的对比例2具有一对3mm厚壳构件或顶、底盖11，此构件或顶、底盖11由不锈钢制成、经过一对1mm厚的氟系材料海绵片15夹在电池单体16的两侧。对两个对比例都施加大约80kgf的外力，由于壳构件11的翘曲，因此外力集中在电池单体16的电池体的外围区域上。

从表1中可以明了，本发明第一个实施例样品的电池组件具有比常规电池组件提高的特性。特别地，对于容量保持率来说，在500次循环之后这些样品具有比图4所示的常规的电池组件高出大约10％的提高了的特性。

表1

	循环次数
	循环次数						0	100	200	300	400	500
	样品1	100％	86％	80％	78％	75％	0	100	200	300	400	500	74％
样品2	样品1	100％	86％	80％	78％	75％	100％	86％	81％	79％	76％	74％	74％
样品2	对比样品1	100％	83％	75％	70％	66％	100％	86％	81％	79％	76％	74％	64％
对比样品2	对比样品1	100％	83％	75％	70％	66％	100％	85％	78％	74％	69％	67％	64％

样品1：0.5kgf/cm²，样品2：1kgf/cm²

参见图2，除了电池组件的材料和插入件的结构之外，根据本发明第二实施例的电池组件类似于第一实施例。具体而言，所选出的用于本实施例的电池组件的基本材料是玻璃环氧树脂，此玻璃环氧树脂包括用于提高普通环氧树脂的机械强度的玻璃纤维。插入件12与压力板结合以具有部分棱锥的形状。

这样制造第二实施例的样品：壳构件11为100mm宽、150mm长、5mm厚；压力板17具有10mm宽、10mm长的顶表面，80mm宽、130mm长的底表面，和3mm的最大厚度；橡胶板15为73mm宽、124mm长和1.5mm厚。橡胶片15由具有高弹性模量的氟系材料的海绵状物制成。扁平电池单体16具有片状外壳并且相似于第一实施例的样品中采用的电池单体。

将外力20施加给壳构件11和位于壳构件11中央的压力板17。设计压力板17的顶表面的厚度和尺寸，以便将均匀的压力施加给电池单体16。压力的均匀性和外部压力的大小由夹在橡胶片15和电池单体16之间的压力感应片测量。

虽然外部压力在8kgf和80kgf之间变化，但是没有观察到在电池单体16的外围区域上所施加力的集中，因此均匀的压力施加到电池单体16。这是在多个(在此例中是2-4个)电池单体16彼此层叠的情况下观察到的。由此提供的外力相应于0.1kgf/cm²至1.0kgf/cm²。

针对施加给电池单体16的压力为0.1kgf/cm²(样品3)、0.5kgf/cm²(样品4)、1kgf/cm²(样品5)的各种情况，进行第二实施例的样品的循环(CCCV)测试。循环测试的条件类似于第一实施例的样品。循环测试的结果示于表2中。

表2

	循环次数
	循环次数						0	100	200	300	400	500
	样品3	100％	85％	80％	78％	75％	0	100	200	300	400	500	72％
样品4	样品3	100％	85％	80％	78％	75％	100％	86％	81％	80％	77％	74％	72％
样品4	样品5	100％	85％	71％	80％	76％	100％	86％	81％	80％	77％	74％	74％

样品3：0.1kgf/cm²，样品4：0.5kgf/cm²，样品5：1kgf/cm²

从表1和2中可以明了，和常规电池组件相比，在500次循环之后，根据第二实施例的电池组件的样品同样实现了在容量保持率方面的最大约为10％的提高。特别地，象0.1kgf/cm²这么低的施加压力可以实现约为5％的在容量保持率方面的提高。

参考图3，根据本发明第三实施例的电池组件包括20个以串联方式电连接的电池单体16，它们层叠成四层并排列成包括5个电池层叠体的一列。

电池单体16作为整体被夹在具有一部分棱锥形状的一对压力板17之间，此压力板17被夹在一对壳构件11之间。在充放电操作后，电池组件仍具有优秀的特性，并且由于用于电池组件的树脂材料而具有更轻的重量。

由于对上述实施例的描述仅用于举例，因此本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明保护范围的情况下，本领域的普通技术人员可以很容易地从这些实施例出发进行各种修改和替换。

Claims

1.一种电池组件，它包括电池单体、夹在所述电池单体两侧的一对压力板，在其中容纳了该对压力板和所述电池单体的外壳，所述外壳使所述压力板相互挤压以固定所述电池单体，以及在各所述压力板和所述外壳的相应部分之间、在所述各压力板的中央区域设置的插入件。

2.根据权利要求1的电池组件，其中所述电池单体包括片状外壳和电池体，该电池体具有多个组合体的叠合结构，各组合体包括阴极、第一隔板、阳极和第二隔板。

3.根据权利要求1的电池组件，其中所述插入件包括多个支柱。

4.根据权利要求3的电池组件，其中所述支柱设置在矩形的四个顶点上。

5.根据权利要求1的电池组件，其中所述插入件与所述各压力构件结合起来。

6.根据权利要求4的电池组件，其中所述压力构件具有在所述中央区域大于外围区域的厚度。

7.根据权利要求1的电池组件，其中，由于所述外壳的所述相应部分的翘曲，使得所述各压力板和所述外壳的所述相应部分在所述外围区域彼此接触。

8.根据权利要求1的电池组件，其中多个所述电池单体在所述压力板对之间以串列的形式设置。

9.根据权利要求1的电池组件，其中多个所述电池单体彼此层叠。

10.根据权利要求1的电池组件，其中所述外壳包括连接在一起的一对壳构件。