CN1433101A - 具有改进的胶卷状电极结构的二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有简单结构的二次电池，该二次电池在保持高容量的同时能够确保其热稳定性和机械稳定性。该二次电池包括：一个电池箱；和一个放置在电池箱中的由两个不同的电极和在该两个电极中插入的隔板卷绕而成的胶卷状电极，所述隔板一圈又一圈地缠绕在该胶卷状电极的外表面上。只缠绕在该胶卷状电极的中心上的隔板形成了一个杆状的稳定元件，该稳定元件通过吸收电池产生的热量而被热固化。缠绕在胶卷状电极的中心的隔板连续不断的来自于一部分与两个不同的电极堆叠在一起的隔板。

Description

具有改进的胶卷状电极结构的二次电池
优先权要求
本申请依据35 U.S.C.19，要求本人于2001年10月16日向韩国工业产权局提出的序列号为2001-63715的名称为“二次电池的胶卷状电极”的优先权。
技术领域
本发明涉及一种带有胶卷状电级的二次电池，在该胶卷状电极中，正极、隔板和负极卷绕在一起。本发明尤其涉及一种结构上有改进和改善了热稳定性的带有胶卷状电极的二次电池。
背景技术
二次电池可以再次充电并且能以较小的尺寸具有较大的电容量。二次电池通常包括镍金属氢化物电池(Ni-MH)、锂电池、锂离子电池(Li-ion)和聚合锂电池。二次电池分为圆柱形电池、矩形电池和在袋中设有胶卷状电极的袋形电池。
一个二次电池包括缠绕成圆形或椭圆形的胶卷状电极。该胶卷状电极是这样获得的：在一个基层上涂覆活性物质并干燥、滚轧冲压，然后切割基层形成负极和正极，然后将正极和负极以及它们之间的隔板卷绕在一起。一个圆形的电池的形成过程是这样的：通过卷绕胶卷状电极以形成一个圆柱形的横截面，再将该胶卷状电极放入一个圆柱形的电池箱，向电池箱注入电解液并密封该电池箱。矩形电池则是通过在压力的作用下使胶卷状电极变平，并将该电极放入一个矩形的电池箱中形成的。
例如，一个带有胶卷状电极结构的圆柱形的二次电池，其包括一个电极如一个负极、正极，可以根据电极类型的不同使用不同的方法来制造该电极。通常情况下负极和正极是这样形成的：在各个基层两侧上涂覆包含有负极活性物质和正极活性物质的粘合液，然后干燥、滚轧冲压并按照预定的尺寸切割基层。在负极与正极之间插入一个隔板以防止负极与正极电连接，然后将它们卷绕在一起。
将制造好的胶卷状电极放入一个电池箱中，在电池箱的顶部安装一个帽部件以与胶卷状电极的负极相连。该电池箱中注有电解液并被密封起来，这样就形成了一个圆柱形电池。
在这样一个圆柱形电池中，正极基层在胶卷状电极的外部与电池箱的内壁接触，或者使一个焊接在正极基层上的正极分接头与电池箱的底部接触。一个从负极基层延伸出来的位于胶卷状电极中心的分接头与帽部件组件相连。在胶卷状电极的顶部表面和底部表面设置有防止帽部件与电池箱之间发生短路的绝缘板。
已有很多种方法被用来制造高容量的电池，如通过紧密地缠绕薄而长的电极以使大量活性物质可以被引入具有上述结构的圆柱形电池中。
在制造高容量的电池时，另一个需要考虑的问题是电池的机械稳定性和热稳定性。
由于电池内部产生的热量不能有效地散出而引发了电池的热稳定性这个问题。当电池的电极紧密地卷绕在一起以至于内部产生的热量不能有效的散发出去时，就产生了这一问题。结果，电池的温度持续上升并发生了热失控现象，因此降低了电池的稳定性。
有关电池的机械稳定性这个问题指的是当电极受到外部环境的损坏如受到物理冲击时会降低电池的稳定性。
已有一些改进电池散热结构的方法用来防止电池的稳定性的降低。特别是由Teramoto发明的美国专利申请US5571632“非水电解液二次电池及其制造方法”中揭示了一种非水电解液二次电池，该电池中的负极焊接在一个铝制内管上，正极焊接在胶卷状电极外侧的镍片上。
为制造具有上述结构的二次电池，设置一个横穿电池箱的内管，电极被焊接在该内管上，一个单独的元件被焊接在胶卷状电极的外侧上。这种二次电池的结构过于复杂，增加了制造过程的难度，因此很繁。同时，这种二次电池的结构与传统的圆柱形二次电池不同，因此也不能使用制造二次电池的常规设备。另外，对于一个高容量的，结构紧凑的电池来说，插入一个如此大的体积的内管限制了电极缠绕的紧密性。
发明内容
为了解决上面提到的和其它一些问题，本发明的主题在于提供一种简单结构的二次电池，这种二次电池能满足具有高容量的同时确保其热稳定性和机械稳定性。
为了达到本发明的目的，提供了一种二次电池，该二次电池包括：一个电池箱，一个放置在电池箱中的由两个不同的电极和插入该两电极之间的隔板卷绕而成的胶卷状电极，在胶卷状电极的外表面上一圈又一圈地缠绕着隔板。
优选的是，只缠绕在胶卷状电极中心的隔板形成了一个杆状的稳定元件，该稳定元件通过吸收电池产生的热而热固化。在这种情况下，缠绕在胶卷状电极中心的隔板连续不断地来自于一部分与正、负极堆叠在一起的隔板。
优选的是，一种电极布置成比另外一种电极更朝外一些，该种电极的基层上没有涂覆活性物质，且该基层围绕着胶卷状电极的外表面与电池箱的内壁相连。在这种情况下，在该围绕胶卷状电极的外表面的基层上附加覆盖一层以聚烯烃为基础的薄膜。
附图说明
通过下列附图的详细说明，可以有助于更加全面地理解本发明的各个方面和许多附加优点，附图中相同的符号表示相同或相似的部件，其中：
附图1是一个传统的二次电池的胶卷状电极的剖视图；
附图2是根据本发明的优选实施例所描述的二次电池的胶卷状电极的剖视图；
附图3是附图2所示二次电池结构的纵向剖视图；
附图4是根据本发明的优选实施例所描述的二次电池的胶卷状电极一部分被切掉后的局部剖视图；
附图5是根据本发明又一实施例的二次电池的胶卷状电极的剖视图；
附图6是附图5所示二次电池结构的纵向剖视图；
附图7是根据本发明另一实施例的二次电池的胶卷状电极的剖视图；
附图8是根据本发明的另一实施例的二次电池的胶卷状电极的剖视图。
具体实施方式
附图1是一个圆柱形的二次电池的剖视图，其中显示了该二次电池的胶卷状电极的结构。
根据电极的类型不同，一个电极诸如正极和负极可以采用不同的方法加以制造。通常，如附图1所示，正极4和负极3通过在它们各自的基层4a和3a的两面涂上含有正极活性物质4b及负极活性物质3b的粘合液，然后将其干燥，滚轧冲压并按照预定的尺寸切割基层3a和3b。在正极4和负极3之间插入一个隔板5以防止正极4与负极3电连接，最后将它们卷绕起来。
将所得到的胶卷状电极2放在电池箱1中，在电池箱1的顶部安装一个帽部件(图中未示出)与胶卷状电极的负极3相连，向电池箱1中注入电解液并将其密封就得到了一个圆柱形的电池。
在这样一个圆柱形的电池中，正极的基层4a在胶卷状电极2的外侧与电池箱的内壁相连接，或一个正极分接头焊接在正级的基层4a上与电池箱1的底部相连接。一个由负极基层3a延伸出来的，位于胶卷状电极2的中心的分接头与帽部件相连接。在胶卷状电极的顶部表面和底部表面上分别设置有绝缘板以防止在帽部件与电池箱1之间发生短路。
通过附图描述了本发明的优选实施例。虽然优选实施例中描述的是一种圆柱形电池的胶卷状电极，然而本发明不仅仅限于圆柱形的电池，它可适用于带有优选实施例中描述的胶卷状电极的各种形状的电池。
附图2是根据本发明的优选实施例所描述的带有胶卷状电极的圆柱形二次电池的剖视图，附图3是附图2所示圆柱形二次电池的纵向剖视图。如附图2与附图3所示，在电池箱10中容纳有由负极20、正极40和隔板50卷绕形成的胶卷状电极20。通过将一个隔板50、一个正极40(或负极30)、一个隔板50、一个负极30(或正极40)按顺序堆叠起来，并将叠层卷制而成胶卷状电极20。
通过分别在基层32和42的一面或两面上沉积锂金属氧化物、碳、碳合成物的活性物质34和44而形成了负极30和正极40。负极30的基层32位于胶卷状电极20的中心并通过一个焊接在基层32上的负极分接头16与帽部件12相连。在胶卷状电极20的顶部和底部分别设置有一个绝缘板14以防止帽部件12与电池箱10之间发生短路。
在带有上述本发明所描述的胶卷状电极中，隔板50与负极30和正极40卷制在一起用于电池的散热及保持结构的稳定性。
特别地，在胶卷状电极20的外表面上缠绕有不止一层隔板50从而形成了最外部的隔板52。同样的，在胶卷状电极20的中心有最内层隔板54作为胶卷状电极20的最内层绕层。优选的是，最内层隔板54紧紧地缠绕在胶卷状电极20的中心。
本发明通过在胶卷状电极的中心和在胶卷状电极20与电池箱10之间形成附加的隔板50(即最内层隔板54和最外层隔板52)以提高电池的热稳定性和机械稳定性。
适于用做隔板的物质包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)的组合物。本发明基于这些用做隔板的物质易吸热及被热固化。
特别地，当电池的温度升高时，附加缠绕在胶卷状电极20的外表面和中心上的最外层隔板52和最内层隔板54分别吸热产生一种散热的效果。同时，最外层隔板52和最内层隔板54通过吸热的方法，充当了胶卷状电极20的最外层和最内层的保护层。
作为另外缠绕在胶卷状电极20的中心的最内层隔板54，其吸收电池内部产生的热量，并形成了如图4所示的一个带有中央空腔56a的杆状稳定元件56。这种稳定元件56采用杆状外形比采用其它形状更有助于保持其机械稳定性。稳定元件56可用芯轴替代，与该稳定元件不同的是，芯轴通常为形成于胶卷状电极中心的一个独立的组分。通过处理最内层隔板54而整体形成的稳定元件56比单独形成的芯轴具有至少相同或更好的效果。此外，由于不使用芯轴，电池可以更紧密地卷绕在一起从而使其体积得到减小。
制造电池时，除了关注其能够散出电池内部产生的热量的热稳定性，还应重点考虑其抵抗外部冲击的适当的物理稳定性。外部冲击对电池造成的损坏很大地影响了电池的稳定性。随着电池日益地被充电，电极的体积膨胀以至于边缘电流流动。这种局部电流的流动增加了产生局部热量的可能性。另外，随着充电中电极厚度的增加，电极边缘包层破损的可能性也增加了。
因此，保护电池不受外部的冲击同有效散出电池的热量一样，是非常必要的。
本发明通过使用分别附加缠绕在胶卷状电极20的外表面和中心上热固化的最外层隔板52和最内层隔板54来满足上述两种要求。
如附图2和3所示的胶卷状电极20，正极40的基层42与电池箱10之间不接触。因此，优选的是通过一个由负极40延伸的附加的分接头17与在电池箱10内部的底部上形成的突出部分18相连。在附图2和附图3中，负极30与正极40是可以互换的。
附图5是根据本发明另一优选实施例的二次电池的胶卷状电极的剖视图，附图6是附图5所示二次电池的纵向剖视图。如附图5和6所示，在胶卷状电极20的外表面和中心分别一圈又一圈地缠绕着附加的最外层隔板52和最内层隔板54。如上面所描述的，当最外层隔板和最内层隔板被热固化后，它们可以增强电池的稳定性。尤其是缠绕在胶卷状电极20的中心的最内层隔板54，如图4所示，其经过热固化后形成了一个杆状的稳定元件56。
如图5和6所示的胶卷状电极20，最外层隔板52一圈又一圈地缠绕在正极40的基层42上，该正极40相对于与正、负极间的隔板50卷绕在一起的负极30而言，布置地更朝外一些(更朝向外部以远离电池的中心并更朝外和朝向电池箱10，或者缠绕或堆叠地更朝外一些)。隔板50的高度总是大于(高于)卷绕在一起的正极40和负极30的高度，因此胶卷状电极20被热固化后的最外层隔板52所围绕着。另外，由于正极40的基层42围绕着最外层隔板52，增加了散热的效果。
在这种结构中，覆盖在胶卷状电极20的外部的正极40的基层46与电池箱10的内壁相连，因此，在上述的附图2和3所示的实施例中提到的附加的分接头在这里就不再需要了。在本实施例中，负极30与正极40之间可以互换。
附图7是根据本发明的另一优选实施例的二次电池的胶卷状电极的剖视图。在这个实施例中，一个最内层隔板54附加缠绕在胶卷状电极20的中心以至当其吸收电池产生的热量而热固化时，形成了一个如图4所示的杆状的稳定元件56。在胶卷状电极20与电池箱10的内壁之间形成了一个附加的以聚烯烃为基础的薄膜60。一个外部的基层46可以被附加地插入到该薄膜60的内部，该外部的基层46通过在正极40的基层42上一圈又一圈地缠绕所述的以聚烯烃为基础的薄膜60而形成。该正极40相对于与正、负极间的隔板50卷绕在一起的负极30而言，布置地更朝外一些(更朝向外部以远离电池的中心并更朝外和朝向电池箱10，或者缠绕或堆叠地更朝外一些)。
象隔板50一样，围绕在胶卷状电极的外表面的以聚烯烃为基础的薄膜60可以由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)的组合物构成。如图8所示，一个替代所述以聚烯烃为基础的薄膜60的带粘性的薄膜62在它的结构完成以后，可以被贴在胶卷状电极20的外表面上。
所述以聚烯烃为基础的薄膜60起到了如图3和5所示的最外层隔板52的作用并被热固化。
在本实施例中，正极40通过一个分接头10与电池箱10相连，且正极40与负极30之间可以互换。
如上述本发明的二次电池的胶卷状电极的结构可以产生如下效果：
首先，附加缠绕在电池的胶卷状电极的外表面和中心的隔板层给电池提供了保护以使其具有了抵抗外部冲击的机械稳定性；
第二点，附加的最内层和最外层隔板层除了增加了电池的机械稳定性以外，还通过吸收电池产生的热量提高了散热能力因此增加了电池的热稳定性。
第三点，虽然省去了一些附加的组件例如芯轴，电池仍可以在体积减小的同时紧密地卷绕在一起并与使用芯轴相比产生相同或更好的效果。
第四点，由于通过简单的缠绕一些附加的隔板层或基层而无需卷绕或结合一种附加的元件就可以获得电池的机械稳定性和热稳定性，因此通过减少制造过程的步骤及降低成本提高了生产力。
虽然通过上述优选实施例部分描述了本发明，然而对于本领域的技术人员来说，在不脱离权利要求所述的本发明精神的范围中，可以作出不同的变化。

Claims (38)

1、一种二次电池，包括
一个电池箱，和
一个放置在该电池箱中的由两个不同的电极及该两电极间的隔板卷绕而成的胶卷状电极，在该胶卷状电极的外表面上一圈又一圈地缠绕着所述隔板。
2、如权利要求1所述的二次电池，还包括所述两个不同的电极中的一个电极布置地比另外一个电极更朝外一些，该超外的电极的基层上没有涂覆活性物质，且该基层环绕着所述胶卷状电极的外表面并与电池箱的内壁相连。
3、如权利要求1所述的二次电池，还包括只缠绕在胶卷状电极的中心的隔板形成了一个杆状稳定元件，该稳定元件通过吸收电池产生的热量而被热固化。
4、如权利要求3所述的二次电池，其特征在于缠绕在所述胶卷状电极的中心的隔板连续不断地来自于一部分与所述两个不同的电极堆叠在一起的隔板。
5、如权利要求3所述的二次电池，还包括所述两个不同的电极中的一个电极布置地比另外一个电极更朝外一些，该超外的电极的基层上没有涂覆活性物质，且该基层环绕着所述胶卷状电极的外表面并与电池箱的内壁相连。
6、如权利要求1所述的二次电池，所述两个不同的电极是一个正极和一个负极。
7、如权利要求1所述的二次电池，还包括只缠绕在胶卷状电极的中心的隔板形成了一个杆状稳定元件，该稳定元件通过吸收电池产生的热量而被热固化。
8、如权利要求1所述的二次电池，还包括一个覆盖在所述胶卷状电极的外表面的以聚烯烃为基础的薄膜。
9、如权利要求1所述的二次电池，其特征在于所述隔板由下列组分中的至少一种形成：聚丙烯，聚乙烯，和聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯的组合物。
10、如权利要求1所述的二次电池，还包括当所述隔板的最外层部分被热固化时，该所述隔板的最外层部分被两个所述不同电极中的最靠近电池箱的一个电极的基层所环绕。
11、如权利要求1所述的二次电池，还包括一个覆盖在所述胶卷状电极的外表面的带粘性的薄膜。
12、一种二次电池，包括：
一个电池箱；和
一个放置在该电池箱中的由两个不同的电极及该两电极间的隔板卷绕而成的胶卷状电极，该胶卷状电极包括一个杆状的稳定元件，该稳定元件由缠绕在该胶卷状电极的中心的隔板卷绕形成且该稳定元件通过吸收电池产生的热量而被热固化。
13、如权利要求12所述的二次电池，其特征在于所述缠绕在胶卷状电极的中心的，形成了一个杆状稳定元件的隔板连续不断地来自于一部分与所述两个不同的电极堆叠在一起的隔板。
14、如权利要求12所述的二次电池，还包括一个覆盖在所述胶卷状电极的外表面的以聚烯烃为基础的薄膜。
15、如权利要求12所述的二次电池，还包括所述两个不同的电极中的一个电极布置地比另外一个电极更朝外一些，该朝外的电极的基层上没有涂覆活性物质，且该基层环绕着所述胶卷状电极的外表面并与电池箱的内壁相连。
16、如权利要求15所述的二次电池，还包括一个覆盖在环绕所述胶卷状电极的外表面的基层上的以聚烯烃为基础的薄膜。
17、一种二次电池，包括：
一个由两个不同的电极及该两电极间的隔板卷绕而成的胶卷状电极，在该胶卷状电极的外表面上一圈又一圈地缠绕着所述隔板。
18、如权利要求17所述的二次电池，还包括只缠绕在胶卷状电极的中心的隔板形成了一个杆状稳定元件，该稳定元件通过吸收电池产生的热量而被热固化。
19、如权利要求18所述的二次电池，还包括所述两个不同的电极中的一个电极布置地比另外一个电极更朝外一些，该朝外的电极的基层上没有涂覆活性物质，且该基层环绕着所述胶卷状电极的外表面。
20、如权利要求19所述的二次电池，其特征在于缠绕在所述胶卷状电极的中心的隔板连续不断地来自于一部分与所述两个不同的电极堆叠在一起的隔板。
21、如权利要求20所述的二次电池，还包括一个覆盖在环绕所述胶卷状电极的外表面的以聚烯烃为基础的薄膜。
22、如权利要求2 1所述的二次电池，其特征在于所述稳定元件具有一个杆状外形。
23、如权利要求22所述的二次电池，其特征在于所述以聚烯烃为基础的薄膜由下列组分中的至少一种形成：聚丙烯，聚乙烯，和聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯的组合物。
24、一种生产二次电池的方法，包括：
将一个第一种类型的电极、一个第二种类型的电极和在该两个电极间的隔板堆叠在一起；
将堆叠在一起的两个电极和隔板卷起来形成了一个胶卷状电极；和
用隔板将所述胶卷状电极的外表面缠绕起来。
25、如权利要求24所述的生产二次电池的方法，其特征在于电极末端的隔板一圈又一圈地缠绕着所述胶卷状电极的外表面。
26、如权利要求24所述的生产二次电池的方法，还包括所述第一种类型的电极的基层环绕着所述胶卷状电极的外表面，该基层没有涂覆活性物质且与电池箱的内壁相连，所述第一种类型的电极布置地比第二种类型的电极更朝外一些。
27、如权利要求24所述的生产二次电池的方法，还包括只缠绕在胶卷状电极的中心的隔板形成了一个杆状稳定元件，该稳定元件通过吸收电池产生的热量而被热固化。
28、如权利要求27所述的生产二次电池的方法，其特征在于所述缠绕在胶卷状电极的中心的隔板连续不断地来自于一部分与所述两个不同类型的电极堆叠在一起的隔板。
29、一种生产二次电池的方法，包括：
将一个第一种类型的电极、一个第二种类型的电极和在该两个电极间的隔板堆叠在一起；
将堆叠在一起的两个电极和隔板卷起来形成了一个胶卷状电极；和
用由所述隔板和一层以聚烯烃为基础的薄膜组成的组分中的任何一种将该胶卷状电极的外表面缠绕起来。
30、如权利要求29所述的生产二次电池的方法，还包括所述第一种类型的电极的基层环绕着所述胶卷状电极的外表面，该基层没有涂覆活性物质且与电池箱的内壁相连，所述第一种类型的电极布置地比第二种类型的电极更朝外一些。
31、如权利要求29所述的生产二次电池的方法，还包括：
卷绕那些只缠绕在胶卷状电极的中心的隔板以形成一个杆状的稳定元件；和
通过吸收所述二次电池产生的热量热固化该稳定元件。
32、一种二次电池，包括：
一个电池箱；
一个放置在该电池箱中的第一种类型的电极；
一个放置在该电池箱中的第二种类型的电极，这两个电极一个是正极，另一个是负极；和
在该第一种类型的电极和第二种类型的电极之间插入一个隔板以防止这两个电极之间发生电连接，将第一种类型的电极、第二种类型的电极、隔板卷绕在一起形成了一个胶卷状电极，所述隔板在胶卷状电极的内部的末端延伸出一定的长度，该长度超出电极的长度并在胶卷状电极的中心形成了一个稳定元件，该稳定元件通过吸收二次电池内部产生的热量而被热固化。
33、如权利要求32所述的二次电池，还包括一个在所述胶卷状电极的外部的末端延伸出一定长度的隔板，该长度超出了电极的长度，所述隔板缠绕在最外面的电极的外表面上，该最外面的电极可以是第一种类型的电极，也可以是第二种类型的电极。
34、如权利要求33所述的二次电池，还包括所述缠绕在最外面电极的外表面上的隔板至少覆盖了该最外面电极的整个外表面。
35、如权利要求32所述的二次电池，还包括一个电极的基层环绕着所述胶卷状电极的外表面且与电池箱的内壁相连，该基层没有涂覆活性物质，所述电极布置地比另一个电极更朝外一些。
36、如权利要求32所述的二次电池，其特征在于缠绕在胶卷状电极中心的隔板连续不断地来自于所述隔板的一部分。
37、如权利要求32所述的二次电池，还包括一个环绕在胶卷状电极的外表面的以聚烯烃为基础的薄膜。
38、一种二次电池，包括：
一个电池箱；和
一个放置在电池箱中的由两个不同的电极和插入它们之间的隔板卷绕而成的胶卷状电极，该隔板缠绕地超出了所述两个不同的电极，覆盖了所述胶卷状电极的外表面。
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