CN1440088A - 电池单元、使用该电池单元的锂聚合物电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有改进安全措施的电池单元、一种使用该电池单元的锂聚合物电池及一种制造该锂聚合物电池的方法。锂聚合物电池有电池单元和容纳电池单元的壳体，其中电池单元包括：阴极板，带有阴极集电体和阴极活性材料层；阴极导线，与阴极集电体电连接；阳极板，带有阳极集电体和阳极活性材料层；阳极导线，与阳极集电体电连接；分隔件，插入阴极板和阳极板之间使阴极板和阳极板彼此绝缘；绝缘元件，形成于阴极导线和阳极导线中的至少一个上，以防止阴极导线与阳极板之间或阳极导线与阴极板之间的短路。在电池单元中，阴极板、分隔件和阳极板彼此顺序、重复地叠置起来。因此，与锂聚合物电池合为一体的绝缘元件能够增强电池的安全性。

Description

电池单元、使用该电池单元的锂聚合物电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种锂聚合物电池，特别涉及一种构造成防止由于电极导线和电极板相接触而短路的电池单元、一种使用该电池单元的锂聚合物电池及一种制造锂聚合物电池的方法。
背景技术
二次锂电池每单位重量具有高能量密度，操作电压为3.6V或更高，高于镍镉(Ni-Cd)电池、镍-金属氢化物(Ni-MH)电池和镍氢电池的三倍。因此，它们的用途更广泛。二次锂电池可分为使用液体有机电解质的锂离子电池和使用固体聚合物电解质的锂聚合物电池。
具体地说，锂聚合物电池更安全并且能够适应各种形状，特别是薄膜形式，满足小、轻、便携式电子产品的要求。在锂离子电池中一般不能够达到这些特性。因为这些优点，锂聚合物电池近来很受关注。
参考图1A和1B，示出了常规的锂聚合物电池10。常规的锂聚合物电池10包括电池单元11、从电池单元11引出的电极导线12、焊接在多条电极导线12上的电极端13和容纳电池单元11的壳体14。
在电池单元11的结构中，阴极板、绝缘分隔件和阳极板彼此顺序、重复地叠置起来。电极导线12从电池单元11的每一个阴极板和阳极板中引出。从电池单元11的电极板中引出的多条电极导线12电连接到电极端13上，其中电极端13的一部分暴露于壳体14的外部。图1A所示，壳体14呈凹形以提供容纳电池单元11的空间。
壳体14具有要连接到另一个元件上的密封部分14a，它用以密封壳体14内的电池单元11。密封条15缠绕在接触到密封部分14a的电极端13的一部分上。于是，随着密封部分14a热熔后密封住壳体14，密封条15也熔化并粘结在壳体14的内部各层上，增强了电池的密封性。
但是，常规的锂聚合物电池10有以下问题。从与电极导线12极性相同的电极板伸出的一组电极导线12被弯成U形，然后焊接到一个电极端13上。在生产过程中或锂聚合物电池10的操作中，由于过热绝缘分隔件会收缩，此时电极导线12可能接触到电池单元11中与电极导线12极性相反的电极板上，从而产生一处或多处短路。
在电池单元11为叠置结构，阴极板和阳极板彼此叠置起来的情况下，在切割一堆电极板以形成电池单元的过程中，可能在电极导线12的边缘上产生尖锐的毛边。带有该毛边的电极导线12可能会穿透一个绝缘分隔件，直接接触到与电极导线12极性相反的电极板上，在电池中产生一处或多处短路。
电池单元11中发生短路时，产生的热传递到覆盖在壳体14内表面上的聚合物薄层上。于是，聚合物薄膜熔化，电极导线12电接触到被包括在壳体14中的且作为壳体的中间结构层的金属箔。结果，由于电池单元11中电极板在电离作用中的差异，壳体14逐渐受到了腐蚀。
发明内容
因此，本发明提供了一种有改进安全措施的电池单元，其中可避免彼此极性相反的电极板和电极导线之间的电接触。本发明还包括一种带有该电池单元的锂聚合物电池，及制造该锂聚合物电池的方法。
在本发明的一个实施例中，电池单元包括：阴极板，带有阴极集电体和涂敷在阴极集电体的至少一个表面上的阴极活性材料层；阴极导线，电连接到阴极集电体上；阳极板，带有阳极集电体和涂敷在阳极集电体的至少一个表面上的阳极活性材料层；阳极导线，电连接到阳极集电体上；分隔件，插入到阴极板和阳极板之间，使阴极板和阳极板彼此绝缘；绝缘元件，形成于阴极导线和阳极导线中至少一个上，以防止阴极导线与阳极板之间或阳极导线与阴极板之间的短路。
另一个实施例中，本发明提供了一种包含有电池单元和容纳电池单元壳体的锂聚合物电池，其中电池单元包括：阴极板，带有阴极集电体和涂敷于阴极集电体的至少一个表面上的阴极活性材料层；阴极导线，电连接到阴极集电体上；阳极板，带有阳极集电体和覆盖于阳极集电体的至少一个表面上的阳极活性材料层；阳极导线，电连接到阳极集电体上；分隔件，插入到阴极板和阳极板之间，使阴极板和阳极板彼此绝缘；绝缘元件，形成于阴极导线和阳极导线中至少一个上，以防止阴极导线与阳极板之间或阳极导线与阴极板之间的短路，在电池单元中，阴极板、分隔件和阳极板彼此顺序、重复地叠置起来。
在另一个实施例中，本发明还提供了一种制造锂聚合物电池的方法，该方法包括：混合电极活性材料层的原材料；在集电体基片的至少一个表面上，以与电极活性材料层对应的图案涂敷原材料的混合物；将带有电极活性材料层图案的集电体基片切割成独立的集电体；在从每一个集电体引伸出的电极导线上预附绝缘元件；将绝缘元件热熔到电极导线上；完成包含有集电体的电极板的形成，该集电体带有电极活性材料层和从集电体引伸出的电极导线，绝缘元件熔化于电极导线上。
在另一个实施例中，本发明提供了一种制造锂聚合物电池的方法，该方法包括：混合电极活性材料层的原材料；在集电体基片的至少一个表面上，以与电极活性材料层对应的图案涂敷原材料的混合物；将带有电极活性材料层图案的集电体基片切割成独立的集电体；将用于绝缘元件的组合物滴到从每一个集电体引伸出的电极导线上；通过压模将滴到电极导线上的组合物固定，以形成绝缘元件；完成包含有集电体的电极板形成，该集电体带有电极活性材料层和从集电体引伸出的电极导线，绝缘元件经压模形成于电极导线上。
附图说明
通过参考附图，详细地描述实施例，本发明的上述目的和优点将变得更清晰。
图1A为常规锂聚合物电池的截面图。
图1B为图1A中A部分的放大图。
图2A为根据本发明实施例的锂聚合物电池分解透视图。
图2B为图2A中B部分的放大图。
图3为图2中电池单元的分解透视图。
图4为根据本发明的实施例制造图2中电池单元电极板的方法流程图。
图5为根据本发明另一实施例制造图2中电池单元电极板的方法流程图。
具体实施方式
参见图2A和2B，示出了根据本发明一个实施例的锂聚合物电池20。锂聚合物电池20包括电池单元21和容纳电池单元21的壳体22。电池单元21包括阴极板23、阳极板24和插入阴极板23和阳极板24之间使阴极板23和阳极板24彼此绝缘的分隔件25。在电池单元21中，阴极板23、分隔件25和阳极板24彼此顺序、重复地叠置起来。
阴极板23包括阴极集电体和涂敷在阴极集电体的至少一个表面上的阴极活性材料层。阳极板24包括阳极集电体和涂敷在阳极集电体的至少一个表面上的阳极活性材料层。
阴极导线26和阳极导线27分别从阴极板23和阳极板24引出，阴极导线26和阳极导线27的端部分别焊接在阴极端28和阳极端29上。
电池单元21包含了阴极板23、阳极板24和分隔件25，该电池单元放置在壳体22的空间22a中。阴极端28和阳极端29的一部分伸出到壳体22之外。
壳体22有密封部分22b，在此处密封容纳电池单元21的壳体22。密封条200缠绕接触到密封部分22b的阴极端28和阳极端29的一部分。在通过热熔密封处理的过程中，密封条200熔化并粘结在凹形壳体22的密封部分22b上，从而增强了电池的密封性。绝缘元件210围绕每一根阴极导线26形成，防止直接接触到阳极板4。
参见图3，详细描述根据本发明二次电池的结构。
图3示出了图2中电池单元21的一个单元电池盒。参见图3，阴极板23包括由利用例如铝的多孔金属或冲孔金属形成的阴极集电体23a。包含有氧化锂、粘结剂、塑化剂和导电材料的前、后面的阴极活性材料层23b和23c形成于阴极集电体23a的两个表面上。
阴极导线26从阴极集电体23a的一角部引出预定的长度。阴极导线26与阴极集电体23a最好形成为一整体，可提高生产效率。
阳极板24面对阴极板23设置，它们之间为分隔件25。阳极板24包括例如由铜箔形成的阳极集电体24a。包含有碳材料、粘结剂、塑化剂和导电材料的前、后面的阳极材料层24b和24c形成于阳极集电体24a的两个表面上。
阳极导线27从与延伸出阻极导线26的阴极板23的角部对角线相对的阳极集电体24a的角部引出预定的长度。阳极导线27与阳极集电体24a最好形成为一整体。
绝缘元件210围绕阴极导线26形成，该导线弯成U形置于壳体22内，如图2所示。将阴极导线26和阴极集电体23a一同切割时，在阴极导线26的边缘会产生毛边。阴极导线26的毛边很可能穿透分隔件25，接触到阳极板24，由此产生电短路。
为了防止这样的电短路，围绕阴极导线26可能接触到与阴极导线26极性相反的阳极板24的这部分，形成聚合绝缘元件210。
由例如聚乙烯或聚丙烯形成的耐热绝缘条可用来做绝缘元件210。将这种绝缘条热熔到阴极导线26的那一部分上。
另外，绝缘元件210还可由聚合树脂组合物形成，这种组合物含例如聚乙烯、聚丙烯或非晶性聚酰胺等。这种情况下，将预定量的聚合树脂组合物滴到阴极导线26上，经压模定型。
绝缘元件210可附着在阳极导线27上，而不接附在阴极导线26上，或者在阴极导线26和阳极导线27上都附着。
下面描述制造具有上述结构的锂聚合物电池的电极板的方法。
图4为根据本发明的一个实施例制造用于锂聚合物电池的电极板方法的流程图。作为一实例，下面参见图4描述阴极板的形成。如图3所示，阴极板23包括阴极集电体23a和前、后面的阴极活性材料层23b和23c。首先，为了形成前、后面的阴极活性材料层23b和23c，将用于阴极活性材料层的原材料混合在一起。特别是，将作为阴极活性材料的氧化锂、导电材料和塑化剂与粘结剂溶液混合，以制备成浆液(S10)。
为了高效大规模地生产，用单张大的铝箔(以下称为“阴极集电体基片”)同时生成多个的阴极集电体23a。在阴极集电体基片的两个表面上，以与阴极材料层23b和23c形状对应的图案来涂敷浆液，形成阴极活性材料层23b和23c(S20)。可通过敷料的方法在阴极集电体基片的两个表面涂敷浆液，以形成前、后面的阴极活性材料层23b和23c。
为了提高活性材料层对优选由网孔或冲孔铝制成的阴极集电体基片的粘合力，减少界面间的阻力以延长使用寿命，增强电池的充/放电性能，在阴极集电体基片涂敷浆液之前，去除阴极集电体基片表面的杂质。在阴极集电体的两个表面上涂敷浆液形成前、后面的阴极活性材料层23b和23c之后，进行压延处理，以增强前、后面阴极活性材料层23b和23c对阴极集电体基片的粘合力，并且校正前、后面阴极活性材料层23b和23c可能存在的厚度偏差。压延处理最好是通过在加热的滚筒之间传送涂敷了浆液的阴极集电体基片进行(S30)。
接着，用模子将具有前、后面阴极活性材料层23b和23c的图案的阴极集电体基片切割成预定形状的单个阴极集电体23a。每一个制成的阴极集电体23a带有从阴极集电体的一个边缘引伸出的阴极导线26(S40)。
接着，绝缘元件210如绝缘条，预附在阴极导线26上(S50)。用于绝缘元件210的绝缘条可由熔点低达约150℃或更低的聚丙烯或聚乙烯形成。绝缘条包括厚度约20-70μm的条带层和涂敷在条带层上的厚度约为5-20μm的粘合剂层。绝缘元件210预附绕在部分阴极导线26上，优选厚度为2-4mm。
绝缘元件201预附在阴极导线26上后，最好将阴极导线26在温度预热到约140-180℃的滚筒之间传送，以便使绝缘元件201热熔到阴极导线26上(S60)。这时，由于条带层熔化到了阴极导线26上，所以需要控制绝缘元件201粘合剂层的厚度，防止涂敷到条带层上的粘合剂层中粘合剂成分结块。要均匀保持滚筒的温度和它们之间的间隙，使绝缘元件210更易热熔，并且熔化后没有杂质遗留在滚筒的表面。
在步骤S60中，另一个需要考虑的是保持施加绝缘元件的滚筒(未示出)的表面平坦，以便防止绝缘元件210熔化的条带层向阴极集电体23a蔓延。此外，施加绝缘元件的滚筒的旋转速率应当大致与阴极集电体23a在运输带上的移动速率一致，并且施加绝缘元件的滚筒应当将绝缘元件210以拉紧的状态施放在阴极导线26上，以便防止绝缘元件210的松垂。
步骤S10至S60提供了一个完整的阴极板23，其包括带有前、后面阴极活性材料层23b和23c的阴极集电体23a和从阴极集电体23a的一边引伸出的阴极导线26，防止阴极导线26与阳极板24之间电接触的绝缘元件210热熔于阴极导线26上(S70)。
根据本发明制造二次电池阴极板的上述方法，可应用于与阴极板极性相反的阳极板的形成。在阳极板的制造中，优选使用铜箔作为阳极集电体基片。前、后面的阳极活性材料层24b和24c形成于阳极集电体24a的两个表面上，阳极导线27从阳极集电体24a的一个边缘引伸出。绝缘元件210也可附着在阳极导线27上。或者，绝缘元件210可只附着在阳极导线27上，不附着在阴极导线26上。
图5为根据本发明另一实施例制造用于锂聚合物电池的电极板方法的流程图。作为一个实施例，下面参考图5描述阴极板的构造示例。
首先，将用于前、后面阴极活性材料层23b和23c的原材料混合在一起。特别是，将氧化锂、塑化剂和导电材料与粘合剂溶液混合，以制备成浆液(S110)。
用于前、后面阴极活性材料层23b和23c的制备成的浆液涂敷在阴极集电体基片的前后表面上，该表面通过预处理已将杂质去除(S120)。阴极集电体基片的两个表面都涂敷上浆液，以形成前、后面阴极活性材料层23b和23c。这一步骤最好通过敷料实现。
在阴极集电体基片的两个表面都涂敷上浆液，形成前、后面阴极活性材料层23b和23c之后，进行压延处理，以增强前、后面阴极活性材料层23b和23c对阴极集电体基片的粘合力(S130)。接着，用模子将带有前、后面阴极活性材料层23b和23c的阴极集电体基片，切割成预定形状的单个阴极集电体23a。每一个制成的阴极集电体23a带有从它的一个边缘引伸出的阴极导线26(S140)。也就是说，阴极导线26与阴极集电体23a形成为一整体。
接着，用于绝缘元件210的组合物滴到阴极导线26的至少一部分上。绝缘元件210的组合物可为含有例如聚丙烯、聚乙烯或非晶性聚酰胺的聚合乳液。
适用的聚丙烯包括定向聚合物，如无规聚合物、间规聚合物和等规聚合物，其熔点约为120-160℃，熔体流动指数约为15克/10分钟。适用的聚乙烯结晶度约为20-50％，熔体流动指数为5克/分钟或更高。适用的聚乙烯还包括熔点约为100-160℃的高密度聚乙烯、熔点约为100-140℃的线性低密度聚乙烯和熔点约为90-120℃的线性低密度聚乙烯。
在阴极导线26上涂敷的组合物最好含有1-5％重量百分比的丙烯酸，其余的成份为聚丙烯或聚乙烯母体聚合物，以增强粘合力。
适用的非晶性聚酰胺熔点约为120-160℃。
用于绝缘元件的组合物最好通过单个或多个螺杆压出机和温度调节器，滴落到阴极导线26上(S150)。此时优选地，将精密的压力计附着在压出机上，以便准确控制用于绝缘元件的组合物分配时的压力。
用于绝缘元件210的组合物滴落到阴极导线26上后，用模子进行压模，以便形成优选厚度约为1.5-4.5mm、优选长度为2.2-2.5mm的绝缘元件(S160)。
为了使绝缘元件容易取出，并且从模子中取出和附着在阴极导线26上时保持完整、预定的形状，压模时最好将脱模剂涂敷在模子里面。
步骤S110至S160提供了一个完整的阴极板23，它包括带有前、后面阴极活性材料层23b和23c的阴极集电体23a，和从阴极集电体23a的一个边缘引伸出的阴极导线26，以防止阴极导线26与阳极板4之间电接触的绝缘元件210经压模形成于导线26上(S170)。
根据本发明的电池单元和根据本发明上述方法制造的、使用根据本发明电池单元的锂聚合物电池，提高了电池的安全性和可靠性，还可防止电压下降。
尽管本发明经过特殊的图示和参考优选实施例进行了描述，不过本领域的普通技术人员仍可理解，在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明实质和范围的情况下，可在其中作各种形式上和细节上的变换。

Claims (21)

1.一种电池单元，包括：
阴极板，其带有阴极集电体和涂敷在该阴极集电体的至少一个表面上的阴极活性材料层；
阴极导线，其与阴极集电体电连接；
阳极板，其带有阳极集电体和涂敷在该阳极集电体的至少一个表面上的阳极活性材料层；
阳极导线，其与阳极集电体电连接；
分隔件，其插入阴极板和阳极板之间，使阴极板和阳极板彼此绝缘；和
绝缘元件，其形成于阴极导线和阳极导线中的至少一个上，以防止阴极导线与阳极板之间或阳极导线与阴极板之间的短路。
2.如权利要求1所述的电池单元，其特征在于绝缘元件由聚合树脂形成。
3.如权利要求2所述的电池单元，其特征在于绝缘元件由聚乙烯形成。
4.如权利要求2所述的电池单元，其特征在于绝缘元件由聚丙烯形成。
5.如权利要求2所述的电池单元，其特征在于绝缘元件由非晶性聚酰胺形成。
6.如权利要求1所述的电池单元，其特征在于绝缘元件通过使围绕阴极导线和阳极导线中的至少一个的绝缘条热熔而形成。
7.如权利要求2所述的电池单元，其特征在于绝缘元件通过对滴落到阴极导线和阳极导线中的至少一个上的用于绝缘元件的组合物进行压模形成。
8.一种锂聚合物电池，包括：
电池单元，其包括：
阴极板，其带有阴极集电体和涂敷在该阴极集电体的至少一个表面上的阴极活性材料层；
阴极导线，其与阴极集电体电连接；
阳极板，其带有阳极集电体和涂敷在该阳极集电体的至少一个表面上的阳极活性材料层；
阳极导线，其与阳极集电体电连接；
分隔件，其插入阴极板和阳极板之间，使阴极板和阳极板彼此绝缘；
绝缘元件，其形成于阴极导线和阳极导线中的至少一个上，以防止阴极导线与阳极板之间或阳极导线与阴极板之间的短路；和
壳体，其容纳电池单元，所述阴极板、分隔件和阳极板顺序地且重复地彼此叠置在其中。
9.如权利要求8所述的锂聚合物电池，其特征在于绝缘元件由聚合树脂形成。
10.如权利要求9所述的锂聚合物电池，其特征在于绝缘元件由聚丙烯形成。
11.如权利要求9所述的锂聚合物电池，其特征在于绝缘元件由聚乙烯形成。
12.如权利要求9所述的锂聚合物电池，其特征在于绝缘元件由非晶性聚酰胺形成。
13.一种制造锂聚合物电池的方法，包括以下步骤：
混合用于电极活性材料层的原材料；
以与该电极活性材料层对应的图案，在集电体基片的至少一个表面上涂敷原材料的混合物；
将带有电极活性材料层图案的集电体基片切割成独立的集电体；
将绝缘元件预附到从每一个集电体引伸出的电极导线上；
将绝缘元件热熔到电极导线上；和
完成电极板的形成，该电极板包含带有电极活性材料层的集电体和，从该集电体引伸出的电极导线，绝缘元件热熔在该导线上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于在电极导线上预附绝缘元件时，将聚丙烯带围绕附着在电极导线的一部分上。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于在电极导线上预附绝缘元件时，将聚乙烯带围绕附着在电极导线的一部分上。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于在电极导线上预附绝缘元件时，将非晶性聚酰胺带围绕附着在电极导线的一部分上。
17.一种制造锂聚合物电池的方法，包括以下步骤：
混合用于电极活性材料层的原材料；
以与该电极活性材料层对应的图案，在集电体基片的至少一个表面上涂敷原材料的混合物；
将带有电极活性材料层图案的集电体基片切割成独立的集电体；
将用于绝缘元件的组合物滴落到从每一个集电体引伸出的电极导线上；
经模压将滴落到电极导线上的组合物固定，以形成绝缘元件；
完成电极板的形成，该电极板包含带有电极活性材料层的集电体和从该集电体引伸出的电极导线，绝缘元件模压形成在该导线上。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于将用于绝缘元件的组合物滴落到电极导线上时，含有聚丙烯的组合物通过压出机滴落到电极导线上。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于将用于绝缘元件的组合物滴落到电极导线上时，含有聚乙烯的组合物通过压出机滴落到电极导线上。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于将用于绝缘元件的组合物滴落到电极导线上时，含有非晶性聚酰胺的组合物通过压出机滴落到电极导线上。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于用于绝缘元件的组合物中含有约1-5％重量百分比的丙烯酸，以增强绝缘元件对电极导线的粘合力。
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