CN1501525A - 用于二次电池的安全装置以及具有该安全装置的二次电池 - Google Patents

Abstract

提供一种以可靠的方式中断电流并用于二次电池的安全装置以及具有安全装置的二次电池。安全装置包括由绝缘树脂材料制成的壳体，该壳体进行密封以便在其中具有空间，并且安装在二次电池内，壳体的至少一部分通过外部压力的增加来收缩，并且电连接构件安装成穿过壳体，使其一个端部电连接在电池的电极组件的电极板上，并且另一端部电连接在电极板的终端部分上，该电连接构件通过该壳体的收缩部分切断。

Description

用于二次电池的安全装置以及具有该安全装置的二次电池

技术领域

本发明涉及一种二次电池，并且本发明尤其涉及用于二次电池的安全装置和具有该安全装置的二次电池。

背景技术

二次电池通常是可重新充电的，其可制成小尺寸并具有高容量。二次电池的典型实例包括镍-金属氢化物(Ni-MH)电池、锂(Li)电池和锂离子(锂-离子)电池。

按照容纳电力产生元件(即电极组件)的壳体外观，二次电池分类成使用圆柱形铝罐的圆柱形电池、使用矩形铝罐的矩形电池和容纳在薄膜囊袋类型的壳体中的囊袋式电池。

在二次电池中需要一种在电池不正常操作时自动中断电池操作的安全装置。例如，二次电池中的内部或外部短路可导致电池的过热并在电池内增加应力。没有安全装置，电池将继续过热并达到过大压力，直到电池爆炸为止。为了防止这种危险性的爆炸，安全装置用来在电池开始不正常操作时但在电池爆炸之前停止电池产生电力。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种用于二次电池的改进的安全装置。

同样本发明的目的在于提供一种用于二次电池的压力致动安全装置。

本发明的另一目的在于提供一种用于二次电池的安全装置，在电池不正常操作时该装置产生完全的断路。

同样本发明的目的在于提供一种用于二次电池的安全装置，该装置不增加二次电池的体积。

本发明的再一目的在于提供一种用于二次电池的安全装置，当电池正常操作时该装置不造成导线长度加长，并不造成电阻损耗增加。

这些和其他目的可通过以下二次电池来实现，该电池具有位于罐内的果冻卷形的电极组件、密封其中有电极组件的罐开口的盖板和布置在盖板和电极组件之间电池内的压力致动安全装置。安全装置是具有通过其中的导电金属丝的密封壳体。安全装置的金属丝的一端连接到电极组件内的电极板上，并且其另一端连接在电池外部的终端上。当盖板和电极组件之间空间的压力高于预定临界值时，安全装置的金属丝起作用，使得没有电力传递到终端上。该作用防止电池短路或电池过量充电，从而防止压力进一步增加以及可能的爆炸。

安全装置的壳体保持在一个大气压的压力下。安全装置的一侧是柔性壁。当电池内盖板和电极组件之间空间的压力上升高于一个大气压时，柔性壁鼓入安全装置，逐渐接触并撕断金属丝，因此关断电池。采用此结构，电池内的安全装置不增加电池的体积。

附图说明

通过结合附图参考以下详细说明书将更完整地理解或更加清楚本发明以及本发明的附加优点，附图中相同的标号表示相同或类似的部件，附图中：

图1是矩形二次电池的示意透视图；

图2是表示矩形二次电池和连接在电池外部上的安全装置的透视图；

图3是按照本发明的实施例的矩形二次电池的示意透视图；

图4是用于按照本发明的实施例的矩形二次电池的安全装置的透视图；

图5是图4沿线II-II截取的安全装置的截面图；

图6表示图5安全装置的断开状态；

图7是沿线I-I截取并具有图3所示安全装置的二次电池的截面图；以及

图8表示按照本发明实施例的图7所示安全装置的中断状态。

具体实施方式

现在参考附图，图1表示矩形电池10构造成使得电极组件18和电解质材料布置在矩形罐11的内部，罐11具有一面29开口的长方体形状。电极组件18形成使得正和负电极板涂覆活性材料并通过布置在其中的间隔件相互分开。负电极板、间隔件和正电极板卷绕成果冻卷形的卷筒。正电极接头19b和负电极接头19a在电极组件18的开口面29处分别连接到正电极板和负电极板上。

参考图1，盖组件连接在罐11的开口面29上以便封装。盖组件包括封装罐11开口29的盖板12、插入形成在盖板12内的插孔12a内的绝缘管17、插入形成在绝缘管17内的孔并电连接到电极组件18的负电极接头19a上的销16以及将负电极接头19a与盖板12电绝缘的绝缘板13。绝缘管17将销16与电池100的所有其他导电部件电绝缘。参考标号12b表示电解质溶液的入口。在盖板12组装到罐11之后，电解质溶液注射到入口12b中。在填充之后，入口12b通过插塞(未示出)密封。销16还电连接到布置在绝缘板13之下的终端板14上。用于防止电极组件18波动的绝缘保护构件15还设置在盖板12和电极组件18之间。同样，电极组件18的不与销16电连接的正电极接头12b直接连接在罐11的内表面上和/或焊接在盖板12的底部上。在因此组装的矩形二次电池10中，销16用作负电极和/或盖板12和罐11用作正电极。

矩形二次电极可设置安全装置，该装置包括PTC(正温度系数)元件、连接在电池组上的热熔丝或保护电路模块(PCM)。图2所示的安全装置20连接在负电极和正电极上以便安装在电池的侧表面或底部上。安全装置20连接在导线21a和导线21b上，导线21a连接在销16上，并且导线21b连接在电池底部上。

如图2所示，安全装置20安装在电池的外部，因此增加了电池组10的尺寸。另外，当采用PTC元件时，不形成完全的断路。相反，当电池内部温度增加时，PTC元件只将安全装置20的电阻增加到一定值。由于电阻对于PTC元件不形成断路，在采用PTC元件之后电池继续操作，不能确保安全。同样，在图2的配置中，连接到这种安全装置上的导线21a和21b太长，即使电池正常操作，也导致在导线21a和21b上形成电压降。

现在参考图3，图3表示按照本发明的实施例的矩形二次电池100的示意透视图。电池100采用压力致动安全装置50。图4～6详细表示本发明实施例的安全装置50。图7和8是图3视图组装后并沿线I-I截取的截面图，以便表示电池100内的安全装置50的状态和操作。

参考附图，本发明的二次电池100包括其一平面具有开口90的罐31、布置在罐31内的电极组件40和连接在罐31开口90上以便封装布置在罐31内的电极组件40的盖组件32。参考图7，电极组件40形成具有第一电极板41、第二电极板42和布置在第一电极板41和第二电极板42之间的间隔件43。电极组件40最好是果冻卷形的电极组件，其中第一和第二电极板41和42通过布置其中的间隔件43叠置在一起。所有的第一电极板41、第二电极板42和间隔件42卷制在罐31内。第一电极板41可用作负电极，并且第二电极板42可用作正电极，但不局限于此。另外，第一电极板和第二电极板41和42可相反地进行叠置并具有相反的极性。

负电极板包括由例如铜箔片的带状金属箔片制成的负电极电流收集器。具有负电极复合物的负电极的涂覆部分包括负电极活性材料涂层并至少形成在其一个平面上。对于负电极活性材料，可以使用碳材料。负电极复合物包括粘合剂、增塑剂和导电剂以及负电极活性材料。

正电极板包括由例如铝箔片的带状金属箔片制成的正电极电流收集器。具有正电极复合物的正电极涂覆部分包括正电极活性材料涂层并至少形成在其一个平面上。对于正电极活性材料，可以使用氧化锂。正电极复合物包括粘合剂、增塑剂和导电剂以及正电极活性材料。

如图3和7所示，第一电极接头44和第二电极接头45分别电连接到第一电极板41和第二电极板42上。接头44和45在罐31的开口90处布置在电极组件40的上部分上。第一电极接头44和第二电极接头45分别焊接并固定在第一电极板41和第二电极板42上。镍箔片可用作第一电极接头44，并且铝箔片可用作第二电极接头45，但本发明不局限于此特定构形。

在本发明的优选实施例中，罐31是大致长方体并由金属材料制成。因此，罐31可用作两个电极板之一的终端。最好是，罐31可由作为重量轻的导电金属的Al或Al合金制成。同样，罐31具有开口平面90，并且电极组件40可布置在罐31内部。如图3所示，罐31可以是具有拐角的矩形。作为选择，尽管没有示出，罐31可以是没有拐角的圆形。

盖组件32在罐31的开口90处封装罐31。盖组件32同样用来在罐31的内部和电池100的外部之间提供气密密封。该密封防止电池内的气体逸出并防止电池外部的空气进入电池。盖组件32包括直接连接在开口90上以便进行封装的盖板32。罐31和盖板32可由相同材料制成。

在二次电池100的构造中，电池包括第一终端和第二终端。第一和第二终端是电池的连接到外部电路部件上的部分。在该电池内，第一终端电连接在与第一电极板41电连接的第一电极接头44上。类似地，第二终端电连接在与第二电极板42电连接的第二电极接头45上。在本发明中，第二终端是罐31并且第一终端是终端销34。作为选择，电池可构造成使得第一电极板41电连接在用作第一终端的罐31上。终端销34与罐31电绝缘。如图3和7所示，本发明的二次电池包括设置在盖组件32处并用作第一终端的终端销34和作为第二终端的盖组件32的盖板33或罐31。换言之，如图7所示，盖组件32包括穿过盖板33并通过绝缘管35与盖板33电绝缘的终端销34。在终端销34之下还设置绝缘板36和终端板37，使得终端销34与盖板33电绝缘。终端销34的下部分电连接在与第一电极板41电连接的第一电极接头44上。因此，终端销34用作电池100的第一终端。

第二电极接头45电连接在第二电极板42上以及电连接在盖板33的底部和/或罐31的内表面上，使得除了终端销34之外的所有电池壳体用作第二终端。这里，第二电极接头45可直接连接在第二终端上，例如罐31的内表面上。第一和第二终端的结构不局限于这里描述的结构。即，第二终端还可通过类似第一终端的单独的终端销来形成，或采用任何其他结构。

在电极组件40插入罐31之后，由绝缘材料制成的保护壳体38安装在电极组件40和盖组件32之间，因此将电极组件40牢固地固定。在所述二次电池中，本发明的安全装置50最好安装在罐31内部，即位于电极组件40和盖组件32之间。

如图4～6所示，本发明的安全装置50包括由绝缘树脂制成的壳体51和穿过壳体51的电连接构件54。壳体51最好由例如聚酯或聚丙烯的聚烯烃树脂制成。壳体51最好是长方体的形状，如图4所示。本发明不局限于壳体51特定形状，壳体51可具有其他形状，例如规则的六面体、圆柱体或球体。

如图5所示，壳体51形成气密密封，使得内部空间52与外部密封。电连接构件54穿过空间52。电连接构件54具有暴露在壳体51之外的端部54a和54b，并且各自端部54a和54b电连接到电池的任一电极或各自终端上。电连接构件54最好由箔片形成，该箔片便于通过柔性膜压靠电连接构件54，使其破坏。作为选择，电连接构件54可由薄的金属丝制成。电连接构件54可例如由铜制成，但不局限于此，可以使用通过另一构件压靠电连接构件54使其切断的任何材料。在图3～8中，电连接构件54将第一电极接头44与终端销34电连接。当电连接构件54破坏时，终端销34不再与第一电极板41电连接。在未示出的可选择实施例中，电连接构件54可将第二电极接头45与罐31和/或盖板33电连接。

除了安全装置50的相互电连接之外，本发明的重要特征在于安全装置位于电池100内而不在电池100外部。更特别的是，安全装置50布置在盖板33和电极组件40之间。由于安全装置位于盖板33之下并不在电池外部，如图2所示，装入安全装置50完全不会增加电池的体积。另外，不同于图2所示的安全装置20，由于安全装置不位于罐的外部因此不会暴露，本发明的安全装置50受到损坏的可能性更小。

另外，电池100具有以下特征。盖板33不仅用来保护电极组件40不受损坏，盖组件32还将电池内部的空气与电池外部的空气密封。由于盖板33是气密的，如果电池100不正常操作，压力可在电极组件40和盖板33之间的空间内增加。但是，气体将不通过电池的盖板33逸出。而是电池的电极组件40和盖板33之间的压力增加触发安全装置50，这是由于安全装置50在电极组件40和盖组件32之间布置在电池内部中。当电池短路、过量充电、错误使用和/或发生故障时出现压力增加。安全装置50的启动防止电池100爆炸。

壳体51设计成使得当位于壳体51外部，但在电池100内部的压力增加时壳体51内的空间52的尺寸收缩。按照本发明的优选实施例，由于壳体51的一侧53是柔性的并由于壳体51是气密壳体，空间52收缩。壳体51内的压力总是保持在一个大气压上。如果电池内电极组件40和该组件32之间压力上升高于一个大气压，柔性侧53开始在壳体51内部向内鼓出，从而减小空间52。电池内压力增加越大，柔性侧53越向内鼓出。在某个特定压力下，侧53向内鼓出到如下程度，使其破坏电连接构件54，因此将终端54与第一电极接头44电断开，因此防止电池进一步操作。

如图5和6所示，电连接构件54在壳体51内靠近柔性侧53布置。换言之，电连接构件54最好不布置在壳体51的中央。最好是，电连接构件54在柔性侧53附近形成并与其平行。柔性侧53可以与壳体51形成整体或不与其形成整体。如图5所示，柔性侧53的厚度为(T2)，而壳体51的侧壁的其他部分的厚度为(T1)。最好是T2小于T2，如图5所示。柔性侧53可由不同于壳体51的高弹性材料制成。在另一实施例中(未示出)，壳体51的总体厚度(T1)可与柔性侧53的厚度T2相同，使得壳体51所有壁中的某些壁当电池内的外部压力增加时完全收缩。在这种情况下，壳体51与完全收缩的变形部分相对应。

电连接构件54穿过壳体51。电连接构件54还偏置到壳体51的最靠近柔性侧53的一侧。如图4和5详细描述，电连接构件54以偏置向空间52一侧的方式穿过壳体51。最好是，电连接构件54穿过壳体51以便在壳体51只有一侧是柔性时靠近变形或柔性的部分53。当壳体51的许多或所有侧部是柔性时，电连接构件54可靠近壳体51的任何侧部穿过51。

在所述的安全装置50中，位于壳体51内的空间52以保持预定压力的状态进行封装，该预定压力最好是大约一个大气压(atm)。在这种情况下，当电池内(盖组件32和电极组件40之间)的压力增加时，变形部分53向内弯曲进入其压力小于电池压力的空间52，如图6所示。因此，穿过空间52的电连接构件54通过柔性侧部53的物理力切断。当电连接构件54切断，连接在其端部54a和54b上的电极板41和电极终端34相互断开，使得电流不再流动。通过壳体51的柔性侧部53收缩造成电连接构件54电断开可以通过调整变形部分53的厚度(T2)实现。按照本发明，当电池100内部压力上升到大约2～20atm、最好是4～8atm时，变形部分53切断电连接构件54。

如图3和7所示，安全装置50可以安装在该组件32之下。安全装置50可电连接在第一电极接头22和第一终端部分之间或者第二电极接头45和第二终端部分之间。如附图所示，本发明的安全装置50连接在第一电极接头44和第一终端部分(即终端销34)之间。

如图7所示，在安全装置50中，暴露在壳体51外部的电连接构件54的一个端部54a连接到第一电极接头44上，并且另一端部54b连接到第一终端部分上，即连接到终端销34上。因此，第一电极接头44和终端销34最好相互隔开预定距离，使得安全装置50安装其中。

因此，如图3和7所示，本发明的安全装置插入其中的电池的电极组件可构造成使其两个电极接头可从边缘部分抽出，但不局限于此。安全装置50可在任何可以安装的位置上安装。

如图7所示，安全装置50最好如下构造，在电连接构件54的一个端部54a连接在第一电极接头44上，并且其另一端部54b连接在终端销34上时，壳体51的与柔性侧部53相对的一侧固定地接触盖板33的内表面。如果安全装置50不固定在电池100内，由于安全装置50的运动，电连接构件54的外部暴露部分可首先切断。安全装置50可固定在罐31的内壁上或座置在保护壳体38上。

在安全装置50如上所述安装时，盖组件32连接在罐31上，并且电解质溶液接着倒入盖板33的电解质溶液入口33a。接着，入口插塞39闭合，因此防止电解质溶液的泄漏。

为了方便起见，本发明对于用于矩形二次电池的安全装置进行说明，但不局限于此。本发明的安全装置可适用于圆柱形二次电池或任何类型的结合有安全装置的二次电池中。

具有以上构形的二次电池如下操作。当组装的二次电池出现过量充电或内部短路时，如图7所示，电池内部温度增加。在这种情况下，电极组件40内产生气体，导致电池100内电极组件40和盖组件32之间的内部压力增加。当电池内部压力增加时，如图8所示，安全装置50的柔性侧部53向内弯曲进入空间52，使得穿过空间52的电连接构件54由向内鼓出的柔性侧部53切断。如果电连接构件54切断，连接在电连接构件54的两个端部54a和54b上的第一电极接头44和终端销34相互电断开，使得电流不流到终端销34。如上所述，本发明的安全装置50通过将第一电极接头44与终端销34断开从而产生完全断路的电流中断。同样，由于安全装置50安装在电池内，其安装不使得电池体积增大。另外，由于第一电极接头44和终端销34通过最短距离连接，不造成由于装入安全装置50所产生的电阻损耗。

用于本发明的二次电池的安全装置和包括该安全装置的二次电池具有如下优点。首先，当电池不正常操作时，电极组件和终端部分通过物理力相互电断开，可以确保电池的安全。其次，由于简化的安全装置结合在电池中，防止了电池组的体积增加。第三，由于不需要增加连接安全装置的导线的长度，可降低电阻损耗。

在参考示例性实施例描述和说明本发明的同时，本领域普通技术人员将理解到可以在形式和细节上进行变型而不偏离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (23)

1.一种用于二次电池的安全装置，该安全装置包括：

由绝缘材料制成的壳体，所述壳体进行密封并在其中具有空间，所述壳体安装在该二次电池的内部，所述壳体包括一个柔性的侧部，其中当所述电池内的压力增加到一个大气压以上时，所述柔性侧部向内鼓出进入所述内部空间，以及

电连接构件，该电连接构件布置成穿过该壳体，使得该电连接构件的一个端部电连接到该电池的电极组件的电极板上，并且其另一端部电连接到电池外部上的终端部分上，该电连接构件通过壳体柔性侧部的向内鼓出切断。

2.如权利要求1所述的安全装置，其特征在于，该壳体由聚烯烃树脂制成。

3.如权利要求1所述的安全装置，其特征在于，该壳体布置在所述电池内部并位于盖组件和电极组件之间，该盖组件是气密的，使得盖组件和电极组件之间的空间在使用电池时进行加压。

4.如权利要求1所述的安全装置，其特征在于，该壳体的柔性侧部具有小于壳体其他侧部的厚度。

5.如权利要求1所述的安全装置，其特征在于，该壳体内的压力是一个大气压，其中该壳体的内部是密封和气密的。

6.如权利要求1所述的安全装置，其特征在于，该壳体的柔性侧部面向二次电极的电极组件，并且与该壳体的柔性侧部相对的一侧连接在电池的盖组件上。

7.如权利要求1所述的安全装置，其特征在于，该电连接构件穿过壳体并平行于所述柔性侧部，而且比该壳体的中心轴线更靠近所述柔性侧部。

8.如权利要求1所述的安全装置，其特征在于，当作用在壳体上的电池内部压力在2和20大气压之间时，该电连接构件通过该柔性侧部电断开。

9.如权利要求8所述的安全装置，其特征在于，当作用在壳体上的电池内部压力在4和8大气压之间时，该电连接构件通过该柔性侧部电断开。

10.一种二次电池，其包括：

具有第一电极板、第二电极板和将该第一电极板和第二电极板隔开的间隔件的电极组件；

容纳该电极组件的罐；

用于封装包括该电极组件的罐的盖板，所述盖板提供用于所述罐内部和所述电池内部气密密封；

分别电连接在第一和第二电极板上的第一和第二终端部分；以及

该安全装置，其包括由绝缘材料制成的壳体，所述壳体进行密封使得壳体内的空间保持大约一个大气压的压力，该安全装置安装在该二次电池的内部并位于盖板和电极组件之间，壳体的一部分是柔性的，以便按照作用在安全装置上的压力进行变化，导电连接构件通过安全装置安装，使得该电连接构件的一个端部电连接在电池内的电极组件的第一电极板上，并且该电连接构件的另一端部电连接在该电池的第一终端部分上，当壳体受到过大压力时该电连接构件通过该壳体的收缩部分切断。

11.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，该壳体的所述柔性部分在暴露于超过一个大气压的外部压力时向内鼓出。

12.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，该柔性部分与该壳体的其他部分整体形成。

13.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，该柔性部分具有小于该壳体其他部分的厚度。

14.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，该柔性部分由聚烯烃树脂制成。

15.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，所述第一终端部分是穿过盖板的导电构件，所述第一终端部分使得电池电连接到外部部件上。

16.如权利要求15所述的二次电池，其特征在于，当所述电池短路或过量充电时，所述电池内的压力增加到两个大气压以上。

17.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，该壳体的空间保持在预定压力下。

18.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，当壳体受到4和8大气压之间的压力时，该电连接构件电断开。

19.如权利要求10所述的二次电池，其特征在于，所述第一终端部分是所述罐。

20.一种制造具有安全装置的二次电池的方法，该方法包括步骤如下：

形成包括第一电极板、第二电极板和电绝缘间隔件的电极组件，所有部件卷绕在果冻卷形的卷筒中；

将所述果冻卷形的卷筒电极组件插入罐；

在所述罐的开口部分处，将第一电极接头连接到所述第一电极板上，并将第二电极接头连接在第二电极板上；

将具有穿过所述安全装置的金属丝连接在盖组件的底部上；

将所述金属丝的第一端部电连接在导电终端上；

将所述金属丝的相对第二端部电连接在所述第一电极接头上；

通过将所述盖组件连接在所述罐的所述开口部分上，密封所述罐、所述电极组件和所述安全装置；以及

通过所述盖组件上的孔注入电解质溶液。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，其还包括连接将所述电池的所述导电终端与所述罐以及与所述盖组件电绝缘的绝缘构件的步骤。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述导电终端是所述罐。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，其还包括用插塞密封所述孔的步骤。

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