CN1713445A - 具有温度及压力感应型安全排气塞的锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种具有温度和压力感应型安全排气塞的锂离子二次电池。该锂离子二次电池包括电极组件，该电池组件具有同时卷绕和叠层的正极板、隔板和负极板，以及分别从正、负极板向外延伸预定长度的正、负极引线。容纳该电极组件且有开口的罐；以及被结合到该罐开口上的盖板，其中电极端子延伸穿过并被结合到该盖板的中心上，两者之间有垫圈，负极引线被连接到该电极端子上，正极引线被连接到盖板上，在盖板上形成结合孔，适于在预定温度下会软化的安全排气塞被结合到该结合孔上。

Description

具有温度及压力感应型安全排气塞的锂离子二次电池
相关申请的交叉参考
本申请要求2004年6月22日递交的、韩国专利申请号为2004-0046671的优先权和利益，该申请全部内容包含在此作为参考。
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池，更具体地，是涉及具有温度及压力感应型安全排气塞(safety vent)的锂离子二次电池，以提高安全性。
背景技术
正如本领域通常所知道的那样，锂离子二次电池包括电极组件，该电极组件具有其上附着正极活性物质的正极板、其上附着负极活性物质的负极板和放置在该正负极板之间以防止短路并允许锂离子移动的隔板。正负极板和隔板可以卷绕成胶卷(jelly roll)结构。该二次电池还可以包括用于使锂离子能够移动的电解液；用于容纳该电极组件和电解液并被密封的罐；和用于盖住该罐并防止该电极组件脱离的盖组件。
这种锂离子二次电池按下述方法制造：将上面附有正极活性物质的正极板、上面附有负极活性物质的负极板和隔板叠层在一起，并卷成胶卷结构，并将它们放入到正方形的罐内。然后，将盖组件被焊接到该罐的顶部，从而密封罐，并将电解液注入到该罐中。然后可以对裸电池进行充电和检查，可以将各种安全装置连接到该裸电池上，从而完成常规的电池组。
锂离子二次电池采用恒定电压/电流的充电方法，并且只要正确控制充电器的充电电压就不会出现过充电。但是，在充电器受损或操作失误时，有时会出现异常充电。在这种情况下，正极活性物质，例如锂钴氧化物(LiCoO2)的电势会连续上升，造成电池电压不断上升和异常的加热现象。
避免这种过充电的安全装置包括正温度系数(PTC)热敏电阻、具有切断功能的隔板、以及由气体产生启动的安全排气塞。如这里使用的那样，正方形锂离子二次电池的安全排气塞一般是指在罐的底面上或在盖组件上形成的较薄区域，该区域由于气体产生而剧烈膨胀过程中会发生破裂，并允许气体排放到电池的外部。
在为形成诸如LiCoO2的正极活性物质所添加的碳酸锂(Li2CO3)的量超过化学计量时，就会产生气体。特别是，过量的碳酸锂在正极活性物质(锂钴氧化物)内保持未反应的状态，并且当异常充电使电池电压增加并产生热量时，它会分解而产生碳酸气体。产生的碳酸气体一般会使罐过度膨胀。在罐剧烈膨胀时，安全排气塞会被启动，从而防止电池爆炸或着火。
通过减少碳酸锂的添加量可以避免罐的膨胀。但是，氧化钴(CoO2)仍保留在正极活性物质中，并且腐蚀正极，使正极在充电过程中溶解在电解液内。这会让钴沉淀在负极上，这会增加内部短路的可能性。这样，添加过量的Li2CO3是不可避免的。
如上所述，只有电池压力达到预定值时，安全排气塞才会动作。但是，在过充电过程中，温度以及电池压力一般会增加。因此，如果安全排气塞不仅能对压力而且能对温度作出响应而动作，那么安全性就可以进一步提高。
但是，如上所述，形成在盖组件或罐上的厚度降低的常规安全排气塞仅响应于电池压力而动作，而响应于电池温度。因此，需要一种既可以响应于电池压力，又可以响应于电池温度而动作的安全排气塞。
发明内容
提供一种具有温度和压力感应型安全排气塞的锂离子二次电池。这种电池包括电极组件，该电池组件具有正极板、隔板和负极板，这三块板叠层在一起时对它们进行多次卷绕。另外，提供分别从正、负极板向外延伸预定长度的正、负极引线；以及容纳电极组件且其末端形成有开口的罐。盖板被结合到该罐的开口上，其中电极端子穿过延伸并被结合到盖板的中心上，两者之间有垫圈。此外，负极引线被连接到该电极端子上，正极引线被连接到盖板的一侧上，盖板的另一侧上形成有结合孔，在预定温度下会软化的安全排气塞被结合到该结合孔上。
在本发明的锂离子二次电池的一个示范性实施例中，该安全排气塞塞入到穿过盖板形成的结合孔中，当电池的温度因为过热而上升到预定值之上时，安全排气塞自身会软化，并会打开通孔以排出内部气体。
这样，安全排气塞既对电池的温度又对电池的压力作出响应而动作，因而进一步提高了电池的安全性。
附图说明
图1是显示根据本发明具有温度和压力感应型安全排气塞的锂离子二次电池的透视图。
图2是图1所示的锂离子二次电池的分解透视图。
图3是沿图1的线1-1而得到的截面图。
图4是图3所示的区域3的放大图。
具体实施方式
如图1-3所示，根据本发明示范性实施例的锂离子二次电池100包括电极组件110、容纳电极组件110的罐120、被注入到罐120内以允许锂离子移动的电解液(未示出)和盖组件140，该盖组件140盖住罐120，并防止电极组件110和电解液漏到外部，并且盖组件140具有在预定温度下会软化的安全排气塞148。
电极组件110包括上面附有正极活性物质(未示出)，例如LiCoO2的正极板111、上面附有负极活性物质(未示出)，例如石墨的负极板112和置于正、负极板111及112之间以防止短路并且只允许锂离子移动的隔板113。在将正、负极板111和112以及隔板113叠层的同时，对它们进行多次卷绕而形成胶卷结构，并将它们放入到罐120中。正极板111可以由铝(Al)箔制成，负极板112可以由铜(Cu)箔制成，隔板113可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但材料不局限于本发明所提到的那些材料。正极板111上焊有向上突出预定长度的正极引线114；负极板112上也焊有向上突出预定长度的负极引线115。正极引线114可以由Al制成，负极引线115可以由镍(Ni)制成，但材料不局限于这里描述的那些材料。
罐120包括至少一个第一表面121、至少一个连接到第一表面121且面积小于第一表面121的第二表面122和连接到第一和第二表面121和122上的第三表面123。在一个示范性实施例中是六面体型的罐120在面对第三表面123的顶部上形成有开口124。罐120可以由Al、铁(Fe)合金或它们的等价物制成，但材料不局限于这里所描述的那些材料。
将电解液(未示出)注入到罐120内，并置于电极组件110的正、负极板111和112之间。在充电和放电过程中，电池内部的正、负极板111和112处会发生电化学反应，电解液充当由电化学反应产生的锂离子的运动媒介。电解液可以是非水的有机电解液，该非水的有机电解液是锂盐和高纯度有机溶液的混合物。电解液也可以是高分子电解液的聚合物。
在一个示范性实施例中，可以将绝缘壳131、端子板132和绝缘板133相继连接到电极组件110顶部上的罐120的开口124上。绝缘壳131、端子板132和绝缘板133上分别形成有通孔131a、132a和133a，以便负极引线115可以穿过它们向上延伸。绝缘板133上形成有电解液通孔131b，以便当电解液通过盖板141(后面描述)注入时，电解液可以容易地流向电极组件110。
盖组件140通过激光焊接到罐120的开口124上，并且它包括近似为矩形的板状盖板141。盖板141的中心形成具有预定尺寸的通孔142，它的一侧形成用于注入电解液的电解液注入孔145，它的另一侧形成用于与安全排气塞148结合的结合孔(coupling hole)147。绝缘垫圈143被结合到盖板141的通孔142上，电极(负极)端子144被结合到绝缘垫圈143上。电极端子144被焊接到负极引线115上，在电池充电或放电过程中充当负极。正极引线114被焊接在盖板141的电解液注入孔145和电极端子144之间，以使盖板141和罐120作为一个整体充当正极。在通过盖板141上的电解液注入孔145注入电解液之后，将塞146结合并焊接到电解液注入孔145上，以防止电解液泄露。
例如近似为圆柱形的安全排气塞148被结合到盖板141上形成的结合孔147上。特别是，安全排气塞148包括近似为圆柱形的主体148a和近似为圆盘形的收集板148b，其中主体148a的直径与结合孔147的直径相同，收集板148b的直径大于主体148a的直径，并且收集板148b位于主体148a的底部上。
安全排气塞148的软化点为70～150℃，在一个示范性实施例申软化点为90-100℃。如果软化点低于70℃，那么在制造二次电池时，在老化工序中可能会出现熔化问题。如果软化点高于150℃，那么二次电池可能会由于过热而爆炸。根据这种结构，当二次电池100的温度由于过充电而上升到参考值之上时，安全排气塞148会软化并打开结合孔147。结果，二次电池100内部的高压气体会容易地排到外部，这可防止电池爆炸或着火。
安全排气塞148可以由塑料制成。正如本领域众所周知的那样，塑料可以分为热固性树脂和热塑性树脂，后者可以用在本发明的示范性实施例中。
更具体地，安全排气塞148可以由从乙烯基聚合的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(polyvinylidenedichloride，PVDC)、含氟树脂、丙烯酸树脂和聚醋酸乙烯酯(polyacetate vinyl)树脂中选择的任意一种制成。
安全排气塞148也可以由从缩聚开环聚合的聚酰胺树脂、缩醛树脂、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚、聚酯、聚砜和聚酰亚胺中选择的任意一种制成。
除了塑料基材料之外，安全排气塞148还可以由金属基材料制成。特别是，安全排气塞148可以用锡(Sn)、锌(Zn)和铅(Pb)的合金，锡(Sn)、铅(Pb)和铋(Bi)的合金，或它们的等价物制成。更具体地，安全排气塞148可以由包含70～90％的锡(Sn)、5～10％的锌(Zn)、1～4％的铅(Pb)和余量其他金属的合金制成，或由包含22％的锡(Sn)、28％的铅(Pb)和50％的铋(Bi)的合金制成。
参照图4，示出图3所示的区域3的放大图。
如图所示，盖板1 41具有实质上为平面的第一表面141a、实质上为平面且与第一表面141a相对的第二表面141b和位于第一和第二表面141a和141b之间且具有预定直径的结合孔147，以使安全排气塞148如上述的那样，可以与结合孔147结合。具有主体148a和收集板148b的安全排气塞148被结合到结合孔147上。在一个示范性实施例中，收集板148b的直径对应于主体148a直径的1.1～2倍。如果收集板148b的直径小于主体148a直径的1.1倍，那么在低于参考温度和压力时，安全排气塞148也可能启动，这会降低电池100的可靠性。如果收集板148b的直径比主体148a直径的2倍还大，那么即使达到甚至高于参考温度和压力，安全排气塞148也可能不会启动，这会降低电池100的安全性。
在一个示范性实施例中，安全排气塞148的主体148a的厚度等于盖板141的第一和第二表面141a和141b之间的距离，收集板148b的厚度相当于主体148a厚度的0.1～0.9倍。如果收集板148b的厚度小于主体148a厚度的0.1倍，那么在低于参考温度和压力时，安全排气塞148也可能启动，这会降低电池100的可靠性。如果收集板148b的厚度比主体148a厚度的0.9倍还大，那么即使达到甚至高于参考温度和压力，安全排气塞148也可能不会启动，这会降低电池100的安全性。
尽管参照具有圆柱形主体148a和圆盘形收集板148b的例子对安全排气塞148作了说明，但安全排气塞148的结构并不局限于上述例子。例如，安全排气塞148可以包括形状为三角形柱、正方形柱、五边形柱或其他任何形状的主体和形状为三角形板、正方形板、五边形板或其他任何形状的收集板。
当内部的压力及温度上升到预定值之上时，安全排气塞会从通孔脱离，并排出内部的气体。这样，安全排气塞可对电池的温度和压力作出响应而动作，因而提高了电池的安全性。尽管出于解释的目的对本发明的示范性实施例作了说明，但本领域熟练技术人员应该理解，只要不背离所附的权利要求书所公开的本发明的范围和精神，就可以进行各种改进、添加和替换。

Claims (27)

1.一种锂离子二次电池，包括：
电极组件，具有同时卷绕和叠层的正极板、隔板和负极板，以及从该正极板向外延伸的正极引线和从该负极板向外延伸的负极引线；
用于容纳该电极组件的罐，该罐在其末端上形成有开口；和
被结合到该罐开口上的盖板，该盖板具有穿过该盖板形成的结合孔和塞住该结合孔的安全排气塞，该安全排气塞适于在预定温度下软化，并打开该结合孔以排放内部气体；
其中电极端子可延伸穿过并可结合到该盖板的基本为中心的部分上，一垫圈置于该电极端子和盖板中心部分之间；
其中该负极引线可连接到该电极端子上；并且
其中该正极引线可连接到该盖板的一侧。
2.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由塑料制成。
3.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由热塑性树脂制成。
4.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞是从包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、含氟树脂、丙烯酸树脂和聚醋酸乙烯酯树脂的组中选择的任意一种制成。
5.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞是从包含聚酰胺树脂、缩醛树脂、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酯、聚砜和聚酰亚胺的组中选择的任意一种制成。
6.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由锡、锌和铅的合金制成。
7.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由锡、铅和铋的合金制成。
8.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞的软化点在大约70～150℃之间。
9.如权利要求8所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞的软化点在大约90～100℃之间。
10.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞包括直径与结合孔实质上相同的的主体和直径大于主体的收集板，该收集板位于该主体的一端。
11.如权利要求10所述的锂离子二次电池，其中该收集板的直径相当于该主体直径的大约1.1～2倍之间。
12.如权利要求10所述的锂离子二次电池，其中该收集板的厚度相当于该主体厚度的大约0.1～0.9倍之间。
13.一种锂离子二次电池，包括：
电极组件；
容纳该电极组件的罐；和
适于盖住该罐、并具有安全排气塞的盖板，该安全排气塞塞住穿过该盖板形成的结合孔，并且该安全排气塞适于在预定温度下软化，并打开该结合孔以排放内部气体。
14.如权利要求13所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由塑料制成。
15.如权利要求13所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由热塑性树脂制成。
16.如权利要求13所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞从包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、含氟树脂、丙烯酸树脂和聚醋酸乙烯酯树脂的组中的任意一种制成。
17.如权利要求13所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞从包含聚酰胺树脂、缩醛树脂、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酯、聚砜和聚酰亚胺的组中的任意一种制成。
18.如权利要求13所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由锡、锌和铅的合金制成。
19.如权利要求13所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由锡、铅和铋的合金制成。
20.如权利要求13所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞的软化点在大约70～150℃之间。
21.如权利要求20所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞的软化点在大约90～100℃之间。
22.一种用于锂离子二次电池的安全排气塞，该锂离子二次电池具有容纳电极组件的、具有形成在其末端的开口的罐和被结合到该罐的开口的盖板，该盖板具有穿过该盖板形成的结合孔，该安全排气塞包括：
直径与该结合孔直径基本上相同的主体；和
直径大于该主体直径的收集板，该收集板放置在该主体的一端；
其中该安全排气塞适于塞住该结合孔，并且在预定温度下软化并打开该结合孔以排放内部气体。
23.如权利要求22所述的安全排气塞，其中该安全排气塞是塑料的。
24.如权利要求22所述的安全排气塞，其中该安全排气塞由热塑性树脂制成。
25.如权利要求22所述的安全排气塞，其中该安全排气塞的软化点在大约70～150℃之间。
26.如权利要求22所述的安全排气塞，其中该收集板的直径是该主体直径的大约1.1～2倍之间。
27.如权利要求22所述的安全排气塞，其中该收集板的厚度相当于该主体厚度的大约0.1～0.9倍之间。
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