CN1747198A - 具有形状记忆安全排气塞的锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有形状记忆安全排气塞的锂离子二次电池，其中该安全排气塞适于在温度达到预定水平时暂时打开来排放内部的压缩气体，以避免电池的膨胀现象，并改善安全性。该锂离子二次电池包括：具有与介于其间的隔板多次卷绕的第一和第二电极板的电极组件；在其一端具有开口以容纳该电极组件的罐；适于盖住该罐的盖板，其一侧带有排气孔，排气孔上连接有安全排气塞，其适于在预定温度变形并释放罐内部的气体到外部。

Description

具有形状记忆安全排气塞的锂离子二次电池
相关申请的交叉参考
本申请要求于2004年9月7日递交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2004-0071415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，更具体地讲，涉及具有形状记忆安全排气塞(safety vent)的锂离子二次电池，其中该安全排气塞适于释放内部的压缩气体。
背景技术
典型的锂离子二次电池包括：电极组件，其由附着有正极活性物质的正极板，附着有负极活性物质的负极板，以及位于正负极板之间用于避免短路和仅允许锂离子移动的隔板，卷绕成公知的“胶卷(jelly roll)”结构而形成；用于使锂离子移动的电解液；容纳和密封该电极组件和电解液的罐；以及用于盖在该罐上并防止该电极组件脱离的盖组件。
这种锂离子二次电池是按以下方式制造的：将附着有正极活性物质的正极板，附着有负极活性物质的负极板，以及隔板叠层并卷绕成胶卷。将它们放入方形罐中，并在其顶部焊接盖组件以将其密封；注入电解液。进行充电和检查后形成裸电池。在裸电池上安装各种保护器件。然后进行组装和检查，以形成常规的电池包(battery pack)。
只要充电器正确控制充电电压，锂离子二次电池就会在静态电压/静态电流的状态下进行充电，并且不会发生过充电的现象。但是，当充电器损坏或误操作时，会发生异常充电，并且电池的电压和温度会急剧增加。这种增加会导致电池内的正极活性物质或电解液分解。结果，产生气体并使电池膨胀。这种产生气体并膨胀的现象也可能由从外界提供的热量所引起。所生产的气体增加了电池的内压，并导致电解液泄漏。这样电池可能爆炸或着火。
防止此类问题的安全措施包括正温度系数(PTC)热敏电阻，和具有关闭功能的隔板，以及由上述所产生气体开启的安全排气塞。
具体地说，常规方形锂离子二次电池的安全排气塞是指在罐底面或盖组件上形成的较薄区域。在罐内压达到基准水平时安全排气塞破裂，将气体排放到外部。该安全排气塞一旦开启后便无法回到其初始状态(即为不可逆的)，因而必须丢弃。
如上所述，无论电池的温度是多少，常规安全排气塞只有在压力达到基准水平时才会以不可逆方式开启。但是在过充电过程中，电压升高通常伴随着温度升高(或者是电池因从外界提供的热量而升高)，继而伴随着气体产生。尽管理想状况是随温度而开启，但常规安全排气塞只响应于压力。这限制了电池安全性的提高。
使较薄区域的安全排气塞破裂的电池压力具有较大的偏差。换言之，安全排气塞在低于基准温度或压力时可能会不必要的开启，或在超过基准温度或压力时却没有开启。这会导致爆炸或着火，这是因为安全排气塞的设计并不是随温度而开启，而是设计成在预定压力范围内自然地开启。
发明内容
根据本发明，提供一种具有形状记忆安全排气塞的锂离子二次电池，该安全排气塞适于在电池温度达到预定水平时通过暂时打开来释放内部的压缩气体，以避免电池的膨胀现象并改善安全性。
在本发明一个方面中，提供一种锂离子二次电池，包括：具有与介于其间的隔板多次卷绕的第一和第二电极板的电极组件；容纳该电极组件、并且在其一端形成有开口的罐；适于盖住该开口的盖板，该盖板带有通过盖板的排气孔，该排气孔安装有安全排气塞，其适于在预定温度变形并释放罐内部的气体到外部。
该安全排气塞可适于在70～150℃的温度范围内变形，并打开排气孔。
该安全排气塞可以包括直径与该排气孔直径相同的圆柱体，以及位于该圆柱体的顶部、其直径大于该圆柱体直径的盘形卡定板。
该盖板可以具有安装在其顶面上的固定板，以覆盖排气孔和安全排气塞。该固定板可以包括被焊接在盖板上安全排气塞相对两侧的边缘板，以及在对应于安全排气塞位置上连接于该边缘板的中央板。
该中央板可以具有曲面部分和空间部分，该曲面部分形成在中央板内部，同时从其中央顶部以预定曲率向其外围上的边缘板弯曲，以便安全排气塞在预定温度收缩时，不会脱离到外部，该空间部分在曲面部分、安全排气塞以及盖板之间形成，以使气体可以容易地排放到外部。
本发明的锂离子二次电池极大地改善了安全性，这是因为，当因过充电或从外部提供的热量而导致内部温度升高至预定水平以上时，安全排气塞暂时收缩并排放内部气体。与现有技术中安全排气塞在很大偏差的压力范围内破裂并开启所不同的是，本发明的安全排气塞在预定温度收缩和起作用并被开启。这样，该安全排气塞的运行情况变得更加精确，而且电池的安全性得到进一步提高。
当电池温度降到预定范围以下时，该安全排气塞恢复到初始尺寸，并且抑制内部气体排放。电池便可以再次使用。随着温度降到正常范围，电池内压减小，或者内部处于基本上为真空状态。这进一步提高了电池的安全性。
附图说明
图1为显示根据本发明具有形状记忆安全排气塞的锂离子二次电池的透视图；
图2为图1中所示锂离子二次电池的分解透视图；
图3为沿图1中线1-1所作的截面图；
图4为沿图1中线2-2所作的截面图，其中温度低于预定水平，并且形状记忆安全排气塞没有被开启；
图5A为沿图1中线2-2所作的截面图，其中温度高于预定水平，并且形状记忆安全排气塞已经被开启；
图5B为沿图1中线3-3所作的截面图。
具体实施方式
在以下说明和附图中，相同参考标号表示相同或类似的部件，所以省略相同或类似部件的重复说明。
现在参见图1、2和3，锂离子二次电池100包括：电极组件110，用于容纳电极组件110的罐(或外壳)120，注入到罐120中使锂离子能够移动的电解液(未示出)，以及盖在罐120上并防止电极组件110和电解液漏到外部的盖组件140，其中盖组件140具有适于在预定温度变形的安全排气塞148。
电极组件110包括：附着有第一活性物质(未示出)的第一电极板111，附着有第二活性物质(未示出)的第二电极板112，以及位于第一和第二电极板111、112之间的隔板113，其中隔板113避免短路并只允许锂离子移动。第一和第二电极板111、112以及隔板113经过多次卷绕形成胶卷，装入到罐120中。第一和第二电极板111、112分别具有焊接在其上的第一和第二引线114和115，它们向上突出预定距离。
第一活性物质可以为正极活性材料(例如，氧化锂钴(LiCoO2))，第一电极板111可以由铝(Al)制成的正极板。第二活性材料可以为负极活性材料(例如，石墨)，第二电极板112可以是由铜(Cu)制成的负极板。第一和第二引线114、115分别可以是由铝和镍制成的正极和负极引线。隔板113可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但本发明对此材料并不限制。
罐120包括至少一个第一表面121，至少一个连接于第一表面121、其面积小于第一表面121面积的第二表面122，以及连接于第一和第二表面121和122的第三表面123。罐120具有形成于其顶部并朝向第三表面123的开口124。特别是，罐120为在其顶部形成有开口124的大致立方体的形状。罐120可以由铝(Al)、铁(Fe)、合金或其等价物制成，但在此并不对其材料进行限制。
电解液(未示出)被注入罐120中，并且位于电极组件110的第一和第二电极板111、112之间。在充电/放电期间，电池内第一和第二电极板111和112附近的电化学反应会产生锂离子，电解液充当锂离子运动的载体，其可以是锂盐和高纯度有机溶液混合形成的非水有机电解液。该电解液也可以是使用高分子电解液的聚合物。
绝缘壳(insulation case)131、端子板132以及绝缘板133可以依次连接在电极组件110顶部罐120的开口124上，但这些部件对于本发明而言并不总是必要的。绝缘壳131、端子板132以及绝缘板133分别具有形成在其上的通孔131a、132a和133a，这样第二引线115从其中穿过向上伸出。绝缘壳131具有形成在其上的电解液通孔131b，以便在电解液通过盖板141(稍后介绍)注入时，可以容易地流到电极组件110中。
盖组件140通过激光焊被焊接在罐120的开口124上，并且盖组件140包括盖板141。盖板141具有形成在其中央的预定尺寸的通孔142，在一边上形成的用于注入电解液的电解液注入孔145，以及形成于另一边上的排气孔147，其中排气孔147连接于安全排气塞148。绝缘垫圈143连接在盖板141的通孔142上，电极端子144连接在绝缘垫圈143上。电极端子144被焊接在第二引线115上，作为放电或充电期间的负极或正极。第一引线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或负极。塞子146被连接并被焊接在盖板141的电解液注入孔145上，以便在电解液注入后可以防止泄漏。
大致为圆柱形状的安全排气塞148，连接在盖板141上形成的排气孔147上，而固定板149被焊接在盖板141上，用于覆盖排气孔147和安全排气塞148。
现在参见图4，图示了图3中区域3的放大图，其中，盖板141包括几乎或完全平坦的第一表面141a，对着第一表面141a的几乎或完全平坦的第二表面141b，以及在第一和第二表面141a和141b之间以预定直径形成的排气孔147，其中排气孔147连接于安全排气塞148。连接于排气孔147上的安全排气塞148具有在正常运行温度其直径与排气孔147直径相同的圆柱体148a，以及位于圆柱体148a顶部的盘形卡定板(latching plate)148b，卡定板148b接触盖板141的第一表面141a，其直径大于圆柱体148a的直径。
在一示范性实施例中，安全排气塞148可以由以下这样材料制成，当电池温度升高到预定水平之上时，其暂时收缩并打开排气孔147。例如，安全排气塞148可以由以下这样材料制成，其在70～150℃的温度范围内开启，电池通常在这个温度范围内产生气体，而当温度下降时其恢复到初始形状。
安全排气塞148可以由形状记忆合金制成，其在预定温度范围收缩，并在低于该温度范围时恢复到初始体积。该形状记忆合金可以是选自Ni-Ti合金，Cu-Zn-Al合金，Cu-Al-Ni合金和其对等物中的一种，但其材料在此并不限制。该形状记忆合金可以是选自Ni-Ti合金，Cu-Zn-Al合金，Cu-Al-Ni合金和其对等物中的一种，并且其中添加有预定量的Mn。该形状记忆合金可以是选自Cu-Zn-Al合金，Cu-Al-Ni合金和其对等物中的一种，并且其中添加有预定量的Ti。
当安全排气塞148在预定温度范围收缩并排放出内部气体时，其可能被气压完全释放到盖板141以外。因此，可以将固定板149安装在盖板141的第一表面141a上安全排气塞148的外面，以将其覆盖。固定板149可以包括被焊接在盖板141上、位于安全排气塞148两对侧的边缘板149a，以及处于对应于安全排气塞148位置上、被连接于边缘板149a的中央板149b。固定板149还可以包括曲面部分149c和空间部分149d，曲面部分149c从中央板149b的中央顶部以预定的曲率向其外围的边缘板149a弯曲，空间部分149d形成在曲面部分149c和盖板141的第一表面141a之间，同时与外部连通，这样电池内的气体可以容易地排放到外部。固定板149可以由铝、铁、合金或其对等物制成，如盖板141的情况那样，但在此其材料并不限制。
现在参见图5A，其为沿图1中线2-2所作的截面图，其中温度高于预定水平，并且形状记忆安全排气塞被开启。同样参见图5B，其为沿图1中线3-3所作的截面图，其中温度高于预定水平，并且形状记忆安全排气塞被开启。当电池内部温度为大约70～150℃时(该温度范围仅作示例，可以改变)，安全排气塞148收缩并打开排气孔147。具体地说，安全排气塞148的圆柱体148a的直径变得小于排气孔147的直径，气压150将圆柱体148a和盘形卡定板148b向外推，这样内部气体通过安全排气塞148和排气孔147之间的空间147a，以及固定板149的中央板149b与盖板141之间的空间部位149d排出到外部。固定板149的中央板149b可限制安全排气塞148的卡定板148b的移动距离，以使安全排气塞148不会完全脱离到外部。当气体释放期间电池温度恢复到正常范围时，安全排气塞148恢复到初始体积或尺寸，重新堵住排气孔147。具体地说，安全排气塞148的圆柱体148a的直径变成与排气孔147的直径相等，并完全堵住排气孔147。然后中断气体排放，电池可以重新被使用。这样，该电池不需要如现有技术中那样安全排气塞148一旦被开启就要丢弃。
如上所述，本发明的锂离子二次电池极大地改善了安全性，这是因为当因过充电或从外部提供的热量而导致内部温度升高到预定水平之上时，安全排气塞可以暂时收缩并排放内部气体。与现有技术中安全排气塞在很大偏差的压力范围内破裂并开启所不同的是，本发明的安全排气塞在预定温度收缩和起作用，并被开启。这样，安全排气塞的运行情况变得更加精确，而且电池的安全性得到进一步提高。
当电池温度降到预定范围以下时，安全排气塞恢复到初始尺寸，抑制内部气体泄漏。电池便可以再次使用。随着温度降到正常范围，电池内压减小，或者内部处于基本上为真空状态。这进一步提高了电池的安全性。
尽管以说明为目的对本发明示范性实施例进行了说明，但对于本领域技术人员可以理解的是，在不背离本发明所附权利要求所公开的原理和范围的情况下，本发明可以有各种变体，增加和替换。

Claims (20)

1.一种锂离子二次电池，包括：
电极组件，具有与介于其间的隔板多次卷绕的第一和第二电极板；
用于容纳该电极组件的罐，该罐具有形成在其一端的开口；以及
适于盖住该开口的盖板，该盖板带有穿过盖板的排气孔，该排气孔带有安装在排气孔中的安全排气塞，该安全排气塞适于在预定温度变形，并排放罐内部的气体到外部。
2.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞适于在70～150℃的温度范围内变形，并打开该排气孔。
3.如权利要求2所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞是形状记忆合金的。
4.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由选自包括Ni-Ti合金、Cu-Zn-Al合金和Cu-Al-Ni合金的组中任意之一制成。
5.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞由添加有预定量Mn的Ni-Ti合金制成。
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选自包括添加有预定量Ti的Cu-Zn-Al合金和Cu-Al-Ni合金的组中任意之一制成。
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选自包括添加有预定量Mn的Cu-Zn-Al合金和Cu-Al-Ni合金的组中任意之一制成。
8.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞包括圆柱体和盘形卡定板，其中该圆柱体的直径与排气孔的直径相同，该盘形卡定板位于圆柱体的顶部上，其直径大于圆柱体的直径。
9.如权利要求8所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞以如下方式成形：在达到或超过预定温度时，圆柱体的直径变得小于排气孔的直径。
10.如权利要求8所述的锂离子二次电池，其中该安全排气塞以如下方式成形：在70～150℃的温度范围内，圆柱体的直径变得小于排气孔的直径。
11.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该盖板具有连接到其顶面的固定板，用于覆盖该排气孔和安全排气塞。
12.如权利要求11所述的锂离子二次电池，其中该固定板包括焊接在盖板上安全排气塞相对两侧的边缘板，以及在与安全排气塞对应的位置上连接于该边缘板的中央板。
13.如权利要求12所述的锂离子二次电池，其中该中央板具有曲面部分和空间部分，其中该曲面部分形成在中央板内部，同时从其中央顶部以预定曲率向其外围上的边缘板弯曲，使得安全排气塞在预定温度收缩时，不会脱离到外部，该空间部分形成在曲面部分、安全排气塞以及盖板之间，使得气体可以容易地排放到外部。
14.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中该电极组件具有分别连接于第一和第二电极板、同时向外部伸出预定距离的第一和第二引线，并且该第一引线被连接于盖板上。
15.如权利要求14所述的锂离子二次电池，其中一电极端子被连接于盖板上，且一垫圈介于它们之间，并且该第二引线被连接于该电极端子上。
16.一种锂离子二次电池，包括：
可充电/可放电的电极组件；
容纳该电极组件的外壳；以及
安装在该外壳上的盖板，用于防止该电极组件脱落到外部，并且具有安全排气塞，该安全排气塞适于在电极组件和外壳的温度升高至预定范围以上时变形，并将气体从该外壳的内部排放到外部。
17.一种排放锂离子电池中压缩气体的方法，包括：
将盖板安装在容纳电解液和电极组件的罐的开口上，其中该盖板带有穿过该盖板的排气孔；
将安全排气塞安装在该排气孔内，当罐内温度低于预定范围时，该安全排气塞在排气孔内密封配合，当罐内温度升高至该预定范围以上时，该安全排气塞适于变形，以使气体通过排气孔从罐内排放。
18.如权利要求17所述的方法，还包括将排放通道安装在该盖板上，用于从罐内排放气体到外部，同时防止安全排气塞在气体排放期间从排气孔移出。
19.如权利要求17所述的方法，其中该安全排气塞是形状记忆合金的，该合金适于在70～150℃的温度范围变形，并消除排气孔内的密封配合。
20.如权利要求17所述的方法，其中该安全排气塞是形状记忆合金的。
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