CN1780030A - 电池结构体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池结构体，该电池结构体在不使用冷却介质、同时保持电池的刚性和放电电流量下，可改善电池的散热和防振性，其特征在于，满足下列不等式(1)，其中，b表示电极的短边长度；S表示电极面积；以及c表示电池结构体的厚度。(S/c×1000)>(b×1000/S)。

Description

电池结构体

技术领域

本发明涉及电池结构体，并且具体地涉及电池结构体对散热和防振性的影响。

背景技术

为实现具有更高功率和更高容量的电池，增大电极面积是有效的。特别地，当电池用作车辆用移动电源时，在使用具有常规性能电极的锂离子电池的情况下，要求至少0.1-2m²的电极面积。

具有大电极面积的电池要求其厚度大，以确保电池刚性和容易操作。

另一方面，厚电池引起了由相对于电池中生热的不充分散热造成的电池中温度过度升高的问题。当电池中的温度太高时，电池构成要件由热而分解，从而促进了电池劣化。特别是对于双极电池，存在电池热膨胀而造成其壳体破裂、导致电解质溶液飞溅的危险，并且该飞溅的电解质附着到搭载设备上，导致设备损伤。当厚电池用在易于受到振动的地方例如移动电源时，还存在电池经受共振而使得构成电池的层剥离的另一危险。

电池性能可能由电池劣化和构成层的剥离而受到严重损害。因此，需要对电池的散热性和防振性采取措施。常规方法包括通过控制放电电流量抑制电池温度升高的方法，以及在JP-A-2004-273254中公开的使用冷却介质进行散热的方法。还没有发现旨在通过减轻电池振动而保护电池构成要件的发明。

然而，在使用冷却介质的方法中，必须引入配置它的结构，并且当使用液体冷却介质时，另外还需要防止液体短路的预防装置。结果，产生了诸如电池制造步骤增加、或电池非不必要地变大这样的问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是在不使用冷却介质、同时保持电池的刚性和放电电流量下，改善电池的散热性和防振性。

在详细研究了电池结构体后，本发明人已经发现，上述问题可以通过控制电极的短边长度和面积、以及电池结构体的厚度而解决，并已完成了本发明。

一方面，本发明提供：

(1)一种电池结构体，其特征在于，至少包括正极活性材料层、集电器、负极活性材料层、电解质层和壳体，并满足下列不等式(1)：

$\frac{S}{c\×1000}>\frac{b\×1000}{S}---\left(1\right)$

这里，b(mm)表示电极的短边长度；S(mm²)表示电极面积；以及c(mm)表示电池结构体的厚度。

(2)另一方面，本发明提供一种组合电池，其通过串联和/或并联连接不少于2个在上述第(1)方面中描述的电池结构体而形成。

(3)再一方面，本发明提供一种车辆，其装有在上述第(1)方面中描述的电池结构体、或在上述第(2)方面中描述的组合电池。

根据本发明，可制造具有优异的散热性和防振性的电池结构体。

附图说明

图1A为层叠电池结构体的横截面示意图。

图1B为图1A结构的俯视示意图。

图2A为双极电池结构体的横截面示意图。

图2B为图2A结构的俯视示意图。

图3显示双极电池结构体的Voigt模型。

图4A为电池外观的俯视示意图。

图4B为图4A俯视示意图的正视图。

图4C为图4A俯视示意图的侧视图。

图5A为组合电池模块的外观的俯视示意图。

图5B为图5A俯视示意图的正视图。

图5C为图5A俯视示意图的侧视图。

图6A为组合电池外观的俯视示意图。

图6B为图6A俯视示意图的正视图。

图6C为图6A俯视示意图的侧视图。

图7为装有电池或组合电池的车辆的横截面示意图。

图8示出在实施例和比较例中的主共振峰。

图9示出在实施例和比较例中的散热性能。

具体实施方式

本发明的第一方面为一种电池结构体，其特征在于，至少包括正极活性材料层、集电器、负极活性材料层、电解质层和壳体，并满足下列不等式(1)：

$\frac{S}{c\×1000}>\frac{b\×1000}{S}---\left(1\right)$

这里，b表示电极的短边长度；S表示电极面积；以及c表示电池结构体的厚度。本发明可适用于各种电池结构体，但对于具有层叠电池结构体如锂离子电池的电池结构体特别有效。

图1A示出层叠电池结构体10的横截面示意图，并且图1B示出其俯视示意图，但本发明并不局限于图1A和图1B。在图1A中，电解质层160夹在两面都具有正极活性材料层120的集电器100、与在两面都具有负极活性材料层121的另一集电器100之间，以形成单电池。电解质层160为保持有电解质的隔膜。在两面上都具有正极活性材料层120的集电器100与正极头131连接，而在两面上都具有负极活性材料层121的集电器100与负极头132连接。正极头131和负极头132的一部分、以及层叠单体电池而成的层叠体被壳体140密封。电极的长边长度a和短边长度b分别表示，其中正极活性材料层120或负极活性材料层121与集电器100接触部分的长边长度和短边长度。

电极面积S由S＝a×b计算。电池结构体的厚度c表示包括壳体在内的电池结构体的厚度。

例如，在电池结构体具有电极长边长度a为200mm、电极短边长度b为150mm、和电池结构体的厚度c为3mm的情况下，下列关系式成立：

$\frac{S}{c\×1000}=\frac{200\×150}{3\×1000}=10$

$\frac{b\×1000}{S}=\frac{150\×1000}{200\×150}=5$

10＞5，因此满足上述不等式(1)。

通过构建电池结构体以满足上述不等式(1)，可获得同时具有散热和刚性、并且即使在受到振动时也几乎不共振的电池结构体。本发明对于具有层叠结构的电池结构体如上述锂离子电池特别有效，但更优选适用于锂离子电池中的双极电池结构体。

双极电池结构体因串连双极电极的层叠而变得太厚，因此容易将热限制在层叠层的中心部分，并且变得易受振动影响。因此，本发明的电池结构体更优选应用于通过层压不少于2个双极电极而形成的双极电池结构体。

图2A示出双极电池结构体的横截面示意图，并且图2B示出其俯视示意图，但本发明并不局限于图2A和图2B。在图2A中，正极活性材料层120、集电器100和负极活性材料层121按这样的顺序层压，以形成双极电极。该双极电极被电解质层160夹持，由此形成单电池。密封件150被集电器100夹持。然而，根据电解质层160中所含的电解质，有时可不使用密封件150。细节将在后面的密封件一项中描述。电解质层160为保持有电解质的隔膜。端部集电器101设置在由双极电极和电解质层构成的层叠体两端，并与正极头131或负极头132连接。正极头131和负极头132的一部分、以及夹持该层叠体的端部集电器101，被壳体140密封。对于双极电池结构体，电极的长边长度a和短边长度b分别表示，其中正极活性材料层120或负极活性材料层121与电解质层160接触部位的长边长度和短边长度。

电极的外周长度L用L＝2a+2b计算。电极的外周长度L优选不小于电池结构体厚度c的130倍，更优选为130-300倍，并且特别优选为150-300倍。如果电极的外周长度L不小于电池结构体厚度c的130倍，可获得足够的散热，这是较理想的；同时，如果长度L不超过电池结构体厚度c的300倍，可以保持防振性和刚性，这是较理想的。

优选的是，电极的外周长度L在750-1450mm的范围内，并且电池结构体的厚度c在0.1-10mm的范围内。考虑到刚性和容易操作，优选电极的外周长度L不超过1450mm，并且电池结构体的厚度c不小于0.1mm；同时考虑到散热，优选电极的外周长度L不小于750mm，并且电池结构体的厚度c不超过10mm。通过使用在厚度方向具有增强的粘附性并在厚度方向具有高刚度的隔膜，电池具有充分的刚度，即使其厚度不超过0.1mm。

特别优选的是，将电池结构体构成为同时满足“L不小于c的130倍”和“L为750-1450mm、并且c为0.1-10mm”的条件，但即使当满足一个条件时，也可获得足够的效果。

考虑到容易操作和散热，本发明的电池结构体的厚度c优选在0.1-8mm的范围内。

优选电极的对角线长度为260-550mm，并且上述电极对角线的夹角中的较小夹角的角度为60-90°。

因为容易操作，优选260-550mm的对角线、以及对角线的夹角中的较小夹角的角度不大于90°；并且因为优异的散热，优选260-550mm的对角线、以及对角线夹角中的较小夹角的角度不小于60°。

壳体

用于本发明电池结构体的壳体材料无特殊限制，优选包括聚合物材料如聚酯、尼龙、聚丙烯和聚碳酸酯，金属物质如铝、不锈钢和钛，或聚合物-金属复合材料，并且更优选聚合物-金属复合材料。考虑到保护电池结构体和散热，更优选聚合物-金属复合材料，因为可减小膜厚度、同时保持作为壳体材料的强度。

对于聚合物-金属复合材料，优选使用由热封性树脂膜、金属箔和硬质树脂膜按此顺序层压而形成的聚合物-金属复合膜。作为热封性树脂膜，例如可使用聚乙烯、乙烯乙酸乙烯酯共聚物和离子键树脂。作为金属箔，可使用铝、镍、不锈钢和铜或这些金属的合金的箔。作为硬质树脂膜，例如可使用聚对苯二甲酸乙二酯和尼龙。

隔膜

用于本发明电池结构体的隔膜优选具有20-110的肖氏A硬度(Shore A hardness)。优选肖氏A硬度不低于20，因为共振频率很难向低频率侧位移，导致当经受振动时达到共振频率的可能性小；同时优选肖氏A硬度不超过110，因为振动被适度吸收，而使得防振效果变高。肖氏A硬度的测量方法基于在JIS-K-6235中规定的方法。

优选本发明的电池结构体包括具有不同硬度的上述隔膜，并且具有相同或更低硬度的上述隔膜朝向电池结构体的中心设置。存在至少2种硬度就足够了。例如，在图3中示出Voigt模型。在图3中，当隔膜111的硬度低于隔膜112的硬度时，获得弹簧常数K1＞K2、和阻尼因数C2＞C1。因此，当电池结构体受到振动时，共振频率能够随峰高降低而向高频侧位移，导致防振性能的进一步改善。

用作电池结构体隔膜的具有低肖氏A硬度的很多材料容易具有高的传热系数。由于传热系数越高的物质其散热性越好，因此，朝向电池中心放置具有较低硬度的上述隔膜，可在热容易被限制的电池中心提供散热效果，这样降低达到的最高温度，并改善散热。

构成隔膜的树脂无特殊限制，优选包括选自于由聚酯基树脂、芳族聚酰胺基树脂、聚丙烯基树脂、含有聚酯基树脂的无机材料、含有芳族聚酰胺基树脂的无机材料和含有聚丙烯基树脂的无机材料组成的组中的至少一种树脂。无机材料表示细碎的粉末和填充体，并且通过将该无机材料混合到上述树脂中可以增加隔膜的刚度。

当使用这些树脂时，可以形成具有精细多孔结构的隔膜，并且带来大的防振效果，因此是优选的。另外，上述树脂在防水性、防潮性、冷却循环性、热稳定性和绝缘性方面是优良的。另外，在上述树脂中，当芳族聚酰胺基树脂被使用时是优选的，因为厚度可以变薄。

在上述含有聚酯基树脂的无机材料、含有芳族聚酰胺基树脂的无机材料和含有聚丙烯基树脂的无机材料中含有的无机材料是细碎的粉末填充体等，例如二氧化硅(SiO₂)，通过将该无机材料混合到树脂中可以增加隔膜的刚度。

另外，通过充填上述无机材料易于形成细孔，并且每单位面积的孔径增加，并且隔膜具有高的透气性和高的通过曲率(passage curvature)。无机材料在隔膜中的含量优选35-95重量％，更优选50-90重量％。

另外，通过曲率(γ)优选0.5-2.0。尽管为了增加功率优选降低通过曲率，但如果其太低，隔膜的弹簧常数和阻尼下降，防振性降低。因此，如果通过曲率不大于0.5，就会难以实现防振效果。另外，如果其太高(例如不小于2)，就会增加功率，因此由于功率过高不优选。通过曲率被定义为由常规吸收测定方法获得的隔膜吸收表面面积S1，除以设计表面S0的值(γ＝S1/S0)。

优选使用这些树脂，因为它们给隔膜提供多孔结构，以给出进一步的防振效果。此外，上述树脂防水性、防湿性、耐热冲击性、热稳定性、绝缘性等优异。在上述树脂中，优选使用芳族聚酰胺基树脂，因为它可使隔膜更薄。

在不损害电池结构体强度的范围内，隔膜优选尽可能薄，并且更优选厚度不超过20μm。优选较薄的隔膜，因为在上述不等式(1)表示的范围内，其能提供单电池的更多层。

保持在隔膜中的电解质将在下面电解质层一项中描述。

正极活性材料层

正极活性材料的平均粒径优选尽可能小，更优选不大于2μm。具有较大平均粒径的正极活性材料可能引起穿透隔膜，导致微短路。当隔膜厚度不超过20μm时，正极活性材料的平均粒径优选不超过隔膜厚度的1/10，即不大于2μm，这提供正极活性材料层的均匀表面。

此外，考虑到上述微短路问题等，正极活性材料的粒径分布优选尽可能低。当除正极活性材料以外使用辅助材料时，其平均粒径优选尽可能小，并且其粒径分布也优选尽可能低。

正极活性材料层包含正极活性材料，并且后者无特殊限制，优选包含Li-Mn基复合氧化物和/或Li-Ni基复合氧化物。代表性的Li-Mn基复合氧化物包括LiMnO₂和尖晶石LiMn₂O₄，并且代表性的Li-Ni基复合氧化物包括LiNiO₂。通过使用上述复合氧化物作为正极活性材料，可使由电压-充放电时间曲线图获得的充放电曲线中的相对于充放电时间轴的水平和平行的部分倾斜，这样，可通过测量电压而精确估计电池结构体的充电状态(SOC)。从而，过度充电和过度放电可被检测而解决。此外，可以认为使用上述复合氧化物作为正极活性材料，即使在电池结构体因过度充电或过度放电而出故障时也可较温和地响应，这样在异常情况下提供高的可靠性。

可使用的正极活性材料包括过渡金属和锂的化合物，如锂-钴基复合氧化物例如LiCoO₂、锂-铁基复合氧化物例如LiFeO₂，过渡金属和锂的磷酸盐如LiFePO₄，以及过渡金属和锂的硫酸盐化合物；过渡金属氧化物如V₂O₅、MnO₂和MO₃；过渡金属硫化物如TiS₂和MoS₂；PbO₂；AgO或NiOOH。这些化合物可单独使用或将其组合使用。

正极活性材料层除了正极活性材料以外，还可包括辅助材料如电解质、电解质的盐和用于增强导电性的辅助材料。该电解质和电解质的盐将在下面电解质层一项中详细描述。

用于增强导电性的辅助材料包括，例如乙炔黑、炭黑或石墨。

负极活性材料层

负极活性材料的平均粒径优选尽可能小，更优选不大于2μm，理由与正极活性材料的相同。负极活性材料的粒径分布也优选尽可能低。当除负极活性材料以外使用辅助材料时，其平均粒径优选尽可能小，并且其粒径分布也优选尽可能低。

负极活性材料层包含负极活性材料，并且后者无特殊限制，然而，优选包含结晶碳材料和/或无定形碳材料。代表性的结晶碳材料包括石墨，而代表性的无定形碳材料包括硬碳。通过使用上述复合氧化物作为负极活性材料，由电压-充放电时间图获得的充放电曲线中的相对于充放电时间轴的水平和平行部分可倾斜，因此可通过测量电压而精确估计电池结构体的充电状态(SOC)。从而，过度充电和过度放电可被检测而解决。此外，可以认为使用上述复合氧化物作为负极活性材料，即使在电池结构体因过度充电或过度放电而出故障时也可较温和地响应，这样在异常情况下提供高的可靠性。当使用无定形碳材料时，这些效果特别明显。

可使用的负极活性材料包括金属氧化物如TiO、Ti₂O₃和TiO₂；以及过渡金属和锂的复合氧化物如Li_4/3Ti_5/3O₄。这些化合物可以单独使用或将其组合使用。

负极活性材料层除了负极活性材料以外，还可包括辅助材料如电解质、电解质的盐和用于增强导电性的辅助材料。电解质和电解质的盐将在下面电解质层一项中详细描述。用于增强导电性的辅助材料包括，例如乙炔黑、炭黑或石墨。

电解质层

形成电解质层的电解质包括固体聚合物电解质或凝胶电解质。该固体聚合物电解质包括，例如聚环氧乙烷、聚环氧丙烷和这些氧化物的共聚物。

该凝胶电解质包含在由聚合物电解质组成的骨架中的电解溶液。作为该骨架，可使用具有离子导电性的固体聚合物电解质或不具有离子导电性的聚合物。

该电解质溶液由电解质的盐和增塑剂组成。电解质的盐包括，例如无机阴离子盐如LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiAsF₆、LiTaF₆、LiAlCl₄和Li₂B₁₀Cl₁₀；以及有机阴离子盐如Li(CF₃SO₂)₂N和Li(C₂F₅SO₂)₂N。这些盐可以单独与增塑剂混合，或以其两种或多种组合与增塑剂混合。该增塑剂包括，例如环状碳酸酯如碳酸异丙烯酯和碳酸亚乙酯；链状碳酸酯如碳酸二甲酯、碳酸甲·乙酯和碳酸二乙酯；醚如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，4-二烷、1，2-二甲氧基乙烷和1，2-二丁氧基乙烷；内酯如γ-丁内酯；腈如乙腈；酯如丙酸甲酯；酰胺如二甲基甲酰胺；以及酯如乙酸甲酯和甲酸甲酯。这些增塑剂可以单独与电解质的盐混合，或以其两种或多种组合与电解质的盐混合。

用于凝胶电解质的具有离子导电性的固体聚合物电解质包括，例如聚环氧乙烷、聚环氧丙烷和这些氧化物的共聚物。用于凝胶电解质的不具有离子导电性的聚合物包括，例如聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯。

在凝胶电解质中，固体聚合物电解质与电解质溶液的重量比优选为20∶80-98∶2。

隔膜保持有上述电解质，以形成电解质层。

集电器

集电器由通过辊压法(rolling method)等制造的金属箔，或通过喷涂法等制造的除金属箔以外的薄膜组成。

该金属箔的类型无特殊限制，其包括例如通过涂镍和铝而成的覆层材料箔、镍箔、镍基合金箔、铝箔和不锈钢箔。考虑到成本，优选使用铝箔；而考虑到强度，优选使用不锈钢箔。

除金属箔以外的另一类薄膜无特殊限制，其包括例如铝、钢、钛、镍、不锈钢或其合金的粉末与粘结剂的混合物。这些金属粉末可单独，或以两种或多种的混合物使用。该粘结剂包括环氧树脂等。

集电器的厚度优选为5-20μm，更优选8-15μm，进一步更优选10-15μm。考虑到刚性，集电器的厚度优选不小于5μm，并且特别优选不小于10μm。考虑到电池的散热，集电器的厚度优选不超过20μm。

密封件

本发明的双极电池可以在集电器本身之间装有密封件。设置密封件以使其包围正极活性材料层、电解质层和负极活性材料层，这样在凝胶电解质用作电解质层时可以防止电解质溶液渗漏。

如US 2004/0091771 A1中公开的，该密封件优选具有这样的结构：将熔点比第一树脂高、且不具有导电性的第二树脂夹在第一热封性树脂之间，并相对于集电器平行放置。考虑到制造方法，第一树脂与第二树脂的优选组合为，熔点低于180℃的第一树脂、与熔点不低于180℃且可与第一树脂热封的第二树脂这样的组合。这些树脂无特殊限制，并且包括例如聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯或热塑性烯烃橡胶作为第一树脂，并且聚酰胺基树脂如尼龙6、尼龙66，聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯和聚苯乙烯或硅橡胶作为第二树脂。

由于对电池结构体中的电极短边长度、电极面积和电池结构体厚度之间的关系没有任何研究，因此常规电池结构体的电极尺寸限制为大约A6尺寸。因此，尚未出现高功率和高容量电池。然而，本发明能够获得迄今从未获得的、装有约A5至A2尺寸电极的电池结构体的产品，如此实现了具有高功率和高容量的电池。

本发明的第二方面为通过串联和/或并联连接不少于2个上述电池结构体而形成的组合电池。图5A、图5B和图5C给出了组合电池模块31的外观示意图，该组合电池模块31通过将图4A、图4B和图4C示出的电池结构体(10或20)放入壳体170中来制备。图6A、图6B和图6C给出了通过并联连接6个组合电池模块而制造的组合电池30的外观示意图。在图6A、图6B和图6C中，每个组合电池模块31用连接板180和固定螺钉190结合为一片，并将弹性材料200放置于每个组合电池模块31之间，由此形成防振结构。各组合电池模块31的头133通过汇流条(busbar)210连接。图4A、图4B和图4C，图5A、图5B和图5C，以及图6A、图6B和图6C分别给出电池结构体、组合电池模块和组合电池的一个例子，但本发明并不局限于此。

本发明第三方面是装有上述电池结构体或上述组合电池的车辆。本发明的电池结构体、或由本发明的电池结构体组成的组合电池具有优异的可靠性和发电特性，因此可优选用作车辆的移动电源。由于本发明的电池结构体(10或20)或组合电池(30)为空间节约型，可将其安装在车辆40的地板下面(如图7所示)、座椅靠背后或座椅下面。

通过以下实施例，将具体描述本发明，然而本发明不应局限于这些实施例。

实施例2、4-31和比较例4-10

首先，给出实施例4的制造双极电池结构体的方法。将用作集电器的具有厚度15μm的不锈钢箔的一面用作为正极活性材料的LiMnO₂(平均粒径：2μm)(一种Li-Mn基复合氧化物)涂覆至厚度为10μm，以形成正极活性材料层。然后，将该不锈钢箔的另一面用作为负极活性材料的硬碳(平均粒径：6μm)(一种无定形碳材料)涂覆至厚度为15μm，以形成负极活性材料层。

将聚(偏二氟乙烯)(PVdF)(一种可交联凝胶电解质的前体)浸入聚酯无纺布隔膜(厚度：20μm，肖氏A硬度：61)中，以形成电解质层。端部集电器通过用上述不锈钢箔制备，由此在一面上形成上述正极活性材料层，而在另一面上形成上述负极活性材料层。制造电极，使其为A4尺寸。

将单电池层进行层压，并将铝制头(厚度：100μm，宽度：100mm)和铜制头(厚度：100μm，宽度：100mm)分别振动焊接至上述层叠体的正极端和负极端，然后将其用具有三层结构的层叠材料密封，所述三层结构由作为热封性树脂膜的马来酸改性聚丙烯膜、作为金属箔的不锈钢箔、和作为硬质树脂膜的尼龙-铝改性聚丙烯构成。然后，将该电池结构体在约80℃下进行热交联约2小时，由此制造实施例4的双极电池结构体。电极的长边长度a、电极的短边长度b、电池结构体的厚度c、电极的外周长度L、电极面积S和电极的对角线长度T在表1中给出。

实施例2、5-31和比较例1-10的双极电池结构体按与实施例4类似的方式制造。各实施例和各比较例的说明在表1和表2中给出，其中，用于正极活性材料的“Li-Ni基”表示使用LiNiO₂，用于负极活性材料的“结晶”表示使用石墨，用于隔膜材料的“芳族聚酰胺”、“聚丙烯”和“PET”分别表示使用芳族聚酰胺无纺布、聚丙烯无纺布和聚对苯二甲酸乙二醇酯无纺布，“含无机材料”表示其中细碎的SiO₂粉末作为无机材料与树脂混合的树脂，当使用细碎的SiO₂粉末作为无机材料时，细碎的SiO₂粉末在隔膜中以80重量％的量混合，以及用于壳体材料的“树脂”表示使用PP(聚丙烯)。

实施例1和3，以及比较例1-3

首先，给出实施例3的制造层叠电池结构体的方法。将作为集电器的具有厚度为15μm的铝箔的两面用作为正极活性材料的LiMnO₂(平均粒径：2μm)(一种Li-Mn基复合氧化物)涂覆至厚度为10μm，以形成正极活性材料层。将作为集电器的具有厚度为15μm的铜箔的两面用作为负极活性材料的硬碳(平均粒径：6μm)(一种结晶碳材料)涂覆至厚度为15μm，以形成负极活性材料层。

将可交联凝胶电解质的前体浸入聚酯无纺布隔膜(厚度：20μm，肖氏A硬度：61)中，以形成电解质层。制造电极，使其为A4尺寸。

将单电池层进行层压，并将铝制头(厚度：100μm，宽度：100mm)和铜制头(厚度：100μm，宽度：100mm)分别振动焊接至正极和负极，然后将其用具有三层结构的层叠材料密封，所述三层结构由作为热封性树脂膜的马来酸改性聚丙烯膜、作为金属箔的不锈钢箔、和作为硬质树脂膜的尼龙-铝改性聚丙烯构成。然后将该电池结构体在约80℃下进行热交联约2小时，由此制造实施例3的层叠电池结构体。电极的长边长度a、电极的短边长度b、电池结构体的厚度c、电极的外周长度L、电极面积S和电极的对角线长度T在表1中给出。

实施例1和比较例1-3的层叠电池结构体按与实施例3类似的方式制造。各实施例和各比较例的说明的表1和表2中给出。在表2中，用于负极活性材料的“无定形”表示使用硬碳，以及用于壳体材料的“金属罐”表示使用铝。

实施例32

在通过实施例1-31和比较例1-10的方法获得的单电池元件的中心安装加速接收器，并在用脉冲锤头锤打时测量加速接收器的振动光谱。设定方法按照JIS-B-0908(用于校正振动和冲击传感器(shock pick-up)的方法：基本概念)。如此测量的光谱用FFT分析器分析，并转换为频率和加速度的量纲(dimension)。将如此获得的频率平均并平滑，以获得振动传递率光谱。将在10-300Hz范围内的这些加速度光谱平均，由此获得平均振动值。

以各实施例中的平均振动值与各标准值的比率获得振动阻尼因数。更具体地，以实施例的平均振动值×100/比较例中的平均振动值的比率获得振动阻尼因数。振动阻尼因数0％表示在实施例中的平均振动值与比较例中的相同，且不发生振动阻尼。振动阻尼因数30％表示在实施例中的平均振动值与比较例中的相比降至30％。使用具有与实施例中相同电极面积的比较例作为各对比标准。具体地，实施例1和2中的对比标准为比较例4；实施例3-6和13中的对比标准为比较例5；实施例7-9中的对比标准为比较例6；以及实施例10-12中的对比标准为比较例7；实施例14和比较例8-9中的对比标准为比较例1；实施例15-16和比较例10中的对比标准为比较例2；实施例17-19中的对比标准为比较例3；实施例20-22中的对比标准为比较例4；实施例23-25中的对比标准为比较例5；实施例26-28中的对比标准为比较例6；实施例29-31中的对比标准为比较例7。

各实施例中的振动阻尼因数、以及各实施例和各比较例中的主共振峰值(在最低频率侧出现的最大峰频率)在表1中给出。从表1中给出的振动阻尼因数可以看出，在各实施例中平均振动值降低。

实施例1、4和7以及比较例5中的振动传递率和频率在图8中给出。图8中的J1、J4、J7和H5分别表示实施例1、实施例4、实施例7和比较例5。从图8中可以看出，对于比较例5中的单电池层，主共振峰出现在不高于100Hz的区域内。由于在典型的车辆上产生的振动具有不高于约100Hz的频率，具有在上述频率范围内的主共振频率的电池将共振。另一方面，可以看出，在实施例1、4和7中的主共振峰出现在比100Hz高的高频区域内，因此这些电池在车辆上将不共振。从表1中可以进一步看出，图8中未给出的实施例中的主共振峰也出现在比100Hz高的高频区域内。从上面可知，本发明的电池防振性能优异。

实施例33

将在实施例1-31和比较例1-10的方法中获得的电池结构体进行10C循环试验60分钟。在试验期间，测量电池结构体中心部分的平均温度中达到的最高温度，由此获得与试验前的温度差，将其称为“温度升高”。60分钟后，切断电流，并将该电池结构体在室温下放置。测量电池结构体回复到室温所需的时间，并将其称为“散热时间”。用附着在位于电池中心的箔边缘的热电偶测量层叠结构电池的温度。10C循环试验60分钟是指在电流值10C下，将6分钟充电和6分钟放电交替重复5次的试验。

各实施例和各比较例中的“温度升高”和“散热时间”在表1中给出。“散热时间”测量至多60分钟。当电池在60分钟内没有回复到室温时，在表中记载“≥60”。从“温度升高”栏中可以看出，实施例的电池结构体与比较例相比，在使用时在电池内具有较低的“温度升高”。从表1的“散热时间”栏中可以进一步看出，实施例的电池结构体的中心部分的平均温度最长在20分钟内回复到室温，而比较例的电池结构体的中心部分中的平均温度甚至在60分钟后也没有回复到室温。实施例1、4和7与比较例5中的散热性能在图9中给出。从图9中还可以看出，实施例中的电池温度-时间曲线与比较例相比，在10C循环试验的0和60分钟之间具有较小的斜率，在60分钟后具有较大的斜率，因此，实施例的电池结构体与比较例相比，在使用时在电池内具有较低的“温度升高”。

表1

表1(续)

表2

		电池结构	单电池层层压数	正极			负极			隔膜			壳体材料
														材料	粒径(μm)	厚度(μm)	材料	粒径(μm)	厚度(μm)	材料	厚度(μm)	肖氏A硬度	材料
				实施例	1	层叠	2	Li-Mn基	2	10	结晶	6	15											聚酯	20	61	金属罐
2	双极	2	Li-Mn基											2	10	结晶	6	15	聚酯	20	61	树脂
					3	层叠	2	Li-Mn基	2	10	无定形	6	15										聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
4	双极	2	Li-Mn基											2	10	无定形	6	15	聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
					5	双极	2	Li-Mn基	2	10	无定形	6	15										芳族聚酰胺	15	90	聚合物-金属复合材料
6	双极	2	Li-Ni基											0.8	5	无定形	2	10	聚丙烯	20	87	聚合物-金属复合材料
					7	双极	2	Li-Mn基	2	10	无定形	6	15										聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
8	双极	2	Li-Ni基											0.8	5	无定形	2	10	聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
					9	双极	2	Li-Ni基	0.8	5	无定形	2	10										聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
10	双极	2	Li-Mn基											2	10	无定形	6	15	聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
					11	双极	2	Li-Ni基	0.8	5	无定形	2	10										聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
12	双极	2	Li-Ni基											0.8	5	无定形	2	10	聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
					13	双极	2	Li-Mn基	2	10	无定形	2	10										外：芳族聚酰胺内：PET	外：15内：20	外：90内：61	聚合物-金属复合材料
14	双极	2	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚酯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
					15	双极	6	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										聚丙烯(含无机材料)	10	88	聚合物-金属复合材料
16	双极	2	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚酯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
					17	双极	12	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										芳族聚酰胺(含无机材料)	15	93	聚合物-金属复合材料
18	双极	6	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚丙烯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
					19	双极	2	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										聚酯(含无机材料)	10	88	聚合物-金属复合材料

表2(续1)

		电池结构	单电池层层压数	正极			负极			隔膜			壳体材料
														材料	粒径(μm)	厚度(μm)	材料	粒径(μm)	厚度(μm)	材料	厚度(μm)	肖氏A硬度	材料
				实施例	20	双极	12	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12											芳族聚酰胺(含无机材料)	15	93	聚合物-金属复合材料
21	双极	6	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚丙烯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
					22	双极	2	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										聚酯(含无机材料)	10	88	聚合物-金属复合材料
23	双极	12	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	芳族聚酰胺(含无机材料)	15	93	聚合物-金属复合材料
					24	双极	6	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										聚丙烯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
25	双极	2	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚酯(含无机材料)	10	88	聚合物-金属复合材料
					26	双极	12	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										芳族聚酰胺(含无机材料)	15	93	聚合物-金属复合材料
27	双极	6	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚丙烯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
					28	双极	2	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										聚酯(含无机材料)	10	88	聚合物-金属复合材料
29	双极	12	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	芳族聚酰胺(含无机材料)	15	93	聚合物-金属复合材料
					30	双极	6	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										聚丙烯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
31	双极	2	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚酯(含无机材料)	10	88	聚合物-金属复合材料

表2(续2)

		电池结构	单电池层层压数	正极			负极			隔膜			壳体材料
														材料	粒径(μm)	厚度(μm)	材料	粒径(μm)	厚度(μm)	材料	厚度(μm)	肖氏A硬度	材料
				比较例	1	层叠	15	Li-Mn基	2	10	无定形	6	15											聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
2	层叠	15	Li-Mn基											2	10	无定形	6	15	聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
					3	层叠	15	Li-Mn基	2	10	无定形	6	15										聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
4	双极	20	Li-Mn基											2	10	无定形	6	15	聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
					5	双极	50	Li-Mn基	2	10	无定形	6	15										聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
6	双极	100	Li-Mn基											2	10	无定形	6	15	聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
					7	双极	200	Li-Mn基	2	10	无定形	6	15										聚酯	20	61	聚合物-金属复合材料
8	双极	2	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚酯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料
					9	双极	6	Li-Ni基	2	10	无定形	2	12										聚丙稀(含无机材料)	10	88	聚合物-金属复合材料
10	双极	2	Li-Ni基											2	10	无定形	2	12	聚酯(含无机材料)	10	65	聚合物-金属复合材料

Claims (18)

1.一种电池结构体，其特征在于，其至少包括正极活性材料层、集电器、负极活性材料层、电解质层和壳体，并且满足下列不等式(1)：

$\frac{S}{c\×1000}>\frac{b\×1000}{S}---\left(1\right)$

这里，b(mm)表示电极的短边长度；S(mm²)表示电极面积；以及c(mm)表示电池结构体的厚度。

2.根据权利要求1所述的电池结构体，其具有通过层压不少于2个双极电极而形成的双极结构。

3.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该电极的外周长度不小于电池结构体厚度c的130倍。

4.根据权利要求3所述的电池结构体，其中，该电极的外周长度为电池结构体厚度c的150-2000倍。

5.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该电极的外周长度为750-1450mm，并且该电池结构体的厚度c为0.1-10mm。

6.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该电池结构体的厚度c为0.1-8mm。

7.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该电极的对角线长度为260-550mm，并且上述电极对角线的夹角中的较小夹角的角度为60°-90°。

8.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该壳体由聚合物-金属复合材料制成。

9.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该隔膜的肖氏A硬度在20-110的范围内。

10.根据权利要求9所述的电池结构体，其包括具有相同或不同硬度的上述隔膜，并且在具有不同硬度的隔膜的情况下，较低硬度的隔膜靠近电池结构体的中心设置。

11.根据权利要求9所述的电池结构体，其中，上述隔膜包括选自于由聚酯基树脂、芳族聚酰胺基树脂、聚丙烯基树脂、含有聚酯基树脂的无机材料、含有聚丙烯基树脂的无机材料和含有芳族聚酰胺基树脂的无机材料组成的组中的至少一种成分。

12.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该正极活性材料的平均粒径不大于2μm。

13.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，该正极活性材料包括Li-Mn基复合氧化物和/或Li-Ni基复合氧化物。

14.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该负极活性材料的平均粒径不大于2μm。

15.根据权利要求1所述的电池结构体，其中，该负极活性材料包括结晶碳材料和/或无定形碳材料。

16.根据权利要求9所述的电池结构体，其中，所述隔膜的通过曲率为0.5-2.0。

17.一种组合电池，其通过串联和/或并联连接不少于2个根据权利要求1所述的电池结构体而形成。

18.一种车辆，其装有根据权利要求1所述的电池结构体、或根据权利要求17所述的组合电池。

Images