CN1783568A - 锂充电电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂充电电池，其包括电极组件，电极组件包括至少两个第一电极板、至少两个第二电极板、设置在一个电极板和另一个电极板之间的隔板、分别附于第一电极板和第二电极板的第一接线片和第二接线片，所述电极组件通过将电极板和隔板的层状结构卷绕成凝胶卷而形成。

Description

锂充电电池
                          技术领域
本发明涉及一种锂充电电池。具体地讲，本发明涉及一种锂充电电池，这种锂充电电池具有改进的充电/放电效率并由于降低的内阻而允许快速充电/放电。
                          背景技术
由于便携式电子装置正快速地变小、变轻，所以日益要求用来为它们提供动力的电池具有紧凑尺寸和高容量。例如，锂离子充电电池具有3.6V或更高的驱动电压，该驱动电压比当前用作便携式电子装置的电源的镍-镉(Ni-Cd)电池或镍-金属氢化物(Ni-MH)电池的驱动电压高三倍。此外，锂离子充电电池每单位质量具有相对高的能量密度。因此，对于可充电的锂离子电池的研究和开发正在快速地增加和进行。
锂充电电池通过由在正极和负极上的锂离子的嵌入/脱嵌引起的氧化还原反应来产生电能。锂充电电池使用能够可逆的锂离子嵌入/脱嵌的材料作为正极或负极材料。将有机电解液或聚合物电解液注入正极和负极之间的间隙以提供锂充电电池。
诸如钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锰酸锂(LiMnO2)等含锂的金属氧化物用作锂充电电池的正极材料。作为锂充电电池的负极活性材料，锂金属或锂合金已经被广泛使用。然而，当锂金属用作负极活性材料时，由于因枝晶的形成而导致的电池短路可能会引起爆炸。因此，锂金属趋于被诸如无定形碳或结晶碳等含碳材料替代。锂充电电池形成为各种形状，其典型的例子包括圆柱式电池、方形电池和袋式电池。
图1是传统的锂充电电池的分解透视图。
通过将包括正电极13、负电极15和隔板14的电极组件12与电解液一起装入罐10，然后用盖组件20密封罐10的顶部，来获得锂充电电池。盖组件20包括：盖板40；电极端子30，插入盖板40的端子通孔41；绝缘板50，位于盖板40的底部上；端子板60，位于绝缘板50的底部上并与电极端子30电连通。此外，盖组件20通过位于电极组件12的顶部上的单独的绝缘壳70与电极组件12绝缘，同时与罐10的顶部开口结合来密封罐10。
电极端子30插入形成在盖板40中间的端子通孔41。当电极端子30插入端子通孔41时，为使电极端子30和盖板40之间电绝缘，圆柱形垫圈35结合至电极端子30的外表面，从而圆柱形垫圈35与电极端子30一起插入孔41。在罐10的顶部上安装盖组件20之后，通过入口42注入电极液，然后用塞子43密封入口42。
电极端子30通过端子板60与第二电极15的第二电极接线片17和第一电极13的第一电极接线片16中的任一个(例如，与第二电极接线片17)电连接。为了防止两个电极13、15之间的短路，用绝缘胶带18围住电极组件12的一部分，第一电极接线片16和第二电极接线片17从该部分被引出。没有与电极端子30电连接的电极接线片(例如，第一电极接线片16)与盖板40的底部表面连接。当在如上所述装配的锂充电电极内第一电极形成正电极且第二电极形成负电极时，电极端子30起着负极的作用，同时除了电极端子30之外盖板40和罐10起着正极的作用。
图2是传统的锂充电电池的电极组件的分解透视图。
通过将第一电极板13和第二电极板15与设置在这两个电极板之间的隔板14卷绕而形成电极组件12。第一电极板13和第二电极板15的每个的至少一个表面用电极活性材料涂覆。此外，第一电极接线片16和第二接线片17的每个与每个电极的未涂覆部分(即没有用电极活性材料涂覆的部分)结合。
在如上所述的锂充电电池中，形成电极组件12的电极板13、15既用作电极活性材料的支撑部分，又用作电流流过的流动路径。通过将两个电极板13、15与设置在它们之间的隔板14以凝胶卷(jelly-roll)的形状卷绕来制造电极组件12。虽然这种制造方法在生产率和生产成本方面具有优势，但是，由于难以在特定的水平下使沿着电极板的纵向的电阻降低，所以在提供具有内部电阻的充电电池方面具有局限性。
                          发明内容
本发明提供一种锂充电电池，其具有改进的充电/放电效率并由于降低的内阻而允许快速充电/放电，其中，这种锂充电电池包括电极组件，电极组件包括至少两个第一电极板和至少两个第二电极板，每个电极板具有结合至其上的电极接线片。
本发明公开了一种包括电极组件的锂充电电极，电极组件包括至少两个第一电极板、至少两个第二电极板、设置在一个电极板和另一个电极板之间的隔板、分别附于第一电极板和第二电极板的第一电极接线片和第二电极接线片，通过将电极板和隔板的层状结构卷绕成凝胶卷而形成电极组件。
此外，可通过将与隔板交替地层叠的第一电极板和第二电极板卷绕而形成电极组件，该隔板设置在这两个电极板之间。
第一电极接线片可彼此并联连接，第二电极接线片可以相同的方式连接。
应该理解，上面的一般描述和下面的详细描述均是示例性的和解释性的，并用来对所申请的本发明提供进一步的解释。
                         附图说明
通过结合附图参照下面详细的描述，本发明的上述和其它特点和优点将会变得更加清楚，附图中：
图1是传统的锂充电电池的分解透视图。
图2是传统的锂充电电池的电极组件的分解透视图。
图3是根据本发明的电极组件的示例性实施例的分解透视图。
图4是根据本发明的电极组件的另一示例性实施例的分解透视图。
图5是根据本发明的电极组件的另一示例性实施例的分解透视图。
图6是包括根据本发明的电极组件的锂充电电池的分解透视图。
                      具体实施方式
图3是根据本发明的电极组件的示例性实施例的分解透视图。图4和图5是根据本发明的电极组件的另一示例性实施例的每个的分解透视图。
参照图3，通过将至少两个第一电极板113a、113b和至少两个第二电极板115a、115b与设置在两个电极板之间的隔板(未示出)卷绕成凝胶卷而形成根据本发明的电极组件。
可通过将与隔板交替地层叠的第一电极板113a、113b和第二电极板115a、115b卷绕而形成电极组件，该隔板设置在两个电极板之间。
隔板(未示出)用于通过使第一电极板113a、113b与第二电极板115a、115b隔开来防止短路，并用于提供锂离子的流动路径。例如，隔板可包括诸如聚烯烃膜、聚乙烯膜和聚丙烯膜及其多层膜等聚合物膜，微孔膜，织物和非织物。
第一电极板113a、113b的每个的至少一个表面用电极活性材料122a、122b涂覆。此外，没有用电极活性材料涂覆的第一电极板113a、113b的未涂覆部分的表面分别与第一电极接线片116a、116b结合。
类似地，第二电极板115a、115b的每个的至少一个表面用电极活性材料120a、120b涂覆。此外，没有用电极活性材料涂覆的第二电极板115a、115b的未涂覆部分的表面分别与第二电极接线片117a、117b结合。
第一电极板113a、113b或第二电极板115a、115b可起着正极板或负极板的作用。
当第一电极板113a、113b或第二电极板115a、115b起着正极板的作用时，正极板可由不锈钢、镍、铝、钛或它们的合金，或用碳、镍、钛或银等表面处理的不锈钢形成。铝或铝合金优选地用在正极板中。
当第一电极板113a、113b或第二电极板115a、115b起着负极板的作用时，负极板可由不锈钢、镍、铜、钛或它们的合金，或铜或用碳、镍、钛或银等表面处理的铜或不锈钢形成。铜或铜合金优选地用在负极板中。
涂覆在第一电极板113a、113b或第二电极板115a、115b上的电极活性材料120a、120b、122a、122b可以是能够可逆的锂离子嵌入/脱嵌的正极活性材料或负极活性材料。
正极活性材料可包括含锂的过渡金属氧化物和锂硫族化物的化合物，其典型的例子包括LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4或LiNi1-x-yCoxMyO2(例如，这里，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，M是诸如Al、Sr、Mg和La的金属)，但不限于此。负极活性材料可包括诸如结晶碳、无定形碳、复合碳和碳纤维的含碳材料，锂金属，锂合金等，但不限于此。
第一电极接线片116a、116b或第二电极接线片117a、117b分别与第一电极板113a、113b和第二电极板115a、115b的未涂覆部分的表面结合。为了得到这种电连接，第一电极接线片116a、116b和第二电极接线片117a、117b可通过包括但不限于点焊、激光焊和超声焊或使用导电粘合剂的各种方法结合。通过将具有良好导电性的金属粉末例如银和镍与碳均匀混合并将其分散到合成树脂或合成像胶中来制备导电糊，导电粘合剂可以是这种导电糊。诸如环氧树脂、丙烯树脂和改性的聚氨酯树脂等合成树脂可以具有良好的粘着特性。
与第一电极接线板113a、113b之一结合的每个第一电极接线片116a、116b彼此并联连接，与第二电极板115a、115b之一结合的每个第二电极接线片117a、117b彼此并联连接。
如上所述，根据本发明的电极组件包括具有不同极性的两种电极板，对于每种电极极性，存在至少两个电极板。此外，电极接线片与每个电极板单独地结合，而且电极接线片彼此并联连接。通过这样做，每个电极的电阻成为如下式1所表达的并联电阻值，从而导致充电电池的内阻下降。
1/R＝1/R1+1/R2+…+1/Rn (1)
这里，n是电极接线片的个数。
此外，因为根据本发明的电极接线片使用至少两个正极板和至少两个负极板，所以与具有相同容量的公知的正极板和负极板相比，能够减少电极板沿纵向方向的长度。通常，如下式2所表达的，电阻与导体的长度成比例。因此，因为形成根据本发明的电极组件的电极板示出沿纵向方向的减少的长度，所以能够降低每个电极板上的电阻。
R = ρ L S - - - ( 2 )
这里，R表示导体的电阻(Ω)，ρ表示电阻率，L表示导体的长度(m)，S表示横截面(m2)。
如图3所示，与第一电极板113a、113b结合的每个第一电极接线片116a、116b可通过单独的导电互连部分124彼此电连接。用来与端子电连接的另一电极接线片116c可与互连部分124结合以使电极接线片116c从互连部分124中引出。导电互连部分124和用来与端子电连接的电极接线片116c，可通过诸如点焊、激光焊和超声焊的焊接工艺或通过使用导电粘合剂以导电的方式附着。
类似地，与第二电极板115a、115b结合的每个第二电极接线片117a、117b可通过单独的导电互连部分125彼此电连接。用来与端子电连接的另一电极接线片117c可与互连部分125结合以使电极接线片117c从互连部分125中引出。
如图4所示，第一电极接线片216a、216b的一个电极接线片216a可被弯曲并焊接到另一电极接线片216b，而没有使用与电极接线片结合的单独的导电互连部分。于是，用来与端子电连接的单独的电极接线片可以与焊接的电极接线片216c结合以使电极接线片被引出。类似地，第二电极接线片217a、217b的一个电极接线片217a可被弯曲并焊接到另一接线片216b，而没有使用与电极接线片结合的单独的导电互连部分。于是，用来与端子电连接的单独的电极接线片可以与焊接的电极接线片217c结合以使电极接线片被引出。
如图5所示，第一电极接线片316a、316b的一个电极接线片316a可以被弯曲并焊接到另一电极接线片316b，于是，可引出电极接线片316b，而没有使用与电极接线片结合的单独的导电互连部分。因此，从焊接的电极接线片引出的第一接线片316b可以用作用来与端子电连接的电极接线片。类似地，第二电极接线片317a、317b之一电极接线片317a可以被弯曲并焊接到另一电极接线片317b，于是，可引出电极接线片317b，而没有使用与电极接线片结合的单独的导电互连部分。因此，从焊接的电极接线片引出的第二接线片317b可以用作用来与端子电连接的电极接线片。在这种情况下，电极接线片之间的焊接优选地在焊接的电极接线片316a、317b可被引出并用作用来与端子电连接的电极接线片的位置。根据图5所示的实施例，无需单独的导电互连部分和用来与端子电连接的单独的电极接线片，从而导致加工工艺的简化。
图6是包括根据本发明的电极组件的锂充电电池的分解透视图。
根据本发明的锂充电电池包括罐410、容纳在罐410内的电极组件412、结合至罐410顶部的盖组件420。
罐410由具有顶部开口的基本呈矩形形状的金属制成。优选地，罐410由诸如铝、铝合金或不锈钢等轻而软的材料制成。但是，用于罐的材料并不限于此。罐410本身也可起着端子的作用。
电极组件412包括第一电极板413a和413b、第二电极板415a和415b、隔板414a和414b。第一电极板413a、413b和第二电极板415a、415b可与设置在两个电极板之间的隔板414a、414b交替地层叠，然后可被卷绕成凝胶卷。第一电极接线片416a、416b和第二电极接线片417a、417b分别与第一电极板413a、413b和第二电极板415a、415b结合。它们可通过包括但不限于点焊、激光焊和超声焊的各种方法或导电粘合剂结合。第一电极接线片416a、416b之一电极接线片416a可被弯曲并焊接到另一第一电极接线片416b。于是，从焊接的接线片引出的第一电极接线片416b用作与端子连接的电极接线片。类似地，第二电极接线片417a、417b之一电极接线片417a可被弯曲并焊接到另一第一电极接线片417b。于是，从焊接的接线片引出的第一电极接线片417b用作与端子连接的电极接线片。
第一电极板413a、413b和第二电极板415a、415b具有不同的极性，并可用作正极或负极。第一电极板413a、413b和第二电极板415a、415b的每个的至少一个表面涂覆有电极活性材料的层(即，正极活性材料或负极活性材料的层)。通过将电极活性材料和粘结剂(如果需要，还有导电剂)与将分散在其中的溶剂混合而获得电极活性材料的浆料，在第一电极板413a、413b和第二电极板415a、415b的每个的至少一个表面上涂覆电极活性材料的浆料，然后干燥并滚压(roll)而形成电极活性材料的层。第一电极板413a、413b和第二电极板415a、415b根据它们的极性涂覆有正极活性材料或负极活性材料的层。
隔板414a、414b用于防止第一电极板413a、413b和第二电极板415a、415b之间的短路，并为锂离子提供流动路径。隔板可包括诸如聚烯烃膜、聚乙烯膜和聚丙烯膜及其多层膜等聚合物膜，微孔膜，织物和非织物。
结合至罐410的顶部的盖组件420包括盖板440、绝缘板450、端子板460和电极端子430。盖板440由金属板形成，该金属板的尺寸和形状对应于罐410的顶部开口的尺寸和形状。盖板440包括在其中间处的具有预定尺寸的端子通孔441和在一侧的电解液入口442。通过电解液入口442注入电解液，然后将电解液入口442与塞子443连结而密封电解液入口442。
电极端子430插入端子通孔441。此外，为了使电极端子430与盖板440绝缘，圆柱形垫圈435设置在电极端子430的外圆周表面上。绝缘板450位于盖板的底部表面上，端子板460位于绝缘板450的底部表面上。电极端子430的底部表面与端子板460电连接，同时绝缘板450位于电极端子430的底部表面和端子板460之间。
作为用来与端子电连接的电极接线片而引出的第一电极接线片416b被焊接到盖板440的底部表面，作为用来与端子电连接的电极接线片的第二电极接线片417b被焊接到端子板460。第一电极接线片416a、416b和第二电极接线片417a、417b可由镍、镍合金、铝或铝合金形成。为了防止电极之间的短路，用绝缘胶带418围住第一电极接线片416a、416b和第二电极接线片417a、417b的每个暴露在电极组件412外的一部分。
在电极组件412的顶部上设置绝缘壳470，绝缘壳470使电极组件412与盖组件420绝缘，并固定电极组件412、第一电极接线片416a和416b、第二电极接线片417a和417b。绝缘壳470还包括电极接线片引出口477、电极接线片引出槽479和电解液引入口478，电极接线片引出口477提供可引出的用来与端子连接的第二电极接线片417b所通过的路径，电极接线片引出槽479提供可引出的用来与端子连接的第一接线片416b所通过的空间，电解液引入口478提供通过电解液入口442注入的电解液可顺利地渗入电极组件412所通过的路径。为了防止电极之间的短路，优选地，与罐410的极性不同的电极接线片通过电极接线片引出口477被引出。绝缘壳470优选地由具有绝缘特性的聚合物树脂(例如，聚丙烯)形成。
由以上可以看出，根据本发明的锂充电电池包括至少两个第一电极板和至少两个第二电极板，每个电极板具有结合至其上的电极接线片，这种锂充电电池具有降低的内阻，从而提高了充电/放电效率并允许快速充电/放电。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形，这对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，本发明旨在覆盖由权利要求及其等同物所提供的对本发明的修改和变形。

Claims (17)

1、一种锂充电电池，包括：
电极组件，包括至少两个第一电极板、至少两个第二电极板、设置在一个电极板和另一个电极板之间的隔板、分别与所述第一电极板和所述第二电极板结合的第一电极接线片和第二电极接线片，通过将电极板和隔板的层状结构卷绕成凝胶卷而形成所述电极组件。
2、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，通过将与所述隔板交替地层叠的所述第一电极板和所述第二电极板卷绕而形成所述电极组件，所述隔板设置在这两个电极板之间。
3、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，所述第一电极接线片彼此并联连接。
4、如权利要求3所述的锂充电电池，其中，用来与端子连接的电极接线片从所述第一电极接线片的互连部分引出。
5、如权利要求4所述的锂充电电池，其中，用来与端子连接的所述电极接线片与所述第一电极接线片的互连部分单独地结合。
6、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，所述第二电极接线片彼此并联连接。
7、如权利要求6所述的锂充电电池，其中，用来与端子连接的电极接线片从所述第二电极接线片的互连部分引出。
8、如权利要求7所述的锂充电电池，其中，用来与端子连接的所述电极接线片与所述第二电极接线片的互连部分单独地结合。
9、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，所述电极接线片通过点焊、激光焊或超声焊的方式与所述电极板结合。
10、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，所述电极接线片通过使用导电粘合剂与所述电极板结合。
11、如权利要求10所述的锂充电电池，其中，所述导电粘合剂是银浆料或镍浆料。
12、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，所述电极接线片由选自包括镍、镍合金、铝及铝合金的组中的至少一种形成。
13、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，所述第一电极板是正极板。
14、如权利要求13所述的锂充电电池，其中，所述第一电极板由铝或铝合金形成。
15、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，所述第二电极板是负极板。
16、如权利要求15所述的锂充电电池，其中，所述第二电极板由铜或铜合金形成。
17、如权利要求1所述的锂充电电池，其中，随着电极板数量的增加，所述电极板沿其纵向方向的长度减少。
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