CN1783570B

CN1783570B - 锂二次电池

Info

Publication number: CN1783570B
Application number: CN2005101290619A
Authority: CN
Inventors: 徐镜源
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: KR20060059699A; KR100646528B1; CN1783570A

Abstract

本发明提供了一种锂二次电池，包括：裸单元电池，其具有电极组件和用于容纳该电极组件的容器；连接到所述裸单元电池的保护电路模块；罩，该罩封装所述保护电路模块和所述裸单元电池并具有电连接到所述电极组件的电极的外部端子，其中，所述罩的一部分是利用模具由树脂制成的模制部分。

Description

锂二次电池

技术领域

本发明涉及一种锂二次电池，更具体而言，涉及一种锂二次电池的外部结构。

背景技术

二次(可再充电)电池根据其中所使用的电极(插层基质)划分为镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池、锂电池、锂离子电池。

具体而言，由于锂二次电池具有3.6V的驱动电压和高的单位重量能量密度，所以锂二次电池在本领域中得到了广泛应用，所述3.6V的驱动电压大约是Ni-Cd电池或Ni-MH电池驱动电压的三倍。

在锂二次电池中，锂基氧化物用作正极活性材料，碳基材料用作负极活性材料。此外，根据其中所使用的电解质，锂二次电池可以划分为液态电解质电池和聚合物电解质电池。液态电解质电池常常被称为锂离子电池，而聚合物电解质电池常常被称为锂聚合物电池。另外，锂离子电池可以多种形状制造，比如卷型、多边形型和袋(pouch)型。

通常，锂二次电池包括：电极组件，该电极组件具有其上涂覆有正极活性材料的正电极板、其上涂覆有负极活性材料的负电极板、夹置在每个正电极板和每个负电极板之间并用于防止短路和仅允许锂离子通过的隔板；用于容纳电极组件的锂二次电池容器(case)；以及，注入到该电池容器中用于使锂离子迁移的电解质。

而且，根据其中所使用的电极，锂二次电池可以划分为使用液态电解质的锂金属电池和锂离子电池，以及使用聚合物固态电解质的锂聚合物电池。

在长方型或柱型锂二次电池中，铝或金属罐体可以用作用于容纳电极组件和电解质的容器。在袋型锂二次电池中，袋用作用于容纳它们的容器。

通常，袋具有由金属箔层和覆盖它的合成树脂层所组成的多层结构。在这种情况下，与金属罐体相比，电池的重量可以显著减少。在多层袋中，铝用作用于箔的材料。包括在袋多层膜的内层中的聚合物膜保护金属箔免受电解质的影响，并且防止正电极和负电极以及电极端子之间的短路。

为了提供袋型锂二次电池，首先将通过层叠正电极、隔板和负电极或者层叠并缠绕它们而形成的电极组件插入袋的开口中。然后，将袋的开口的边缘加热并同前、后袋膜(pouch film)熔融以密封容纳有裸单元电池(bare cell)的袋的开口。

随后，将比如保护电路模块或正温度系数(PTC)元件的附件或辅助结构附着到裸单元电池上，由此提供核心电池组件(core pack battery)。

当核心电池组件与罩(cover)结合时，就可以获得完整的锂二次电池。这类完整的结构常可以称为电池组件(packed battery)。典型的电池组件在单个罩中包含多个裸单元电池和公共保护电路。

在该情形中，在袋的外表面上设置罩以保护可能由相对弱的材料制成的外表面。它们可以通过在袋和罩之间施加热熔粘合剂并熔化该粘合剂来结合。

但是，这类传统的袋具有问题，因为将热熔粘合剂施加到袋上并将该粘合剂加热，所以可能会劣化包含在袋中的电极组件。换句话说，电极组件由于高温的热而劣化，因此这可能导致电池故障，或者电极组件可能爆炸而产生意外。

另外，由于罩当然应该比裸单元电池要大以容纳该裸单元电池，所以当裸单元电池在罩中浮置并且电连接被切断时，还可能发生其它的问题。

发明内容

进行本发明以解决前述问题，本发明的一个目的是提供一种锂二次电池，其中即使在裸单元电池和该裸单元电池的外罩彼此结合时也可以减小整个锂二次电池的尺寸，可以防止不良的电连接，并且在足以确保袋和罩之间安全接合的情况下可以尽可能少地在袋型锂二次电池中施加粘合剂。

根据本发明的一个方面，提供了一种锂二次电池，包括：裸单元电池，其具有电极组件和容纳该电极组件的容器；连接到所述裸单元电池的保护电路模块；罩，其封装所述保护电路模块和所述裸单元电池并具有电连接到所述电极组件的电极的外部端子，其中，所述罩的一部分是利用模具由树脂制成的模制部分。

裸单元电池可以是袋型或矩形盒体型。

树脂可以由选自硅、环氧树脂和氨基甲酸乙酯(urethane)所构成的组中的材料制成，模制部分可以利用模具以热熔方法(hot-melt method)形成。模制部分密封了所述裸单元电池的上表面、形成在所述上表面上的保护电路模块和所述裸单元电池的下表面，而所述外部端子暴露在外部。

所述罩可以具有一对罩部件以分别覆盖所述裸单元电池的两个宽的表面，并且所述罩部件是由金属或树脂制成的第一和第二硬罩。在该情形中，第一和第二硬罩可以是对称的。此外，第一和第二硬罩中的每个都具有侧罩部分，所述侧罩部分从所述硬罩的宽表面的两长边边缘延伸并密封所述裸单元电池的侧窄表面的至少一部分。

所述侧罩部分中的每个都可以在其未连接到所述边缘的端部上具有凹口。可以形成所述模制部分以密封所述第一和第二硬罩的侧罩部分。在该情形中，由于这些凹口，可以提高锂二次电池外部的机械强度。

此外，对应于裸单元电池的侧窄表面的模制部分的两个外侧可以是圆化的。模制部分可以用作所述罩的外部的一部分，并用作粘合物以固定所述裸单元电池、所述保护电路模块和所述罩。

附图说明

参考附图，通过详细地说明本发明的示范性实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加清楚，在附图中：

图1是图示了与本发明第一实施例相关的在袋中容纳有电极组件的状态的透视图；

图2是图示根据本发明第一实施例的袋型二次电池的分解透视图；

图3是图示根据本发明第一实施例的袋型二次电池的透视图；

图4是图示根据本发明第一实施例的袋型二次电池的制造方法的流程图；

图5是图示根据本发明第二实施例的裸单元电池的分解透视图；

图6是图示根据本发明第二实施例的电池组件的分解透视图；

图7是图示根据本发明第二实施例的电池组件的透视图；

图8是图示根据本发明第三实施例的电池组件的分解透视图；以及

图9是图示根据本发明的电池组件的制造方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图对本发明的示范性实施例进行详细地说明，其中，相同的附图标记表示相同的元件。

图1是图示了与本发明一实施例相关的袋中容纳有电极组件的状态的透视图，图2是图示根据本发明一实施例的袋型二次电池的分解透视图，以及图3是图示根据本发明一实施例的袋型二次电池的透视图。

参考图1到图3，袋型锂二次电池包括：电极组件150，其具有第一电极板110、第二电极板120以及隔板130；袋200，通过将电极组件150装入其中而构成了裸单元电池；保护电路模块170，其电连接到电极组件150并在异常情况下强行切断电流；外部端子180，其电连接到保护电路模块170；硬罩300，其覆盖通过结合裸单元电池、保护电路模块170和外部端子180而形成的核心组件(core pack)的至少部分表面；模制部分220(图3)，其通过模制未被硬罩300保护的硬罩300的周边部分而形成，用于将核心组件与硬罩300结合。

电极组件150通过层叠第一电极板110、第二电极板120和隔板130、然后缠绕它们而制成，在第一电极板110和第二电极板120上涂敷有第一和第二电极活性材料，隔板130夹置在第一电极板110和第二电极板120之间并且用于防止第一电极板110和第二电极板120之间的短路以及仅允许锂离子迁移。从第一电极板110和第二电极板120分别引出第一电极抽头(端子)141和第二电极抽头(端子)143。

应该注意到第一电极端子141是正电极(即，阴极)，第二电极端子143是负电极(即，阳极)。

正极活性材料可以例如是硫族化物化合物(chalcogenide compound)，金属氧化物化合物，比如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂、LiNi_1-xCo_xO₂(0＜x＜1)、LiMnO₂等。负极活性材料可以选自碳基材料、Si、Sn、锡氧化物、复合锡合金、过渡金属氧化物、锂金属氮化物或锂金属氧化物所构成的组。正电极板通常由铝材料制成，而负电极板通常由铜材料制成。隔板通常由聚乙烯或聚丙烯制成。但是，本发明并非意于将材料限制于上述的各种材料。

袋200基本是矩形的。为了在袋200中容纳电极组件150，袋200可以包含在一侧具有预定深度的拉伸部分(drawing portion)210，并且该袋200的另一侧可以弯曲(形成可折叠片状物230和弯曲铰链232)以与拉伸部分210结合从而覆盖它。袋200可以具有多层结构，该多层结构由铝核心层、形成在铝核心层上的热熔层和形成在核心层之下的绝缘层组成。热熔层可以由用作粘合层的聚合物树脂形成，比如CPP(浇铸聚丙烯)。绝缘层可以由比如尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的树脂材料形成。但是，本发明并非意于将材料限制于上述各种材料。

另一方面，抽出到袋200之外的第一电极端子141和第二电极端子143连接到保护电路模块170，该保护电路模块170在比如短路过热或过充电的异常情况下切断电流。在电极端子和保护电路模块170之间还可以设置绝缘构件160。

此外，保护电路模块170通过连接引线171连接到暴露在外的外部端子180。外部端子180在电池充电时直接耦合到外部电源。

硬罩300能够容纳袋200、连接到袋200的保护电路模块170和外部端子180。硬罩300覆盖袋200的表面的至少一部分。优选地，硬罩300覆盖最大面积的表面以保护袋200的外表面。

此外，硬罩300可以划分为第一硬罩320和第二硬罩330。

如果拉伸部分210形成在袋200的一侧上，那么第一硬罩320与在袋200中具有拉伸部分210的表面结合，而第二硬罩330同与拉伸部分210相对的表面(片状物230)结合。

在第一硬罩320和第二硬罩330的长边的边缘，形成侧罩部分321和331以覆盖袋200的侧表面。侧罩部分321和331具有多个凹口323和333，凹口323和333通过切除侧罩部分的部分端部而形成以促进它们的重叠部分的接合。

即，在安装硬罩300以密封袋200时，对应于袋200的两个侧表面的侧罩部分321和331通过凹口323和333而浮置(floated)，侧罩部分321和331重叠。

树脂模制部分220可以由作为绝缘材料的热熔型树脂制成，以绝缘袋。此外，硅、环氧树脂或氨基甲酸乙酯可以用作绝缘材料。但是，本发明并非意于将材料限制于上述各种材料。

模制部分220包围被包括在袋200的上部的保护电路模块170(连接到裸单元电池(200+150))和外部端子180。此外，模制部分220形成在硬罩300的例罩部分321和331的周围，从而可以包住未被硬罩300覆盖的部分核心组件以及硬罩300的周边部分。

现在，将参考图1和图4说明根据本发明一实施例的袋型锂二次电池的制造方法。

参考图1和图4，首先，将电极组件150装入到形成在袋200一侧的拉伸部分210中。

使袋200的片状物230弯曲从而在其与拉伸部分210的匹配位置覆盖拉伸部分210。应该注意到，电极组件150的分别连接到第一电极板110和第二电极板120的第一电极端子141和第二电极端子143延伸到袋200之外。在袋的片状物230弯曲以覆盖拉伸部分210之后，将袋200的边缘密封，由此形成裸单元电池(S310)。

然后，在延伸到袋200之外的电极端子141和143附近，设置比如保护电路模块170的附件。保护电路模块170电连接到第一电极端子141和第二电极端子143，在它们之间夹置了绝缘构件160。此外，保护电路模块170电连接到外部端子180，由此形成核心组件(S320)。

核心组件的两个宽的表面，即，包括其上形成有拉伸部分210的袋的一侧以及覆盖拉伸部分210的袋的另一侧(片状物230)的外表面，分别被第一硬罩320和第二硬罩330覆盖。在这种情形，第一硬罩320的侧罩部分321和第二硬罩330的侧罩部分331通过可移动地重叠的凹口323和333而彼此接合。于是，核心组件由硬罩300(S330)覆盖。

随后，将模制材料220施加在硬罩300的侧罩部分321和331的外表面上。应该注意到，模制材料220也施加到其上设置有保护电路模块170和外部端子180的核心组件上部的外表面上(S340)。

因此，袋200由硬罩300和模制材料220安全地覆盖，同时模制材料220施加到硬罩300的侧表面和上部。

图5是图示了根据本发明第二实施例的裸单元电池结构的分解透视图，图6是图示根据本发明第二实施例的锂二次电池的分解透视图，图7是图示根据本发明第二实施例的锂二次电池的透视图。

图8是图示根据本发明第三实施例的锂二次电池的分解透视图，图9是图示根据本发明的锂二次电池的制造方法的流程图。

参考图5到9，根据本发明的电池组件包括：裸单元电池500、电连接到裸单元电池500的保护电路板580、以及封装裸单元电池500的外壳640。

实际中，裸单元电池500用作具有预定能量级别的被充电或放电的能量源。更具体而言，裸单元电池包括：容器551；装入到容器551中的电极组件555；用于覆盖容器551的盖组件550；以及注入到容器中以允许离子在电极组件555中迁移的电解质(未示出)。

容器551具有基本上是立方形的矩形形状，如图5所示，并且其还具有正或负极性。

电极组件555包括第一电极板555a、第二电极板555b以及夹置在第一电极板555a和第二电极板555b之间的隔板555c。它们可以被层叠并被缠绕为果冻卷形状，然后被装入到容器551中。在这种情形，向朝上的方向引出的第一电极端子556a和第二电极端子556b分别连接到第一电极板555a和第二电极板555b。

盖组件550设置在容器551的上部。盖组件550是通过在电极组件555之上结合绝缘壳557、盖板552、端子板558和绝缘板559而形成的。此外，通孔552a、557a、558a和559a分别形成在绝缘壳557、盖板552、端子板558和绝缘板559上，从而使电极端子554能够从电极组件555的上部穿过它们。

除了在盖板552中心的通孔552a之外，可以在盖板552的一侧设置电解质注入孔552b，并且可以在绝缘壳557的一侧设置相应的电解质注入孔557b。在通过电解质注入孔552b和557b注入了电解质之后，可以用绝缘材料密封电解质注入孔557b，并用焊球552c焊接电解质注入孔552b。绝缘垫圈553可以安装在盖板552的通孔552a之中，电极端子554可以与绝缘垫圈553相结合。此外，在盖板552之上，设置了加固构件541，以加固被注入来连接到上壳体610的树脂。

在这种情形，容器551可以是电正极性的，并且电极端子554可以是电负极性的。

同时，电解质(未示出)用作在电池充/放电期间传送由正电极和负电极中的电化学反应所产生的锂离子的介质。该电解质可以是非水有机电解质，其是锂盐和高纯度有机溶剂的化合物。此外，电解质可以是聚合物电解质膜。

如图6所示，保护电路板580电连接到裸单元电池500，该保护电路板580包括通过检测热来切断电流的电流切断装置和过充电保护装置中的至少一个。也就是说，保护电路板580包括各种保护电路，比如在印刷电路板(PCB)上的正温度系数(PTC)元件560。另外，经由上壳体610中的开口613暴露到外部的多个外部端子583形成在保护电路板580的表面上。

应该注意到，绝缘构件540夹置在裸单元电池500和保护电路板580之间以在它们之间提供绝缘。即，绝缘构件540防止在保护电路板580上的各种电子部件与裸单元电池500相接触时而产生的短路。

同时，外壳640可以划分为第一外壳641和第二外壳643以分别覆盖裸单元电池500的一个宽表面和另一个宽表面。然后可以将下壳体650固定到第一外壳641和第二外壳643以覆盖裸单元电池的其余未覆盖的部分。因此，外壳640包括上壳体610、第一外壳641和第二外壳643，以及下壳体650。

可选择地，模制材料可以通过模具施加到裸单元电池500。在这种情形，外壳640可以由比如塑性树脂(plastic resin)的非金属材料形成。由于在外壳640中使用塑性树脂，所以与金属材料相比，壳的厚度和重量都可以显著地减少。此外，外壳640可以具有圆化的角，从而可以减少在电池组件与其中将安装电池组件的电子装置之间的接触面积和摩擦。优选地，外壳640的厚度小于0.1mm以最小化它的尺寸。

在保护电路板580上的PTC元件560在裸单元电池500的温度超过预定水平时具有无限大的电阻。PTC元件560在裸单元电池500暴露于高温环境时控制裸单元电池500的充/放电，并且通过在裸单元电池500被过度充/放电时打开保护电路而防止裸单元电池500的击穿。

保护电路板580通过第一电极引线561和第二电极引线563电连接到裸单元电池500。第一电极端子556b可以焊接到连接于第一电极555a和第一电极引线561的盖板552，第二电极端子556a可以焊接到连接于第二电极555b和第二电极引线563的电极端子554。

利用模制材料来模制包括设置在裸单元电池500上部的保护电路板580的周边部分、裸单元电池500的下部、以及覆盖裸单元电池500宽的前表面和后表面的第一外壳641和第二外壳643的两个窄的侧表面。

图8图示了本发明的第三实施例，其中使用了袋型容器。

通过将电极组件装入袋中而形成的裸单元电池700呈矩形，并且保护电路板780电连接到裸单元电池700。然后，用一对第一硬罩751和第二硬罩743覆盖袋，其中，外部端子783外露。随着硬罩751和743的安装，将袋和保护电路组件装入到模具中，然后将热熔体注入到模具中。结果，所示模制部分750覆盖了未被硬罩覆盖的袋的侧表面和上下表面。虽然在图中没有示出，但是模制部分750可以具有开口以允许外部端子783露出。

现在，参考图9，将更加详细地介绍根据本发明的具有前述结构的电池组件的制造过程。

将电极组件装入到容器中，使第一和第二电极端子暴露在矩形或袋型容器的外部，然后用盖组件密封，由此形成了裸单元电池(S410)。

然后，在裸单元电池的顶表面、即盖板的外表面上设置绝缘体，然后将裸单元电池的第一和第二电极端子电连接到保护电路板(S420)。

然后，安装第一和第二硬罩以覆盖裸单元电池的两个宽表面(S430)。

随后，将模制材料施加到硬罩的周边部分，该模制材料通过模制注入孔由塑性树脂形成。将模制材料注入到硬罩的上部和下部上以使用该模制材料来固定硬罩、裸单元电池和保护电路板(S440)。

如上所述，在根据本发明的袋型锂二次电池中，通过将树脂材料仅施加到罩的一部分来固定裸单元电池和保护电路。所以，可以使树脂的应用量最小化。

此外，罩可以划分为第一硬罩和第二硬罩，并与裸单元电池相结合。所以，可以最小化硬罩的尺寸，提供清洁的外部并简化制造过程。

尽管已经参照本发明的示范性实施例具体示出并说明了本发明，但是本领域技术人员应理解的是，在不脱离由所附权利要求所界定的本发明的范围和精神的前提下，可以对本发明进行各种形式和细节上的变化。所以，本发明的范围由权利要求界定，在该范围内的所有差异均应解释为包括在本发明中。

本申请要求向韩国知识产权局于2004年11月29日递交的韩国专利申请第2004-0098853号以及于2005年3月25日递交的韩国专利申请第2005-0024235号的优先权，其公开内容以全文引用方式结合于此。

Claims

1.一种锂二次电池，包括：

裸单元电池，该裸单元电池具有电极组件和用于容纳该电极组件的容器；

连接到所述裸单元电池的保护电路模块；以及

罩，所述罩密封所述保护电路模块和所述裸单元电池并具有电连接到所述电极组件的电极的外部端子，其中，所述罩包括分别覆盖所述裸单元电池的两个宽的表面的第一硬罩和第二硬罩以及利用模具由树脂制成的模制部分，所述第一硬罩和第二硬罩中的每一个都具有侧罩部分，所述侧罩部分从所述硬罩的宽表面的两长边边缘延伸并密封所述裸单元电池的窄侧表面的至少一部分，所述模制部分形成为包围所述保护电路模块并包围所述第一硬罩和第二硬罩的所述侧罩部分。

2.根据权利要求1的锂二次电池，其中，

所述裸单元电池是袋型的，其通过将所述电极组件装入到形成所述容器的袋容器中、密封所述袋容器的周边部分并使所述电极组件的电极端子引出到所述袋容器的外部而制成。

3.根据权利要求1的锂二次电池，其中，

所述树脂是由选自硅、环氧树脂和氨基甲酸乙酯所构成的组中的材料制成。

4.根据权利要求1的锂二次电池，其中，

所述模制部分是利用模具以热熔法形成的。

5.根据权利要求1的锂二次电池，其中，

所述第一硬罩和第二硬罩是由金属或树脂制成的。

6.根据权利要求5的锂二次电池，其中，

所述第一硬罩和第二硬罩是对称的。

7.根据权利要求5的锂二次电池，其中，

所述侧罩部分都具有沿着其最长边缘的凹口。

8.根据权利要求7的锂二次电池，其中，

对应于所述裸单元电池的窄侧表面的模制部分具有弯曲的表面。

9.根据权利要求1的锂二次电池，其中，

所述保护电路模块包括通过检测热来切断电流的电流切断装置和过充电保护装置中的至少一个。

10.根据权利要求1的锂二次电池，其中，

所述裸单元电池是通过将所述电极组件插入到形成所述容器的矩形盒体的开口中并使用具有盖板的盖组件来关闭所述开口而形成的。

11.根据权利要求1的锂二次电池，其中，

所述罩被划分为密封所述裸单元电池的两个宽的侧表面的一对树脂罩部件，并且

所述树脂罩部件具有0.1mm或更小的厚度。

12.根据权利要求2的锂二次电池，其中所述袋容器包括：

用于容纳所述电极组件的拉伸部分，该拉伸部分在第一侧具有预定深度；以及

可折叠片状物，该可折叠片状物在弯曲铰链处是可折叠的从而覆盖所述拉伸部分和所述电极组件。

13.一种锂二次电池，包括：

一对电极端子，所述电极端子从所述电极组件延伸以形成用于所述锂二次电池的阳极和阴极；

电连接到所述裸单元电池的保护电路板，该保护电路板通过检测过热或过充电而切断电流；

覆盖所述裸单元电池的硬罩；以及

覆盖所述保护电路板和所述硬罩的至少窄的侧部的模制构件，所述侧部从所述硬罩的宽表面的两长边边缘延伸并密封所述裸单元电池的窄侧表面的至少一部分，所述模制构件具有至少一个开口以暴露所述阳极和阴极。

14.一种形成锂二次电池的方法，所述方法包括：

通过将电极组件装入到容器内并密封所述容器来形成裸单元电池；

通过将外部端子连接到连接于所述电极组件的第一电极抽头和第二电极抽头并将所述外部端子连接到保护电路模块来组装核心组件；

用硬罩覆盖所述核心组件；以及

通过模具将模制材料施加到所述硬罩的侧表面部分使得侧罩部分从所述硬罩的宽表面的两长边边缘延伸并密封所述裸单元电池的窄侧表面的至少一部分，并且使得所述外部端子保持暴露。