CN202503071U - 电池 - Google Patents

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Abstract

一种电池，该电池具有：层叠电极体，其通过依次层叠与第一电极突片连接的第一电极板、间隔件和与第二电极突片连接的第二电极板而构成；电解液；电池容器，其将所述层叠电极体和所述电解液密封；引导结构，其将由于所述层叠电极体的发热而在所述电池容器内部移动的所述电解液，向从重力方向倾斜的方向引导且向所述第一或第二电极突片引导。

Description

电池
技术领域
本实用新型涉及电池，特别是涉及提高散热性的电池。
背景技术
电池包括仅进行放电的一次电池和能够进行充放电的二次电池。它们构成为将经由间隔件把电极板即正极板和负极板层叠而成的层叠电极体与电解液一起密封在电池容器中。通常，这些电池用于电池系统中的电机等电力负荷驱动用的电力供应。
在这些电池中，由于在正极板和负极板之间，通过承担电传导的离子经由电解液移动而进行放电，所以在正极板和负极板之间充分地置入电解液对于提高电池性能是重要的。
因此，为了提高电池性能，在特开平11-154508号公报等中提出了在电池的电极板面上形成多个槽，使电极板之间充分地浸透电解液的结构。
但是，这些电池例如在进行放电时该层叠电极体发热而产生高温，并且通常，电池容器本身的温度也高。
层叠电极体温度高时，有可能电极活性物质产生恶化，并引起电池故障和电池性能恶化。此外，当电池容器本身温度高时，还可能对配置电池的电池系统的其他装置的动作产生恶劣影响。
实用新型内容
本实用新型提供一种具有使电解液充分浸透在电池的电极板中且提高散热性的优良性能的电池。
根据本实用新型的一个实施方式，电池具有：层叠电极体，其通过依次层叠与第一电极突片连接的第一电极板、间隔件和与第二电极突片连接的第二电极板而构成；电解液；电池容器，其将所述层叠电极体和所述电解液密封；引导结构，其将由于所述层叠电极体的发热而在所述电池容器内部移动的所述电解液，向从重力方向倾斜的方向引导且向所述第一或第二电极突片引导。
根据本实用新型的一实施方式，通过包括将由于层叠电极体的发热而在电池容器内部对流的电解液向构成特高温的电极突片引导的结构，可以不仅有效地促进电极板而且促进电极突片和电解液之间的热交换。由此，能够提高电池的散热性，并且结果能够提高电池的性能。
根据本实用新型实施方式的电池，能够提供具有使电解液充分浸透在电极板中且提高散热性的优良性能的电池。
附图说明
图1A是本实用新型实施方式的电池的简要图，是从电池正面的透视简要图。
图1B是本实用新型实施方式的电池的简要图，是沿图1A的A-A′线的剖面简要图。
图2A是示出图1A、图1B的电池中的电极板面的槽配置的简要图。
图2B是用于说明图2A的槽中与Z轴成角度地配置的槽的详细图。
图3是示出图1A、图1B的电池中的电极板面的槽配置的变形例的简要图。
图4是示出图1A、图1B的电池中的间隔件面的槽配置的简要图。
图5是示出在将图1A、图1B的电池的间隔件构成为袋状间隔件的情况下的融着区域的简要图。
具体实施方式
根据本实用新型实施方式的电池的特征之一是，包括将由于层叠电极体的发热而在电池容器内部对流的电解液向从重力方向倾斜的方向引导且向与电极板(正极板或负极板)一体形成的电极突片引导而流动的结构，有效地促进在层叠电极体发热的情况下确认变成特高温的电极突片和电解液之间的热交换。以下，将参考附图进行详细描述。
并且，作为实施方式的电池，可以采用一次电池或二次电池等中的任何一种电池，但是在此作为电池的一个例子，采用能够充放电的电池例如构成蓄电池的锂离子二次电池进行说明。
以下，参考图1A至图5说明本实施方式的电池1。并且，在这些附图中，每个图都采用同一XYZ直角坐标系。
首先，采用图1A、图1B说明电池1的简要结构。图1A是从电池1的正面(XZ平面)的透视简要图。图1B是沿图1A的A-A′线的YZ平面的剖面简要图。并且，图1A是用于促进理解的简要图，所以在图1B中示出的各结构在图1A中没有完全记载。
电池1包括容器本体2、层叠电极体和盖7。容器本体2是具有在XY平面上的大致矩形形状的底面且具有从该大致矩形的所有边向Z轴方向延伸的壁面的方型金属制(例如铝等)结构。层叠电极体收纳在容器本体2中，且通过经由间隔件5将正极板3和负极板4进行层叠而构成。并且，由下述的一对绝缘性树脂板12a和一对绝缘性树脂板12b夹着层叠电极体的单元称为电池块6，在此配置同一结构的两个电池块6a和6b。盖7在电池块6收纳在容器本体2中之后密封容器本体2。容器本体2和盖7密封构成电池容器。并且，虽然未图示，但是电池容器中蓄有电解液。电解液的液面8设置为位于在+Z方向上比这两种电极板的整个面更远的位置，以使得两种电极板即正极板3和负极板4的整个面确实地浸在电解液中。
盖7是与容器本体2相同的金属制材料。在盖7上形成贯通盖7配置的圆柱状(在XY平面上的剖面实质直径为r的圆)的电极端子(正极端子9和负极端子10)，和将电极端子固定在盖7上且在电极端子和盖7之间电绝缘的绝缘性树脂11(例如塑料树脂等)。如上所述，电池容器是金属制的，所以电池块6和电池容器之间应该是电绝缘的，并且在容器本体2的内侧底面上配置与该底面具有实质相同形状和尺寸的绝缘性树脂板12c(例如，塑料树脂制板或片)。
此外，为了防止电池的性能恶化，与层叠电极体的活性物质等材料相对应地，应该使电池容器的电位构成为电池1的正极电位或负极电位，并且配置未图示的作为高电阻的导电部。在此，层叠电极体的活性物质等材料将如下所述，因此在正极端子9和电池容器之间形成导电路径，电池容器应该为正极电位，导电部连接到正极端子9和盖7之间。
作为一个例子，电池块6的层叠电极体构成为将多个正极板3和多个负极板4经由间隔件5依次层叠成的层叠型层叠电极体，并将在下文中进行说明。
正极板3通过在铝等正极用金属箔的两个面上涂布锰酸锂等正极活性物质之后，冲压成大致矩形而形成。在冲压时，将没有涂布正极活性物质的正极用金属箔与正极板3冲压为一体，并且该正极用金属箔构成为连接到正极板3上的正极突片13。在此，正极突片13的形状构成为从Y方向向XZ平面观察时为大致矩形，X方向的尺寸设置为比正极板3的X方向的尺寸小。
另一方面，负极板4通过在铜等负极用金属箔的两个面上涂布碳等负极活性物质之后，冲压成大致矩形而形成。在冲压时，将没有涂布负极活性物质的负极用金属箔也与负极板4冲压为一体，并且该负极用金属箔构成为连接到负极板4上的负极突片14。在此，负极突片14的形状构成为从Y方向向XZ平面观察时为大致矩形，X方向的尺寸设置为比负极板4的X方向的尺寸小。
负极板4的XZ平面上的大致矩形的尺寸是收纳在电池容器内部不会折弯的尺寸。正极板3的XZ平面上的大致矩形的尺寸比负极板4的XZ平面上的大致矩形的尺寸小。因此，如图1A所示，从Y方向观察时，正极板3配置在负极板4面内。此外，当如下所述地从Y方向层叠正极板3和负极板4时，负极突片14配置在XZ平面上不与正极突片13重叠的位置。
间隔件5是形成为大致矩形的电池用间隔件，例如陶瓷间隔件。间隔件5的XZ平面上的大致矩形的尺寸设置为比负极板4的XZ平面上的大致矩形的尺寸大。
并且，从比正极板3的尺寸大的负极板4开始层叠，在负极板4上(+Y方向)配置间隔件5。在间隔件5上(+Y方向)层叠正极板3。进一步地，在该正极板3上(+Y方向)配置间隔件5，在该间隔件5上(+Y方向)层叠负极板4。此时，层叠的多个负极板4层叠为使得分别连接的各负极突片14的XZ平面上的位置一致。
依次重复上述操作，最终形成有，由多个正极板3和多个负极板4构成且从X方向观察时负极板4配置在Y方向两端的层叠电极体。
并且，从+Y方向和-Y方向压迫层叠电极体并由一对绝缘性树脂板12a夹持它，进一步地从+X方向和-X方向由一对绝缘性树脂板12b夹持层叠电极体，并且将邻接的绝缘性树脂板12a和12b由绝缘性带固定，从而形成作为一个单元的电池块6。绝缘性树脂板12a和12b是例如由包括具有张力厚度的塑料树脂制成的板。通过上述夹持和固定，使得层叠电极体的电极板不会从绝缘性树脂板12a和绝缘性树脂板12b的面内露出。将层叠电极体作为由绝缘性树脂板12a和绝缘性树脂板12b夹持的电池单元插入容器本体2中时，这些树脂板与容器本体2接触，能够防止插入时损伤层叠电极体。
并且，大致矩形的绝缘性树脂板12a的XZ平面的尺寸是与负极板4的XZ平面的尺寸实质相同且稍大的尺寸。此外，大致矩形的绝缘性树脂板12b的YZ平面的尺寸是设设计为Z方向的尺寸与绝缘性树脂板12a的Z方向的尺寸相同，而Y方向的尺寸被设计为与构成电池块6的上述压迫状态下的层叠电极体的Y方向的尺寸实质相同且稍大的尺寸。
此外，为了促进电解液向层叠电极体浸透，在绝缘性树脂板12a和绝缘性树脂板12b上形成未图示的多个贯通孔。
从Y方向观察时，使实质相同的位置一致的所有正极突片13通过铆钉连接或焊接等与正极端子9电连接。此时，正极突片13可以与正极端子9直接连接，也可以在正极突片13和正极端子9之间插入金属制正极用导线。此外，从Y方向观察时，使实质相同的位置一致的所有负极突片14通过铆钉连接或焊接等与负极端子10电连接。此时，负极突片14可以与负极端子10直接连接，也可以在负极突片14和负极端子10之间插入金属制负极用导线。
接下来，采用图2A至图5说明上述“将由于层叠电极体的发热而在电池容器内部对流的电解液向从重力方向倾斜的方向引导且向与电极板(正极板或负极板)一体形成的电极突片引导而流动的结构”(以下称为“引导结构”)。
在该引导结构中，特征在于，具有设置在电极板上的第一引导结构和设置在间隔件上的第二和第三引导结构。电池1中可以仅包括它们中的任何一种引导结构，在要求进一步地提高散热性的情况下，电池1中可以同时包括任何两种或全部的引导结构。
并且，电池容器外部由常温或空气冷却装置等冷却，另一方面，电池容器内部的层叠电极体由于电池1的充电或放电而发热，从而比电池容器外部的温度更加上升，由此产生上述对流。具体地，在电池容器中央附近电解液升温，从而产生沿重力方向(Z轴方向)中的+Z方向上升的电解液的流动，在电池容器的壁面附近电解液冷却，从而产生沿-Z方向下降的电解液的流动。由此，在电池容器内部，产生电解液循环的对流。
首先，根据第一引导结构进行说明。图2A是示出图1的电池中的电极板面的槽配置(在此，是作为例子的正极板3的面的槽配置)的简要图。此外，图2B是特别用于说明图2A的槽中作为第一引导结构的槽的详细图。
如图2A所示，在正极板3的正极活性物质的面上，形成从正极板3的一端到另一端沿Z轴方向延伸的多个纵槽15和作为第一引导结构的多个槽16、17。
多个纵槽15用于促进电解液向正极板3浸透，同时还用作由于正极板3发热而使其附近的电解液升温时电解液自然地向+Z方向移动时的流通路径。并且，在此，Z轴方向为重力方向。
如上所述，由于电池块6的层叠电极体被压迫，所以采用电解液的对流在正极板3的整个面上实质均匀地扩散由正极板3产生的热，因此该流通路径起到重要的作用。由于这样实质均匀地散热，所以多个纵槽15彼此之间的间隔设计为实质上相等。
如图2B所示，从Y方向观察XZ平面时，作为第一引导结构形成的槽16(在此称为基准槽16)是从沿连接正极板3和正极突片13的正极板3的X轴方向延伸的边上的正极突片13的两端部中的-X方向的端部E1、到在正极板3的X轴方向上存在的两个边中的-X方向侧的一边延伸、且与沿该X轴方向延伸的一边成大约45°(π/4弧度)角度的槽，或从沿连接正极板3和正极突片13的正极板3的X轴方向延伸的边上的正极突片13的两端部中的+X方向的端部E2、到在正极板3的X轴方向上存在的两个边中的+X方向侧的一边延伸、且与沿该X轴方向延伸的一边成大约45°(π/4弧度)角度的槽。在以小于大约45°的角度形成槽的情况下，由于存在对电解液的平滑引导产生障碍的情况，所以将以大约45°形成的槽作为用于形成下述的槽17的基准槽。
同样地，作为第一引导结构的槽17(在此称为θn槽17)是与从沿连接正极板3和正极突片13的正极板3的X轴方向延伸的边上的正极突片13的两端部之间的中点M沿-Z方向延伸的假想线与基准槽16之间形成的槽。
在端部E1和中点M之间(不包含端部E1和中点M)引出m个(m是正整数)θn槽17的情况下，采用连接端部E1和中点M之间的线的长度D时，第n个(其中，n≤m)槽从在该线上朝向中点M离端部E1仅离{D/(m+1)}×n的位置、到在正极板3的X轴方向上存在的两个边中的-X方向侧的边，以与该线成锐角的θn弧度的角度，即
θn＝(π/4)+{π/(4×(m+1))}×n
的角度而形成。
同样地，在端部E2和中点M之间(不包含端部E2和中点M)引出m个(m是正整教)θn槽17的情况下，采用连接端部E2和中点M之间的线的长度D时，第n个(其中，n≤m)槽从在该线上朝向中点M离端部E2仅离{D/(m+1)}×n的位置、到在正极板3的X轴方向上存在的两个边中的-X方向侧的边，以与该线成锐角的θn弧度的角度，即
θn＝(π/4)+{π/(4×(m+1))}×n
的角度而形成。
在图2A、图2B中，由于m＝1，所以以θ1＝(3π/8)弧度的角度形成θ1槽17。在m＝2、3、...的情况下，根据上述原则，形成θ1槽、...、θm槽。
作为第一引导结构的基准槽16和θn槽17不仅与多个纵槽15相同地包括促进电解液向正极板3浸透的功能，而且由于是电流集中的电流路径，所以还包括作为引导电解液向与正极板3相比变得更高温的正极突片13流动的流通路径的功能。
作为引导电解液向正极突片13流动的流通路径的基准槽16和θn槽17以与重力方向(Z轴方向)成大约45°以下的锐角形成。因此，当受到在正极板3中产生的热而使温度上升的电解液朝向电池容器的盖7沿+Z方向自然地上升时，其一部分沿基准槽16和θn槽17的流通路径顺利地引导到正极突片13。因此，由于可以增加正极突片13附近的电解液的流量并激活其流动，所以使吸取正极突片13的热量的电解液不会滞留在正极突片13附近，而能够立刻向电池容器壁面附近送出，结果能够提高电池1的散热性。
并且，纵槽15、作为第一引导结构的基准槽16和θn槽17的形成，例如通过在通过对涂布正极活性物质的正极用金属箔进行冲压而同时形成正极板3和正极突片13的冲压装置中，在用于进行冲压的汤姆逊刃(トムソン刄)和由正极板挤压用海绵等构成的冲压型正极板挤压用海绵上配置与这些槽对应的凸部，并且通过将该海绵挤压在正极活性物质上，而使正极活性物质凹陷成适当的凹状而形成。当然，也可以在该冲压之后，由不同的步骤挤压这些槽而形成，或者可以通过切割形成。
在负极板4上形成这些槽的情况也是相同的。
在此，由于任何一个电极板中的电极活性物质的Y方向的厚度是大约40μm～大约100μm，所以只要使这些槽中任何一个的Y方向的深度为大约5μm～大约10μm，就能够充分地作为上述流通路径而起作用。
虽然在图2A、图2B中，以正极板3和正极突片13为例说明了纵槽15、作为第一引导结构的基准槽16和θn槽17，但是在负极板4和负极突片14中也可以配置同样的纵槽15、作为第一引导结构的基准槽16和θn槽17。
因此，根据电池1的规格，可以在正极板3和负极板4双方中都形成这些槽，也可以仅在其中的任何一种电极板中形成这些槽。
此外，根据电池1要求的散热特性，适当地设计θn槽17的个数m。
进一步地，由于存在可以根据电池1要求的散热特性仅向电极突片引导电解液的情况，所以也可以构成为至少配置θn槽17。并且，根据相关观点，如图3示出的变形例，可以将作为第一引导结构的槽的长度设计地比图2中示出的例子短。
接下来，说明第二引导结构。图4是示出在图1的电池中的间隔件5的面上形成作为第二引导结构的槽配置的简要图。在图4中，为了便于说明，以二点划线示出从Y方向观察间隔件5的XZ平面时正极板3和正极突片13的预定配置位置。
在图4中，与在图2中示出的基准槽16的位置一对一地对应的基准槽16′和与在图2中示出的θn槽17的位置一对一地对应的θn槽17′，形成在间隔件5的面中的与正极板3相接的面上。形成基准槽16′和θn槽17′时的原则与在将以二点划线示出的正极板3和正极突片13的预定配置位置假定为实际的正极板3和正极突片13的位置时，配置适用于正极板3的上述基准槽16和θn槽17时的原则相同。
但是，如图4所示，基准槽16′和θn槽17′的长度可以形成为从该预定配置位置露出。实际上，将正极板3层叠在间隔件5上时，存在从该预定配置位置有一定偏移配置的情况，但即使在配置偏移的情况下，也是为了用于确实地将向+Z方向移动的电解液的一部分向正极突片13附近引导。
并且，虽然在图4中，采用正极板3和正极突片13的预定配置位置，说明了在间隔件5的一个面上形成作为第二引导结构的基准槽16′和θn槽17′，但是由于在间隔件5的另一个面上层叠负极板4，所以在该另一个面上同样也可以形成与负极板4对应的作为第二引导结构的基准槽16′和θn槽17′。
此外，在间隔件5是陶瓷间隔件的情况下，可以适当地切割陶瓷以形成基准槽16′和θn槽17′，在由绝缘树脂制造的间隔件的情况下，可以通过铸模成型来形成这些槽。由于间隔件5的厚度(Y方向)是大约20μm，所以只要使这些槽的Y方向的深度为大约5μm～大约10μm，就能够充分地用作上述流通路径。
根据第二引导结构，与第一引导结构相同地，可以增加电极突片附近的电解液的流量并激活其流动。因此，使吸取电极突片的热量的电解液不会滞留在电极突片附近，而能够立刻向电池容器壁面附近送出，结果能够提高电池1的散热性。
最后，说明第三引导结构。第三引导结构是可以适用于在构成为由于热量而使图1A、图1B中邻接的任何两个间隔件5相互的边熔融而接着(熔融接着)的袋状间隔件的情况下的结构。在图5中，示出在袋状间隔件中包裹正极板3的情况的例子。闭合的正极板3以图中的二点划线表示。并且，将在袋状间隔件内部收纳电极板(正极板3或负极板4)的整个面且电极突片(正极突片13或负极突片14)从该袋内部向外部鼓出的状态称为“包裹”。
如图5所示，从Y方向观察XZ平面时，作为第三引导结构，两个间隔件5熔融接着构成的袋状间隔件至少包括：第一熔融接着部18，其沿Z方向使X轴上的两个边附近实质上不泄漏而熔融接着；第二熔融接着部19，其仅空出适当的规定间隔(例如大约10mm)的空间(该空间未熔融接着)而使Z轴上的两个边中-Z方向侧的一边附近熔融接着；第三熔融接着部20，其从使Z轴上的两个边中的+Z方向侧的一边附近实质地连接到第一熔融接着部中的一个并且从该连接部位到正极突片13附近、随着向+X方向或-X方向前进逐渐沿+Z方向进一步偏移的从Z轴倾斜而熔融接着。
通过这样熔融接着，通过受到正极板3中产生的热而使温度上升的电解液向电池容器的盖7沿+Z方向自然地上升而产生的对流，从电池容器底面附近通过多个第二熔融接着部19间的上述空间而流入袋状间隔件内部的低温电解液，吸取正极板3的热量，并利用第一熔融接着部18，该袋内部不会实质地泄漏，且向+Z方向上升。进一步地，利用第三熔融接着部20，电解液不会滞留在袋内部，而顺利地引导到正极突片13附近，并从正极突片13附近的未熔融接着的部分向该袋外部排出。
因此，由于增加了正极突片13附近的电解液的流量，可以激活其流动，所以不会使吸取正极突片13的热量的电解液带留在正极突片13附近，而能够立刻向电池容器壁面附近送出，结果能够提高电池1的散热性。此外，此时，由于正极板3充分地浸入电解液，所以能够提高电池性能。
并且，在图5中，在袋状间隔件内部包裹正极板3的结构也可以构成为，在袋状间隔件内部包裹负极板4的结构。
此外，只要第一熔融接着部18能够不实质地泄漏电解液而使其向+Z方向上升，就不需要构成为如图5所示的从间隔件5的一端到另一端连续的一条线状，也可以如多个第二熔融接着部19在熔融接着部之间打开一部分空间的状态(点状的形状)。只要第三熔融接着部20能够将电解液顺利地引导到正极突片13附近，就不需要构成为如图5所示的连续的一条线状，也可以如多个第二熔融接着部19在熔融接着部之间打开一部分空间的点状形状。
如上所述，在本实施方式中，通过包括第一至第三引导结构，能够提供提高在电池容器内部产生的热量的散热性、特别是电极突片的散热性、且表现出优良电池性能的电池。
本实用新型不限于上述实施方式，在不脱离本实用新型主旨的限制下可以进行各种变形。例如，虽然说明的电池容器的形状为方形，但是也可以是圆筒形。同样地，上述层叠电极体6可以是经由各间隔件依次层叠多个正极板和多个负极板而构成的层叠电极体(层叠型层叠电极体)，也可以是经由一个间隔件层叠一个正极板和一个负极板且构成卷绕状态的层叠电极体(卷绕型层叠电极体)。并且，在层叠电极体6是层叠型层叠电极体的情况下，正极板3和负极板4的数量可以设计为一个以上，即适当的多个。
此外，电池单元的数量可以设计为一个或三个以上。
进一步地，虽然在上述实施方式中，说明了使电池容器的散热效果高的金属制容器，但是也可以根据规格由塑料等树脂形成。
虽然以上说明了本实用新型的优选实施方式，但是本实用新型不限于这些实施方式。在不脱离本实用新型的主旨的范围内，可以进行结构的增加、省略、置换及其他变更。本实用新型不限于上述的说明，而仅由所附的权利要求的范围限定。
本申请要求2011年1月24日申请的日本专利申请第2011-011486号的优先权，其全部内容并入本文以供参考。

Claims (8)

1.一种电池，具有：
层叠电极体，其通过依次层叠与第一电极突片连接的第一电极板、间隔件和与第二电极突片连接的第二电极板而构成；
电解液；
电池容器，其将所述层叠电极体和所述电解液密封；
引导结构，其将由于所述层叠电极体的发热而在所述电池容器内部移动的所述电解液，向从重力方向倾斜的方向引导且向所述第一或第二电极突片引导。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述引导结构是形成在所述第一或第二电极板上的槽。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述引导结构是形成在所述间隔件上的槽。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述间隔件是包裹所述第一电极板的袋状间隔件，
所述引导结构由所述袋状的间隔件的熔融接着部构成。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述第一电极板是正极板，所述第二电极板是负极板，所述第一电极突片是正极突片，所述第二电极突片是负极突片。
6.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述第一电极板是正极板，所述第二电极板是负极板，所述第一电极突片是正极突片，所述第二电极突片是负极突片。
7.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述第一电极板是正极板，所述第二电极板是负极板，所述第一电极突片是正极突片，所述第二电极突片是负极突片。
8.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述第一电极板是正极板，所述第二电极板是负极板，所述第一电极突片是正极突片，所述第二电极突片是负极突片。
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