TW201230439A - Design and construction of non-rectangular batteries - Google Patents

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Description

201230439 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明之實施例係有關可攜式電子裝置之電池》更具 體而言，本發明之實施例係有關可促進可攜式電子裝置內 之空間的有效率使用的非矩形電池芯（battery cell)之設 計及構造。 【先前技術】 充電式電池目前被用來供電給其中包括膝上型電腦、 行動電話、個人數位助理、數位音樂播放器、及無線電動 工具之多種可攜式電子裝置。最常用類型的充電式電池是 鋰電池，而鋰電池可包含鋰離子電池及鋰聚合物電池。 鋰聚合物電池通常包含被封裝在軟質袋。此類袋通常 是輕量的，且具有低製造成本。此外，可將這些袋修剪成 符合各種電池芯尺寸，因而可遭鋰聚合物電池用於諸如行 動電話、膝上型電腦、及/或數位相機等的空間受限制之 可攜式電子裝置。例如，鋰聚合物電池芯可將捲繞的電極 及電解質包封在鍍鋁疊層袋中，而達到90-95%的封裝效率 。然後可將多個袋並排地置於可攜式電子裝置內，且使該 等袋在電氣上被串聯及/或並聯地耦合，而構成該可攜式 電子裝置的一電池。 然而，電池芯在現有電池組（battery pack)中之使用 及配置可能限制了空間之有效率使用。電池組尤其通常包 含具有相同容量、大小、及尺寸之矩形電池芯。該等電池 -5- 201230439 芯的實體配置可能額外地反映了該等電池芯之電氣組態。 例如，六個電池芯的電池組可包含被以二串聯三並聯（ 2s3p )組態配置的六個具有相同尺寸及容量之鋰聚合物電 池芯。在該電池組內，可使兩列的三個被並排放置之電池 芯相互堆疊在頂部；可在並聯組態下在電氣上耦合每一列 ，且可在串聯組態下在電氣上耦合該等兩列。因此，該電 池組可能需要一可攜式電子裝置中至少爲每一電池芯的長 度、每一電池芯的厚度之兩倍、以及每一電池芯的寬度之 三倍之空間。此外，該電池組可能無法利用該可攜式電子 裝置中保留給該電池組的一矩形空間之外的自由空間。 因此，與含有鋰聚合物電池芯的電池組的封裝效率、 容量、形狀因數（form factor)、成本、設計、及/或製造 有關之改良可有助於對可攜.式電子裝置的使用。 【發明內容】 本發明揭示之實施例係有關一種電池芯，該電池芯包 含被配置成堆疊式組態且具有不同尺寸的一組電極片，而 促進對可攜式電子裝置內之空間的有效率使用。例如，可 以堆疊式組態配置該等電極片，以便適應可攜式電子裝置 之形狀。該堆疊式組態可基於諸如環形設計、L形設計、 三角形設計、餅形設計、圓錐形設計、及/或金字塔形設 計等的非矩形電池設計。 可以一並聯組態在電氣上耦合該等電極片。該並聯組 態可包含：在電氣上耦合第一組導電片，其中該第一組導
S -6- 201230439 電片中之每一導電片被耦合到該等電極片中之一電極片的 陰極；以及在電氣上耦合第二組導電片，其中該第二組導 電片中之每一導電片被耦合到該等電極片中之一電極片的 陽極。 在某些實施例中，使用打線接合（wire-bonding)技 術、點焊（spot welding)技術、壓接（crimping)技術、 鉚接 （riveting) 技術、及超音波焊接 （ultrasonic-welding ) 技術 中之至 少一種 技術在 電氣上 耦合該 第一組 導電片。亦可使用該等相同的一或多種技術在電氣上耦合 該第二組導電片。 在某些實施例中，該電池芯亦包含用來包封該等電極 片之一袋。 在某些實施例中，該電池芯亦包含被配置在該袋內的 該等電極片之下的一硬板。 【實施方式】 提供下文中之說明，使對此項技術具有一般知識者能 夠製作且使用該等實施例，且係在一特定申請案及其要求 之背景下提供該說明。熟悉此項技術者將易於對所揭示的 實施例作出各種修改，且可在不脫離本發明揭示之精神及 範圍下，將本發明界定之一般性原理應用於其他實施例及 應用。因此，本發明不限於所示之實施例，而是將適用於 與本發明揭示的原理及特徵一致的最廣義範圍。 本實施方式中述及的資料結構及程式碼通常被儲存在 -7- 201230439 電腦可讀取的儲存媒體，該電腦可讀取的儲存媒體可以是 可儲存將被電腦系統使用的程式碼及/或資料之任何裝置 或媒體。該電腦可讀取的儲存媒體包括（但不限於）揮發 性記憶體、非揮發性記憶體、諸如磁碟機、磁帶、光碟（ Compact Disc ;簡稱CD )、數位多功能光碟或數位視訊光 碟（Digital Versatile Disc or Digital Video Disk;簡稱 DVD )等的磁性或光學儲存裝置、或現在已知的或以後開 發的能夠儲存程式碼及/或資料之其他媒體。 可將本實施方式一節中述及的方法及程序實施爲程式 碼及/或資料，且可以將該程式碼及/或資料儲存在前文所 述之電腦可讀取的儲存媒體。當一電腦系統讀取及執行該 電腦可讀取的儲存媒體上儲存之該程式碼及/或資料時， 該電腦系統執行被實施爲該電腦可讀取的儲存媒體內儲存 的資料結構及程式碼之方法及程序。 此外，本發明述及的方法及程序可被包含在硬體模組 或設備中。這些模組或設備可包括（但不限於）特定應用 積體電路（Application-Specific Integrated Circuit;簡稱 ASIC )晶片、客戶端可程式閘陣歹丨J ( Field-Programmable Gate Array ;簡稱FPGA )、於特定時間執行特定的軟體模 組或程式碼段之專用或共享式處理器、及/或現在已知的 或以後開發的其他可程式邏輯裝置。該等硬體模組或設備 被啓動時，將執行被包含在其內之方法及程序。 所揭示的該等實施例提供了一種具有非矩形設計之電 池芯。該電池芯可包含被配置成堆疊式組態且具有不同尺 -8- 201230439 寸的一組電極片。該堆疊式組態的該非矩形可促進可攜式 電子裝置中之空間的有效率使用。術語"非矩形"可意指該 等電池芯的任何切割平面不是矩形的，此即意指：自上方 、下方、或各側面觀察時，該等電池芯都不是矩形的。例 如，該非矩形堆疊式組態可基於諸如環形設計、L形設計 、三角形設計、餅形設計、圓錐形設計、及/或金字塔形 設計。該等電極片亦可被包封在一袋，而構成一鋰聚合物 電池芯。此外，一硬板可被配置在該袋內的該等電極片之 下，以便將結構支承提供給該電池芯。 然後可以一並聯組態在電氣上耦合該等電極片。尤其 可將每一電極片之陰極在電氣上耦合到第一組導電片中一 之導電片，且可將每一電極片之陽極在電氣上耦合到第二 組導電片中之一導電片。然後可使用打線接合技術、點焊 技術、壓接技術、鉚接技術、及超音波焊接技術中之至少 —種技術在電氣上耦合該第一組導電片。亦可使用該等相 同的一或多種技術在電氣上耦合該第二組導電片》該第一 組及第二組導電片可延伸通過該袋中之封口，以便提供該 電池芯之端點。 第1圖示出根據一實施例的一電池芯。該電池芯可供 電給諸如一膝上型電腦、行動電話、平板電腦、個人數位 助理（PDA)、可攜式媒體播放器、數位相機、及/或其他 類型的電池供電之電子裝置等的一可攜式電子裝置。 如第1圖所示，該電池芯包含構成了一楔形台階結構 之一些層102-108。可以薄電極片形成層102-108;每一電 -9- 201230439 極片可在在一端上提供該電池芯之一陰極，且在另一端上 提供該電池芯之一陽極。例如，每一電極片可具有大約20 微米之厚度。該電極片亦可包含由鋰或鋅構成之一陽極、 以及由二氧化錳構成之一陰極。 此外，可以一堆疊式組態配置該等電極片，以便形成 層102-108。尤其可使用四種不同尺寸的平坦餅形電極片 以形成該電池芯之台階彎曲結構。首先，可堆疊一系列的 最大尺寸之電極片，而形成層102;然後，可在層102之頂 部上堆疊一系列的較小之餅形電極片，而形成層1 04。在 形成了層1 02- 1 04之後，可在層104之頂部上堆疊一些第三 大的電極片，而形成層106，且最後，在層106上放置最小 的電極片，而形成層108。 爲了形成一電源，可以一並聯組態在電氣上耦合該等 電極片，且將該等電極片包封在一袋116中。爲了在電氣 上耦合該等電極片，可使該等電極片之每一陰極在電氣上 耦合第一組導電片中之一導電片，且可使該等電極片之每 一陽極在電氣上耦合第二組導電片中之一導電片。然後可 使用打線接合技術、點焊技術、壓接技術、鉚接技術、及 /或超音波焊接技術而在電氣上耦合該第一組導電片，而 形成該電池芯之一正極端1 1 〇。 亦可使用該等相同的一或多種技術在電氣上耦合該第 二組導電片，而形成該電池芯之一負極端1 1 2。例如，可 將被耦合到導電片之各電極片堆疊到對準該等電極片及該 等導電片的角之一或多個面，而裝配該電池芯。然後可將
-10· S 201230439 該等導電片點焊在一起，而形成端110-112。 爲了將該電池芯包封在袋1 16中，可將層1 02-1 08放置 在一聚合物疊片及/或另一類型的軟質袋材料之頂部上。 然後可將另一片袋材料放置在層102-108之該等頂部之上 ，且可熱封及/或折疊該等兩片。或者，可將層102-108放 置在兩片袋材料之間，且密封及/或折疊該等兩片袋材料 之某些（例如，非端點）邊。然後可熱封及/或折疊其餘 的一或多個邊，而將層102-108包封在袋116內。端ii〇-i12 可延伸通過袋116中之封口，而可讓該電池芯在電氣上親 合該可攜式電子裝置中之其他組件。 熟悉此項技術者當可了解：在該可攜式電子裝置內進 行的裝卸及/或安裝期間，該等電極片的薄且/或可撓本 質可使該等電極片在該電池芯內彎曲及/或變形。因此， 可將一硬板114配置在層1 02-108之下，以便將結構支承提 供給該電池芯。 在一或多個實施例中，第1圖所示之該電池芯促進對 該可攜式電子裝置內之空間的有效率使用。例如，該電池 芯的台階及/或彎曲邊緣可讓該電池芯適合被安裝在該可 攜式電子裝置的彎曲外殼內。亦可增加或減少層（例如， 層102-108)的數目’以便與該可攜式電子裝置的外殼之 曲率有更佳的配合。換言之，該電池芯可包括可適應該可 攜式電子裝置的形狀之非對稱及/或非矩形設計。該電池 心因而可在相同的可攜式電子裝置中提供比矩形電池芯更 咼的容量、封裝效率、及/或電壓。下文中將參照第2_5圖 -11 - 201230439 而進一步詳細地說明電池芯之非矩形設計。 第2圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計 。更具體而言，第2圖示出一些層202-208內之一電池芯之 一俯視圖。可以基於該電池芯的環形及/或圓錐形設計之 一堆疊式組態配置一些有不同尺寸的電極片，而構成層 202-2 08。因此，第2圖所示的該電池芯中使用的該等電極 片可以是圓形的及/或橢圓形的。 此外，構成層202-20 8之該等電極片可以是中空的， 以便能夠形成兩個端點210-212。每一端點210-212可包含 一組導電片，用以連接該等電極片之陰極或陽極。例如， 端點210可對應於該電池芯之一正極端，且包含在電氣上 相互耦合且耦合到該等電極片的陰極之第一組導電片。端 點212可對應於該電池芯之一負極端，且包含在電氣上相 互耦合且耦合到該等電極片的陽極之第二組導電片。 第2圖所示之該電池芯可被設計成配合一可攜式電子 裝置之周圍。例如，層202-208可適應該可攜式電子裝置 的一彎曲及/或扇形輪廓，而該電池芯的中空內部可讓各 組件（例如，印刷電路板（P r i n t e d C i r c u i t B 〇 a r d ;簡稱 PCB)、處理器、記憶體、儲存裝置、顯示器、及光碟機 等的組件）被放置在該可攜式電子裝置的中央。下文中將 參照第6-7圖而進一步詳細地說明可攜式電子裝置內之電 池芯的放置。 第3圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計 。如同第2圖所示之電池芯，第3圖所示之電池芯包含藉由
S -12- 201230439 堆疊一些具有相同厚度（例如，10-20微米）及不同尺寸 的圓形及/或橢圓形電極片而形成之一些層3 02-310。然而 ，因爲層3 02 -3 1 0不是中空的，所以可將該電池芯之端點 3 12-3 14放置在層302-3 1 0之外。該電池芯之偏斜圓錐形該 電池芯適合被安裝在可攜式電子裝置中之一凹袋內。 第4圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計 。可利用由沿著一邊對準且堆疊的一些三角形電極片構成 之四個層402-408形成第4圖所示之電池芯》每一個別的層 402、404、406、及408可包含一些具有相同尺寸的電極片 ，且可利用具有四種不同尺寸的電極片構成該等不同的層 402、404、4 06、及40 8 »該電池芯可因而基於金字塔形及 /或三角形設計。此外，可在一並聯組態下使一組端點4 1 〇-412在電氣上耦合該等電極片，且可讓該電池芯供電給一 可攜式電子裝置。 第5圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計 。第5圖所示之該電池芯可包含由以一堆疊式組態配置的 一些正方形電極片構成之四個層502-508。然而’與第1-4 圖所示之該等電池芯不同，第5圖所示之該等電極片可被 相互放置在頂部之中心。因此，可利用一些導電片形成該 電池芯之端點510-512，其中該等導電片與其不應在電氣 上耦合到的電極片之面重疊。例如’在電氣上轉合到層 5 04的電極片之一些導電片可與層502的最上方電極片重叠 〇 爲了防止電流流經各重疊的電極片與各導電片之間’ -13- 201230439 可將諸如 Kapton ( Kapton™是 E. I. du Pont de Nemours and Company Corporation之註冊商標）等的一層絕緣材料放置 於一導電片與該導電片不應在電氣上被耦合的一電極片之 間，而使該導電片與該電極片之一重疊面絕緣。以此種方 式在該電池芯中使用絕緣材料時，能夠形成具有任意三維 (3D)形狀之電池芯，因而又可進一步促進對使用該等電 池芯的可攜式電子裝置的內部空間之有效率使用。 第6圖示出根據一實施例而將一電池602放置在一可攜 式電子裝置內。如第6圖所示，電池602之一俯視圖示出沿 著該可攜式電子裝置之外緣而放置電池602。此外，該電 池可包括環形、L形、及/或餅形設計，以便適應該可攜式 電子裝置的彎曲及/或扇形。該電池之內部可以是中空的 ’以便可將一些組件放置在該可攜式電子裝置內。 第7圖示出根據一實施例而將一電池702放置在一可攜 式電子裝置內。電池702可基於與第6圖所示的電池電池 602相同之設計。更具體而言，電池702之一橫斷面圖示出 電池702沿著該可攜式電子裝置之彎曲邊而塡滿空間。因 此’電池702可代表比被用於相同可攜式電子裝置之矩形 電池更高的封裝效率及/或容量。 第8圖示出製造根據一實施例的一電池芯的程序之一 流程圖。在一或多個實施例中，可省略、重複、及/或按 照不同的順序執行一或多個步驟。因此，第8圖所示的各 步驟之特定安排不應被理解爲對該等實施例的範圍之限制
S -14- 201230439 首先，在操作802中，以一堆疊式組態配置具有不同 尺寸的一組電極片，以便促進對一可攜式電子裝置內之空 間的有效率使用。例如，可堆疊具有相同厚度及不同長度 及/或寬度的一些電極片，而形成基於非矩形（例如，環 形、L形、三角形、餅形、圓錐形、金字塔形）電池設計 之一電池芯。 然後，在操作804中，以一並聯組態在電氣上耦合該 等電極片。可使該等電極片之每一陰極在電氣上耦合到第 —組導電片中之一導電片，且可使該等電極片之每一陽極 在電氣上耦合到第二組導電片中之一導電片。然後可使用 打線接合技術、點焊技術、壓接技術、鉚接技術、及/或 超音波焊接技術在電氣上耦合該第一組導電片，而形成該 電池芯之一正極端。亦可使用該等相同的一或多種技術在 電氣上耦合該第二組導電片，而形成該電池芯之一負極端 。此外，可將諸如Kapton等的一層絕緣材料放置於一導電 片與該導電片不應在電氣上被耦合的一電極片之間，而使 該導電片與該電極片之一重疊面絕緣。 在操作806中，亦可將一硬板配置在該等電極片之下 ，以便將結構支承提供給該電池芯。此種結構支承可防止 該電池芯在一可攜式電子裝置內進行的裝卸及/或安裝期 間之彎曲及/或變形。最後，在操作808中，可將該等電極 片及硬板包封在二袋中。因此，該電池芯可對應於被設計 成可適應可攜式電子裝置的形狀之一鋰聚合物電池芯。例 如’該電池芯可被放置在該可攜式電子裝置的一彎曲內部 -15- 201230439 之內，以便提供比含有矩形電池芯之電池組更高的容量及 /或封裝效率。 通常可將上述之充電式電池芯用於任何類型之電子裝 置。例如，第9圖示出一可攜式電子裝置900，該可攜式電 子裝置900包含一處理器902、一記憶體904、以及一顯示 器9 0 8，且由一電池9 0 6供電給所有該等組件。可攜式電子 裝置900可對應於一膝上型電腦、行動電話、個人數位助 理（PDA )、可攜式媒體播放器、數位相機、及/或其他類 型的電池供電之電子裝置。電池90 6可對應於其中包含一 或多個電池芯之一電池組。每一電池芯可包含以一堆疊式 組態配置且具有不同尺寸的一組電極片。該堆疊式組態可 促進對可攜式電子裝置900內之空間的有效率使用。例如 ，該堆疊式組態可讓電池906沿著一扇形行動電話的邊緣 而被安裝。 只是爲了例示及說明而提供前文中對各實施例之說明 。這些實施例將不是徹底的，也不會將本發明限制在所揭 示的形式。因此，熟悉此項技術者將可易於作出許多修改 及變化。此外，前文揭示之用意並非在限制本發明。 【圖式簡單說明】 第1圖示出根據一實施例的一電池芯。 第2圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計 〇 第3圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計
S -16- 201230439 第4圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計 〇 第5圖示出根據一實施例的一電池芯之一非矩形設計 〇 第6圖示出根據一實施例而將一電池放置在一可攜式 電子裝置內。 第7圖示出根據一實施例而將一電池放置在一可攜式 電子裝置內。 第8圖示出製造根據一實施例的一電池芯的程序之一 流程圖》 第9圖示出根據一實施例的一可攜式電子裝置。 在該等圖式中，類似的代號參照到相同的圖式元件。 【主要元件符號說明】 1 02- 1 08,202-208,302-3 1 0,402-408,502-508 :層 1 1 6 :袋 110 :正極端 112 :負極端 114 :硬板 210，212,312,314,410,412,510,512 :端點 602,702,906 :電池 900:可攜式電子裝置 902 :處理器 201230439 904 :記憶體 90 8 :顯示器
S -18-

Claims (1)

  1. 201230439 七、申請專利範圍： 1 · 一種電池芯，包含： 具有不同的尺寸且以一並聯組態在電氣上被耦合之一 組電極片， 其中以一堆疊式組態配置該等電極片，而促進一可攜 式電子裝置內之空間的有效率使用。 2.如申請專利範圍第1項之電池芯，進一步包含： 包封該等電極片之一袋。 3 .如申請專利範圍第2項之電池芯，進一步包含·· 被配置在該袋內的該等電極片之下的一硬板。 4.如申請專利範圍第1項之電池芯，進一步包含： 第一組導電片，其中該第一組導電片中之每一導電片 被耦合到該等電極片中之一電極片的陰極；以及 第二組導電片，其中該第二組導電片中之每一導電片 被耦合到該等電極片中之一電極片的陽極。 5 ·如申請專利範圍第4項之電池芯，其中使用打線接 合技術、點焊技術、壓接技術、鉚接技術、及超音波焊接 技術中之至少一種技術在電氣上耦合該第一組導電片。 6. 如申請專利範圍第1項之電池芯，其中係基於一非 矩形電池設計而以該堆疊式組態配置該等電極片。 7. 如申請專利範圍第6項之電池芯，其中該非矩形電 池設計是環形設計、L形設計、三角形設計、餅形設計、 圓錐形設計、及金字塔形設計中之至少一種設計。 8. —種提供電源給可攜式電子裝置之方法，包含下列 -19- 201230439 步驟： 以一堆疊式組態配置具有不同的尺寸之一組電極片’ 而促進對該可攜式電子裝置內之空間的有效率使用；以及 以一並聯組態在電氣上耦合該等電極片。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，進一步包含下列步 驟： 將該等電極片包封在一袋中。 10. 如申請專利範圍第9項之方法，進一步包含下列步 驟： 將一硬板配置在該等電極片之下。 1 1 .如申請專利範圍第8項之方法，其中以該並聯組態 在電氣上耦合該等電極片涉及： 在電氣上耦合第一組導電片，其中該第一組導電片中 之每一導電片被耦合到該等電極片中之一電極片的陰極； 以及 在電氣上耦合第二組導電片，其中該第二組導電片中 之每一導電片被耦合到該等電極片中之一電極片的陽極。 1 2 ·如申請專利範圍第丨丨項之方法，其中使用打線接 合技術、點焊技術、壓接技術、鉚接技術、及超音波焊接 技術中之至少一種技術在電氣上耦合該第一組導電片。 1 3 .如申請專利範圍第8項之方法，其中基於環形設計 、L形設計、三角形設計、餅形設計、圓錐形設計、及金 字塔形設計中之至少一種設計而以該堆疊式組態配置該等 電極片。 S -20- 201230439 1 4 . 一種電池組，包含： 一組電池芯，其中該等電池芯中之每一電池芯包含： 具有不同的尺寸且以一並聯組態在電氣上被耦合之一 組電極片， 其中以一堆疊式組態配置該等電極片，而促進一可攜 式電子裝置內之空間的有效率使用。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之電池組，其中該等電池 芯中之每一電池芯進一步包含： 被配置在該等電極片之下的一硬板；以及 包封該等電極片及該硬板之一袋。 16.如申請專利範圍第14項之電池組，進一步包含： 第一組導電片，其中該第一組導電片中之每一導電片 被耦合到該等電極片中之一電極片的陰極；以及 第二組導電片，其中該第二組導電片中之每一導電片 被耦合到該等電極片中之一電極片的陽極。 1 7 .如申請專利範圍第1 6項之電池組，其中使用打線 接合技術、點焊技術、壓接技術、鉚接技術、及超音波焊 接技術中之至少一種技術在電氣上耦合該第一組導電片。 1 8 .如申請專利範圍第1 4項之電池組，其中基於環形 設計、L形設計、三角形設計、餅形設計、圓錐形設計、 及金字塔形設計中之至少一種設計而以該堆疊式組態配置 該等電極片。 1 9.如申請專利範圍第1 4項之電池組，其中以該堆疊 式組態配置該等電極片，以便適應該可攜式電子裝置之形 -21 - 201230439 狀。 20.—種可攜式電子裝置，包含： 由一電池組供電之一組組件；以及 該電池組包含： 一組電池芯，其中該等電池芯中之每一電池芯包含 具有不同的尺寸且以一並聯組態在電氣上被耦合 之一組電極片， 其中以一堆疊式組態配置該等電極片，而促進對 該可攜式電子裝置內之空間的有效率使用。 -22- S
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