TW201526359A - 帶有具低電阻電極翼片的二次電池組 - Google Patents

帶有具低電阻電極翼片的二次電池組 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種二次電池組，其係建構成具有陰極/分隔件/陽極結構之電極組係安裝在電池組外殼中且呈該電極組係經電解質浸漬的狀態之結構，其中電極翼片係附接至該電極組之電極板的未塗覆活性材料部分，且陽極翼片係由Cu-Ni合金製成，此陽極翼片為電極翼片中一者且其一端係附接至電池組外殼。

Description

帶有具低電阻電極翼片的二次電池組
本發明關於一種包括低電阻電極翼片之二次電池組。
根據電池組外殼之形狀，近來需求增加之二次電池組可分成具有安裝在圓筒形金屬罐中之電極組的圓筒形電池組、具有安裝在稜柱形金屬罐中之電極組的稜柱形電池組、或具有安裝在由鋁積層物片材所製成之袋形外殼中的電極組之袋形電池組。該圓筒形電池組的優點在於該圓筒形電池組具有相對大之電容量及結構穩定。
安裝在電池組外殼中之電極組用作電力產生元件，其具有陰極/分隔件/陽極堆疊結構，其可充電及放電。該電極組可分類成果凍捲型電極組，該電極組係建構成具有其中施加有活性材料之長片型陰極及長片型陽極係呈捲繞狀態且分隔件係配置在該陰極與該陽極之間的結構，或堆疊型電極組，該電極組係建構成具有其中其中複數個具有預定尺寸之陰極及複數個具有預定尺寸之陽極係以分隔件係個別配置在該等陰極與該等陽極之間的狀態依序堆疊之結 構。該果凍捲型電極組的優點在於果凍捲型電極組容易製造及具有高能量密度/重量。
關於上述，慣用圓筒形電池組之垂直剖面透視圖通常如圖1所示。
參考圖1，該圓筒形電池組100係藉由將果凍捲型(捲繞型)電極組120安裝在圓筒形罐130中，將電解質注入該圓筒形罐130，及將具有電極端子(例如，陰極端子，其未圖示)耦合至該圓筒形罐130之開放上端的頂蓋140所製造。
該電極組120係建構成具有陰極121與陽極122係以分隔件123配置在該陰極121與該陽極122之間的狀態捲繞成圓形之結構。圓筒形中心插針150係裝配在該電極組120核心(該果凍捲之中心)。該中心插針150通常由金屬材料製成以展現預定強度。該中心插針150係建構成具有藉由捲起片型材料所形成之中空圓筒形結構。該中心插針150用以固定及支撐該電極組。此外，當充電及放電該電池組及操作該電池組時，該中心插針150係用作因該電池組之內部反應所產生之排放氣體的通道。
然而，近年來，有關因二次電池組之高效操作而從該二次電池組所產生的熱之問題已變得更加嚴重。
從該二次電池組產生之熱導致陰極活性材料及電解質的分解。結果，多種副作用會迅速進展，最後，該二次電池組會起火或爆炸。
已證實此種現象係在該電池組充電及放電期間電流所 集中之電極翼片處發生，且陽極翼片特別嚴重。
慣用陽極翼片係由單一材料(諸如鎳)所製成，且具有單一尺寸。為了解決與熱相關之問題，陽極翼片可由電阻低於鎳之銅製成。然而，難以確保由銅所製成之陽極翼片與作為電流收集器或電池組外殼之電極箔之間的熔接容易度。為此，難以使用銅製造陽極翼片。
因此，基本地解決上述問題之技術非常必要。
因此，已完成本發明以解決上述問題，及其他尚待解決的技術問題。
本申請案之發明人已發現在附接至電極組之電極板的未塗覆活性材料部分的電極翼片之一(例如，陽極翼片，其一端係附接至電池組外殼)係由Cu-Ni合金製成的情況下，可降低二次電池組之電阻及由該二次電池組所產生的熱。本發明已根據該等發現完成。
根據本發明之一態樣，提供一種二次電池組，其係建構成具有陰極/分隔件/陽極結構之電極組係安裝在電池組外殼中且呈該電極組係經電解質浸漬的狀態之結構，其中電極翼片係附接至該電極組之電極板的未塗覆活性材料部分，且陽極翼片係由Cu-Ni合金製成，此陽極翼片為電極 翼片其中一者且其一端係附接至電池組外殼。
本發明之二次電池組中，陽極翼片係由上述Cu-Ni合金製成。該由Cu-Ni合金製成之陽極翼片的導電性高於由鎳製成之陽極翼片。因此，基於相同面積及相同長度之陽極翼片的電阻降低。因此，可產生在該二次電池組使用期間從該陽極翼片所產生的熱，從而改善該二次電池組之安全性。此外，可防止在該二次電池組中流動之電流因陽極翼片的電阻而流失，從而改善該二次電池組的操作效率。除了減少從該陽極翼片所產生之熱以外，可在所希望位準熔接該二次電池組的對應位置。
該電池組外殼可為圓筒形罐或稜柱形罐。然而，本發明不局限於此。
在一具體實例中，該電極組可為建構成具有藉由將電極活性材料施加至金屬箔之長片的相對表面所製造的陰極與陽極係以分隔件配置在該陰極與該陽極之間的狀態捲繞成圓形的結構之果凍捲。
在一具體實例中，由Cu-Ni合金製成之陽極翼片的Ni含量以該合金之總重量為基準計為0.05%至3%。
在其他具體實例，除了Cu及Ni之外，構成該陽極翼片之Cu-Ni合金可進一步含有至少一種選自Si及Sn之元素以改善該陽極翼片之機械強度。
錫展現比鎳更高強度及更低電阻。矽展現比鎳更高強度。此外，矽之電阻隨著矽的溫度上升而降低，此為半導體之特徵。為此，錫及矽用於二次電池組較佳。
在此情況下，Si之含量以該合金之總重量為基準計可為0.05%至0.80%，Sn之含量以該合金之總重量為基準計可為0.10%至0.70%。Si或Sn之含量可根據所希望之物理性質在上述範圍內自由地調整。
在一具體實例中，該陽極翼片可附接至該電池組外殼之內部的下端。
例如，該陽極之捲繞起始部分可不設置未塗覆陽極部分，但該陽極之捲繞末端部分可設置有與陽極翼片附接的未塗覆陽極部分。該陽極翼片可藉由熔接耦合至該未塗覆陽極部分及該電池組外殼之內部的下端。
該熔接無特別限制，只要該陽極翼片牢固地附接至該未塗覆陽極部分及該電池組外殼之內部的下端，同時該陽極翼片及構成該二次電池組之組件的物理性質未改變即可。例如，該熔接可為選自電弧熔接、電阻熔接、及超音波熔接之至少一者。
在一具體實例中，該陽極翼片可藉由超音波熔接附接至該電極板之對應者，及該陽極翼片之一端可藉由電阻熔接附接至該電池組外殼之內部。
即使在使用此等不同熔接方法的情況下，本發明之二次電池組的陽極翼片展現優異熔接性。
同時，該陽極翼片可由寬度為2mm至8mm、長度為10mm至90mm、且厚度為0.05mm至0.5mm之條形構件形成。然而，本發明不局限於此。
在本發明之其他實施態樣中，該陽極翼片可建構成堆 疊具有複數個由不同材料所製成之層(上述單一Cu-Ni合金層除外)的結構。
在一具體實例中，陽極翼片可建構成具有堆疊Cu-Ni合金層及銅層之結構。銅不容易藉由熔接附接至電極或電池組外殼。為此，該陽極翼片可建構成具有兩層結構，其中附接至電極板的對應者之一層為Cu-Ni合金層，及堆疊在Cu-Ni合金層上之另一層為銅層。在如上述展現高熔接性之Cu-Ni合金層係位於該電極上且電阻低於鎳之銅層係位於該Cu-Ni合金層的情況下，可解決因從陰極翼片所產生之熱所導致的安全性相關問題，此外，當該陽極翼片係藉由熔接附接至該電極板之對應者時改善黏著強度。
在其他具體實例中，該陽極翼片可建構成具有三層結構，其中上Cu-Ni合金層及下Cu-Ni合金層係以銅層配置在該上Cu-Ni合金層與該下Cu-Ni合金層之間的狀態堆疊。在此情況下，可解決當陽極翼片附接至電池組外殼時以及當陽極翼片附接至電極板之對應者時所造成的熔接困難。
在陽極翼片係建構成具有兩層結構或三層結構代替如上述之單一Cu-Ni合金層時，可更廣泛調整Cu及Ni之含量範圍，以改善該陽極翼片之黏著強度，而能輕易地獲致該陽極翼片之熔接。
構成建構成具有兩層結構或三層結構之陽極翼片的Cu-Ni合金可進一步含有至少一種選自Si及Sn之元素。Sn展現比Ni更高強度及更低電阻。Si展現比Ni更高強 度。此外，Si之電阻隨著Si的溫度上升而降低，此為半導體之特徵。為此，Sn及Si用於二次電池組較佳。此外，該銅層視需要可進一步含有不同於銅之元素。
在此情況下，Si之含量以該合金之總重量為基準計可為0.05%至0.80%，Sn之含量以該合金之總重量為基準計可為0.10%至0.70%。Si或Sn之含量可根據所希望之物理性質在上述範圍內自由地調整。
二次電池組可為鋰二次電池組。構成此種鋰二次電池組之組件及製造彼之方法在與本發明有關之技術中已為人熟知，且可省略詳細描述。
根據本發明其他態樣，提供包括鋰二次電池組作為單元電池之電池組包及包括該電池組包作為來源之裝置。
尤其是，該電池組包可用作需要抗高溫之安全性、長循環及高速率特徵等的裝置之電源。例如，該裝置可選自行動電子裝置、藉由基於電池組之馬達所驅動的電動工具、電動汽車，諸如電動載具(EV)、油電混合載具(HEV)、或插電式油電混合載具(PHEV)、電動兩輪載具(諸如電動腳踏車(E-腳踏車或電動機車(E-機車)、電動高爾夫球車、及電力儲存系統，然而，本發明不局限於此。
上述裝置之結構及製造方法在與本發明有關之技術中已為人熟知，且可省略詳細描述。
100‧‧‧圓筒形電池組
120‧‧‧電極組
121‧‧‧陰極
122/201‧‧‧陽極
123‧‧‧分隔件
130‧‧‧圓筒形罐
140‧‧‧頂蓋
150‧‧‧圓筒形中心插針
202‧‧‧陽極活性材料
203‧‧‧未塗覆陽極活性材料部分
210/310/410/510‧‧‧陽極翼片
211‧‧‧另一端
212‧‧‧熔接
300‧‧‧圓筒形電池組電池
301‧‧‧果凍捲型電極組
302‧‧‧電池組外殼
311/430/530‧‧‧超音波熔接
312‧‧‧電阻熔接
411‧‧‧另一層
412‧‧‧一層
420/520‧‧‧電極板
511‧‧‧銅層
從以下詳細描述並結合附圖，將更清楚暸解本發明之上述及其他目的、特徵及其他優點；該等附圖中：圖1為通常顯示慣用圓筒形電池組電池之垂直斷面圖；圖2為通常顯示根據本發明實施態樣之電極組的陽極之部分圖；圖3為通常顯示包括圖2之電極組的圓筒形電池組電池之透視圖；圖4為通常顯示根據本發明其他實施態樣之陽極翼片的側視圖；及圖5為通常顯示根據本發明另外的實施態樣之陽極翼片的側視圖。
現在，茲參考附圖詳細描述本發明較佳實施態樣。然而應注意的是，本發明範圍不受所舉例說明之實施態樣限制。
圖2為通常顯示根據本發明實施態樣之電極組的陽極之部分圖。
參考圖2，陽極201包括施加陽極活性材料202之塗覆陽極活性材料部分，及未施加陽極活性材料202之未塗覆陽極活性材料部分203。
藉由熔接212將由Cu-Ni合金所製成之陽極翼片210的一端附接至未塗覆陽極活性材料部分203。陽極翼片 210之另一端211可藉由電阻熔接附接至電池組外殼內部。
圖3為通常顯示包括圖2之電極組的圓筒形電池組電池之透視圖。
參考圖3，將圓筒形電池組電池300建構成具有果凍捲型電極組301係安裝在電池組外殼302中之結構。
尤其是，圓筒形電池組電池300係建構成具有陽極翼片310之一端係藉由超音波熔接311附接至構成電極組301之陽極的未塗覆陽極活性材料部分，且該陽極翼片310之另一端係藉由電阻熔接312附接至電池組外殼302之內部下端的結構。
圖4及5為顯示從側面觀看時附接至根據本發明之電極板的陽極翼片。參考圖4，陽極翼片410之一端係藉由超音波熔接430附接至電極板420之一端。陽極翼片410係建構成具有堆疊兩個由不同材料所製成之層的結構。附接至該電極板之一層412係由基於熔接展現黏著強度的Cu-Ni合金所製成的電極板。堆疊在層412上之另一層411係由銅製成。
參考圖5，另一方面，陽極翼片510係建構成具有堆疊不同材料製成之三層的結構。尤其是，陽極翼片510之一端係藉由超音波熔接530附接至電極板520之一端，且該陽極翼片510係建構成具有Cu-Ni合金上層及Cu-Ni合金下層係以銅層511配置在該Cu-Ni合金上層及該Cu-Ni合金下層之間的狀態堆疊之結構。在使用具有上述構造之 陽極翼片的情況下，陽極翼片之電阻降低，因此可防止因過熱所導致的問題，此外，可解決當陽極翼片附接至電極板或電池組外殼時因低耦合力所導致之製程相關問題。
下文，茲根據實例更詳細描述本發明；然而，以下實例僅用以說明本發明，因此，本發明之範圍不局限於以下實例。
<實施例1>
使用由元素比為97%之Cu、2%之Ni、0.5%之Si、及0.5%之Sn組成之Cu-Ni合金所製造的寬度為4mm、長度為50mm、及厚度為0.1mm之陽極翼片。
<實施例2>
將陽極活性材料施加至電流收集器之相對表面(不包括陽極電流收集器之陽極翼片附接部分)，然後藉由超音波熔接將根據實施例1所製造之陽極翼片的一端附接至未塗覆陽極活性材料部分，以製造陽極及製造包括該陽極之果凍捲型電極組。將該電極組插入圓筒形電池組外殼，然後藉由電阻熔接將該陽極翼片之另一端附接至該電池組外殼的內部下端，以製造圓筒形二次電池組。
<對照實例1>
根據與實施例1相同之方法製造陽極翼片，但該陽極翼片係由Ni(含量超過99%)製成。
<對照實例2>
根據與實施例2相同方法製造圓筒形二次電池組，但使用根據對照實例1所製造之陽極翼片。
<實驗實例1>
使用歐姆計測量根據實施例1及對照實例1所製造之陽極翼片的電阻。尤其是，測量在陽極翼片中流動之電阻數次。電阻之所測量實驗值的最大值、最小值、及平均值係示於下表1。
從表1可看出實施例1之含有Cu的陽極翼片之電阻大幅低於對照實例1的僅含Ni之陽極翼片的電阻。此揭露含有Cu之陽極翼片展現比僅含Ni之陽極翼片更高的導電性，因此具有降低陽極翼片之電阻、防止電池組劣化、及改善陽極翼片之安全性及操作效率的效果。
<實驗實例2>
使用歐姆計測量根據實施例2及對照實例2所製造之圓筒形二次電池組的電阻。使用由Ni製成之陰極翼片測量陰極以供參考。尤其是，測量在圓筒形二次電池組中流動之電阻數次。電阻之所測量實驗值的最大值、最小值、及平均值係示於下表2。
從表2可看出包括實施例2之含有Cu的陽極翼片之二次電池組的電阻大幅低於包括對照實例2的僅含Ni之陽極翼片的二次電池組之電阻。
雖然已基於舉例說明目的揭示本發明之較佳實施態樣，但熟習本領域之人士將明白在不違背如附錄申請專利範圍所揭示之本發明範圍與精神的情況下，各種修改、添 加及取代係屬可能。
產業應用性
從上述說明明顯看出，根據本發明之二次電池組的特徵在於一端係附接至電池組外殼之陽極翼片係由Cu-Ni合金製成。因此，由陽極翼片所產生之熱因該陽極翼片之相對高導電性而大幅減少。因此，可改善二次電池組之安全性。此外，防止電流流失。因此，可改善二次電池組之操作效率。
201‧‧‧陽極
202‧‧‧陽極活性材料
203‧‧‧未塗覆陽極活性材料部分
210‧‧‧陽極翼片
211‧‧‧另一端
212‧‧‧熔接

Claims (16)

  1. 一種二次電池組，其係建構成具有陰極/分隔件/陽極結構之電極組係安裝在電池組外殼中且呈該電極組係經電解質浸漬的狀態之結構，其中電極翼片係附接至該電極組之電極板的未塗覆活性材料部分，且陽極翼片係由Cu-Ni合金製成，此陽極翼片為電極翼片中一者且其一端係附接至電池組外殼。
  2. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該電池組外殼為圓筒形罐。
  3. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該電極組為果凍捲(jelly roll)，且建構成陰極片及陽極片呈捲繞狀態且分隔件配置在該陰極片與該陽極片之間的結構，且該Cu-Ni合金之Ni含量以該合金的總重量為基準計為0.05%至3%。
  4. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該Cu-Ni合金進一步含有至少一種選自Si及Sn之元素。
  5. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中Si之含量以該合金之總重量為基準計為0.05%至0.80%，及Sn之含量以該合金之總重量為基準計為0.10%至0.70%。
  6. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該陽極翼片係附接至電池組外殼之內部的下端。
  7. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該陽極翼片係藉由超音波熔接附接至該等電極板的對應者，且該陽極翼片之一端係藉由電阻熔接附接至該電池組外殼的內 部。
  8. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該陽極翼片係由寬度為2mm至8mm、長度為10mm至90mm、且厚度為0.05mm至0.5mm之條形構件形成。
  9. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該陽極翼片係建構成具有兩層結構，其中附接至電極板的對應者之一層為Cu-Ni合金層，及堆疊在Cu-Ni合金層上之另一層為銅層。
  10. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該陽極翼片係建構成具有三層結構，其中上Cu-Ni合金層及下Cu-Ni合金層係以銅層配置在該上Cu-Ni合金層與該下Cu-Ni合金層之間的狀態堆疊。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之二次電池組，其中該Cu-Ni合金進一步含有至少一種選自Si及Sn之元素。
  12. 如申請專利範圍第11項之二次電池組，其中Si之含量以該合金之總重量為基準計為0.05%至0.80%，及Sn之含量以該合金之總重量為基準計為0.10%至0.70%。
  13. 如申請專利範圍第1項之二次電池組，其中該二次電池組為鋰二次電池組。
  14. 一種電池組包，其包含如申請專利範圍第13項之鋰二次電池組作為單元電池。
  15. 一種裝置，其包含如申請專利範圍第14項之電池組包作為電源。
  16. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該裝置係選 自由以下所組成之群組：行動電子裝置、電動載具、油電混合載具、插電式油電混合載具、及電力儲存裝置。
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