TW475286B - Durable high density power supply - Google Patents

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A7 五、發明說明（Ί Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明關於設計併入電子装備上 度電源。 再无电之高能量密 費者電子及電裝置之電源需求，變化極大，通常 =由相^少之標準電池及單元構型所滿過去，滿足 工間限制）’決疋所需早元數，將其連接於_適當電路 以提供所望之電壓及容量。此_方法可在僅需要少數單 :可滿足性能需求之下’甚爲有效。但如應甩在膝上電 時，其容量需求較傳統單元構型容量大許多倍，即需要 量單元。爲此等裝置，圓筒形單元構型之電池單2， AA” ’ M/sa"及” 1 8 65 〇”型單元特別需要。此等單元可 各2組裝於一裝置内，或首先統合於封裝之電源中。封裝 之電電源或電池組合利用外殼或質輕之塑膠圍封，因其並 非保護單元之主要功能。特別是電腦，其總壽命能量消耗 爲其電池組容量之許多倍，附屬電池較主要電池爲更重 之選擇。同時，電子裝置設計之演進，越來越小及更輕 需要高能量密度之電源，及更有效利用空間，電源已日 小而輕。菇果，電源之設計者嘗試將標準構型單元於較 之包封中。但圓筒型附屬單元之特性妨害了此一目標。 量圓筒型單元無法有效組合或堆疊，因單元間空間被浪 。此外，標準筒型單元之尺寸太大而無法安裝於較小電 裝置中。此等單元形狀爲筒裝之原因爲，其包括一罐或 器，其必須作爲壓力容器。使用於大多數附屬單元（如鎳 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 元 腦 大 如 可 要 趨 大 費 子 容 •鎘 ------- t---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 475286 A7 B7 五、發明說明（2 ) 及鎳金屬氫化物系統）之單元化學性質，會在作業期間產生 氣體而必須限制。此合成之壓力無法實際及有效的限制在 ，具有大平面側邊之圍封中。圓筒型壓力容器在此目的上 更爲有效，但其會增加電源之總重量及降低間效率。容納 於棱柱形容器中之單元較圓筒型單元，在空間上更爲有效 ，因爲浪費較少之單元間空間。但容納單元之棱型容器易 受充氣影響，合成之内部壓力，必須由具有足夠之強度以 承受壓力之材料製造以克服，因此，使容納電源之可用體 積之有效利用受到影響。 爲提供具有高能量密度之低重量電，已發展出數種附屬 電化學電池單元。其係基於在作業壽命期間不產生充氣之 化學性質，因此，不需要壓力限制。此特性之一優點爲， 自消除限制結構而得之重量及體積之降低，結果，能量密 度可增加。第二特優點爲，可產生平面形狀之電池單元。 不需將單元電極裝配於圓筒型容器中，電極可製成平面形 ，因而形成低輪廓，高容量單元，可容納於許多小型電子 裝置中。此電源在供應如膝上電腦，細胞電話及其他行動 通話及計算裝置時，極爲有用，因爲此等裝置在一方向上 甚薄之故7此單元之一組，如鋰離子電池，鋰聚合物及鋰 硫單元等。 無堅固容器裝置之單元之缺點爲其較大之易受損性。上 述之單元組通常具有金屬錫箔或聚合物包封，將電極總成 密封。包封之目的爲防止電解液溢出，及將單元與外空氣 及環境隔離使不與其接觸。包封通常甚薄並加眞空密封， -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------·丨丨—訂--------1線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 475286 A7 B7 五、發明說明（3 ) 或吸空，或以熱密封單元以減少體積。此包封對於可損壞 單元結構，與外物接觸之保護不大。此型包封曾於美國專 利號碼5,487,958，授與Tura之專利中揭示。此型單元之處 理，不論裝配於有電源裝置中，或單元作業期間（交換電源 或電池再充電），可導致電極之損壞，及其他功能組件與外 界之碰撞。 爲監視充電及放電作業，此等單元多半包括連接之主動 或被動之電路元件。此等元件之型式爲電路板上，或相似 結構上之分立裝置或元件。此等充電或放電控制裝置，亦 易於受到外界之接觸而損壞，因而需要保護。 其他之危險係由，此單元中所用之鋰基電極之高能性質 造成。所用之鋰基材料，點火後可釋放大量能量。故可自 外部來源或内部短路產生之熱，或其他由單元受損，而引 起火災。因此，鋰基電極與容器之保護，在火災時極爲必 要。 因此需要一封裝之電源，其併入高容量之電化學單元於 能保護不受外力之包封中。此一電源可適於裝配於薄平面 電化學單元中。 發明之概逯 本發明提供一高能密度之電源包括一能量儲存裝置，如 在一持久性低容量封裝中之電化'學電池單元。提供一有圍 封結構之儲存裝置，其可爲有效之外力護罩，並具有低容 量，總能量密度可爲最大。 一對薄金屬蓋於空間分開，並由一周圍框將其在其邊緣 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------------------訂--------4 線 UP (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 475286 五、發明說明（ 擋護。在蓋子中間形成高度保護之空腔 之裝置可使框架體積最,】、。使用金屬爲蓋子3及蓋子 度，導致-堅固而低容積結構。備有絕 並降低厚 以將儲存裝置與導電蓋子分隔。或苔或/、他絕緣體 儲存裝置成電連接。本發明電源之能量：存=:=，與 平面之電化學單元型式，其它型 L較佳爲， 之保護。此等單元被句g 2 g '又到堅固圍封結構 #在…：早…馬易暴露及受外物接觸之損害。爲 使在不艮心處理環境中使用之持久性，其 馬 外部結構。亦被有利用電容器作能量#存之備選構型、。久< /共膝上電腦使用之電源之優點爲，可獲得之有框架 盖之較小厚度尺寸。利用此一大t旦 “ 〜用此大奋里 < 薄平面電化學單 ’如鐘基單元，可構成一薄，但高容量之電源。本發明包 括併入持久性電源之電爲動力之裝置。自以下之説明及兴 例，精於此技藝人士對本發明之額外優點及實施例，將; 更爲清晰。 圖式簡略説明 圖1爲本發明一實施例之電源之立體透視圖。 圖2爲圖1實施例之剖面圖。 圖3爲電·池組之剖面圖，其中之_蓋子未與圍封之單元絕 緣。 毯佳實施例之説明 圖1及2説明本發明一實施例之電源1 〇，其構成係將第_ 金屬片1 2配置於架2 0之第一側1 6之頂部（在此特別方向）。 第二蓋1 4同樣配置於框架2 0底部第二侧邊2 2上。框架係由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------訂--------ΙΑ ίΡ (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 475286 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 剖面積甚小之長形腳2 4形成。腳2 4之内表面限定一内框架 周圍26，其與蓋子之内表面28共同限定一空腔30。一平面 單元32及控制電路板34位於空腔30之内。第一蓋子12有 一切除部份36，其將電路板3 4上之接點38暴露。絕緣片 40配置於蓋子12與14，及單元32之間，作爲絕緣片將蓋 子12，14與單元32絕緣。將此等裝置絕緣之材料及方法， 對精於製造此裝置人士甚爲明顯。固定裝置如黏膠或雙面 膠帶（未示出），可用以將單元32及電路板34接合在一蓋子 上’以減少相對移動。圖式之尺寸並未與物相配，單元3 2 及框架20間之空間已放大便夠清楚。在實際裝置中，框架 20及蓋子12，14之尺寸與單元32之尺寸密切配合。 爲使能量密度最佳，框架及蓋子之尺寸，材料，及内聯 必須加以選擇，以使可用之内部空間最大，及使總電量最 小。框架及蓋子本身之結構必須體積最小。框架2 〇較佳由 ’貝輕之電絕緣之可注入模造之塑膠材料。框架之主要功 能爲隔片，另一功能爲將蓋子固定及擋護。框架可由注入 模造或其他相似方法。框架之高及厚度由所需容納單元3 2 ’及任何絕緣元件所需之空間決定，並限定該空間。框架 2 0之每一娜2 4之寬度，必須最小以使其中之可用空間最大 。框架寬度亦必須夠大，以提供與蓋子1 2，1 4之内聯。圖 2爲框架之腳24之剖面圖，説明一間隙46以接納一形成於 每一盍子12及14周圍上之唇部48。間隙46較佳較唇部48 I厚度爲寬，以容納許多接合劑，以便將蓋子用膠固定於 C采2 0之上。此等結構僅爲許多膠合蓋子及框架方法之一 本紙張尺㈣財目^X 29Ττ¥) --------^-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 475286

五、發明說明（6 ) ，其他方法包括穿線固定器通過蓋中之孔穴，#固定於框 架之插孔；塑膠鉸釘通過蓋子孔穴並在蓋子外表面放 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 接頭與孔穴型機構；及其他精於此技藝人士所熟知者。此 寺接合裝置之優點爲特別窄之框架腳寬度。在另一構型中 ’出現額外之中間腳用以將空腔間隔爲許多區域。此等區 域可用以容納電路，或與能量儲存裝置分開之元件或其他 目的0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 蓋子具有二重要功㉟。主要功能爲提供電源之適當硬度 士堅固m對單元之損冑及保#單元之作I。爲此， 蓋子必須有足夠強度及硬度，以防止單元變彎，及蓋子本 身之局部變形。在習知技藝中，將單元或單元組裝Z内部 之圍封，係以薄塑膠製成。塑膠圍封之優點爲質輕。但發 現塑膠無法提供足夠強度，除非電源之總厚度可由增加塑 膠厚度而增加。蓋子第二個功能爲作爲火災屏蔽，以防止 外部火到達單元，在單元内部起火時，能量自單元外洩。 工業標準已建立以供測試此目的之材料。大多數塑膠蓋子 必須至少爲MmnKO.O59吋），方能實施此一功能。在=薄 I電源中二其總厚度僅爲2.5 mm (0.098吋），大厚度之塑膠 盍子將減電源能量密度。本發明可滿足二蓋子之功能， 即用薄片金屬蓋子。雖然金屬片蓋子較塑膠爲重，但其強 度及防火功能可抵消此一缺點。利用夠薄之金屬片蓋子， 由框架分隔，形成之電源可提供對彎曲及外力改進之保護 ，及可達到防火之安全需要。在圖中之實施例中，蓋子12 ’ 1 4爲不銹鋼片製成，厚度爲〇 3 (0.012吋）。最小之不 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公髮3* 475286 A7 五、發明說明（7 銹鋼片厚度爲0.15-0.20 mm (0,0059-0.0079吋）。實際最大厚 度爲0.5 mm (0.020吋），超過此厚度較其他材料之優點即降 低。亦有可相比特性之其他金屬可用。 金屬蓋子之額外優點爲，因其高導熱性及大多數金屬之 客量，其熱擴散性增加。金屬片蓋子與一熱接觸或在其附 近，可提供足夠之傳導及熱容量，以擴散由作業或相同事 件引起之熱集中。金屬片蓋子亦可協助電源外產生之熱擴 散至電源之周邊，及遠離單元。此外，可製成緊密分隔之 金屬盍子以提供電磁場屏蔽，此爲許多電子裝置之一因數。 圖1中，一控制電路板34顯示在單元32之一端連接至終 端50。電路板34之結構及功能與特殊儲存裝置之需求有關 。接點3 8用以連接需供電之外部裝置。電源1 0可連接至具 有與電源10匹配之接點之外部插座。亦有一備選電連接方 式。在一備選中（未示出），延伸之線接頭連 ，並經由框㈣或蓋子12中之小孔…此接頭於H 至外裝置之一接點。在此構型中，蓋子之切除部份36則不 必要。另一備選中，線接頭連接電路板至框架或蓋子外之 一堅固接點。 在一相似備選中，蓋子12及14本身作用爲堅固電接點， 以提供至電路板或單元之連接β圖3所示之實施例中，其上 蓋子12未與單元絕緣。蓋子與單元32之傳導包封53直接連 接，或經中間導體連接。或者，如不需在單元與蓋子間絕 緣時，絕緣器不需存在。 圖2中，單元32包括一裝於彈性包封52中之一電極總成 ------------4 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁)

· I I I I « 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 475286 A7 B7_ 五、發明說明（8 ) 5 5。使用具有堅固限制結構，如需要容納電化學單元結構 之單元，但氣體並非本發明之考慮範圍。併入本發明之單 元3 2，否則未受保護；如電極之主動元件，易受自外面環 境之外力影響。由於包封5 2之薄彈性性質，對電極總成不 足以提供足夠之抗外力保護。 許多高能密度附屬電化學單元之設計利用鋰基陽極。此 處之”鋰基陽極’’係指單元之陽極（放電時負電極）包含以下 一或多個主要部份；經錫及構架，合金，混合物，插八 碳及插入之鋰導電聚合物。許多鋰基設計可提供高能密度 ，及可有薄，平面之單元結構。本發明之平面電化學單元 ，包括任何數目之可構型單元，以形成平面形狀。此等單 元可含共有以下特性之一組附屬單元；鋰基及僅有平面電 極；相當薄，及使用能量儲存化學性質，在作業壽命期間 ，不需包含足夠之氣體。此等附屬單元具有包在彈性包封 中之電極，並特別適應本發明之優點。其他負屬單元利用 片電極，構成非平面構型，如纏繞之電極總成。之後，此 等總成加以壓縮以其成爲平面形狀。此種單元，本發明亦 同樣予以考慮。此處所用之平面電極爲一種電極，其中每 一電極之i動材料（及任何非主動伴隨結構，如支撑膜及錫 箔）均位於一幾何平面中。並包括摺疊電極，其中之每一摺 疊均位於一幾何平面中。此種摺疊電極構成此處所用之平 面電化學單元。一平面電化學單元尚含，具有多個堆疊之 個別平面電極之單元。 本設計之優點，如與相當薄之平面單元共用時則最大， -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝--------訂--------1線up (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 475286 A7 B7

五、發明說明（9 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 較佳之電源具有最小之長寬比，至少爲1比8 (1 : 8 )。爲此 目的之”電源長寬比”之定義爲：電源之總厚度與最小之總 長度與寬度尺寸之比値（厚度爲相對側間之最小尺寸）。— 明顯之例子爲··具有外側尺寸3 X 30 X 40 mm(；0.12 X L2 X 1.57吋）之電源有一比十（1 : 1〇)之長寬比。長寬比高時， 保留薄金屬蓋子優點之能量金度與另一結構相較爲最大， 因後者之蓋子及框架之相對體積關係使然。但，自組合之 電源結構所得之保護性優點’亦存在於小長寬比裝置中。 在一併入平面41·聚合物電化學單元之高能密度電源之一 例中，單元厚度爲2.6 mm(0· 10吋）。爲使有空間供絕緣片於 單元之任一侧，及額外厚度供容差及變化，空腔之必須尺 寸爲約爲3.2 mm(0.13吋）。空腔尺寸與空腔内總組合件尺寸 間（圖2之間隙57)之差，應爲最小，較佳爲小於〇 5 mm(0.020吋）。利用厚度爲〇.3 mm(0.012吋）之不銹鋼蓋子， 總電源厚度僅爲3.8 mm(0.15吋），僅爲單元厚度之ι46〇/〇。 如果厚度爲1.5 mm(0· 059吋）作爲或屏蔽之塑膠蓋子之相同 構型相較，其厚度爲單元之240%。結果是用金屬蓋子之總 氣元也f金度較咼。不論特殊儲能裝置之能容量及體積， 當本發明之非主動結構元件有降低之體積時，電源之總能 量密度可爲最大。 以上討論僅供舉例。對精於此技藝人士而言，申請專利 範圍之新賴觀念之其他改變，當然可行。例如，雖然電源 電池單元較佳爲上述型式之附屬電化學單元，在另一實施 例中單元爲平面高能電容器，或需要抗外部環境之堅固屏簌 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} HST· -線« 475286 A7 _B7_ 五、發明說明（1〇 ) 之其他儲能裝置。適應或併入知名備選裝置或材料，目前 或將來均在考慮之内。本發明之範圍限定於以下申請專利 中 圍 範 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 7^^〇Ό、申請專利範 圍 Α8 Β8 C8 D8 2· 6 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一種持久性高能密度電源，含： 第一盖子’具有第一周圍邊緣，及第二蓋子，具有第 二周圍邊緣，每一蓋子含金屬片； 一框架，固定在二蓋子邊緣，以空間隔開構型擋護蓋 子；及 一未保護之儲能裝置配置於蓋子之間。 如申請專利範圍第1項之電源，其中·· 儲能裝置包含至少一平面電化學單元。 如申請專利範圍第2項之電源，其中： 該至少一電化學單元包含至少一平面電極總成，及一 彈性包封包圍在至少一平面電極總成。 如申請專利範圍第3項之電源，其中： 至少一電極總成爲一鐘基。 如申請專利範圍第4項之電源，其中： 長寬比爲至少一比八（1 : 8 )。 如申請專利範圍第5項之電源，其中： 一蓋子爲電連接至儲能裝置。 一種持久性高能密度電源，包含·· 一框架具有一内周園，及有彼此相對之第一及第 邊； 苐及第二蓋子，每一蓋子含金屬片，第一莒子 側 配置 於框架之第—側邊，第二蓋子配置於框架之第二侧邊， 蓋子及框架周圍限定一空腔； 一未保護之電化學單元配置於空腔中， ，並與二蓋子成 -14. K紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） I-------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 475286 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 電絕緣。 8. 如申請專利範圍第7項之電源，其中： 單元包含至少一鋰基電極總成及一彈性包封包圍該總 成0 --------------------訂---------線 ^_w. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）