TWI416776B - 電池極卷及其中心均熱構件 - Google Patents

Description

電池極卷及其中心均熱構件

本發明是有關於一種電池，且特別是有關於一種具有中心均熱構件所組合之均熱通道的電池。

在市面上，不論小至炙手可熱的攜帶式電子產品，或是大至代步用的汽機車，其中均裝設有電池。因此如何能降低電池生產成本，且可提供消費者一個安全且良好的電池，一直是業界努力的目標。

鋰電池因其擁有高功率(輸出)及高能量密度而被廣泛的應用。一般而言，鋰電池內部具有由正極層、隔離層與負極層構成的極卷，其中隔離層使得正極層與負極層不會直接接觸在一塊。此極卷係以層疊或捲繞的方式容納於電池容器中，且在該電池容器填滿電解液之後，該電池容器就被密封，該電池經過起始充電後就可被用以當作一電池。

由於鋰電池充放電時，極卷的每一個位置都會放出熱，而在正極層與負極層之間以及多層堆疊或捲繞的極捲之間的隔離層是熱的阻絕體，因此電池內部的熱將不易散出，而大量的蓄積在極捲內部。而且，由於正極層與負極層的基材是導電材料，因此電池內部的熱會由正極層與負極層傳導，而集結在極捲電流集結點。一般而言，為了能將電流導出以及使電池容器容易密封，極捲電流集結點通常是設置在電池中心，如此將使得大量的熱蓄積在電池中心，導致電池內部的溫度分佈不均。結果電池內部溫度的持續上升，意味者電池熱失控機會增加。一旦電池產生熱失控，最終可能導致電池爆炸。

習知有關於電池散熱的相關技術大多是採用在殼體上設置導熱層或散熱鰭片等方式，以使熱擴散至外部。但是，從電池殼體的外部移走熱，仍無法使電池內部的溫度分佈均勻也無法避免熱集中極捲電流集結點。

本發明提供一種電池極卷及其中心均熱構件，可以移走電池電流集結點之熱累積、降低電池組中各電池之溫度差異性，進而降低熱失控的發生。

本發明提出一種電池極卷的中心均熱構件，其包括主體部、第一電極匯集構件、第二電極匯集構件以及第一連接構件。主體部由高導熱材質構成。第一電極匯集構件與第二電極匯集構件分別設置於主體部的第一端與第二端，第二端與第一端相對。第一連接構件由高導熱絕緣材質構成。第一連接構件設置於主體部與第一電極匯集構件之間，以連接第一電極匯集構件與主體部。

在本發明之一實施例中，上述之第二電極匯集構件與主體部是一體成型，且由相同導電材料構成。

在本發明之一實施例中，上述之第二電極匯集構件與主體部的材質係選自金屬材質(鋁、銅、鎳等)與複合材料(如碳纖複合、高分子絕緣導熱複合材料等)所組之族群之其中之一。

在本發明之一實施例中，上述之第一連接構件的材質係選自高導熱絕緣塑膠(聚烯烴，Polyolefin)添加奈米碳球、金屬粉末或碳粉等所組之族群之其中之一。

在本發明之一實施例中，上述之第一電極匯集構件的材質係選自金屬材質(鋁、銅、鎳等)與複合材料(如碳纖複合、高分子絕緣導熱複合材料等)所組之族群之其中之一。

在本發明之一實施例中，上述之第一連接構件設置有接合槽，且主體部的第一端設置有凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於接合槽上。

在本發明之一實施例中，上述之第一電極匯集構件具有連接部以及彎折部。彎折部設置成垂直於連接部。

在本發明之一實施例中，上述第一連接構件設置有接合槽，且第一電極匯集構件的連接部設置有凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於接合槽上。

在本發明之一實施例中，上述之電池極卷的中心均熱構件更包括第二連接構件。第二連接構件由高導熱絕緣材質構成。第二連接構件設置於主體部與第二電極匯集構件之間，以連接第二電極匯集構件與主體部。

在本發明之一實施例中，上述第二連接構件的材質係選自高導熱絕緣塑膠(聚烯烴，Polyolefin)添加奈米碳球、金屬粉末或碳粉等所組之族群之其中之一。在本發明之一實施例中，上述第一連接構件與第二連接構件上分別設置有接合槽，主體部的第二端與該第一端分別設置有凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於接合槽上。

在本發明之一實施例中，上述第一極電極匯集構件與該第二電極匯集構件分別具有連接部以及彎折部。彎折部設置成垂直於連接部。

在本發明之一實施例中，上述第一連接構件與第二連接構件上分別設置有接合槽，第一電極匯集構件與第二極電極匯集構件的連接部分別設置有凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於接合槽上。

在本發明之一實施例中，上述主體部內部設有多個開口，且開口中填滿吸熱材料。

在本發明之一實施例中，上述主體部內部設有多個毛細孔，且主體部內部填充有吸熱材料。

在本發明之一實施例中，上述中心均熱構件為圓柱狀或平板狀。

本發明提出一種電池極卷，包括上述的中心均熱構件以及極片。極片至少包括正極層與負極層，極片捲繞在中心均熱構件外部。

在本發明之一實施例中，上述正極層具有多個正極導接部，連接至第一電極匯集構件；負極層具有多個負極導接部，連接至第二電極匯集構件。

本發明之中心均熱構件由高導熱材質構成。因此整個中心均熱構件可以快速的導熱，使電池內部的溫度分佈均勻，而可避免熱集中極捲電流集結點。而且，藉由電池外部設置的散熱裝置，也可快速的將電池內部的熱量抽走。此外，中心均熱構件的兩末端亦可以設計成具有彎折部，此彎折部係作為端子連接部，並可以用作為散熱鰭片。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明提出一種電池結構，具有中心均熱構件與端蓋組。

中心均熱構件例如設置於極捲內部。中心均熱構件例如由主體部、電極匯集構件與連接構件所組成。中心均熱構件的主體部由高導熱材質構成；連接構件由高導熱絕緣材質構成；且電極匯集構件由導電材質構成。因此整個中心均熱構件可以快速的導熱與分散熱量，使電池內部的溫度分佈均勻，而可避免熱集中極捲電流集結點。而且，藉由電池外部設置的散熱裝置，也可快速的將電池內部的熱量抽走。此外，中心均熱構件的兩末端亦可以設計成具有彎折部，此彎折部係作為端子連接部，並可以用作為散熱鰭片。

端蓋組例如由極卷組合構件、端子結合構件、電極端子、強度補強塊、端蓋以及墊片組構成。極卷組合構件具有可使端子設置部穿過的開口，而將多個極卷組合在一起。其中，端子設置部例如是由極卷的中心均熱構件的兩端的彎折部形成。電極端子與彎折部連接，且電極端子例如由導電部以及環繞導電部的導熱部構成。在電池內部，導電和導熱為同一路徑，但利用此電極端子分開導電路徑與導熱路徑。導熱部與電池外部設置的散熱裝置連接，而可以快速的將電池內部的熱量抽走與分散熱量、降低電池組中各電池之溫度差異性，進而降低熱失控的發生。

圖1A所繪示為一實施例的電池極卷的中心均熱構件的結構示意圖。圖1B所繪示本發明一實施例的中心均熱構件的結構剖面示意圖。圖1C所繪示本發明另一實施例的中心均熱構件的結構剖面示意圖。圖1B與圖1C所繪示為圖1A中沿A-A線之結構剖面示意圖。在圖1A、圖1B與圖1C中以方形的中心均熱構件為例做說明。

如圖1A所示，電池極卷的中心均熱構件100例如由主體部102、連接構件104、106與電極匯集構件108、110構成。

主體部102由高導熱材質構成，其中高導熱材質的傳導係數高於10 W/mK。主體部102的材質可以是導電材質，也可以是絕緣材質。主體部的材質係選自金屬材質(鋁、銅、鎳等)與複合材料(如碳纖複合、高分子絕緣導熱複合材料等)所組之族群之其中之一。主體部102的兩端例如設置有凸緣102a、102b。在本發明之一實施例中，如圖1B所示，主體部102內部設有多個開口102c，該些開口102c中填滿吸熱材料102d。在本發明之另一實施例中，如圖1C所示，主體部102內部設有多個毛細孔，且主體部102內部填充有液體或氣體的吸熱材料。

連接構件104、106由高導熱絕緣材質構成，用以分開正、負極兩電極，以避免短路。高導熱絕緣材質的傳導係數高於10 W/mK。連接構件104、106的材質係選自高導熱絕緣塑膠(聚烯烴，Polyolefin)添加奈米碳球、金屬粉末或碳粉等所組之族群之其中之一。連接構件104、106例如設置於主體部102的兩端。連接構件104連接電極匯集構件108與主體部102；連接構件106連接電極匯集構件110與主體部102。連接構件104、106上分別設置有多個接合槽104a、104b、106a、106b。

電極匯集構件108、110由導電材質構成，分別作為正極電極匯集構件與負極電極匯集構件。電極匯集構件108、110的材質係選自金屬材質(鋁、銅、鎳等)與複合材料(如碳纖複合、高分子絕緣導熱複合材料等)所組之族群之其中之一。電極匯集構件108、110具有連接部108a、110a與彎折部108b、110b。彎折部108b、110b設置成垂直於連接部108a、110a。而且，在連接部108a、110a設置有凸緣108c、110c。

電極匯集構件108、110的凸緣108c、110c以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於接合槽104a、106a上。主體部102的凸緣102a、102a以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於接合槽104b、106b上。

由於本發明之中心均熱構件100的主體部102由高導熱材質構成；連接構件104、106由高導熱絕緣材質構成；且電極匯集構件108、110由導電材質構成。因此整個中心均熱構件100可以快速的導熱與分散熱量，使電池內部的溫度分佈均勻，而可避免熱集中極捲電流集結點。

在上述實施例中，雖然以方型的中心均熱構件為例做說明，但是本發明的中心均熱構件的形狀可以對應電池的形狀以及結構而改變，因此中心均熱構件亦可以為圓柱形等。

圖1D所繪示為另一實施例的電池極卷的中心均熱構件的結構示意圖。

如圖1D所示，本發明的中心均熱構件也可以只具有一個連接構件106，其中第二電極匯集構件108與主體部102是一體成型，且由相同導電材料構成。

接著說明本案的電池極卷，圖2所繪示為本發明一實施例的電池極卷的結構示意圖。在圖2中，構件與圖1A相同者給予相同的標號並省略其說明。

如圖2A所示，在電池極卷200具有中心均熱構件100與至少一極片202。中心均熱構件100的結構如圖1A所示。

極片202包括正極層204、隔離層206、負極層208與隔離層210依序堆疊而成。在本實施例中，極片202例如是捲繞設置在中心均熱構件100上。

正極層204例如是表面塗佈有正極活性物質的鋁箔、鎳箔、不鏽鋼箔等金屬箔。正極活性物質包括鋰過渡金屬氧化物，其中就容量或循環特性等平衡觀點而言，例如是鈷酸鋰。負極層208例如是表面塗佈有負活性物質的銅箔、鎳箔、不鏽鋼箔等金屬箔。負極活性物質包括碳材料。於正極層204的一側設有未塗佈有正極活性物質的正極導接部212(留白部分)，此正極導接部212連接至匯集構件110。於負極層208的一側設有未塗佈有負活性物質的負極導接部214(留白部分)，此負極導接部214連接至匯集構件108。正極導接部212與負極導接部214(留白部分)形成一層層堆疊區域，直接將留白部分多層焊接於中心均熱構件的金屬部分(電極匯集構件)。因此正極層204(例如：鋁箔)、負極層208(例如：銅箔)將形成散熱鰭片，經過中心均熱構件金屬部分(電極匯集構件)收集熱電後傳導至端子部位後再用電池外部散熱裝置抽取熱量。

隔離層206與隔離層210的材質包括有機高分子材料(例如：包含聚丙烯或聚乙烯等之聚烯烴系材料之多孔質膜)或無機材料(例如陶瓷製之不織布等之多孔質膜)。隔離層206與隔離層210可為單層結構亦可為多層結構。

在電池極卷200之結構中，首先將中心均熱構件100卡入捲繞機(圖中未示)，再覆上一層隔離層於中心均熱構件100上(圖中未示)，將捲繞機之頂端旋轉至少乙圈以上，使該隔離層完全包覆中心均熱構件100，然後在該隔離層間依序加入正極層204、負極層208並開始捲繞，使正極層204、隔離層206、負極層208與隔離層210繼續包覆該中心均熱構件100捲繞成極卷300。另外，於該中心均熱構件100、正極層204、負極層208之間注入電解液(例如鋰離子溶液)，而形成導電功能。

在上述實施例的電池極卷200中，在中心均熱構件100兩端設置電極匯集構件108與電極匯集構件110。極片202的正極導接部210與負極導接部214例如分別焊接在電極匯集構件110與電極匯集構件108上，即構成所謂極捲電流集結點。由於整個中心均熱構件100由高導熱材質構成，而可以快速的導熱與分散熱量。因此，在電池內部所蓄積的熱可以經由中心均熱構件100將熱散出。因此，藉由中心均熱構件100可以移走電池內部以及電池電流集結點之熱累積或分散熱量、降低電池組中各電池之溫度差異性，進而降低熱失控的發生。

圖3所繪示為本發明之一實施例的端蓋組的結構示意圖。圖4所繪示為本發明之一實施例的電池的結構示意圖。圖5A至5B所繪示為本發明之一實施例的電池的結構部分示意圖。

如圖3所示，本發明之電池的端蓋組例如由極卷組合構件302、端子結合構件304、電極端子306、強度補強塊308、端蓋310以及墊片組312構成。

極卷組合構件302至少具有開口302a，以使極卷的端子設置部可穿過開口302a。端子設置部由極卷的中心均熱構件的兩端的彎折部形成(如圖2所示)。

電極端子306包括導電部306a以及環繞導電部306a的導熱部306b。電極端子306的材質例如是銅或鋁。強度補強塊308的材質例如是不鏽鋼。

墊片組312係選自絕緣墊片312a、312c與氣密墊片312b所組之族群。

端子結合構件304、電極端子306、強度補強塊308、端蓋310以及墊片組312依序結合於極卷組合構件302之上。端子結合構件304例如是以螺絲316a、316b固定在極卷組合構件302上。墊片組312、端蓋310、強度補強塊308以及電極端子306例如是以螺絲318a、318b固定在端子結合構件304上。墊片組312、端蓋310以及強度補強塊308例如是以螺絲320a、320b、320c、320d固定在電極端子306上。

如圖4所示，本發明之電池，其組成包括多個電池極卷200、二端蓋組300與外殼體400。在本實施例中，以組合4個極卷200為例作說明，當然也可以視實際需要或設計而組合適當個數的極卷200。

4個極卷200並列配置，以兩個極卷200為一組，且兩端的彎折部以相對的方式配置。這些彎折部構成一個平面區域，而作為端子設置部402。如圖5A所示，端子設置部402(彎折部)的面積遠大於中心均熱構件的截面積，因此可有效的於中心均熱構件和端子連接界面中傳導熱。

然後，利用兩個極卷組合構件302從兩端將電池極卷200組合在一起，電池極卷200的彎折部(端子設置部402)穿過極卷組合構件上的開口302a。

接著，以螺絲將端子結合構件304固定於極卷組合構件302上。在套上外殼體400之後，再利用螺絲將電極端子、強度補強塊、端蓋以及墊片組構成的端子組404結合於極卷組合構件304之上。如圖5B所示，電極端子的面積涵蓋端子設置部402(中心均熱構件的彎折部)面積，電流路徑可以均勻分布在每一極卷中。

在上述實施例的電池中，電極端子的面積涵蓋端子設置部(中心均熱構件的彎折部)面積，電流路徑可以均勻分布在每一極卷中。而且，端子設置部的面積遠大於中心均熱構件的截面積，因此可有效的於中心均熱構件和端子連接界面中傳導熱，而可以降低電池組中各電池之溫度差異性，進而降低熱失控的發生。

在上述實施例中，雖然分別以方型電池與圓筒型電池為例做說明，但是本發明可適用於各種形狀的電池。因此，中心均熱構件的形狀可以對應電池的形狀以及結構而改變。而且，端蓋組的形狀亦可以對應電池的形狀以及結構而改變。

綜上所述，本發明的中心均熱構件由高導熱材質構成，而可以快速的導熱與分散熱量。因此，在電池內部所蓄積的熱可以經由中心均熱構件將熱散出、降低電池組中各電池之溫度差異性，進而降低熱失控的發生。

而且，由於電池內部產生的熱大多會集結在極捲的電流集結點(正極匯集構件與負極匯集構件)，因此藉由使極捲的電流集結點具有彎折部之設計，彎折部的面積遠大於中心均熱構件的截面積，因此可有效的於中心均熱構件和端子連接界面中傳導熱，而且電極端子的面積涵蓋端子設置部(中心均熱構件的彎折部)面積，電流路徑可以均勻分布在每一極卷中，而可以降低電池內部之溫度差異性，進而降低熱失控的發生。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．中心均熱構件

102．．．主體部

104、106．．．連接構件

108、110．．．電極匯集構件

102a、102b、108c、110c．．．凸緣

102c、302a．．．開口

102d．．．吸熱材料

104a、104b、106a、106b．．．接合槽

108a、110a．．．連接部

108b、110b．．．彎折部

200．．．電池極卷

202．．．極片

204．．．正極層

206、210．．．隔離層

208．．．負極層

212．．．正極導接部

214．．．負極導接部

300．．．端蓋組

302．．．極卷組合構件

304．．．端子結合構件

306．．．電極端子

308．．．強度補強塊

310．．．端蓋

312．．．墊片組

306a．．．導電部

306b．．．導熱部

312a、312c．．．絕緣墊片

312b．．．氣密墊片

316a、316b、318a、318b、320a、320b、320c、320d．．．螺絲

400‧‧‧外殼體

402‧‧‧端子設置部

404‧‧‧端子組

圖1A所繪示為一實施例的電池極卷的中心均熱構件的結構示意圖。

圖1B所繪示本發明一實施例的中心均熱構件的結構剖面示意圖。

圖1C所繪示本發明另一實施例的中心均熱構件的結構剖面示意圖。

圖1D所繪示為另一實施例的電池極卷的中心均熱構件的結構示意圖。

圖2所繪示為本發明一實施例的電池極卷的結構示意圖。

圖3所繪示為本發明之一實施例的端蓋組的結構示意圖。

圖4所繪示為本發明之一實施例的電池的結構示意圖。

圖5A至5B所繪示為本發明之一實施例的電池的結構部分示意圖。

100．．．中心均熱構件

102．．．主體部

104、106．．．連接構件

108、110．．．電極匯集構件

102a、102b、108c、110c．．．凸緣

104a、104b、106a、106b．．．接合槽

108a、110a．．．連接部

108b、110b．．．彎折部

Claims (18)

1. 一種電池極卷的中心均熱構件，包括：一主體部，由高導熱材質構成；一第一電極匯集構件與一第二電極匯集構件，設置於該主體部的一第一端與一第二端，該第二端與該第一端相對；以及一第一連接構件，由高導熱絕緣材質構成，設置於該主體部與該第一電極匯集構件之間，以連接該第一電極匯集構件與該主體部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第二電極匯集構件與該主體部是一體成型，且由相同導電材料構成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第二電極匯集構件與該主體部的材質係選自金屬材質與複合材料所組之族群之其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一連接構件的材質係選自高導熱絕緣塑膠添加奈米碳球、金屬粉末或碳粉等所組之族群之其中之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一電極匯集構件的材質係選自金屬材質與複合材料所組之族群之其中之一。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一連接構件設置有一接合槽，且該主體部的該第一端設置有凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於該接合槽上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一電極匯集構件包括：一連接部；以及一彎折部，設置成垂直於該連接部。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一連接構件設置有一接合槽，且該第一電極匯集構件的該連接部設置有一凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於該接合槽上。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，更包括：一第二連接構件，由高導熱絕緣材質構成，設置於該主體部與該第二電極匯集構件之間，以連接該第二電極匯集構件與該主體部。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第二連接構件的材質係選自高導熱絕緣塑膠添加奈米碳球、金屬粉末或碳粉等所組之族群之其中之一。
11. 如申請專利範圍第9項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一連接構件與該第二連接構件上分別設置有一接合槽，該主體部的該第二端與該第一端分別設置有一凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於該接合槽上。
12. 如申請專利範圍第9項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一極電極匯集構件與該第二電極匯集構件分別包括： 一連接部；以及一彎折部，設置成垂直於該連接部。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該第一連接構件與該第二連接構件上分別設置有一接合槽，該第一電極匯集構件與該第二極電極匯集構件的該連接部分別設置有一凸緣，並以卡筍方式固定或螺絲、鉚合方式或焊接方法固定於該接合槽上。
14. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該主體部內部設有多個開口，該些開口中填滿吸熱材料。
15. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該主體部內部設有多個毛細孔，且該主體部內部填充有吸熱材料。
16. 如申請專利範圍第1項所述之電池極卷的中心均熱構件，其中該中心均熱構件為圓柱狀或平板狀。
17. 一種電池極卷，包括：如申請專利範圍第1項至第15項任一項所述的中心均熱構件；以及一極片，至少包括一正極層、一第一隔離層、一負極層與一第二隔離層依序堆疊而成，該極片捲繞在該中心均熱構件外部。
18. 如申請專利範圍第17項所述之電池極卷，其中該正極層具有多個正極導接部，連接至該第一電極匯集構件；以及該負極層具有多個負極導接部，連接至該第二電極匯集構件。