TWI462371B - 電池單元設計以及其建構方法 - Google Patents

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Description

電池單元設計以及其建構方法
本發明大體上是關於電化電池單元。更特定言之，本發明是關於緊密、穩固、多功能且極易製造之可再充電之電池單元。
增加電化單元(electrochemical cell)之放電容量為電化單元以及電池製造商的不斷追求的目標。通常存在著對給定類型之單元或電池之體積施加限制的某些最大外部尺寸。這些最大尺寸可由工業標準或由單元或電池可放入之設備中的可用空間量來強制設定。由於其他基本的、但卻是惰性的組件(例如，容器、密封件、端子、集電器(current collector)以及分離器(separator))亦佔據體積，因此僅體積之一部分可用於電化放電反應所需之材料(電化活性材料以及電解質)。在單元內亦需要一定量的空隙體積以容納反應產物以及歸因於其他因素(諸如增大的溫度)之材料體積的增加亦可被容納。為了使具備有限體積或設定體積之單元或電池中的放電容量最大化，則所希望者是使惰性組件之體積以及空隙體積最小化。
習知電池單元設計併入單開口端稜柱形或圓柱形單元罐以及一個匹配的單元端帽(end cap)，所述端帽用於將單元之內部組件氣密地密封使其與外界隔離。單元端帽之構造以及設計以及其安裝至單元罐的方式可直接影響如何“啟動”單元或如何藉由電解質使單元內部飽和，單元如何在不安全之高壓事件期間排氣，以及單元之內部活性材料如何連接至其外部電源端子(power terminal)。
通常藉由以下方法來啟動圓柱形單元：首先以電解質使單元內部組件飽和，且接著組裝端帽至罐。由於電解質之存在，會使在已啟動單元之後在單元罐與單元端帽之間形成穩固氣密式密封件之嘗試被複雜化。當在此接縫處使用熔接過程時此變得尤為正確。習知圓柱形電池單元設計藉由以下方法來避免此問題：使用非熔接技術(諸如，壓著(crimping))在電解質填充之後將端帽密封至罐。這些壓著技術並非對單元體積之有效使用且減小單元之總能量容量。
習知稜柱形單元設計在啟動單元之前在端帽與罐之間形成氣密且具體積效率之熔接接合。通常藉由以電解質使內部組件飽和來達成稜柱形單元中之啟動，所述電解質經由密封端帽中之小開口(稱為填充孔)而引入。在完成啟動之後，接著藉由各種手段氣密地密封此填充孔。在熔接單元設計中，氣密地密封此填充孔之任務具有挑戰性。通常藉由添加零件以及某種固化黏著劑或額外熔接來達成此密封，從而導致在單元使用期間必須管理之在填充孔上的突起。另外，通常偏離中心安置此填充孔以將使用中央位置之優先權讓給電源端子。在具體積效率之單元設計中，此填充孔所在之壁的厚度通常很薄，使得密封甚至更具挑戰性。結果為一種很不可控制、不可靠且礙事的填充孔密封。
在儲存期間、在正常操作期間且尤其在常見之誤用(abuse)條件(諸如強制深度放電以及為原電池充電)下電化單元能夠產生氣體。設計單元以受控方式來釋放內部壓力。常見方法為提供釋壓機構或排氣孔，其在內部壓力超過預定位準時自單元釋放氣體。由於一般需要在排氣孔與其他單元或電池組件之間留有間隙以便確保機構之適當機械操作，因此釋壓孔通常佔據額外之內部體積。
使用一複雜的閥來使圓柱形單元排氣，所述閥經設計以當最初達到某內部壓力時切斷電流且接著當單元經受更高的內部壓力臨限值時最終將打開。當閥致動時，通常認為單元為不可用的。圓柱形單元中之排氣孔機構傾向於“隱藏”在電池端子下，以使得其佔據端帽上之較小空間。除了耗費原本可用於單元容量之有用單元體積之外，此導致在端帽中的一系列較小排氣“窗”，其經設計以允許氣體在高壓事件期間逸出。通常，當單元經受此類型之事件時，除氣體以外之材料試圖經由此排氣孔逸出此單元且最終會阻塞這些窗。此使所述排氣孔之用途失效，使氣體無法逸出且該單元最終到達臨界內部壓力且通常會爆炸。
由於與圓柱形單元相同之原因，使得在稜柱形單元中發生排氣，但通常較少由於機構而更多是由於機械應力集中增大之區域。稜柱形單元中之典型排氣孔設計為在特定壓力下破裂之經設計之孔。即使在稜柱形單元中，亦通常故意使排氣孔非常小以便與填充孔以及電池端子共用端帽空間。這些較小排氣孔可導致類似之阻塞以及最終相同之爆炸。
電化單元之另一組件為集電器。較小導電集電器或接頭通常在單元之內部活性材料與其外部電源端子之間形成連接。歸因於化學相容性以及腐蝕問題，這些接頭限於少數幾種金屬類型(視接頭是在單元之陽極(－)電位還是陰極(＋)電位上而定)。大多圓柱形單元用鋼合金來製造其罐，此迫使所述罐處於陽極(－)電位。此允許活性內部陽極材料藉由熔接至罐之簡易單一集電器(接頭)而直接連接至該罐。在典型圓柱形單元設計中，活性之內部陰極材料接著連接至端帽上之電源端子。通常，端帽為由鋁與鋼製成之複雜的複合設計。
包含於習知稜柱形電池端帽內之典型電池單元特徵包含：填充孔，其允許在製造過程期間啟動此單元；閥，其允許單元在不安全的內部高壓事件期間排氣；以及電源端子，其允許單元傳遞能量至外界。
需要解決習知圓柱形及稜柱形電池之上述及其他限制的改良。
本發明提供一種緊密、穩固、多功能且極易製造之可再充電之電池單元。該單元設計將最小的內部體積專用於單元之惰性組件。此部分地藉由將多種功能性提供至個別單元組件來實現。
單元之主要封裝包含鋁合金。單元具有用於正極端子以及負極端子之兩個較大、對稱地居中之電源端子，其能夠與外部接觸件達成清潔之接觸或強固的熔接接合。這些端子為單元之兩個端帽之整體部分。一個或兩個端帽亦充當一種經由對稱地居中之填充孔來啟動(以電解質填充)此單元、將單元氣密地密封使其與外界隔離的構件。一個或兩個端帽亦可用來經由所設計之排氣劃線(vent score)而排出此單元內之高壓內部氣體。
在本發明之一態樣中，用作電化電池單元容器之金屬罐包含：側壁，其界定第一開口端及第二開口端；第一金屬端帽，其安置在側壁之第一開口端處且具有內表面及外表面；端子板(terminal plate)，其焊接至第一端帽之外表面(external face)；以及第二金屬板，其安置在側壁之第二開口端處。
在一或多個實施例中，第一金屬板包含鋁，及/或第一金屬板之外表面為鍍鎳者，及/或第一金屬板之端子板包含鎳。鎳板具有在約75 μ m至約125 μ m之範圍內之厚度，及/或鎳板熔接至第一金屬板，及/或所述板為電阻式點熔接或超音波熔接者。
在本發明之一或多個實施例中，第一金屬板熔接至側壁之第一末端，及/或第二金屬板與側壁之第二末端整合以形成封閉端，及/或第二金屬板熔接至側壁之第二末端，及/或第二金屬板藉由壓著而密封至側壁之第二末端。側壁及第二金屬板包含鋁。
在一或多個實施例中，金屬更包含一種在第一金屬板之外表面及內表面之至少一者中的環形槽(annular groove)，其中所述槽在第一金屬板中產生厚度減小的弧。
在一或多個實施例中，環形槽安置在第一金屬帽之周邊與焊接端子之間。弧在約150度至約360度之範圍內，或弧在約300度至約180度之範圍內。當暴露至一種大於預定位準之壓力差(differential)時，所述板能夠在所述弧處斷裂。
本發明之另一態樣提供一種製造用於電化電池單元容器中之端帽的方法，其包含：提供具有內表面及鍍鎳外表面之鋁端帽；點熔接一種端子板至端帽之鍍鎳外表面；以及焊接所述已完成點熔接之端子板至端帽以形成機械上強固的熔接。
在一或多個實施例中，焊接為回流焊接。
在一或多個實施例中，鎳板具有在約75 μ m至約125 μ m的範圍內之厚度。
在一或多個實施例中，所述方法更包含將環形槽引入鋁端帽之外表面及內表面之至少一者中，其中所述槽在端帽中產生厚度減小的弧。
在一或多個實施例中，將槽衝壓入或刻入於端帽中。
在本發明之另一態樣中，用於電化設備中之金屬端帽包含：具有上表面及下表面之金屬端帽；以及端子板，其焊接且點熔接至端帽之上表面。
在一或多個實施例中，金屬端帽包含鋁，或端帽之上表面為鍍鎳的，或端子板包含鎳。鎳端子板具有在約75 μ m至約125 μm的範圍內之厚度。
在本發明之另一態樣中，電化單元包含：電極套件，其包含正電極、負電極以及電解質；鋁容器，其收容電極套件且包含側壁以及上開口端及下開口端；及第一鋁端帽，其雷射熔接至鋁容器之上開口端；以及第二鋁端帽，其雷射熔接至鋁容器之下開口端，其中第二端帽比容器側壁厚至少50%。
在一或多個實施例中，容器包含鋁合金。
在一或多個實施例中，上述單元更包含用於將電解質引入容器內部之在第二端帽中的中心填充孔(fill hole)。在本發明之另一態樣中，電化設備包含：電極套件，其包含正電極、負電極以及電解質；圓柱形容器，其收容電極套件且具有至少一開口；端帽，其經安置以覆蓋開口，所述端帽界定一種定位於中心之填充孔；以及插塞，其密封地安置於定位於中心之填充孔中。
在一或多個實施例中，插塞用作將設備連接至外部連接的端子。
在一或多個實施例中，插塞包含：密封部件，其密封地安置於填充孔中；以及可變形金屬嵌入件，其能夠壓抵住密封部件以形成不透液體之密封。
在一或多個實施例中，定位於中心之填充孔包含饋通(feed through)入口，其合適地安置於孔內且連接至設備之內部。
在一或多個實施例中，饋通入口包含：鉚釘(rivet)，其具有界定對應於填充孔之孔且延伸於端帽外表面之一部分之上的實質上平頭以及延伸至圓柱形容器內部之空心桿；以及鉚釘背襯，其安置於端帽之內表面處且與鉚釘桿之遠側部分嚙合。
在一或多個實施例中，填充孔更包含：上絕緣部件，其安置於鉚釘與端帽之間且界定對應於填充孔之孔；以及下絕緣部件，其安置於端帽與鉚釘背襯(backing)之間。
在一或多個實施例中，鉚釘包含鍍鎳鋼，及/或容器包含鋁及/或端帽包含鋁。
在一或多個實施例中，端帽在設備之負極端處或端帽在設備之正極端處。
在一或多個實施例中，插塞包含塑料密封件以及金屬嵌入件。
在一或多個實施例中，端帽熔接至容器之開口端。
在一或多個實施例中，端帽熔接至容器之開口。
在一或多個實施例中，容器更包含：第二開口，其在容器之相對端處；以及第二端帽，其經安置以覆蓋第二開口。
在一或多個實施例中，第二端帽熔接至容器之第二開口。
在一或多個實施例中，第二端帽藉由壓著密封而密封至容器之第二開口。
在一或多個實施例中，第二端帽包含鋁。
在本發明之另一態樣中，以電解質填充電化單元之方法包含：(a)提供電化套件，其包含收容於具有至少一開口之圓柱形容器中之正電極及負電極；以及密封開口之端帽，端帽界定一種定位於中心之填充孔；(b)將電解質經由填充孔引入設備內部；以及(c)藉由插塞來密封該填充孔。
在一或多個實施例中，密封該填充孔之步驟包含：適當地將密封件安置於填充孔中；以及將可變形金屬嵌入件壓入密封之填充孔中。
在本發明之另一態樣中，電化設備包含具有側壁及上表面以及下表面之螺旋捲繞電化套件，所述電化套件包含：插入於正電極與負電極之間的分離器，正電極包含具有沈積於其上之正電活性材料層的正集電器，所述集電器具有無塗層之邊緣部分，負電極包含具有沈積於其上之負電活性材料層的負集電器，所述集電器具有無塗層之邊緣部分，其中該正電極及負電極之無塗層邊緣部分在螺旋捲繞套件之相對面上；多個導電接頭，其與正集電器以及負集電器之至少一者的無塗層部分電性接觸且自集電器向外延伸，其中該正集電器及負集電器之至少一者的接頭彼此隔開，以使得導電接頭位於螺旋繞組之所述面之預定區域內以便當折向螺旋捲繞面之中心時接頭相交且折至螺旋繞組之所述面之第二相對區域中。
在一或多個實施例中，設備包含用於正電極與負電極之接頭。
在一或多個實施例中，在螺旋繞組之面上在相對於彼此100度以內的範圍中對準接頭。
在一或多個實施例中，在螺旋繞組之面上在相對於彼此90度以內的範圍中對準接頭。
在一或多個實施例中，接頭具有不同長度。
在一或多個實施例中，選擇接頭長度以使得當折疊時接頭之末端被對準。
在一或多個實施例中，此設備包含用於每一電極之四個接頭。
在一或多個實施例中，此設備包含每電極之3至10個接頭。
在一或多個實施例中，此設備在每200 cm2 電極面積中包含1個接頭。
在一或多個實施例中，將每一電極之接頭緊固至連接片。
在一或多個實施例中，連接片電性連接至罩殼(case)之端子，所述罩殼收容螺旋捲繞之電化套件(assembly)。
在本發明之另一態樣中，組裝電化設備之方法包含：將分離器插入於正電極與負電極之間以形成多層電極套件，所述正電極包含具有沈積於其上之正電活性材料層的正集電器，所述負電極包含具有沈積於其上之負電活性材料層的負集電器，其中集電器之每一者具有無塗層之邊緣部分以及與集電器之無塗層部分電性接觸且自集電器之無塗層部分向外延伸的多個導電接頭，其中該正電極及負電極之無塗層邊緣部分在多層電極套件之相對側上；螺旋捲繞多層電極以使得在螺旋繞組之預定區域內對準經選擇之集電器之接頭；將經選擇之電極之接頭折向螺旋繞組之中心以使得接頭彼此相交且接頭末端位於螺旋繞組之第二非重疊區域中；在超越接頭相交處之點處收集經選擇之電極之重疊接頭；以及將經選擇之電極之所收集的接頭緊固至連接片。
在一或多個實施例中，選擇接頭長度以使得所收集之接頭在其端子邊緣處對準。
在一或多個實施例中，接頭在經選擇之電極之無塗層邊緣上隔開以使得在螺旋繞組之預定區域內對準接頭。
習知之電池單元端帽設計將填充孔、安全排氣孔以及電源端子之一或多者併入端帽之設計中。這些特徵通常為單獨、個別且龐大的實體，佔用其各自在單元端帽上的內部體積。利用對稱居中的啟動填充孔之電池單元在製造期間較啟動填充孔偏離中心且在填充期間需要定向之單元具有顯著優勢。在使用及/或封裝成較大形式之單元串期間，利用對稱居中的電池端子之電池單元較電源端子偏離中心且需要特定定向之單元具有顯著的商業應用優勢。
在本發明之一或多個實施例中，提供包含上熔接端帽以及下熔接端帽之圓柱形單元。單元之主要封裝(罐以及端帽)包含鋁合金。熔接密封(seal)通常藉由雷射熔接或視需要藉由其他金屬接合方法(諸如超音波熔接、電阻式熔接、MIG熔接、TIG熔接)來獲得。雙重(上端及下端)熔接容器之端帽可比罐壁更厚(例如，端帽可比罐壁厚多達約50%)。此厚度差並非藉由其他手段(諸如深度引伸(deep drawing))來實現。雙重熔接單元封裝可提供較壓著(crimped)密封或單熔接單元大很多的單元體積。另外，較厚端帽可改良此單元之機械穩固性，(例如)對碾壓(crushing)之抵抗性。併入此單元設計中之額外單元修改允許使用雙重熔接封裝，此對於習知電池單元設計為不可行或不方便。
在一或多個實施例中，電池單元封裝設計使用低重量且十分小型之鋁外殼且其通常為諸如A13003H14之鋁合金。鋁以及鋁合金提供結構上之高的比模數以及高的比剛性以及高的強度重量比。鋁亦是在鋰離子單元之陰極電位處可獲致穩定之少數材料中的一者。在圖1之分解圖中展示電池設計之若干特徵。單元設計包含正極端帽(1)、陰極延伸接頭(2)、絕緣盤(3)、圓柱形管(4)、負極端帽(5)、陽極集電接頭(6)、陰極集電接頭(7)、內部活性陰極及陽極材料(電極)(8)。正極端帽(1)包含單元之正電池端子以及單元之排氣孔機構。陰極延伸接頭(2)充當在陰極集電接頭(7)與單元外部正極端子(1)之間的電性連接。絕緣盤(3)包含狹槽(3a)，集電接頭穿過所述狹槽(3a)而延伸。絕緣盤(3)防止陰極集電接頭(7)以及陰極延伸接頭(2)短路至內部活性陰極及陽極材料(8)。圓柱形管(4)充當此單元封裝之主要外殼。
在組裝期間，使用熔接以及壓著(crimp)接合來將兩組集電器接頭(6)及(7)經由延伸接頭(2)及負極端帽(5)中可見之已整合的延伸接頭(5a)而分別連接至兩個端帽(5)及(1)。將兩個端帽熔接至管(4)以產生圓柱形單元。負極端帽(5)包含此單元之負電池端子以及此單元之填充孔(以下將更詳細論述)，所述兩者共用相同內部體積以及外部空間且對稱地居於單元中心。負極端帽(5)亦具有已整合之延伸接頭(5a)，以在陽極集電接頭(6)與位於負極端帽(5)上之單元外部負極端子之間形成電性連接。在陽極處亦使用具有狹槽(3a)之絕緣盤(3)以防止陽極集電接頭(6)及陽極延伸接頭(5a)之短接。
在圖2中以橫截面展示併入圖1之設計特徵的經組裝的單元，其中同樣地標記相同元件。一旦組裝，則此單元在具體積效率之封裝中併入”製造與客戶介面”此兩者所需之有利特徵。此允許此單元內部之大部分被用於活性材料，從而極大地改良此單元的能量儲存容量對體積之比(energy storage capacity to volume ratio)。
描述此單元之個別組件以及特徵。
正極端帽(1)包含經設計之排氣劃線(10)以及鎳介面端子(9)，如圖3中所示者。經設計之排氣劃線在預定之內部壓力下打開，在必要時使大量氣體以及材料由此單元排出。排氣孔為位於正極端帽周邊附近之環形槽，其安置在端帽周緣與鎳端子之間。該槽可位於端帽之內面或外面或兩者上。在一或多個實施例中，該槽位於端帽之內面與外面兩者上。該等槽可彼此相對或自彼此偏移。槽提供了經設計以在預選壓力下斷裂之在端帽中的較薄徑向區段。環形槽在端帽上形成一種在約150度至完全360度之範圍內或在約180度至約300度之範圍內的弧。實際之弧長度將視單元之大小而定。可選擇弧長度使得斷裂時端帽可鉸接(hinge)著且斷裂之端帽不自電池罐切斷，但亦可為高達約完全360度之弧而無明顯鉸接。環形槽之進一步優點在於其用以在熔接端帽至電池本體期間使端子達成熱絕緣。藉由習知方法(諸如衝壓、劃線或雕合等等)以引入此槽。
鎳介面端子(9)提供低電阻、抗腐蝕之電池端子以及用於將電池成組連接在一起之可熔接介面。鎳板厚度可變且通常具有約75 μ m至約125 μ m的範圍內之厚度。較厚端子板尤其適合於大功率電池。在一或多個實施例中，陰極帽之本體為鋁且(例如)為與電池管相同之鋁合金。在一或多個實施例中，可在陰極帽之外表面上電鍍一鎳層。接著將鎳介面端子電阻(點)式熔接至陰極帽以產生機械穩固之介面、回流焊接至鍍鎳層以在兩部件之間產生電性穩固之介面、或進行此兩者。可使用其他熔接以及焊接技術(例如，超音波熔接或導電黏著劑)。合適焊料包含具有超過電池最大使用溫度之熔化溫度的焊料。在Ni端子與Al陰極帽之間的此接合技術在電池工業中為唯一的。
壓力排氣孔佔據端帽面之周邊區域且不干擾鎳端子之定位及緊固作用。鎳端子之橫截面積可相當大且可佔據端帽面之相當大的部分。這樣可用以減小單元阻抗且在成組組裝期間提供單元至單元之熔接能力。
圖4A－圖4C描述包含定位於中心之填充孔(40)之負極端帽(5)。填充孔用於一旦組裝則啟動單元，且至少部分地由組成電源端子之空心鉚釘(hollow bore rivet)(45)來界定。作為填充孔與電源端子兩者之負極端帽之中心位置的雙重用途提供有效之空間使用且不干擾電池操作。填充孔(40)居中定位於端帽面中。定位於中心之填充孔提供合適地安置於孔內且連接至單元內部的饋通入口。在啟動期間經由此饋通入口來引入電解質。
藉由組裝如圖4A之分解圖中所說明的組成零件來建構負極端帽。上墊圈(44)置於端帽本體(43)中，端帽本體(43)可包含用於容納墊圈之凹陷。將用作電源端子之空心鉚釘(45)組裝至上墊圈(44)中。鉚釘(45)之桿(45a)延伸穿過上墊圈(44)與端帽本體(43)的中心開口。翻轉該套件，且將密封墊圈(47)插入於墊圈(44)上並置於本體(43)上。如圖4A中所示者，組裝且定位下墊圈(42)、密封墊圈(47)以及鉚釘背襯盤(46)。將延伸接頭(41)插入至鉚釘(45)之桿上。圖4B中展示在壓著之前已組裝之組件。
由於良好抗腐蝕性與良好熔接能力，鉚釘(45)可為鍍Ni鋼，其用作上述單元之電源端子。鉚釘(45)之平頭在端帽之外表面的一部分上延伸且空心桿(45a)延伸至單元之內部。鉚釘(45)亦包含：穿過其中心且具有經設計之凸耳(ledge)以幫助密封之填充孔、對稱形狀以及用於共用空間以及在電池端子與填充孔之間對稱之居中的鉚釘桿。延伸接頭(41)連接電源端子(45)與單元內部活性陽極材料。下墊圈(42)保護該延伸接頭(41)使之不接觸端帽本體(43)，該端帽本體(43)處在不同之電壓電位。經由任意方法將本體(43)氣密地密封至電池管(未圖示)或單元之主體，包含(但不限於)上述之壓著以及熔接方法。上墊圈(44)將電源端子(45)絕緣於端帽本體(43)，其處在不同之電壓電位。鉚釘背襯盤(46)幫助在本體(43)上形成穩固之壓鉚釘(press－rivet)夾緊力。一密封墊圈(47)幫助達成一種在該壓鉚釘之下的穩固密封。
可藉由壓迫並使鉚釘(45)之桿變形(如圖4C中所說明)、共同擠壓所有部分以形成壓鉚釘(48)且形成在延伸接頭(41)與電源端子(45)之間的良好電性接觸來將整個套件壓著在一起。
在端帽已熔接至單元之管之後，藉由經由電源端子(45)中之孔填充電解質來啟動此單元。現在參看圖5A以及圖5B，借助於一種填充孔插塞密封件(50)(例如，高溫塑料密封件)以及一種填充孔插塞(51)(可變形嵌入件，例如，可變形金屬嵌入件)來氣密地密封該填充孔(40)。在已將端帽密封至管處且以電解質啟動該單元之後將該填充孔插塞密封件(50)壓入填充孔開口中。接著將填充孔插塞(51)壓入此相同之填充孔中，使其膨脹、夾緊並將密封件(50)固持抵在鉚釘(45)之經設計的凸耳上，且在填充孔處達成氣密式密封。
此單元之內部活性材料包含兩個電極，陰極及陽極。對電池單元之阻抗的一個影響因素是缺乏在活性單元材料(陽極以及陰極)與外部單元端子之間的載流路徑。已令人驚訝地發現，與習知圓柱形(捲繞套件)單元相比(其設計需要每電極一或兩個接頭)，可藉由使用更多電流載體或“接頭”來顯著降低此單元之總阻抗。在本發明之一或多個實施例中，多個接頭在此單元任一側上之較大集電器(稱為延伸接頭)處接合，所述集電器接著與單元之電池端子之每一者連接。在一或多個實施例中，電極包含約3個至約10個接頭，且例如可包含四個接頭。在其他實施例中，電極在每200 cm2 電極面積中包含一個接頭。高功率電池單元比低功率單元需要更高密度之接頭。
在本發明之一或多個實施例中，在此單元設計中之電極的每一者使用若干(例如，四個或更多)集電接頭以將電流由活性材料(例如，陰極以及陽極)之每一者導出，且導入至電池端子中。圖6A描述例示性電極薄片(60)。電極薄片(60)包含整體集電器基板(66)以及與集電器基板電性連接之電活性材料層(67)。集電接頭(61)、(62)、(63)、(64)自電極之邊緣部分(68)延伸。
接著將有接頭的電極組織為電化單元。分離器薄片(例如，兩個分離器薄片)插入於陰極薄片與陽極薄片之間，使得陰極及陽極之接頭位於套件之相對側。多層套件經螺旋捲繞以形成一種螺旋電化套件(通稱為“螺旋卷(jellyroll)”)。在圖1中說明一種具有延伸接頭(6)、(7)之螺旋卷(8)。
接頭可具有不同長度，其反映捲繞時其距螺旋卷中心之距離。在捲繞螺旋卷之前或之後可調整接頭之長度。為了形成有接頭之電極，自電極之邊緣移除電活性材料之一部分以形成如圖6B(未按比例繪製)中所示的用於電性接觸的清潔表面。接頭(例如)藉由熔接、鉚接、壓著或其他類似技術而電性連接至電極之暴露部分。接著藉由不起反應的膠帶(65)來覆蓋接頭，不起反應的膠帶(65)覆蓋所暴露之金屬接頭且防止與單元化學物之不當的化學反應。膠帶(65)覆蓋接頭附近之電極兩側。膠帶覆蓋位於電極上之接頭部分且可覆蓋著保持暴露(意即，未由活性電極層或集電接頭所覆蓋)之下層電極之某些或所有部分。自電極向外延伸之接頭的至少一部分未被膠帶覆蓋。
為了經由接頭之添加而使單元阻抗之減小最大化，可沿兩個電極長度之每一者以相等間隔來定位四個接頭(例如，盡可能地接近電極長度之1/8、3/8、5/8以及7/8處)，藉此使電流必須穿過電極以便流出且進入電池端子之距離最小化。亦構想了多種使用多於或少於4個接頭之其他配置。一旦捲繞在一起，則螺旋卷具有自任一端伸出的各別的四個接頭，如圖1中所示者。這些接頭聚集一起且連接至外端子，如圖7A以及圖7B中所示者。根據本發明之一或多個實施例，提供單元接頭設計，以便以具體積效率、易製造且機械穩固的方式來控制且獲取(capture)所有接頭。
在接頭設計之一態樣中，控制組成螺旋卷之材料的厚度。材料(陽極電極、陰極電極以及分離器)之每一者的厚度公差(tolerance)受到非常嚴格控制(每一者大約＋/－ 2 μ m)。此允許模型化且可靠地準確預測這些材料如何捲繞為螺旋卷，這包含匝數以及最終直徑。此允許在螺旋卷內接頭之準確定位。
在接頭設計之另一態樣中，在將接頭捲繞入螺旋卷之前選擇各電極上之接頭位置。將接頭沿電極之每一者的長度置於接近電性最佳化連接之1/8、3/8、5/8以及7/8處(例如，對於4接頭之設計而言)之位置以及經預測在將電極捲繞成螺旋卷後將對準之位置。選擇接頭位置使得(例如)單個電極之四個接頭在螺旋卷頂面之預選區域內彼此對準。舉例而言，將四個接頭定位於陰極薄片上，以使得在組裝為螺旋卷後，陰極薄片之4個接頭自螺旋卷之面突出而處在所述卷之面的經選擇之區域中。在一或多個實施例中，接頭在90度象限或更大(例如，150度)的區域內對準。自每一接頭之中心線(用來解釋接頭寬度)來量測該區域(例如，90度象限)。在一些實施例中，接頭位於約140度之弧形窗中。此對準有助於控制且獲取每一組的四個接頭。在圖7A中展示了在90度象限內接頭之例示性對準。
接頭設計之第三態樣為適當之接頭彎曲之選擇，如圖7B中所示者。此為四個接頭(61)、(62)、(63)、(64)如何被捕獲且連接至電池端子。圖7B之步驟1展示電池之頂部以及當所有四個接頭自螺旋卷之面突出時之位置。絕緣盤(3)定位於螺旋卷之末端上，且接頭經由狹槽而插入至絕緣盤中。絕緣盤將每一接頭絕緣於螺旋卷。首先在絕緣盤(3)上將所有四個接頭彎向螺旋卷之中心軸線(由圖7B中之“＋”所指示)。結果為在螺旋卷之面上的高達約140度之區域中扇形展開的接頭之堆疊。如先前所述，接頭長度可改變。在一或多個實施例中，最接近中心軸線之接頭(例如，接頭(64))為最短且離中心軸線最遠之接頭(例如，接頭(61))為最長。可將最接近螺旋卷中心之接頭切割至較剩餘接頭更短的長度，且每一隨後定位於更外側之接頭比前一內部接頭更長。結果為當如圖7之步驟2中所示折疊所有四個接頭時，其末端以距螺旋卷之軸線具有相同距離而對準。一旦將所有接頭平放，則其就處在單元完成時其將處於的位置。然而，其必須首先連接至電池端子之延伸接頭。為了達成此目的，將其全部彎曲，以相對於螺旋卷之面呈約90°角且平行於螺旋卷之軸線，如圖7之步驟3中所說明者。此將四個接頭合併為一個實體，電池端子之延伸接頭可容易地熔接至所述實體。
接頭設計之第四態樣為將電池延伸接頭接合至四個電極接頭。在一設計中，經由超音波熔接達成此目的，但可同樣容易地採用電阻式熔接或其他金屬接合技術。在一實施例中，首先折疊多個延伸接頭，以允許熔接器將其夾到所述四個電極接頭上，然而預期有接合所述組件之其他手段。較厚的延伸接頭保護較薄的電極接頭使之不被熔接器損壞。以允許將四個電極接頭以及延伸接頭向下折回扁平位置之方式來達成接合，從而達成極具體積效率之單元設計。一旦已熔接且接頭已折平，就將單元之端帽熔接至上述之管，從而導致將極小的原本可用於額外單元能量容量之空間用於維持接頭。這已顯示在圖8中。
可將此電池單元之基本理念以及設計應用於幾乎任何電池單元(僅有非常少的例外)中。可開發更好地適合特定應用之替代設計，但基本前提保持相同；此單元發明有效率地使用面積及體積來產生對於製造與客戶介面兩者均為理想的穩固、輕便且中心對稱之電池。可藉由顛倒內部組件之極性而容易地修改設計以併入一種鋼外殼而非鋁外殼。在一態樣中，在本文獻中描述之可再充電之電池單元設計相較於習知之電池設計而言在末端使用者應用方面以及單元製造方面都具有許多優勢，即，定位於中心之電源端子以及定位於中心之電解質填充孔。習知之單元設計使用不具體積效率之壓著接合。
本單元設計之一態樣允許藉由在端帽與罐之間的更具體積效率之熔接密封來設計本單元，同時將填充孔與電源端子兩者直接置於相同之所要位置，直接置於單元之中心。
另外，藉由使用兩個端帽與一個管而非一個端帽與單端罐，現在，在單元之兩端而非僅一端上可達成一種在內部延伸接頭與電池端子之間的更穩固且更易製造之接合。
在一或多個實施例中，以上設計使用每電極四個接頭以取代更常見之單接頭。此整體上極大地減小了單元之阻抗，此在高功率應用中非常重要。
在一或多個實施例中，該單元利用電源端子之額外厚度以獲得藉由插塞密封填充孔所需之特徵，從而允許實際之密封可更為穩固且同時保持不可見且對此單元外形無突兀的影響。
根據一或多個實施例之圓柱形單元利用一種焊接至鋁外殼之鎳板。此允許此單元之主外殼由輕便且導電的鋁製成。端子由稍重、但更抗腐蝕且更易熔接之Ni材料製成。
此單元設計亦將排氣劃線(score)定位於單元底部上。此開放了在單元頂部的可用於增加單元之能量儲存容量之體積。在此設計中描述之排氣孔具有唯一性，蓋因其較習知之排氣孔大很多且位於電源端子周邊的周圍，而不是不對稱地在其旁邊或在其下。此允許氣體及/或材料在危險的內部高壓事件期間無阻礙地逸出。
1．．．正極端帽
2．．．陰極延伸接頭
3．．．絕緣盤
3a．．．狹槽
4．．．圓柱形管
5．．．負極端帽
5a．．．整合延伸接頭
6．．．陽極集電接頭
7．．．陰極集電接頭
8．．．內部活性陰極及陽極材料(電極)
9．．．鎳介面端子
10．．．排氣劃線
40．．．填充孔
41．．．延伸接頭
42．．．下墊圈
43．．．端帽本體
44．．．上墊圈
45．．．空心鉚釘
45a．．．空心桿
46．．．鉚釘背襯盤
47．．．密封墊圈
48．．．壓鉚釘
50．．．填充孔插塞密封件
51．．．填充孔插塞
60．．．電極薄片
61、62、63、64．．．集電接頭
65．．．膠帶
66．．．整體集電器基板
67．．．電活性材料層
68．．．邊緣部分
參看僅為說明目的而提供之下列圖來描述本發明，在隨後之申請專利範圍中陳述本發明之全部範疇。
圖1為說明根據本發明之一或多個實施例之電池單元設計之內部組件的分解圖。
圖2為根據本發明之一或多個實施例之組裝電池單元的橫截面圖示。
圖3為展示釋壓孔以及介面端子之正(陰極)端帽的視圖。
圖4A提供用於負(陽極)端帽套件中之組件的分解圖。
圖4B展示經組裝之負極端帽之橫截面圖。
圖4C展示在釘鉚釘之後經組裝之負極端帽之透視圖。
圖5A描述在單元啟動之後藉由金屬插塞以及塑料密封件來密封負極端帽中之填充孔的透視圖。
圖5B描述在單元啟動之後藉由金屬插塞以及塑料密封件來密封負極端帽中之填充孔的橫截面放大圖。
圖6A為具有接頭之電極薄片的平面圖。
圖6B為具有接頭之電極薄片的放大平面圖。
圖7A展示電池罐的俯視圖，其指出在90度象限內集極接頭之例示性位置。
圖7B描述根據本發明之一或多個實施例之單元設計的一系列視圖且說明集電接頭之位置以及彎曲。
圖8描述將電流延伸接頭附著至各別端子。
1．．．正極端帽
2．．．陰極延伸接頭
3．．．絕緣盤
3a．．．狹槽
4．．．圓柱形管
5．．．負極端帽
5a．．．整合延伸接頭
6．．．陽極集電接頭
7．．．陰極集電接頭
8．．．內部活性陰極及陽極材料(電極)

Claims (68)

  1. 一種用作電化電池單元容器之金屬罐，其包含：側壁，其界定第一開口端以及第二開口端；第一金屬端帽，其安置於所述側壁之所述第一開口端處且具有內表面及外表面；端子板，其焊接至所述第一金屬端帽之所述外表面；以及第二金屬端帽，其安置於所述側壁之所述第二開口端處。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第一金屬端帽包含鋁。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第一金屬端帽之所述外表面為鍍鎳者。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第一金屬端帽之所述端子板包含鎳。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第一金屬端帽之所述外表面的鍍鎳厚度約為75μm至125μm。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述端子板熔接至所述第一金屬端帽。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述端子板為電阻式點熔接或超音波熔接至所述第一金屬端帽。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第一金屬端帽熔接至所述側壁之所述第一開口端。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第二金屬端帽與所述側壁之所述第二開口端整合以形成封閉端。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第二金屬端帽熔接至所述側壁之所述第二開口端。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述第二金屬端帽藉由壓著而密封至所述側壁之所述第二開口端。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述金屬罐為圓柱形。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述側壁以及所述第二金屬端帽包含鋁。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，更包含：在所述第一金屬端帽之所述外表面以及所述內表面之至少一者中的環形槽，其中所述槽在所述第一金屬端帽中產生厚度已減小的弧。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述環形槽安置於所述第一金屬端帽 之周邊與所述焊接的端子板之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述弧在約150度至約360度的範圍內。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中所述弧在約300度至約180度的範圍內。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之用作電化電池單元容器之金屬罐，其中當暴露至大於預定位準之壓力差時，所述第一金屬端帽能夠在所述弧處斷裂。
  19. 一種製造用於電化電池單元容器中之端帽的方法，其包含：提供具有內表面以及鍍鎳外表面之鋁端帽；使端子板點熔接至所述鋁端帽之所述鍍鎳外表面；以及焊接所述已點熔接之端子板至所述鋁端帽以形成機械上強固的熔接。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之製造用於電化電池單元容器中之端帽的方法，其中所述焊接為回流焊接。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之製造用於電化電池單元容器中之端帽的方法，其中所述外表面的鍍鎳厚度約為75μm至125μm。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之製造用於電化電池單元容器中之端帽的方法，更包含： 將環形槽引入所述鋁端帽之所述鍍鎳外表面及所述內表面中的至少一者中，其中所述槽在所述鋁端帽中產生厚度已減小的弧。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之製造用於電化電池單元容器中之端帽的方法，其中將所述槽衝壓入所述鋁端帽中。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之製造用於電化電池單元容器中之端帽的方法，其中使所述槽刻入所述鋁端帽中。
  25. 一種用於電化設備中之金屬端帽，其包含：金屬端帽，其具有上表面以及下表面；端子板，其焊接且點熔接至所述金屬端帽之所述上表面。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之用於電化設備中之金屬端帽，其中所述金屬端帽包含鋁。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之用於電化設備中之金屬端帽，其中所述金屬端帽之所述上表面鍍鎳。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之用於電化設備中之金屬端帽，其中所述端子板包含鎳。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之用於電化設備中之金屬端帽，其中所述鎳端子板具有約75μm至約125μm之範圍內的厚度。
  30. 一種電化單元，其包含：電極套件，其包含正電極、負電極以及電解質； 鋁容器，其收容所述電極套件且包含側壁及上開口端以及下開口端；及第一鋁端帽，其以雷射熔接至所述鋁容器之所述上開口端；以及第二鋁端帽，其以雷射熔接至所述鋁容器之所述下開口端，其中所述第二鋁端帽至少比所述容器側壁厚50%。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之電化單元，其中所述鋁容器包含鋁合金。
  32. 如申請專利範圍第30項所述之電化單元，更包含用於將電解質引入所述鋁容器內部之在所述第二鋁端帽中的中心填充孔。
  33. 一種電化設備，其包含：電極套件，其包含正電極、負電極以及電解質；圓柱形容器，其收容所述電極套件且具有至少一開口；端帽，其經安置以覆蓋所述開口，所述端帽界定了定位於中心之填充孔；以及插塞，其密封地安置於所述定位於中心之填充孔中。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之電化設備，其中所述插塞作為將所述電化設備連接至外部連接用的端子。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之電化設備，其中所述插塞包含密封地安置於所述定位於中心之填充孔中之密 封部件以及能夠壓抵住所述密封部件之可變形金屬嵌入件，以形成一種使液體不透過之密封。
  36. 如申請專利範圍第33項所述之電化設備，其中所述定位於中心之填充孔包含合適地安置於所述定位於中心之填充孔內且連接至所述電化設備之內部的饋通入口。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之電化設備，其中所述饋通入口包含：鉚釘，其具有：實質上平坦之頭，其界定對應於所述定位於中心之填充孔之孔且延伸於所述端帽之外表面之一部分上；以及空心桿，其延伸至所述圓柱形容器之所述內部；以及鉚釘背襯，其安置於所述端帽之內表面處且與所述鉚釘桿之遠側部分嚙合。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之電化設備，其中所述定位於中心之填充孔更包含：上絕緣部件，其安置於所述鉚釘與所述端帽之間且界定對應於所述定位於中心之填充孔之孔；以及下絕緣部件，其安置於所述端帽與所述鉚釘背襯之間。
  39. 如申請專利範圍第37項所述之電化設備，其中所述鉚釘包含鍍鎳鋼。
  40. 如申請專利範圍第37項所述之電化設備，其中所述圓柱形容器包含鋁。
  41. 如申請專利範圍第37項所述之電化設備，其中所 述端帽包含鋁。
  42. 如申請專利範圍第37項所述之電化設備，其中所述正電極以及所述負電極配置於所述電化設備的相對端，且所述端帽與所述負電極位於同一端。
  43. 如申請專利範圍第37項所述之電化設備，其中所述正電極以及所述負電極配置於所述電化設備的相對端，且所述端帽與所述正電極位於同一端。
  44. 如申請專利範圍第34項所述之電化設備，其中所述插塞包含塑料密封件以及金屬嵌入件。
  45. 如申請專利範圍第33項所述之電化設備，其中所述端帽熔接至所述圓柱形容器之所述開口。
  46. 如申請專利範圍第33項所述之電化設備，其中所述圓柱形容器更包含所述圓柱形容器之相對端上的第二開口且安置第二端帽以覆蓋所述第二開口。
  47. 如申請專利範圍第46項所述之電化設備，其中所述第二端帽熔接至所述圓柱形容器之所述第二開口。
  48. 如申請專利範圍第46項所述之電化設備，其中所述第二端帽藉由壓著密封而密封至所述圓柱形容器之所述第二開口。
  49. 如申請專利範圍第46項所述之電化設備，其中所述第二端帽包含鋁。
  50. 一種以電解質填充電化單元之方法，其包含：(a)提供電化套件，其包含：收容於具有至少一開口之圓柱形容器中之正電極 及負電極；及密封所述開口之端帽，所述端帽界定了定位於中心之填充孔；(b)將電解質經由所述定位於中心之填充孔而引入至所述圓柱形容器之內部；以及(c)藉由插塞來密封所述定位於中心之填充孔。
  51. 如申請專利範圍第50項所述之以電解質填充電化單元之方法，其中密封所述定位於中心之填充孔之步驟包含：適當地將密封件安置於所述定位於中心之填充孔中；以及將可變形之金屬嵌入件壓入所述已密封之定位於中心之填充孔中。
  52. 一種電化設備，其包含：具有側壁及上表面以及下表面之螺旋捲繞電化套件，所述螺旋捲繞電化套件包含：插入於正電極與負電極之間的分離器，所述正電極包含具有沈積於其上之正電活性材料層的正集電器，所述正集電器具有無塗層之邊緣部分；所述負電極包含具有沈積於其上之負電活性材料層的負集電器，所述負集電器具有無塗層之邊緣部分，其中所述正電極及所述負電極之所述無塗層之邊緣部分是在所述螺旋捲繞電化套件之相對面上；多個導電接頭，其與所述正集電器以及所述負集電 器之至少一者的所述無塗層部分電性接觸且自所述集電器向外延伸，其中所述正集電器以及所述負集電器之至少一者的導電接頭彼此隔開以使得所述導電接頭位於所述螺旋捲繞電化套件之螺旋繞組之面的預定區域內，以便當折向所述螺旋繞組之所述面之中心時所述接頭相交且折入至所述螺旋繞組之所述面的第二相對區域中。
  53. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中所述設備包含用於正電極與負電極之導電接頭。
  54. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中所述導電接頭在所述螺旋繞組之所述面上以相對於彼此100度以內的角度對準。
  55. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中所述導電接頭在所述螺旋繞組之所述面上以相對於彼此90度以內的角度對準。
  56. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中所述導電接頭具有不同長度。
  57. 如申請專利範圍第56項所述之電化設備，其中導電接頭長度經選擇使得所述導電接頭之末端在折疊時被對準。
  58. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中所述設備包含用於每一電極之四個導電接頭。
  59. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中所述設備包含每電極之3至10個導電接頭。
  60. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中所 述設備在每200cm2 電極面積中包含1個導電接頭。
  61. 如申請專利範圍第52項所述之電化設備，其中每一電極之所述導電接頭被緊固至連接片。
  62. 如申請專利範圍第56項所述之電化設備，其中所述連接片電性連接至罩殼之端子，所述罩殼收容所述螺旋捲繞之電化套件。
  63. 一種電化設備之組裝方法，其包含：將分離器插入於正電極與負電極之間以形成多層電極套件，所述正電極包含具有沈積於其上之正電活性材料層的正集電器，所述負電極包含具有沈積於其上之負電活性材料層的負集電器，其中所述正與負集電器之每一者具有無塗層之邊緣部分及與所述集電器之所述無塗層部分電性接觸且自所述正與負集電器之所述無塗層部分向外延伸之多個導電接頭，其中所述正電極以及所述負電極之所述無塗層邊緣部分在所述多層電極套件之相對側上；螺旋捲繞所述多層電極以使得在所述螺旋繞組之預定區域內使經選擇之正與負集電器之所述導電接頭被對準；將經選擇之電極之所述導電接頭折向所述螺旋繞組之中心，以使得所述導電接頭彼此相交且所述導電接頭末端位於所述螺旋繞組之第二非重疊區域中；在超越所述導電接頭相交處之點處收集所述經選擇之電極之所述重疊的導電接頭；以及 將經選擇之電極之所述已收集之導電接頭緊固至連接片。
  64. 如申請專利範圍第63項所述之電化設備之組裝方法，其中選擇導電接頭長度以使得所述已收集之導電接頭在其端子邊緣處對準。
  65. 如申請專利範圍第63項所述之電化設備之組裝方法，其中所述導電接頭在經選擇之電極之所述無塗層邊緣上隔開，以使得在所述螺旋繞組之所述預定區域內使所述導電接頭對準。
  66. 如申請專利範圍第63項所述之電化設備之組裝方法，其中所述導電接頭在彼此約90度以內的範圍中互相對準。
  67. 如申請專利範圍第63項所述之電化設備之組裝方法，其中所述導電接頭在彼此約100度以內的範圍中互相對準。
  68. 如申請專利範圍第63項所述之電化設備之組裝方法，其中所述導電接頭在彼此約150度以內的範圍中互相對準。
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