TWI509863B - 具有撓性凹入部分之稜柱形蓄電池組或電池 - Google Patents

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Description

具有撓性凹入部分之稜柱形蓄電池組或電池 【相關申請案】
本申請案主張2009年6月16日申請之美國臨時申請案第61/187,552號的權益，該案之全部教示內容以引用的方式併入本文中。
【援引併入】
2009年4月15日申請之美國專利申請案第12/424,329號；2008年6月19日申請之美國專利申請案第12/214,535號；2007年6月22日申請之國際申請案第PCT/US2007/014591號；2006年6月23日申請之美國專利申請案第11/474,081號；2006年6月23日申請之美國專利申請案第11/474,056號；2006年7月12日申請之美國專利申請案第11/485,068號；2006年7月14日申請之美國專利申請案第11/486,970號；2007年6月21日申請之美國專利申請案第11/821,102號；2009年2月24日申請之美國專利申請案第61/208,443號；2009年4月15日申請之美國專利申請案第12/386,266號；及2009年4月15日申請之美國專利申請案第12/386,270號皆以全文引用的方式併入本文中。
本發明大體而言係關於一種電池組電池外殼，其在主表面處包括在循環再充電期間撓曲之凹入部分。本發明亦關於採用該電池組電池外殼之電池組。
攜帶型電子器件中之鋰離子電池組典型地基於其用途而經歷不同充電、放電及蓄電例行程序。當採用鋰離子電池化學作用之電池組被不當充電、短路或暴露於高溫時，其可能產生氣體。此氣體可能易燃且可能損害電池組之可靠性及安全性。典型地採用電流中斷器件(current interrupt device，CID)以藉由在電池組內部之壓力高於預定值時中斷來自該電池組之電流路徑而防止電池組發生任何過度之內壓增加。
然而，即使在不存在過大內壓(此會降低效能或引起安全問題)之情況下，鋰離子電池組在再充電期間仍會經歷內壓增加。在稜柱形電池中，內壓增加使得電池外殼撓曲。視電池外殼(諸如183665稜柱形電池外殼)內電極及電解質材料之組成及量而定，在再充電期間約18.02mm之外徑可增加超過1毫米，達到約19.5mm。許多電池組類型(包括稜柱形電池)之使用要求常常限制充電循環期間之膨脹可用空間，從而限制所用電池組之類型、其容量或其使用模式(例如在充電期間自器件移出)。
因此，需要一種顯著減少或排除上述問題之電池外殼。
本發明大體而言係關於一種電池組電池外殼，其在主表面處包括在循環再充電期間撓曲之凹入部分。本發明亦關於採用該電池組電池外殼之電池組。
在一具體實例中，本發明針對一種電池組電池外殼，在該外殼之主表面上具有凹入部分，該凹入部分實質上呈平面且在該凹入部分之一側或兩側上的隆脊部分處毗接該主表面之其餘部分，藉此凹入部分、隆脊部分及主表面之其餘部分在錶壓增加下協同作用以使得由隆脊部分與主表面之其餘部分之間的邊界所界定之平面移動。
在另一具體實例中，本發明針對一種電池組，其包括與該電池組之第一電極電連通的第一端子及與該電池組之第二電極電連通的第二端子。該電池組亦包括具有彼此電連通之電池外殼及蓋板的電池組罐(battery can)，該電池組與該第一端子電絕緣。該電池外殼在外殼之主表面上具有凹入部分，該凹入部分實質上呈平面且在該凹入部分之至少三側上的隆脊部分處毗接該主表面之其餘部分，藉此凹入部分、隆脊部分及主表面之其餘部分在錶壓增加下協同作用以使得由隆脊部分與主表面之其餘部分之間的邊界所界定之平面移動。
在另一特定具體實例中，電池組之第一電極為包括活性陰極材料之陰極，其中該活性陰極材料包括鈷酸鋰。
在另一特定具體實例中，電池組之第一電極為包括活性陰極材料之陰極，其中該活性陰極材料包括以下之混合物：
a)　鈷酸鋰；及
b)　由以下經驗式表示之錳酸鹽尖晶石：
Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1
其中：x1及x2各獨立地等於或大於0.01且等於或小於0.3；y1及y2各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3；z1等於或大於3.9且等於或小於4.2；且A'為由鎂、鋁、鈷、鎳及鉻組成之群中之至少一個成員，其中鈷酸鋰與錳酸鹽尖晶石之鈷酸鋰：錳酸鹽尖晶石重量比介於約0.95:0.05與約0.6:0.4之間。
在另一特定具體實例中，電池組之活性陰極材料包括包含以下之混合物：
a) Li1+x8 CoOz8 ；及
b) Li(1+x1) Mn2 Oz1 ，其中：x1等於或大於0.01且等於或小於0.3；且z1等於或大於3.9且等於或小於4.2，其中LiCoO2 與Li(1+x1) Mn2 Oz1 之鈷酸鋰：錳酸鹽尖晶石重量比介於約0.95:0.05與約0.6:0.4之間。
在另一特定具體實例中，電池組罐之至少一部分為第二端子之至少一個組件，或電連接至該第二端子，且該電池組罐進一步包括焊接於電池外殼上之蓋板及至少一個與第一電極或第二電極中之任一者電連通的電流中斷器件。該電流中斷器件包括具有錐台之第一導電板，該錐台包括第一末端及直徑小於該第一末端之直徑的第二末端，及密封該錐台之第二末端的基本上呈平面之頂蓋，其中底座處於電池組罐近端且該基本上呈平面之頂蓋處於電池組罐遠端。第二導電板與第一導電板且與第一電極及第二電極中之任一者電連通，且當第一板與第二板之間的錶壓在約4 kg/cm2 至9kg/cm2 之範圍內時，連接該第一板與該第二板之焊接點斷裂。電池外殼亦包括至少一個排氣構件，當錶壓在約10kg/cm2 至約20kg/cm2 之範圍內時，電池組內部之氣態物質經由該至少一個排氣構件排出。
本發明具有許多優點。舉例而言，凹入部分與電池組電池外殼之主表面之其餘部分的組合可由於例如採用本發明之電池外殼之電池組(諸如鋰離子型電池組)的正常再充電所致之錶壓增加而撓曲。本發明之凹入部分與隆脊部分及主表面之其餘部分的組合對電池組電池外殼提供某種額外的結構剛性，且因此顯著減小在不存在凹入部分之情況下會出現的任何電池外殼之寬度增加。然而，已發現，相對於在再循環期間不允許內部體積變化之電池組，在再充電循環期間保持可撓性且隨之發生體積增加(雖然程度減小)基本上能維持電池組之壽命，諸如鋰離子電池組。因此，在顯著降低體積量度要求的同時可使電池組循環壽命基本上得以保持，從而增加使用可再充電電池組之靈活性及類型。
經由如隨附圖式中所說明的對本發明之例示性具體實例的以下更具體描述，上述內容將顯而易知。該等圖式未必按比例繪製，而是著重於說明本發明之具體實例。
本文中所用之本發明電池組之「端子(terminal)」意謂電池組中連接至外部電路之部件或表面。
本發明電池組典型地包括與第一電極電連通之第一端子及與第二電極電連通之第二端子。該第一電極及該第二電極例如以「卷芯(jelly roll)」形式容納於本發明電池組之電池外殼內。第一端子可為與電池組之正電極電連通的正端子，且第二端子為與電池組之負電極電連通的負端子；或第一端子可為與電池組之負電極電連通的負端子，且第二端子為與電池組之正電極電連通的正端子。較佳地，第一端子為與電池組之負電極電連通的負端子，且第二端子為與電池組之正電極電連通的正端子。
本文中所用之「電連接(electrically connected)」或「電連通(in electrical communication)」一詞意謂某些部件經由流經導體之電子彼此連通，相對於涉及流經電解質之離子(諸如Li+ )的電化學連通。
圖1A展示本發明之一具體實例之電池組10的分解透視圖。電池組10包括第一電極12及第二電極14。第一電極12電連接至饋通器件16，該饋通器件16包括處於第一電極12近端之第一組件18及處於第一電極12遠端之第二組件20。電極12、14置於包括電池外殼24及蓋板26之電池組罐22內部，亦即，內部空間28由電池外殼24及蓋板26界定。電池組10之電池外殼24與蓋板26彼此電連通。
本文中所用之術語「饋通(feed-through)」包括連接電池組10中處於由電池外殼24及蓋板26界定之內部空間28內之電極12與所界定之內部空間外部之電池組組件的任何材料或器件。饋通器件16較佳延伸穿過由蓋板26界定之透通孔。饋通器件16亦可穿過蓋板26而不發生變形，諸如彎曲、扭曲及/或褶曲，且可增加電池容量。與載流片褶曲或彎曲至電池外殼中且與內部電極焊接之習知鋰電池組相比，使用此類饋通器件之一效益包括因體積利用率增加而使電池容量潛在增加(例如5-15%)。可在本發明中使用此項技術中已知之任何其他適合構件以連接電極12與電池組罐22外部之電池組組件，例如電池組之端子。
電池外殼24及蓋板26可由任何適合之導電材料製成，該導電材料在電池組(諸如本發明之鋰離子電池組)之既定電壓下電學上及化學上基本上穩定。電池外殼24之適合材料的實例包括鋁、鎳、銅、鋼、鍍鎳鐵、不鏽鋼及其組合。電池外殼24較佳為鋁或包括鋁。在一尤佳具體實例中，電池外殼24由陽極化鋁形成。電池外殼24之鋁可在使鋁胚料成型以形成電池外殼24之前、期間或之後陽極化。電池外殼24可由此項技術中已知之任何適合方法作標記，諸如U.S. 6,066,412及WO 00/11731中所述，該等文獻之教示內容以引用的方式併入本文中。在電池外殼24經陽極化之一較佳具體實例中，可藉由使用此項技術中已知之雷射技術在電池外殼24上形成標記。
蓋板26之適合材料的實例與針對電池外殼24所列之材料相同。蓋板26較佳由與電池外殼24相同之材料製成。在一更佳具體實例中，電池外殼24與蓋板26均由鋁形成或包括鋁。蓋板26之鋁可經陽極化。蓋板26可由此項技術中已知之任何適合方法密封電池外殼24。蓋板26與電池外殼24較佳彼此焊接。此項技術中已知之蓋板26電連接至電池外殼24的其他形式(諸如捲曲)亦可用於本發明中。
電池組罐22(例如蓋板26)與饋通器件16電絕緣，例如經由絕緣墊(圖中未示)達成。該絕緣墊由適合之絕緣材料形成，諸如聚丙烯、聚氟乙烯(PVF)等。
電池外殼24包括主表面30，其相對於該外殼之其餘側表面大體上呈平面，該其餘側表面典型地呈波狀外形以使得外殼之橫截面具有長橢圓形形狀。電池外殼24亦包括主表面區域30之實質上呈平面之凹入部分32，及處於凹入部分32之一側上的隆脊區段36。主表面30之其餘部分38定義為主表面30中不包括凹入部分32及隆脊部分36之區域。圖1B展示本發明之另一具體實例，其中僅存在一個隆脊部分36。
在圖2A-2D中所示之具體實例中，電池外殼24為至少部分由鋁建構之183665稜柱形電池外殼。電池外殼24之壁為約0.9 mm厚，且由相對主表面處之平面界定之寬度為約18.20 mm。如圖2B中所示，凹入部分32之長度為約37 mm且寬度為約37 mm。典型地，凹入部分32之表面積在約1200 mm2 至約1400 mm2 之範圍內。在另一具體實例中，凹入部分之表面積在約1248 mm2 至約1352 mm2 之範圍內。在零錶壓下，凹入部分32距主表面30之其餘部分38的最大深度為約0.4 mm。大體而言，凹入部分32典型地佔大體上呈平面之主表面區域30的約78%至約85%。在圖2B中所示之本發明具體實例中，隆脊區段36與凹入部分32之至少一部分毗接於凹入部分32之一側或兩側上。
圖2A及圖2B分別展示圖1A中所示之電池外殼24之具體實例的俯視圖及側視圖。在一具體實例中，凹入部分32之長度l 為約37 mm且寬度w 為約37 mm。圖2C展示電池外殼24之橫截面視圖，其展示當電池外殼24之內部28處於約零公斤/平方公分(kg/cm2 )下時，凹入部分32之一具體實例的輪廓。本文中所用之術語「錶壓(gauge pressure)」係指電池組外殼內部之絕對壓力與大氣壓之間的差。圖2D為圖2C之細部圖，其展示凹入部分32之隆脊區段36。凹入部分32可由此項技術中已知之任何適合技術形成，諸如輥軋、壓印等。
在一較佳具體實例中，藉由使用圖3A及圖3B中分別所示之心軸33及衝頭35形成凹入部分32。心軸33包括凹部37。當製造電池外殼(圖中未示)時，將心軸33自電池外殼之開口端插入電池外殼內，以使得心軸33之末端33a處於圖2B及圖2C中所示之電池外殼24之封閉端33b近端。接著將圖3B中所示之衝頭35在處於電池外殼24之開口端33c最近端的凹部37一端壓入凹部37中，從而形成電池外殼24之凹入部分32。接著自電池外殼24移出圖3B中所示之衝頭35且可自心軸33移出電池外殼24。應瞭解，由於使用心軸33及衝頭35進行製造，故凹入部分32將實質上呈平面且凹入部分32之一端併入其餘部分38中，從而有效地產生實質上如圖2中所示之電池外殼24。電池外殼24之形狀藉由使用心軸33及衝頭35而形成，因為凹部37並不匹配衝頭35，其中凹部37之一側開放以允許自心軸33移出電池外殼24。換言之，沿凹入部分32之一側實際上無隆脊。
圖4A-4C為主表面區域30之示意性橫截面圖。圖4A展示處於非撓曲位置之主表面區域，其代表當電池組未充電時外殼之形狀，或當採用外殼之電池組未充電時具有內部錶壓。
典型地，本發明電池組在未充電時(亦即在未引起錶壓增加時)之錶壓小於約5 kg/cm2 。如圖4A中所示，由隆脊區段部分36與主表面30之其餘部分38之間的邊界72界定之平面31a與主表面30之其餘部分38的表面實質上平齊。此實質上平齊大體上界定在經歷錶壓增加之前的時間點平面之原始位置，由平面31a表示。
當本發明電池組在充電時，錶壓會升高。如圖4B中所示，當本發明電池組之錶壓增加時，錶壓增加使得由隆脊部分36與主表面30之其餘部分38之間的邊界72界定之平面移動離開初始位置。
在一具體實例中，平面移動為凹入部分32與其餘部分38之間經由隆脊部分36協同作用的結果。如圖4B中可見，凹入部分32之撓曲迫使隆脊區段36向外且因此隆脊區段36與其餘部分38之邊界72向外，從而使平面移動至第二位置。平面31b表示處於第二位置之平面。在圖4B中所示之具體實例中，凹入部分32在再充電期間撓曲至平面31a以外之點，但仍處於平面31b內。
在另一具體實例中，如圖4C中所示，凹入部分32在再充電期間撓曲至平面31b以外之點。
在另一具體實例中，如圖5A-5B及圖6A-6C中所示，隆脊部分36橫越凹入部分32彼此相對，與圖2B、圖2C及圖4A-4C中所示之具體實例成對比。圖5C展示本發明之另一具體實例，其中多個隆脊部分36基本上皆彼此平行。在一具體實例中，各隆脊部分36之高度獨立地在約0.2 mm至約1.0 mm之範圍內。在一具體實例中，各隆脊之高度為約0.4 mm。
在另一具體實例中，如圖7中所示，大體上呈平面之主表面30的隆脊部分36具有例如由圓周半徑界定之弧形形狀。該圓周半徑典型地在約0.2 mm至1.0 mm之範圍內。在一具體實例中，圓周半徑為約0.4 mm。在該等情況下，將隆脊部分36與凹入部分74之間的邊界74界定於凹入部分32與該弧形之切點處。
在所有具體實例中，隆脊部分36與凹入部分32之間的邊界74相對於由隆脊部分36與其餘部分38之間的邊界72界定之平面保持凹入，直至錶壓達到至少40 kg/cm2 。又，在一些具體實例中，凹入部分32較佳在再充電完成後基本上恢復至其原始位置。另外，在錶壓增加之前平面的位置(亦即平面31a)與錶壓自增加之位準恢復之後平面的位置實質上相同。
在一具體實例中，在約12 kg/cm2 之錶壓下，包括兩個凹入部分(各對側各有一個)之電池外殼24的寬度W (如圖2A中所示)自約18.02 mm擴展至不超過約19.5 mm。在一特定具體實例中，電池外殼24具有陽極化鋁，其在撓曲之前的寬度W 為約18.02 mm，且在加壓至約11.14 kg/cm2 之後的寬度W 介於約18.4 mm與約19.0 mm之間；而具有未經陽極化之鋁的相同電池外殼24之寬度W 將自18.02 mm擴大至約20.18 mm至約20.40 mm之寬度W 。咸信減少電池組外殼之撓曲(如在本發明中)會使錶壓增加至超過在典型電池外殼之相同再充電循環期間將產生的錶壓，藉此減小電池組所需之空間，同時仍允許電池組之卷芯在充電循環期間膨脹，從而使電池組之壽命得以保持。
返回圖1，電池組罐22之電池外殼24及蓋板26中之至少一者經由CID 40與電池組10之第二電極14電連通。電池組罐22(亦即電池外殼24及蓋板26)與電池組10之第一端子電絕緣，且電池組罐22之至少一部分為電池組10之第二端子的至少一個組件，或電連接至該第二端子。在一較佳具體實例中，蓋板26之至少一部分或電池外殼24之底部充當電池組10之第二端子，且饋通器件16包括頂部導電層26，該頂部導電層26可充當電池組10與第一電極12電連通的第一端子。第一組件18、第二組件20及頂部導電層26各自且獨立地可由此項技術中已知之任何適合導電材料(例如鎳)製成。
本發明之電池組10包括CID 40。儘管電池組10中採用一個CID 40，但在本發明中可採用一個以上CID 40。CID 40包括彼此電連通(例如藉由焊接、捲曲、鉚接等)之第一導電板42及第二導電板44。第二導電板44與第二電極14電連通，且第一導電板42與電池組罐22(例如蓋板26)電接觸。
第一導電板較佳包括具有基本上呈平面之頂蓋的錐台。如圖8A-8C中所示，第一導電板42包括包含第一末端62及第二末端64之錐台60。第一末端62之直徑(以圖4C中之參考符號「j」表示)大於第二末端64之直徑(以圖4C中之參考符號「k」表示)。第一導電板42亦包括自錐台60之第一末端62之周界徑向延伸之基座68。基本上呈平面之頂蓋70密封了錐台60之第二末端64。本文中所用之術語「錐台(frustum)」意謂立體正圓錐體(亦即藉由使直角三角形繞其一條直角邊旋轉而產生之立體)切去頂部而得到的在兩個平行平面之間相交的基壁部分(不包括底端及頂端)。
在CID 40中，當電池組內部之錶壓高於預定值，例如介於約4 kg/cm2 與約15 kg/cm2 之間或介於約5 kg/cm2 與約10 kg/cm2 之間時，第二導電板44與第一導電板42分開(例如變形分開或脫離)，藉此第二電極14與電池組罐22之間的電流中斷，該電池組罐22之至少一部分為第二端子之至少一個組件，或電連接至該第二端子。
較佳地，當第二導電板44與第一導電板42分開時，第二導電板44中未出現斷裂，故電池組10內部之氣體不會經由第二導電板44放出。當內壓保持增加且達到啟動排氣劃線46之預定值時，氣體可經由一或多個排氣劃線46(例如電池外殼24之電池壁或底部部分，或第二導電板44)自電池組10排出，此將稍後作詳細論述。在一些具體實例中，啟動排氣劃線46之預定錶壓值(例如介於約10 kg/cm2 與約20 kg/cm2 之間)高於啟動CID 40之預定錶壓值(例如介於約5 kg/cm2 與約10 kg/cm2 之間)。此特徵有助於防止氣體過早洩漏，其會損壞正常工作之相鄰電池組(或電池)。因此，當本發明之電池組包(battery pack)中之多個電池之一受損時，其他正常電池不會受損。應注意，適於啟動CID 40之錶壓值或子範圍及適於啟動排氣構件58之彼等值或子範圍選自預定錶壓範圍，使得所選壓力值或子範圍之間無重疊。較佳地，啟動CID 40之錶壓值或範圍與啟動排氣構件58之彼等值或範圍相差至少約2 kg/cm2 壓力差，更佳相差至少約4 kg/cm2 ，甚至更佳相差至少約6 kg/cm2 ，諸如相差約7 kg/cm2 。
在一較佳具體實例中，CID 40進一步包括介於第一導電板42之一部分與第二導電板44之間的絕緣體48(例如絕緣層或絕緣墊)。CID 40與電池組之電池外殼24電連通。在CID 40中，當電池組內部之壓力高於預定值(例如約5 kg/cm2 至約10 kg/cm2 之範圍內的內部錶壓)時，第二導電板44與第一導電板分開(例如變形分開或脫離)，藉此第二電極與第二端子之間的電流中斷。
在另一較佳具體實例中，CID 40之第一導電板42及絕緣體48中之至少一者包括至少一個孔(例如圖1中之孔50或52)，電池組10內之氣體經由該至少一個孔與第二導電板44流體連通。
在一特定具體實例中，CID 40進一步包括安置於第一導電板42正上方且界定至少一個孔56之端板54，第一導電板42經由該至少一個孔56與電池組外部之大氣流體連通。在一更特定具體實例中，端板54為電池組罐22之一部分；如圖1中所示，端板54為電池組罐22之蓋板26之一部分。在另一更特定具體實例中，端板54在電池組10之電池組罐22上，例如在電池組罐22之蓋板26正上方、蓋板26正下方或蓋板26上，且與電池組罐22電連通。
本發明中之CID 40置於電池組罐22內，或者，CID 40之一部分處於電池組罐22內且CID 40之另一部分處於電池組罐22上或電池組罐22上方。或者，CID 40可由任何適合之方式(諸如焊接、捲曲等)電連接至蓋板24。在一特定具體實例中，CID 40之至少一個組件(第一導電板42及第二導電板44、絕緣體48及端板54)位於電池組罐22內。在另一特定具體實例中，CID 40之至少一個組件(例如第一導電板42及第二導電板44、絕緣體48及端板54)位於電池組罐22(例如蓋板24)之凹部內。在另一特定具體實例中，第一導電板42及第二導電板44以及端板54中之至少一者為電池組罐22(例如蓋板24)之組件，或處於電池外殼22之側面或底部。在一更特定具體實例中，第一導電板42及第二導電板44以及端板54中之至少一者為電池組罐22(例如蓋板24)之一部分，或處於電池外殼24之側面或底部。更特定言之，第一導電板42及第二導電板44以及端板54中之至少一者模印或壓印至蓋板26處，或處於電池外殼24之側面或底部，較佳處於蓋板54處。在另一更特定具體實例中，端板54為蓋板24之一部分(例如經模印或壓印)，且第一導電板42及第二導電板44置於電池外殼24內，如圖1中所示。
第一導電板42及第二導電板44可由此項技術中已知的任何適於電池組之導電材料製成。適合材料之實例包括鋁、鎳及銅，較佳為鋁。電池組罐22(例如電池外殼24及蓋板26)、第一導電板42及第二導電板44較佳由實質上相同之金屬製成。本文中所用之術語「實質上相同之金屬」意謂在既定電壓(例如電池組之工作電壓)下具有實質上相同之化學及電化學穩定性的金屬。電池組罐22、第一導電板42及第二導電板44更佳由相同金屬(諸如鋁)製成，其中電池組罐22、第一導電板42及第二導電板44皆與第二端子電連通，且其中該第二端子與第二電極14電連通，且其中該第二電極為陰極。
電池外殼24(例如電池壁或底部部分)包括至少一個排氣構件58作為必要時(諸如當鋰離子電池組10內之錶壓高於約10 kg/cm2 至約20 kg/cm2 之值時)對內部空間28進行排氣之構件。在一些具體實例中，第二導電板44包括至少一個排氣構件，諸如排氣劃線46，不過應瞭解，可採用任何適合類型之排氣構件，只要該等構件在正常電池組工作條件下提供密封即可。
本文中所用之術語「劃線(score)」意謂電池外殼(諸如電池外殼24)之區段的局部切口，其經設計以允許電池壓力及任何內部電池組分在規定內部錶壓(例如介於約10 kg/cm2 與約20 kg/cm2 之間)下釋放。排氣劃線較佳在遠離使用者或相鄰電池的方向上定位。如圖所示，可採用一個以上排氣劃線。在一些具體實例中，可採用圖案排氣劃線。排氣劃線可在形成電池外殼24之形狀期間與電池外殼材料之主要伸展(或拉伸)方向平行、垂直、斜交。亦考慮排氣劃線之性質，諸如深度、形狀及長度(尺寸)。
本發明電池組可進一步包括與第一端子或第二端子電連通(較佳與第一端子電連通)之正溫度係數層(positive thermal coefficient layer，PTC)。適合之PTC材料為此項技術中已知之材料。大體而言，適合之PTC材料為當經受超過設計臨限值之電流時，電導率隨著溫度增加而降低若干個數量級(例如104 至106 或106 以上)之材料。大體而言，一旦電流降至低於適合之臨限值，則PTC材料實質上恢復至初始電阻率。在一適合之具體實例中，PTC材料包括含少量半導體材料之多晶陶瓷，或包埋有碳粒之塑膠或聚合物薄片。當PTC材料之溫度達到臨界點時，半導體材料或包埋有碳粒之塑膠或聚合物形成阻礙電流動之障壁且使電阻突增。如此項技術中所知，可藉由調整PTC材料之組成來改變電阻率突增之溫度。PTC材料之「工作溫度」為PTC之電阻率約為其最高電阻與最低電阻之間的中間值之溫度。本發明所用之PTC層之工作溫度較佳介於約70℃與約150℃之間。
特定PTC材料之實例包括含少量鈦酸鋇(BaTiO3 )之多晶陶瓷，及包埋有碳粒之聚烯烴。PTC層夾入兩個導電金屬層之間的市售PTC層板之實例包括Raychem公司製造之LTP及LR4系列。大體而言，PTC層之厚度在約50 μm至約300 μm之範圍內。
PTC層較佳包括導電表面，該導電表面之總面積為電池組10之蓋板26或底部之總表面積的至少約25%或至少約50%(例如約48%或約56%)。PTC層之導電表面的總表面積可為電池組10之蓋板26或底部之總表面積的至少約56%。電池組10之蓋板26的至多100%之總表面積可由PTC層之導電表面佔據。或者，電池組10之整個底部或底部之一部分可由PTC層之導電表面佔據。
PTC層可位於電池罐(例如電池外殼24之蓋板22或底部部分)內部或外部，較佳位於電池罐外部，例如位於電池罐之蓋板26上方。
在一較佳具體實例中，PTC層介於第一導電層與第二導電層之間，且該第二導電層之至少一部分為第一端子之至少一個組件，或電連接至該第一端子。在一更佳具體實例中，該第一導電層連接至饋通器件。夾入第一導電層與第二導電層之間的此類PTC層之適合實例描述於2006年6月23日申請之美國專利申請案第11/474,081號中，該案之全部教示內容以引用的方式併入本文中。
在一些其他具體實例中，本發明之電池或電池組為如圖1中所示之稜柱形(經堆疊或捲繞，例如183665或103450組態)。本發明之電池或電池組較佳具有稜柱形形狀，其為長橢圓形的。儘管本發明可使用所有類型之稜柱形電池外殼，但長橢圓形電池外殼較佳，此部分歸因於下文所述之兩個特徵。
當比較具有相同外部體積之堆疊時，長橢圓形形狀(諸如183665外形尺寸)之可用內部體積大於兩個18650電池之體積。當組裝成電池組包時，長橢圓形電池充分利用該電池組包所佔據之更多空間。此能夠實現針對內部電池組件之新穎設計變化，相對於當今業界所見者，此可在不犧牲電池容量下增加關鍵效能特徵。由於可用體積較大，吾人可選擇使用具有相對較高循環壽命及較高速率能力(rate capability)的較薄電極。此外，長橢圓形罐具有較大可撓性。舉例而言，相較於因充電後堆疊壓力增加而可撓性較小之圓柱形罐，長橢圓形形狀在中腰點處可更大程度地撓曲。可撓性增加會降低電極之機械疲勞，繼而延長循環壽命。又，電池組中隔板之孔隙堵塞可因相對較低之堆疊壓力而得到改良。
相較於稜柱形電池組，使安全性相對較高尤其所需之特徵可用於長橢圓形電池組。長橢圓形形狀與卷芯呈適貼配合，其使得電池組所必需之電解質的量降至最低。相對較低量之電解質使得在誤用情況下可用之反應材料較少且因此安全性較高。另外，由於電解質之量較少，故成本較低。在具有堆疊電極結構且橫截面呈矩形形狀之稜柱形罐的情況下，有可能在無需多餘電解質下充分利用體積，但此種類型之罐設計更加困難且因此自製造觀點而言成本更高。
至少一個電池較佳具有稜柱形電池外殼，且更佳具有如圖1中所示之長橢圓形電池外殼。至少一個電池更佳具有183665組態。典型地，電池組包中電池之容量較佳等於或大於約3.0 Ah，更佳等於或大於約4.0 Ah。電池之內阻抗較佳小於約50毫歐姆(milliohm)，且更佳小於30毫歐姆。
本發明之鋰離子電池組及電池組包可用於攜帶型電源器件，諸如攜帶型電腦、電動工具、玩具、攜帶型電話、攝錄一體機、PDA及其類似物。在使用鋰離子電池組之攜帶型電子器件中，其充電一般針對4.20 V充電電壓進行設計。因此，本發明之鋰離子電池組及電池組包尤其適用於此等攜帶型電子器件。
本發明亦包括製造如上文所述之電池組(諸如鋰離子電池組)的方法。該等方法包括形成如上文所述之電池外殼，及將第一電極及第二電極安置於該電池外殼內。形成如上文所述之電流中斷器件(例如電流中斷器件28)且使之與電池外殼電連接。
用於本發明之鋰離子電池組的正電極及負電極以及電解質可由此項技術中已知之適合方法來形成。
適於負電極之負極活性材料的實例包括可在材料中摻雜或不摻雜鋰之任何材料。該等材料之實例包括含碳材料，例如非石墨碳、人造碳、人造石墨、天然石墨、熱解碳、焦炭(諸如瀝青焦、針狀焦、石油焦)、石墨、玻璃碳，或藉由碳化酚樹脂、呋喃樹脂或類似物而獲得之熱處理有機聚合物化合物；碳纖維及活性碳。此外，金屬鋰、鋰合金及其合金或化合物可用作負極活性材料。詳言之，可與鋰形成合金或化合物之金屬元素或半導體元素可為第IV族金屬元素或半導體元素，諸如(但不限於)矽或錫。詳言之，摻雜有過渡金屬(諸如鈷或鐵/鎳)之無晶型錫為適用作此等類型之電池組中之陽極材料的金屬。在相對基礎電位下可在氧化物中摻雜或不摻雜鋰之氧化物可用作負極活性材料，諸如氧化鐵、氧化釕、氧化鉬、氧化鎢、氧化鈦及氧化錫；且氮化物與之類似。
適於正電極之正極活性材料包括此項技術中已知之任何材料，例如鎳酸鋰(例如Li1+x NiM'O2 )、鈷酸鋰(例如Li1+x CoO2 )、橄欖石型化合物(例如Li1+x FePO4 )、錳酸鹽尖晶石(例如Li1+x9 Mn2-y9 O4 (x9及y9各獨立地等於或大於0且等於或小於0.3)或Li1+x1 (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 )(x1及x2各獨立地等於或大於0.01且等於或小於0.3；y1及y2各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3；z1等於或大於3.9且等於或小於4.1)及其混合物。適合之正極活性材料的多種實例可見於2005年12月23日申請之國際申請案第PCT/US2005/047383號、2006年7月12日申請之美國專利申請案第11/485,068號及2007年6月22日申請之國際申請案第PCT/US2007/014591號中，該等案之全部教示內容皆以引用的方式併入本文中。
在一特定具體實例中，用於本發明之正電極的正極活性材料包括鈷酸鋰，諸如Li(1+x8) CoOz8 。更特定言之，本發明採用約60-90 wt%(例如約80 wt%)之鈷酸鋰(諸如Li(1+x8) CoOz8 )與約40-10 wt%(例如約20 wt%)之錳酸鹽尖晶石(例如具有約100-115 mAh/g)(諸如Li(1+x1) Mn2 Oz1 ，較佳為Li(1+x1) Mn2 O4 )的混合物。值x1等於或大於0且等於或小於0.3(例如0.05x10.15)。值z1等於或大於3.9且等於或大於4.2。值x8等於或大於0且等於或小於0.2。值z8等於或大於1.9且等於或大於2.1。
在另一特定具體實例中，用於本發明之正極活性材料包括包含鈷酸鋰(諸如Li(1+x8) CoOz8 )及由經驗式Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 表示之錳酸鹽尖晶石的混合物。值x1及x2各獨立地等於或大於0.01且等於或小於0.3。值y1及y2各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3。值z1等於或大於3.9且等於或小於4.2。A'為由鎂、鋁、鈷、鎳及鉻組成之群中之至少一個成員。更特定言之，鈷酸鋰與錳酸鹽尖晶石之鈷酸鋰：錳酸鹽尖晶石重量比介於約0.95:0.05與約0.9:0.1至約0.6:0.4之間。
在另一特定具體實例中，用於本發明之正極活性材料包括包含100%鈷酸鋰(諸如Li(1+x8) CoOz8 )之混合物。
在另一特定具體實例中，用於本發明之正極活性材料包括至少一種選自由以下組成之群的氧化鋰：a)鈷酸鋰；b)鎳酸鋰；c)由經驗式Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 表示之錳酸鹽尖晶石；d)由經驗式Li(1+x1) Mn2 Oz1 或Li1+x9 Mn2-y9 O4 表示之錳酸鹽尖晶石；及e)由經驗式Li(1-x10) A"x10 MPO4 表示之橄欖石化合物。值x1、z1、x9及y9如上文所述。值x2等於或大於0.01且等於或小於0.3。值y1及y2各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3。A'為由鎂、鋁、鈷、鎳及鉻組成之群中之至少一個成員。值x10等於或大於0.05且等於或小於0.2，或值x10等於或大於0.0且等於或小於0.1。M為由鐵、錳、鈷及鎂組成之群中之至少一個成員。A"為由鈉、鎂、鈣、鉀、鎳及鈮組成之群中之至少一個成員。
可用於本發明之鎳酸鋰包括Li原子或Ni原子或兩者之至少一種修飾物。本文中所用之「修飾物(modifier)」意謂在LiNiO2 之晶體結構中佔據Li原子或Ni原子或兩者之位點的取代基原子。在一具體實例中，鎳酸鋰僅包括Li原子之修飾物或取代基(「Li修飾物」)。在另一具體實例中，鎳酸鋰僅包括Ni原子之修飾物或取代基(「Ni修飾物」)。在另一具體實例中，鎳酸鋰包括Li修飾物與Ni修飾物。Li修飾物之實例包括鋇(Ba)、鎂(Mg)、鈣(Ca)及鍶(Sr)。Ni修飾物之實例包括Li以及另外的鋁(Al)、錳(Mn)及硼(B)之彼等修飾物。Ni修飾物之其他實例包括鈷(Co)及鈦(Ti)。鎳酸鋰較佳經LiCoO2 塗佈。塗層可為例如梯度塗層或逐點塗層。
一種可用於本發明之特定鎳酸鋰類型由經驗式Lix3 Ni1-z3 M'z3 O2 表示，其中0.05<x3<1.2且0<z3<0.5，且M'為一或多種選自由Co、Mn、Al、B、Ti、Mg、Ca及Sr組成之群的元素。M'較佳為一或多種選自由Mn、Al、B、Ti、Mg、Ca及Sr組成之群的元素。
另一種可用於本發明之特定鎳酸鋰類型由經驗式Lix4 A* x5 Ni(1-y4-z4) Coy4 Qz4 Oa 表示，其中x4等於或大於約0.1且等於或小於約1.3；x5等於或大於0.0且等於或小於約0.2；y4等於或大於0.0且等於或小於約0.2；z4等於或大於0.0且等於或小於約0.2；a大於約1.5且小於約2.1；A* 為由鋇(Ba)、鎂(Mg)及鈣(Ca)組成之群中之至少一個成員；且Q為由鋁(Al)、錳(Mn)及硼(B)組成之群中之至少一個成員。y4較佳大於0。在一較佳具體實例中，x5等於0，且z4大於0.0且等於或小於約0.2。在另一具體實例中，z4等於0，且x5大於0.0且等於或小於約0.2。在另一具體實例中，x5及z4各獨立地大於0.0且等於或小於約0.2。在另一具體實例中，x5、y4及z4各獨立地大於0.0且等於或小於約0.2。x5、y4及z4各獨立地大於0.0且等於或小於約0.2之鎳酸鋰的多種實例可見於美國專利第6,855,461號及第6,921,609號(其全部教示內容以引用的方式併入本文中)中。
鎳酸鋰之一特定實例為LiNi0.8 Co0.15 Al0.05 O2 。一較佳特定實例為塗佈有LiCoO2 之LiNi0.8 Co0.15 Al0.05 O2 。在逐點塗佈之陰極中，LiCoO2 並不完全塗佈鎳酸鹽核心顆粒。塗佈有LiCoO2 之LiNi0.8 Co0.15 Al0.05 O2 之組成可天然地與0.8:0.15:0.05之Ni:Co:Al重量比的組成稍有偏差。該偏差可在約10-15% Ni、5-10% Co及2-4% Al之範圍內。鎳酸鋰之另一特定實例為Li0.97 Mg0.03 Ni0.9 Co0.1 O2 。一較佳特定實例為塗佈有LiCoO2 之Li0.97 Mg0.03 Ni0.9 Co0.1 O2 。塗佈有LiCoO2 之Li0.97 Mg0.03 Ni0.9 Co0.1 O2 之組成可與0.03:0.9:0.1之Mg:Ni:Co重量比的組成稍有偏差。該偏差可在約2-4% Mg、10-15% Ni及5-10% Co之範圍內。另一種可用於本發明之較佳鎳酸鹽為Li(Ni1/3 Co1/3 Mn1/3 )O2 ，亦稱為「333型鎳酸鹽」。如上文所述，此333型鎳酸鹽視情況可經LiCoO2 塗佈。
可用於本發明之鈷酸鋰的適合實例包括經至少一個Li或Co原子修飾之Li1+x8 CoO2 。Li修飾物之實例如上文針對鎳酸鋰之Li所述。Co修飾物之實例包括Li以及鋁(Al)、錳(Mn)及硼(B)之修飾物。其他實例包括鎳(Ni)及鈦(Ti)；且詳言之，由經驗式Lix6 M'y6 Co(1-z6) M"z6 O2 表示之鈷酸鋰可用於本發明中，其中x6大於0.05且小於1.2；y6大於0且小於0.1；z6等於或大於0且小於0.5；M'為鎂(Mg)及鈉(Na)中之至少一個成員；且M"為由錳(Mn)、鋁(Al)、硼(B)、鈦(Ti)、鎂(Mg)、鈣(Ca)及鍶(Sr)組成之群中之至少一個成員。可用於本發明之鈷酸鋰的另一實例為未經修飾之Li1+x8 CoO2 ，諸如LiCoO2 。在一特定具體實例中，鈷酸鋰(例如LiCoO2 )摻雜有Mg及/或塗佈有折射性氧化物或磷酸鹽(諸如ZrO2 或Al(PO4 ))。
所用氧化鋰化合物尤其較佳具有類球形形態，因為咸信此會改良填充特徵及其他製造相關特徵。
鈷酸鋰及鎳酸鋰各者之晶體結構較佳獨立地為R-3m型空間群(斜方六面體，包括扭曲斜方六面體)。或者，鎳酸鋰之晶體結構可為單斜空間群(例如P2/m或C2/m)。在R-3m型空間群中，鋰離子佔據「3a」位點(x=0，y=0且z=0)且過渡金屬離子(亦即，鎳酸鋰中之Ni及鈷酸鋰中之Co)佔據「3b」位點(x=0，y=0，z=0.5)。氧位於「6a」位點(x=0，y=0，z=z0，其中z0視金屬離子(包括其修飾物)之性質而變)。
適用於本發明之橄欖石化合物的實例一般由通式Li1-x2 A"x2 MPO4 表示，其中x2等於或大於0.05，或x2等於或大於0.0且等於或大於0.1；M為一或多種選自由Fe、Mn、Co或Mg組成之群的元素；且A"選自由Na、Mg、Ca、K、Ni、Nb組成之群。M較佳為Fe或Mn。更佳在本發明中使用LiFePO4 或LiMnPO4 或兩者。在一較佳具體實例中，橄欖石化合物經具有相對較高電導率之材料(諸如碳)塗佈。在一更佳具體實例中，在本發明中採用塗佈有碳之LiFePO4 或塗佈有碳之LiMnPO4 。M為Fe或Mn之橄欖石化合物的多種實例可見於美國專利第5,910,382號(其全部教示內容以引用的方式併入本文中)中。
在充電/放電後，橄欖石化合物之晶體結構典型地具有較小變化，此一般使得橄欖石化合物在循環特徵方面較優越。又，即使當電池組經受高溫環境時，安全性一般仍較高。橄欖石化合物(例如LiFePO4 及LiMnPO4 )之另一優點在於其成本相對較低。
錳酸鹽尖晶石化合物具有錳基質，諸如LiMn2 O4 。儘管錳酸鹽尖晶石化合物典型地具有相對較低之比容量(例如在約110 mAh/g至115 mAh/g之範圍內)，但當將其配製成電極時具有相對較高的功率輸送且典型地在較高溫度下之化學反應性方面為安全的。錳酸鹽尖晶石化合物之另一優點在於其成本相對較低。
一種可用於本發明之錳酸鹽尖晶石化合物類型由經驗式Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 表示，其中A'為Mg、Al、Co、Ni及Cr中之一或多者；x1及x2各獨立地等於或大於0.01且等於或小於0.3；y1及y2各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3；z1等於或大於3.9且等於或小於4.1。A'較佳包括M3+ 離子，諸如Al3+ 、Co3+ 、Ni3+ 及Cr3+ ，更佳為Al3+ 。錳酸鹽尖晶石化合物Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 相較於LiMn2 O4 之循環性及功率可有所增強。另一種可用於本發明之錳酸鹽尖晶石化合物類型由經驗式Li(1+x1) Mn2 Oz1 表示，其中x1及z1各獨立地與上文所述者相同。或者，用於本發明之錳酸鹽尖晶石包括由經驗式Li1+x9 Mn2-y9 Oz9 表示之化合物，其中x9及y9各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3(例如0.05x9，y90.15)；且z9等於或大於3.9且等於或小於4.2。可用於本發明之錳酸鹽尖晶石的特定實例包括LiMn1.9 Al0.1 O4 、Li1+x1 Mn2 O4 、Li1+x7 Mn2-y7 O4 ，及其具有Al及Mg修飾物之變化形式。Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 類型之錳酸鹽尖晶石化合物的多種其他實例可見於美國專利第4,366,215號、第5,196,270號及第5,316,877號(該等專利之全部教示內容以引用的方式併入本文中)中。
應注意，本文所述之適合陰極材料的特徵為在製造併有其之鋰離子電池組後存在的經驗式。應瞭解，此後，其特定組成依據其在使用(例如充電及放電)期間所發生的電化學反應而變化。
適合之非水性電解質的實例包括藉由將電解質鹽溶解於非水性溶劑中而製備之非水性電解質溶液，固體電解質(含電解質鹽之無機電解質或聚合物電解質)，及藉由將電解質混入或溶解於聚合物化合物或其類似物中而製備之固體或凝膠狀電解質。
非水性電解質溶液典型地藉由將鹽溶解於有機溶劑中來製備。有機溶劑可包括一般已用於此類型電池組之任何適合類型。該等有機溶劑之實例包括碳酸丙烯酯(PC)、碳酸伸乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、γ-丁內酯、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、1,3-二氧雜環戊烷、4-甲基-1,3-二氧雜環戊烷、乙醚、環丁碸、甲基環丁碸、乙腈、丙腈、苯甲醚、乙酸酯、丁酸酯、丙酸酯及其類似物。較佳使用環狀碳酸酯(諸如碳酸伸丙酯)或鏈狀碳酸酯(諸如碳酸二甲酯及碳酸二乙酯)。此等有機溶劑可單獨使用或以兩種類型或兩種以上類型之組合形式使用。
添加劑或穩定劑亦可存在於電解質中，諸如VC(碳酸乙烯酯)、VEC(碳酸乙烯伸乙酯)、EA(乙酸伸乙酯)、TPP(磷酸三苯酯)、磷氮烯(phosphazene)、聯苯(BP)、環己基苯(CHB)、2,2-二苯基丙烷(DP)、雙(草酸基)硼酸鋰(LiBoB)、硫酸伸乙酯(ES)及硫酸伸丙酯。此等添加劑用作陽極及陰極穩定劑、阻燃劑或氣體釋放劑，其可使得電池組在形成、循環效率、安全性及壽命方面具有較高效能。
固體電解質可包括無機電解質、聚合物電解質及其類似物，只要材料具有鋰離子電導率即可。無機電解質可包括例如氮化鋰、碘化鋰及其類似物。聚合物電解質由電解質鹽及聚合物化合物組成，該電解質鹽溶解於該聚合物化合物中。用於聚合物電解質之聚合物化合物的實例包括基於醚之聚合物(諸如聚氧化乙烯及交聯聚氧化乙烯)、基於聚甲基丙烯酸酯之聚合物、基於丙烯酸酯之聚合物及其類似物。此等聚合物可單獨使用或以兩個種類或兩個以上種類之混合物或共聚物形式使用。
凝膠電解質之基質可為任何聚合物，只要該聚合物藉由吸收上述非水性電解質溶液而膠凝即可。用於凝膠電解質之聚合物的實例包括氟碳聚合物，諸如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯(PVDF-HFP)及其類似物。
用於凝膠電解質之聚合物的實例亦包括聚丙烯腈及聚丙烯腈共聚物。用於共聚之單體(基於乙烯基之單體)的實例包括乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、伊康酸(itaconic acid)、氫化丙烯酸甲酯、氫化丙烯酸乙酯、丙烯醯胺、氯乙烯、偏二氟乙烯及偏二氯乙烯。用於凝膠電解質之聚合物的實例進一步包括丙烯腈-丁二烯共聚物橡膠、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈-氯化聚乙烯-丙二烯-苯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈-氯乙烯共聚物樹脂、丙烯腈-甲基丙烯酸酯樹脂及丙烯腈-丙烯酸酯共聚物樹脂。
用於凝膠電解質之聚合物的實例包括基於醚之聚合物，諸如聚氧化乙烯、聚氧化乙烯共聚物及交聯聚氧化乙烯。用於共聚之單體的實例包括聚氧化丙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯。
詳言之，自氧化還原穩定性之觀點而言，氟碳聚合物較佳用於凝膠電解質之基質。
電解質中所用之電解質鹽可為適於此類型電池組之任何電解質鹽。電解質鹽之實例包括LiClO4 、LiAsF6 、LiPF6 、LiBF4 、LiB(C6 H5 )4 、LiB(C2 O4 )2 、CH3 SO3 Li、CF3 SO3 Li、LiCl、LiBr及其類似物。隔板一般將電池組之正電極與負電極分開。該隔板可包括一般已用於形成此類型之非水性電解質二次電池組之隔板的任何膜狀材料，例如由聚丙烯、聚乙烯或兩者之層狀組合製成之微孔聚合物膜。另外，若固體電解質或凝膠電解質用作電池組之電解質，則未必需要提供隔板。在某些情況下，亦可使用由玻璃纖維或纖維素材料製成之微孔隔板。隔板厚度典型地介於9 μm與25 μm之間。
在一些特定具體實例中，正電極可藉由以特定比率混合陰極粉末來製造。接著將90 wt%之此摻合物與5 wt%之乙炔黑導電劑及5 wt%之PVDF黏合劑混合在一起。將該混合物分散於N-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)溶劑中，製成漿料。接著將此漿料塗覆於典型厚度約20 μm之集電鋁箔的兩個表面上，且在約100-150℃下乾燥。接著由輥壓機(roll press)壓延經乾燥之電極，獲得經壓製之正電極。當僅使用LiCoO2 作為正電極時，典型地使用含94 wt% LiCoO2 、3%乙炔黑及3% PVDF之混合物。負電極可藉由混合93 Wt%之石墨負極活性材料、3 wt%之乙炔黑及4 wt%之PVDF黏合劑來製備。亦將負極混合物分散於N-甲基-2-吡咯啶酮溶劑中，製成漿料。將負極混合物漿料均勻地塗覆於典型厚度約10 μm之帶狀負極集電銅箔的兩個表面上。接著由輥壓機壓延經乾燥之電極，獲得緻密負電極。
一般使負電極及正電極以及由具有微孔之聚乙烯膜形成且厚度為25 μm之隔板疊層且成螺旋形地捲繞以製造螺旋型電極元件。
在一些具體實例中，一或多個由例如鋁製成之正引線條帶附接至正電流電極，且接著電連接至本發明電池組之正端子。由例如鎳金屬製成之負引線連接負電極，且接著附接至饋通器件(諸如饋通器件16)。將例如EC:DMC:DEC與1 M LiPF6 之電解質真空填充於本發明之鋰離子電池組的電池外殼中，其中該電池外殼具有成螺旋形捲繞之「卷芯」。
均等性
儘管已特定地參考較佳具體實例來展示並描述本發明，但熟習此項技術者應瞭解，可在不脫離隨附申請專利範圍所涵蓋之本發明範疇的情況下對形式及細節作出各種改變。
10‧‧‧電池組
12‧‧‧第一電極
14‧‧‧第二電極
16‧‧‧饋通器件
18‧‧‧第一組件
20‧‧‧第二組件
22‧‧‧電池組罐
24‧‧‧電池外殼
26‧‧‧蓋板
28‧‧‧內部空間
30‧‧‧主表面
31a‧‧‧平面
31b‧‧‧平面
32‧‧‧凹入部分
33‧‧‧心軸
33a‧‧‧心軸末端
33b‧‧‧封閉端
33c‧‧‧開口端
34‧‧‧
35‧‧‧衝頭
36‧‧‧隆脊部分
37‧‧‧凹部
38‧‧‧其餘部分
40‧‧‧電流中斷器件(CID)
42‧‧‧第一導電板
44‧‧‧第二導電板
46‧‧‧排氣劃線
48‧‧‧絕緣體
50‧‧‧孔
52‧‧‧孔
54‧‧‧端板
56‧‧‧孔
60‧‧‧錐台
62‧‧‧第一末端
64‧‧‧第二末端
68‧‧‧基座
70‧‧‧呈平面之頂蓋
72‧‧‧邊界
74‧‧‧邊界
圖1A為本發明之一具體實例之稜柱形電池組的示意性透視圖。
圖1B為本發明之稜柱形電池組之另一具體實例的示意性透視圖。
圖2A為圖1B中所示之本發明電池外殼的俯視圖。
圖2B為圖2A之電池外殼的側視圖。
圖2C為沿線CC獲取的圖2B之電池外殼的剖視圖。
圖2D為圖2C之一部分的細部圖。
圖3A為在一具體實例中用於形成圖2A至圖2D中所示之電池外殼的心軸。
圖3B為在一具體實例中用於形成圖2A至圖2D中所示之電池外殼的衝頭。
圖4A為處於非撓曲位置之電池外殼之壁的剖視圖。
圖4B為處於撓曲位置之電池外殼之壁的剖視圖。
圖4C為處於另一撓曲位置之電池外殼之壁的剖視圖。
圖5A為圖1A中所示之稜柱形電池組之電池外殼的側視圖。
圖5B為沿線BB獲取的圖5A之電池外殼的剖視圖。
圖5C為本發明之稜柱形電池組之另一具體實例的剖視圖。
圖6A為處於非撓曲位置的圖1A中所示之稜柱形電池組之電池外殼之壁的剖視圖。
圖6B為處於撓曲位置的圖6A之電池外殼之壁的剖視圖。
圖6C為處於另一撓曲位置的圖6A之電池外殼之壁的剖視圖。
圖7為處於非撓曲位置的本發明之另一具體實例之電池外殼之壁的剖視圖。
圖8A為本發明電池組之第一導電板的視圖。
圖8B為本發明電池組之第一導電板的俯視圖。
圖8C為沿線AA獲取的圖8B之第一導電板的剖視圖。
10．．．電池組
12．．．第一電極
14．．．第二電極
16．．．饋通器件
18．．．第一組件
20．．．第二組件
22．．．電池組罐
24．．．電池外殼
26．．．蓋板
28．．．內部空間
30．．．主表面
32．．．凹入部分
36．．．隆脊部分
38．．．其餘部分
40．．．電流中斷器件(CID)
42．．．第一導電板
44．．．第二導電板
46．．．排氣劃線
48．．．絕緣體
50．．．孔
52．．．孔
54．．．端板
56．．．孔

Claims (27)

  1. 一種電池組外殼，在該外殼之主表面上具有一凹入部分，該凹入部分實質上呈平面且在該凹入部分之一側或兩側中之每一者上的隆脊部分處毗接該主表面之其餘部分，藉此該凹入部分、該隆脊部分及該主表面之該其餘部分在錶壓增加下協同作用以使得由該隆脊部分與該主表面之該其餘部分之間的邊界所界定之平面移動，其中該凹入部分之至少一部分在錶壓增加下撓曲至在錶壓增加之前該平面之位置以外的一點，且其中該隆脊部分與該凹入部分之間的邊界相對於由該隆脊部分與該主平面之其餘部分之間的該邊界所界定之該平面保持凹入，直至錶壓達到至少2kg/cm2 。
  2. 如申請專利範圍第1項之電池組外殼，其中該主表面之該其餘部分在單一隆脊部分處毗接該凹入部分。
  3. 如申請專利範圍第1項之電池組外殼，其中該主表面之該其餘部分在兩個隆脊處毗接該凹入部分。
  4. 如申請專利範圍第1項之電池組外殼，其中該隆脊部分彼此相對。
  5. 如申請專利範圍第1項之電池組外殼，其中該凹入部分之至少一部分在錶壓增加下撓曲至在錶壓增加期間該平面之位置以外的一點，且其中該隆脊部分與該凹入部分之間的邊界相對於由該隆脊部分與該主平面之其餘部分之間的該邊界所界定之該平面保持凹入，直至錶壓達到至少4kg/cm2 。
  6. 如申請專利範圍第5項之電池組外殼，其中該外殼由如下材料建構：該材料將使該凹入部分在錶壓自一增加之位準恢復之後，相對於該平面實質上恢復至其初始形狀及位置。
  7. 如申請專利範圍第1項之電池組外殼，其中該外殼由如下材料建構：該材料將使在錶壓增加之前該平面的位置與錶壓自一增加之位準恢復之後該平面的位置實質上相同。
  8. 如申請專利範圍第7項之電池組外殼，其中該外殼由至少一種選自由鋁、鎳、銅、鋼、鍍鎳鐵及不鏽鋼組成之群的材料構成。
  9. 如申請專利範圍第8項之電池組外殼，其中該電池組外殼為稜柱形電池組外殼。
  10. 如申請專利範圍第9項之電池組外殼，其中該稜柱形電池組外殼為長橢圓形稜柱形電池組電池外殼。
  11. 如申請專利範圍第10項之電池組電池外殼，其中該稜柱形電池組外殼具有183665組態。
  12. 如申請專利範圍第10項之電池組電池外殼，其中外殼由鋁建構，且其中該鋁經陽極化。
  13. 如申請專利範圍第12項之電池組電池外殼，其中該凹入部分佔該主表面之約75%至約80%，該主表面為該電池外殼之大體上呈平面之部分。
  14. 如申請專利範圍第13項之電池組電池外殼，其中該凹入部分之最凹點在約0kg/cm2 錶壓下相對於由該隆脊部 分與該主表面之該其餘部分之間的該邊界所界定之該平面凹入約0.3mm至約0.5mm之範圍內。
  15. 如申請專利範圍第14項之電池組外殼，其中該凹入部分之表面積在約1200mm2 至約1400mm2 之範圍內。
  16. 如申請專利範圍第1項之電池組電池外殼，其中該凹入部分佔該主表面之約78%至約85%，該主表面為該電池外殼之大體上呈平面之部分。
  17. 一種電池組，其包含：a)與該電池組之第一電極電連通之第一端子；b)與該電池組之第二電極電連通之第二端子；及c)具有彼此電連通之電池外殼及蓋板之電池組罐，該電池組罐與該第一端子電絕緣，其中該電池外殼在該外殼之主表面上具有一凹入部分，該凹入部分實質上呈平面且在該凹入部分之至少三側上的隆脊部分處毗接該主表面之其餘部分，藉此該凹入部分、該隆脊部分及該主表面之該其餘部分在錶壓增加下協同作用以使得由該隆脊部分與該主表面之該其餘部分之間的邊界所界定之平面移動，其中該凹入部分之至少一部分在錶壓增加下撓曲至在錶壓增加之前該平面之位置以外的一點，且其中該隆脊部分與該凹入部分之間的邊界相對於由該隆脊部分與該主平面之其餘部分之間的該邊界所界定之該平面保持凹入，直至錶壓達到至少2kg/cm2 。
  18. 如申請專利範圍第17項之電池組，其中該第一電極為包括活性陰極材料之陰極，該活性陰極材料包含一包括 以下之混合物：a)鈷酸鋰；及b)由以下經驗式表示之錳酸鹽尖晶石：Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 其中：x1及x2各獨立地等於或大於0.01且等於或小於0.3；y1及y2各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3；z1等於或大於3.9且等於或小於4.2；且A'為由鎂、鋁、鈷、鎳及鉻組成之群中之至少一個成員，其中該鈷酸鋰與該錳酸鹽尖晶石之鈷酸鋰：錳酸鹽尖晶石重量比介於約0.95：0.05與約0.6：0.4之間。
  19. 如申請專利範圍第17項之電池組，其包含一包括活性陰極材料之陰極，該活性陰極材料包括一鈷酸鋰。
  20. 如申請專利範圍第19項之電池組，其中該鈷酸鋰由經驗式Li1+x8 CoOz8 表示，其中x8等於或大於0且等於或小於0.2，且z8等於或大於1.9且等於或大於2.1。
  21. 如申請專利範圍第20項之電池組，其中該活性陰極材料包含一包括以下之混合物：a)Li1+x8 CoOz8 ；及b)Li(1+x1) Mn2 Oz1 ，其中：x1等於或大於0.01且等於或小於0.3；且z1等於或大於3.9且等於或小於4.2，其中LiCoO2 與Li(1+x1) Mn2 Oz1 之鈷酸鋰：錳酸鹽尖晶石 重量比介於約0.95：0.05與約0.6：0.4之間。
  22. 如申請專利範圍第17項之電池組，其中該第一電極為包括活性陰極材料之陰極，該活性陰極材料包括至少一種選自由以下組成之群的氧化鋰：a)鈷酸鋰；b)鎳酸鋰；c)由以下經驗式表示之錳酸鹽尖晶石：Li(1+x1) (Mn1-y1 A'y2 )2-x2 Oz1 其中：x1及x2各獨立地等於或大於0.01且等於或小於0.3；y1及y2各獨立地等於或大於0.0且等於或小於0.3；z1等於或大於3.9且等於或小於4.2；且A'為由鎂、鋁、鈷、鎳及鉻組成之群中之至少一個成員；d)由以下經驗式表示之錳酸鹽尖晶石：Li(1+x1) Mn2 Oz1 其中：x1等於或大於0.01且等於或小於0.3；且z1等於或大於3.9且等於或小於4.2；及e)由以下經驗式表示之橄欖石化合物：Li(1-x10 )A"x10 MPO4 其中：x10等於或大於0.05且等於或小於0.2，或x10等於或大於0.0且等於或小於0.1；且 M為由鐵、錳、鈷及鎂組成之群中之至少一個成員；且A"為由鈉、鎂、鈣、鉀、鎳及鈮組成之群中之至少一個成員。
  23. 如申請專利範圍第17項之電池組，其進一步包括：a)焊接於該電池外殼上之蓋板，其中該電池組罐之至少一部分為該第二端子之至少一個組件，或電連接至該第二端子，當內部錶壓等於或大於約20kg/cm2 時，該焊接之蓋板脫離；及b)至少一個與該第一電極及該第二電極中之任一者電連通之電流中斷器件，該電流中斷器件包括：i)包括錐台之第一導電板，該錐台包括第一末端及直徑小於該第一末端之直徑的第二末端，及密封該錐台之該第二末端的基本上呈平面之頂蓋，其中基座處於該電池組罐近端且該基本上呈平面之頂蓋處於該電池組罐遠端；及ii)與該第一導電板且與該第一電極及該第二電極中之任一者電連通的第二導電板，其中當該第一板與該第二板之間的錶壓在約4kg/cm2 至9kg/cm2 之範圍內時，連接該第一板與第二板之焊接點斷裂；及c)至少一個處於該電池外殼上之排氣構件，當內部錶壓在約10kg/cm2 至約20kg/cm2 之範圍內時，該電池組內部之氣態物質經由該至少一個排氣構件排出。
  24. 如申請專利範圍第23項之電池組，其中該電池外殼 為稜柱形電池外殼。
  25. 如申請專利範圍第24項之電池組，其中該電池外殼具有183665組態。
  26. 如申請專利範圍第17項之電池組，其中該凹入部分佔該主表面之約78%至約85%，該主表面為該電池外殼之大體上呈平面之部分。
  27. 一種電池組外殼，在該外殼之主表面上具有多個凹入部分，該凹入部分實質上呈平面且在該凹入部分之隆脊部分處毗接該主表面之其餘部分，其中該隆脊部分之至少一部分彼此平行。
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