CN101517776B - 具有未密封驻留部分的袋形二次电池 - Google Patents
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Abstract
本说明书公开了一种包括阴极/分隔板/阳极结构的电极组件的二次电池，该电极组件以密封状态安装在袋形电池壳内，其中，未被密封的驻留部分(未密封驻留部分)被限定在所述电池壳的密封部分和所述电极组件之间以用于收集所产生的气体，并且所述未密封驻留部分通过如下步骤形成：将所述电极组件安装在上和下薄板之间，所述上和下薄板中的至少一个具有大致相当于所述电极组件的容纳部的尺寸；在所述上和下薄板的四侧中，密封所述上和下薄板的三侧，所述三侧包括其中设置有电极终端的两侧；将电解质通过所述未密封部分注入所述电池壳中；以及密封所述未密封部分以使得所得到的密封部分与所述容纳部间隔开一预定宽度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有未密封驻留部分的袋形二次电池，更具体地，涉及一种包括以密封状态安装在袋形电池壳中的二次电池，其中，未被密封的驻留部分(未密封驻留部分)被限定在电池壳的密封部分和电极组件之间，以用于收集所产生的气体，并且未密封驻留部分形成于与一侧密封部分相邻的电极组件容纳部的外侧。
背景技术
随着移动设备日益发展以及针对此类移动设备的需求逐渐增大，作为用于移动设备的能量来源，电池的需求也急剧增大。另外，已经开展了满足各种需求的针对电池的大量研究。
在电池形状方面，对于薄得足以应用于诸如移动电话之类的产品的棱形二次电池或袋形二次电池的需求非常大。在电池材料方面，对于具有高能量密度、高放电电压和高输出稳定性的锂二次电池的需求非常大，例如锂离子电池和锂离子聚合物电池。
进一步，可以基于具有阴极/分隔板/阳极的电极组件的构造对二次电池进行分类。例如，电极组件可构造为：凝胶卷(卷绕)型结构，其中在长板型阴极和阳极之间相应设置分隔板的同时卷绕该阴极和阳极；堆叠型结构，其中在具有预定尺寸的多个阴极和阳极之间相应设置分隔板的同时顺次堆叠这些阴极和阳极；或者堆叠/折叠型结构，其中在具有预定尺寸的多个阴极和阳极之间相应设置分隔板的同时顺次堆叠这些阴极和阳极来构建双电池或全电池，然后卷绕这些双电池或全电池。
最近，由于低制造成本、重量轻和形状易于改变，诸多兴趣集中于构造成如下结构的袋形电池，在该结构中此类堆叠或堆叠/折叠型电极组件被安装在由铝薄板制成的袋形电池壳中。结果，袋形电池的使用逐渐增加。
图1为典型地图示了常规的代表性袋形二次电池的整体结构的分解立体图。
参照图1，袋形二次电池10包括电极组件30、从电极组件30伸出的多个电极片45和50、分别熔焊到电极片40和50的电极引线60和70、以及用于容纳电极组件30的电池壳20。
电极组件30为功率发生元件，其包括顺次堆叠的阴极和阳极，同时在这些阴极和阳极之间相应设置分隔板。电极组件30构造为堆叠结构或堆叠/折叠结构。电极片40和50从电极组件30的相应的电极板伸出。电极引线60和70例如通过熔焊等电连接到从电极组件30的相应的电极板分别伸出的电极片40和50。电极引线60和70局部暴露于电池壳20之外。电极引线60和70的上和下表面局部附接有绝缘膜80，该绝缘膜用于提高电池壳与电极引线60和70之间的密封性，并同时用于确保在电池壳20与电极引线60和70之间的电绝缘。
电池壳20由铝薄板制成。电池壳20具有其中限定了用于容纳电极组件30的空间。电池壳20大致形成为袋形。在电极组件30为如图1所示的堆叠型电极组件的情况下，电池壳20的内上端与电极组件30间隔开，从而使多个阴极片40和多个阳极片50能够各自连接到电极引线60和70。
当袋形电池被过充电，暴露于高温或短路时，由于电解质分解而产生大量气体，结果使电池壳膨胀，即，发生所谓的膨胀现象。在被密封的电池壳中引起高压的同时，这种膨胀现象加速电解质的分解，从而导致电池***。进一步，电池壳的中央部分由于所产生的气体而膨胀，从而使电池变形。结果，在电池中发生短路。
为了解决此问题，已经提出了数种在电极组件和电池壳的密封部分之间形成预定的未密封部分的方法。例如，日本专利申请公布No.2005-332726和2005-222872公开了如下二次电池，每种二次电池均具有安装在由薄板制成的容纳部内的堆叠型电极组件，每种二次电池均被构造成如下结构，在该结构中未密封部分形成在薄板的容纳部和薄板的密封部分之间，其中电极组件安装在该容纳部中，这样，在二次电池的非正常运行情况下，例如当二次电池被过充电或者二次电池的内部温度急剧升高时，在薄板的一侧熔焊的密封部分被打开，结果使气体被排出二次电池。
具体而言，日本专利申请公布No.2005-332726公开了如下结构，其中沿着薄板的容纳部的外周边，在薄板的容纳部的内部形成具有预定宽度的空间，其中电极组件安装在该容纳部中。结果，与电极组件的尺寸相比，容纳部的尺寸更大。因此，在实际的制造过程中，难于在容纳部中对电极组件进行正确定位而使所述空间被形成在容纳部内。进一步地，难于将二次电池构造为使得在二次电池中产生高压时能够可靠地打开被密封的气体排放区域。
另外，日本专利申请公布No.2005-222872公开了如下结构，其中在薄电池壳内安装气体通道，该气体通道用于允许气体排放区域可被可靠地打开，并且气体通道引导件是由强度比薄板的强度更高的材料制成。因此，所述制造过程复杂，并且制造成本高，结果导致所公开的结构在应用于实际制造过程方面受到限制。
因此，急迫需要一种技术来从根本上解决上述问题。
发明内容
因此，本发明致力于解决上述问题以及还未解决的其他技术问题。
具体而言，本发明的目的在于，提供一种包括被容纳在薄板的容纳部内的电极组件的二次电池，其中一未密封部分在与电极组件相邻的区域处未被密封，电解质通过该未密封部分注入电池壳中，一未密封驻留部分形成于电池壳的密封部分和电极组件之间，用于收集在电池非正常运行情况下由于电解质分解而产生的气体，从而在非正常运行情况下有效防止在电池壳内产生高压以及电池变形。
本发明的另一目的在于，提供一种能够在确保电池安全性的同时易于制造的二次电池。
根据本发明的一方面，可以通过提供一种二次电池来实现上述和其他目的，该二次电池包括以密封状态安装在袋形电池壳内的阴极/分隔板/阳极结构的电极组件，其中，未被密封的驻留部分(未密封驻留部分)被限定在电池壳的密封部分和电极组件之间，以用于收集所产生的气体，并且该未密封驻留部分通过如下步骤形成：(a)将所述电极组件安装在上和下薄板之间，所述上和下薄板中的至少一个具有大致相当于所述电极组件的容纳部的尺寸；(b)在所述上和下薄板的 四侧中，密封所述上和下薄板的三侧，所述三侧包括在该处设置电极终端的两侧；(c)将电解质通过所述未密封部分注入所述电池壳；和(d)在所述未密封部分与所述容纳部间隔开一预定宽度的区域处密封所述未密封部分。
如上所述，根据本发明的袋形电池包括未密封驻留部分，其被限定在电池壳的密封部分和电极组件之间以用于收集气体。因此，当由于非正常运行情况——例如电池过充电或者电池暴露于高温——而在电池中产生高压时，未密封驻留部分首先膨胀，以在未密封驻留部分的可允许体积内收集所产生的气体，从而抑制电池内压的增大。
另外，用于收集所产生气体的未密封驻留部分并不位于电极组件容纳部中。因此，不必使容纳部被制造得使该容纳部的尺寸大于必要尺寸，因此，易于将电极组件容纳在容纳部中。
电极组件并不被特别限制，只要电极组件构造为其中多个电极片被相连而形成阴极和阳极的结构即可。优选地，电极组件被构造为卷绕、堆叠、或堆叠/折叠型结构。堆叠/折叠型电极组件的细节内容公开于韩国专利申请公布No.2001-0082058、No.2001-0082059和No.2001-0082060中，上述专利申请已经以本专利申请的申请人的名称递交。上述专利公布的公开内容如同其整体在此阐述那样在此通过引用而并入本文。
优选地，根据本发明的二次电池应用于这样的袋形二次电池，其包括安装在袋形壳的容纳部内的电极组件，该袋形壳由诸如包括树脂层和金属层的铝薄板之类的薄板制成。
通常，袋形二次电池被构造为其中电极组件被安装在袋形电池壳的容纳部中的结构，所述袋形电池壳例如由铝薄板制成。具体而言，通过在薄板处形成用于容纳电极组件的容纳部，以及在将电极组件放置在该容纳部中的同时，将与薄板分离的附加的板或者从所述薄板伸出的板热熔焊，以将该容纳部密封，来制造袋形二次电池。
因此，在步骤(a)中薄板可被构造为其中电极组件容纳部形成在上和下薄板的至少一个处的结构。具体而言，上和下薄板可在其一侧末端处彼此分离或彼此连接。在这种袋形壳中，在使用冲模和冲头拉制过程中，使厚度为数打或数百厘米的薄板被局部压制，以形成容纳 部。
优选地，薄板被构造为上和下薄板在其一侧末端处彼此接合的结构。
双单元分离型电池壳被构造为其中两个电池壳单元在其四侧处彼此接合从而形成密封部分的结构。结果，四侧密封部分暴露于大气，因此，在电池壳长时间使用之后空气(特别是湿气)穿透电池壳的可能性大大增加。因此，电池寿命降低。另一方面，在构造为在其一侧末端彼此相连的结构的电池壳中，上述问题并未发生。
另外，根据本发明的二次电池的薄板的容纳部构造成大致对应于电极组件的形状，如步骤(a)中所限定的。如前所述，容纳部的内表面被成形为向下倾斜表面(锥形表面)的形状，以便防止在通过所述拉制过程而形成容纳部之时引起所述板的断裂。根据本发明，容纳部的底表面的尺寸大致相当于电极组件。因此，当电极组件通过开放的上端——其尺寸略大于电极组件的尺寸——***容纳部中时，电极组件的侧部沿着容纳部的向下倾斜表面稳定地到达容纳部的底表面，而不管电极组件在容纳部内存在的位置误差，因此，非常易于完成电极组件的安装。
在步骤(b)，在上和下薄板的四侧中，上和下薄板的三侧被密封，所述三侧包括在该处设置电极终端的两侧。如前所述，在构造为其一侧末端被彼此相连的结构的电池壳中，电池壳仅有两侧可被密封。
电极终端由于其材料和厚度，可能相对降低密封部分的密封性。为此原因，有必要在上述密封过程期间将电极终端密封。
在步骤(c)，电解质通过由局部密封过程留下的未密封部分注入电池壳中，在步骤(d)执行激活过程。在电解质注入过程和激活过程之后在步骤(e)重新密封未密封部分。为此原因，形成未密封部分从而使未密封部分大于其余密封部分。在此情况下，包括未密封部分的该侧的宽度A没有特别限制，只要该包括未密封部分的该侧的宽度A大于包括密封部分的其余侧的宽度L即可。包括未密封部分的该侧的宽度比包括密封部分的其余侧的宽度优选地大10％-50％，更优选地大15％-25％。这可以被表达为如下方程式：A＝L+(0.1～0.5)L。
锂二次电池使用诸如LiCoO2之类的金属氧化物作为阴极活性材 料，并使用碳作为阳极活性材料。基于聚烯烃的多孔分隔板设置在阳极和阴极之间，并且将包括诸如LiPF6之类的锂盐的非水电解质注入到锂二次电池中。以这种方式制造出锂二次电池。在锂二次电池充电期间，锂离子从阴极活性材料放出，并嵌入阳极的碳层。另一方面，在锂二次电池放电期间，锂离子从阳极的碳层放出，并嵌入阴极活性材料。此时，非水电解质用作媒介来使锂离子在相应的阳极和阴极之间移动。锂二次电池需要基本稳定地在电池的运行电压范围内，以及具有以足够高的速度迁移离子的性能。
然而，在电池的连续充电和放电期间，电解质在阳极活性材料的表面分解，结果导致产生气体。在电池初始充电和放电过程中，在阳极活性材料的表面形成固体电解质界面(SEI)膜，用于抑制气体的进一步产生。在步骤(d)处所执行的激活过程对于形成SEI膜是必需的，其是在电池完成之前所要求的。
在一优选实施方案中，在步骤(c)之后并且在步骤(d)之前，进一步执行如下步骤：仅仅密封所述未密封部分(通过该未密封部分，电解质被注入到所述电池壳中)的外周边末端区域(末端密封部分)，以在所述电池壳中形成预定尺寸的气袋，以及切削所述末端密封部分，以去除在激活过程期间产生的气体并排出电解质的过量部分或补充电解质的短缺部分。
气袋部分的宽度B并不被特别限制，只要气袋部分的宽度B为对应侧的宽度A的预定的一部分即可。优选地，气袋部分的宽度B为对应侧的宽度的30％-60％。这可以被表达为如下方程式：B＝(0.3～0.6)A。
根据情况，当在激活过程期间已经消耗电解质时，或者当在电池制造过程期间电解质未被充足地注入到电池壳中时，可以通过二次注入过程来补充电解质。在此情况下，将该电池按其原状搁置一预定时段(例如，12小时)，然后可再次执行激活过程和充电过程。
在步骤(d)，在未密封部分与容纳部间隔开一预定宽度的区域处对未密封部分进行密封。未密封驻留部分具有一宽度C，该宽度C优选地等于对应侧的宽度A的10％-40％，更优选等于20％-30％。这可以表达为如下方程式：C＝(0.3～0.6)A。当未密封驻留部分的宽度C小于10％时，通过收集在非正常运行条件上产生的气体以防止电池***的收效甚微。另一方面，当未密封驻留部分的宽度C大于40％时，电池尺寸增大，这并非优选。
具有宽度A的特定侧(包括具有宽度C的未密封驻留部分)的接合力小于具有宽度L的其余密封部分的接合力。因此，当在电池中产生高压时，具有宽度C的未密封驻留部分(位于电池壳的四侧中的以上所提到特定侧)首先膨胀以抑制电池内压的增大，并且当在电池中产生大于临界值的高压时，与未密封驻留部分相邻的具有宽度A的该侧的密封部分接着被打开以排出高压气体。由此防止了电池***，并因此确保电池的安全性。
优选地，根据本发明的二次电池为锂二次电池。具体而言，本发明特别适用于所谓的锂离子聚合物电池，其具有注入有凝胶体形式的含锂电解质的电极组件。
根据本发明另一方面，提供一种包括作为单元电池的袋形电池的中型或大型电池组。
所述中型或大型电池组包括多个单元电池。为此原因，当其中一些单元电池非正常运行时，可引发连锁反应。因此，可以进一步通过包括上述未密封驻留部分来提高电池组的整体安全性。
附图说明
本发明的上述和其他目的、特征和其他优点将从以下结合附图的详细描述中得到更为清晰的理解，在这些附图中：
图1为图示了常规的袋形二次电池的总体结构的分解立体图；
图2为图示了根据本发明的在袋形二次电池制造期间注入电解质的步骤的典型视图；
图3是沿图2的线A-A截取的竖直截面图；
图4是图示了图3的画出部分B的截面放大图；
图5是图示了根据本发明的优选实施方案的在完成电解质注入步骤之后，在气袋部分被限定在未密封部分中的同时，执行激活过程的步骤的典型视图；
图6和7分别是图示了移除末端密封部分以排出所收集的气体的步骤以及形成未密封驻留部分的步骤的典型视图；和
图8是图示了根据本发明的二次电池在非正常运行情况下发生膨胀现象的典型视图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方案。然而，应该注意到，本发明的范围并不限于所描述的实施方案。
图2是图示了根据本发明在袋形二次电池制造期间注入电解质的步骤的典型视图。
参照图2，袋形二次电池100构建为如下结构，其中，电极组件110安装在电池壳130中，电极终端112和114连接到该电极组件110，该电池壳130包括两个薄板，其中一个薄板具有容纳部120。电池壳130在其三侧设置有通过热压形成的密封部分140，所述三侧包括电池壳130的各自设置有电极终端112和114的顶侧和底侧。电池壳130在其剩余一侧设置有未密封部分150。电解质通过未密封部分150注入到电池壳130中。
图3是沿图2的线A-A截取的竖直截面图，图4是典型地图示出图3的画出部分B的截面放大图。
参照这些附图，电极组件被容纳在下壳134的容纳部120内，并被上壳132覆盖。在上壳132和下壳134之间的接触区域L1被密封。
厚度为约113μm的铝薄板，通过一使用冲模和冲头的拉制处理被局部压制，从而在下壳134处形成容纳部120。厚度如此之小的板可能在该板被压制之时而被撕裂。因此，在拉制处理中有必要逐渐地形成弯曲区域134a和134b。结果，容纳部的侧表面形成为向下倾斜表面122的形状，并且容纳部120的顶表面略大于容纳部120的底表面。电极组件110的尺寸大致相当于容纳部120的底表面的尺寸。因此，当电极组件110被容纳在容纳部120中时，尽管稍微有点位置误差，但是电极组件110仍易于被容纳在容纳部12中。
图5是图示了根据本发明的优选实施方案的在完成电解质注入步骤之后，在气袋部分被限定在未密封部分中的同时，执行激活过程的步骤的典型视图。
参照图5，电池壳的未密封部分150(见图2)仅在电池壳的外周 边末端处以一预定宽度密封，以限定一相对大的气袋部分160。末端密封部分162被形成以限定气袋部分160，该气袋部分160用于临时收集在激活过程期间所产生的气体。因此，末端密封部分162的宽度小于其余密封部分140的宽度。
如之前所述，在激活过程中的二次电池的初始充电和放电期间，在电极组件110的阳极处形成保护膜。此时，一部分碳酸盐化合物分解，由该分解所产生的气体被收集在气袋部分160中。在激活过程中，在最终完成的电池单元被充电时，前述的保护膜可减少在正常运行状况下所产生的气体的附加量。
图6和7分别是图示了去除末端密封部分以排出所收集的气体的步骤以及形成未密封驻留部分的步骤的典型视图。
首先参照图6，气袋160被局部去除以去除图5所示的末端密封部分162，结果就去除了在气袋部分160中所收集的气体。此时，可以挤压出多余的电解质和/或可以对不足的电解质进行补充。适当调整气袋部分160的裁切尺寸，从而在形成未密封驻留部分的同时形成具有一预定尺寸的密封部分。
参照图7，密封预定的外周边部分以形成侧密封部分172，从而形成未密封驻留部分170。如前所述，侧密封部分172优选地具有比其余密封部分140的宽度小的宽度，尽管侧密封部分172的宽度可等于其余密封部分140的宽度。
图8为图示了根据本发明的二次电池在非正常运行情况下发生膨胀现象的典型视图。
参照图8，在正常运行情况下，形成于拉制过程期间的具有预定尺寸的驻留体积Va存在于电极组件容纳部120的内部。然而，在非正常运行条件下，例如在二次电池被过充电或者暴露于高温时，产生气体，结果导致内压增大而使未密封驻留部分170变形。未密封驻留部分170的变形可以到达形成侧密封部分172之处的区域。因此，取决于所产生的气体量，驻留体积可以转变为体积变形Vb或体积变形Vc。
相对于驻留体积Va的体积变形Vb和体积变形Vc大致以如下长度的三次方而成比例增大，所述长度是通过将包括未密封驻留部分170的侧的总长度L1减去对应于侧密封部分172的侧的长度L2而获得。因此，可在未密封驻留部分170中收集的气体的量相对较大。
另一方面，当所产生的气体的量超过未密封驻留部分170的最大体积变形Vc时，在电池壳的四侧中具有最小尺寸的密封部分，即与未密封驻留部分170相邻的侧密封部分172被打开，结果就从电池壳排出高压气体。因此就防止了电池***。
尽管本发明的优选实施方案已经出于示例性目的而公开，但是本领域普通技术人员将理解，在不偏离所附权利要求书中所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。
工业实用性
从上文描述所明了的是，根据本发明的二次电池被构建成如下结构，其中当电池跌落或者外部冲击施加于电池时，电极组件的移动受到抑制，从而防止了发生内部短路。进一步，当由于电池过充电或者电池暴露于高温而在该电池中产生高压时，未密封驻留部分首先膨胀，从而抑制了二次电池的内压增大，因此，进一步提高了二次电池的安全性。
Claims (13)
1.一种包括阴极/分隔板/阳极结构的电极组件的二次电池，该电极组件以密封状态安装在袋形电池壳内，其中，未被密封的驻留部分作为未密封驻留部分被限定在所述电池壳的密封部分和所述电极组件之间以用于收集所产生的气体，并且所述未密封驻留部分通过如下步骤形成：
(a)将所述电极组件安装在上薄板和下薄板之间，所述上薄板和所述下薄板中的至少一个具有大致相当于所述电极组件的尺寸的容纳部；
(b)在所述上薄板和所述下薄板的四侧中，密封所述上薄板和所述下薄板的三侧，所述三侧包括其中设置有电极终端的两侧；
(c)将电解质通过未密封部分注入于所述电池壳中；和
(d)在所述未密封部分与所述容纳部间隔开一预定宽度的区域处密封所述未密封部分。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电极组件构建为卷绕、堆叠、或堆叠/折叠型结构。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电池壳由包括树脂层和金属层的薄板制成。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述上薄板和所述下薄板为铝薄板。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述上薄板和所述下薄板被构建为其中所述上薄板和所述下薄板在其一侧末端处彼此接合的结构。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中包括所述未密封驻留部分的该侧比包括所述密封部分的其余侧的宽度大10％-50％。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中，在步骤(c)之后并且在步骤(d)之前，进一步执行如下步骤：仅密封所述未密封部分的外周边末端区域作为末端密封部分，以在所述电池壳中形成一预定尺寸的气袋，所述电解质通过所述未密封部分注入到所述电池壳中，执行一激活过程，并且切削所述末端密封部分，以去除在所述激活过程期间产生的气体以及排出所述电解质的过量部分或补充所述电解质的短缺部分。
8.根据权利要求7所述的二次电池，其中所述气袋部分的宽度等于包括未密封驻留部分的侧的宽度的30％-60％。
9.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述未密封驻留部分的宽度等于包括该未密封驻留部分的侧的宽度的10％-40％。
10.根据权利要求1所述的二次电池，其中，包括所述未密封驻留部分的该侧的宽度比包括所述密封部分的其余侧的宽度大15％-25％，并且所述未密封驻留部分的宽度等于包括未密封驻留部分的侧的宽度的20％-30％。
11.根据权利要求1所述的二次电池，其中，当在所述电池中产生高压时，所述未密封驻留部分首先膨胀，以抑制所述电池的内压的增大，并且，当在所述电池中产生大于临界值的高压时，与所述未密封驻留部分相邻的密封部分接着被打开以排出高压气体。
12.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述电池为锂离子聚合物电池。
13.一种中型或大型电池模块，包括作为单元电池的根据权利要求1所述的二次电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20211214 Address after: Seoul, South Kerean Patentee after: LG Energy Solution Address before: Seoul, South Kerean Patentee before: LG CHEM, Ltd. |