CN104112835A - 二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有在异常发热时防止隔膜收缩且同时使气体难以存留在隔膜间之结构的二次电池。该二次电池，包括在正极和负极之间嵌入隔膜并将正极和负极交替层叠而形成的芯材，该隔膜具有第一边以及位于其对边的第二边。隔膜对于沿层叠方向相邻的至少一方的隔膜，具有以粘结部和非粘结部交替形成的方式断续接合的接合区域。该接合区域包括由第一边之间断续接合的第一接合区域以及由第二边断续接合的第二接合区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有在正极和负极之间嵌入隔膜且将正极和负极交替层叠之结构的二次电池。
背景技术
电池包括非水电解质二次电池，例如锂离子二次电池。这种二次电池具有在正极和负极之间嵌入隔膜且将正极和负极按多层层叠的芯材（core）（内部结构）。隔膜具有防止电极之间接触且同时移动锂离子或电解液的功能。为了满足这种功能，隔膜使用如多孔质片（sheet）等高分子树脂，其根据温度条件而软化、融解。具有这种隔膜的二次电池通过使用隔膜的该性质来抑制伴随有温度上升的非正常充电与放电。
根据二次电池的过充电或电极之间的短路等，当二次电池的温度上升时，这种隔膜还具有适当地被软化及融解进而使锂离子停止在正极与负极之间移动，从而使其之后的充放电变为不可能的功能。将隔膜的这种功能称为“切断”（shut down）。
然而，这种切断功能也有局限性，若超过发挥切断功能的温度而二次电池的温度进一步上升，则会存在隔膜过度软化和融解从而收缩之情况。尤其，若发生异常发热，则热量进入内部而首先从中心部分起温度上升。隔膜与板状电极相比虽然外周尺寸稍微大一些，但若二次电池的中央部分温度升高，则从中央部分起产生收缩。其结果是，电极一部分露出，进而互相接触并发生短路。将二次电池变为这种状况称为“熔化”（melt down）。
为了发挥切断功能且防止熔化，正考虑制造将熔点不同的多个材料进行层叠的多层结构的隔膜。例如，作为最简单的方法，专利文献1揭示了一种将使用了聚酰亚胺等高熔点材料的无纺布与使用了聚丙烯等低熔点材料的微细多孔膜两者进行重叠而使用的隔膜。
在该专利文献1中，揭示了一种将隔膜按褶皱折叠而形成且从翻折的各个侧***电极片的二次电池。这种二次电池在电极片的表面具有电极活性物质层，由于根据制造过程的各种应力若电极活性物质层剥离而脱落，会损伤隔膜进而导致短路等原因，因此在隔膜翻折的折曲部形成不涂布电极活性物质层的范围。
专利文献2记载的层叠式电池具有在多个正极与负极间嵌入隔膜进而交替层叠的层叠电池体。此时，对于沿层叠方向相邻的每一对隔膜而言，在其周缘部的至少一部分互相接合进而形成袋状。按袋状形成的隔膜***有正极。塞入正极的袋状隔膜与负极层叠，进而构成层叠电极体。对于互相接合的一对隔膜的接合部而言，位于沿层叠方向的中央部区域的隔膜，相比位于沿层叠方向两端部的隔膜，接合的比率更小。
但，如专利文献1，为了抑制隔膜的收缩而以不同材质按多层结构形成的隔膜，隔膜的制造费用高。并且不容易对层叠结构的隔膜进行热焊接（welding）。
当二次电池异常发热时，会存在产生氢气的情况。若产生的气体过度存留在二次电池的内部，根据内压会使二次电池的外壳变形或破损。鉴于此，在外壳上设置当内压高于设定的压力时被开放的安全阀。但由于这种气体不能通过隔膜，若存留在如专利文献1之褶皱折叠或连续焊接部分的内侧，则气体难以向隔膜的外部排出，因此成为使二次电池的外壳变形之原因。
对于专利文献2的层叠式电池而言，沿层叠方向相邻的每一对隔膜按袋状接合，且该接合部沿层叠方向在下层部和上层部改变粘结部的比率。专利文献2考虑的是电池内电解液的扩散性（液体返回），即电解液均质浸透至电极板的中央部，而并未考虑隔膜的收缩或隔膜之间的气体积累。
【现有技术文献】
【专利文献】
日本专利公开第2012-114075号公报
日本专利公开第2012-69378号公报
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种具有在异常发热时能防止隔膜收缩且同时使气体难以积累在隔膜间之结构的二次电池。
本发明的一个实施形态的二次电池，包括在正极和负极之间嵌入隔膜并将正极和负极交替层叠而形成的芯材，所述隔膜具有第一边以及位于其对边的第二边，在所述芯材的各层，所述隔膜对于沿层叠方向相邻的至少一端的隔膜，具有以粘结部和非粘结部交替形成的方式断续接合的接合区域，所述接合区域包括由所述第一边之间断续接合的第一接合区域以及由所述第二边之间断续接合的第二接合区域。
此时，所述隔膜对于沿层叠方向在一方侧相邻的一方侧隔膜，在所述第一接合区域相接合，对于沿层叠方向在相反侧相邻的相反侧隔膜，在所述第二接合区域相接合。
并且，所述二次电池进一步包括容纳所述芯材的容器，以及设置在所述容器的外周壁且在超过设定的内压时被开放的安全阀，设置在与所述安全阀相对的范围内的粘结部，在沿所述正极和所述负极的外周的方向，小于设定在所述范围之外的所述粘结部，设置在与所述安全阀相对的范围内的非粘结部，在沿所述正极和所述负极的外周的方向，大于设定在所述范围之外的所述非粘结部。
并且，所述粘结部在远离所述正极和所述负极的外周的方向具有宽度，且在沿所述正极和所述负极的外周的方向上所述隔膜的内周侧的粘结长度小于所述隔膜的外周侧的粘结长度。
并且，所述粘结部在所述隔膜的外周侧的粘结长度大于所述非粘结部在所述隔膜的外周侧的非粘结长度。
所述正极和所述负极包括与所述第一边或所述第二边交错并且比所述隔膜的外周更向外侧延伸的正极集电端子和负极集电端子。
此时，所述正极集电端子和所述负极集电端子分别至少在横贯所述接合区域的范围，包括形成有沿层叠方向贯通之多个孔的结合部，所述隔膜对于沿层叠方向相邻的隔膜，通过所述正极集电端子和所述负极集电端子的所述结合部来接合。
根据本发明的一个实施形态的二次电池，在正极和负极之间***的隔膜具有第一边和位于其对边的第二边，且对于沿层叠方向相邻的至少一侧的隔膜，以粘结部与非粘结部交替形成的方式，在芯材的各个层中具有断续接合的接合区域，该接合区域包括第一边之间接合的第一接合区域和第二边之间接合的第二接合区域，因此能抑制隔膜收缩且同时能容易地将在电极表面产生的气体从非粘结部向芯材的外部排出。
附图说明
图1是本发明的第一实施形态的二次电池的分解立体图。
图2是沿层叠方向截断图1的芯材的剖视图。
图3是沿图2的F3-F3线的剖面即示出隔膜的接合区域的示图。
图4是沿层叠方向截断本发明的第二实施形态的二次电池的芯材的剖视图。
图5是沿图4的F5-F5线的剖面即示出隔膜的接合区域的示图。
图6是示出沿层叠方向观察本发明的第三实施形态的二次电池的芯材时隔膜的接合区域的示图。
图7是示出沿层叠方向观察本发明的第四实施形态的二次电池的芯材时隔膜的接合区域的示图。
图8是示出沿层叠方向观察本发明的第五实施形态的二次电池的芯材时隔膜的接合区域的示图。
图9是沿层叠方向截断本发明的第六实施形态的二次电池的芯材的剖视图。
图10是沿图9的F10-F10线的剖面即示出隔膜的接合区域的示图。
图11是放大图10的结合部的示图。
[附图标记说明]
1：二次电池
2：容器
21：安全阀
10：芯材
11：隔膜
111：第一边
112：第二边
12：正极
121：正极集电端子
123：正极引线部
13：负极
131：负极集电端子
133：负极引线部
124、134：结合部
K：接合区域
K1：第一接合区域
K2：第二接合区域
具体实施方式
针对本发明的第一实施形态的二次电池1，参考图1至图3进行说明。图1所示的二次电池1包括两端开口的方形的容器2；密封各个开口部的电极盖3；以及容纳在容器2内的芯材（层叠体）10。容器可以是金属制的罐（can）容器，也可以是由层压薄膜（laminated film）形成的袋状容器。如图1所示的容器2，在外周壁上具有安全阀21。该安全阀21若超过预先设定的内压则开放，从而防止容器2受损。
在正极12和负极13之间嵌入隔膜11且将正极12和负极13交替层叠而形成芯材10。图1示出展开正极12、负极13以及隔膜11的状态。图1所示的芯材10虽然是将各5片的正极12和负极13进行层叠的结构，但电极的层叠片数并不局限于此。如图2和图3所示，正极12形成为相比负极13的外形尺寸小一圈。隔膜11形成为大于负极13的外形尺寸。该隔膜11包括第一边111和位于其对边的第二边112。
如图2所示，正极12例如在四角形的箔状铝制造的正极集电端子121的两侧的面上形成有由正极活性物质形成的正极材122。如图2所示，负极13在四角形的箔状铜制造的负极集电端子131的两侧的面上形成有由负极活性物质形成的负极材132。并且，正极12包括相比由正极材122形成的范围向外侧由正极集电端子121的一部分延伸的正极引线部123。负极13包括相比由负极材132形成的范围向外侧由负极集电端子131的一部分延伸的负极引线部133。正极引线部123和负极引线部133相比隔膜11的外周向外侧延伸。
在本实施形态中，如图1至图3所示，正极12的正极引线部123是横贯隔膜11的第一边111而延伸的正极集电端子121的一部分，在各图中向下方延伸。负极13的负极引线部133是横贯位于第一边111的对边的隔膜11的第二边112而延伸的负极集电端子131的一部分，在各图中向上方延伸。即，正极12的正极引线部123与负极13的负极引线部133按互相相反的方向延伸。
隔膜11对于沿层叠方向相邻的至少一端的隔膜11，以粘结部M与非粘结部S交替形成的方式，在芯材10的各层具有断续接合的接合区域K。该接合区域K包括第一边111之间断续接合的第一接合区域K1以及第二边112之间断续接合的第二接合区域K2。在本实施形态中，如图2所示，至少沿与正极引线部123延伸的一侧为相反侧而形成的边即第二边112，使粘结部M与非粘结部S交替排列以形成断续接合的第二接合区域K2，沿与负极引线部133延伸的一侧为相反侧而形成的边即第一边111，使粘结部M与非粘结部S交替排列以形成断续接合的第一接合区域K1。
并且，粘结部M是在供给能使隔膜11熔化进而接合的充足的热的同时并不伴随局部的热收缩的情况下进行接合。因此，除了以往的加热器的热焊接以外，也可根据激光束或超声波进行焊接。且也可根据粘结剂等进行接合。在本说明书中，将用热熔化进行接合称为“焊接”。也可将材料自身熔化进行接合称为“融合”。
对一个隔膜11进行观察时，隔膜11对于沿层叠方向在一端侧相邻的一端侧隔膜，在第一接合区域K1接合，而对于沿层叠方向在相反侧相邻的相反侧隔膜，在第二接合区域K2接合。换言之，当隔膜11沿正极12和负极13的外周的四个边中的一个边，与沿层叠方向在一端侧相邻的隔膜11断续接合时，在所接合的一边的对边，与沿层叠方向在相反侧相邻的隔膜11断续接合。在本实施形态中，如图2所示，负极引线部133横贯之一侧的相反侧即第一边111断续接合的隔膜11，其所接合的第一边111的对边即第二边112与沿层叠方向在相反侧相邻的隔膜11断续接合。在第一边111中与图2中最左端的隔膜11接合的隔膜11，即图2中从左侧起第二个隔膜11，与相对于图2中最左侧的隔膜11沿层叠方向位于相反侧的隔膜11，即图2中从左侧起第三个隔膜11相接合。如此，一个隔膜11，与相对在一端侧接合的隔膜11沿层叠方向位于相反侧的不同隔膜11，在成为对边的位置相接合。
在本实施形态中，如图3所示，在相对于第一边111和第二边112直交的第三边113及其对边即第四边114上也形成有断续接合的接合区域K。且在各边中，粘结部M沿远离正极12和负极13之外周的方向即横贯各边的方向具有宽度。
对于如上所述构成的二次电池而言，沿层叠方向接合隔膜11的部分，具有以粘结部M和非粘结部S沿正极12和负极13之外周的边交替配置的方式断续接合的接合区域K。且该接合区域K至少包括相互接合沿层叠方向相邻之隔膜11的第一边111的第一接合区域K1以及相互接合沿层叠方向相邻之隔膜11的第二边112的第二接合区域K2。因此，由于异常过热而二次电池1的温度过度变高时，能抑制隔膜11根据该热随正极12和负极13的平面而收缩。
对于第一实施形态的二次电池1而言，正极集电端子121与第一边111交错并且比隔膜11的外周更向外侧延伸，负极集电端子131与第二边112交错并且比隔膜11的外周更向外侧延伸。在第一边111上形成第一接合区域K1，在第二边112上形成第二接合区域K2。即，能有效抑制隔膜11沿各个集电端子的一部分即电极引线所延伸的方向收缩，进而能防止电极之间接触。
由于粘结部M断续配置，因此即使当隔膜11收缩进而以粘结部M为起点裂开时，由于该粘结部M仅有一部***开，因此能抑制大范围的裂开。
并且，即使从二次电池1的正极12和负极13产生气体，由于该二次电池1的隔膜11与相邻的隔膜11断续接合，因此产生的气体通过非粘结部S可容易地排出至芯材10的外侧。由于气体排出到离产生的位置最近的外周部，因此能抑制二次电池1的变形。
以下，针对本发明的第二至第六实施形态的二次电池1，结合各个附图进行说明。对于具有与第一实施形态的二次电池1相同功能的结构，使用相同的符号且同时在各个附图中也赋予相同的符号，而详细的说明部分根据第一实施形态的对应记载和需要参考附图。
针对根据本发明的第二实施形态的二次电池1参考图4和图5进行说明。该二次电池1以沿正极12和负极13之外周的四个边中的至少一个边粘结部M与非粘结部S交替形成的方式，对于沿层叠方向相邻的隔膜11进行断续接合。在第二实施形态中，对一个隔膜11进行观察时，在正极12和负极13之外周的四个边中的一个边上断续接合的隔膜11，在所接合的一个边的对边上与进一步沿层叠方向相邻的隔膜相断续接合。
该第二实施形态之情况，如图4所示，在第一边111上接合的隔膜11，在位于其对边的第二边112上也与相同的隔膜11断续接合。即，嵌入负极13而沿层叠方向相邻即在中间嵌入了负极13的隔膜11相互间在第一边111和第二边112上断续接合。负极13的负极引线部133横贯第二边112的部分不能焊接。因此，将紧靠负极引线部133而配置的粘结部M的接合面积变大，以确保需要的接合强度。
且与第一实施形态相同，在第三边113和第四边114中也形成以围绕负极13的方式断续设置了粘结部M的粘结区域K。为了维持正极12和负极13的相对位置，也可通过第三边113及其对边即第四边114断续接合嵌入正极12而沿层叠方向相邻的即在中间嵌入了正极12的隔膜11。
如上所述构成的第二实施形态的二次电池1，由于隔膜11分别在第一边111侧和第二边112侧将负极13嵌入在中间而接合，因此可以根据负极13防止因异常过热二次电池1的温度变高而导致隔膜11收缩。且即使在由隔膜11围绕的正极12和负极13的周围产生气体，由于隔膜11断续接合，因此气体可通过非粘结部S排出到芯材的外侧。
针对根据本发明的第三实施形态的二次电池1，参考图6进行说明。对于图6所示的二次电池1的芯材10而言，使得位于与设置在容器2之外周壁上的安全阀21相对的范围中的隔膜11的粘结部MA，小于在沿正极12和负极13之外周的方向上该范围以外的粘结部M。且使得设置在与安全阀21相对的范围中的非粘结部SA，大于在沿正极12和负极13之外周的方向上该范围以外的非粘结部S。即，使得与安全阀21相对的范围的粘结部MA的配置间距变大。
沿隔膜11之外周边的方向，分别将一般的粘结部M的长度定义为ML1，将与安全阀21相对的范围的粘结部MA的长度定义为ML2，将一般的非粘结部S的长度定义为SL1，将与安全阀21相对的范围的非粘结部SA的长度定义为SL2时，ML1>ML2，SL1<SL2。优选地，使得非粘结部SA的长度SL2大于与安全阀21相对的范围的粘结部MA的长度ML2，即ML2<SL2。
如上所述，通过使与安全阀21相对的范围的粘结部MA的长度ML2变短且使非粘结部SA的长度SL2变长，来增大开口率。为了确保各个粘结部M的接合强度，也可不改变粘结部M的大小而仅扩大配置间距即仅使非粘结部SA变大。
通过扩大与安全阀21相对的范围的非粘结部SA，能使芯材的内部产生的气体容易地向安全阀21侧排出。通过积极地将产生的气体向安全阀21侧放出，可防止隔膜11受损。
针对与本发明相关的第四实施形态的二次电池1，参考图7进行说明。对于图7所示的二次电池1的芯材10而言，设置在隔膜11的第三边113及其对边即第四边114上的粘结部M，在远离正极12和负极13之外周的方向具有宽度。且粘结部M的内周侧的焊接长度ML3形成为沿正极12和负极13之外周的方向小于外周侧的焊接长度ML4。即以内周侧的长度小于外周侧长度的梯形形成粘结部M。换言之，非粘结部S的内周侧的长度SL3大于外周侧的长度SL4。
通过如此形成粘结部M和非粘结部S，芯材10的内部产生的气体能更容易地通过非粘结部S向外部放出，且也能抑制在制造时混入芯材10和容器2之间的金属片等微细物质进入到芯材10的内部。因此，若粘结部M的外周侧的焊接长度ML4大于非粘结部S的外周侧的长度SL4则更好。
针对与本发明相关的第五实施形态的二次电池1，参考图8进行说明。对于图8所示的二次电池1的芯材10而言，粘结部M的形状不同于第四实施形态。第五实施形态的粘结部M的内周侧的焊接长度ML3几乎为零，因此粘结部M的形状为如图8所示在内周侧具有顶点的三角形。通过如此形成粘结部M，芯材10的内部产生的气体在向芯材10的外部流动时，由于不受粘结部M的妨碍，因此排出变得容易。
针对与本发明相关的第六实施形态的二次电池1，参考图9和图10进行说明。在图9和图10所示的二次电池1的芯材10中，隔膜11对于在第一边111侧和第二边112侧的两端沿电极的层叠方向相邻的隔膜11，沿第一边111和第二边112的方向断续接合。此时，为了提高正极集电端子121和负极集电端子131所横贯之范围的隔膜11间的接合强度，正极集电端子121和负极集电端子131至少在横贯形成于隔膜11之外周边的接合区域K的范围，此时是横贯第一接合区域K1和第二接合区域K2的范围，形成由沿层叠方向贯通的多个孔构成的结合部124、134。如图11所示，结合部124、134如所谓的钻孔板，可打通多个圆孔，也可配置与粘结部M的接合面积相同大小的开口部。
正极集电端子121和负极集电端子131具有结合部124、134，由此能沿层叠方向在中间嵌入正极集电端子121和负极集电端子131而焊接隔膜11。通过结合部124、134来焊接隔膜11，由此隔膜11固定到正极集电端子121和负极集电端子131。此时，隔膜11在第一边111与正极集电端子121固定，在第二边112与负极集电端子131固定。即，由于隔膜11的一对对边被固定，因此能抑制隔膜11因热而收缩。
并且，根据该实施形态的二次电池1，对位于正极集电端子121相反侧的隔膜11的第二边112之间，以及对位于负极集电端子131相反侧的隔膜11的第一边111之间分别进行接合的同时，能沿层叠方向重叠正极集电端子121和负极集电端子131的结合部124、134而进行焊接。即，由于在正极12和负极13之间嵌入隔膜11且层叠正极12和负极13之后可一并焊接，因此能提高芯材10的生产性以及二次电池1的生产性。
并且，如上所述的第一至第六实施形态可自由组合而实施。例如，如第三实施形态中改变与安全阀21相对的范围的粘结部M和非粘结部S的大小或如第四和第五实施形态中改变粘结部M的形状等也能适用于其他实施形态。
Claims (7)
1.一种二次电池，包括在正极和负极之间嵌入隔膜并将正极和负极交替层叠而形成的芯材，所述隔膜具有第一边以及位于其对边的第二边，
在所述芯材的各层，所述隔膜对于沿层叠方向相邻的至少一端的隔膜，具有以粘结部和非粘结部交替形成的方式断续接合的接合区域，
所述接合区域包括由所述第一边之间断续接合的第一接合区域以及由所述第二边之间断续接合的第二接合区域。
2.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于所述隔膜对于沿层叠方向在一端侧相邻的一端侧隔膜，在所述第一接合区域相接合，对于沿层叠方向在相反侧相邻的相反侧隔膜，在所述第二接合区域相接合。
3.如权利要求1或2所述的二次电池，其特征在于进一步包括容纳所述芯材的容器，以及设置在所述容器的外周壁且在超过设定的内压时被开放的安全阀，
设置在与所述安全阀相对的范围内的粘结部，在沿所述正极和所述负极的外周的方向，小于设定在所述范围之外的所述粘结部，
设置在与所述安全阀相对的范围内的非粘结部，在沿所述正极和所述负极的外周的方向，大于设定在所述范围之外的所述非粘结部。
4.如权利要求3所述的二次电池，其特征在于所述粘结部在远离所述正极和所述负极的外周的方向具有宽度，且在沿所述正极和所述负极的外周的方向上所述隔膜的内周侧的粘结长度小于所述隔膜的外周侧的粘结长度。
5.如权利要求4所述的二次电池，其特征在于所述粘结部在所述隔膜的外周侧的粘结长度大于所述非粘结部在所述隔膜的外周侧的非粘结长度。
6.如权利要求3所述的二次电池，其特征在于所述正极和所述负极包括与所述第一边或所述第二边交错并且比所述隔膜的外周更向外侧延伸的正极集电端子和负极集电端子。
7.如权利要求6所述的二次电池，其特征在于所述正极集电端子和所述负极集电端子分别至少在横贯所述接合区域的范围，包括形成有沿层叠方向贯通之多个孔的结合部，
所述隔膜对于沿层叠方向相邻的隔膜，通过所述正极集电端子和所述负极集电端子的所述结合部来接合。
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