CN107996008B - 利用振动的制造电池单元用的气阱去除装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于去除在备用电池单元中的气阱的装置，所述气阱是在制造电池单元的工艺期间在成型工艺中产生的，其中所述装置是一种制造电池单元用的气阱去除装置，包括：电池单元接收部件，所述备用电池单元接收于其中；和振动施加部件，所述振动施加部件用于在所述备用电池单元接收于所述电池单元接收部件中的状态下将振动施加到所述电池单元接收部件。

Description

利用振动的制造电池单元用的气阱去除装置

技术领域

本发明涉及一种利用振动的制造电池单元用的气阱去除装置。本申请要求于2015年8月20日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请第10-2015-0117283号的优先权和权益，通过引用将上述专利申请的公开内容作为整体结合在此。

背景技术

目前，由于矿物燃料的消耗导致能源价格上涨，以及对环境污染的担忧在加剧，因而对于环境友好型替代能源的需求已成为未来生活不可缺少的因素。因此，已对诸如原子能、太阳能、风能、潮汐能等的各种电力生产技术进行了大量的研究，而且更加高效地利用因此产生的能量的电力储存装置已备受关注。

特别地，随着移动装置的技术开发和需求的增加，对于作为能源的电池的需求正迅速地增加，目前，已实现可充电电池用作电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)等的能源，并且其应用领域通过电力网(Grid)化正扩展为用作辅助能源等，因此，已进行了许多能够满足各种需求的电池的研究。

通常，就电池的形状而言，对于能够应用于诸如厚度很薄的移动电话等的产品中的棱柱形二次电池和袋型二次电池的需求很高，而就电池的材料而言，对于具有诸如高能量密度、放电电压、输出稳定性等优点的、诸如锂离子电池和锂离子聚合物电池之类的锂二次电池的需求很高。

此外，二次电池还根据包括阳极、阴极以及插置在阳极和阴极之间的隔板在内的电极组件的结构进行分类。代表性实施例可以包括：包卷型(缠绕型)电极组件，所述包卷型电极组件具有其中将长片型阳极和长片型阴极在隔板插置于其间的状态下缠绕的结构；堆叠型电极组件，在所述堆叠型电极组件中多个切割为预定尺寸的单位的正极和负极在隔板插置于其间的状态下顺序地堆叠等。目前，为了解决包卷型电极组件和堆叠型电极组件的问题，开发了堆叠/折叠型电极组件，其为一种具有包卷型和堆叠型组成的混合型的先进结构的电极组件，在堆叠/折叠型电极组件中，将其中预定单位的正极和负极在隔板插置于其间的状态下堆叠的各单元电池在置于隔板膜的状态下顺序地缠绕在一起。

此外，根据电池壳体的形状，二次电池分为：圆柱形电池；棱柱形电池，其中电极组件构建在圆柱形或矩形金属中；和袋型电池，其中电极组件构建在铝层压片组成的袋型壳体中。

通常，锂二次电池在制造工艺期间执行成型(formation)工艺，所述成型工艺是通过在组装电池之后执行充电和放电来激活电池的步骤，在充电时从阴极排放的锂离子移动到阳极并***于其中，特别地，在阳极的表面上形成固体电解质界面(solid electrolyteinterface，SEI)膜。通常通过在一定范围内的恒定电流或恒定电压重复地充电和放电来进行所述成型工艺。

照此，在圆柱形电池的情况下，由于电极组件的形状的特异性，导致在电池的成型转化工艺中产生的气体集中在具有相对小的空间的电极组件的缠绕中心部分中，由此形成气阱，而气阱是阻止电极组件的所有部分完全地浸渍在电解液中的一个因素，因此存在在其上形成有气阱的电极组件的中心处产生锂沉淀区域的问题。

图1是示意性地示出了常规的圆柱形电池单元的结构的垂直截面图。

参照图1，圆柱形电池单元100是通过如下制造的：将缠绕型电极组件120接收到圆柱形壳体130中，将电解质注入到圆柱形壳体130中，并将具有电极端子(例如正极端子；未示出)形成于其中的顶盖140耦接到壳体130的敞开的顶端。

电极组件120具有如下的结构：其中阳极121、阴极122、和隔板123顺序地堆叠并卷绕成圆形，其中圆柱形中心销150***到其缠绕芯(包卷的中心部分)中。中心销150通常是由金属材料制得以提供预定的强度，并且由板材弯曲成圆形的中空圆柱形结构形成。中心销150用于固定和支撑电极组件120并用作在充电和放电期间以及在操作时释放由内部反应而产生的气体的通道。

然而，因为中心销150的中空部分是相对地狭窄和细小的，所以在成型工艺期间产生的气体经由中心销150的中空部分穿过电极组件120的中心部分，由于诸如瓶颈现象等原因而被集中，由此形成气阱。

通常，为了解决上述问题，通过将备用电池单元在具有最高的气阱形成率的SOC范围内(即，在产生最高量的气体的特定的SOC范围内)充电并且在预定的温度和时间下经历老化(aging)工艺而在充足的时间中自然地去除气阱。

然而，因为老化工艺需要太多的时间，所以制造电池单元的工艺会被耽搁，并且尽管有老化工艺，还是有可能内部的气阱会无法完全去除，因而降低了工艺的可靠性。

因此，对于能够从根本上解决所述问题的技术的开发存在着很高的需求。

发明内容

技术问题

本发明的目的是解决现有技术的问题和解决过去以来一直所需要的技术问题。

本发明的发明人进行了深入研究和各种实验，并因此已证实(如后文所述)，通过构造制造电池单元用的气阱去除装置，以在备用电池单元接收于电池单元的接收部件中的状态下将振动施加到电池单元接收部件，而可在短时间内更容易地去除在电池单元的成型工艺中形成在电极组件中心处的气阱，因此，能够缩短制造电池单元的时间并且使气阱残留在其中的可能性减至最小，因此提高了工艺的可靠性，由此完成了本发明。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的制造电池单元用的气阱去除装置是一种用于去除在备用电池单元中的气阱的装置，

所述气阱是在制造电池单元的工艺期间在成型工艺中产生的，所述装置具有如下的结构，包括：

电池单元接收部件，所述备用电池单元接收于其中；和

振动施加部件，所述振动施加部件用于在所述备用电池单元接收于所述电池单元的所述接收部件中的状态下将振动施加到所述电池单元接收部件。

因此，在备用电池单元接收于电池单元的接收部件中的状态下，通过将振动施加到电池单元接收部件，可在短时间内更容易地去除在电池单元的成型工艺中形成在电极组件中心处的气阱，并因此，能够缩短制造电池单元的时间并且使气阱残留在其中的可能性最小化，因此提高了工艺的可靠性。

在一个具体的实施方式中，电池单元可以是其中电极组件构建于电池壳体中的圆柱形电池单元，所述电极组件具有由正极、负极以及插置于正极和负极之间的隔板缠绕而成的结构。

如上所述，在备用电池单元的成型工艺中产生的气阱大多会出现在圆柱形电池单元中，其中构建有具有由正极、负极以及插置于正极和负极之间的隔板缠绕而成的结构的电极组件。因此，根据本发明的制造电池单元用的气阱去除装置能够表现出去除包括缠绕结构的电极组件的圆柱形电池单元内的气阱的有利效果。

同时，可通过来自振动施加部件的物理刺激来施加振动，所述振动施加部件施加振动到电池单元接收部件。

在一个具体实施方式中，可通过来自振动施加部件直接地施加到电池单元接收部件的物理冲击来执行物理刺激。

也就是说，振动施加部件可处于如下的结构中：其中在振动施加部件不与其中接收有备用电池单元的电池单元接收部件的外表面接触的状态下，物理冲击通过直接地接触电池单元接收部件的外表面来施加。因此，将振动施加到在电池单元接收部件中所接收的备用电池单元，从而能够去除位于电极组件中心处的气阱。

在另一具体实施方式中，物理刺激可以处于如下的结构中：其中物理刺激是通过与电池单元接收部件接触的振动施加部件的重复流动来执行。

更具体地，振动施加部件可以在与电池单元接收部件的外表面接触的状态下重复地流动，并且通过振动施加部件的这种流动将振动施加到在电池单元接收部件中接收的备用电池单元，从而能够去除位于电极组件中心处的气阱。

特别地，振动施加部件能够在短时间内以重复的方式细微地且快速地流动，从而使气阱去除效果最大化。

在另一具体实施方式中，物理刺激可以通过超声波来执行。

通常地，由于固有的高频率的缘故，超声波能够对在电池单元接收部件中接收的备用电池单元施加规则的振动。因此，能够更容易地去除备用电池单元中的气阱。

特别地，超声波可具有20kHz至100kHz的频率和2μm至30μm的振幅。

如果超声波的频率和振幅低于上述范围，则无法表现出去除预期气阱的效果。如果超声波的频率和振幅高于上述范围，则会降低制造工艺中的效率，并且电池单元的耐久性会由于过度振动而劣化，因此并非优选。

此外，来自振动施加部件的物理刺激可施加一次，但也可周期性地或非周期性地施加至少两次物理刺激以提高效率。

特别地，明显的是，从振动施加部件施加的物理刺激的次数和周期可根据诸如在电池单元接收部件中接收的备用电池单元的数量和尺寸之类的条件适当地进行选择。

同时，电池单元接收部件可以处于如下的结构中：其中，在一侧敞打的状态下，电池单元接收部件形成为沿与开口区域相反的方向凹嵌的形状。

因此，能够经由电池单元接收部件的敞开表面而更容易地接收和去除备用电池单元，并且可以防止由于来自振动施加部件的物理刺激所施加的振动而导致的备用电池单元的损坏，以及以更稳定地维持备用电池单元的接收状态。

在一个具体实施方式中，备用电池单元可以处于如下的结构中：其中，在备用电池单元接收于电池单元的接收部件中的状态下，备用电池单元可支撑在液体介质中。

更具体地，液体介质是一种由于来自振动施加部件所施加的物理刺激之故而将振动传输到备用电池单元的介质，并且在电池单元接收部件中接收的备用电池单元被支撑，使得电池接收部件和备用电池单元之间的空间能够保持填充。

因此，由来自振动施加部件施加的物理刺激所引起的振动能够更有效地传输到备用电池单元，同时使损耗最小化，并且通过均匀地传输到备用电池单元的所有部分，可以有效地防止由于振动集中在诸如隔着插置在其间的电池单元接收部件与振动施加部件相邻的区域之类的特定区域处而可能发生的诸如电极组件的短路等问题。

此外，备用电池单元可以处于如下的结构中：其中，以外表面积为准，所述备用电池的至少50％支撑在液体介质中，以使得上述效果最大化。

如果以外表面积为准，将备用电池单元的小于50％的部分支撑在液体介质中，则通过液体介质的振动传输的效果劣化，并且预期的效果不会展示出来。

在这种情况下，如果液体介质能够将由于来自振动施加部件的物理刺激而导致的振动有效地传输到在电池单元接收部件中接收的备用电池单元，则介质的种类在很大程度上不受限制，但是具体地，考虑到成本、易于处理等等，介质可以是水。

此外，备用电池单元可以在15荷电状态(SOC)到20SOC的范围内充电后被接收到电池单元接收部件中。

通常地，在制造电池单元的工艺期间，在成型工艺中产生的气体最大限度地发生在16SOC至17SOC的范围内，因此，气体在穿过缠绕型电极组件的中心区域的同时而被集中，由于诸如瓶颈现象等原因，导致其移动路径狭窄，从而形成气阱。

因此，根据最大气体产生量，备用电池单元可以在能够形成气阱的15SOC至20SOC的范围内充电之后被接收于电池单元接收部件中。

同时，本发明提供了一种用于制造电池单元的方法，所述方法利用制造电池单元用的气阱去除装置，其中所述用于制造电池单元的方法包括：

步骤a)在15SOC到20SOC的范围内对备用电池单元进行充电；

步骤b)在所述备用电池单元接收于所述气阱去除装置的接收部件中的状态下，所述备用电池单元支撑在液体介质中；

步骤c)通过向所述电池单元接收部件施加振动，来去除所述备用电池单元中的气阱；和

步骤d)通过完成所述备用电池单元的充电和放电，来完成最终的电池单元；

具体地，如上所述，通过来自振动施加部件的物理刺激来施加振动，且具体地，可通过来自振动施加部件直接地施加到电池单元接收部件的物理冲击、与电池单元接收部件接触的振动施加部件的重复流动、或超声波来执行物理刺激。

另外，振动可施加一次，或者周期性或非周期性地施加至少两次，以提高效率。

本发明还提供使用上述方法制造的电池单元和包括至少一个电池单元的电池组。因为电池单元和电池组的具体构造在本领域中是公知的，所以在此将省略其详细描述。

附图说明

图1是示意性地示出了常规的圆柱形电池单元的结构的垂直截面图；

图2是示意性地示出了根据本发明实施方式的制造电池单元用的气阱去除装置的结构的示意图；

图3和图4是示意性地示出了根据本发明另一实施方式的制造电池单元用的气阱去除装置的结构的示意图。

具体实施方式

在下文中，参考根据本发明的各实施方式的附图进一步描述本发明，但是本发明的范围并不局限于此。

图2中所公开的是示意性地示出了根据本发明一实施方式的制造电池单元用的气阱去除装置的结构的示意图。

参照图2，制造电池单元用的气阱去除装置200包括电池单元接收部件220和振动施加部件230。

电池单元接收部件220具有敞开的顶表面并且形成为向下凹嵌的形状。

因此，备用电池单元210能够经由电池单元接收部件220的敞开的顶表面更容易地存储和移除，根据凹嵌形状形成的电池单元接收部件220的侧壁221可通过稳定地支撑备用电池单元210来防止由于来自振动施加部件230施加的振动而导致的备用电池单元210的流动和损坏。

备用电池单元210以在15SOC到20SOC的范围内充电的状态下存储在电池单元接收部件220中。

在备用电池单元210接收于电池单元接收部件220中的状态下，以外表面积为准，备用电池单元210的约90％支撑在液体介质中。

因此，来自振动施加部件230的振动能够经由液体介质240更加有效地传输到备用电池单元210，同时使损耗最小化。

另外，来自振动施加部件230的振动能够均匀地传输到支撑在液体介质240中的备用电池单元210的大部分，因此，可以有效地防止当振动集中在诸如隔着插置在其间的电池单元接收部件220与振动施加部件230相邻的区域之类的特定区域上而可能发生的诸如电极组件的短路之类的问题。

振动施加部件230由具有圆柱形状的超声波喇叭(horn)形成，并设置为与电池单元接收部件220的下表面222接触。

振动施加部件230施加具有20kHz至100kHz的频率和2μm至30μm的振幅的超声波。因此，超声波使得液体介质240振动，并且该振动施加到在电池单元接收部件220中接收的备用电池单元210，从而能够去除电极组件中心处的气阱。

由振动施加部件230的超声波执行的物理刺激可施加一次、或者周期性地或非周期性地施加至少两次。此外，很明显的是，根据在电池单元接收部件220中接收的备用电池单元210的数量、电池单元接收部件220的尺寸等，在振动施加部件230与电池单元接收部件220在一个或至少两个不同方向上紧密接触的状态下，振动施加部件230可通过超声波来施加振动。

图3和图4中所公开的是示意性地示出了根据本发明另一实施方式的制造电池单元用的气阱去除装置的结构的示意图。

首先，参照图3，对于除了振动施加部件330之外的其余构造，制造电池单元用的气阱去除装置300具有与制造电池单元用的气阱去除装置的如图2所示的气阱去除装置(图2的200)相同的构造。

具体地，振动施加部件330是片状结构，并与电池单元接收部件320的下表面322接触。

振动施加部件330在短时间内反复地在左右方向上精细地和快速地流动。因此，经由液体介质340将振动施加到在电池单元接收部件320中接收的备用电池单元310，从而能够去除电极组件中心处的气阱。

振动施加部件330的振动可以施加一次、或者周期性地或非周期性地施加至少两次，并且很明显的是，根据接收在电池单元接收部件320中的备用电池单元310的数量、电池单元接收部件320的尺寸等，在振动施加部件330与电池单元接收部件320在一个或至少两个不同方向上紧密接触的状态下，振动施加部件330可经由超声波施加振动。

参照图4，对于除了振动施加部件430之外的其余构造，制造电池单元用的气阱去除装置400具有与制造电池单元用的气阱去除装置的如图2所示的气阱去除装置(图2的200)相同的构造。

具体地，振动施加部件430位于电池单元接收部件420的侧壁421方向上，并且通过直接地向电池单元接收部件420的侧壁421施加物理冲击经由液体介质440将振动施加到在电池单元接收部件420中接收的备用电池单元410，因此，能够去除电极组件中心处的气阱。

物理冲击可以施加一次、或者周期性地或非周期性地施加至少两次，并且很明显的是，根据接收在电池单元接收部件420中的备用电池单元410的数量、电池单元接收部件420的尺寸等，在振动施加部件430与电池单元接收部件420在一个或至少两个不同方向上紧密接触的状态下，振动施加部件430可经由超声波施加振动。

本发明所属领域的普通技术人员将能够在本发明的范围内进行各种应用和修改。

如上所述，根据本发明的制造电池单元用的气阱去除装置，通过构造成在备用电池单元接收于电池单元的接收部件中的状态下将振动施加到电池单元接收部件，可以在很短的时间内更容易地去除在电池单元的成型工艺中在电极组件中心处形成的气阱，结果，能够节省制造电池单元所需的时间，能够通过使气阱残留的可能性减至最小来改善工艺可靠性，能够通过将备用电池单元接收到电池单元接收部件中并将备用电池单元支撑在液体介质中使传输到备用电池单元的振动的损耗最小化，并且通过均匀地传输到备用电池单元的所有部分，可以有效地防止由于振动集中在诸如隔着插置在其间的电池单元接收部件与振动施加部件相邻的区域之类的特定区域处而可能发生的诸如电极组件的短路等问题。

Claims (20)

1.一种制造电池单元用的气阱去除装置，其用于去除在备用电池单元中的气阱，所述气阱是在制造所述备用电池单元的工艺期间在成型工艺中产生的，所述制造电池单元用的气阱去除装置包括：

电池单元接收部件，所述备用电池单元接收于其中；和

振动施加部件，所述振动施加部件用于在所述备用电池单元接收于所述电池单元接收部件中的状态下将振动施加到所述电池单元接收部件，

其中，在所述备用电池单元接收于所述电池单元接收部件中的状态下，所述备用电池单元支撑在液体介质中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述备用电池单元是其中电极组件构建于电池壳体中的圆柱形电池单元，所述电极组件具有由正极、负极以及插置于所述正极和所述负极之间的隔板一起缠绕的结构。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述振动是通过来自所述振动施加部件的物理刺激来施加。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述物理刺激是通过来自所述振动施加部件直接地施加到所述电池单元接收部件的物理冲击来执行。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述物理刺激是通过与所述电池单元接收部件接触的所述振动施加部件的重复流动来执行。

6.根据权利要求3所述的装置，其中所述物理刺激是通过超声波来执行。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述超声波具有20kHz至100kHz的频率和2μm至30μm的振幅。

8.根据权利要求3所述的装置，其中所述物理刺激是施加一次，或者周期性地或非周期性地施加至少两次。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，在一个表面敞开的状态下，所述电池单元接收部件形成为沿与敞开的区域相反的方向凹嵌的形状。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，以外表面积为准，所述备用电池单元的至少50％支撑在所述液体介质中。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述液体介质是水。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，在15荷电状态(SOC)到20SOC的范围内充电之后，所述备用电池单元接收于所述电池单元接收部件中。

13.一种用于制造电池单元的方法，所述方法利用根据权利要求1-12中任一个所述的制造电池单元用的气阱去除装置，所述方法包括：

步骤a)在15SOC到20SOC的范围内对所述备用电池单元进行充电；

步骤b)在所述备用电池单元接收于所述气阱去除装置的所述电池单元接收部件中的状态下，所述备用电池单元支撑在液体介质中；

步骤c)通过将振动施加到所述电池单元接收部件，来去除所述备用电池单元中的气阱；和

步骤d)通过完成所述备用电池单元的充电和放电，来完成最终的电池单元。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述振动是通过来自所述振动施加部件的物理刺激来施加。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述物理刺激是通过来自所述振动施加部件直接地施加到所述电池单元接收部件的物理冲击来执行。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述物理刺激是通过与所述电池单元接收部件接触的所述振动施加部件的重复流动来执行。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述物理刺激是通过超声波来执行。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述物理刺激是施加一次，或者周期性地或非周期性地施加至少两次。

19.一种电池单元，所述电池单元是利用权利要求13的方法所制造而得。

20.一种电池组，包括至少一个权利要求19的电池单元。

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