CN1179440C - 尖晶石型锂锰二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种尖晶石型LiMn二次电池，其电极单元包括主要由铝构成的并且涂覆了一层包括锂和锰作为必不可少组分的正极活性材料的正极片。通过绝缘组件将电极单元安装到作为负极的电池外壳中。正极元件是由混合了锰以提高机械强度的铝合金构成的。由于与正极元件的铝合金混合的锰是正极活性材料的一个必不可少组分，所以它不会造成电解腐蚀之类的不希望的化学反应。

Description

尖晶石型锂锰二次电池
技术领域
本发明涉及一种二次电池，更具体地涉及一种尖晶石型LiMn二次电池。
背景技术
主要是出于环境保护的目的，当前正在开发电动车辆和混合能源轿车作为机动车辆，并且需要小的、重量轻、高性能的二次蓄电池作为这些车辆的电源。
这类二次蓄电池包括一种如第92250/1997号日本未审查专利公开公报、和第133221/2000号日本未审查专利公开公报中披露的尖晶石型LiMn(锂锰)二次电池。尖晶石型LiMn二次电池小而轻，容量大，并且提供了优良的充电特性和循环特性。
以下参考附图的图1，说明一种常规的尖晶石型LiMn二次电池。如图1中所示，用100代表的常规的尖晶石型LiMn二次电池具有电池外壳101，和封装在电池外壳101中的电极单元102。
电池外壳101包括主元件103，和盖元件104，它们都是用加入镍的铁制造的。主元件103是一种具有封闭的下端和敞开的上端的中空圆筒形。盖元件104是一种用于封闭主元件103的敞开上端的圆盘形。
盖元件104有一个位于中心的圆形通孔105，并且焊接于主元件103的开口上端。电极单元102包括一个正极片，一个负极片(都没有示出)，和中空芯106。正极片和负极片与夹它们之间的隔离片叠层在一起，并绕芯106缠绕成一个圆柱体。
正极片的表面被均匀地涂覆了一层粉末状正极活性材料(未示出)，而负极片的表面被均匀地涂覆了一层粉末状负极活性材料。正和负极片的表面是指它们的正反两面。
正极片是用纯铝制造的，而负极是由纯铜制造的。正极活性材料包括一种以锂和锰作为必不可少组分的化合物，例如，可以是一种LiMn2O4粉末。负极活性材料包括一种以碳作为必不可少的组分的化合物。电极单元102的两个片之间的间隙用一种非水电解溶液浸渍。
由纯铝构成的多个正极连接片107从正极片的上缘向上伸出，而多个由纯铜构成的负极连接片108从负极片的下缘向下伸出。因此，正极连接片107从电极单元102的上表面上的各自位置向上伸出，而负极连接片108从电极单元102的下表面上的各自位置向下伸出。
将从电极单元102的下表面向下伸出的负极连接片108向电极单元102的中心弯曲，并且叠置在电极单元102的中央，并直接焊接到主元件103的底部的内表面。从电极单元102上表面向上伸出的正极连接片107焊接到正极元件110的底部。
正极元件110通过绝缘件111，112安装在盖元件104的圆形通孔105中。
绝缘件111，112是由软聚丙烯制成的，并且是一对圆环形元件，其将盖元件104的通孔105限定在中心，并与盖元件104的凸缘的下和上表面保持紧密接触。
正极元件110包括滚花螺栓113和滚花螺母114，它们都是用纯铝制造的。滚花螺栓113在盖元件104的通孔105中向上伸出，绝缘件111夹在滚花螺栓113和盖元件104之间，而滚花螺母114拧紧在滚花螺栓113上，绝缘件112夹在滚花螺母114和盖元件104之间，从而密封了电池外壳101。正极连接片107焊接到位于电池外壳101内的滚花螺栓113头的底部。
由于其间浸渍了非水电解溶液的正极片和负极片分别产生了正和负电位，因此从LiMn二次电池100的上表面向上伸出的滚花螺栓113的螺纹杆起到了正极的作用，而主元件103的下表面则起到了负极的作用。
对于在电动型车辆这样的机动车上的应用来说，LiMn二次电池100的整体尺寸是很大的。电池外壳101的盖元件104焊接到电池外壳101的主元件103上，以给予LiMn二次电池100希望的机械强度。因此，主元件103不能与盖元件104绝缘，从而使盖元件104不能用作正极。
而通过绝缘件111，112安装到盖元件104的正极元件110起到了正极的作用并与电池外壳101绝缘。
尽管正极元件110、正极连接片107和正极片彼此连接，但它们是由纯铝构成的，并且不受到电解腐蚀这样的不希望的化学反应。
由于正极元件110包括普遍可用部件的滚花螺栓113和滚花螺母114，因而正极元件110的结构简单，能由现有的产品构成，并且能够容易地安装到电池外壳101上。
由于起正极作用的滚花螺栓113的螺纹杆从电池外壳101中伸出，因而它可以与机动车辆的正极接头啮合，正极接头可以通过用拧在滚花螺栓113的螺纹杆上的六角螺母(未示出)紧固定位。
如上所述，由于盖元件104被焊接到作为负极的主元件103以获得希望程度的机械强度，所以将作为正极的正极元件110通过绝缘件111，112安装到通孔105中，并且同正极片和正极连接片107一样是由纯铝构成的，以防止不希望的化学反应。
但是，由于正极元件110包括滚花螺栓113和滚花螺母114，并且由于它是由纯铝构成的，所以具有机械强度低的问题。更具体地讲，由于可以容易地通过六角螺母将正极接头连接到滚花螺栓113，和从滚花螺栓113取下，因而在反复地把正极接头连接到滚花螺栓113和从滚花螺栓113取下时，很可能将滚花螺栓113的螺纹磨损。
为了减低造价，一般是用铁制造把正极接头紧固在滚花螺栓113上的六角螺母，而不是铝。反复地把铁六角螺母紧固到滚花螺栓113上，加速了对滚花螺栓113的磨损。
当把LiMn二次电池100安装到机动车辆上时，由于LiMn二次电池受到频繁的振动和应力，滚花螺栓113会以更快的速度磨损。
为了解决上述问题，JP92250/1997披露了一种增大用作正极的滚花螺栓的直径并且也增大滚花螺栓的螺纹尺寸的尝试。但是，制造LiMn二次电池不是为了独立地使用的产品，而是要安装到某种机动装置上，因此要根据各种不同的标准来构造。
根据某些标准，可能要把LiMn二次电池100构造成小的尺寸，这使得难以增大正极元件110的直径。尽管如上所述，通过六角螺母可以容易地将正极接头连接到滚花螺栓113和从滚花螺栓113上取下，但是如果正极接头和六角螺母被标准化，那么就不可能增大滚花螺栓113的直径以及它的螺纹尺寸。
在电极单元102的上表面从各自位置伸出的正极连接片107被焊接到滚花螺栓113的头上。如果增大了滚花螺栓113的直径，那么只能将正极连接片107焊接到滚花螺栓113的头的底部。
在焊接过程中，实际需要把沿滚花螺栓113轴向伸出的正极连接片107弯曲成直角，并且焊接到滚花螺栓113头的底部。此时，如图2中所示，由于位于在滚花螺栓113头的底部下方的电极单元102干扰焊接机120，所以焊接过程效率低下，并且LiMn二次电池100的生产率也很低。
为了容易地将正极连接片107焊接到滚花螺栓113头的底部，需要延长正极连接片107。但是，如图1中所示，由于需要把延长的正极连接片107弯曲成多层，并且定位在电极单元102的上表面和滚花螺栓113的下表面之间，需要增大电极单元102的上表面与滚花螺栓113的下表面之间的间隔，这样就导致了电池外壳101中无用空间的增加。
如果将滚花螺栓113构造为六角螺栓，Allen螺栓，Huck螺栓，铆钉等，LiMn二次电池100也会遇到上述问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种具有用绝缘组件将正极元件安装在电池外壳的通孔中，并且能够提高正极元件的机械强度而不会造成不希望的化学反应的结构的LiMn二次电池。
根据本发明的尖晶石型LiMn二次电池包括作为主要组件的电极单元，导电电池外壳，和导电正极元件。电极单元封闭在电池外壳中，正极元件安装在电池外壳中。
电极单元具有正极片和负极片，与夹在它们之间的隔离片叠层在一起，并且卷绕成一个圆柱体。电极单元的两个片之间用非水电解溶液浸渍。正极片的表面被涂覆了一层粉末状正极活性材料，并且通过正极连接片连接到正极元件。负极片的表面被涂覆了一层粉末状负极活性材料，并且通过负极连接片连接到电池外壳。由于正极元件是利用一种绝缘组件安装在电池外壳的通孔中，因而导电电池外壳用作负极，而导电正极元件用作正极。
如常规的LiMn二次电池一样，正极片主要是由铝构成的，并且正极活性材料包括锂和锰作为必不可少的组分。与常规的LiMn二次电池不同，导电正极元件是用混合了锰的铝合金制造的。
由于混合了锰的铝合金的机械强度比纯铝高，因而根据本发明的LiMn二次电池的正极元件具有良好的机械强度。由于与正极元件的铝合金混合锰的是正极活性材料的一个必不可少的组分，因而它不会造成诸如电解腐蚀之类的不希望的化学反应。
上述的机械强度是指包括硬度、韧性、耐磨性等在内的强度的各种必要方面。
导电正极元件是用3000系列铝合金制造的。因此，可以用现有的铝合金制造导电正极元件，以提供良好的机械强度，并且使其本身避免了不希望的化学反应。因此，可以提高制造LiMn二次电池的生产率。
导电正极元件包括一个螺栓和一个螺母。因此，其结构简单，而且可以使用用现有的产品来构造，从而能够提高制造LiMn二次电池的生产率。
螺栓通过通孔伸出电池外壳，螺母拧在伸出到电池壳外的螺栓上。利用这种安排，可以简单地将正极元件安装在电池外壳中，并且易于使一个分离的正极接头与从电池外壳突出的正极元件的螺栓啮合，并且用六角螺母紧固在螺栓上。
正极连接片焊接在螺栓头的外侧表面。由于正极连接片不用很大地弯曲就可以焊接到直径不需过大的螺栓头的外侧表面，因而可以提高制造LiMn二次电池的产率，并且可以减小正极连接片所在的无用空间。
绝缘组件包括一个用于封闭电池外壳与正极元件之间的间隙的软封闭元件，和一个用于保持电池外壳与正极元件彼此相对位置的高强度保持元件。具有提高的机械强度的正极元件使得施加到它的外部应力能够作用在正极元件与电池外壳之间的连接处。但是，由于电池外壳和正极元件的结合强度和封闭是由绝缘组件的保持元件的封闭元件提供的，因而防止了绝缘组件的破坏，并且不会在正极元件和电池外壳之间发生短路。
电池外壳包括一个圆筒形主元件，和一个盘形盖元件，盖元件具有一个被限定在其中的通孔，主元件具有一个敞开端，盖元件焊接于主元件的敞开端。可以容易地将电极单元封装在电池外壳中，带有被限定在其一端的通孔的电池外壳在整体结构上有足够的强度。可以作为一个整体提高LiMn二次电池的暴露部件的强度。
可以通过形成主要由铝构成的正极片，产生锂和锰作为必不可少的组分的正极活性材料，并形成混合了锰的铝合金的正极元件，而制造出LiMn二次电池。
该方法进一步包括将正极连接片超声焊接到正极元件的步骤。在混合了锰的铝合金制造的正极元件的表面上自发地形成了一个高度绝缘的氧化膜。当把正极连接片超声焊接到正极元件上时，氧化膜被破坏，这使得正极连接片能够很好地电连接到正极元件。
根据本发明的机动车辆具有固定于并且电连接于至少尖晶石型LiMn二次电池的电池外壳的负极接头，和用螺母啮合并且电连接于LiMn二次电池的螺栓的正极接头。通过从负极接头和正极接头提供的电能给机动车辆上的电动机通电，并且利用电动机所产生的动力，通过一个运动装置使支承电动机和尖晶石型LiMn二次电池的车体移动。
可以用尖晶石LiMn二次电池作为电源操作机动车辆。即使在机动车辆运动的同时，将频繁的振动和应力从正极接头传递给尖晶石型LiMn二次电池的正极元件时，由于正极元件具有良好的机械强度，因而防止了它被破坏或过度地磨损。从而提高了机动车辆的可靠性和耐久性。
从下面参考附图的说明中，可以更清楚地了解本发明的上述和其它目的、特征和优点，在附图中示出了本发明的一个示例。
附图说明
图1是显示常规LiMn二次电池的内部结构的纵向剖视图；
图2是说明制造常规LiMn二次电池的方法的正视图；
图3是显示根据本发明的一个实施例的LiMn二次电池的内部结构的纵剖视图；
图4是图3中所示LiMn二次电池的分解透视图；
图5是作为装有根据本发明的LiMn二次电池的机动车辆的电动车辆的示意图；
图6是显示将正极接头连接到根据本发明的LiMn二次电池的方式的分解透视图；和
图7是说明制造根据本发明的LiMn二次电池的方法的正视图。
具体实施方式
以下参考图3至7说明根据本发明的一个实施例的LiMn二次电池。在这里诸如上和下之类的表示方向的词仅是为了简化说明的目的，而不应当在实际制造和使用LiMn二次电池时解释为对任何方向的限制。
如图3和4中所示，根据本发明的LiMn二次电池具有电池外壳101和封装在电池外壳101中的电极单元102。电池外壳101是盘形盖元件104焊接于圆筒形主元件103的开口端这样一种结构。
电极单元102包括一个正极片和一个负极片，与夹在它们之间的隔离片叠层在一起，并且绕芯106缠绕成一个圆柱体。用非水电解溶液浸渍正极片和负极片绕成的圆柱体。正极片是由纯铝制造的，并且其表面均匀地涂覆了一层LiMn2O4的正极活性材料粉末。正极元件201通过绝缘组件202安装在限定于电池外壳101中的通孔105中。从电极单元102突出的纯铝的正极连接片107连接到正极元件201。
正极元件201包括滚花螺栓203和滚花螺母204。与常规的LiMn二次电池100不同，滚花螺栓203和滚花螺母204均由混合了锰的3000系列铝合金制造的。
绝缘组件202包括一对封闭元件205，206，和一对保持元件207，208。封闭元件205，206定位在保持元件207，208内。更具体地讲，封闭元件205，206是由软绝缘聚丙烯制造的，并且与常规的绝缘元件111，112一样是圆环元件形式的。固定封闭元件205，206，与将通孔105限定在盖元件104中心的盖元件104的凸缘的下和上表面紧密接触，封闭了盖元件104和正极元件201之间的间隙。保持元件207，208是由强绝缘细陶瓷构成的，并且是啮合封闭元件205，206的外表面的圆环元件形式。保持元件207，208保持电池外壳101与正极元件201彼此之间的相对位置。
如图3和4中所示，在LiMn二次电池200的组装结构中，下封闭元件205向上装配在盖元件104的通孔105中，下保持元件207绕下封闭元件205装配。
滚花螺栓203向上***封闭元件205中限定的通孔中，上封闭元件206向下装配在穿过封闭元件205突出的滚花螺栓203的螺纹杆上。上保持元件208绕封闭元件206装配，并且把滚花螺母204拧在滚花螺栓203上，压紧在封闭元件206和保持元件208上。
LiMn二次电池200的滚花螺栓203和滚花螺母204的直径小于常规的LiMn二次电池100的。电极单元102的正极连接片107超声焊接到小直径滚花螺栓203的头的外侧表面。
如图5中所示，LiMn二次电池200安装在作为机动车辆示例的电动车辆300的车身301上。电动车辆300具有电动机302，和耦合到电动机302上的运动装置303。运动装置303包括传动机构和车轮。
经过一个控制电路将负极接头(未示出)和正极接头304(见图6)连接到电动机302。负极接头固定并且电连接到LiMn二次电池200的外壳101。如图6中所示，正极接头304啮合和电连接到LiMn二次电池200的滚花螺栓203，并且通过六角螺母305拧紧和紧固在滚花螺栓203上。
根据所示实施例的LiMn二次电池200以与常规的LiMn二次电池100相同的方式发挥作用。但是，与常规的LiMn二次电池100不同的是，因为正极元件201是由3000系列铝合金制造的，LiMn二次电池200具有更高水平的机械强度。由于与正极元件201铝合金混合的锰是正极活性材料的一种必不可少的组分，它不会造成电解腐蚀之类的不希望的化学反应。
由于LiMn二次电池200的正极元件201具有高机械强度，因而与常规的LiMn二次电池100不同，正极元件201和盖元件104的结合强度高。与常规的LiMn二次电池100的情况一样，盖元件104和主元件103的结合强度高，从而使得作为一个整体的LiMn二次电池200的暴露部件的机械强度是很高的。
由于正极元件201包括滚花螺栓203和滚花螺母204，因而它的结构简单，并且能够由现有产品构造。如图3和4中所示，因为滚花螺母204拧紧和固定在穿过通孔105并且突出到电池外壳101之外的滚花螺栓203上，所以可以容易地将正极元件201安装到电池外壳101中，并且分离的正极接头304可以容易地与正极元件201的滚花螺栓203啮合，并用六角螺母305绕螺栓203固定。
对于电动车辆300，如图6中所示，通过六角螺母305将正极接头304围绕着滚花螺栓203固定，并且用LiMn二次电池200所产生的电能给电动机302通电，以启动运动装置302，从而使电动车辆300移动。
当移动电动车辆300时，振动和应力不断地施加到滚花螺栓203上。但是，由于主元件103、盖元件104、和正极元件201具有高的机械强度和高的结合强度，因而有效地防止了正极元件201的破坏和磨损。
由于正极元件201的高机械强度，施加到正极元件201的应力也施加到正极元件201与电池外壳101之间的结合处。对于根据本发明的LiMn二次电池200，如上所述，使正极元件201与盖元件104彼此绝缘的绝缘件202包括软封闭元件205，206，和高强度的保持元件207，208。
封闭元件205，206封闭了盖元件104和正极元件201之间的间隙，而利用保持元件207，208保持了电池外壳101与正极元件201的相对位置。因此，即使当外应力施加到结合于电池外壳101的正极元件201时，也能防止绝缘组件202被破坏，并且在正极元件201和电池外壳101之间不会发生短路。
此外，由于正极元件201具有高的机械强度，它的直径不必过大。因而，可以减小滚花螺栓203和滚花螺母204的直径，和降低它们的成本。结果，正极元件201(并且因此使得LiMn二次电池200)的直径也可以容易地减小。
很容易制造滚花螺栓203和滚花螺母204使其符合某些标准，同时使它们的机械强度保持在需要的水平，可以简单而可靠地把正极接头204和六角螺母305安装在LiMn二次电池200上。
因为可以把良好机械强度的正极元件201成型为希望的直径，如图3中所示，所以可以将从电极单元102上表面向上突出的正极连接片107焊接到滚花螺栓203头的外侧表面，而无需大的弯曲。
因此，如图7中所示，可以将从电极单元102上表面向上突出的正极连接片107直接焊接到滚花螺栓203头的外侧表面。由于使电极单元102不干扰焊接机械120，因而与图2中所示的情景不同，能够以高的产率制造根据本实施例的LiMn二次电池200。
不需要过度地延长能够容易地焊接到滚花螺栓203的电极单元102的正极连接片107。结果，如图3中所示，不需要把定位在电极单元102的上表面与滚花螺栓203的下表面之间间隙中的正极连接片107弯曲成多层，并且由于间隙没有增大，因而防止了任何无用空间的增大。
因为滚花螺栓203是由混有锰的铝合金制造的，所以在其表面上自动地生成一层高度绝缘氧化物膜，有效地防止了盖元件104与电极单元102的负极片之间的短路。
在制造本实施例的LiMn二次电池200的过程中，将电极单元102的正极连接片107超声焊接到滚花螺栓203上。在把电极单元102的正极连接片107超声焊接到滚花螺栓203上时，滚花螺栓203上的氧化物膜被破坏，从而提供正极连接片107和正极元件201之间的良好电接触。
在上述实施例中，将正极元件201说明为包括滚花螺栓203和滚花螺母204。但是，正极元件201可以包括六角螺栓和六角螺母，或铆钉。
在上述实施例中，将包含锂和锰作为必不可少组分的正极活性材料说明为是LiMn2O4。但是，正极活性材料可以是Li(1+X)Mn(2-X)O4(X＝0至0.2)，或Li(1+X)Mn2O4(X＝0至0.2)。
尽管利用专门词汇说明了本发明的一个优选实施例，但是这种说明仅是为了解释的目的，并且应当知道可以进行改变和改进，而不脱离所附权利要求的精神和范围。

Claims (10)

1.一种尖晶石型LiMn二次电池，包括：
导电电池外壳，在其一端限定有通孔；
电极单元，具有其表面被涂覆了粉末状正极活性材料的正极片，和其表面被涂覆了负极活性材料的负极片，所述正极片和所述负极片与夹在它们之间的隔离片叠层在一起，并且卷绕成圆柱体，用非水电解溶液浸渍所述电极单元的两个片之间，并且封装在所述电池外壳中；
导电正极元件，用绝缘组件安装在所述电池外壳中的所述通孔中；
正极连接片，在所述电极单元的一端将所述正极片连接到所述正极元件；和
负极连接片，在所述电极单元的相反一端将所述负极片连接到所述电池外壳；
所述正极片主要是由铝构成的；
所述粉末状正极活性材料包括作为必不可少组分的锂和锰；
所述导电正极元件是由混合了锰的铝合金构成的。
2.根据权利要求1所述的LiMn二次电池，其中所述导电正极元件是由3000系列铝合金构成的。
3.根据权利要求1所述的LiMn二次电池，其中所述导电正极元件包括螺栓和螺母。
4.根据权利要求3所述的LiMn二次电池，其中所述螺栓穿过所述通孔伸出到所述电池外壳之外，并且所述螺母拧在突出到所述电池外壳之外的所述螺栓上。
5.根据权利要求4所述的LiMn二次电池，其中所述正极连接片焊接到所述螺栓的头部的外侧表面。
6.根据权利要求1所述的LiMn二次电池，其中所述绝缘组件包括：
软封闭元件，用于封闭所述电池外壳与所述正极元件之间的间隙；和
高强度保持元件，用于保持所述电池外壳与所述正极元件彼此相对位置。
7.根据权利要求1所述的LiMn二次电池，其中所述电池外壳包括圆筒形的主元件和盘形的盖元件，所述盖元件中限定有所述通孔，所述圆筒形主元件具有开口端，并且所述盖元件焊接到所述圆筒形主元件的所述开口端。
8.一种制造根据权利要求1的尖晶石型LiMn二次电池的方法，包括步骤：
形成主要由铝构成的所述正极片；
制造锂和锰作为必不可少组分的所述正极活性材料；和
形成混合了锰的铝合金的所述正极元件。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括如下步骤：
把所述正极连接片超声焊接到所述正极元件。
10.一种机动车辆，包括：
根据权利要求4所述的尖晶石型LiMn二次电池；
负极接头，其固定并且电连接到所述尖晶石型LiMn二次电池的电池外壳；
正极接头，其啮合并电连接到所述LiMn二次电池的螺栓；
螺母，其将所述正极接头紧固到所述螺栓；
电动机，其通过从所述负极接头和所述正极接头提供的电能而通电；
车身，其至少支承所述电动机和所述尖晶石型LiMn二次电池；和
运动装置，用所述电动机产生的动力移动所述车身。
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