CN1224934A - 电池 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于改善方型电池的大电流放电性能。通过将电池罐内迭层的电极弯曲成弓状以提高正极与负极间的紧密程度。此外,将电池容器的一对相对的侧面也朝着相同的方向弯曲成弓状,使由于电池内压而引起的电池容器膨胀得到抑制。通过采用上述电池构造,即使电池内压上升,与电池元件迭层方向相同的压紧力仍不会减弱,正极与负极间的紧密程度可在长期内得到保障。因此,长期具有优越的大电流放电性能的电池可得以实现。

Description

电池

本发明提供一种能够改善电池性能的电池。

近年，随着手提电话和笔记本电脑薄型化倾向的日趋增强，方型电池成为了其理想的驱动电源。与圆柱型电池相比，方型电池具有厚度小的优点，所以对手携式电子设备的薄型化能起到促进作用。

然而，与圆柱型电池相比，方型电池的大电流放电性能较差。这样，尽管用小电流工作的手提电话已经使用了扁平形的方型电池，以大容量且大电流放电为工作条件的笔记本电脑却几乎仍未装载方型电池，目前依然使用着圆柱型电池。由于圆柱型电池的容量取决于电池容器的直径。容量大的电池自然其电池直径也大。所以，只要笔记本电脑使用的仍是圆柱型电池，要实现笔记本电脑的薄形化就面临重重困难。

再则，为了防止地球的温暖现象，人们拭目以待着电子汽车的早日实现。然而，电子汽车同样需要大电流放电的电池，这样在相当长的一段时期内依然不得不依靠圆柱型电池。为了取得高电压，电子汽车用电池是由许多个单体电池连接起来的电池组，由于圆柱型电池圆柱型电池相互排列时电池间会出现缝隙，这样就降低了电池的占有体积效率。装载在电子汽车上的电池组以小型为佳，这样对于应用于电子汽车上的电池来说自然以体积效率高(电池与电池之间不容易产生缝隙)的方型电池最为理想。

与圆柱型电池相比，尽管方型电池具有诸如电池的厚度小，电池组的体积效率高等长处，但是方型电池的大电流放电性能比圆柱型电池的要差。方型电池与圆柱型电池在大电流放电性能上的差异可归因于正极与负极间紧密度的不同。

如图11所示，圆柱型电池的电池元件是由带状的负极1和带状的正极2夹住隔膜3紧紧地卷绕成圆柱形而制成的，之后被放入圆柱形的电池罐内。由上述方法制成的圆柱形电池元件中，由于被卷绕在内侧的电极被位于外侧的电极压紧，这样，夹住隔膜正极与负极之间的紧密程度极高。因此，当隔膜含有电解质(通常为电解液)时，正极与负极的离子传导阻力可变得十分小，这样电池的内阻也同样减小，可获得优良的大电流放电性能。然而，即使电池内压上升，圆柱形的电池罐也不会沿其直径方向的膨胀，因此，被放入在圆柱形电池罐内的圆柱形电池元件也不会沿直径方向膨胀，正极与负极间的紧密程度不会受到影响。综上所述，即使经过多次的充放电过程，圆柱型二次电池的正极与负极仍旧能在长期内保持紧密状态，所以，圆柱型二次电池能长时期显示出优越的大电流放电性能。

方型电池的电池元件是由以下二种方法制成。第一种方法是将小小的呈长方形状的负极与正极夹住隔膜，一层层地重叠而成；第二种方法如图12所示，将带状的负极1与带状的正极2夹住隔膜3卷绕成扁平形电池元件，之后收入方型电池罐内。由第一种方法，即通过重叠小小的呈长方形状的电极而制成的电池元件，如果沿电极迭层的方向没有施加任何压力的话，正极与负极之间不可能达到紧密状态。此外，从图12可明白，由第二种方法制成的扁平形电池元件中，位于两端被弯曲的电极部分与上述的圆柱形电池元件相似，其位于内侧被弯曲的电极被位于外侧被弯曲的电极压紧，因此，夹住隔膜的正极与负极之间的紧密程度极高。然而，沿电池元件的厚度方向迭层的大部分电极，如果沿迭层方向对其没有施加任何压力的情况下，正极与负极之间达不到紧密状态。

图13展示了现有的使用较小的呈长方形状电极而制成的方型电池构造的横截面图。图14展示了现有的使用扁平形卷绕电池元件而制成的方型电池构造的横截面图。不论采用上述任何一种方型的电池构造，在方型金属罐4内，电极沿与电池罐侧面平行的方向重叠起来，之后被密封在方型金属电池罐4内。可是在沿电极迭层方向将电极压紧的状态下，不能把迭层的电池元件***电池罐内，结果夹住隔膜的正极与负极不可能紧密地相互靠近。再则，即使在沿电极迭层方向将电极压紧的状态下，成功地把迭层的电池元件***电池缸罐4内，电池罐4的侧面会膨胀起来，因此使沿电极迭层方向被压紧的电极变得松散。由此可见，当隔膜含有电解质(通常是电解液)时，正极与负极间的离子传导阻力大，电池的内阻也大，电池的大电流放电性能差。

并且，当电池的内压上升时，方型电池罐4的侧面很容易发生膨胀，更进一步地减弱了沿电极迭层方向的压紧力，从而导致正极与负极间的离子传导阻力更大，电池的大电流放电性能变得更差。

本发明力求改善方型电池的大电流放电性能。

为解决上述问题，本发明的解决方法是采用在电池容器内其电极被弯曲成弓状的电池结构。

图1展示了本发明电池的基本原理，其中1表示负极，2表示正极，3表示电解质，以P1和P2为支点，夹住隔膜相互面对的负极与正极被曲成弓状。本发明通过将电池弯曲成弓状，把电极向平面状态恢复的回弹力转变为沿电极迭层方向的(即电极的相对方向)的压紧力，从而使正极与负极处于良好的紧密状态。

图2展示了现有的方型(扁平型)电池的基本原理：同样，1表示负极，2表示正极，3表示电解质。负极与正极夹住隔膜，相互面对。由于沿电极的迭层方向(即电极相对方向)没有施加任何压力，正极与负极间的紧密程度很差。

根据本发明而制造的电池，即使其电池元件是由较小的呈长方形状电极重叠而成时，如图3所示，此电池元件的所有电极朝着相同方向被弯曲成弓状，这一电池构造保证了正极与负极间的紧密状态。同时，当电池元件为扁平卷绕体时，如图9所示，沿卷绕电池元件的厚度方向迭层的电极部分在电池罐4内全部朝相同方向被弯曲成弓状，这样，正极与负极可处于紧密状态。由于根据本发明而制成的电池其正极与负极间的离子传导阻力十分小，电池的内压也随着减小，电池可具有优越的大电流放电性能。

如图3和图9所示，本发明还将电池容器的一对相对侧面(4A及4B)朝着相同方向弯曲成弓状，这样特别是由于向着电池容器内侧被弯曲的侧面4B的效应，使因为电池内压上升而引起的电池容器膨胀得到抑制。所以，如果二次电池采用上述的电池构造，即使由于充电而引起电池内压上升，沿电池元件迭层方向的压紧力仍旧不会减弱；经历多次的充放电之后的正极与负极依然在长期内保持紧密关系。结果，长期具有优越的大电流放电性能的二次电池可得以实现。

以下的实施例将对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明基本原理图。

图2是现有方型电池的基本原理图。

图3是本发明电池的横截面图。

图4是本发明电池的纵截面图。

图5是电池罐的立体图。

图6是将电池元件收入电池罐内时的横截面图。

图7是将电池元件收入电池罐内时的底面图。

图8是表示挤压电池罐侧面的装置图。

图9是本发明电池的横截面图。

图10是本发明电池的横截面图。

图11是圆柱形卷绕电池元件的断面图。

图12是扁平形卷绕电池元件的断面图。

图13是现有方型电池的横截面图。

图14是现有方型电池的横截面图。

实例1：

参照图3至图8，下面对本发明电池的制作过程作具体的说明。

首先按照公知的现有方法制作负极，把经热处理的碳微粒(d002=3,37埃)与乙炔黑，粘接剂和溶剂混合成浆料。然后把该浆料均匀地涂敷在作为负极集电体的铜箔的两面，一旦干燥后，用辊压机加压成形，制成薄片负极，之后，将这薄片状负极切成40mm×38mm的长方形状负极1a，在该负极端部设置的铜箔集电体的露出部分，将镍制的导线焊接在该露出部分上。

正极也是根据公知的现有方法而制成。把作为正极活性物质的锂钴复合氧化物(LiCoO₂)与导电剂，粘接剂和溶剂混合成浆料，把该浆料均匀地涂敷在作为正极电体的铝箔的两面，一旦干燥后，用辊压机加压成形，制成薄片状正极，之后，将这薄片状正极切成40mm×38mm的长方形状正极2a，在该正极端部设置的铝箔集电体的露出部分，将铝制的导线焊接在该露出部分上。

在实例1中使用的电池容器4是镀镍铁制的金属罐，如图5所示，此金属罐的二个侧面4A,4B鼓起，罐底40的一部分41已被除去。

把已准备好的较小呈长方形状的正极2a***并裹在袋状多孔聚丙烯制的隔膜3内。将这样制成的15枚正极与同样方法制成的较小呈长方形状的负极1a相互交错重叠起来，以形成电池元件。从构成电池元件的15枚正极中取出的导线被组合成一个正极导线7并且焊接到正极外部端子上，该正极外部端子已通过盖体10上的塑料垫圈被固定住。从16枚负极中取出的导线也同样被组合成一个负极导线5，并被焊接到盖体10上。然后，把电池元件收入到电池容器4之中，如图6的横截面图及图7的底面图所示，当电池元件被收入电池容器4中时，由于沿电池的迭层方向对电池元件没有施加足够的压力，这样负极1与正极2a之间略有缝隙23，两者间的关系不十分紧密。

然后，如图8所示把装有电池元件的电池容器安放在夹具30中，用冲压机31挤压该电池容器的侧面，堵塞住电池容器底部的被除去的部分，用激光焊接机把侧面4B与底部40的接合部焊接住。接着，把盖体焊接到电池容器的开口部，把装有电池元件的电池容器从夹具中取出。此时，电池的断面形状如图3所示，在电池容器内迭层的负极1a与正极2a均朝着相同方向被弯曲成弓状，因此根据图1所说明的本发明基本原理，负极1a与正极2a处于良好的紧密状态。而且，电池容器的侧面4A和侧面4B将所有迭层起来的电极压紧，由于向着电池容器内侧被弯曲的侧面4B的效应提高了电池容器抵抗膨胀的强度，因此，电池容器不会由于被压紧的迭层电池元件的回弹力而发生膨胀。

然后，通过在盖体10上的电解液注入口11将电解液注入进电池罐内，当完成了电解液的注入后，把一个铁制的金属球焊接在电解液注入口11上以将其堵住。这样具有如图4所示的完全密封的电池构造的扁平形锂离子二次电池S1就完成了。

实例2：

参照图9及图10，下面对本发明的实例2作详细的说明。首先按照实例1所说明的方法制作薄片状负极，接着将该薄片状负极做成宽40mm的带状负极1b，在该带状负极的端部设置铜箔集电体的露出部分，把镍制负极导线5焊接到该露出部分上。

之后，将该带状的负极1b与正极2b夹住多孔聚丙烯制的隔膜3，卷成如图12所示扁平状的卷绕电池元件，把从电池元件中取出的正极导线7焊接到该正极外部端子上，该正极外部端子通过盖体上塑料垫圈已被固定住，把从电池元件中取出的负极导线5焊接到盖体上，该电池元件被放入与实例1相同的电池容器4内。然后，按照实施例1所说明的方法挤压电池容器的侧面，堵住该电池容器底部的被除去部分，用激光焊接机把侧面与底部的接合部焊接起来，把盖体10焊接到该电池容器的开口部。接着，采取与实例1同样的方法将电解液注入电池罐内，把金属球焊接在电解液注入口以将此注入口堵住。具有如图9及图10所示的电池构造且完全密闭的扁平形离子二次电池S2就完成了。

在实例2中所制成的扁平形锂离子二次电池S2具有如图9所示的断面形状，在电池容器4内的卷绕电池元件是由位于两端被弯曲的电极以及沿厚度方向迭层的电极这二个部分组成。其中被弯曲的部分，由于位于内侧被弯曲的电极被位于外侧被弯曲的电极压紧，正极与负极处于紧密状态。此外，如图1所示，沿厚度方向迭层的电极部分也全部朝着相同方向被弯曲成弓状，根据本发明的基本原理可知，负极1b与正极2b处于良好的紧密状态。另外，沿厚度方向迭层的电极被电池容器的侧面4A及侧面4B压紧，这样向着内侧被弯曲的侧面4B的效应提高了电池容器抗膨胀的强度。所以，迭层电池元件的反弹力不会导致电池容器膨胀，电极能被维持在压紧的状态。

本发明电池的大电流放电性能试验

把分别在实例1和实例2中制成的电池S1及电池S2充电至全充电状态，然后在0.2C、0.5C、1C、2C及3C的电流下进行放电直至截止电压3.0V，求算出在各放电电流下的放电容量，以在放电电流1C的放电容量作为100％，各放电电流下的放电容量如表1所示。

表1中比较电池的结果是将市场上销售的锂离子二次电池进行同样的试验而得到的结果。比较电池1是在市场上销售的方型锂离子二次电池，比较电池2是市场上销售的圆柱型锂离子二次电池。

                                    表1

放电电流	0.2C	0.5C	1C	2C	3C
						比较电池1	104％	103％	100％	67％	30％
比较电池2	102％	101％	100％	80％	51％
						电池(S1)	102％	101％	100％	81％	52％
电池(S2)	102％	101％	100％	82％	52％

从比较电池1和比较电池2的结果可见，与现有的圆柱型锂离子二次电池相比，现有的方型锂离子二次电池在大电流放电(2C,3C)下其放电容量大大减少。也就是说，与现有的圆柱型锂离子二次电池相比方型锂离子二次电电流放电性能较差。现有的方型锂离子二次电池与现有的圆柱型锂离子二次电池在大电流放电性能上的差异可归因于正极与负极间紧密程度的不同。

从表1中还可得知，与比较电池1相比，本发明电池S1和S2在大电流放电(2C,3C)下的放电容量减少较小，这意味着本发明电池具有与圆柱型电池同样良好的大电流放电性能。

比较电池1的电池构造如图14所示。其电池元件是由电极卷绕成扁平状，并收入电池罐内，从图14可知，电池容器内的电池元件由位于两端被弯曲的电极和沿厚度方向迭层的电极组成，其中大部分的电极沿厚度方向重叠起来。然而，对于沿厚度方向重叠起来的电极部分，没有施加沿迭层方向的压力，因此比较电池1的沿厚度方向迭层的电极的正极与负极间的离子传导阻力大，从而导致在大电流放电(2.0C,3.0C)条件下的放电效率降低，大电流放电条件下的放电容量小。

在本发明电池中，沿厚度方向迭层的电极部分均被电池容器的侧面压紧，而且由于向着内侧被弯曲的侧面4B的效应提高了电池容器抵抗膨胀的强度。这样，迭层的电池元件的反弹力就不会引起电池容器的膨胀，电极能被维持在压紧的状态，正极与负极间的离子传导阻力充分地减小，电池可具有优越的大电流放电性能。

尽管在本发明的实例1和实例2中制成的锂离子二次电池使用锂钴氧化物为正极活性物质，碳性材料为负极活性物质，本发明的原理可被应用在其他不同的电池，无论是一次电池还是二次电池，即使其电池反应***(例如：镍氢二次电池)，活性物质材料，或电池尺寸规格与本实施例中的不同，本发明中介绍的方法依旧可以实施。

由于使用在本发明电池中的电极被弯曲成弓状，该电极向平面状态恢复的反弹力就转化为沿电极迭层方向(即电极的相对方向)将电极压紧的压紧力。所以，本发明电池的正极与负极处于紧密状态，正极与负极间的离子传导阻力小，具有优越的大电流放电性能。此外，构成本发明电池的电池容器的一对相对侧面也朝着相同方向被弯曲成弓状，因此，提高了电池容器抵抗膨胀的强度。这样，即使由充电而导致电池内压上升，电池容器侧面对电池元件的压紧力也不会减弱，经过多次充放电的过程，正极与负极依然能在长期内保持紧密状态，从而使电池的大电流放电性能长时期保持优越。除此之外，由于电池容器的侧面朝着相同方向被弯成弓状，当把电池组合成电池组时，电池容器的凸起的侧面与凹进的侧面可配合在一起，以避免电池与电池间产生较大的缝隙。

综上所述，具有优越的大电流放电性能的扁平形电池，拥有高体积效率(电池与电池间不容易产生缝隙)形状的电池可得以实现。本发明不论对需要大电流放电性能的携带式电子产品的薄型化，还是对电子汽车用电池的小型化都作了极大的贡献，具有很高的工业价值。

Claims (4)

1、一种其电极在电池容器内被弯成弓状的电池。

2、一种至少将一个由带状电极卷成的扁平形卷绕电极元件装入并密封在电池容器内而制成的电池，在该电池容器内，该扁平形卷绕电极元件的沿厚度方向迭层的部分全部朝着相同的方向被弯曲成弓状。

3、如权利要求1或2所述的电池，构成电池容器的一对相对侧面被朝着相同方向弯曲成弓状。

4、如权利要求3的电池，当至少由正极或负极构成的电池元件被收入其底部的一部分被除去的电池容器后，通过连接该电池容器侧面和底部以堵住该电池容器底部被除去的部分。

Images