TW201424089A - 三維非矩形電池單元結構 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示之實施例提供一種電池單元。該電池單元包括一組層，包括具有活性塗層之陰極、隔板及具有活性塗層之陽極。該電池單元亦包括封閉該等層之小袋。最後，該電池單元具有三維非矩形形狀，以促進由該電池單元供電之攜帶型電子裝置內空間之有效使用。

Description

三維非矩形電池單元結構 相關申請案
本申請案根據35 U.S.C.§ 119主張相同發明人在2012年10月18日申請之名稱為「Three-Dimensional Non-Rectangular Battery Cell Structures」之美國臨時申請案第61/715,436號(代理人案號：APL-P16899USP1)的優先權，其內容以全文引用之方式併入本文中。
所揭示之實施例係關於用於攜帶型電子裝置之電池。更特定言之，所揭示之實施例係關於具有三維非矩形形狀之電池單元，其藉由容納攜帶型電子裝置中之組件而促進攜帶型電子裝置內空間之有效使用。
可充電電池目前用於向多種攜帶型電子裝置供電，包括膝上型電腦、平板電腦、行動電話、個人數位助理(PDA)、數位音樂播放器及無線供電工具。最常用類型之可再充電電池為鋰電池，其可包括鋰離子或鋰聚合物電池。
鋰聚合物電池典型地包括封裝於可撓性小袋中之單元。該等小袋典型地為輕質型的，且製造成本低。此外，此等小袋可針對各種單元尺寸定製，從而使鋰聚合物電池可用於空間受限之攜帶型電子裝置，諸如行動電話、膝上型電腦及/或數位相機。舉例而言，鋰聚合 物電池單元藉由將經輥軋之電極及電解質封閉於鋁層合小袋中可獲得90至95%之封裝效率。隨後可將多個小袋並排置放於攜帶型電子裝置內且將其串聯及/或並聯電耦合，以形成用於攜帶型電子裝置之電池。
然而，空間之有效使用可能受現有電池封裝架構中單元之使用及配置的限制。特定言之，電池封裝典型地含有相同容量、尺寸及尺寸之矩形單元。單元之物理配置可另外反映單元之電學組態。舉例而言，常見六單元電池封裝可包括六個相同尺寸及容量之鋰聚合物單元，該六個鋰聚合物單元組態成兩個串聯、三個並聯(2s3p)組態。在此類電池封裝內，兩列並排置放之三個單元可堆疊於彼此之上；各列可以並聯組態電耦合，且兩列以串聯組態電耦合。因此，電池封裝可能需要攜帶型電子裝置中之空間至少為各單元之長度、各單元厚度之兩倍及各單元寬度之三倍。
此外，此常見類型之電池封裝設計可能不能利用攜帶型電子裝置中在為電池封裝而保留之矩形空間的外部之自由空間。舉例而言，此類型之矩形電池封裝可能不能有效利用彎曲、變圓及/或不規則形狀之自由空間。沿著相同的線，攜帶型電子裝置中之其他組件可以匹配電池封裝之方式佈置及/或設計。舉例而言，電池管理單元(BMU)可附接至電池封裝之側面，由此凸出於電池封裝所佔據之矩形空間之外。
因此，可藉由與封裝效率、容量、板型、設計相關之改良及/或製造含有鋰聚合物電池單元之電池封裝來促進攜帶型電子裝置之使用。
所揭示之實施例提供一種電池單元。該電池單元包括一組層，包括具有活性塗層之陰極、隔板及具有活性塗層之陽極。該電池單元 亦包括封閉該等層之小袋。最後，該電池單元具有三維非矩形形狀，以促進由該電池單元供電之攜帶型電子裝置內空間之有效使用。
在一些實施例中，非矩形形狀包括延伸穿過層及小袋之孔洞、沿電池單元表面形成之凹槽及/或沿電池單元之一個或多個側面形成之凹口。非矩形形狀亦可包括以堆疊組態配置的一組不同尺寸之電極片，該等電極片中形成有曲面。
在一些實施例中，電池單元亦包括耦合至陰極之第一導電突片及耦合至陽極之第二導電突片，其中該第一及第二導電突片延伸穿過小袋中之密封件以便為電池單元提供端子。
在一些實施例中，第一及第二導電突片安置於孔洞、凹槽及/或凹口內。
在一些實施例中，非矩形形狀容納攜帶型電子裝置中之組件。舉例而言，凹口、孔洞及/或凹槽中可安裝電池管理單元(BMU)、印刷電路板(PCB)及/或用於BMU及/或PCB之電磁屏蔽。導電突片亦可位於凹口、孔洞及/或凹槽中或附近，以促進電池單元與攜帶型電子裝置中之組件及/或其他電池單元之耦合。
在一些實施例中，孔洞及/或凹槽與正方形形狀、矩形形狀、圓形形狀及/或橢圓形形狀有關。
在一些實施例中，凹槽形成延伸跨越電池單元之一定長度之溝槽。
在一些實施例中，該組層形成單元堆疊，該單元堆疊具有抵靠著小袋曝露之最外陰極層。
102‧‧‧凹槽
104‧‧‧導電突片
106‧‧‧導電突片
108‧‧‧凹槽
202‧‧‧孔洞
204‧‧‧導電突片
206‧‧‧導電突片
302‧‧‧孔洞
304‧‧‧孔洞
306‧‧‧凹槽
308‧‧‧凹槽
310‧‧‧導電突片
312‧‧‧導電突片
314‧‧‧導電突片
316‧‧‧導電突片
402‧‧‧層
404‧‧‧層
406‧‧‧層
408‧‧‧層
410‧‧‧層
412‧‧‧層
414‧‧‧層
416‧‧‧層
502‧‧‧凹口
504‧‧‧導電突片
506‧‧‧導電突片
508‧‧‧凹口
510‧‧‧導電突片
512‧‧‧導電突片
600‧‧‧攜帶型電子裝置
602‧‧‧處理器
604‧‧‧記憶體
606‧‧‧電池
608‧‧‧顯示器
702‧‧‧銅層
704‧‧‧石墨層
706‧‧‧隔板層
708‧‧‧鋰層
710‧‧‧鋁層
712‧‧‧頂部聚胺基甲酸酯層
714‧‧‧耐綸及/或聚醚醚酮(PEEK)層
716‧‧‧鋁層
718‧‧‧底部保護層/保護性聚丙烯層
724‧‧‧微裂痕
724‧‧‧單元堆疊
732‧‧‧非矩形單元堆疊/台階形單元堆疊
734‧‧‧小袋
736‧‧‧表面
737‧‧‧表面
738‧‧‧表面
739‧‧‧表面
740‧‧‧界面
741‧‧‧界面
圖1A展示所揭示實施例之電池單元。
圖1B展示所揭示實施例之電池單元。
圖2展示所揭示實施例之電池單元。
圖3展示所揭示實施例之電池單元。
圖4A展示所揭示實施例之電池單元。
圖4B展示所揭示實施例之電池單元。
圖5A展示所揭示實施例之電池單元。
圖5B展示所揭示實施例之電池單元。
圖6展示所揭示實施例之攜帶型電子裝置。
圖7A展示所揭示實施例之電池單元中之一組例示性層。
圖7B展示所揭示實施例之電池單元之小袋中之一組例示性層。
圖7C展示靠近所揭示實施例之單元堆疊之隅角的聚丙烯層中如何會出現裂痕。
圖7D展示所揭示實施例之非矩形單元堆疊之不同表面。
在圖式中，相同參考數字係指相同圖式元件。
呈現以下描述以使任何熟習此項技術者能夠形成並使用該等實施例，且以下描述係在特定應用及其要求之情況下提供。熟習此項技術者將易於瞭解所揭示之實施例之各種修改，且在不脫離本發明之精神及範疇的情況下，本文中所定義之一般原理可應用於其他實施例及應用。因此，本發明不限於所示實施例，但應符合與本文所揭示之原理及特徵一致的最寬範疇。
此實施方式中所描述之資料結構及程式碼典型地儲存於電腦可讀儲存媒體上，該電腦可讀儲存媒體可為能儲存供電腦系統使用之程式碼及/或資料之任何裝置或媒體。電腦可讀儲存媒體包括(但不限於)依電性記憶體、非依電性記憶體、磁性及光學儲存裝置(諸如磁碟驅動機、磁帶、CD(光碟)、DVD(數位通用碟片或數位視訊碟片))、或目前已知或稍後開發之能夠儲存程式碼及/或資料的其他媒體。
實施方式部分中所描述之方法及製程可實施為程式碼及/或資 料，該等程式碼及/或資料可儲存於如上所述之電腦可讀儲存媒體中。當電腦系統讀取且執行儲存於電腦可讀儲存媒體上之程式碼及/或資料時，電腦系統執行實施為資料結構及程式碼且儲存於電腦可讀儲存媒體內之方法及製程。
此外，本文所述之方法及製程可包括於硬體模組或設備中。此等模組或設備可包括(但不限於)特殊應用積體電路(ASIC)晶片、現場可程式化閘陣列(FPGA)、在特定時間執行特定軟體模組或一段程式碼之專用或共用處理器，及/或目前已知或稍後開發之其他可程式化邏輯裝置。當硬體模組或設備經啟動時，其執行包括於其內之方法及製程。
所揭示實施例係關於電池單元之設計，該電池單元包括封閉在小袋中之一組層。該等層可包括具有活性塗層之陰極、隔板及具有活性塗層之陽極。該等層可經堆疊及/或捲繞以產生凝膠捲、雙單元及/或其他類型之電池結構。電池單元亦包括耦合至陰極之第一導電突片及耦合至陽極之第二導電突片。該第一及第二導電突片延伸穿過小袋中之密封件以便為電池單元提供端子。
此外，電池單元可具有三維非矩形形狀及/或設計。術語「非矩形」可意謂電池單元貫穿任何切割平面均為非矩形，或換言之，當自頂部、底部及/或側面觀測時，電池單元均為非矩形。非矩形形狀及/或設計可例如藉由容納攜帶型電子裝置中之組件及/或攜帶型電子裝置之彎曲殼體而促進攜帶型電子裝置內空間之有效使用。反過來，在相同攜帶型電子裝置中該電池單元可提供比矩形電池單元大的容量、封裝效率及/或電壓。
如圖1A中所示，電池單元可包括沿電池單元表面之凹槽102。凹槽102可形成沿電池單元之一定長度延伸之溝槽。反過來，凹槽102可容納攜帶型電子裝置中之組件，諸如印刷電路板(PCB)、電池管理單 元(BMU)及/或用於組件之電磁屏蔽。
電池單元亦可包括一組導電突片104-106，該等導電突片延伸穿過封閉電池單元之小袋中之密封件。導電突片104-106可用於使電池單元與一或多個其他電池單元電耦合以形成電池封裝。舉例而言，導電突片104可耦合至電池單元之陰極，且導電突片106可耦合至電池單元之陽極。導電突片104-106亦可以串聯、並聯或串聯與並聯組態耦合至其他電池單元，以形成電池封裝。導電突片104-106可位於凹槽102附近及/或內以促進電池單元位於凹槽102中之組件(諸如BMU)之耦合。
或者，如圖1B中所示，電池單元可包括圓形及/或橢圓形凹槽108。凹槽108可容納與圖1A之凹槽102所容納之組件形狀不同之組件。舉例而言，凹槽108可容納攜帶型電子裝置之殼體的一部分。
熟習此項技術者應瞭解電池單元中可形成不同形狀及尺寸之凹槽。舉例而言，電池單元可包括矩形、正方形、圓形及/或橢圓形凹槽，以容納攜帶型電子裝置內之多種組件及/或結構。
電池單元亦可包括其他非矩形特徵。如圖2中所示，電池單元可包括延伸穿過層及小袋之孔洞202，而非凹槽，該孔洞之深度比電池單元厚度淺。如同上文所描述之凹槽，孔洞202可為矩形、正方形、圓形、橢圓形及/或促進攜帶型電子裝置內空間之有效使用之任何其他形狀。
孔洞202可允許組件穿過電池單元及/或沿電池單元頂部或底部堆疊之其他電池單元的中間置放。舉例而言，連接電池單元之BMU可穿過孔洞202及/或在其他電池單元中之相似孔洞。此外，一組導電突片204-206可置放於孔洞202內以促進電池單元與BMU及/或其他電池單元之耦合。
上述非矩形特徵亦可組合於電池單元中。如圖3中所示，兩個電 池單元可彼此鄰接安置且包括孔洞302-304及凹槽306-308。舉例而言，一個電池單元可包括矩形及/或正方形孔洞302及自孔洞302向右延伸之凹槽306，且另一電池單元可包括矩形及/或正方形孔洞304及自孔洞304向左延伸之凹槽308。
孔洞302-304與凹槽306-308之該等組合可允許電池單元容納攜帶型電子裝置中之組件。舉例而言，BMU、PCB、電磁屏蔽及/或其他組件可置放於凹槽306-308及/或孔洞302-304內以形成矩形形狀，而無任何凸起。隨後可使用位於孔洞302-304內之導電突片310-316將組件電耦合至電池單元。
電池單元亦可具有彎曲形狀。如圖4A中所示，電池單元可包括一組層402-408，該等層由以堆疊組態配置之不同尺寸之電極片形成。舉例而言，層402-408可包括四種不同尺寸之電極片之堆疊。一系列尺寸最大之電極片可經堆疊以形成層402，且一系列較小電極片可置放於層402下以形成層404。一組第三大電極片可隨後堆疊於層404下以形成層406，且最後，最小電極片可置放於層406下以形成層408。層402-408中之該等不同尺寸可使電池單元配合於彎曲空間內。舉例而言，層402-408可形成台階形形狀，該台階形形狀填充攜帶型電子裝置殼體內之彎曲隅角。
為進一步促進攜帶型電子裝置中自由空間之使用，可在層402-408中形成向上曲面。舉例而言，相比由單獨層402-408之水平堆疊形成之曲面，該曲面可提高電池單元之曲率。
電池單元亦可在與圖4A相反之方向上彎曲。如圖4B中所示，電池單元可包括堆疊電極片之四層410-416，其尺寸自頂部至底部遞減，如同圖4A之層402-408。然而，層410-416向下而非向上彎曲，以使電池單元配合至具有不同類別之曲率之空間中。舉例而言，向下曲面可使電池單元配合至具有隅角之殼體中，該隅角由殼體之彎曲側面 及/或壁面及殼體之平直側面及/或壁面形成。
最後，如圖5A中所示，可藉由沿電池單元之隅角形成凹口502而在電池單元中產生非矩形形狀。一組導電突片504-506亦可安置於凹口502內，而非沿電池單元之側面安置。反過來，凹口502及/或導電突片504-506可容納攜帶型電子裝置中之組件，諸如BMU、PCB及/或用於BMU及/或PCB之電磁屏蔽。舉例而言，組件可置放於凹口502內以形成無凸起之矩形及/或正方形形狀，且接頭504-506可用於將電池單元電耦合至攜帶型電子裝置中之組件及/或其他電池單元。
如圖5B中所示，凹口508可沿電池單元之一個側面形成，而非在兩個側面之相交處(例如隅角)形成。導電突片510-512亦可置放於凹口508中以將電池單元電連接至置放於凹口508內之組件。
上述可再充電電池單元通常可用於任何類型之電子裝置中。舉例而言，圖6展示攜帶型電子裝置600，其包括處理器602、記憶體604及顯示器608，該等組件皆由電池606供電。攜帶型電子裝置600可對應於膝上型電腦、行動電話、個人數位助理(PDA)、平板電腦、攜帶型媒體播放器、數位相機及/或其他類型之由電池供電的電子裝置。電池606可對應於包括一或多個電池單元之電池封裝。各電池單元可包括密封於小袋中之一組層，包括具有活性塗層之陰極、隔板、具有活性塗層之陽極及/或黏合劑塗層。
電池單元亦可包括非矩形形狀，該非矩形形狀可包括延伸穿過層及小袋之孔洞及/或沿電池單元表面形成之凹槽。非矩形形狀亦可包括以堆疊組態配置的一組不同尺寸之電極片，及形成於該等電極片中之曲面。最後，非矩形形狀可包括沿電池單元之一或多個側面形成之凹口。
電池單元之非矩形形狀及/或設計可促進攜帶型電子裝置中空間之有效使用。舉例而言，非矩形形狀可容納攜帶型電子裝置中之組 件，諸如BMU、PCB及/或電磁屏蔽。非矩形形狀亦可使電池單元配適攜帶型電子裝置殼體內之非矩形(例如彎曲)空間內。
單元及小袋結構
圖7A展示所揭示實施例之電池單元中之一組例示性層。此等層可經捲繞以形成凝膠捲結構或可經堆疊以形成堆疊單元結構。亦請注意，僅出於說明之目的提供該等層之建議厚度；該等層可比建議厚度薄或厚。
所示層包括具有銅層702(其例如可為6至10微米厚)及石墨層704(其例如可為50至70微米厚)之陽極。所示層亦包括具有鋁層710(其例如可為10至14微米厚)及鋰層708(其例如可為50至70微米厚)之陰極，該鋰層708含有鋰材料，諸如LiCoO2、LiNCoMn、LiCoAl或LiMn2O4。
隔板層706***石墨層704與鋰層708之間。舉例而言，隔板層706可為9至13微米厚且包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及/或PE與PP之組合，諸如PE/PP或PP/PE/PP。此隔板包含亦提供「熱關閉」機制之微多孔膜。若電池單元達到此等材料之熔點，則孔關閉，防止離子流過膜。
隔板層706亦可包括微氧化鋁(AL2O3)塗層，該塗層可為單面或雙面的。此氧化鋁塗層為有利的，因為其提供氧化鋁之機械強度，該機械強度大約如LiCoO2粒子本身一般堅固。此外，氧化鋁層所提供之額外強度可例如防止LiCoO2粒子滲透穿過隔板706，該現象會潛在地引起分流。
將上述層浸沒於電解質(未圖示)中，該電解質例如可為基於LiPF6之電解質，其可包括碳酸伸乙酯(EC)、聚碳酸伸丙酯(PC)、碳酸甲酯乙酯(EMC)或碳酸二甲酯(DMC)。電解質亦可包括添加劑，諸如碳酸乙烯酯(VC)或聚乙烯Soltone(PS)。電解質可另外呈溶液或凝 膠(若使用膠凝劑)形式。
圖7B展示所揭示實施例之電池單元之小袋中之一組例示性層。此小袋包括耐綸(nylon)及/或聚醚醚酮(PEEK)層714，該層714位於將水分保持在外之鋁層716之上。(應注意，黏接劑可安置於層714與層716之間，且此黏接劑可包括充當著色劑之油墨。)小袋亦可包括視情況存在之頂部聚胺基甲酸酯層712，以減小反射率且提供亞光毛面。電池小袋亦包括底部保護層718，其可為聚丙烯及/或烯烴。
在一或多個實施例中，使用衝頭在小袋中形成杯狀物以便容納電池單元。參考圖7C，在此衝壓製程期間，鋁層716傾向於在隅角中變薄，且保護性聚丙烯層718可形成微裂痕724。當電解質隨後進入單元中時，此會在鋁層716與單元堆疊724之間形成電接合點，且導致鋁進入溶液中形成LiAl，其為一個問題。
為了防止此問題，單元堆疊724之最外層理想地應與鋁層716處於相同電勢。因此，單元堆疊724堆疊之底部及單元堆疊724之頂部理想地應使最外鋁陰極層曝露於電池小袋。應注意，為了使容積效率最大化，電極典型地經單側塗佈。因此，對於單元堆疊724之底部及頂部，經單側塗佈之具有鋁之陰極可抵靠著小袋曝露。小袋之鋁層716與陰極之鋁之間無電位差可防止鋁中之腐蝕，即使聚丙烯層718中存在裂痕724亦如此。
更一般而言，圖7D展示所揭示實施例之具有台階形結構之非矩形單元堆疊732的不同表面。應注意，台階之間的一組界面740-741可為(1)經匹配的裸金屬或(2)陽極對陰極，以使容積效率最大化。此外，抵靠著小袋734曝露之台階形單元堆疊732之表面736-739理想地應為鋁陰極層。
上文對各種實施例之描述僅出於說明及描述之目的呈現。該等描述不欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之形式。因此，多種修改及 變化對於熟習此項技術者而言將為顯而易見的。另外，以上揭示內容並不意欲限制本發明。
202‧‧‧孔洞
204‧‧‧導電突片
206‧‧‧導電突片

Claims (20)

  1. 一種電池單元，其包含：一組層，其包含具有活性塗層之陰極、隔板及具有活性塗層之陽極；小袋，其封閉該等層；及孔洞，其延伸穿過該等層及該小袋以促進由該電池單元供電之攜帶型電子裝置內空間之有效使用。
  2. 如請求項1之電池單元，其進一步包含：第一導電突片，其耦合至該陰極；及第二導電突片，其耦合至該陽極，其中該第一及第二導電突片延伸穿過該小袋中之密封件以便為該電池單元提供端子。
  3. 如請求項1之電池單元，其進一步包含：凹槽，其沿該電池單元之表面形成，其中該凹槽及該孔洞容納該攜帶型電子裝置中之組件。
  4. 如請求項3之電池單元，其中該組件為電池管理單元(BMU)。
  5. 如請求項1之電池單元，其中該孔洞與正方形形狀、矩形形狀、圓形形狀及橢圓形形狀中之至少一者有關。
  6. 一種電池單元，其包含：一組不同尺寸之電極片，其以堆疊組態配置；小袋，其封閉該等電極片；及曲面，其形成於該等電極片中以促進由該電池單元供電之攜帶型電子裝置內空間之有效使用。
  7. 一種電池單元，其包含：一組層，其包含具有活性塗層之陰極、隔板及具有活性塗層 之陽極；小袋，其封閉該等層；及凹槽，其沿該電池單元之表面形成以促進由該電池單元供電之攜帶型電子裝置內空間之有效使用。
  8. 如請求項7之電池單元，其進一步包含：孔洞，其延伸穿過該等層及該小袋，其中該凹槽及該孔洞容納該攜帶型電子裝置中之組件。
  9. 如請求項7之電池單元，其中該凹槽容納該攜帶型電子裝置中之印刷電路板(PCB)及電磁屏蔽中之至少一者。
  10. 如請求項7之電池單元，其中該凹槽與正方形形狀、矩形形狀、圓形形狀及橢圓形形狀中之至少一者有關。
  11. 如請求項7之電池單元，其中該凹槽形成延伸跨越該電池單元之一定長度之溝槽。
  12. 如請求項7之電池單元，其中該組層形成單元堆疊，該單元堆疊具有抵靠著該小袋曝露之最外陰極層。
  13. 一種電池單元，其包含：一組層，其包含具有活性塗層之陰極、隔板及具有活性塗層之陽極；小袋，其封閉該等層；及凹口，其沿該電池單元之一或多個側面形成以促進由該電池單元供電之攜帶型電子裝置內空間之有效使用。
  14. 如請求項13之電池單元，其進一步包含：第一導電突片，其耦合至該陰極；及第二導電突片，其耦合至該陽極，其中該第一及第二導電突片延伸穿過該小袋中之密封件以便為該電池單元提供端子。
  15. 如請求項14之電池單元，其中該第一及第二導電突片安置於該凹口內。
  16. 一種攜帶型電子裝置，其包含：一組組件，其由電池封裝供電；及該電池封裝，其包含：電池單元，其包含：一組層，其包含具有活性塗層之陰極、隔板及具有活性塗層之陽極；小袋，其封閉該等層；及孔洞，其延伸穿過該等層及該小袋以促進該攜帶型電子裝置內空間之有效使用。
  17. 如請求項16之攜帶型電子裝置，其中該電池單元進一步包含：第一導電突片，其耦合至該陰極；及第二導電突片，其耦合至該陽極，其中該第一及第二導電突片延伸穿過該小袋中之密封件以便為該電池單元提供端子。
  18. 如請求項16之攜帶型電子裝置，其中該電池單元進一步包含：凹槽，其沿該電池單元之表面形成，其中該凹槽及該孔洞容納該攜帶型電子裝置中之組件。
  19. 如請求項18之攜帶型電子裝置，其中該組件為電池管理單元(BMU)。
  20. 如請求項16之攜帶型電子裝置，其中該孔洞與正方形形狀、矩形形狀、圓形形狀及橢圓形形狀中之至少一者有關。
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