專利名稱：帶有安全排氣口的袋型二次電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種二次電池，具體涉及帶有安全排氣口的袋型二次電池，該電池能防爆、防火。
背景技術：
二次電池一般是可再充電的，其尺寸能制作得較小，并具有很高的容量。典型的二次電池的例子包括鎳金屬氫化物(Ni-MH)電池和鋰(Li)二次電池。
二次電池可分為利用了圓柱形鋁罐的圓柱形電池，利用了長方形鋁罐的矩形電池，以及容納在薄膜袋型外殼內、并與外殼的外觀相應的袋型電池。
準確而言，袋形電池一般通過以下方式制造將能產生電流的電極組件裝到由柔軟的薄膜材料制成的袋形外殼內，然后將其密封。當該袋型電池的內部壓力因過度充電而升高時，就會釋放出氣體，引起電池組膨脹、爆炸。具體而言，當鋰離子電池過度充電時，液態電解質分解，釋放出二氧化碳或一氧化碳之類的氣體，從而導致電池內部壓力升高。此外，如果由于過度充電或短路而導致過電流流過電池，電池的內部壓力和溫度升高，從而導致失火風險，就安全角度而言，這是很嚴重的問題。
為了確保安全，這種二次電池必需滿足充電和使用的溫度要求。在嚴苛的使用條件下，即，在充/放電過程中的溫度或使用電池裝置的工作溫度非常高時，電池的內部溫度升高，導致爆炸和失火。
因此，考慮到安全，制成的二次電池在商業銷售前都要經過各種安全測試，包括抗過度充電或強制放電的安全性試驗，例如高溫存儲測試之類的熱學安全試驗、熱沖擊試驗或熱學暴露試驗。熱學安全試驗可通過讓電池靜置于各種溫度條件下達幾分鐘到幾小時來實施。即使在這樣的條件下，滿足安全要求的電池也不會發生爆炸和失火。但是，在極端情況下，只有除掉電池的密封才能防爆防火。
人們為了克服二次電池的這些安全問題而作了各種嘗試。具體而言，人們竭盡全力尋求通過在電池袋上安裝安全排氣口以排除電池內部氣體的技術。韓國專利公開98-44210通過舉例方式公開了這樣一種二次電池，它被構造成在電池前上端設置獨立的氣體出口或止回閥，所述氣體出口或止回閥由防爆性低的材料制成。氣體出口被設計成能在電池因過度充電或過量放電而膨脹時破裂，或通過止回閥排出內部氣體。但是，電池制造過程中，在電池的上端設置獨立裝置必需要求增加工藝，這就降低了生產率。
美國專利4678725號公開了如下內容當電池內部壓力升高到預定水平的壓力時，電池上端設置的電極分接頭的可熱熔部分破裂，從而將內部氣體排到電池外部。但是，根據該技術，設置獨立的安全排氣口要求修改電池組，并且必需制造一種不同于傳統外殼的獨立外殼。即便可以使用傳統外殼，但由于安全排氣口有不密封的部分，并且在該不密封部分上安裝了一個線夾，因此為了粘結必需考慮線夾的爆裂強度，這就增加了工藝步驟量，同時降低了斷裂可靠性。
日本專利公開物2000-100399公開了一種聚合物鋰二次電池的外部薄膜容器，其中外部容器的外殼包括易熱熔的層，這些層彼此粘結，以密閉方式密封出容納電極組件的空間，其中一部分外部容器外殼是能在較低溫度下熔融的斷裂部分，所述熔斷溫度要低于非斷裂部分熔融的溫度，也就是說，斷裂部分的熔度低。因此，當電池的內部壓力降低到預定值時，斷裂部分破裂。
但是，僅僅降低斷裂部分的熔融溫度相當困難。此外，調節斷裂部分的可熔結合力也很難實現，從安全排氣口的工藝性和可靠性角度來看，這是很不利的。
發明概述因此，本發明包括一種帶有安全排氣口的袋型二次電池，它在因過度充電、過度放電或過熱而導致內部溫度升高時，能簡單地通過去除袋形外殼的密封機構防爆防火。
另外，本發明包括一種帶有安全排氣口的袋型二次電池，當內部氣體壓力因過度充電、過度放電或內部短路而過度升高時，它能在電池爆炸和失火前排出內部氣體。
依照本發明的一個方面，一種袋型二次電池包括帶有正極板和負極板的電極組件，正極板和負極板之間插有隔板；分別從正極板和負極板引出來的正極端子和負極端子；具有容納著電極組件的空間的袋形外殼，其中所述空間是密封的；設置在該空間外圍的密封部分，其中正極端子和負極端子中的至少一個暴露于密封部分，在密封部分上面布置了至少一個開口部件，它由熔點比袋形外殼的密封部分的熔點低的樹脂材料制成。
開口部件具有面向袋形外殼空間的平坦的第一端。另外，第一端優選與密封部分的內側端相連，并面向布置了開口部件的密封部分的空間。開口部件可為多邊形。可以選擇的是，開口部件可以是三角形，它的一邊面向設置了開口部件的密封部分的內側，與該邊相對的角優選為30到80度范圍內。另外，開口部件可以是圓形、橢圓形、或半圓形。
開口部件在垂直于密封部分的方向上的厚度要小于布置了開口部件的密封部分的一半寬度。
另外，可將開口部件布置在設有開口部件的密封部分的一半寬度下方。
正極和負極端子彼此隔開預定距離，它們借助密封部分暴露于袋形外殼之外，開口部件插在密封部分的正極端子和負極端子之間。
袋形外殼在密封部分的內表面上設有樹脂材料制成的粘附層，開口部件由熔點比粘附層的熔點低的樹脂材料制成。在此，開口部件可由聚乙烯樹脂材料制成。
附圖的簡要說明通過下面結合附圖對本發明實施例的描述，將使本發明的這些和/或其它方面和優點變得明顯，且更容易被理解，附圖中
圖1是依照本發明實施例的袋型二次電池所選取的透視圖；圖2是依照本發明另一實施例的袋型二次電池所選取的透視圖；圖3是沿圖2的線I-I剖開的橫截面視圖；圖4是圖2所示開口部件的平面圖；圖5是圖2所示袋型二次電池的平面圖；圖6到13是依照本發明其它實施例的袋型二次電池的平面圖；以及圖14和15示出了圖2所示袋型二次電池的工作狀態。
實施例的詳細描述下面參照附圖描述本發明的實施例。
圖1是依照本發明實施例的袋型二次電池所選取的透視圖。在圖1中，依照本發明的袋型二次電池包括電極組件10，它具有正極板和負極板，在這些電極板之間插有間隔件；袋形外殼30，其中容納著電極組件10。圖1所示的電極組件10是堆棧式電極組件，其中正極板和負極板疊在一起，中間插有間隔件，但本發明并不限于此。如圖2所示，依照本發明的電極組件可以是膠卷式(jelly-roll)的電極組件20，其中正極板和負極板卷繞在一起，中間插有間隔件。膠卷型的電極組件適用于本發明的所有實施例，下面將對它們進行描述。
圖1所示的電極組件10一般用于聚合物鋰二次電池。正極板是通過將正極片材熱壓到由金屬箔、例如鋁箔制成的正極集電器的至少一個平面上而成，正極片材含有包括氧化鋰的正極活性材料。負極板是通過將負極片材熱壓到由金屬箔、例如銅箔制成的負極集電器的至少一個平面上而成，負極片材含有包括碳料的負極活性材料。將電極組件10裝到袋形外殼30中，然后將電解質溶液注入到電極組件10中，接著密封袋形外殼30，于是制得了二次電池。
如圖1所示，在堆棧式電極組件10中，從每塊電極板中拉出一根電極分接頭11，電極引線部分12與電極分接頭11焊在一起。具體而言，從正極板拉出正極分接頭11a，將正極引線12a焊接到正極分接頭11a上。另外，從負極板拉出負極分接頭11b，將負極引線12b焊接到負極分接頭11b上。在每根電極引線12a和12b上粘有聚合的保護膠帶24。即使在將袋形外殼30密封后，正極引線和負極引線12a和12b也會形成暴露在袋形外殼30外面的電極端子。
如圖2所示，依照本發明另一實施例的膠卷型電極組件20一般用于鋰離子電池，它被構造成在正極板和負極板(未示出)之間插有間隔件(未示出)，并將所得產品卷繞起來。正極板是通過在由金屬箔片、例如鋁箔制成的正極集電器上涂覆含正極活性材料、例如氧化鋰的正極復合漿料而成的。負極板是通過在由金屬箔、例如銅箔制成的負極集電器上涂覆含負極活性材料如碳材料的負極復合漿料而成的。膠卷型的電極組件20裝在袋形外殼30內，并被密封起來，但不能密封電解質溶液注入孔，接著通過電解質溶液注入孔注入電解質溶液，并密封電解質溶液注入孔，于是制得二次電池。
從膠卷型電極組件20的每塊電極板上抽出電極分接頭22。具體而言，是從正極板抽出正極分接頭22a，從負極板上抽出負極分接頭22b。與堆棧式電極組件10中類似的是，在每根電極分接頭22a、22b上都粘有聚合的保護膠帶24。在袋形外殼30外，正極分接頭和負極分接頭22a、22b分別暴露給正極和負極端子。
正如上面所述，如圖1和2所示，堆棧式電極組件10或膠卷型電極組件20都裝在內部具有空間33的袋形外殼30中。袋形外殼30具有殼體31和袋形蓋32，殼體被制成凹形的，由此提供了空間33，袋形蓋32蓋住殼體31，從而將空間33密封起來。袋形蓋32的一端從殼體31開始延伸。在殼體31中，在空間33周圍形成一個讓殼體31被袋形蓋32密封起來的凸緣34，袋形蓋32與殼體31的凸緣34聯接，從而將空間33密封起來。如圖5所示，隨著袋形蓋32的一端與殼體31相連，空間33被三個邊的密封部分35a、35b和35c密封起來。但是，該袋形外殼的形狀并不限于前面所述的情況。盡管未示出，電極組件可裝在其一面有開口的袋形外殼內，然后將開口面密封起來。該情況下就會形成一個密封部分。以下描述是參照袋形外殼、特別是帶有殼體和袋形蓋的袋形外殼給出的。
袋型二次電池的袋形外殼30由金屬材料和樹脂材料組成的疊片制成。如圖3中所示，殼體31可由通過以下方式壓制的復合材料制成在金屬、例如鋁制成的箔片31a的內表面上設置由改性聚丙烯、例如澆鑄聚丙烯(CPP)組成的熱粘附層31b，在箔片31a的外表面上設置由聚合物樹脂、例如由尼龍或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)組成的聚合物材料31c，在箔片31a和樹脂材料31c之間插有熱粘附層316。袋形蓋32的結構與殼體31的相同。于是，袋形外殼30可通過讓熱粘附層31b在彼此接觸的狀態下進行熱壓縮而密封。
如圖5所示，具有上述結構和材料的袋形外殼30有三個密封部分35a、35b和35c。第一密封部分35a布置在與殼體31和袋形蓋32彼此連接的那一部分35d相對的地方，那里暴露著電極組件20的正極分接頭和負極分接頭22a和22b。在第一密封部分35a的兩側形成的第二和第三密封部分35b和35c沿圖5所示的虛線折疊起來，由此縮小了電池尺寸。圖5是圖2所示袋型二次電池的平面圖，它基本上與圖1所示的電池相同。下面為了解釋方便，將參照各個實施例描述具有圖2所示膠卷型電極組件20的袋型二次電池。但是，具有堆棧式電極組件10的袋型二次電池也可以按照類似方式來布置。
如圖2和5所示，在袋型外殼30的至少一個密封部分35a、35b和35c中布置至少一個開口部件41，由此構成安全排氣口40。依照本發明的實施例，開口部件41可布置在第一密封部分35a的正極分接頭22a和負極分接頭22b之間，但其并不限于此。正如后面要描述的，開口部件41還可設置在袋形外殼30的側面上，即設在第二或第三密封部分35b或35c上。盡管未示出，開口部件41可設置于在每一個相應密封部分之間的部分處，即設置在袋形外殼30的一角上。開口部件41優選設置在每個密封部分中心，這是因為當電池的內部溫度和壓力升高時，密封部分中心將遭受最嚴峻的壓力和應力。
在本發明中，開口部件41由樹脂材料制成，該材料的熔點比布置了開口部件41的密封部分35a的熔點低。這種設計方案能保證，在電池溫度升高時，開口部件41在袋形外殼30的密封部分35a熔融之前熔融，于是在此處除掉密封。由此，在袋形外殼30包括由CPP制成的熱粘附層、且密封部分是通過讓熱粘附層借助熱壓彼此相連而形成的情況下，開口部件41可由熔點低于CPP的聚乙烯(PE)樹脂材料制成。盡管PE的熔點隨密度而變，但用于構成開口部件41的PE的熔點通常卻要比構成熱粘附層的聚丙烯的低。該設計方案還適用于下面要解釋的本發明的所有實施例。
開口部件41可以是多邊形的，優選是圖4所示的三角形。在此，三角形開口部件41的至少一邊是平的以提供第一端41a。如圖2和5所示，開口部件41被布置成讓第一端41a面向第一密封部分35a處的袋形外殼30的內部，即空間33。相對空間33而言，去除了第一密封部分35a的密封的那一部分是平的，它是開口部件41熔融時產生的那個部分，由此就會促進第一密封部分35a的破裂。
如圖4所示，通過調整與第一端41a相對的角度A，開口部件41就會促進第一密封部分35a的破裂。一般而言，為了更有效地讓第一密封部分35a破裂，角度A為30到80度。
如圖5所示，開口部件41可被布置成讓其第一端41a與第一密封部分35a的內端、即面向第一密封部分35a的空間33的那一端相連，這能使開口部件41更容易接收來自電池內部空間33的熱量，并在第一端41a熔融時促進開口部件41的開裂。
此外，可將開口部件4 1布置在小于第一密封部分35a的寬度L的一半的位置。如果開口部件41占據太多的第一密封部分35a的部分，布置了開口部件41的區域上的粘結強度就將大大減弱。
如圖5所示，開口部件41從第一端41a開始的高度、即開口部件41在垂直于第一密封部分35a的方向上的厚度T，要小于第一密封部分35a的寬度L的一半。第一密封部分35a還可用于調整布置開口部件41的區域上的粘結強度。
可通過各種方式在位置、尺寸和形狀方面改進上述開口部件41。如圖6所示，開口部件41的高度、即它在垂直于第一密封部分35a的方向上的厚度，可大于第一密封部分35a的寬度L的一半。但是，該情況下，開口部件41要布置在對應于第一密封部分35a的長度L的一半的區域的下方。如圖6所示，開口部件41的第一端41a可超出第一密封部分35a以伸向空間33。
如圖7所示，在設置小尺寸開口部件的情況下，可布置兩個或多個開口部件41，由此形成了熔融時具有預定寬度的斷裂部分。
參照圖8，可與在第一密封部分35a中一樣，將開口部件設置在第二和第三密封部分35b和35c中。第二和第三密封部分35b和35c沿圖8所示的虛線折疊一次或多次。該情況下，優選將開口部件41布置在折線內。在側面密封部分、即第二和第三密封部分35b、35c上，可采用與上述厚度和位置相同的厚度和位置來設置開口部件。在側面密封部分上的開口部件41分別對應于電極組件20側面上設置的第一和第二安全排氣口40a和40b。
盡管可將上述開口部件制成三角形，讓它的兩邊長度相等，但依照本發明的開口部件的形狀并不限于此。如圖9和10所示，可將開口部件布置成不讓最長邊42b面向空間33。但是，該情況下，面向空間33的第一端42a優選是平的，與第一端42a相對的角度B優選為30到80度。正如上面所述，開口部件42的高度、即開口部件42在垂直于第一密封部分35a的方向上的厚度T，要小于第一密封部分35a的寬度L的一半。開口部件41可布置在對應于第一密封部分35a的寬度L的一半的區域下方。如圖9和10所示，可按連續方式布置兩個或多個開口部件42，這會促使此處發生破裂。
出于方便，已參照采用了三角形開口部件的安全排氣口描述了本發明，但本發明并不限于此。如圖11所示，依照本發明的安全排氣口40可擁有菱形的開口部件43，它也可以具有其它類型開口部件的各種形狀。如圖12所示，可設置圓形或橢圓形的開口部件44。如圖13所示，可設置半圓形的開口部件45。
下面描述依照本發明的袋型二次電池的開口部件的操作。現在通過舉例描述圖2和5所示的具有開口部件的袋型二次電池。
當圖2和5所示的袋型二次電池被過度充電/過度放電或暴露于高溫下時，電池內部產生氣體，如圖14所示，導致電池體積膨脹。電解液的膨脹進一步加大了電池的體積膨脹。如果電池繼續膨脹，就會在電池內部發生失火和爆炸。因此，必需在失火、爆炸產生之前排出電池的內部氣體。
如上所述，當電池內部釋放出氣體時，電池的內部壓力和溫度也升高。依照本發明，如果電池的內部溫度升高到預定溫度，進而達到安全排氣口40的開口部件41的熔點，開口部件41就會熔化，由此騰空被開口部件41占據的空間。由于開口部件41的空間被騰空，安全排氣口40內第一密封部分35a的粘結寬度就會薄于其它部分的寬度，于是其粘結強度也會降低。因此，如圖15所示，與安全排氣口40內的開口部件41所占據的空間相對應的那部分破裂，電池的內部氣體通過該破裂部分排出，由此避免了電池失火和爆炸。
上述插在袋形外殼粘附層之間的開口部件由不同于粘附層所用材料的材料制成。因此，將開口部件插在粘附層之間降低了帶有開口部件的密封部分的粘結強度。于是，帶有開口部分的密封部分比其它部分更容易破裂，由此避免了電池的爆炸和火災。
正如上面所述的，本發明尤其具有以下優點。
第一，由于改善了電池的熱穩定性，因此可以避免電池在高溫條件下使用時發生爆炸和火災的風險，或者可避免電池發生熱擊穿。
第二，即使在電池的內部氣體壓力因過度充電、內部短路等原因而過高時，它也能保證電池安全。
第三，由于電池安全性是通過簡單結構來實現的，因此它能提高電池的工藝性。
雖然已經參照本發明的優選實施例具體表示并描述了本發明，但本領域普通技術人員要理解的是，在不脫離所附權利要求書限定的本發明精神和范圍的情況下，可在形式和細節上對本發明作出各種變化。
權利要求
1.一種袋型二次電池，它包括電極組件，它帶有正極板、負極板以及正極端子和負極端子，在正極板和負極板之間插有隔板，正極端子和負極端子分別從正極板和負極板延伸出來；袋形殼體，它具有容納電極組件的空間和密封部分，其中所述空間要被密封起來，所述密封部分設置在所述空間的外圍，正極端子和負極端子中的至少一個暴露于密封部分；以及至少一個開口部件，它設置在密封部分上，并由熔點比袋形外殼的密封部分的熔點低的樹脂材料制成。
2.根據權利要求1所述的袋型二次電池，其中開口部件有一個平坦的第一端，該平坦的第一端面向袋形外殼的空間。
3.根據權利要求2所述的袋型二次電池，其中第一端與密封部分的內側端相連，所述內側端面向布置了開口部件的密封部分的空間。
4.根據權利要求1所述的袋型二次電池，其中開口部件是多邊形的。
5.根據權利要求4所述的袋型二次電池，其中開口部件是三角形的，其中該三角形的一邊面向布置了開口部件的密封部分的內側，與該邊相對的角在30到80度的范圍內。
6.根據權利要求1所述的袋型二次電池，其中開口部件是圓形、橢圓形、或半圓形。
7.根據權利要求1所述的袋型二次電池，其中開口部件在垂直于密封部分的方向上的厚度小于布置了開口部件的密封部分的寬度的一半。
8.根據權利要求1所述的袋型二次電池，其中開口部件安置在布置了開口部件的密封部分的一半寬度的下方。
9.根據權利要求1所述的袋型二次電池，其中正極端子和負極端子彼此間隔開預定距離，它們借助密封部分暴露在袋形外殼之外，開口部件插在密封部分的正極端子和負極端于之間。
10.根據權利要求1所述的袋型二次電池，其中袋形外殼在密封部分的內表面上有一層由樹脂材料制成的粘附層，開口部件由熔點低于粘附層熔點的樹脂材料制成。
11.根據權利要求10所述的袋型二次電池，其中開口部件由聚乙烯樹脂材料制成。
12.一種帶有袋形密封部分的袋型二次電池，它包括至少一個袋形密封部分的開口部件，該至少一個開口部件為三角形，它包含熔點比袋形密封部分的熔點低的樹脂材料。
13.根據權利要求12所述的袋型二次電池，其中三角形的一邊面向布置了開口部件的袋形密封部分的內側，與該邊相對的角在30到80度的范圍內。
全文摘要
袋型二次電池有一個安全排氣口，它能在電池內部溫度因過度充電、過度放電或過熱而升高時，通過除掉袋形外殼的密封機構，在內部氣體壓力因過度充電、過度放電或內部短路而急劇升高從而導致電池爆炸和失火以前排出內部氣體，起到防爆防火的作用。該袋型二次電池包括帶有正極板和負極板的電極組件，在正極板和負極板之間插有間隔件；正極端子和負極端子，它們分別從正極板和負極板引出；袋形外殼，它有一個用于容納電極組件的空間，該空間要密封起來，密封部分設置在該空間外圍，正極端子和負極端子中的至少一個暴露于密封部分；以及至少一個開口部件，它布置在密封部分上，由熔點低于袋形外殼密封部分的熔點的樹脂材料制成。
文檔編號H01M10/40GK1487613SQ0315510
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月20日 優先權日2002年8月20日
發明者具昌逸 申請人:三星Sdi株式會社