專利名稱：高功率鋰單體電池以及具有該鋰單體電池的高功率鋰電池組的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及高功率鋰單體電池以及具有該高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，特別涉及這樣一種高功率鋰單體電池和具有該高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，該單體電池增加了鋰電池電極端子的寬度，因此降低了熱生成和由于電極端子的電阻而導致的電位降，并有效地除去了產生的熱量。
背景技術：
二次電池稱作可再充電的電池，與不可再充電的一次電池不同。二次電池已經廣泛地應用于高技術電子設備，例如便攜式電話、筆記本電腦或者可攜式攝像機。
特別是，鋰電池的操作電壓為3.6V，是廣泛用作電子設備電源的鎳鎘電池或鎳氫電池的3倍。另外，鋰電池每單位重量的能量密度高。由于這些原因，鋰電池發展快速。
這樣的鋰電池使用鋰基氧化物作為陰極的活性材料，且使用碳材料作為陽極的活性材料。通常，將鋰電池分為液體電解質電池和聚合物電解質電池。使用液體電解質的電池稱作鋰離子電池，且使用聚合物電解質的電池稱作鋰聚合物電池。由于最近普及的鋰聚合物電池是由柔韌的材料制成的，因此電池的形狀可以有很多變化。另外，鋰聚合物電池具有優良的穩定性且重量輕，使得當需要獲得體積小且重量輕的便攜式電子設備時，它是有優勢的。
同時，根據容納電極組的外殼的形狀，可以將鋰電池制成各種形狀。鋰電池可以為圓柱形、方形、袋狀(pouch)等。通常，圓柱形鋰電池使用圓柱形鋁外殼，方形鋰電池使用方形鋁外殼，且袋狀電池使用由薄板制成的袋狀外殼。
圖1是常規鋰單體電池的透視圖，且示意性地表示了方形鋰單體電池的主體。圖2是顯示了常規鋰單體電池在鋰電池放電約30A的電流后的過熱狀態的照片。
如圖1所示，常規鋰單體電池的主體11包括陽極板12、陰極板13和隔膜14。陽極板12包括由陽極活性材料層涂覆的陽極集電體。陰極板13包括由陰極活性材料層涂覆的陰極集電體。隔膜14插在陽極板12和陰極板13之間。將陽極板12、隔膜14和陰極板13按順序布置之后，將它們纏繞并壓縮，由此完成了常規鋰單體電池的主體11。
在此情況下，陽極板12和陰極板13分別與陽極端子15和陰極端子16焊接，由此它們暴露在主體11的外部。在此情況下，陽極端子15由鎳制成，陰極端子16由鋁制成。
陽極端子15和陰極端子16都纏繞有保護帶17，以防止從主體11暴露的部分受到損壞。
然后，將前述主體11插入并裝配在方形鋁外殼中，由此獲得鋰單體電池。
目前已經開發了具有高能容量的鋰電池，以長期使用而僅用單獨的充電操作。可是，混合式汽車需要的電池遠小于或輕于電動汽車的電池，并要求具有瞬時輸出。也就是說，由于混合動力車需要能量時發動機可以提供能量，因此混合動力車不需要大容量電池。因此，混合動力車的電池放出儲存的能量僅僅幾分鐘或幾秒鐘，因此給汽車供應動力，且必須能夠在短時間內再次充電。
然而，當電池輸出很高的能量然后再充電時會產生大量的熱量。除非抑制產生的熱量，否則會降低電池的容量和壽命，并且電池可能會破裂或受損。
當使用高功率電池，諸如用做混合動力車的電池時，充電和放電速度比常規鋰單體電池快幾倍，大量的電流流入暴露到主體11外部的陽極端子15和陰極端子16。
因此，如圖2所示，常規的鋰電池10的問題在于由于狹窄的陽極端子15和陰極端子16的電阻，生成的熱量集中在陽極端子15和陰極端子16周圍，使得電池可能過熱至約45℃或更高，且可能會出現電位降。
另外，常規的鋰電池10的問題還在于鋰電池10的電化學反應集中在陽極端子15和陰極端子16的附近，使得局部產生熱量，由此，鋰電池10局部老化，因此縮短了鋰電池10的壽命并損壞電池，可能導致起火或爆炸。
發明內容
因此，本發明是針對現有技術中存在的上述問題而作出的，并且本發明的目的在于提供高功率單體電池和具有高功率單體電池的高功率鋰電池組，該單體電池和電池組降低了電池的電阻，因此降低了能量損失，例如在高功率充電操作或放電操作過程中生成的熱量和發生的電位降。
本發明的另一個目的是提供高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，該單體電池和電池組防止當高速充電或放電時電化學反應集中于鋰電池的陽極端子和陰極端子附近，因此使電化學反應在整個陽極和陰極上均勻地進行。
本發明的再一個目的是提供高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，該單體電池和電池組防止由于電池再充電或放電時電池體積膨脹而造成鋰電池損壞和泄漏。
本發明的又一個目的是提供高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，該單體電池和電池組有效地分散、冷卻高功率充電或放電操作過程中產生的熱量，并有效地將低溫電池加熱到最佳的溫度范圍。
為了完成發明目的，本發明提供了一種高功率鋰單體電池，該鋰單體電池包括至少一個矩形陽極板，該矩形陽極板具有陽極集電體，該陽極集電體的至少一個表面涂覆有陽極活性材料；至少一個矩形陰極板，該矩形陰極板具有陰極集電體，該陰極集電體的至少一個表面涂覆有陰極活性材料；至少一個隔膜，該隔膜插在所述矩形陽極板和矩形陰極板之間并提供電絕緣；陽極端子，該陽極端子與陽極板連接部分相連，該陽極板連接部分突出于所述矩形陽極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊；以及陰極端子，該陰極端子與陰極板連接部分相連，該陰極板連接部分突出于所述矩形陰極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊。
根據優選的實施方式，所述陽極端子與陰極端子以相反的方向突出。
根據另一個優選的實施方式，所述陽極端子與陰極端子以相同的方向突出。
另外，本發明提供了一種高功率鋰電池組，該電池組包括至少一個高功率鋰單體電池，該鋰單體電池包括按順序層疊的至少一個矩形陽極板、隔膜和矩形陰極板，從所述矩形陽極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊向外延伸的陽極端子，以及從所述矩形陰極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊向外延伸的陰極端子；至少兩個層疊在所述高功率鋰單體電池的兩個表面上的密封墊；以及至少層疊在最外面的密封墊上的一對支撐板。
圖1為常規鋰單體電池的透視圖；圖2為表示常規鋰單體電池過熱狀態的照片；圖3為根據本發明第一實施方式的高功率鋰單體電池的分解透視圖；圖4為根據本發明第一實施方式的高功率鋰單體電池的透視圖；圖5為根據本發明第二實施方式的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組的分解透視圖；圖6為根據本發明第二實施方式的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組的透視圖；圖7是表示根據本發明第二實施方式的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組的冷卻方法的透視圖；以及圖8是根據本發明第三實施方式的高功率鋰單體電池的透視圖。
具體實施例方式
在下文中，將詳細描述本發明的高功率鋰單體電池和具有該高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組。
圖3為根據本發明第一實施方式的高功率鋰單體電池的分解透視圖，且圖4為根據本發明第一實施方式的高功率鋰單體電池的透視圖。
參見圖3和圖4，根據本發明第一實施方式的高功率鋰單體電池100包括陽極板110-1、...、110-A，陰極板120-1、...、120-B，隔膜130-1、...、130-C，陽極板連接部分111-1、...、111-A，陰極板連接部分121-1、...、121-B，陽極端子140，以及陰極端子150。在本發明第一個施方式的高功率鋰單體電池中，陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B分別與陽極端子140和陰極端子150直接相連。陽極端子140和陰極端子150暴露在外面，且用預定的包裝材料纏繞。
各陽極板110-1、...、110-A設置有包括矩形金屬薄板的陽極集電體。陽極集電體可以由鋁薄板制成。陽極集電體的至少一個表面涂覆有陽極活性材料。陽極活性材料可以含有由作為主要成分的鋰基氧化物、粘合劑、增塑劑、導電材料等組成的混合物。
各陰極板120-1、...、120-B設置有包括矩形金屬薄板的陰極集電體。陰極集電體可以由銅薄板制成。陰極集電體的至少一個表面涂覆有陰極活性材料。陰極活性材料可以含有由作為主要成分的碳材料、粘合劑、增塑劑、導電材料等組成的混合物。
隔膜130-1、...、130-C插在陽極板110-1、...、110-A和陰極板120-1、...、120-B之間，從而起到將陽極板和陰極板互相電絕緣的作用。
各陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B從各陽極板110-1、...、110-A和陰極板120-1、...、120-B的四個邊的長邊向外延伸。在此情況下，各陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部件121-1、...、121-B的寬度約是各矩形陽極板110-1、...、110-A和矩形陰極板120-1、...、120-B的長邊的寬度的1/5至1。
陽極端子140附著于暴露在外面的陽極板連接部分111-1、...、111-A，因此形成一個電極。
同樣地，陰極端子150附著于暴露在外面的陰極板連接部分121-1、...、121-B，因此形成一個電極。
根據優選的實施方式，通過將陽極板連接部分111-1、...、111-A與陽極端子140焊接并將陰極板連接部分121-1、...、121-B與陰極端子150焊接，陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B可以分別與陽極端子140和陰極端子150相連。
根據另一個優選的實施方式，通過將高導電材料施用于陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B，然后將涂覆有高導電材料的陽極板連接部分和陰極板連接部分分別靠在陽極端子140和陰極端子150上擠壓，使陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B可以分別與陽極端子140和陰極端子150相連。另外，可以使用含有高導電材料的粘合劑使它們彼此相連。在此情況下，用于涂覆或粘結的高導電材料可以選自由金、碳納米管等所組成的組。
同時，包括高功率鋰單體電池100的陽極端子140和陰極端子150在內的諸如電極端子的導體具有根據下列方程式1和2計算的電阻和熱量。
[方程式2]導體的熱量∝電流2×電阻如式1和2所示，本發明的高功率鋰單體電池100在矩形的兩個長邊上具有陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B。因此，與圖1所示的常規鋰單體電池10相比，電極端子140和150、陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B的截面積增加，且電極端子140和150的長度減小。因此，當在充電和放電操作過程中流過了相同量的電流時，產生的熱量顯著減少。
因此，與圖1中的傳統鋰單體電池10相比，當本發明的高功率鋰單體電池100用于高功率鋰電池，例如混合動力車電池時，產生的熱量很少，且損失的能量例如電位降減小。
另外，構建本發明的高功率鋰單體電池100，使得陽極板連接部分111-1、...、111-A和陰極板連接部分121-1、...、121-B分別與陽極端子140和陰極端子150相連。因此，當本發明的高功率鋰單體電池以高速再充電或放電時，與圖1的常規鋰單體電池10相比局部的電化學反應降低。由此，電化學反應在電池的各層和各部分中均勻進行。
根據本發明優選的實施方式，高功率鋰電池可以為通過層狀地設置隔膜130-1、陽極板110-1、隔膜130-2、陰極板120-1和隔膜130-3而獲得的單獨結構。高功率鋰電池優選可以具有通過按順序層疊幾個陽極板、陰極板和隔膜而獲得的多層結構。
另外，陽極板110-1、...、110-A，陰極板120-1、...、1 20-B和隔膜130-1、...、130-C可以互相連接為一個膜的形式，也就是說，卷繞形式或果子凍卷餅(jelly roll)形式。另外，它們可以以多層迭加的形式互相分隔開。
圖5為根據本發明第二實施方式的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組的分解透視圖，圖6為根據本發明第二實施方式的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組的透視圖，圖7是表示根據本發明第二個實施方式的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組的冷卻方法的透視圖。
參見圖5和圖6，根據本發明的第二實施方式的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組1000包括高功率鋰單體電池100-1、...、100-D，密封墊200-1、...、200-E和支撐板300-1、...、300-F。
如圖3和圖4所示，高功率鋰單體電池100-1、...、100-D包括陽極板，陰極板，隔膜，陽極板連接部分，陰極板連接部分，陽極端子140-1、...、140-D和陰極端子150-1、...、150-D。
根據優選的實施方式，通過將一個單體電池的陽極端子與相鄰單體電池的陰極端子相連，或者通過將一個單體電池的陰極端子與相鄰單體電池的陽極端子相連，將高功率鋰單體電池100-1、...、100-D互相串聯。這樣，可以將這樣的串聯用于混合動力車等的高電壓高功率電池。
密封墊200-1、...、200-E層疊在每個高功率鋰單體電池100-1、...、100-D的兩個表面上，以安裝在高功率鋰單體電池100-1、...、100-D之間。在充電和放電操作時密封墊穩固地支持高功率鋰單體電池100-1、...、100-D，因此吸收了振動和沖擊，并防止了由于體積膨脹而造成的泄漏。
通常地，當暴露在高功率鋰單體電池100-1、...、100-D外面的陽極端子140-1、...、140-D和陰極端子150-1、...、150-D很寬時，電極端子140-1、...、140-D和150-1、...、150-D與包裝材料之間的接觸面積增加。因此，由于體積膨脹而造成泄漏的可能性會增加，并可能發生滲水。
然而，本發明的高功率鋰電池組1000使用了密封墊200-1、...、200-E，穩固地使薄弱部分保持密封，因此防止了泄漏和滲水。
另外，當使用本發明的高功率鋰電池組1000用作汽車的部件時，密封墊200-1、...、200-E吸收了沖擊和振動，從而改善了耐用性和抗振動能力，因此在類似于汽車的振動條件下提高了高功率鋰單體電池100-1、...、100-D的壽命和耐用性。
將支撐板300-1、...、300-F附著到高功率鋰單體電池100-1、...、100-D之一的兩個表面上，或者附著在層疊的高功率鋰單體電池100-1、...、100-D之間。另外，支撐板300-1、...、300-F可以插在設置于相鄰的高功率鋰單體電池100-1、...、100-D所有表面的密封墊200-1、...、200-E之間。支撐板300-1、...、300-F用來增強高功率鋰單體電池100-1、...、100-D的冷卻效果，并支撐了高功率鋰單體電池100-1、...、100-D和密封墊200-1、...、200-E，以防止它們變形。
支撐板300-1、...、300-F優選由導熱材料制成，以將由高功率鋰單體電池100-1、...、100-D產生的熱向外散發。另外，支撐板300-1、...、300-F可以向外突出于密封墊200-1、...、200-E，以提供與電極端子140-1、...、140-D和150-1、...、150-D相同的冷卻效果。
如圖7所示，通過將冷空氣經過陽極端子140-1、...、140-D和陰極端子150-1、...、150-D之間確定的空間，在所有的高功率鋰單體電池100-1、...、100-D中均勻地冷卻本發明的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組1000中產生的熱量，該陽極端子140-1、...、140-D和陰極端子150-1、...、150-D向外突出于密封墊200-1、...、200-E。
相反地，當本發明的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組1000的溫度過低，且高功率鋰電池組的性能由此變差時，將熱空氣通過陽極端子140-1、...、140-D和陰極端子150-1、...、150-D之間確定的空間。由此，所有的高功率鋰單體電池100-1、...、100-D可以加熱到合適的溫度。
同時，當設置突出在密封墊200-1、...、200-E外邊的支撐板300-1、...、300-F時，可以冷卻或加熱陽極端子140-1、...、140-D，陰極端子150-1、...、150-D和支撐板300-1、...、300-F的突出部分。
因此，本發明的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組1000設置有寬的陽極端子140-1、...、140-D和陰極端子150-1、...、150-D，使得熱傳導速度比現有技術快，因此獲得了很好的除熱效果。
如上所述，本發明的具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組1000冷卻或加熱陽極端子140-1、...、140-D，陰極端子150-1、...、150-D和支撐板300-1、...、300-F的突出部分，因此將高功率鋰單體電池100-1、...、100-D的溫度保持在-20℃至50℃，且優選0-40℃。
圖8是根據本發明第三實施方式的高功率鋰單體電池的透視圖。
如圖8所示，與第一個實施方式相似，本發明的第三實施方式的高功率鋰單體電池包括陽極板410-1、...、410-F，陰極板420-1、...、420-G，隔膜430-1、...、430-H，陽極板連接部分411-1、...、411-F，陰極板連接部分421-1、...、421-G，陽極端子440和陰極端子450。
將圖3和4所示的第一實施方式的高功率鋰單體電池100與圖8所示的第三實施方式的高功率鋰單體電池400相比較時，構建第一實施方式的高功率鋰單體電池100，使得陽極端子140和陰極端子150從矩形的四個邊中的兩個長邊在相反方向上延伸。然而，構建第三實施方式的高功率鋰單體電池400，使得陽極端子440和陰極端子450以互相分隔開的方式從矩形的兩個長邊的任一邊向外延伸。在此情況下，高功率鋰單體電池400的各陽極和陰極端子440和450的寬度約為矩形長邊寬度的1/8至1/2。
同樣，構建本發明第三實施方式的高功率鋰單體電池400，使得陽極端子和陰極端子440和450從矩形的長邊向外延伸，各電極端子440、450的截面積比圖1中常規鋰單體電池的電極端子截面積大。
盡管為了描述的目的已經公開了本發明優選的實施方式，但是本領域技術人員會領會到，只要不離開所附的權利要求書公開的本發明的范圍和精神，各種修改、添加和替換都是可能的。
工業實用性如上所述，本發明提供了高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，使得電極端子設置在矩形單體電池的長邊上，因此增加了電極端子的寬度，由此在高功率充電和放電操作時，降低了熱生成和由于電極端子的電阻而導致的電位降。因此，延長了電池的壽命，還降低了能量損失。
另外，本發明提供了高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，使得電極端子直接與電極層相連，因此降低了電阻并由此降低了產生的熱量。因此，降低了發生在常規電池的電極端子附近位置的局部電化學反應，并因此可以均勻地使用各電極層。
另外，本發明提供了高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，該單體電池和電池組使用了寬的電極端子，因此在短時間內使放電時電極端子中產生的熱散發到外面，并且在電池的溫度很低時，在短時間內將電池加熱到合適的溫度。
本發明提供了高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，使得密封墊層疊在單體電池的兩個表面上，因此防止了在充放電操作時由于體積膨脹在電極端子和包裝材料的接合處的泄漏和滲水，并吸收了沖擊和振動，因此增加了它們的耐用性和壽命。
本發明提供了高功率鋰單體電池和具有高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組，使得從密封墊向外突出的陽極端子和陰極端子具有很寬的熱傳導面積，因此在非常短的時間內控制需要保持合適溫度的冷卻或加熱操作，以確保電池的最佳性能。
權利要求
1.一種高功率鋰單體電池，該鋰單體電池包括至少一個矩形陽極板，該矩形陽極板具有陽極集電體，該陽極集電體的至少一個表面涂覆有陽極活性材料；至少一個矩形陰極板，該矩形陰極板具有陰極集電體，該陰極集電體的至少一個表面涂覆有陰極活性材料；至少一個隔膜，該隔膜插在所述矩形陽極板和矩形陰極板之間并提供電絕緣；陽極端子，該陽極端子與陽極板連接部分相連，該陽極板連接部分突出于所述矩形陽極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊；以及陰極端子，該陰極端子與陰極板連接部分相連，該陰極板連接部分突出于所述矩形陰極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊。
2.根據權利要求1所述的高功率鋰單體電池，其中，所述陽極端子和陰極端子在相反方向上突出。
3.根據權利要求2所述的高功率鋰單體電池，其中，所述陽極端子的寬度相當于所述陽極板的長邊長度的約1/5至1，所述陰極端子的寬度相當于所述陰極板的長邊長度的約1/5至1。
4.根據權利要求1所述的高功率鋰單體電池，其中，所述陽極端子與陰極端子在相同的方向上突出。
5.根據權利要求4所述的高功率鋰單體電池，其中，所述陽極端子的寬度相當于所述陽極板的長邊長度的約1/8至1/2，所述陰極端子的寬度相當于所述陰極板的長邊長度的約1/8至1/2。
6.根據權利要求1所述的高功率鋰單體電池，其中，所述陽極板連接部分和陰極板連接部分通過焊接分別與陽極端子和陰極端子相連。
7.根據權利要求1所述的高功率鋰單體電池，其中，所述陽極板連接部分和陰極板連接部分涂覆高導電材料并靠在所述陽極端子和陰極端子上擠壓，以分別與陽極端子和陰極端子連接。
8.根據權利要求1所述的高功率鋰單體電池，其中，所述陽極板連接部分和陰極板連接部分通過使用含有高導電材料的粘合劑而分別與陽極端子和陰極端子相連。
9.一種高功率鋰電池組，該鋰電池組包括至少一個高功率鋰單體電池，該鋰單體電池包括按順序層疊的至少一個矩形陽極板、隔膜和矩形陰極板，從所述矩形陽極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊向外延伸的陽極端子，以及從所述矩形陰極板的四個邊中的兩個長邊的任一邊向外延伸的陰極端子；層疊在所述高功率鋰單體電池的兩個表面上的至少兩個密封墊；以及至少層疊在最外邊的密封墊上的一對支撐板。
10.根據權利要求9所述的高功率鋰電池組，其中，各支撐板由用于散熱的導熱材料制成。
11.根據權利要求9所述的高功率鋰電池組，其中，空氣流過陽極端子、陰極端子和支撐板之間所確定的空間，由此維持高功率鋰單體電池的溫度。
12.根據權利要求11所述的高功率鋰電池組，其中，高功率鋰單體電池的溫度保持在-20℃至50℃。
13.根據權利要求11所述的高功率鋰電池組，其中，高功率鋰單體電池的溫度保持在0-40℃。
全文摘要
在此公開了一種高功率鋰單體電池和具有該高功率鋰單體電池的高功率鋰電池組。本發明增加了鋰電池電極端子的寬度，因此降低了熱生成和由于電極端子的電阻而導致的電位降，因此有效地除去了產生的熱量。
文檔編號H01M10/02GK101088192SQ200580044310
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月22日 優先權日2004年12月22日
發明者吳全根, 李重輝, 樸殷成 申請人:Sk株式會社