TW200814397A - Lithium secondary battery improved safety and capacity - Google Patents

Description

200814397 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於具有較佳安全性與電容量的鋰二次電 池，並尤其有關於一種鋰二次電池，其電極組的結構係以 5 複數個電極堆疊、並將分隔膜插設於每一電極之間，且這 些電極的電極接頭（electrode tap)係彼此連接，此電極組係 設置於一電池外殼之内，其中這些電極接頭耦接至電極導 線之區域（電極揍頭-電極導線耦接區域）係位於此電池外 殼之一上端接觸區域，且此接觸區域係在此電池外殼之厚 10 度方向彎折，藉以使得此電極組分隔於此電池外殼之内部 空間。 【先前技術】 隨著行動裝置快速地發展，且對於此種行動裝置的需 15 求與日倶增，以電池做為行動裝置之電源的需求也快速的 增加。此外，業界亦投入大量研發能量於可以滿足不同需 求電池。 以電池的形狀而言，對於稜柱二次電池或袋狀二次電 池的需求非常高，因為這些電池相當薄而可以應用於行動 20 電話等產品中。以電池材料而言，對於鋰二次電池的需求 相當高，鋰二次電池可舉例如鋰離子電池與鋰離子聚合物 電池，其具有高能量密度、高放電電壓與高輸出穩定性。 此外，二次電池可以根據電極組的建構而分類，電極 組係包括有陰極/分隔膜/陽極的結構。舉例而言，電極組可 200814397 以建構為一種膠捲（纏繞）型結構，其中長片狀的陰極與陽極 被捲繞，而分隔膜則係插設於對應的陰極與陽極之間；或 者可以建構為一種堆疊/摺疊型結構，其中複數個陰極與陽 極具有預定的尺寸，並且接續地彼此堆疊，而分隔膜則係 5 插設於對應的陰極與陽極之間，以形成一雙電池或一燃料 電池，接著將此雙電池或燃料電池捲繞。 近來，許多研究能量係投注於袋狀電池，其結構係將 一堆疊或堆疊/摺疊型電池組設置於一袋狀電池外殼中，外 殼係由鋁層板所構成，因為其製造成本較低、重量較輕、 10 且易於改變形狀。因此，袋狀電池的使用逐漸地在提升當 中。 圖1係為一分解圖，其典型地繪示了一習知袋狀二次電 池10的大致結構。 請參照圖1，此袋狀二次電池10包括一電池組30、複數 15 個電極接頭40與50從係從電極組30而延伸，電極導線60與 70係焊接至電極接頭40與50，以及一電池外殼20以收納此 電極組3 0。 電極組30係為一能量產生元件，包括彼此接續堆疊的 陰極與陽極，而分隔膜係對應地插設於陰極與陽極之間。 20 電極組30係建構為一堆疊結構或一堆疊/摺疊結構。電極接 頭40與50係從對應的電極組30的電極盤而延伸出來。電極 導線60與70係以如焊接等方式而電連接至電極接頭40與 50，電極接頭40與50係從電極組30的對應電極盤而延伸出 來。電極導線60與70係部分外露於電池外殼20之外。在電 6 200814397 極導線60與70的上與下表面，係部分貼設有絕緣薄膜80， 以改良在電池外殼20與電極導線60與70之間的密封性，同 時可以確保在電池外殼20與電極導線60與70之間的電絕緣 效果。 5 電池外殼20係由一鋁層板所構成。此電池外殼20之内 定義有一空間，以收納電極組30。電池外殼20係大致形成 為袋狀。當電極組30係為一堆疊型電極組（如圖1所示）時， 電池外殼20的内部上端係與電極組分隔，使得複數個陰極 接頭40與複數個陽極接頭50可以分別耦接至電極導線60與 10 70 〇 圖2係為一部分放大圖，繪示圖1之二次電池之電池外 殼的内部上端，其中陰極接頭係以同心方式彼此耦接，並 且連接至陰極導線，而圖3係為正面透視圖，繪示圖1的二 次電池的組裝狀態。 15 參照至這些圖式，複數個陰極接頭40 (從電極組30的 陰極集電器41延伸出來）係連接至陰極導線60的一端，其 可舉例如利用焊接串的方式連接，而此焊接串係整合地將 陰極接頭40彼此焊接而結合在一起。此陰極導線60係由電 池外殼20而密封，而陰極導線60的另一端61則係外露於電 20 池外殼20之外。由於複數個陰極接頭40係彼此整合而形成 焊接串，因此電池外殼20的内部上端係與電極組30的上端 表面以一預定距離分隔開來，且以焊接串形式整合的陰極 接頭40係彎折成大約V字型。因此，在電極接頭與對應之電 極導線間的耦接區域，可以稱為「V型區域」。 200814397 5

10 15 20 然而，此一V型區域具有數個問題，包括電池的電容 量以及安全性。首先，電池的電容量係有關於電極組3〇的 尺寸。然而，V型區域限制了電極組30裝設於電池外殼2〇 内的尺寸，結果即為降低了電池的電容量。尤其如圖3所 示，在迅極組30之上端以及絕緣薄膜8〇之間的距離相當 大，因此電極組30的尺寸無可避免地會被電極組3〇上端: 絕緣薄膜80之間的距離所限制。 同時，當電池係以電池之上端（亦即電池的陰極導線 60)朝下的方式跌落、或一外部衝力係施加至電池的上端 時，電極組30會朝向電池外殼2〇的内部上端移動，或者電 池外设20的上端會毀損。因此，電極組3〇的陽極會接觸至 陰極接頭42或陰極導線60，$而可能在電池内部發生短 路。故此，電池的安全性係大幅降低。尤其是當此一内部 短路係由焊接串之下的某些陰極接點與最外側的陽極之間 接觸所引起的。 因此，需要-種可以根本性地解決上述問題的技術。 【發明内容】 因此’本發明係用以解決上述問題，以及其他需要解 經過了許多嘗試想要.解決上述問題的嘗試與實驗，本 發明發現’當電極接頭-電極導線輕接區域係位於一二次電 :之！池外殼上端的接觸區域（此二次電池的電極組係裝 -於电池外殼之内）、而非位於電池外殼内的電極組上端 8 200814397 以上的空間，並且當電池外殼的接觸區域係被彎折時，根 據本發明所製造之二次電池可以有效地避免由外部衝擊 (例如震動或掉落）所引起的短路，進而改良本發明二次 電池的安全性，同時可以最大化利用電池外殼的内部空 5 間，同時本發明的二次電池的電容量係高於具有相同尺寸 的習知二次電池。本發明係基於上述發現而實施。 根據本發明之一面向，上述目的以及其他目的，係可 以藉由下述之二次電池所達成，此二次電池包括有一電極 組，此電極組之結構係使複數個電極堆疊、而複數個分隔 10 膜則分別插設於各電極之間，且這些電極之電極接頭 (electrode tap)係彼此連接，此電極組裝設於一電池外殼 之内，其中這些電極接頭耦接至電極導線之區域（電極接 頭-電極導線耦接區域）係位於此電池外殼之一上端接觸區 域，且此接觸區域係在此電池外殼之厚度方向彎折，藉以 15 使得此電極組分隔於此電池外殼之内部空間。 在本發明之一較佳實施例中，此接觸區域係為構成該 電池外殼之上殼構件與下殼構件之上端彼此接觸之區域。 尤其，此接觸區域係為當上殼構件與下殼構件沿著電池外 殼的邊緣而彼此接觸，而使得電池外殼得以密封並將電極 20 組裝設於電池外殼之内的區域。此接觸區域可以從其上側 邊緣或下侧邊緣、沿著電極組的電極堆疊部分延伸。在本 發明中，此接觸區域係位於對應至電極組之大約上端的位 置，而電極接頭在此突出，並稱為「上端接觸區域」。 在一較佳實施例中，電極接點-電極導線耦接區域，係 200814397 為複數個電極接頭耦接至對應的電極導線的位置，而各電 極接頭係彼此耦接。此耦接區域可位於鄰近於熱焊^區 2丄而熱焊接係用以將電池外殼之上端接觸區域的電池外 冗又被封。尤其’搞接區域可以位於電池外殼的上端接觸區 5 ，處介於上殼構件以及下殼構件之間。舉例而言，當熱 焊接係於上端接觸區域的上端進行時，陰極接頭-陰極導線 耦接區域以及陽極接頭-陽極導線可以位於上殼構件與下 殼構件的接觸介面之間、接觸區域的較低部分處。以此結 馨 構而έ，電極導線係位於上殼構件與下殼構件之間，同時， 10相反於耦接區域的電極導線末端係部分外露於電池外殼之 外。 如前所述，熱焊部可以沿著電池外殼的接觸區域的上 端邊緣、大約位於電極接頭_電極導線耦接區域的位置形 成。根據各種情況，熱焊部也可以形成於侧邊部分、以及 15電極接頭-電極導線耦接區域的上部。舉例而言，熱焊部可 以形成於陰極接頭-陰極導線耦接區域之外部區域&)，位於 φ 陽極接頭—陽極導線耦接區域的外部區域（b)，以及介於電極 接頭-電極導線耦接區域的中間區域（(〇。或者，熱烊部可以 形成於陰極接頭-陰極導線耦接區域之外部區域以）以及位 20於陽極接頭-陽極導線耦接區域的外部區域(b)，或電極接頭 _電極導線耦接區域的中間區域0)。當熱焊接係在除了電極 接頭-電極導線耦接區域以外的大部分其他接觸區域進行 時，電池外殼的密封性得以增加，且電池外殼對於抵抗施 加至電池外殼之外部衝力的結構穩定度也可以進一步改 200814397 良。 根據較佳結構，此熱焊部以及電極導線，可以在帝 =上^接觸區域的地方再次以長軸方向垂直彎曲，亦 5

10 20 池的厚度方向㈣。尤其，當此接觸區域的結 八二仔觸區域從其底側邊緣沿著電極組的電極堆疊部 ^垂直延伸時，接觸區域可以垂直地料*使得電極接頭_ 电極導，接區域係與電池的厚度方向平行，並接著可以 垂直地彎折而使得電極導線與熱焊部係與電池的長軸方向 :行、在此情況下，電極導線係從電極的上端突出，使得 電極導線係垂直於電極的上端，因此電池的保護電路模組 可以在電池的長軸方向連接至電極導線。 士根據另車父佳結構，熱焊部以及電極導線可以在電池 外敗的上端接觸區域處，以電池的厚度方向再次水平地彎 折亦即主要以電池的厚度方向彎折。尤其，當接觸區域 =構係使得接觸區域從其底側邊緣沿著電極組的電極堆 且口卩刀垂直延伸日守，接觸區域可以沿著電極組的電極堆疊 Ρ刀垂直延伸時，接觸區域可以垂直地彎折而使得電極接 頭-包極導線耦接區域係與電池的厚度方向平行，並接著可 以水平地、、4折而使得電極導線與熱焊部係與電池的厚度方 向平行。在此情況下’電極接頭從電極的上端突出，使得 电極V線係與電極的上端平行，因此，電池的保護電路模 組可以沿著電池的厚度方向而連接到電極導線。 較佳地’絕緣薄膜係設置於電池外殼之接觸區域的上 端，使得絕緣薄膜環繞著電極接頭、·電極導線、以及在電 11 200814397 與電極導線間之純區域的頂端與底端，而改 笔極接頭、電搞道綠彳 艮在 伴在間的密封性，並同時確 極接頭、電極導線與電池外殼之間的電絕緣效果。 發明，電極組並非特別受限制，只要電極組的 ，，、。構係使㈣數個電極接㈣、彼此連結以構成陰極與陽 極。車父，地’電極組的結構係為堆疊型或堆疊/摺疊型結 構。堆登/摺疊型電極組係揭露於韓國專利申請公開號

10 15 20^-0082058、20〇1-_2〇59、以及2001-0082060之中，該' 一木之申凊人係與本發明相同。上述專利申請公開案之所 揭露之内容，係列為本案之參考。 此電極組的基本結構係使得陰極與陽極彼此依序堆 豐’而隔離膜則分別插設於陰極與陽極之間。根據不同狀 況’分隔膜的長度可足以使得分隔膜的末端鄰接於接觸區 域的上‘、或與接觸區域的上端部分重疊，藉而進一步改 良電池的安全性。 電極接頭可以利用多種方法而彼此連接。較佳地，各 電極接頭之間係以焊接的方式而更穩定地連接。 較佳地，本發明之二次電池係為一種具有一電極組、 並在電極組間注入膠狀含鋰電解質的二次電池，或稱為鋰 20 離子聚合物電池。 同時較佳地，本發明之二次電池係為一種袋狀電池其 電極組係裝設於一袋狀電池外殼内，此電池外殼係由包括 金屬層與樹脂層之層板所構成，尤其是鋁層板。 12 200814397 【實施方式】 以下係參照各各圖式而詳述本發明。需要注意的是’ 本發明的範疇並不限於所繪示的實施例。 圖4係為根據本發明一較佳實施例之袋狀二次電池的 5 爆炸圖，而圖5則是一前視透視圖，繪示圖4的袋狀二次電 池的一電池外殼中，電池組所裝設至的上端以及側邊接觸 區域，其中電池外殼的上端以及側邊接觸區域係已密封。 參照至這些圖式，此袋狀二次電池100包括一電極組 300以及一電池外殼200，電極組300包括了焊接至陰極導線 10 410的陰極接頭310、以及焊接至陽極導線420的陽極接頭， 電池外殼200則用以容納電極組300。 電池外殼200包括了一下殼構件220、以及一上殼構件 210，下殼構件220的形狀適合收納電極組，上殼構件210係 在一側邊與下殼構件220連結，使得上殼構件210作用為一 15 蓋板。電池外殼200更包括接觸區域230a與230b，當組裝電 池外殼200時，在此區域上殼構件21〇與下殼構件係彼此緊 密接觸。 接觸區域230a與230b包括一上端接觸區域230a以及侧 邊接觸區域230b，上端接觸區域係對應至電極組300的上 2〇 端，且電極接頭310與320在此突出，側邊接觸區域23〇b則 對應至電極組300的相反二側。同時，接觸區域230a與230b 包括了熱焊部240，在此進行熱焊接而將電池外殼2〇〇密 封。尤其，上端接觸區域230a係部分熱焊接，而侧邊接觸 區域230b則係全部熱焊接。 13 200814397 同％，從電極組300突出的複數個陰極接頭3丨〇，係藉 由焊接而彼此搞接。相似地，從電極組3⑼突出的複數個^ 極接頭320，係藉由焊接而彼此搞接。&外，陰極接頭3ι〇 與陽極接頭320的上端411與421，係藉由焊接而搞接至陰極 5導線410與陽極導線420，這些導線係從電池外殼200露出。 在陰極接頭310與陽極接頭320之上端411與421以及陰極導 線410與陽極導線42G之間的減，係位於上端接觸區域 230a、介於上殼構件21〇與下殼構件22〇之間的位置。耦接 區域340並不與熱悍部24〇重疊。 1〇 在電極接頭310與320、電極導線410與42〇、以及_接 區域340設置有絕緣薄膜43〇，其係環繞電極接頭31〇與 320、電極導線410與、以及搞接區域34〇，卩維持電池 外殼200的密封性，並防止在騎以及熱焊接時所發生的短 路。熱焊部的相反侧，係沿著虛線A與B而垂直彎折， 15 使得電池的體積在熱彎折之後減到最小。 圖6係為本發明另一實施例之袋狀二次電池的電池外 :又中’迅池組所I设至的上端以及側邊接觸區域的前端透 視圖其中電池外设的上端以及側邊接觸區域係已密封。 圖6中的二次電池101的結構，大致上係與圖4及5的二 如次電池相同，差別在於，熱焊接係在上端接觸區域23〇a的 大Μ進行❿排除在電極接頭31〇與32〇與電極導線41〇與 420之間的耦接區域。因此，與圖5相較之下，二次電池ι〇ι 與一人電池1GG的相異之處在於，熱焊接係在陰極與陽極搞 接區域340與341的外j則區域、陰極與陽極搞接區域34〇 200814397 與341之間的中間區域(；、以及熱焊部24〇等位置進行。根據 不同情況，熱焊接可能僅在外侧區域&與13、或者僅在中間 區域C的位置進行。 上端接觸區域230a的大部分係如上所述地焊接，因而 5進一步增加電池外殼的密封性，同時電池外殼對抗外部衝 力的結構穩定性也可大幅增加。 圖7係為一部分剖面圖，繪示本發明一較佳貴施例的電 池結構的上端接觸區域。而圖8係為一部分放大圖，繪示本 發明另一較佳電池結構的上端接觸區域。為了容易理解起 10見，在電池組之上端以及電池外殼之間的空間係稍微誇 大。然而可以理解的是，根據本發明的結構，此空間可以 非常微小甚至不存在。 參照至這些圖式，二次電池100係藉由密封電池外殼 200而製造，而電池組300則設置於電池外殼2〇〇之内，並且 I5 將龟池外叙200的上端接觸區域230a朝向二次電池的厚 度方向y垂直地彎折。由於從上端接觸區域23〇a所突出的陰 極導線411係將與外部電連接（例如一保護電路模組），上 端接觸區域230a的一部分（包括陰極導線411)係垂直地或 水平地再次彎折，如以下所詳述。 2〇 在描述上端接觸區域230a的彎折結構之前，先進一步 描述先前在圖4與5之中所描述的上端接觸區域23〇a的剖面 結構。上接觸區域230a部分環繞了複數個陰極接頭31 〇 (在上殼構件210與下殼構件220之間的陰極301所突出）以 及陰極導線410 (連接至陰極接頭3 1 〇 )。同時，上端接觸 15 200814397 區域230a完整地環繞了在陰極接頭310與陰極導線410之間 的耦接區域340。陰極接頭310、陰極導線410、以及在陰極 接頭310與陰極導線410之間的耦接區域340，係被絕緣薄膜 430所環繞。歸功於此結構，可以清楚地看見在電極組300 5 之上端與電池外殼200之間的距離L2，與圖2相較之下，係 大幅度地縮小了。 電極組300的結構係為使陰極301與陽極302連續地彼 此堆疊、而分隔膜則分別插設於陰極301與陽極302之間。 在二次電池重複充/放電的時候，為了防止鋰離子在陽極表 10 面沈積，陽極302的尺寸係大於陰極301。根據不同情況， 分隔膜303的長度可足以使得分隔膜303的末端鄰接至上端 接觸區域230a、或者與上端接觸區域230a部分重疊。在此 情況下，當受到外力衝擊而使電極組朝向上端接觸區域 230a移動時，可以大幅度降低在陰極301與陽極302之間接 15 觸所導致的短路情形。 如圖7所示，上端接觸區域230a係垂直地彎折，使得在 陰極接頭3 10與陽極接頭410之間的耦接區域340，係與電池 的厚度方向y平行，而電極導線的某些突出端411以及熱焊 部240係再次被垂直地彎折，而與電池的長軸方向X平行。 20 根據此一彎折結構，電極導線的突出端411係被彎折至與電 池的長軸方向X平行。因此，可以將一保護電路模組500以 電池的長軸方向X而連接到電極導線。 如圖8所示，上端接觸區域230a係被垂直地彎折，使得 在陰極接頭310與陽極接頭410之間的耦接區域340，係與電 200814397 池的厚度方向y平行，而電極導線的某些突出端4im及熱 焊部24〇係被水平地彎折，而與電池的厚度方向丫平行。根 ;據此3折結構’電極導線的突出端Ml係被彎折至盥電池 的厚度方向y平行。因此，可以將一保護電路模組以電 5 池的厚度方向y而連接到電極導線。 雖然本發明的較佳實施例已揭露前述目的，熟悉此項 技術者雖可能作不同的修飾、添加與取代，但均不會脖離 本發明申睛專利範圍的範圍與精神。 產業利用性 10 15 20 如上所述可以清楚發現，本發明的二次電池可以有效 地避免受到外力衝擊（例如掉落或震動）而發生内部短路 的機率口此本發明二次電池的安全性係進一步被改良 了。此外’電池外殼的内部空間也做了最大化的利用。因 在具有相同體積的條件下，本發明二次電池的電容量 係尚於習知的二次電池。 【圖式簡單說明】 圖1係繪示-習知袋狀二次電池的大致結構爆炸圖。 =係為-部分放大圖’㈣圖i之二次電池之電池外殼的 巾_接伽州咖轉並連接至 圖3係繪示圖1之二次電池在組裝狀態的透視圖。 ==會示本發明—較佳實施例之二次電池的爆炸示意圖。 為—琢視透視圖，緣示圖4的袋狀二次電池的一電池 17 200814397 外殼中，電池組所裝設至的上端以及側邊接觸區域，其中 電池外殼的上端以及側邊接觸區域係已密封。 圖6係為本發明另一實施例之袋狀二次電池的電池外殼 中’電池組所裝設至的上端以及側邊接觸區域的前端透視 圖，其中電池外殼的上端以及側邊接觸區域係已密封。 圖7係為一部分放大圖，繪示圖5之袋狀二次電池的上端接 觸區域，即是在-較佳結構巾電極接頭與電極導線間 接區域。 圖8係為-部分放大圖，根據本發明另 之袋狀二次電池的上端接觸區域。 、、“鼻繪不圖5 15 20 【主要元件符號說明】 10 習知袋狀二次電池 20 電池外殼 30 電極組 4〇,5〇 電極接頭 41 陰極集電器 6〇,7〇 電極導線 61 陰極導線之一端 80 絕緣薄膜 100 袋狀二次電池 200 電池外殼 21〇 上殼構件 220 下殼構件 18 200814397

10 230a 上端接觸區域 230b 側邊接觸區域 240 熱焊部 300 電極組 301 陰極 302 陽極 303 分隔膜 310 陰極接頭 320 陽極接頭 340,341 耦接區域 410 陰極導線 411 上端 420 陽極導線 421 上端 430 絕緣薄膜 500 保護電路模組 15

Claims (1)

1. 200814397 十、申請專利範圍： 1 _ 一種二次電池，其包括有一電極組，該電極組之結 構係使複數個電極堆疊、而複數個分隔膜則分別插設於各 电極之間，且该些電極之電極接頭（electr〇detap)係彼此 5 連接’該電極組裝設於一電池外殼之内，其中 該些電極接頭耦接至電極導線之區域（電極接頭-電極 導線耦接區域）係位於該電池外殼之一上端接觸區域，且 該接觸區域係在該電池外殼之厚度方向彎折，藉以使得該 電極組分隔於該電池外殼之内部空間。 10 2·如申請專利範圍第1項所述之二次電池，其中該接 觸區域係為構成該電池外殼之上殼構件與下殼構件之上端 彼此接觸之區域。 3 ·如申明專利範圍第1項所述之二次電池，其中該轉 接區域鄰接於熱焊部，該熱焊部係為該電池外殼在該接觸 I5 區域待密封之部分。 4.如申請專利範圍第3項所述之二次電池，其十該熱 焊縣沿著該電池外殼之邊緣、在該接觸區域之頂部接近 該電極接頭_電極導線搞接區域處形成，或者在該電極接頭 -電極導線耦接區域之水平方向與頂部處形成。 20 5.如申請專利範圍第3項所述之二次電池，其中該些 電極導線與該熱些銲部係在該電池之長軸方向再次垂直響 折，該電極導線則係從該電池外殼突出。 6·如中請專利範圍第5項所述之二次電池，㈠該電 池之一保護電路模組（PCM)係以該電池之長轴方向而連 20 200814397 接至該些電極導線。 7. 如申請專利範圍第3項所述之 兮 電極導線與該些熱銲部係在該電池之厚度方向再 折"亥電極導線則係從該電池外殼突出。 8. 如申請專利範圍第7項所述之二次電池，1中該電 =二:護電路模組係以該電池之厚度方向而連接至該些 !眩1如中請專利範則1項所述之二次電池，其中絕緣 =膜，設置於該電池外殼之上端接觸區域，使得該絕緣薄 膜係％繞該電極接頭與電極導線。 10·如申請專利範圍第i項所述之二次電池，其中該電 極組之結構係為堆疊型或堆疊/摺疊型結構。 15 u·如申請專利範圍第i項所述之二次電池，其中該分 隔膜之長度係足以使得該分隔膜之端點鄰近於該上端接觸 區域’或與該上端接觸區域部分重疊。 12·如申請專利範圍第1項所述之二次電池，其中該二 次電池係為一鋰離子聚合物電池。 13·如申請專利範圍第1項所述之二次電池，其中該電 池外设係為由層板構成之一袋型外殼，該層板包括一金屬 層與一樹脂層。 14·如申清專利範圍第is項所述之一次電池，其中該層 板係為一鋁層板。 21