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TWI469420B - 新結構蓋組及使用其之圓柱形電池 - Google Patents

新結構蓋組及使用其之圓柱形電池 Download PDF

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TWI469420B
TWI469420B TW100137193A TW100137193A TWI469420B TW I469420 B TWI469420 B TW I469420B TW 100137193 A TW100137193 A TW 100137193A TW 100137193 A TW100137193 A TW 100137193A TW I469420 B TWI469420 B TW I469420B
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recess
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Dong Sub Lee
Dong-Myung Kim
Jae Dong Chang
Jun Ho Moon
Sang Sok Jung
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Lg Chemical Ltd
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Description

新結構蓋組及使用其之圓柱形電池
本發明係關於一種新結構蓋組，尤指一種蓋組，其係設置於電池之圓柱形容器的上開口端，且該圓柱形容器內係具有陰極/分隔板/陽極結構之電極組件(膠卷)，其中，膠卷之電極導線係電性連接至一具有數個凹口之安全閥之下端，該安全閥係於電池內部產生高壓時破裂以排放高壓氣體；且一安全元件係用以在一預設溫度下阻斷電流，而該安全元件係位於該安全閥與該電極導線之間。
隨著行動裝置的快速發展，以及對行動裝置日漸增加的需求，對於做為行動裝置之電力來源的二次電池的需求亦隨之急遽地增加。在上述之二次電池之中，鋰二次電池由於具有高能量密度及高放電電壓，而被廣為研究，及被高度商業化地應用。
就電池殼體而言，二次電池可區分為：具有設於圓柱形金屬容器內之電極組件之圓柱形電池、具有設於稜柱狀金屬容器內之電極組件之稜柱狀電池、或具有設於由鋁薄片形成之袋狀殼體之電極組件之袋狀電池。其中，圓柱形電池係具有相對大容量及結構穩定之優點。
除此之外，設於電池殻體中之電極組件係用於作為一能量產生元件，其係具有一陰極/分隔板/陽極堆疊結構，且可被充放電。電極組件係可區分成：膠卷式電極組件，其具有一表面塗覆有活性材料之長片狀陰極及一長片狀陽極，其之間係設置有一分離膜並被捲繞；或堆疊式電極組件，其具有複數個具有預設尺寸且依序堆疊之陰極及陽極，且該陰極及陽極之間係設有分離膜。其中，膠卷式電極組件係具有容易製作及單位質量高能量密度之優點。
圖1係一習知圓柱形電池之垂直截面示意圖。
請參閱圖1，一圓柱形電池100係藉由將一膠捲式(捲繞式)電極組件120嵌入一圓柱形殻體130、將電解液注入殻體130、以及將具有一電極端(圖中未示，例如一陰極端)之頂蓋140而組設至圓柱形殻體130之開放式之頂端而製得。
膠捲式電極組件120之結構中，陰極121及陽極122係捲繞，且分隔板123置於陰極121陽極122之間。一圓柱形中央針150係設置於膠卷的中央，亦即電極組件120的中央。中央針150一般係由金屬材料製作，以展現預設強度。中央針150係具有一圓柱形結構，而該圓柱形結構係藉由捲繞金屬薄片而形成。並且，中央針150係用以固定並支撐該電極組件120。除此之外，中央針150係用於做為釋放氣體之通道，而該氣體則由二次電池充電或放電時之內部反應、或操作該二次電池時所產生。
同時，鋰二次電池具有低安全性的缺點。例如，當電池過度充電至約4.5V或更高時，陰極活性材料係會被分解，而會於陽極發生鋰金屬的樹枝狀生長(dendritic growth)，且電解液會被分解。於此同時，隨著上述之分解效應以及其他子分解效應快速地進行，使得電池產生熱能，最後，將可能導致電池著火並爆炸。
為了解決上述之問題，則提出一種通用圓柱形二次電池，其包含有一電流阻斷裝置(current interruptive device,CID)，係設於膠卷式電極組件與頂蓋間所定義之空間，以用於阻斷電流及釋放內部壓力。
電流阻斷裝置的一系列運作係如圖2至圖4所示。
請參閱上述之圖式，頂蓋10係凸出以形成一陰極端，頂蓋10具有一排放部。於頂蓋10之下則相繼設置有一正溫度係數(positive temperature coefficient,PTC)元件20，以阻斷當電池的內部溫度增加、並由於電池電阻之增加而產生的電流。安全閥30係具有一垂直向下凹壓的形狀，且凸出及破裂以排放當電池內部壓力增加而生成之氣體，而一電流阻斷裝置50係於安全閥30之頂端之一側與安全閥30組設，並連接至安全閥30之下端之一側之電極阻件40之陰極。此外，電流阻斷裝置50之外緣係為電流阻斷裝置密封墊52所圍繞，以固定該電流阻斷裝置50。
在正常的操作下，電極組件40的陰極係藉由一電極導線42連接至頂蓋10，而電流阻斷裝置50、安全閥30及正溫度係數元件20則用於達成電性傳導。
然而，當氣體因數種不同原因，例如過度充電，而由電極組件40產生時，電池的內部壓力增加，而安全閥30係形狀則被反向推至如圖3所示之位置。也就是說，安全閥30向上凸。於此同時，安全閥30係與電流阻斷裝置50分離，用以阻斷電流。如此一來，係可避免過度充電的情形，而達到安全性的效果。當電池的內部壓力持續增加時，安全閥30係隨之破裂，如圖4所示，被加壓的氣體則藉由破裂的安全閥30經由頂蓋10之排放部而排出。因此，可避免電池發生爆炸。
同時，圓柱形二次電池除需具備上述之過度充電的特性外，更必需具備耐高溫的特性。
耐高溫的特性需要一獨特的電池特性，其係為當電池長時間維持在一預設溫度(例如75℃)下，電池的電壓不會下降。具體而言，耐高溫特性係，即使電池測試過後仍能在正常電壓及電流下運作。
過度充電的特性需要CID的正常運作，以有效地阻斷電壓及電流，因而可避免當電池被充電至一較正常電壓高之高電位時，因電池內部壓力及溫度的增加而發生爆炸。
一種用來調整電解液注入量，使短路壓力(short circuit pressure)範圍介於8至14 kgf/cm2 的方法係主要被運用來滿足前述之耐高溫特性以及過度充電特性。
若將少量的電解液注入圓柱形容器中，則有助於耐高溫特性，但則不利於過度充電特性。亦即，若注入少量的電解液，電池的內部空間會增加。而若電池在過度充電的狀態下而使得電池內產生氣體，如此一來，電池的內部溫度會在大量氣體產生使CID破裂前上升，而導致電池爆炸。
另一方面，若將大量的電解液注入圓柱形容器中，雖有助於過度充電特性，但不利於耐高溫特性。亦即，若注入大量的電解液，電池的內部空間會減少。而若電池在高溫的狀態下而使得電池內產生氣體，如此一來，則會造成CID的破裂而使得電池無法被使用。
因此，業界極需一種可同時滿足過度充電特性以及耐高溫特性、且不需調整電解液的注入量的新結構蓋組，以及包含該蓋組之圓柱形電池。
因此，本發明係在於解決上述之問題，以及其他尚未解決的技術問題。
由於數種不同的廣泛及精深的研究及實驗以解決上述之問題，本發明之發明人係發現，當使用一可在預設溫度下阻斷電流之安全元件，並將其設於蓋組之安全閥與電極導線之間時，可同時滿足過度充電特性以及耐高溫特性、且不需調整電解液的注入量。本發明係基於該發現而完成。
根據本發明之一態樣，上述及其他目的係可藉由設置一蓋組於電池之圓柱形容器的上開口端而實現，其中具有陰極/分隔板/陽極結構之電極組件(膠卷)係設於該圓柱形容器內，且此膠卷之一電極導線係電性連接至一具有數個凹口之安全閥之下端，此安全閥係在此電池內產生高壓時破裂以排放高壓氣體，且一安全元件用以在一預設溫度下阻斷電流，而此安全元件係位於此安全閥與此電極導線之間。
亦即，於本發明之蓋組中，此蓋組之安全閥及膠卷之電極導線係藉由安全元件互相電性連接，以於一預設溫度下阻斷電流。因此，其係可同時滿足過度充電特性以及耐高溫特性、且不需調整電解液的注入量。
具體來說，於本發明之蓋組中，此安全元件係於一預設溫度下阻斷電流，因此雖然電池的內部壓力稍微增加，電流仍不會被阻斷。而使用習知蓋組之電池，當電解液的量多時，內部空間減少，而導致當氣體產生，使電流阻斷裝置(CID)破裂。因此，本發明之蓋組可幫助電池具有高溫儲存特性。
此外，即使在電解液量少的情況下，當電池的內部溫度因過度充電而持續增加時，電流係為安全元件所阻斷，而因此電池的溫度係於爆炸之前達到一預設溫度。因此，其係可抑制溫度的更加上升，因而有效地防止電池的爆炸。
再者，本發明之蓋組不需要一電流阻斷裝置及一電流阻斷裝置用之密封墊，而因此可降低製作成本。此外，其係有效地注入適量的電解液至使電池正常運作的範圍，而因此可改善電解液注入的效率。
除此之外，安全元件係位於安全閥與電極導線之間，因此，安全元件係設置鄰近於膠卷。是故，此安全元件可快速地反應膠卷之溫度的改變，以於一預設溫度下阻斷電流。
較佳地，一絕緣板係設於膠卷之上方，用以防止膠卷與安全元件相接觸，係在防止因膠卷與安全元件相接觸而造成之短路的發生。
於一較佳示例中，此安全元件係可包括一熱熔絲。
此熱熔絲係於當電池受熱、過度充電、或掉落時阻斷電流，因而改善電池的安全性。此外，此熱熔絲輕易地解決製程上的問題，例如短路壓力(short circuit pressure)的增加或減少。
此預設溫度係介於80℃至110℃之間，較佳介於80℃至100℃之間。若溫度太低，電流可能會在一高溫儲存的情況下被阻斷。另一方面，若溫度太高，電流即使在一過度充電的情況下亦可能不會被阻斷。
此電極導線係自與安全元件組設之電極導線之一區域之前端向外彎曲，使得電極導線自膠巻之中心指向外；且自與安全元件組設之電極導線之一區域之後端向內彎曲。因此，此安全元件係可免於被彎曲及被破壞。
於上述之結構中，安全元件係可組設至電極導線之上端之一部分。例如，此安全元件係可藉由焊接而組設至電極導線之上端之一部分。
安全閥係為一種自電池排放氣體之安全裝置，其係當電池的內部壓力因對電池不正常的操作、或構成電池之組成物的劣化而增加時，仍可保證電池的安全性。例如，當電池內產生氣體，且電池的內部壓力超過臨界值，安全閥係破裂，而因此，氣體係自電池經由一個或多個形成於頂蓋之氣體排放部分而排出。
安全閥的材料並無特別限制。較佳地，安全閥係由一厚度為0.15至0.4mm之鋁薄片形成，如此一來，當電池之內部壓力超過一臨界值時，可使得安全閥破裂。
於一較佳示例中，安全閥其中央可具有一向下凹之凹陷部，第一及第二凹口可各別形成於定義此凹陷部之上彎及下彎區域。第一凹口係可形成封閉曲線，而形成於第一凹口下方之第二凹口係具有一開放曲線之形狀，此第二凹口之一側係為開放，且第二凹口之深度相較第一凹口來的深。
因第二凹口之深度相較第一凹口深，當氣體被加壓超過臨界壓力值時，第二凹口隨即被截斷。另一方面，當供應至安全閥之氣體的壓力小於臨界壓力值時，第一凹口係偕同第二凹口向上抬升此凹陷部。
於一較佳示例中，此蓋組之結構中可具有一與該安全閥堆疊之頂蓋，頂蓋具有至少一氣體排放部分，且一密封墊係設於該蓋組之外部周邊之結構。
因此，組設有此安全元件之電極導線之頂端係藉由焊接與安全閥組合，而因此，係可透過連續的製程而製作此蓋組。
此外，相較於習知如圖2所示之包含頂蓋、安全閥、PTC元件、CID、及電流阻斷裝置密封墊之蓋組，本發明具有上述結構之蓋組並不需要一正溫度係數(positive temperature coefficient)元件、一電流阻斷裝置(CID)、及一電流阻斷裝置密封墊。
既然本發明之蓋組係如上述般不需使用電流阻斷裝置(CID)及電流阻斷裝置密封墊，如此可降低蓋組的製作成本。此外，因本發明之蓋組不需使用PTC元件，因而可降低皺褶部相對PTC元件之高度比例，進而使得珠狀部的高度增加，並增加膠卷的電池容量。
根據本發明之另一態樣，係在提供一種包含此蓋組之圓柱形電池。
本發明之圓柱形二次電池係藉由以下方式而製得：將蓋組組設至圓柱形金屬容器且呈開放的上端，而此圓柱形金屬容器係具有一膠卷式電極組件設於其中；將電極組件之一陽極與容器之下端焊接；以及將電極組件之一陰極與容器之上端焊接，以緊密地電池密封，使得電池呈電極組件及一電解液容納於容器中。
本發明之電池係可為一具有高能量密度、高放電電壓、及高輸出穩定度之鋰二次電池。而本發明之鋰二次電池中之其他組成物將會於下面段落中有詳細的說明。
一般而言，鋰二次電池係包含一陰極、一陽極、一分隔板、及一帶有鋰鹽(lithium salt)之非水性電解液。
而上述之陰極係可藉由例如塗佈一混合物至一陰極電流收集器並乾燥該混合物而製得，而此混合物係混合有一陰極活性材料、一導電材料、及一接著劑。其中，可視需求而更添加一填充物。陽極係可藉由將一陽極材料塗佈至一陽極電流收集器，並乾燥該陽極材料而製得。而上述之成份係可視需求而更被添加。
上述之分隔板係設置於陽極與陰極之間。此分隔板係可由具有高離子滲透率及高機械強度之絕緣薄膜形成。
此非水性電解液係包含由非水性電解液及鋰鹽構成之鋰鹽。其中，一液態非水性電解液、一固態非水性電解液、或一無機固態非水性電解液係可用於做為上述之非水性電解液。
至於上述之電流收集器、電極活性材料、導電材料、接著劑、填充物、分隔板、電解液、及鋰鹽，係皆為本發明所屬領域中之通常知識，因此，與其相關的詳細說明便不於此再多做贅述。
本發明之鋰二次電池係可為本發明所屬領域中具有通常知識者依一習知方法而製得。亦即，鋰二次電池係可藉由將一多孔分隔板設置於一陰極與一陽極之間、並注入電解液而製得。
陰極係可藉由將一漿料塗佈至一電流收集器、並乾燥該漿料而製得。其中，漿料係由一鋰過渡金屬氧化活性材料、一如前所述之導電材料及一接著劑所構成。於同樣的方法中，陽極係可藉由將一漿料塗佈至一薄型電流收集器、並乾燥該漿料而製得。其中，漿料係由一碳活性材料、一如前所述之導電材料及一接著劑所構成。
由上述之說明可明白得知，於本發明之蓋組中，於一預設溫度下阻斷電流之安全元係件係連接於安全閥與電極導線之間。因此，其係可同時滿足過度充電特性以及高溫儲存特性、且不需調整電解液的注入量。
於此，本發明之一較佳實施例將配合參照圖式，加以詳述於下。然而，需注意的是，本發明之權利範圍並不以此為限。
圖5係本發明一實施例之圓柱形電池之部分截面示意圖，而圖6係圖5中所示之圓柱形電池所用之安全閥之示意圖。
請再參閱上述之圖式，本發明一實施例之圓柱形電池100a係藉由將一膠卷110嵌入一容器200內，將電解液注入此容器200內，以及將一蓋組300設於此容器200之呈開放式上端而製得。
再者，蓋組300係具有一頂蓋310及一安全閥320之結構，以降低電池之內部壓力。而頂蓋310及安全閥320係設置於一密閉密封墊400之內，而此密封墊400係設於容器之皺褶部202之內並與其緊密接觸、以及容器200之一珠狀部210之上方部分之內並與其緊密接觸。頂蓋310的中央係朝上凸出，以做為與一外部電路連接之陰極。此外，複數個穿孔312係形成於頂蓋310之凸出部的周緣，以使壓縮的氣體自容器200經由穿孔312而排出。
除此之外，蓋組300之結構中，頂蓋310係與安全閥320堆疊，且頂蓋310具有做為氣體排放部分之穿孔312。密封墊400係設於蓋組300之外部周邊。
因此，相較於如圖2所示之蓋組，圖5所示之蓋組300無需使用正溫度係數(PTC)元件200。是故，可降低皺褶部202相對PTC元件200之高度的比例，進而可使得珠狀部210的高度H增加，而增加膠卷110的電池容量。
安全閥320係為一薄膜結構傳送電流。此安全閥320的中央係凹陷以形成一凹陷中央部322。此外，兩凹口324、326係具有不同的深度，並各自形成於中央部322之上彎區域及下彎區域。
此外，膠卷110之電極導線600係連接至安全閥320之下端。而一於一預設溫度下以阻斷電流之安全元件610係與此電極導線600組合，而此預設溫度係介於80℃至110℃之間。
因安全元件610之設置係鄰近於膠卷110，是故，此安全元件610可快速地反應膠卷110之溫度改變以阻斷電流。
一用以避免膠卷110與安全元件610相接觸之絕緣板220係設於膠卷110之上端，而可防止因膠卷110與安全元件610相接觸而造成之短路的發生。
除此之外，電極導線600係自與安全元件組設610之電極導線600之一區域之前端向外彎曲，使得電極導線600自膠巻之中心指向外，且自與安全元件組合610之電極導線600之一區域之後端向內彎曲。
同時，第一凹口324係形成於安全閥320之上方，並形成一封閉曲線，而形成於安全閥320之下方的第二凹口326係建構成一開放曲線之形狀，此第二凹口326之一側係為開放。此外，第二凹口326之深度相較第一凹口324來的深。因此，第二凹口326的耦合力(coupling force)係小於第一凹口324的耦合力。
當容器200的內部壓力超過一臨界壓力值時，安全閥320的第二凹口326係破裂，使得被加壓之氣體自容器200經由頂蓋310之穿孔312而排出。
圖7係圖5中所示之安全元件之截面示意圖。
請參閱圖7，做為安全元件之熱熔絲610，其中間區域A係形成一薄片之形狀。因此，當電池的內部溫度，例如，為80℃或小於80℃時，電流不會被阻斷，而可達成高溫儲存特性；而當電池的內部溫度超過80℃時，熱熔絲610之中間區域A之相對薄的部分係破裂，以阻斷自膠卷110流至安全閥320的電流，因而防止電池因過度充電而爆炸。
除了上述之結構外，其他不同之結構亦可於一預設溫度下阻斷電流。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10．．．頂蓋
20．．．正溫度係數
30．．．安全閥
40．．．電極阻件
50．．．電流阻斷裝置
42．．．電極導線
52．．．密封墊
100．．．圓柱形電池
120．．．電極組件
130．．．圓柱形殻體
140．．．頂蓋
150．．．中央針
121．．．陰極
122．．．陽極
123．．．分隔板
H．．．高度
100a．．．圓柱形電池
110．．．膠卷
200．．．容器
210．．．珠狀部
202．．．皺褶部
220．．．絕緣板
300．．．蓋組
310．．．頂蓋
320．．．安全閥
322．．．中央部
324．．．第一凹口
326．．．第二凹口
312．．．穿孔
400．．．密封墊
600．．．電極導線
610．．．安全元件
本發明上述及其他目的將可透過下列與伴隨之圖式相關的詳細說明而更清楚的了解，其中：
圖1係一習知圓柱形電池之垂直截面示意圖；
圖2至圖4係透過一電流阻斷裝置(CID)之運作，以阻斷電流及自圓柱形電池排放高壓氣體之一系列運作之垂直截面示意圖；
圖5係本發明一較佳實施例之圓柱形電池之部分截面示意圖；
圖6係圖5中所示之圓柱形電池所用之安全閥之示意圖；以及
圖7係圖5中所示之安全元件之截面示意圖。
100a．．．圓柱形電池
110．．．膠卷
200．．．容器
210．．．珠狀部
202．．．皺褶部
220．．．絕緣板
300．．．蓋組
310．．．頂蓋
320．．．安全閥
322．．．中央部
324．．．第一凹口
326．．．第二凹口
312．．．穿孔
400．．．密封墊
600．．．電極導線
610．．．安全元件
H．．．高度

Claims (11)

  1. 一種蓋組，係設置於一電池之一圓柱形容器的一上開口端，而一陰極/分隔板/陽極結構之一電極組件(膠卷)係設於該圓柱形容器內；其中該膠卷之一電極導線係電性連接至一具有凹口之安全閥之下端，當該電池內產生高壓時該安全閥係破裂以排放高壓氣體；以及一安全元件，用以在一預設溫度下阻斷電流，而該安全元件係位於該安全閥與該電極導線之間，以及一絕緣板係設於該膠卷之上方，以防止該膠卷與該安全元件相接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之蓋組，其中，該安全元件係包括一熱熔絲。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之蓋組，其中，該預設溫度係為80℃至110℃之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之蓋組，其中，該預設溫度係為90℃至100℃之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之蓋組，其中，該電極導線係自與該安全元件組合之該電極導線之一區域之前端向外彎曲，使得該電極導線自該膠巻之中心指向外，且自與該安全元件組合之該電極導線之一區域之後端向內彎曲。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之蓋組，其中，該安全元件係形成於該電極導線之上端之一部分。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之蓋組，其中，該安全閥係由一鋁片形成，該鋁片係具有一0.15至0.4mm之厚度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之蓋組，其中，該安全閥之中央係具有一向下凹之凹陷部，該第一凹口及第二凹口係各自形成於定義該凹陷部之上彎區域及下彎區域，該第一凹口係具有一封閉曲線，而形成於該第一凹口下方之該第二凹口係具有一開放曲線之形狀，該第二凹口之一側係為開放，且該第二凹口之深度係相較該第一凹口深。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之蓋組，其中，該蓋組係具有一與該安全閥堆疊之頂蓋，該頂蓋具有至少一氣體排放部分，且一密封墊係設於該蓋組之外部周邊之結構。
  10. 一種圓柱形電池，係包括如申請專利範圍第1至9項任一項所述之蓋組。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之圓柱形電池，其中，該電池係包括一鋰二次電池。
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