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CN105814730B - 挠性电池单元 - Google Patents

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CN105814730B
CN105814730B CN201580003062.0A CN201580003062A CN105814730B CN 105814730 B CN105814730 B CN 105814730B CN 201580003062 A CN201580003062 A CN 201580003062A CN 105814730 B CN105814730 B CN 105814730B
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Abstract

本发明提供了一种包括电极组件的电池单元，该电池单元包括一个或者更多个单元电池，并且在浸渍电解质的状态下容纳在可变的单元壳体中，该电池单元的特征在于，单元电池中的至少一个包括能够弯折或弯曲的挠性电极，该挠性电极的电极集电器包括施加有电极活性材料的第一表面和面向第一表面且未施加电极活性材料的第二表面，并且为了电极的挠性，在第二表面上形成有网孔。

Description

挠性电池单元
技术领域
本发明涉及一种具有高挠性的挠性电池单元。
背景技术
随着信息技术(IT)的显著发展，种类繁多的便携式信息通信装置已经普及。结果，在21世纪，我们正迈向一个每时每地都可以享受高品质信息服务的信息化社会。
锂二次电池对于实现这种无处不在的信息化社会是非常重要的。特别地，能够充电和放电的锂二次电池已被广泛地用作无线移动装置的能源。另外，锂二次电池还已被用作电动车辆和混合动力车辆的能源，这些电动车辆和混合动力车辆已被提出用于解决因现有使用化石燃料的汽油和柴油车辆引起的问题，诸如空气污染。
如上所述，由于锂二次电池所适用的装置是各种各样的，因此锂二次电池也已被多样化，以便锂二次电池能够提供适用于使用锂二次电池的装置的输出和容量。另外，存在对于降低锂二次电池的尺寸和重量的强烈需求。
基于锂二次电池的形状，锂二次电池可以分类为圆柱形电池单元、棱柱形电池单元和袋状电池单元。在这些种类的锂二次电池中，大量的关注点目前集中于能够以高度一体化堆叠的袋状电池单元，袋状电池单元具有较高的单位体积能量密度，能够以低成本制造，并且能够易于修改。
图1和2是典型地示出了常规代表性的袋状二次电池的一般结构的分解透视图。
参考图1，袋状二次电池10包括堆叠式电极组件20，该堆叠式电极组件20具有：从堆叠式电极组件20突出的多个电极突片21、22；分别连接到电极突片21、22的两根电极引线30、31；和电池壳体40，堆叠式电极组件20以密封状态容纳在电池壳体40中，以便电极引线30、31部分地从电池壳体40向外露出。
电池壳体40包括下壳体42和上壳体43，下壳体42具有下凹的接收部41，堆叠式电极组件20位于该接收部41中，上壳体43用于覆盖下壳体42，以便将电极组件20密封在电池壳体40中。在堆叠式电极组件20被安装在上壳体43和下壳体42中的状态下，上壳体43和下壳体42通过热焊接彼此连接，以形成上端密封部44、侧密封部45和46以及下端密封部47。
如图1所示，上壳体43和下壳体42可以构造为单独的构件。另一方面，如图2所示，上壳体43的一个端部可以一体地形成在下壳体42的相应端部处，以便上壳体43和下壳体42可以以铰接方式彼此连接。
另外，如图1和2所示，袋状电池单元构造成具有这样的结构：在电极组件的一个端部处形成有由电极突片和连接到电极突片的电极引线构成的电极端子。替代地，也可使用上述方法制造构造成具有如下结构的袋状电池单元：在电极组件的一个端部和另一个端部处形成电极端子。
同时，图1和2示出了具有堆叠式电极组件的袋状电池单元。替代地，具有卷绕型或果冻卷型电极组件的袋状电池单元也可以使用上述方法制造。
如图1和2所示，袋状电池单元一般地构造成具有近似矩形六面体形状。
但是，使用袋状电池单元的装置可以构造成具有不同于矩形六面体形状的各种形状。这些装置甚至可以构造成具有弯曲形状。例如，智能电话的侧边可以弯曲，以便容易抓握，并且挠性显示设备可以弯曲或者弯折。亦即，挠性显示装置可以制造成具有各种形状。
但是，在构造成具有矩形六面体形状的电池单元或者电池组被安装在设计为具有如此弯曲部的装置中或者安装在能够弯曲的装置中的情形中，会降低装置中的空间利用率。最近几年，已经要求电池单元具有挠性，以便能够将电池单元容易地安装在构造成具有不同种类设计的装置中。
因此，非常需要以下技术：其在解决上述问题的同时，即使在电池变形时也能够确保电池的安全性。
发明内容
[技术问题]
已经完成本发明来解决上述问题以及尚未解决的其它技术问题。
通过为解决上述问题进行的多种广泛且深入的研究和实验，本申请发明人已经发现，在包括挠性电极的电极组件应用到电池单元的情形中，电池单元易于响应于具有各种设计的装置而变形，并且即使在电池单元变形时，也能够确保电池单元安全性。基于这些发现，已经完成了本发明。
[技术解决方案]
根据本发明的一个方面，能够通过提供如下电池单元来达到上述及其它目的，该电池单元具有电极组件，且包括在电极组件被电解质浸渍的状态下安装在可变的电池壳体中的一个或者更多个单元电池，其中，单元电池中的至少一个包括能够弯折或者弯曲的挠性电极，挠性电极的电极集电器包括施加有电极活性材料的第一表面和未施加电极活性材料的第二表面，第二表面与第一表面相反，并且第二表面设有用于改进电极挠性的图案。
如上所述，根据本发明的电池单元包括挠性电极，其具有被构造成具有用于改进电极挠性的图案的电极集电器。因此，可以使电池单元容易地弯折或弯曲，由此该电池单元能够准确地对应于安装该电池单元的具有各种设计的装置或者挠性装置。
在本示例中，挠性电极可以位于电极组件的最外侧，并且使得挠性电极的电极集电器的第二表面接触电池壳体的内表面。
总体上，当电池单元变形时，电池壳体的与电极组件的最外表面接触的一部分可能皱褶或者可能折叠。形成在电池壳体中的这些皱褶或者折叠部分因电池单元的重复变形而磨损，由此破坏电池壳体。结果，电解质会从电池壳体泄漏，或者会降低电池壳体的绝缘性，而引起电池单元的不良安全性。
但是，在根据本发明的电池单元中，在位于电极组件最外侧的第二表面中形成有图案。第二表面在可变的电池壳体上以图案形状暴露。结果，电池壳体的表面积大于电极的面积。因此，在电池单元响应于装置的各种设计而变形的情形中，可以最大限度地防止在电池壳体中形成意外皱褶。
以相同方式，电池壳体可以在其内表面的一部分上设有皱褶或者构造成与形成在第二表面中的图案紧密接触的图案。在本示例中，实现了电池壳体和第二表面之间的更紧密接触。因此当电池单元变形时，可以最大限度地防止在电池壳体中形成意外皱褶。
这一图案有助于使挠性电极和电极组件变形。图案可具有各种形状，以防止在电池壳体中形成皱褶。具体地，图案可以是凸纹或者凹纹、包括多个孔洞的多孔网状结构，或者包括凸纹或者凹纹以及多个微孔的结构。
在图案结构中，凸纹或者凹纹或者孔洞用于降低使挠性电极变形所需的应力。因此，可以提供使挠性电极和包括挠性电极的电极组件变形必需的足够挠性。另外，在形成有图案的电极集电器位于电极组件最外侧的情形中，如上所述，电极组件的外表面可以通过凸纹或者凹纹图案或者多孔网格形式的孔洞而弯折。因此，电池壳体的表面积变得大于电极的面积。
这里，凸纹或者凹纹可以是形成在电极集电器中以具有各种形状的图案。具体地，凸纹或者凹纹可以选自直线形、网格和多边形。
直线形是凸纹或者凹纹的一般示例。平行于彼此的多个直线凸纹或者凹纹可以形成在挠性电极的第二表面中。直线状凸纹或者凹纹允许挠性电极在一个方向上弯折或者弯曲。另一方面，网格状的或多边形的凸纹或者凹纹允许挠性电极因构成网格或者多边形的多条直线而在各种方向上弯折或者弯曲。
同时，在多孔网状结构中，多个孔洞形成网孔。孔洞可以是竖直穿过电极集电器形成的孔，或者是在电极集电器中形成为在厚度方向上凹陷的凹部。但是，本发明不局限于此。
另外，多孔网状结构可以构造为使得每个孔洞具有0.1mm到1mm的直径。在每个孔洞的直径大于上述范围的上限的情形中，无法确保电极集电器的机械刚性。另外，电荷集中在具有大直径的孔洞的端部，结果挠性电极的阻抗会增大，这是不优选的。另一方面，在每个孔洞的直径大于上述范围的下限的情形中，对电极中应力的减缓作用较弱，这也是不优选的。
另外，多孔网状结构可以构造为使得以相当于每个孔洞的直径的300％到1000％的间隔来布置孔洞。在相应孔洞之间的距离大于上述范围的上限的情形中，挠性电极仅仅包括少量的孔洞，结果不能实现期望的效果。另一方面，在相应孔洞之间的距离小于上述范围下限的情形中，无法确保电极集电器的机械刚性。另外，电荷集中在多个孔洞上，结果挠性电极中的阻抗会增大，这是不优选的。
虽然图案可以形成在第二表面的整个区域上，但考虑到电极集电器的机械刚性和挠性电极的变形，图案可以形成在第二表面的一部分上。在本示例中，第二表面的该部分可以是第二表面的、除了其临近所述第二表面的一端和相反端以外的剩余区域，所述挠性电极的电极突片位于所述第二表面的所述一端，且所述剩余区域相当于所述第二表面的整个区域的1％到90％。
同时，电池壳体可以是由包括金属层和树脂层的层压片制成的袋状壳体，用以提高电池单元的挠性，以便电池单元能够容易地安装在具有各种设计的装置中，并且使电池壳体的作为电极组件的弯折或者弯曲外表面的表面发生弯折或弯曲。
层压片可以是铝层压片。具体地，层压片可以构造成具有如下结构，即，具有高度耐受性的外部树脂层被附接到金属阻挡层的一个主表面(外表面)，并且具有高度热结合性能的树脂密封剂层被附接到金属阻挡层的另一主表面(内表面)。
外部树脂层需要具有对外界环境的高度耐受性。因此，需要外部树脂层具有高于预定的拉伸强度和天气耐受性。由于这个原因，外部树脂层可以由聚合物树脂制成，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者定向尼龙膜。
除防止引入或泄露诸如气体或者湿气的异物的功能之外，金属阻挡层需要具有增大电池壳体强度的功能。为此，金属阻挡层可以由例如铝制成。
树脂密封剂层可以由具有高度热结合性能(热粘合性能)和低吸湿性性能的聚烯烃树脂制成，这是抑制电解质溶液渗透所必需的，并且不被电解质溶液膨胀或腐蚀。更具体地，树脂密封剂层可以由流延聚丙烯(CPP)制成。
通常，聚烯烃、特别地聚丙烯具有低金属附着性。由于这个原因，粘附层可以进一步布置在树脂密封剂层和金属阻挡层之间，以便改进树脂密封剂层和金属阻挡层之间的附着并改进阻挡特性。粘附层可以由例如聚氨酯、丙烯酸或者热塑性弹性体制成，但是，用于粘附层的材料不限于此。
在具体示例中，在电极组件被电解质浸渍的状态下安装在电池壳体中的电极组件可以构造成具有两个或更多个单元电池顺次堆叠的结构，或者具有两个或更多个单元电池使用长片状分隔膜折叠的结构。
每个单元电池可以是全电池或者双电池，全电池构造成具有第一电极、隔离物和第二电极顺次堆叠的结构，而双电池构造成具有第一电极、隔离物、第二电极、隔离物和第一电极顺次堆叠的结构。在本示例中，单元电池中的至少一个可以构造成具有第一电极或者第二电极是挠性电极的结构。
在本说明书中，电极指正电极和负电极两者，正电极活性材料被施加到正电极的集电器，并且负电极活性材料被施加到负电极的集电器。第一电极可以是正电极或者负电极。在本示例中，第二电极可以是负电极或者正电极。
根据本发明的另一方面，提供了包括具有上述构造的电池单元作为单元电池的电池组。
根据本发明的进一步方面，提供了包括所述电池组作为电源的装置。该装置可以选自移动式电话、便携式计算机、智能电话、平板PC、智能板、上网本电脑、轻型电动车辆(LEV)、电动车辆、混合动力车辆、插电式混合动力车辆以及储电设备。
装置的结构和制造方法在本发明涉及领域中是熟知的，因此将省略其详细说明。
附图说明
根据以下详细说明并结合附图，本发明的上述及其它的目的、特征和其它优点将更为清楚地理解，其中：
图1和2是示出常规代表性的袋状二次电池的分解透视图；
图3是构成根据本发明实施例的电池单元的单元电池的示例的典型图；
图4是示出图3所示的单元电池的挠性电极的典型图；
图5是示出当从上方看时的、图4中所示的挠性电极的电极集电器的第二表面的典型图；
图6是图4所示的挠性电极的变型的典型图；和
图7到9是示出挠性电极的另一示例的典型图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细说明本发明的示例性实施例。但是应该注意，本发明范围不由所示实施例的限制。
图3是典型地示出构成根据本发明实施例的电池单元的单元电池的视图，图4至6是详细示出图3所示的单元电池的挠性电极的典型视图。
参考这些视图，单元电池200被构造成具有这样的结构：作为挠性电极的第一电极210、隔离物201、第二电极220、隔离物201’和第一电极230顺次堆叠。
第一电极210、230的极性与第二电极220的极性相反。例如，单元电池200可以构造成具有这样的结构：作为正电极的第一电极、隔离物、作为负电极的第二电极、另一隔离物和作为正电极的另一第一电极顺次堆叠。另一方面，单元电池200可以构造成具有其中作为负电极的第一电极、隔离物、作为正电极的第二电极、另一隔离物和作为负电极的另一第一电极顺次堆叠的结构。
在下文描述中，第一电极210、230中的、位于单元电池200的最上端部处的一个电极(即第一电极210)是挠性电极。但是，本发明不限于此。
挠性电极210位于单元电池200的最上端部。挠性电极210包括电极集电器240和电极活性材料层280。
挠性电极210的电极集电器240具有第一表面260和第二表面250，第一表面260被施加有电极活性材料，而第二表面250没有被施加电极活性材料。电极活性材料层280施加到第一表面260，以使电极活性材料层280具有预定厚度。在第二表面250中形成有包括多个孔洞270的多孔网，所述孔洞竖直地延伸穿过电极集电器240。
电极突片290、290’形成在电极集电器240的一个端部处。孔洞270形成在第二表面250的、除了其临近电极集电器240的一个端部291以及相反端部292的区域以外的剩余区域中，电极突片290、290’位于电极集电器240的一个端部291处，且所述剩余区域相当于第二表面250的整个区域的大约30％。
考虑到电极集电器240的机械刚性，孔洞270形成在第二表面250中。在孔洞270形成于电极集电器240的第二表面250的整个区域上的情形中，挠性电极210的可变形性得以提高。但是，电极集电器240可能因挠性电极210的变形而损坏。此外，电极集电器240和电极活性材料层280之间的接触面积减小，结果使得电极活性材料层280易于从电极集电器240的表面分离。因此在本发明中，所述多孔网形成在响应于诸如弯折或弯曲这样的变形而使得应力大量施加的区域上，即第二表面250的中部，挠性电极210主要在该部分变形。
挠性电极可能如图6所示变形。例如，挠性电极210a可以变形，以使电极集电器240的端部291及相反端部292向上弯折，其中电极突片290、290’从端部291突出。在另一示例中，挠性电极210b可以变形，从而挠性电极210b的、除了电极集电器240的端部291和相反端部292以外的其它端部被弯折，其中，电极突片290、290’从所述端部291突出。虽然未示出，但挠性电极可以弯折两次，或者可以扭曲。
图7到9是示出挠性电极的其它示例的典型图。
首先参考图7，挠性电极310构造为使得电极突片390、290’形成在电极集电器340的一个端部处，从而多个凹纹370形成在第二表面350的、除了其临近电极集电器340的一个端部以及相反端部的区域以外的剩余区域中，电极突片390、390’位于电极集电器340的所述一个端部处，且所述剩余区域相当于第二表面350的整个区域的大约40％。
形成凹纹图案的凹纹370以在横向方向(x轴方向)上横跨第二表面350的直线方式形成在电极集电器340的第二表面250中。每个凹纹370形成在电极集电器340的第二表面250中，以便每个凹纹370在电极集电器340的竖直剖面中具有"V"形状。凹纹图案370允许挠性电极310沿纵向方向(y轴方向)弯折或者弯曲。
同时，图8所示的挠性电极410被构造为使得：网格型凹纹图案470形成在第二表面450的、除了其临近挠性电极510的一个端部和相反端部的区域以外的剩余区域中，电极突片490、490’位于挠性电极510的所述一个端部，且所述剩余区域相当于第二表面450的整个区域的大约50％的区域。网格型凹纹图案470被构造为：使得凹纹形成在第二表面450中的沿纵向方向(y轴方向)和沿横向方向(x轴方向)彼此相交的部分中。与图7所示的凹纹图案相比，网格型凹纹图案470允许挠性电极410不仅沿纵向方向(y轴方向)弯折或者弯曲，而且沿横向方向(x轴方向)弯折或者弯曲。此外，网格型凹纹图案470允许挠性电极410沿对角方向(z轴方向)弯折或者弯曲。
同时，图9所示的挠性电极510被构造为：使得多边形凸纹图案570形成在第二表面550的、除了其临近挠性电极510的一个端部和相反端部的区域以外的剩余区域中，电极突片590、590’位于挠性电极510的所述一个端部，且所述剩余区域相当于第二表面550的整个区域的大约50％。
凸纹图案570可以允许挠性电极510以与图7和8所示图案370、470同样的方式容易地弯折或者弯曲。
如以上参考附图所述，本发明所述电池单元包括挠性电极，所述挠性电极基于其结构特征而具有高挠性和可变形性。因此，电池单元可以容易变形。例如，电池单元可以容易弯折或者弯曲。另外，基于电池单元的其它特征可以解决在电池单元变形时可能发生的安全性相关问题，这将稍后描述。
具体地，根据本发明的电池单元被构造为：使得挠性电极布置在电极组件的最外侧，并且使得挠性电极的电极集电器的形成有网孔的第二表面在可变的电池壳体上暴露。结果，电池壳体的表面积大于电极的面积。因此，在电池单元根据装置的各种设计而变形的情形中，电池壳体的一部分对应于在第二表面中形成的网孔，从而最大限度地防止在电池壳体中形成意外皱褶。
因此，可以有效地防止因电池单元变形时在电池壳体中形成皱褶引起金属层暴露而造成介电击穿或者电解质泄露，从而确保电池安全性。
虽然已经为说明目的公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将理解，在不偏离如在所附权利要求书中公开的本发明范围和精神的情况下，可进行各种修改、添加和替代。
[工业实用性]
如根据以上描述可以清楚看到，根据本发明的电池单元包括具有电极集电器的挠性电极，所述电极集电器被构造成具有用于改进电极挠性的图案结构。因此，可以容易地弯折或弯曲电池单元，由此电池单元能够准确地对应于安装该电池单元的具有各种设计的装置或者挠性装置。
此外，根据本发明的电池单元被构造成：使得挠性电极位于电极组件的最外侧，并且使得挠性电极的电极集电器的形成图案的第二表面暴露在可变电池壳体上。结果，电池壳体的表面积大于电极的面积。因此，在电池单元响应于装置的各种设计而变形的情况下，能够最大限度地防止在电池壳体中形成意外皱褶。

Claims (13)

1.一种具有电极组件的电池单元，所述电池单元包括一个或者更多个单元电池，在所述电极组件被电解质浸渍的状态下，所述一个或者更多个单元电池安装在可变的电池壳体中，其中，所述单元电池中的至少一个包括能够弯折或者弯曲的挠性电极，所述挠性电极的电极集电器包括被施加有电极活性材料的第一表面和未被施加电极活性材料的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相反，并且所述第二表面设置有用于提高所述电极的挠性的图案，所述图案形成在所述第二表面的、除了其临近所述第二表面的一端和相反端以外的剩余区域，所述挠性电极的电极突片位于所述第二表面的所述一端，
其中，所述挠性电极位于所述电极组件的最外侧，从而所述电极集电器的所述第二表面接触所述电池壳体的内表面，
其中，所述电池壳体的内表面的一部分上设置有皱褶，或者设置有被构造成与形成在所述第二表面中的图案紧密接触的图案，
所述电池壳体是由包括金属层和树脂层的层压片制成的袋状壳体。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述电极组件被构造成具有这样的结构：两个或更多个单元电池顺次堆叠，或者两个或更多个单元电池利用长片状分隔膜而被折叠。
3.根据权利要求1所述的电池单元，其中，每个所述单元电池是全电池或者双电池，所述全电池被构造成具有这样的结构：第一电极、隔离物和第二电极顺次堆叠的结构，所述双电池被构造成具有这样的结构：第一电极、隔离物、第二电极、隔离物和第一电极顺次堆叠。
4.根据权利要求3所述的电池单元，其中，所述单元电池中的至少一个被构造成具有如下结构：所述第一电极或者所述第二电极是挠性电极。
5.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述图案是凸纹或者凹纹和/或包括多个孔洞的多孔网状结构。
6.根据权利要求5所述的电池单元，其中，所述凸纹或者所述凹纹选自直线形、网格和多边形。
7.根据权利要求5所述的电池单元，其中，所述多孔网状结构中的孔洞是竖直穿过所述电极集电器而形成的孔，或者是在所述电极集电器中形成为沿着厚度方向下凹的凹部。
8.根据权利要求5所述的电池单元，其中，所述多孔网状结构被构造为：使得所述孔洞中的每一个具有0.1mm到1mm的直径。
9.根据权利要求5所述的电池单元，其中，所述多孔网状结构被构造为：所述孔洞以相当于每个所述孔洞的直径的300％到1000％的间隔来布置。
10.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述剩余区域相当于所述第二表面的整个区域的1％到90％。
11.一种包括根据权利要求1所述电池单元的电池组，所述电池单元用作单元电池。
12.一种包括根据权利要求11所述电池组装置，所述电池组用作电源。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置选自移动式电话、便携式计算机、智能电话、智能板、平板电脑和上网本电脑。
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