CN1874043A

CN1874043A - 圆柱型电池

Info

Publication number: CN1874043A
Application number: CNA2006100998441A
Authority: CN
Inventors: 金光守
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2026-04-25
Also published as: DE602006000359D1; CN100511812C; JP2006310286A; DE602006000359T2; KR100696785B1; EP1717895B1; JP4787046B2; EP1717895A1; KR20060111843A; US20060257735A1; US7542266B2

Abstract

本发明公开了一种圆柱型电池，其包括卷绕的电极组件和设置于电极组件中央空间中的中心销轴，中心销轴具有沿其长度设置的缝隙，该缝隙由中心销轴的相对边缘限定，其中，至少一条相对边缘是倾斜的。采用本发明所提供的圆柱型电池，当其受到外部压力时可阻止内部缺损，从而可提高安全系数，而且在受到预定水平的外部压力时可以受控的方式变形。

Description

圆柱型电池

技术领域

本发明涉及一种圆柱型电池。更具体地讲，本发明涉及一种被构造成可减小或防止由于外加压力增加而导致损坏的圆柱型电池。

背景技术

一般来说，传统的圆柱型电池可以包括将内部部件卷绕成圆柱形形状而形成的电极组件、呈圆柱形形状可插入电极组件的外壳、注入到外壳中用于允许离子迁移的电解质、以及结合到外壳一端以防止电解质泄漏和电极组件脱离的盖组件。

传统的圆柱型电池可以具有较高的电容量，例如在锂离子二次电池的情况中可达2,000-2,400mA。因此，可将它们安装在需要大功率电容量的设备上，例如安装在膝上型电脑、数码像机、摄像录像机等上。举例来说，可将预期数量的电池串联或并联或组装在具有保护电路的硬封装中，以用作上述电子设备的电源。

制造传统的圆柱型电池可以包括下列工序。首先，将上面形成有预定活性材料层的负电极板、隔板和上面形成预定活性材料层的正电极板堆叠在一起。然后，使该堆叠体与杆状卷绕轴结合并将其卷绕成圆柱形形状，由此形成电极组件。将电极组件插入圆柱形壳体中，随后注入电解质。将盖组件焊接在圆柱形壳体的上部，由此制成电池。

在对电池充电/放电的过程中为了避免电极组件变形，可将一管状中心销轴设置在电极组件的中心。然而，由于外部压力该中心销轴可能变形或断裂。如果中心销轴变形或断裂，电极组件中的隔板也可能断裂，这将导致隔板缺损，而使正和负电极板之间发生短路，并且可能导致电池失效或爆炸。如果由于外部压力特别是长度方向的压力使中心销轴变形，管状中心销轴的横截面轮廓可能变形且不规则。这种横截面轮廓的不规则可能引起隔板严重损坏。

发明内容

据此，本发明的目的是提供一种圆柱型电池，其基本上解决了由于相关现有技术的局限和缺点而产生的一或多个问题。

本发明一实施方式的特点是提供一种圆柱型电池，其具有当受到外部压力时可阻止内部缺损提高安全系数的结构。

本发明一实施方式的另一特点是提供一种具有管状中心销轴的圆柱型电池，其被构造成当受到预定水平的外部压力时可以受控的方式变形。

实现本发明的上述及其他特点和优点中至少之一的技术方案是，提供一种包括卷绕电极组件和设置在电极组件中央空间中的中心销轴的圆柱型电池，该中心销轴具有沿其长度方向的缝隙，该缝隙由中心销轴的相对边缘限定，其中相对边缘的至少一条是倾斜的。

至少一条相对边缘可以朝中心销轴的外表面倾斜。每一相对边缘都可以是倾斜的。从两相对边缘的倾斜表面延伸的假想延长线可以在中心销轴的内部空间交叉，并且延长线间的交叉角可以是大于或等于约60°。

与缝隙相邻的中心销轴的区域可以相对于中心销轴圆形横截面轮廓向内偏离。与缝隙相邻的中心销轴的区域基本上可以呈平坦状。该缝隙可以处于基本平坦的区域中心。由至少一条倾斜的相对边缘的表面与向内偏离区域的外表面的相交部分限定的角度可以大于或等于约120°。

中心销轴的高度可以约为电极组件高度的90％至约110％。该中心销轴的端部可呈锥形。圆柱型电池可以是圆柱型锂二次电池。

卷绕的电极组件可以包括第一电极板、第二电极板和设置在第一和第二电极板之间的隔板，卷绕的电极组件可被卷绕成螺旋形，可将中心销轴紧贴第二电极板表面设置。

实现本发明的上述及其他特点和优点中至少之一的技术方案也可以是提供一种包括卷绕的电极组件和设置在电极组件中央空间中的中心销轴的圆柱型电池，该中心销轴具有沿其长度方向的缝隙，该缝隙由中心销轴的相对边缘限定，其中相对边缘的至少一个表面和中心销轴的内表面限定出一锐角。

所述锐角可以是小于或等于约60°。该锐角可以在45°至60°范围内。与缝隙相邻的中心销轴区域可以相对于中心销轴的圆形横截面轮廓向内弯曲。该弯曲区域可以是平坦的。缝隙可以处于平坦区的中心。

实现本发明的上述及其他特点和优点中至少之一的技术方案还可以是，提供一种包括卷绕的电极、穿过该卷绕电极的一部分的销轴的圆柱型电池，该销轴具有形成在其中的缝隙，该销轴包括内表面、外表面、第一边缘和第二边缘，第一边缘将内表面的第一部分连接到外表面的第一部分，第二边缘将内表面的第二部分连接到外表面的第二部分，其中，该缝隙被限定在第一和第二边缘之间并从内表面向外表面延伸；该缝隙具有沿着内表面的第一尺寸，该缝隙具有沿着外表面的第二尺寸，所述第一尺寸与第二尺寸不同。

销轴的每一内表面和外表面可以包括大体呈圆形的部分和大体呈直线的部分，缝隙可被限定在大体呈直线的部分之间，而且大体呈直线的部分可以沿由大体呈圆形的部分限定的圆的同一弦延伸。

附图简介

对本领域技术人员来说，通过参考附图详细描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述及其他特点和优点将更加清晰。附图中：

图1A为本发明一实施方式的圆柱型电池的透视图；

图1B为沿图1A中线A-A剖切的横截面图；

图1C为沿图1A中线B-B剖切的横截面图；

图2A为本发明一实施方式的圆柱型电池的中心销轴的透视图；

图2B为沿图2A中线C-C剖切的横截面图；

图3为本发明一实施方式的制造圆柱型电池的方法流程图；

图4A-4D示出了本发明一实施方式的制造圆柱型电池的方法步骤。

具体实施方式

于2005年4月25日向韩国知识产权局提出的、名称为″圆柱型锂二次电池(Cylindrical Lithium Secondary Battery)″、申请号为10-2005-0034226的韩国专利申请的全部内容在此作为参考。

下面将参考附图对本发明进行更全面地描述，附图示出了本发明的一些示例性实施方式。当然，本发明还可以有不同的实施方式而不应理解为局限于在此所述的实施方式。更明确地说，提供这些实施方式是为了使得公开更充分和完整，并向本领域技术人员全面地表述本发明的范围。在这些附图中，为清楚起见，夸大了层和区域的尺寸。还应当理解的是，当表述为一层在另一层或基底之“上”时，其可以直接处于另一层或基底的上面，或者也可以设置中间层。此外，应该理解的是，当表述为一层处于另一层之下时，其可以直接在另一层下面，也可有一或多个中间层。另外，应该理解的是，当表述为一层在两层之间时，在这两层之间可以只有一层，或者也可以存在一或多个中间层。全部附图中相同的附图标记表示同样的部件。

在本发明一实施方式的圆柱型电池中，如果中心销轴因受到预定水平的外部压力而变形时，限定出缝隙的中心销轴的相对边缘可以彼此相向地向内挤压。因此，可以提高中心销轴抵抗外部压力的阻力。为了控制中心销轴在受到外部压力时的变形，可使相对边缘的至少一条倾斜。于是，这就可以防止电极组件中的隔板断裂及电极组件中短路。因此，当遭受外部压力时本电池可以呈现出得到提高的阻止内部缺损的安全系数。本发明的电池尤其适于用作例如锂离子电池之类的圆柱型锂二次电池。

图1A是本发明一实施方式的圆柱型电池的透视图，图1B是沿图1A中线A-A剖切的横截面图，图1C是沿图1A中线B-B剖切的横截面图。参考图1A至1C，本发明一实施方式的圆柱型电池100可以包括用于在圆柱型电池100放电和/或充电过程中产生电压差的电极组件200、用于容纳电极组件200的圆柱形外壳300、当与圆柱形外壳300的上部结合时防止电极组件200脱离的盖组件400、和设置在电极组件中央的中心销轴500。

电极组件200可以包括在上面敷覆有正或负极活性材料、例如涂覆有正极活性材料的第一电极板210。电极组件200还可包括在上面敷覆有另外的正极和负极活性材料的第二电极板220。一或多个隔板230被插入第一电极板210和第二电极板220之间，以防止其间短路。隔板230可以允许离子在第一电极板210和第二电极板220之间迁移。可将第一电极板210、第二电极板220和隔板230螺旋卷绕成圆柱形形状并将其置于圆柱形外壳300中。

第一电极抽头215连接到第一电极板210上并向盖组件400延伸。第一电极抽头215可以由例如如铝(Al)之类的金属形成。第二电极抽头225可以连接到第二电极板220并向电池100的底端、即与盖组件400相对的那端延伸。第二电极抽头225可以由例如如镍(Ni)之类的金属形成。可将上绝缘板241和下绝缘板245设置在电极组件200的上端和下端，以防止电极组件200、盖组件400和圆柱形外壳300之间直接接触。

圆柱形外壳300可以具有预定直径和限定容纳电极组件200的内部空间的圆柱形表面310。圆柱形外壳300还可具有封闭圆柱形表面310下部部分的下部或底表面320，同时圆柱形表面310的上部是敞开的，以插入电极组件200。圆柱形外壳300可以由例如铝、铁等金属或其合金构成。

电极组件200的第一电极抽头215或第二电极抽头225、例如第二电极抽头225可以连接到圆柱形外壳300的下部表面320的中心，使得圆柱形外壳300本身可起到具有与第二电极板220相同极性的端子、例如负极端子的作用。

圆柱形外壳300可以具有形成在其中的一或多个卷边或滚边部分(crimped of rolled features)，以用于紧固盖组件400。例如，圆柱形外壳300可包括处于圆柱形外壳300顶部的上滚边部分330。上滚边部分330通过使圆柱形外壳300的一部分变形而形成，使得其向预定方向弯曲，即朝向圆柱形外壳300的中心弯曲，以用于向盖组件400施加向下的压力。圆柱形外壳300还可包括下滚边部分340。下滚边部分340可以通过使圆柱形外壳300的一部分向内变形形成，使得下滚边部分凹陷，即朝圆柱形外壳300的内侧突出，以用于向盖组件400施加向上的压力。

盖组件400可以包括焊在第一电极抽头215上的传导安全口410，当电池过充电或过热时其颠倒以卸压。盖组件400还可包括印刷电路板(PCB)420，其可以电性地和/或机械地连接到传导安全口410的上部，如果安全口410颠倒其可以断开。热敏电阻430可电性地和/或机械地连接到印刷电路板420的上部，用于在电池过热或超过预定温度时断开电路。

传导性电极帽440可以电性地和机械地连接到热敏电阻430的上部，以将电池产生的电流传送到外部。电极帽440可以连接到第一电极抽头215或第二电极抽头225，例如，连接到第一电极抽头215，以起具有与第一电极板210相同极性的端子例如正极端子的作用。绝缘垫圈450可以固定并绝缘安全口410、印刷电路板420、热敏电阻430和电极帽440，以使得它们与圆柱形外壳300绝缘。

将用于在电极组件200中转移离子的电解质(未示出)注入圆柱形外壳300中。电解质起在电池100放电和/或充电过程中用于转移在正电极和负电极中通过电化学反应产生的离子的传媒的作用。电解质可以是例如用于转移锂离子的非水有机电解质，例如锂盐和高纯度有机溶剂的混合物。电解质可以包括聚合物。

图2A是本发明一实施方式的圆柱型电池的中心销轴的透视图，图2B是沿图2A中线C-C剖切的横截面图。参考图2A和2B，可将中心销轴500设置在卷绕的电极组件200的中央空间中，以防止卷绕的电极组件200由于外部压力而引起的松动和变形。中心销轴500可以为常规的管状或环形。中心销轴500可以大体呈中空状。可沿中心销轴500的长度形成缝隙510。缝隙510可由中心销轴500的相对边缘520限定。

中心销轴500的上端和下端可呈锥形。可将中心销轴500的下端设置在第二电极抽头225上。中心销轴500的高度可约为电极组件200高度的90％-110％。若中心销轴500的高度低于电极组件200高度的90％，用于固定和支撑电极组件200的力可能不足，如果中心销轴500的高度超过110％，中心销轴500可能与盖组件300的部件接触，这是不期望的。

在组装后的电池100中，中心销轴500被安装在电极组件200中时限定出缝隙510的中心销轴500的相对边缘520穿过缝隙510可以彼此接近地面对。相对边缘520可以通过预定距离保持隔离。

如图2B所示，每一相对边缘520可以将中心销轴500的内表面522连接到中心销轴500的外表面523。每一相对边缘520可以包括内部部分524和外部部分525。需指出的是，虽然图2B示出的相对边缘520大体上是平坦的，相对边缘520也可以具有其它适合的形状包括例如弧形。

接近相对边缘520的中心销轴500的区域可以相对于中心销轴500的圆形横截面轮廓倾斜或向内弯曲，使得该区域向中心销轴500的中心倾斜。在一实现的装置(implementation)中，中心销轴500可以具有展平区530，其向内弯曲并围绕缝隙510整平，使得中心销轴500的横截面在缝隙510的两侧是平坦的，正如图2B的下部分所示出的那样。当然，该区域不必是平坦的，也可以采用其它适合的形状。

限定出缝隙510的相对边缘520中的一条或多条可以是倾斜的。边缘520可以向中心销轴的外表面倾斜，如图2A和2B所示出的那样。或者，边缘520可以向中心销轴的内表面倾斜(未示出)。在一实现的装置中，每一相对边缘520都是倾斜的。相对边缘520的倾斜表面的斜率可以根据假想延长线来确定。假想延长线可以汇合于中心销轴500的内部空间中，并可通过彼此间夹角即交角α而倾斜。相对边缘520的延长线的交角α可以大于或等于约60°。

对于每一相对边缘520而言，边缘520的倾斜表面和展平区530的内表面相交于确定的内角γ。内角γ可以是锐角。在一实现的装置中，内角γ可以大约为60°或更小。在一实现的装置中，内角γ可以在约45°到约60°的范围内。对于每一相对边缘520而言，边缘520的倾斜表面和展平区530的外表面还确定了外角β。外角β可以是钝角。在一实现的装置中，外角β可以大于或等于约120°的补角。

如上所述，根据本发明，内角γ可以约为60°或更小，而外角β可以约为120°或更大。因此，本发明的圆柱型电池的电极组件不容易断裂和短路，因为缝隙510的展平区530和倾斜的相对边缘520被构成为当中心销轴500由于预定水平的外部压力而变形时可使中心销轴500向预定方向变形。尤其是，中心销轴500可以向内、朝中心销轴500内限定的空间变形。也就是说，可以控制变形沿预定方向、即向内发生，因此可避免对电极组件200产生有害影响的向外变形。

当中心销轴500变形时，如果相对边缘520向外弯曲，中心销轴500的一部分可能接触到电极组件200的隔板230，于是使隔板230断裂并发生短路。特别是在相对边缘520彼此靠近的情况下，如果内角γ大于90°(并且外角β小于90°)相对边缘520可能彼此接触。相对边缘520之间的接触可能导致中心销轴500的变形不可控制，由此增加了由于中心销轴500向外变形而引起电极组件断裂和发生短路的可能性。

相比之下，根据本发明，将配置展平区530和相对边缘520构造成可减少或防止由中心销轴500变形导致短路发生的可能性。特别是在相对边缘520彼此靠近的情况下，中心销轴500的变形可能导致展平区530向内移动。这种移动可改变相对边缘520的相对位置致使交角α减小。但是，若如上所述地设置内角γ和外角β，交角α可以保持大于0°，使得相对边缘520可以保持分隔而避免彼此接触，借此可控制向内的变形而离开电极组件200。

图3是本发明一实施方式的制造圆柱型电池方法的流程图，图4A-4D示出了根据本发明一实施方式制造圆柱型电池方法中的步骤。参考图3，根据本发明一实施方式的制造圆柱型电池的方法可以包括：形成电极组件200的步骤(S1)；结合电极组件200的步骤(S2)；插入中心销轴500的步骤(S3)；注入电解质的步骤(S4)；和结合盖组件400的步骤(S5)。

下面将参考图3和4A至4D描述本发明一实施方式的制造圆柱型电池的方法。参考图4A，在步骤S1中，形成电极组件，顺序叠置第一电极板210、隔板230和第二电极板220。然后，使卷绕轴700附着于堆叠体的一端并将电极组件200卷绕成圆柱形形状。在卷绕堆叠体以前，可分别将第一电极抽头215和第二电极抽头225连接于第一电极板210和第二电极板220上。

参考图4B，在步骤S2中，结合电极组件，将电极组件200结合到圆柱形外壳300上。首先可在圆柱形外壳300上设置下绝缘板245(在图4B中未示出)。在将电极组件200与圆柱形外壳300结合之后，使卷绕轴700与电极组件200分离。需要指出的是，在电极组件200与圆柱形外壳300结合之前卷绕轴700可以是独立的。当然，本发明不限于所述具体的步骤顺序。抽出卷绕轴700，在电极组件200的中心留出圆柱形空间。

参考图4C，在步骤S3中，插入中心销轴，将中心销轴500插入抽出卷绕轴700后保留的电极组件中央空间中。在插入中心销轴500之前，可将预先连接在电极组件200上的第一电极抽头215或第二电极抽头225(例如，第二电极抽头225)，例如通过焊接等连接到圆柱形外壳300的底表面320上。因此，如图1B所示，可将中心销轴500设置于第二电极抽头225上并与其接触。同时，中心销轴500可以用来加强第二电极抽头225和圆柱形外壳300之间的连接。如上所述，中心销轴500的高度可约为电极组件200高度的90％-110％。

在步骤S4中，注入电解质，将电解质注入电极组件200中直到注入的电解质的水平面达到电极组件200的上端。电解质允许在电池100放电和/或充电过程中离子在电极组件200中迁移，即在第一电极板210和第二电极板220之间迁移。

参考图4D，在步骤S5中，结合盖组件，将可以包括多个部件的盖组件400结合到圆柱形外壳300的上部，使得电极组件200、中心销轴500不能从电池100中脱离出或电解质不从电池100中泄漏。

更具体地说，将如环形垫圈之类的绝缘垫圈450结合到圆柱形外壳300的上部。然后，依次安装传导性安全口410、印刷电路板420、热敏电阻430和电极帽440。可将传导性安全口410电连接到第一电极抽头215或第二电极抽头225上(例如第一电极抽头215上)，其也可以预先连接到电极组件200上。

随后，通过例如滚制圆柱形外壳300的一部分形成向内突出的突出于绝缘垫圈450的内侧并与该绝缘垫圈的下部部分相应的下滚制部分340，以及通过例如卷边形成在圆柱形外壳300顶端处的上滚制部分330，致使盖组件400固定就绪并且不容易与圆柱形外壳300脱离。

上面已对本发明的示例性实施方式进行了描述，虽然使用了专用名词，但它们仅被解释为一般性的并只用于描述本发明，而不是对本发明的限制。因此，本领域技术人员可以理解的是，在不超出如所述权利要求表述的本发明的构思和范围的前提下可以在形式和细节上进行各种变换。

Claims

1.一种圆柱型电池，包括：

卷绕的电极组件；和

设置在所述电极组件中央空间中的中心销轴，该中心销轴具有沿其长度设置的缝隙，所述缝隙由所述中心销轴的相对边缘限定，其中，至少一条所述相对边缘是倾斜的。

2.如权利要求1所述的圆柱型电池，其中，所述至少一条相对边缘朝所述中心销轴的外表面倾斜。

3.如权利要求1所述的圆柱型电池，其中，每一所述相对边缘都是倾斜的。

4.如权利要求3所述的圆柱型电池，其中，从两个相对边缘的所述倾斜表面延伸的假想延长线相交于所述中心销轴的内部空间；和

所述延长线间的交角大于或等于约60°。

5.如权利要求1所述的圆柱型电池，其中，与所述缝隙相邻的所述中心销轴的区域相对于所述中心销轴的圆形横截面轮廓向内偏斜。

6.如权利要求5所述的圆柱型电池，其中，与所述缝隙相邻的所述中心销轴的区域大体是平坦的。

7.如权利要求6所述的圆柱型电池，其中，所述缝隙处于所述大体平坦的区域的中心。

8.如权利要求5所述的圆柱型电池，其中，由所述向内偏斜区域的外表面与所述至少一个倾斜的相对边缘的表面的交汇限定的角度约大于或等于120°。

9.如权利要求1所述的圆柱型电池，其中，所述中心销轴的高度约为所述电极组件高度的90％至约110％。

10.如权利要求1所述的圆柱型电池，其中，所述中心销轴的端部呈锥形。

11.如权利要求1所述的圆柱型电池，其中，所述圆柱型电池是圆柱型锂二次电池。

12.如权利要求1所述的圆柱型电池，其中，所述卷绕的电极组件包括第一电极板、第二电极板和设置在所述第一和第二电极板之间的隔板，该绕电极组件被卷绕成螺旋形；和

所述中心销轴紧贴于所述第二电极板的表面设置。

13.一种圆柱型电池，包括：

卷绕的电极组件；和

设置在所述电极组件中央空间中的管状中心销轴，该中心销轴具有沿其长度设置的缝隙，所述缝隙由所述中心销轴的相对边缘限定，其中，至少一条相对边缘的表面和中心销轴的内表面限定出一锐角。

14.如权利要求13所述的圆柱型电池，其中，所述锐角小于或等于约60°。

15.如权利要求13所述的圆柱型电池，其中，所述锐角处于45°至60°的范围内。

16.如权利要求13所述的圆柱型电池，其中，与所述缝隙相邻的中心销轴区域相对于该中心销轴的圆形截面轮廓向内弯曲。

17.如权利要求16所述的圆柱型电池，其中，所述弯曲区域是平坦的。

18.如权利要求17所述的圆柱型电池，其中，所述缝隙处于所述平坦区域的中心。

19.一种圆柱型电池，包括：

卷绕的电极组件；

穿过所述卷绕电极的一部分的销轴，该销轴具有形成于其中的缝隙，该销轴包括内表面、外表面、第一边缘和第二边缘，所述第一边缘使所述内表面的第一部分与所述外表面的第一部分相连，所述第二边缘使所述内表面的第二部分与所述外表面的第二部分相连，其中，所述缝隙被限定于所述第一和第二边缘之间并从所述内表面向所述外表面延伸；

其中，所述缝隙具有沿所述内表面的第一尺寸；

所述缝隙具有沿所述外表面的第二尺寸；

所述第一尺寸与所述第二尺寸不同。

20.如权利要求19所述的圆柱型电池，其中，所述销轴的各所述内表面和外表面包括大体呈圆形的部分和大体呈直线的部分；

所述缝隙被限定于大体呈直线的部分之间；

所述大体呈直线的部分沿由大体呈圆形的部分限定的圆的同一弦延伸。