DE602006000359T2 - Zylindrische Batterie - Google Patents

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Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine zylindrische Batterie. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine zylindrische Batterie, die derart konfiguriert ist, dass sie die Wahrscheinlichkeit von Schaden aufgrund von außen aufgebrachten Drucks reduziert.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Im Allgemeinen kann eine herkömmliche zylindrische Batterie eine durch Wickeln interner Komponenten gebildete Elektrodenanordnung, einen Becher mit zylindrischer Form, in den die Elektrodenanordnung eingeführt ist, in das Innere des Bechers injizierten Elektrolyten zum Ermöglichen der Bewegung von Ionen sowie eine mit einem Ende des Bechers verbundene Kappenanordnung zum Verhindern von Auslaufen des Elektrolyten und Abtrennung der Elektrodenanordnung beinhalten.
  • Herkömmliche zylindrische Batterien können relativ hohe Kapazitäten aufweisen, z. B. 2000–2400 mA im Fall einer Lithiumionen-Sekundärbatterie. Entsprechend können sie in Geräten installiert werden, die eine große Leistungskapazität benötigen, z. B. Laptop-Computern, Digitalkameras, Camcordern usw. Zum Beispiel kann eine gewünschte Menge von Batterien in Reihe oder parallel geschaltet werden oder in einer Hartpackung mit einer Schutzschaltung montiert werden, um als Leistungsquelle der vorgenannten elektronischen Geräte verwendet zu werden.
  • Herstellen einer herkömmlichen zylindrischen Batterie kann die folgenden Operationen beinhalten. Zuerst können eine negative Elektrodenplatte, auf der eine vorbestimmte Aktivierungsmaterialschicht ausgebildet ist, ein Separator sowie eine positive Elektrodenplatte, auf der eine vorbestimmte Aktivierungsmaterialschicht ausgebildet ist, miteinander gestapelt werden. Dann kann der Stapel mit einer Wickelachse in Stabform kombiniert werden und in eine zylindrische Form gewickelt werden, wodurch eine Elektrodenanordnung gebildet wird. Die Elektrodenanordnung kann in einen zylindrischen Becher eingeführt werden, und dann kann Elektrolyt injiziert werden. Eine Kappenanordnung kann an den oberen Teil des zylindrischen Bechers geschweißt werden, wodurch die Batterie vervollständigt wird.
  • Um Verformung der Elektrodenanordnung während des Ladens/Entladens der Batterie zu verhindern, kann ein röhrenförmiger Mittelstift in der Mitte der Elektrodenanordnung angeordnet sein. Der Mittelstift kann jedoch durch äußeren Druck verformt oder gebrochen werden. Wenn der Mittelstift verformt oder gebrochen wird, kann der Separator in der Elektrodenanordnung auch gebrochen werden. Dies kann zu einem Defekt des Separators führen, was einen Kurzschluss zwischen den positiven und negativen Elektrodenplatten erzeugen kann und zu Batterieversagen oder -explosion führen kann. Wenn der Mittelstift durch äußeren Druck verformt wird, insbesondere durch Druck in Längsrichtung, kann der Querschnittsumriss des röhrenförmigen Mittelstiftes verformt und ungleichmäßig werden. Solche Ungleichmäßigkeit des Querschnittsumrisses kann kritische Störungen des Separators erzeugen.
  • US 2003/148175 A1 offenbart einen Mittelstift mit einem Schlitz (Spalt) entlang seiner Länge. Die den Schlitz definierenden gegenüberliegenden Kanten sind vorwärts zur Innenseite des Mittelstiftes gerichtet. Benachbarte Bereiche der äußeren Oberflächen der Kanten sind abgewinkelt, um Kurven zur Innenseite des Zylinders hin zu beschreiben, so dass die von den äußeren Oberflächen gebildeten Ebenen einen Winkel θ bilden, der nicht größer als 140° ist. US 5,882,815 (D2) offenbart einen Mittelstift mit einer Öffnung (Spalt) einer bestimmten Form entlang seiner Länge.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich daher auf eine zylindrische Batterie, die eines oder mehrere der Probleme aufgrund der Beschränkungen und Nachteile des Standes der Technik wesentlich überwindet.
  • Es ist daher ein Merkmal einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, eine zylindrische Batterie bereitzustellen, die derart konfiguriert ist, dass sie einen verbesserten Sicherheitsbereich gegen interne Defekte bereitstellt, wenn sie äußerem Druck ausgesetzt ist.
  • Es ist daher ein weiteres Merkmal einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, eine zylindrische Batterie bereitzustellen, die einen röhrenförmigen Mittelstift aufweist, der derart konfiguriert ist, dass er sich in einer kontrollierten Weise verformt, wenn er einem vorbestimmten Niveau von äußerem Druck ausgesetzt ist.
  • Mindestens eines der obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung kann durch Bereitstellen einer zylindrischen Batterie mit einer gewickelten Elektrodenanordnung und einem in einem Mittelraum der Elektrodenanordnung angeordneten Mittelstift verwirklicht werden, wobei der Mittelstift einen Spalt entlang seiner Länge aufweist und der Spalt durch gegenüberliegende Kanten des Mittelstiftes definiert ist, wobei mindestens eine der gegenüberliegenden Kanten in Richtung einer äußeren Oberfläche des Mittelstiftes geneigt ist.
  • Jede der gegenüberliegenden Kanten kann geneigt sein. Virtuelle Verlängerungslinien, die sich von den geneigten Oberflächen zweier gegenüberliegender Kanten erstrecken, können sich in einem Innenraum des Mittelstiftes kreuzen, und ein Kreuzungswinkel zwischen den Verlängerungslinien kann größer oder gleich 60° sein.
  • Ein Bereich des Mittelstiftes, der an den Spalt angrenzt, kann bezüglich eines kreisförmigen Querschnittsumrisses des Mittelstiftes nach innen abweichen. Der Bereich des Mittelstiftes, der an den Spalt angrenzt, kann im Wesentlichen flach sein. Der Spalt kann in dem im Wesentlichen flachen Bereich zentriert sein. Ein durch einen Schnitt einer äußeren Oberfläche des nach innen abweichenden Bereichs mit einer Oberfläche der mindestens einen geneigten gegenüberliegenden Kante definierter Winkel kann größer oder gleich 120° sein.
  • Eine Höhe des Mittelstiftes kann 90 bis 110% einer Höhe der Elektrodenanordnung betragen. Enden des Mittelstiftes können verjüngt sein. Die zylindrische Batterie kann eine zylindrische Lithium-Sekundärbatterie sein.
  • Die gewickelte Elektrodenanordnung kann eine erste Elektrodenplatte, eine zweite Elektrodenplatte und einen zwischen den ersten und zweiten Elektrodenplatten eingefügten Separator beinhalten, wobei die gewickelte Elektrodenanordnung in einer Spirale gewickelt ist, und der Mittelstift kann gegen eine Oberfläche der zweiten Elektrodenplatte angeordnet sein.
  • Mindestens eines der obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung kann außerdem durch Bereitstellen einer zylindrischen Batterie mit einer gewickelten Elektrode und einem in einem Mittelraum der Elektrodenanordnung angeordneten Mittelstift verwirklicht werden, wobei der Mittelstift einen Spalt entlang seiner Länge aufweist und der Spalt durch gegenüberliegende Kanten des Mittelstiftes definiert ist, wobei eine Oberfläche mindestens einer der gegenüberliegenden Kanten und eine innere Oberfläche des Mittelstiftes einen spitzen Winkel definieren.
  • Der spitze Winkel kann kleiner als oder gleich ungefähr 60° sein. Der spitze Winkel kann zwischen 45° und 60° sein. Ein Bereich des Mittelstiftes, der an den Spalt angrenzt, kann bezüglich eines kreisförmigen Querschnittsumrisses des Mittelstiftes nach innen gebogen sein. Der gebogene Bereich kann flach sein. Der Spalt kann in dem flachen Bereich zentriert sein.
  • Mindestens eines der obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung kann ferner durch Bereitstellen einer zylindrischen Batterie mit einer gewickelten Elektrodenanordnung und einem in einem Mittelraum der Elektrodenanordnung angeordneten Mittelstift verwirklicht werden, wobei der Mittelstift einen Spalt entlang seiner Länge aufweist und der Spalt durch gegenüberliegende Kanten des Mittelstiftes definiert ist, wobei mindestens eine der gegenüberliegenden Kanten geneigt ist oder wobei eine Oberfläche mindestens einer der gegenüberliegenden Kanten und eine innere Oberfläche des Mittelstiftes einen spitzen Winkel definieren.
  • Der Mittelstift kann röhrenförmig ausgebildet sein. Der spitze Winkel kann kleiner oder gleich 60° sein. Der spitze Winkel kann zwischen 45° und 60° sein. Ein Bereich des Mittelstiftes, der an den Spalt angrenzt, kann bezüglich eines kreisförmigen Querschnittsumrisses des Mittelstiftes nach innen gebogen sein. Der gebogene Bereich kann flach sein. Der Spalt kann in dem flachen Bereich zentriert sein.
  • Mindestens eines der obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung kann ferner durch Bereitstellen einer zylindrischen Batterie mit einer gewickelten Elektrodenanordnung verwirklicht werden, wobei ein Stift einen Teil der gewickelten Elektrode durchdringt, wobei der Stift einen darin ausgebildeten Spalt aufweist, wobei der Stift eine innere Oberfläche, eine äußere Oberfläche, eine erste Kante und eine zweite Kante aufweist, wobei die erste Kante einen ersten Teil der inneren Oberfläche mit einem ersten Teil der äußeren Oberfläche verbindet, wobei die zweite Kante einen zweiten Teil der inneren Oberfläche mit einem zweiten Teil der äußeren Oberfläche verbindet, wobei der Spalt zwischen den ersten und zweiten Kanten definiert ist und sich von der inneren Oberfläche zu der äußeren Oberfläche erstreckt und wobei der Spalt eine erste Abmessung entlang der inneren Oberfläche aufweist, der Spalt eine zweite Abmessung entlang der äußeren Oberfläche aufweist und die erste Abmessung von der zweiten Abmessung verschieden ist.
  • Jede der inneren und äußeren Oberflächen des Stiftes kann einen im Wesentlichen kreisförmigen Teil und einen im Wesentlichen linearen Teil beinhalten, der Spalt kann zwischen den im Wesentlichen linearen Teilen definiert sein, und die im Wesentlichen linearen Teile können sich entlang einer selben Sehne eines Kreises erstrecken, die durch den im Wesentlichen kreisförmigen Teil definiert ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann ersichtlicher, indem Ausführungsbeispiele derselben mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen im Detail beschrieben werden:
  • 1A illustriert eine Perspektivansicht einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 1B illustriert eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A von 1A;
  • 1C illustriert eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B von 1A;
  • 2A illustriert eine Perspektivansicht eines Mittelstiftes einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 2B illustriert eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C von 2A;
  • 3 illustriert ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
  • 4A4D illustrieren Stadien in einem Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nun nachstehend vollständiger mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind. Die Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungen beschränkt interpretiert werden. Diese Ausführungen werden vielmehr bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist, und werden dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermitteln. In den Figuren sind die Dimensionen von Schichten und Bereichen im Sinne der Klarheit der Illustration übertrieben. Es versteht sich auch, dass, wenn eine Schicht als sich „auf" einer anderen Schicht oder einem anderen Substrat befindend bezeichnet wird, sie sich direkt auf der anderen Schicht oder dem anderen Substrat befinden kann oder auch dazwischen liegende Schichten vorhanden sein können. Ferner versteht sich auch, dass wenn eine Schicht als sich „unter" einer anderen Schicht befindend bezeichnet wird, sie sich direkt darunter befinden kann und auch eine oder mehrere dazwischen liegende Schichten vorhanden sein können. Ferner versteht sich auch, dass wenn eine Schicht als sich „zwischen" zwei Schichten befindend bezeichnet wird, sie die einzige Schicht zwischen den beiden Schichten sein kann oder auch eine oder mehrere dazwischen liegende Schichten vorhanden sein können. Ähnliche Bezugszahlen beziehen sich durchweg auf ähnliche Elemente.
  • In einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung können gegenüberliegende Kanten eines Mittelstiftes, die einen Spalt definieren, nach innen zueinander gedrückt werden, wenn der Mittelstift durch ein vorbestimmtes Niveau von äußerem Druck verformt wird. Daher kann der Widerstand des Mittelstiftes gegenüber äußerem Druck verbessert werden. Mindestens eine der gegenüberliegenden Kanten kann geneigt sein, um für kontrollierte Verformung des Mittelstiftes zu sorgen, wenn er äußerem Druck ausgesetzt ist. Daher kann es möglich sein, eine Störung eines Separators in einer Elektrodenanordnung und einen Kurzschluss in der Elektrodenanordnung zu verhindern. Daher kann die Batterie einen verbesserten Sicherheitsbereich gegen interne Defekte aufweisen, wenn sie externem Druck ausgesetzt ist. Eine Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung kann besonders zur Verwendung als zylindrische Lithiumionen-Sekundärbatterie, z. B. Lithiumionenbatterie, geeignet sein.
  • 1A illustriert eine Perspektivansicht einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, 1B illustriert eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A von 1A, und 1C illustriert eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B von 1A. Unter Bezug auf 1A1C kann eine zylindrische Batterie 100 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Elektrodenanordnung 200 zum Erzeugen eines Spannungsunterschiedes während des Entladens und/oder Ladens der zylindrischen Batterie 100, ein zylindrisches Gehäuse 300 zur Unterbringung der Elektrodenanordnung 200, eine Kappenanordnung 400, die, wenn sie mit dem oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 300 verbunden ist, Abtrennung der Elektrodenanordnung 200 verhindert, sowie einen in der Mitte der Elektrodenanordnung angeordneten Mittelstift 500 beinhalten.
  • Die Elektrodenanordnung 200 kann eine erste Elektrodenplatte 210 beinhalten, auf der positive oder negative Elektrodenaktivierungsmaterialien aufgetragen sind, z. B. ein positives Elektrodenaktivierungsmaterial. Die Elektrodenanordnung 200 kann außerdem eine zweite Elektrodenplatte 220 beinhalten, auf der das Verbleibende der positiven oder negativen Elektrodenaktivierungsmaterialien aufgetragen ist. Ein oder mehrere Separatoren 230 können zwischen der ersten Elektrodenplatte 210 und der zweiten Elektrodenplatte 220 eingefügt sein, um einen Kurzschluss dazwischen zu verhindern. Der Separator 230 kann Ionen erlauben, sich zwischen der ersten Elektrodenplatte 210 und der zweiten Elektrodenplatte 220 zu bewegen. Die erste Elektrodenplatte 210, die zweite Elektrodenplatte 220 und der Separator 230 können spiralförmig in eine zylindrische Form gewickelt sein und in dem zylindrischen Gehäuse 300 untergebracht sein.
  • Ein erster Elektrodenzapfen 215 kann mit der ersten Elektrodenplatte 210 verbunden sein und kann sich in Richtung der Kappenanordnung 400 erstrecken. Der erste Elektrodenzapfen 215 kann z. B. aus einem Metall, wie zum Beispiel Aluminium (Al), gebildet sein. Ein zweiter Elektrodenzapfen 225 kann mit der zweiten Elektrodenplatte 220 verbunden sein und kann sich in Richtung des unteren Endes der Batterie 100, d. h. des Endes, das gegenüber der Kappenanordnung 400 liegt, erstrecken. Der zweite Elektrodenzapfen 225 kann z. B. aus einem Metall, wie zum Beispiel Nickel (Ni), gebildet sein. Eine obere Isolationsplatte 241 und eine untere Isolationsplatte 245 können an oberen und unteren Enden der Elektrodenanordnung 200 bereitgestellt sein, um direkten Kontakt zwischen der Elektrodenanordnung 200, der Kappenanordnung 400 und dem zylindrischen Gehäuse 300 zu vermeiden.
  • Das zylindrische Gehäuse 300 kann eine zylindrische Oberfläche 310 mit einem vorbestimmten Durchmesser aufweisen, die einen Innenraum definiert, um die Elektrodenanordnung 200 unterzubringen. Das zylindrische Gehäuse 300 kann außerdem eine untere Oberfläche 320 aufweisen, die den unteren Teil der zylindrischen Oberfläche 310 schließt, wobei der obere Teil der zylindrischen Oberfläche 310 offen sein kann, um Einführen der Elektrodenanordnung 200 zu ermöglichen. Das zylindrische Gehäuse 300 kann z. B. aus einem Metall, wie zum Beispiel Aluminium, Eisen usw. oder einer Legierung derselben gebildet sein.
  • Der erste Elektrodenzapfen 215 oder der zweite Elektrodenzapfen 225 der Elektrodenanordnung 200, z. B. der zweite Elektrodenzapfen 225, kann mit der Mitte der unteren Oberfläche 320 des zylindrischen Gehäuses 300 verbunden sein, so dass das zylindrische Gehäuse 300 selbst als ein Anschluss mit derselben Polarität wie die zweite Elektrodenplatte 220, z. B. ein negativer Anschluss, fungieren kann.
  • Das zylindrische Gehäuse 300 kann eine oder mehrere gefalzte oder gewalzte Merkmale darin ausgebildet haben, um die Kappenanordnung 400 zu erfassen. Zum Beispiel kann das zylindrische Gehäuse 300 einen oberen gewalzten Teil 330 an dem oberen Ende des zylindrischen Gehäuses 300 beinhalten. Der obere gewalzte Teil 330 kann durch Verformen eines Teils des zylindrischen Gehäuses 300 gebildet sein, so dass er in einer vorbestimmten Richtung, d. h. in Richtung der Mitte des zylindrischen Gehäuses 300, gebogen ist, um auf die Kappenanordnung 400 Druck nach unten auszuüben. Das zylindrische Gehäuse 300 kann ferner einen unteren gewalzten Teil 340 beinhalten. Der untere gewalzte Teil 340 kann durch Verformen eines Teils des zylindrischen Gehäuses 300 nach innen gebildet sein, so dass der untere gewalzte Teil zum Inneren des zylindrischen Gehäuses 300 hin gesenkt ist, d. h. in dieser Richtung herausragt, um auf die Kappenanordnung 400 Druck nach oben auszuüben.
  • Die Kappenanordnung 400 kann eine an den ersten Elektrodenzapfen 215 geschweißte leitende Sicherheitsentlüftung 410 beinhalten, die invertieren kann, um Druck abzubauen, wenn die Batterie überladen oder überhitzt ist. Die Kappenanordnung 400 kann außerdem eine gedruckte Schaltung (PCB) 420 beinhalten, die elektrisch und/oder mechanisch mit dem oberen Teil der leitenden Sicherheitsentlüftung 410 verbunden sein kann und ausgeschaltet werden kann, wenn die Sicherheitsentlüftung 410 invertiert wird. Ein Thermistor 430 kann elektrisch und/oder mechanisch mit dem oberen Teil der gedruckten Schaltung 420 verbunden sein, um die Schaltung auszuschalten, wenn die Batterie überhitzt oder eine vorbestimmte Temperatur überschreitet.
  • Eine leitende Elektrodenkappe 440 kann elektrisch und mechanisch mit dem oberen Teil des Thermistors 430 verbunden sein, um von der Batterie generierten elektrischen Strom nach außen bereitzustellen. Die Elektrodenkappe 440 kann mit dem ersten Elektrodenzapfen 215 oder dem zweiten Elektrodenzapfen 225, z. B. dem ersten Elektrodenzapfen 215, verbunden sein, um als ein Anschluss mit derselben Polarität wie die erste Elektrodenplatte 210, z. B. ein positiver Anschluss, zu fungieren. Eine Isolationsdichtung 450 kann die Sicherheitsentlüftung 410, die gedruckte Schaltung 420, den Thermistor 430 sowie die Elektrodenkappe 440 halten und isolieren und sie dabei von dem zylindrischen Gehäuse 300 isolieren.
  • Ein Elektrolyt (nicht gezeigt) zum Erlauben der Bewegung von Ionen in der Elektrodenanordnung 200 kann in das zylindrische Gehäuse 300 injiziert sein. Der Elektrolyt fungiert als Medium zum Übertragen von durch elektrochemische Reaktion in sowohl den positiven als auch den negativen Elektroden während des Entladens und/oder Ladens der Batterie 100 generierten Ionen. Der Elektrolyt kann z. B. ein nichtwässriger organischer Elektrolyt zum Transportieren von Lithiumionen sein, z. B. eine Mischung aus Lithiumsalz und einem hochreinen organischen Lösungsmittel. Der Elektrolyt kann ein Polymer beinhalten.
  • 2A illustriert eine Perspektivansicht eines Mittelstiftes einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, und 2B illustriert eine Querschnittsansicht entlang einer Linie C-C von 2A. Unter Bezug auf 2A und 2B ist der Mittelstift 500 in einem Mittelraum der gewickelten Elektrodenanordnung 200 angeordnet, um Lockerung und Verformung der gewickelten Elektrodenanordnung 200 zu verhindern, welche durch äußeren Druck verursacht werden können. Der Mittelstift 500 kann allgemein röhrenförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Der Mittelstift 500 kann im Wesentlichen hohl sein. Ein Spalt 510 ist entlang einer Länge des Mittelstiftes 500 ausgebildet. Der Spalt 510 ist durch gegenüberliegende Kanten 520 des Mittelstiftes 500 definiert.
  • Obere und untere Enden des Mittelstiftes 500 können verjüngt sein. Das untere Ende des Mittelstiftes 500 kann auf dem zweiten Elektrodenzapfen 225 angeordnet sein. Eine Höhe des Mittelstiftes 500 kann 90 bis 110% der Höhe der Elektrodenanordnung 200 betragen. Wenn die Höhe des Mittelstiftes 500 weniger als 90% der Höhe der Elektrodenanordnung 200 beträgt, kann eine Kraft zum Fixieren und Unterstützen der Elektrodenanordnung 200 schwach sein, wobei, wenn die Höhe des Mittelstiftes 500 mehr als 110% beträgt, der Mittelstift 500 mit Komponenten der Kappenanordnung 300 in Kontakt stehen kann, was unerwünscht sein kann.
  • In der zusammengebauten Batterie 100 können die gegenüberliegenden Kanten 520 des Mittelstiftes 500, die den Spalt 510 definieren, einander über den Spalt 510 hinweg nahe gegenüberstehen, wenn der Mittelstift 500 in der Elektrodenanordnung 200 installiert ist. Die gegenüberliegenden Kanten 520 können durch einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennt bleiben.
  • Wie in 2B gezeigt kann jede der gegenüberliegenden Kanten 520 eine innere Oberfläche 522 des Mittelstiftes 500 mit einer äußeren Oberfläche 523 des Mittelstiftes 500 verbinden. Jede der gegenüberliegenden Kanten 520 kann einen inneren Teil 524 und einen äußeren Teil 525 beinhalten. 2B illustriert gegenüberliegende Kanten 520, die im Wesentlichen flach sind, wobei die gegenüberliegenden Kanten 520 andere geeignete Formen, einschließlich z. B. Kurven, aufweisen können.
  • Ein Bereich des Mittelstiftes 500 in der Nähe der gegenüberliegenden Kanten 520 kann bezüglich des kreisförmigen Querschnittsumrisses des Mittelstiftes 500 abweichen oder nach innen gebogen sein, so dass der Bereich in Richtung der Mitte des Mittelstiftes 500 abgewinkelt ist. In einer Ausführung kann der Mittelstift 500 einen abgeflachten Bereich 530, der nach innen gebogen ist und um den Spalt 510 herum abgeflacht ist, aufweisen, so dass der Querschnitt des Mittelstiftes 500 auf beiden Seiten des Spalts 510 flach ist, wie bei dem unteren Teil von 2B illustriert. Der Bereich muss jedoch nicht flach sein, und andere geeignete Formen können verwendet werden.
  • Eine oder mehrere der gegenüberliegenden Kanten 520, die den Spalt 510 definieren, können geneigt sein. Die Kante 520 kann in Richtung einer äußeren Oberfläche des Mittelstiftes geneigt sein, wie in 2A und 2B illustriert. Wahlweise kann die Kante 520 in Richtung einer inneren Oberfläche des Mittelstiftes (nicht gezeigt) geneigt sein. In einer Ausführung ist jede der gegenüberliegenden Kanten 520 geneigt. Die Neigung der geneigten Oberflächen der gegenüberliegenden Kanten 520 kann bezüglich virtueller Verlängerungslinien festgelegt sein. Die virtuellen Verlängerungslinien können sich in dem Innenraum des Mittelstiftes 500 treffen und bezüglich einander in einem eingeschlossenen Winkel, d. h. einem Kreuzungswinkel, α stehen. Der Kreuzungswinkel α der Verlängerungslinien der gegenüberliegenden Kanten 520 kann größer oder gleich 60° sein.
  • Für jede der gegenüberliegenden Kanten 520 treffen sich die geneigte Oberfläche der Kante 520 und die innere Oberfläche des abgeflachten Bereichs 530, um einen Innenwinkel γ festzulegen. Der Innenwinkel γ kann ein spitzer Winkel sein. In einer Ausführung kann der Innenwinkel γ ungefähr 60° oder weniger sein. In einer Ausführung kann der Innenwinkel γ zwischen ungefähr 45° und ungefähr 60° sein. Für jede der gegenüberliegenden Kanten 520 legen die geneigte Oberfläche der Kante 520 und die äußere Oberfläche des abgeflachten Bereichs 530 außerdem einen Außenwinkel fest. Der Außenwinkel β kann ein stumpfer Winkel sein. In einer Ausführung kann der Außenwinkel β ein Komplementwinkel sein, der größer als oder gleich ungefähr 120° ist.
  • Wie oben beschrieben kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Innenwinkel γ ungefähr 60° oder weniger sein und der Außenwinkel β kann ungefähr 120° oder mehr sein. Entsprechend kann eine zylindrische Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung weniger anfällig für Störungen der Elektrodenanordnung und Kurzschlüsse sein, da der abgeflachte Bereich 530 und die geneigten gegenüberliegenden Kanten 520 des Spalts 510 derart konfiguriert sind, dass sie dem Mittelstift 500 erlauben, sich in Richtung einer vorbestimmten Richtung zu verformen, wenn der Mittelstift 500 durch ein vorbestimmtes Niveau von äußerem Druck verformt wird. Insbesondere kann sich der Mittelstift 500 nach innen in Richtung des innerhalb des Mittelstiftes 500 definierten Raumes verformen. Das heißt, die Verformung kann kontrolliert werden, so dass sie in einer vorbestimmten Richtung erfolgt, d. h. nach innen, womit Verformung nach außen, die sich auf die Elektrodenanordnung 200 schädlich auswirken könnte, verhindert wird.
  • Würden sich die gegenüberliegenden Kanten 520 nach außen biegen, wenn der Mittelstift 500 verformt wird, so könnte ein Teil des Mittelstiftes 500 mit dem Separator 230 der Elektrodenanordnung 200 in Kontakt kommen, wodurch der Separator 230 brechen und einen Kurzschluss erzeugen würde. Insbesondere in dem Fall, in dem sich die gegenüberliegenden Kanten 520 nahe beieinander befinden, können die gegenüberliegenden Kanten 520 miteinander in Kontakt kommen, wenn der Innenwinkel γ größer als 90° ist (und der Außenwinkel β kleiner als 90° ist). Der Kontakt zwischen den gegenüberliegenden Kanten 520 könnte verursachen, dass die Verformung des Mittelstiftes 500 unkontrolliert wird, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens einer Störung der Elektrodenanordnung und eines Kurzschlusses aufgrund von Verformung des Mittelstiftes 500 erhöht wird.
  • Im Gegensatz dazu sind gemäß der vorliegenden Erfindung der abgeflachte Bereich 530 und die gegenüberliegenden Kanten 520 so konfiguriert, dass sie die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kurzschluss aufgrund von Verformung des Mittelstiftes 500 geschieht, reduzieren oder verhindern. Insbesondere in dem Fall, in dem sich die gegenüberliegenden Kanten 520 nahe beieinander befinden, kann Verformung des Mittelstiftes 500 verursachen, dass sich der abgeflachte Bereich 530 nach innen bewegt. Diese Bewegung kann die relative Positionierung der gegenüberliegenden Kanten 520 derart ändern, dass der Kreuzungswinkel α verringert wird. Wenn jedoch der Innenwinkel γ und der Außenwinkel β wie oben dargestellt konfiguriert sind, kann der Kreuzungswinkel α größer als 0° bleiben, so dass die gegenüberliegenden Kanten 520 getrennt bleiben und Kontakt miteinander vermeiden können, wodurch für eine kontrollierte Verformung, die nach innen, von der Elektrodenanordnung 200 hinweg, verformt, gesorgt ist.
  • 3 illustriert ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, und 4A4D illustrieren Stadien in einem Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Unter Bezug auf 3 kann ein Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung Ausbilden der Elektrodenanordnung 200 (S1), Verbinden der Elektrodenanordnung 200 (S2), Einführen des Mittelstiftes 500 (S3), Injizieren von Elektrolyt (S4) sowie Verbinden der Kappenanordnung (S5) beinhalten.
  • Unter Bezug auf 3 und 4A4D wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Batterie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Unter Bezug auf 4A können in Operation S1, Ausbilden der Elektrodenanordnung, die erste Elektrodenplatte 210, der Separator 230 und die zweite Elektrodenplatte 220 in Folge gestapelt werden. Dann kann eine Wickelachse 700 an einem Ende des Stapels befestigt werden, und die Elektrodenanordnung 200 kann in eine zylindrische Form gewickelt werden. Vor dem Wickeln des Stapels können der erste Elektrodenzapfen 215 und der zweite Elektrodenzapfen 225 an der ersten Elektrodenplatte 210 beziehungsweise der zweiten Elektrodenplatte 220 befestigt werden.
  • Unter Bezug auf 4B kann in Operation S2, Verbinden der Elektrodenanordnung, die Elektrodenanordnung 200 mit dem zylindrischen Gehäuse 300 verbunden werden. Das zylindrische Gehäuse 300 kann zuerst mit der unteren Isolationsplatte 245 (nicht in 4B gezeigt) ausgestattet worden sein. Nach Verbinden der Elektrodenanordnung 200 mit dem zylindrischen Gehäuse 300 kann die Wickelachse 700 von der Elektrodenanordnung 200 getrennt werden. Es wird angemerkt, dass die Wickelachse 700 getrennt werden kann, bevor die Elektrodenanordnung 200 mit dem zylindrischen Gehäuse 300 verbunden wird, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese bestimmte Operationenfolge beschränkt. Das Entfernen der Wickelachse 700 kann einen zylindrischen Raum in der Mitte der Elektrodenanordnung 200 hinterlassen.
  • Unter Bezug auf 4C kann in Operation S3, Einführen des Mittelstiftes, der Mittelstift 500 in den Mittelraum der Elektrodenanordnung, der nach Trennen der Wickelachse 700 geblieben ist, eingeführt werden. Vor dem Einführen des Mittelstiftes 500 kann der erste Elektrodenzapfen 215 oder der zweite Elektrodenzapfen 225 (z. B. der zweite Elektrodenzapfen 225), der zuvor mit der Elektrodenanordnung 200 befestigt worden sein kann, mit der unteren Oberfläche 320 des zylindrischen Gehäuses 300 z. B. durch Schweißen oder dergleichen verbunden werden. Daher kann, wie in 1B gezeigt, der Mittelstift 500 auf dem zweiten Elektrodenzapfen 225 angeordnet werden und kann mit ihm in Kontakt sein. Außerdem kann der Mittelstift 500 dazu dienen, die Verbindung zwischen dem zweiten Elektrodenzapfen 225 und dem zylindrischen Gehäuse 300 zu verstärken. Wie oben beschrieben kann die Höhe des Mittelstiftes 500 ungefähr 90–110% der Höhe der Elektrodenanordnung 200 betragen.
  • In Operation S4, Injizieren von Elektrolyt, kann der Elektrolyt in die Elektrodenanordnung 200 injiziert werden, bis das Niveau des injizierten Elektrolyten das obere Ende der Elektrodenanordnung 200 erreicht. Der Elektrolyt erlaubt die Bewegung von Ionen in der Elektrodenanordnung 200, d. h. zwischen der ersten Elektrodenplatte 210 und der zweiten Elektrodenplatte 220, während des Entladens und/oder Ladens der Batterie 100.
  • Unter Bezug auf 4D kann in Operation S5, Verbinden der Kappenanordnung, die Kappenanordnung 400, die eine Vielzahl von Komponenten beinhalten kann, mit dem oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 300 verbunden werden, so dass sich die Elektrodenanordnung 200, der Mittelstift 500 und der Elektrolyt nicht von der Batterie 100 abtrennen beziehungsweise aus dieser auslaufen.
  • Insbesondere kann eine Isolationsdichtung 450, z. B. eine ringförmige Dichtung, mit dem oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 300 verbunden werden. Dann können ein leitende Sicherheitsentlüftung 410, eine gedruckte Schaltung 420, ein Thermistor 430 sowie eine Elektrodenkappe 440 in Folge installiert werden. Die leitende Sicherheitsentlüftung 410 kann elektrisch mit dem ersten Elektrodenzapfen 215 oder dem zweiten Elektrodenzapfen 225 (z. B. dem ersten Elektrodenzapfen 215) verbunden sein, der zuvor mit der Elektrodenanordnung 200 verbunden worden sein kann.
  • Anschließend kann ein nach innen herausragender unterer gewalzter Teil 340, der nach innen herausragt und dem unteren Teil der Isolationsdichtung 450 entspricht, durch z. B. Walzen eines Teils des zylindrischen Gehäuses 300 gebildet werden, und ein oberer gewalzter Teil 330 an dem oberen Ende des zylindrischen Gehäuses 300 kann durch z. B. Falzen gebildet werden, so dass die Kappenanordnung 400 fest ist und nicht leicht von dem zylindrischen Gehäuse 300 abgetrennt wird.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden hierin offenbart, und obwohl bestimmte Begriffe verwendet werden, werden sie lediglich in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn verwendet und sollen in diesem Sinn und nicht zum Zweck der Einschränkung interpretiert werden. Entsprechend wird der Durchschnittsfachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne von dem in den folgenden Patentansprüchen dargelegten Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (17)

  1. Zylindrische Batterie, umfassend: eine gewickelte Elektrodenanordnung; und einen in einem Mittelraum der Elektrodenanordnung angeordneten Mittelstift, wobei der Mittelstift einen Spalt entlang seiner Länge aufweist und der Spalt durch gegenüberliegende Kanten des Mittelstiftes definiert ist, wobei mindestens eine der gegenüberliegenden Kanten geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine gegenüberliegende Kante in Richtung einer äußeren Oberfläche des Mittelstiftes geneigt ist.
  2. Zylindrische Batterie nach Anspruch 1, wobei jede der gegenüberliegenden Kanten geneigt ist.
  3. Zylindrische Batterie nach Anspruch 2, wobei virtuelle Verlängerungslinien, die sich von den geneigten Oberflächen zweier gegenüberliegender Kanten erstrecken, sich in einem Innenraum des Mittelstiftes kreuzen, und ein Kreuzungswinkel zwischen den Verlängerungslinien größer oder gleich 60° ist.
  4. Zylindrische Batterie nach Anspruch 1, wobei ein Bereich des Mittelstiftes, der an den Spalt angrenzt, bezüglich eines kreisförmigen Querschnittsumrisses des Mittelstiftes nach innen abweicht.
  5. Zylindrische Batterie nach Anspruch 4, wobei der Bereich des Mittelstiftes, der an den Zwischenraum angrenzt, im Wesentlichen flach ist.
  6. Zylindrische Batterie nach Anspruch 5, wobei der Zwischenraum in dem im Wesentlichen flachen Bereich zentriert ist.
  7. Zylindrische Batterie nach Anspruch 4, wobei ein durch einen Schnitt einer äußeren Oberfläche des nach innen abweichenden Bereichs mit einer Oberfläche der mindestens einen geneigten gegenüberliegenden Kante definierter Winkel größer oder gleich 120° ist.
  8. Zylindrische Batterie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Höhe des Mittelstiftes 90 bis 110% einer Höhe der Elektrodenanordnung beträgt.
  9. Zylindrische Batterie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Enden des Mittelstiftes verjüngt sind.
  10. Zylindrische Batterie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zylindrische Batterie eine zylindrische Lithium-Sekundärbatterie ist.
  11. Zylindrische Batterie nach Anspruch 1, wobei die gewickelte Elektrodenanordnung eine erste Elektrodenplatte, eine zweite Elektrodenplatte und einen zwischen den ersten und zweiten Elektrodenplatten eingefügten Separator beinhaltet und die gewickelte Elektrodenanordnung in einer Spirale gewickelt ist, und der Mittelstift gegen eine Oberfläche der zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist.
  12. Zylindrische Batterie nach Anspruch 1, wobei der Mittelstift röhrenförmig ist.
  13. Zylindrische Batterie nach Anspruch 12, wobei der spitze Winkel kleiner oder gleich 60° ist.
  14. Zylindrische Batterie nach Anspruch 12, wobei der spitze Winkel innerhalb einer Spanne von 45° bis 60° liegt.
  15. Zylindrische Batterie nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei ein Bereich des Mittelstiftes, der an den Spalt angrenzt, bezüglich eines kreisförmigen Querschnittsumrisses des Mittelstiftes nach innen gebogen ist.
  16. Zylindrische Batterie nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der gebogene Bereich flach ist.
  17. Zylindrische Batterie nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Zwischenraum in dem flachen Bereich zentriert ist.
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