CN103782436B - 包括绝缘体的二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二次电池，该二次电池具有布置在圆柱形电池壳体中的阳极/分隔物/阴极的结构的凝胶卷状物，其中布置在凝胶卷的顶端上的板状绝缘体包括：开口，该开口穿过绝缘体用于排放气体并且允许电极端子通过；微孔，每个微孔具有允许电解质通过但防止异物通过的尺寸；和突出部，每个突出部具有带状或者珠状，并且在绝缘体的一侧或者两侧上横向地和/或纵向地形成。

Description

包括绝缘体的二次电池

技术领域

本发明涉及一种二次电池。更具体地，本发明涉及一种具有如下结构的二次电池，在该结构中，具有阴极/分隔物/阳极结构的凝胶卷状物（jelly-roll）安装在圆柱形电池壳体中，其中安装在凝胶卷状物的顶部上的板状绝缘体包括使得能够实现气体排放和电极端子穿过的贯穿进口、具有允许电解质溶液渗透但不允许异物渗透的尺寸的多个微孔，和在绝缘体的一个或者两个表面上在横向和/或纵向方向上布置的多个带状或者珠状突起。

背景技术

与移动装置相关的技术的发展和对其需求的增加已经带来了对作为能源的二次电池的需求的快速增加。在二次电池中，具有高能量密度、高驱动电压和优良存储和寿命特性的锂二次电池，广泛地用作包括移动装置的各种电气产品的能源。

根据电池壳体的形状，二次电池可以被划分成分别安装在圆柱形和矩形金属容器中的圆柱形和矩形电池，和安装在由铝层压板制成的袋形壳体中的袋形电池。其中，圆柱形电池具有相对地高容量和优良结构稳定性的优点。安装在电池壳体中的电极组件是具有阴极/分隔物/阳极层叠结构的、使得能够进行充电和放电的电力产生装置，并且被划分成：凝胶卷型，其中该凝胶卷型包括插入在阴极和阳极之间的分隔物的电极组件，阴极和阳极中中的每个由涂覆活性材料的长片材制成，并被卷绕；堆叠型，其中多个阴极和多个阳极按照次序层叠使得分隔物被插入在阴极和阳极之间；和堆叠/折叠型，该堆叠/折叠型是凝胶卷型和堆叠型的组合。其中，凝胶卷型电极组件具有容易制造和单位重量高能量密度的优点。

在这方面，图1示出传统的圆柱形二次电池。在图2和3中的平面视图中示出通常用于圆柱形二次电池的绝缘体。

参考附图，通过在电池壳体130中安装凝胶卷型（卷绕型）电极组件120、将电解质溶液注射到电池壳体130中并且将设置有电极端子（例如，未示出的阴极端子）的帽组件140联接到壳体130的开口顶部而制造柱形二次电池100。

通过在阴极121和阳极122之间插入分隔物123并且将所得的结构卷绕成圆状形状而获得电极组件120。圆柱形中心销150插入到凝胶卷状物的芯部（中心）中。中心销150通常由金属制成以赋予预定强度并且具有圆状弯曲的板材料的中空形圆柱形结构。该中心销150设定并且支撑电极组件并且用作通道，从而使得能够排放在充放电与运行期间由内部反应产生的气体。

另外，板状绝缘体180a安装在电极组件120的顶部上，并且在其中心中设置有进口181a，进口181a与中心销150的通孔151连通，以便排放气体，并且电极组件120的阴极接头142连接到帽组件140的帽板145。

然而，布置在凝胶卷状物的顶部上的绝缘体180a是如下结构，其中，在将电解质溶液注射到电池中的过程中，该结构阻挡电解质溶液通过其渗透到电池中的通道。因此，电解质溶液仅仅通过与中心销150连通的进口181a和排除绝缘体180a之外的区域渗透电池，因此不利地要求用于电解质注射的、长的时间并且因此导致生产效率降低。

为了改善电解质溶液的渗透性，如图3所示，提出了一种具有如下结构的局部连接构件180b，在该结构中，在进口181b周围形成多个通孔182b。

然而，发现该结构在安全性方面存在严重的问题。即，在制造和/或组装帽组件140、电池壳体130等的过程中产生的导电杂质颗粒诸如金属粉末等，通过在绝缘体180b中贯穿的通孔182b渗透到电极组件120中，因此不利地导致短路发生或者电池寿命缩短。

因此，对于在维持电气安全性时增强注射可操作性的二次电池存在增加的需要。

发明内容

技术问题

因此，已经做出本发明以解决尚待解决的以上和其它技术问题。

本发明的一个目的是提供一种能够通过新颖的绝缘体来改善电解质溶液的渗透性和电池的安全性、性能和生产率的二次电池。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种具有如下结构的二次电池，在该结构中，具有阴极/分隔物/阳极结构的凝胶卷状物安装在圆柱形电池壳体中，其中安装在凝胶卷状物的顶部上的板状绝缘体包括：使得能够实现气体排放和电极端子穿过的贯穿进口；具有允许电解质溶液渗透但不允许异物渗透的尺寸的多个微孔；和在绝缘体的一个或者两个表面上、在横向和/或纵向方向上布置的多个带状或者珠状突起。

通常，通过将凝胶卷状物插入到圆柱形罐中，将绝缘体安装在凝胶卷状物的顶部上并且执行卷边工艺以固定凝胶卷状物来制造圆柱形二次电池。通过在使用金属来弯曲圆柱形罐的周边表面时，在纵向方向上施加压力来执行该卷边工艺。在这个工艺中，金属彼此接触从而导致变形并且因此产生了细小金属碎片。当这些细小金属碎片被合并到电池中时，短路发生。因此，绝缘体应该在不允许异物诸如细小金属碎片渗透时，助于电解质溶液的注射。

特别优选地，圆柱形二次电池能够极大地改善可注射性，这是因为如与具有更大直径的传统绝缘体相比，当注射电解质溶液时，通过具有安装在凝胶卷状物的顶部上的结构的绝缘体，它允许电解质溶液在绝缘体的整个表面上渗透，并且能够防止短路。能够从以下描述的试验结果看到这些事实。

可以通过挤压除了突起之外的部分来形成带状或者珠状突起。基于该结构，绝缘体的机械性能能够得以改善。

通常，随着孔隙度增加，绝缘体的密度降低并且机械强度降低。即，电解质溶液的顺利注射与气体排放和机械强度成反比。然而，本发明人证实，通过形成上述突起，能够维持孔隙度并且能够确保所期望的机械强度。而且，能够通过形成突起来改善表面摩擦。即，在制造圆柱形电池的过程中，在安装绝缘体之后固定凝胶卷状物的卷边过程期间，当绝缘体的摩擦力过低时，能够防止绝缘体对在旋转时贯穿的电极端子导致损坏的问题。

任何材料可以用于绝缘体而没有特别的限制，只要它具有绝缘性能，绝缘体可以由电绝缘聚合树脂或者电绝缘聚合物复合材料构成，并且具体地，聚合树脂可以是选自由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚丁烯（PB）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、天然橡胶和合成橡胶组成的组的一种或者多种。

微孔具有提供电绝缘性能、作为绝缘体的固有功能、并且在注射电解质溶液期间允许电解质溶液渗透的尺寸。在优选实施例中，微孔可以具有1μm到100μm的直径。

如本发明人证实的，当孔的尺寸（直径）超过100μm时，由帽组件、电池壳体等产生的细小金属颗粒可以在组装电池的期间通过绝缘体的孔而被结合到凝胶卷状物中，因此不利地导致短路。

在优选实施例中，微孔可以在绝缘体的整个表面上以预定距离彼此间隔开。此处，该距离通常是指在绝缘体上贯穿的微孔之间的距离。通过在绝缘体的整个表面上形成微孔，有利地促进电解质溶液的注射。通过以预定距离形成微孔，能够在绝缘体的整个表面上均匀地维持物理性能。当在特定部分中孔形成簇时，如与其它部分相比，该簇部分不利地具有降低的物理强度。

根据本发明的绝缘体可以具有各种形状。

在一个实施例中，绝缘体包括使用聚合树脂或者聚合物复合材料模制的材料并且可以具有微孔通过所模制材料贯穿的结构（板型体）。

在另一实施例中，绝缘体包括由聚合树脂或者聚合物复合材料制成的长纤维形成微孔的纺织织物。

在另一实施例中，绝缘体包括由聚合树脂或者聚合物复合材料制成的短纤维形成微孔的无纺织物。

如与纺织和无纺织物相比，当微孔在穿过模制材料贯穿时，由于贯穿部分的表面张力和恢复力，电解质溶液的渗透可以是相对不利的并且气体排放劣化。另一方面，纺织和无纺织物不存在由压制片材的成形引起的弯曲现象，因此有利地提高可加工性。

通过针扎或者热熔或者使用粘合剂，短纤维被部分地结合，以形成无纺织物。无纺织物具有纤维随机地缠绕的结构。通过针扎或者热熔或者使用粘合剂，短纤维可以被部分地结合，以便固定缠绕的纤维。

在优选实施例中，突起在横向和纵向方向上彼此交叉以形成方格图案。当突起在一个方向上形成时，根据方向，机械强度可能存在差异。因此，优选地，突起在横向和纵向方向上彼此交叉以形成方格图案。

因此，突起可以具有在绝缘体的整个表面上存在压纹图案的结构。基于压纹图案，机械强度和表面摩擦力能够得以改善。

压纹图案可以具有通过热熔绝缘体的一部分而使非热熔部分形成突起的结构。突起和热熔部分可以是孤立的或者连续的形状。

在具体实施例中，绝缘体包括由短纤维制成的无纺织物，通过热熔结合的部分在绝缘体的整个表面上以预定距离布置，并且未热熔的、具有屏障形状的突起布置在被结合的部分之间。优选地，绝缘体具有0.1mm到0.5mm的厚度。当绝缘体的厚度过小时，绝缘体不能充分地发挥绝缘性，并且另一方面，当厚度过大时，在具有恒定尺寸的电池壳体中引起凝胶卷状物的尺寸减小，并且电池容量不利地减小。

优选地，根据本发明的二次电池可以应用于通过在凝胶卷状物中浸渍含锂电解质溶液来制造的锂二次电池。

本发明还提供一种包括作为电源的二次电池的装置。

优选地，在优良的寿命和安全性方面，根据本发明的装置可以用于移动装置诸如蜂窝式电话和便携式计算机、以及电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和电力存储装置。

附图说明

结合附图，根据以下详细说明，将更清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征和其它优点，其中：

图1是图示圆柱形二次电池的代表性截面的示意性视图；

图2是图示根据一个实施例的、用于图1的二次电池的绝缘体的平面视图；

图3是图示根据另一个实施例的、用于图1的二次电池的绝缘体的平面视图；

图4是图示根据本发明的一个实施例的绝缘体的平面视图；并且

图5是图示根据本发明的一个实施例的绝缘体的透视图。

具体实施方式

现在，将参考以下示例来更详细地描述本发明。这些示例仅仅被提供用于图示本发明而不应该被理解为限制本发明的范围和精神。

图4是示意性地图示根据本发明的一个实施例的绝缘体的平面视图。图5是示意性地图示根据本发明的另一个实施例的绝缘体的透视图。

参考图4、图5和图1，二次电池100具有如下结构，在该结构中具有阴极121/分隔物123/阳极122的结构的凝胶卷状物120安装在圆柱形电池壳体130中，其中绝缘体180安装在凝胶卷状物120的顶部上。

绝缘体180c由具有大约0.4mm的厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）构成，在其一侧处设置有进口181c并且在其整个表面上设置有多个具有10到30μm直径的微孔182c，多个微孔182c以预定距离彼此间隔开。凹陷压纹183的结构在横向和/或纵向方向上布置以形成对应于连续的升高压纹结构的突起。

因此，通过该多个微孔182c，当注射时电解质溶液渗透到绝缘体180c的整个表面中，因此导致可注射性的显著的改善并且防止发生短路。而且，通过基于凹陷压纹183结构形成突起，能够增加绝缘体的机械强度，并且能够由于表面摩擦力的增加而改善可加工性。

现在，将参考以下示例来更详细地描述本发明。这些示例仅仅被提供用于图示本发明而不应该被理解为限制本发明的范围和精神。

[示例1]

如图4中所示，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）片材制造具有0.4mm的厚度的绝缘体，其中具有6mm的宽度和2.5mm的长度的矩形进口在绝缘体的一侧处贯穿，多个具有1到30μm的直径的微孔以大约10到大约30μm的预定距离分散，而凹陷压纹结构形成图案。然后，绝缘体安装在凝胶卷状物的顶部上，在凝胶卷状物中基于中心销卷绕阴极/分隔物/阳极，并且在电池组装过程中产生的细小金属粉末被布置在绝缘体上的状态中制造18650标准（直径18mm、长度65mm）的圆柱形二次电池。

[示例2]

除了制备如下绝缘体之外，以与在示例1中相同的方式制造绝缘体和二次电池，在该绝缘体中，多个具有100μm的直径的微孔在绝缘体的整个表面上以大约120μm的预定距离均匀地分布。

[示例3]

除了替代聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）片材的聚丙烯（PP）片材被用作用于绝缘体的材料之外，以与在示例1中相同的方式制造绝缘体和二次电池。

[示例4]

使用形成15μm的微孔的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纺织织物作为用于绝缘体的材料，来制造具有凹陷压纹图案结构的绝缘体。除了使用用于绝缘体的材料之外，以与在示例1中相同的方式来制造绝缘体和二次电池。

[示例5]

使用形成平均15μm的微孔的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纺织织物作为用于绝缘体的材料，来制造具有凹陷压纹图案结构的绝缘体。除了使用用于绝缘体的材料之外，以与在示例1中相同的方式来制造绝缘体和二次电池。

[对照示例1]

如图2所示，除了不包括多个孔之外，以与在示例1中相同的方式来制造绝缘体和二次电池。

[对照示例2]

如图3所示，除了形成具有2.5mm的直径的三个通孔之外，以与在示例1中相同的方式来制造绝缘体和二次电池。

[对照示例3]

除了具有多个150μm的直径的微孔在绝缘体的整个表面上以大约120μm的预定距离均匀地分布之外，以与在示例1中相同的方式来制造绝缘体和二次电池。

[对照示例4]

除了聚丙烯（PP）替代聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）被用作用于绝缘体的材料之外，以与在对照示例1中相同的方式来制造绝缘体和二次电池。

[对照示例5]

除了不形成微孔的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纺织织物被用作用于绝缘体的材料之外，以与在对照示例1中相同的方式来制造绝缘体和二次电池。

[测试示例1]

在示例1到示例5和对照示例1到对照示例5中制造的二次电池经受电解质溶液浸渍测试。结果在以下表格1中示出。通过将1M LiPF6碳酸盐电解质溶液注射到所制造的圆柱形电池壳体中，测量直至凝胶卷状物的浸渍比率达到100%所用的时间，重复这个过程四次并且计算四个值的平均值来执行电解质溶液浸渍测试。

另外，将帽组件焊接到所制造的二次电池的开口顶部以生产10个样本。样本经受充放电测试并且对于短路进行确认。结果在以下表格1中示出。

[表格1]

如能够从表格1看到的，如与对照示例1到4示例相比，根据本发明的示例1到示例5的电池具有显著缩短的电解质溶液浸渍时间。即，能够看到，通过设置在绝缘体中的多个微孔，电解质溶液被有效地渗透。

如与对照示例1的电池相比，虽然对照示例2的电池表现出改善的浸渍性能，但是表现出增加的短路，对照示例3的电池也表现与示例1和示例2相当的浸渍性能，但是表现更高的短路比率。其原因在于，金属粉末通过相对大的孔渗透，从而在凝胶卷状物中导致短路。

另一方面，如与示例1和示例2的电池相比，对照示例1的电池表现高短路比率，但是如示例1和2示例所示，微孔不在其上安装有对照示例1的电池的绝缘体中贯穿。高短路比率的原因被认为是由于以下事实，即，在示例1和示例2的电池中，当金属粉末被捕获在微孔中时，金属粉末的运动受到抑制，但是，在对照示例1的电池中，金属粉末在绝缘体的光滑表面上自由地移动并且通过进口或绝缘体的周边而移动到凝胶卷状物。

示例3的电池具有与示例1的大体相同的浸渍性能和短路比率，因为它仅在用于片材的材料方面不同于示例1的材料。

而且，看到的是，如与对照示例1、4或者5的电池相比，因为在织物结构中形成微孔而不单独形成微孔，所以使用粗糙的纺织和无纺织物的示例4和示例5的电池能够显著缩短电解质溶液浸渍时间。

同时，对照示例5的电池使用不形成微孔的纺织织物，因此如与使用PET片材的对照示例1相比表现稍微改善的浸渍时间，但是如与示例相比表现劣化的浸渍性能。

工业实用性

如从前述显见的，根据本发明的二次电池包括在其整个表面上设置有微孔并且包括突起的绝缘体，因此有利地使得能够实现电解质溶液在防止短路的同时在绝缘体的整个表面上渗透，并且因此最终极大地改善电池的安全性、性能和寿命。

虽然已经为了示意性目的而公开了本发明的优选实施例，但是对本领域技术人员而言应该理解的是，在不脱离如在所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，能够得到各种变型、添加和替代。

Claims (13)

1.一种二次电池，所述二次电池具有如下结构，即：在所述结构中，具有阴极/分隔物/阳极结构的凝胶卷状物安装在圆柱形电池壳体中，其中安装在所述凝胶卷状物的顶部上的板状绝缘体包括：

贯穿的进口，所述进口能够使气体排放以及使电极端子穿过；

多个微孔，所述微孔具有允许电解质溶液渗透但不允许异物渗透的尺寸；和

多个带状或者珠状突起，所述突起在所述绝缘体的一个或者两个表面上沿横向方向和/或纵向方向布置，

其中，所述微孔具有1μm到100μm的尺寸，并且所述微孔在所述绝缘体的整个表面上以预定距离分散，并且

其中，所述突起在横向方向和纵向方向上彼此交叉以形成方格图案。

2.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘体由电绝缘聚合树脂或者电绝缘聚合物复合材料构成。

3.根据权利要求2所述的二次电池，其中，所述聚合树脂是选自以下组中的一种或者多种：聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、天然橡胶和合成橡胶。

4.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘体包括使用聚合树脂或者聚合物复合材料模制的材料，并且具有微孔贯穿所模制材料的结构。

5.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘体包括纺织织物，在所述纺织织物中，由聚合树脂或者聚合物复合材料制成的长纤维形成微孔。

6.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘体包括无纺织物，在所述无纺织物中，由聚合树脂或者聚合物复合材料制成的短纤维形成微孔。

7.根据权利要求6所述的二次电池，其中，通过针扎或热熔或者使用粘合剂，所述短纤维被部分地结合以形成无纺织物。

8.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述突起在所述绝缘体的整个表面上形成压纹图案。

9.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘体包括由短纤维制成的无纺织物，通过热熔结合的部分在所述绝缘体的整个表面上以预定距离布置，并且未被热熔的、具有屏障形状的突起布置在所述结合的部分之间。

10.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘体具有0.1mm到0.5mm的厚度。

11.根据权利要求1所述的二次电池，其中，所述电池是锂二次电池。

12.一种装置，所述装置包括作为电源的根据权利要求1到11中的任一项所述的二次电池。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置选自蜂窝式电话、便携式计算机、电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和用于电力存储的装置。