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CN109690820B - 包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法 - Google Patents

包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法 Download PDF

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CN109690820B CN201880003440.9A CN201880003440A CN109690820B CN 109690820 B CN109690820 B CN 109690820B CN 201880003440 A CN201880003440 A CN 201880003440A CN 109690820 B CN109690820 B CN 109690820B
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Abstract

本发明涉及一种包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法，其中包括多个电池单元的电池组被配置成使得通过采用热膨胀带，将在充电/放电过程期间产生的热量以及由此产生的内部气体排放到电池单元的外部。因而，本发明通过排放袋型二次电池中产生的气体可提高袋型二次电池组的安全性。此外，本发明利用二次电池中产生的气体的压力，因而可在不设置单独装置和外部电源的情况下操作。而且，由于具有热膨胀特性的固定单元的配置，本发明可执行反复的气体排放。

Description

包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法
技术领域
本发明一般涉及一种包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法，其中包括多个电池单元的电池组被配置为使得通过采用热膨胀带，将在充电/放电过程期间产生的热量以及由此产生的内部气体排放到电池单元的外部。
背景技术
一般来说，二次电池的代表例包括镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池等。这种二次电池不仅应用于诸如数码相机、P-DVD、MP3P、移动电话、PDA、便携式游戏装置、动力工具、电动自行车等之类的小尺寸产品，而且还应用于诸如电动车辆、混合动力车辆等之类的需要高输出的大尺寸产品、用于存储新的可再生能源和过剩电力的电力存储装置、以及备用电力存储装置。
同时，电动车辆、混合动力车辆、电力存储装置等中使用的大容量电池包括彼此串联和/或并联连接的多个单元电池组件。由彼此连接的多个单元电池构成的电池以电池组形式放置并且重复充电/放电过程，从而必须控制每个单元电池和电池组的状态。
锂二次电池根据形状可制造成各种类型。锂二次电池的代表类型可包括圆柱型(cylindrical type)、棱柱型(prismatic type)、袋型等(pouch type)。特别是，袋型二次电池采用柔性壳体，即袋，因而形状上相对自由。此外，袋型二次电池易于制造且成本低，从而在二次电池工业中越来越流行。
然而，这种袋型二次电池是通过添加有机溶剂和增塑剂来制造的，从而提高输出或容量特性。当袋型二次电池在充电放电过程中被过充电或者由于缺陷而在内部短路时，电池温度快速升高，这导致在电池中产生易燃气体，并且导致其中袋膨胀的膨胀(swelling)现象。为了防止这种膨胀现象，必须适当移除或排放袋中的气体。特别是，正在进行研究以在不给一般电池组的部件增加用于气体排放的额外部件的情况下解决该问题。
注意的是，韩国专利申请公开第10-2016-0095439号(2016年8月11日)公开了一种电池模块，包括：二次电池单元，所述二次电池单元包括以预定间隔水平和垂直布置的多个二次电池，每个二次电池具有电极端子和安全排气孔，电极端子和安全排气孔设置在每个二次电池的一侧；按压板，所述按压板用于以带状围绕二次电池单元的外表面并且以预定压力按压二次电池单元；管道，所述管道与安全排气孔连通并使从安全排气孔排放的气体流到第一位置；和绝缘盖，所述绝缘盖具有结合到绝缘盖以在第一位置处与管道连通的排气孔构件。
注意的是，日本专利申请公开第2011-071097号(2011年4月7日)公开了一种二次电池装置，包括：多个电池单元，每个电池单元具有设置有单元端子的上表面、与上表面相对的下表面、以及将上表面和下表面彼此连接的侧表面；第一支撑框架，所述第一支撑框架具有第一凹部，第一凹部支撑多个电池单元的每一个，多个电池单元布置成使得单元端子布置成直线且位于同一平面上，并且第一凹部与每个电池单元的上表面衔接，第一支撑框架具有使电池单元的单元端子暴露的开口；第二支撑框架，所述第二支撑框架具有第二凹部，第二凹部支撑多个电池单元的每一个并且与每个电池单元的下表面衔接；第三支撑框架，所述第三支撑框架具有支撑每个电池单元的侧表面的圆柱部；与从第一支撑框架的开口暴露的每个电池单元的单元端子电连接的总线；和具有底部和侧壁的外壳，所述底部与支撑多个电池单元的第二支撑框架相对，所述侧壁在底部处竖起并且在围绕第三支撑框架的同时结合至第一支撑框架。
注意的是，日本专利第5993209号(2016年8月26日)公开了一种电池冷却结构，其配置成使得：包括多个单元电池的电池组被容纳在容器中，并且壳体具有将冷却空气引入壳体中的空气入口和排放冷却空气的空气出口，由此通过冷却空气冷却电池组，其中单元电池是锂离子二次电池或镍氢二次电池，并且空气入口或空气出口设置有耐火封闭构件，当起火时，耐火封闭构件热膨胀，从而封闭空气入口或空气出口。耐火封闭构件由包含膨胀起始温度等于或小于270度的膨胀材料的热膨胀耐火树脂材料制成，并且管道构件连接至空气入口或空气出口。耐火封闭构件具有设置成围绕空气入口或空气出口的外周表面的圆柱部，并且耐火封闭构件的圆柱部插置在空气入口或空气出口与管道构件之间。
注意的是，韩国专利申请公开第10-2013-0117637号(2013年10月28日)公开了一种二次电池，包括：具有电极接片的电极组件；附接至电极接片并且具有至少一个引线孔的电极引线；袋状壳体，袋状壳体容纳电极组件，使得电极引线伸出到袋状壳体外部；和密封带，密封带具有形成在与引线孔对应的区域中的排气图案，并且密封带插置在电极引线与袋状壳体的内表面之间。
然而，仍未提出包括热膨胀带并且配置成在不设置单独气体排放装置的情况下有效控制电池单元和电池组的内部温度和气体排放，从而提高电池组的稳定性并提高其充电/放电性能的、安全性提高的电池单元及其制造方法。
相关技术文献
(专利文献0001)韩国专利申请公开第2016-0095439号(2016年8月11日)
(专利文献0002)日本专利申请公开第2011-071097号(2011年4月7日)
(专利文献0003)日本专利第5993209号(2016年8月26日)
(专利文献0004)韩国专利申请公开第2013-0117637号(2013年10月28日)
发明内容
技术问题
因此，考虑到相关技术中产生的上述问题进行了本发明，本发明提供一种包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法，其中设置有能够排放袋型二次电池中产生的气体的装置。
此外，本发明提供一种在制造锂二次电池组的工艺中不设置额外部件的情况下排放电池单元中的气体的制造方法。
此外，本发明提供一种电池单元固定单元，根据袋型锂二次电池的充电/放电性能，该电池单元固定单元对于电池组的温度控制和电池组中产生的气体的排放来说具有物理和化学稳定性。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种制造锂二次电池组的方法，所述方法包括：形成袋型电池单元的第一步骤，所述袋型电池单元配置成通过袋密封电极组件和电解质，并且正极接片和负极接片从所述袋的一侧伸出到所述袋的外部；将所述第一步骤中形成的多个袋型电池单元堆叠的第二步骤；使用固定单元固定所述第二步骤的所述多个袋型电池单元以形成单元模块的第三步骤；和将所述第三步骤中形成的多个单元模块布置在模块壳体中的第四步骤，其中所述固定单元具有当袋型电池单元的温度升高时排放所述袋型电池单元中的气体的功能。
此外，所述固定单元可具有热膨胀特性。
此外，所述固定单元可以是热膨胀聚合物。
此外，所述固定单元可具有条带形状、带形状、管形状和盒形状中的一种或至少两种形状。
此外，可在所述第三步骤中在所述单元模块的表面上形成保护电路或PTC电路。
此外，所述热膨胀聚合物可由选自由PE、PP、PS、PVC、压克力和丁基树脂构成的组中的任意一种组成。
此外，在所述电池单元的温度等于或大于80℃时执行通过所述固定单元排放所述袋型电池单元中的气体的功能。
此外，所述固定单元可由包括膨胀石墨和所述热膨胀聚合物的复合结构构成。
此外，所述固定单元的膨胀压力可为0.2N/mm2至1.5N/mm2。
此外，可提供一种装置，所述装置包括通过所述制造锂二次电池组的方法制造的二次电池。
此外，所述装置可选自由电子装置、电动车辆、混合动力车辆和电力存储装置构成的组。
根据本发明的另一个方面，提供了一种锂二次电池组，包括：袋型电池单元，所述袋型电池单元配置成通过袋密封电极组件和电解质，并且正极接片和负极接片从所述袋的一侧伸出到所述袋的外部；通过堆叠多个袋型电池单元并且使用固定单元固定所述多个袋型电池单元而形成的单元模块；和模块壳体，多个单元模块布置于所述模块壳体中，其中所述固定单元具有当袋型电池单元的温度升高时排放所述袋型电池单元中的气体的功能。
此外，所述固定单元可具有热膨胀特性。
此外，所述固定单元可以是至少一个包括热膨胀石墨的带状条带。
附图说明
图1是显示相关技术中的示例性袋型电极组件的视图。
图2是显示相关技术中的示例性袋型电池单元的视图。
图3是显示示例性袋型电池单元因产生气体而体积膨胀的视图。
图4是显示形成在根据本发明实施方式的固定单元中的膨胀石墨的视图。
图5是显示形成在根据本发明实施方式的带状固定单元中的膨胀石墨的视图。
图6是显示采用双向电极接片并且包括根据本发明实施方式的其中形成有膨胀石墨的固定单元的电极组件的视图。
附图中参考数字的说明
100：电池单元
110：上袋
120：电极组件
121：正极接片
122：负极接片
123：绝缘带
124：正极引线
125：负极引线
126：固定单元
127：膨胀石墨
130：下袋
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式，以使本发明所属领域的普通技术人员能够容易实施本发明。然而，在描述与本发明的示例性实施方式相关的工作原理时，应当注意，当与本发明有关的常规元件的功能和元件的详细描述可能使本发明的主旨不清楚时，将省略这些元件的详细描述。
此外，在整个附图中，相同的参考标记将指代具有相似功能的相似元件。在整个申请中，当描述一个元件连接至另一个元件时，该一个元件可直接连接至该另一个元件或者可通过第三元件间接连接至该另一个元件。此外，当描述一个元件包括另一个元件时，其意味着该一个元件不排除其他元件，而是可包括其他元件，除非有相反描述。
将参照附图结合示例性实施方式详细描述本发明。
提供了一种制造锂二次电池组的方法，所述方法包括：形成袋型电池单元的第一步骤，袋型电池单元配置成通过袋密封电极组件和电解质，并且正极接片和负极接片从袋的一侧伸出到袋的外部；将第一步骤中形成的多个袋型电池单元堆叠(staking)的第二步骤；使用固定单元固定第二步骤的多个袋型电池单元以形成单元模块的第三步骤；将第三步骤中形成的多个单元模块布置在模块壳体中的第四步骤，其中固定单元具有当电池单元的温度升高时排放袋型电池单元中的气体的功能。
根据本发明的包括具有热膨胀特性的固定单元的袋型二次电池包括：一对袋型电池，每个袋型电池都配置成通过袋密封电极组件并且正极接片和负极接片从袋的上侧伸出到外部，该对袋型电池以堆叠方式并行布置；经组装用来密封袋型电池的袋的电池壳体；和并行堆叠的多个袋型电池模块。
每个袋型电池模块都配置成使得袋包围每个袋型电池的电极组件的外表面，因而电极组件被袋密封。此外，延伸到电极组件一侧的正极接片和负极接片伸出到袋的外部。换句话说，袋型电池配置成使得正极接片和负极接片延伸到电极组件一侧，并且袋包围电极组件，以仅密封除正极接片和负极接片之外的电极组件。如上所述配置的一对袋型电池并行堆叠，并且经组装用来密封袋型电池的袋的电池壳体包围袋的外表面。
换句话说，除正极接片和负极接片之外的被袋包围的袋型电池的部分再次被电池壳体包围，以被电池壳体密封。其中，优选的是电池壳体形成为不紧密接触袋，使得在电池壳体中确保预定空间。
袋型电池模块配置成使得正极接片和负极接片伸出到电池壳体外部，并且电极组件被袋密封并且再次被包围袋的外表面的电池壳体密封，因而具有双重密封结构。
其中，袋型电池的电极组件由正极、负极、电解质、以及分离正极和负极的隔膜构成，由此进行充电和放电。正极接片和负极接片传输在放电时从电极组件产生的电流或者在充电时从外部引入的电流。
袋型电池模块配置成使得多个袋型电池模块并行堆叠，并且伸出到电池壳体外部的正极接片和负极接片可配置成使得一个袋型电池模块的一对正极接片结合在一起，并且彼此相邻的袋型电池模块的负极接片结合在一起，因而彼此串联或并联连接。
其中，正极接片和负极接片可通过使用连接器或连接片彼此结合，或者可通过使用激光束焊接或超声波焊接彼此结合。如上所述设置多个袋型电池模块，并且可在每个袋型电池模块的电池壳体的一侧形成气体出口。
此外，固定单元可具有热膨胀特性。
此外，固定单元可以是具有热膨胀特性的有机和/或无机材料。
此外，固定单元可以是具有热膨胀特性的膨胀石墨。
此外，固定单元可以是热膨胀聚合物。
热膨胀聚合物可以是PE、PP、PS、PVC、压克力和丁基树脂中的一种或至少两种聚合物。
表1中示出了所考虑的热膨胀聚合物的物理特性数据。
[表1]
Figure GDA0003151716190000071
此外，固定单元可具有条带形状、带形状、管形状和盒形状中的一种或至少两种形状。
具有条带形状、带形状、管形状和盒形状中的一种或至少两种形状的固定单元可在第三步骤中与堆叠的电池单元接触。
可在与堆叠的电池单元接触的固定单元表面上形成热塑性压敏粘合剂。
热塑性压敏粘合剂可以是选自由PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、尼龙(聚酰胺)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)构成的组中的任意一种。
此外，可在第三步骤中在单元模块的表面上形成保护电路或PTC电路。
此外，热膨胀聚合物可由选自由PE、PP、PS、PVC、压克力和丁基树脂构成的组中的任意一种组成。
此外，在电池单元的温度等于或大于80℃时，优选在电池单元的温度等于或大于150℃时，可执行通过固定单元排放袋型电池单元中的气体的功能。
此外，固定单元可由包括热膨胀聚合物和膨胀石墨的复合结构构成。
此外，固定单元的膨胀压力可以是0.2N/mm2至1.5N/mm2。
当聚合物与金属的重量比超出预定范围时，电池单元的固定功能可丧失或者不会有效地执行气体排放。
此外，可提供一种其中应用了根据上述任一方法的制造锂二次电池组的方法的电子装置。
此外，可提供一种其中应用了根据上述任一方法的制造锂二次电池组的方法的电动车辆。
此外，可提供一种其中应用了根据上述任一方法的制造锂二次电池组的方法的混合动力车辆。
此外，可提供一种其中应用了根据上述任一方法的制造锂二次电池组的方法的电力存储装置。
此外，可提供一种锂二次电池组，包括：袋型电池单元，所述袋型电池单元配置成通过袋密封电极组件和电解质，并且正极接片和负极接片从袋的一侧伸出到袋的外部；通过堆叠多个袋型电池单元并且使用固定单元固定多个袋型电池单元而形成的单元模块；和模块壳体，多个单元模块布置于所述模块壳体中，其中固定单元具有当电池单元的温度升高时排放袋型电池单元中的气体的功能。
此外，固定单元可具有热膨胀特性。
此外，固定单元可以是至少一个由热膨胀聚合物构成的带状条带。
热膨胀聚合物可以是PE、PP、PS、PVC、压克力和丁基树脂中的一种或至少两种聚合物。
固定单元可以是热膨胀金属。
(实施方式)
图4是显示形成在根据本发明实施方式的固定单元中的膨胀石墨的视图。
图5是显示形成在根据本发明实施方式的带状固定单元中的膨胀石墨的视图。
形成在根据本发明实施方式的固定单元中的膨胀石墨可以以各种形状形成。图4显示了其中膨胀石墨均匀分布在整个固定单元中的形状、其中膨胀石墨以条形状横向地形成在特定区域中的形状、以及其中膨胀石墨以条形状斜线地形成在特定区域中的形状。然而，很显然，本发明不限于上述形成形状，只要在二次电池的异常状态中固定单元表现出排放二次电池中产生的气体的效果即可。
形成在根据本发明实施方式的带状固定单元中的膨胀石墨可以以各种形状形成。图5显示了其中膨胀石墨均匀分布在整个固定单元中的形状、其中膨胀石墨以条形状横向地形成在特定区域中的形状、以及其中膨胀石墨以条形状斜线地形成在特定区域中的形状。然而，很显然，本发明不限于上述形成形状，只要在二次电池的异常状态中固定单元表现出防止电流流动的效果即可。
图6是显示采用双向电极接片并且包括根据本发明实施方式的其中形成有膨胀石墨的固定单元的电极组件的视图。很显然，包括固定单元的电极组件还可采用单向电极接片。
尽管上面描述了本发明的示例性实施方式，但这些实施方式仅仅是本发明的示例，本领域技术人员将理解到，在不背离本发明的技术精神的情况下本发明可以以各种形式进行修改。因此，应当基于所附权利要求中的描述而不是任何具体实施方式来确定本发明的范围，其所有等同应当属于本发明的范围。
工业实用性
在根据本发明的包括热膨胀带的安全性提高的电池单元及其制造方法中，可通过排放袋型二次电池中产生的气体提高袋型二次电池组的安全性。
此外，本发明利用二次电池中产生的气体的压力，因而可在不设置单独装置和外部电源的情况下操作。
此外，由于具有热膨胀特性的固定单元的配置，本发明可执行反复的气体排放。
此外，本发明包括将以堆叠方式并行布置的多个袋型电池模块进行固定的固定单元，由此当袋型电池内部短路或过充电时产生可燃气体以及在袋破裂时排出过多可燃气体时，可快速排放可燃气体。因此，可稳定袋型电池模块的温度和电压，由此降低由多个袋型电池单元构成的电池模块起火或爆炸的可能性。

Claims (15)

1.一种制造锂二次电池组的方法，所述方法包括：形成袋型电池单元的第一步骤，所述袋型电池单元配置成通过袋密封电极组件和电解质，并且正极接片和负极接片从所述袋的一侧伸出到所述袋的外部；将所述第一步骤中形成的多个袋型电池单元堆叠的第二步骤；使用固定单元固定所述第二步骤的所述多个袋型电池单元以形成单元模块的第三步骤；和将所述第三步骤中形成的多个单元模块布置在模块壳体中的第四步骤，其中所述固定单元具有当袋型电池单元的温度升高时排放所述袋型电池单元中的气体的功能，其中所述固定单元包括热膨胀石墨。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述固定单元具有热膨胀特性。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述固定单元由包括所述热膨胀石墨和热膨胀聚合物的复合结构构成。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述固定单元具有条带形状、管形状和盒形状中的一种或至少两种形状。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述第三步骤中在所述单元模块的表面上形成保护电路或PTC电路。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述热膨胀聚合物由选自由PE、PP、PS、PVC、压克力和丁基树脂构成的组中的任意一种组成。
7.如权利要求1所述的方法，其中在所述电池单元的温度等于或大于80°C时执行通过所述固定单元排放所述袋型电池单元中的气体的功能。
8.如权利要求3所述的方法，其中所述固定单元的膨胀压力为0.2 N/mm2至1.5N/mm2。
9.一种电子装置，包括通过如权利要求1至8任一项所述的方法制造的二次电池。
10.一种电动车辆，包括通过如权利要求1至8任一项所述的方法制造的二次电池。
11.一种混合动力车辆，包括通过如权利要求1至8任一项所述的方法制造的二次电池。
12.一种电力存储装置，包括通过如权利要求1至8任一项所述的方法制造的二次电池。
13.一种锂二次电池组，包括：
袋型电池单元，所述袋型电池单元配置成通过袋密封电极组件和电解质，并且正极接片和负极接片从所述袋的一侧伸出到所述袋的外部；
通过堆叠多个袋型电池单元并且使用固定单元固定所述多个袋型电池单元而形成的单元模块；和
模块壳体，多个单元模块布置于所述模块壳体中，
其中所述固定单元具有当袋型电池单元的温度升高时排放所述袋型电池单元中的气体的功能，
其中所述固定单元包括热膨胀石墨。
14.如权利要求13所述的锂二次电池组，其中所述固定单元具有热膨胀特性。
15.如权利要求13所述的锂二次电池组，其中所述固定单元是至少一个包括所述热膨胀石墨的条带。
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