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CN111630679A - 圆柱形锂离子二次电池 - Google Patents

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CN111630679A
CN111630679A CN201780098162.5A CN201780098162A CN111630679A CN 111630679 A CN111630679 A CN 111630679A CN 201780098162 A CN201780098162 A CN 201780098162A CN 111630679 A CN111630679 A CN 111630679A
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plate
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金大奎
高诚贵
金神中
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Samsung SDI Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种圆柱形锂离子二次电池，当圆柱形罐的上端被夹紧时，该圆柱形锂离子二次电池可以防止盖组件的变形以提高安全性。例如，公开了一种圆柱形锂离子二次电池，该电池包括：圆柱形罐；电极组件，收纳在圆柱形罐中；以及盖组件，用于密封圆柱形罐，其中：盖组件包括具有在其上形成有凹口的顶板、紧贴顶板的下表面设置并且包括穿过其中心形成的第一通孔的支撑板以及与电极组件电连接并且穿过第一通孔连接到顶板的下表面的底板；并且支撑板具有比顶板的强度大的强度。

Description

圆柱形锂离子二次电池
技术领域
本发明涉及一种圆柱形锂离子二次电池。
背景技术
锂离子二次电池由于各种优点(包括高的工作电压、高的每单位重量能量密度等)而被广泛用作便携式电子装置以及混合动力汽车或电动车辆的电源。
锂离子二次电池可以大体上分类为圆柱型二次电池、棱柱型二次电池、袋型二次电池。具体地，圆柱形锂离子二次电池通常包括圆柱形电极组件、结合到电极组件的圆柱形罐、注入到罐中以使锂离子移动的电解质以及结合到罐的一侧以防止电解质泄漏和电极组件分离的盖组件。
发明内容
技术问题
本发明的各个实施例提供了一种圆柱形锂离子二次电池，当圆柱形罐的上端被夹紧时，该圆柱形锂离子二次电池可以防止盖组件的变形，以提高安全性。
技术方案
根据本发明的各种实施例，提供了一种圆柱形锂离子二次电池，所述圆柱形锂离子二次电池包括：圆柱形罐；电极组件，收纳在圆柱形罐中；以及盖组件，用于密封圆柱形罐，其中，盖组件包括其上形成有凹口的顶板、与顶板的下表面紧贴设置并且包括穿过其中心形成的第一通孔的支撑板以及与电极组件电连接并且穿过第一通孔连接到顶板的下表面的底板；其中，支撑板具有比顶板的强度大的强度。
支撑板可以包括其上形成有第一通孔的第一区域、位于第一区域的外侧处并定位为比第一区域低的第二区域以及将第一区域和第二区域彼此连接并包括形成在其上的多个第二通孔的第三区域。
第三区域可以形成为倾斜的，以使当圆柱形罐的上端被夹紧以将盖组件固定到圆柱形罐时产生的应力分散。
环状凹槽可以形成在第二区域上，以使当圆柱形罐的上端被夹紧以将盖组件固定到圆柱形罐时产生的应力分散。
凹槽可以形成为具有支撑板的厚度的5％至20％的深度。
圆柱形锂离子二次电池还可以包括位于支撑板与底板之间并且在中心位置具有与支撑板的第一通孔对应的通孔的绝缘板。
如果圆柱形罐的内部气体压力大于预定工作压力并且小于预定断裂压力，则顶板可以向上凸起变形，顶板可以随后与底板电断开。
如果圆柱形罐的内部气体压力大于预定断裂压力，则顶板的凹口可以断裂。
圆柱形锂离子二次电池还可以包括位于盖组件与圆柱形罐之间并且使盖组件和圆柱形罐彼此绝缘的绝缘垫圈。
发明的有益效果
如上所述，根据本发明的各个实施例的圆柱形锂离子二次电池包括支撑板，该支撑板具有比顶板的强度大的强度，以缓解当圆柱形罐的上端被夹紧时朝向盖组件的中心产生的应力，从而防止顶板的变形并提高安全性。
根据本发明的各个实施例的圆柱形锂离子二次电池包括支撑板，该支撑板具有阶梯部分以使当圆柱形罐的上端被夹紧时朝向盖组件的中心产生的应力分散，从而防止顶板变形并提高安全性。
根据本发明的各个实施例的圆柱形锂离子二次电池包括支撑板，该支撑板具有凹槽以使当圆柱形罐的上端被夹紧时朝向盖组件的中心产生的应力分散，从而防止顶板变形并提高安全性。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的透视图。
图2是本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的剖视图。
图3是仅示出根据本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的盖组件的放大剖视图。
图4是示出根据本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的支撑板的平面图。
图5是示出根据本发明的实施例的当在圆柱形锂离子二次电池中形成压接部时产生的应力的剖视图。
图6是本发明的另一实施例的圆柱形锂离子二次电池的剖视图。
图7是示出根据本发明的另一实施例的圆柱形锂离子二次电池的支撑板的平面图。
具体实施方式
在下文中，将详细地描述本发明的实施例。
然而，本发明的实施例可以以许多不同的形式修改，并且不应被解释为限于在这里阐述的示例(或示例性)实施例。相反，提供这些示例实施例使得本发明将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员传达本发明的方面和特征。
另外，在附图中，为了简洁和清楚，夸大了各种组件的尺寸或厚度。同样的附图标记始终指代同样的元件。如在这里所使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或更多个的任何组合和所有组合。另外，将理解的是，当元件A被称为“连接到”元件B时，元件A可以直接连接到元件B，或者中间元件C可以存在于元件A与元件B之间，使得元件A和元件B彼此间接地连接。
在这里使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不意图限制发明。如在这里使用的，除非上下文另有清楚的表示，否则单数形式也意图包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，表示存在陈述的特征、数量、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
将理解的是，尽管术语第一、第二等可以在这里用于描述各种构件、元件、区域、层和/或部分，但这些构件、元件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个构件、元件、区域、层和/或部分与另一构件、元件、区域、层和/或部分区分开。因此，例如，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一构件、第一元件、第一区域、第一层和/或第一部分可以被命名为第二构件、第二元件、第二区域、第二层和/或第二部分。
为了易于描述，这里可以使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等的空间相对术语来描述如图中所示的一个元件或特征与另一(另一些)元件或特征的关系。将理解的是，空间相对术语意图包含装置在使用或操作中的除了图中描绘的方位之外的不同方位。例如，如果图中的元件或特征被翻转，则被描述为“在”其他元件或特征“下方”或“之下”的元件随后将被定位为“在”所述其他元件或特征“上”或“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含上方和下方两种方位。
图1是根据本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的透视图。图2是根据本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的剖视图。图3是仅示出根据本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的盖组件的放大剖视图。图4是示出根据本发明的实施例的圆柱形锂离子二次电池的支撑板的平面图。
参照图1至图4，根据实施例的圆柱形锂离子二次电池100包括圆柱形罐110、电极组件120和盖组件140。在一些情况下，圆柱形锂离子二次电池100还可以包括中心销130。
圆柱形罐110包括圆形的底部111和从底部111向上延伸预定长度的侧壁112。在制造二次电池的工艺中，圆柱形罐110的顶部或顶端保持敞开。因此，在组装二次电池的工艺中，电极组件120和中心销130可以与电解质一起置于圆柱形罐110中。圆柱形罐110可以由钢、钢合金、铝、铝合金或它们的等同物制成，但是本发明的实施例不限于此。另外，向内凹陷的卷边部113可以形成在盖组件140下方以防止盖组件140偏离到外部，并且向内弯曲的压接部114可以形成在卷边部113上或上方。
电极组件120容纳在圆柱形罐110内。电极组件120包括涂覆有负极活性物质(例如，石墨或碳)的负极板121、涂覆有正极活性物质(例如，诸如LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4的过渡金属氧化物)的正极板122以及置于负极板121与正极板122之间以在仅允许锂离子移动的同时防止负极板121与正极板122之间短路的隔膜123。负极板121、正极板122和隔膜123被卷绕成大致圆柱形形状或圆柱形构造。这里，负极板121可以由铜(Cu)箔形成，正极板122可以由铝(Al)箔形成，隔膜123可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但是本发明的实施例不限于此。另外，负极接线片124可以被焊接到负极板121以从负极板121向下突出并延伸预定长度，正极接线片125可以被焊接到正极板122以从正极板122向上突出并延伸预定长度，或者反之亦然。另外，负极接线片124可以由镍(Ni)制成，正极接线片125可以由铝(Al)制成，但是本发明的实施例不限于此。
另外，电极组件120的负极接线片124可以被焊接到圆柱形罐110的底部111。因此，圆柱形罐110可以用作负极。在其他实施例中，正极接线片125可以被焊接到圆柱形罐110的底部111。在这些实施例中，圆柱形罐110可以用作正极。
另外，第一绝缘板126可以置于电极组件120与圆柱形罐110的底部111之间，其中，第一绝缘板126结合到圆柱形罐110并且具有形成在其中心处的第一孔126a和形成在第一孔126a附近的第二孔126b。第一绝缘板126可以防止电极组件120电接触圆柱形罐110的底部111。具体地，第一绝缘板126防止电极组件120的正极板122电接触底部111。这里，当在二次电池中，由于异常而产生相对大量的气体时，第一孔126a允许气体经由中心销130快速地向上移动，第二孔126b允许负极接线片124从中穿过以被焊接到底部111。
另外，第二绝缘板127可以置于电极组件120与盖组件140之间，其中，第二绝缘板127结合到圆柱形罐110并且具有形成在其中心处的第一孔127a和形成在第一孔127a周围的多个第二孔127b。第二绝缘板127可以防止电极组件120电接触盖组件140。具体地，第二绝缘板127防止电极组件120的负极板121电接触盖组件140。这里，当在二次电池中，由于异常而产生相对大量的气体时，第一孔127a允许气体快速地移动到盖组件140，第二孔127b允许正极接线片125从中穿过以被焊接到盖组件140。另外，在注入电解质期间，其他的第二孔127b允许电解质快速地流入电极组件120中。
另外，由于第一绝缘板126的第一孔126a的直径和第二绝缘板127的第一孔127a的直径小于中心销130的直径，因此可以防止中心销130由于外部冲击而电接触圆柱形罐110的底部111或盖组件140。
中心销130是中空圆柱形管，并且可以结合到电极组件120的大致中心区域。中心销130可以由钢、钢合金、铝、铝合金或聚对苯二甲酸丁二醇酯制成，但是本发明的实施例不限于此。中心销130可以在二次电池的充电和放电期间抑制电极组件120的变形，并且可以用作二次电池中产生的气体的移动通道。
盖组件140可以包括顶板141、支撑板142、绝缘板143和底板144。
顶板141可以包括基本上平坦的第一表面141a和与第一表面背对的基本上平坦的第二表面(或下表面)141b，并且具体地还可以包括形成在下表面141b上的至少一个凹口141c。凹口141c可以在二次电池的内部气体压力大于预定断裂压力时破裂，从而将二次电池的内部气体快速释放到外部。
另外，顶板141可以包括上区域141d、侧区域141e和下区域141f。上区域141d可以定位在支撑板142上并且可以是基本上平坦的。上区域141d可以用作二次电池的端子，因此可以电连接到外部装置(例如，负载件或充电器)。侧区域141e可以从上区域141d向下弯曲以基本上包围支撑板142的侧部。下区域141f从侧区域141e水平向内弯曲，然后定位在支撑板142的底部。以这样的方式，顶板141可以通过上区域141d、侧区域141e和下区域141f与支撑板142一体地形成。
顶板141可以由例如铝、铝合金或它们的等同物制成，但是本发明的实施例不限于以上材料。因此，由铝制成的汇流条或外部引线可以容易地焊接到顶板141。具体地，顶板141可以由具有第一强度的软铝制成，因此可以在二次电池的内部气体压力大于或等于预定参考压力时破裂。
在一些情况下，顶板141还可以包括形成在上区域141d处的弯曲区域141g。当从下方观看时，弯曲区域141g可以被成形为大致圆环形。作为示例，位于弯曲区域141g的内侧的上区域141d可以定位为比位于弯曲区域141g的外侧的上区域141d高。另外，凹口141c可以形成在位于弯曲区域141g内侧的上区域141d上。
支撑板142可以定位在顶板141下，并且可以包括第一区域142a、第二区域142b和第三区域142c。第一区域142a可以形成在与顶板141的上区域对应的区域处。具体地，第一区域142a紧贴顶板141的位于弯曲区域141g的内侧的上区域141d形成。另外，第一通孔142d大致形成在第一区域142a的中心处。这里，稍后将描述的底板144可以穿过第一通孔142d，然后电连接到顶板141，并且第一通孔142d可以允许内部气体压力直接施加到顶板141。第二区域142b定位在第一区域142a的外侧处并且定位为比第一区域142a低。也就是说，在第一区域142a与第二区域142b之间产生阶梯差。具体地，第二区域142b紧贴位于顶板141的弯曲区域141g的外侧的上区域141d设置。因此，第二区域142b被位于弯曲区域141g的外侧的上区域141d、侧区域141e和下区域141f围绕。第三区域142c位于第一区域142a与第二区域142b之间并且使第一区域142a和第二区域142b彼此连接。另外，第三区域142c可以倾斜(弯曲)以使具有不同高度的第一区域142a和第二区域142b彼此连接。也就是说，第三区域142c被成形为与顶板141的弯曲区域141g对应。如此，支撑板142总体上被构造为与顶板141的下表面141b接触。
另外，第三区域142c可以通过使施加到盖组件140的力(特别当圆柱形罐110的上端被夹紧时朝向盖组件140的中心产生的应力)分散来防止盖组件140的变形。另外，多个第二通孔142e形成在第三区域142c中。这里，第二通孔142e可以允许内部气体压力直接施加到顶板141。例如，形成在顶板141的下表面141b上的凹口141c可以定位在与位于支撑板142的第一通孔142d和每个第二通孔142e之间的第一区域142a对应的区域处，但是本发明的实施例不限于此。
支撑板142可以由铝、铝合金或它们的等同物制成。具体地，支撑板142可以由具有比顶板141的第一强度高的第二强度的刚性铝制成。因此，当外力施加到盖组件140时，特别当圆柱形罐110的上端被夹紧时，支撑板142可以通过支撑顶板141来防止顶板141的变形。
绝缘板143可以定位在支撑板142下方(附接到支撑板142的底部)，并且可以包括定位为与第一通孔142a对应的通孔143a。当从下方观看时，绝缘板143可以成形为具有预定宽度的大致圆环形。另外，绝缘板143用于使支撑板142和底板144彼此绝缘。例如，绝缘板143可以位于支撑板142与底板144之间，并且可以经受超声波焊接，但是本发明的实施例不限于此。
绝缘板143可以由例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯丙烯二烯单体(M类)橡胶(EPDM橡胶)或它们的等同物制成，但是本发明的实施例不限于以上材料。
底板144穿过绝缘板143的通孔143a和支撑板142的第一通孔142a电连接到顶板141，然后附接到绝缘板143。也就是说，底板144可以包括连接(焊接)到顶板141的上区域141d的第一区域144a、从第一区域144a弯曲并穿过支撑板142的第一通孔142a和绝缘板143的通孔143a的第二区域144b以及从第二区域144b弯曲并附接到绝缘板143的第三区域144c。在图3中，未定义的附图标记144e指其中底板144的第一区域144a焊接到顶板141的上区域141d的下表面141b的焊接区域。
这里，正极接线片125可以电连接到底板144的第三区域144c。另外，一个或更多个凹口144d还可以形成在底板144的第一区域144a上。当二次电池的内部气体压力大于预定参考压力时，顶板141可以向上凸起变形，并且凹口144d可以用于使底板144的第一区域144a与第二区域144b电分离。因此，可以阻断顶板141与底板144之间的电流路径。
底板144可以由例如铝、铝合金或它们的等同物制成，因此由铝制成的正极接线片125可以容易地焊接到底板144。
例如，在根据实施例的圆柱形锂离子二次电池100中，当圆柱形罐110的内部气体压力大于预定的第一压力(工作压力)且小于预定的第二压力(断裂压力)时，顶板141可以通过内部气体压力而向上凸起变形，使得顶板141与底板144电断开。另外，在根据实施例的圆柱形锂离子二次电池100中，当圆柱形罐110的内部气体压力大于预定的第二压力(断裂压力)时，形成在顶板141上的凹口141c破裂，存在于二次电池内部的内部气体可以快速释放到外部，从而防止二次电池的爆炸而最终提高安全性。
盖组件140还可以包括使顶板141与圆柱形罐110的侧壁112彼此绝缘的绝缘垫圈145。这里，绝缘垫圈145被构造为基本压缩在卷边部113与压接部114之间，卷边部113和压接部114中的每个形成在圆柱形罐110的侧壁112处。另外，绝缘垫圈145可以基本上包围顶板141的侧区域141e以及位于侧区域141e周围的上区域141d和下区域141f。
另外，将电解质(未示出)注入到圆柱形罐110中，并且允许在充电和放电期间由二次电池中的负极板121和正极板122中的电化学反应产生的锂离子移动。电解质可以是包括锂盐和高纯度有机溶剂的混合物的非水性有机电解质。另外，电解质可以是使用聚合物电解质或固体电解质的聚合物，但本发明的实施例不限于以上电解质。
图5是示出根据本发明的实施例的当在圆柱形锂离子二次电池中形成压接部时产生的应力的剖视图。
如图5中所示，当圆柱形罐110的上端被夹紧以将盖组件140固定到圆柱形罐110时，相对于盖组件140沿向下方向和相对于盖组件140沿向内方向施加力F1。在施加力F1的情况下，朝向盖组件140的中心产生应力F2，导致盖组件140变形，使得盖组件140中心凹陷。因此，圆柱形锂离子二次电池100会遭受组件特性的改变。具体地，顶板141的第一压力(工作压力)和第二压力(断裂压力)可能改变，并且顶板141可能不能在给定压力下适当地工作。
然而，在本发明中，设置具有比顶板141的强度高的强度(也就是说，具有比顶板141的第一强度高的第二强度)的支撑板142，从而缓解当夹紧圆柱形罐110的上端时朝向盖组件140的中心产生的应力。因此，支撑板142可以通过防止顶板141的变形来提高圆柱形锂离子二次电池100的安全性。
另外，由于第三区域142c(其中，由于第一区域142a与第二区域142b之间的高度差而在第三区域142c中产生阶梯差)形成在支撑板142中，所以当圆柱形罐110的上端被夹紧时朝向盖组件140的中心产生的应力可以被分散。因此，支撑板142可以通过防止顶板141的变形来提高圆柱形锂离子二次电池100的安全性。
图6是根据本发明的另一实施例的圆柱形锂离子二次电池的剖视图，图7是示出根据本发明的另一实施例的圆柱形锂离子二次电池的支撑板的平面图。
参照图6和图7，根据另一实施例的圆柱形锂离子二次电池200包括圆柱形罐110、电极组件120和盖组件240。与图5中示出的盖组件140相比，除了支撑板242的构造之外，盖组件240与盖组件140基本上相同。因此，以下描述将仅集中于支撑板242。
支撑板242可以定位在顶板141下，并且可以包括第一区域242a、第二区域242b和第三区域242c。第一区域242a紧贴位于顶板141的弯曲区域141g内侧的上区域141d形成。另外，第一通孔242d大致形成在第一区域242a的中心处。第二区域242b定位在第一区域242a的外侧处并且定位为比第一区域242a低。具体地，第二区域242b紧贴位于顶板141的弯曲区域141g的外侧的上区域141d设置。因此，第二区域242b被位于弯曲区域141g的外侧的上区域141d、侧区域141e和下区域141f围绕。另外，凹槽242f形成在第二区域242b的顶表面上。如图7中所示，凹槽242f以环形形状形成在第二区域242b的顶表面上，并且与形成在顶板141的弯曲区域141g的外侧处的上区域141d接触。当圆柱形罐110的上端被夹紧时，凹槽242f可以用于使朝向盖组件240的中心产生的应力分散。
凹槽242f可以形成为具有支撑板242的厚度的大约5％至大约20％的深度。如果凹槽242f的深度小于支撑板242的厚度的5％，则当圆柱形罐110的上端被夹紧时朝向盖组件240的中心产生的应力可能不能充分地分散。另外，如果凹槽242f的深度大于支撑板242的厚度的20％，则支撑板242可能由于在圆柱形罐110的上端被夹紧时朝向盖组件240的中心产生的应力而容易变形。
虽然已经描述了前述实施例以实践本发明的圆柱形锂离子二次电池，但是这些实施例是为了说明的目的而阐述的，而不用于限制发明。本领域技术人员将容易理解的是，在不脱离如所附权利要求书中限定的发明的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化，并且这样的修改和变化包含在本发明的范围和精神内。

Claims (9)

1.一种圆柱形锂离子二次电池，所述圆柱形锂离子二次电池包括：
圆柱形罐；
电极组件，收纳在圆柱形罐中；以及
盖组件，用于密封圆柱形罐，
其中，盖组件包括：顶板，在顶板上形成有凹口；支撑板，与顶板的下表面紧贴设置并且包括穿过其中心形成的第一通孔；以及底板，与电极组件电连接并且穿过第一通孔连接到顶板的下表面；并且
其中，支撑板具有比顶板的强度大的强度。
2.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，支撑板包括：第一区域，在第一区域上形成有第一通孔；第二区域，位于第一区域的外侧处并定位为比第一区域低；以及第三区域，将第一区域和第二区域彼此连接并包括多个第二通孔，所述多个第二通孔形成在第三区域上。
3.根据权利要求2所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，第三区域形成为倾斜的，以使当圆柱形罐的上端被夹紧以将盖组件固定到圆柱形罐时产生的应力分散。
4.根据权利要求2所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，环状凹槽形成在第二区域上，以使当圆柱形罐的上端被夹紧以将盖组件固定到圆柱形罐时产生的应力分散。
5.根据权利要求4所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，凹槽形成为具有支撑板的厚度的5％至20％的深度。
6.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，所述圆柱形锂离子二次电池还包括绝缘板，所述绝缘板位于支撑板与底板之间并且具有位于中心以与支撑板的第一通孔对应的通孔。
7.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，如果圆柱形罐的内部气体压力大于预定工作压力并且小于预定断裂压力，则顶板向上凸起变形，顶板随后与底板电断开。
8.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其中，如果圆柱形罐的内部气体压力大于预定断裂压力，则顶板的凹口断裂。
9.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，所述圆柱形锂离子二次电池还包括位于盖组件与圆柱形罐之间并且使盖组件和圆柱形罐彼此绝缘的绝缘垫圈。
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