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CN114730926A - 配置为能够补充电解质溶液的袋形电池单元 - Google Patents

配置为能够补充电解质溶液的袋形电池单元 Download PDF

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CN114730926A
CN114730926A CN202180006520.1A CN202180006520A CN114730926A CN 114730926 A CN114730926 A CN 114730926A CN 202180006520 A CN202180006520 A CN 202180006520A CN 114730926 A CN114730926 A CN 114730926A
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Abstract

本发明涉及一种袋形电池单元，该袋形电池单元配置为使得补充在袋形电池单元的充电和放电期间耗尽的电解质溶液，从而改善袋形电池单元的寿命特性，其中袋形电池单元包括：由层压片制成的电池壳体；容纳在电池壳体中的电极组件；位于电极组件的外表面上的内袋，内袋中容纳有补充用的电解质溶液；以及穿孔构件，其配置为将内袋穿孔，以排放补充用的电解质溶液，其中当电池壳体中的压力增加时，穿孔构件变形，以排放容纳在内袋中的补充用的电解质溶液。

Description

配置为能够补充电解质溶液的袋形电池单元
技术领域
本申请要求于2020年6月25日提交的韩国专利申请第2020-0077564号的优先权的权益，通过引用将上述专利申请的整个公开内容结合在此。
本发明涉及一种配置为能够补充电解质溶液的袋形电池单元，更具体地，涉及这样一种袋形电池单元，该袋形电池单元配置为能够补充电解质溶液，其中在电池壳体中设置有内袋，在内袋中容纳有补充用的电解质溶液，当需要补充电解质溶液时，给电极组件提供电解质溶液。
背景技术
能够充电和放电的锂二次电池因无需更换电池单元而适于用作内置的电池单元，并且随着其稳定性的快速提高和容量的快速增加已被应用于各种装置。
例如，锂二次电池已经被广泛用作作为小型多功能产品的无线移动装置(wireless mobile device)或穿戴在身体上的可穿戴装置(wearable device)的能源，并且也已被用作提出作为引起空气污染的现有汽油和柴油车辆的替代品的电动车辆和混合电动车辆的能源。
锂二次电池配置为具有电极组件和电解质溶液被容纳在电池壳体中的结构，电极组件包括锂基正极、可逆地发生锂离子的吸留和释放的负极、以及配置为确保正极和负极的绝缘的隔膜，电解质溶液配置为提供锂离子的传输路径。
在锂二次电池的重复充电和放电期间，在电极的表面与电解质溶液之间发生副反应，从而正极和负极的每一个的晶体结构崩塌，电解质溶液耗尽。结果，锂二次电池的寿命降低。
特别是，锂离子的迁移率由于电解质溶液的耗尽而降低，从而电池单元的电阻增加，因此锂二次电池的性能突然劣化。
为了解决该问题，可考虑在锂二次电池的使用过程中额外注入电解质溶液的方法。然而，在拆卸电池单元以便添加电解质溶液的情况下，电极暴露于空气的可能性较高，并且存在难以将拆卸的电池单元再次密封的问题。
作为另一方法，专利文献1公开了一种电子装置以及用于电子装置的模块，该电子装置包括设置在通过堆叠电极层和电解质层而形成的电力产生元件周围的多余电解质溶液支撑部，以便解决由于电极层在充电和放电期间的膨胀和收缩而导致电极表面中的电解质溶液的过量和不足，该模块具有设置在电子装置的表面与壳体之间的空间中的压力传输介质。
在专利文献1中，当电极层膨胀时，压力传输至压力传输介质，当传输至压力传输介质的压力传输至多余电解质溶液支撑部时，容纳在多余电解质溶液支撑部中的电解质溶液被排放。
在专利文献1中，如上所述，作为配置为排放电解质溶液的手段的压力传输介质设置在电极层之间，从而降低了电池的容量。
作为另一示例，专利文献2涉及一种袋形二次电池，该袋形二次电池具有设置在袋形二次电池的内壁处的作为电解质溶液补充构件的气帽，其中，当形成在电池壳体内的气帽破裂时，容纳在气帽中的电解质溶液被排放。
在专利文献2中，单独需要在电池壳体内设置其中容纳有电解质溶液的气帽的工序，从而制造工序复杂。此外，由于气帽配置为容易破裂，从而即使在电解质溶液被耗尽之前气帽也会由于外部冲击而破裂，因此容纳在气帽中的电解质溶液可被排放。因此，难以调节补充电解质溶液的时间点。
因此，高度需要通过设置能够补充在锂二次电池使用期间耗尽的电解质溶液并且能够简化制造工序的结构而能够在增加电池单元寿命的同时防止电池单元的容量降低的技术。
(现有技术文献)
(专利文献1)日本专利申请公开第2013-134878号(2013.07.08)
(专利文献2)韩国专利申请公开第2013-0106796号(2013.09.30)
发明内容
技术问题
鉴于上述问题而做出了本发明，本发明的目的是提供一种袋形电池单元，该袋形电池单元配置为能够补充电解质溶液，以防止由于在袋形电池单元的重复充电和放电期间电解质溶液的耗尽而导致的袋形电池单元寿命降低。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的袋形电池单元包括：由层压片制成的电池壳体；容纳在所述电池壳体中的电极组件；位于所述电极组件的外表面上的内袋，所述内袋中容纳有补充用的电解质溶液；以及穿孔构件，所述穿孔构件配置为将所述内袋穿孔，以排放所述补充用的电解质溶液，其中当所述电池壳体中的压力增加时，所述穿孔构件变形，以排放容纳在所述内袋中的所述补充用的电解质溶液。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述补充用的电解质溶液可不包含成膜添加剂。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述内袋可位于所述电极组件的上表面和下表面中的至少一个上，所述上表面和所述下表面是与所述电极组件的电极板平行的外表面。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述内袋可包括：面向所述电极组件的第一表面；面向所述穿孔构件的第二表面，所述第二表面是与所述第一表面相对的外表面；以及除所述第一表面和所述第二表面之外的侧表面。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述穿孔构件可包括：配置为根据所述电池壳体中的压力产生电压的压电元件；和配置为通过所述压电元件产生的所述电压变形的电活性聚合物(Electroactive polymer，EAP)销。
此外，所述EAP销在正常状态下可以是平面形状，并且当所述电池壳体中的压力增加时，所述EAP销可在朝向所述内袋的方向上弯曲和变形。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述压电元件可以是平板形状，并且所述EAP销可包括：结合至所述压电元件的结合部、和配置为在所述电压增加时变形的变形部。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述变形部可垂直于所述结合部弯曲并且可将所述内袋穿孔。
或者，在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述变形部可垂直于所述内袋的所述侧表面弯曲并且可将所述内袋穿孔。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述穿孔构件可包括连接至单个压电元件的第一EAP销和第二EAP销。
在根据本发明的所述袋形电池单元中，所述内袋可包括彼此分隔开的第一容纳部和第二容纳部，并且配置为将所述第一容纳部穿孔的所述第一EAP销的变形电压与配置为将所述第二容纳部穿孔的所述第二EAP销的变形电压可彼此不同。
此外，本发明提供了一种电池组，所述电池组包括配置为容纳有多个所述袋形电池单元的电池单元堆叠体，其中在所述电池单元堆叠体中相邻的袋形电池单元彼此紧密接触地布置。
技术效果
从以上描述显而易见的是，根据本发明的袋形电池单元配置为具有其中仅当电池壳体中的压力增加时能够补充电解质溶液的结构，因此当初始注入到袋形电池单元中的电解质溶液耗尽并且需要补充电解质溶液时，补充用的电解质溶液可移动至电极组件。
此外，仅与其中容纳有补充用的电解质溶液的内袋一起添加了附接有电活性聚合物的压电元件，从而可将袋形电池单元的总厚度的增加最小化。
此外，由于袋形电池单元彼此紧密接触地设置以构成电池模块或电池组，所以压电元件甚至可由于袋形电池单元中的压力增加而产生电压，因此电活性聚合物可变形并且可将内袋穿孔。
由于如上所述添加了补充用的电解质溶液，所以能够防止由于电解质溶液的耗尽而导致的袋形电池单元的电阻增加，从而能够提供具有改善的循环特性的袋形电池单元。
附图说明
图1是根据本发明的袋形电池单元的分解透视图。
图2是根据第一实施方式的内袋和穿孔构件的透视图。
图3是根据第二实施方式的内袋和穿孔构件的透视图。
图4是根据第三实施方式的内袋和穿孔构件的透视图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明所属领域的普通技术人员能够容易地实现本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明优选实施方式的操作原理时，当在此并入的已知功能和配置的详细描述可能使本发明的主题模糊不清时，将省略对已知功能和配置的详细描述。
此外，整个附图中将使用相同的参考标记来表示执行相似功能或操作的部分。在整个申请中一个部分被称为连接至另一个部分的情况下，该一个部分不仅可直接连接至该另一个部分，而且该一个部分还可经由另外的部分间接连接至该另一个部分。此外，包括某一元件并不意指排除其他元件，而是指可进一步包括其他元件，除非另有说明。
此外，除非特别限制，否则通过限制或添加来体现要素的描述可应用于所有的发明，而且不限于特定的发明。
此外，在本发明的说明书和本申请的权利要求书中，单数形式旨在包括复数形式，除非另有说明。
此外，在本发明的说明书和本申请的权利要求书中，“或”包含“和”，除非另有说明。因此，“包括A或B”是指三种情况，即，包括A的情况、包括B的情况、以及包括A和B的情况。
此外，除非上下文另有明确指示，否则所有数值范围包括最低值、最高值、以及它们之间的所有中间值。
将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1是根据本发明的袋形电池单元的分解透视图。
参照图1，袋形电池单元100配置为使得电极组件120、内袋130和穿孔构件140被容纳在由层压片制成的电池壳体110中。
图1中所示的电池壳体110配置为具有其中上壳体和下壳体彼此分离的结构。或者，可使用配置为具有其中上壳体的一侧的外周和下壳体的一侧的外周彼此连接的结构的一体的电池壳体。
层压片可配置为具有其中外部树脂层、阻挡空气和湿气的金属层、以及可热熔的内部树脂层进行堆叠的结构。
外部树脂层需要表现出对外部环境的耐受性，因此大于预定的拉伸强度和耐候性是必要的。在这方面来说，构成外部涂层的聚合物树脂可包括表现出优异的拉伸强度和耐候性的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、或定向尼龙。
金属层可由铝(Al)或铝合金制成，从而除了表现出防止诸如气体和湿气之类的异物进入或防止电解质溶液泄漏的功能以外，还表现出提高电池壳体的强度的功能。铝合金的示例可包括合金编号8079、1N30、8021、3003、3004、3005、3104和3105。这些材料可单独使用或以其两种或更多种组合的形式使用。
表现出可热熔性(热粘合性)、对电解质溶液具有低吸湿性以便抑制电解质溶液的渗透、并且不会因电解质溶液而膨胀或腐蚀的聚合物树脂可用作内部树脂层。更优选地，内部树脂层由流延聚丙烯(CPP)制成。
图1中所示的电极组件120是配置为具有其中正极板和负极板在之间插置有隔膜的状态下堆叠的结构的堆叠电极组件。然而，根据本发明的电极组件的结构不限于此。电极组件可以是：配置为具有其中多个双电池和/或单电池在被设置在隔离膜上的状态下进行卷绕的结构的堆叠折叠型电极组件；配置为具有其中多个双电池和/或单电池在之间插置有隔膜的状态下进行堆叠的结构的层压堆叠型电极组件；或配置为具有其中正极片和负极片在之间插置有隔膜片的状态下进行卷绕的结构的果冻卷型电极组件。
双电池是配置为具有其中两个正极和一个负极在之间插置有隔膜的状态下进行堆叠的结构的电池单元，或者是配置为具有其中两个负极和一个正极在之间插置有隔膜的状态下进行堆叠的结构的电池单元。单电池是配置为具有其中一个正极和一个负极在之间插置有隔膜的状态下进行堆叠的结构的电池单元。
在根据本发明的袋形电池单元中，当电池壳体中的压力增加时，穿孔构件140弯曲和变形，以排放容纳在内袋130中的补充用的电解质溶液。就是说，优选的是，内袋130和穿孔构件140彼此紧密接触地布置，并且内袋130和电极组件120彼此紧密接触地布置，使得穿孔构件140将内袋130穿孔，从而在朝向电极组件的方向上移动补充用的电解质溶液。
因此，如图1中所示，内袋130可设置在电极组件120的上表面121上，上表面121是与电极组件的电极板平行的外表面。
此外，与图1所示的不同，考虑到补充用的电解质溶液的量，可在电极组件的上表面和下表面中的每一个上设置内袋，并且可在内袋的外表面上设置穿孔构件。
内袋的材料没有特别限制，只要内袋由不与电解质溶液发生化学反应且容易被穿孔构件破坏的材料制成即可。
在弹性材料用作内袋的情况下，由于内袋因其弹力而收缩，所以容纳在内袋中的补充用的电解质溶液可容易排放到外部。此外，当在补充用的电解质溶液被排放之后内袋收缩时，电池壳体中的空白空间增加，从而可减小电池单元中的压力，因此可提高电池单元的安全性。
例如，聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、或聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)可用作内袋的材料。
图2是根据第一实施方式的内袋和穿孔构件的透视图，所述内袋和穿孔构件是图1中所示的内袋和穿孔构件。
与图1一起参照图2，内袋130配置为具有包括面向电极组件120的第一表面131；面向穿孔构件140的第二表面132，第二表面是与第一表面131相对的外表面；以及除第一表面131和第二表面132之外的侧表面133的结构，即，长方体结构。
或者，与图1中所示的不同，第一表面131和第二表面132的每一个可包括弯曲的外周。然而，优选的是，第一表面131和第二表面132的每一个具有使得第一表面131和第二表面132中的每一个表面的外周不会突出超过电极组件的上表面121和下表面中的对应外周的尺寸。
穿孔构件140包括压电元件141和电活性聚合物(Electroactive polymer，EAP)销142。
作为压电元件141的示例，可使用选自由晶体、电气石和罗谢尔盐构成的群组中的至少一种。当压电元件被施加压力时，机械能可转换为电能，从而可产生电压。
EAP销是由电活性聚合物(EAP)制成的销，电活性聚合物具有当在其中流动电流时收缩的特性。EAP销可通过压电元件产生的电压变形。
在一具体示例中，电池壳体可由于在袋形电池单元使用期间出现的发热现象和气体产生现象而膨胀，从而电池壳体中的压力可增加。当压电元件被电池壳体中增加的压力按压时，压电元件可产生电压。由于压电元件电连接(未示出)至EAP销，所以EAP销可变形。
具体地，参照图2，压电元件141是平板形状并且设置成使得压电元件的与内袋130的第二表面132面对的整个部分紧密地接触第二表面132。因此，不仅由于电极与电解质溶液之间的副反应而产生的气体的压力、而且由膨胀的电极组件所施加的压力都经由内袋130传输至压电元件141并且用作推动压电元件141的外力。
在一具体示例中，可制造包括电池单元堆叠体的电池组，电池单元堆叠体配置为在其中容纳有多个根据本发明的袋形电池单元并且使相邻的袋形电池单元彼此紧密接触地布置。
通常，在袋形电池单元中的初始电解质溶液耗尽并且需要补充电解质溶液的情况下，袋形电池单元中的压力是电池单元中的初始压力的几倍以上。
由于在电池单元堆叠体中袋形电池单元彼此紧密接触地布置，所以限制了电池壳体的膨胀，从而因电池壳体中所产生的气体而导致在电池壳体中增加的压力用作按压压电元件的力。
因此，压电元件可被施加足以使压电元件产生电压的压力，并且EAP销通过压电元件产生的电压而变形，从而在内袋中形成通孔。
EAP销变形并将内袋穿孔而形成通孔。容纳在内袋中的电解质溶液通过通孔移动至电极组件，从而实现电解质溶液的补充。
在正常状态下，EAP销142是平面形状。当电池壳体中的压力增加时，EAP销可在朝向内袋130的方向上弯曲和变形。EAP销142包括：结合至压电元件141的结合部142a、和配置为在产生电压时变形的变形部142b。
当变形部142b垂直于结合部142a弯曲时，变形部142b将内袋130的第二表面132穿孔，从而在第二表面132中形成通孔。因此，容纳在内袋130中的补充用的电解质溶液可通过通孔在朝向电极组件的方向上被排放。
然而，为了防止由于变形部142b的变形而损坏电极组件，优选的是，变形部的长度形成为比内袋的厚度小。
图2示出了两个EAP销设置在压电元件141的相对两侧端部的结构。或者，单个EAP销可结合至压电元件，或者三个或更多个EAP销可结合至压电元件，以便快速排放补充用的电解质溶液。然而，考虑到给电极组件的整个部分快速提供补充用的电解质溶液的目的，优选多个EAP销彼此分隔开设置在压电元件的不同外周。
图3是根据第二实施方式的内袋和穿孔构件的透视图。
参照图3，压电元件241是平板形状并且设置成使得压电元件的与内袋230的第二表面232面对的整个部分紧密地接触第二表面232。
EAP销242包括：结合至压电元件241的结合部242a、和配置为在产生电压时变形的变形部242b。
对于图3的EAP销242来说，在正常状态下，结合部242a位于平板形状的压电元件241的上表面，变形部242b位于压电元件241的侧表面以及内袋230的侧表面233上。当压电元件被施加压力并且产生电压时，变形部242b垂直于内袋230的侧表面233弯曲并且将第三表面233穿孔。因此，变形部变形以使得在第三表面233中形成通孔。变形部变形的状态由虚线表示。
在使用配置为使得变形部242b设置成将内袋230的侧表面233穿孔的EAP销242的情况下，其优点在于，即使EAP销242又尖又长从而将内袋完全穿孔，电极组件也不会被弯曲和变形的EAP销242损坏。
就是说，在使用图3中所示的EAP销242的情况下，变形部可比图2中所示的EAP销142的变形部长，从而可快速执行在内袋中形成通孔的工序，并且由于内袋的侧表面被穿孔，所以可在提高安全性的情况下执行注入补充用的电解质溶液的工序。
图4是根据第三实施方式的内袋和穿孔构件的透视图。
参照图4，内袋330包括彼此分隔开的第一容纳部351和第二容纳部352。因此，即使在通过第一EAP销361在第一容纳部351中形成通孔并且从第一容纳部351排放补充用的电解质溶液的情况下，第二容纳部352也可保持在不从其排放补充用的电解质溶液的状态。另一方面，即使在通过第二EAP销362在第二容纳部352中形成通孔并且从第二容纳部352排放补充用的电解质溶液的情况下，第一容纳部351也可保持在不从其排放补充用的电解质溶液的状态。就是说，第一容纳部351和第二容纳部352中的任一个容纳部的电解质溶液泄露不影响另一个容纳部。
就是说，第一EAP销361和第二EAP销362可设置为具有不同的变形电压，使得从第一容纳部和第二容纳部依次排放电解质溶液。
例如，可使用具有不同变形电压的材料制造第一EAP销和第二EAP销。或者，与第一EAP销结合的压电元件和与第二EAP销结合的压电元件可配置为彼此分离。
如上所述，由于单独执行两次电解质溶液的补充，所以可进一步改善袋形电池单元的寿命特性。
在一具体示例中，根据本发明的袋形电池单元配置为使得初始注入的电解质溶液包括成膜添加剂，因此在正极的表面上形成膜。然而，在所添加的补充用的电解质溶液包括成膜添加剂的情况下，形成另外的膜，从而袋形电池单元的电阻会增加。因此，优选的是，补充用的电解质溶液不包含成膜添加剂。
本发明所属领域的技术人员将理解，可基于上述描述在本发明的范畴内做出各种应用和修改。
(参考标号说明)
100：袋形电池单元
110：电池壳体
120：电极组件
121：电极组件的上表面
130、230、330：内袋
131：第一表面
132、232：第二表面
133、233：侧表面
140：穿孔构件
141、241：压电元件
142、242：电活性聚合物(EAP)销
142a、242a：结合部
142b、242b：变形部
351：第一容纳部
352：第二容纳部
361：第一EAP销
362：第二EAP销。
工业实用性
从以上描述显而易见的是，根据本发明的袋形电池单元配置为具有其中仅当电池壳体中的压力增加时能够补充电解质溶液的结构，因此当初始注入到袋形电池单元中的电解质溶液耗尽并且需要补充电解质溶液时，补充用的电解质溶液可移动至电极组件。
此外，仅与其中容纳有补充用的电解质溶液的内袋一起添加了附接有电活性聚合物的压电元件，从而可将袋形电池单元的总厚度的增加最小化。
此外，由于袋形电池单元彼此紧密接触地设置以构成电池模块或电池组，所以压电元件甚至可由于袋形电池单元中的压力增加而产生电压，因此电活性聚合物可变形并且可将内袋穿孔。
因此，通过添加补充用的电解质溶液，能够防止袋形电池单元的电阻增加，从而能够提供具有改善的循环特性的袋形电池单元。

Claims (12)

1.一种袋形电池单元，包括：
由层压片制成的电池壳体；
容纳在所述电池壳体中的电极组件；
位于所述电极组件的外表面上的内袋，所述内袋中容纳有补充用的电解质溶液；以及
穿孔构件，所述穿孔构件配置为将所述内袋穿孔，以排放所述补充用的电解质溶液，
其中当所述电池壳体中的压力增加时，所述穿孔构件变形，以排放容纳在所述内袋中的所述补充用的电解质溶液。
2.根据权利要求1所述的袋形电池单元，其中所述补充用的电解质溶液不包含成膜添加剂。
3.根据权利要求1所述的袋形电池单元，其中所述内袋位于所述电极组件的上表面和下表面中的至少一个上，所述上表面和所述下表面是与所述电极组件的电极板平行的外表面。
4.根据权利要求1所述的袋形电池单元，其中所述内袋包括：
面向所述电极组件的第一表面；
面向所述穿孔构件的第二表面，所述第二表面是与所述第一表面相对的外表面；以及
除所述第一表面和所述第二表面之外的侧表面。
5.根据权利要求4所述的袋形电池单元，其中所述穿孔构件包括：
配置为根据所述电池壳体中的压力产生电压的压电元件；和
配置为通过所述压电元件产生的所述电压变形的电活性聚合物(Electroactivepolymer，EAP)销。
6.根据权利要求5所述的袋形电池单元，其中所述EAP销在正常状态下是平面形状，并且当所述电池壳体中的压力增加时，所述EAP销在朝向所述内袋的方向上弯曲和变形。
7.根据权利要求5所述的袋形电池单元，其中：
所述压电元件是平板形状，并且
所述EAP销包括：结合至所述压电元件的结合部、和配置为在所述电压增加时变形的变形部。
8.根据权利要求7所述的袋形电池单元，其中所述变形部垂直于所述结合部弯曲并且将所述内袋穿孔。
9.根据权利要求7所述的袋形电池单元，其中所述变形部垂直于所述内袋的所述侧表面弯曲并且将所述内袋穿孔。
10.根据权利要求5所述的袋形电池单元，其中所述穿孔构件包括连接至单个压电元件的第一EAP销和第二EAP销。
11.根据权利要求10所述的袋形电池单元，其中：
所述内袋包括彼此分隔开的第一容纳部和第二容纳部，并且
配置为将所述第一容纳部穿孔的所述第一EAP销的变形电压与配置为将所述第二容纳部穿孔的所述第二EAP销的变形电压彼此不同。
12.一种电池组，所述电池组包括配置为容纳有多个根据权利要求1至11中任一项所述的袋形电池单元的电池单元堆叠体，其中在所述电池单元堆叠体中相邻的袋形电池单元彼此紧密接触地布置。
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