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TWI496335B - 階梯狀結構之電池單元 - Google Patents

階梯狀結構之電池單元 Download PDF

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TWI496335B
TWI496335B TW102109877A TW102109877A TWI496335B TW I496335 B TWI496335 B TW I496335B TW 102109877 A TW102109877 A TW 102109877A TW 102109877 A TW102109877 A TW 102109877A TW I496335 B TWI496335 B TW I496335B
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battery case
electrode
electrode group
unit
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TW102109877A
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Young Hun Kim
Sungjin Kwon
Soonho Ahn
Dong-Myung Kim
Ki Woong Kim
Seungmin Ryu
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Lg Chemical Ltd
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Description

階梯狀結構之電池單元
本發明係關於一種電池單元，其係配置以具有一結構，該結構中一電極組係組設於一電池殼體中，該電極組包括夾置於陰極與陽極間之隔離件，其中：該電池殼體，其包括上殼件以及下殼件，該上殼件及/或該下殼件設有容納部，且該電極組係組設於該容納部中；該電極組包括在以平面為基礎之高度方向上堆疊之複數個電極或單位電池，且兩個或以上之該電極或該單位電池具有不同的平面尺寸；以及該電池殼體之該容納部係設置以具有對應於該電極組之外觀之階梯狀結構。
隨著行動裝置的開發增加，且對於該些行動裝置的需求也日益增加，因此對於二次電池的需求亦急劇增加。於上述二次電池之中，鋰二次電池表現出高能量密度及工作電壓，以及優異的充電保持能力及使用壽命特性，已被廣泛地用以作為各種電子產品及行動裝置的能量來源。
根據其外觀，鋰二次電池可分為圓筒狀電池、稜柱狀電池(prismatic battery)、或袋狀電池。根據電解液種 類，鋰二次電池亦可被分類為鋰離子電池、鋰離子聚合物電池、或鋰聚合物電池。
行動裝置微型化是近來的趨勢，因而增加了薄 型化稜柱狀電池或袋狀電池的需求。特別是，因為袋狀電池的形狀很容易改變、製造成本低廉、且重量輕，因此目前的重點聚焦於袋狀電池上。
一般來說，一個袋狀電池係指由包括樹脂層及 金屬層的壓合板所形成的袋狀電池殼體中，包括有電極組及電解液於密封的狀態之下的一種電池。組設於該電池殼體中的該電極組，可以一捲芯(捲繞)式結構、一堆疊式結構、或者一組合式(堆疊/摺疊)結構配置。
圖1係一種習知的包括堆疊式電極組之袋狀二 次電池結構之示意圖。
參照圖1，袋狀二次電池10被配置以具有這樣 的結構：包括陰極、陽極、以及分別設於陰極和陽極之間的隔離件之電極組30，以密封狀態組設於袋狀電池殼體20之中，使得電性連接至電極組30的陰極片31及陽極片32的兩電極引線40及41暴露至外。
該電池殼體20可包括具有凹陷的容納部23之 殼體21，且電極組30係位於容納部23中，並且，蓋板22一體成形地連接至該殼體21。
儘管未示於圖中，該電池殼體可包括具有凹陷 的容納部之下殼件，電極組係位於該容納部中，以及一用於覆蓋該下殼件之上殼件，用以密封該電極組。
該電池殼體20可為由包含組成層壓板最外部 份的外部樹脂層20、用於防止材料滲漏的隔離金屬層20B、以及密封用的內部樹脂層20C之層壓板所組成。
該堆疊式電極組30之陰極片31及陽極片32 可透過焊接分別耦合至電極引線40及41。此外，絕緣膜50可連接至電極引線40及41各自的頂部及底部，以避免熱焊接裝置(圖未示)與電極引線40及41之間發生短路，且當殼體21的上端24及蓋板22的上端利用熱焊接裝置而彼此熱焊接時，達到使電極引線40及41與電池殼體20之間密封的目的。
然而近年來，需要一種新型態的電池，該電池 能夠與薄型設計潮流或其他各種設計趨勢一致。
此外，上述電池係配置為包含具有同樣尺寸或 同樣容量的電極組。因此，考量電池單元的應用裝置設計，為了製造一種具有新穎結構的電池單元，有必要降低電池單元的容量或者改變該裝置的設計以使裝置尺寸增加。
此外，在修改裝置設計的過程中，電性連接複 雜，因此難以製造一種滿足所需條件的電池。
並且，可能也需要根據電極組的形狀製造電池 殼體。
因此，亟需一種可依據電池單元的應用裝置形 狀而使用的電極組以及電池殼體，以及包括其之電池單元。
因此，本發明之目地係為了解決上述及其他仍待解決的技術問題。
具體而言，本發明之目的在於提供一種配置以具有一結構的電池單元，其中該電池單元可被組設於裝置的各種位置之中，從而最大限度地利用該裝置的內部空間，並且配置以具有一結構，其中該電池單元除了可組設於具有矩形外觀的裝置以外，亦可有效地組設於具有各種外觀的裝置之中。
本發明的另一目的在於提供一種電極組以及一電池殼體，其具有適合製造電池單元之結構。
根據本發明一態樣，前述及其他目的可經由提供一種電池單元而完成，其係配置以具有一結構，該結構中一電極組係組設於一電池殼體中，該電極組包括夾置於陰極與陽極間之隔離件，其中，該電池殼體包括上殼件及下殼件，該上殼件及/或該下殼件設有容納部，且該電極組係組設於該容納部中；該電極組包括一個或多個電極組或複合電極組係選自由：包括以平面為基礎之高度方向上堆疊之複數個電極或單位電池之電極組，其中兩個或以上之電極或單位電池具有不同的平面尺寸；包括具有不同半徑或長軸長度之電極輥之捲繞式電極組；複合式電極組，其配置以具有堆疊之捲繞型電極組之結構，捲繞型電極組包含兩個具有不同半徑或長軸長度之電極輥；以及一堆疊及摺疊式電極組，其配置之結構係以於平面為基礎之高度方向上堆疊複數個電極或單位電池，兩個或以上之電極或單 位電池具有不同的平面尺寸，且電極及/或單位電池之主表面與至少一側表面以片狀隔離膜覆蓋所組成之群組。並且，該電池殼體之該容納部係設置以具有對應該電極組外觀之階梯狀結構。
因此，根據本發明之電池，可根據上述的特定 結構進行製造以具有各種不同的容量及尺寸。在電池單元組設於裝置之中的情況下，電池單元可被組設於裝置的各種空間之內，從而最大限度地利用裝置的內部空間。
當堆疊具有不同堆疊面積之n電極組時，該階 梯狀結構可具有n階，其中，n為等於或大於2的自然數，且可根據裝置的容量或該裝置的外部曲率而適當地調整。
包括於電極組中具有不同平面尺寸之電極及/ 或單位電池之數目，可根據待安裝該電池單元的裝置的形狀或所需的容量而靈活地調整。具體而言，該電極組可包括兩個或三個單位電池。或者，該電極組可包括四個或以上的單位電池。
該包括在以平面為基礎之高度方向上堆疊之 複數個電極或單位電池之電極組，兩個或以上之電極組或單位電池具有不同平面尺寸(即：該堆疊式電極組)，其可包括第一電極組，其配置以具有一結構：陰極或陽極板設置於隔離板之間，且堆疊時，該陰極板、該陽極板、以及該隔離板層疊，以使該陰極板或該陽極板以及其中一個隔離板位於該堆疊式電極組的最外側。在此情況下，該堆疊式的電極組可包括一第二電極組，其配置以具有一結構： 當堆疊時，陰極板、陽極板、以及隔離板層疊，使得隔離板位於該堆疊式電極組的最外側。
在此情況下，其中一個隔離板可為一第二隔離 件。
譬如，該第一電極組可被配置以具有一結構： 當依序堆疊時，陰極板、隔離板、陽極板、以及隔離板層疊；或者，當依序堆疊時，陽極板、隔離板、陰極板、以及隔離板層疊。
該堆疊式電極組可包括一第三電極組，其配置 以具有一結構：堆疊時，陰極板、陽極板、以及隔離板層疊，其中，隔離板置於陰極板與陽極板之間，使得陰極板與陽極板位於該堆疊式電極組的最外側。
該堆疊式電極組可配置以具有僅堆疊第一電 極組的結構、僅堆疊第二電極組的結構、僅堆疊第三電極組的結構、僅堆疊第四電極組的結構、或者第一、第二、第三、第四電極組組合在一起的結構。
該第二電極組可堆疊於第一電極組的最上端 或最下端。
僅堆疊第二電極組的結構中，陰極板或陽極板 可設於該第二電極組之間。
一種固定件用以更牢固地保持陰極板、隔離板、 以及該陽極板之堆疊結構，係可應用於該第一電極組至該第四電極組之中。
上述固定件可為不同於第一電極組或第二電 極組之額外的外部元件。該固定件可為一黏著帶或膠帶，以覆蓋部分或全部的各電極組外側。
每個電極組的外側可包括：側面、頂部、前面、 以及每個電極組的後面。
該固定件可以是構成各電極組之隔離板的一 部份。在此情況下，隔離板的頂部可被熱焊接以固定各電極組。然而，本發明並不限於此。
隔離板的端部可延伸使得該隔離板之長度超 過該陰極板與該陽極板的尺寸(即水平長度或垂直長度)。該隔離板的延伸端部可透過熱焊接而與彼此連接。
該固定件可包括所有能固定第一電極組或第 二電極組的元件。
當堆疊式電極組配置以包括第一電極組與第 二電極組時，相較於配置以具有陰極板、陽極板與隔離板簡單堆疊結構之堆疊式電極組，其生產率及產量可獲得改善。
此外，正極板、隔離板以及陽極板係層疊成為 第一電極組的單元，且因此可盡量減少堆疊式電極組中因膨脹而產生的體積增加。
當堆疊式電極組配置以包括第一電極組與第 二電極組時，可避免於折疊製程中所造成的電極組件錯位發生，且可以省略處理設備。此外，可僅使用一疊合機形成第一電極組或第二電極組。此外，可透過簡單堆疊製造該堆疊式電極組。因此，可降低折疊過程中所造成的電極 損壞且電解液的濕潤性亦可獲得提升。此外，單側有機及無機複合隔離件(譬如一安全增強器(SRS))，可用以作為暴露在外的隔離板。電池厚度可因此降低，且同時亦可降低製程成本。
此外，由於具有不同尺寸的電極或單位電池係 垂直地堆疊，可使電池容量增加，且同時因緊密結構而使多餘空間的使用率得以改善。
在一個具體的例子中，兩個或以上的具有不同 平面尺寸的電極或單位電池，係至少下列一者選自各電極或單位電池之：厚度、水平方向之寬度、以及垂直方向之寬度係彼此不同的。
電極或單位電池之間尺寸的差異並無特別限 制。譬如，電極或單位電池可以在各電極或單位電池之至少一選自由：厚度、水平方向之寬度、以及垂直方向之寬度上彼此不同。
於第一實施例中，在該電極或單位電池具有同 樣的水平長度之寬度及垂直長度之寬度的情況下，比較兩電極或單位電池，相對較小的電極或單位電池之厚度可相當於相對較大的電極或單位電池之20%至95%、具體為30%至90%。
於第二實施例中，在該電極或單位電池具有同 樣的厚度及垂直方向之寬度的情況下比較兩電極或單位電池，相對較小的電極或單位電池之水平方向之寬度可相當於該相對較大的電極或單位電池之20%至95%、具體為30% 至90%。
在第三實施例中，在該電極或單位電池具有同 樣的厚度及水平方向之寬度的情況下比較兩電極或單位電池，該相對較小的電極或單位電池之垂直方向之寬度可相當於該相對較大的電極或單位電池之20%至95%、具體為30%至90%。
然而，本案並不限於上述實施例。
在本發明中，各電極或單位電池的「厚度」指 的是每一電極或每一單位電池於電極或單位電池堆疊方向的高度。此外，各電極或單位電池之水平方向的寬度與垂直方向的寬度指的是每一個電極或單位電池，於垂直於該電極或單位電池的堆疊方向的水平長度或垂直長度。
在一具體的實施例中，各單位電池可以是具有 不同種類或同樣種類的電極，其設於一結構之相對側，該結構中一個或以上的陰極以及一個或以上的陽極堆疊，其中隔離件分別設於該陰極與該陽極之間。
在另一個實施例中，單位電池的電極終端可彼 此電性連接。
該單位電池之堆疊結構並無特別限制。譬如， 該單位電池堆疊使得該單位電池的尺寸由電極組的下部至上部遞減。因此，與傳統具有不同尺寸電池堆疊的結構相比，可盡量減少閒置空間，從而增加該電池容量對尺寸的比例。
該單位電池可為，譬如，具有電極組組設於袋 狀殼體中的袋狀電池；然而，本案發明並不限於此。
具體而言，袋狀電池單元可被配置以具有一結 構：電極組組設於由包括一金屬層以及一樹脂層之壓合板所形成的電池殼體之中，以使該電極組連接至自電池殼體向外突出的電極終端。
該電池殼體係製造以具有足夠的可撓性和厚 度以形成階梯狀結構。倘若該電池殼體的厚度太厚，該電池殼體可能在製造階梯狀結構的過程中因缺乏彈性而破損。 除此之外，電池單元的體積和重量也因此增加。另一方面，倘若該電池殼體的厚度太薄，該電池殼體可能因為外部撞擊而容易破損。因此，該電池殼體之厚度可為50至200μm，使階梯狀結構能夠形成於該電池殼體並展現適當的可撓性及耐衝擊性。
組成電池殼體的上殼件與下殼件可為分開的 元件，或者為配置以具有上殼件一端連接至相對應的下殼件一端之單一元件。
該階梯狀結構可透過許多方式形成於該電池 殼體的容納部。譬如，可將該電池殼體插入內部具有階梯狀結構的模具中，並且對該電池殼體施予壓力，而使階梯狀結構形成於電池殼體的容納部。
此外，電極組配置以具有如下之結構：具有不 同尺寸的電極或單位電池堆疊，且可將該結構插入至該電池殼體的容納部中；並且，將真空施加於電池殼體的容納部中使電池殼體的容納部收縮，進而使該階梯狀結構形成 於該電池殼體的容納部。
具體而言，該電極組可被配置以具有複數個電 極或單位電池堆疊的結構。此外，該電極組可為包括具有不同的半徑或長軸長度的兩電極輥的捲繞式電極組。或者，該電極組可被配置以具有層疊兩種或以上具有不同半徑或長軸長度的捲繞式電極組之結構。
該階梯狀結構的形成，係透過將該電極組置於 該電池殼體的容納部中，並且對該容納部施加真空以使該電池殼體收縮變形，使該電池殼體對應於該電極組的外觀。
該施加真空之方法可解決製造新穎的電池殼 體的問題，而無論該電極組設計如何改變，並且能夠抑制局部應力集中現象的發生。
該電池殼體的容納部可形成具有足以容納電 極組的尺寸。舉例來說，在電池殼體的容納部中待形成階梯狀結構的區域，可於垂直方向彎曲以對應該階梯狀結構的形狀。因此，當施加真空時，該容納部的曲面部與電極組緊密地接觸以移除由該容納部之曲面部與該電極組所定義的多餘空間，可最小化經收縮的容納部尺寸。
於一實施例中，該電池殼體的容納部可形成一 半球形狀，該半球狀的形狀包括對應該電極組上端尺寸之一平面部。此時，該容納部的半球形狀區域可變形使階梯狀結構形成於容納部。
於另一實施例中，於該電池殼體的容納部形成 大致對應於電極組外觀的主要階梯狀結構，譬如，透過鑄造然後對該電池殼體施加真空以形成次要階梯狀結構，從而完成該階梯狀結構。上述步驟具有避免電池殼體因施加真空的過程中過度變形所導致的損壞，並且即使電池殼體的厚度厚時，也能簡單地形成階梯狀結構的效果。
另一方面，當該電池殼體的容納部變形以形成 階梯狀結構時，該階梯狀結構係利用具有對應該電極組外觀的階梯狀壓件，藉由對該電池殼體的容納部施壓，然後或同時對電池殼體施加真空以形成該階梯狀結構。當製造過程中使用階梯狀壓件以形成該階梯狀結構時，可降低階梯狀結構形成過程中的缺陷形成率，並且更精準地形成該階梯狀結構。
該電池單元可為一鋰離子電池或一鋰離子聚 合物電池；然而，本發明並不限於此。
根據本發明之電池單元可利用各種不同的製 造方法製得。
第一種製造方法可包括：製造一具有容納部以 容納電極組的電池殼體；在以平面為基礎的高度方向上，堆疊包括兩個或以上之具有不同平面尺寸的電極或單位電池之複數個電極或單位電池，以製造電極組；依序堆疊板狀陰極、板狀隔離件、以及板狀陽極，以使該板狀隔離件分別夾置於該板狀陰極與該板狀陽極之間，並以順時針方向或逆時針方向捲繞該堆疊的一端或是另外一端，以製備包括兩電極輥的捲繞式電極組；依序堆疊板狀陰極、板狀 隔離件、以及板狀陽極使該板狀隔離件分別夾置於該板狀陰極與該板狀陽極之間，捲繞該堆疊的其中一端以製備一捲繞式電極組，並以平面為基準，於一高度方向堆疊兩個或以上之捲繞式電極組以製備複合式電極組；或將一個或以上選自由：陰極板、陽極板、以及一堆疊式電極組的極體排列於一板狀隔離件上，並且捲繞或折疊該板狀隔離件以製備一堆疊及折疊式電極組；將該電極組放置於該電池殼體的容納部之中，且除了電池殼體外圍一側以外，將該電池殼體的外圍密封；並透過該電池殼體未密封的一側將電解液注入，以將電極組浸漬在電解液之中；透過未密封的外圍一側對該電池殼體施加真空，以移除由電池殼體與電極組之間所定義的多餘空間，然後將電池密封。
第二種製造方法可包括：製備一具有容納部以 容納電極組的電池殼體；在以平面為基礎的高度方向上，堆疊複數電極或單位電池以製造電極組，其中包括兩個或以上的電極或單位電池係具有不同平面尺寸；依序堆疊板狀陰極、板狀隔離件、以及板狀陽極，以使該板狀隔離件分別夾置於該板狀陰極與該板狀陽極之間，並以順時針方向或逆時針方向捲繞該堆疊的一端或是另外一端，以製備包括兩電極輥的捲繞式電極組；板狀陰極、板狀隔離件、以及板狀陽極依序堆疊使該板狀隔離件分別夾置於該板狀陰極與該板狀陽極之間，捲繞該堆疊的其中一端以製備一捲繞式電極組，並以平面為基準，於一高度方向堆疊兩個或以上之捲繞式電極組以製備複合式電極組，或將一個或 以上選自由：陰極板、陽極板、以及一堆疊式電極組的極體排列於一板狀隔離件上，並且捲繞或折疊該板狀隔離件以製備一堆疊及折疊式電極組；將該電極組放置於該電池殼體的容納部之中，且除了電池殼體外圍一側以外，將該電池殼體的外圍密封；透過未密封的外圍一側對該電池殼體施加真空，以移除由電池殼體與電極組之間所定義的多餘位置；並透過該電池殼體未密封的一側將電解液注入，以將電極組浸漬在電解液之中；然後將電池密封。
上述電池單元的製造方法可進一步包括將該 電池單元充電和放電一次或以上以活化該電池單元，以及移除電池單元活化過程所產生的氣體，其中，電池單元充電及放電的步驟及移除氣體的步驟可在將電極組浸漬於電解液之步驟後進行。
做為參考，一種鋰二次電池，其利用鋰過渡金 屬氧化物(譬如LiCoO2 )作為陰極活性材料；並以碳作為陽極活性材料。聚烯烴系的多孔隔離件夾置於陽極和陰極之間，以及將包括鋰鹽(譬如LiPF6 )的非水性電解質注入該鋰二次電池之中。以此方式可製造一鋰二次電池。在該鋰二次電池的充電過程中，鋰離子由陰極活性材料釋出並進入陽極的碳層。相反的，在鋰二次電池的放電過程中，鋰離子由陽極的碳層釋出並進入陰極活性材料中。此時，非水電解質作為鋰離子於陽極和陰極間移動的介質。對於鋰二次電池而言，於電池的工作電壓範圍內必須具有基本的穩定性，且必須展現足夠高速的傳輸離子性能。
然而，在電池持續充電和放電的過程中，電解 液係於該陽極活性物質的表面分解，並導致氣體產生。在電池初次充電和放電中，一固體電解質介面(SEI)膜形成於該陽極活性材料的表面以抑制氣體進一步產生。因此，電池單元的活化過程對於產生SEI膜是必須的，且係完成電池單元之前所必須的步驟。
此時，施加真空至容納部以移除由電池殼體與 電極組之間所定義的多餘空間的步驟以及移除氣體的步驟可同時進行。換言之，真空可被施加至該容納部以移除電池活化過程中所產生的氣體，並且同時使電池殼體的容納部變形進而使得階梯狀結構形成於電池殼體的容納部上。 因此，於電池殼體上形成階梯狀結構的步驟可簡單地利用已存在的程序進行，而不需使用額外的設備。
此外，經由該電池殼體外圍未密封的一側施加 真空以移除由電池殼體與電極組之間所定義的多餘空間可包括：利用一具有對應於該電極組外觀的階梯狀壓件，藉由對該電池殼體的容納部施壓，然後或者同時，對該電池殼體施加真空以於電池殼體的容納部上形成該階梯狀結構。 由於於階梯狀結構形成過程中使用該階梯狀壓件，可更精準地形成該階梯狀結構。
根據本發明另一態樣，提供一種具備包括上述 構造的電池以做為能量來源的裝置。該裝置可選自由：一行動電話、一可攜式電腦、一智慧型手機、一平板個人電腦(PC)、一智慧型平板(smart pad)、一輕省筆電(netbook computer)、一輕型電動車(LEV)、一電動汽車、一混合動力電動汽車、一插電式混合動力電動汽車、以及一蓄電裝置。
根據本發明又一態樣，提供一種具備上述構造 的電池單元作為電池單位之電池包(battery pack)，其中該電池單元包括兩個或以上之電池單元。換言之，提供一種電池包，其配置以具有兩個或以上做為電池單位之電池單元，並且彼此以串聯及/或並聯連接之結構。該電池包可用於裝置之中，該裝置係選自由：一行動電話、一可攜式電腦、一智慧型手機、一平板個人電腦(PC)、一智慧型平板(smart pad)、一輕省筆電(netbook computer)、一輕型電動車(LEV)、一電動汽車、一混合動力電動汽車、一插電式混合動力電動汽車、以及一蓄電裝置。
與本發明有關的裝置的結構與製造該裝置的 方法係屬本領域之習知技術，因此，在此省略而不詳細地加以描述。
由上面描述中可清楚知道，根據本發明之電池 單元具有階梯狀結構。因此，能夠容易地固定於裝置的配置空間之中，並最大限度地利用該裝置的內部空間。因此，該具有較大容量的電池可被應用於裝置之中，並能夠進一步地縮小該裝置的尺寸。
此外，無論設計如何變更，由於該電極組及該 電池殼體的結構特性，可簡單地製得所欲的電池單元。
10‧‧‧二次電池
20A‧‧‧外部樹脂層
20B‧‧‧隔離金屬層
20C‧‧‧內部樹脂層
20、21、110、110’、220‧‧‧殼體
22‧‧‧蓋板
23、116、116’‧‧‧容納部
24‧‧‧上端
30、120、212、214、216、300‧‧‧電極組
31‧‧‧陰極片
32‧‧‧陽極片
40、41、130‧‧‧電極引線
50‧‧‧絕緣膜
100、122、124、126、200‧‧‧電池單元
111‧‧‧上殼件
112‧‧‧下殼件
114、114’‧‧‧階梯狀結構
117‧‧‧曲面部
118‧‧‧平面部
119‧‧‧外圍
140‧‧‧多餘空間
270‧‧‧電極終端
S3‧‧‧餘量空間
310、330、410、430‧‧‧隔離板
320‧‧‧陰極板
340、420‧‧‧陽極板
510‧‧‧第一電極組
520‧‧‧第二電極組
T1 、T2 ‧‧‧固定件
L1 、L2 ‧‧‧疊合機
C3 ‧‧‧切割器
a‧‧‧厚度檢測
b‧‧‧視學檢測
c‧‧‧短路檢測
150‧‧‧階梯狀壓件
由下面詳細的敘述及隨附的圖式，可更清楚地 了解本案發明之上述及其他目的、特徵及優點。
圖1係習知電池單元的示意圖。
圖2係根據本發明一實施例之電池單元之平面圖。
圖3係圖2之垂直剖示圖。
圖4係一具有容納部之電池殼體之示意圖。
圖5係在該電池殼體之容納部透過鑄造形成主要階梯狀結構之示意圖。
圖6係電極組其配置以具有不同尺寸的單位電池堆疊之示意圖。
圖7至圖9係使該電池殼體之容納部變形之流程示意圖。
圖10係根據本發明另一實施例之電池單元之示意圖。
圖11係圖10之垂直剖示圖。
圖12係根據本發明一實施例之第一電極組結構示意圖。
圖13係根據本發明一實施例之第二電極組結構示意圖。
圖14係根據本發明一實施例之堆疊式電極組之示意圖。
圖15係圖12之第一電極組之固定結構之示意圖。
圖16係根據本發明一實施例之第一電極組之製程。
圖17係一電極組之示意圖，其配置以具有不同尺寸之電極組堆疊之結構。
在此，本發明的示例性實施例將參考附圖詳細 描述如下。然而，應理解該示例性實施例並非意圖用以限制本案發明之範圍。
圖2係根據本發明一實施例之電池單元之平面 圖，且圖3係圖2之垂直剖示圖。
參照圖2和圖3，電池單元100係配置以具有 一結構：電極組120係組設於由壓合板所形成的袋狀電池殼體110中，且電極引線130電性連接至該電極組120並自該電池殼體110向外突出。該電池殼體110包括上殼件111及下殼件112。該上殼件111提供一容納部116，且該電極組120組設於該容納部之中。
該電極組120係配置以具有一結構：以平面為 基準，於高度方向層疊具有不同尺寸的複數個單位電池122、124、及126。該電池殼體110的容納部係配置以形成有階梯狀結構，得以對應至該單位電池122、124、及126堆疊結構的外型。
具有上述結構的電池單元100可被製造以具有 多種容量及尺寸。此外，該具有上述結構的電池單元100可簡易地組設在習知電池難以組設於其中的空間內。此外，根據一裝置的內部結構，具有上述結構的電池單元100可組設於一有限的位置之內並具有較大的容量。因此可最大限度地利用該裝置的內部結構。
圖4係一具有容納部之電池殼體之示意圖，圖 5係在該電池殼體之容納部透過鑄造形成主要階梯狀結構 之示意圖，且圖6係電極組其配置以具有不同尺寸的單位電池堆疊之示意圖。
首先，參見圖4及圖6，該電極組120係配置以具有一結構：單位電池122、124、及126層疊，使單位電池122、124、及126的尺寸由該電極組120的底部往頂部遞減。該電池殼體110的容納部116具有足夠的尺寸以容納包括有單位電池122、124、及126層疊的電極組120。該容納部116具有一曲面部117，其係階梯狀結構將形成之處。換言之，容納部116係形成為半球狀的形狀，且該對應於電極組上端尺寸的平面部係形成於容納部116的上端。
參照圖5及6，電池殼體110’之容納部116’具有約略對應於該電極組外觀的階梯狀結構114’。該階梯狀結構114’係經由鑄造成型。電池殼體110’之階梯狀結構114’具有足夠的尺寸以容納電極組120。於隨後施加真空的程序中，多餘空間可被移除，且因此該階梯狀結構以更緊密地與電極組120接觸的方式形成。
圖7至9係電池殼體容納部變形的流程示意圖。
參見圖6、7及圖4、6，該電極組120係組設於該電池殼體110的容納部116之中，且該電池殼體110的外圍119，除了外圍119的一側以外，其餘均透過熱焊接密封。接著，透過該電池殼體110之外圍119未密封一側施加真空以移除由該電池殼體110之容納部116以及該電極組120之間所定義的多餘空間140。施加真空的過程中，該容 納部116的曲面部117與電極組120接觸。因此，階梯狀結構114形成於該容納部116上，使該階梯狀結構114對應至該由具有不同尺寸的單位電池所組成之堆疊結構的外觀。
電池殼體110的容納部116包括平面部118以及曲面部117，其中，平面部118係對應位於電極組120的底部的該單位電池的尺寸，而曲面部117係階梯狀結構114形成之處。
同時，電池單元100的製造過程中可包括：將電極組120置於電池殼體110中，並將電解液注入電池殼體110中以將該電極組120浸漬於電解液之中，充電並放電該電池單元100一次或以上以活化該電池單元100，並移除電池單元100活化過程中所產生的氣體。該移除氣體的過程，與施加真空於容納部116以移除由該電池殼體110與電極組120之間所定義之多餘空間140以形成階梯狀結構114的過程，兩者可同時進行以提高製造效率。
同時，圖8係利用階梯狀壓件以形成階梯狀結構的製程的示意圖。
參照圖8與圖9，當經由該電池殼體110之外圍119未密封之一側施加真空以移除由電池殼體110與電極組120之間所定義的多餘空間140，利用具有對應於電極組120外觀結構的階梯狀壓件150對該電池殼體110之容納部116施壓。隨後，或者同一時間，施加真空至該電池殼體110中以形成該階梯狀結構114。由於在階梯狀結構114形成過程中使用該階梯狀壓件150，因此可更準確地形成階梯狀結 構114。
圖10係根據本發明另一實施例之電池單元之透視圖，且圖11係圖10的垂直剖視圖。
參照圖10及圖11，電池單元200係配置以具有一結構：不同長度AL、BL、及CL及不同容量的電極組212、214、及216係垂直堆疊並組設於電池殼體220之中。同時，該垂直堆疊係配置以使該垂直堆疊結構的厚度朝電極終端270增加，其中電極終端270係自電池殼體220向外突出。
同時，該電極組212、214、及216的容量係正比於產品的長度AL、BL、CL，高度AH-BH、BH-CH、及CH，以及該電極組212、214、及216的寬度(圖未示)。
該電池單元200的上述結構中，餘量空間S3係形成於由不同尺寸的電極組212、214、及216所構成的堆疊的右上端。該餘量空間S3係與電極組212、214、及216的長度、高度、和寬度成反比。
上述的空間係提供以應付各種情況，譬如裝置中用於裝設電池單元200的不規則的內部空間，或是與裝置的其他部分互相干擾。此外，堆疊厚度增加的方向及程度可根據周長或不同的情況而靈活地改變。
如圖12所示，該第一電極組係配置以具有依序層疊隔離板310、陰極板320、隔離板330、以及陽極板340之結構。
如圖13所示，該第二電極組係配置以具有依 序層疊隔離板410、陽極板420、隔離板430之結構。
圖14係一堆疊式電極組，其配置以具有一結構：其中圖13之該第二電極組係堆疊於由該第一電極組所組成的該第一電極組堆疊結構之最上端，該第一電極組其中一者係如圖12所示。
圖15係於圖12之第一電極組添加固定件T1 之實施例。具體而言，該固定件T1 係加入該第一電極組300的側面或前面。
為了確保一簡單堆疊結構的堆疊穩定性，可增加額外的固定件至該堆疊結構的側面以固定該堆疊結構。該固定件可透過將膠帶T1 圍繞於如圖15(a)所示的第一電極組300之全表面而獲得實現。或者，如圖15(b)所示，該固定件亦可透過將固定件T2 僅固定電極組300各側而獲得實現。
圖16係根據本發明製造該第一電極組的製程的示意圖。
如圖16所示，該用於隔離板310、陰極板320、隔離板330、以及陽極板340的材料同時加載(使用片狀加載裝置)。用於陰極板320的材料係用以作為中層，且被切割為所設計的尺寸，然後被加載至L1 與L2 疊合機上。接著，用於隔離板310、330的材料，其係設置於陽極板320材料的上方及下方，亦同時被加載至L1 與L2 疊合機上。在此同時，用於陽極板340的材料被加載至L1 與L2 疊合機上。
接著，L1 與L2 疊合機形成一結構本體，其中兩 個電極板與兩個隔離板係透過熱及壓力彼此層疊(即第一電極組)。隨後，切割器C3 將結構本體切割成複數個第一電極組。之後，可針對每一個第一電極組進行各種檢查，譬如厚度檢測(a)、視學檢測(b)、以及短路檢測(c)。
隨後，每一個如上所述之第一電極組係利用固 定件固定，且該第一電極組係堆疊以組成一結構體，故其中有堆疊之第一電極組。接著，如圖13所示之第二電極組堆疊於該結構體上，並且利用固定件將該第二電極組與該結構體固定，進而完成堆疊式電極組。
圖17係電極組500配置以使具有不同尺寸的 電極組堆疊之結構之示意圖。參照圖17，該第一電極組510相較於該第二電極組520具有較大的平面尺寸。該第二電極組係堆疊於該第一電極組上以形成階梯狀結構。
雖然為了展示目的公開了本發明示例性實施例，本領域具有通常知識者在不脫離本發明揭露於隨附的申請專利範圍之範圍和精神的情況下，可對本發明進行各種修改、添加及替換。
100‧‧‧電池單元
110‧‧‧殼體
130‧‧‧電極引線

Claims (20)

  1. 一種電池單元，其係配置以具有一結構，該結構中一電極組係組設於一電池殼體中，該電極組包括夾置於一陰極與一陽極間之一隔離件，其中：該電池殼體，其包括一上殼件以及一下殼件，該上殼件及/或該下殼件設有一容納部，且該電極組係組設於該容納部中；該電極組，其包括在以平面為基礎之高度方向上堆疊之複數個電極或單位電池，且兩個或以上之該電極或該單位電池具有不同的平面尺寸；以及該電池殼體之該容納部係設置以具有對應於該電極組之外觀之階梯狀結構，其中，該階梯狀結構係藉由施加一真空至該電池殼體中使該電池殼體變形，以使該電池殼體對應該電極組之外觀，而且該階梯狀結構係利用具有對應該電極組之外觀之階梯狀壓件，對該電池殼體之該容納部施壓而形成，然後施加一真空至該電池殼體中使該電池殼體變形，以使得該電池殼體對應該電極組之外觀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中，該兩個或以上之具有不同平面尺寸的電極或電池單元，係至少一選自於各電極或各電池單元之厚度、水平方向寬度、以及垂直方向寬度上之不同。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中，各單位電池具有不同種類或同種類的電極，其係位於一結構之相 對側，其中該結構中一個或以上之陰極及一個或以上之陽極堆疊且其中分別於該陰極與該陽極間設有一隔離件。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之單位電池，其中，該單位電池的電極終端間係彼此電性連接。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中，該單位電池係堆疊以使該單位電池的尺寸由該電極組之一底部至一頂部遞減。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中，該電池殼體係由包括一金屬層及一樹脂層之一壓合板所形成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中，該電池殼體之厚度係50μm至200μm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中，在施加該真空以前，該電池殼體之該容納部之待形成該階梯狀結構之一區域係於垂直方向彎曲以對應該階梯狀結構之形狀。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電池單元，其中，該電池殼體之該容納部係形成於一半球形狀，其包括對應該電極組之上端尺寸之一平面部。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中，主要階梯狀結構係於施加該真空前，透過鑄造形成於該電池殼體之該容納部上，然後施加一真空至該電池殼體中使該電池殼體變形，以使該電池殼體對應該電極組之外觀而形成次要階梯狀結構。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電池單元，其中該電池單元係一鋰離子電池或一鋰離子聚合物電池。
  12. 一種用於製造具有階梯狀結構之電池單元之製備方法，該方法包括：製造具有一容納部之一電池殼體，以容納一電極組；以平面為基礎之高度方向上，堆疊包括兩個或以上之具有不同平面尺寸之複數個電極或單位電池，以製備一電極組；將該電極組置於該電池殼體之該容納部中，且將除了該電池殼體外圍之一側以外之其餘外圍密封；將一電解質由該電池殼體之未密封之該外圍之一側注入以使該電極組被該電解液浸漬；經由該電池殼體之未密封之該外圍之一側施加一真空，以移除由該電池殼體與該電極組之間所定義之一多餘空間；以及密封該電池殼體，而且其中，經由該電池殼體之未密封之該外圍之一側施加該真空，以移除由該電池殼體與該電極組之間所定義之該多餘空間之步驟，包括：利用具有對應該電極組之外觀之階梯狀壓件，對該電池殼體之該容納部施壓，並施加一真空至該電池殼體中。
  13. 一種用於製造具有階梯狀結構之電池之製備方法，該方法包括：製造具有一容納部之一電池殼體，以容納一電極組；以平面為基礎之高度方向上，堆疊包括兩個或以上具有不同平面尺寸之複數個電極或單位電池，以製備一電極組； 將該電極組置於該電池殼體之該容納部中，且將除了該電池殼體外圍之一側以外之其餘外圍密封；經由該電池殼體之未密封之該外圍之一側施加一真空，以移除由該電池殼體與該電極組之間所定義之一多餘空間；將一電解質由該電池殼體之未密封之該外圍之一側注入，以使該電極組被該電解液浸漬；以及密封該電池殼體，而且其中，經由該電池殼體之未密封之該外圍之一側施加該真空，以移除由該電池殼體與該電極組之間所定義之該多餘空間之步驟，包括：利用具有對應該電極組之外觀之階梯狀壓件，對該電池殼體之該容納部施壓，並施加一真空至該電池殼體中。
  14. 如申請專利範圍第12或13項所述之製備方法，更包括：將該電池單元充電及放電一次或以上以活化該電池單元；以及，移除該電池單元活化過程中所產生的氣體；其中，該電池單元之充電及放電的步驟以及移除氣體的步驟，係於利用該電解液浸漬該電極組之步驟後進行。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中，該移除氣體的步驟、以及施加該真空以移除由該電池殼體與該電池組之間所定義之該多餘空間之步驟係同時進行。
  16. 一種電池包，其包括如申請專利範圍第1至11項任一項所述之一電池單元作為一電池單位，其中，該電池單元包括兩個或以上之電池單元。
  17. 一種裝置，其包括如申請專利範圍第1至11項任一項所述之一電池單元作為一能量來源。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之裝置，其中，該裝置係選自：一行動電話、一可攜式電腦、一智慧型手機、一平板個人電腦(PC)、一智慧型平板(smart pad)、一輕省筆電(netbook computer)、一輕型電動車(LEV)、一電動汽車、一混合動力電動汽車、一插電式混合動力電動汽車、以及一蓄電裝置。
  19. 一種裝置，其包括如申請專利範圍第16項所述之一電池組作為一能量來源。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之裝置，其中，該裝置係選自：一行動電話、一可攜式電腦、一智慧型手機、一平板個人電腦(PC)、一智慧型平板(smart pad)、一輕省筆電(netbook computer)、一輕型電動車(LEV)、一電動汽車、一混合動力電動汽車、一插電式混合動力電動汽車、以及一蓄電裝置。
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