專利名稱：處理電化學(xué)電池上的接觸引線從而實現(xiàn)密封性改善的方法和由此所得的密封電化學(xué)電池的制作方法
本申請要求1999年3月22申請的US．序號No．60／125638，題為“A Methodto Treat Tabs for Hermetic Sealing of Electrochemical Cells in Plastic Bags”的申請為優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明涉及制備電化學(xué)電池的接觸引線的經(jīng)濟方法和由此得到的電池。本發(fā)明尤其涉及處理電化學(xué)電池上的金屬接觸接頭以及此后把所述電池封裝在最后閉合密封件中的方法，從而得到制造成本低廉、具有最佳密封性的小型電池。
電化學(xué)電池代表可充電電池技術(shù)中的現(xiàn)有技術(shù)狀況。這種電池經(jīng)常封裝在可充電聚合物電池組件中。該電池組件利用本領(lǐng)域公知的預(yù)定分子式的離子導(dǎo)體來提供高能量密度、高性能可靠性和延長的儲藏壽命。對滿足小型電子設(shè)備中電池尺寸減小和形狀要求的電化學(xué)電池可實現(xiàn)極大降低電池的重量。當進行高速率循環(huán)、機械沖撞、熱沖擊、振蕩、過電壓、低電壓、短路、自動電池充電、釘滲透(nail penetration)和高壓力實驗時，這些電池所表現(xiàn)的結(jié)果優(yōu)良。這些性能使電化學(xué)電池更為廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括移動電話、尋呼機、折疊式計算機、手提終端和無繩通訊設(shè)備。在此討論的情況下，術(shù)語“電池(battery)”和“電池(cell)”可互換使用。
密封性也是電化學(xué)電池特別重要的一項性能?，F(xiàn)有技術(shù)認為密封電池保持其制造的氣密狀態(tài)極為重要，甚至在長期儲存或使用之后也是如此。傳統(tǒng)電池技術(shù)常利用金屬外殼以得到足夠的剛性和密封性。在具有金屬外殼的電化學(xué)電池中，提供密封的一種方法是在外殼中焊接密封元件。然而，與焊接相鄰的外殼將熱量傳到所含的電解質(zhì)中，不可避免地導(dǎo)致電解質(zhì)蒸發(fā)。當這些氣體從電池外殼逸出時，在焊接處留下針孔，這危及整個電池結(jié)構(gòu)的密封性。因此，在金屬外殼上簡單地焊接密封不能足以確保氣密封性。此外，盡管金屬外殼結(jié)構(gòu)本質(zhì)上堅固，但仍有許多缺陷，包括過重以及結(jié)構(gòu)限制(即只能限定如柱形和長方形的簡單幾何形狀構(gòu)成)。
然而，通過采用如多層塑料密封盒的最終閉合密封元件來充當電池外殼，可克服這些缺點以及相關(guān)缺點。在電化學(xué)電池中電極與隔板的粘結(jié)消除了對堅固電池外殼的要求，從而極大降低了電池重量。因此，電化學(xué)電池可封裝在薄且柔的多層盒中，其重量降低而且可形成最小厚度的多個幾何體。近年來這種密封元件的使用已較流行，用于如聚合物電解質(zhì)基鋰或鋰離子電池的電化學(xué)電池，類似于在此引用作為參考的U．S．專利申請No．09／405200所述。
電化學(xué)電池的多層封裝一般包括最后一層薄金屬箔如鋁，以提供氧氣和水分阻擋層。然后箔層一般密封在如尼龍或聚酯的聚合物材料片和如聚乙烯的低溫聚烯層之間，聚合物材料片具有優(yōu)良的機械完整性，低溫聚烯層用于熱密封以便形成疊層。當給出足夠?qū)挾葧r，在整個延長時間期限期間這種聚合物層的結(jié)合可提供密封。
以這種方法實現(xiàn)密封性受到對盒內(nèi)電池經(jīng)過通常為金屬接點形式的接觸引線電連接到外部接點的要求限制。接點將電流傳送到電池的正極端和負極端，并從正極端和負極端流出。為使粘合牢固，通常在高溫和高壓下完成塑料密封盒的封裝。因此，限定接點厚度以使熱密封層沿接點周圍流動，產(chǎn)生氣密封。當進行電化學(xué)電池的封裝時，高溫和高壓可導(dǎo)致封裝材料的變形以及金屬接點穿透粘合層。因此，接點延伸到封裝外并經(jīng)過密封區(qū)，結(jié)果減弱了一般為密封特征的強且均勻的粘合／粘接。因此，各個接點之間和接點與金屬箔疊層之間的無意識電短路仍是主要問題。
因此，希望提供確保密封性的改進工藝，從而防止損害電池性能和使用者安全性的電池退化。
本發(fā)明的目的是提供制造電化學(xué)電池的改進方法。
本發(fā)明的另一目的是提供電化學(xué)電池的改進密封，從而實現(xiàn)電解質(zhì)和接點的密封性。
本發(fā)明的再一目的是改進電化學(xué)電池設(shè)計的適應(yīng)性。
本發(fā)明的還一目的是增強電化學(xué)電池的密封性并提供小型電池結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的還一目的是為容納小尺寸塞孔的電化學(xué)電池提供低分布密封，并改善電池外觀。
本發(fā)明的還一目的是提供一種方法，通過該方法可加強金屬與粘合層的粘接以便塑料電池外殼的密封。
本發(fā)明的還一目的是研制適合于高速自動化的快速和便宜的密封方法。
為有效實現(xiàn)這些和其它目的，本發(fā)明提供密封電化學(xué)電池的方法。在所公開的方法中，粘合組分的涂層涂覆在外金屬接點上，外金屬接點充當從電池到電池安放在其中的設(shè)備的接觸引線。粘合層涂覆并密封接點表面。通過在接點表面上直接熱封接粘合膜可完成涂覆過程。另一方面，可將粘合組分的懸浮水液噴射在接點表面上，或者接點可在組分中輥涂，之后進行熱處理，使得粘合層熔化并流動。此后涂覆過的接點焊接到金屬箔形式的對應(yīng)集電體上。整個電池組件熱密封在最終閉合密封元件內(nèi)，從而密封接點延伸過整個組件。


圖1表示用最終閉合密封元件密封之前的本發(fā)明工藝的電化學(xué)電池示意圖。
圖2表示在密封最終閉合密封元件之后的圖1的電化學(xué)電池的金屬接點。
本發(fā)明涉及密封電化學(xué)電池組件及其制造方法。該組件由多個電池組成，電池具有金屬接點形式的接觸引線，金屬接點由此延伸用于在電池與將電池裝在其中的設(shè)備之間傳送電流。每個金屬接點由相對平面來確定，平面中的一個或兩個上有粘合組分的涂層，用于密封接點。之后與處理過的接點一起把電池用最終閉合密封元件密封，從而熱密封塑料電池外殼，將電化學(xué)電池密封在其中。
現(xiàn)參考圖1-2，其中相同元件用相同標號表示，提供本發(fā)明的電化學(xué)電池組件10，包括一個電化學(xué)電池12，電化學(xué)電池12具有多個雙電池14。雙電池14可以以單獨、鄰接的室制備，其中多個陽極、陰極和隔板元件進行熱層壓并切割。在將元件切割成單個電池之后，電池插入室中，然后密封該室。另一方面，電池12可裝在Z-形支管內(nèi)，其中每個雙電池14包括插在一對充當基底的平面隔板膜之間的預(yù)定形狀和尺寸的陽極。在未與陽極接觸的每個隔板膜的表面上，陰極位于其上，從而與對應(yīng)的陽極重疊對正。之后在由雙電池之間的空間確定的雙電池界面上進行疊合，隔板膜連接相互重疊對正的相鄰雙電池。后一實施例還在登記為U．S．專利申請No．09／405200中進一步描述，并在此引用作為參考。
電化學(xué)電池電組件10還包括最終閉合密封元件，在此塑料電池外殼16所際。電池外殼16包括相互重疊對正的上密封層16a和下密封層16b。如圖2所示，密封元件16包含用于沿密封緣17密封電化學(xué)電池12的疊層型結(jié)構(gòu)。具體所示，上密封層16a和下密封層16b中每個最少包含三層。聚合物蓋18和18’由具有優(yōu)良機械完整性的聚合物組成，例如聚酯或尼龍，用于絕緣保護以及氣密封電化學(xué)電池組件10。金屬層20和20’由輕質(zhì)材料如鋁制備，從而提供額外的水分密封阻擋層。為附加密封性提供粘合層22和22’并相互熱封接到預(yù)定寬度。然而，粘合層22和22’的材料組分根據(jù)制造及性能要求而改變，這里所用的所需材料的例子包括聚烯烴如聚乙烯、聚乙烯異丁烯酸酯的離子鍵樹脂如Surlyn(DuPont公司的注冊商標)或?qū)訅赫澈蟿┤鏏dcote(Morton International的注冊商標)。盡管有包括每個密封層16a和16b的三個特征層，應(yīng)理解密封元件16的結(jié)構(gòu)只用來說明，層的總數(shù)可根據(jù)電池制造者的需要和電池的最終用途而變化。例如，可具有粘合層與金屬層之間的層，以及金屬與聚合物層之間的層，從而改善層間粘接。
如上所述，在柔性塑料電池外殼如密封元件16內(nèi)密封電化學(xué)電池的固有問題在于對接觸引線的需要，接觸引線形成電池12與將電池裝在其中的設(shè)備之間的電連接。該接觸引線通常采用金屬接點如鋁接點30和銅接點30’的形式。接點30和30’由金屬制備，與電池12的陽極和陰極電連接。因此接點30和30’充當粘合層22和22’之間的阻擋層，并防止其間形成最優(yōu)氣密封。為使該問題得到緩和，本發(fā)明包含在密封密封元件16之前預(yù)處理金屬接點30和30’。
現(xiàn)描述電池組件10的制備。
如下方式制備用于密封的金屬接點30和30’。用預(yù)選的溶劑如丙酮清洗接點30和30’，從而去除并處理掉接點表面上的油或碎屑。干燥接點，之后用熱封接的粘合材料如聚乙烯或其它聚烯烴、Surlyn、Adcote或其它可與用于制備密封元件16的材料密封匹配的材料涂覆?？赏ㄟ^浸涂、噴涂、輥涂、刷涂或任何其它常用涂覆工藝涂覆涂層。然后干燥接點30和30’，放置在烘箱中以熔化粘合層。粘合層流動并均勻潤濕，涂覆在金屬接點的表面上，形成強的金屬-粘合層粘接。然后將每個接點焊接到對應(yīng)的集電體上并熱密封在密封元件16內(nèi)。該密封給電池12提供尺寸降低的美觀外形，并且不妨礙電池12插入塞孔中，其中利用空間非常重要。
如下例子提供了完成上述工藝的說明。應(yīng)理解這些例子只說明了該公開預(yù)料的材料結(jié)合的類型，而未限定在密封電化學(xué)電池制備中的應(yīng)用。
例子1用丙酮或類似溶劑清洗厚度50m的鋁箔集電體，去除其表面上的任何處理油，然后干燥。利用噴槍和EAA粘合劑的懸浮水液，對鋁接點涂覆5m粘合層。然后鋁接點放置在約250℃的烘箱中并燒結(jié)約5分鐘。該熱處理使得EAA熔化并流動，從而均勻覆蓋鋁接點表面。然后將鋁接點焊接到電池的鋁柵板。以相同方法處理銅接點，并焊接到電池的銅箔集電體上，從而形成電極疊層。然后電極疊層放置在塑料密封盒內(nèi)部。沿疊層周圍在約130℃溫度和約10psi的壓力下熱密封該盒。該密封是氣密的并可承受高溫儲存而不泄漏。
例子2用丙酮清洗厚度50m的鋁箔集電體，去除其表面上的任何處理油，然后干燥。利用50％的Adcote(Morton Intemational的注冊商標)和50％的乙醇的混合物，然后輥涂覆鋁接點。然后鋁接點放置在約250℃的烘箱中并燒結(jié)約5分鐘。該熱處理使得EAA熔化并流動，從而均勻覆蓋鋁接點表面。然后將鋁接點焊接到電池的鋁柵板。以相同方法處理銅接點，并焊接到電池的銅箔集電體上，從而形成電極疊層。然后電極疊層放置在塑料密封盒內(nèi)部。沿疊層周圍在約130℃溫度和約10psi的壓力下熱密封該盒。
本發(fā)明工藝中采用的密封可實現(xiàn)氣密封，而同時可承受高溫儲存而不泄漏。由于許多應(yīng)用需要對本發(fā)明的電池頻繁充電，電池容易在電池供電的設(shè)備與充電器之間操作。因此，電池能與各種連接器結(jié)構(gòu)匹配，從而相同電池可用于各種類型的設(shè)備。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然可對上述和所示結(jié)構(gòu)進行各種變化。因此，本發(fā)明的特定公開范圍在如下權(quán)利要求中提出。
權(quán)利要求
1．制造電化學(xué)電池的方法，包括如下步驟提供負極材料和正極材料中的每個，其中所述電極材料相互處于工作電連接的狀態(tài)；提供負集電體和正集電體中的每個；為所述負和正電極材料中的每個提供充當正和負極端的接觸引線，其中所述接觸引線從電化學(xué)電池組件向外延伸，所述電極材料包含在電化學(xué)電池組件內(nèi)；將密封粘合組分的涂層覆在所述接觸接點，從而均勻覆蓋所述接點；和將所述電化學(xué)電池組件密封對正地插入在最終閉合密封元件中，使所述接觸引線由此突出。
2．按權(quán)利要求1的制造方法，其中所述粘合組分可從由聚烯烴、離子鍵樹脂和潤滑粘合劑組成的材料組中選擇。
3．按權(quán)要求1的制造方法，其中所述涂覆步驟可通過從浸涂、噴涂、輥涂和刷涂組成的涂覆方法組中選擇的方法來進行。
4．按權(quán)利要求1的制造方法，還包括在所述涂覆步驟之后熱處理所述接觸引線的步驟。
5．按權(quán)利要求4的制造方法，其中所述金屬接點在約150℃-約375℃的溫度下熱處理。
6．按權(quán)利要求1的制造方法，其中所述電池?zé)崦芊庠谒鲎罱K閉合密封元件內(nèi)。
7．按權(quán)利要求1的制造方法，其中所述密封元件包括塑料電池外殼。
8．按權(quán)利要求1的制造方法，其中所述電池外殼還包括相互重疊對正的上密封層和下密封層。
9．按權(quán)利要求8的制造方法，其中所述上和下密封層中的每個包括多層。
10．按權(quán)利要求9的制造方法，其中所述層還包括聚合物罩層、金屬層和粘合層中的每個。
11．按權(quán)利要求1的制造方法，其中所述接觸引線的一個由鋁制備。
12．按權(quán)利要求11的制造方法，其中所述接觸引線的第二個由銅制備。
13．密封電化學(xué)電池組件，包括電化學(xué)電池，包括負極材料和正極材料，其中所述電極材料相互工作電連接；正集電體；負集電體；和用于所述負極和正極材料中的每個、充當正極端和負極端的接觸引線，其中所述接觸引線從電化學(xué)電池組件向外延伸，所述電極材料包含在電化學(xué)電池組件內(nèi)；密封粘合組分的涂層，涂覆在所述接觸接點上，從而均勻覆蓋在所述接點上；和最終閉合密封元件，所述電化學(xué)電池組件密封對正插入其內(nèi)，使所述接觸引線由此突出。
14．按權(quán)利要求13的電化學(xué)電池組件，其中所述涂層從由聚烯烴、離子鍵樹脂和潤滑粘合劑組成的材料組中選擇。
15．按權(quán)利要求14的電化學(xué)電池組件，其中所述涂層通過浸涂、噴涂、輥涂和刷涂組成的涂覆方法組中選擇的方法來進行。
16．按權(quán)利要求13的電化學(xué)電池組件，其中所述接觸引線在涂覆所述涂層之后進行熱處理。
17．按權(quán)利要求16的電化學(xué)電電組件，其中所述金屬接點在約150℃-約375℃的溫度下進行熱處理。
18．按權(quán)利要求13的電化學(xué)電池組件，其中所述電池?zé)崦芊庠谒鲎罱K閉合密封元件內(nèi)。
19．按權(quán)利要求13的電化學(xué)電池組件，其中所述密封元件包括塑料電池外殼。
20．按權(quán)利要求19的電化學(xué)電池組件，其中所述電池外殼還包括相互重疊對正的上密封層和下密封層。
21．按權(quán)利要求20的電化學(xué)電池組件，其中所述上和下密封層中的每個包括多層。
22．按權(quán)利要求21的電化學(xué)電池組件，其中所述層還包括每個聚合物罩層、金屬層和粘合層。
23．按權(quán)利要求13的電化學(xué)電電組件，其中所述接觸引線的一個由鋁制備。
24．按權(quán)利要求13的電化學(xué)電池組件，其中所述接觸引線的第一個由銅制備。
25．按權(quán)利要求13的電化學(xué)電池組件，其中所述電化學(xué)電池還包括多個雙電池。
26．按權(quán)利要求25的電化學(xué)電池組件，其中所述雙電池由進行熱層壓并切割的多個陽極、陰極和隔板元件在單獨的鄰接室內(nèi)制成。
27．按權(quán)利要求26的電化學(xué)電池組件，其中所述所述元件切割成單個電池并插入所述室中。
28．按權(quán)利要求27的電化學(xué)電池組件，其中在所述元件插入之后氣密封所述室。
29．按權(quán)利要求25的電化學(xué)電池組件，其中每個雙電池包括預(yù)定形狀和尺寸的陽極，陽極插在一對充當基底的平面隔板膜之間。
30．按權(quán)利要求29的電化學(xué)電池組件，其中陰極位于在不與所述陽極接觸的每個所述隔板膜的表面上，從而重疊對正。
31．按權(quán)利要求30的電化學(xué)電池組件，其中在由所述雙電池之間的空間確定的雙電池界面上進行疊層，所述隔板膜連接相互重疊對正的相鄰雙電池，從而形成Z-形支管。
全文摘要
本發(fā)明提供密封電化學(xué)電池的方法。在所公開的方法中,粘合組分的涂層涂覆在外金屬接點上,外金屬接點充當從電池到設(shè)備的接觸引線,電池裝在設(shè)備內(nèi)。從而粘合層涂覆并密封接點表面上?？赏ㄟ^在接點表面上直接熱密封粘合膜來完成涂覆工藝。另一方面,粘合組分的懸浮水液可噴涂在接點表面上,或者可將該組分輥涂接點上,之后進行熱處理,使得粘合劑熔化并流動。之后把該涂覆過的接點焊接到金屬箔形式的對應(yīng)集電體上。將完整的電池組件熱密封在最終閉合密封元件內(nèi),使密封接點由此延伸。
文檔編號H01M2/06GK1291802SQ0010704
公開日2001年4月18日 申請日期2000年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月22日
發(fā)明者L·謝, M·阿拉穆格, P·C·塔姆布立諾 申請人:托馬斯及貝茨國際股份有限公司