專利名稱：具有層疊膜的扁平二次電池模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用扁平層疊膜二次電池構(gòu)建的模塊，特別涉及用于夾住扁平層疊膜二次電池的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
一般地，金屬罐型二次電池是二次電池的最主要一種類型，并且在許多情況下，二次電池的生產(chǎn)方式是，在金屬罐中放入電源生成元件和電解液之后，執(zhí)行析取電極這一步，并且最后，對金屬蓋進行激光焊接。這樣，罐型二次電池具有高密封性能，好處是即使是長期使用它也不會有電解液從金屬罐泄漏到外部的問題。同時，由于最近使用層疊膜作為外包裝體的二次電池的大量涌現(xiàn)，該種電池比金屬罐型二次電池輕且形狀靈活，因此對于形狀靈活多樣以及重量密度改善的需求比較強勁。
在扁平層疊膜二次電池中使用的層疊膜是通過將尼龍片粘合到薄鋁片的前表面上，以及將一般具有熔合粘結(jié)屬性的聚乙烯片或聚丙烯片粘合到薄鋁片的后表面上來獲得的。在使用這種鋁層疊膜來包裹電源生成元件和析取電極之后，層疊膜的三個或四個面被熔合粘結(jié)以生成二次電池，經(jīng)常被稱為扁平層疊膜二次電池。由于層疊膜型二次電池在結(jié)構(gòu)上具有熔合粘結(jié)的面，因此該熔合粘結(jié)面的密封屬性可以說是與電解液的泄漏問題有關(guān)。不過，在當(dāng)前條件下，通過熔合粘結(jié)而獲得的密封屬性與在罐型二次電池中通過激光焊接而獲得的密封屬性相比很難保證有長期可靠性，并且因此對于層疊膜型二次電池來說，要想延長密封屬性是很大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的提出考慮到了上述情況，并且本發(fā)明的一個目標(biāo)是改善扁平層疊膜二次電池的密封屬性。
有層疊膜作為外包裝體的扁平層疊膜二次電池的密封力一般取決于層疊膜的熔合粘結(jié)性能，并且密封力的長期可靠性與融合粘結(jié)寬度成正比。例如，在保證五年期密封可靠性的情況下，當(dāng)密封力較大時，熔合粘結(jié)寬度較窄，但是相反，當(dāng)密封力較小時，熔合粘結(jié)寬度需要足夠得寬。
另一方面，當(dāng)將罐型電池的密封屬性與層疊型電池的密封屬性相比時，由于密封方法的不同，顯然罐型電池的焊接密封方法是優(yōu)選的。為了使層疊膜的密封屬性盡可能接近罐型電池的密封屬性，有必要改善層疊膜的熔合粘結(jié)性能以及加寬其熔合粘結(jié)寬度。
不過，層疊膜熔合粘結(jié)性能的改善除了需要一定時間以外，還需要研制成本，并且熔合粘結(jié)寬度的拓展也需要時間和研制專用密封設(shè)備的成本。進而存在一個問題，即材料成本的增加會使產(chǎn)品成本增加。因此，本發(fā)明提出一種模塊結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中現(xiàn)有層疊膜自身的密封力加上了來自外部的密封力，以便盡可能地接近罐型電池的密封屬性。
在本發(fā)明提出的模塊結(jié)構(gòu)中，有層疊膜作為外包裝體的現(xiàn)有扁平層疊膜二次電池的四面密封部分經(jīng)由密封輔助板被模塊蓋子從上側(cè)和下側(cè)機械地夾住。有了密封輔助板的插入，層疊膜自身的密封力就加上了通過蓋子和密封輔助板來夾住密封部分的密封力，因此能夠進一步改善層疊膜自身的密封性能。
因此，本發(fā)明提供的模塊的特征在于，在模塊中包括有(固定于其中的)扁平層疊膜二次電池，并且扁平層疊膜二次電池的層疊膜密封部分的一部分或全部從上側(cè)至下側(cè)被密封輔助板夾在中間。在這種情況下，適當(dāng)?shù)氖巧鲜雒芊廨o助板被模塊的上、底蓋子夾住。
為了講述本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)，首先，拿現(xiàn)有模塊結(jié)構(gòu)來作為例子。圖1和圖2示出了現(xiàn)有模塊結(jié)構(gòu)。圖1示出了通過在盒形殼體9中裝上扁平層疊膜二次電池3并且將填充物10注入盒形殼體9和扁平層疊膜二次電池3之間的空間中以便將扁平層疊膜二次電池3固定在殼體中而獲得的結(jié)構(gòu)。在一些現(xiàn)有模塊結(jié)構(gòu)中，將橡膠片5插入盒形殼體9和扁平層疊膜二次電池3之間的空間中。
圖2示出了頂蓋-底蓋型模塊結(jié)構(gòu)，它是通過將扁平層疊膜二次電池3夾在頂蓋1和底蓋2之間以便通過兩個蓋子之間擠壓的力來固定扁平層疊膜二次電池3。不過也存在一些情況，其中橡膠片5插于扁平層疊膜二次電池3的固定表面和每一個頂蓋和底蓋1和2之間，并且也有其他情況，其中填充物10被注入在扁平層疊膜二次電池3的每一個側(cè)面和頂蓋、底蓋1和2之間產(chǎn)生的空間，基本結(jié)構(gòu)是通過由頂蓋盒底蓋1和2擠壓的力來將扁平層疊膜二次電池3固定住。
在任何一個上述結(jié)構(gòu)中，扁平層疊膜二次電池的密封屬性取決于層疊膜自身的密封力。在模塊構(gòu)建之后，甚至將填充物10注入到由模塊內(nèi)部的扁平層疊膜二次電池產(chǎn)生的空間中，也不能將外力加到疊層密封部分上，因此在這種情況下，扁平層疊膜二次電池的密封性能也取決于層疊膜自身的密封力。
與此相反，本發(fā)明提出了一種能夠解決現(xiàn)有模塊結(jié)構(gòu)一直不能解決的問題的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的基本作用用圖3說明。如圖3所示，本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)是夾住扁平層疊膜二次電池3的層疊膜密封區(qū)域11，以便經(jīng)由密封輔助板4將其從上側(cè)和下側(cè)夾在模塊的頂蓋1和底蓋2之間，從而通過密封輔助板4機械地夾住層疊膜密封區(qū)域11。因此，由于存在夾力，層疊膜自身的密封力被加以來自外部的密封輔助板4的密封力，從而改善了層疊膜的密封性能。密封區(qū)域11由示出了扁平層疊膜二次電池透視圖的圖4中的填充區(qū)域表示，并且該部分是通過熔合粘結(jié)來密封的。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)，需要密封輔助板4具有一定的硬度，用于從上側(cè)和下側(cè)將層疊膜的密封部分區(qū)域夾在中間，以改善密封性能。同時，由于從層疊膜外包裝體中析取電極，并且密封部分的電極析取側(cè)的截面具有如圖5所示的凸凹構(gòu)造，因此密封輔助板4優(yōu)選地使用適合凸凹構(gòu)造的彈性材料。圖6示出了從一端析取正負(fù)電極情況下的凸凹構(gòu)造，并且在這種情況下，密封輔助板4優(yōu)選地使用適合凸凹構(gòu)造的彈性材料。
優(yōu)選應(yīng)用的密封輔助板包括密封輔助板4，由適合凸凹構(gòu)造的彈性塑料材料、由彈性塑料材料和金屬材料的結(jié)合材料、或者由彈性塑料材料和高硬度的塑料材料的結(jié)合材料制成；以及由厚度等于或大于扁平層疊膜二次電池3的扁平橡膠墊圈制成密封輔助板6(圖7)。
在通過密封輔助板4或6將層疊膜的密封區(qū)域11夾在中間的過程中，雖然任何程度的擠壓力都會造成一定影響，但是仍希望能盡可能大的密封力。不過在密封輔助板4的情況下，較大擠壓力的產(chǎn)生需要提高密封輔助板4的硬度，從而自然會增加密封輔助板4的重量。在密封輔助板6的情況下，為了因密封輔助板6收縮而導(dǎo)致的變形足夠，也需要增加模塊頂蓋1和底蓋2的硬度，從而自然會增加頂蓋1和底蓋2的重量?？紤]到模塊的重量密度，應(yīng)該最大幅度地抑制總重量的增加。


圖1是現(xiàn)有模塊A的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是現(xiàn)有模塊B的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是扁平層疊膜二次電池的熔合粘結(jié)密封區(qū)域的示意圖；
圖5為構(gòu)建的用于從相對側(cè)析取電極的這種類型扁平層疊膜二次電池的電極析取部分的放大視圖；圖6為構(gòu)建的用于從同一側(cè)析取電極的這種類型扁平層疊膜二次電池的電極析取部分的放大視圖；圖7是本發(fā)明的實例2的模塊結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8是本發(fā)明的實例1的模塊結(jié)構(gòu)的示意圖；以及圖9為一實例視圖，示出了本發(fā)明的一個模塊結(jié)構(gòu)的例子(以4行和4列的16系列的大尺寸模塊的例子)。
注意，標(biāo)號1表示模塊的頂蓋。標(biāo)號2表示模塊的底蓋。標(biāo)號3表示扁平層疊膜二次電池。標(biāo)號4表示密封輔助板(由高硬度材料和彈性材料結(jié)合而成的類型)。標(biāo)號5表示海綿片。標(biāo)號6表示密封輔助板(僅由彈性材料制成的類型)。標(biāo)號7表示電極。標(biāo)號8表示層疊膜。標(biāo)號9表示盒形殼體。標(biāo)號10表示填充物。標(biāo)號11表示扁平層疊膜二次電池的層疊膜熔合粘結(jié)區(qū)域。
具體實施例方式
下面參照附圖來講述本發(fā)明的實施例。如圖3所示，本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)特征在于，分別通過密封輔助板4將扁平層疊膜二次電池3夾在模塊頂蓋1和底蓋2之間。所放置的密封輔助板4從上至下將作為扁平層疊膜二次電池3外包裝體的層疊膜的密封區(qū)域11夾在中間。
由于密封輔助板4需要一定的硬度或剛度，用于機械地夾住層疊膜密封區(qū)域，因此密封輔助板4使用高硬度金屬材料或高硬度塑料材料比較合適。同時，由于從層疊膜密封區(qū)域析取電極，因此密封部分的電極析取側(cè)的截面具有凸凹構(gòu)造。因此，密封輔助板4最好是使用適合凸凹構(gòu)造的彈性材料。因此，密封輔助板4可以由作為適合凸凹構(gòu)造的彈性材料的橡膠墊圈、高硬度金屬材料或者高硬度塑料材料的結(jié)合材料制成。進而，密封輔助板4可以只由具有少量壓縮持久變形的彈性材料制成。在這種情況下，密封輔助板的厚度設(shè)計需要考慮橡膠材料的壓縮持久變形量與其壓力之間的關(guān)系。
可以將普通金屬材料、加強塑料等作為用于模塊外包裝體的材料例子來講述。在本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)中，通過模塊的頂蓋和底蓋的每一個夾住密封輔助板，從而產(chǎn)生密封輔助板的密封力，通過該密封力夾住扁平層疊膜二次電池的層疊膜密封部分，因此，用于夾住密封部分的力越大，則效果越好。因此，用于模塊外包裝體的材料最好使用高硬度金屬材料；不過，使用這樣的金屬材料也有缺點，因為模塊的比重不希望地變小，因此有必要選擇與模塊應(yīng)用相一致的最適宜材料。
在密封輔助板是由高硬度金屬材料或高硬度塑料材料和彈性橡膠墊圈制成的情況下，如果用于使各個密封輔助板4從上側(cè)和下側(cè)來夾住層疊膜的密封區(qū)域11的高硬度材料已經(jīng)被螺栓等固定，以對密封區(qū)域11施加夾力，則模塊頂蓋和底蓋需要具有一定的夾力，以便恰好使扁平層疊膜二次電池不能在模塊內(nèi)部移動，因此可以在從低硬度材料到高硬度材料的較大范圍內(nèi)選擇用于模塊外包裝體的材料。
另一方面，在密封輔助板6僅由具有少量壓縮持久變形的彈性橡膠材料制成的情況下，模塊外包裝體需要具有一定力量來使密封輔助板6變形，并且也從上側(cè)和下側(cè)夾住層疊膜的密封區(qū)域11，因此用于模塊外包裝體的材料最好是在高硬度金屬材料或高硬度塑料材料中選擇。
不過，由于存在外力來夾住層疊膜的密封區(qū)域11，因此期望密封性能的改善至少要從層疊膜自身密封性能的改善開始，因此基本沒有指定用于密封輔助板6和模塊外包裝體組合的材料。
下面使用圖8來講述本發(fā)明的例子1。首先，使用ABS樹脂作為模塊的材料。頂蓋1和底蓋2的尺寸為W105mm×D170mm×T7mm(厚度5mm)，并且每一側(cè)都提供了用于固定的螺栓孔。密封輔助板4由SUS材料制成，其尺寸為90mm×140mm×3mm同時其框架寬為10mm(內(nèi)空部分70mm×120mm)，并且在密封輔助板4的上表面和下表面中的每一個的框架寬度中心處形成了2mm寬×1mm深的槽。而且，在密封輔助板4的每一側(cè)上都提供了用于固定螺栓的突起。使用作為彈性橡膠的每側(cè)2mm的硅樹脂橡膠，并將其置于密封輔助板4的框架槽中，以完成本發(fā)明的密封輔助板4。
采用了包括有電源生成元件的層疊型電池，以作為以層疊膜作為外包裝體或外部覆蓋體的扁平層疊膜二次電池3。電源生成元件是通過將正極和負(fù)極切成薄片并且在它們之間插有隔離物而形成的，并浸在非水電解液中。扁平層疊膜二次電池3的尺寸為W90mm×D140mm×T4mm，所包含的電源生成元件的尺寸為W70mm×D124mm×T3.8mm。而且，作為外包裝體的層疊膜厚度為100μm，并且層疊膜的熔合粘結(jié)寬度(密度區(qū)域?qū)挾?為10mm。
在上述結(jié)構(gòu)中，如圖8所示，扁平層疊膜二次電池3被密封輔助板4和硅樹脂型海綿片5所層疊，并且用螺栓固定密封輔助板4。此時，將壓力試紙置于密封輔助板4的橡膠墊圈區(qū)域和層疊膜的密封區(qū)域11之間，以調(diào)整擠壓力。本例子中使用的硅樹脂型海綿片5是具有約25的硬度的片。但是所采用的硅樹脂型海綿片5并不具有硬度特征，當(dāng)層壓扁平層疊膜二次電池時，使用該薄片來填充扁平層疊膜二次電池之間所產(chǎn)生的空間，因此該薄片具有較高的彈性，并且比密封輔助板4的硅樹脂橡膠柔軟得多。在本例子中，考慮到密封輔助板所使用的硅樹脂橡膠的壓縮持久變形量，應(yīng)將表面壓力設(shè)定為不小于1kgf/cm2。相應(yīng)的總重量為10kgf。
最后，包括有密封輔助板4、扁平層疊膜二次電池3和硅樹脂型海綿片5的螺栓固定單元被夾在模塊頂蓋1和底蓋2之間。
接下來，使用圖7來講述例子2。首先，使用玻璃環(huán)氧樹脂作為模塊的材料。玻璃環(huán)氧樹脂是相比于其他環(huán)氧樹脂來說具有高硬度的環(huán)氧樹脂之一。模塊頂蓋1和底蓋2的尺寸為W105mm×D170mm×T7mm(厚度5mm)，如例子1所示。密封輔助板6僅由彈性橡膠制成，并且使用硅樹脂橡膠作為密封輔助板6的材料。其尺寸為90mm×140mm×4.5mm，而其框架寬為10mm(內(nèi)空部分70mm×120mm)。這里使用的以層疊膜作為外包裝體的扁平層疊膜二次電池3與例子1相同。
在上述結(jié)構(gòu)中，如圖7所示，扁平層疊膜二次電池3被密封輔助板6(帶有內(nèi)空部分的硅樹脂橡膠)和硅樹脂型海綿片5所層壓，并且密封輔助板6和扁平層疊膜二次電池3被夾在模塊頂蓋1和底蓋2之間以被固定住。此時，將壓力試紙置于密封輔助板6(帶有內(nèi)空部分的硅樹脂橡膠)和層疊膜的密封區(qū)域11之間，以調(diào)整夾力。本例子2中所使用的硅樹脂型海綿片5與例子1中的相同。在本例子中，考慮到所使用的硅樹脂橡膠的壓縮持久變形量，應(yīng)將表面壓力設(shè)定為約1kgf/cm2。相應(yīng)的總重量為約42kgf。
雖然上述的例子1和例子2只使用了一個扁平層疊膜二次電池，但是本結(jié)構(gòu)并不局限于一個電池，并且可以應(yīng)用到多個扁平層疊膜二次電池。而且，用于固定密封輔助板4的螺栓數(shù)目和位置也沒有限制，螺栓的放置只是為了均勻地固定輔助板。
圖9示出了使用四行和四列共16個扁平層疊膜二次電池3組成的16系列大型模塊結(jié)構(gòu)的一個例子。
隨后，通過使用兩種現(xiàn)有模塊和例子1和2中的模塊來進行密封屬性評估。密封屬性評估非常嚴(yán)格，其中將扁平層疊膜二次電池模塊置于高溫和高濕的環(huán)境中，以促進扁平層疊膜二次電池中的電解液的分解，同時水分穿過層疊膜的熔合粘結(jié)層滲入，以產(chǎn)生氫氟酸，使層疊膜的熔合粘結(jié)密封部分的密封屬性加速惡化，從而導(dǎo)致電解液從二次電池中泄漏。該測試是在60℃/90％RH的環(huán)境下進行的，并且使用石蕊試紙來確認(rèn)電解液的泄漏。
如圖1所示，現(xiàn)有模塊A構(gòu)造為扁平層疊膜二次電池3和海綿片5被擠入厚度為1mm的鋁制圓柱形罐盒子9中。圖2所示的現(xiàn)有模塊B構(gòu)造為扁平層疊膜二次電池3分別經(jīng)由厚度為1mm的上部和下部硅樹脂型海綿片5，被夾在由SUS材料制成的、厚度為3mm的頂蓋1和底蓋2之間。在考慮密封評估時，需要注意在用于對照的現(xiàn)有模塊A和B中沒有使用填充器10。
表1示出了密封屬性評估測試的結(jié)果。在表1中，根據(jù)在現(xiàn)有模塊A的層疊膜密封性能惡化并且發(fā)生了電解液泄漏的時段，通過抗泄漏時段比(這是對電解液泄漏被確認(rèn)的抗泄漏時段的放大)，對現(xiàn)有模塊B和本例子的模塊的密封屬性進行比較。從表1明顯可以看出，例子1和例子2的模塊的抗泄漏時段為現(xiàn)有模塊A的抗泄漏時段的2.5倍或更長。盡管在本例子的每一個模塊中發(fā)生電解液泄漏的時段沒有根據(jù)評估時段被指明，但是至少發(fā)現(xiàn)通過將層疊膜的熔合粘結(jié)密封部分從上側(cè)至下側(cè)機械地加住可以使模塊的密封屬性提高2.5倍或以上。


如上所述，使用本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)能夠?qū)F(xiàn)有模塊結(jié)構(gòu)的密封屬性提高2.5倍或以上。而且，本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)擴展能夠組成大型模塊。
工業(yè)可用性本發(fā)明的模塊結(jié)構(gòu)具有提高總體密封力(密封屬性)的效果，其方式是將扁平層疊膜二次電池的熔合粘結(jié)密封區(qū)域夾在從上側(cè)至下側(cè)之間以進行機械壓緊，并且從而為層疊膜自身的密封力添加上了來自層疊膜外界的機械密封力。而且，由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于單個電池或多個電池，因此在構(gòu)建大型模塊中，具有使密封屬性得到提高的這一狀態(tài)得到保持的效果。進而，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)具有通過選擇用于密封輔助板和模塊外包裝體的材料來自由設(shè)置模塊密封力的效果。
權(quán)利要求
1.一種模塊，其特征在于所述模塊包括扁平層疊膜二次電池，并且所述扁平層疊膜二次電池的部分或整個層疊膜密封部分區(qū)域被密封輔助板從上側(cè)至下側(cè)夾住。
2.如權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于所述密封輔助板被模塊的頂蓋和底蓋所夾住。
3.如權(quán)利要求1或2所述的模塊，其特征在于所述密封輔助板是僅由彈性塑料材料、由彈性塑料材料和金屬材料的結(jié)合、或由彈性塑料材料和高硬度塑料材料的結(jié)合制成的。
4.如權(quán)利要求1-3中的任何一個所述的模塊，其特征在于扁平層疊膜二次電池具有通過交替地將正電極、隔離物和負(fù)電極層疊而獲得的電源生成元件。
全文摘要
由于兩種電池在密封方法方面的不同，以熔合粘結(jié)密封型層疊膜為其外包裝體的扁平二次電池在密封可靠性方面要比以焊接密封型罐為其外包裝體的扁平二次電池差一些。因此，在尋找使層疊膜二次電池的密封可靠性更接近于罐型二次電池的密封可靠性的方法方面存在著大的挑戰(zhàn)。通過進一步增加密封力而不對現(xiàn)有層疊膜二次電池采取任何措施，是可以提高密封可靠性的，其方式是將現(xiàn)有層疊膜二次電池的熔合粘結(jié)區(qū)域自上側(cè)至下側(cè)從外面夾住，以便機械地將來自外部的密封力加到層疊膜自身的密封力上。
文檔編號H01M2/08GK1659724SQ0381282
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月3日
發(fā)明者金田洋 申請人:日本電氣株式會社