專利名稱：扁平電池、電池組、組合電池組和車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種扁平電池(flat cell)，其中發(fā)電元件由一個殼體元件密封，電極端子通過多個集電器連接到發(fā)電元件并從殼體元件外緣伸出。這里，發(fā)電元件包括交替疊放的正極板和負極板，在其間插入了隔離物。
背景技術(shù)：
一般的扁平電池包括由樹脂金屬薄膜制成的層壓材料作為殼體元件，其中殼體元件是通過只在其外緣熱封層壓材料板，而不預(yù)先模制層壓材料(見PCT國際專利號2002-510124的日本譯文公布)來制成的。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在這樣的扁平電池中，表面壓力在由殼體元件密封的發(fā)電元件的外緣強，而向著其中心部分會變?nèi)?。發(fā)電元件中表面壓力的分布總體上趨向不均勻。
表面壓力的這種不均勻分布導(dǎo)致的趨勢是電極板之間的間隔在發(fā)電元件的外緣小，且向著其中心變寬。在整個扁平電池中，電極板之間的間隔是變化的。
在電極板之間的間隔整體上是不同的這樣的扁平電池中，由電荷轉(zhuǎn)移引起的電極活性材料的劣化分布是不同的。在電極不是纏繞的疊片型扁平電池中上述趨勢強。特別是在車輛中使用的、包含大表面電極板的扁平電池中，劣化分布更可能是變化的。
在一種使扁平電池表面壓力均衡的方法中，如圖1A所示，殼體元件206是一個簡單凸形的模制件。在殼體元件206中，預(yù)先在容納發(fā)電元件208的部分中模制平壁210，預(yù)先在平壁210和熱焊部分209之間模制垂直壁214。但是，當(dāng)將電池200抽空時，如圖1B所示，會導(dǎo)致殼體元件206的垂直壁214起皺，從而導(dǎo)致可能會降低殼體元件的強度。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠使電極活性材料劣化分布均衡并保持殼體元件強度的扁平電池。
本發(fā)明的第一個方面提供一種扁平電池，其包括一個發(fā)電元件，包括一個正極板、一個負極板和放置在正極板和負極板之間的隔離物；一個殼體元件，其包括一個上殼體元件和一個下殼體元件并容納發(fā)電元件，上殼體元件包括一個在容納發(fā)電元件的部分中的平壁以及一個在平壁和殼體元件外緣之間的斜壁；以及，通過多個集電器連接到發(fā)電元件、并從殼體元件外緣伸出的正極和負極端子，其中，當(dāng)將電池內(nèi)部抽空時，斜壁向著電池內(nèi)部彎曲。
本發(fā)明的第二個方面提供了一種電池組，包括多個扁平電池，每個扁平電池包括一個發(fā)電元件，其包括一個正極板、一個負極板和放置在正極板和負極板之間的隔離物；一個殼體元件，其包括一個上殼體元件和一個下殼體元件并容納發(fā)電元件，上殼體元件包括一個在容納發(fā)電元件的部分中的平壁以及一個在平壁和殼體元件外緣之間的斜壁；以及通過多個集電器連接到發(fā)電元件、并從殼體元件外緣伸出的正極和負極端子，其中，當(dāng)將電池內(nèi)部抽空時，斜壁向著電池內(nèi)部彎曲。


現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明，其中圖1A是一個顯示傳統(tǒng)扁平電池的橫截面圖，該扁平電池帶有一個在將電池抽空之前模制成凸形的上殼體元件；圖1B是一個顯示傳統(tǒng)扁平電池的橫截面圖，該扁平電池帶有一個在將電池抽空之后模制成凸形的上殼體元件；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的扁平電池的透視圖；
圖3A是圖2所示的扁平電池的俯視圖；圖3B是沿著圖3A的線IIIB-IIIB得到的橫截面圖；圖3C是沿著圖3A的線IIIC-IIIC得到的橫截面圖；圖4是在將電池抽空之前、沿著線IIIB-IIIB得到的扁平電池的橫截面圖；圖5是第一實施方案中扁平電池的表面壓力-真空度圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實施方案、在將電池抽空之前沿著圖3A的線IIIB-IIIB得到的扁平電池的橫截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第三實施方案、在將電池抽空之前沿著圖3A的線IIIB-IIIB得到的扁平電池的橫截面圖；圖8A和8B顯示了連接多個根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的扁平電池的結(jié)構(gòu)的圖；圖9A和9B顯示了連接多個根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的扁平電池的其它結(jié)構(gòu)的圖；圖10A顯示了包括多個根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的扁平電池的電池的俯視圖；圖10B顯示了包括多個根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的扁平電池的電池組的前視圖；圖10C是顯示了包括多個根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的扁平電池的電池組的側(cè)視圖；圖11A顯示了包括多個根據(jù)本發(fā)明的電池組的組合電池組的俯視圖；圖11B顯示了包括多個根據(jù)本發(fā)明的電池組的組合電池組的前視圖；圖11C顯示了包括多個根據(jù)本發(fā)明的電池組的組合電池組的側(cè)視圖；以及圖12顯示了安裝了根據(jù)本發(fā)明的組合電池組的車輛的示意圖。
具體實施例方式
此后將參照附圖對本發(fā)明的實施方案進行描述。
參看圖2和圖3A到3C，將對根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的扁平電池10的整個結(jié)構(gòu)進行描述。扁平電池10是鋰基薄型蓄電池，包括5個正極板101、11個隔離物102、5個負極板103、一個正極端子104、一個負極端子105、一個上殼體元件106、一個下殼體元件107和沒有特別顯示的電解質(zhì)。它們之間的正極板101、隔離物102和負極板103稱作發(fā)電元件。
正極板101、隔離物102和負極板103的數(shù)量不限于本發(fā)明的上述數(shù)量，發(fā)電元件108可以包括一個正極板101、三個隔離物102和一個負極板103。正極板101、隔離物102和負極板103的數(shù)量可以根據(jù)需要來選擇。
構(gòu)成發(fā)電元件108的正極板101如下制作。首先，混合諸如金屬氧化物等正電極活性材料、諸如碳黑等導(dǎo)電材料和諸如聚四氟乙烯水性分散液等粘合劑，例如按100/3/10的重量比例混合。將這種混合物涂在作為正極端集電器的鋁箔等的每一個表面上并干燥。這樣，將得到的薄片碾平并切成預(yù)定大小，從而得到正極板101。上述的聚四氟乙烯水性分散液的混合比例根據(jù)其固體含量來確定。
正電極活性材料可以是鋰基復(fù)合氧化物，例如鎳酸鋰(LiNiO2)、錳酸鋰(LiMnO2)、鈷酸鋰(LiCoO2)、硫族鋰化物(Li2S、Li2Se和Li2Te)等等。這些材料比較易于釋放扁平電池中產(chǎn)生的熱量，并能夠?qū)んw元件106和107的應(yīng)力控制到比較小，從而防止上殼體元件106的梯狀部分111起皺。
構(gòu)成發(fā)電元件108的負極板103如下制造。執(zhí)行鋰離子的吸收和解吸的負電極活性材料，例如無定形碳、固體碳粒、軟碳(soft carbon)和石墨，與作為焦化有機物質(zhì)前身材料的苯乙烯-丁二烯橡膠粉的水性分散液混合，例如以100/5的固體含量比混合。然后干燥混合物并壓碎，以得到在其表面上支撐著碳化的苯乙烯-丁二烯橡膠的碳顆粒作為負極板103主材料。然后得到的顆粒與諸如丙烯酸樹脂乳膠等粘合劑混合，例如按100/5的重量比混合。隨后，在作為負極端集電器的鎳箔或銅箔等金屬箔的各個表面上涂上該混合物并干燥。將得到的薄片碾平并切成預(yù)定大小，從而得到負極板103。
使用無定形碳或固體碳粒作為負電極活性材料，充電和放電的電勢平直度差，輸出電壓隨著放電而降低。因此，使用無定形碳或固體碳粒作為負電極活性材料的電池不適于作為通信設(shè)備或辦公設(shè)備的電源。但是，由于輸出電壓不會猛烈下降，所以這種電池在用作電氣機車等的電源時是有利的。
發(fā)電元件108的隔離物102防止上述正極板101和負極板103之間短路。隔離物102可具有容納電解質(zhì)的功能。此外，每個隔離物102是由如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)等聚烯烴構(gòu)成的多孔膜。當(dāng)過載電流流經(jīng)隔離物102時，隔離物的孔會由于生熱而閉合，從而切斷電流。
本發(fā)明的隔離物102不限于聚烯烴等單層膜，也可以使用由聚乙烯膜中間夾著聚丙烯膜形成的三層結(jié)構(gòu)以及由聚烯烴多孔膜和有機無紡織物等制成的層壓材料。隔離物102使用多層物質(zhì)，能夠賦予隔離物102不同的功能，例如防止過載電流、容納電解質(zhì)和保持隔離物形狀(增加硬度)的功能。此外，代替隔離物102，還可以使用凝膠電解質(zhì)、全固態(tài)聚合物電解質(zhì)等。
在上述發(fā)電元件108中，正極板101、隔離物102和負極板103按順序?qū)盈B，這樣正極板101和負極板103交替層疊，且隔離物102位于正極板101和負極板103之間。此外，在發(fā)電元件108的最頂部和最底部各層疊隔離物102。五個正極板101中每一個都通過正極端集電器104a連接到由金屬箔制成的正極端子104，五個負極板103中每一個都通過負極端集電器105a連接到也由金屬箔制成的負極端子105。
正極端子104和負極端子105的材料沒有特別的限制，只要是電化學(xué)方面穩(wěn)定的金屬材料即可。正極端子104的材料可以是鋁、鋁合金、銅、鎳等等。負極端子105的材料可以是鎳、銅、不銹鋼、鐵等等。這些金屬在金屬的阻抗、線性膨脹系數(shù)和比電阻方面特別適合作為扁平電池的一部分。此外，即使是在工作溫度變化的時候，這些金屬仍然能夠?qū)んw元件106和107的應(yīng)力控制得比較小，從而能夠防止殼體元件106的梯狀部分111起皺。這里，該實施方案中的正極或負極端集電器104a和105a都是由構(gòu)成正極板101和負極板103的集電器的鋁箔、鎳箔、銅箔和鐵箔的伸出部分形成的，但集電器104a和105a可以由不同的材料或部分構(gòu)成。
發(fā)電元件108由上殼體元件106和下殼體元件107密封。該實施方案中上殼體元件106和下殼體元件107都是三層結(jié)構(gòu)，其從正極端子104一側(cè)向著扁平電池10的外側(cè)包括內(nèi)層、中間層和外層。內(nèi)層由具有非常好的電解質(zhì)耐受性和熱封特性的樹脂膜構(gòu)成，例如聚乙烯、改性聚乙烯、聚丙烯、改性聚丙烯和離聚物。中間層由鋁等金屬箔構(gòu)成。外層由具有良好電絕緣屬性的樹脂膜構(gòu)成，例如聚酰胺系列樹脂或聚脂系列樹脂。因此，上殼體元件106和下殼體元件107都是由諸如樹脂金屬薄膜的層壓材料這樣的柔性材料制成。樹脂金屬薄膜的層壓材料是通過在諸如鋁箔等金屬箔的一個表面(扁平電池10的內(nèi)表面)上層疊如聚乙烯、改性聚乙烯、聚丙烯、改性聚丙烯或離聚物等樹脂，并在其另一表面(扁平電池10的外表面)上層疊聚酰胺系列樹脂，聚脂系列樹脂等等來制備。
如上所述，每個殼體元件除了樹脂層之外都具有金屬層。因此能夠增加殼體元件本身的強度。另外，殼體元件由諸如聚乙烯、改性聚乙烯、聚丙烯、改性聚丙烯或離聚物等樹脂構(gòu)成。因而能夠確保金屬端子和殼體元件之間良好的密封性。此外，樹脂的可拉伸性能夠防止梯狀部分起皺。
如圖2和圖3A到3C所示，正極端子104從密封的殼體元件106和107的一邊向外伸出，負極端子105從其另一邊向外伸出。因此，在密封部分109中產(chǎn)生等于正極端子104和負極端子105的厚度的間隔，其中上下殼體元件106和107是密封的。為了保持扁平電池10內(nèi)部的氣密性，可以通過熱封等在正極端子104和負極端子105與殼體元件106和107接觸的部分插入由聚乙烯、聚丙烯等構(gòu)成的片狀薄膜。在正極端子104和負極端子105的任一個中，片狀薄膜優(yōu)選是由熱封性方面與殼體元件106和107中包含的樹脂一樣類型的樹脂構(gòu)成。
如圖4所示，該實施方案中的上殼體元件106是一個模制件，包括預(yù)先通過加壓成形等方式模制的平壁110和斜壁112。平壁110形成在用于容納發(fā)電元件108的部分中，從而大體上是平坦的。形成的斜壁112在平壁110和密封部分109之間沿著外緣是平的。
如圖4所示，每個斜壁112相對于正極端子104和負極端子105從其伸出的平面傾斜45°到80°的角度θ。在圖4中，角度θ用一個對頂角表示。
特別是在如圖4所示的實施方案中，在正極端子104伸出的一側(cè)模制的斜壁112與正極端集電器104a之中位置最靠近上殼體元件106的正極端集電器104a大體上是平行的。在負極端子105伸出的一側(cè)模制的斜壁112也與負極端集電器105a之中位置最靠近上殼體元件106的負極端集電器105a大體上是平行的。
本發(fā)明中每個斜壁的角度θ可以設(shè)置成45°到80°范圍中的任一個角度。隨著該角度增加，表面壓力分布變得更為均勻，如后面描述的例子中所示，另外，可以減少扁平電池的體積。
上面提到的發(fā)電元件108、正極端集電器104a、部分正極端子104、負極端集電器105a和部分負極端子105由這些殼體元件106和107罩住。然后將在有機溶劑中含有諸如高氯酸鋰或氟硼酸鋰等電解質(zhì)的電解溶液注入由殼體元件106和107形成的空間中。在將上殼體元件106和下殼體元件107的內(nèi)部抽空之后，殼體元件106和107外緣中的密封部分109是通過熱壓來熱封的。
有機溶劑可以是酯系列溶劑，例如碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲脂(DMC)。但是，本發(fā)明的有機溶劑不限于這些，能夠使用通過將酯系列溶劑與諸如γ-丁內(nèi)脂(γ-BL)和二乙氧基乙烷(DEE)等醚系列溶劑混合而制備的有機溶劑。
因此在根據(jù)本實施方案構(gòu)造的扁平電池10中，首先，當(dāng)將電池10抽空時，通過上殼體元件106中預(yù)先模制的寬平壁110向正極板101和負極板103均勻施壓。因此，能夠消除正電極和負電極活性材料劣化分布中取決于表面壓力的變化，以使劣化分布均衡。此外，當(dāng)將電池10抽空時，如圖3B所示、上殼體元件106中預(yù)先模制的斜壁112向著電池10內(nèi)部彎曲，以便跟隨集電器104a和105a，從而形成上殼體元件106的平滑梯狀部分111并且大體上呈圓弧形。所以，抑制了梯狀部分111起皺，并能夠保持殼體元件106和107的強度。
在根據(jù)本實施方案的扁平電池10中，如圖5所示，隨著由于平壁110而將表面壓力分布均衡化，增加了施加給整個發(fā)電元件108的表面壓力。增加的表面壓力全面減少了正極板101和負極板103之間的間隔并降低了阻抗。能夠充分發(fā)揮扁平電池10本來具備的容量。圖5中的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是具有如圖1A所示的、上殼體元件模制成凸形的扁平電池。
如上述密封的扁平電池10的總厚度優(yōu)選在1到10mm的范圍內(nèi)。當(dāng)扁平電池的厚度不超過10mm時，更可能從扁平電池內(nèi)部釋放熱量。因此，可以將對殼體元件的應(yīng)力控制到非常小，而且能夠抑制梯狀部分起皺，同時降低電池的熱退化。厚度不小于1mm的扁平電池能夠確保有足夠的容量并增加經(jīng)濟效益。
接下來對本發(fā)明的扁平電池第二實施方案進行描述。
如圖6所示，對于根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的扁平電池10A，還可以在扁平電池10的上殼體元件106中模制出拐角部分113。
如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的扁平電池10A的上殼體元件106A與第一實施方案類似，包括預(yù)先模制的平壁110和斜壁112。在根據(jù)該實施方案的扁平電池10A的上殼體元件106A中，分別在對應(yīng)于發(fā)電元件108上方四個角的位置形成拐角部分113。
如圖6所示，在上殼體元件106A的平壁110和各個斜壁112之間模制各個拐角部分113，拐角部分113包括一個長度為L的垂直部分。該垂直部分與平壁110大體上垂直。如圖6所示的實施方案的各個拐角部分113的垂直部分的長度L大體上等于在發(fā)電元件108上部層疊的一個正極板101、三個隔離物102和一個負極板103的厚度的總和。本發(fā)明中各個拐角部分113的垂直部分的長度L不特別受限，只要長度L大于發(fā)電元件的基本單元，即一個正極板、一個隔離物和一個負極板的厚度總和即可。隨著每個垂直部分的長度L增加，其作用增加。但是，優(yōu)選是每個拐角部分的垂直部分的長度使得斜壁不會與集電器接觸。
當(dāng)將該扁平電池10A抽空時，與第一實施方案類似，通過上殼體元件106A中預(yù)先模制的寬平壁110對正極板101和負極板103均勻施壓。此外，由于上殼體元件106A中預(yù)先模制的斜壁112，形成了上殼體元件106A的平滑的梯狀部分111，且斜壁112大體上呈圓弧形。因此，使正極板101和負極板103的劣化分布變得均衡，而且能夠保持殼體元件106A和107的強度。
此外，在根據(jù)該實施方案的扁平電池10A中，在上殼體元件106A中預(yù)先模制的拐角部分113的垂直部分減少了從上殼體元件106A施加給發(fā)電元件108外緣的壓力，還使施加給發(fā)電元件108的表面壓力進一步變得均衡。
接下來對本發(fā)明的扁平電池的第三實施方案進行描述。
對于如圖7所示根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的扁平電池10B，在扁平電池10B的上殼體元件106B中模制拐角部分113，并將各個斜壁112A模制為彎曲形狀。
如圖7所示，在根據(jù)第三實施方案的扁平電池10B的上殼體元件106B中，與根據(jù)第二實施方案的扁平電池10A類似，預(yù)先模制平壁110、斜壁112A以及平壁110和斜壁112A之間的拐角部分113。此外，在根據(jù)該實施方案的扁平電池10B中，上殼體元件106B的各個斜壁112A模制成彎曲形狀。
如圖7所示，斜壁112A是一個向著扁平電池10B內(nèi)部的大致圓弧形，半徑R大體上等于扁平電池10B的厚度。除了上述第二實施方案的操作效果，上殼體元件106B的每個斜壁112A都是彎曲形狀，因此減少了上殼體元件106B層壓材料的多余部分。因此，當(dāng)將扁平電池抽空時，進一步抑制了梯狀部分111起皺。殼體元件各個斜壁彎曲形狀的半徑R不限于本發(fā)明的上述半徑。半徑越小對抑制起皺的效果越大，并且，優(yōu)選是彎曲形狀的半徑與扁平電池的厚度基本相同。
在下文中對通過組合多個根據(jù)上述第一實施方案的扁平電池形成的電池組和通過組合多個該電池組形成的組合電池組進行描述。
首先對電連接兩個扁平電池10的兩種結(jié)構(gòu)進行描述，該結(jié)構(gòu)抵抗通過外部振動等施加的外力。
如圖8A所示，在抵抗外力的第一連接結(jié)構(gòu)中，第一扁平電池10a和第二扁平電池10b在同一個平面上并排排列，使得第一扁平電池10a的正極端子104和第二扁平電池10b的正極端子104指向同一個方向。第一扁平電池10a的正極端子104和第二扁平電池10b的正極端子104通過第一匯流條21a彼此電連接。第一扁平電池10a的負極端子105和第二扁平電池10b的負極端子105通過第二匯流條21b彼此電連接。如上所述，兩個扁平電池具有相同極性的端子通過匯流條連接形成一個鏈接結(jié)構(gòu)。因此通過外部振動等施加的外力以相同的相位施加給各扁平電池，所以這樣一種結(jié)構(gòu)可抵抗每個扁平電池中引起的扭曲。
相反，如圖8B所示，第一扁平電池10a和第二扁平電池10b在同一個平面上并排排列，使得第一扁平電池10a和第二扁平電池10b的正極端子104指向相反的方向。第一扁平電池10a的正極端子104和第二扁平電池10b的負極端子105沒有電連接，第一扁平電池10a的負極端子105和第二扁平電池10b的正極端子104通過第二匯流條21b彼此電連接，因此串聯(lián)連接第一扁平電池10a和第二扁平電池10b。當(dāng)兩個扁平電池具有不同極性的端子通過匯流條彼此連接形成一個如上所述的非鏈接結(jié)構(gòu)時，由外部振動等施加的外力獨立施加給各個扁平電池，因此這樣一種結(jié)構(gòu)與上面提到的并聯(lián)連接的情況相比對扭曲的抵抗力較小。
在第二連接結(jié)構(gòu)中，如圖9A所示，第二扁平電池10b疊放在第一扁平電池10a上面，使得第一扁平電池10a的正極端子104和第二扁平電池10b的正極端子104指向相同的方向。焊接第一扁平電池10a的正極端子104和第二扁平電池10b的正極端子104，從而彼此電連接。以相同的方式，焊接第一扁平電池10a的負極端子105和第二扁平電池10b的負極端子105，從而彼此電連接。如上所述，兩個扁平電池具有相同極性的端子連接以形成一個鏈接結(jié)構(gòu)。因此由外部振動等施加的外力以相同的相位施加給扁平電池，這樣一種結(jié)構(gòu)會抵抗每個扁平電池中引起的扭曲。
相反，如圖9B所示，第二扁平電池10b疊放在第一扁平電池10a上面，使得第一扁平電池10a的正極端子104和第二扁平電池10b的正極端子104指向相反的方向。第一扁平電池10a的正極端子104和第二扁平電池10b的負極端子105沒有電連接，焊接第一扁平電池10a的負極端子105和第二扁平電池10b的正極端子104，從而彼此電連接。當(dāng)兩個扁平電池具有不同極性的端子彼此連接形成一個如上所述的非鏈接結(jié)構(gòu)時，由外部振動等施加的外力獨立施加給各個扁平電池，因此這樣一種結(jié)構(gòu)與上面提到的并聯(lián)連接的情況相比對扭曲的抵抗力較小。
圖10A到10C顯示了由通過使用上述連接結(jié)構(gòu)并聯(lián)連接的24個扁平電池10構(gòu)成的電池組20。該電池組20包括24個扁平電池10、電池組端子22和23、以及電池組蓋25。附圖中沒有具體顯示，扁平電池10具有相同極性的端子根據(jù)上述連接結(jié)構(gòu)通過匯流條21a和21b連接，因此扁平電池是并聯(lián)的。連接正極端子104的第一匯流條21a連接到電池組正極端子22，該電池組正極端子22大體上是圓柱形的，并從電池組蓋25伸出。同樣，連接負極端子105的第二匯流條21b連接到電池組負極端子23，該電池組負極端子23大體上是圓柱形的，并從電池組蓋25伸出。如此相連的24個扁平電池10放置在電池組蓋25中，電池組20的蓋25和電池組20其它組成部件之間限定的間隔用填充物24填充并密封。此外，在電池組蓋25底面的四個角安裝外部彈性元件26，以便在電池組20疊放成后面描述的組合電池組時減少各電池組20之間的振動傳遞。
圖11A到11C顯示了一個由6個如圖10A到10C顯示的電池組20構(gòu)成的組合電池組30，各電池組20彼此電連接。如圖11A到11C所示，在組合電池組30中，疊放各電池組20以使電池組20的端子22和23指向相同的方向。具體來說，位于第(m+1)層的電池組20疊放在位于第m層的電池組20上，以使得第(m+1)層的電池組20的端子22和23分別指向與第m層的電池組20的端子22和23相同的方向。這里，m是一個自然數(shù)。指向相同方向的所有電池組20的正極端子22通過一個用于連接組合電池組30和外部的外部連接正極端子31彼此電連接。同樣，指向相同方向的所有電池組20的電池負極端子23通過一個外部連接負極端子32彼此電連接。如附圖中所示，外部連接正極端子31大體上是矩形板形狀，并配有多個端子連接孔。每個端子連接孔的直徑使得每一個電池組正極端子22能夠插入其中。制作端子連接孔所采用的間隔大體上等于疊放的電池組20的電池組正極端子22的間隔。外部連接負極端子32配有類似的端子連接孔。如上疊放的6個電池組20在其兩側(cè)由板形耦接元件34相互耦接，并通過固定螺釘35固定來扣緊。
如上所述，電池組是根據(jù)作為一個單元的預(yù)定數(shù)量的扁平電池來構(gòu)造的，且組合的電池組根據(jù)作為一個單元的電池組來構(gòu)造。因此，能夠容易地獲得適合所需容量、電壓等的組合電池組。
此外，可以在沒有復(fù)雜連接的情況下構(gòu)造組合電池組，從而能夠降低由于不適當(dāng)?shù)倪B接而造成的組合電池組故障率。
而且，當(dāng)構(gòu)成組合電池組的某些扁平電池損壞或退化而需要替換時，可以通過只替換包括損壞或退化的扁平電池的電池組輕松地修復(fù)組合電池組。
圖12顯示了一個車輛1的例子，例如電動車輛，上述組合電池組30安裝在其底盤下。用于車輛的扁平電池的電極板表面大，其正電極和負電極活性材料的劣化分布更可能發(fā)生變化。因此，利用使用了根據(jù)本實施方案具有均衡劣化分布的扁平電池的組合電池組30對于車輛1尤其有效。
如上所述，在根據(jù)第一到第三實施方案的各個扁平電池中，首先，在扁平電池殼體元件中容納發(fā)電元件的部分中預(yù)先模制平壁，當(dāng)將電池抽空時，電極板與這個寬平壁一起均勻受壓。因此，取決于表面壓力分布的電極活性材料劣化分布不會變化，且能夠使劣化分布均衡。其次，在殼體元件的平壁和外緣之間預(yù)先模制斜壁，且當(dāng)將電池抽空時，殼體元件變形，以便跟隨集電器形成平滑的梯狀部分。因此，抑制了梯狀部分起皺，并且能夠保持殼體元件的強度。此外，在根據(jù)各實施方案的扁平電池中，連同由于上殼體元件的平壁導(dǎo)致的表面壓力分布均衡一起，增加了施加到整個發(fā)電元件的表面壓力。因此使電極板之間的間隔整體變窄，這降低了阻抗。因此，能夠有效發(fā)揮為扁平電池提供的容量。
在根據(jù)本發(fā)明第二和第三實施方案的扁平電池中，在對應(yīng)于發(fā)電元件至少一個角的位置預(yù)先模制至少一個拐角部分，該拐角部分包括一個與發(fā)電元件的上表面大體上垂直的部分。因此，當(dāng)將電池抽空時，降低了從殼體元件施加給發(fā)電元件外緣的壓力。電極板之間間隔的變化減小，能夠使施加給發(fā)電元件的表面壓力分布均衡。此外，拐角部分的垂直部分的長度設(shè)置得至少大于一個正極板、一個隔離物和一個負極板的總厚度。因此，能夠進一步使從殼體元件施加給發(fā)電元件的表面壓力分布均衡。
另外，在根據(jù)第三實施方案的扁平電池中，殼體元件的每個斜壁是彎曲形狀，減少了樹脂-金屬薄膜層壓材料的多余部分。因此，能夠在將電池內(nèi)部抽空時進一步抑制殼體元件起皺。
描述上述實施方案是為了便于理解本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明。所以，上述實施方案中提出的每個組成部分意在包含所有屬于本發(fā)明技術(shù)范圍的設(shè)計變化和等同物。例如，構(gòu)成電池組的扁平電池的數(shù)量、構(gòu)成組合電池組的電池組的數(shù)量、構(gòu)成電池組的扁平電池的連接方法、以及構(gòu)成組合電池組的電池組的連接方法不限于上述數(shù)量和連接方法。這些數(shù)量和連接方法(串聯(lián)、并聯(lián)或串并混合連接)能夠根據(jù)所需電容量、電壓等適當(dāng)設(shè)置。
在上述實施方案中，已經(jīng)對包含根據(jù)第一實施方案的扁平電池的電池組、組合電池組和車輛進行了描述，但是這些電池組、組合電池組和車輛能夠包含根據(jù)第二或第三實施方案的扁平電池。
在下文中，對給出本發(fā)明具體形式的例子進行描述。
(例1)例1的扁平電池制備如下。在例1的扁平電池中，正極端子、負極端子、正電極活性材料、負電極活性材料分別是厚度為100μm的鋁箔、厚度為100μm的銅箔、鋰-錳復(fù)合氧化物和結(jié)晶碳材料。對于上殼體元件，只有第一實施方案如圖4中顯示的平壁和斜壁用樹脂-金屬薄膜的層壓材料模制而成。上殼體元件斜壁相對于電極端子表面的角度θ為60°。表1中顯示了在例1中制作的扁平電池的制作條件。
表1θ(°) 拐角部分 L(mm)彎曲形狀例1 60 不提供-不彎曲例2 80 不提供-不彎曲例3 45 不提供-不彎曲例4 80 提供 0.3 不彎曲例5 80 提供 0.9 不彎曲例6 80 提供 0.9 彎曲比較例1 - 不提供-不彎曲比較例2 - 不提供-不彎曲該扁平電池是根據(jù)上殼體元件梯狀部分形成的皺紋量、發(fā)電元件中的表面壓力分布和表面壓力增加率來測量的。對上殼體元件梯狀部分的皺紋量的測量是通過視覺觀察將電池抽空之后殼體元件梯狀部分來進行的。對發(fā)電元件表面壓力分布的測量執(zhí)行如下。用千分尺詳細測量抽空后的扁平電池在表面上9個位置((上部、中部、底部)×(右、中、左))的厚度。根據(jù)表面壓力-厚度通用曲線，將在上述各位置測量的厚度轉(zhuǎn)換成表面壓力，表面壓力-厚度通用曲線是通過測量將負載施加到由與那些例子相同的材料構(gòu)成的扁平電池時厚度的變化而得到的。表面壓力增加率是通過將扁平電池典型表面壓力與比較例1的典型表面壓力進行比較，并計算表面壓力增加率來測量的。這里，典型表面壓力是上面9個位置處表面壓力的平均值。
結(jié)果，在測量例1中形成的皺紋量的過程中，如表2所示，例1中的上殼體元件梯狀部分中的皺紋量與比較例1的扁平電池的相比大大減少。例1中的表面壓力分布幾乎是均衡的，變化很小，且表面壓力整體上增加大約13％。
皺紋量 表面壓力分布 表面壓力增加率(％)例1BY13例2BY15例3BY10例4BY20例5AY23例6AY30比較例1CN-比較例2CN-在表2中，對于皺紋量，“A”表示形成很少的皺紋；“B”表示形成少量皺紋；“C”表示形成大量皺紋。對于表面壓力分布，“Y”表示表面壓力分布變化很小，“N”表示表面壓力分布變化很大。
(例2)如表1所示，例2的扁平電池使用與例1相同的正電極和負電極活性材料以及正極和負極端子來制備。對于上殼體元件，只有第一實施方案如圖4中顯示的平壁和斜壁用樹脂-金屬薄膜的層壓材料模制。上殼體元件斜壁相對于電極端子表面的角度θ為80°。表1中顯示了在例2中制作的扁平電池的制作條件。
該扁平電池是在與例1相同的條件下，根據(jù)上殼體元件梯狀部分中形成的皺紋量、發(fā)電元件中的表面壓力分布和表面壓力的增加率來測量的。結(jié)果，如表2所示，在對例2中形成的皺紋量的測量中，上殼體元件梯狀部分中的皺紋量與比較例1的扁平電池相比大大減少。例2中的表面壓力分布幾乎均衡，變化很小，且表面壓力整體上增加大約15％。
(例3)如表1所示，例3的扁平電池使用與例1相同的正電極和負電極活性材料以及正極和負極端子來制備。對于上殼體元件，只有第一實施方案如圖4中顯示的平壁和斜壁用樹脂-金屬薄膜的層壓材料模制。上殼體元件斜壁相對于電極端子表面的角度θ為45°。表1中顯示了在例3中制作的扁平電池的制作條件。
該扁平電池是在與例1相同的條件下，根據(jù)上殼體元件梯狀部分中形成的皺紋量、發(fā)電元件中的表面壓力分布和表面壓力的增加率來測量的。結(jié)果，如表2所示，在對例3中形成的皺紋量的測量中，上殼體元件梯狀部分中的皺紋量與比較例1的扁平電池相比大大減少。例3中的表面壓力分布幾乎均衡，變化很小，且表面壓力整體上增加大約10％。
(例4)如表1所示，例4的扁平電池使用與例1相同的正電極和負電極活性材料以及正極和負極端子來制備。對于上殼體元件，如第二實施方案圖6中顯示的平壁、斜壁和平壁四個角的拐角部分用樹脂-金屬薄膜的層壓材料模制。上殼體元件斜壁相對于電極端子表面的角度θ為80°。每個拐角部分的垂直部分的長度L設(shè)置為大約0.3mm，相當(dāng)于一個正極板、一個隔離物和一個負極板的總厚度。表1中顯示了在例4中制作的扁平電池的制作條件。
該扁平電池是在與例1相同的條件下，根據(jù)上殼體元件梯狀部分中形成的皺紋量、發(fā)電元件中的表面壓力分布和表面壓力的增加率來測量的。結(jié)果，如表2所示，在對例4中形成的皺紋量的測量中，上殼體元件梯狀部分中的皺紋量與比較例1的扁平電池相比大大減少。例4中的表面壓力分布幾乎均衡，變化很小，且表面壓力整體上增加大約20％。
(例5)如表1所示，例5的扁平電池使用與例1相同的正電極和負電極活性材料以及正極和負極端子來制備。對于上殼體元件，如第二實施方案圖6中顯示的平壁、斜壁和平壁四個角的拐角部分用樹脂-金屬薄膜的層壓材料模制。上殼體元件斜壁相對于電極端子表面的角度θ為80°。每個拐角部分的垂直部分的長度L設(shè)置為大約0.9mm，相當(dāng)于三個正極板、三個隔離物和三個負極板的總厚度。表1中顯示了在例5中制作的扁平電池的制作條件。
該扁平電池是在與例1相同的條件下，根據(jù)上殼體元件梯狀部分中形成的皺紋量、發(fā)電元件中的表面壓力分布和表面壓力的增加率來測量的。結(jié)果，如表2所示，在對例5中形成的皺紋量的測量中，上殼體元件梯狀部分中的皺紋量與比較例1的扁平電池相比大大減少。例5中的表面壓力分布幾乎均衡，變化很小，且表面壓力整體上增加大約23％。
(例6)如表1所示，例6的扁平電池使用與例1相同的正電極和負電極活性材料以及正極和負極端子來制備。對于上殼體元件，如第三實施方案圖7中顯示的平壁、具有彎曲形狀的斜壁和平壁四個角的拐角部分用樹脂-金屬薄膜的層壓材料模制。上殼體元件每個斜壁的彎曲形狀是半徑相當(dāng)于發(fā)電元件4mm總厚度的弧。每個拐角部分的垂直部分的長度L設(shè)置為大約0.9mm，相當(dāng)于三個正極板、三個隔離物和三個負極板的總厚度。表1中顯示了在例6中制作的扁平電池的制作條件。
該扁平電池是在與例1相同的條件下，根據(jù)上殼體元件梯狀部分中形成的皺紋量、發(fā)電元件中的表面壓力分布和表面壓力的增加率來測量的。結(jié)果，如表2所示，在對例6中形成的皺紋量的測量中，上殼體元件梯狀部分中的皺紋量與比較例1的扁平電池相比大大減少。例6中的表面壓力分布幾乎均衡，變化很小，且表面壓力整體上增加大約30％。
(比較例1)如表1所示，比較例1的扁平電池使用與例1相同的正電極和負電極活性材料以及正極和負極端子來制備。對于上殼體元件，用樹脂-金屬薄膜的層壓材料模制成如圖1A所示的、由一個平壁和垂直于平壁的梯狀部分構(gòu)成的簡單凸形。表1中顯示了在比較例1中制作的扁平電池的制作條件。
該扁平電池是在與例1相同的條件下，根據(jù)上殼體元件梯狀部分中形成的皺紋量和發(fā)電元件中的表面壓力分布來測量的。結(jié)果，如表2所示，在上殼體元件梯狀部分形成了大量的皺紋，而且發(fā)電元件的表面壓力分布是變化的。
(比較例2)如表1所示，比較例2的扁平電池使用與例1相同的正電極和負電極活性材料以及正極和負極端子來制備，對于上殼體元件，是無平壁、無斜壁和無拐角部分的樹脂-金屬薄層壓板。表1中顯示了在比較例2中制作的扁平電池的制作條件。
該扁平電池是在與例1相同的條件下，根據(jù)上殼體元件梯狀部分中形成的皺紋量和發(fā)電元件中的表面壓力分布來測量的。結(jié)果，如表2所示，在上殼體元件梯狀部分形成了大量的皺紋。發(fā)電元件的表面壓力在電池的中間部分小，在其外緣大，因此表面壓力分布變化很大。
將例1到6與比較例1和2進行比較，可以確定，上殼體元件的梯狀部分中預(yù)先模制斜壁顯著抑制了梯狀部分中的皺紋，使發(fā)電元件中的表面壓力分布均衡，而且增加了發(fā)電元件中的表面壓力。
將例1到4與例5和6進行比較，可以確定，上殼體元件中預(yù)先模制各帶有一個具有適當(dāng)長度L的垂直部分的拐角部分大大減少了梯狀部分中形成的皺紋。
此外，可以確定，增加發(fā)電元件中表面壓力的因素如下較大的角度θ(通過比較例1到3)；在上殼體元件中形成拐角部分(通過比較例2和4)；各個拐角部分較長的垂直部分(通過比較例4和5)；上殼體元件中模制的斜壁的彎曲形狀(通過比較例5和6)。
這里引用了申請日為2003年10月10日的日本專利申請No.2003-352748的全部內(nèi)容作為參考。
雖然上面已經(jīng)通過參照本發(fā)明的特定實施方案描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上面描述的實施方案。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)上述教導(dǎo)能夠?qū)Ρ景l(fā)明的實施方案進行各種修改和變化。參照下面的權(quán)利要求定義本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種扁平電池，包括一個發(fā)電元件，其包括一個正極板、一個負極板和一個設(shè)置于正極板和負極板之間的隔離物；一個殼體元件，其包括一個上殼體元件和一個下殼體元件并用于容納發(fā)電元件，該上殼體元件包括在用于容納發(fā)電元件的部分中的平壁以及在殼體元件的平壁和外緣之間的斜壁；以及正極和負極端子，其通過多個集電器連接到發(fā)電元件并從殼體元件的外緣伸出，其中，當(dāng)將電池內(nèi)部抽空時，斜壁向著電池內(nèi)部彎曲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，每個端子具有平面形狀，而且在將電池內(nèi)部抽空之前，斜壁以相對于所述端子的表面45°到80°的角度傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，上殼體元件包括拐角部分，該拐角部分具有大體上垂直于所述平壁的部分，在對應(yīng)于發(fā)電元件至少一個角的位置模制該拐角部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的扁平電池，其中，包含在拐角部分中的垂直部分的長度大于正極板、負極板和隔離物的總厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，在將電池內(nèi)部抽空之前，將斜壁模制成與多個集電器中位置最靠近殼體元件的一個集電器大體上平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，在將電池內(nèi)部抽空之前，使斜壁向著電池內(nèi)部彎曲。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，正極端子包含鋁、鐵、銅和鎳中的至少任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，殼體元件包含聚丙烯、改性聚丙烯、聚乙烯、改性聚乙烯和離聚物中的至少任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，正極板包含正電極活性材料，該正電極活性材料是鋰基復(fù)合氧化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的扁平電池，其中，該鋰基復(fù)合氧化物是鋰錳基復(fù)合氧化物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的扁平電池，其中，負極板包含負電極活性材料，該負電極活性材料是碳材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的扁平電池，其中，該碳材料是結(jié)晶碳材料和無定形碳材料中的任意一種。
13.一種電池組，包括多個扁平電池，每個扁平電池包括一個發(fā)電元件，其包括一個正極板、一個負極板和一個設(shè)置于正極板和負極板之間的隔離物；一個殼體元件，其包括上殼體元件和下殼體元件并用于容納發(fā)電元件，該上殼體元件包括在用于容納發(fā)電元件的部分中的平壁和在殼體元件的平壁與外緣之間的斜壁；以及正極和負極端子，其通過多個集電器連接到發(fā)電元件并從殼體元件的外緣伸出，其中，當(dāng)將電池內(nèi)部抽空時，斜壁向著電池內(nèi)部彎曲。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電池組，其中，每個扁平電池疊放在另一個扁平電池之上，每個扁平電池的正極端子與另一個扁平電池的正極端子指向大體上相同的方向，且所述每個扁平電池和另一個扁平電池具有相同極性的端子彼此電連接以形成該電池組。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電池組，其中，每個扁平電池放置在另一個扁平電池的旁邊，每個扁平電池的正極端子與另一個扁平電池的正極端子指向大體上相同的方向，且每個扁平電池和另一個扁平電池的具有相同極性的端子通過連接部件彼此電連接以形成該電池組。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的電池組，其中，通過連接多個電池組形成組合電池組。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的電池組，其中，電池組安裝在車輛上。
全文摘要
本發(fā)明的扁平電池具有一個發(fā)電元件，包括一個正極板、一個負極板和一個設(shè)置于正極板和負極板之間的隔離物；一個殼體元件，其包括一個上殼體元件和一個下殼體元件并容納發(fā)電元件；正極和負極端子，其通過多個集電器連接到發(fā)電元件并從殼體元件的外緣伸出。上殼體元件包括用于在容納發(fā)電元件的部分中的平壁和在殼體元件平壁與外緣之間的斜壁。其中當(dāng)將電池內(nèi)部抽空時，斜壁向著電池內(nèi)部彎曲。
文檔編號H01M2/10GK1606181SQ20041008494
公開日2005年4月13日 申請日期2004年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者渡邊恭一 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社