專利名稱：層疊電池的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種層疊電池，其中電池元件具有多個由插入的隔板分開的正極和負(fù)極，并被覆蓋材料密封(下面簡稱為“密封”)。
相關(guān)技術(shù)說明近來電池已被提出用于充入及放出較大的電流，這些電池包括電池元件，其具有由插入的隔板分開、并由金屬箔制成的多個正極集電器和負(fù)極集電器，與正極集電器連接的正極導(dǎo)線，與負(fù)極集電器連接的負(fù)極導(dǎo)線，用于密封電池元件并使部分正極導(dǎo)線和部分負(fù)極導(dǎo)線引出的覆蓋材料。為在這種層疊電池中將這些導(dǎo)線與電池元件連接，從層壓的正極集電器和負(fù)極集電器伸出的金屬箔部分必須分別聚集在一起和連接。如日本未審查專利公開2001-126678中所述的，焊接尤其是超聲波焊接經(jīng)常用作連接方法。
近來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用薄膜作為覆蓋材料可以得到重量和尺寸有利的電池。在這種類型的電池中，正極和負(fù)極導(dǎo)線都從覆蓋材料的一側(cè)引出，金屬箔與導(dǎo)線間的連接點是與層壓的電極單元分離的位置，那里是正極集電器、負(fù)極集電器和隔板的層壓部分。
關(guān)于這種集電器，從電化學(xué)及成本的觀點來看，例如在鋰離子二次電池中，鋁箔經(jīng)常用于這種正極集電器中，而銅箔通常用于負(fù)極集電器中。由于這兩種材料的導(dǎo)電性不同，當(dāng)使用這兩種材料時鋁箔通常比銅箔厚。
在上述的層疊電池中，從層壓電極單元到導(dǎo)線的面積是對充電和放電沒有作用的部分。因此，當(dāng)考慮到提高空間效率時，導(dǎo)線和金屬箔之間的連接部分優(yōu)選與層壓電極單元盡可能接近。同時，也必須考慮下面的因素。
隨著層壓電極單元中層壓的集電器的數(shù)量增加，在與導(dǎo)線連接的部分中必須焊接的金屬箔的層數(shù)也增加，并且為將這些部件可靠焊接，焊接裝置必須設(shè)置到高效輸出。此外，隨著層壓電極單元厚度增加，在連接單元中金屬箔相對于導(dǎo)線的角度差也增加，在連接單元基極的金屬箔的急劇彎曲會引起裂紋。特別地，當(dāng)正極和負(fù)極的總層數(shù)超過30時，如果在超聲波焊接中，通過在導(dǎo)線側(cè)使用砧座、在金屬箔側(cè)使用砧角來進行焊接，那么在金屬箔和連接單元的邊緣處因相對于導(dǎo)線有角度，所以箔易于破裂。因此，隨著層壓結(jié)構(gòu)的增加，需要增加層壓電極單元到連接單元的距離，從而降低金屬箔相對于導(dǎo)線的角度。
連接單元的位置設(shè)計必須在提高空間效率和處理箔裂紋的問題之間達到平衡。然而如前所述在現(xiàn)有技術(shù)公知的層疊電池中，正極和負(fù)極導(dǎo)線從一側(cè)引出。當(dāng)設(shè)計連接單元的位置時，并因此確定引出位置時，箔易于裂縫的負(fù)極或正極側(cè)被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的，即使這種技術(shù)消弱了空間效率?，F(xiàn)有技術(shù)層壓的電池包括其中正極側(cè)導(dǎo)線和負(fù)極側(cè)導(dǎo)線從相對側(cè)引出的結(jié)構(gòu)，但是在這種情況下，導(dǎo)線的引出位置是基于上述的考慮來設(shè)計，而現(xiàn)有技術(shù)中沒有引出位置獨立于正極側(cè)和負(fù)極側(cè)進行設(shè)計以最優(yōu)選空間效率的實例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述的背景技術(shù)為實現(xiàn)，其目的是當(dāng)焊接導(dǎo)線時，即使使用較大量的正極層壓層和負(fù)極層壓層，可減少對充電和放電沒有作用的區(qū)域，提高空間效率，同時防止箔裂縫。
本發(fā)明的發(fā)明人通過廣泛研究發(fā)現(xiàn)，在層壓電極單元中難于彎曲的面積邊緣位于正極引出側(cè)上的負(fù)極邊緣及負(fù)極引出側(cè)上的正極邊緣，這種發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致本發(fā)明形成。
更具體而言，本發(fā)明的層疊電池包括電池元件，與該電池元件連接的正極導(dǎo)線及負(fù)極導(dǎo)線。該電池元件具有多個正極片和多個負(fù)極片與插入的隔板交替堆疊的結(jié)構(gòu)。該正極片由正極集電器構(gòu)成，其中正極材料涂覆到兩個表面上，而且其中沒有涂覆正極材料的部分從一側(cè)延伸。該負(fù)極片由負(fù)極集電器構(gòu)成，其中負(fù)極材料涂覆到兩個表面上，其面積比正極材料涂覆的面積更大，而且其中沒有涂覆負(fù)極材料的部分從一側(cè)延伸。該正極導(dǎo)線與該正極片未涂覆正極材料的堆疊部分的末端相連。該負(fù)極導(dǎo)線與該負(fù)極片未涂覆負(fù)極材料的堆疊部分的末端相連。此外，在本發(fā)明的層疊電池中所述負(fù)極片部分的所述負(fù)極導(dǎo)線的連接單元側(cè)上的至少一部分朝向所述連接單元彎曲，該負(fù)極片部分延伸超出涂覆有正極材料的部分；而且，c＜b其中“b”是從正極導(dǎo)線的連接單元側(cè)上的所述涂覆有正極材料的正極片部分的末端到正極導(dǎo)線的連接單元的間距，“c”是從負(fù)極導(dǎo)線的連接單元側(cè)上的正極片末端到負(fù)極導(dǎo)線的連接單元的間距。
在正極側(cè)和負(fù)極側(cè)從電池元件到連接單元的間距的規(guī)定可優(yōu)化對充電和放電不起作用的部分。因而，當(dāng)焊接導(dǎo)線時，即使使用較大量的正極層壓層和負(fù)極層壓層，可減少對充電和放電沒有作用的區(qū)域，提高空間效率，同時防止箔裂縫。
在上述層疊電池中，“c”值優(yōu)選為0.8p＜c＜1.2p其中“p”是從正極導(dǎo)線的連接單元側(cè)上的負(fù)極片末端到正極導(dǎo)線的連接單元的間距。
此外，利用正極片和負(fù)極片層疊而使未涂覆正極材料部分和未涂覆負(fù)極材料部分從相對側(cè)延伸的結(jié)構(gòu)可使得在正極導(dǎo)線和負(fù)極導(dǎo)線延伸方向的尺寸減小。此外，在這種情況下，利用如下結(jié)構(gòu)其中電池元件真空密封在由薄膜構(gòu)成的覆蓋材料中，其中形成的杯形物構(gòu)成外殼以容納電池元件。此外，所述涂覆有正極材料的正極集電器的區(qū)域偏向于杯形物內(nèi)部的負(fù)極導(dǎo)線側(cè)，從而能夠可靠地定位在杯形物底部難于變形的電池元件區(qū)域。因此，覆蓋材料中的皺紋可被抑制，并且可使層疊電池具有極佳的外觀。
本發(fā)明上述和其它目的、特征及優(yōu)點從下面結(jié)合附圖的說明書中變得更清楚，說明書闡明了本發(fā)明的實施例。


圖1是本發(fā)明一個實施方案的層疊電池的分解立體圖。
圖2是剖視圖，表明在圖1所示的層疊電池的正極接頭附近的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖3是剖視圖，表明在圖1所示的層疊電池的負(fù)極接頭附近的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖4是圖1所示的層疊電池的俯視圖。
優(yōu)選實施方案詳細(xì)說明參考圖1，本發(fā)明一個實施方案的層疊電池1包括大致為矩形的電池元件2，其結(jié)構(gòu)中多個正極片與負(fù)極片層疊；分別與電池元件2的正極片和負(fù)極片相連的正極導(dǎo)線3和負(fù)極導(dǎo)線4；用于密封電池元件2、同時使正極導(dǎo)線3和負(fù)極導(dǎo)線4部分伸出的覆蓋材料5和6。在此實施方案中，層疊電池1被認(rèn)為是鋰離子二次電池。
該電池元件2由多個正極片和多個負(fù)極片構(gòu)成，其與插入的隔板交替層疊，包括含有電解質(zhì)并是這些元件層疊的部分層壓電極單元2a，用于分別連接層壓電極單元2a與正極導(dǎo)線3和負(fù)極導(dǎo)線4的正極接頭2b和負(fù)極接頭2c。正極接頭2b和負(fù)極接頭2c是分別從正電極薄片和負(fù)電極薄片伸出形成單元的部分，其是層壓電極單元2a的構(gòu)成元件。正極接頭2b及負(fù)極接頭2c從電池元件2的相對側(cè)延伸出來。換句話說，正極導(dǎo)線3和負(fù)極導(dǎo)線4從層疊電池1的相對方向伸出。
下面詳細(xì)說明電池元件2的結(jié)構(gòu)。
隔板可以是薄片形式，如微孔薄膜，其由可被電解質(zhì)浸漬的熱塑性樹脂制成，如聚烯烴、非織物或織物。
覆蓋材料5和6是兩片層壓的膜，其從厚度方向的兩側(cè)包圍電池元件2，通過熱密封重疊的邊緣密封電池元件2。此外，覆蓋材料5和6每一個都被處理成帶有杯邊的杯形，從而形成外殼，其形成包圍電池元件2的空間。通過深沖壓成形可實現(xiàn)此過程。
在圖1中，表明的實施例中電池元件2被兩片覆蓋材料5和6從厚度方向的兩側(cè)包圍，然后通過熱密封四個邊緣來密封，但本發(fā)明不限于這種形式，也可能是如下結(jié)構(gòu)其中單薄膜形式的覆蓋材料折疊以包圍電池元件2，然后通過熱密封三個開口側(cè)密封電池元件2。
下面分別結(jié)合圖2和圖3說明正極接頭2b附近的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和負(fù)極接頭2c附近的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
如前所述，本實施方案作為鋰離子二次電池，在負(fù)極片上負(fù)極材料涂覆部分的面積大于正極片上正極材料涂覆的面積。因此，負(fù)極材料涂覆邊緣22a比正極材料涂覆邊緣12a更朝向外側(cè)。負(fù)極材料涂覆邊緣22a比正極材料涂覆邊緣12a優(yōu)選伸出0.5-2mm。此外，為防止正極片10與負(fù)極片20之間短路，隔板30的隔板末端31比負(fù)極材料涂覆邊緣22a更朝向外側(cè)。隔板末端31比負(fù)極材料涂覆邊緣22a優(yōu)選伸出0.5-2mm。
首先結(jié)合圖2說明正極側(cè)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
正極片10由鋁箔構(gòu)成，包括正極集電器11，其中正極材料涂覆到正極片10的兩個表面的主要部分上。在層壓電極單元2a區(qū)域中的正極集電器11的主要部分由正極材料涂覆部分12構(gòu)成，其中正極材料涂覆到這兩個表面上。未涂覆部分13是指未涂覆正極材料的部分，其從正極集電器11的一側(cè)延伸。每個正極集電器11的未涂覆部分13以層疊的方式集合在正極導(dǎo)線3上，其由金屬板構(gòu)成并與隔板末端31相距預(yù)定的距離。然后通過焊接連接末涂覆部分13。當(dāng)測定連接單元40在正極集電器11的未涂覆部分13和正極導(dǎo)線3之間的位置時，必須仔細(xì)進行下面幾點考慮到在從正極片10的正極材料涂覆部分12朝向連接單元40的方向上層壓電極單元2a到連接單元40的厚度變化，首先在正極材料涂覆邊緣12a位置處的正極材料涂覆厚度降低。接下來在負(fù)極材料涂覆邊緣22a處的負(fù)極片20的厚度降低，在隔板末端31處的隔板30厚度進一步降低。最后，末涂覆部分13獨自集合到正極導(dǎo)線3上并到達連接單元40。
通過將間距與層壓電極單元2a的厚度相等的正極集電器11集合到一起、然后用超聲波接觸粘合或焊接形成連接單元40。因此，如果連接單元40的位置過于接近層壓電極單元2a，那么鋁箔形成的正極集電器11在連接單元40的基極40a急劇彎曲，從而鋁箔易于破裂。尤其是在超聲波焊接中，使用超聲波振動，同時將砧角放置在柔軟部分一側(cè)，而砧座通常放置在正極導(dǎo)線3的一側(cè)，并將砧角放到正極集電器11一側(cè)。因而在豐解的邊緣容易發(fā)生正極集電器11中的鋁箔裂縫。為防止鋁箔破裂，連接單元40的位置應(yīng)與層壓電極單元2a分開足夠大，從而限制了正極集電器11的彎曲。另一方面，層壓電極單元2a與電極單元40的過大距離會使電池的總尺寸增大，并消弱空間效率。因而連接單元40的位置設(shè)計必須在空間效率和防破裂的可靠性之間達到平衡。
下面結(jié)合圖3說明負(fù)極側(cè)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
負(fù)極片20由銅箔構(gòu)成，包括負(fù)極集電器21，其中負(fù)極材料涂覆到主要部分的兩個表面上。負(fù)極集電器21的主要部分是負(fù)極材料涂覆部分22，其中負(fù)極材料涂覆到層壓電極單元2a區(qū)域的兩個表面上。未涂覆部分23是指未涂覆負(fù)極材料的部分，其從負(fù)極集電器21的一側(cè)延伸。如前所述，負(fù)極材料涂覆部分22的面積大于正極片10上正極材料涂覆部分12的面積，因而負(fù)極材料涂覆22完全覆蓋正極材料涂覆部分12。未涂覆部分23以層疊的方式集合在負(fù)極導(dǎo)線4上，其由金屬板構(gòu)成、然后通過焊接連接并與隔板末端31相距預(yù)定的距離。
當(dāng)測定連接單元41在負(fù)極集電器21的未涂覆部分23和負(fù)極導(dǎo)線4之間的位置時，必須同樣在正極側(cè)仔細(xì)操作。換句話說，連接單元41的位置設(shè)計必須在提高空間效率和解決箔破裂的問題之間達到平衡。
此外，如圖2所示，在正極導(dǎo)線3的區(qū)域中帶有密封層51，其中正極導(dǎo)線3的覆蓋材料5和6被熱密封以防止當(dāng)熱密封覆蓋材料5和6時由于金屬板的插入使熱密封性能下降。相似地，如圖3所示，在負(fù)極導(dǎo)線4的區(qū)域中也帶有密封層52，其中覆蓋材料5和6被熱密封。此外，如圖2和圖3所示，正極側(cè)和負(fù)極側(cè)的連接單元40和41分別被保護膜56和57覆蓋。
關(guān)于正極側(cè)的連接單元40和負(fù)極側(cè)的連接單元41的位置，本發(fā)明通過廣泛研究發(fā)現(xiàn)，連接單元40和41的位置優(yōu)選設(shè)計成具備關(guān)系c＜b，其中“b”是在正極接頭2b中正極材料涂覆邊緣12a和連接單元40的基極40a之間在正極導(dǎo)線3引出方向上的間距，“c”是在負(fù)極接頭2c中正極片10的末端和連接單元41的基極41a之間在負(fù)極導(dǎo)線4引出方向上的間距。
例如，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)，正極材料涂覆部分12被用作設(shè)置在正極導(dǎo)線3側(cè)的連接單元40相對于正極材料涂覆部分12的位置的標(biāo)準(zhǔn)，使得在超聲波焊接中正極集電器11不發(fā)生箔破裂。然后負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)的連接單元位置也設(shè)置到相同間距(與正極材料涂覆邊緣12a至連接單元40的基極40a的間距相同)。然而，關(guān)于使得負(fù)極集電器21中箔不發(fā)生破裂的連接單元41的位置，發(fā)現(xiàn)在接近層壓電極單元2a的方向中有更多的邊緣，為提高空間效率在陰極側(cè)從層壓電極單元2a到連接單元41的尺寸(負(fù)極接頭2c的尺寸)可相應(yīng)減小。
特別地，在本實施方案所示的正極導(dǎo)線和負(fù)極導(dǎo)線從相反方向引出的鋰離子二次電池中，連接單元40和41的位置的最佳設(shè)計可減小在導(dǎo)線引出方向的覆蓋材料的尺寸，從而產(chǎn)生明顯效果。在這種情況下，使負(fù)極側(cè)的連接單元更接近層壓電極單元也可降低層疊電池中負(fù)極接頭的空間，該層疊電池的結(jié)構(gòu)中正極接頭和負(fù)極接頭從單側(cè)引出，盡管這種結(jié)構(gòu)引起正極側(cè)導(dǎo)線的引出部分和負(fù)極側(cè)導(dǎo)線的引出部分的外部形式變化，但是這使得內(nèi)部尺寸減小到與負(fù)極側(cè)導(dǎo)線引出部分中覆蓋材料相等。
下述理由可被認(rèn)為是在正極側(cè)和負(fù)極側(cè)連接單元最佳位置有上述差別的原因1.在正極和負(fù)極中的集電器的厚度差別如前所述，在鋰離子二次電池中，負(fù)極集電器21使用比正極集電器11更薄的金屬箔，因此負(fù)極側(cè)的集電器比正極側(cè)的集電器更易彎曲。因而相應(yīng)地連接單元41更易接近層壓電極單元。
2.在正極導(dǎo)線側(cè)和負(fù)極導(dǎo)線側(cè)上負(fù)極材料涂覆的厚度差別在圖2中，形成了很好的正極接頭2b側(cè)上的負(fù)極材料涂覆邊緣22a，因為涂覆有負(fù)極材料的負(fù)極集電器21從涂覆膜上切下來。然而，在負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)，當(dāng)用刮涂法將負(fù)極化合物涂覆到負(fù)極集電器21上時，因用擋板而使負(fù)極化合物流動停止來形成涂覆部分的邊緣。因此，負(fù)極材料涂覆部分22的厚度不改變。相反，涂覆膜的邊緣為錐形，邊緣部分通常為0.5-2mm。因而在圖3中從正極片10的邊緣伸出的0.5-2mm部分中，負(fù)極片20的厚度變薄。關(guān)于圖2中正極導(dǎo)線3側(cè)的負(fù)極片20的邊緣，盡可能遠離邊緣形成預(yù)定厚度的負(fù)極材料膜，因而難于彎曲。另一方面，在圖3中由于上述原因，伸出正極片10的區(qū)域中的負(fù)極材料涂覆部分22比在正極導(dǎo)線3側(cè)的負(fù)極片20的末端容易彎曲。
因此，當(dāng)負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)的負(fù)極集電器21被朝向連接單元41集合并焊接時，正極片10外側(cè)的負(fù)極材料涂覆部分22向連接單元41彎曲。此外，即使當(dāng)電池元件2用覆蓋材料5和6在減壓氣氛中密封時，當(dāng)密封后電池返回大氣壓時，由于大氣壓作用覆蓋材料5和6也壓縮負(fù)極片20。因此，伸出正極片10的負(fù)極材料涂覆部分22向連接單元41的高度位置在電池元件2的方向彎曲。
3.在正極導(dǎo)線側(cè)和負(fù)極導(dǎo)線側(cè)上層壓結(jié)構(gòu)的差別如圖2所示，隔板30和正極集電器11的未涂覆部分13插在正極導(dǎo)線3側(cè)上的負(fù)極片20的末端處的負(fù)極片之間。在比而言，如圖3所示，在負(fù)極材料涂覆部分22伸出負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)的正極片10的區(qū)域中，除了隔板30外沒有元件插在負(fù)極片20之間。隔板30由薄樹脂形成，因而容易彎曲。因而正極片10的末端在負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)具有較大的臺階，而易于彎曲。
由于上述原因，層壓電極單元2a的構(gòu)成元件難于彎曲的區(qū)域邊緣是正極導(dǎo)線3側(cè)上的負(fù)極片20的邊緣及負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)上的正極片10的邊緣。此外，當(dāng)用薄膜形式的覆蓋材料5和6在減壓氣氛中密封電池元件時，當(dāng)電池在密封后返回大氣壓時由于大氣壓力負(fù)極片20被覆蓋材料5和6壓縮。此時電池的外部平面部分邊緣與上述的位置處于相同位置。
如果連接單元40距離正極導(dǎo)線3側(cè)上的負(fù)極片20的邊緣的位置和連接單元41距離負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)上的正極片10的邊緣的位置的尺寸被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的，并設(shè)計成不發(fā)生箔裂縫，那么可發(fā)現(xiàn)連接單元40和41的最佳位置。在鋰離子二次電池中，負(fù)極材料涂覆的面積通常大于正極材料涂覆的面積。如果根據(jù)上述指導(dǎo)原理進行設(shè)計，那么必然導(dǎo)致關(guān)系c＜b。即使使用較多層的正極片10和負(fù)極片20，如總數(shù)為30或更多，那么也可減小對充電和放電起作用的超出層壓電極單元2a的面積大小，并提高空間效率，同時仍能防止正極集電器11和負(fù)極集電器21中的箔發(fā)生裂縫。
如果圖2中的間距“p”優(yōu)選基本上與圖3中的間距“c”尺寸基本上相同，那么可使連接單元40和41的位置最佳，其中“p”是在正極接頭2b中負(fù)極片20的邊緣和連接單元40的基極40a之間沿正極導(dǎo)線3方向上的間距。
間距“p”不需要與間距“c”精確相同，但可在上述能夠得到的作用范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。更具體而言，當(dāng)正極導(dǎo)線3側(cè)的“c”的尺寸被設(shè)計成箔易于破裂的標(biāo)準(zhǔn)尺寸時，當(dāng)“c”為0.8或更小時，箔裂縫的可能性增加，當(dāng)“c”為1.2p或更大時，難于得到所需的空間效率。因此，當(dāng)“c”為0.8p＜c＜1.2p時，可實現(xiàn)本發(fā)明的效果。
在圖4中，虛線表明電池元件的優(yōu)選估計位置和導(dǎo)線密封層相對于覆蓋材料的優(yōu)選估計位置。如圖4所示，用作電池元件2外殼的杯形物61的位置在正極側(cè)和負(fù)極側(cè)相對于覆蓋材料5和6的外形對稱。密封層51和52相對于層壓電極單元2a的位置關(guān)系在正極側(cè)和負(fù)極側(cè)不相同，在圖4中c+d小于a+b?！癰”和“c”表明上述的間距。此外，如圖2所示，“a”是在正極導(dǎo)線3側(cè)上從連接單元40的基極40a到密封層51的間距，如圖3所示，“d”是在負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)上從連接單元41的基極41a到密封層52的間距。
由于覆蓋材料5和6的邊緣是密封區(qū)域，所以在密封層51和52及覆蓋材料5和6間的位置關(guān)系與正極側(cè)和負(fù)極側(cè)相同，因此在層壓電極單元2a中覆蓋材料5和6的杯形物61區(qū)域的位置、尤其是在正極集電器11中正極材料涂覆部分12的位置偏向于負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)。如上所述，由于在正極導(dǎo)線3側(cè)的負(fù)極片20的邊緣比負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)更難于彎曲，所以電池元件2的整個外形可被認(rèn)為是平面形狀，并在正極導(dǎo)線3側(cè)上盡可能遠離負(fù)極邊緣延伸，平面部分的邊緣在負(fù)極導(dǎo)線4側(cè)急劇下降，但在正極導(dǎo)線3側(cè)有更緩的坡。按這種方式，層壓電極單元2a的位置偏向于負(fù)極側(cè)，從而使電池元件2的外形的平面部分與覆蓋材料5和6的杯形物61的底表面61a相匹配。在真空密封中由于覆蓋材料5和6的內(nèi)含物的形狀與覆蓋材料形狀的不匹配引起的皺紋可被抑制。如圖4所示，當(dāng)使用的覆蓋材料5和6在正極側(cè)和負(fù)極側(cè)有反向?qū)ΨQ形狀時，這種優(yōu)點尤其有效。
覆蓋材料5和6的杯形物61的加工可通過深沖壓成形來實現(xiàn)。杯形物61的底表面61a和側(cè)表面61b間的邊緣部分由于此時的沖孔形狀而略微彎曲。因而，如果在杯形物61中定位電池元件2時考慮到杯形物61的彎曲部分，那么優(yōu)選設(shè)計的電池元件2的平面部分應(yīng)定位在杯形物61的底表面61a和側(cè)表面61b間的邊緣彎曲部分的內(nèi)側(cè)。
在上述說明中，說明了本發(fā)明的代表性實施方案。接下來補充說明本發(fā)明使用的層疊電池中每一元件的結(jié)構(gòu)。
電極導(dǎo)線鋁、銅、鎳、鈦、鐵、磷青銅、青銅、不銹鋼、鍍鎳銅、鍍鎳鋁可用作正極導(dǎo)線和負(fù)極導(dǎo)線材料，需要時可使用淬火處理。導(dǎo)線的厚度優(yōu)選為0.08-1.0mm。
此外，優(yōu)選至少對與覆蓋材料緊密接觸的導(dǎo)線部分進行表面處理，以提高與覆蓋材料的粘合性。這種表面處理可如下進行通過化學(xué)蝕刻使表面粗糙化；通過電解形成進行氧化膜處理；形成由部分胺化的酚聚合物、磷酸化的化合物及鈦化合物構(gòu)成的涂層；通過磷酸鋅涂覆進行耐腐蝕涂層基本處理；通過鈦連接劑或鋁酸鹽連接劑進行表面處理。
含有金屬粘合樹脂的樹脂薄膜優(yōu)選預(yù)先與導(dǎo)線熔合。與金屬板狀的導(dǎo)線末端表面粘合的物質(zhì)用作金屬粘合樹脂，這種物質(zhì)的實例包括酸改性的聚丙烯、酸改性的聚乙烯、酸改性的聚(乙烯-丙烯)共聚物或離聚物。
覆蓋材料沒有對覆蓋材料進行特別限制，只要這種材料柔軟并能覆蓋電池主要元件使電解質(zhì)不泄漏即可。特別優(yōu)選用作覆蓋材料的一種材料是層壓薄膜，其中金屬層和熱密封樹脂層被層壓。在可用作這種層壓薄膜的一個實例中，厚為3μm～200μm涂覆到厚度為10μm～100μm的金屬箔上?？捎米鹘饘俨牟牧系膶嵗ㄤX、鈦、鈦合金、鐵、不銹鋼及鎂合金?？捎米鳠崦芊鈽渲牟牧习ň郾⒕垡蚁?、這些材料的酸改性產(chǎn)物、聚酯(如聚苯硫、聚對苯二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺及乙烯基乙酸乙酯共聚物。
形成電池元件外殼的杯形物可形成在電池元件厚度方向的兩個表面的覆蓋材料上，或僅在一個表面上形成?？蛇x擇地，也可采用如下結(jié)構(gòu)其中電池元件不是通過在覆蓋材料中形成杯來密封，而是利用覆蓋材料的柔軟性來密封。在這種情況下，覆蓋材料發(fā)生變形以適應(yīng)電池元件的外形。
正極和負(fù)極對于正極沒有特別的限制，只要正極在放電過程中能夠吸收正離子或放出負(fù)離子即可，可以使用在二次電池中公知用作正極的常規(guī)材料，其實例包括a)LiMnO2、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2或具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鋰錳金屬氧化物；b)導(dǎo)電聚合物，如聚乙炔或聚苯胺；c)由通式(R-Sm)n代表的二硫化合物(其中R是脂肪族或芳香族基團，S是硫，m和n是整數(shù)，m≥1，n≥1)(如二硫代乙二醇、2，5-二巰基-1，3，4-噻二唑、S-三嗪、2，4，6-三硫醇(トリチオ一ル))。
此外，正極活性材料(圖未示)通過與適合的粘合劑或功能劑混合可形成在正極中?？捎米髡澈蟿┑牟牧习êu素聚合物，如聚偏氟乙烯。可用作功能性材料的材料包括用于確保電子導(dǎo)電性的導(dǎo)電聚合物，如乙炔黑、聚吡咯及聚苯胺，用于確保離子導(dǎo)電性的聚合物電解質(zhì)，及這些聚合物的混合物。
對于負(fù)極沒有特別的限制，只要該材料能吸收和釋放陽離子即可?？墒褂玫牟牧习ㄌ烊皇?、結(jié)晶碳，如通過使炭/瀝青經(jīng)高溫?zé)崽幚淼玫降氖奶?；通過使炭、瀝青焦炭或乙炔焦炭經(jīng)熱處理得到的無定形碳。
關(guān)于在電池元件中注入的電解質(zhì)，其實例包括由堿金屬如鋰、鉀或鈉的陽離子和含有鹵素化合物的陰離子如ClO4-、BF4-、PF6-、CF3SO3-、(CF3SO2)2N-、(C2F5SO2)2N-、(CF3SO2)3C-、(C2F5SO2)3C-形成的鹽，其可溶解在較高極性的溶劑中用作二次電極的電解質(zhì)，如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁內(nèi)酯、N，N’-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、N-甲基吡咯烷酮及間甲酚。此外，由電解質(zhì)鹽或這些堿性溶劑組成的溶劑可單獨使用或混合使用。此外，也可使用凝膠形式的電解質(zhì)，其中聚合物凝膠含有電解質(zhì)溶液。最后，可以加入痕量的材料，如環(huán)丁砜、二氧六環(huán)、二氧戊環(huán)、1，3-丙烷磺內(nèi)酯、四氫呋喃及碳酸亞乙烯酯。
上述的材料與鋰離子二次電池相關(guān)，但是本發(fā)明也可應(yīng)用于鉛電池、鎳鎘電池、鎳氫電池中。本發(fā)明不僅適用于電池，而且適用于雙層電容器及非水性電解電容器。
下面說明本發(fā)明的實際實例。
將含有尖晶石結(jié)構(gòu)的鋰錳粉末的正極混合物用刮涂法涂覆到厚為20μm并用作正極集電器的鋁箔的兩個表面上，使總厚度為125μm。當(dāng)涂覆正極混合物時，通過間歇涂覆正極混合物也形成未涂覆部分(正極集電器暴露的部分)，這種涂覆可通過打開和關(guān)閉擋板來實現(xiàn)。將這種組件切成矩形的正極片，包括未涂覆正極混合物部分的正極片為137mm×65mm。按這種方式得到32個正極片。正極材料涂覆部分的尺寸為120mm×65mm，面積為7800mm2。末涂覆正極混合物部分的引出長度在此階段為17mm，但是如后所述的在形成層壓電極主體后，該部分經(jīng)過均勻切割，因而被縮短。
將含有無定形碳粉末的負(fù)極混合物用刮涂法涂覆到厚為10μm并用作負(fù)極集電器的銅箔的兩個表面上，使總厚度為115μm。將這種組件切成矩形的負(fù)極片，包括未涂覆負(fù)極混合物部分的負(fù)極片為137mm×69mm。按這種方式得到33個負(fù)極片。負(fù)極材料涂覆部分的尺寸為124mm×69mm，面積為8556mm2。末涂覆負(fù)極混合物部分的引出長度在些階段為13mm，但是如后所述的在形成層壓電極主體后，該部分經(jīng)過均勻切割，因而被縮短。
按上述制備的正極片和負(fù)極片用插入的隔板交替層疊，這些隔板每一個均用由聚丙烯制成的微孔薄膜構(gòu)成，其厚度為25μm，使得最外層為負(fù)極層，從而得到層壓電極主體。當(dāng)層壓正極片和負(fù)極片時，排列正極片和負(fù)極片的方向使正極混合物未涂覆的部分和負(fù)極混合物不涂覆的部分方向相反。隔板的尺寸和位置要使隔板從負(fù)極材料涂覆的區(qū)域在四個邊緣的每一個上突出2mm。
在將正極的未涂覆部分與正極導(dǎo)線相連及將負(fù)極的未涂覆部分與負(fù)極導(dǎo)線相連之前，正極和負(fù)極的未涂覆部分在各自的連接點集合在一起，并用夾子固定。在這種狀態(tài)時，正極片的未涂覆部分一起切割并對齊，其在正極片的層壓層方向中心的引出距離為12.5mm，該引出距離是從正極混合物涂覆部分的邊緣開始測量。相似地，負(fù)極片也一起切割并對齊，其在負(fù)極片的層壓層方向中心的引出距離為8.5mm，該引出距離是從負(fù)極混合物涂覆部分的邊緣開始測量。
然后，32個正極片的未涂覆正極材料部分在厚度為0.1mm并用作正極導(dǎo)線的鋁板上集合在一起，將砧角放在正極材料未涂覆部分側(cè)，進行超聲波焊接。相似地，33個負(fù)極片的未涂覆負(fù)極材料部分在厚度為0.1mm并用作負(fù)極導(dǎo)線的鎳板上集合在一起，將砧角放在負(fù)極材料未涂覆部分側(cè)，進行超聲波焊接。接下來，用由改性聚丙烯構(gòu)成的密封層熱密封正極導(dǎo)線和負(fù)極導(dǎo)線。
關(guān)于在圖2和圖3中每一元件的尺寸，a＝5.5mm，b＝8.5mm，p＝6.5mm，c＝6.5mm，d＝5.5mm。正極接頭2b在導(dǎo)線引出方向的長度為12.5mm，負(fù)極接頭2c的長度為10.5mm(涂覆的負(fù)極混合物為2mm)。對正極片(鋁少)和負(fù)極片(銅箔)分別與正極導(dǎo)線和負(fù)極導(dǎo)線有效的焊接可在箔不裂縫的情況下實現(xiàn)。此外，焊接后，在接近負(fù)極被涂覆部分的邊緣中未涂覆負(fù)極材料部分的引出側(cè)(下文簡稱為“負(fù)極側(cè)”)沿焊接到負(fù)極導(dǎo)線上的部分的方向彎曲。
為進行比較，對b尺寸比上述值小的樣品進行測試，發(fā)現(xiàn)鋁箔更易于裂縫。
含有電解質(zhì)的上述層壓電極主體固定在如圖4所示外形(在正極側(cè)和負(fù)極側(cè)對稱的形狀)的覆蓋材料中，然后進行真空密封。覆蓋材料是厚度為40μm的鋁層和厚度為40μm的聚丙烯樹脂層的層壓薄膜，其通過深沖壓形成杯形。關(guān)于覆蓋材料和層壓電極主體的相對位置，如圖4所示，層壓電極單元偏向于負(fù)極側(cè)，而密封層的位置以覆蓋材料為基準(zhǔn)，與如負(fù)極側(cè)上的位置相同的正極側(cè)上的位置相匹配。從正極材料涂覆部分到覆蓋材料杯底表面末端的間距在正極側(cè)為4mm，在負(fù)極側(cè)為2mm。適時測定杯的深度可得到光滑外表面，而即使在真空密封時也不會使覆蓋材料有皺紋。
當(dāng)使用相同的覆蓋材料和相同的位置關(guān)系進行真空密封時，在正極側(cè)和負(fù)極側(cè)的上述間距為3mm，在接近四個角處在覆蓋材料中發(fā)生皺紋。
盡管已經(jīng)詳細(xì)說明了本發(fā)明特別的優(yōu)選實施方案，但應(yīng)該理解在不脫離所附權(quán)利要求的精神或范圍內(nèi)可做出各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種層疊電池，其包括電池元件，其中多個正極片和多個負(fù)極片用插入的隔板交替堆疊，每個正極片由正極集電器構(gòu)成，其中正極材料涂覆到兩個表面上，而且其中沒有涂覆正極材料的部分從一側(cè)延伸；每個負(fù)極片由負(fù)極集電器構(gòu)成，其中負(fù)極材料涂覆到兩個表面上，其遍布的面積比所述正極材料涂覆的面積更大，而且其中沒有涂覆負(fù)極材料的部分從一側(cè)延伸；正極導(dǎo)線，其與所述正極片未涂覆正極材料的堆疊部分的末端相連；及負(fù)極導(dǎo)線，其與所述負(fù)極片未涂覆負(fù)極材料的堆疊部分的末端相連；其中，所述負(fù)極片部分的具有所述負(fù)極導(dǎo)線的連接單元一側(cè)上的至少一部分朝向所述連接單元彎曲，該負(fù)極片部分延伸超出涂覆有正極材料的部分，而且c＜b其中“b”是從具有所述正極導(dǎo)線的連接單元一側(cè)上的所述涂覆有正極材料的正極片部分的邊緣到具有所述正極導(dǎo)線的連接單元的間距，“c”是從具有所述負(fù)極導(dǎo)線的連接單元一側(cè)上的所述正極片邊緣到具有所述負(fù)極導(dǎo)線的連接單元的間距。
2.如權(quán)利要求1所述的層疊電池，其中0.8p＜c＜1.2p其中“p”是在具有所述正極導(dǎo)線的連接單元一側(cè)上，從所述負(fù)極片邊緣到所述正極片和所述正極導(dǎo)線的連接單元的間距。
3.如權(quán)利要求1所述的層疊電池，其中所述的正極集電器是鋁箔，所述的負(fù)極集電器是銅箔。
4.如權(quán)利要求1所述的層疊電池，其中所述正極片和所述負(fù)極片被層疊從而使未涂覆正極材料部分和未涂覆負(fù)極材料部分從相對側(cè)延伸。
5.如權(quán)利要求4所述的層疊電池，其中所述電池元件被真空密封在由薄膜構(gòu)成的覆蓋材料中，其中形成杯形物以構(gòu)成外殼容納所述電池元件，而且所述涂覆有正極材料的所述正極集電器的區(qū)域被布置于偏向所述杯形物內(nèi)部的負(fù)極導(dǎo)線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種層疊電池，其具有電池元件，其中多個正極片和多個負(fù)極片用插入的隔板交替堆疊，每個正極片由正極集電器構(gòu)成，其中涂覆正極材料，而且其中沒有涂覆正極材料的部分從一側(cè)延伸；每個負(fù)極片由負(fù)極集電器構(gòu)成，其中負(fù)極材料涂覆到比所述正極材料涂覆的區(qū)域更大的區(qū)域上，而且其中沒有涂覆負(fù)極材料的部分從一側(cè)延伸。在具有負(fù)極導(dǎo)線的連接單元一側(cè)上，該負(fù)極片的一部分朝向該連接單元彎曲，該負(fù)極片部分從涂覆有正極材料的部分突出。從具有該負(fù)極導(dǎo)線的連接單元一側(cè)上的正極片邊緣到具有該負(fù)極導(dǎo)線的連接單元的間距，小于從具有該正極導(dǎo)線的連接單元一側(cè)上的涂覆有正極材料的正極片部分的邊緣到具有正極導(dǎo)線的連接單元的間距。
文檔編號H01M2/30GK1614798SQ20041008831
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月6日
發(fā)明者屋田弘治, 乙幡牧宏, 水田政智 申請人:Nec Lamilion能源株式會社