專利名稱：形成有散熱層的電池外殼和使用它的鋰聚合物電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括散熱層的電池外殼(sheath)和使用該電池外殼的鋰聚合物電池。更具體地說，本發(fā)明涉及一種電池外殼，可以改善鋰聚合物電池的散熱性能和正溫度系數(shù)(PTC)器件對溫度增加的響應。
背景技術：
如本領域所公知，鋰聚合物電池是指一種具有包括置于正、負極板之間的隔板的電極組件的電池。隔板執(zhí)行電解液的作用，即它作為離子傳導的介質(zhì)。另外，隔板充當用于隔離的介質(zhì)。隔板可提高離子傳導率，并且包含凝膠型聚合物電解液，它可通過將聚合物浸透電解液而制成。除了能提高離子傳導率之外，凝膠型聚合物電解液還具有優(yōu)良的電極粘合性、機械特性，以及易于制造等優(yōu)點。具有代表性的一種凝膠型聚合物電解液為一種可從Bellcore公司獲得的聚偏氟乙烯(PVDF)基電解液，該PVDF基電解液是通過將偏二氟乙烯(VDF)和六氟丙烯(hexafluoropropylene，HFP)的共聚物、可塑劑、以及無機添加劑混合而形成膜后，將膜用電解液浸透，并使膜成為凝膠而制備成的。
鋰聚合物電池和鋰離子電池在如下幾個方面是不同的。首先，與鋰離子電池不同，鋰聚合物電池可具有板結構，并且無需卷繞。因此，鋰聚合物電池可以具有包括幾層疊層板的電極組件，并且可以制造成正方形結構。第二，鋰聚合物電池中，電解液被注入到完全成一體的電池中，因而幾乎不會泄漏。第三，鋰聚合物電池的板結構使得在形成正方形形狀時無需施加壓力。因此，可以使用薄且柔軟的袋，而非堅硬的正方形或圓柱形罐作為電池外殼。
當使用柔軟的袋作為電池外殼時，與使用罐作為電池外殼相比，可大大減小電池外殼的厚度。因此，同樣的體積可以容納更多電極組件。這將會顯著增加電池容量。柔軟的袋型電池外殼使電池易于制造成任何想要的形狀，并且使電池易于安裝在各種電子設備上。然而，袋型電池外殼不能很好地散熱，因而縮短電池的使用壽命。具體地說，袋型電池外殼通常包括在其表面上的尼龍或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。這些材料使得散熱性能降低，而且不能有效地抵抗充電/放電期間產(chǎn)生的熱量。此外，放電量會隨溫度的升高而增加，這將會急劇縮短電池的使用壽命。
當電池的溫度上升至閾值水平以上時，電極組件或電解液就會分解并因而產(chǎn)生大量氣體。產(chǎn)生的氣體使得電池內(nèi)部的壓力增加，并引起電池膨脹，這會嚴重降低電池的可靠性。
鋰聚合物電池配備有正溫度系數(shù)(PTC)器件。這種PTC器件的阻抗隨溫度增加，并且當溫度升高時阻斷充電電流。這種PTC器件被置于保護電路模塊本身或保護電路模塊與電極組件的連接部分上。PTC器件在電池溫度上升時減小或阻斷流過該器件的電流。隨著電流的減小或阻斷，電池發(fā)熱以及溫度升高就會基本停止。PTC器件的一部分接觸電池外殼，以使它能對電池溫度進行響應。然而，如上所述，電池外殼包括在其表面上的尼龍或PET，這些材料降低散熱性能，并且電池外殼內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不能被迅速傳遞到PTC器件。因此，PTC器件不能迅速響應電池的溫度升高，這將嚴重降低電池的可靠性。
另外，常規(guī)電池外殼的機械強度低，并且非常容易在外部沖擊下?lián)p壞。例如，如果電池外殼被諸如針或釘子之類的尖物刺到，則容易形成穿孔。而且，如果電池外殼被寵物咬了，也很容易破裂。此外，如果尖物接觸到內(nèi)部的電極組件，那么尖物對電池外殼的穿透就會引起短路。結果，電池就可能起火或爆炸。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明一個實施例中，提供一種具有改善的散熱性能的電池外殼，以抑制在充電和放電過程中電池內(nèi)的溫度升高。該電池外殼在其表面上包括散熱層。正溫度系數(shù)(PTC)器件接觸該散熱層，從而改進該PTC器件的響應性。該電池外殼具有改進的機械強度、抗腐蝕性和抗沖擊性。
該電池外殼包括具有第一和第二表面的金屬層，具有預定厚度、位于該金屬層的第一表面上的散熱層，和具有預定厚度、位于該金屬層的第二表面上的流延聚丙烯(cast polypropylene，CPP)層。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供一種鋰聚合物電池，包括具有多個由多個隔板使它們彼此隔開的正、負極板。正極接線片和負極接線片分別連接于該正、負極板，并從該正、負極板伸出預定長度。具有散熱層的外殼包括具有用于容納電極組件的空腔的容器，以及用于覆蓋該容器的空腔的蓋。
該電池外殼包括在其表面上的散熱層。該散熱層既是電絕緣體又是導熱體。該散熱層使電池充電/放電期間的散熱性能最大化，并提高電池的使用壽命和可靠性。
PTC器件被連接在保護電路模塊和電極組件之間，并且直接接觸電池外殼的散熱層。這種接觸能使PTC器件迅速感知電池內(nèi)的溫度升高，并阻斷或減小電流流動，從而顯著改善電池的可靠性。
此外，在該電池外殼上的散熱層可改善電池的機械強度，并且增加抗腐蝕性以及抗沖擊性。


參照下面結合附圖的詳細描述，將使本發(fā)明的以上及其它目的、特征和優(yōu)點變得更清楚，其中圖1A為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池外殼的透視圖；圖1B為圖1A的電池外殼的放大的橫截面圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的電池外殼的透視圖；
圖2A為圖2的電池外殼的區(qū)域A的局部放大圖；圖3A為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鋰聚合物電池的透視圖；圖3B為圖3A的鋰聚合物電池的透視圖，所示的是電極接線片彎折后的狀態(tài)；圖4為圖3B的鋰聚合物電池的部分側橫截面圖；圖4A為圖3B的電池的區(qū)域B的局部放大圖；圖4B為圖3B的電池的區(qū)域C的局部放大圖；圖5A為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池外殼的透視圖，顯示了制造鋰聚合物電池的方法的第一步驟；圖5為圖5A的外殼的區(qū)域D的局部放大圖；圖5B為圖5A的外殼的透視圖，顯示了制造鋰聚合物電池的方法的第二步驟；圖5C為圖5B的外殼的透視圖，顯示了制造鋰聚合物電池的方法的第三步驟；圖5D為圖5C的外殼的透視圖，顯示了制造鋰聚合物電池的方法的第四步驟；圖5E為圖5D的外殼的透視圖，顯示了制造鋰聚合物電池的方法的第五步驟。
具體實施例方式
下面，將參照附圖描述本發(fā)明的示例性實施例。在以下描述和附圖中，相同的附圖標記用于標示相同部件，以避免對相同或相似部件的重復描述。
圖1A為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池外殼的透視圖，圖1B為圖1A的電池外殼的放大的橫截面圖。如圖1A和1B所示，電池外殼110包括金屬層111、散熱層112和流延聚丙烯(CPP)層113。
金屬層111具有第一表面111a和第二表面111b。金屬層111的厚度近似為約20～約100μm。如果金屬層111的厚度小于約20μm，在加工過程中，它會容易被折斷或損壞。如果金屬層111的厚度大于約100μm，則很難加工。
該金屬層可包括選自由鐵(Fe)、碳(C)、鉻(Cr)和錳(Mn)的合金，鐵(Fe)、碳(C)、鉻(Cr)和鎳(Ni)的合金，以及鋁(Al)組成的組中的材料。如果金屬層包括鐵，則會提高其機械強度。如果金屬層包括鋁，則會改善其散熱性。當金屬層111包括鐵時，它可以包括包含約84～約88.2％的鐵、0.5％或更少的碳、約11～約15％的鉻和約0.3～約0.5％的錳的合金?；蛘?，該合金可以包含約63.7～約75.9％的鐵、約0.1～約0.3％的碳、約12～約18％的鉻以及約7～約12％的鎳。另外，金屬層可包括選自由韓國工業(yè)標準(KS)STS 301、STS 304、STS 305、STS 316L和STS 321，以及日本工業(yè)標準(JIS)SUS 301、SUS 304、SUS 316L和SUS 321組成的組中的材料。
散熱層112通過涂敷或?qū)訅憾O置于金屬層111的第一表面111a上。在一個實施例中，散熱層的厚度為約5～約10μm。如果散熱層112的厚度小于約5μm，則其散熱性能不能滿足要求。如果散熱層112的厚度大于約10μm，則很難加工散熱層。散熱層可包含既是電絕緣體又是熱導體的材料。用于散熱層的合適材料的非限制性實例包括導熱聚合物、導熱彈性體、導熱硅彈性件。散熱層112還可包含陶瓷粉末(ceramic powder)和粘合樹脂的混合物。
散熱層112可通過涂敷的方式形成于金屬層111上。在涂敷之后，將該散熱層在約140～約200℃的預定溫度進行熱處理?；蛘撸釋?12還可利用加熱，制成薄片并層壓在金屬層111上。
用在散熱層112中的陶瓷粉末的非限制性實例包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)、碳化硅(SiC)和石墨。在一個實施例中，陶瓷粉末的平均顆粒尺寸為幾個微米。陶瓷粉末和粘合樹脂的混合物包括約5～約50體積％的陶瓷粉末。如果混合物包含少于的5體積％的陶瓷粉末，則不能充分改善散熱性能。如果混合物包含大于50體積％的陶瓷粉末，則會降低對金屬層111的粘合強度。當在混合物中存在的陶瓷粉末為上述范圍之內(nèi)時，可提高散熱性能，并保持較強的對金屬層的粘合強度。
通過涂敷或?qū)訅旱姆绞皆诮饘賹?11的第二表面111b上形成CPP層113。CPP層113的厚度范圍為約30～約40μm。由于要使電極組件熱粘合于CPP層113，因此CPP層113的厚度稍大于金屬層111的厚度。該CPP層也可形成于金屬層111的第一表面111a上，并被用作散熱層。
圖2為包括第一區(qū)域214和第二區(qū)域215的電池外殼210的透視圖。第一區(qū)域214和第二區(qū)域215在密封袋時熱結合。第一區(qū)域214包括尺寸和形狀形成為可容納電極組件(未示出)的空腔216。第二區(qū)域215是適于蓋住第一區(qū)域214的空腔216的蓋。金屬層211的厚度至少為約20μm，以防止在形成空腔216過程中損壞電池外殼。第一區(qū)域214還包括圍繞空腔216邊緣的唇部217。唇部217熱結合于第二區(qū)域215的CPP層213，并逆著空腔216折疊，使得PTC器件231和保護電路模塊230可以位于第一區(qū)域214的前端218的前面，如圖3A和3B所示。
空腔216用鑄模通過接觸CPP層213而形成。因此，CPP層213的厚度大于金屬層211的厚度，金屬層的厚度大于散熱層212的厚度。
圖3A和圖3B顯示PTC器件231和保護電路模塊230到電極接線片224和225的連接。如圖所示，該鋰聚合物電池包括電池外殼210、容納于電池外殼210中的電極組件，以及電連接于電極組件的保護電路模塊230。
如圖4、4A和4B所示，電池外殼210包括金屬層211、在金屬層211的第一表面上的散熱層212，以及在金屬層211的第二表面上的CPP層213。電池外殼210包括具有空腔216的第一區(qū)域214和用于覆蓋空腔216的第二區(qū)域215。在將電極組件放置于空腔216中之后，將位于空腔216外圍邊緣上的唇部217和第二區(qū)域215的與唇部217疊置的部分進行熱結合。第一和第二區(qū)域214和215的CPP層213進行熱結合。然后熱結合部分逆著第二區(qū)域215的外表面折疊，以使電池外殼的尺寸最小。圖3A示出了已經(jīng)熱結合但還沒有折疊以最小化外殼尺寸的電池外殼。圖3B顯示了熱結合部分已經(jīng)折疊的電池外殼。
如圖4、4A和4B所示，電極組件220包括多個正極板221和負極板223，且正極板221和負極板223由多個隔板222彼此隔開。正極接線片224和負極接線片225分別連接于正極板221和負極板223，并從電極組件220伸出預定長度。正極接線片224和負極接線片225進一步伸到電池外殼210的外部。正極接線片224可以包含鋁，負極接線片225可以包含鎳。
保護電路模塊230通過PTC器件231電連接于正或負極接線片之一。正負極接線片中的另一個可直接連接于保護電路模塊230。PTC器件231可緊鄰保護電路模塊230，但可以理解PTC器件可放置于任何其它希望的位置。
在一個實施例中，在正極接線片224和負極接線片225分別彎折之后，將保護電路模塊230置于外殼210的前端218的前面。正極接線片和負極接線片被彎折一次，以將它們設置為靠著外殼210的前端218。PTC器件231置于正極接線片224和負極接線片225之一上。PTC器件的一部分接觸外殼210的前端218，以使PTC器件能夠響應于溫度增加。保護電路模塊230置于正極接線片224、負極接線片225和PTC器件231上。盡管被彎折數(shù)次，正極接線片224和負極接線片225的端部電連接到保護電路模塊230上。
散熱層212位于電池外殼210的最外表面上，并且可以改善電池的散熱性能。另外，散熱層212能迅速傳遞熱到PTC器件231，從而改善PTC器件231對溫度增加的響應。而且，散熱層212具有高的機械強度和優(yōu)良的抗腐蝕性和抗沖擊性，從而提高了電池的可靠性。
圖5A、5和5B至5E示出了根據(jù)本發(fā)明制造鋰聚合物電池的方法的一系列步驟。如圖5A和5所示，首先將電池外殼310制造成預定形狀。具體地說，電池外殼310包括具有形狀和尺寸適于容納電極組件(未示出)的空腔316的第一區(qū)域314和用于覆蓋第一區(qū)域314的第二區(qū)域315。該第一區(qū)域還包括沿著空腔316邊緣的唇部317，以及前端318。保護電路模塊330位于第一區(qū)域314的前端318的前面。
電池外殼310具有分層結構，包括金屬層311、在金屬層311第一表面上的散熱層312以及在金屬層311第二表面上的CPP層313。散熱層312位于電池外殼310的外表面上，并提高電池的散熱性能和機械強度。散熱層312還改善PTC器件331的響應性能。
如圖5B所示，電極組件320容納在電池外殼310的第一區(qū)域314的空腔316中。電極組件320包括正極板321、負極板323和位于電極板之間的隔板322。卷繞電極板和隔板形成電極組件320，正極接線片324和負極接線片325分別連接于正極板321和負極板323。正極接線片324和負極接線片325從電極組件延伸預定長度，并伸到電池外殼310的外部。
如圖5C所示，保護電路模塊330電連接于電極組件320的正極接線片324和負極接線片325。PTC器件331被電連接于保護電路模塊330與負極接線片325和正極接線片324之一之間。PTC器件331可迅速檢測電池的溫度升高，從而減小或阻斷電流流動。
如圖5D所示，保護電路模塊330被設置為靠著電池外殼310的前端318。正極接線片324和負極接線片325被彎折若干次，以將保護電路模塊330設置為靠著前端318。具體地說，正極接線片324和負極接線片325被彎折第一次，于是正極接線片324、負極接線片325以及PTC器件331被設置為靠著前端318?？梢詫釒?未示出)可以連接于前端318的表面上，用于加強將熱傳遞到PTC器件331。導熱帶可以包含既是電絕緣體又是導熱體的材料。然后正極接線片324和負極接線片325被又一次彎折，以使保護電路模塊330平穩(wěn)地設置為靠著前端318。為了更好地進行粘合，可將導熱粘合帶置于保護電路模塊330和前端318之間。
如圖5E所示，然后將電池外殼310的唇部317向空腔316彎曲，從而完成鋰聚合物電池。以這種方式折疊唇部317可使電池300的尺寸最小。金屬層311通過唇部317被暴露在外，但可使用絕緣件將唇部密封，以防止金屬層311暴露。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的鋰聚合物電池的電池外殼包括散熱層，該散熱層既是電絕緣體又是熱導體。這些散熱層最大程度地改善了電池充電/放電期間的散熱性能，并延長了電池的使用壽命，提高了電池的可靠性。
電連接于電極組件和保護電路模塊之間的PTC器件直接接觸散熱層，使PTC器件能夠迅速檢測電池溫度增加，因而阻斷或減少電流的流動。這就顯著提高了電池的可靠性。
此外，在電池外殼表面上的散熱層可提高機械強度以及抗腐蝕和抗沖擊性。
僅出于說明的目的，描述了本發(fā)明的示例性實施例。本領域的技術人員將會明白，只要不背離所附權利要求公開的本發(fā)明的精神和范圍，可對本發(fā)明進行各種修改、增加和替換。
權利要求
1.一種電池外殼，包括具有第一和第二表面的金屬層；位于該金屬層的第一表面上的散熱層；和位于該金屬層的第二表面上的流延聚丙烯(CPP)層。
2.如權利要求1所述的電池外殼，其中，該金屬層包含選自由鋁，鐵(Fe)、碳(C)、鉻(Cr)和錳(Mn)的合金，以及鐵(Fe)、碳(C)、鉻(Cr)和鎳(Ni)的合金組成的組中的材料。
3.如權利要求1所述的電池外殼，其中該散熱層為電絕緣體。
4.如權利要求1所述的電池外殼，其中該散熱層包含選自由導熱聚合物、導熱彈性體和導熱硅彈性體組成的組中的材料。
5.如權利要求1所述的電池外殼，其中該散熱層包含陶瓷粉末和粘合樹脂的混合物。
6.如權利要求5所述的電池外殼，其中該陶瓷粉末包含選自由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)、碳化硅(SiC)和石墨組成的組中的材料。
7.如權利要求5所述的電池外殼，其中該混合物中存在的陶瓷粉末為約5～約50體積％。
8.如權利要求1所述的電池外殼，其中該散熱層的厚度范圍為約5～約10μm。
9.如權利要求1所述的電池外殼，其中該散熱層包含CPP。
10.如權利要求1所述的電池外殼，進一步包括具有適于容納電極組件的空腔的第一區(qū)域，以及適于覆蓋第一區(qū)域的第二區(qū)域。
11.如權利要求10所述的電池外殼，其中該第一區(qū)域的至少一部分熱結合于第二區(qū)域的至少一部分。
12.一種鋰聚合物電池，包括電極組件，具有至少一個正極板、至少一個負極板、至少一個位于正和負極板之間的隔板、連接于正極板的正極接線片和連接于負極板的負極接線片；以及在表面上具有散熱層的外殼，該外殼包括具有適于容納電極組件的空腔的第一區(qū)域，和用于覆蓋所述第一區(qū)域的第二區(qū)域。
13.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中該外殼還包括具有第一和第二表面的金屬層，其中散熱層位于金屬層的第一表面上；和在金屬層的第二表面上的CPP層。
14.如權利要求13所述的鋰聚合物電池，其中該金屬層包含選自由鋁，鐵(Fe)、碳(C)、鉻(Cr)和錳(Mn)的合金，以及鐵(Fe)、碳(C)、鉻(Cr)和鎳(Ni)的合金組成的組中的材料。
15.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中該散熱層為電絕緣體。
16.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中，該散熱層包含選自由導熱聚合物、導熱彈性體和導熱硅彈性體組成的組中的材料。
17.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中該散熱層包含陶瓷粉末和粘合樹脂的混合物。
18.如權利要求17所述的鋰聚合物電池，其中該陶瓷粉末包含選自由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)、碳化硅(SiC)和石墨組成的組中的材料。
19.如權利要求17所述的鋰聚合物電池，其中在混合物中存在的陶瓷粉末量的范圍為約5～約50體積％。
20.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中該散熱層的厚度范圍為約5～約10μm。
21.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中該散熱層包含CPP。
22.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中該正、負極接線片被電連接到保護電路模塊上，并且在外殼的表面上在保護電路模塊與正、負極接線片之一之間設置正溫度系數(shù)(PTC)器件。
23.如權利要求12所述的鋰聚合物電池，其中該外殼的第一區(qū)域的至少一部分熱結合于所述外殼的第二區(qū)域的至少一部分。
24.一種電池外殼，包括具有第一和第二表面的金屬層；位于該金屬層的第一表面上的散熱層，該散熱層包含選自由導熱聚合物、導熱彈性體、導熱硅彈性體，以及陶瓷粉末和粘合樹脂的混合物組成的組中的材料；以及位于金屬層的第二表面上的流延聚丙烯(CPP)層。
25.如權利要求24所述的電池外殼，其中該散熱層包含陶瓷粉末和粘合樹脂的混合物，所述陶瓷粉末包含選自由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)、碳化硅(SiC)和石墨組成的組中的材料。
26.一種鋰聚合物電池，包括電極組件，具有至少一個正極板、至少一個負極板、至少一個位于正和負極板之間的隔板、連接于正極板的正極接線片和連接于負極板的負極接線片；外殼，具有位于外殼表面上的散熱層，該外殼包括具有適于容納電極組件的空腔的第一區(qū)域，和用于覆蓋第一區(qū)域的第二區(qū)域；保護電路模塊，連接于正、負極接線片之一；以及正溫度系數(shù)(PTC)器件，連接于正、負極接線片中的另一個。
27.如權利要求26所述的鋰聚合物電池，其中該外殼的散熱層包含選自由導熱聚合物、導熱彈性體、導熱硅彈性體，以及陶瓷粉末和粘合樹脂的混合物組成的組中的材料。
28.如權利要求27所述的鋰聚合物電池，其中該外殼的散熱層包含陶瓷粉末和粘合樹脂的混合物，所述陶瓷粉末包含選自由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)、碳化硅(SiC)和石墨組成的組中的材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在其表面上具有散熱層的電池外殼和使用該電池外殼的鋰聚合物電池。該散熱層可改善電池的散熱性和機械強度，也能改善PTC器件的響應性。該電池外殼包括具有第一和第二表面的金屬層，在金屬層的第一表面上的散熱層，和在金屬層的第二表面上的流延聚丙烯(CPP)層。該鋰聚合物電池具有電連接于保護電路模塊的PTC器件。該PTC器件直接接觸該電池外殼的散熱層，從而改善該PTC器件的響應性。
文檔編號H01M10/50GK1776934SQ20051010915
公開日2006年5月24日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權日2004年10月18日
發(fā)明者吳正元, 孫榮培 申請人:三星Sdi株式會社