專利名稱：電池組及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括非水電解質(zhì)二次電池在內(nèi)的電池組(battery pack)及其制備方法。更具體地，本發(fā)明涉及包括電池和保護(hù)性電路板在內(nèi)的電池組及其制備方法，所述電池和保護(hù)性電路板和包裝材料整合成一個(gè)部件，其中所述電池包括由包裝件包覆的電池單元，其中該電池單元包括經(jīng)由隔板彼此螺旋盤繞在一起或彼此堆疊的正極和負(fù)極。

背景技術(shù)：
近年來，各種類型的便攜式電子設(shè)備，如照相機(jī)集成磁帶錄像機(jī)、便攜式電話和膝上型計(jì)算機(jī)，已經(jīng)投放市場(chǎng)，而且正在開發(fā)那些尺寸更小、重量更輕的便攜式電子設(shè)備。由于便攜式電子設(shè)備尺寸和重量的減小，用作電子設(shè)備之便攜式電源的電池組需要具有增加了的能量以及降低了的尺寸和重量。作為用于這類電池組中的電池的實(shí)例，可以提及具有高容量的鋰離子二次電池。
鋰離子二次電池包括電池單元，該電池單元具有能夠摻雜和去摻雜鋰離子的正極和負(fù)極，其中該電池單元密封在金屬罐或金屬層壓膜中，并由與該電池單元電連接的電路板控制。
一些已知的鋰離子二次電池構(gòu)成電池組，該電池組包含密封于金屬罐或金屬層壓膜中的電池單元和電路板，它們均容納在具有分開的上部空間和下部空間的外殼中(參見例如專利文件1～3)。
[專利文件1]JP 3556875 [專利文件2]JP 3614767 [專利文件3]JP 3643792

發(fā)明內(nèi)容
在上述已知的鋰離子二次電池中，電池單元密封于金屬罐中的電池容易實(shí)現(xiàn)高尺寸精密度，但是該電池具有電池厚度或重量可能增加的問題。
另一方面，電池單元密封于金屬層壓膜中的電池的厚度和重量比采用金屬罐的電池小，但是該電池的問題在于電池單元的尺寸變化大因而難以提高尺寸精密度，以及該電池的機(jī)械強(qiáng)度低。
在具有鋰離子二次電池的已知電池組中，其中所述鋰離子二次電池包括密封于金屬罐或金屬層壓膜中的電池單元和容納在外殼中的電路板，為了使電池和電路板免于外部沖擊等，要求外殼具有令人滿意的厚度。而且，在利用雙面膠帶或超聲波焊接將分開的上部和下部外殼結(jié)合起來的接合中，各外殼需要具有使之便于接合的令人滿意的厚度，而整個(gè)電池組的厚度或重量不可避免地增加，該電池組的問題在于其不適合于便攜式電源。
本發(fā)明解決了正在開發(fā)的技術(shù)中的上述問題。需要提供這樣的電池組及其制備方法，該電池組不僅在高尺寸精密度和高機(jī)械強(qiáng)度方面是有利的，而且在降低尺寸和重量方面也是有利的。
針對(duì)上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了廣泛和深入的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述問題可如此解決，即采用特殊的聚氨酯樹脂作為包覆整合為單一部件的電池和保護(hù)性電路板的包裝材料中的形狀保持聚合物(shape-retaining polymer)，并由此完成本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種電池組，該電池組包括電池和包裝材料，所述電池包括由包裝件包覆的電池單元和電池的保護(hù)性電路板，且所述包裝材料共同地包覆電池和保護(hù)性電路板。該電池單元包括經(jīng)由隔板彼此螺旋盤繞在一起或彼此堆疊的正極和負(fù)極。該包裝材料包括形狀保持聚合物。該形狀保持聚合物包含絕緣的可固化的聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂包含多元醇和多異氰酸酯。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制備電池組的方法，該方法包括如下步驟將電池和電池的保護(hù)性電路板放置在模具腔中；及將包含樹脂在內(nèi)的外殼材料注射到其中包含電池和電池保護(hù)性電路板的模具腔中并固化該樹脂，由此形成具有用于共同地包覆電池和保護(hù)性電路板的包裝材料的電池組，使得該電池組處于接線端導(dǎo)電地伸出到該電池組外部的狀態(tài)。所述電池包括由包裝件包覆的電池單元，其中該電池單元包括經(jīng)由隔板彼此螺旋盤繞在一起或彼此堆疊的正極和負(fù)極。所述樹脂為形狀保持聚合物，該形狀保持聚合物包含絕緣的可固化的聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂包含多元醇和多異氰酸酯。
本發(fā)明的上述內(nèi)容不打算描述本發(fā)明的每個(gè)示例性實(shí)施方案或者每種實(shí)施方式。接下來的附圖和具體說明更具體地舉例說明這些實(shí)施方案。



圖1是在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的電池組中的電池在以包裝材料包覆之前的分解透視圖。
圖2是要以包裝件包覆并且容納在包裝件(層壓膜)之中的電池單元的結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖3A和3B是圖1所示電池的側(cè)壁周圍部分的端視圖。
圖4A至4C是用包裝材料包覆電池以形成電池組的工藝的示例性俯視圖。
圖5A和5B是電池組的截面圖。

具體實(shí)施例方式 下文中將詳述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的電池組。在本說明書中，就濃度、含量、數(shù)量及其它量而言，“％”是按質(zhì)量給出的，除非另外說明。
根據(jù)該實(shí)施方案的電池組包括電池，該電池包括由包裝件包覆的電池單元，其中該電池單元包括經(jīng)由隔板彼此螺旋盤繞在一起或彼此堆疊的正極和負(fù)極；電池的保護(hù)性電路板；及包裝材料，該包裝材料共同地包覆電池和保護(hù)性電路板。所述包裝材料包括形狀保持聚合物，該形狀保持聚合物包含絕緣的可固化聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂包含多元醇和多異氰酸酯。
為了使用包含樹脂的包裝材料，一般的方法是通過模制熱熔體法等用包裝材料共同地包覆電池和保護(hù)性電路板。這種情況下，選用加熱液化且冷卻固化的熱塑性樹脂，或者可通過加熱等固化的固化性樹脂。
然而，熱塑性樹脂在加熱至比其熔化溫度或者玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高50～150℃的溫度時(shí)具有流動(dòng)性，因此一般需要加熱至高達(dá)180～450℃。而且，熱塑性樹脂在其置于模具中的時(shí)間點(diǎn)開始固化，因此，如果制備厚度減小的模制樹脂，將幾秒內(nèi)于注入孔附近固化的樹脂由非常窄的縫隙倒入大面積中的工藝是不利的。為此，對(duì)于熱塑性樹脂而言，相比于采用金屬罐的電池組，即使通過加熱至高溫使其粘度降低時(shí)，樹脂的注入壓力也會(huì)增加，或者模具中注入孔的數(shù)目會(huì)增加，故難以制備具有大面積并且具有降低至250μm或更小的厚度的電池組，而只能制備低體積能量密度的電池組。
另一方面，為了采用已知的熱固性樹脂，固化溫度高達(dá)約150℃，且固化熱固性樹脂費(fèi)時(shí)，因此采用熱固性樹脂降低生產(chǎn)率。
非水電解質(zhì)二次電池常用的聚乙烯基隔板通常在120～140℃的溫度下閉合(shut down)，并且轉(zhuǎn)化成不可滲透離子的膜，因而隔板可能起不到隔板的作用。
構(gòu)成電池的電解質(zhì)(如用作非水電解質(zhì)的聚偏二氟乙烯)的物理性質(zhì)可能發(fā)生變化，或者該變化可能導(dǎo)致電池變形。
此外，關(guān)于具有模制在一體中的電池和保護(hù)性電路板的電池組，還存在這樣的可能性，即加到保護(hù)電路中的作為在電流異常流動(dòng)時(shí)工作的控制部件的裝置如PCT(正溫度系數(shù)；術(shù)語“正溫度系數(shù)”意指使得電池電阻隨溫度升高而增加所以出現(xiàn)正的系數(shù)變化的特性)裝置或者溫度熔斷器損壞，使得保護(hù)性電路板不能起到保護(hù)性電路板的作用。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，通過利用包含多元醇和多異氰酸酯的絕緣的可固化的聚氨酯樹脂作為構(gòu)成包裝材料的形狀保持聚合物，電池和保護(hù)性電路板可以在較低溫度(如120℃或更低)用包裝材料共同包覆，不會(huì)損壞電池和保護(hù)性電路板，故可以提供不僅有利于高尺寸精密度和高機(jī)械強(qiáng)度而且有利于降低的尺寸和重量的電池組。
此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，利用含絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的包裝材料，可以提高尺寸精密度，因而使包裝材料具有小于金屬板的厚度并且提高產(chǎn)量，故可以提高所得電池組的能量密度。
而且，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，利用包含絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的包裝材料，可以提高生產(chǎn)率并提供優(yōu)異的可加工性，因此可以制備尺寸、形狀、強(qiáng)度等符合各種應(yīng)用的電池組，并增加設(shè)計(jì)的自由度。
包裝材料；形狀保持聚合物 構(gòu)成本實(shí)施方案之電池組中的包裝材料的形狀保持聚合物包含絕緣的可固化的聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂包含多元醇和多異氰酸酯。
本文所用術(shù)語“絕緣的可固化的聚氨酯樹脂”意指這樣的聚氨酯樹脂，其形成在25±5℃和65±5％RH下測(cè)量的體積電阻率(Ω·cm)為1010Ω·cm或更大的固化產(chǎn)物，優(yōu)選該絕緣的可固化的聚氨酯樹脂形成體積電阻率為1011Ω·cm或更大的固化產(chǎn)物。而且，更優(yōu)選該絕緣的可固化的聚氨酯樹脂形成介電常數(shù)為6或更小(1MHz)且介電擊穿電壓為15kV/mm或更大的固化產(chǎn)物。
體積電阻率根據(jù)JIS C2105方法測(cè)量，其中在25±5℃和65±5％RH下將500V的測(cè)量電壓施加于樣品(厚度3mm)，并于60秒之后測(cè)量體積電阻率。
構(gòu)成絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的多元醇具有優(yōu)選30％或更小，更優(yōu)選20％或更小的氧含量。
當(dāng)多元醇的氧含量為30％或更小時(shí)，所得固化產(chǎn)物的物理性質(zhì)不易于發(fā)生改變、具有優(yōu)異的耐濕熱性并且高度絕緣，因而包含這種多元醇的絕緣的可固化的聚氨酯樹脂可以有利地用作構(gòu)成電池組的包裝材料。
多元醇的氧含量(％)由下式確定 多元醇的氧含量(％)＝(用于制備多元醇的原料中氧 的總重量)/(多元醇的原料的總重量)×(多元醇的收率) 構(gòu)成的絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的多元醇具有優(yōu)選200或更小，更優(yōu)選150或更小的碘值。
當(dāng)用于構(gòu)成包裝材料的形狀保持聚合物的多元醇具有200或更小的碘值時(shí)，所得固化產(chǎn)物具有如此優(yōu)異的耐熱性，即使將其置于高溫環(huán)境中，固化產(chǎn)物也不硬化或變脆，因而該包含多元醇的絕緣的可固化的聚氨酯樹脂可以有利地用作包裝材料，用于共同地包覆電池和保護(hù)性電路板。
碘值是根據(jù)JIS K3331-1995中所述的方法測(cè)量的。
關(guān)于構(gòu)成絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的多元醇，優(yōu)選使用聚酯多元醇，聚醚多元醇，主鏈由碳-碳鍵構(gòu)成的多元醇，或者它們的混合物。
聚酯多元醇由脂肪酸與多元醇的反應(yīng)產(chǎn)物構(gòu)成，所述脂肪酸優(yōu)選為例如至少一種選自下列的具有羥基的長鏈脂肪酸蓖麻醇酸，羥基己酸，羥基癸酸，羥基十一烷酸，羥基亞油酸，羥基硬脂酸，及羥基十六烷酸(oxyhexanedecenoic acid)。
與脂肪酸反應(yīng)的多元醇優(yōu)選為例如選自下列中的至少一種二醇如乙二醇、丙二醇、丁二醇、六亞甲基二醇或二甘醇，三官能多元醇如甘油、三羥甲基丙烷或三乙醇胺，四官能多元醇如二甘油或季戊四醇，六官能多元醇如山梨醇，及八官能多元醇如麥芽糖或蔗糖。而且，實(shí)例包括對(duì)應(yīng)于上述多元醇的氧化烯與脂肪族、脂環(huán)族或芳族胺的加聚產(chǎn)物，以及上述氧化烯與聚酰胺多胺(polyamide polyamine)的加聚產(chǎn)物。
這些當(dāng)中，優(yōu)選使用蓖麻醇酸甘油酯，蓖麻醇酸與1，1，1-三羥甲基丙烷的聚酯多元醇等。
聚醚多元醇由醇與氧化烯的加聚產(chǎn)物構(gòu)成，所述醇優(yōu)選為例如選自下列中的至少一種乙二醇，二甘醇，丙二醇，一縮二丙二醇，二元醇如1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、4，4’-二羥苯基丙烷或4，4’-二羥苯基甲烷，及三元以上的醇如甘油、1，1，1-三羥甲基丙烷、1，2，5-己烷三醇或季戊四醇。所述氧化烯優(yōu)選為例如選自下列中的至少一種氧化乙烯，氧化丙烯，氧化丁烯，及α-烯烴氧化物。
主鏈由碳-碳鍵構(gòu)成的多元醇優(yōu)選為例如選自下列中的至少一種丙烯酸類多元醇，聚丁二烯多元醇，聚異戊二烯多元醇，氫化聚丁二烯多元醇，聚碳酸酯多元醇，通過將丙烯腈(AN)或苯乙烯單體(SM)接枝聚合在由碳-碳鍵構(gòu)成的多元醇上而得到的多元醇，及聚四亞甲基二醇(PTMG)。
優(yōu)選構(gòu)成絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的多元醇包含粉末材料。
由于多元醇中所包含的粉末材料，所以當(dāng)用包裝材料共同包覆電池和保護(hù)性電路板時(shí)，該包括含有粉末材料的多元醇和多異氰酸酯的絕緣可固化聚氨酯樹脂具有優(yōu)異的觸變性，進(jìn)而提高了可加工性。而且，由于多元醇中所包含的粉末材料，利用包括含有粉末材料的多元醇和多異氰酸酯的絕緣可固化聚氨酯樹脂所形成的包裝材料具有表面硬度、耐熱性和熱散逸得到提高的優(yōu)點(diǎn)。
粉末材料的實(shí)例包括碳酸鈣、氫氧化鋁、氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、碳化硅、氮化硅、硅酸鈣、硅酸鎂或碳的無機(jī)顆粒，以及諸如聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚氨酯或聚酚等的有機(jī)聚合物顆粒。這些粉末材料可單獨(dú)使用或組合使用。構(gòu)成粉末材料的每種顆?？山?jīng)表面處理，且用作粉末材料的聚氨酯或聚酚可以呈發(fā)泡粉狀。此外，粉末材料包括多孔的粉末材料。
關(guān)于構(gòu)成絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的多異氰酸酯，優(yōu)選使用芳族多異氰酸酯，脂肪族多異氰酸酯，脂環(huán)族多異氰酸酯，或者它們的混合物。
芳族多異氰酸酯的實(shí)例包括二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)，多亞甲基多亞苯基多異氰酸酯(粗MDI)，甲苯二異氰酸酯(TDI)，多亞甲苯多異氰酸酯(粗TDI)，二甲苯二異氰酸酯(XDI)，及萘二異氰酸酯(NDI)。
脂肪族多異氰酸酯的實(shí)例包括六亞甲基二異氰酸酯(HDI)。
脂環(huán)族多異氰酸酯的實(shí)例包括異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)。
多異氰酸酯的更多實(shí)例包括通過用碳二亞胺改性上述多異氰酸酯而得到的碳二亞胺改性的多異氰酸酯，通過用異氰尿酸酯改性多異氰酸酯而得到的異氰尿酸酯改性的多異氰酸酯，及分子末端具有異氰酸酯基的尿烷(urethane)聚合物，其為多元醇與過量的多異氰酸酯的反應(yīng)產(chǎn)物。
這些多異氰酸酯可以單獨(dú)使用或者組合使用。
這些當(dāng)中，優(yōu)選使用二苯甲烷二異氰酸酯，多亞甲基多亞苯基多異氰酸酯，或者碳二亞胺改性的多異氰酸酯。
絕緣的可固化的聚氨酯樹脂可包含催化劑以促進(jìn)多元醇和多異氰酸酯的反應(yīng)或者異氰酸酯的二聚或三聚作用。關(guān)于所述催化劑，可以使用促進(jìn)上述反應(yīng)公知的催化劑，其實(shí)例包括胺催化劑，形成氰尿酸酯的金屬催化劑，及有機(jī)錫化合物。
胺催化劑的實(shí)例包括叔胺，如三亞乙基二胺，2-甲基三亞乙基二胺，四甲基己二胺，五甲基二亞乙基三胺，五甲基二亞丙基三胺，五甲基己二胺，二甲氨基乙基醚，三甲基氨基丙基乙醇胺，三-二甲基氨基丙基六氫三嗪，及叔銨鹽。
形成氰尿酸酯的金屬催化劑的實(shí)例包括脂肪酸的金屬鹽，其具體實(shí)例包括二月桂酸二丁基錫，辛酸鉛，蓖麻醇酸鉀，蓖麻醇酸鈉，硬脂酸鉀，硬脂酸鈉，油酸鉀，油酸鈉，乙酸鉀，乙酸鈉，環(huán)烷酸鉀，環(huán)烷酸鈉，辛酸鉀，辛酸鈉，及它們的混合物。
當(dāng)使用形成氰尿酸酯的金屬催化劑時(shí)，可將異氰尿酸酯環(huán)引入到絕緣可固化的聚氨酯樹脂的分子中。由于分子中存在異氰尿酸酯環(huán)，所得固化產(chǎn)物有利地提高了阻燃性和耐熱性。
優(yōu)選的是，形成氰尿酸酯的金屬催化劑以范圍為0.5～20重量份的量使用，相對(duì)于100重量份的多元醇。當(dāng)形成異氰尿酸酯的金屬催化劑的用量小于0.5重量份時(shí)，不形成令人滿意的異氰尿酸酯。另一方面，即使當(dāng)相對(duì)于100重量份的多元醇形成異氰尿酸酯的金屬催化劑的用量大于20重量份，也不能得到如此大量的催化劑所期待的效果。
有機(jī)錫化合物的實(shí)例包括乙酸三正丁基錫，正丁基錫三氯化物，二甲基錫二氯化物，二丁基錫二氯化物，及氫氧化三甲基錫。
催化劑可直接使用，也可以在溶劑(如乙酸乙酯)中的溶液形式使用，所述溶液具有0.1～20％的濃度，并且相對(duì)于100重量份的異氰酸酯以0.01～5重量份的量加入，按固含量計(jì)。當(dāng)催化劑直接使用或者以溶液形式使用時(shí)，催化劑相對(duì)于100重量份的異氰酸酯的添加量?jī)?yōu)選為0.01～5重量份，特別優(yōu)選為0.05～1重量份，按固含量計(jì)。如果催化劑的用量太小如小于0.01重量份，則聚氨酯樹脂的固化太慢，難以獲得樹脂狀態(tài)。另一方面，如果催化劑的添加量大于5重量份，則樹脂形成極其迅速，因而難以將樹脂模制成構(gòu)成電池組包裝材料的形狀保持聚合物。
電池組包裝材料中所使用的形狀保持聚合物，除了絕緣的可固化的聚氨酯之外，還可以不犧牲固化性能的量包含添加劑如填料、阻燃劑、消泡劑、防菌劑、穩(wěn)定劑、增塑劑、增稠劑、防霉劑，或者其它樹脂。
在添加劑中，例如，就阻燃劑而言，可以使用磷酸三乙酯，磷酸三(2，3-二溴丙酯)等。
關(guān)于其它添加劑，可以使用填料如三氧化銻或沸石，或者著色劑如顏料或染料。
包裝材料；填充材料 優(yōu)選的是，構(gòu)成電池組的包裝材料除形狀保持聚合物之外，還可以包含包括金屬氧化物、金屬氮化物等在內(nèi)的填充材料。因此，包含絕緣的可固化的聚氨酯樹脂的形狀保持聚合物優(yōu)選對(duì)填充材料具有親合性、相容性和反應(yīng)性。還優(yōu)選形狀保持聚合物具有對(duì)金屬層壓膜的優(yōu)異粘附力以及優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性或成型性。
關(guān)于填充材料，可以使用陶瓷填料，金屬氧化物填料，或者金屬氮化物填料。
金屬氧化物填料或金屬氮化物填料的實(shí)例包括硅(Si)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鋅(Zn)或鎂(Mg)的氧化物或氮化物，以及上述氧化物或氮化物的任意混合物。金屬氧化物或金屬氮化物填料提高包裝材料的硬度和熱傳導(dǎo)，包含金屬氧化物填料或金屬氮化物填料的層可布置成與包含形狀保持聚合物的層接觸，也可以將金屬氧化物填料或金屬氮化物填料混合到包含形狀保持聚合物的層中。這種情況下，優(yōu)選金屬氧化物填料或金屬氮化物填料均勻地分散在形狀保持聚合物的整個(gè)層中。
所混合的填充材料的量可以依據(jù)形狀保持聚合物的類型而適當(dāng)?shù)馗淖?，但是?yōu)選該量為3～60％，基于形狀保持聚合物的總質(zhì)量。當(dāng)所混合的填充材料的量小于3％時(shí)，可能得不到具有令人滿意硬度的包裝材料。另一方面，當(dāng)所混合的填充材料的量大于60％時(shí)，則可能出現(xiàn)生產(chǎn)中的成型性或者陶瓷脆性問題。
如果填充材料的平均粒度太小，則包裝材料的硬度增加，但是模制時(shí)模具的材料填充會(huì)受到不利的影響，這會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率方面的問題。另一方面，如果填充材料的平均粒度太大，則難以獲得所需要的強(qiáng)度，故存在電池組不能獲得令人滿意的尺寸精密度的可能性。因此，填充材料具有優(yōu)選0.5～40μm，更優(yōu)選2～20μm的平均粒度。
關(guān)于填充材料的形狀，可以采用各種形狀，如球形、片狀、板狀和針狀。盡管沒有特別的限制，但是優(yōu)選球形的填充材料，因?yàn)槠淙菀字苽淝铱梢缘统杀镜玫骄哂芯鶆蚱骄６鹊奶畛洳牧?；而且?yōu)選具有高縱橫比的針狀填充材料，因?yàn)樵撎畛洳牧先菀滋岣邚?qiáng)度。優(yōu)選片狀的填充材料，因?yàn)楫?dāng)所混合的填充材料的量增加時(shí)可以改善填充性能。根據(jù)用途或材料，可以混合使用具有不同平均粒度或形狀的填充材料。
包裝材料除了形狀保持聚合物和填充材料之外還可以包含添加劑。例如，可與形狀保持聚合物一起使用固化劑，紫外線吸收劑，光穩(wěn)定劑，或者它們的任意混合物。
包裝材料的性質(zhì) 利用含絕緣的可固化的聚氨酯樹脂作為形狀保持聚合物的包裝材料，根據(jù)該實(shí)施方案的電池組的優(yōu)點(diǎn)不僅在于其具有高尺寸精密度和高抗沖擊性以及高機(jī)械強(qiáng)度，而且在于其可以降低尺寸(厚度)和重量。
優(yōu)選該包裝材料具有如下所示數(shù)值的物理性質(zhì)。
含可固化聚氨酯樹脂(即絕緣的形狀保持聚合物)的包裝材料具有優(yōu)選45～130℃，更優(yōu)選65～120℃，最優(yōu)選75～110℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，通過差示掃描量熱法(DSC)進(jìn)行測(cè)量。
優(yōu)選的是，包裝材料在常規(guī)操作中具有優(yōu)異的抗沖擊性和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，相反，在異常操作中，包裝材料容易開孔，使電池產(chǎn)生的氣體易于離開電池組。關(guān)于構(gòu)成上述包裝材料的形狀保持聚合物，優(yōu)選使用可固化的聚氨酯樹脂。
為了滿足上述要求，優(yōu)選的是，包含形狀保持聚合物的包裝材料具有這樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，其等于或者高于電池組常規(guī)操作時(shí)的溫度，并且等于或者低于異常操作時(shí)的溫度。
當(dāng)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于45℃時(shí)，包含形狀保持聚合物的包裝材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可能低于常規(guī)操作中的溫度，幾乎經(jīng)不起常規(guī)操作中構(gòu)成形狀保持聚合物的聚合物的熱運(yùn)動(dòng)，所以難以保持硬度，因而不利的是難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度。
另一方面，如果玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于130℃，則包含形狀保持聚合物的包裝材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可能高于異常操作時(shí)的溫度，經(jīng)得起異常操作中構(gòu)成形狀保持聚合物的聚合物的熱運(yùn)動(dòng)，所以包裝材料幾乎不開孔，因而不利的是難以使異常操作中產(chǎn)生的氣體迅速離開電池組。
包含形狀保持聚合物的包裝材料具有優(yōu)選10～120MPa，更優(yōu)選20～110MPa，最優(yōu)選70～100MPa的撓曲強(qiáng)度，按照J(rèn)IS K7171中所述的塑料撓曲性能試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量。
包含形狀保持聚合物的包裝材料具有優(yōu)選30～3000MPa，更優(yōu)選900～2550MPa，最優(yōu)選1000～2500MPa的撓曲模量，根據(jù)JIS K7171中所述的塑料撓曲性能試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量。
包含形狀保持聚合物的包裝材料具有優(yōu)選D30～D99，更優(yōu)選D60～D90，最優(yōu)選D60～D85的表面硬度，根據(jù)JIS K7215中所述的塑料肖氏硬度試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量。
關(guān)于肖氏硬度D，當(dāng)包裝材料具有D30～D99，該包裝材料有利地具有高抗沖擊性和高機(jī)械強(qiáng)度。
優(yōu)選的是，包裝材料的肖氏硬度D，當(dāng)在異常操作時(shí)的溫度如在60℃或更高溫度測(cè)量時(shí)，其小于在JIS K7215中所述的參考環(huán)境(23±2℃的溫度和50±5％RH)中測(cè)量的肖氏硬度D。如果包裝材料在異常操作溫度的硬度小于在正常操作溫度的硬度，則包裝材料容易因?yàn)楫惓２僮髦挟a(chǎn)生的氣體而開孔，而當(dāng)包裝材料開孔時(shí)，可以使該氣體迅速地離開電池組。
包裝材料在諸如便攜式電子設(shè)備所使用的長方形電池的最大一側(cè)的包裝部分具有降低的厚度，例如1000μm或更小的厚度。
當(dāng)包裝材料的厚度大于1000μm時(shí)，利用該包裝材料制備的電池組不可避免地犧牲體積能量密度指標(biāo)。
包裝材料進(jìn)一步優(yōu)選具有300μm或更小的厚度，且優(yōu)選具有更小的厚度，只要能夠?qū)崿F(xiàn)電池組所需要的抗沖擊性和機(jī)械強(qiáng)度即可。
當(dāng)于包裝材料中使用形狀保持聚合物和填料的組合時(shí)，可以獲得比常規(guī)的使用鋁金屬或者熱塑性樹脂與金屬的組合時(shí)所獲得的強(qiáng)度和抗沖擊性更高的強(qiáng)度和更優(yōu)異的抗沖擊性，因此，當(dāng)需要相等的強(qiáng)度時(shí)，可以制得厚度小于常規(guī)包裝材料的包裝材料，進(jìn)而提高體積能量密度。厚度增加的包裝材料實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和可靠性比常規(guī)包裝材料更高的電池組。此外，電池的尺寸和形狀可任意地選取，而且該電池可應(yīng)用于大型的自行車、汽車或后備電源的電池，并且具有設(shè)計(jì)上的自由，使得可將包裝材料設(shè)計(jì)成所需部分需要具有的強(qiáng)度。
現(xiàn)參照附圖，描述采用上述包裝材料的根據(jù)該實(shí)施方案的電池組如下。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的電池組中非水電解質(zhì)二次電池以包裝材料包覆之前的分解透視圖。
該圖中，電池20包括由作為包裝件實(shí)例的金屬層壓膜17包覆的電池單元10，該電池單元10容納在形成于層壓膜17中的容器部分17a(空余部分17a)中，且密封住層壓膜的邊緣部分。在本實(shí)施方案中，空余部分17a具有與矩形板形狀的電池單元10一致的矩形板形空間。
關(guān)于包覆電池單元10的包裝件，可以使用眾所周知的金屬層壓膜，特別優(yōu)選使用鋁層壓膜。關(guān)于鋁層壓膜，優(yōu)選使用適于拉伸并適于形成容納電池單元10的容器部分17a的膜。
優(yōu)選的是，用于包覆電池單元10的包裝件是由一層、兩層或更多層構(gòu)成的，并且包括聚烯烴膜。
例如，可以使用具有疊層結(jié)構(gòu)的鋁層壓膜，其包括布置在鋁層兩側(cè)的粘接層和表面保護(hù)層。優(yōu)選使用的鋁層壓膜使得，自電池單元10的內(nèi)側(cè)即表面一側(cè)，布置作為粘接層的聚丙烯層(PP層)，作為金屬層的鋁層，及作為表面保護(hù)層的尼龍層或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯層(PET層)。
下面描述電池單元10的結(jié)構(gòu)。
圖2是要包覆并容納在作為包裝件的層壓膜17中的電池單元10的結(jié)構(gòu)的透視圖。在該圖中，電池單元10包括條形正極11，隔板13a，與正極11相向布置的條形負(fù)極12，及隔板13b，它們彼此堆疊并沿縱向螺旋盤繞在一起，凝膠電解質(zhì)14施用于正極11和負(fù)極12各自的兩側(cè)。
自電池單元10導(dǎo)電地伸出與正極11連接的正極接線端15a和與負(fù)極12連接的負(fù)極接線端15b(下文中除非另外說明稱之為“電極接線端15”)，而且正極接線端15a和負(fù)極接線端15b各自覆以密封劑層16a和16b(下文中除非另外說明一般稱之為“密封劑層16”)，其為馬來酸酐-改性聚丙烯(PPa)等構(gòu)成的樹脂片，用于提高與隨后包覆電池單元的層壓膜17的粘附力。
下文中詳細(xì)說明上述電池(用包裝材料包覆之前)的各組成部分。
正極 正極包括正極活性物質(zhì)層，該正極活性物質(zhì)層含有正極活性物質(zhì)并形成于正極集電體的兩側(cè)。正極集電體由金屬箔如鋁(Al)箔構(gòu)成。另一方面，正極活性物質(zhì)層包括，例如，正極活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑，及粘結(jié)劑。正極活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑，及溶劑可以任意量混合，只要它們均勻地分散即可。
關(guān)于正極活性物質(zhì)，可以根據(jù)所需電池的類型使用金屬氧化物，金屬硫化物，或者特定的聚合物。例如，當(dāng)形成鋰離子電池時(shí)，可主要使用鋰與過渡金屬的復(fù)合氧化物，如下面的式(1)所示 LiXMO2 (1) 式中M代表至少一種過渡金屬，X依電池的充電和放電狀態(tài)而變化，且通常為0.05～1.10。
關(guān)于構(gòu)成鋰復(fù)合氧化物的過渡金屬(M)，可以使用鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)等。
鋰復(fù)合氧化物的具體實(shí)例包括LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，及LiNiyCo1-yO2(0＜y＜1)。
可以使用以另一種元素置換鋰復(fù)合氧化物中部分過渡金屬元素而得到的固溶體，該固溶體的實(shí)例包括LiNi0.5Co0.5O2和LiNi0.8Co0.2O2。這些鋰復(fù)合氧化物可產(chǎn)生高電壓并具有優(yōu)異的能量密度。作為選擇，關(guān)于正極活性物質(zhì)，可以使用不含鋰的金屬硫化物或氧化物，如TiS2、MoS2、NbSe2或V2O5。這些正極活性物質(zhì)可以單獨(dú)使用或組合使用。
關(guān)于導(dǎo)電劑，可以使用碳材料，如炭黑或石墨。關(guān)于粘結(jié)劑，例如，可以使用聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯。關(guān)于溶劑，例如，可以使用N-甲基吡咯烷酮。
將正極活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑均勻地混合在一起，制得正極混合物，將所制備的正極混合物分散在溶劑中形成漿料。然后，將所得漿料通過刮刀法等均勻地涂布在正極集電體，并于高溫下干燥以除去溶劑，接著進(jìn)行壓制，由此形成正極活性物質(zhì)層。
正極11具有通過點(diǎn)焊或超聲波焊接與正極集電體一端相連的正極接線端15a。正極接線端15a優(yōu)選由金屬箔或網(wǎng)構(gòu)成，但是接線端可以由金屬之外的任何其它材料構(gòu)成，只要該材料是電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定的并且能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電即可。用于正極接線端15a的材料的實(shí)例包括鋁。
負(fù)極 負(fù)極包括負(fù)極活性物質(zhì)層，該負(fù)極活性物質(zhì)層包含負(fù)極活性物質(zhì)并形成在負(fù)極集電體的兩側(cè)。負(fù)極集電體由金屬箔如銅(Cu)箔、鎳箔或不銹鋼箔構(gòu)成。
負(fù)極活性物質(zhì)層包括，例如，負(fù)極活性物質(zhì)，以及任選的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。如正極活性物質(zhì)一樣，負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑可以任意量混合。
關(guān)于負(fù)極活性物質(zhì)，可以使用鋰金屬，鋰合金，能夠摻雜或去摻雜鋰的碳材料，或者金屬材料與碳材料的復(fù)合材料。
能夠摻雜或去摻雜鋰的碳材料的具體實(shí)例包括石墨，難于石墨化的碳，及易于石墨化的碳。更具體地，可以使用碳材料，如熱解碳，焦炭(瀝青焦炭、針狀焦炭或石油焦)，石墨，玻璃碳，有機(jī)高分子化合物的煅燒產(chǎn)物(通過在適當(dāng)溫度碳化酚醛樹脂、呋喃樹脂等而得到)，碳纖維，或者活性炭。
而且，關(guān)于能夠摻雜或去摻雜鋰的材料，可以使用聚合物如聚乙炔或聚吡咯，或者氧化物如SnO2。
關(guān)于能夠與鋰合金化的材料，可以使用各類金屬，但是經(jīng)常使用錫(Sn)、鈷(Co)、銦(In)、鋁、硅(Si)或者其合金。當(dāng)使用鋰金屬時(shí)，不一定需要將鋰粉與粘結(jié)劑混合以形成涂覆膜，而且可以采用其中軋制的鋰金屬箔通過壓制與集電體結(jié)合在一起的方法。
關(guān)于粘結(jié)劑，例如，可以使用聚偏二氟乙烯或苯乙烯-丁二烯橡膠。關(guān)于溶劑，例如，可以是N-甲基吡咯烷酮或甲基乙基酮。
將負(fù)極活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑均勻地混合在一起，制得負(fù)極混合物，將所制備的負(fù)極混合物分散在溶劑中形成漿料。然后，將所得漿料通過與正極相同的方法均勻地涂布在負(fù)極集電體，并在高溫下干燥以除去溶劑，接著進(jìn)行壓制，由此形成負(fù)極活性物質(zhì)層。
如正極11的情形，負(fù)極12具有通過點(diǎn)焊或超聲波焊接而連接到集電體一端的負(fù)極接線端15b，該負(fù)極接線端15b可由除金屬之外任何其它材料構(gòu)成，只要該材料在電化學(xué)和化學(xué)上是穩(wěn)定的并且能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電即可。負(fù)極接線端15b的材料的實(shí)例包括銅和鎳。
正極接線端15a和負(fù)極接線端15b導(dǎo)電地自同一側(cè)伸出，而且當(dāng)電池單元10為矩形板形狀例如如圖2中所示時(shí)，優(yōu)選正極接線端15a和負(fù)極接線端15b導(dǎo)電地自同一側(cè)(通常是短的一側(cè))伸出，但是它們可自任何一側(cè)導(dǎo)電地伸出，只要不發(fā)生短路等并且對(duì)電池性能沒有不利的影響即可。
關(guān)于正極接線端15a和負(fù)極接線端15b的接合，其接合位置和接合方法不限于上述實(shí)例，只要能夠電接觸即可。
電解質(zhì)溶液 在電解質(zhì)溶液中，可以使用鋰離子電池中常用的電解質(zhì)鹽和非水溶劑。
非水溶劑的具體實(shí)例包括碳酸乙二醇酯，碳酸丙二醇酯，γ-丁內(nèi)酯，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸甲乙酯，碳酸二丙酯，碳酸乙丙酯，及通過用鹵素置換上述碳酸酯中的氫而得到的溶劑。這些溶劑可以單獨(dú)使用或組合使用。
關(guān)于作為電解質(zhì)鹽實(shí)例的鋰鹽，可以使用一般電池電解質(zhì)溶液中使用的材料。具體實(shí)例包括LiCl，LiBr，LiI，LiClO3，LiClO4，LiBF4，LiPF6，LiNO3，LiN(CF3SO2)2，LiN(C2F5SO2)2，LiAsF6，LiCF3SO3，LiC(SO2CF3)3，LiAlCl4，及LiSiF6。從實(shí)現(xiàn)優(yōu)異氧化穩(wěn)定性的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選LiPF6或LiBF4。這些鋰鹽可以單獨(dú)使用或組合使用。
溶解于非水溶劑中的鋰鹽的濃度可以為任意濃度，只要鋰鹽能夠溶解在上述非水溶劑中即可，但是優(yōu)選非水溶劑中鋰離子的濃度為0.4～2.0mol/kg。
當(dāng)采用凝膠電解質(zhì)時(shí)，電解質(zhì)溶液用基質(zhì)聚合物膠凝，得到凝膠電解質(zhì)。
關(guān)于基質(zhì)聚合物，可以使用任何聚合物，該聚合物與包含溶解于非水溶劑中的電解質(zhì)鹽的非水電解質(zhì)溶液相容并且可以膠凝。基質(zhì)聚合物的實(shí)例包括重復(fù)單元中包含聚偏二氟乙烯，聚氧化乙烯，聚氧化丙烯，聚丙烯腈，或者聚甲基丙烯腈的聚合物。這些聚合物可以單獨(dú)使用或組合使用。
這些當(dāng)中，優(yōu)選的基質(zhì)聚合物為聚偏二氟乙烯或者聚偏二氟乙烯中引入數(shù)量為7.5％或更小六氟丙烯的共聚物。該聚合物通常具有5.0×105～7.0×105(500000～700000)的數(shù)均分子量或者2.1×105～3.1×105(210000～310000)的重均分子量以及1.7～2.1dl/g的特性粘度。
隔板 隔板是由下列材料構(gòu)成的，例如，聚烯烴材料(如聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE))制成的多孔膜，或者無機(jī)材料(如陶瓷無紡布)制成的多孔膜，并且可以由堆疊成層狀結(jié)構(gòu)的兩層或更多層多孔膜構(gòu)成。這些當(dāng)中，由聚乙烯或聚丙烯制成的多孔膜可能更有效。
一般地，可使用的隔板具有優(yōu)選5～50μm，更優(yōu)選7～30μm的厚度。當(dāng)隔板厚度太大時(shí)，活性物質(zhì)與隔板的比例減小，降低電池容量，而且離子傳導(dǎo)性能差，所以電流性能不良。另一方面，如果隔板厚度太小，則隔板膜的機(jī)械強(qiáng)度降低。
電池的制造 將如此制備的凝膠電解質(zhì)溶液均勻地涂布在正極1l和負(fù)極12上，使得正極活性物質(zhì)層和負(fù)極活性物質(zhì)層均浸漬有凝膠電解質(zhì)溶液，接著將其貯存在室溫下或干燥，形成凝膠電解質(zhì)層14。
然后，利用各自具有形成于其上的凝膠電解質(zhì)層14的正極11和負(fù)極12，將正極11、隔板13a、負(fù)極12和隔板13b按該順序相互堆疊，然后螺旋盤繞在一起，形成電池單元10。
隨后，將電池單元10容納在層壓膜17的容器部分(空余部分)17a中，并以該膜包覆，得到非水凝膠電解質(zhì)二次電池。
在本實(shí)施方案中，如圖1和2中所示，電池單元10按上面所述包覆以層壓膜17，并將電池單元10周圍的膜熱封，形成電池20。
將電池單元10用鋁層壓膜17包覆并將該膜密封，然后按圖3A和3B中所示，沿容器部分17a的方向彎曲容納有電池單元10的容器部分17a兩側(cè)的部分17b(下文中常稱之為“側(cè)面密封部分”)。
優(yōu)選的是，彎曲角θ為80～100°。
當(dāng)彎曲角小于80°時(shí)，容器部分17a兩側(cè)的側(cè)面密封部分17b張開如此之寬，使得電池20的寬度增加，因而難以降低電池20的尺寸和提高電池容量。作為上限的100°彎曲角是依據(jù)容器部分17a的形狀確定的，而且當(dāng)容器部分中容納有扁平型電池單元10時(shí)，彎曲角的上限為約100°。側(cè)面密封部分17b的熱封寬度優(yōu)選為0.5～2.5mm，更優(yōu)選為1.5～2.5mm。
為了減小電池20的尺寸和提高電池容量，優(yōu)選側(cè)面密封部分17b的彎曲寬度D等于或小于容器部分17a的高度h或者電池單元10的厚度。而且，為了降低電池20的尺寸并提高電池容量，優(yōu)選彎曲的數(shù)目為1。
接下來，描述制備根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的電池組的方法。
在制備本發(fā)明的電池組的方法中，將如此制備的非水電解質(zhì)二次電池連同能夠控制電池電壓和電流的保護(hù)性電路板和墊片置于模具腔(模腔)中，并利用墊片將電池和保護(hù)性電路板布置在模腔內(nèi)的預(yù)定位置，然后用包含形狀保持聚合物和填充材料的外殼材料填充模腔，并固化該外殼材料，由此得到包覆有包裝材料的電池組。
關(guān)于包括含有絕緣的可固化聚氨酯樹脂的形狀保持聚合物和填充材料的外殼材料，為了防止電池遭受熱破壞和提高生產(chǎn)效率，將外殼材料注入模腔的溫度優(yōu)選為室溫至120℃，更優(yōu)選為室溫至90℃。
在用外殼材料、特別是具有高粘度的外殼材料填充模腔的過程中，為了防止該材料與腔內(nèi)模具之間形成縫隙，一般需要在向材料施以預(yù)定壓力的同時(shí)，用外殼材料填充模腔。
這種情況下，為了防止放置在模腔中的電池和保護(hù)性電路板因施壓填充的外殼材料而偏離預(yù)定的位置，可以采用很多方法。作為這些方法的實(shí)例，可以提及在模具中提供定位突起的方法，以及下述方法，其中外殼材料分兩部分或更多部分添加到模具腔中，而且電池和保護(hù)性電路板可以停留在模具腔中未填充該材料的部分的預(yù)定位置，然后再將整個(gè)模具腔填充外殼材料。
另外，還可以提及這樣的方法，其中用膠帶、橡膠條或格網(wǎng)部件纏繞電池，并用作定位部件，所述膠帶、橡膠條或格網(wǎng)部件與電池和保護(hù)性電路板一起覆有包裝材料。也可以提及下述方法，其中將金屬片如鋁、鐵或SUS板布置在電池的一側(cè)，除金屬片之外的其它部分共同用外殼材料密封，由此將電池和保護(hù)性電路板定位。
而且，還可以這樣的方法，其中包括覆有包裝件的電池單元的電池與構(gòu)成電池組的另一構(gòu)件，如框架樹脂部件或包含頂部基底的頂蓋部件結(jié)合，并將與該構(gòu)件結(jié)合的電池和保護(hù)性電路板放置在模腔中，使得它們可以保持在模具腔內(nèi)預(yù)定的位置。
關(guān)于上述實(shí)施方案中使用的模具，沒有具體的限制，只要覆以鋁層壓膜17的電池20、保護(hù)性電路板及任選使用的緩沖材料(見后面)能夠布置在模具腔中即可。模具一般具有兩個(gè)或更多個(gè)鑄口，用于將后硬化的模制材料引入到模具腔中。因此，在所得電池組中，依照鑄口而固化的過量模制材料殘留在包裝材料的任何部分。
在本實(shí)施方案中，將過量的模制材料修整掉，而僅留下輕微的樹脂填充痕跡。
保護(hù)電路一般布置在正極接線端15a和負(fù)極接線端15b的上部(參見圖1)。當(dāng)電池20為矩形板形狀(要形成的包裝材料為矩形)時(shí)，緩沖材料布置在導(dǎo)電地伸出接線端15a和15b的一側(cè)或相反一側(cè)或者兩側(cè)。
具體地，在圖1中，緩沖材料布置在矩形板形狀電池20的一個(gè)短側(cè)面或者兩個(gè)短側(cè)面上。
保護(hù)性電路板和如此布置的緩沖材料通過模制材料與電池20模制成一體。
緩沖材料不僅保護(hù)電池和保護(hù)性電路板，而且提高所得電池組的抗沖擊性。
因此，作為緩沖材料的材料，優(yōu)選使用具有抗沖擊性和優(yōu)異尺寸精密度的樹脂如聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)樹脂、聚丙烯或聚乙烯，金屬如鋁或不銹鋼，或者其中具有嵌入模制金屬材料如鋁的樹脂材料。
圖4A～4C是用包裝材料包覆電池以形成根據(jù)本實(shí)施方案的電池組的工藝的示例性俯視圖。
電池20先沿圖中所示的虛線彎曲(見圖4A和4B)，將保護(hù)性電路板32和頂側(cè)緩沖材料34布置在頂側(cè)和將底側(cè)緩沖材料33布置在底側(cè)，并放置未示出的模具。然后，向模具中注入包括形狀保持聚合物和填料的外殼材料，同時(shí)向該材料施壓并使之固化，由此得到根據(jù)本實(shí)施方案的具有由包裝材料18包覆的鋁層壓膜17的電池組30(見圖4C)。
沿平行于底部的直線截取的所得電池組30的截面圖示于圖5A中，沿電極接線端截取的電池組的截面圖示于圖5B中。
在上述實(shí)施方案中，描述了采用凝膠電解質(zhì)的非水電解質(zhì)二次電池20，但是本發(fā)明的實(shí)施方案可應(yīng)用于采用電解質(zhì)溶液的層壓膜包覆的電池。這種情況下，省略上述實(shí)施方案中將凝膠電解質(zhì)涂布到正極和負(fù)極表面的步驟，并將填充電解質(zhì)溶液的步驟插入到層壓膜的熱封步驟中。
更具體地，將矩形板形狀的電池單元10的三側(cè)熱封，然后通過余下的開口一側(cè)注入電解質(zhì)溶液，接著熱封該開口一側(cè)。所形成的密封部分總體上具有矩形框架形狀。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，可以得到這樣的電池組，該電池組的優(yōu)點(diǎn)不僅在于其具有高尺寸精密度和高機(jī)械強(qiáng)度，而且在于其具有降低的尺寸和重量。該電池組通常具有將電池連接到外部電子裝置的接線端，但是在上述實(shí)施方案中省略了有關(guān)說明。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，采用包括含有絕緣可固化聚氨酯樹脂的形狀保持聚合物的包裝材料，因此電池組的優(yōu)點(diǎn)不僅在于其具有高尺寸精密度和高機(jī)械強(qiáng)度，而且在于其具有降低的尺寸和重量。因此，該電池組可有利地用作移動(dòng)電子設(shè)備如便攜式電話、膝上型計(jì)算機(jī)、數(shù)字相機(jī)和手持式攝像機(jī)的電池，大功率應(yīng)用如電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的二次電池，或者電動(dòng)工具的電池。
實(shí)施例 下文中將參照下面的實(shí)施例和對(duì)比例更具體地說明本發(fā)明，這些實(shí)施例和對(duì)比例不應(yīng)解釋為是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。
實(shí)施例1～6 分別采用絕緣的可固化的聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂各自包含表1所示的由碳-碳鍵構(gòu)成的多元醇和多異氰酸酯。多元醇和多異氰酸酯以1∶2的比例(多元醇多異氰酸酯當(dāng)量比)混合，并彼此在90℃反應(yīng)1小時(shí)，得到絕緣的端部具有NCO基團(tuán)的尿烷預(yù)聚物。
當(dāng)使用兩種類型的多異氰酸酯(多異氰酸酯原料1和多異氰酸酯原料2)時(shí)，選擇多異氰酸酯原料1和多異氰酸酯原料2的混合比，使得多元醇中OH基團(tuán)的數(shù)目與多異氰酸酯中NCO基團(tuán)的數(shù)目相同。
接下來，制備表1所示的各覆膜電池，并將該電池與能夠控制電池電壓和電流的保護(hù)性電路板連接，以該狀態(tài)，將它們連同緩沖材料和墊片一起嵌入模具腔中并固定在預(yù)定位置。然后，自三個(gè)位于模具上部孔徑均為0.5mm的樹脂注入孔，以表1所示溫度向模腔中注入含絕緣尿烷預(yù)聚物的外殼材料，同時(shí)向該材料施壓(0.1MPa)，并在過量樹脂從位于模具下部的三個(gè)樹脂排出孔排出的時(shí)間點(diǎn)，固化模腔中的外殼材料以形成包裝材料，并將殘余在排出孔中的過量樹脂截除，由此制得各實(shí)施例中的電池組。
實(shí)施例7～19 按與實(shí)施例1～6相同的方式分別得到絕緣的尿烷預(yù)聚物，所不同的是，分別采用各自包含表1所示的聚酯多元醇和多異氰酸酯的絕緣的可固化的聚氨酯樹脂。關(guān)于聚酯多元醇，采用多元醇原料1(脂肪酸)和多元醇原料2(多元醇)的比例為80∶20(重量比)的混合物。
按與實(shí)施例1～6相同的方式分別得到各實(shí)施例的電池組，所不同的是，分別采用絕緣的尿烷預(yù)聚物。
實(shí)施例20～31 按與實(shí)施例1～6相同的方式分別得到絕緣的尿烷預(yù)聚物，所不同的是，分別采用包含表2中所示的聚醚多元醇和多異氰酸酯絕緣的可固化的聚氨酯樹脂。
關(guān)于聚醚多元醇，采用多元醇原料1(氧化烯)和多元醇原料2(多元醇)以80∶20比例(重量比)的混合物。
換言之，關(guān)于聚醚多元醇，采用預(yù)定比例的混合物，使得(每個(gè)多元醇原料2分子的羥基數(shù)目)/(多元醇原料2的分子量)＝(每個(gè)多元醇原料1分子的氧化烯官能團(tuán)數(shù)目)/(多元醇原料1的分子量)，即羥基與氧化烯平衡。
按與實(shí)施例1～6相同的方式分別得到實(shí)施例的電池組，所不同的是，分別采用絕緣的尿烷預(yù)聚物。
對(duì)比例1～4 按與實(shí)施例1～6相同的方式分別獲得對(duì)比例的電池組，所不同的是，分別采用表2中所示的樹脂作為形狀保持聚合物。在對(duì)比例3中，使用包含熱塑性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)樹脂的形狀保持聚合物，并將于120℃熔化的該形狀保持聚合物擠出以用該聚合物填充模腔。在對(duì)比例4中，使用包含熱塑性聚氨酯的形狀保持聚合物，并將于110℃熔化的該形狀保持聚合物擠出以用該聚合物填充模腔。
關(guān)于實(shí)施例和對(duì)比例中的每個(gè)電池組，表1和2中示出了構(gòu)成包裝材料的外殼材料注入到模腔中的溫度，外殼材料的固化時(shí)間(自填充至脫模)，根據(jù)差示掃描量熱法測(cè)量的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，根據(jù)JIS K7215中所述方法測(cè)量的肖氏硬度D，根據(jù)JIS K7171中所述方法測(cè)量的撓曲強(qiáng)度和撓曲模量，體積電阻率，及包裝材料一側(cè)的最大厚度。
體積電阻率的測(cè)量(Ω·cm) 體積電阻率根據(jù)JIS C2105測(cè)量，在測(cè)量方法中在25±5℃和65±5％RH下向樣品(面積50mm×50mm；厚度3mm)施加500V的測(cè)量電壓，60秒之后，用絕緣電阻測(cè)試器(SM-8220；HIOKI E.E.CORPORATION制造和出售)測(cè)量體積電阻率。
熱塑性樹脂硬度的測(cè)量 關(guān)于對(duì)比例3和4的電池組包裝材料中所使用的熱塑性樹脂，硬度是根據(jù)JIS K6253測(cè)量的，在測(cè)量方法中將兩片樣品(面積50mm×50mm；厚度3mm)堆疊(厚度6mm)，并用硬度計(jì)(型號(hào)WR-105D；Nishi TokyoSeimitsu Co.，Ltd.制售)測(cè)量該堆疊樣品的硬度。
而且，關(guān)于實(shí)施例和對(duì)比例中的每個(gè)電池組，通過下列方法評(píng)價(jià)電池性能。結(jié)果示于表1和2中。
電池性能的評(píng)價(jià) (1)額定能量密度(Wh/l) 在23℃，反復(fù)進(jìn)行以下循環(huán)以1C的恒流和恒壓以4.2V的上限充電15小時(shí)并放電至2.5V的最終電壓，并由第一循環(huán)的放電容量確定額定能量密度。
額定能量密度(Wh/l)＝(平均放電電壓(V)×額定容量(Ah))/電池體積 1C是指1小時(shí)內(nèi)使電池的理論容量放出的電流。
(2)跌落試驗(yàn)(A) 為了觀察實(shí)施例和對(duì)比例中電池組的機(jī)械強(qiáng)度的變化，每個(gè)實(shí)例中制備十個(gè)電池組，并使所有十個(gè)電池組自2米的高度自由地落在混凝土地板上。每個(gè)電池組進(jìn)行十次試驗(yàn)，使得電池組的六個(gè)平面表面分別撞擊地板。將沒有損壞的電池組數(shù)目記為OK，并將碎裂或遭受部件移動(dòng)的電池組數(shù)目記為NG。
(3)跌落試驗(yàn)(B) 關(guān)于各實(shí)施例和對(duì)比例，電池組自1.2米的高度自由落到地水泥板上50次，然后測(cè)量尺寸變化(Δt)。




在表1和2所示的實(shí)施例1～31的電池組中，通過采用包含多元醇和多異氰酸酯的絕緣的可固化的聚氨酯樹脂作為構(gòu)成包裝材料的形狀保持聚合物，電池和保護(hù)性電路板可以在較低溫度(如在120℃或更低)共同地用包裝材料包覆，使得電池和保護(hù)性電路板不受到破環(huán)，因而可以提供優(yōu)點(diǎn)不僅在于具有高尺寸精密度和高機(jī)械強(qiáng)度，而且在于具有降低的尺寸和重量使得厚度為300μm或更小的電池組。在實(shí)施例1～31中，包裝材料的固化溫度為120℃或更低，因此，在避免電池?zé)釗p壞的同時(shí)，還可以制備生產(chǎn)效率得到提高的電池組，例如固化時(shí)間可以短到30分鐘或更小。而且，實(shí)施例1～31的電池組各個(gè)具有高達(dá)500(Wh/l)或更大的電池容量。
相反，已經(jīng)由跌落試驗(yàn)的結(jié)果確認(rèn)，對(duì)比例1和2的電池組均具有長的固化時(shí)間和低的機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)比例3和4的電池組均無電池容量。
實(shí)施例32～44 分別使用各自包含表3中所示的多元醇和多異氰酸酯的絕緣可固化聚氨酯樹脂。多元醇和多異氰酸酯按與實(shí)施例1～31相同的比例反應(yīng)，得到端部具有NCO基團(tuán)的絕緣的尿烷預(yù)聚物。按與實(shí)施例1～31相同的方式分別制備這些實(shí)施例中的電池組，所不同的是，分別使用所述的絕緣的尿烷預(yù)聚物。
通過上述方法測(cè)量多元醇的氧含量和碘值，結(jié)果列于表3中。關(guān)于這些實(shí)施例中的每個(gè)電池組，表3中示出了構(gòu)成包裝材料的外殼材料注入模腔時(shí)的溫度，外殼材料的固化時(shí)間(從填充至脫模的時(shí)間)，體積電阻率和包裝材料一側(cè)的最大厚度，以及電池性能的評(píng)價(jià)。


在表3所示的實(shí)施例32～44的電池組中，包裝材料中所包含的多元醇具有分別處于優(yōu)選范圍的氧含量和碘值，因而可以制備優(yōu)點(diǎn)不僅在于具有高尺寸精密度和高機(jī)械強(qiáng)度，而且還在于具有降低的尺寸和重量使得厚度為300μm或更小的電池組。在實(shí)施例32～44中，在避免電池?zé)釗p壞的同時(shí)，可以提供生產(chǎn)效率得到改進(jìn)的電池組。而且，實(shí)施例32～44的電池組各自具有高達(dá)500(Wh/l)或更大的電池容量。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，由于上述構(gòu)造，可以提供優(yōu)點(diǎn)不僅在于具有高尺寸精密度和高機(jī)械強(qiáng)度，而且還在于具有降低的尺寸和重量的電池組，及其制備方法。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在權(quán)利要求或與之等同的范圍內(nèi)，可以依據(jù)設(shè)計(jì)要求和其它因素出現(xiàn)各種修改、組合、次級(jí)組合和變換。
權(quán)利要求
1.一種電池組，包括
電池，該電池包括由包裝件包覆的電池單元，該電池單元包括經(jīng)由隔板彼此螺旋盤繞在一起或彼此堆疊的正極和負(fù)極；
電池的保護(hù)性電路板；及
包裝材料，該包裝材料共同地包覆所述電池和保護(hù)性電路板，
其中所述包裝材料包含形狀保持聚合物，且
所述形狀保持聚合物包括絕緣的可固化聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂含有多元醇和多異氰酸酯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述多元醇的氧含量為30％質(zhì)量或更小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述多元醇的碘值為200或更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述多元醇為選自下列中的至少一種聚酯多元醇，聚醚多元醇，及主鏈由碳-碳鍵構(gòu)成的多元醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電池組，其中所述聚酯多元醇由脂肪酸與多元醇的反應(yīng)產(chǎn)物構(gòu)成，
其中所述脂肪酸為至少一種選自下列的具有羥基的長鏈脂肪酸蓖麻醇酸，羥基己酸，羥基癸酸，羥基十一烷酸，羥基亞油酸，羥基硬脂酸，及羥基十六烷酸，以及
其中所述多元醇為選自下列中的至少一種乙二醇，丙二醇，丁二醇，六亞甲基二醇，二甘醇，包括甘油、三羥甲基丙烷或三乙醇胺在內(nèi)的三官能多元醇，包括二甘油或季戊四醇在內(nèi)的四官能多元醇，包括山梨醇在內(nèi)的六官能多元醇，及包括麥芽糖或蔗糖在內(nèi)的八官能多元醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的電池組，其中所述聚醚多元醇是由醇和氧化烯的加聚產(chǎn)物構(gòu)成的，
其中所述醇為選自下列中的至少一種乙二醇，二甘醇，丙二醇，一縮二丙二醇，包括1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、4，4’-二羥苯基丙烷或4，4’-二羥苯基甲烷在內(nèi)的二元醇，及包括甘油、1，1，1-三羥甲基丙烷、1，2，5-己烷三醇或季戊四醇在內(nèi)的三元以上的醇，以及
其中所述氧化烯為選自下列中的至少一種氧化乙烯，氧化丙烯，氧化丁烯，及α-烯烴氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的電池組，其中所述主鏈由碳-碳鍵構(gòu)成的多元醇為選自下列中的至少一種丙烯酸類多元醇，聚丁二烯多元醇，聚異戊二烯多元醇，氫化聚丁二烯多元醇，聚碳酸酯多元醇，及聚四亞甲基二醇(PTMG)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述多異氰酸酯為選自下列中的至少一種芳族多異氰酸酯，脂肪族多異氰酸酯，及脂環(huán)族多異氰酸酯。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電池組，其中所述芳族多異氰酸酯為選自下列中的至少一種二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)，多亞甲基多亞苯基多異氰酸酯(粗MDI)，甲苯二異氰酸酯(TDI)，多亞甲苯多異氰酸酯(粗TDI)，二甲苯二異氰酸酯(XDI)，及萘二異氰酸酯(NDI)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的電池組，其中所述脂肪族多異氰酸酯為六亞甲基二異氰酸酯(HDI)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的電池組，其中所述脂環(huán)族多異氰酸酯為異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的電池組，其中所述多異氰酸酯為選自下列中的至少一種通過用碳二亞胺改性多異氰酸酯而得到的碳二亞胺改性的多異氰酸酯，通過用異氰尿酸酯改性多異氰酸酯而得到的異氰尿酸酯改性的多異氰酸酯，及分子末端具有異氰酸酯基的尿烷聚合物，其為多元醇與過量的多異氰酸酯的反應(yīng)產(chǎn)物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述包裝材料為包含形狀保持聚合物和填充材料的復(fù)合材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述包裝材料根據(jù)差示掃描量熱法(DSC)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有45～130℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述包裝材料根據(jù)JIS K7171中所述的塑料撓曲性能試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有10～120MPa的撓曲強(qiáng)度和30～3000MPa的撓曲模量。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述包裝材料根據(jù)JIS K7215中所述的塑料肖氏硬度試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有D30～D99的表面硬度。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述用于包覆電池單元的包裝件為鋁層壓膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的電池組，其中所述用于包覆電池單元的包裝件是由一層、兩層或多層組成的膜，并且包括聚烯烴膜。
19.一種制備電池組的方法，該方法包括下列步驟
將電池和電池的保護(hù)性電路板放置在模具腔中，所述電池包括包裝件包覆的電池單元，該電池單元包括經(jīng)由隔板螺旋盤繞在一起或堆疊的正極和負(fù)極；及
將包含樹脂在內(nèi)的外殼材料注射到其中包含電池和電池保護(hù)性電路板的模具腔中并固化所述樹脂，由此形成具有用于共同地包覆電池和保護(hù)性電路板的包裝材料的電池組，使得該電池組處于接線端導(dǎo)電地伸出到該電池組外部的狀態(tài)，
其中所述樹脂為形狀保持聚合物，
其中該形狀保持聚合物包含絕緣的可固化聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂包含多元醇和多異氰酸酯。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述外殼材料注射到模具腔中的溫度為120℃或更低。
全文摘要
一種電池組及其制備方法，包括電池，該電池包括由包裝件包覆的電池單元，該電池單元包括經(jīng)由隔板彼此螺旋盤繞在一起或彼此堆疊的正極和負(fù)極；電池的保護(hù)性電路板；及包裝材料，該包裝材料共同地包覆所述電池和保護(hù)性電路板。所述包裝材料包含形狀保持聚合物。該形狀保持聚合物包括絕緣的可固化聚氨酯樹脂，該聚氨酯樹脂含有多元醇和多異氰酸酯。
文檔編號(hào)H01M2/02GK101692503SQ20091000984
公開日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者山本鑒, 瀬川健, 齋藤俊介 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社