專利名稱：具有改善的安全性的端帽組件和采用此組件的圓柱形二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有改善的安全性的端帽組件和包括該組件的圓柱形二次電池，更具體地講，涉及裝載到電池的圓柱形容器的開放上端的端帽組件，其中在圓柱形容器內(nèi)安裝有電極組件，該端帽組件包括安全通氣口，具有被構(gòu)造成通過電池內(nèi)所產(chǎn)生的高壓氣體而破裂的預(yù)定凹痕；斷流裝置，通過焊接耦接到安全通氣口的底部，用于在電池內(nèi)部壓力升高時(shí)中斷電流；以及斷流裝置襯墊，用于圍繞斷流裝置外周，其中，斷流裝置包括兩個(gè)或更多個(gè)、用于排出氣體的通孔，通孔被形成為通孔的面積之和等于斷流裝置的總面積的20% 至 50%。
背景技術(shù)：
隨著移動(dòng)裝置的不斷發(fā)展，以及對(duì)此類移動(dòng)裝置的需求的增長(zhǎng)，對(duì)作為移動(dòng)裝置的能源的二次電池的需求也快速增長(zhǎng)。在這些二次電池中，鋰二次電池具有高能量密度和高放電電壓，已經(jīng)開始對(duì)其進(jìn)行大量研究，并且大范圍地將其投入商業(yè)用途。根據(jù)電池殼體的形狀，二次電池可分為電極組件安裝在圓柱形金屬容器內(nèi)的圓柱形電池、電極組件安裝在棱柱形金屬容器內(nèi)的棱柱形電池、或電極組件安裝在由鋁層合片材形成的袋形殼體內(nèi)的袋形電池。圓柱形電池具有相對(duì)較大的容量并且在結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定，因而具有優(yōu)點(diǎn)。安裝在電池殼體內(nèi)的電極組件為電力產(chǎn)生元件，其具有陰極/隔膜/陽極疊堆結(jié)構(gòu)，并且可以進(jìn)行充電和放電。電極組件可分類為卷繞型電極組件，該組件被構(gòu)造成如下結(jié)構(gòu)，其中纏繞施加有活性材料的長(zhǎng)片材型陰極和長(zhǎng)片材型陽極，同時(shí)將隔膜設(shè)置在陰極和陽極之間；或者堆疊型電極組件，該組件被構(gòu)造成如下結(jié)構(gòu)，其中依次堆疊具有預(yù)定尺寸的多個(gè)陰極和陽極，同時(shí)將隔膜分別設(shè)置在陰極和陽極之間。由于卷繞型電極組件易于制造，并且具有高單位重量能量密度，因此卷繞型電極組件具有優(yōu)點(diǎn)。圖1為典型地示出一般圓柱形二次電池的縱向剖面透視圖。參見圖1，將卷繞型(纏繞型)電極組件120插入圓柱形殼體130，在圓柱形殼體 130內(nèi)注入電解質(zhì)，并且將具有例如陰極端子的電極端子(未示出)的頂蓋140耦接到圓柱形殼體130的開放上端，通過這種方式制造了圓柱形二次電池10。電極組件120被以如下結(jié)構(gòu)構(gòu)造，其中，陰極121和陽極122以環(huán)狀纏繞，隔膜123 夾在陰極121和陽極122之間。圓柱形中心銷150設(shè)置在纏繞體中央(卷繞體中央)。中心銷150 —般由金屬材料制成，以呈現(xiàn)出預(yù)定強(qiáng)度。中心銷150被構(gòu)造成由金屬片材卷成的中空?qǐng)A柱形結(jié)構(gòu)。中心銷150起固定和支撐電極組件的作用。此外，中心銷150起通道作用，用來排出對(duì)二次電池進(jìn)行充電、放電以及操作時(shí)二次電池的內(nèi)部反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體。同時(shí)，鋰二次電池具有安全性較低的缺點(diǎn)。例如，當(dāng)二次電池被過度充電至約4. 5V 或以上時(shí)，陰極活性材料分解，在陽極處發(fā)生鋰金屬的枝晶生長(zhǎng)，并且陽極活性材料分解。 此時(shí)，二次電池發(fā)熱，導(dǎo)致上述分解和若干次二次分解(sub decomposition)快速進(jìn)行，最終導(dǎo)致二次電池可能著火和爆炸。因此，為了解決上述問題，一般的圓柱形二次電池包括斷流裝置(CID)和安裝在電極組件與頂蓋之間的安全通氣口，以在二次電池異常工作時(shí)中斷電流和釋放內(nèi)部壓力。下文將結(jié)合圖2至4描述上述部件。參見這些附圖，頂蓋10突出以形成陰極端子。頂蓋10具有排氣出口。頂蓋10下方依次設(shè)置有正溫度系數(shù)(PTC)元件20，用來在電池內(nèi)部溫度升高時(shí)通過大幅增加電池電阻而中斷電流；安全通氣口 30，其被構(gòu)造成在正常狀態(tài)下具有下凹形狀，而在電池內(nèi)部壓力升高時(shí)凸起并破裂，以排出氣體；以及連接板50，在其上端一側(cè)耦接到安全通氣口 30， 在其下端一側(cè)連接到電極組件40的陰極。因此，在正常工作條件下，電極組件40的陰極經(jīng)由引線42、連接板50、安全通氣口 30和PTC元件20連接到頂蓋10，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。然而，當(dāng)因多種原因(例如過度充電)從電極組件40產(chǎn)生氣體導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高時(shí)，如圖3所示，安全通氣口 30的形狀顛倒。也就是說，安全通氣口 30向上凸起。此時(shí)，安全通氣口 30與連接板50分隔開，以中斷電流。因此，可以防止過度充電進(jìn)一步加劇， 從而實(shí)現(xiàn)安全性。然而，當(dāng)電池內(nèi)部壓力連續(xù)升高時(shí)，如圖4所示，安全通氣口 30破裂，導(dǎo)致加壓氣體經(jīng)安全通氣口 30的破裂口排出到頂蓋10的排氣出口以外，從而防止電池爆炸。然而，該操作過程絕對(duì)依賴于電極組件所產(chǎn)生的氣體量或電池排出的氣體量。如果所產(chǎn)生或排出的氣體量不夠，或者在短時(shí)間內(nèi)沒有增加至預(yù)定水平，則隨后可能會(huì)發(fā)生短路，并且可能會(huì)因電極組件持續(xù)導(dǎo)電而發(fā)生熱失控現(xiàn)象。當(dāng)電池持續(xù)導(dǎo)電時(shí)，熱失控現(xiàn)象發(fā)生或進(jìn)一步加速，導(dǎo)致電池著火或爆炸的可能性大幅增加。因此，電池的安全性受到嚴(yán)重威脅。此外，近年來連續(xù)發(fā)生膝上型計(jì)算機(jī)點(diǎn)燃事故，因此進(jìn)一步突出了電池安全的重要性。因此，非常需要開發(fā)一種端帽組件，在電池內(nèi)部因多種原因(例如過度充電)而產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高時(shí)，該端帽組件能夠迅速排出電池內(nèi)的氣體。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題因此，本發(fā)明旨在解決上述問題，以及其他尚待解決的技術(shù)問題。具體地講，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供能夠迅速將加壓氣體排出電池的、具有改善的安全性的端帽組件。本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過使用具有改善的安全性的端帽組件而提供具有改善的安全性的鋰二次電池。技術(shù)解決方案
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，上述和其他目的可通過提供裝載在電池的圓柱形容器的開放上端的端帽組件來實(shí)現(xiàn)，其中，在圓柱形容器內(nèi)安裝有電極組件。端帽組件包括安全通氣口，具有被構(gòu)造成通過電池內(nèi)所產(chǎn)生的高壓氣體而破裂的凹痕；斷流裝置，通過焊接耦接到安全通氣口底部，用于在電池內(nèi)部壓力升高時(shí)中斷電流；以及斷流裝置襯墊，用于圍繞斷流裝置外周，其中，斷流裝置包括用于排出氣體的兩個(gè)或更多個(gè)通孔，通孔的形狀使得通孔的面積之和等于斷流裝置總面積的20%至50%。
斷流裝置可被構(gòu)造成當(dāng)電池內(nèi)部壓力升高時(shí)破裂，以中斷電流。斷流裝置可被構(gòu)造成如下結(jié)構(gòu)其中，在斷流裝置中央處設(shè)置被構(gòu)造成向上凸起的突出部，以使得突出部通過焊接固定到安全通氣口的凹陷部的底部，并且連接到卷繞體陰極的陰極引線通過除了突出部的凹陷部的底部電連接到斷流裝置。由于斷流裝置如上述耦接到安全通氣口，當(dāng)安全通氣口的形狀顛倒時(shí)，斷流裝置和陰極之間的連接破裂，從而中斷電流。在具體的實(shí)例中，可以在突出部外周設(shè)置凹痕。當(dāng)安全通氣口的形狀顛倒時(shí)，凹痕破裂，導(dǎo)致在突出部耦接到安全通氣口的狀態(tài)下能夠很容易實(shí)現(xiàn)斷流裝置與陰極的分離。此外，斷流裝置可以設(shè)置有兩個(gè)或更多個(gè)通孔，氣體可以通過這些通孔中向上流動(dòng)。電池內(nèi)的氣體通過通孔上升，以顛倒安全通氣口的形狀。然而，本專利申請(qǐng)的發(fā)明人已通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷流裝置上形成的通孔的面積之和小于斷流裝置總面積的20%時(shí)，由于電池內(nèi)所產(chǎn)生的高壓，電池更容易著火或爆炸。這可能是因?yàn)榇┻^通孔的氣體量較少，從而不能有效實(shí)現(xiàn)斷電，或者是因?yàn)橄蛏系臍饬鞅恢袛嗷蚋淖儯瑥亩黾恿藬嚯娝枰臅r(shí)間。另一方面，當(dāng)通孔尺寸過大時(shí)，很難保證預(yù)定強(qiáng)度， 從而在斷流裝置制造過程中可能會(huì)扭曲部件，而這種情況是不可取的。在根據(jù)本發(fā)明的端帽組件中，斷流裝置包括兩個(gè)或更多個(gè)、用于排出氣體的通孔，通孔形成為通孔的面積之和等于斷流裝置總面積的20%至50%，更優(yōu)選地為30%至 40%。因此，有可能增加向上流動(dòng)的氣體量(排出的氣體量)并且實(shí)現(xiàn)氣體的快速向上流動(dòng)(排出)。因此，當(dāng)電池內(nèi)部因過度充電之類多種原因產(chǎn)生氣體，而導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高時(shí)，通過斷電和安全通氣口破裂而使氣體迅速排出電池，從而確保了電池的安全性。通孔可被形成為弧形形狀，以使得通孔關(guān)于斷流裝置的中心徑向?qū)ΨQ。當(dāng)通孔如上述徑向?qū)ΨQ時(shí)，防止了在一個(gè)方向上排出過多的氣體，并且確保了斷流裝置的強(qiáng)度。通孔數(shù)量并無具體限制。優(yōu)選地，通孔數(shù)量為2至4個(gè)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)例中，可以等間距地設(shè)置三個(gè)通孔，使得每個(gè)通孔都具有對(duì)應(yīng)于圍繞斷流裝置中心的50至80度角度的弧形形狀。此外，可以將突出部形成為如下結(jié)構(gòu)其中，在突出部的同心圓上形成3至5個(gè)通槽，并且在突出部的同心圓上形成用于互連通槽的橋，每個(gè)橋都具有凹痕。在這種情況下， 可以將通槽等間距布置，使得通槽對(duì)應(yīng)于通孔，優(yōu)選地，每個(gè)通槽都具有對(duì)應(yīng)于圍繞斷流裝置中心的40至55度角度的弧形形狀。安全通氣口是一種裝置，其在電池內(nèi)部壓力升高時(shí)排出電池內(nèi)的氣體，從而確保電池的安全性。例如，當(dāng)電池內(nèi)產(chǎn)生氣體，而導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力達(dá)到臨界值時(shí)，安全通氣口破裂，從而使氣體穿過安全通氣口的裂口，然后通過頂蓋內(nèi)形成的一個(gè)或多個(gè)排氣出口排出電池?？梢栽诎踩饪谥醒朐O(shè)置有被構(gòu)造成下凹陷的凹陷部。在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電池內(nèi)部壓力升高時(shí)，安全通氣口的凹陷部顛倒，即，安全通氣口中央的下凹形狀翻轉(zhuǎn)為安全通氣口中央的上凸形狀，導(dǎo)致安全通氣口與斷流裝置分離，從而中斷電連接。安全通氣口的操作如下。電池內(nèi)所產(chǎn)生的氣體穿過斷流裝置的通孔，以向安全通氣口施加向上的壓力。當(dāng)向上的壓力達(dá)到預(yù)定壓力(下文稱為“第一臨界壓力”)時(shí)，安全通氣口的凹陷部形狀顛倒，導(dǎo)致固定到凹陷部的突出部與斷流裝置分離，從而中斷斷流裝置與安全通氣口的電連接。凹陷部可包括上彎曲部分和下彎曲部分。在上彎曲部分可以形成第一凹痕。在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)提出僅斷開下彎曲部分的結(jié)構(gòu)。然而，由于下彎曲部分面積較小，因而不適于有效排出氣體。根據(jù)本發(fā)明，另一方面，在上彎曲部分形成被構(gòu)造用于破裂的凹痕，以使得斷開面積相對(duì)較大，從而有可能快速排出大量氣體。當(dāng)電池內(nèi)部壓力在盡管通過安全通氣口實(shí)現(xiàn)了斷電的情況下仍然持續(xù)升高，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力達(dá)到另一預(yù)定壓力(下文稱為“第二臨界壓力”)時(shí)，第一凹痕斷開。因此，電池內(nèi)的加壓氣體經(jīng)頂蓋的排氣出口排出電池。同時(shí)，第一凹痕可被構(gòu)造成開放曲線形狀，該曲線一側(cè)開放，以防止整個(gè)上彎曲部分與安全通氣口的剩余部分分離。也就是說，一側(cè)開放區(qū)域充當(dāng)凹陷部與安全通氣口剩余部分之間的橋。第一凹痕的尺寸并無具體限制。優(yōu)選地，第一凹痕具有對(duì)應(yīng)于通過連接斷流裝置內(nèi)形成的通孔的中心而形成的假想圓的尺寸，使得從斷流裝置向上流動(dòng)的氣體直接向第一凹痕施加壓力。另外，如上所述，第一凹痕的開放區(qū)域可具有防止第一凹痕斷開時(shí)凹陷部完全斷開的尺寸。第一凹痕的開放區(qū)域關(guān)于安全通氣口的中心可具有與一定角度相對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)， 該角度優(yōu)選地為20至50度，更優(yōu)選地為25至40度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)例中，可以在安全通氣口的下彎曲部分形成第二凹痕。優(yōu)選地，第二凹痕被構(gòu)造成開放曲線形狀，該曲線的相對(duì)端開放，使得電池內(nèi)部壓力升高時(shí)僅斷開上彎曲部分。在相對(duì)端開放的結(jié)構(gòu)內(nèi)，當(dāng)電池內(nèi)部壓力升高時(shí)，下彎曲部分的斷開受到限制， 并且實(shí)現(xiàn)由于上彎曲部分?jǐn)嚅_的開口。優(yōu)選地，第二凹痕的開放的相對(duì)端與第一凹痕的開放區(qū)域不對(duì)齊。在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)例中，第二凹痕的開放相對(duì)端可被設(shè)置為與第一凹痕的開放區(qū)域大致成直角。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)例中，第一凹痕可具有比第二凹痕更大的深度，從而使第一凹痕先于第二凹痕破裂(斷開)。安全通氣口的材料并無具體限制。優(yōu)選地，安全通氣口由具有0. 15至0. 4mm厚度的鋁片材制成，從而使電池內(nèi)部壓力達(dá)到臨界值時(shí)安全通氣口破裂(斷開)。斷流裝置襯墊被構(gòu)造成圍繞斷流裝置的外周。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)例中，斷流裝置襯墊可具有形成于其中央的開口。由于優(yōu)選地將加壓氣體的流動(dòng)路徑構(gòu)造成直線，以便有效實(shí)現(xiàn)氣體的向上流動(dòng)，因此斷流裝置襯墊的中央開口可被構(gòu)造成不覆蓋斷流裝置的通孔的形狀。在現(xiàn)有技術(shù)中，襯墊被形成為部分覆蓋斷流裝置的通孔。因此，已經(jīng)穿過通孔的高壓氣流被襯墊擾亂，導(dǎo)致排出的氣體量減少，并且改變氣體的流動(dòng)路徑，從而難以實(shí)現(xiàn)安全通氣口的即時(shí)操作。另一方面，在如上所述襯墊不覆蓋通孔的結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)穿過通孔的所有高壓氣體直接到達(dá)安全通氣口，從而進(jìn)一步確保了電池的安全性。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)例中，斷流裝置的通孔、斷流裝置襯墊的開口和安全通氣口的凹痕可以彼此對(duì)齊成直線。直到電池內(nèi)所產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)斷流裝置的通孔和斷流裝置襯墊的開口到達(dá)安全通氣口的凹痕，氣體的流動(dòng)路徑保持直線，使得高壓氣體大量迅速地向上流動(dòng)。因此，實(shí)現(xiàn)了安全通氣口的即時(shí)操作，從而確保了電池的安全性。根據(jù)情況，根據(jù)本發(fā)明的端帽組件還可包括正溫度系數(shù)(PTC)元件，該元件用于在電池內(nèi)部溫度升高時(shí)，通過大幅增加電池電阻而斷電。端帽組件可被構(gòu)造為如下結(jié)構(gòu)，其中，斷流裝置、斷流裝置襯墊、安全通氣口、PTC 元件和具有一個(gè)或多個(gè)排氣出口的頂蓋堆疊。另外，還可以在堆疊結(jié)構(gòu)的外周安裝襯墊?？梢詫TC元件以密封接觸狀態(tài)設(shè)置在頂蓋和安全通氣口之間。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了包括具有上述構(gòu)造的端帽組件和具有陰極/隔膜/陽極結(jié)構(gòu)的電極組件(卷繞體)的圓柱形電池。圓柱形電池通過以下步驟制造將卷繞體插入圓柱形容器，在圓柱形容器內(nèi)注入電解質(zhì)，將具有電極端子的頂蓋140耦接到圓柱形容器的開放上端。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)例中，圓柱形電池可進(jìn)一步包括裝載在卷繞體上端的盤形絕緣構(gòu)件。盤形絕緣構(gòu)件可以在其中央設(shè)置用于排出氣體和連接電極端子的開口。另外，盤形絕緣構(gòu)件可以在開口周圍設(shè)置至少一個(gè)通孔。在這種情況下，優(yōu)選地，盤形絕緣構(gòu)件的該至少一個(gè)通孔具有足以與斷流裝置襯墊的開口和斷流裝置的通孔對(duì)齊成直線的尺寸，以使得盤形絕緣構(gòu)件的該至少一個(gè)通孔與斷流裝置襯墊的開口和斷流裝置的通孔連通。例如，該至少一個(gè)通孔可具有相當(dāng)于盤形絕緣構(gòu)件的面積的20%至50%的尺寸。絕緣構(gòu)件的材料并無具體限制，只要由絕緣材料形成即可。例如，絕緣構(gòu)件可由聚丙烯樹脂形成。更為優(yōu)選地，使用高強(qiáng)度聚丙烯樹脂，因?yàn)榫郾渲尸F(xiàn)高的機(jī)械強(qiáng)度厚度比，因此當(dāng)在電池上施加較大外部沖擊時(shí)，聚丙烯樹脂能夠防止卷繞體移動(dòng)和短路。卷繞體被構(gòu)造成如下結(jié)構(gòu)其中陰極和陽極以環(huán)形纏繞，而隔膜則夾在陰極和陽極之間。圓柱形中心銷設(shè)置在纏繞體中央(卷繞體中央)。中心銷一般由金屬材料制成，以呈現(xiàn)預(yù)定強(qiáng)度。中心銷被構(gòu)造成由金屬片材卷成的中空?qǐng)A柱形結(jié)構(gòu)。中心銷起固定和支撐電極組件的作用。此外，中心銷起通道作用，用來排出對(duì)電池進(jìn)行充電、放電以及操作時(shí)電池內(nèi)部反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體。圓柱形容器的材料并無具體限制。優(yōu)選地，圓柱形容器由不銹鋼、鋼、鋁或它們的等同物形成。根據(jù)本發(fā)明的圓柱形電池可以為具有高能量密度、高放電電壓和高輸出穩(wěn)定性的鋰二次電池。鋰二次電池通常包括陰極、陽極、隔膜和含有鋰鹽的非水電解質(zhì)。通過例如將陰極活性材料、導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑的混合物施加到陰極集電器，并干燥所施加的混合物，可以制造陰極。根據(jù)需要，還可以添加填料。通過將陽極材料施加到陽極集電器并干燥所施加的陽極材料，可以制造陽極。也可以根據(jù)需要添加上述成分。隔膜設(shè)置在陽極和陰極之間。隔膜可由呈現(xiàn)高離子滲透率和高機(jī)械強(qiáng)度的絕緣性薄膜制成。含有鋰鹽的非水電解質(zhì)由非水電解質(zhì)和鋰鹽組成。非水電解質(zhì)可包括液態(tài)非水電解質(zhì)、固態(tài)非水電解質(zhì)和無機(jī)固態(tài)非水電解質(zhì)。集電器、電極活性材料、導(dǎo)電材料、粘結(jié)劑、填料、隔膜、電解質(zhì)和鋰鹽在本發(fā)明所屬領(lǐng)域中是已知的，因此不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。
根據(jù)本發(fā)明的鋰二次電池可通過本發(fā)明所屬領(lǐng)域中已知的一般方法制造。也就是說，可通過將多孔隔膜置于陰極和陽極之間，并將電解質(zhì)注入其中來制造鋰二次電池。例如，如上所述，通過將包括作為陰極活性材料的鋰過渡金屬氧化物活性材料、導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑的漿料施加到集電器以及干燥并壓制漿料，可以制造陰極。同樣，如上所述，通過將包括作為陽極活性材料的碳活性材料、導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑的漿料施加到薄的集電器并干燥漿料，可以制造陽極。


根據(jù)結(jié)合附圖的以下具體實(shí)施方式
，將更清楚地理解本發(fā)明的上述和其他目的、 特征及其他優(yōu)點(diǎn)，在附圖中圖1是示出一般的圓柱形二次電池的縱向剖面透視圖；圖2至4是縱向剖面圖，其示出了在常規(guī)圓柱形二次電池中通過安全元件的工作而中斷電流并排出高壓氣體的一系列過程；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圓柱形二次電池的典型剖面圖；圖6和7分別是示出圖5的二次電池中使用的安全通氣口的透視圖和平面圖；圖8和9分別是示出圖5的二次電池中使用的斷流裝置的透視圖和平面圖；圖10和11分別是示出圖5的二次電池中使用的斷流裝置襯墊的透視圖和平面圖；圖12和13分別是示出圖5的二次電池中使用的盤形絕緣構(gòu)件的透視圖和平面圖；圖14是典型視圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的盤形絕緣構(gòu)件、斷流裝置襯墊和斷流裝置的堆疊過程；以及圖15至17是縱向剖面圖，其示出了在圖5的二次電池中通過安全元件的工作而中斷電流并排出高壓氣體的一系列過程。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，應(yīng)該指出的是，本發(fā)明的范圍并不限于圖示實(shí)施例。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圓柱形二次電池的端帽組件的結(jié)構(gòu)的典型剖面圖，圖6和7分別是示出圖5的圓柱形電池中使用的安全通氣口的透視圖和平面圖。首先參見圖5，通過以下步驟制造圓柱形電池100 將卷繞體110插入圓柱形容器 220，在圓柱形容器220內(nèi)注入電解質(zhì)，將盤形絕緣構(gòu)件800裝載到卷繞體110的上端，然后將端帽組件300安裝到圓柱形容器200的開放上端。端帽組件300被構(gòu)造為如下結(jié)構(gòu)，其中，頂蓋310、PTC元件350和用于減小電池內(nèi)部壓力的安全通氣口 320設(shè)置在氣密襯墊400內(nèi)，并且彼此密封接觸，其中氣密襯墊安裝在圓柱形容器200的上卷邊部210。在安全通氣口 320的下端通過焊接耦接到斷流裝置600，該斷流裝置被構(gòu)造成在電池內(nèi)部壓力升高時(shí)破裂以中斷電流。斷流裝置600被斷流裝置襯墊700包圍。PTC元件350以密封接觸狀態(tài)設(shè)置在頂蓋310和安全通氣口 320之間。當(dāng)電池內(nèi)部溫度升高時(shí)，PTC元件350大幅增加電池電阻，以中斷電流。頂蓋310在中部向上凸起， 以充當(dāng)連接外部電路的陰極端子。沿頂蓋310的突出部周邊形成多個(gè)排氣出口 312，以便通過排氣出口 312將加壓氣體排出圓柱形容器200。將結(jié)合圖6和7更詳細(xì)地描述如上述構(gòu)造的端帽組件300的安全通氣口 320的結(jié)構(gòu)。安全通氣口 320為導(dǎo)電的薄膜結(jié)構(gòu)。在安全通氣口 320中央形成下凹的凹陷部 322。在安全通氣口 320的上彎曲部分形成第一凹痕324。在安全通氣口 320的下彎曲部分形成第二凹痕326。如示出安全通氣口 320的平面圖的圖7所示，形成于安全通氣口 320的上彎曲部分的第一凹痕3M被構(gòu)造成開放曲線形狀，該曲線的一側(cè)開放。開放區(qū)域?yàn)榉前己鄄糠?330。當(dāng)高壓氣體將凹痕形成區(qū)域斷開時(shí)，依靠非凹痕部分330防止第一凹痕3M整體與安全通氣口 320的剩余部分分離。另外，安全通氣口 320的下彎曲部分形成第二凹痕326。第二凹痕3 被構(gòu)造成其相對(duì)的兩端開放的開放曲線形狀。在第二凹痕3 開放的相對(duì)端區(qū)域設(shè)置有兩個(gè)非凹痕部分340。非凹痕部分340防止第二凹痕326因斷開而分離。為了嚴(yán)格防止第二凹痕3 分離，優(yōu)選地將非凹痕部分340設(shè)置在與第一凹痕324的非凹痕部分330不對(duì)齊的位置。更優(yōu)選地，如圖所示，第二凹痕3 被大致設(shè)置為與第一凹痕324的非凹痕部分330的中心線成直角，并且兩個(gè)非凹痕部分340彼此相對(duì)。圖8和9分別是示出圖5的二次電池中使用的斷流裝置600的透視圖和平面圖。參見圖8、9以及圖5，在斷流裝置600中央形成向上凸起的突出部620。突出部 620固定到安全通氣口 320的凹陷部322的底部(參見圖6)。連接到卷繞體110的陰極的陰極引線420電連接到斷流裝置600的除了突出部620的剩余底部區(qū)域。在突出部620的同心圓上形成了三個(gè)通槽630和具有凹痕650并用來互連通槽 630 的橋 640。另外，在斷流裝置600的外周形成用于排出氣體的三個(gè)通孔610，通孔610具有弧形形狀，以使得通孔610關(guān)于斷流裝置的中心軸線徑向?qū)ΨQ。通孔的面積之和等于斷流裝置600總面積的30%。因此，從電池排出的高壓氣體量增加，從而實(shí)現(xiàn)了可靠的斷電效果。 通孔610以大約120度的間隔布置。各個(gè)通孔610的形狀和尺寸相同。各個(gè)通孔610之間的距離大致相等。利用該結(jié)構(gòu)，斷流裝置600有可能在使排出的氣體量最大化的同時(shí)保持較高機(jī)械強(qiáng)度。優(yōu)選地，連接各個(gè)通孔610的中心線的圓(參見虛線)的尺寸約等于安全通氣口 320的第一凹痕324(參見圖6和7)的尺寸。因此，當(dāng)電池的內(nèi)部壓力超出預(yù)定水平時(shí)，已經(jīng)穿過通孔610的高壓氣體直線壓向第一凹痕324，以加速第一凹痕324的斷開，從而實(shí)現(xiàn)快速排出氣體。圖10和11分別是示出被構(gòu)造成圍繞斷流裝置600的斷流裝置襯墊700的透視圖和平面圖。為便于描述，斷流裝置襯墊被簡(jiǎn)單示出為僅顯示開口形狀。參見圖10和11以及圖5，斷流裝置襯墊700中央處設(shè)置有開口 710。中央開口 710被構(gòu)造成不覆蓋斷流裝置600的通孔610的形狀。也就是說，斷流裝置襯墊700的形狀大致與斷流裝置600的無開口的區(qū)域的外周形狀一致。因此，當(dāng)斷流裝置襯墊700圍繞斷流裝置600的外周時(shí)，斷流裝置襯墊700不覆蓋斷流裝置600的通孔610，從而確保了通孔 610作為排氣通道的功能。圖12和13分別是示出盤形絕緣構(gòu)件800的實(shí)例的透視圖和平面圖，該盤形絕緣構(gòu)件被構(gòu)造為裝載到圖5的圓柱形電池100的卷繞體110的上端。參見圖12和13以及圖5，在盤形絕緣構(gòu)件800中央處設(shè)置有用于氣體排出和電極端子連接的開口 820。此外，在盤形絕緣構(gòu)件800的外周設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)通孔810。盤形絕緣構(gòu)件800的通孔810可具有與斷流裝置600的通孔610相對(duì)應(yīng)的形狀、尺寸和位置。 此外，盤形絕緣構(gòu)件800的通孔810具有與盤形絕緣構(gòu)件800的面積的約30%相當(dāng)?shù)某叽纭D14為典型視圖，其示出依次堆疊在圓柱形電池內(nèi)的盤形絕緣構(gòu)件800、斷流裝置襯墊700、斷流裝置600和安全通氣口 320。參見圖14以及圖2至13，盤形絕緣構(gòu)件800的通孔810、斷流裝置襯墊700的中央開口 710、斷流裝置600的通孔610、以及安全通氣口 320的第一凹痕3M彼此對(duì)齊，以便將加壓氣體有效排出電池。圖15至17為縱向剖面圖，其典型地示出了當(dāng)電池內(nèi)部壓力異常升高時(shí)用于排出加壓氣體的一系列過程。參見這些附圖，當(dāng)電池內(nèi)部壓力異常升高時(shí)，加壓氣體穿過斷流裝置600的通孔 610和通槽630，并對(duì)安全通氣口 320向上施加壓力。結(jié)果，如圖16所示，安全通氣口 320的凹陷部322被壓力抬起。隨著內(nèi)部壓力達(dá)到第一臨界壓力水平，通過焊接而固定到凹陷部322的突出部620輕松與斷流裝置600分離，從而中斷從斷流裝置600至安全通氣口 320的電連接。當(dāng)盡管電流中斷而電池內(nèi)部壓力仍持續(xù)升高，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力達(dá)到第二臨界壓力水平時(shí)，如圖17所示，安全通氣口 320的第一凹痕3 斷開。結(jié)果，電池內(nèi)的加壓氣體通過頂蓋310的排氣出口 312排出電池。在該實(shí)施例中，具有相對(duì)較大直徑的第一凹痕324 斷開，因此排出的氣體量大于具有相對(duì)較小直徑的第二凹痕3 斷開時(shí)的水平，從而實(shí)現(xiàn)快速排出高壓氣體。下面將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)例。但應(yīng)該指出的是，本發(fā)明的范圍并不限于所示實(shí)例。[實(shí)例1]如圖7所示，在外徑16mm、厚度0. 3mm的鋁片材內(nèi)形成直徑8. 0mm、厚度0. 06mm的、 除去30度弧之外的第一凹痕，在該鋁片材內(nèi)形成直徑4. 0mm、厚度0. Imm的、除去兩個(gè)30度弧之外的第二凹痕。然后，鋁片材中央向下凹陷，形成深度0.65mm的凹陷部。通過這種方式，制造出安全通氣口。此外，如圖9所示，在外徑11mm、厚度0.5mm的鋁片材上徑向地形成三個(gè)通孔， 使得通孔的面積之和等于鋁片材總面積的約30%。然后，在該鋁片材的中央處形成直徑 1. 53mm、凸出高度0. 20mm的突出部，在距離中央突出部中心1. 5mm的位置通過沖孔形成三個(gè)通槽，每個(gè)通槽均具有0. 6mm的寬度和2. 61mm的周向長(zhǎng)度。隨后，在連接相鄰?fù)ú鄣臉蛱幮纬珊穸燃s70 μ m的凹痕。通過這種方式，制造出斷流裝置。此外，如圖11所示，由外徑12mm、厚度0. 5mm的聚丙烯片材制成斷流裝置襯墊，使得斷流裝置襯墊被構(gòu)造成不覆蓋斷流裝置的通孔。
將斷流裝置的外周插入斷流裝置襯墊，并且通過激光焊接將安全通氣口的凹陷部的底部固定到斷流裝置的突出部的頂部。將卷繞型電極組件插入圓柱形容器，并將盤形絕緣構(gòu)件安裝到圓柱形容器上，其中電極組件被構(gòu)造成以下結(jié)構(gòu)，其中，由聚丙烯制成的多孔隔膜設(shè)置在由氧化鋰鈷制成的陰極和由石墨制成的陽極之間。然后，將圓柱形容器的頂部卷邊，從而將盤形絕緣構(gòu)件固定到圓柱形容器上。隨后，將其中裝配有固定有斷流裝置的安全通氣口、PTC元件和頂蓋的襯墊插入卷邊部分。然后，通過擠壓向內(nèi)彎曲圓柱形容器的上端，以?shī)A緊襯墊。通過這種方式， 制造出電池。[實(shí)例2]按照實(shí)例1中的相同方法制造電池，不同的是在制造安全通氣口時(shí)，第一凹痕的厚度為0. Imm,并且每個(gè)第二凹痕的厚度為0. 06mm。[實(shí)例3]按照實(shí)例1中的相同方法制造電池，不同的是在制造安全通氣口時(shí)，第一凹痕的直徑為7mm，并且第一凹痕的厚度為0. 06mm。[對(duì)比例1]按照實(shí)例1中的相同方法制造電池，不同的是斷流裝置的通孔面積之和等于斷流裝置總面積的約18%。[實(shí)驗(yàn)實(shí)例1]在按照實(shí)例1至3和對(duì)比例1所述制造的電池上進(jìn)行針刺試驗(yàn)。下表1示出了針刺試驗(yàn)的結(jié)果。〈表1>
權(quán)利要求
1.一種端帽組件，裝載在電池的圓柱形容器的開放上端，其中在所述圓柱形容器內(nèi)安裝有電極組件，所述端帽組件包括安全通氣口，具有被構(gòu)造成通過所述電池內(nèi)所產(chǎn)生的高壓氣體而破裂的預(yù)定的凹痕；斷流裝置，通過焊接耦接到所述安全通氣口的底部，用于在所述電池的內(nèi)部壓力升高時(shí)中斷電流；以及斷流裝置襯墊，用于圍繞所述斷流裝置的外周，其中所述斷流裝置包括兩個(gè)或更多個(gè)、用于排出氣體的通孔，所述通孔被形成為所述通孔的面積之和等于所述斷流裝置的總面積的20%至50%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的端帽組件，其中所述斷流裝置被構(gòu)造成如下結(jié)構(gòu)其中，在所述斷流裝置中央處設(shè)置有突出部，所述突出部被構(gòu)造成向上凸出，使得所述突出部通過焊接固定到所述安全通氣口的凹陷部的底部；連接到卷繞體的陰極的陰極引線通過所述凹陷部的除了所述突出部的底部電連接到所述斷流裝置；在所述突出部的同心圓上形成3至5 個(gè)通槽；并且在所述突出部的所述同心圓上形成用于互連所述通槽的橋，每一個(gè)所述橋都具有凹痕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的端帽組件，其中所述通孔被形成為弧形形狀，以使得所述通孔關(guān)于所述斷流裝置的中心徑向?qū)ΨQ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的端帽組件，其中在所述安全通氣口中央處設(shè)置有被構(gòu)造成向下凹陷的凹陷部，在所述安全通氣口形成所述凹陷部的上彎曲部分和下彎曲部分處分別設(shè)置有第一凹痕和第二凹痕，并且在所述安全通氣口的所述上彎曲部分處形成的所述第一凹痕被構(gòu)造成開放曲線形狀，所述開放曲線的一側(cè)開放。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的端帽組件，其中所述第二凹痕被構(gòu)造成開放曲線形狀，所述開放曲線的相對(duì)端開放。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的端帽組件，其中所述端帽組件被構(gòu)造成如下結(jié)構(gòu)其中，所述斷流裝置、所述斷流裝置襯墊、所述安全通氣口、正溫度系數(shù)(PTC)元件、以及具有至少一個(gè)排氣出口的頂蓋堆疊，并且在堆疊結(jié)構(gòu)的外周進(jìn)一步安裝有襯墊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的端帽組件，其中在所述斷流裝置襯墊中央設(shè)置有開口，并且所述中央開口被構(gòu)造成不覆蓋所述斷流裝置的所述通孔的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的端帽組件，其中所述斷流裝置的所述通孔、所述斷流裝置襯墊的所述開口、以及所述安全通氣口的凹痕彼此對(duì)齊成直線，以使得所述斷流裝置的所述通孔、所述斷流裝置襯墊的所述開口和所述安全通氣口的所述凹痕彼此連通。
9.一種圓柱形電池，包括根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的端帽組件和具有陰極 /隔膜/陽極結(jié)構(gòu)的電極組件(卷繞體)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圓柱形電池，還包括裝載在所述卷繞體的上端的盤形絕緣構(gòu)件，其中在所述盤形絕緣構(gòu)件中央處設(shè)置有用于排出氣體和連接電極端子的開口，并且所述盤形絕緣構(gòu)件在所述開口周圍設(shè)置有至少一個(gè)通孔，所述至少一個(gè)通孔具有相當(dāng)于所述盤形絕緣構(gòu)件的面積的20%至50%的尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圓柱形電池，其中所述盤形絕緣構(gòu)件的所述至少一個(gè)通孔與所述斷流裝置襯墊的所述開口和所述斷流裝置的所述通孔對(duì)齊成直線，以使得所述盤形絕緣構(gòu)件的所述至少一個(gè)通孔與所述斷流裝置襯墊的所述開口和所述斷流裝置的所述通孔連通。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種端帽組件，其裝載在電池的圓柱形容器的開放上端，其中在該圓柱形容器內(nèi)安裝有電極組件，該端帽組件包括安全通氣口，具有被構(gòu)造成通過該電池內(nèi)所產(chǎn)生的高壓氣體而破裂的預(yù)定凹痕；斷流裝置，通過焊接耦接到該安全通氣口的底部，用于在該電池的內(nèi)部壓力升高時(shí)中斷電流；以及斷流裝置襯墊，用于圍繞該斷流裝置的外周，其中該斷流裝置包括兩個(gè)或更多個(gè)、用于排出氣體的通孔，該通孔被形成為該通孔的面積之和等于該斷流裝置的總面積的20％至50％。當(dāng)該電池內(nèi)產(chǎn)生高壓氣體時(shí)，該端帽組件有效地中斷電流并快速排出氣體，從而大幅提高該電池的安全性。
文檔編號(hào)H01M2/04GK102165624SQ200980138224
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者具滋訓(xùn), 鄭昞圭, 金成鐘, 金秀鈴 申請(qǐng)人:株式會(huì)社Lg化學(xué)