電池組件的製作方法
2023-09-22 11:49:25 1
專利名稱：電池組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池組件，尤其涉及包括扁平二次電池的組件電池的結構。
為了解決在包括帶有層狀覆層的電池單體的電池組件中存在的上述問題，通常採用具有抑制氣體產生作用的電解液和/或具有構造成抑制電池單體的電極縫隙增加的電池的結構。但實際上在二次電池的長壽命過程中，這種電解液並不能有效地防止體積增加。另外，構造成抑制電極縫隙增加的結構增加了每單位單體的重量，由此降低了每單位重量二次電池或包括多個這種二次電池的組件的電流存儲容量。
本發明提供一種電池組件，它包括電池單體、夾在電池單體兩側的一對壓力板，在其中容納了該對壓力板和此電池單體的外殼，所述外殼使壓力板彼此擠壓，並在各壓力板和外殼的相應部分之間、在每個壓力板的中央區域設置插入件。
根據本發明的電池組件，在壓力板和外殼的相應部分之間、在壓力板的中央區域提供插入件使得施加到電池單體外圍區域的壓力降低，其中，即使外殼具有外包裝，電池單體也會受到壓力板基本上均勻的壓力。
參考附圖、由下面的描述，本發明的上述和其它目的、特點和優點將更為顯而易見。
圖2是根據本發明第二實施例的電池組件的分解透視圖。
圖3是根據本發明第三實施例的電池組件的分解透視圖。
圖4是常規電池組件的分解透視圖。
圖5是另一常規電池組件的分解透視圖。
一般來說，電池組件所用的常規箱式外殼的簡單結構可以通過增加箱式外殼的厚度以增加機械強度的方式來抑制電池單體體積的增加。但是，這種結構增加了整個電池組件的重量，從而降低了每單位重量的電池組件的電流存儲容量。另一方面，具有更小重量的電池組件不能抑制由於變形例如翹曲引起的電池單體的體積增加，因而使得體積增加、電池性能變差。
參見圖4，常規電池組件包括扁平二次電池單體16、夾在電池單體16兩側的例如由橡膠製成的一對彈性片15，以及其中容納彈性片15和扁平電池單體16的剛性箱式外殼18。在彈性片15和剛性外殼18之間的縫隙中設置填充材料19。電池單體16包括層狀覆層和電池體，所述電池體容納其中並具有疊合結構，此疊合結構包括多個組合體，各組合體包括陰極、第一隔板、陽極和第二隔板。在某些常規電池組件中省略了橡膠片15。
在上述常規電池組件中，如果由於電池的重複充放電操作產生了內部氣體，那麼此內部氣體就會相對於塑料片15和填充材料19的外部壓力而引起電池單體16內部的體積增加。由於這種體積增加會在電池單體的電極之間產生縫隙，因此會導致電池性能下降。
參見圖5，另一種常規電池組件包括電池單體16，夾在電池單體16兩側的一對彈性片15，以及夾在彈性片15的兩側、包括一對殼構件或蓋片、插入有填充材料19的外殼11。通過螺釘和螺母(未示出)施加的機械力將該對殼構件11的外周邊彼此壓緊，由此將此對殼構件11連接在一起。
在圖5所示的另一種常規電池組件的結構中，由於殼構件11的翹曲，將在殼構件11外圍處的由螺釘和螺母提供的機械力施加到電池單體16的外圍處。雖然彈性片15可以減輕在電池單體16的外圍區域上集中的機械壓力，但其自身仍在一定程度上保留著機械力的集中。當由於電池單體16的重複充放電操作產生了內部氣體時，殼構件11的體積就會增加，其中，由於機械力通過螺釘和螺母施加到了外圍部分，因此相對於其外圍部分、殼構件11的中央部分有所增加。這導致在電池單體16的外圍部分具有更大的應力，並引起了在電池體的電極之間更大的縫隙。
在電池單體16的外圍部分處大的應力可能損壞隔板的邊緣，由此在電池單體16中出現短路事故。此事故是由於外殼的層狀結構所引起的，採用例如由金屬板或厚樹脂板製成的剛性外殼可以防止此類事故發生。然而，在任何一種情況中，該剛性外殼導致重量和成本的增加並且降低了每單位重量的電池組件的電流存儲容量。
鑑於上述原因，應當對電池單體16施加適當的壓力，以避免由於重複充放電操作所引起的體積的增加。另外，為了利用殼構件11得到這種適當的壓力，在不存在電池單體16外圍上的應力集中的情況下，需要利用殼構件11的反作用力抑制其翹曲。這需要將均勻的壓力施加到電池單體上，並且應當在不採用重金屬板或厚樹脂板的情況下實現。
現在，參考附圖根據其優選實施例對本發明進行詳細描述。參見
圖1，根據本發明第一實施例的電池組件包括電池單體16，此電池單體包括層狀覆層和具有如在常規電池組件中所述的疊合結構的電池體；夾在電池單體16兩側的一對橡膠板15；夾在橡膠板16和電池單體15的兩側的一對壓力板14；夾在壓力板14、橡膠板15和電池單體16兩側的一對殼構件11；以及在各壓力板14和相應的一個殼構件11之間、在壓力板14的中央區域設置插入件12。在此實施例中的插入件12包括在矩形的四個頂點處設置的四個支柱或矩形稜柱13。此對殼構件11在其外圍處由螺釘和螺母(未示出)連接在一起。
由於殼構件11或頂和底蓋的翹曲，因此它具有沿垂直方向施加壓力的作用。矩形稜柱13將壓力轉移到壓力板15，緩解了集中在壓力板14的外圍區域的壓力。壓力板14通過具有緩解壓力不均作用的橡膠片15將壓力施加到電池單體16，這種壓力不勻可能是由於電池單體16的製造誤差引起的。可以改變和選擇矩形稜柱13的數量和設置，從而使壓力板14能夠以在中央區域和外圍區域之間儘可能均勻的壓力壓向電池單體16。
緩解了在其外圍區域對於電池單體16的壓力集中的該電池組件結構容許了以大的設計選擇權對殼構件11的材料進行選擇。也就是說，殼構件11可以由輕型材料製成，例如層狀膜，不需要由重金屬板或厚樹脂板製成。
本實施例用於電池組件的材料可以是樹脂材料、金屬或合金，應當根據電池組件的外力、重量、體積和性能等進行選擇，例如每單位重量的存儲容量。如果希望組件具有更高的剛度或更高的機械強度，組件應當由金屬或合金製成，它們會稍微增加組件的重量。如果希望電池組件具有更輕的重量，電池組件應當由樹脂材料製成，和由金屬製成的組件相比，它會在一定程度上降低其剛度或機械強度。
已經製造出了此實施例的樣品。用於所選出的電池組件樣品的基本材料是不鏽鋼。殼構件11為100mm寬、150mm長、3mm厚，在插入件12中的四個矩形稜柱13的每個為10mm寬、20mm長、2mm厚，壓力板14為80mm寬、134mm長、3mm厚，橡膠片15為70mm寬、124mm長、1.5mm厚。橡膠片15由具有更高彈性模量的氟系材料的海綿狀物製成。電池單體16包括電池體和在其中容納電池體的層狀覆層，所述層狀覆層由層狀膜製成，所述電池體注入有非水電解液並且具有組合體的疊合層狀結構，各組合體包括陰極、第一隔板、陽極和第二隔板。電池單體為90mm寬、140mm長、4mm厚，而電池體為70mm寬、124mm長、3.8mm厚。層狀覆層為100μm厚。
在製造樣品電池組件的過程中，將電池單體16、橡膠板15、壓力板14和插入件13夾在一對殼構件11之間，外力施加到此殼構件11並由此發生翹曲。調節在插入構件12中矩形稜柱13的位置，以便向壓力板14提供基本上均勻的壓力。通過夾在橡膠片15和電池單體16之間的壓力感應紙測量所施加壓力的均勻性和所施加外力的大小。
在上述樣品中，對於施加了40kgf和80kgf外力的情況來說，沒有觀察到電池單體16的電池體在電池單體16的外圍受到集中的應力。也就是說，以基本上均勻的壓力將電池單體16夾在橡膠板15之間。這是在多個(在此例中是2-4個)電池單體16彼此層疊的情況下觀察到的。按照每單位面積的電池單體的負荷來說，所述40kgf和80kgf外力分別相應於0.5kgf/cm2和1.0kgf/cm2。
對樣品電池組件進行充放電循環測試，其中在45攝氏度的環境溫度下、在4.2伏特和2.5伏特的終止電壓之間進行500次循環的恆流恆壓(CCCV)測試。CCCV測試的結果示於表1中，其中，對於外部壓力為0.5kgf/cm2(樣品1)和1.0kgf/cm2(樣品2)的各種情況，在各特定次數的充放電循環之後，二次電池的電流存儲容量與最初電流存儲容量的比率(容量保持率(％))對照各特定次數的循環繪出。為了與這些樣品進行對照，同樣對相應於圖4和5所示的常規技術的對比例進行CCCV測試。
圖4所示的對比例1具有在裡面容納二次電池16的1mm厚的鋁外殼18，聚氨酯樹脂設置在它們之間的縫隙中作為填充材料。圖5所示的對比例2具有一對3mm厚殼構件或頂、底蓋11，此構件或頂、底蓋11由不鏽鋼製成、經過一對1mm厚的氟系材料海綿片15夾在電池單體16的兩側。對兩個對比例都施加大約80kgf的外力，由於殼構件11的翹曲，因此外力集中在電池單體16的電池體的外圍區域上。
從表1中可以明了，本發明第一個實施例樣品的電池組件具有比常規電池組件提高的特性。特別地，對於容量保持率來說，在500次循環之後這些樣品具有比圖4所示的常規的電池組件高出大約10％的提高了的特性。
表1
樣品10.5kgf/cm2，樣品21kgf/cm2參見圖2，除了電池組件的材料和插入件的結構之外，根據本發明第二實施例的電池組件類似於第一實施例。具體而言，所選出的用於本實施例的電池組件的基本材料是玻璃環氧樹脂，此玻璃環氧樹脂包括用於提高普通環氧樹脂的機械強度的玻璃纖維。插入件12與壓力板結合以具有部分稜錐的形狀。
這樣製造第二實施例的樣品殼構件11為100mm寬、150mm長、5mm厚；壓力板17具有10mm寬、10mm長的頂表面，80mm寬、130mm長的底表面，和3mm的最大厚度；橡膠板15為73mm寬、124mm長和1.5mm厚。橡膠片15由具有高彈性模量的氟系材料的海綿狀物製成。扁平電池單體16具有片狀外殼並且相似於第一實施例的樣品中採用的電池單體。
將外力20施加給殼構件11和位於殼構件11中央的壓力板17。設計壓力板17的頂表面的厚度和尺寸，以便將均勻的壓力施加給電池單體16。壓力的均勻性和外部壓力的大小由夾在橡膠片15和電池單體16之間的壓力感應片測量。
雖然外部壓力在8kgf和80kgf之間變化，但是沒有觀察到在電池單體16的外圍區域上所施加力的集中，因此均勻的壓力施加到電池單體16。這是在多個(在此例中是2-4個)電池單體16彼此層疊的情況下觀察到的。由此提供的外力相應於0.1kgf/cm2至1.0kgf/cm2。
針對施加給電池單體16的壓力為0.1kgf/cm2(樣品3)、0.5kgf/cm2(樣品4)、1kgf/cm2(樣品5)的各種情況，進行第二實施例的樣品的循環(CCCV)測試。循環測試的條件類似於第一實施例的樣品。循環測試的結果示於表2中。
表2
樣品30.1kgf/cm2，樣品40.5kgf/cm2，樣品51kgf/cm2從表1和2中可以明了，和常規電池組件相比，在500次循環之後，根據第二實施例的電池組件的樣品同樣實現了在容量保持率方面的最大約為10％的提高。特別地，象0.1kgf/cm2這麼低的施加壓力可以實現約為5％的在容量保持率方面的提高。
參考圖3，根據本發明第三實施例的電池組件包括20個以串聯方式電連接的電池單體16，它們層疊成四層並排列成包括5個電池層疊體的一列。
電池單體16作為整體被夾在具有一部分稜錐形狀的一對壓力板17之間，此壓力板17被夾在一對殼構件11之間。在充放電操作後，電池組件仍具有優秀的特性，並且由於用於電池組件的樹脂材料而具有更輕的重量。
由於對上述實施例的描述僅用於舉例，因此本發明不限於上述實施例，在不脫離本發明保護範圍的情況下，本領域的普通技術人員可以很容易地從這些實施例出發進行各種修改和替換。
權利要求
1.一種電池組件，它包括電池單體、夾在所述電池單體兩側的一對壓力板，在其中容納了該對壓力板和所述電池單體的外殼，所述外殼使所述壓力板相互擠壓以固定所述電池單體，以及在各所述壓力板和所述外殼的相應部分之間、在所述各壓力板的中央區域設置的插入件。
2.根據權利要求1的電池組件，其中所述電池單體包括片狀外殼和電池體，該電池體具有多個組合體的疊合結構，各組合體包括陰極、第一隔板、陽極和第二隔板。
3.根據權利要求1的電池組件，其中所述插入件包括多個支柱。
4.根據權利要求3的電池組件，其中所述支柱設置在矩形的四個頂點上。
5.根據權利要求1的電池組件，其中所述插入件與所述各壓力構件結合起來。
6.根據權利要求4的電池組件，其中所述壓力構件具有在所述中央區域大於外圍區域的厚度。
7.根據權利要求1的電池組件，其中，由於所述外殼的所述相應部分的翹曲，使得所述各壓力板和所述外殼的所述相應部分在所述外圍區域彼此接觸。
8.根據權利要求1的電池組件，其中多個所述電池單體在所述壓力板對之間以串列的形式設置。
9.根據權利要求1的電池組件，其中多個所述電池單體彼此層疊。
10.根據權利要求1的電池組件，其中所述外殼包括連接在一起的一對殼構件。
全文摘要
一種電池組件，包括具有層狀覆層的電池單體、一對橡膠片、一對壓力板，以及一對從電池組件的內部到外部的外殼構件。在壓力板和殼構件之間、在電池單體的中央區域設置具有四個支柱的插入件，以緩解在電池單體的外圍區域上的集中應力。插入件可以單獨地形成或與壓力板一體形成。
文檔編號H01M2/02GK1430304SQ0215838
公開日2003年7月16日 申請日期2002年12月30日 優先權日2001年12月28日
發明者金田洋 申請人:日本電氣株式會社