稜柱形電池單元，具稜柱形電池單元的電池及其製造方法
2023-06-16 12:13:06
專利名稱：稜柱形電池單元，具稜柱形電池單元的電池及其製造方法
技術領域：
本發明涉及稜柱形電池單元，具稜柱形電池單元的電池及其製造方法。具體而言，本發明涉及可充電的稜柱形電池單元以及具有稜柱形電池單元的可充電電池。更準確地說，本發明涉及具有稜柱形單元的可充電的NiMH(鎳金屬氫化物)可充電電池，當然其並不僅限於此。
背景技術：
大體上為稜柱形的電池單元是最普通和最常涉及的，並且被稱為稜柱形電池單元。稜柱形電池單元具有一種特有的稜柱形，更準確地說是一種矩形稜柱形，因為電池單元通常是由多個大體上為矩形的電極板平行地堆疊而形成的一個基本上為矩形的稜柱形電極組。每個平行電極板連接到它們各自的集電器上，進而連接到它們各自的接線柱上。
電極組的配件，集電器以及接線柱一般被封裝在一個稜柱形外殼中，使得封裝好的電池單元整體形狀為稜柱形，由此而稱為「稜柱形電池單元」。一個稜柱形電池一般包括多個平行布置並整體連接在一起的稜柱形電池單元，使得該電池同樣也整體上為稜柱形。然而，可以理解術語「稜柱形電池單元」一般是指具有多個平行堆疊的電極板的電池單元，這些電極板沿著它們相應的橫向側面電連接在一起，以區別於圓柱形電池單元，其中圓柱形電池單元的每個電極組包括一個螺旋形或螺旋盤繞成的多個大體上為圓柱形表面的電極板。
在本說明書中，術語「稜柱形電池單元」並不意味著將其限定或限制為稜柱形的電池單元，而可以總體上擴展為包含具有正負電極組的電池單元，其具有多個一端連接而相反的另一端非電連接的平行堆疊的電極板。該正負電極組的電極板是相互交替堆疊的，並且在連接到相應的集電器之前穿過了該相應電極組的開口。應當理解，稜柱形電池單元具有矩形電極板是很常見的，但是電極板為矩形既不是基本的又不是絕對必需的。
具有稜柱形單元的電池通常用於大電流場合或應用於需要大功率密度的場合。例如，諸如鎳金屬氫化物(NiMH)電池之類的可充電稜柱形電池近年來已經被廣泛應用於電動車(EV)或氫動力電動車(HEV)的動力來源，因為它們具有高能量密度的特性。
一般地，電能是通過處於液體電解質中的正負電極組之間發生化學反應而產生的，並且首先通過集電器然後通過接線柱傳遞給負載。在很多電池中，電極板和集電器之間的接觸點是電池內電阻的重要來源。較高的內電阻意味著高能損耗並且會引入熱損耗問題，這是因為在電極板和集電器之間的接合點將會產生熱量。這種能量損耗和發熱對於大電流場合，例如對於電動車或氫動力電動車的場合，是特別不受歡迎的，這是因為它會對效率產生不利影響，並且為了防止過熱而避免過早損壞或電池損壞，內部的熱量需要適當地耗散出去。
US6,544,684描述了一種稜柱形電池，其中集電器板沿著多個選定的區域在靠近電極板的集電器的內表面長度方向垂直地焊在電極板的側邊。
US6,457,667試圖使用熱噴鍍工藝將電極和集電器連接起來。
然而，通常的電池單元結構並不是完全令人滿意的，仍然需要對稜柱形電池單元以及具有該電池單元的電池加以改進。
發明內容
根據本發明，提供一種稜柱形電池單元，包括分別連接在一個正集電器和一個負集電器上的一個正電極組和一個負電極組，每個所述正電極組和所述負電極組包括多個正負電極板，所述正負電極組裝配成使正負電極板交替堆疊，而在相鄰的正負電極之間插入隔板，其中，一個電極組的電極板疊加在一起，並且焊接在對應的集電器上，該焊接大體上沿著電極組的疊加部分，並且至少位於遠離所述電極組的所述集電器的表面上。
優選，所述集電器包括一個長條形的通槽，其中容納有所述電極組的疊加部分，所述電極組大體上沿著所述槽焊接在所述集電器上。
優選，所述槽大體上平行於所述電極板較長的側面伸展。
優選，所述通槽靠近所述集電器的中心。
優選，所述槽沿著所述集電器的長度方向縱向伸展。
優選，所述集電器的寬度相當於或大於所述電極組的堆疊厚度。
優選，所述集電器包括板狀元件，所述板狀元件的寬度大體上垂直於所述電極板，使得該焊接部分具有大體上為T形的橫截面。
優選，所述集電器的厚度大於適合於電子束焊接或二氧化碳雷射器焊接的厚度。
優選，所述焊接為弧焊，包括惰性氣體保護焊。
優選，所述電池單元為具有鹼性電解液的可充電的鎳金屬電池單元。
優選，所述電極組的疊加部分夾在所述集電器之間。
優選，所述電池單元密封在一個塑料外殼內部，並且所述集電器連接在露在所述塑料外殼外面的接線柱上，所述接線柱的橫截面寬度與堆疊的電極板的寬度相當。
下面將參照附圖以示例的方式對本發明的優選實施例進行詳細說明，其中圖1顯示的是平行堆疊在一起的多個正負電極板，圖1A是圖1所示的堆疊電極板的俯視平面圖，圖2顯示的是圖1所示的堆疊電極板疊加成一個正電極組和一個負電極組，圖2A顯示的是圖2所示的疊加的電極組的俯視平面圖，圖3A顯示的是包括正負電極組，集電器和接線柱的一個配件的第一優選實施例的部分分解裝配圖，圖3B是圖3A的配件和一個稜柱形電池單元外殼的部分分解圖，
圖4A顯示的是包括正負電極組，集電器和接線柱的一個配件的第二優選實施例的部分分解裝配圖，圖4B是圖4A的配件和一個稜柱形電池單元外殼的部分分解圖，圖5A顯示的是包括正負電極組，集電器和接線柱的一個配件的第三優選實施例的部分分解裝配圖，圖5B是圖5A的配件和一個稜柱形電池單元外殼的部分分解圖，圖6顯示的是包括本發明的一個稜柱形電池單元的稜柱形電池。
具體實施例方式
在本說明書下列描述中，以一個鎳金屬氫化物(NiMH)電池作為一個適當的示例進行說明，因為鎳金屬氫化物可充電電池已經被廣泛使用了，並且已知在合理的價格下具有較高的能量密度特性以及具有合理的電池壽命。然而，應當理解，對本領域技術人員而言，不失一般性，本說明書對其它類型的稜柱形電池已作必要的改進，尤其對於可充電稜柱形電池。
圖1顯示的是一堆平行插入的正負電極板，其中相鄰的電極板之間插入有隔板。電極板被分成一個正電極組10和一個負電極組20，其中正電極組包括多個具有正引導部分12的正電極板11，負電極組包括多個具有負引導部分22的負電極板21。所述正負電極集中在一起形成一個稜柱形單元的電極組。電極組10，20設置成使正電極板11和負電極板21交錯，在每一對正負電極板之間插入有一個隔板30。
每個電極板包括一個有效區域40和一個引導區域50。一對正負板相應的有效區域並列布置，並且在電解液存在的情況下反應將化學能轉換成電能。一個典型的稜柱形電池單元的電極板的有效區域40大體上為矩形，其較長或縱向的側面與引導部分50並列布置。引導部分50一般是長條形的，並且具有與有效區域的縱向側面同樣的長度，同時大體上為矩形。電極板的矩形有效區域通常由一塊矩形基礎材料形成，因此有效區域40和引導部分50具有大體上同樣的長度。當然，應當理解，有效區域通常為矩形，但這並不是絕對必需的，有效區域可以使用矩形之外的形狀，這並不失一般性。
在一個鎳金屬氫化物可充電電池中，正電極板的有效區域由一種鍍有氫氧化鎳的鎳泡沫金屬組成。電極板一般很薄以減少材料成本和重量，這是因為電荷發生反應實質上是在表面上進行的。集電器通常是具有良好的導熱性和導電性的鍍鎳銅或鋼。對於稜柱形電池單元，其電極板通過電子束焊接或二氧化碳雷射器焊接連接到集電器上，集電器一般是薄的鍍鎳板，這是因為實際的熔合線是位於焊接電源的靠近表面後面的。由於這種集電器板具有一個很小的橫截面積，所以它們對於導熱和導電並非特別有效。在電極板點焊於集電器的位置上，焊點通常存在較高的電阻，因而集電器的傳導並不能十分有效地散除不利的熱量。
在本發明中，電極板的引導部分50首先疊加在一起。此處的疊加並不僅僅限於電極組各自的引導部分的壓接，包裝，集聚，焊接或扣緊。疊加的引導部分可以通過釺焊，熔接或諸如鉚接的機械固定方式來進一步保持。此外，在引導部分疊加在一起之前，電極組通常已經是以一種緊密壓緊的關係與相鄰的電極板形成交錯的結構了。
參照圖3A至5B，疊加的電極組與集電器和接線柱整體裝配在一起。配件被插入一個稜柱形外殼中。
參照圖3A和3B，顯示的是本發明的一個稜柱形電池單元的優選實施例。首先參照圖3A，電極板處於平行堆疊的插入結構狀態，使得同一電極組的電極板沿著引導部分的外側和較長的自由邊被疊加在一起。這種疊加可以通過，例如電極板的引導部分的自由縱向的或較長的側面機械壓接在一起。這種疊加可以進一步通過電極板的疊加邊緣的熔焊或釺焊，或通過其他的機械固定，例如，通過鉚接，而得到加強。電極組已經疊加在一起之後，電極組就連接到了集電器上。
此優選實施例的集電器60包括兩個部分。第一部分61包括一個主導體元件61，其大體上為倒L形，並具有一個從倒L形主導體元件的較短的彎曲端的上表面62伸出的一個大體上圓柱形的接線柱70。主導體元件的較長的側面63的一部分大體上縱向沿著主導體元件的較長的側面63的整個長度伸出，使得倒L形主導體的較長的側面從其水平方向看的時候，也具有一個倒L形。
第二部分64包括一個大體稜柱形的元件，其與主導體元件的較長的伸出部分配合，使得當第一61和第二部分64釺焊或熔焊在一起的時候，電極組的疊加部分被夾在該兩個部分中間，集電器的較長側面大體為矩形。包含交錯和疊加的電極組13，23的配件和集電器60安裝在一起。安裝之後，疊加的電極組就夾在該兩個集電器之間，即正負集電器的內表面彼此相對。
下面描述配件的安裝，包括疊加電極組和集電器，疊加的電極組的較長或橫向的側面首先與集電器的主導體元件的較長的側面縱向對齊。集電器60的第二部分64然後通過，例如一個夾具加以定位，使得電極組的縱向疊加部分牢固地夾持在集電器的第一部分61和第二部分64之間形成的缺口之間。疊加部分然後大體上沿著其整個長度熔焊或釺焊到集電器上，使得電極疊加部分的兩個橫向側面分別釺焊在集電器的第一和第二部分。
通過基本上沿著疊加部分的整個長度構成電連接，並且通過在靠近疊加部分的集電器的兩邊之間構成電接觸，可以基本上獲得更好的導電性和導熱性。
此外，由於熔焊或釺焊是沿著集電器的前或外表面進行而將電極板疊加在一起的，熔焊可以更好地得到控制，並且電極板的過早熔化不會成為主要問題。
此外，由於在焊接時疊加部分夾在集電器的第一和第二部分間形成的缺口之間，且焊接也發生在集電器的前或外表面上，因而主導體元件可以足夠厚，用以提高導熱性和導電性，從而不但減少了內電阻同時提供了通過集電器然後到達接線柱以至外界散熱的更好的通道。配件已經形成之後，配件被插入一個裝有鹼性電極的外殼80中，然後該外殼可以通過密封操作密封起來。應當注意，外殼大體上是稜柱形，使得密封的電池單元大體上也是稜柱形。
參照圖4A和4B，顯示的是本發明的第二優選實施例。第二優選實施例的稜柱形單元結構大體上與圖3A和3B所示的第一優選實施例相同。下列說明中，相同的附圖標記將做適當的擴展。
參照圖4A和4B，集電器是一個大體上倒L形的主構件，其具有一個沿著集電器的主側面縱向伸展的通槽，而電流連接器並不具有一個第一部分和一個第二部分。縱向通槽65適合於緊密地容納疊加部分，使得各個電極組的疊加部分沿著通槽緊密地容納在其中。電極組的疊加的引導部分已經安裝進縱向通槽之後，電極組的疊加引導部分可以熔焊或釺焊在集電器的主側面上。由於疊加的引導部分是沿著通槽容納的，因而焊接可從集電器的外表面進行，從而可以實現更好和更經濟的焊接。
參照圖5A和5B顯示的是本發明的第三優選實施例，此優選實施例的集電器與第二優選實施例的大體相同，不過通槽伸展到集電器主體下部的自由端，使得電極組的疊加部分可以沿著從集電器的自由端縱向伸展的通槽滑到焊接的位置。
參照圖6，其中顯示了任意一個優選實施例中的多個稜柱形單元以大體平行的方式整體結合形成一個顯示在本發明的一個示例中的稜柱形電池。
雖然本發明已經通過上述優選實施例進行了說明，但是應當理解實施例是作為示例來幫助對本發明進行理解的，並不是為了限制本發明的範圍和精神。此發明的範圍應當由上述的本發明的總體原則和精神來決定。特別地，對所屬技術領域的人員來說，明顯的或小的變化或改變以及基於本發明的改進應被認為是屬於本發明的範圍和界限之內的。
此外，雖然本發明已經針對NiMH電池進行了說明，應當理解，在不失一般性的情況下，無論是否進行了改變，本發明可以應用於其它的稜柱形電池。
權利要求
1.一種稜柱形電池單元，包括分別連接在一個正集電器和一個負集電器上的一個正電極組和一個負電極組，每個所述正電極組和所述負電極組包括多個正負電極板，所述正負電極組裝配成使正負電極板交替堆疊，而在相鄰的正負電極之間插入隔板，其特徵在於，一個電極組的電極板疊加在一起，並且焊接在對應的集電器上，該焊接大體上沿著電極組的疊加部分，並且至少位於遠離所述電極組的所述集電器的表面上。
2.根據權利要求1的電池，其特徵在於，所述集電器包括一個長條形的通槽，其中容納有所述電極組的疊加部分，所述電極組大體上沿著所述槽焊接在所述集電器上。
3.根據權利要求2的電池，其特徵在於，所述槽大體上平行於所述電極板較長的側面伸展。
4.根據權利要求2的電池，其特徵在於，所述通槽靠近所述集電器的中心。
5.根據權利要求2的電池，其特徵在於，所述槽沿著所述集電器的長度方向縱向伸展。
6.根據權利要求2的電池，其特徵在於，所述集電器的寬度相當於或大於所述電極組的堆疊厚度。
7.根據權利要求1的電池，其特徵在於，所述集電器包括板狀元件，所述板狀元件的寬度大體上垂直於所述電極板，使得該焊接部分具有大體上為T形的橫截面。
8.根據權利要求2的電池，其特徵在於，所述集電器的厚度大於適合於電子束焊接或二氧化碳雷射器焊接的厚度。
9.根據權利要求2的電池，其特徵在於，所述焊接為弧焊，包括惰性氣體保護焊。
10.根據權利要求2的電池，其特徵在於，所述電池單元為具有鹼性電解液的可充電的鎳金屬電池單元。
11.根據權利要求1的電池，其特徵在於，所述電極組的疊加部分夾在所述集電器之間。
12.根據權利要求1的電池，其特徵在於，所述電池單元密封在一個塑料外殼內部，並且所述集電器連接在露在所述塑料外殼外面的接線柱上，所述接線柱的橫截面寬度與堆疊的電極板的寬度相當。
13.一種電池，包括前述權利要求的任意一種電池單元。
全文摘要
一種稜柱形電池單元，包括分別連接在一個正集電器和一個負集電器上的一個正電極組和一個負電極組，每個所述正電極組和所述負電極組包括多個正負電極板，所述正負電極組裝配成使正負電極板交替堆疊，而在相鄰的正負電極之間插入隔板，其中，一個電極組的電極板疊加在一起，並且焊接在對應的集電器上，該焊接大體上沿著電極組的疊加部分，並且至少位於遠離所述電極組的所述集電器的表面上。
文檔編號H01M2/30GK1614805SQ20041008686
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月2日 優先權日2003年11月3日
發明者凌沛錚, 吳祟安 申請人:凌沛錚, 吳祟安