帶有熱防護器的可充電電池的製作方法
2023-04-22 22:42:06
專利名稱：帶有熱防護器的可充電電池的製作方法
要求優先權根據美國專利法第119條的有關規定，本申請提到的並要求優先權的申請是2001年10月18日在韓國工業產權局申請的「帶有熱防護器的可充電電池」，其申請號為2001-64384。
但是，鋰聚合物電池存在一些安全問題。具體說，鋰聚合物電池包括一個碳陽極、一個氧化鋰陰極和一種有機溶劑電解質。當一鋰離子電池被過度充電時，電解質在陰極被分解，並且鋰金屬在陽極析出。其結果是，電池的性能降低，並且電池可能產生過量的熱或者甚至燃燒。
由於鋰聚合物電解質在充電和放電期間是局部過熱，熱敏感的聚合電解質可能融化或者軟化。其結果是，電流和電勢不均勻，並且可能發生短路。而且，有著火或者爆炸的危險。
通常，在鋰離子電池中引起燃燒或產生熱的機理可解釋為由內部短路和過熱引起的。為了消除這些危險，鋰離子電池已經設置有各種保護裝置。
帶有這樣的防護器的可充電電池公開在授予Tsumamoto等人的於1999年3月9日公布的日本特許公開號為No.1999-67188的專利上，其名稱是「用於可充電電池和鋰可充電電池的導線端子」。在這樣的可充電電池中，一陽極導線端子包括一用於充電線路的導線端(充電導線端)，一集電體導線端，一用於放電線路的導線端(放電導線端)，其從集電體導線端分出，和一熔斷器，設置在充電導線端與集電體導線端之間。引線端和熔斷器被置於多層樹脂薄膜之間。可充電鋰電池包括一電池單元和一用於電池單元的基部。如公知的，在電池單元中，一陰極板、一分離器和一陽極板被纏繞在一起。
陽極導線端子的充電導線端和放電導線端固定在陽極板上，從電池單元突出。陰極導線端子上帶有一樹脂薄膜，固定到陰極板上，從電池單元突出。
當具有上述結構的可充電電池被過度充電時，產生熱，安裝在陽極導線端子中的熔斷器的溫度升高。當熔斷器的溫度升高到例如130℃時，熔斷器燒壞。其結果是，充電導線端與集電體導線端的電連接斷開，並且充電電流被切斷。
上述充電鋰電池具有下面的問題。熔斷器被密封在樹脂薄膜中，並且被插入到外殼中，其中熔斷器的厚度在樹脂薄膜內提供一小的間隙。由於電解質包含在外殼內，電解質通過間隙滲入到熔斷器，改變熔斷器的物理性質。其結果是，在特定溫度下熔斷器很難正確地操作。因此，該可充電電池不可靠。
在一方面，提供一種可充電電池，包括一電池單元，其中一陰極板，一分離器和一陽極板被順序地疊置，並且被纏繞在一起；一容器，用作該電池單元的外殼，並且在其中注入電解質；一蓋組件，結合到該外殼的上部；和一熱防護器，安裝在該外殼中，用於將一從電池單元中拉出的電極導線，經蓋組件電連接到一電極端子，並且用於當電池單元過度充電時切斷電流。
熱防護器可以包括一本體；一安裝在該本體上的熔斷器；多個導線，各連接到熔斷器的相應端；一連接器，其電連接到多個導線中的一個。熱防護器的本體可以具有一熔斷器的安裝區域，該熔斷器連接多個導線，並且具有一表面區域比外殼稍大一些，從而壓配合到外殼中。
在根據本發明的可充電電池中，熔斷器的一端可以被焊接到端子導線，其電連接到電極端子，熔斷器的另一端可以被焊接到分接頭導線，其電連接到電極導線。
較佳的是，根據本發明的可充電電池連接器包括一個導線板；和一聚合樹脂薄膜，纏繞在該導線板上。
較佳的是，該熔斷器由可操作在約85-120℃範圍內的低熔點材料形成。
一可充電鋰電池使用陽極導線端子10，如圖2所示。參見圖2，該可充電鋰電池包括一電池單元19和一用於電池單元19的基部20。如所公知的，在電池單元19中，一陰極板，一分離器和一陽極板被纏繞在一起。
陽極導線端子10的充電導線端11和放電導線端13被固定到陽極板上，從電池單元19突出。一陰極導線端子25上帶有樹脂薄膜26，固定到陰極板上，從電池單元19突出。
當具有上述結構的可充電電池被過度充電時，會產生熱，安裝在陽極導線端子10中的熔斷器14的溫度上升。當熔斷器14的溫度達到例如130℃時，熔斷器14燒壞。其結果是，充電導線端11與集電體導線端12斷電，以及充電電流被切斷。
上述的可充電鋰電池存在下面的問題。熔斷器14被密封在樹脂薄膜15中，並且被插入到殼體20中，並且熔斷器14的厚度在樹脂薄膜內提供一小的間隙。由於電解質包含在該殼體20中，電解質通過間隙滲入到熔斷器14，並且改變熔斷器的物理性質。其結果是，熔斷器14不能正確地在一特定溫度下操作。因此，該可充電電池是不可靠的。
根據本發明一實施例的可充電鋰電池如圖3所示。參見圖3，一可充電鋰電池30包括一電池單元31，一插入有電池單元31的外殼32，一個蓋組件33連接到外殼32，和一熱防護器40。
電池單元31包括一陰極板，一陽極板，和插入到陰極板和陽極板之間的一分離器，用於電絕緣。各陰級板和陽極板包括一個電流收集器，和一活性材料層，其塗覆在電流收集器的至少一個表面上。電池單元31被形成為一「凝膠捲」，其中順序設置的陰極板，分離器，和陽極板被繞在一起。
在電池單元31中，一陰極導線31a和一陽極導線31b從相應的陰極板和陽極板突出來。帶一孔34a的上絕緣板34被置於電池單元31的上表面。陽極導線31b穿過孔34a。
熱防護器40安裝在絕緣板34上。熱防護器40包括一本體41，一安裝在本體1中的熔斷器42，和多個導線。
將要連接到外殼32上的蓋組件33被安裝到熱防護器40上。蓋組件33包括一蓋板35，其通過焊接被約束到外殼32的上部。
蓋板35具有一孔35a，一電極端子36能夠被插入通過該孔。電極端子36電連接到從電池單元31中拉出的電極導線中的一個。在此實施例中，電極端子36是一陽極端子，其電連接到陽極導線31b。陰極導線31a被焊接到外殼32上。可替換地，陰極導線31a和陽極導線31b的位置能夠交換。在那種情況下，元件31a將是陽極導線，其電連接到外殼32上，而元件31b將是陰極導線，其連接到電極端子36，用作陰極端子。對於電極連接結構有多種可能的實施例。
電極端子36由一環狀的密封套37包圍。密封套37由一絕緣材料形成，如聚合樹脂，用於蓋板35和電極端子36之間電絕緣，並且防止電解質從外殼32洩露。由密封套37包圍電極端子36，通過蓋板35的孔35a，通過鉚接或旋壓的方式緊密地固定。
另一絕緣板38可以放置在蓋板35的下面。蓋板35具有一電解質注入孔35b。當電解質注入以後，用一個球將該電解質注入孔35b孔密封。
根據本發明的一個性質，當電池30過度充電時，能夠快速切斷電流的熱防護器40被安裝在外殼32和蓋組件33之間。由於熱防護器40安裝在外殼32內，防止了電池30中燃燒或者產生熱的風險，並且電池的可靠性改善了。
圖4是熱防護器40的分解的透視圖。參見圖4，熱防護器40包括一個本體41，一被插入到本體41中的熔斷器42，一分接頭導線43和一端子導線44，該分接頭導線43和端子導線44被電連接到熔斷器42，一連接器45被電連接到從電池單元31拉出的陽極導線31b。
特別是，本體41被安裝在外殼32中。因此，較佳的是，本體41由聚合樹脂形成，從而不與電解質發生化學反應。有利的是，本體41由聚合樹脂形成，其在高溫時熱膨脹，並且被壓配合到外殼32中，從而防止電解質沿外殼32的壁洩漏。本體41形成有一比外殼32的尺寸略大的表面。
本體41具有一安裝區域41a，用於安裝熔斷器42。安裝區域41a可能具有多種形狀，只要其能夠允許熔斷器42在一特定溫度操作，而不與電解質發生反應。
熔斷器42被安裝在安裝區域41a上。熔斷器42由低熔點材料，例如鉛合金形成，其當電池30內部溫度升高時由於產生熱而燒壞。熔斷器42的一端被焊接到分接頭導線43，另一端被焊接到端子導線44。熔斷器42在約85-120℃的溫度下操作，並且較好的是95±5℃。
分接頭導線43和端子導線44的焊接有熔斷器的外邊緣塗覆有一密封材料46。一聚合樹脂47，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，被超聲熔合到分接頭導線43和端子導線44以及熔斷器42的頂部表面。熔斷器42用密封材料46和聚合樹脂47雙重密封。
熔斷器42被焊接到各分接頭導線43和端子導線44的一端，被插入到限定其位置的本體41的安裝區域41a。
同時，為了防止熱防護器40進入外殼32和接觸電解質，該連接器45形成在本體41中。該連接器45包括一導線板48，其電連接到陽極導線31b，和一薄膜49，其固定到導線板48。該薄膜49由一聚合樹脂形成，其不與電解質發生反應，並且較佳的是一個氯化了的聚丙烯(CPP)，聚乙烯(PE)，和CPP的三層結構。該薄膜49被熔合到導線板48上。
連接器45是與本體41整體形成的。特別是，連接器45通過插入鑄模而被插入並結合到本體41中。連接器48的上導線48a暴露在本體41的頂部表面，而連接器48的下導線48b暴露在本體41的底部表面。連接器45的薄膜49被熔合到導線板48上，它位於本體41內，並且在鑄模過程中熔化並完全結合到本體41上。
圖5是圖4的熱防護器40的完整組件的透視圖。參見圖5，熔斷器42被放置到本體41的安裝區域41a。分接頭導線43在安裝區域41a的一端以一方向延伸，熔斷器42的一端被焊接到分接頭導線43。端子導線44在安裝區域41a的另一端以同一方向延伸，熔斷器42的另一端被焊接到端子導線44。端子導線44被電連接到電極端子36，該電極端子36由一密封套37圍繞。
連接器45被固定在本體41的一端。如上面參照圖4所描述的，其上纏繞有薄膜49的導線板48，通過插入鑄模而被插入並結合到本體41，導線板48的上導線48a暴露在本體41的頂部表面。上導線48a被焊接到分接頭導線43。導線板48的下導線48b暴露在本體41的底部表面。下導線48b被焊接到從電池單元31拉出的陽極導線31b。
在具有上述結構的熱防護器40中，下導線48b被連接到從電池單元31拉出的陽極導線31b，上導線48a從下導線48b延伸，被連接到分接頭導線43。分接頭導線43經熔斷器42電連接到端子導線44。端子導線44電連接到電極端子36。因此，陽極導線31b經下導線48b，上導線48a，分接頭導線43，熔斷器42和端子導線44而被電連接到電極端子36。
下面描述具有上述結構帶有熱防護器40的電池30的組裝方法。
首先，參見圖3，提供外殼32和將要被結合到外殼32的上部的蓋組件35。在電池單元31中，陰極板，分離器，陽極板上下順序地放置，被纏繞成「凝膠捲」形狀，並插入到外殼32中。陽極導線31b的位置與熱防護器40的下導線48b相配，以便焊接。
然後，上絕緣板34被放置電池單元31中，並且熱防護器40被插入到電池單元31中。熱防護器40的本體41被壓配合到外殼32中。為此，本體41被設計成其表面區域稍大於外殼32。
通常，通過外殼的內壁與本體41的邊緣之間的間隙，電解質滲透到熱防護器40。但是，根據本發明，由於本體41由聚合樹脂形成，其隨著溫度升高而熱膨脹，並且被壓配合到外殼32中，因此本體41向著外殼32的內壁膨脹，當充電和放電操作期間，電池30產生熱的時候，本體41將間隙完全密封。其結果是，能夠防止電解質沿外殼32的內壁滲入到熱防護器40。
在熱防護器40安裝到外殼32中之前，從電池單元31中拉出的陽極導線31b，需要電連接到熱防護器40的連接器45。連接器45具有導線板48，其上纏繞有多層聚合樹脂薄膜49，通過插入鑄模而將連接器45連接到本體41。導線板48的下導線48b暴露在本體41的底部表面，並且焊接到陽極導線31b。
然後，熔斷器42的兩端分別焊接到分接頭導線43和端子導線44，該熔斷器被安裝在本體41的安裝區域41a，在此狀態下，分接頭導線43焊接到導線板49的暴露在本體4頂部表面的上導線48a。為了方便，在組裝時，在將分接頭導線43焊接到上導線48a之前，將端子導線44焊接到電極端子36的底部，該電極端子36穿過蓋板35的孔35a而被插入。
在熱防護器40安裝在外殼32中之後，蓋組件33被放置在熱防護器40上，並且根據通常的電池製造方法與外殼32結合。然後，通過蓋板35上形成的電解質注入孔35b將電解質注入，並且密封電解質注入孔35b。陰極導線31a被焊接到外殼32或者蓋板35。
在由上述方法製造的電池30中，當電池30內的溫度由於失敗(例如過度充電)而升高時，熔斷器42的溫度升高。當熔斷器42的溫度升高到特定的溫度以上時，熔斷器42燒壞。其結果是，從陽極導線31b到電極端子36的電流被強制切斷，從而防止不期望的反應，如過熱。
下面的表1示出了電池過度充電的實驗結果。
表1
在表1中，表示為N2/N1的值，其中N1表示被測試的電池的總數，N2表示未失敗的電池的數目。比較例1是未安裝防護器的，比較例2是安裝了傳統防護器的。在例中，安裝了根據本發明的防護器40的。
如表1所示，當未安裝防護器時，電池在2C和3C放電率變得不穩定。在此情況下，那些電池可能發生燃燒或者爆炸。當採用傳統防護器時，雖然在3C高放電率時沒有燃燒或爆炸，但是在2C放電率時50個電池中有兩個爆炸。
但是，根據本發明的帶有熱防護器40的電池30中，由於熔斷器42在特定溫度下正確地操作，在1C，2C和3C的所有放電率時都沒有燃燒或爆炸。這是因為當過度充電時，熱防護器40感應電池30的溫度升高，切斷電流。
如上所述，根據本發明的帶有熱防護器的可充電電池具有以下效果。
第一，當由於充電過度，使得電池內部溫度升高時，安裝在外殼中的熱防護器精確檢測溫度的升高，而切斷電流，從而防止過熱和提高可靠性。
第二，雖然熱防護器被安裝在電池內，電解質不會滲入到熱防護器中。其結果是，熱防護器能夠在特定的溫度下正確地操作，以中斷過剩的電流。
第三，由於熱防護器能夠安裝在電池內，能夠製造一個堅實的輕巧的電池，確保安全。
第四，由於在電池外殼中電池內部溫度的升高被檢測，因此電流能夠被適時切斷，以快速反應電池中熱變化。
本發明已經被特別地示出，並且參照較佳實施例進行了描述，但是應當明白，不離開本發明的由所附的權利要求限定的宗旨和範圍，本領域的技術人員可以在形式和細節上作出各種變化。
權利要求
1.一種可充電電池，包括一電池單元，其中一陰極板，一分離器和一陽極板被順序地疊置，並且被纏繞在一起；一容器，用作該電池單元的外殼，並且在其中注入電解質；一蓋組件，結合到該外殼的上部；和一熱防護器，安裝在該外殼中，用於將一從電池單元中拉出的電極導線，經蓋組件電連接到一電極端子，並且用於當電池單元過度充電時切斷電流。
2.根據權利要求1的可充電電池，其特徵在於該熱防護器包括一本體；一安裝在該本體上的熔斷器；多個導線，各連接到熔斷器的相應端；和一連接器，其電連接到多個導線中的一個。
3.根據權利要求2的可充電電池，其特徵在於該本體具有一熔斷器的安裝區域，並且具有一表面區域比外殼稍大一些，從而壓配合到外殼中。
4.根據權利要求3的可充電電池，其特徵在於該本體通過鑄模形成，採用熱膨脹的材料，當電池內的溫度升高時，該本體向外殼的內壁膨脹，從而阻止電解質從外殼的內壁和本體之間的間隙洩漏。
5.根據權利要求2的可充電電池，其特徵在於該熔斷器的一端被焊接到與電極端子電連接的一端子導線，並且該熔斷器的另一端被焊接到與電極導線電連接的一分接頭導線。
6.根據權利要求5的可充電電池，其特徵在於該熔斷器的外邊緣被焊接到多個導線，並且被塗覆一密封材料，用於緊密的密封。
7.根據權利要求2的可充電電池，其特徵在於該連接器包括一個導線板；和一聚合樹脂薄膜，纏繞在該導線板上。
8.根據權利要求7的可充電電池，其特徵在於該連接器通過插入鑄模，與該本體一體形成。
9.根據權利要求8的可充電電池，其特徵在於該導線板包括一上導線，其暴露在本體的上表面，被焊接到分接頭導線；和一下導線，其從上導線延伸，並暴露在本體的底部表面，被焊接到電極導線。
10.根據權利要求9的可充電電池，其特徵在於該電極導線經下導線，上導線，分接頭導線，熔斷器和一端子導線而被電連接到電極端子，以提供電流，並且當電池單元過度充電時，熔斷器燒壞，電流切斷。
11.根據權利要求2的可充電電池，其特徵在於該熔斷器由可操作在約85-120℃範圍內的低熔點材料形成。
12.一種可充電電池，包括一電池單元，包括一陰極板和一陽極板，並且具有從其延伸的一電極導線；一容器，用作該電池單元的外殼，並且在其中注入電解質；一蓋組件，結合到該外殼的上部；和一熱防護器裝置，安裝在該外殼中，用於將一來自電池單元的電極導線，電連接到一電極端子，並且用於當電池單元過度充電時切斷電流。
13.根據權利要求12的可充電電池，其特徵在於該熱防護器裝置包括一本體；一安裝在該本體上的熔斷器；多個導線，各連接到熔斷器的相應端；和一連接器，其電連接到多個導線中的一個。
14.根據權利要求13的可充電電池，其特徵在於該本體具有一熔斷器的安裝區域，並且具有一表面區域比外殼稍大一些，從而壓配合到外殼中。
15.根據權利要求13的可充電電池，其特徵在於該本體通過鑄模形成，採用能夠熱膨脹的材料，當電池內的溫度升高時，該本體向外殼的內壁膨脹，從而阻止電解質從外殼的內壁和本體之間的間隙洩漏。
16.根據權利要求2的可充電電池，其特徵在於多個導線包括一端子導線，電連接到電極端子，一分接頭導線，電連接到電極導線，並且其中熔斷器的一端被焊接到端子導線，熔斷器的另一端被焊接到分接頭導線。
17.根據權利要求16的可充電電池，其特徵在於該熔斷器的外邊緣被分別焊接到端子導線，和分接頭導線，並且被塗覆一密封材料，用於緊密的密封。
18.根據權利要求13的可充電電池，其特徵在於該連接器包括一個導線板；和一聚合樹脂薄膜，纏繞在該導線板上。
19.根據權利要求18的可充電電池，其特徵在於該連接器通過插入鑄模，與該本體一體形成。
20.根據權利要求13的可充電電池，其特徵在於多個導線包括一端子導線電連接到電極端子，一分接頭導線電連接到電極導線，並且其中連接器包括一導線板，其包括一上導線，其暴露在本體的上表面，被焊接到分接頭導線；和一下導線，其從上導線延伸，並暴露在本體的底部表面，被焊接到電極導線。
21.根據權利要求20的可充電電池，其特徵在於該電極導線經下導線，上導線，分接頭導線，熔斷器和端子導線而被電連接到電極端子，以提供電流，並且當電池單元過度充電時，熔斷器燒壞，電流切斷。
22.根據權利要求13的可充電電池，其特徵在於該熔斷器由可操作在約85-120℃範圍內的低熔點材料形成。
全文摘要
一種可充電電池，包括一電池單元，其中一陰極板，一分離器和一陽極板被順序地疊置，並且被纏繞在一起；一容器，用作該電池單元的外殼，並且在其中注入電解質；一蓋組件，結合到該外殼的上部；和一熱防護器，安裝在該外殼中，用於將一從電池單元中拉出的電極導線，經蓋組件電連接到一電極端子，並且用於當電池單元過度充電時切斷電流。當由於過度充電而使電池內部溫度升高時，安裝在外殼中的熱保護器能夠精確地檢測溫度的升高，並且切斷電流，從而防止過熱，並且改善可充電電池的可靠性。
文檔編號H01M6/50GK1412876SQ02154770
公開日2003年4月23日 申請日期2002年10月18日 優先權日2001年10月18日
發明者趙成在 申請人:三星Sdi株式會社