具有切口凹槽的矩形可充电电池

摘要

提供了一种矩形可充电电池，其中由阳极、阴极和分隔膜构成的电极组件气密地密封在矩形电池盒中；其中电池盒由矩形主盒体和盒盖构成，所述主盒体在其上部边缘开口并由金属材料构成，所述盒盖与主盒体的开口的上部边缘相连并包括电极端子；主盒体的厚度不超过0.4mm；在主盒体上表现出不超过盒在高压状态下的最大应力(S

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有安全槽的棱柱形二次电池，更具体来说，涉 及一种如下的棱柱形二次电池，其包括以密封状态安装在棱柱形电池 盒中的电极组件，所述电池盒包括在其顶部开口的六面体盒体以及联 接到盒体的开口顶部的盒盖，所述六面体盒体由金属材料制成，所述 盒盖具有电极端子，其中盒体的厚度为0.4mm或更小，所述盒体在显 示出等于电池盒在高压状态下的最大应力(S_MAX)的40％或更小的应 力分布的区域处设置有线状安全槽，所述安全槽被构造成当电池中出 现高压时破裂，并且安全槽被构造成下述结构，在所述结构中盒体的 剩余厚度(“排放口厚度”)在纵向方向上从安全槽的相反两端朝向 中间减小。

背景技术

随着移动装置的不断发展以及对这种移动装置需求的增加，对于 作为移动装置的能量源的二次电池的需求也急剧增加。在这样的二次 电池中包括具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池，对其已进行 了大量研究，并且目前正被商业化和广泛使用。

根据电池盒的形状，二次电池可以被分类为电极组件安装在圆柱 形金属容器中的圆柱形电池、电极组件安装在棱柱形金属容器中的棱 柱形电池、或电极组件安装在由铝层压片形成的袋状盒中的袋状电池。

安装在电池盒中的电极组件是电力生成元件，具有阴极/分隔件/ 阳极的堆叠结构，其可以充电和放电。电极组件可以被分类为蛋卷(jelly  roll)型电极组件或堆叠型电极组件，所述蛋卷型电极组件被构造成施 加有活性材料的长片状阴极与长片状阳极卷绕且分隔件被布置在阴极 与阳极之间的结构，所述堆叠型电极组件被构造成具有预定尺寸的多 个阴极和阳极顺序堆叠且分隔件被相应地布置在阴极与阳极之间的结 构。

根据使用状态和条件，二次电池可能暴露于各种环境。为了用户 的安全，需要防止二次电池爆炸。一般来说，电池爆炸可能是由异常 操作状态引起的电池内的高温和高压导致的，所述异常操作状态例如 是电池的内部短路、充电超出了容许电流和电压、暴露于高温、由于 跌落引起的撞击。由于这些原因，尽管电池的形状彼此不同，但每个 电池都设置有高压释放装置，用于释放作为电池爆炸的直接原因的电 池的高压。

例如，为了释放高压，圆柱形电池具有安装在盒盖组件上的特殊 结构的安全板，棱柱形电池具有形成在盒盖或电池盒处的安全槽，袋 状电池被构造成使得层压片的接缝部分(密封部分)彼此隔开而不使 用另外的安全槽。

在通常的棱柱形二次电池中，在铝电池盒处形成封闭类型或局部 开口类型的安全槽，以便安全槽可以被切开。

例如，棱柱形二次电池具有形成在电池盒侧面处的局部开口类型 的安全槽。

图1的安全槽30形成在棱柱形二次电池的盒20的侧面的角落， 采取小弧线的形状。安全槽是局部开口类型的。也就是说，安全槽位 于盒的表现出相对高应力的区域，使得弯曲的安全槽能够在电池的内 部压力过度增加时破裂。

具有如上所述结构的安全槽的优点在于安全槽能够相对灵敏地对 电池内产生的高压做出响应；然而，该安全槽的缺点在于在电池设计 期间难以正确地设定所需的临界压力值。

也就是说，如前所述，高应力施加于盒侧面的角落区域，其结果 是安全槽可能甚至在低压下也容易破裂。尤其是当电池盒的厚度小时， 安全槽对高压的响应更灵敏，结果引起安全槽的无意破裂。

因此，需要减小在表现出高应力的区域处形成的安全槽的尺寸和 深度。然而，当安全槽的尺寸和深度太小时，安全槽可能不容易破裂。

此外，预计安全槽的形状对于在异常电池状况下实现电池的可靠 运行来说，也是非常重要的因素。

因此，非常有必要开发能够在电池内部压力增加时通过安全槽的 均匀破裂从电池快速放出气体的棱柱形电池，在所述电池的开发中综 合考虑了电池盒的厚度、以应力为基础的安全槽的位置以及安全槽的 形状、长度和深度。

发明内容

技术问题

因此，做出了本发明以解决上述问题以及尚未得到解决的其他问 题。

作为为了解决上述问题而进行的各种广泛深入的研究和实验的结 果，本发明的发明人发现，当在电池盒侧面表现出相对低应力的区域 处形成特定结构和特定形状的安全槽时，安全槽在适当条件下可靠地 破裂，从而提高了电池的安全性。

因此，本发明的目的是提供具有能够有效破裂的改进结构的安全 槽的棱柱形二次电池。

技术解决方案

根据本发明的一个方面，上述和其他目的可以通过提供下述的棱 柱形二次电池来实现，所述棱柱形二次电池包括以密封状态安装在棱 柱形电池盒中的由阴极、阳极和分隔件构成的电极组件，所述电池盒 包括在其顶部开口的六面体盒体以及联接到盒体的开口顶部的盒盖， 六面体盒体由金属材料制成，盒盖具有电极端子，其中盒体的厚度为 0.4mm或更小，并且盒体在表现出等于电池盒在高压状态下的最大应 力(S_MAX)的40％或更小的应力分布的区域处设置有线状安全槽，该 线状安全槽被构造成当电池中出现高压时破裂，并且安全槽被构造成 下述结构，在所述结构中盒体的剩余厚度(“排放口厚度”)在纵向 方向上从安全槽的相反两端朝向中间减小。

根据本发明的棱柱形电池的安全槽形成在盒体的表现出等于盒的 最大应力的40％或更小、即相对低应力的应力分布的区域处。因此， 能够防止安全槽在低压时容易地破裂，提供高破裂压力，并形成更深 的安全槽。

此外，本发明的棱柱形电池被构造成下述结构，在所述结构中安 全槽形成在特定位置处，使得安全槽的深度在纵向方向上从安全槽的 相反两端朝向中间减小，其得到将在后面描述的实验实例的支持。因 此，安全槽提供了高的电池运行可靠性，并且气体通过安全槽的均匀 破裂从电池快速排出，从而确保了电池的安全性。

近年来，电池盒的尺寸极大地增加，并且已经使用薄的材料制造 电池盒。因此，本发明适用的盒体优选具有0.2mm至0.4mm的厚度。 因此，尽管根据本发明的电池盒的厚度远小于普通电池盒的厚度，但 位于特定位置处并形成为特定形状的安全槽在适当的临界值下可靠地 破裂。

当安全槽可以破裂时电池内的高压是通常条件下电池内部压力的 两倍或更大。这里，通常条件是指电池维持在大气压力(一个大气压) 或两个大气压下。

正如前面定义的，线状安全槽形成盒体的表现出等于盒在上述高 压状态下的最大应力(S_MAX)的40％或更小的应力分布的区域处。

取决于电池盒的形状和结构，应力分布可以发生各种不同变化。 在普通棱柱形电池中产生的应力分布显示在图4中。

本发明人发现，当安全槽形成盒体的表现出等于电池盒的最大应 力(S_MAX)的40％以上的应力分布的区域处时，即使在低压下安全槽 也容易破裂。总之，当满足上述条件时，与当安全槽形成在盒体的表 现出常规的高应力分布、即等于盒的最大应力(S_MAX)的40％以上的 应力分布的区域处时相比，安全槽在更高压力下破裂。

安全槽可以形成在盒体的表现出等于盒的最大应力(S_MAX)的优 选10％至40％、更优选25％至35％的应力分布的区域处。

由于安全槽形成在盒体的表现出相对低应力的区域处，因此能够 防止安全槽在低压时轻易地破裂、提供高破裂压力并形成更深的安全 槽。

优选情况下，安全槽形成在盒体的每个主表面的竖直中心轴线区 域处。更优选地，安全槽形成为在沿盒体横向宽度具有等于盒体横向 宽度的1/4至1/2的尺寸的中间位置处，且形成在沿盒体竖直长度具有 等于盒体竖直长度的1/20至1/5的尺寸的上部或下部位置处。

如果安全槽的位置偏离上述范围，即使在高压下也可能不实现安 全槽的破裂和气体排出，并且安全槽可能即使在低压下也破裂。因此， 在安全性和组件加工性方面，安全槽的位置偏离上述范围不是优选的。

由本发明人执行的实验揭示了，当电池的内部压力持续升高到如 上描述的预定水平时，安全槽均匀破裂，结果气体从电池快速排出， 从而提高了电池的安全性。

优选地，安全槽可以形成在盒体的与在盒体的开口顶部和安装在 盒体中的电极组件顶部之间所限定的空间相对应的区域处，同时形成 安全槽的位置在上面定义的范围之内。在具体实例中，安全槽可以形 成在盒体的与在电极组件方向上距离安装在盒体中的电极组件的阴极 的上端最大5mm处与盒体的开口顶部之间所限定的空间相对应的区 域处，并同时靠近盒体的开口顶部。在这种位置形成的安全槽位于盒 中的剩余区域、特别是电极组件安装区域的顶部处，结果更容易实现 气体排出，并将对电极组件的损伤降至最低。

具体来说，本发明的安全槽被形成为弧形，以防止气体的排出不 成比例地集中在安全槽的一部分上，从而使安全槽破裂后的压力偏差 降至最低，并对于薄的盒体来说确保盒的强度。

优选地，安全槽的弧形具有等于盒体竖直长度的1/2至1.5倍的曲 率半径。

如果曲率半径太小，曲率增加，结果是弧形的宽度减小。另一方 面，如果曲率半径过大，曲率降低，结果即使在高压力下安全槽也可 能难以破裂。

此外，只要安全槽的位置和曲率不偏离上面定义的范围，安全槽 可以被形成为曲率中心位于上部的向上的弧形，或形成为曲率中心位 于下部的向下的弧形。

同时，本发明人经实验证实，当安全槽的排放口厚度均匀时，尽 管安全槽以弧形形成在盒体的表现出相对低应力的区域处，安全槽也 不能有效破裂。

也就是说，形成安全槽并使安全槽具有均匀的排放口厚度，是非 常困难的。作为结果，压力集中在盒体的任意位置上，由此降低了电 池的运行可靠性，并因此使电池盒甚至在低压下变形。因此，证实了 盒体的应力和排放口厚度与安全槽的破裂和气体排出密切相关。

在优选实例中，排放口厚度可以具有等于盒体厚度的40％至70％ 的平均值。也就是说，可以在考虑到前述的各种因素后能够提供最优 状态的范围内，决定排放口厚度的平均值。

此外，在安全槽的中间处的最小排放口厚度的大小可以等于盒体 厚度的20％至50％。如果最小排放口厚度小于盒体厚度的20％，即使 在低压下安全槽也可能容易地破裂。另一方面，如果最小排放口厚度 大于盒体厚度的50％，则安全槽的中间与相反两端之间的厚度差小于 如上所述的理想水平，结果是电池的运行可靠性降低。

此外，从安全槽的相反两端朝向中间，排放口厚度可以连续减小。 这里，“连续减小”意味着“逐渐减小”。因此，防止压力集中于特 定区域，并使安全槽破裂后的压力偏差降至最低。

对于在安全槽的中间处的排放口厚度没有特别限制，只要安全槽 中间处的排放口厚度小于安全槽相反两端处的排放口厚度，使得安全 槽能够容易地破裂即可。优选情况下，在安全槽的中间处的排放口厚 度的大小等于在安全槽的相反两端处的排放口厚度的40％至70％。

正如可以从上面的描述看到的，通过实验证实了具有被构造成使 排放口厚度从安全槽的相反两端朝向中间减小的安全槽的棱柱形电池 表现出有效的运行可靠性。

可以使用各种方法来形成安全槽。优选地，使用附加的冲压器通 过滚轧来形成安全槽。根据情况，可以使用特制工具刮削电池盒来形 成安全槽。

对于安全槽的竖直截面没有特别限制，只要安全槽能够在电池的 内部压力增加时容易地破裂即可。例如，安全槽的竖直截面可以被形 成为向下的楔形或梯形。在楔形的情况下，安全槽的上边裂开，结果 使安全槽破裂。在梯形的情况下，安全槽的短边被拉长，结果安全槽 由于剪切应力而破裂。总而言之，诱发了安全槽的均匀和即刻的破裂， 从而确保电池的安全性。

电极组件可以被构造成蛋卷型(卷绕类型)结构，其中长片型阴 极和阳极卷绕，而分隔件被布置在阴极与阳极之间，其优点在于蛋卷 型结构容易制造并且具有高的单位重量能量密度。

更具体来说，二次电池包括锂二次电池。

有利效果

正如从上面的描述明显看出的，本发明的棱柱形二次电池被构造 成下述结构，在所述结构中采取弧形的安全槽形成在表现出相对低应 力的特定区域处，使得在安全槽的总体长度上安全槽的排放口厚度朝 向安全槽的中间逐渐减小，结果是安全槽在相对高的电池内部压力下 可靠地破裂，以从电池有效地排出高压气体。因此，能够极大提高电 池的安全性。

附图说明

从下面结合附图进行的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述 和其他目的、特点和其他优点，在附图中：

图1是示出具有常规安全槽的棱柱形二次电池的典型视图；

图2是示出在本发明中使用的棱柱形二次电池的典型视图；

图3是示出具有本发明的实施例的安全槽的棱柱形二次电池的典 型视图；

图4是示出了图3的棱柱形二次电池的应力分布的照片；

图5是示出了具有本发明另一个实施例的安全槽的棱柱形二次电 池的应力分布的照片；

图6是示出了图3的棱柱形二次电池的包括安全槽的部分的顶视 图；

图7是示出了图6的沿着排放区域的厚度的图；

图8是示出了图3的安全槽的竖直截面的照片；并且

图9是示出了图1的安全槽的竖直截面的照片。

具体实施方式

现在，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。然而，应该 指出，本发明的范围不限于举例说明的实施例。

图2是示出了可用于本发明的通用棱柱形二次电池的实例的结构 的视图。

参考图2，棱柱形二次电池100包括安装在用作阳极端子的棱柱 形电池盒200中的电极组件300，该电池组件被构造成蛋卷型结构，其 中片状阴极和片状阳极卷绕，而分隔件布置在阴极与阳极之间。

电池盒200包括在其顶部处开口的六面体盒体210和联接到盒体 210的开口顶部的盒盖220，六面体盒体210由金属制成，盒盖220具 有阴极端子400。阳极端子可以是盒体210或与阴极端子400电绝缘的 盒盖220。

为了制造这样的棱柱形二次电池100，将电极组件300置于盒体 210中，盒盖220位于盒体210的开口顶部处，并将盒体210与盒盖 220之间的连接区域通过激光焊接进行密封。随后，将电解质注入电池 盒200中。电解质注入通过形成在盒盖220一侧区域处的注射端口230 执行。具体来说，电解质通过注射端口230注入到电池盒200中，将 由铝制成的球元件600配合到注射端口230中，并将薄金属片610置 于球元件600上以封闭注射端口230。在这种状态下，通过激光焊接将 注射端口230密封。注射端口230的密封不限于上述方法。可以使用 各种其他方法来密封注射端口230。

根据本发明的安全槽形成在棱柱形二次电池100的电池盒200的 前侧211或后侧212处。盒体210的厚度约为0.3mm。

图3是示出了根据本发明实施例的安全槽的形状的平面图，图4 是示出了图3的棱柱形二次电池的应力分布的照片。

参考这些附图，形成在盒体40处的安全槽60是可以被切开以排 出高压气体的元件。安全槽60采取曲率中心位于上部的向上弧形的形 式，形成在电池盒的表现出等于电池盒最大应力S_MAX的约25％至35％ 的应力分布的区域处。

如图4中所示，应力分布被显示成在施加预定压力后出现的、每 一区域的拉伸应力的等高线的形式。高亮度区域(亮区)具有相对高 的应力。换句话说，高亮度区域是分布有最大应力S_MAX的区域。低亮 度区域(暗区)具有相对低的应力。换句话说，低亮度区域是分布有 最小应力S_MIN的区域。

弧形安全槽60形成在沿盒体40的宽度W具有等于盒体40的宽 度W的约1/3的尺寸的中间位置处，以及沿盒体40的长度L具有等于 盒体40的长度L的约1/10的尺寸的上端位置处。此外，安全槽60的 弧形具有等于盒体40的长度L的约1/2的曲率半径R。由于这样的弧 形，安全槽60能够维持均匀的机械强度，同时实现气体的均匀排出。

如图3和图4中所示，弧形被形成为使得弧形的曲率中心位于上 部。另一方面，如图5中所示，弧形可以被形成为使得弧形的曲率中 心位于下部。

与图3一起参考图5，图5的安全槽在位置和曲率上与图3的安 全槽相同，区别在于图5的安全槽的弧形被形成为使得弧形的曲率中 心位于下部，因此没有给出它的详细描述。

图6是示出了安全槽形状的局部平面图，图7是示出了图6的安 全槽的每一排放口区域的厚度的图，图8是示出了图3的安全槽的竖 直截面的照片。

参考这些图，在安全槽的整个长度l上，排放口80的厚度从安全 槽的相反两端1和5向中间5逐渐减小。也就是说，在安全槽60的中 间3处的排放口厚度t(参见实例1)约为58μm，其对于盒体的厚度T 来说是最小的。在靠近安全槽的相反两端的预定位置处，排放口的厚 度t分别为约70μm和约90μm。也就是说，朝向安全槽的相反两端， 排放口的厚度t逐渐增加。

此外，如图7中的图所示，可以根据安全槽的适当范围和压力的 调节来调节排放口的深度和范围(参见实例2和3)。

同时，安全槽60的竖直截面被形成为向下的楔形，并且排放口的 平均厚度约为盒体40的厚度T的60％。

因此，当内部压力逐渐增加到电池的通常内部压力的两倍或以上 时，在安全槽处出现裂缝，结果使安全槽容易地破裂。因此，气体从 电池快速排出，从而提高了电池的安全性。

在后文中，将对本发明的实例进行更详细地描述。然而，应该指 出，本发明的范围不受举例说明的实例的限制。

[实例1]

1-1阴极的制造

将含有LiCoO₂的阴极活性材料施加到铝集流器上，然后通过点 焊将阴极突片附着于集流器的末端使得阴极突片向上突出，以制造阴 极。

1-2阳极的制造

将含有人造石墨的阳极活性材料施加到铜集流器上，然后通过点 焊将阳极突片附着于集流器的末端使得阳极突片向上突出，并且将聚 酰亚胺薄膜缠绕在集流器与阳极突片之间的界面处以包绕阳极突片的 前部、后部和一侧，使得聚酰亚胺薄膜从集流器的上端突出5mm至6 mm，以制造阳极。

1-3安全槽的形成

使用冲压器，在厚度约为250μm至270μm的铝制棱柱形电池盒 上形成竖直截面形状为楔形的安全槽，使得安全槽位于沿盒体的宽度 具有等于盒体宽度的约1/3的尺寸的位置处且沿盒体长度具有等于盒 体长度的约1/10的尺寸的位置处，并使得安全槽60具有等于盒体长度 的约1/2的曲率半径R。安全槽被形成为使得在安全槽的中间处排放口 的厚度约为57μm，并且在接近安全槽相反两端的预定位置处排放口厚 度分别为约70μm和约90μm，即，使得朝向安全槽的相反两端，排放 口的厚度逐渐增加(参见图7的实例1)。确定的是，安全槽形成在电 池盒上表现出等于电池盒最大应力S_MAX的约25％至35％的应力分布的 区域处。

1-4电池的制造

将按照1-1部分中所述制造的阴极与按照1-2部分中所述制造的阳 极卷绕成卷状物并压紧，同时将分隔件布置在阴极与阳极之间，以制 造棱柱形蛋卷状物。将棱柱形蛋卷状物置于具有按照1-3部分中所述形 成的安全槽的铝制棱柱形电池盒中，并注入基于EC-EMC掺混物的溶 液作为电解质，以制造电池。

[实例2]

以与实例1相同的方式制造电池，区别在于将安全槽形成为使得 在安全槽的中间处排放口的厚度约为49μm，并且在接近安全槽相反两 端的预定位置处排放口的厚度分别为约55μm和约75μm，即，使得朝 向安全槽的相反两端，排放口的厚度逐渐增加，如图7的实例2中所 示。

[实例3]

以与实例1相同的方式制造电池，区别在于将安全槽形成为使得 在安全槽的中间处排放口的厚度约为40μm，并且在接近安全槽相反两 端的预定位置处排放口的厚度分别为约45μm和约63μm，即，使得朝 向安全槽的相反两端，排放口的厚度逐渐增加，如图7的实例3中所 示。

[比较例1]

以与实例1相同的方式制造电池，区别在于安全槽被形成在如图 1中所示的电池盒的角落区域处，并且排放口具有如图9中所示的均匀 厚度。图1的安全槽的相反两端之间的直线距离h约为16mm。

[比较例2]

以与实例1相同的方式制造电池，区别在于安全槽被形成在如图 3中所示的电池盒的顶部区域处，并且排放口具有如图9中所示的均匀 厚度。

[实验例1]

准备了根据实例1至3和比较例1和2制造的5个电池，并且逐 渐增加电池的压力，以测量电池的安全槽首先破裂时的电池破裂压力。 平均结果显示在下面的表1中。

<表1>

  最小排放口厚度(μm)  破裂压力(kgf/cm²)   实例1   57   12.4   实例2   49   10.9   实例3   40   7.7   比较例1   173   6.5   比较例2   52   7.2

正如可以从表1看到的，实例1至3的电池每一个具有形成在具 有低应力的特定区域处的弧形安全槽，使得从安全槽的相反两端朝向 中间，排放口厚度逐渐减小，这些电池具有12.4、10.9和7.7kgf/cm²的相对高的破裂压力。

另一方面，每个形成在具有相对高应力的区域处的比较例1的电 池的安全槽，即使在低压下也容易破裂，尽管比较例1的电池的每个 安全槽的排放口厚度大于实例1至3的电池的每个安全槽的排放口厚 度。

此外，比较例2的电池的安全槽每一个形成在与实例1至3中相 同的位置处，并具有与实例2相同的并且在纵向方向上均匀的排放口 厚度，这些安全槽即使在比实例2以及实例3的电池更低的压力下也 破裂，尽管比较例2的电池的每个安全槽的排放口厚度大于实例3的 电池的每个安全槽的排放口厚度。

[实验例2]

准备了按照实例1至3和比较例1制造的2个电池，充分充电， 并在电池上执行热板试验，使得电池暴露在250℃的温度。结果显示在 下面的表2中。

<表2>

  破裂时间(n＝1)   破裂时间(n＝2)   平均值   实例1   5分05秒   4分54秒   5分   实例2   4分42秒   4分31秒   4分37秒   实例3   4分09秒   4分18秒   4分14秒   比较例1   3分20秒   3分08秒   3分14秒

正如可以从表2看到的，实例1至3的电池具有5分钟、4分37 秒和4分14秒的相对长的平均破裂时间。另一方面，比较例1的电池 的安全槽在相对短的时间内容易地破裂。

当电池的内部温度逐渐升高时，电池中的电解质被分解，结果在 电池中产生气体。随着时间的流逝，电池的内部压力也由于气体而逐 渐增加。

因此，具有根据本发明的安全槽的电池在不允许电池破裂的中或 低压力下不会容易地破裂，从而防止由电解质和蒸发气体的泄漏而引 起的伤害。

通过上述实验可以看出，必需在电池上应力低的位置处形成安全 槽以便从电池有效地排出气体，从而提高电池的安全性。

尽管出于说明的目的公开了本发明的示例性实施例，但本领域技 术人员将会认识到，在不背离在随附的权利要求书中公开的本发明的 范围和精神的情况下，可以进行各种不同的修改、补充和替代。