CN101609904A - 二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二次电池，包括罐和罐内的电极组件。所述电极组件包含第一电极板、第二电极板以及第一电极板和第二电极板之间的隔板；第一电极板具有涂布活性材料的涂覆部分和不存在活性材料的未涂覆部分。所述二次电池还包括适合密封罐的盖组件。第一电极接线片使第一电极板的未涂覆部分与盖组件电连接，所述第一电极接线片具有包括铜层和镍层的双层结构。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请分别要求2008年6月20日和2008年12月22日向美国专利和商标局提交的美国临时申请61/074,562和美国专利申请12/341,936的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种锂二次电池。更具体地，本发明涉及一种锂二次电池的电极接线片。
背景技术
通常，二次电池通过将电极组件和电解质装载在罐中并用盖组件将罐的上部开口密实地密封而制得。
为了增加电极组件的电容量，电极组件可配置具有果冻卷结构，该果冻卷结构通过堆叠正极板、负极板和插入两极板之间使所述极板相互绝缘的隔板，并将所得堆叠结构卷绕成果冻卷形状而形成。尽管各种类型的二次电池之间存在一些不同，但正极板和负极板通常通过将电极活性材料涂布到金属基板上，随后将金属基板干燥、辊压并切割成板来形成。在锂二次电池的情况下，正极板可使用锂过渡金属氧化物作为电极活性材料，并将铝(Al)用作集流体。负极板可使用碳或碳复合物作为电极活性材料，并将铜(Cu)用作集流体。隔板用于使正极板与负极板电绝缘以避免由于两个电极板之间的直接接触而短路。隔板可由诸如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃树脂的微孔膜形成。
为了电连接电极组件和盖组件，正极接线片和负极接线片形成为从电极组件的上部伸出。正极接线片和负极接线片可由例如铝(Al)或镍(Ni)形成。通常，正极接线片可由铝(Al)或铝合金形成，而负极接线片可由镍(Ni)或镍合金形成。
但是，由镍或镍合金制得的负极接线片遇到二次电池在充/放电时产生大量热的问题，这是由于Ni本身的高电阻而产生。此外，因为负极板和负极接线片之间以及盖组件和负极接线片之间的焊接部分是不同种类的金属成分的连接或接合区域，内阻(IR)增大导致发热的局部化。而热的局部集中会导致高温短路，从而导致二次电池发生爆炸的危险。
发明内容
根据本发明的各方面，通过提供具有镍/铜双层结构的金属包盖负极接线片(clad negative electrode tab)而提供一种能够防止高温短路的锂二次电池。另外，还提供一种内阻和发热降低的锂二次电池。
在一个实施方式中，二次电池包括罐和在所述罐中的电极组件。所述电极组件具有第一电极板、第二电极板以及第一电极板和第二电极板之间的隔板，第一电极板具有涂布有活性材料的涂覆部分和无活性材料的未涂覆部分。所述二次电池还包括用于密封所述罐的盖组件。第一电极接线片使第一电极板的未涂覆部分与所述盖组件电连接，第一电极接线片具有包括铜层和镍层的双层结构。
在一个实施方式中，将所述铜层压焊到所述镍层上，第一电极接线片是金属包盖电极接线片。此外，第一电极接线片会呈现约2.0～5.0mΩ的电阻。所述铜层构成第一电极接线片的5％～95％厚度且所述镍层构成第一电极接线片的5％～95％厚度，而且在一个实施方式中，可包括约50％的铜和约50％的镍。在另一个实施方式中，铜层厚度与镍层厚度基本相等。
在一个实施方式中，第一电极接线片厚度为约0.05mm～0.15mm。第一电极接线片可基本与所述电极组件的第一电极板平行延伸。此外，第一电极接线片可焊接到第一电极板的未涂覆部分上，使得第一电极接线片的铜层与第一电极板的未涂覆部分接触。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的锂二次电池的分解透视图。
图2a是根据本发明实施方式的未卷绕的电极组件的透视图。
图2b是根据本发明实施方式的卷绕的电极组件的透视图。
图2c是根据本发明实施方式的电极组件的平面图。
图3a是根据本发明实施方式的负极接线片的截面图。
图3b是根据本发明实施方式的负极接线片的平面图。
图4a是表示各种负极接线片和发热温度之间关系的曲线图。
图4b是表示各种负极接线片与热氧化层深度之间关系的曲线图。
具体实施方式
现将参照附图更详细地说明本发明的示例性实施方式。
图1是根据本发明实施方式的锂二次电池的分解透视图。图2a和2b分别是根据本发明实施方式的未卷绕的电极组件和卷绕的电极组件的透视图。图2c是根据本发明实施方式的电极组件的平面图。图3a是根据本发明实施方式的负极接线片的截面图，图3b是根据本发明实施方式的负极接线片的平面图。最后，图4a是表示各种负极接线片和发热温度之间关系的曲线图，而图4b是表示各种负极接线片与热氧化深度之间关系的曲线图。
参照图1～3b，根据本发明实施方式的锂二次电池10包括电极组件100、罐200和盖组件300。电极组件100进一步包括具有镍(Ni)127a和铜(Cu)127b的双层结构的金属包盖负极接线片127。与常规的负极接线片相比，金属包盖负极接线片127是电性能改善的负极接线片。更具体地，本发明的实施方式提供一种在高温下具有改善的短路特性并包括作为锂二次电池的负极接线片的金属包盖负极接线片127的锂二次电池10。
电极组件100包括正极板110、负极板120和隔板130。为了提高电容量，电极组件100通常通过堆叠正极板110、负极板120和隔板130并将堆叠结构卷绕成果冻卷来形成果冻卷结构，隔板在电极板之间以提供电极板之间的电绝缘。
正极板110包括正极集流体111、正极活性材料层113、正极未涂覆部分115和正极接线片117。正极集流体111可包括薄铝(Al)箔。正极活性材料层113可涂布在正极集流体111两侧的局部，并可包括高稳定性的锂镁氧化物。在一个实施方式中，正极未涂覆部分115定义为正极集流体111上不存在正极活性材料层113的区域。正极未涂覆部分115可形成在正极集流体111的两端附近。正极接线片117被配置为固定在正极未涂覆部分115上。为了与盖组件300电连接，正极接线片117的一端从正极集流体111突出，而在一个实施方式中，配置为从电极果冻卷结构的外周伸出。正极接线片117可包括例如铝(Al)或镍(Ni)。可用绝缘胶带140卷绕部分正极接线片117以防止电极-电极之间的短路。
负极板120包括负极集流体121、负极活性材料层123、负极未涂覆部分125和金属包盖负极接线片127。负极集流体121由薄铜(Cu)箔形成。负极活性材料层123涂布在负极集流体121双侧的局部，并可包括碳材料。负极未涂覆部分125定义为负极集流体121上不存在负极活性材料层123的区域，且在一个实施方式中，形成在负极集流体121的两端附近。金属包盖负极接线片127被配置为固定在负极未涂覆部分125上。为了与盖组件300电连接，金属包盖负极接线片127的一端从负极集流体121突出。可用绝缘胶带140卷绕部分金属包盖负极接线片127以防止电极间短路。此外，金属包盖负极接线片127可从电极果冻卷结构的内周突出。
以下将更详细地说明根据本发明实施方式的金属包盖负极接线片。
金属包盖负极接线片127可包括诸如镍(Ni)127a和铜(Cu)127b等两种金属的双层结构。在一个实施方式中，金属包盖负极接线片127通过压焊Ni 127a和Cu 127b而形成。Ni 127a是每单位截面积的电阻大于Cu 127b约4倍的金属材料。因此，当金属包盖负极接线片包括Ni 127a和Cu 127b时，Cu 127b的存在导致电极接线片电阻降低。更具体地，电极接线片的电阻可降低至由Ni或含Ni的合金形成的常规负极接线片电阻的约50％。根据本发明的实施方式，金属包盖负极接线片127可呈现2.0～5.0mΩ的阻值，该阻值与截面积相同、通常表现出约7.5mΩ电阻值的具有Ni 127a单层的负极接线片相比，相当于接线片电阻减少50％。也就是说，与常规的负极接线片相比，金属包盖负极接线片127因降低的电阻而减少发热。因此，可改善锂二次电池10的高温短路特性。负极接线片为什么不单单由低电阻Cu 127b形成的原因如下。当电极组件100或盖组件300焊接到负极接线片时，Cu组分受热熔化。如果含有大量Cu 127b，由于Cu熔化而发生Cu颗粒溅射，从而因溅射的颗粒而导致锂二次电池10的微短路。
在一个实施方式中，金属包盖负极接线片127具有约10～50mm的长度(L)。如果金属包盖负极接线片127的长度(L)小于10mm，可能会很难在焊接负极接线片127的负极板120的负极未涂覆部分125上或盖组件300的端板350上设置焊接区域。如果金属包盖负极接线片127的长度(L)大于约50mm，因该电极接线片127与盖板310或与正极接线片117接触而发生短路的可能性更大。此外，因为电阻线的电阻与其长度成比例，所以没有理由使金属包盖负极接线片127长于约50mm。
在一个实施方式中，金属包盖负极接线片127具有约0.05～0.15mm的厚度(T)。如果金属包盖负极接线片127的厚度(T)小于0.05mm，接线片127在被焊接时或在电极组件插入和装入罐内的工艺中被折叠数次时，会易碎。如果金属包盖负极接线片127的厚度(T)厚于0.15mm，会很难和/或花费长时间才能将该负极接线片焊接到负极板120的负极未涂覆部分125或焊接到盖组件300的端板350。如上所述，在将电极组件插入和装入罐内的工艺过程中，会不可避免地折叠金属包盖负极接线片127数次。因此，当金属包盖负极接线片127具有大于0.15mm的厚度(T)时，如此大的厚度(T)会导致柔性降低，而由此会导致安装困难。
另外，在一个实施方式中，金属包盖负极接线片127具有约2.0～5.0mm的宽度(W)。在焊接到负极板120的负极未涂覆部分125或焊接到盖组件300的端板350的过程中，在两个或更多个焊点焊接金属包盖负极板127。因此，如果金属包盖负极接线片127的宽度(W)窄于2.0mm，会难以确保焊接位置。另一方面，如果金属包盖负极接线片127的宽度(W)宽于5.0mm，焊接会要求更多的焊点以固定接线片，因此增加额外步骤并耗费更多的时间，从而降低生产能力。
Ni 127a和Cu 127b的各层可构成金属包盖负极接线片127的约5％～95％的厚度。例如，当Ni层127a构成金属包盖负极接线片127的5％厚度时，Cu层127b可构成95％的厚度。同样，当Ni层127a构成95％厚度的金属包盖负极接线片127时，铜层127b可构成5％的厚度。如果Ni层127a低于总厚度的5％，且Cu层127b占总厚度的95％以上，过量的Cu 127b在焊接过程中会导致Cu 127b溅射的问题。另一方面，如果Cu层127b低于总厚度的5％且Ni层127a占总厚度的95％以上，难以实现所需的电阻减少。因此，考虑到所需电阻以及金属包盖负极接线片127的溅射风险，应考虑由Ni 127a和Cu 127b形成的厚度比例(t1，t2)。在一个实施方式中，Ni层127a和Cu层127b具有相同的厚度。
金属包盖负极接线片127的一端可焊接到负极板120上，而金属包盖负极接线片127的另一端可焊接到盖组件300上。更具体地，当负极板120的负极未涂覆部分125焊接到金属包盖负极接线片127的Cu层127b的一端时，焊条与Ni层127a接触。此外，当盖组件300的端板350焊接到金属包盖负极接线片127的Cu层127b的另一端时，焊条与Ni层127a接触。如上所述，可用诸如超声焊接、激光焊接或电阻焊接等任何常规方法进行金属包盖负极接线片127与负极板120或盖组件300焊接。
为了改善与负极板120或盖组件300焊接的结合强度，金属包盖负极接线片127可至少在两个焊点(a1，a2)处焊接。当两个焊点a1和a2之间的间距较小时，与单点焊接相比没有显著不同。因此，在一个实施方式中，焊点(a1，a2)在金属包盖负极接线片127上相隔较远。当然，还可使用补充的焊点以进一步改善金属包盖负极接线片127与负极板120或盖组件300之间的结合强度。
隔板130防止正极板110和负极板120之间的短路，并用作锂离子的迁移路径。在一个实施方式中，隔板130由聚乙烯或聚丙烯形成，但隔板不限于这些材料。
在多边形二次电池中，金属罐200具有通常为矩形的平行六面体形状，且具有用于容纳电极组件100和电解质的开口端。罐可通过诸如深拉等加工方法形成。在一个实施方式中，罐200可包括铝合金、铝或其它轻质导电金属。因此，罐200还可用作电池的端子。开口端允许插入电极组件100并由盖组件300密实地密封。
盖组件300包括盖板310、衬垫320、电极端子330、绝缘板340、端板350、绝缘壳360和塞子370。
盖板310包括提供插入电极端子330的通道的端子通孔311和电解液注入孔313。为了使金属盖板310与电极端子330绝缘，在将绝缘材料制成的衬垫320设置在电极端子330的外表面周围之后，将电极端子330插入端子通孔311。盖板310的一侧包括电解液注入孔313以允许电解液注入到罐200中。在完成电解液注入以后，用塞子370密封电解质注入孔313以防止电解质泄漏。
绝缘板340邻接电池内部的盖板310安装，且端板邻接绝缘板340固定。因此，绝缘板340提供盖板310和端板350之间的绝缘。端板350与电极端子330的下端结合。因此，电极组件100的负极板120通过金属包盖负极接线片127和端板350与电极端子330电连接。电极组件100的正极板110通过正极接线片117与盖板310或罐200电连接。
绝缘壳360邻接端板350安装。绝缘壳360包括负极接线片负极接线片通过部分361、正极接线片通过部分363和电解质入口365。
将电解质注入盖板310上所形成的通孔313之后，用塞子370密实地密封电解质注入孔313。作为塞子370的替代物，球可压入配合以密封电解质注入孔313。
如上所述，根据本发明实施方式的锂二次电池10包括具有Ni 127a和Cu 127b双层结构的金属包盖负极接线片127。金属包盖负极接线片127与常规接线片相比，呈现更低的电阻。因此，根据本发明的实施方式，可改善锂二次电池10的高温短路特性。更具体地，能够降低锂二次电池10的电阻，从而使锂二次电池10中的发热减少并显著降低二次电池爆炸和/或故障的风险。
表1示出了对用作电极接线片材料的各种金属测量的电阻、电阻率、发热温度和热氧化深度。图4a和4b用图示出了以下详细说明的表1的测量值。
表1
| 规格 | 接线片IR[mmΩ] | 电阻率[Ω·m] | 温度[℃] | 氧化深度[mm] | ||
| 实施例1 | Ni/Cu金属包盖 | L：3mmT：0.1t | 3.3 | 2.52E-8 | 52.0 | 0.0 |
| 对比例1 | Cu接线片 | L：4mmT：0.1t | 1.6 | 1.72E-8 | 45.7 | 0.0 |
| 对比例2 | Ni接线片 | L：4mmT：0.1t | 7.5 | 9.13E-8 | 108.7 | 11.3 |
| 对比例3 | Ni接线片 | L：3mmT：0.1t | 11.5 | 8.86E-8 | 124.3 | 12.0 |
| 对比例4 | Ni接线片 | L：4mmT：0.05t | 14.3 | 11.1E-8 | 134.0 | 14.7 |
| 对比例5 | Ni接线片 | L：4mmT：0.05t(切口) | 16.8 | 13.0E-8 | 35.3 | 0.0 |
在以上表1中，实施例1表示了对具有Ni 127a和Cu 127b双层结构的金属包盖负极接线片127测量的内阻、电阻率、发热温度和氧化深度。对比例1表示了对纯Cu电极接线片进行测量的内阻、电阻率、发热温度和氧化深度，而对比例2～5表示了纯Ni电极接线片相对其长度(L)和厚度(T)与接线片材料的电阻率相结合的内阻、发热温度和氧化深度。
实施例1的金属包盖负极接线片127与对比例2～4的Ni电极接线片相比，呈现出更低的电阻和电阻率。此外，实施例1的金属包盖负极接线片127与对比例2～4的Ni电极接线片相比，呈现出较低的发热温度。另外，实施例1的金属包盖负极接线片127在使用接线片的电池内的电极板表面上未呈现出热氧化物膜的形成，那里由于接线片较高的电阻而导致发热温度较高。
对比例1的Cu电极接线片呈现出较低的电阻和电阻率值，导致最小的发热并基本上不存在热氧化物膜层。但如上所述，由于铜溅射的潜在问题而不使用仅由Cu制得的电极接线片。
另一方面，对比例5表示了对形成有切口的Ni电极接线片测定的内阻、发热温度和氧化物深度。对比例5的Ni电极接线片呈现出相对低的发热温度并未形成热氧化物，但具有高电阻的缺点。
尽管为了说明目的已公开了本发明的实施方式，但本领域技术人员应理解的是，可进行各种修改、增加和替代而不背离所附权利要求书所公开的本发明的范围和精神。
Claims (18)
1、一种二次电池，包括：
罐；
在所述罐内的电极组件，包括第一电极板、第二电极板以及第一电极板和第二电极板之间的隔板，第一电极板具有涂布有活性材料的涂覆部分和无所述活性材料的未涂覆部分；
用于密封所述罐的盖组件；和
使所述第一电极板的未涂覆部分与所述盖组件电连接的第一电极接线片，所述第一电极接线片包括含有铜层和镍层的双层结构。
2、如权利要求1所述的二次电池，其中所述铜层压焊到所述镍层上。
3、如权利要求1所述的二次电池，其中所述第一电极接线片是金属包盖电极接线片。
4、如权利要求1所述的二次电池，其中所述第一电极接线片呈现2.0～5.0mΩ的电阻。
5、如权利要求1所述的二次电池，其中所述铜层构成第一电极接线片的5％～95％的厚度，所述镍层构成第一电极接线片的5％～95％的厚度。
6、如权利要求1所述的二次电池，其中所述铜层构成第一电极接线片的50％厚度，所述镍层构成第一电极接线片的50％厚度。
7、如权利要求1所述的二次电池，其中所述第一电极接线片的厚度为0.05mm～0.15mm。
8、如权利要求1所述的二次电池，其中所述第一电极接线片与所述电极组件的第一电极板平行延伸。
9、如权利要求1所述的二次电池，其中所述铜层的厚度与所述镍层的厚度相同。
10、如权利要求1所述的二次电池，其中所述第一电极接线片被焊接到所述第一电极板的未涂覆部分，使得所述第一电极接线片的铜层与所述第一电极板的未涂覆部分接触。
11、一种用于二次电池的电极接线片，所述二次电池包括罐、在所述罐内的电极组件以及适合密封所述罐的盖组件，所述电极组件包括具有无活性材料的未涂覆部分的第一电极板、第二电极板以及第一电极板和第二电极板之间的隔板，所述电极接线片适合连接到所述第一电极板的未涂覆部分并包括金属包盖双层结构，所述金属包盖双层结构包括：
铜层；和
镍层。
12、如权利要求11所述的用于二次电池的电极接线片，其中所述铜层压焊到所述镍层上。
13、如权利要求11所述的用于二次电池的电极接线片，其中所述电极接线片呈现2.0～5.0mΩ的电阻。
14、如权利要求11所述的用于二次电池的电极接线片，其中所述铜层构成第一电极接线片的5％～95％的厚度，所述镍层构成第一电极接线片的5％～95％的厚度。
15、如权利要求11所述的用于二次电池的电极接线片，其中所述铜层构成第一电极接线片的50％厚度，所述镍层构成第一电极接线片的50％厚度。
16、如权利要求11所述的用于二次电池的电极接线片，其中所述电极接线片的厚度为0.05mm～0.15mm。
17、如权利要求11所述的用于二次电池的电极接线片，其中所述电极接线片与所述电极组件的第一电极板平行延伸。
18、如权利要求11所述的用于二次电池的电极接线片，其中所述铜层的厚度与所述镍层的厚度相同。
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-
2009
- 2009-05-27 CN CNA200910145240XA patent/CN101609904A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20091223 |