專利名稱：具有形狀記憶安全排氣塞的鋰離子二次電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及鋰離子二次電池，更具體地講，涉及具有形狀記憶安全排氣塞(safety vent)的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞適于釋放內部的壓縮氣體。
背景技術：
典型的鋰離子二次電池包括電極組件，其由附著有正極活性物質的正極板，附著有負極活性物質的負極板，以及位于正負極板之間用于避免短路和僅允許鋰離子移動的隔板，卷繞成公知的“膠卷(jelly roll)”結構而形成；用于使鋰離子移動的電解液；容納和密封該電極組件和電解液的罐；以及用于蓋在該罐上并防止該電極組件脫離的蓋組件。
這種鋰離子二次電池是按以下方式制造的將附著有正極活性物質的正極板，附著有負極活性物質的負極板，以及隔板疊層并卷繞成膠卷。將它們放入方形罐中，并在其頂部焊接蓋組件以將其密封；注入電解液。進行充電和檢查后形成裸電池。在裸電池上安裝各種保護器件。然后進行組裝和檢查，以形成常規的電池包(battery pack)。
只要充電器正確控制充電電壓，鋰離子二次電池就會在靜態電壓/靜態電流的狀態下進行充電，并且不會發生過充電的現象。但是，當充電器損壞或誤操作時，會發生異常充電，并且電池的電壓和溫度會急劇增加。這種增加會導致電池內的正極活性物質或電解液分解。結果，產生氣體并使電池膨脹。這種產生氣體并膨脹的現象也可能由從外界提供的熱量所引起。所生產的氣體增加了電池的內壓，并導致電解液泄漏。這樣電池可能爆炸或著火。
防止此類問題的安全措施包括正溫度系數(PTC)熱敏電阻，和具有關閉功能的隔板，以及由上述所產生氣體開啟的安全排氣塞。
具體地說，常規方形鋰離子二次電池的安全排氣塞是指在罐底面或蓋組件上形成的較薄區域。在罐內壓達到基準水平時安全排氣塞破裂，將氣體排放到外部。該安全排氣塞一旦開啟后便無法回到其初始狀態(即為不可逆的)，因而必須丟棄。
如上所述，無論電池的溫度是多少，常規安全排氣塞只有在壓力達到基準水平時才會以不可逆方式開啟。但是在過充電過程中，電壓升高通常伴隨著溫度升高(或者是電池因從外界提供的熱量而升高)，繼而伴隨著氣體產生。盡管理想狀況是隨溫度而開啟，但常規安全排氣塞只響應于壓力。這限制了電池安全性的提高。
使較薄區域的安全排氣塞破裂的電池壓力具有較大的偏差。換言之，安全排氣塞在低于基準溫度或壓力時可能會不必要的開啟，或在超過基準溫度或壓力時卻沒有開啟。這會導致爆炸或著火，這是因為安全排氣塞的設計并不是隨溫度而開啟，而是設計成在預定壓力范圍內自然地開啟。

發明內容
根據本發明，提供一種具有形狀記憶安全排氣塞的鋰離子二次電池，該安全排氣塞適于在電池溫度達到預定水平時通過暫時打開來釋放內部的壓縮氣體，以避免電池的膨脹現象并改善安全性。
在本發明一個方面中，提供一種鋰離子二次電池，包括具有與介于其間的隔板多次卷繞的第一和第二電極板的電極組件；容納該電極組件、并且在其一端形成有開口的罐；適于蓋住該開口的蓋板，該蓋板帶有通過蓋板的排氣孔，該排氣孔安裝有安全排氣塞，其適于在預定溫度變形并釋放罐內部的氣體到外部。
該安全排氣塞可適于在70～150℃的溫度范圍內變形，并打開排氣孔。
該安全排氣塞可以包括直徑與該排氣孔直徑相同的圓柱體，以及位于該圓柱體的頂部、其直徑大于該圓柱體直徑的盤形卡定板。
該蓋板可以具有安裝在其頂面上的固定板，以覆蓋排氣孔和安全排氣塞。該固定板可以包括被焊接在蓋板上安全排氣塞相對兩側的邊緣板，以及在對應于安全排氣塞位置上連接于該邊緣板的中央板。
該中央板可以具有曲面部分和空間部分，該曲面部分形成在中央板內部，同時從其中央頂部以預定曲率向其外圍上的邊緣板彎曲，以便安全排氣塞在預定溫度收縮時，不會脫離到外部，該空間部分在曲面部分、安全排氣塞以及蓋板之間形成，以使氣體可以容易地排放到外部。
本發明的鋰離子二次電池極大地改善了安全性，這是因為，當因過充電或從外部提供的熱量而導致內部溫度升高至預定水平以上時，安全排氣塞暫時收縮并排放內部氣體。與現有技術中安全排氣塞在很大偏差的壓力范圍內破裂并開啟所不同的是，本發明的安全排氣塞在預定溫度收縮和起作用并被開啟。這樣，該安全排氣塞的運行情況變得更加精確，而且電池的安全性得到進一步提高。
當電池溫度降到預定范圍以下時，該安全排氣塞恢復到初始尺寸，并且抑制內部氣體排放。電池便可以再次使用。隨著溫度降到正常范圍，電池內壓減小，或者內部處于基本上為真空狀態。這進一步提高了電池的安全性。


圖1為顯示根據本發明具有形狀記憶安全排氣塞的鋰離子二次電池的透視圖；圖2為圖1中所示鋰離子二次電池的分解透視圖；圖3為沿圖1中線1-1所作的截面圖；圖4為沿圖1中線2-2所作的截面圖，其中溫度低于預定水平，并且形狀記憶安全排氣塞沒有被開啟；
圖5A為沿圖1中線2-2所作的截面圖，其中溫度高于預定水平，并且形狀記憶安全排氣塞已經被開啟；圖5B為沿圖1中線3-3所作的截面圖。
具體實施例方式
在以下說明和附圖中，相同參考標號表示相同或類似的部件，所以省略相同或類似部件的重復說明。
現在參見圖1、2和3，鋰離子二次電池100包括電極組件110，用于容納電極組件110的罐(或外殼)120，注入到罐120中使鋰離子能夠移動的電解液(未示出)，以及蓋在罐120上并防止電極組件110和電解液漏到外部的蓋組件140，其中蓋組件140具有適于在預定溫度變形的安全排氣塞148。
電極組件110包括附著有第一活性物質(未示出)的第一電極板111，附著有第二活性物質(未示出)的第二電極板112，以及位于第一和第二電極板111、112之間的隔板113，其中隔板113避免短路并只允許鋰離子移動。第一和第二電極板111、112以及隔板113經過多次卷繞形成膠卷，裝入到罐120中。第一和第二電極板111、112分別具有焊接在其上的第一和第二引線114和115，它們向上突出預定距離。
第一活性物質可以為正極活性材料(例如，氧化鋰鈷(LiCoO2))，第一電極板111可以由鋁(Al)制成的正極板。第二活性材料可以為負極活性材料(例如，石墨)，第二電極板112可以是由銅(Cu)制成的負極板。第一和第二引線114、115分別可以是由鋁和鎳制成的正極和負極引線。隔板113可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但本發明對此材料并不限制。
罐120包括至少一個第一表面121，至少一個連接于第一表面121、其面積小于第一表面121面積的第二表面122，以及連接于第一和第二表面121和122的第三表面123。罐120具有形成于其頂部并朝向第三表面123的開口124。特別是，罐120為在其頂部形成有開口124的大致立方體的形狀。罐120可以由鋁(Al)、鐵(Fe)、合金或其等價物制成，但在此并不對其材料進行限制。
電解液(未示出)被注入罐120中，并且位于電極組件110的第一和第二電極板111、112之間。在充電/放電期間，電池內第一和第二電極板111和112附近的電化學反應會產生鋰離子，電解液充當鋰離子運動的載體，其可以是鋰鹽和高純度有機溶液混合形成的非水有機電解液。該電解液也可以是使用高分子電解液的聚合物。
絕緣殼(insulation case)131、端子板132以及絕緣板133可以依次連接在電極組件110頂部罐120的開口124上，但這些部件對于本發明而言并不總是必要的。絕緣殼131、端子板132以及絕緣板133分別具有形成在其上的通孔131a、132a和133a，這樣第二引線115從其中穿過向上伸出。絕緣殼131具有形成在其上的電解液通孔131b，以便在電解液通過蓋板141(稍后介紹)注入時，可以容易地流到電極組件110中。
蓋組件140通過激光焊被焊接在罐120的開口124上，并且蓋組件140包括蓋板141。蓋板141具有形成在其中央的預定尺寸的通孔142，在一邊上形成的用于注入電解液的電解液注入孔145，以及形成于另一邊上的排氣孔147，其中排氣孔147連接于安全排氣塞148。絕緣墊圈143連接在蓋板141的通孔142上，電極端子144連接在絕緣墊圈143上。電極端子144被焊接在第二引線115上，作為放電或充電期間的負極或正極。第一引線114被焊接在蓋板141的電解液注入孔145和電極端子144之間，以使蓋板141和罐120作為一個整體充當正極或負極。塞子146被連接并被焊接在蓋板141的電解液注入孔145上，以便在電解液注入后可以防止泄漏。
大致為圓柱形狀的安全排氣塞148，連接在蓋板141上形成的排氣孔147上，而固定板149被焊接在蓋板141上，用于覆蓋排氣孔147和安全排氣塞148。
現在參見圖4，圖示了圖3中區域3的放大圖，其中，蓋板141包括幾乎或完全平坦的第一表面141a，對著第一表面141a的幾乎或完全平坦的第二表面141b，以及在第一和第二表面141a和141b之間以預定直徑形成的排氣孔147，其中排氣孔147連接于安全排氣塞148。連接于排氣孔147上的安全排氣塞148具有在正常運行溫度其直徑與排氣孔147直徑相同的圓柱體148a，以及位于圓柱體148a頂部的盤形卡定板(latching plate)148b，卡定板148b接觸蓋板141的第一表面141a，其直徑大于圓柱體148a的直徑。
在一示范性實施例中，安全排氣塞148可以由以下這樣材料制成，當電池溫度升高到預定水平之上時，其暫時收縮并打開排氣孔147。例如，安全排氣塞148可以由以下這樣材料制成，其在70～150℃的溫度范圍內開啟，電池通常在這個溫度范圍內產生氣體，而當溫度下降時其恢復到初始形狀。
安全排氣塞148可以由形狀記憶合金制成，其在預定溫度范圍收縮，并在低于該溫度范圍時恢復到初始體積。該形狀記憶合金可以是選自Ni-Ti合金，Cu-Zn-Al合金，Cu-Al-Ni合金和其對等物中的一種，但其材料在此并不限制。該形狀記憶合金可以是選自Ni-Ti合金，Cu-Zn-Al合金，Cu-Al-Ni合金和其對等物中的一種，并且其中添加有預定量的Mn。該形狀記憶合金可以是選自Cu-Zn-Al合金，Cu-Al-Ni合金和其對等物中的一種，并且其中添加有預定量的Ti。
當安全排氣塞148在預定溫度范圍收縮并排放出內部氣體時，其可能被氣壓完全釋放到蓋板141以外。因此，可以將固定板149安裝在蓋板141的第一表面141a上安全排氣塞148的外面，以將其覆蓋。固定板149可以包括被焊接在蓋板141上、位于安全排氣塞148兩對側的邊緣板149a，以及處于對應于安全排氣塞148位置上、被連接于邊緣板149a的中央板149b。固定板149還可以包括曲面部分149c和空間部分149d，曲面部分149c從中央板149b的中央頂部以預定的曲率向其外圍的邊緣板149a彎曲，空間部分149d形成在曲面部分149c和蓋板141的第一表面141a之間，同時與外部連通，這樣電池內的氣體可以容易地排放到外部。固定板149可以由鋁、鐵、合金或其對等物制成，如蓋板141的情況那樣，但在此其材料并不限制。
現在參見圖5A，其為沿圖1中線2-2所作的截面圖，其中溫度高于預定水平，并且形狀記憶安全排氣塞被開啟。同樣參見圖5B，其為沿圖1中線3-3所作的截面圖，其中溫度高于預定水平，并且形狀記憶安全排氣塞被開啟。當電池內部溫度為大約70～150℃時(該溫度范圍僅作示例，可以改變)，安全排氣塞148收縮并打開排氣孔147。具體地說，安全排氣塞148的圓柱體148a的直徑變得小于排氣孔147的直徑，氣壓150將圓柱體148a和盤形卡定板148b向外推，這樣內部氣體通過安全排氣塞148和排氣孔147之間的空間147a，以及固定板149的中央板149b與蓋板141之間的空間部位149d排出到外部。固定板149的中央板149b可限制安全排氣塞148的卡定板148b的移動距離，以使安全排氣塞148不會完全脫離到外部。當氣體釋放期間電池溫度恢復到正常范圍時，安全排氣塞148恢復到初始體積或尺寸，重新堵住排氣孔147。具體地說，安全排氣塞148的圓柱體148a的直徑變成與排氣孔147的直徑相等，并完全堵住排氣孔147。然后中斷氣體排放，電池可以重新被使用。這樣，該電池不需要如現有技術中那樣安全排氣塞148一旦被開啟就要丟棄。
如上所述，本發明的鋰離子二次電池極大地改善了安全性，這是因為當因過充電或從外部提供的熱量而導致內部溫度升高到預定水平之上時，安全排氣塞可以暫時收縮并排放內部氣體。與現有技術中安全排氣塞在很大偏差的壓力范圍內破裂并開啟所不同的是，本發明的安全排氣塞在預定溫度收縮和起作用，并被開啟。這樣，安全排氣塞的運行情況變得更加精確，而且電池的安全性得到進一步提高。
當電池溫度降到預定范圍以下時，安全排氣塞恢復到初始尺寸，抑制內部氣體泄漏。電池便可以再次使用。隨著溫度降到正常范圍，電池內壓減小，或者內部處于基本上為真空狀態。這進一步提高了電池的安全性。
盡管以說明為目的對本發明示范性實施例進行了說明，但對于本領域技術人員可以理解的是，在不背離本發明所附權利要求所公開的原理和范圍的情況下，本發明可以有各種變體，增加和替換。
權利要求
1.一種鋰離子二次電池，包括電極組件，具有與介于其間的隔板多次卷繞的第一和第二電極板；用于容納該電極組件的罐，該罐具有形成在其一端的開口；以及適于蓋住該開口的蓋板，該蓋板帶有穿過蓋板的排氣孔，該排氣孔帶有安裝在排氣孔中的安全排氣塞，該安全排氣塞適于在預定溫度變形，并排放罐內部的氣體到外部。
2.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞適于在70～150℃的溫度范圍內變形，并打開該排氣孔。
3.如權利要求2所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞是形狀記憶合金的。
4.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞由選自包括Ni-Ti合金、Cu-Zn-Al合金和Cu-Al-Ni合金的組中任意之一制成。
5.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞由添加有預定量Mn的Ni-Ti合金制成。
6.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞由選自包括添加有預定量Ti的Cu-Zn-Al合金和Cu-Al-Ni合金的組中任意之一制成。
7.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞由選自包括添加有預定量Mn的Cu-Zn-Al合金和Cu-Al-Ni合金的組中任意之一制成。
8.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞包括圓柱體和盤形卡定板，其中該圓柱體的直徑與排氣孔的直徑相同，該盤形卡定板位于圓柱體的頂部上，其直徑大于圓柱體的直徑。
9.如權利要求8所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞以如下方式成形在達到或超過預定溫度時，圓柱體的直徑變得小于排氣孔的直徑。
10.如權利要求8所述的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞以如下方式成形在70～150℃的溫度范圍內，圓柱體的直徑變得小于排氣孔的直徑。
11.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該蓋板具有連接到其頂面的固定板，用于覆蓋該排氣孔和安全排氣塞。
12.如權利要求11所述的鋰離子二次電池，其中該固定板包括焊接在蓋板上安全排氣塞相對兩側的邊緣板，以及在與安全排氣塞對應的位置上連接于該邊緣板的中央板。
13.如權利要求12所述的鋰離子二次電池，其中該中央板具有曲面部分和空間部分，其中該曲面部分形成在中央板內部，同時從其中央頂部以預定曲率向其外圍上的邊緣板彎曲，使得安全排氣塞在預定溫度收縮時，不會脫離到外部，該空間部分形成在曲面部分、安全排氣塞以及蓋板之間，使得氣體可以容易地排放到外部。
14.如權利要求1所述的鋰離子二次電池，其中該電極組件具有分別連接于第一和第二電極板、同時向外部伸出預定距離的第一和第二引線，并且該第一引線被連接于蓋板上。
15.如權利要求14所述的鋰離子二次電池，其中一電極端子被連接于蓋板上，且一墊圈介于它們之間，并且該第二引線被連接于該電極端子上。
16.一種鋰離子二次電池，包括可充電/可放電的電極組件；容納該電極組件的外殼；以及安裝在該外殼上的蓋板，用于防止該電極組件脫落到外部，并且具有安全排氣塞，該安全排氣塞適于在電極組件和外殼的溫度升高至預定范圍以上時變形，并將氣體從該外殼的內部排放到外部。
17.一種排放鋰離子電池中壓縮氣體的方法，包括將蓋板安裝在容納電解液和電極組件的罐的開口上，其中該蓋板帶有穿過該蓋板的排氣孔；將安全排氣塞安裝在該排氣孔內，當罐內溫度低于預定范圍時，該安全排氣塞在排氣孔內密封配合，當罐內溫度升高至該預定范圍以上時，該安全排氣塞適于變形，以使氣體通過排氣孔從罐內排放。
18.如權利要求17所述的方法，還包括將排放通道安裝在該蓋板上，用于從罐內排放氣體到外部，同時防止安全排氣塞在氣體排放期間從排氣孔移出。
19.如權利要求17所述的方法，其中該安全排氣塞是形狀記憶合金的，該合金適于在70～150℃的溫度范圍變形，并消除排氣孔內的密封配合。
20.如權利要求17所述的方法，其中該安全排氣塞是形狀記憶合金的。
全文摘要
本發明公開了一種具有形狀記憶安全排氣塞的鋰離子二次電池，其中該安全排氣塞適于在溫度達到預定水平時暫時打開來排放內部的壓縮氣體，以避免電池的膨脹現象，并改善安全性。該鋰離子二次電池包括具有與介于其間的隔板多次卷繞的第一和第二電極板的電極組件；在其一端具有開口以容納該電極組件的罐；適于蓋住該罐的蓋板，其一側帶有排氣孔，排氣孔上連接有安全排氣塞，其適于在預定溫度變形并釋放罐內部的氣體到外部。
文檔編號H01M10/40GK1747198SQ20051010241
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月6日 優先權日2004年9月7日
發明者洪懿善, 郭潤泰 申請人:三星Sdi株式會社