专利名称：改进热传递的锂蓄电池结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种锂蓄电池的结构。
这些电池用作携带式电子设备，如膝上型计算机、蜂窝电话等的现代化的电源。虽然这些电池具有出色的安全记录，仍需继续提高其安全性能。
关心到安全，例如起因于热破剧变情况引起的电池单元断裂。电池单元的部件、电解液和锂电极，都被封装在密封的金属罐内。在热剧变时，在电池单元内产生热，使电解液和锂电极的温度升高到其引燃温度之上。可参见Hatchard，T.D.等人著的“在热异常过程中，锂离子电池内辐射热传递的重要性”，电化学和固态通讯第3卷第7号笫305-308页(2000年)。
热剧变可能起因于各种不同的情况，但这里有关系的是起因于“异常”(或“热量异常”)。用几种标准试验来考核是否异常，包括“钉穿透试验”、“挤压试验”和“短路试验”。例如，可参见UL1642-锂蓄电池标准(Underwriters Laboratories Inc.，第一版10/1985和第二版11/1992)；及日本蓄电池学会的“锂蓄电池安全测定导则”，日本东京(1995年)。在提到的前两个试验中，电池单元受到物理性的破坏，继而又引起阳极和阴极的接触(短路)，这就导致了热剧变。在现今的试验中，是将阳极和阴极在外部电器连接(短路)，如此就造成热剧变。
在短路的蓄电池中，在电池单元内开始形成局部热区。这些热量会加速电池内持续进行的化学反应(经过电解液在阳极和阴极之间)。这就会使生成的热量逐步增加(生成热量如在几秒内上升)。因为这种潜在的不利后果，这种情况是应该避免的。这种潜在的不利的情况和电池的热传递的重要性是公知的。请参见Hatchard，Ibid。在Hatchard的著作中，在外壳(罐)的外表的标牌(1abel)被用来改善来自罐的热传递。用该标牌来调节罐的内部温度。
在传统的锂蓄电池中(圆柱或棱柱形)，在阳极和阴极之间的多微孔的分离器隔板，在把它插入外壳(罐)内前，围绕着卷绕的阳极、阴极、分离器的外部卷绕几次。分离器这些附加的卷绕用作一个绝缘体(热的和电的)。电极包括一个电极活性混合物(active mix)和一个集电器。用于负电极(阳极)的集电器是一块铜箔。用于正电极(阴极)的集电器是一块铝箔。该罐由铁基材料(例如钢)或铝制成。在传统的圆柱形电池单元中，例如，18650(直径18毫米和长度65毫米)中，最接近罐的内表面的电极是负电极(阳极)，该电极有一个铜箔集电器。罐体由铁基材料制成，是蓄电池的负端，而罐的盖子是正端。在传统的棱柱形电池中，要识别两种结构。第一种，负电极(即铜集电器)最接近罐的内表面(即铁基材料)。第二种，正电极(即铝集电器)最接近罐的内表面(即铝)。
图1现有技术电池的剖面图。
图2是根据本发明制造的电池单元的剖面图。
图3是根据本发明制造的电池单元的部件分解图。
图4是说明现有技术和本发明电池单元时间函数特性(电压和温度)的曲线图。
为方便起见，本发明公开的是圆柱形电池，但不限于此，还可应用到棱柱形电池。
参考附图，这里，相同的标号表示相同的元件。如图1中所示，一个现有技术电池单元10包括一个由盖14封闭的罐12。一个分离器16围绕着“胶辊(jelly roll)”卷绕，并与罐12的内表面接触。分离器16在缠绕蓄电池时由于本身搭接而形成一个结合处18。该接合处由一条传统的胶带(tape)20固定住。
在图2中示出了本发明。电池30包括一个由盖14密封的罐12。金属板32，典型地为一块铜箔(即集电器)，其上有负电极材料或电极活性混合物(传统的，未示出)，它以传统的方式铺开。该金属板32与罐12的内表面为热接触(例如，直接的物理接触)。
参考图3，在部件分解图中示出了本发明的电池单元30。胶辊36制作成传统的样式，但负电极38比分离器40或正电极42长。因此，当胶辊36被卷绕完时，负电极38的铜集电器32是看得见的。胶辊36被插入到罐12中，从而电极38的集电器32与罐12的内表面为热接触。接头片44可用已知的方式焊接到罐12上，从而提供良好的电气接触。就象接头片46可以焊接到盖14上以提供良好的电气接触一样。在棱柱形电池单元中，铜集电器与罐接触，或铝集电器与罐接触。
集电器32是一个良好的导热体，所以在胶辊36的内部产生的热量可以被有效地传递到金属罐12的外表面。
参考图4，可以清楚地理解热传递的改善。在图4中，示出了现有技术和本发明电池单元的特性(电压和温度)。该图表示左边垂直轴的电压(伏特)对时间(水平轴，秒)的函数关系，及右边垂直轴的温度(摄氏)对时间(水平轴，秒)的函数关系。
现有技术电池单元的特性由线50、52和54表示。线50表示在电池单元经受钉穿透(例如UL1642试验方法)后，电压对时间的函数关系。线52表示在胶辊中心处的温度对时间的函数关系。线54表示在罐的外表面处的温度对时间的函数关系。请注意，当电压50降落时，两个温度线上升，但是内部温度52比外部温度54上升得要快。线52和54之间的区别表明，电池单元的热耗散不佳。回忆图1，分离器16，是一个塑料绝缘体，它与罐12接触。
本发明电池的特性由线60、62和64来表示。线60是电压，线52是内部温度，线64是外部温度。请注意，在线62和64之间的差别小于现有技术电池单元所示的差别。本发明电池单元的温度差别小，表明当集电器与罐为热联接触时，电池单元的热耗散较好。
本发明还可体现为其他的具体形式，而不脱离其特征。因此，本发明涉及的是未决的权利要求，而不是其前面指出发明范围的说明书。
权利要求
1.一种锂蓄电池，它包括一个负电极；一个正电极；一个夹在所述两个电极之间的分离器；一种注入所述分离器且与所述电极为液体联系的电解液；一个用于容纳所述电极、所述分离器和所述电解液的金属外壳；以及一个与所述外壳为热接触的所述电极。
2.一个可充电的锂蓄电池，它包括一个负电极，一个正电极，一个夹在所述两个电极之间的分离器，一种注入所述分离器且与所述电极为液体联系的电解液，一个用于容纳所述电极、所述分离器和所述电解液的金属外壳；其中的改进包括一个与所述外壳为热接触的所述电极。
全文摘要
本发明涉及一种锂蓄电池。该电池包括一个负电极、一个正电极、一个夹在这两个电极之间的分离器、一种注入所述分离器且与所述电极为液体联系的电解液、一个用于容纳该电极、分离器和电解液的金属外壳。一个电极与该外壳为热接触。
文档编号H01M6/10GK1356739SQ0114246
公开日2002年7月3日 申请日期2001年11月29日 优先权日2000年11月30日
发明者张正铭, 潘卡·埃罗拉 申请人:思凯德公司