使用安全元件的二次电池的制作方法

专利名称：使用安全元件的二次电池的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种具有安全元件的二次电池，更特别的是具有机 械式连接传感器作为安全元件的二次电池，该机械式连接传感器是固 定于电池单元的外部以检测电池单元的压力，其中该机械式连接传感 器是与电阻器及电池单元的端子相连接，且当因为电池单元的不正常 操作而导致电池单元的内部压力增加，且造成电池单元膨胀时，机械 式连接传感器便开始运作，由此将累积于电池单元中的电能强制地消 耗于电阻器，藉此降低电池单元的能量，进而防止电池单元发生爆炸。
背景技术：
随着如膝上型电脑、行动电话、视频摄影机、数码相机等可携式 电子设备的使用日益增加，具有高能量密度、可作为可携式电子设备 的电源使用的二次电池的需求也水涨船高。此外，电动车所需的二次 电池也日益增加。锂离子电池是一种二次电池，该锂离子电池包含以 含碳材料制成的阳极，以锂金属氧化物制成的阴极，以聚烯烃制成的 隔板及电解质。
然而，锂离子二次电池具有高操作电位。因此得以瞬时流通高能 量，进而由于过度充电或短路而大幅提升化学活性。因此，由于与电 解质突然的反应而产生大量的气体。结果，导电池的内部温度及内部 压力突然地升高，进一步造成电池爆炸时损坏电池邻近的装置或使人 体受伤。
基于上述原因，将多种防止锂离子二次电池爆炸的安全装置安装
于锂离子二次电池。例如美国专利案号5,738,952揭露一种结构，其中 安全板与阴极引线分接头以焊接的方式彼此连接，且当电池的内部压力达到预设的临界压力程度时，安全板会被翻转，进而打破安全板与 阴极引线分接头之间的焊接区域以截断电流，藉此可避免电池的温度 及压力的上升。因此，当电池的内部压力达到预设的压力程度时，电 流的流动路线会被截断，由此避免了压力的增加。现有技术中，安全 板安装于电池的外部。因此当发生电池的不正常反应时，电池外部的 电流流动便会被截断。然而，由于能量已经累积于电池中，因此当过 度充电持续进行或电池的内部温度上升时，电池可能会爆炸。此外， 一种已被提出的技术是当电池单元膨胀时，熔化热保险丝，从而形成电池单元的短路(日本未审查专利公开案案号2004-231319)， 及一种技术是，当电池单元膨胀时，操纵截断开关而截断电流。然而， 即使根据这些技术，能量也已被累积于电池单元中，因此当过度充电 持续进行或电池的内部温度上升时，电池单元可能会爆炸。一种已被提出的技术可作为解决上述问题的一种方法，其是通过 根据来自压力检测装置(压力感应电阻器)的信号来检测电池单元的 膨胀，进而将电池单元放电(日本未审查专利公开案2001-243991)。 依据此项方法，当电池单元因过度充电而膨胀时，检测出电池单元的 压力以驱动FET。也就是说，该FET是由电路操作而驱动的，因此， 上述功能必须额外包括在电路中。然而，当电路运作异常，安全元件 便无法运作。因此当电池曝露于高温或由于电路异常而造成电池过度 放电时，便无法保证经由电路安全元件的正常运作。另一种经由放电电阻器而消耗在电池单元内累积的电能的方法， 提出了一种结构，其中导电部件与电池匣相隔预设的距离，该电池匣 也作为电极端子(+ )，该导电部件与另一电极端子(-)相连接，且当 电池匣膨胀时，导电部件便会与电池匣相互接触而形成短路，藉此将 电池放电(日本未审査专利公开案2004-319463)。然而，此方法的缺 点在于利用电池匣作为电极端子，也即，将会限制电池的构造且无法 提供可靠的操作特性。

发明内容
因此本发明是解决上述问题及其他已经解决的技术问题。
通过各种广泛及精心的研究及实验以解决上述的问题，本发明的 发明人发现，当通过压力运作的机械式连接传感器安装于电池单元的 外表面，且该机械式连接传感器连接至该电池单元的电极端子及具有 适当电阻状况的电阻器时，如果该电池单元的内部压力过度地增加， 则该机械式连接传感器的开关便被开启，进而造成该电池单元短路， 且因此使该电池单元在该电阻器上放电，藉以有效地减少该电池单元 的能量。本发明即基于上述发现结果而完成。
根据本发明的一方面，可通过提供具备机械式连接传感器的二次
电池便能达成上述及其他目标，该机械式连接传感器是固定于棱柱形
或袋状电池单元的外表面，且设定为关闭。其中该机械式连接传感器 是与具有预设电阻值的电阻器及该电池单元的阴极与阳极相互串联。
藉此，当该电池单元因不正常的操作而膨胀至临界值或更高时，该机 械式连接传感器便被开启，进步导致该电池单元的电能消耗于电阻器上。
根据具有上述构造的本发明，当该电池发生异常时，该电池能通
过具备高可靠度的该机械式连接传感器而快速且灵敏运作。再者，因 为放电运作的实现并非经由电路，因此即使电路发生故障，该安全元 件也能运作。再者，与电池的运作有关的电路不须增加额外的功能。 因此本发明拥有经济的优点。
根据本发明的二次电池与棱柱形电池单元或袋状电池单元有关， 当该电池单元膨胀时，其体积变化大，而使其难以包含安全元件。该 棱柱形电池单元是具有电极组件的电池，该电极组件是安装于棱柱形 箱(尤其是六面体的箱子)，及该袋状电池单元是具有电极组件的电池，该电极组件是安装于包括树脂层及金属层的袋状叠层片。根据本发明，机械式连接传感器是固定于该电池单元的外表面。 机械式连接传感器是传感器，可通过该电池单元的体积变化而机械地 运作。机械式连接传感器并未特别限制，只要当该电池的体积增加时， 该机械式连接传感器能可靠地由断开状态转变成导通状态。在较佳的具体实施例中，该机械式连接传感器具有两个相互垂直 隔开的连接端子且安装于压力感应衬套中。根据本发明，该机械式连 接传感器是固定于该电池单元的外表面且设定为断开状态。当该电池 单元膨胀时，该机械式连接传感器便转变为导通状态，进而导通该机 械式连接传感器。于上述的较佳结构中，当该电池单元膨胀时，压力 感应衬套遭压縮，藉此引起所述连接端子相互接触。另一方面，当该 电池单元由于各种原因而縮小时，该机械式连接传感器转变为断开状 态，因此截断电的导通。为使该机械式连接传感器能精确的配合电池单元的膨胀，而由断 开状态转变为导通状态以诱发电的导通，该机械式连接传感器中的两 个连接端子可能以各式各样的型态相互隔开。较佳实施例如下所示。在第一种结构实施例中，弹性部件(例如压縮弹簧)可安装于连 接端子之间。尤其，弹性部件的其中一端可固定于压力感应衬套，且 其中一个连接端子可通过该弹性部件的另一端被弹性地支撑(请参考 图5)。或者，其中一个连接端子可具备一个或多个突出的连接端，且 所述两个连接端子可通过弹性部件予以弹性地支撑，该弹性部件安置 于连接端子之间(请参考图7)。因此，通过该弹性部件将所述两个连 接端子维持相互隔开(断开状态)，且当该电池单元膨胀时，该弹性 部件被压縮。因此，引发所述两个连接端子相互接触，进而完成电导 通(导通状态)。在第二种结构的实施例中，可通过设置于连接端子之间的膜状绝 缘部件而将所述连接端子相互隔开，至少其中一个连接端子安装导电 穿透部件，当施加外力(该电池单元的膨胀力)到至少其中一个连接 端子时，该导电穿透部件便穿透该绝缘部件且连接至另一连接端子(请 参考图9)。因此，当施加外力时，该导电穿透部件便穿透该绝缘部件， 藉此完成电的导通(导通状态)。在第三种结构的实施例中，至少其中一个连接端子由能够由于外 力而变形的材料或形状形成，且将至少两个绝缘体安装于两个连接端 子之间，藉此使所述至少两个绝缘体相互隔开(请参考图11及图13)。 因此，通过所述至少两个绝缘体将连接端子维持为相互隔开(断开状 态)，且当施加来自于电池单元膨胀的外力时，至少其中一个连接端 子会在至少两个绝缘体之间限定的空间内发生变形。因此，引起所述 两个电极端子相互接触，进而完成电的导通(导通状态)。虽然通过以上的描述而说明了一些较佳实施例，但请注意依据本 发明的其他多种结构是可行。较佳的，将该机械式连接传感器安装于该电池单元的中间部位， 当该电池单元膨胀时，在该部位处电池单元的体积变化最大。同样地，并未特别限制该机械式连接传感器的尺寸。较佳的尺寸 是，能使该机械式连接传感器对该电池单元的膨胀产生灵敏的反应， 且能防止因该电池单元的重量而产生的无意的导通。引起该机械式连接传感器的运作的电池单元膨胀可被设定为多种 条件。在上述的较佳实施例中，可依据压力感应衬套的机械强度及连 接端子间的距离而确定该电池单元的膨胀。当该机械式连接传感器导通时，该电阻器用于通过产生热以消耗该电池单元的能量。由于必须经由导通以消耗累积于电池单元中的过 量电能，因此可能会由电阻器产生大量的热。因此，在电池单元的强 制放电期间，由于电流流动所产生的热量必须有效地散发，进而，优 选地，将电阻器安装于该电池单元的外部区域，在该处，发热的影响 被最小化。该区域可位于该电池单元的下端。根据情况，可将该电阻 器安装于与该电池单元分开的区域。根据本发明，该电阻器的电阻值是可调整，藉以控制强制放电的 程度。可在如下范围内确定该电阻器的电阻值，该电阻值高于电线与 用于连接电阻器的连接传感器的电阻总和，同时，但该电阻值也不可 过高。当该电阻值太小时，会因为过度地快速放电而导致着火，或因 为极度地产生热而引起火灾。另一方面，当该电阻值太大时，将降低 放电速度，而导致安全性下降。于较佳的具体实施例中，可依据该电池的容量及电压来设定该电 阻值，以便能在最短约IO秒及最长约IO小时内释放该电池的总容量。 因此，该电阻值的可使用范围是取决于该电池的容量及电压而改变的。例如，该电阻值可设定为能以720A至0.2A之间的电流完成放电， 以便将本发明的该安全元件安装至具有4V/2Ah的电池。较佳的，包含 电阻器及连接传感器及电线的电阻的总电阻值可具有5mQ到20mQ的 范围。更佳的，将该电阻值设定为能于约1分钟至2小时内完成放电。 在此例中，较佳为流动120A到1A的电流，且将总电阻值设定于33mQ 到4Q的范围内。此外，必须将连接传感器及电线的电阻值设定为，使 得该连接传感器及电线的电阻值是该电阻器的电阻值的一半或低于该 电阻器的电阻值。该二次电池可应用于具有安装于组件箱的单电池单元的小型电池 组或具有以多个二次电池作为单元电池的中型或大型电池组，其中的 所述二次电池安装于组件箱内，且以高密度彼此层叠。优选地，将该二次电池应用于具有因二次电池膨胀而具有严重的安全问题的中型或 大型电池组。依照本发明的另一个方面，提供了中型或大型电池组，其包含具 有以上述安全元件的二次电池作为单元电池。于中型或大型电池组中，可将机械式连接传感器安装于该组件箱 及相对应的电池单元之间，或安装在所述各电池单元之间，或安装在 另一个部件(框架部件)与相对应的电池单元之间。虽然将单个机械式连接传感器安装于单个电池单元的外表面，但 也可将两个或多个机械式连接传感器安装于单个电池单元的外表面， 以使所述机械式连接传感器以并联的方式相互连接。


通过下列随附的图式并配合详细的描述，将可更清楚地了解本发 明的上述及其他物件、特征及其他优点。其中图1是显示根据本发明的较佳具体实施例的袋状二次电池的典型 外观图；图2是典型地显示根据本发明的较佳具体实施例的结构的剖面 图，在所述结构中，将机械式连接传感器安装于单元电池与组件箱之 间；图3是典型地显示根据本发明的另一较佳具体实施例的结构的剖 面图，在所述结构中，将机械式连接传感器安装于中型或大型电池组 的两个单元电池之间，该中型或大型电池组包含多个彼此层叠的二次 电池作为单元电池，以具有高输出及大容量；图4是显示根据本发明的另一较佳具体实施例的结构的剖面图， 在所述结构中，将两个机械式连接传感器安装于单元电池的外表面；图5及图6是典型地显示使用于本发明的示例性机械式连接传感 器(a)的运作的剖面图；图7及图8是典型地显示使用于本发明的示例性机械式连接传感 器(b)的运作的剖面图；图9及图IO是典型地显示使用于本发明的示例性机械式连接传感 器(C)的运作的剖面图；图11及图12是典型地显示使用于本发明的示例性机械式连接传 感器(d)的运作的剖面图；及图13及图14是典型地显示使用于本发明的示例性机械式连接传 感器(e)的运作的剖面图。
具体实施方式
现在，通过参考随附的图式详细地描述本发明的较佳具体实施例。 然而请注意，本发明的范围不受限于所说明的具体实施例。图1是显示依据本发明的较佳具体实施例的袋状电池单元100的 外观代表图。参考图1，该电池单元100是建构为如下结构，其中电极 组件(未显示)是安装在袋状电池匣130中，且阴极分接头110及阳 极分接头120从该电池匣130的上端突出。该袋状电池匣130被建构 为叠层片结构，其包含金属层及树脂层并具有绝缘的外表面。因此， 当该电池单元100的内部压力增加时，该电池单元IOO容易膨胀。图2及图3是显示依据本发明的较佳具体实施例的安装于该电池 单元的安全元件的剖面图，该安全元件基于压力检测而使该电池单元 强制放电。具体来说，图2是剖面图，其典型地显示将机械式连接传 感器安装于单元电池与组件箱之间的结构；图3是剖面图，其典型地 显示将机械式连接传感器安装于电池组的两个单元电池之间的结构， 该电池组包含多个彼此层叠的二次电池作为单元电池且安置于组件箱 内，以具有高输出及大容量。首先参考图2，将机械式连接传感器210的相对端与该电池单元 100的阴极110及阳极120串联连接。该阳极120与该机械式连接传感器210之间还连接有电阻器220。将该连接传感器210安装于该电池单 元100与组件箱300之间限定的空间中，如此一来，当该电池单元100 膨胀时，连接传感器210的一个侧表面受到该电池单元100的压迫， 且该连接传感器210的另一侧表面由该组件箱300所支撑。参考图3，多个二次电池101、 102、 103及104被顺序地彼此层 叠作为单元电池，且将机械式连接传感器210安装于单元电池102及 103之间。该机械式连接传感器210的一端连接于该第一单元电池101 的阳极端子121，且该机械式连接传感器210的另一端连接于该第四单 元电池104的阴极端子114。该阴极端子114与该机械式连接传感器 210之间还连接有电阻器220。因此，当所述单元电池101、 102、 103 及104的其中一个发生膨胀时，该机械式连接传感器210导通，进而 通过该电阻器22 0消耗该电池组的总电能。该机械式连接传感器210可选择性地安装于所述各个单元电池 101、 102、 103及104之间限定的空间中，或者安装在某些所述单元电 池之间限定的空间中。该机械式连接传感器210可与任何单元电池的 阴极及阳极串联连接，只要当所述单元电池膨胀时能导通该机械式连 接传感器210，进而消耗该电能即可。在顺序地彼此层叠的所述单元电 池是以并联的方式相互连接的情况下，即使该机械式连接传感器连接 至任意单元电池的电极，也能达到相同的效果。在顺序地彼此层叠的 所述单元电池是以串联的方式相互连接的情况下，优选地，将该机械 式连接传感器与设置在该串联连接的相对端处的单元电池的阴极及阳 极相连接，从而消耗所述单元电池的总能量。图4是显示根据本发明的另一较佳具体实施例的结构的代表图， 其中将两个机械式连接传感器安装于该电池单元的外表面。参考图4，两个机械式连接传感器210A及210B安装于电池匣130 的中部表面，以使所述两个机械式连接传感器210A及210B相互平行。具体来说，所述两个机械式连接传感器210A及210B以并联的方式相 互连接。因此，当该电池单元100膨胀时，只要所述机械式连接传感 器210A及210B的任何一个正常地运作，就能实现电导通，因此，此 种结构具有高灵敏度。所述机械式连接传感器210A及210B可以被设置为相互垂直，或 相可以被设置为彼此成某一角度。或者，可将该机械式连接传感器210A 中的一个安装于该电池匣130的中部，且将其他机械式连接传感器 210B安装于该电池匣130的外部周围，且该机械式连接传感器210B 以预设的距离与该机械式连接传感器210A隔开。根据情况，可将该机 械式连接传感器210B设置在该电池匣130的背部表面。图5至图14是典型地显示依据本发明的当电池内部产生压力且由 此电池体积增加时各种机械式连接传感器由断开状态转变为导通状态 的运作的剖面图。参考图5及图6，机械式连接传感器210a被建构为如下结构，该 结构是将垂直地相互隔开的两个连接端子211a及212a安装于压力感应 衬套213a中。机械式连接传感器210a被建构为检测压力的开关的形式。当该电 池单元内发生过度充电时，或由于外部热源造成该电池单元的温度升 高至高温程度时，在该电池单元内产生气体，进而该电池单元发生膨 胀。当该电池单元发生异常时，由此增加了该电池单元的体积，该机 械式连接传感器210a的压力感应衬套213a由于该电池单元的压力而收 到压迫。因此，彼此垂直地相互隔开的两个连接端子211a及212a被互 相接触而达成电导通。为使该机械式连接传感器210a能精确的考虑该电池单元的膨胀， 而由断开状态转变为导通状态以引发电导通，将作为弹性部件的压縮13弹簧214a安装于所述连接端子211a及212a之间。尤其是该压縮弹簧214a的一端被固定于压力感应衬套213a，且上 连接端子211a被该压縮弹簧214a的另一端弹性地支撑。因此，通过该 压縮弹簧214a，所述连接端子211a及212a被维持为彼此相互分开(断 开状态)。然而，当该电池单元膨胀而压縮该弹簧214a时，进而使所 述连接端子211a及212a相互接触，则获得了电导通(导通状态)的结 果。参考图7及图8，机械式连接传感器210b与图5的该机械式连接 传感器210a的不同之处在于，两个连接端子211b及212b通过压縮弹 簧被弹性地支撑，且该压縮弹簧连接在连接端子211b及212b之间， 以及在该上连接端子211b处形成两个突出的连接端215b。参考图9及图10，机械式连接传感器210c被建构为如下结构，在 该结构中，设置在所述连接端子21 lc及212c之间的绝缘厚膜216c将 连接端子211c及212c相互隔开，在该上连接端子211c设置导电穿透 部件217c，当由于该电池单元膨胀而施加外力于该上连接端子211c时， 该导电穿透部件217c用于穿透该绝缘厚膜216c，进而与该下连接端子 212c相连接。因此，当施加该外力时，该导电穿透部件217c穿透该绝 缘厚膜216c，进而将该机械式连接传感器210c转变为开启，也即导通。参考图11及图12，机械式连接传感器210d被建构为如下结构， 在该结构中，将两个绝缘体218d安装于上连接端子211d与下连接端 子212d之间，由此使得所述绝缘体218d被相互隔开。该上连接端子 2Ud由可由于外力而产生变形的材料制成。因此，通过所述两个相互 隔开的绝缘体218d，将该上连接端子211d与该下连接端子212d维持 为相互隔开(断开状态)。然而，当施加来自于电池单元膨胀的外力 时，该上连接端子211d会在该上连接端子211d与该下连接端子212d 之间的空间内发生变形。因此，将导致该上连接端子211d与该下连接端子212d接触，进一步达成电导通(导通状态)。参考图13及图14，机械式连接传感器210e与图11的该机械式连 接传感器210d的不同之处在于，上连接端子211e与该下连接端子212e 由能变形的材料制成。优选地，该机械式连接传感器210e具有机械式 连接传感器210e安装于两个电池单元之间的结构。虽然基于说明的目的揭示本发明的较佳实施例，然而本领域技术 人员应了解，可在不背离如所附的权利要求书所揭示的本发明的保护 范围及精神的情况下，可以进行各种修改、增加及替代。工业上的可利用性从以上说明显然可知，依据本发明的具备该安全元件的该二次电 池具有以下的效果，当由于该电池的异常反应而造成该电池的体积增 加，进而向该电池的邻近装置施加了过度的压力时，该安全元件检测 到压力并强制将该电池放电，藉以将累积于该电池中的能量释放于外 部，因此可避免该二次电池失火或爆炸，而达成安全使用该二次电池 的目标。因此本发明广泛且有效地应用于需要高安全性的二次电池工 业。
权利要求
1.一种具有机械式连接传感器的二次电池，该机械式连接传感器固定于棱柱形或袋状电池单元的外表面，且该机械式连接传感器被设定为断开，其中该机械式连接传感器与具有预设电阻值的电阻器和该电池单元的阴极与阳极串联连接，由此当该电池单元因电池单元的不正常操作而膨胀至临界值或更高时，该机械式连接传感器变为导通，且由此该机械式连接传感器导通，结果该电池单元的电能被消耗在电阻器上。
2. 如权利要求l所述的二次电池，其中该电池单元具有电极组件，该电极组件安装于绝缘的袋状电池匣中，该绝缘的袋状电池匣包括金 属层及树脂层。
3. 如权利要求l所述的二次电池，其中该机械式连接传感器具有 两个相互垂直隔开的连接端子，且该连接端子安装于压力感应衬套中。
4. 如权利要求3所述的二次电池，其中该机械式连接传感器还具 有安装于所述连接端子之间的弹性部件。
5. 如权利要求4所述的二次电池，其中该弹性部件的其中一端固 定于该压力感应衬套，且其中一个连接端子被该弹性部件的另一端弹 性地支撑。
6. 如权利要求4所述的二次电池，其中所述连接端子中的一个具 有一个或多个突出连接端，且所述两个连接端子被该弹性部件弹性地 支撑，该弹性部件设置在所述连接端子之间。
7. 如权利要求3所述的二次电池，其中通过设置在所述连接端子之间的膜状绝缘部件而将所述连接端子相互隔开，至少其中一个所述 连接端子具有导电穿透部件，当施加外力(该电池单元的膨胀力)于 至少其中一个所述连接端子时，该导电穿透部件穿透该绝缘部件且连接至另一连接端子。
8. 如权利要求3所述的二次电池，其中至少其中一个连接端子由 通过外力而能够变形的材料或形状形成，且将至少两个绝缘体安装于 所述两个连接端子之间，由此使得所述至少两个绝缘体相互隔开。
9. 如权利要求1所述的二次电池，其中该电阻器被建构为在导通期间通过发热而消耗能量。
10. 如权利要求9所述的二次电池，其中该电阻器具有如下的电 阻值，以所述电阻值，在IO秒至IO小时内释放该电池单元的总容量。
11. 如权利要求1所述的二次电池，其中两个或多个机械式连接 传感器安装于电池单元的外表面，以使所述机械式连接传感器以并联 的方式相互连接。
12. —种中型或大型电池组，该电池组包括如权利要求1至11任 一项所述的二次电池。
13. 如权利要求12所述的电池组，其中机械式连接传感器安装于 所述作为单元电池的相邻二次电池的外表面之间。
全文摘要
本发明是揭露一种二次电池，该电池具有机械式连接传感器作为安全元件，其固定于棱柱形或袋状电池单元的外表面，且设定为断开。该机械式连接传感器是与具有预设电阻值的电阻器及该电池单元的阴极与阳极相互串联。当该电池单元因不正常的操作而膨胀至临界值或更高时，该机械式连接传感器便被导通，该机械式连接传感器导通，结果电池的电能消耗于电阻器上。根据本发明的具有安全元件的二次电池中，当该电池因为电池的不正常的反应而膨胀时，累积于该电池的能量将被强制消耗，而不像现有技术的电池仅能截断电流。结构，能根本地防止持续发生不正常的反应，进一步可通过优异的压力感应来加速过程。藉此得以改良电池的安全性。
文档编号H01M2/20GK101248546SQ200680030699
公开日2008年8月20日 申请日期2006年9月4日 优先权日2005年9月7日
发明者崔亭熙, 柳志宪, 河真雄, 申荣埈 申请人:株式会社Lg化学