专利名称：集成式电池极耳的制作方法
技术领域：
本公开涉及电化学存储单元(电池)的构造和使用。尤其，本公开涉及电池极耳设备和用于制造和使用该电池极耳设备的方法。
背景技术：
已长期使用用于存储和提供电力的装置。通常采用描述词“电池”，这样的装置包括在至少一组端子之间提供电势的电化学电池和电池集。端子可以连接至电(例如，直流电DC)负载以为负载通电或供电。电池包括通常将化学可得电动势转换为电流的干电池、湿电池(例如，铅酸电池)和其它类型的单元。电池有时分类为“一次”和“二次”类型。一次电池是由制造商制造成有限电化学容量且在使用之后耗尽和丢弃的一次性单元。二次电池可以在使用之后“再充电”且虽然其容量不是无限大的，但是通过在某种程度上逆转放电过程而允许相同电池的重复使用。为了增加电池容量，电池已被构造来利用电池的阳极(负极)与阴极(正极)元件之间的较大表面积。一种这样的设计涉及将许多平行板放置于电解质溶液中以允许阳极与阴极之间的离子迁移，其通常称作“棱柱形”电池。另一设计利用多孔膜使阳极和阴极材料的平坦分层片隔离，接着将层卷成卷状物，其被称作“芯包”，其提供紧凑和机械上稳定的电池的，通常被称作“圆柱形”电池。在卷状电池设计中，如因电池的空间考虑所允许，使用阳极、隔膜和阴极材料的多个交替片，且阳极片共同连接至阴极端子，而阴极片共同连接至阳极端子。整个装置封装于刚性封围物中，通常是圆柱形罐。为了提供至电池端子的电连接，多个导电极耳通常在结构卷起之前通过在结构内按仔细选择的间隔焊接而插入。具有三十个绕卷的现有技术的极耳芯包通常针对每个阳极和阴极具有约六个极耳。一些设计针对每个阴极和阳极仅具有一个极耳。因为极耳在卷起之前焊接，所以极耳必须精确地放置且芯包必须精确地缠绕以在最终卷状电池中形成对准的极耳。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种缠绕电化学存储装置组件，其包括:负电极片；多个负电极极耳，其集成至所述负电极片且从所述负电极片延伸；正电极片；多个正电极极耳，其集成至所述正电极片且从所述正电极片延伸；和隔离片，其安置于所述负电极片与正电极片之间，其中所述负电极片、正电极片和隔离片围绕共同轴缠绕以形成多个绕卷，且其中每个绕卷包括一个负电极极耳和一个正电极极耳。在一些实施方式中，对准所述多个负电极极耳和所述多个正电极极耳中的每个。在一些实施方式中，所述正电极片和所述正电极极耳都由铝组成。在一些实施方式中，所述负电极片和所述负电极极耳都由铜组成。在一些实施方式中，所述大致上同心绕卷具有大致上圆柱形剖面。在一些实施方式中，所述大致上同心绕卷具有大致上棱柱形剖面。在一些实施方式中，每个极耳具有约3mm至约8_的宽度和约8mm至约25_的长度。在一些实施方式中，所述极耳中的每个大致上无电极活性材料。在一些实施方式中，所述极耳中的每个具有三角形或矩形剖面。本公开的另一方面涉及一种制造电化学存储装置的方法，其包括以下步骤:将隔离片配置于负电极片与正电极片之间，其中所述正电极片和负电极片中的每个具有大致上无电极活性材料的边缘区域；围绕共同轴缠绕所述负电极片、隔离片和正电极片以形成缠绕组件；且切割所述边缘区域中的每个以形成多个电极极耳，其中所述盘绕组件的每个绕卷包括针对每个负电极片和正电极片的极耳。在一些实施方式中，切割包括超声波切割。在一些实施方式中，对准所述多个电极极耳。在一些实施方式中，每个极耳具有大约3mm中大约8mm的宽度。在一些实施方式中，每个极耳具有约3mm至约8_的宽度和约8mm至约25_的长度。在一些实施方式中，所述边缘区域中的每个具有约IOmm至约30mm的宽度。在一些实施方式中，所述边缘区域中的每个具有约20mm的宽度。在一些实施方式中，所述极耳中的每个具有三角形或矩形剖面。在一些实施方式中，所述缠绕组件具有圆柱形或棱柱形剖面。
当结合以附图考虑时，可以参考本发明的以下详细描述更全面地了解本发明的不同目的、特征和优点，其中相似参考数字表示相似元件。附图只为了图示的目的且并不旨在限制本发明，本发明的范畴在下文权利要求中规定。图1图示根据现有技术的卷状电化学存储装置。图2A图示根据现有技术的多个极耳从其延伸的图1的卷状装置的一端。图2B图示根据现有技术制造的电池装置的照片。图3图示根据本公开的实施方式的示例性电极片。图4图示根据本公开的实施方式的所要求装置的前阶段的电化学存储器(电池)的一部分的图。图5图示根据本公开的实施方式的一种共同缠绕带状材料以产生图4的结构的方法。图6描绘根据本公开的实施方式的经切割芯包电池。图7A描绘根据本公开的实施方式制成的极耳。图7B描绘根据传统焊接方法制成的极耳。图8描绘具有根据本公开的实施方式制成的多个无焊接型延伸极耳的电池。图9描绘根据本公开的实施方式的放置于罐中的电池。图10描绘根据本公开的实施方式的具有集成式电池极耳1010、1020的缠绕棱柱形电池1000。
具体实施例方式下文详细地描述适于达成本文描述的方法和设备的一个或多个实施方式，且不应视为详尽的、包括性或限制性的。公开的设计提供免除集电极耳来贴箔超声波焊接接口的芯包电池。取而代之，裸电极箔片延伸到电池的电极涂层外。一旦芯包被缠绕，从暴露的箔片端切出极耳剖面。这个系统和方法允许每个绕卷有一个或多个集电极耳。具有更多极耳降低电池阻抗，改善热传递且改善整体电池性能。因为极耳与电极箔片集成，所以降低对通过极耳的电流的阻抗。可使用超声波刀片切出极耳剖面。这些切口展现极好的边缘质量且不会对电池造成明显损害。在讨论所公开设计的细节之前，以下段落通常描述芯包电池设计。图1示出了根据现有技术的电池装置100的部分。阳极104和阴极108条或片由隔离膜106隔离。阳极104和阴极108的组合物取决于电池的特定类型，且包括导电衬底或箔片上的一层电活性材料，例如石墨、金属和其它材料。箔片可以用作集电体。在锂离子电池中，LiCo02、LiMn204、Li (Fe, Mn) PO4或(Li，Nb) (Fe, Mn) PO4是典型的电活性阴极材料。隔离膜106是多孔的且允许离子在阳极104与阴极108之间传输，但却是电绝缘的且用于使两个电极彼此绝缘。通过将带状材料104、106、108共同缠绕成“芯包” 110来形成装置100。为了提供电连接至电池端子，多个导电极耳112、114在结构卷起之前通过在结构内按仔细选择的间隔焊接而插入。使第一组极耳112接触阳极材料104且在卷起部分110的一端上从卷起部分110向外延伸以形成电池装置的阳极端子。使第二组极耳114接触阴极材料108且在卷起部分110的另一端上从卷起部分110向外延伸以形成电池装置的阴极端子。具有三十个绕卷的现有技术的极耳芯包通常针对每个阳极和阴极具有约六个极耳。一些设计针对每个阴极和阳极仅具有一个极耳。图2A图示根据现有技术的装置的阳极部分，其示出了从电池装置的卷起部分110延伸的一组六个集电极耳112。图2A是理想化描绘，实际上六个集电极耳112并不完全对准，而是如作为根据现有技术制造的电池装置的照片的图2B中所示，经常不对准。罐120容纳整个芯包组件且对组件提供机械保护，防止污染，用作散热片并且提供阴极端子(未示出)。多个延伸的阳极112和阴极114极耳或延伸部分彼此连接且连接至电池的其它部分的方式是设计的重点。卷状电池的这个方面的现有技术设计具有许多缺点，一些缺点先前已讨论。这些缺点包括(但不限于)不良的电性质(例如，高阻抗)、不良的热性质(不良的散热)和不良的机械与制造性质。通常，极耳112被超声波焊接至阴极114或阳极112。超声波焊接工艺较昂贵和复杂且需要挑战当前制造。例如，已证明卷状芯包中焊接极耳的对准是一项困难的任务。为了对准极耳，每个极耳必须被精确地焊接至电极且卷状物自身必须被精确地缠绕。出于这些原因，在现有技术系统中，已难以成功地对准多于约六个极耳。电池内的欧姆电阻通过电子的反向流从阳极和阴极围绕芯包的绕卷流动至最终经由集电极耳离开电池而形成。集电极耳之间的距离越大，电子移入或移出电池所必须行进的距离越远。因此，芯包优选地每个绕卷具有一个极耳以减少阻抗且增强散热。但是，制造工艺的限制导致低于理想数量的极耳，其导致昂贵、复杂的制造工艺，这导致具有不良热和电性能的电池。为了解决这个问题，试图制造在一个边缘上具有编织铜条和铝条的电极。这试图产生连续路径供电子流入和流出具有无限数量极耳的电池，从而降低阻抗。但是，这个设计会有编织物与电极箔片的粘合性的问题。本方法和系统使阳极和阴极上的箔片衬底延伸至电极涂层外约15mm或25mm或约20mm且随后从缠绕的芯包切出极耳剖面。如上所述，阻抗通过缩短电子进入或离开电池所需行进的距离而减小。图3图示示例性电极300，其包括电极涂层部分302和电极延伸部分304。电极延伸部分304是超出电极涂层部分302的电极300的箔片衬底的延伸部分。通常，电极延伸部分304延伸约20mm。但是，电极延伸部分304可以在电极涂层部分302外延伸约IOmm至约30mm之间。因为电极延伸部分304是箔片从电极300的延伸部分，所以电极涂层部分302与电极延伸部分304之间不存在焊接。因此，电极延伸部分304集成至电极300。电极300可以为在芯包电池中使用的阳极或阴极。通常，阳极的延伸材料是铜，而阴极的延伸材料是招。图4图示电化学存储(电池)装置200的部分的图。为了简明起见，装置示为部分卷起部分210和部分未卷起部分202。卷起部分210由片状或带状元件202形成。交替的阴极204和阳极208片由隔离膜片206隔离。图4的设备200包括单个阴极204和单个阳极208。但是，在其它实施方式中，设备200可以包括若干阴极204和阳极208。阳极208包括安置于导电衬底上的一层电活性材料，例如集电体。传统上用于形成锂离子电池的阳极层的材料可以在当前设计(例如，铝)中使用。如上文讨论，每个阳极208包括从阳极208的活性部分延伸的阳极延伸部分214。如图3中所示，阳极延伸部分214集成至阳极208。阳极延伸部分214是导电的且提供一种电和热耦接至阳极208的方法。每个阴极204还类似地包括从阴极204的活性部分延伸的阴极延伸部分212。如图3中所示，阴极延伸部分212集成至阴极204。阴极204包括安置于导电衬底上的一层电活性材料。传统上用于形成锂离子电池的阴极层的材料可以在当前设计(例如，铝)中使用。阳极延伸部分214和阴极延伸部分212在电池设备200的相对端上。如上文所讨论，隔离膜206提供离子导电性，但是防止电子导电。阳极208、阴极204和隔离片206，包括阳极延伸部分214、阴极延伸部分212围绕中心轴224缠绕在一起以形成卷起结构210。可以采用任何缠绕或堆积或分层方法或设计以建构电池。图4的卷起结构210围绕中心轴224缠绕。因此，每个片状材料围绕相同中心轴224形成螺旋形(如截面图中所见)。应注意，共同缠绕片的观概念应自由地解释。即，一层或更多层片或片状材料一起缠绕到卷轴上或围绕彼此缠绕在一起以导致每个材料的螺旋构造，其内穿插其它材料。同样，围绕轴224盘绕、卷起或缠绕并不意味着暗指层形成围绕轴224的精确圆形层。可以预期其它卷起或堆积结构。在一些实施方式中，卷状物形成半径递增的螺旋形，而非半径固定的圆环。图5图示一种共同缠绕带状材料以产生图4的结构的方法。通常，每个构成材料的卷状物按适当馈送速率缠绕在卷轴上且共同缠绕成上文描述的卷状电池结构。阳极、阴极和隔离材料可以分别从卷轴404、406和402提供。—旦形成芯包，可以切割每个阳极和阴极延伸部分以形成导电电极极耳。图6描绘根据本公开的实施方式的经切割芯包600。芯包600具有多个阴极极耳602和多个阳极极耳604，使得芯包600的每个绕卷具有每个阴极极耳和阳极极耳且每个极耳集成至阴极或阳极，即，极耳未焊接至阴极或阳极。最终切割极耳的大小和形状可以基于最终电池设计而变化。对于低重量、低阻抗电池，极耳的宽可以是约3mm至约4_。对于较高功率应用，极耳的宽可以是约8_。极耳还可以具有变化的截面。例如，对于一些应用，极耳可以具有如图6中所示的大体上三角形剖面，而对于其它应用，极耳可以具有如图7A中所示的正方形剖面。此外，极耳的长度取决于电池的直径。例如，具有较大直径的电池具有较长极耳，而具有较小直径的极耳具有较小极耳。在一些实施方式中，极耳的长度大小可以随着极耳与电池中心的距离增加而增加。即，较短极耳在电池的中心，而较长极耳在电池的边缘上。通常，极耳的长度范围可在约8mm与约25mm之间。图7A描绘根据本公开的实施方式制成的极耳。从延伸自电极区域702的一个连续箔片块切出极耳700。极耳700不具有至电极702的焊缝且集成至电极700。图7B描绘根据传统焊接方法制成的极耳710。极耳710焊接至电极712。因此，焊缝714存在于极耳710与电极712之间。在阳极和阴极片已组装成电化学电池之后，通过将箔片延伸部分切割成所要形状的极耳而制作集成式极耳。公开的切割工艺(I)几乎不产生碎片，(2)留下干净的边缘，(3)可扩展成批量制造操作且(4)产生彼此90度内的阳极和阴极极耳。这最后一个要求指的是已缠绕电池之后芯包中的极耳对准。优选地，所有极耳对准，即，极耳位于从两个最远极耳的中心测量的90度区域内。因此，所有阳极极耳在彼此90度内且所有阴极极耳在彼此90度内。这个工艺的优选对准是从两个最远极耳的中心的+/-5度，S卩，极耳在彼此10度内。例如，对准可以是从两个最远阴极极耳的中心的+/-5度和从两个最远阳极极耳的中心的+/-5度。超声波切割工艺已用于满足以上工艺限制。超声波切割机使切割工具或角(例如，刀或刀片)高频振动。超声波刀片使用垂直振荡以使刀片通道易于通过通常难以切割的材料。当高频振动时，刀片使其周围的空气分子断键且在刀片与正被切割的材料之间产生几乎无摩擦环境。结果，需要非常小的正常压力来制作干净、准确的切口且刀片寿命长。尽管存在电池制造商使用的招和铜箔片极其可锻的事实，Sonics&Materials (康涅狄格州，纽敦)超声波切割工具仍用于制作极其精确的切口而不会使公开的芯包的裸箔片端有任何破碎。图8描绘具有用来自Sonics&Materials的超声波切割工具切割的多个无焊接型延伸极耳802的电池800。如图8中所示，留下的边缘是干净的且在切割期间产生非常少的碎片。切口用最初为切割轮胎设计的具有双斜角刃口的刀片制作且芯包是手持式。也可以使用具有单斜角刃口的刀片。还可以使用能够切割通过箔片而不产生碎片、留下干净边缘并且可扩展的其它切割技术。虽然图8示出了切割刀片在移除大部分箔片的同时留下箔片边缘，但是为了制造，将移除大至电极涂覆区域的所有箔片。图9描绘放置到罐中的电池。在已切割极耳900之后，接着将极耳耦接至覆盖物910。覆盖物910具有用于将电池连接至外部电路的导电中心端子。覆盖物910还包括围绕中心端子安置的绝缘环914。一旦组装完，导电路径存在于极耳之间且因此存在于连接至卷状组件的那些极耳的电极与覆盖物910的中心端子之间。接着将卷状组件插入至导电罐912中且第二覆盖物(未示出)同时耦接至第二组极耳(在另一电极上)和罐912。一旦覆盖物910已附接至罐912，电解质就可以经由口(未示出)引入至由罐912和覆盖物910界定的内部空间中。在体积已充分地填充之后，塞住口。口可以提供在覆盖物910或或者罐912中。或者，电解质可以在附接覆盖物912之前引入至罐的内部体积。电解质填充流体和凝胶一旦通过已知的技术(诸如真空回填充)形成，就可以插入电池卷中。一种填充电池卷的方法还可以在电池充电和放电期间允许气体交换。
所公开的集成式电池极耳还可用于缠绕棱柱形电池。图10描绘根据本公开的实施方式的具有集成式电池极耳1010、1020的缠绕棱柱形电池1000。缠绕棱柱形电池是通过围绕平板缠绕阳极、阴极和隔离体制造而导致具有棱柱形剖面的扁平电池的电池。如同上文讨论的其它缠绕电池，集电极耳通常在缠绕之前焊接至电极。缠绕棱柱形电池存在与圆柱形电池相同的制造问题。极耳可以在特定公差内对准以适当连接至外部袋或罐。通过使未涂覆的铝和铜箔片延伸到电池的每个端之外(如上文结合芯包圆柱形电池所讨论)，切割工艺可以用于移除不必要的箔片而在所要位置中留下集电极耳条。如上文所讨论，这免除清洁电极，将集电极耳超声波焊接至箔片和构建复杂的极耳对准公式来说明缠绕工艺的需要。此外，改善批量产率、总体电池质量和电池性能，并且降低制造成本。虽然目前传统的电池设计设法为高功率应用提供期望结果，但是本文描述的实施方式允许为高功率和高电流应用提供改进的电特性的阻抗减小的设计。电池内部构件和极耳的较低电阻还减少了从电池的热产生和消散。所述极耳将良好的散热片提供至外部电池组件且防止电池中不需要的生热。在阅读本说明书和实施方式之后，本领域技术人员将了解本发明的不同方面的有用修改和等同替代，而不会脱离本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围并不限于上文讨论的特定实施方式。
权利要求
1.一种缠绕电化学存储装置组件，其包括: 负电极片； 多个负电极极耳，其集成至所述负电极片且从所述负电极片延伸； 正电极片； 多个正电极极耳，其集成至所述正电极片且从所述正电极片延伸；和 隔离片，其安置于所述负电极片与正电极片之间， 其中所述负电极片、正电极片和隔离片围绕共同轴缠绕以形成多个绕卷，且 其中每个绕卷包括一个负电极极耳和一个正电极极耳。
2.根据权利要求1所述的装置，其中对准所述多个负电极极耳和所述多个正电极极耳中的每个。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述负电极片和所述负电极极耳都由铜组成。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述正电极片和所述正电极极耳都由铝组成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述大致上同心绕卷具有大致上圆柱形剖面。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述大致上同心绕卷具有大致上棱柱形剖面。
7.根据权利要求1所述的装置，其中每个极耳具有约3mm至约8mm的宽度。
8.根据权利要求1所述的装置，其中每个极耳具有约8_至约25_的长度。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述极耳中的每个大致上无电极活性材料。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述极耳中的每个具有三角形剖面。
11.根据权利要求1所述的装置，其中每个极耳具有矩形剖面。
12.一种制造电化学存储装置的方法，其包括以下步骤: 将隔离片配置于负电极片与正电极片之间，其中所述正电极片和负电极片中的每个具有大致上无电极活性材料的边缘区域； 围绕共同轴缠绕所述负电极片、隔离片和正电极片以形成缠绕组件；且切割所述边缘区域中的每个以形成多个电极极耳，其中所述盘绕组件的每个绕卷包括用于负电极片和正电极片中的每个的极耳。
13.根据权利要求12所述的方法，其中切割包括超声波切割。
14.根据权利要求12所述的方法，其中对准所述多个电极极耳。
15.根据权利要求12所述的方法，其中每个极耳具有约3mm至约8mm的宽度。
16.根据权利要求12所述的方法，其中每个极耳具有约8mm至约25mm的长度。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述边缘区域中的每个具有约IOmm至约30mm的宽度。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述边缘区域中的每个具有约20mm的宽度。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述极耳中的每个具有三角形剖面。
20.根据权利要求12所述的方法，其中极耳中的每个具有矩形剖面。
21.根据权利要求12所述的方法，其中所述缠绕组件具有圆柱形剖面。
22.根据权利要求12所述的方法，其中所述缠绕组件具有棱柱形剖面。
全文摘要
本公开的一个方面涉及一种缠绕电化学存储装置组件，其包括负电极片；多个负电极极耳，其集成至所述负电极片且从所述负电极片延伸；正电极片；多个正电极极耳，其集成至所述正电极片且从所述正电极片延伸；和隔离片，其安置于所述负电极片与正电极片之间，其中所述负电极片、正电极片和隔离片围绕共同轴缠绕以形成多个绕卷，且其中每个绕卷包括一个负电极极耳和一个正电极极耳。
文档编号H01M4/00GK103155226SQ201180049770
公开日2013年6月12日 申请日期2011年10月13日 优先权日2010年10月15日
发明者M·巴罗内, J·S·梅耶尔伯格, N·瓦拉莫 申请人:A123系统公司