袋装电池的制作方法

本发明涉及电池领域，具体地，涉及一种袋装电池。

背景技术：

随着袋装电池的不断改进，在过去的10年里锂离子电池在消费型电子产品中的应用翻了两番。目前市场年收益接近10亿美元。随着更为大型的锂离子电池在例如混合电子汽车(hybrid electric vehicles，HEVs)等应用中的可预见性引进，在未来的20年里整个市场潜在着大量增长的订单。目前锂离子电池具有多种形式。大体可分类为圆柱形电池(该电池具有硬质的不锈钢外壳且具有卷曲的或激光焊接的头)、棱柱形电池(具有硬质外壳和激光焊接的头的扁平形电池)以及袋装电池(装在薄的铝层压包装中的扁平形电池)。圆柱形电池通常用于电脑和其他便携式电子包装产品。目前扁平形电池，包括袋装电池，多见于较小的消费型电子产品中如手机。然而，更大的袋装电池逐渐被用于高端笔记本电脑和平板电脑，由此轻质的层压包装的电池可以紧密地与装置整合在一起从而最大化装置能量密度和运行时间。甚至更大的袋装电池被用于最流行的EV应用中，以利用该电池形式提供的同样的高能量密度和较好的热特性。已证实长寿命的锂离子棱柱形袋装电池在这些新兴市场中占有主导地位。

尽管袋装电池相对硬壳电池来说具有许多优势，但是它们同样存在许多非常难以克服的独特难题。特别是，电池中任何气体产生将导致该电池像气体那样膨胀，因为这些电池都含在软的层压热封的包装中。锂离子化学性质相对较为活泼，且电池中的气体产生现象可以在许多情形下都会发生。首先，这样的膨胀会损坏包括有该电池的包装或装置，或者影响系统的热控。并且，由于锂离子的化学性质为对暴露于空气高度敏感，而密封质量和强度必然格外的强，因此当袋子最终破裂时电池可能爆炸性地毁坏。为了解决这一难题，许多进步技术使得袋装电池可以在常规操作条件下能够防止或减轻气体产生使其能够得到更为广泛地接受。然而，由于电池包装缺陷或在通常的滥用条件下锂离子化学性质固有的产生过量气体的问题并未得到解决。因此，在某些条件下电池膨胀以及爆炸性地排出可燃电解质的风险成为了电池制造商、OEM代工和他们的消费者最为关注的问题。通常硬壳电池解决该排泄过量气体的问题采取的手段是在电池头部里配置爆破片(rupture disks)，从而电池可以在超过一定压力时进行排气。还发展起来类似的控制袋装电池里气体排放以防止膨胀或爆炸以及燃烧风险的机制。总之，袋装电池存在安全隐患尤其是在滥用条件下。而且由于袋装电池变得越来越大型和高能量密度该问题就越发备受关注。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种锂离子袋装电池排气的新机制，其可适用于几乎所有的袋装电池形式。在该排气装置的具体形式可以变化的情况下，该大体的机制包括位于密封区域里的或上面的受故障激活的加热部件，从而产生的热量可以引起密封分层。对于大多数的袋装电池来说这通常接近密封温度约150℃。该加热部件可以外部供电，或者理想地由该电池自身进行供电。

为了实现上述目的，本发明提供一种袋装电池，该袋装电池包括：包装密封、加热部件和故障开关，其中，当所述袋装电池的内部压力达到指定压力时，所述故障开关将激活所述加热部件产生热量以使得所述包装密封分层，从而所述袋装电池进行排气。

以上排气构思的机制和组件可以设计为与现有的制造方法和常规的电池操作情境完全地相容。最为合适的构造是所有的排气组件都在电池外部，这样便不会存在任何材料穿过密封或平铺于密封里。该构造的优势在于相对于传统的袋装电池来说不会对密封完整性造成影响，更易于制造且具有更好的安全性。在超出的压力排泄后且在密封区域冷却前，反压该排气处的密封区域还可以重新密封该袋装电池。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是常规袋装电池的典型示图，其中，图1a为俯视图且图1b为侧视图。

图2是根据本发明的一种实施方式的袋装电池的大体示图。

图3是根据本发明的另一种实施方式的袋装电池的大体示图。

图4展示了膨胀构思的简单示图。

图5展示了在袋装电池里形成的点密封的简单示图。

图6展示了带有点密封的改进的压力开关机制的简单示图。

图7是根据本发明的另一种实施方式的袋装电池的大体示图。

图8是根据本发明的另一种实施方式的袋装电池的大体示图。

图9展示了能够重新密封排气后的袋装电池的加压装置的示图。

附图标记说明

1：包装密封(packaging seal)；2电池杯体(cell cup)；3：电极果冻卷(electrode jellyroll)；4：极耳；5：压力开关；6：加热部件；7：导线；8：凹窝(concave dimple)；9：导电材料；10：空隙部(void area)；11：点密封(point seals)；12：电池框架；13：第一导电材料；14：第二导电材料；15：加压装置。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供一种袋装电池，该袋装电池包括：包装密封、加热部件和故障开关(fault switch)，其中，当所述袋装电池的内部压力达到指定压力时，所述故障开关将激活所述加热部件产生热量以使得所述包装密封分层，从而所述袋装电池进行排气。

根据本发明，能够激活所述加热部件的所述故障开关为以下所列的至少一种：压力开关、电池管理系统中的电子开关或者温控开关，或者其他触发机制或者这些机制的组合只要能够激活所述加热部件即可。

根据本发明，所述袋装电池可以为本领域常规的各种袋装电池，只要该袋装电池存在排气问题，特别优选为锂离子袋装电池。

常规的锂离子袋装电池的俯视图(图1a)和侧视图(图1b)如图1所示。图1中，包装材料的一面或两面都预成型为杯体(以下称作电池杯体2)，其中配置有电极果冻卷3(或者电极堆栈)。通常先将该电池的三侧密封(包括极耳侧)且在装入电解质后进行最终的真空密封以完成该过程，由此得到包装密封1。根据锂离子技术，在电池密封后，在成型前通常还会进行电极热层压或聚合处理(或者别的可能的处理)。为了确保较长的寿命，电池周围的密封非常关键。操控其他材料例如极耳4穿过该密封是制造这一类型的电池中最为困难的方面。通常极耳提供有预施加的聚合物层(其位于极耳将要穿过密封处)。该预施加的聚合物层可以确保极耳周围密封的袋子间没有形成间隙，且该层能够在极耳密封侧为极耳材料(Ni或Al)和铝层压包装之间提供强粘附作用。该密封技术，已发展且优化了多年，使得商业化的袋装电池能够成功地普遍开来。

通常情况下，锂离子袋装电池的外壳是由薄的弹性的铝层压材料制得。不同于金属的外壳，袋装电池外壳并不能够为电极堆栈或果冻卷提供堆叠压力。该层压材料是在铝箔外表面涂布上为板材提供机械强度聚合物单层或多层而在铝箔内表面则涂布有可以密封(采用热密封机)的聚合物单层或多层。通常用于密封的聚合物的厚度为约100μm-约150μm(这也取决于所用聚合物的量/厚度)。通常包装密封是通过以下过程制得，即将上下层压板材面对面至于两个加热棒之间并根据特定的密封层、密封尺寸和层压材料热质量在指定的压力、温度(例如约180℃-200℃)和时间(例如2-6秒)下将它们压在一起。密封聚合物层(通常是指聚乙烯或聚丙烯)的实际熔融/分层温度在120-160℃范围内。由于包装必须保护电池数年避免水和空气进入，因此密封宽度、质量和均匀度都是严格要求的。

在锂离子电池中，正极通常为金属锂氧化物例如LiCoO₂以及负极通常为石墨，该石墨可以可逆地交换锂离子形成LiC₆。LiC₆具有高反应性，其电压仅比金属稍微高一些。当锂离子电池组装完成后第一次充电时，电解质将在负极表面还原，产生一些气态产物，但还会形成稳定层(表面电解质界面，Surface-Electrolyte-Interface，SEI层)，这可以限制电解质进一步的任何反应。在正极处的气体产生反应通常可以通过限制电压来避免，由此正极材料(cathode material)不会变得过度氧化和不稳定。通过控制电解质的化学过程，该SEI层可以设计为在第一次循环后，锂离子电池在常规的操作期间就几乎不会有额外的气体产生。然而，在滥用条件下，锂离子电池将被推出稳定区域，从而高反应性的电解质材料可能产生大量的热量和气体。

锂离子电池的滥用条件包括多种情况。例如，在超出其最大电压(通常为约4.2V)下对电池进行过度充电，将电池在高于规定温度下加热(尤其是在高度充电状态下)，或者短路电池(这将快速地产生大量热量)，这些都可能导致电池灾难性地失效。随着离子电池加热至越来越高的温度，在负极上的SEI层最终将降解由此加速电极和电解质之间的热量和气体产生。在高度充电状态下，这些反应将产生足够的热量最终诱发高度充电的金属锂氧化物正极分解，伴随释放氧气。如果不中断该逐渐上升的放热过程，电池最终将形成充足的气压，从而最好情况下该电池失效时仅排气不燃烧，或者最糟糕的是，该电池将发生爆炸并伴随着电解质和电池燃烧。鉴于此，失效锂离子电池的排气控制是非常重要的安全问题。

本发明中，提供了一种能够在电池内部压力溢出时进行排气的袋装电池。图2展示了根据本发明的一种实施方式的袋装电池的大体示图，其显示了使得锂离子袋装电池排气的关键部件。该实施方式中的两个关键部件为可逆的压力开关5，一旦电池内部压力溢出其将连接负极和正极；以及加热部件6，其利用来自电池(cell)或电池组(battery)的能量以充分地加热使得在加热部件附近的密封分层，依次为气体释放打开通道。

根据本发明，所述袋装电池的一种独特的机制为利用来自电池或电池组的能量为所述加热部件提供充分的电力，从而密封会脱层。短路的锂离子电池通常将在最后的数秒内以高于2C倍率进行放电且如果电阻够低的话经常会以更高的倍率进行放电。对于5Ah电池来说这相当于约36W。对于20Ah的电池来说则是4倍，或者为144W，便于启动所述加热部件。如上所描述的，所述包装密封通常包括两层聚丙烯层或聚乙烯层，通过施加热和压力将它们结合在一起。这些聚合物的熔点在约100℃-160℃范围内。因此，所述加热部件需要达到该熔点或者更高的温度例如约200℃，以足以弱化周围的密封区域以便使其分层，或者足以被内压推开。在本发明中，通过采用一个简单的公式来估算产生分层所需的热量的能量，该公式为：

ΔEt＝m·C·ΔT

其中，假定聚合物材料的比热(C)约为1J/kgK，聚合物质量(m)约为1g，温度变化(ΔT)约为200℃(从0℃升至200℃)，从而仅需约0.2J的能量。假定电池电压约为3.4V，以及时间长度约为1秒，那么这相当于约0.2W的功率。在电路电阻约为60Ohm时，所需电流仅为约60mA。这相当于1.6W/cm²的加热部件，大小为0.13cm²，许多的加热装置都可以满足要求。加热密封界面至分层温度例如约200℃所需的这样低功率量可以轻易地由大多数的锂离子电池提供。

加热部件

根据本发明，优选情况下，所述加热部件应当具有以下所列的特性中的一种或多种：

(1)其应当快速发热至所需温度并快速加热密封区域至充分高的温度以实现分层。

(2)在压力机关促发后其应当具有在持续短的时间范围内引发排气的能力。

(3)其应当最小化任何电池组件或电池组组件燃烧的风险。

(4)其优选完全配置于密封外部。

(5)其应当设计为具有能够与不同的电池形式和热质量相容的能力。

(6)该装置应当具有在促发后的不同时间段里进行排气的能力。

(7)其应当易于加到电池上且具有较高的可靠性和产率。

(8)其成本应当为较低。

(9)其应当具有能够在排气后重新密封电池密封的潜力。

这意味着，所述加热部件可以配置于所述包装密封的两层之间或者配置在所述袋装电池外部的包装密封上，优选地，所述加热部件可以配置在所述袋装电池外部的包装密封上(也即配置在电池外部的密封区域上面，并与包装密封的外表层接触)，这种情况将对本发明的设计和商业可行性上带来非常积极的作用，因为这将大大地简化将排气部件(包括所述加热部件和所述故障开关)加到传统的锂离子电池的制备步骤。最优选地，所述加热部件配置在位于极耳侧的包装密封上(也即将加热部件配置于极耳密封侧的包装密封上，且与该包装密封的外表层接触)。

根据本发明，所述加热部件可以采用任何加热器，只要其可以获得以上所述的效果，优选地所述加热部件为镍铬合金线或卡普顿加热器(Kapton heater)。考虑到包装材料和加热部件之间的附着性，更优选采用镍铬合金线(例如约0.07mm-0.3mm的直径)作为所述加热部件。作为所述加热部件的镍铬合金线的构型可以为多种多样的。对于配置于包装密封的两层之间的情况，镍铬合金线优选的构型为单弯或多弯结构，且该线仅一半多点(例如半弯多点)穿入密封并非全部穿过密封(即位于密封处，并未穿破密封)，由此确保气密性。对于配置于包装密封外部的情况，镍铬合金线优选的构型为单弯或多弯结构，且该线粘在或附着在密封区域表面上。

如上所述的，根据本发明的加热部件可以产生热量，包括通过外部电源或通过袋装电池或电池组自身，以分层包装密封实现袋装电池的排气，优选地所述加热部件通过袋装电池自身来产生热量。在这种情况下，如图2所示当所述袋装电池的内部压力达到指定压力时，所述加热部件6、所述故障开关(优选为压力开关5)和所述袋装电池的两个极耳4将电连接形成闭合电路以短路所述袋装电池以此使得所述加热部件产生热量进而所述包装密封1分层。

如上所述的，根据本发明的一种实施方式，所述加热部件由所述故障开关激活，所述故障开关可以为压力开关、电池管理系统中的电子开关或者温控开关、或其它触发机制或者这些机制的组合只要能够激活所述加热部件即可。

根据本发明的一种优选的实施方式，所述故障开关为压力开关。

压力开关

根据本发明，优选情况下，所述压力开关应当具有以下所列的特性中的一种或多种：

(1)其应当是可逆的，从而一旦电池排气其将阻止电池持续通过加热部件放电。

(2)其应当在较窄的压力范围内快速激活。

(3)其应当设计为具有适于对不同压力反应的能力。

(4)其应当设计为具有适用不同电池形式的能力。

(5)其应当能够免于偶然性促发。

(6)其应当利于附着电池上且具有较高的可靠性和产率。

(7)其成本应当为较低

如上所述的，本发明的压力开关能够被电池内的过高压力所触发，然后触发的压力开关将激活加热部件产生热量以使得所述包装密封分层。在一种优选的实施方式中，上面所提及的电路将因触发的压力开关而闭合，从而短路该袋装电池，由此使得该短路的袋装电池自身作为所述加热部件的电源，使其产生热量。

总的来说，本发明的压力开关依据的主要构思为利用电池内部产生压力下造成的包装形状的变化。

根据本发明，优选情况下，如图3所示的，所述压力开关5包括：

形成于所述包装密封的侧面里面的凹窝8(concave dimple)，

附着于所述凹窝8里面的导电材料9，以及分别与所述加热部件和所述袋装电池的一个极耳连接的两条导线7，且该两条导线7在所述凹窝8处未接触；其中当所述袋装电池的内部压力达到指定压力时，将导致所述凹窝8向外鼓从而使得附着于所述凹窝8内的所述导电材料9与所述导线7接触以连通所述电路(以上所提的短路所述电池的闭合电路)。

该处所述的压力开关也可以称作凹窝压力开关。该凹窝8可以以任何方式形成只要能够在袋装电池的包装里形成凹型的空间即可，这样可以使得所述导电材料9附着在里面，以便利用电池内部产生的压力触发所述压力开关连通上面所提及的电路。例如，所述凹窝可以以非常简单的采用圆形共聚从电池外部包装上往里挤压的方式形成。所述导电材料和导电线可以为任何导电材料，例如为铜箔。

根据本发明，优选情况下，所述压力开关包括：

弹簧，以及

两条导线；

其中，所述弹簧配置在该两条导线间，该两条导线分别与所述加热部件和所述袋装电池的一个极耳连接，且该两条导线在所述弹簧处未接触；

当所述袋装电池的内部压力达到指定压力时，所述弹簧将充分压缩以闭合所述电路，而一旦排气完成，该弹簧将分开(也即推开)该两条导线。

在该情况下，所述弹簧将为袋装电池膨胀产生的压力提供阻碍，直到该弹簧充分压缩从而上述电路闭合。一旦电池排气后，同一弹簧又将在袋装电池膨胀产生的力的下降时通过将导线推开以确保所述电路断开。

根据本发明的一种特别优选的实施方式，如图7和图8所示的，所述袋装电池还包括放置袋装电池的电池框架12，且所述压力开关包括：

位于电池杯体2的外边缘和所述包装密封1的内边缘之间的空隙部10，任选施加于该空隙部10处的点密封11，

配置于所述空隙部10的外部的第一导电材料13，以及

附着于所述电池框架12上的第二导电材料14；

其中，所述第一导电材料13和第二导电材料14彼此隔空相对(即二者面对面配置，但是并未接触，相对的面之间存在空间，该隔空相对的可以是位于空隙部处的部分的所述第一导电材料13和第二导电材料14)，所述第一导电材料13与所述加热部件6相连接，且所述加热部件6和第二导电材料13分别与所述袋装电池的一个极耳4连接；

当所述袋装电池的内部压力达到指定压力时，所述电池杯体2将膨胀以使得所述第一导电材料13和第二导电材料14接触进而连通所述电路；

而一旦排气完成，该电路将通过所述第一导电材料13和第二导电材料14的分离而自发地断开。

在上述实施方式中，该构思(以下称作膨胀构思)将使得包装以可控的方式进行膨胀，由此激活开关。图4展示了膨胀构思的简单示图。其中，所述包装密封1沿着杯体边缘设置(实践中在极耳处并不完全符合)。框架12则位于预成型的杯体2周围且在该密封上方(这是棱柱型袋装电池堆叠在锂离子电池包(battery pack)里的常规构型)，需要注意的是，一侧的密封已稍微远离杯体的边缘，从而在电池里形成了空的空隙部10。一旦受压，该空的空隙部10将往外膨胀并将杯体外边缘推至框架处。在实际的袋装电池中，其极耳侧便具有这样的空间，该空间将在受限的电池受压时首先膨胀，因此，优选地，所述空隙部位电池杯体和极耳侧密封之间的空隙。

为了能够更好地控制袋装电池开始膨胀的压力，或者控制足以闭合所述电路的压力，如图5c所示，优选在所述空隙部10处施加点密封11。图5a中，显示在电池杯体的外边缘21和包装密封1之间不存在空隙部，而图5b显示在电池杯体的外边缘21和包装密封1之间形成有空隙部10，正是通过该空隙部10，所述膨胀构思才得以实现。而图5c进一步显示了如何施加点密封。通过施加的点密封，可以增加袋装电池膨胀的阻力，但是施加的点密封将在合理的压力下被推开以使袋子膨胀而关闭所述开关。

根据本发明，图6展示了带有点密封11的改进的压力开关机制的简单示图，其中，点密封11配置于在电池杯体和所述包装密封1之间的空隙部中。图6a中，给出了该实施方式的侧视图，图6b显示在所述点密封11存在时电路为断开的状态，然而当所述点密封被电池或电池组的膨胀而破坏时电路闭合，如图6c所示。

在以上优选的实施方式中，所述第一导电材料和第二导电材料可以为任意导电材料，例如为铜箔。如图7和图8所示，所述第一导电材料13和第二导电材料14相对地放置，且并未连接，但是可以在电池膨胀至一定水平后将二者推至相互接触。其中，所述第一导电材料13依次与所述加热部件6和一个极耳相连(即第一导电材料13-所述加热部件6-一个极耳)，同时所述第二导电材料14附着于所述电池框架上并与另一个极耳连接，当膨胀的袋装电池将第一导电材料13推至与所述第二导电材料14接触时，所述电路将在所述第一导电材料13、所述第二导电材料14、所述加热部件6和两个极耳4电连接时达到闭合，然后因闭合电路而短路的袋装电池将使得所述加热部件6产生热量以使的所述包装密封分层(指的是所述加热部件6配置的密封区域分层)，由此袋装电池排气。而一旦排气完成，该电路将通过所述第一导电材料13和第二导电材料14的分离(也应当是自发地分离)而自发地断开。

根据本发明，优选地，所述袋装电池还包括加压装置，一旦排气完成且电路断开，所述加压装置将对排气的密封侧施加压力以重新密封。该重新密封的构思是指对密封区域施加反压力以使得在电池排气时且加热部件关闭时，然后所述加压装置快速地将所述袋装电池的两侧(仍然热的)压在一起，从而它们可以在粘结的聚合物层冷却时重新密封上，就跟采用了加热密封机一样。图9展示了能够重新密封排气后的袋装电池的加压装置的示图，其中，所述加压装置15配置于因所述加热部件引起排气的密封区域处。图9a中，在排气前，所述加压装置15的弹簧保持着松弛状态，然后如图9b所示在膨胀过程中电池内部的压力将其压紧，最后如图9c所示，一旦排气完成，所述加压装置15的弹簧将恢复松弛状态以反作用于排气区域并将其重新密封。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例用于说明本发明的袋装电池。

如图7和图8所示，组装一个约2Ah的袋装电池，其中，采用长度约为1cm且直径约为0.1mm的镍铬合金线作为所述加热部件，且将其置于袋装电池外的密封区域上。将在果冻卷和极耳密封侧之间存在的天然的空隙部作为袋装电池膨胀部分以用作压力机关。将一铜箔片置于并横跨该空隙部上，从而使其与附着在支撑电池的电池框架上的铜箔相对设置。正极极耳通过导线与框架上的铜箔(与施加于电池上的铜箔相对)相连。袋装电池上的铜箔沿着电池杯体外边缘与镍铬合金线相接。该镍铬合金线的另一端则通过导线与电池的负极端相连。并且，通过烙铁在上述空隙部处施加2个额外的点密封(具有较弱粘结作用)。

为了模拟产生过量气体的袋装电池，将来自空气压缩罐的空气泵入至袋装电池中对其进行加压。当其内部压力达到10psi时，电池快速膨胀，推开点密封，激活压力机关，闭合电路从而镍铬合金线产生热量，最终电池在约5秒内排气。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。