具有电池管理系统、多个单元子组和气密性壳体的电池的制作方法
【专利说明】具有电池管理系统、多个单元子组和气密性壳体的电池
[0001 ]该非临时专利申请要求于2013年8月9日提交的临时专利申请61/864，342以及于2013年9月16日提交的临时专利申请61 /878，484的较早申请日期的权益。
[0002]本发明的实施例整体涉及电池，并且更具体地涉及电池芯结构的气密性封装或包封。还公开了其他实施例。
【背景技术】
[0003]电池由形成其芯结构的一个或多个电化学单元构成，其中每个单元可包括由电解质分开的阳极和阴极和/或其他部件。例如，锂离子电池单元可包括具有锂钴氧化物层的阴极、置于阴极上方的隔板层和置于隔板层上方的阳极。此类层中的一者或多者可能对包括水分和氧气的环境暴露敏感。因此，一个或多个单元的组件可以气密性密封的方式被包封或封装，以便保护组件免受水分、氧气和/或可能毁坏芯结构的其他环境成分的影响。
[0004]传统的电池芯包封涉及将电池芯置于下袋片和上袋片之间，然后气密地密封这些袋片。袋片材料是金属层或箔片层合体，即层合在电绝缘层之间的金属箔片。为了减少袋片占用的空间，边缘被折叠。然而，折叠部分仍然添加到成品电池的水平维度。并且，密封本身是有机扩散区，并不作为金属区起作用。此外，折叠部分可能在芯与袋内部之间留出空的空间，从而进一步增大水平维度。这对于薄膜电池尤其令人关注，薄膜电池由纳米或微米厚度范围的薄材料构成并且允许成品电池只有几毫米厚，而具有例如几十毫米数量级的长度或宽度。此类电池可能需要装配在例如该电池被结合到其中的消费者电子设备中的非常有限的空间内。成品电池的尺寸的任何增大，尤其是壳体内部的未被能量存储或活性单元材料占据的区域的任何增大将减小电池能量密度(除非芯的尺寸成比例地增大)。
【发明内容】
[0005]本发明的一个实施例是具有气密地密封的壳体的电池，电池单元芯容纳在所述壳体内部，所述芯具有多个单元子组，每个单元子组包括至少一个电池单元。所述壳体具有形成于其中的导电路径，每个单元子组通过所述导电路径单独地连接到电池管理电路。
[0006]在一个实施例中，电池管理电路通过所述导电路径单独地感测所述单元子组中的每个单元子组的电压。在另一个实施例中，电池管理电路例如响应于感测到失效单元或从外部系统接收到改变电池的主输出电压的命令而使用所述导电路径来将单元子组中的任一单元子组与单元子组中的另一单元子组串联或并联连接，其中电池的主输出电压可通过一对外部电池端子来提供。
[0007]在一个实施例中，气密地密封的壳体包括其中保持芯的金属盒体。非导电顶盖覆盖盒体的开口，其中顶盖的周边沿盒体的边界结合到盒体以密封所述开口。在一个实施例中，盒体与安装的顶盖的组合用作容纳在其中的电池芯所需要的唯一的气密性壳体或封装。非导电路径中的至少一些非导电路径形成于所述顶盖中。顶盖可主要由在其中可形成导电路径的水分不可渗透的电绝缘材料诸如陶瓷，例如基于氧化铝和锆的陶瓷制成。所述一对外部电池端子也可暴露在顶盖的外表面。
[0008]在一个实施例中，形成于顶盖中的导电路径中的每个导电路径提供盒体内部的单元子组中的相应一个单元子组与暴露于盒体外部的外部部分之间的单独电流路径。在这种情况下，管理电路的部分或全部可被安装在顶盖的外表面上，同时连接到导电路径的外部部分。另选地，管理电路的部分或全部可嵌入导电顶盖内(同时管理电路也耦接到提供主输出电压的所述一对外部端子)。
[0009]在另一个实施例中，管理电路的部分或全部可位于气密地密封的壳体内部，在单元芯与顶盖之间。在这种情况下，单元子组与管理电路之间的连接中的一些连接可不形成于顶盖内，而是通过例如位于壳体内部的柔性电路来形成。
[0010]顶盖可利用例如有机环氧树脂或胶粘物结合到盒体，以沿顶盖的整个边缘封闭盒体开口中的顶盖与盒体之间的间隙。在另一个实施例中，顶盖具有沿其边缘或周边(例如整个边缘)形成的金属化部，并且在这种情况下，顶盖可通过顶盖金属化部与盒体壁边缘之间的金属和金属结合(例如焊合、铜焊、焊接)而被结合到盒体。
[0011]在一个实施例中，盒体是具有六个面的预成形的金属矩形棱柱或多面体。盒体具有单个未成形的面，从而限定电池芯结构可通过其插入盒体中的单个开口。盒体可具有高的纵横比，并且开口可以是盒体的整个侧面。描述了构成盒体的其他方式。例如，盒体的单个开口可以是整个顶面(而不是侧面)，使得盒体大体上类似于桶。电池芯在这种情况下从开放顶部被插入桶中。为了封闭此类盒体，四面金属件可被形成并沿其三个面结合到盒体开口边界。顶盖被定位在顶部金属件附近，并且可沿其一个边缘结合到顶部件的自由边缘，并且沿其他三个边缘结合到盒体开口边界。桶可被成形为不是矩形棱柱，诸如是椭圆形的、三角形的、五边形的、六边形的和不规则的。在这样的情况下，顶盖可以是椭圆的、三边的、五边的、六边的和不规则边的，以适合桶的顶部开口。可使用电铸方法来制备盒体的各种实施例，这可得到相对薄的盒体壁。然而，也可使用更低成本的传统的金属拉制方法，尤其是在桶状盒体和顶部件的这种情况下。
[0012]在另一方面，盒体可以是四面的(四个接合面)，并且其开口由两面(两个接合面或L形)顶盖来密封。在另一个实施例中，盒体可以只是三面的(三个接合面)，并且顶盖也是三面的。将那两者放在一起将又形成六面棱柱。此类技术可使得更容易将芯插入或定位在盒体中。在另一个实施例中，盒体可以是桶体(上面提到的形状中的任一者)，其中不仅缺少顶侧或面，而且还缺少侧壁中的一个侧壁。再次，在这种情况下，适当成形的顶盖接合到桶体(并沿顶盖与桶体之间的间隙密封)，从而形成电池芯位于其中的气密地密封的壳体。
[0013]在另一个实施例中，盒体被形成为框架，其中例如四个侧面接合而保留开放的顶面和底面，使得盒体由两个分开的顶盖件密封，即顶部件和底部件，它们中的一者或两者可主要由非导电材料制成，并且它们中的一者或两者可具有形成于其中的导电路径以便与盒体内部的单元子组连接。
[0014]顶盖可包含主(+)和(_)外部电池端子，和/或其可包含连接到构成单元芯的单独单元子组的多个导电路径，从而使得能够连接到管理电路以为了监测目的而单独寻址每个单元子组和/或以在单元子组之间进行并联或串联连接。除了板部分之外，顶盖还可具有可向外延伸(例如基本上垂直于板)的一体成形的平台或舌状物。该平台可包含可用于将成品电池安装到例如消费者电子设备中的特征，诸如机械附接机制(例如螺纹连接孔、联锁装置、扣合或弹性联锁装置)。
[0015]在另一方面，电池芯被处理以形成其四周的一体化或“原位形成”的壳体。芯通过被涂覆有介电层(例如派瑞林(parylene)涂层)而被电绝缘，然后水分阻挡层被直接金属化到派瑞林覆盖的芯上。在这种情况下，金属化部可与端盖材料(例如陶瓷)重叠。作为一种另选形式，顶盖可被省略，例如如果外部电池端子或连接器能接合到芯的单元端子并且电绝缘(以避免在施加水分阻挡金属化部时的电气短接)的话。
[0016]在另一方面，描述了可有助于实现电池芯叠堆的尺寸上的紧密度容限使得芯叠堆能够更容易地插入盒体中的用于在薄膜电磁矩形棱柱芯叠堆的阴极或阳极层之间形成电连接的各种技术。
[0017]本发明的另一方面是可用于抑制薄膜电池芯叠堆的衬底弯曲的技术，这又有助于满足叠堆的尺寸上的紧密度容限水平。
[0018]以上概述不包括本发明的所有方面的详尽列表。可预期的是，本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的【具体实施方式】中公开并且在随本专利申请提交的权利要求中特别指出的各种方面的所有合适的组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述
【发明内容】
中具体阐述的特定优点。
【附图说明】
[0019]本发明的实施例以举例的方式进行说明，而不仅限于各个附图的图示，在附图中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，本公开中提到本发明的“一”或“一个”实施例未必是同一实施例，并且它们表示至少一个实施例。而且，某个附图在这里可用于示出本发明不止一个实施例的特征，并且并非附图中的所有元素对于给定实施例都是需要的。
[0020]图1是一种示例性盒体和顶盖以及待通过盒体开口插入盒体中的电池芯的透视图。
[0021]图2是其中电池芯完全插入盒体中并且顶盖已密封盒体开口的图1的电池的透视图。
[0022]图3A、3B是桶状盒体的透视图和剖面图。
[0023]图4为另一个盒体和顶盖组合的透视图。
[0024]图5A、5B在透视图中示出一种示例性电池芯可如何电连接到顶盖中的通过一对外部端子提供电池的主输出电压的导电路径，以及顶盖可如何密封盒体开口。
[0025]图5C是根据本发明的若干实施例的安装到盒体开口中的顶盖的剖面图。
[0026]图f5D是参考多射注塑方法的顶盖的剖面图。
[0027]图6是安装到盒体开口中的顶盖的剖面图，其中顶盖在其中具有连接到多个电池单元子组的多个导电路径，并且电池管理电路也连接到该多个导电路径。
[0028]图7A、7B示出如何能够在电池芯叠堆的电化学活性(电极或极)层之间形成拐角连接的透视图。
[0029]图7C示出了利用“折角”方法在电池芯叠堆的电极层之间形成连接的另一方式。
[0030]图7D示出了利用导电柱式结构和粘附方法在电池芯叠堆的电极层之间形成连接的另一方式。
[0031]图7E示出了在电池芯叠堆的电极层之间形成连接的另一方式，即穿过凹口引线键合方法。
[0032]图7F示出了在电池芯叠堆的电极层之间形成连接的另一方式，即使用柔性电路或其他印刷电路板和在电极层的面处接合的引线键合。
[0033]图7G示出了在电池芯叠堆的电极层之间形成连接的另一方式，即使用柔性电路和在电极层的边缘处接合的引线键合。
[0034]图7H示出了将电极层连接到柔性电路的引线键合能够如何被定位在电池芯叠堆的拐角处以利用盒体内部的开放拐角空间。
[0035]图71示出了利用电极层的折叠的突出部延伸部在电池芯叠堆的电极层和柔性电池之间形成连接的另一方式。
[0036]图7J示出了利用通过电极层的对准的突出部形成的竖直连接来在电池芯叠堆的电极层和柔性电路之间形成连接的另一方式。
[0037]图7K示出了利用其中柔性电路缠绕每个单元子组叠堆的三个侧面的“插页”方法在电池芯叠堆的电极层和柔性电路之间形成连接(以到达顶盖中的导电路径)的另一方式。
[0038]图7L示出了顶盖可如何具有安装在其内侧面上的板到板连接器以通过连接的柔性电路聚集来自电极层的连接。
[0039]图8是其上具有一体化或原位形成的金属壳体的电池芯的剖面图。
[0040]图9A示出了使用薄膜电池芯叠堆的衬底的背面上的平衡膜来有助于在衬底的相对面上形成阴极期间减轻衬底弯曲。
[0041]图9B、9C、9D示出了用于形成具有背面应力平衡膜的薄膜电池芯叠堆的部分的不同方法。
【具体实施方式】
[0042]现在将参考所附附图来解释本发明的若干个实施例。每当在实施例中描述的部件的形状、相对位置和其他方面未明确限定时，本发明的范围并不仅局限于所示出的部件，所示出的部件仅用于例证的目的。另外，虽然阐述了许多细节，但应当理解，本发明的一些实施例可在没有这些细节的情况下被实施。在其他实例中，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免模糊对本【具体实施方式】的理解。
[0043]图1和2示出了本文所述的气密地密封的电池的一个示例性示例的透视图。这些附图示出了可如何利用预成形的金属盒体为电池芯或电池芯组件提供气密地密封的壳体，该电池芯或电池芯组件可以是薄膜电池叠堆。具体地，图1是可包括盒体2、顶盖4以及待通过盒体开口插入盒体2中的电池芯3的电池的一个分解透视图。图2为图1所示的电池组装起来的一个透视图。如此处所示，电池芯可被定位在盒体2内，并且顶盖4可被密封到盒体以覆盖盒体开口。盒体2和顶盖4一起可形成其中可保持电池芯3的气密地密封的外壳。
[0044]盒体2和顶盖4形成的壳体可具有任何合适的几何形状。在一些变型形式中，壳体可以是具有基部形状的棱柱。例如，在图1和2中所示的变型形式中，基部形状是矩形，使得壳体是矩形棱柱。在其他变型形式中，基部形状可以是三角形、圆形或椭圆形、C形、其他多边形、不规则形状等。当壳体具有棱柱形状时，盒体也可具有包括一个或多个开口的棱柱形状。例如，图1和2中的盒体具有矩形棱柱形状，但是其可具有其他形状，诸如以上所列出的形状。在所示示例中，盒体具有电池芯3(也被称为单元芯或薄膜单元叠堆)可通过其被插入的单个开口 1。盒体的多面体