专利名称：非水电解质电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及包括用密封盖密封的容器的非水电解质电池和制备非水电解质电池的方法。
近年来，伴随电子技术的发展，电子设备趋向于高性能、小型化和便于携带。相应地要求用于电子设备的电池具有高的能量密度，为满足该要求，已积极致力于研制非水电解质电池。尤其是，比传统电池性能要高的锂电池或锂离子二次电池，例如高电动势3或4V，已用于各种便携式电子设备例如摄录一体机、手机和笔记本个人电脑。
至于锂或锂离子电池的电解质溶液，已使用将锂基电解质盐如LiPF6所代表的电解质溶解在碳酸酯如低分子量碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯或碳酸二乙酯所代表的非水溶剂中而得到的溶液。这是因为电解质溶液具有相对高的导电率并且电位稳定。
在上述非水电解质电池中，电解质溶液含有如上所述的有机溶剂，因此，例如当电池的布线短路或电池异常发热时，电解质溶液会蒸发并分解，产生气体。如果该气体的产生速率为特定值或更大，密封容器的内压会迅速地增大。
为解决该异常情况，已知具有
图1所示结构的非水电解质电池。
非水电解质电池100包括螺旋卷绕正极101、隔板102和负极103的叠层而形成的电极体104；用于容纳电极体104的容器105；设置在容器105底部上、用于防止电极体104与容器105电接触的绝缘板106；以及经过绝缘垫圈113对容器105上端的开口捻边而固定的密封盖组件107。密封盖组件107包括与电极体104相对设置的盘状内盖体108；经过挠性薄膜形成的阀膜109而设在内盖体108的环状部分上的PTC元件110；以及其周边缘与PTC元件110接触的帽形电池盖111。内盖体108和PTC元件110的每个在其中心部分具有通孔，并且电池盖111在其台阶部分具有排气孔111a。正极引线112的一端连接到电极体104的正极101，而其另一端连接到密封盖组件7的内盖体108的背面。
在具有上述结构的非水电解质电池100中，例如，如果由于过充电，大于正常电流的电流提供给电池100，那么位于内盖108和电池盖111之间的PTC元件110的电阻随温度升高而迅速升高，从而停止电流供给，由此防止非水电解质电池100的内压升高。而且，如果产生分解气体并且非水电解质电池100的内压达到特定值，那么分解气体通过内盖体108内打开的通孔，从而熔化位于内盖体108上的阀膜或使其断裂。结果，分解气体通过阀膜109的断裂部分、PTC元件110中打开的通孔、以及电池盖111中打开的排气孔111a而排放到非水电解质电池100的外面，从而降低非水电解质电池100中的内压。
另外，如图1中箭头I所示，从阀膜109的断裂部分排放的部分分解气体通过电池盖111的排气孔111a直接排放到非水电解质电池100的外面，而不与电池盖111的内侧相碰。直接通过排气孔111a的该部分分解气体相对于非水电解质电池100的高度方向倾斜地排放，从而对非水电解质电池100产生动力。
图2是表示图1中圆圈部分H的放大图。参照图2，如箭头J所示，一旦部分分解气体与电池盖111突出部分的内侧相碰，并且沿与非水电解质电池100的高度方向基本垂直的方向从排气孔111a排放，如箭头K所示。然而，在该方向排放的部分分解气体与向内弯曲容器105的开口边缘形成的捻边部分相碰，并且在非水电解质电池100的高度方向上流动，如箭头L所示。
结果，产生的问题是非水电解质电池100被分解气体排放所产生的动力推动，对外围设备产生不利影响。而且，使阀膜109断裂的分解气体以高速从排气孔111a排放，对非水电解质电池100的动力由此变得更大。结果，产生的问题是分解气体的排放对非水电解质电池100的推动变得更大。
本发明的目的是提供一种非水电解质电池，它能够防止在异常状态下产生的分解气体释放所产生的动力对非水电解质电池的推动，以及提供制备该非水电解质电池的方法。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供一种非水电解质电池，包括至少具有正极和负极的电极体；底部封闭的圆柱形容器，其中容纳电极体和非水电解质溶液；以及用于封闭容器开口部分的盖体，其中，盖体具有构成盖体圆周边缘部分的盖部分；构成盖体中心部分的突出部分；以及具有排气孔并且位于盖部分和突出部分之间的台阶部分，并且具有通孔的金属板位于盖体和电极体之间。
凭借该结构，异常状态下容器中产生的分解气体通过金属板的通孔，此时分解气体的排气通路适当地限制在容器的径向，分解气体与盖体内侧相碰。结果，能够充分减慢分解气体的排放速度并且把分解气体的排放方向控制在沿基本上垂直于电池高度方向的方向。
按照本发明的第二方面，提供一种非水电解质电池，包括至少具有正极和负极的电极体；底部封闭的圆柱形容器，其中容纳电极体和非水电解质溶液；以及用于封闭容器开口部分的盖体，其中，盖体具有构成盖体圆周边缘部分的盖部分；构成盖体中心部分的突出部分；以及具有排气孔并且位于盖部分和突出部分之间的台阶部分，并且突出部分形成大致圆形且基本上平整。假设基本上平整部分的直径是A并且容器的外径是C,A和C满足关系0.55≤A/C≤1。
凭借该结构，异常状态下容器中产生的分解气体一旦与盖体内侧相碰，结果就会减慢分解气体的排放速度并且把分解气体的排放方向控制在基本上垂直于电池高度方向的方向，从而分解气体通过盖体的排气孔排放到电池外面。
按照本发明的第三方面，提供一种非水电解质电池，包括至少具有正极和负极的电极体；底部封闭的圆柱形容器，其中容纳电极体和非水电解质溶液；以及用于封闭容器开口部分的盖体，其中，盖体具有构成盖体圆周边缘部分的盖部分；构成盖体中心部分的突出部分；以及具有排气孔并且位于盖部分和突出部分之间的台阶部分，通过向内弯曲容器开口部分的外圆周边缘形成的捻边部分来保持盖体，在突出部分侧面上的排气孔的端部高度位于捻边部分的顶部和突出部分之间的中间，假设在捻边部分的顶部在突出部分侧的排气孔的端部的高度差是D，以及包括容器和盖体的电池的总高度是E,E和D满足关系0.01≤D/E≤0.1。
凭借该结构，从盖体排气孔排放的分解气体的流动方向不受捻边部分的阻挡。结果，分解气体流动沿基本上垂直于电池高度方向的方向。
按照本发明的第四方面，提供制备非水电解质电池的方法，包括步骤把至少具有正极和负极的电极体放置在底部封闭的圆柱形容器中；在容器中注入非水电解质溶液；在电极体上放置具有通孔的金属板；以及用盖体封闭容器开口部分的方式把盖体放置在金属板上，盖体具有构成盖体圆周边缘部分的盖部分；构成盖体中心部分的突出部分；以及具有排气孔并且位于盖部分和突出部分之间的台阶部分。
凭借此构成，能够容易地制造能控制分解气体排放方向的非水电解质电池。
图1是表示相关技术非水电解质电池的横截面图；图2是图1所示圆圈部分的放大横截面图3是表示本发明非水电解质电池的第一实施例的横截面图；图4是示意说明外盖体的侧视图；图5是表示本发明非水电解质电池的第二实施例的横截面图；图6是表示本发明非水电解质电池的第三实施例的横截面图；图7是图6所示圆圈部分的放大横截面图。
此后，将参照附图描述本发明非水电解质电池的优选实施例。图3表示本发明非水电解质电池的第一实施例。如该图所示，非水电解质电池1包括通过螺旋卷绕正极2、隔板3和负极4的叠层而形成的电极体5；用于容纳电极体5的容器6；经过绝缘垫圈7通过捻边来固定到容器6上端的开口部分的密封盖组件8；以及封闭在容器6内的电解质溶液。负极引线9的一端电连接到负极4，而其另一端电连接到容器6。中心部分有孔的底绝缘体10设置在容器6的底部上，用于防止电极体5与容器6电接触。顶绝缘体11设置在电极体5的上部上，用于防止电极体5与密封盖组件8电接触。
密封盖组件8包括与电极体5相对设置的盘状内盖体12；由设在内盖体12上的挠性薄膜形成的阀膜13；设在阀膜13上的PTC元件14；以及其圆周边缘部分与PTC元件14接触设置的外盖体15。内盖体12和PTC元件14的每个在其大致中心部分具有一个或多个通孔。外盖体15包括构成盖体圆周边缘部分的盖部分15a；构成盖体中心部分的突出部分15b；以及位于盖部分15a和突出部分15b之间的台阶部分。台阶部分具有相对于外盖体15的中心部分成轴对称关系设置的多个排气孔15c。正极引线16的一端连接到电极体5的正极2，而其另一端连接到密封盖组件8的内盖体12的背面。
由金属例如不锈钢或塑料材料制造的中心杆17设置在电极体5的卷绕中心空间中，以防卷绕中心空间消失，从而保证分解气体的流动通路。
在按照本实施例的非水电解质电池1中，具有通孔的金属板18设置在外盖体15和电极体5之间，更具体地，通常设置在PTC元件14和外盖体15之间。金属板18的通孔的中心设置成基本上与阀膜13的薄膜部分和PTC元件14的通孔的中心相一致。
按照具有上述结构的非水电解质电池，当在异常情况下电解质溶液蒸发并且分解，产生分解气体并且电池1的内压由此升高到特定值或更高时，已通过内盖体12的通孔的分解气体首先碰击阀膜13的内侧，使阀膜13熔化或断裂。已通过阀膜13的分解气体通过PTC元件14的通孔，然后通过金属板18的通孔。最后，分解气体经过在外盖体15中形成的排气孔15c排放到电池1外面，从而电池内压降低，防止电池1由于电池1的内压迅速升高而引起的破坏。
当分解气体通过金属板18时，分解气体的流动被适当地限制在径向。因此，已通过金属板18的通孔的分解气体一旦与外盖体15的突出部分15b的内侧相碰，如箭头M所示，那么分解气体就沿基本上垂直于电池1的高度方向的方向从设置在外盖体15的台阶部分中的排气孔排放，如箭头N所示。结果，充分减慢分解气体的排放速度，并且分解气体的排放方向变成基本上垂直于电池1的高度方向。而且，如上所述，因为以相对于外盖体15的中心成轴对称方式设置多个排气孔15c，相对于电池1的轴对称地排放的部分分解气体的排放矢量相互抵消。也就是说，给予电池1的动力基本上相互抵消。以此方式，能肯定地控制分解气体的排放，从而防止分解气体排放产生的动力推动电池。
按照本实施例，金属板18的通孔形成近似圆形，并且外盖体15的突出部分15b基本平坦。假设基本平坦部分的直径是A并且金属板18的通孔直径是B，A和B最好满足关系0.2≤B/A≤0.8。这里，假设图4所示的已移位外盖体15的总高度是F，外盖体15的基本平坦部分定义成具有与外盖体15的最上端相距小于F/10的高度的部分。
当金属板18的通孔直径B和外盖体15的突出部分15b的直径A满足上述关系0.2≤B/A≤0.8时，就能顺利地排放分解气体，并且控制排放方向和以防止分解气体排放产生的动力推动电池的方式控制分解气体的排放速度。如果B/A小于0.2，即如果金属板18的通孔过分地窄，容器6中的分解气体不能顺利地排放到电池1的外面，结果会出现电池1断裂。另一方面，如果B/A大于0.8，即金属板18的通远宽于外盖体15的突出部分15b，已通过金属板18的通孔的大多数分解气体从外盖体15的排气孔15c直接排放，而不与外盖体15的突出部分15b内侧相碰。结果，不能充分减慢分解气体的排放速度，因而动力作用于电池1，结果电池1被动力推动。
金属板18最好由高温下不被分解气体熔化的材料例如铁或不锈钢的金属材料构成。如果金属板18由易于被分解气体熔化的材料构成，金属板18的通孔尺寸由于熔化而改变，结果可能出现不能控制分解气体的排放方向和排放速度的麻烦。
金属板18的厚度优选设定在0.1mm-1mm的范围内。当金属板18的厚度在上述范围内时，在保持电池容量的同时能够防止由于分解气体的排放而引起电池1的移动。如果金属板18的厚度小于0.1mm，金属板18的强度不足以控制分解气体的排放方向和排放速度。另一方面，如果金属板18的厚度大于1mm，因为包含在容器6中的电极体5的体积变小，会减小电池容量。
可以对金属板18进行防锈处理。金属板18可以保持在PTC元件14上而作为一个部分使用。
通过用含有负极活性材料和粘合剂的负极混合物涂覆负极集电体，并且干燥负极混合物，以便在负极集电体上形成负极活性材料层来制备负极4。负极集电体通常由金属箔如铜箔形成。
本发明应用于锂原电池或锂二次电池的制造中，优选由锂、如锂铝合金的锂合金、或能掺杂或释放锂的材料构成负极4。至于能掺杂或释放锂的材料，能使用碳材料例如难以石墨化的碳基材料或石墨基材料。这些碳材料的具体例子包括热解碳、如沥青焦碳、针状焦碳和石油焦碳的焦碳、石墨、玻璃碳纤维、烧结有机高聚合物、碳纤维和活性碳。通过在适当温度下烧结酚树脂或呋喃树脂，从而炭化该树脂来制造烧结的有机高聚合物化合物。
除上述碳材料外，例如多炔或聚吡咯的高聚合物、或如SnO2的氧化物能用作掺杂或释放锂的材料。
至于上述负极混合物的粘合剂，能使用用于普通锂离子电池的负极混合物中的公知粘合剂。而且，公知的添加剂能加入负极混合物中。
通过用含有正极活性材料和粘合剂的正极混合物涂覆正极集电体，并且干燥正极混合物，以便在正极集电体上形成正极活性材料层来制备正极2。正极集电体通常由金属箔如铝箔形成。
至于正极活性材料，依据所用的电池种类能使用金属氧化物、金属硫化物、或特定的高聚合物。
例如，在制造锂原电池的情况下，能使用TiS2、MnO2、石墨、或FeS2作为正极活性材料。在制造锂二次电池的情况下，如TiS2、MoS2、或NbSe2的金属硫化物，或如V2O5的金属氧化物能用作正极活性材料。而且，含锂的过渡金属氧化物也能用作正极活性材料，含锂的过渡金属氧化物通常表示成化学式LiMxO2，其中M是一种或多种过渡金属，x是取决于电池充电/放电状态的值并且通常设在0.05-1.10的范围内。含锂的过渡金属氧化物中的过渡金属M由Co、Ni和Mn表示。含锂的过渡金属氧化物的具体例子包括LiCoO2、LiNiO2、LiNiyCo1-yO2(0＜y＜1)和LiMn2O4。该含锂的过渡金属氧化物用作能产生高电压和确保高能量密度的正极活性材料。从保证大容量的观点，锰的氧化物或具有尖晶型晶体结构的锂锰复合氧化物优选用作正极活性材料。上述正极活性材料可以单独或组合地用于正极2。
至于上述正极混合物的粘合剂，能够使用用于普通电池的正极混合物中的公知粘合剂。而且，能把公知的添加剂加入正极混合物。
隔板3位于正极2和负极4之间，用于防止其间物理接触而引起的短路。例如具有微孔的聚乙烯膜或聚丙烯膜的微孔聚烯烃膜能用作隔板3。
通过把电解质盐溶解在非水溶剂中来制备电解质溶液。
至于电解质盐，能使用通常用作电池的电解质溶液的公知电解质盐。电解质盐的具体例子包括锂盐如LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiAlCl4和LiSiF6。从抗氧化稳定的观点，LiPF6和LiBF4最理想。
电解质盐以优选浓度0.1mol/L-3.0mol/L、更优选浓度0.5mol/L-2.0mol/L溶解在非水溶剂中。
至于非水溶剂，能使用用于通用非水电解质溶液中的公知非水溶剂。非水溶剂的具体例子包括如碳酸亚丙酯或碳酸亚乙酯的环状碳酸酯，如碳酸二乙酯或碳酸二甲酯的链状碳酸酯，如丙酸甲酯或丁酸甲酯的羧酸酯，以及如γ-丁内酯、环丁砜、2-甲基四氢呋喃或二甲氧基乙烷的醚。这些非水溶剂可以单独或组合使用。从抗氧化稳定的观点，优选使用碳酸酯。
具有上述结构的非水电解质电池包括具有通孔的金属板18，其中金属板18位于电极体5和具有排气孔15c的外盖体15之间。例如，当电池1着火而导致的异常状态下产生分解气体，使电池1的内压增加并且分解气体排放到电池1的外面。此时，分解气体通过金属板18的通孔。因此，分解气体的排放通路被金属板18的通孔适当地限制在容器6的径向，从而分解气体一旦与外盖体15的突出部分15b的内侧相碰，分解气体就从设置在外盖体15的台阶部分中的排气孔15c排放。结果，能够充分减慢分解气体的排放速度并且能够控制分解气体的排放方向沿基本上垂直于电池1高度方向的方向。这样，按照本实施例中的非水电解质电池1，以分解气体产生的动力基本上相互抵消的方式控制分解气体的排放方向，并且因为慢慢地排放分解气体，能够防止电池被分解气体排放产生的动力推动。
以下面方法制造按照本实施例的非水电解质电池1。
通过在正极集电体的两个主表面上形成正极活性材料来制备带状正极2。通过在负极集电体的两个主表面上形成负极活性材料来制备带状负极4。正极引线16和负极引线9分别焊接到正极2和负极4。围绕用于卷绕电极体的开口销的凹槽把正极2和负极4卷绕成具有特定直径和特定高度的螺旋柱形，隔板3放在正极2和负极4之间，用于防止具有引线9、16的带状正极2和负极4相互接触。然后从卷绕体中抽出开口销，得到具有中心孔的螺旋电极体5，中心孔以垂直方向通过电极体5。
底绝缘体10和电极体5插入在容器6中，并且负极引线9通过电阻焊焊接到容器6的底部。
顶绝缘体11装配到已插入容器6的电极体5上，并且限制容器6的部分上部，提供具有特定尺寸的颈部。
在已容纳电极体5的容器6中注入特定数量的电解质溶液。
绝缘垫圈7装配在充满电解质溶液的容器6的颈部上，阀膜13焊接到将固定阀膜13的、正极引线16的部分上。
最后，PTC元件14设置在阀膜13的圆周边缘上；金属板18放置在PTC元件14上；外盖体15放置在金属板18上；并且通过捻边把外盖体15密封地固定到容器6的上端部。这样，得到非水电解质电池1。
按照本实施例，能够简单地制造不被分解气体放气产生的动力推动的非水电解质电池，同时使电池中部件数量的增加最小。也就是说，能够以低成本容易地制造可靠性优良的非水电解质电池。
按照上述实施例，通过二次电池的例子进行了说明；然而，本发明不限于此，也可以应用于原电池。本发明电池的形状没有特别限制，可以是例如圆柱形或方形，并且本发明电池的尺寸可以自由地设定。[第二实施例]下面将描述本发明非水电解质电池的第二实施例。
图5表示本发明非水电解质电池的第二实施例。非水电解质电池21包括通过螺旋卷绕正极22、隔板23和负极24的叠层而形成的电极体25；用于容纳电极体25的容器26；经过绝缘垫圈27通过捻边来固定到容器26上端的开口部分的密封盖组件28；以及封闭在容器26内的电解质溶液。负极引线29的一端电连接到负极24，而其另一端电连接到容器26。中心部分有孔的底绝缘体30设置在容器26的底部上，用于防止电极体25与容器26电接触。顶绝缘体31设置在电极体25的上部上，用于防止电极体25与密封盖组件28电接触。
密封盖组件28包括与电极体25相对设置的盘状内盖体32；由设在内盖体32上的挠性薄膜形成的阀膜33；设在阀膜33上的PTC元件34；以及其圆周边缘部分与PTC元件34接触设置的帽状外盖体35。内盖体32和PTC元件34的每个在其大致中心部分具有一个或多个通孔。外盖体35包括构成外盖体35圆周边缘部分的盖部分35a；构成外盖体35中心部分的帽状突出部分35b；以及位于盖部分35a和突出部分35b之间的台阶部分。台阶部分具有相对于外盖体15的中心部分成轴对称关系设置的多个排气孔35c。正极引线36的一端连接到电极体25的正极22，而其另一端连接到密封盖组件28的内盖体32的背面。
由金属例如不锈钢或塑料材料制造的中心杆37设置在电极体25的卷绕中心空间中，以防卷绕中心空间消失，从而保证分解气体的流动通路。
在按照本实施例的非水电解质电池21中，如图5所示，外盖体35的突出部分35b基本上平坦，假设基本上平坦部分的直径是A并且容器26的外径是C,A和C满足关系0.55≤A/C≤1。
按照具有上述结构的非水电解质电池21，当在异常情况下电解质溶液蒸发并且分解，产生分解气体，并且电池21的内压由此升高到特定值或更高时，已通过内盖体32的通孔的分解气体首先碰击阀膜33的内侧，使阀膜33熔化或断裂。已通过阀膜33的分解气体通过PTC元件34的通孔。最后，分解气体经过在外盖体35的排气孔35c排放到电池21外面，从而防止电池21由于电池21的内压迅速升高而引起的破坏。
具体地，当外盖体35的突出部分35b的直径A和容器26的外径C满足上述关系，即外盖体35的突出部分35b的直径A适当地设定成容器26的外径C时，分解气体一旦与外盖体35的突出部分35b的内侧相碰，如箭头O所示，那么分解气体就沿基本上垂直于电池21的高度方向的方向从设置在外盖体35的台阶部分中的排气孔35c排放，如箭头P所示。结果，充分减慢分解气体的排放速度，并且分解气体的排放方向变成基本上垂直于电池21的高度方向。这样，因为以相对于外盖体35的中心成轴对称方式形成多个排气孔35c，相对于电池21的轴对称地排放的分解气体的排放矢量分量相互抵消，因而，给予电池21的动力基本上相互抵消。结果，以防止分解气体排放产生的动力推动电池21的方式能肯定地控制分解气体的排放。换句话说如果A/C小于0.55，因为外盖体35的突出部分35b的直径A相对于容器26的外径C过分地小，已通过内盖体32的通孔、阀膜33和PTC元件34的部分分解气体直接从外盖体35的排气孔35c排放，而不与外盖体35的突出部分35b内侧相碰。因此，部分分解气体的排放方向变得相对于电池21倾斜，结果动力作用于电池21，并且因为分解气体的排放速度减慢不够，电池21被分解气体的排放推动。另一方面，如果A/C大于1，因为外盖体35的突出部分35b的直径A大于容器26的外径C，电池21的容量变得更小，并且电池21的形状变得难以容纳在电池组件中。
此外，规定外盖体35的突出部分35b的直径和容器26的外径之间关系的非水电解质电池21除了没有带通孔的金属板位于电极体25和外盖体35之间外，具有与第一实施例中描述的非水电解质电池1相同的基本结构，因此，省略与第一实施例类似的本实施例特征的详细描述。[第三实施例]下面将描述本发明非水电解质电池的第三实施例。
图6表示本发明非水电解质电池的第三实施例。非水电解质电池41包括通过螺旋卷绕正极42、隔板43和负极44的叠层而形成的电极体45；用于容纳电极体45的容器46；经过绝缘垫圈47通过捻边来固定到容器46上端的开口部分的密封盖组件48；以及封闭在容器46内的电解质溶液。负极引线49的一端电连接到负极44，而其另一端电连接到容器46。中心部分有孔的底绝缘体50设置在容器46的底部上，用于防止电极体45与容器46电接触。顶绝缘体51设置在电极体45的上部上，用于防止电极体45与密封盖组件48电接触。
密封盖组件48包括与电极体45相对设置的盘状内盖体52；由设在内盖体52上的挠性薄膜形成的阀膜53；设在阀膜53上的PTC元件54；以及其圆周边缘部分与PTC元件54接触设置的帽状外盖体55。内盖体52和PTC元件54的每个在其大致中心部分具有一个或多个通孔。外盖体55包括构成外盖体55圆周边缘部分的盖部分55a；构成外盖体55中心部分的帽状突出部分55b；以及位于盖部分55a和突出部分55b之间的台阶部分。台阶部分具有相对于外盖体55的中心部分成轴对称关系设置的多个排气孔55c。正极引线56的一端连接到电极体45的正极42，而其另一端连接到密封盖组件48的内盖体52的背面。
由金属例如不锈钢或塑料材料制造的中心杆57设置在电极体45的卷绕中心空间中，以防卷绕中心空间消失，从而保证分解气体的流动通路。
在按照本实施例的非水电解质电池41中，如图6的圆圈部分的放大图，即图7所示，在突出部分55b侧面上外盖体55的每个排气孔55c的端部高度位于捻边部分的顶部和突出部分55b的顶部之间的中间。而且，假设在捻边部分的顶部和端部之间的、在突出部分55b侧面上的排气孔55c的高度差是D，以及包括容器46和外盖体55的电池41的总高度是E,E和D满足关系0.01≤D/E≤0.1。
按照具有上述结构的非水电解质电池41，当在异常情况下电解质溶液蒸发并且分解，产生分解气体，并且电池41的内压由此升高到特定值或更高时，已通过内盖体52的通孔的分解气体首先碰击阀膜53的内侧，使阀膜53熔化或断裂。已通过阀膜53的分解气体通过PTC元件54的通孔。最后，分解气体经过在外盖体55的排气孔55c排放到电池41外面，从而防止电池41由于电池41的内压迅速升高而引起的破坏。分解气体一旦与外盖体55的突出部分55b的内侧相碰，如箭头Q所示，并且分解气体沿基本上垂直于电池41的高度方向的方向从设置在外盖体55的台阶部分中的排气孔55c排放，如箭头R所示。
具体地，当D和E满足上述关系，即，当外盖体55的每个排气孔55c的高度足够高至容器46的捻边部分高度时，分解气体就能够顺利排放，而没有捻边部分与分解气体排放通路的相互干扰，能以分解气体排放产生的动力不能推动电池41的方式控制分解气体的排放。换句话说，如果D/E小于0.01，因为外盖体55的每个排气孔55c的高度不足以到容器46的捻边部分的高度，多数分解气体与捻边部分相碰。结果，排放的分解气体在电池41的高度方向上流动，动力作用于电池41，从而推动电池。另一方面，如果D/E大于0.1，因为外盖体55过度地高，电池41的单位体积能量密度降低。
此外，规定容器46的捻边部分高度和外盖体55的每个排气孔55c高度之间关系的非水电解质电池41除了没有带通孔的金属板位于电极体45和外盖体55之间外，具有与第一实施例中描述的非水电解质电池1相同的基本结构，因此，省略与第一实施例类似的本实施例特征的详细描述。
本发明的非水电解质电池不限于第一、第二和第三实施例每个中所描述的，而可以由第一和第二实施例的组合、第一和第三实施例的组合、第二和第三实施例的组合、或第一、第二和第三实施例的组合构成。
具体地，以第一、第二和第三实施例的组合构成的非水电解质电池能够增强充分减慢分解气体排放速度的效果并且控制分解气体的排放方向，由此相互抵消由于分解气体排放而作用于电池的动力。结果，必定能防止电池被分解气体的排放推动。
借助下面例子将更清楚地理解本发明。
(1)在例子1-10中，为了探讨有无金属板，金属板的厚度和金属板的通孔尺寸，非水电解质电池制造如下[例子1]混合锂和钴的复合氧化物(LiCoO2)、导电剂和粘合剂制备正极混合物。把正极混合物分散在N-甲基-2-吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrolidone)中成为膏。用正极混合物膏涂覆作为正极集电体的带状铝箔的两个表面，接着干燥正极混合物膏，制得带状正极。
混合碳材料和粘合剂制备负极混合物。把负极混合物分散在N-甲基-2-吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrolidone)中成为膏。用负极混合物膏涂覆铜箔的两个表面，接着干燥负极混合物膏，制得带状负极。
层叠多孔聚丙烯膜形成的隔板放在其间的正极和负极，并且螺旋卷绕制造电极体。
把电极体容纳在底部封闭的、不锈钢制的圆柱形容器中，并且把LiPF6溶解在体积比50∶50的碳酸亚丙酯和碳酸二甲酯的混合溶剂中制备的电解质溶液注入容器内。
容器中容纳的电极体的正极通过正极引线连接到内盖体，内盖体具有防爆功能并起正极端子的作用。接着，PTC元件、在中心部分有通孔的不锈钢制金属板、以及帽状外盖体经过绝缘垫圈通过捻边气密封地固定到容器的开口部分。这样，制得外径C为18mm、总高度E为65mm和放电容量为6Wh的非水电解质电池。
在该电池中，金属板的厚度设定成0.5mm；金属板的通孔直径B设定成2.5mm；外盖体的突出部分中的基本平坦部分的直径A设定成12.6mm；在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D设定成0.65mm。因此，比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的基本平坦部分的直径A之比)是0.2。比率A/C(外盖体的突出部分的直径A与容器的外径C之比)是0.7。比率D/E(在外盖体的排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.01。此外，不锈钢的熔点是1500℃或更高。[例子2]除了金属板的通孔直径B设定成10.1mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的突出部分直径A之比)是0.8。[例子3]除了金属板的通孔直径B设定成1.9mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的突出部分直径A之比)是0.15。[例子4]除了金属板的通孔直径B设定成11.3mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的突出部分直径A之比)是0.9。[例子5]除了金属板的厚度设定成1mm并且金属板的通孔直径B设定成6.3mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的突出部分直径A之比)是0.5。[例子6]除了金属板的厚度设定成0.1mm外，以与例子5相同的步骤制造非水电解质电池。[例子7]除了金属板的厚度设定成1.2mm外，以与例子5相同的步骤制造非水电解质电池。[例子8]除了金属板的厚度设定成0.05mm外，以与例子5相同的步骤制造非水电解质电池。[例子9]
除了金属板的厚度设定成1.2mm外，以与例子4相同的步骤制造非水电解质电池。[例子10]除了不设置金属板外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。
(2)在例子11-18中，为了探讨外盖体的突出部分尺寸，非水电解质电池制造如下[例子11]除了金属板的通孔直径B设定成6.3mm并且外盖体的突出部分直径A设定成18mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的突出部分直径A之比)是0.5，以及比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是1。[例子12]除了外盖体的突出部分直径A设定成9.9mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是0.55。[例子13]除了外盖体的突出部分直径A设定成19.8mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是1.1。[例子14]除了外盖体的突出部分直径A设定成9mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是0.5。[例子15]除了没有设置金属板外，以与例子11相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是1。[例子16]除了没有设置金属板外，以与例子12相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是0.55。[例子17]
除了没有设置金属板外，以与例子13相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是1.1。[例子18]除了没有设置金属板外，以与例子14相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是0.5。
(3)在例子19-27中，为了探讨金属板的每个排气孔高度，非水电解质电池制备如下[例子19]除了金属板的通孔直径B设定成6.3mm外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.01。[例子20]除了在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D设定成6.5mm外，以与例子19相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.1。[例子21]除了在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D设定成0.325mm外，以与例子19相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.005。[例子22]除了在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D设定成9.75mm外，以与例子19相同的步骤制造非水电解质电池，因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.15。[例子23]除了没有设置金属板外，以与例子19相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.01。[例子24]除了没有设置金属板外，以与例子20相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.1。[例子25]除了没有设置金属板外，以与例子21相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.005。[例子26]除了没有设置金属板外，以与例子22相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.15。[例子27]除了外盖体的突出部分直径A设定成9mm；在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D设定成0.325mm；以及没有设置金属板外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。因此，比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)是0.5。比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分的顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)是0.005。
(4)在例子28和29中，为了探讨金属板的材料，非水电解质电池制备如下[例子28]除了金属板由铝制造外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。此外，铝的熔点是660℃。[例子29]除了金属板由银制造外，以与例子1相同的步骤制造非水电解质电池。此外，银的熔点是961℃。
在能够防止由于电池着火所通常导致的异常情况下产生的分解气体排放而引起的电池移动的性能方面，对例子1-29所制造的每个非水电解质电池进行实验。通过把例子1-29中每个所制造的非水电解质电池中的10个电池放置在小型厨房炉的燃烧焦碳上，从而在每个电池中产生分解气体来进行实验。对每个电池的评估准则如下◎◎◎电池不移动◎◎平均移动距离小于10cm○平均移动距离等于或大于10cm并且小于20em○平均移动距离等于或大于20cm并且小于40em△平均移动距离等于或大于40cm并且小于60cm×平均移动距离等于或大于60cm评估结果在表1中示出表1
金属板的通孔尺寸检测如下。从表1所示结果显而易见，与例子10中没有金属板的电池相比，在例子1-9中具有金属板的每个电池有效地控制分解气体的排放，从而抑制电池的移动。
具体地，在例子1和2每个中的电池一点也不移动，因此呈现很理想的效果。相反，在例子3中比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的突出部分直径A之比)设定成小于0.2的电池其不理想的是容器的捻边部分被内压消除，结果电极体向外突出。其原因是由于通孔过度地窄，分解气体的排放变得不足，不能容易地降低电池的内压。在例子4和9每个中的电池，其比率B/A设定成大于0.8，即金属板的通孔尺寸过度地大，其不利在于部分分解气体通过外盖体中形成的排气孔直接排放到电池外面，而不能很好地抑制电池移动。因此，发现通过把金属板的通孔直径B和外盖体的突出部分直径A设定成满足关系0.2≤B/A≤0.8就能防止电池的移动。
金属板的厚度检测如下。在例子5和6每个中的电池一点也不移动，呈现很理想的效果。反之，在例子7和8的每个中金属板的厚度大于1mm的电池也能防止被移动，但其容量降低。在例子8中金属板的厚度小于0.1mm的电池，即金属板强度不足以控制分解气体的排放方向和排放速度的电池不能很好地防止被移动。因此，发现通过把金属板的厚度设定在0.1mm-1mm的范围内就能控制分解气体的排放，而不降低电池容量。
外盖体的突出部分直径检测如下。在例子11和12的每个中电池一点也不移动，呈现很理想的效果。反之，在例子13中比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的外径C之比)大于1，即外盖体的突出部分尺寸大于容器的外径的电池难以实际使用。在例子14中的电池，其比率A/C小于0.55，其不利在于不能控制分解气体的排放方向和排放速度，因而不能很好地抑制电池移动。因此，发现通过把比率A/C设定成满足关系0.55≤A/C≤1就能防止电池移动。而且，从与例子15-18每个中的电池相比较，通过把比率A/C设定成满足关系0.55≤A/C≤1并且提供金属板就能进一步提高防止电池移动的效果。
每个排气孔的高度检测如下。例子19和20每个中的电池一点也不移动，呈现很理想地效果。反之，在例子21中的电池，其比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)设定成小于0.01，其不利在于不能控制分解气体的排放方向，因此不能很好地控制电池移动。在例子22中比率D/E大于0.1，即外盖体过度高的电池，能防止其移动，其不利在于单位体积能量密度和单位重量能量密度都降低。因此，发现通过把比率D/E设定成满足关系0.01≤D/E≤0.1就能防止电池的移动。
从与例子23-26每个中的电池相比较，通过把比率D/E设定成满足关系0.01≤D/E≤0.1并且提供金属板就能进一步提高防止电池移动的效果。
金属板的材料检测如下。在例子28中由低熔点的铝构成金属板的电池其不利在于在高温下分解气体将熔化金属板，使金属板的通孔变形，结果不能充分控制分解气体的排放方向和排放速度，因此不能很好地防止电池移动。在例子29中金属板由银构成的电池能防止其被移动，但较昂贵。因此，发现将不锈钢用作金属板的材料将不被分解气体熔化，从而以低成本有效防止电池移动。
从例子1、2、5、6、11、12、19和20中的电池实验结果显而易见，通过满足金属板厚度、比率B/A(金属板的通孔直径B与外盖体的突出部分直径A之比)、比率A/C(外盖体的突出部分直径A与容器的径C之比)、和比率D/E(在外盖体的每个排气孔和容器的捻边部分顶部之间的高度差D与电池的总高度E之比)的要求，就能够很好地控制分解气体的排放方向和排放速度，甚至在电池着火时通常所导致的异常情况下，也能可靠地防止电池移动。
在已使用特定术语描述本发明的优选实施例的同时，该描述仅示意说明，应当理解在不脱离下面权利要求的精神或范围时能进行改变或变化。
权利要求
1．一种非水电解质电池，包括至少具有正极和负极的电极体；底部封闭的圆柱形容器，所述电极体和非水电解质溶液容纳在其中；以及用于封闭所述容器的开口部分的盖体；其中所述盖体具有构成所述盖体的圆周边缘部分的盖部分，构成所述盖体的中心部分的突出部分，以及具有排气孔并且位于所述盖部分和所述突出部分之间的台阶部分；并且具有通孔的金属板位于所述盖体和所述电极体之间。
2．根据权利要求1的非水电解质电池，其中所述金属板的所述通孔形成大致椭圆形。
3．根据权利要求2的非水电解质电池，其中所述突出部分形成大致圆形，并且基本上平坦；以及假设所述基本上平坦部分的直径是A，并且所述金属板的所述通孔的直径是B，则A和B满足关系0.2≤B/A≤0.8。
4．按照权利要求1的非水电解质电池，其中所述金属板由铁或不锈钢构成。
5．按照权利要求1的非水电解质电池，其中所述金属板的厚度在0.1mm-1mm的范围内。
6．根据权利要求1的非水电解质电池，其中所述突出部分形成大致圆形，并且基本上平坦；以及假设所述基本上平坦部分的直径是A并且所述容器的外径是C，则A和C满足关系0.55≤A/C≤1。
7．根据权利要求1的非水电解质电池，其中通过向内弯曲所述容器的开口部分的外圆周边缘形成的捻边部分来保持所述盖体；在突出部分侧面上的所述排气孔的端部高度在所述捻边部分的顶部和所述突出部分之间的中间；并且假设所述捻边部分的顶部和突出部分侧面上的所述排气孔的端部之间的高度差是D并且包括所述容器和所述盖体的所述电池的总高度是E，则E和D满足关系0.01≤D/E≤0.1。
8．根据权利要求1所述的非水电解质电池，其中所述负极和所述正极的每个由能掺杂或释放锂的材料构成。
9．根据权利要求1的非水电解质电池，其中所述负极含有碳材料。
10．根据权利要求1的非水电解质电池，其中所述正极包含含有锂的过渡金属氧化物。
11．一种非水电解质电池，包括至少具有正极和负极的电极体；底部封闭的圆柱形容器，所述电极体和非水电解质溶液容纳在其中；以及用于封闭所述容器的开口部分的盖体；其中所述盖体具有构成所述盖体的圆周边缘部分的盖部分，构成所述盖体的中心部分的突出部分，以及具有排气孔并且位于所述盖部分和所述突出部分之间的台阶部分；并且所述突出部分形成大致圆形，并且基本上平坦；以及假设所述基本上平坦部分的直径是A并且所述容器的外径是C，则A和C满足关系0.55≤A/C≤1。
12．根据权利要求11的非水电解质电池，其中具有通孔的金属板位于所述电极体和所述盖体之间。
13．根据权利要求12的非水电解质电池，其中所述金属板的所述通孔形成大致椭圆形。
14．根据权利要求13的非水电解质电池，其中所述突出部分形成大致圆形，并且基本上平坦；以及假设所述基本上平坦部分的直径是A并且所述金属板的所述通孔的直径是B，则A和B满足关系0.2≤B/A≤0.8。
15．按照权利要求12的非水电解质电池，其中所述金属板由铁或不锈钢构成。
16．按照权利要求12的非水电解质电池，其中所述金属板的厚度在0.1mm-1mm的范围内。
17．根据权利要求11的非水电解质电池，其中通过向内弯曲所述容器的开口部分的外圆周边缘形成的捻边部分来保持所述盖体；在突出部分侧面上的所述排气孔的端部高度在所述捻边部分的顶部和所述突出部分之间的中间；并且假设在所述捻边部分的顶部和突出部分侧面上的所述排气孔的端部之间的高度差是D并且包括所述容器和所述盖体的所述电池的总高度是E，则E和D满足关系0.01≤D/E≤0.1。
18．根据权利要求11所述的非水电解质电池，其中所述负极和所述正极的每个由能掺杂或释放锂的材料构成。
19．根据权利要求11的非水电解质电池，其中所述负极含有碳材料。
20．根据权利要求11的非水电解质电池，其中所述正极包含含有锂的过渡金属氧化物。
21．一种非水电解质电池，包括至少具有正极和负极的电极体；底部封闭的圆柱形容器，所述电极体和非水电解质溶液容纳在其中；以及用于封闭所述容器的开口部分的盖体；其中所述盖体具有构成所述盖体的圆周边缘部分的盖部分，构成所述盖体的中心部分的突出部分，以及具有排气孔并且位于所述盖部分和所述突出部分之间的台阶部分；通过向内弯曲所述容器的开口部分的外圆周边缘形成的捻边部分来保持所述盖体；在突出部分侧面上的所述排气孔的端部高度在所述捻边部分的顶部和所述突出部分之间的中间；并且假设在所述捻边部分的顶部和突出部分侧面上的所述排气孔的端部之间的高度差是D并且包括所述容器和所述盖体的所述电池的总高度是E，则E和D满足关系0.01≤D/E≤0.1。
22．根据权利要求21的非水电解质电池，其中具有通孔的金属板位于所述电极体和所述盖体之间。
23．根据权利要求22的非水电解质电池，其中所述金属板的所述通孔形成大致椭圆形。
24．根据权利要求21的非水电解质电池，其中所述突出部分形成大致圆形，并且基本上平坦；以及假设所述基本上平坦部分的直径是A并且所述金属板的所述通孔的直径是B，则A和B满足关系0.2≤B/A≤0.8。
25．按照权利要求22的非水电解质电池，其中所述金属板由铁或不锈钢构成。
26．按照权利要求22的非水电解质电池，其中所述金属板的厚度在0.1mm-1mm的范围内。
27．按照权利要求21的非水电解质电池，其中所述突出部分形成大致圆形，并且基本上平坦；以及假设所述基本上平坦部分的直径是A并且所述容器的外径是C，则A和C满足关系0.55≤A/C≤1。
28．根据权利要求21的非水电解质电池，其中所述负极和所述正极的每个由能掺杂或释放锂的材料构成。
29．根据权利要求21的非水电解质电池，其中所述负极含有碳材料。
30．根据权利要求21的非水电解质电池，其中所述正极包含含有锂的过渡金属氧化物。
31．一种制备非水电解质电池的方法，包括步骤把至少具有正极和负极的电极体放置在底部封闭的圆柱形容器中；把非水电解质溶液注入所述容器中；放置具有通孔的金属板在所述电极体上；以及以所述容器的开口部分被所述盖体封闭的方式把盖体放置在所述金属板上，所述盖体具有构成所述盖体的圆周边缘部分的盖部分，构成所述盖体的中心部分的突出部分，以及具有排气孔并且位于所述盖部分和所述突出部分之间的台阶部分。
全文摘要
一种非水电解质电池,包括至少具有正极和负极的电极体;底部封闭的圆柱形容器,电极体和非水电解质溶液容纳在其中;以及用于封闭容器的开口部分的盖体。盖体具有构成盖体的圆周边缘部分的盖部分,构成盖体的中心部分的突出部分,及具有排气孔且位于盖部分和突出部分之间的台阶部分。具有通孔的金属板位于盖体和电极体之间。借此结构,能够防止异常状态下产生的分解气体排放到电池外面时产生的动力推动电池,从而提高电池的可靠性。
文档编号H01M2/04GK1309432SQ0111233
公开日2001年8月22日 申请日期2001年2月15日 优先权日2000年2月15日
发明者濑川健, 户田显, 伊藤芳规, 山田惠美, 宫木幸夫, 富田尚, 桑辉 申请人:索尼株式会社