专利名称：圆柱形锂离子电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种圆柱形锂离子电池及其制造方法，更具体而言，涉及一种具有由弹性材料或形状记忆合金制成的中心销(center pin)的圆柱形锂离子电池及其制造方法。
背景技术：
一般地，圆柱形锂离子电池包括缠绕为大致圆柱形形状的电极组件；电极组件插入于其中的圆柱形罐体；注入罐体来使离子迁移的电解质；和贴附到罐体的一侧的盖组件来防止电解质泄漏和防止电解质组件脱离。
圆柱形锂离子电池通常具有2000-2400mAh的容量且一般被安装在消耗大量电能的笔记本计算机、数字相机和摄像机中。例如，按需要串联或并联许多圆柱形锂离子电池并组装到预定形状的硬壳内，以将锂离子电池连接到电子设备作为它们的电源，硬壳上安装有保护电路。
这样的圆柱形锂离子电池如下制造将具有在其上形成的预定的活性材料的负电极板、分隔体和具有在其上形成的预定的活性材料的正电极板层压在一起。将该层压体的一端贴附到杆状缠绕轴且将该层压体缠绕为大致圆柱形形状来提供电极组件。将电极组件插入圆柱形罐体且将电解质注入其中。最后，将盖组件焊接到圆柱形罐体的顶部来完成圆柱形的锂离子电池。
当在插入罐体之前将电极组件从缠绕轴分离时，缠绕轴在电极组件的中心处留下了相应于其轴线的空间。在充放电期间电极组件的部分被推入该空间，结果，电极组件随时间而变形。另外，正和负电极板也可能短路到一起。在该情况中，电池自身必须被抛弃。为此，将杆状中心销插入电极组件中的空间中，以防止电极组件在充放电期间变形。
与现有趋势一致，随着电池趋于具有更高的容量，缠绕轴的直径持续减少来允许增加电极组件的缠绕圈数。因为中心销必须被插入到更小的空间，因此，中心销的不良插入经常发生。具体而言，在电极组件中心处界定的空间太小以至于不能容易地向其耦接中心销。另外，中心销可能在困难的插入工艺期间损伤分隔体或负电极板。
通过根据缠绕轴的直径减小中心销的直径，可以在一定程度上解决不良插入的问题。但是，在该情况中，中心销的强度降低且它可能容易弯曲或折断。此外，中心销在电极组件之内且被作用以来自其的预定压力，从而可能容易地弯曲中心销。
另外，各种外力可以作用在电池的罐体上。例如，水平或垂直压力可以作用在罐体上，且如果中心销强度差，它可以容易地使罐体变形。这样的变形可以导致次级(secondary)短路、着火或爆炸。因此，需要一种解决该问题的方案，防止当缠绕轴所留下的空间小时电极组件变形。
发明内容
因此，本发明的目的在于为圆柱形锂离子电池提供一种改进的设计。
本发明的目的还在于为圆柱形锂离子电池提供一种设计，防止当缠绕轴留下的空间非常小时电极组件变形。
本发明的目的还在于为圆柱形锂离子电池提供一种改进的中心销。
本发明的另一个目的在于提供一种制造改进的圆柱形锂离子电池的方法。
本发明的又一个目的是提供一种具有适于被容易地插入到电极组件的中心销的圆柱形锂离子电池及其制造方法。
这些和其他目的可以通过一种圆柱形锂离子电池实现，该电池包括具有敞开的顶部的圆柱形罐体，该罐体包括缠绕为圆柱形形状且具有在其中心界定的空间的电极组件；设置在电极组件的空间内且通过向外作用的弹性力压靠电极组件的中心销；和贴附到圆柱形罐体的顶部的盖组件。
中心销可以包括适于向着圆柱形罐体向外膨胀的弹性体并且在设置在电极组件的空间内时填满或完全占据该空间。或者，中心销可以包括形状记忆合金(shape memory alloy)，该中心销经一定温度变化膨胀以填充该空间。
根据本发明的另一方面，提供有一种制造圆柱形锂离子电池的方法，所述方法包括将正电极板、分隔体和负电极板层压到一起形成层压体，将缠绕轴贴附到层压体的一端，以及将层压体缠绕为大致圆柱形形状来形成电极组件；将电极组件贴附到圆柱形罐体，将缠绕轴从电极组件分离；将中心销插入到在电极组件中界定的空间内，该空间通过分离缠绕轴界定；插入之后允许中心销膨胀并填满空间并将盖组件贴附到圆柱形罐体的顶部。
根据本发明的圆柱形锂离子电池及其制造方法的优点在于，在中心销被插入到电极组件之前或同时，中心销的直径小于电极组件中界定的空间的直径，且在插入之后中心销的直径增加以填满空间，从而可以容易地插入中心销且防止电极组件变形。
因为电极组件通过中心销被牢固地保持，所以在充放电期间电极组件不改变其形状，且即使当圆柱形罐体经受水平或垂直压缩时中心销也不容易断裂。
结合附图，从以下的详细描述，本发明的以上和其它的目的、特征和优点将更加显见，在附图中图1a是显示根据本发明的圆柱形锂离子电池的透视图；图1b是沿图1a的线1b-1b所截取的截面图；图1c是沿图1a的线1c-1c所截取的截面图；图2a是显示在将弹性材料中心销插入根据本发明实施例的圆柱形锂离子电池的电极组件内的空间时的截面图；图2b是中心销的截面图；图3a是显示将形状记忆合金的中心销插入根据本发明的圆柱形锂离子电池的电极组件内的空间中时的截面图；图3b是图3a的中心销回复到其原始形状填满空间时的截面图；图4是显示根据本发明实施例的制造圆柱形锂离子电池的方法的一系列步骤的流程图；和图5a到5e是显示图4的各步骤的简图。
具体实施例方式
现在参考图1a到1c，图1a是显示根据本发明的圆柱形锂离子电池100的透视图，图1b是沿图1a的线1b-1b所截取的截面图，且图1c是沿图1a的线1c-1c所截取的截面图。如图1a到1c所示，根据本发明的圆柱形锂离子电池100包括电极组件110、圆柱形罐体120、中心销130和盖组件140。
电极组件110包括具有贴附于其的例如石墨的负电极活性材料(未显示)的负电极板111、具有贴附于其的例如氧化锂钴(LiCoO2)的正电极活性材料(未显示)的正电极板113、以及设置于负和正电极板111和113之间来防止短路且仅允许锂离子迁移的分隔体112。将负和正电极板111和113以及分隔体112缠绕为大致圆形柱的形状且放入圆柱形罐体120。负电极板111可以由铜(Cu)箔制成，正电极板113可以由铝(Al)箔制成，且分隔体112可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但在本发明中该材料不限于此。
负电极板111可以具有焊接到其而且向下突出预定的长度的负电极片(tab)114。正电极板113可以具有焊接到其而且向下突出预定的长度的正电极片115。负和正电极片114和115可以分别由镍(Ni)和铝(Al)制成，但在本发明中该材料不限于此。
大致圆柱形形状的罐体120包括具有预定直径的圆柱形表面121和设置于圆柱形表面121的下部分上的大致圆盘形状的底表面122。圆柱形表面121的上部分敞开，从而电极组件110可以通过其顶部被向下插入圆柱形罐体120。将电极组件110的负电极片114焊接到圆柱形罐体120的底表面122，其然后充当负电极。电极组件110具有分别贴附到其下和上部分的下和上绝缘板117和118，来避免电极组件110和圆柱形罐体120之间不必要的短路。圆柱形罐体120可以由钢、不锈钢、铝或其等同物制成，但该材料不限于这里的材料。
将中心销130插入到大致在电极组件110的中心界定的空间116内。中心销130大致为圆柱形形状且具有形成于其中的空心部分132和形成在纵向的切口沟槽131。当中心销130被插入到电极组件110时，可以将切口沟槽131的端部彼此固定。或者，切口沟槽131可以保持彼此分开预定距离或保持彼此叠置。
中心销130跨过电极组件110的总高度的约90-110％，中心销的下端部设置于负电极片114上。如果中心销130的高度小于电极组件110的高度的90％，电极组件110的保持力和支撑是不充分的，而如果大于110％，中心销130可能不利地接触盖组件140(在后描述)的组件。
盖组件140具有贴附到圆柱形罐体120的顶部的大致环形状的绝缘垫圈和贴附到绝缘垫圈145而且贴附到正电极片115的导电安全口(safety vent)141。导电安全口141适于在罐体120的内部压力升高时断裂且来自圆柱形罐体120的气体能够排到外部。导电安全口141具有形成于其上部分的电流中断板142，其在导电安全口141断裂时一起断裂来中断电流。连接到电流中断板142的上部分的PTC(正温度系数)装置143在电流过剩时切断电流。另外，导电正电极盖144被连接到PTC装置143的上部分来将正电压提供到圆柱形罐体120外部。电流中断板142、PTC装置143和正电极盖144被安装到绝缘垫圈145的内部。
为了防止盖组件140从圆柱形罐体120分离，圆柱形罐体120具有设置于盖组件140的下部分上的向内凹入的压槽(beading)部分123和形成于盖组件140的上部分上的向内弯曲的卷边部分124。压槽部分和卷边部分123和124将盖组件140与圆柱形罐体120保持和支撑到一起。
圆柱形罐体120具有注入其中的电解质(未显示)来使得锂离子迁移，锂离子在充放电期间在电池100内的负和正电极板111和113处通过电化学反应产生。电解质可以为非水(non-aqueous)有机电解质，其是锂盐和高纯度有机溶剂的混合物。另外，电解质可以为使用高分子电解质的聚合物，但是电解质的类型不限于这里的类型。
现在参考图2a到2b，图2a是显示根据本发明实施例的圆柱形锂离子电池的中心销130的截面图，其中所述中心销由弹性材料制成且被插入电极组件110内的空间116，且图2b是中心销130在插入之后回复到其原始形状后弹性材料的中心销130的截面图。
当中心销130由如上所述的弹性材料制成时，其直径或尺寸可以通过外力被减小到一定程度。例如，将中心销130的端部设置于切口沟槽131的内侧，如图2a所示。所述切口沟槽131沿纵向形成且另一端向外侧变形来进一步减小空心部分132的直径，如图2a所示。因此，可以将中心销130插入到电极组件110，而中心销130被减小到具有小于电极组件110中所界定的空间116的直径或尺寸。如此的直径的减小还使得可以容易地将中心销130插入到空间116内，而不会影响到电极组件110的分隔体112、负电极111或正电极113。
在插入工艺之后，从中心销130去除外力，中心销130然后回复到其原始形状，如图2b所示。这意味着中心销130向外推挤电极组件110，具体而言，向圆柱形罐体120的内表面朝着向外方向推挤分隔体112与负和正电极板111和113。因此，电极组件110被牢固地保持并支撑在中心销130和圆柱形罐体120之间。
因为电极组件110以该方式被牢固地保持并支撑在中心销130和圆柱形罐体120的圆柱形表面121之间，防止了电极组件110在充放电期间变形，且圆柱形罐体120更能够忍受可能作用在其外部的水平或垂直压缩。
现在参考图3a和3b，图3a是显示根据本发明另一实施例的处于压缩状态中由形状记忆合金制成的中心销130，该中心销130位于圆柱形锂离子电池的电极组件110内的空间116中，图3b是图3a显示的中心销在插入后回复到其初始形状和大小后的截面图。
如上所述，中心销130可以由记忆合金制成，其直径或尺寸在预定的温度下可以减小到某些程度。例如，该直径可以在常温具有最大值且在常温外减小(即，在更低或更高的温度)。
中心销130可以由Fe基材料、Cu基材料、TiNi基材料和其等同物的任何一种材料制成，但是该材料不限于这里的材料，只要其直径如上所述在常温具有最大值且在更低或更高的温度减小即可。
当将由形状记忆合金制成的中心销130插入到电极组件110之前或期间，温度被降低到常温以下或升高到常温以上，从而其直径或尺寸小于电极组件110中界定的空间116的直径或尺寸。中心销130的直径的如此减小使得可以容易地将中心销130耦接到空间116内，而不会影响电极组件110的分隔体112、负电极111或正电极113。
在插入工艺之后，允许中心销130返回到常温条件下，使得中心销能够回复到其原始形状。这意味着中心销130填满空间116且向外推极电极组件110，具体而言，朝着圆柱形罐体120向外推挤分隔体112与负和正电极板111和113。因此，电极组件110被牢固地保持并支撑在中心销130和圆柱形罐体120的圆柱形表面121之间。
因为电极组件110以该方式被牢固地保持并支撑在中心销130和圆柱形罐体120的圆柱形表面121之间，防止了电极组件110在充放电期间变形，且圆柱形罐体120更能够忍受可能作用在其外部的水平或垂直压缩。
现在参考图4和图5a到5e，图4是显示根据本发明的制造圆柱形锂离子电池的方法的一系列步骤的流程图，且图5a到5e是对应于图4的各步骤的简图。现将同时参考图4和图5a到5e来描述该方法。
如图4所示，根据本发明的制造圆柱形锂离子电池100的方法包括形成或组装电极组件110(步骤S1和图5a)，将电极组件110插入圆柱形罐体120(步骤S2和图5b)，将中心销130插入电极组件110(步骤S3和图5c)，将电解质注入圆柱形罐体120(步骤S4和图5d)，以及将盖组件140贴附到圆柱形罐体120(步骤S5和图5e)。
在步骤S1和图5a形成电极组件110期间，相继地层压负电极板111、分隔体112和正电极板113。将层压体的端部贴附到缠绕轴150且围绕缠绕轴150缠绕为大致圆柱形形状来形成电极组件110。将负和正电极片114和115在缠绕之前分别连接到负和正电极板111和113。
在步骤S2和图5b中，将圆柱形电极组件110插入到圆柱形罐体120。在插入之后，将电极组件110从缠绕轴150分离来在电极组件110的中心产生圆形空间116。或者，在将电极组件110插入圆柱形罐体120之前，可以先将缠绕轴150分离，且工艺的顺序不限于此。圆柱形罐体120具有预先贴附到其的下绝缘板(未显示)。
在步骤S3和图5c中，在将缠绕轴150从电极组件110分开之后，在插入后其直径增加的中心销130被插入到电极组件110的空间116内。具体而言，中心销130由弹性材料或形状记忆合金制成。在减小尺寸状态下，中心销130在插入之前或期间具有小于在电极组件110中界定的空间116的直径。通过弹性力、回复力或形状记忆功能，中心销130的直径在插入之后增加到电极组件110中所界定的空间116的直径。因此，中心销130有力地将电极组件110推靠在圆柱形罐体120的圆柱形表面121来在圆柱形罐体120内牢固地保持并支撑电极组件110。
在中心销130插入之前，可以通过例如电阻焊(resistance welding)将连接到电极组件110的负电极板111的负电极片114连接到圆柱形罐体120的底表面122。在该情况中，中心销130保持与负电极片114的上表面接触且更牢固地将负电极片114耦接到圆柱形罐体120。如上所述，中心销130优选地跨过电极组件110高度的约90-110％。如果中心销130的高度小于电极组件110的高度的90％，电极组件110的保持力和支撑是不充分的，而如果大于110％，中心销130可能不利地接触盖组件140的组件(在后描述)。
在电解质注入步骤S4和图5d中，电解质(未显示)注入圆柱形罐体120中大致到达电极组件110的顶部。如上所述，电解质使得锂离子能够在充放电期间在电极组件110的负和正电极板111和113之间迁移。
在盖组件140贴附到圆柱形罐体120步骤S5和图5e中，将包括许多部分的盖组件140贴附到圆柱形罐体120的顶部来防止电极组件110、中心销130和电解质脱离或泄漏到外部。
具体而言，将环形形状的绝缘垫圈145贴附到圆柱形罐体120的顶部，且将导电安全口141、电流中断板142、PTC装置143以及正电极盖144连续连接到其中以连接到电极组件110的正电极片115。为了防止盖组件140从圆柱形罐体120分离，相应于绝缘垫圈145的底部的圆柱形罐体120的部分经受弯边(beading)来形成向内凹入的压槽部分123，且其顶部分经受卷边来形成卷边部分124。结果，制成了一种根据本发明的圆柱形锂离子电池100。
如上所述，根据本发明的圆柱形锂离子电池及其制造方法的优点在于，在中心销被插入到电极组件之前或同时，中心销的直径小于电极组件中界定的空间的直径。在插入之后允许中心销的直径增加，从而中心销可以压靠电极组件，以防止电极组件变形。
因为电极组件通过中心销被牢固地保持，所以在充放电期间电极组件不改变其形状。此外，即使当圆柱形罐体经受水平或垂直压缩时圆柱形罐体或中心销也不容易断裂。
虽然为了说明的目的已经描述了本发明的优选实施例，然而本领域的技术人员可以理解在不脱离由权利要求所公开的本发明的精神和范围内，各种改进、增加和替换是可能的。
权利要求
1.一种圆柱形锂离子电池，包括具有敞开的顶部的圆柱形罐体，所述罐体包括电极组件，所述电极组件缠绕为圆柱形形状，具有在其中心界定的空间；中心销，设置在所述电极组件的空间内且通过朝着电极组件向外作用的力压靠所述电极组件；和盖组件，贴附到所述圆柱形罐体的顶部。
2.如权利要求1所述的电池，其中，所述中心销具有杆的形状且包括在纵向延伸的切口沟槽，所述切口沟槽的端部彼此固定、彼此分开预定距离或彼此叠置。
3.如权利要求1所述的电池，其中，所述中心销包括弹性体，该弹性体在设置在所述电极组件的所述空间内时适于朝着所述圆柱形罐体向外膨胀并完全占据所述空间。
4.如权利要求1所述的电池，其中所述中心销包括形状记忆合金，所述中心销在特定温度变化下膨胀以完全占据所述空间。
5.如权利要求1所述的电池，其中所述中心销包括选自由Fe基材料、Cu基材料、TiNi基形状记忆合金构成的组的材料，所述中心销的直径在预定的温度增加。
6.如权利要求1所述的电池，其中，所述中心销具有所述电极组件高度的90％-110％的长度。
7.如权利要求1所述的电池，其中，所述电极组件包括正电极板；负电极板；设置在所述正电极板和所述负电极板之间的分隔体；连接到所述正电极板同时连接到所述盖组件的正电极片；以及连接到所述负电极板同时连接到所述圆柱形罐体的底表面的负电极片，所述中心销设置于所述负电极片上。
8.如权利要求7所述的电池，其中，所述盖组件包括环形形状的绝缘垫圈，贴附到所述圆柱形罐体的顶部；导电安全口，被贴附到所述绝缘垫圈的内部下端，同时贴附到所述正电极片，所述导电安全口适于在罐体内压增大时折断并允许来自罐体内部的气体排出；电流中断板，设置于所述导电安全口的顶部，且适于在所述导电安全口动作时断裂从而切断电流；正温度系数装置，适于切断过剩电流并设置于所述电流中断板的顶部上；和导电正电极盖，适于将正电压提供到所述圆柱形罐体的外部并设置于所述正温度系数装置上。
9.如权利要求1所述的电池，还包括下绝缘板，设置于所述电极组件和所述圆柱形罐体的底表面之间；和上绝缘板，设置于所述电极组件和所述盖组件之间。
10.一种制造圆柱形锂离子电池的方法，所述方法包括将正电极板、分隔体和负电极板层压到一起形成层压体；将缠绕轴贴附到所述层压体的一端；将所述层压体缠绕为圆柱形形状来形成电极组件；将所述电极组件插入到所述圆柱形罐体；将所述缠绕轴从所述电极组件分离；将中心销插入到所述电极组件中的空间内，所述空间通过分离所述缠绕轴界定；在插入之后允许所述中心销膨胀并完全占据所述空间；以及将盖组件贴附到所述圆柱形罐体的顶部。
11.如权利要求10所述方法，其中，所述中心销为杆的形状，所述中心销包括沿纵向方向延伸的在插入期间具有预定宽度的切口沟槽，所述切口沟槽的端部在插入所述中心销之后彼此固定、彼此隔开预定距离或者彼此叠置。
12.如权利要求10所述方法，其中，所述中心销包括适于在插入之后朝着所述圆柱形罐体向外膨胀的弹性体。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述中心销包括形状记忆合金，该形状记忆合金适于在其温度升高时向外膨胀。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述中心销适于在所述中心销的温度升高时膨胀，所述中心销包括选自由Fe基材料、Cu基材料、TiNi基形状记忆合金构成的组的材料。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述中心销在加热时膨胀来填满所述空间。
16.如权利要求10所述的方法，还包括去除压缩所述中心销的外力，使得被压缩的中心销在插入后向外膨胀。
全文摘要
本发明公开了一种圆柱形锂离子电池及其制造方法。中心销容易被插入到电极组件之内的空间中来在圆柱形罐体的内部上保持和支撑它。所述圆柱形锂离子电池包括电极组件，缠绕为圆柱形形状，具有在其中心界定的空间；圆柱形罐体，容纳电极组件且具有敞开的顶部；中心销，插入到电极组件的空间内且具有在插入之前小且在插入之后变大以填满空间的直径；和盖组件，贴附到圆柱形罐体的顶部来防止电极组件和中心销从罐体脱离。
文档编号H01M10/40GK1770544SQ200510118419
公开日2006年5月10日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者洪懿善, 平村泰章, 小池将树 申请人:三星Sdi株式会社