专利名称：先进的高耐久性锂离子电池组的制作方法
技术领域：
本发明的目的是制造高耐久性锂离子电池组，其适合于大量生产，同时在电池组紧密密封的情况下保持高品质。在本发明中公开的结构和方法可应用于所有锂离子电池组。背景密封经常是决定锂离子电池的使用寿命的关键问题，因为如果在电池的电解质中存在水或氧分子，电池的高电压使水分解或者将氧还原。水和氧的存在可能是由电池组的不当密封引起的。通常，锂离子电池尺寸和容量小。以“18650”圆柱形电池为例，电池尺寸是直径为18mm并且高度为65mm。“ 18650”圆柱形电池容量的范围是2.8Ah至1.4Ah等，依赖于用于电池的阴极材料的类型。由于电池组的盖与外壳之间的可用空间的限制，在盖和外壳的区域中的接口通常很小(仅通过典型成形为如同0形环的绝缘层)。这样的接口未能提供足够长度的扩散路径用于绝对防止氧或水分子穿过界面。当对电池组施加连续高温循环条件(例如，诸如连续高功率运行的条件)时，因为接口的加速劣化情况变得更糟。在电解质的存在下情况更糟。电解质的小分子和挥发性性质促进在上述接口处的穿透，因而缩短电池组的使用寿命。相同的问题适用于所有类型的锂离子电池，如圆柱形电池、棱柱形电池或者甚至锂聚合物电池。为了克服上述问题，现在公开一种新电池组结构设计，并有用于构成电池组的新方法。首先将电极，如用于圆柱形电池组的冻卷型电极，或用于棱柱形电池组的电极堆叠封装在塑料初始封装(其可以成形为类似于塑料袋)中，以提供电池的气密式密封。之后使用常规密封在封装一个或多个电池的外壳与所述外壳的盖之间进行第二气密式密封。通过使用初始封装，存在于外壳与盖之间的接口的电解质的量大大减少，因此电池关于气体和电解质分子穿透更加耐用。即使初始气密式密封可能在一段时间之后泄漏，接近于含有电流收集极的盖(存在金属与聚合物的界面)的电解质浓度与如果不存在初始气密式密封比较仍然是小的。此外，用于第一气密式密封的成形为袋状的初始封装还可以限制电解质溢出外壳，因此节约了用于如通过常规方法进行的填满整个外壳所需的电解质的量。值得注意的是，气密式密封的初始封装(其可以成形为袋状以容纳圆柱形电池组的冻卷或棱柱形电池组的电极堆叠)可以仅是电解质不能穿透的塑料膜或层叠塑料膜，并且无需使用层叠的铝箔。换言之，不需要以作为最终的或作为产品的电池组工作为目的包装电池。使用成形为类似于塑料袋的初始封装的另一个优点是为了防止透过袋的短路。取决于对电池使用寿命的需要，上述容纳冻卷或电极堆叠的初始封装的塑料袋可以是一个或多个塑料片层。将本发明的结构和方法实施在电池中，可以预期拥有延长使用寿命(目标为20年)的耐久的锂离子电池。良好的密封机制非常关键的，尤其是对于在大规模能量存储系统和/或需要长的使用寿命和连续高功率能力的高功率应用如电动车辆和混合动力电动车辆中使用的大型电池组(容量大于IOAh)。发明概述本发明是用于锂离子电池组的密封系统，所述密封系统具有至少一个锂离子电池，所述至少一个锂离子电池具有至少一个阳极、至少一个阴极、连接至所述至少一个阳极的阳极电流收集片、连接至所述至少一个阴极的阴极电流收集片、以及电解质。所述密封系统还具有:外壳，所述外壳用于容纳所述至少一个锂离子电池；以及壳盖，所述壳盖具有电流收集极。所述壳盖被气密地密封至所述外壳。所述密封系统还另外具有:塑料初始封装，所述塑料初始封装用于封装每个锂离子电池，所述初始封装气密地密封每个锂离子电池，所述电流收集片延伸穿过所述初始封装。附图简述
图1(a)是锂离子电池的透视图，所述锂离子电池具有连接至电极堆叠箔的电流收集片；图1 (b)和I (C)分别是本发明的初始封装的透视图和俯视图，所述初始封装具有延伸穿过所述初始封装的棱柱形电池的电流收集片，具有沿所述电流收集片的长度的封装至金属气密式密封；图1(d)是本发明的初始封装的透视图，所述初始封装具有延伸穿过所述初始封装的圆柱形电池的电流收集片，具有环绕所述电流收集片的封装至金属气密式密封；图1(e)是图1(c)中所示的实施方案的透视图，其还具有连接至共同电流收集器的电流收集片，以及位于锂离子电池组的外壳的壳盖中的电流收集极；图1(f)是图1(e)中所示的实施方案的透视图，其还具有气密式密封至锂离子电池组外壳的壳盖；图2(a)是图1(c)中所示的类型的本发明的两个气密式密封的初始封装的透视图，其还具有初始封装中的两个电池的电流收集片，它们连接至共同电流收集器，以使得将所述电池并联连接；图2(b)是图2(a)中所示的实施方案的透视图，其还具有封装有两个初始封装的第二封装，封装至金属气密式密封围绕共同电流收集器；图2(c)是图2(b)中所示的实施方案的透视图，其还具有连接至壳盖的电流收集极的共同电流收集器，并且壳盖气密式密封至电池组的外壳。图3(a)是图1(c)中所示的类型的本发明的五个气密式密封的初始封装的透视图，其还具有连接至共同电流收集器的五个电池的电流收集片，以使得将电池并联连接；图3(b)是图3(a)中所示的实施例的透视图，其还具有封装有将五个初始封装的第二封装，第二封装气密式密封至壳盖，并且共同电流收集器连接至壳盖的电流收集极；并且图3(c)是图3(b)中所示的实施方案的透视图，其还具有气密式密封至电池组外壳的壳盖。详述本发明的多重气密式密封提供更适于大量生产的电池组制造方法，因为电解质填充是在初始气密式密封之前在封装中容易地进行。除气是在第一次充电之后并且在初始气密式密封之前对于电池进行的。在初始气密式密封之后，可以将各自密封的电池串联或并联以形成电池组。之后用优选具有安全通气孔的刚性的钢或铝外壳对电池组进行外壳气密式密封。刚性外壳优选为钢或铝，但不限于这些并且可以为任何其它材料。本发明的重要特点是使初始密封和外壳密封两者均为气密式，以便减小任何电解质接触外壳的可能性。应当注意的是，如上所述，置于刚性外壳中的电池组也可以是单个电池，即一个圆柱形电池或一个棱柱形电池。虽然必须是气密式的，初始密封不限于任何形式或任何方法。双重气密式密封结构的优点如下:1.由于存在用两个气密式密封的至少两层的保护，防止电解质泄漏。2.由于避免了电流收集极与电解质的直接接触，不需要使用铜作为负极(即，用于最终电池组的电流收集器)。因为存在初始气密式密封，负电流收集极可以是铝或任何其他较低成本的材料，而不是当电解质直接与极接触时为防腐蚀传统作为负极使用的铜。3.用于第一气密式密封的袋可以是任何形式的塑料薄膜，而不是层叠的铝箔或其它金属箔。4.免除对于在密封刚性外壳之后向电池组中填充电解质的需要。因为电解质添加在初始气密式密封之前进行，这是可以实现的。此外，初始封装限制了需要电解质的空间，因此可以将电解质添加量最小化。5.因为除气在进行初始气密式密封之前进行，在最终电池组中不建立气体压力。6.多重式气密式密封结构允许将已经进行了初始气密式密封的电池胶粘，以将电池连接至将进行外壳气密式密封的外壳。通过胶粘等的固定可以防止如果最终的电池组受到振动或其它力时电极堆叠的可能损坏。7.如果可以单独地检查并测试已经进行初始气密式密封的电池，之后将它们组合在一起并置于外壳内部并进行外壳气密式密封，可以提高最终电池组的生产量。除了具有带初始气密式密封和外壳气密式密封的电池的电池组之外，本发明的另一个实施方案提供第二气密式密封封装，称为第二封装。第二封装用于容纳由单独的电池组成的电池组。首先对单独的电池进行初始气密式密封。具有已经气密式密封的电池组外侧的第二气密式密封，电解质渗透的机会非常小。最后，将由第二气密式密封进行密封的电池组再次用外壳气密式密封进行密封。再一次，外壳还可以是具有安全通气孔的钢或铝，但是不限于这些。关于成本考虑，因为初始与第二气密式密封，对外壳的气密式密封的要求可以较不严格。此外，以类似第二封装的方式使用第三封装，第三气密式密封是可能的。可以用于初始、第二和第三气密式密封的材料包括塑料或塑料复合膜。塑料复合膜可以用包括以下各项的层形成:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(W)、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚甲醛(Delrin)、聚酰亚胺、聚丙烯酸类和环氧树脂，或者所列材料的组合。优选在具有安全通气孔的刚性外壳上进行外壳气密式密封。可用作外壳的材料优选为钢或铝，但其它种类的刚性壳也可以用于实施本发明。虽然作为外部保护，刚性壳是优选的，但也可以使用叠层的铝箔或类似材料作为用于外壳气密式密封的外壳。这是因为在本发明的情况下，具有进行了外壳气密式密封的外壳保护防止了电解质、气体和水分子的渗漏，即使外壳不是刚性壳。使用以下实施例公开本发明。实施例1图1 (a)显示具有15Ah电极堆叠2的电池I，所述电极堆叠2具有连接至电极的箔层4的电流收集片3。在连接电极堆叠与电流收集片，如通过将电极的箔层点焊或铆接至电流收集片之后，使用如图l(b)、l(c)和1(d)中所示的初始塑料封装5用于封装具有电流收集片的电极堆叠。之后，将适量电解质添加到初始封装5之内。接着在初始封装上进行预密封步骤，并且电池准备好用于之后进行的第一次充电。在除气过程(即用于除去在第一次充电的过程中释放的气体的过程)之后，在电池上进行初始封装的气密式密封，以形成如图1(b)、l(c)和1(d)中所示的气密式密封的电池。将初始封装密封至电流收集片和其它开口如侧部，如在6处所示。密封可以是热密封、粘合密封，或者任何其它提供气密式密封的合适的密封。之后将电池连接至壳盖7，如图1(e)中所示。壳盖是预制构件，其具有正和负电流收集极9以及安全通气孔10。壳盖对于分子物种如水或气体分子是不可渗透的。之后，将连接至壳盖的气密式密封电池插入外壳中。之后，在内部具有气密式密封的电池的外壳8与壳盖之间进行外壳气密式密封，如图1(f)中在11处所示。应当注意，两个密封均指定为气密式密封。初始封装5可以是塑料袋的形式，电流收集片3延伸穿过初始封装。封装至金属的密封6在图1(b)和I (c)中示出，其中，气密式密封6沿着每个电流收集片3的长度。实施例1是用棱柱形电池描述的。也可以使用圆柱形电池，初始气密式密封6如在图1 (d)中所示，并且电流收集片3连接至电流收集极(未示出)。可以用于初始气密式密封的材料包括塑料或塑料复合膜。塑料复合膜可以用包括以下各项的层形成:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(TO)、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚甲醛(Delrin)、聚酰亚胺、聚丙烯酸类和环氧树脂，或者所列材料的组合。实施例1I如图2(a)中所示，各自具有在初始封装5中的初始气密式密封的两个15Ah电池(它们各自如图1(b)中所示)首先连接并固定至共同电流收集器12(—个用于正电并且另一个用于负电)作为电池组。电池组可以是两个以上的电池。之后，对电池组进行在第二封装13中的第二气密式密封，如图2(b)中所示。密封14将第二封装密封至共同电流收集器12。之后将第二气密式密封的电池组连接至外壳8的壳盖7(类似于图1(e))。之后，将具有初始封装5和第二封装13的密封电池组与壳盖7 —起插入外壳8中。之后，在外壳与壳盖之间进行气密式密封15，如图2(c)中所示。在该实施例中，电解质和气体分子被具有三个气密式密封的三层材料所容纳。它们是:包括壳盖7的外壳8、第二气密式密封封装13以及初始气密式密封封装5。应当注意的是，所有层的材料均指定为气密式密封。在此实施方案中，初始封装5的气密式密封应当如图1(b)中所示，以使得电流收集片3的长度在初始封装5之外，从而用于连接至共同电流收集器12 (如图2(a)中所不)。可以用于初始气密式密封的材料包括塑料或塑料复合膜。塑料复合膜可以用包括以下各项的层形成:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(TO)、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚甲醛(Delrin)、聚酰亚胺、聚丙烯酸类和环氧树脂，或者所列材料的组合。实施例1II如图3(a)中所示，各自具有在初始封装5中的初始气密式密封的五个IOAh电池(它们各自如图1(b)中所示)首先连接并固定至共同电流收集器12(—个用于正电并且另一个用于负电)作为电池组。电池组可以是两个以上的电池。之后使用优选为袋状或盒状的具有一个端部开口的塑料材料作为用于封装之前制备的电池组的第二封装13。之后，在塑料袋或盒13的顶部与壳盖7之间进行第二气密式密封，如图3 (b)中在16处所示。最后，在外壳与壳盖之间进行外壳密封，如图3(c)中在15处所示。在该实施例中，从盖7至电极堆叠2提供两层气密式密封保护(盖/第二密封层13的气密式密封，以及初始气密式密封封装层5)，并从外壳8提供三层气密式密封保护(在15处的钢外壳/盖气密式密封层、第二气密式密封的塑料袋或盒层13，以及初始气密式密封封装层5)。应当注意的是，所有层的材料均指定为气密式密封。因为在该实施例中已经提供了具有两个气密式密封的至少两个耐用材料层，所以外壳8和盖7的第三气密式密封15可以较不严格。可以采用如在罐装食品中所见的传统但低成本的凸边(chime)接缝密封法用于替代典型用于外壳密封15的高成本激光焊接。而且，可以使用凸边接缝与在凸边接缝中如环氧化物的填料的组合。 可以用于初始气密式密封的材料包括塑料或塑料复合膜。塑料复合膜可以用包括以下各项的层形成:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(TO)、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚甲醛(Delrin)、聚酰亚胺、聚丙烯酸类和环氧树脂，或者所列材料的组合。在所有上述实施例中，因为由于初始封装的气密式密封的存在而避免了电流收集极9与电解质的直接接触，负电流收集极可以是铝，而不是传统用于负极的铜。
权利要求
1.一种用于锂离子电池组的密封系统，所述密封系统包括 至少一个锂离子电池，所述锂离子电池具有至少一个阳极、至少一个阴极、连接至所述至少一个阳极的阳极电流收集片、连接至所述至少一个阴极的阴极电流收集片、以及电解质； 外壳，所述外壳用于容纳所述至少一个锂离子电池； 壳盖，所述壳盖具有电流收集极，所述壳盖被气密式密封至所述外壳；和塑料初始封装，所述初始封装用于封装每个锂离子电池，所述初始封装气密式密封每个锂离子电池，所述电流收集片延伸穿过所述初始封装。
2.权利要求1所述的用于锂离子电池组的密封系统，所述密封系统还包括 多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有所述初始封装； 阳极共同电流收集器，所述阳极共同电流收集器连接至所有所述阳极电流收集片；阴极共同电流收集器，所述阴极共同电流收集器连接至所有所述阴极电流收集片；和塑料第二封装，所述塑料第二封装将所有具有所述初始封装的所述多个锂离子电池气密式密封，所述共同电流收集器延伸穿过所述第二封装。
3.权利要求1所述的用于锂离子电池组的密封系统，所述密封系统还包括 多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有所述初始封装； 阳极共同电流收集器，所述阳极共同电流收集器连接至所有所述阳极电流收集片；阴极共同电流收集器，所述阴极共同电流收集器连接至所有所述阴极电流收集片；和塑料第二封装，所述塑料第二封装将所有具有所述初始封装的所述多个锂离子电池气密式密封，所述第二封装的气密式密封被制成至所述壳盖。
4.权利要求1、2或3所述的用于锂离子电池组的密封系统，其中 每个塑料封装由以下各项的膜形成:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(W)、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚甲醛(Delrin)、聚酰亚胺、聚丙烯酸类、环氧树脂，或者以上各项的组合。
5.权利要求1所述的用于锂离子电池组的密封系统，其中 所述塑料初始封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述电流收集片处。
6.权利要求2所述的用于锂离子电池组的密封系统，其中 所述塑料初始封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述电流收集片处；并且 所述塑料第二封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述共同电流收集器处。
7.权利要求3所述的用于锂离子电池组的密封系统，其中 所述塑料初始封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述电流收集片处；并且 所述塑料第二封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述壳盖处。
8.权利要求2所述的用于锂离子电池组的密封系统，所述密封系统还包括 塑料第三封装，所述塑料第三封装气密式封装所述第二封装，所述共同电流收集器延伸穿过所述第三封装。
9.权利要求3所述的用于锂离子电池组的密封系统，所述密封系统还包括 塑料第三封装，所述塑料第三封装将具有所述初始封装的所述多个锂离子电池气密式密封，所述共同电流收集器延伸穿过所述第三封装，所述第三封装被气密式密封在所述第二封装内。
10.权利要求1所述的用于锂离子电池组的密封系统，所述密封系统还包括， 多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有所述初始封装，其中具有所述初始封装的所述多个锂离子电池串联连接。
11.权利要求1所述的用于锂离子电池组的密封系统，其中 所述壳盖通过以下方式气密式密封至所述外壳:激光焊接、凸边接缝的使用、或凸边接缝的使用结合在所述凸边接缝中提供的填料。
12.权利要求1所述的用于锂离子电池组的密封系统，其中 所述电流收集极包括正和负电流收集极，并且所述负电流收集极由铝制成。
13.一种密封锂离子电池组的方法，所述方法包括 提供至少一个锂离子电池，所述锂离子电池具有至少一个阳极、至少一个阴极、连接至所述至少一个阳极的阳极电流收集片、连接至所述至少一个阴极的阴极电流收集片、以及电解质； 提供外壳，所述外壳用于容纳所述至少一个锂离子电池； 提供壳盖，所述壳盖具有电流收集极； 将每个锂离子电池气密式密封在塑料初始封装中，所述电流收集片伸出每个初始封装；和 将具有所述塑料初始封装的所述至少一个锂离子电池放置在所述外壳中，并且将所述壳盖气密式密封至所述外壳。
14.权利要求13所述的密封锂离子电池组的方法，所述方法还包括 提供多个锂离子电池，所述锂离子电池各自具有所述初始封装； 提供阳极共同电流收集器，所述阳极共同电流收集器连接至所有所述阳极电流收集片; 提供阴极共同电流收集器，所述阴极共同电流收集器连接至所有所述阴极电流收集片; 在将具有所述初始封装的所述至少一个锂离子电池放置在所述外壳中之前，将所有具有所述初始封装的所述多个锂离子电池气密式密封在塑料第二封装中，所述共同电流收集器伸出所述第二封装。
15.权利要求13所述的密封锂离子电池组的方法，所述方法还包括 提供多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有所述初始封装； 提供阳极共同电流收集器，所述阳极共同电流收集器连接至所有所述阳极电流收集片; 提供阴极共同电流收集器，所述阴极共同电流收集器连接至所有所述阴极电流收集片; 在将具有所述初始封装的所述至少一个锂离子电池放置在所述外壳中之前，将所有具有所述初始封装的所述多个锂离子电池气密式密封在塑料第二封装中，所述第二封装的气密式密封被制成至所述壳盖。
16.权利要求13、14或15所述的密封锂离子电池组的方法，其中 每个塑料封装由以下各项的膜形成:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(W)、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚甲醛(Delrin)、聚酰亚胺、聚丙烯酸类、环氧树脂、或者以上各项的组合。
17.权利要求13所述的密封锂离子电池组的方法，其中 所述塑料初始封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述电流收集片处。
18.权利要求14所述的密封锂离子电池组的方法，其中 所述塑料初始封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述电流收集片处；并且 所述塑料第二封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述共同电流收集器处。
19.权利要求15所述的密封锂离子电池组的方法，其中 所述塑料初始封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述电流收集片处；并且 所述塑料第二封装通过热密封或用粘合剂气密式密封在所述壳盖处。
20.权利要求13所述的密封锂离子电池组的方法，所述方法还包括 提供多个锂离子电池，所述多个锂离子电池各自具有所述初始封装，以及将所述多个锂离子电池串联连接。
21.权利要求13所述的密封锂离子电池组的方法，其中 所述壳盖通过以下方式气密式密封至所述外壳:激光焊接、凸边接缝的使用、或凸边接缝的使用结合在所述凸边接缝中提供的填料。
22.权利要求13所述的密封锂离子电池组的方法，所述方法还包括，在将每个锂离子电池气密式密封在所述初始封装中之前， 用所述电解质填充所 述初始封装； 闭合所述初始封装； 对所述锂离子电池提供第一次充电；和 将闭合后的所述初始封装除气。
全文摘要
一种用于锂离子电池组延长电池组使用寿命的密封系统。该密封系统除了提供电池组外壳之外，对在电池组外壳内的电池提供至少一种另外的气密式密封。使用以单层或多层的组合提供的多种塑料膜用于组成用于电池的气密式密封封装。
文档编号H01M2/08GK103081162SQ201180040698
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年8月24日
发明者张惇杰, 张惇育 申请人:张惇杰, 张惇育