具有新颖结构的帽组件和使用该帽组件的圆柱形电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种帽组件，该帽组件被安装在电池结构中的圆柱形容器的敞开的上端，在该电池结构中，阳极/分隔物/阴极结构的电极组件(凝胶卷状物)被内置在圆柱形容器中。该帽组件包括：形成切痕的安全通气口，其被固定使得安全通气口可以被来自电池的高压气体破裂；突出的上端帽，其沿着安全通气口的外表面被连接；安装在上端帽的外表面上的衬垫；和灭火构件，该灭火构件包含用于防止电池起火的灭火组分，并且该灭火构件的至少一部分被安装在上端帽与衬垫之间的界面处。
【专利说明】具有新颖结构的帽组件和使用该帽组件的圆柱形电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有新颖结构的帽组件，更具体地，涉及一种被布置在电池的圆柱形容器的敞开上端处的帽组件，该电池被构造成具有如下结构，在该结构中，阴极/分隔物/阳极结构的电极组件(凝胶卷状物)被安装在圆柱形容器中，该帽组件包括:具有预定切痕的安全通气口，该切痕被构造成被在电池中的高压气体破裂；突出的顶帽，该顶帽沿着其外周被连接到安全通气口 ；被安装在顶帽的外周处的衬垫；和灭火构件，该灭火构件包含灭火组分以防止电池起火，该灭火构件的至少一部分被安装在顶帽与衬垫之间的界面处。
【背景技术】
[0002]随着移动装置已经被越来越多地开发，并且对这种移动装置的需求已经增加，对作为移动装置的能源的二次电池的需求也急剧增加。在这种二次电池中，锂二次电池具有高的能量密度和放电电压，针对锂二次电池已进行了许多研究并且锂二次电池目前被广泛地商业使用。
[0003]基于电池壳体的形状，二次电池可以被分类为:圆柱形电池，该圆柱形电池具有被安装在圆柱形金属容器中的电极组件；棱柱形电池，该棱柱形电池具有被安装在棱柱形金属容器中的电极组件；或者袋形电池，该袋形电池具有被安装在由铝层压板形成的袋形壳体中的电极组件。圆柱形电池的优势在于圆柱形电池具有相对大的容量且结构稳定。
[0004]此外，被安装在电池壳体中的电极组件作为动力产生元件，具有能够被充放电的阴极/分隔物/阳极堆叠结构。电极组件可以被分类为:凝胶卷型电极组件，该凝胶卷型电极组件被构造成具有如下结构，在该结构中，活性材料被施加到长片型阴极和长片型阳极，该阴极和阳极在分隔物被布置在阴极和阳极之间的状态下被卷绕；或者堆叠型的电极组件，该电极组件被构造成具有如下结构，在该结构中，具有预定尺寸的多个阴极和阳极在分隔物被分别布置在阴极和阳极之间的状态下被连续地堆叠。凝胶卷型的电极组件具有易于制造并且具有高的单位质量能量密度的优势。
[0005]图1是典型地示出了大体圆柱形电池的竖直截面透视图。
[0006]参考图1，圆柱形电池100通过如下方法被制造:将凝胶卷型(卷绕型)电极组件120放置在圆柱形壳体130中，将电解质注入到圆柱形壳体130中，并且将具有电极端子(未示出)例如阴极端子的顶帽140联接到圆柱形壳体130的敞开的上端。
[0007]凝胶卷型的电极组件120被构造成具有如下结构，在该结构中，在分隔物123被布置在阴极121和阳极122之间的状态下阴极121和阳极122被卷绕成圆圈。圆柱形中心销150被布置在该卷的中心，即，电极组件120的中心。中心销150通常由金属材料制成以呈现预定的强度。中心销150被构造成具有中空的圆柱形结构，通过卷绕金属板形成该结构。中心销150作用为固定和支撑电极组件120。另外，当对电池充放电时或当电池运行时，中心销150作用为排放由电池的内部反应产生的气体的通道。
[0008]同时，锂二次电池具有低安全性的劣势。例如，当电池被过度充电到大约4.5V或更高多时，阴极活性材料被分解，在阳极处发生金属锂的枝状生长，并且电解质被分解。此时，从电池产生热量导致上述的分解和若干子分解快速地发展，并且最终电池会起火和爆炸。
[0009]因此，为了解决上述问题，大体圆柱形二次电池包括电流中断装置(CID)，电流中断装置被安装在被限定在凝胶卷型的电极组件与顶帽之间的空间中，用于当二次电池发生故障时中断电流和释放内部压力。
[0010]参考图2，顶帽10突出以形成阴极端子。顶帽10具有排气口。在顶帽10下方依次布置正温度系数(PTC)元件20、安全通气口 30和连接板50，正温度系数(PTC)元件20通过当电池的内部温度增加时电池电阻的显著增加而中断电流，安全通气口 30被构造成在正常状态下具有向下压下的形状并且当电池的内部压力增加时突出和破裂以排放气体，连接板50在其上端的一个侧面处被联接到安全通气口 30并且在其下端的一个侧面处被连接到电极组件40的阴极。
[0011]因此，在常规操作状态下，经由电极引线42、连接板50、安全通气口 30和PTC元件20，电极组件40的阴极被连接到顶帽10以获得导电性。
[0012]然而，当一些安全装置诸如安全通气口 30或PTC元件20发生故障时，仍存在电池燃烧的可能性。
[0013]即，锂二次电池在多种场合下会易于起火，诸如锂二次电池的过度充电、施加外部热量到锂二次电池和锂二次电池的物理变形。已经提出防止锂二次电池的过度充电以及防止由于锂二次电池的物理变形而发生的内部短路的各种方法，锂二次电池的过度充电致使锂二次电池起火。然而，尽管有这种预防方法，但至少当锂二次电池开始起火时，仍需要抑制电池燃烧的进行的方法。与燃烧有关的风险随着电池容量的增加而增加。
[0014]因此，存在对根本地解决上述问题的技术的高度需要。
【发明内容】
[0015]〈技术问题〉
[0016]因此，已经做出本发明以解决上述问题以及其它仍待解决的技术问题。
[0017]具体地，本发明的目的是提供一种帽组件，该帽组件能够利用包含灭火组分的灭火构件而防止电池单元起火。
[0018]本发明的另一个目的是提供一种包括这种帽组件的具有提高的安全性的圆柱形电池。
[0019]〈技术方案〉
[0020]根据本发明的一方面，能够通过提供一种帽组件而实现上述和其它目标，该帽组件被布置在电池的圆柱形容器的敞开的上端处，该电池被构造成如下结构，在该结构中，阴极/分隔物/阳极结构的电极组件(凝胶卷状物)被安装在圆柱形容器中，该帽组件包括:具有预定切痕的安全通气口，该切痕被构造成由在电池中的高压气体破裂；沿着其外周被连接到安全通气口的突出的顶帽；被安装在顶帽的外周处的衬垫；和灭火构件，该灭火构件包含灭火组分以防止电池起火，该灭火构件的至少一部分被安装在顶帽与衬垫之间的界面处。
[0021]通常，在电池单元的上部处起火。因此，根据本发明的帽组件被构造成使得灭火构件被布置在顶帽和衬垫之间的界面处，以便灭火构件更快速地响应于电池单元的温度改变，以防止电池单元起火。
[0022]考虑到电池的整体结构，用于抑制电池单元起火的灭火构件能够被安装的空间被极大地限制。根据本发明，灭火构件的至少一部分被安装在顶帽和衬垫之间的界面处。
[0023]在优选示例中，安装灭火构件的至少一部分的界面可以是顶帽的顶部或外周侧面。
[0024]优选地，灭火构件被构造成具有平坦的、中空的环形结构，使得灭火构件能够响应于在顶帽和衬垫之间的界面的形状，并且灭火构件的等于其半径的20%到100%的外部区域被固定地安装在顶帽和衬垫之间的界面处。
[0025]只要灭火构件表现优秀的燃烧抑制功能同时不降低电池的性能，则灭火构件的结构不被特别地限制。例如，灭火构件可以是包含阻燃组分的金属环或薄的中空阻燃膜。
[0026]阻燃组分(阻燃剂)的种类不被特别地限制。例如，卤素阻燃剂、磷阻燃剂和无机化合物阻燃剂可以被用作阻燃组分。根据情况，可以使用被从上述说明的试剂中选择出来的一种，或两种或更多种的混合物。
[0027]卤素阻燃剂大体上使由气体产生的自由基稳定而呈现阻燃效果。卤素阻燃剂的示例可以包括三溴代苯氧基乙烷、四溴双酚-A (TBBA)、八溴二苯基醚(OBDPE)、溴化环氧树月旨、溴化聚碳酸酯低聚物、氯化石蜡、氯化聚乙烯和环脂族氯阻燃剂。
[0028]在磷阻燃剂中，通过热分解产生的聚偏磷酸形成聚偏磷酸的保护层，或者当聚偏磷酸被产生时通过脱水产生的碳膜阻隔了氧气，而呈现阻燃效果。磷阻燃剂的示例可以包括诸如磷酸铵的磷酸盐、氧化膦、氧化膦二醇、亚磷酸盐、膦酸酯、三芳基磷酸酯、磷酸烷基二芳胺、磷酸三烷基酯、间苯二酚双(二苯基)磷酸酯(RDP)。
[0029]无机化合物阻燃剂通常通过加热被分解而排出不可燃的气体诸如水、二氧化碳、二氧化硫和氯化氢，并且导致吸热反应，从而通过吸热反应稀释可燃气体以防止氧气的接近，并且冷却和降低热分解产物的产生以呈现阻燃效果。无机化合物阻燃剂的示例可以包括氢氧化招、氢氧化镁、氧化铺、氢氧化锡、氧化锡、氧化钥、错化合物、硼酸盐和I丐盐。
[0030]特别地，阻燃组分可以包括卤代烷(halon)组分。卤代烷是一种卤素元素(氟、氯或溴)的碳化合物气体，卤代烷通过卤素元素的负催化作用而中断可燃物的氧化反应以防止氧气的接近，从而防止燃烧。卤代烷的优选示例是卤代烷-1211 (CF2BrCl)。
[0031]只要阻燃膜能够稳定地保持阻燃剂同时不导致在电池中发生化学反应，则用于阻燃膜的材料不被特别地限制。用于阻燃膜的材料的示例可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯和氟基聚合物。优选地，表现阻燃性能的聚氨酯被用作阻燃膜的材料。
[0032]在具体的示例中，在阻燃组分的含量等于阻燃膜的总重量的按重量计算的20%到90%的状态下，阻燃组分可以被包含在膜的材料中。阻燃剂可以被包含在膜的材料中或者可以被涂覆在膜的外表面上。
[0033]在另一个具体的示例中，在阻燃组分的含量等于金属环的总重量的按重量计算的20%到90%的状态下，阻燃组分可以被包含在环的材料中。
[0034]同时，灭火构件可以在预定温度或更高的温度下呈现从液态变为气态的性能以吸收热量。即，当电池的内部温度不断地升高到在电池爆炸之前的预定温度时，灭火构件吸收在灭火构件周围的热量并且阻隔周围空气，从而抑制温度的进一步升高。因此，能够有效地防止电池起火。
[0035]预定温度可以是100°C或更高。优选地，预定温度可以被设置在100°C和200°C之间的范围内。
[0036]在示例中，安全通气口可以在其中央设有凹陷部，凹陷部被构造成被向下凹陷，在限定该凹陷部的上弯曲区域和下弯曲区域处可以分别形成第一切痕和第二切痕，第一切痕可以形成闭合曲线，形成在第一切痕下方的第二切痕可以被构造成具有一侧开放的开放曲线结构，而且与第一切痕相比，第二切痕可以被更深地形成。
[0037]因为与第一切痕相比，第二切痕被更深地形成，所以当其压力大于或等于临界压力的加压气体被施加到安全通气口时，第二切痕被切断。另一方面，当其压力小于临界压力的加压气体被施加到安全通气口时，第一切痕与第二切痕配合以向上提升凹陷部。
[0038]在另一个示例中，帽组件还可以包括正温度系数(PTC)元件，该正温度系数(PTC)元件被布置在顶帽和安全通气口之间。
[0039]因为PTC元件被布置在邻近灭火构件的位置处，所以当PTC元件在预定温度或更高的温度下不工作时，灭火构件立即吸收热量，从而保证电池单元的安全性。
[0040]根据本发明的另一个方面，提供有包括具有上述结构的帽组件的圆柱形电池。
[0041]根据本发明的圆柱形二次电池被通过如下方法制造，在凝胶卷型电极组件被安装圆柱形金属容器中的状态下，将帽组件联接到圆柱形金属容器的敞开的上端，将电极组件的阳极焊接到该容器的下端，并且将电极组件的阴极焊接到帽组件，该帽组件被联接到该容器的上端，以便在电极组件和电解质被容纳在该容器中的状态下紧密地密封电池。
[0042]根据本发明的电池可以是具有高的能量密度、放电电压和输出稳定性的锂二次电池。根据本发明的锂二次电池的其它部件将在下面被详细地描述。
[0043]通常，锂二次电池包括阴极、阳极、分隔物和包含锂盐的非水性电解质。
[0044]阴极可以被通过如下方法制造，例如，将阴极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物施加到阴极集电器，并且干燥所施加的混合物。如果需要还可以添加填充物。同样地，阳极可以被通过如下方法制造，将阳极材料施加到阳极集电器并且干燥所施加的阳极材料。如果需要，还可以添加上述成分。
[0045]分隔物被布置在阳极和阴极之间。分隔物可以由表现高的离子渗透性和机械强度的绝缘薄膜形成。
[0046]包含锂盐的非水性电解质由非水性电解质和锂盐组成。液体非水性电解溶液、固体电解质或无机固体电离质可以被用作非水性电解质。
[0047]集电器、电极活性材料、导电材料、粘合剂、填充物、分隔物、电解溶液和锂盐在本发明所属的【技术领域】中是公知的，因此将省略其详细说明。
[0048]根据本发明的锂二次电池可以利用在本发明所属的【技术领域】中公知的普通方法来制造。即，锂二次电池可以通过如下方式被制造，将多孔分隔物布置在阴极和阳极之间并将电解溶液注射到其中。
[0049]阴极可以通过如下方法被制造，例如，将由锂转换金属氧化物活性材料、导电材料和粘合剂组成的浆料施加到集电器并且干燥该浆料。以同样的方法，阳极可以通过如下方法被制造，例如，将由碳活性材料、导电材料和粘合剂组成的浆料施加到薄的集电器并且干燥该浆料。[0050]<有利效果>
[0051]如从上述中可显而易见的，根据本发明的帽组件包括含有灭火组分的灭火构件，其中，灭火构件被安装在顶帽和衬垫之间的界面处。因此，能够防止电池起火，从而提高电池的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0052]从以下的详细描述并结合附图，将更清楚地理解本发明的上述及其它目的、特征和其它优势，其中:
[0053]图1是示出大体圆柱形电池的竖直截面透视图；
[0054]图2是图1的局部截面透视图；
[0055]图3是示出根据本发明的实施例的圆柱形电池的透视图；
[0056]图4是图3的分解图；
[0057]图5是图3的局部放大图；
[0058]图6是图3的局部截面透视图；并且
[0059]图7是示出图6的安全通气口的透视图。
【具体实施方式】
[0060]现在，参考附图，将详细地描述本发明的优选实施例。然而，应该注意的是，本发明的范围不由图示的实施例限定。
[0061 ] 图3是示出根据本发明的实施例的圆柱形电池的透视图，而图4是图3的分解图。
[0062]参考这些附图，根据本发明的实施例的圆柱形电池IOOa通过如下方法被制造，将凝胶卷状物(未示出)插入到容器200中，将电解质注射到容器200中，并且将帽组件300安装到容器200的敞开的上端。此外，绝缘构件400被定位在帽组件300的上端处并被管410按压以使阴极和阳极绝缘。
[0063]图5是图3的局部放大图，而图6是图3的局部截面透视图。
[0064]连同图3和图4 一起参考这些附图，帽组件300包括:安全通气口 330，安全通气口 330具有预定切痕，该切痕被构造成被在电池中的高压气体破裂；突出的顶帽310，顶帽310沿着其外周被连接到安全通气口 320 ;衬垫340，衬垫340被安装在顶帽的外周处；正温度系数(PTC)元件350，正温度系数元件350被布置在顶帽310和安全通气口 320之间；和灭火构件360，灭火构件360被安装在顶帽310与衬垫340之间的界面处。
[0065]灭火构件360被构造成具有平坦的、中空的环形结构。灭火构件360的外部区域被固定地安装在顶帽310和衬垫340之间的界面处，该灭火构件360的外部区域相当于灭火构件360的半径的大部分。
[0066]此外，灭火构件360由包含卤代烷组分作为阻燃剂的金属环形成。在阻燃剂组分的含量等于金属环的总重量的按重量计算的60%的状态下，阻燃剂组分被包含在环的材料中。
[0067]灭火构件360吸收在灭火构件360周围的热量并且在高于100°C的温度下阻隔周围空气，从而抑制温度的进一步升闻。因此，能够根本上防止电池起火，从而提闻电池的安全性。[0068]图7是典型地示出图6的安全通气口的透视图。
[0069]安全通气口 320具有第一切痕324和第二切痕326。被形成在安全通气口 320的上部处的第一切痕324形成闭合曲线，而被形成在安全通气口 320的下部处的第二切痕326被构造成具有开放曲线结构，其一侧是开放的。此外，与第一切痕324相比，第二切痕326被更深地形成。因此，第二切痕326的联接力小于第一切痕324的联接力。
[0070]因此，当容器200的内部压力超过临界压力时，安全通气口 320的第二切痕326被破裂而导致加压气体从容器200排出。
[0071]虽然本发明的优选实施例已经被公开用于图示性目的，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离如在所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，能够得到多个修改、添加和替换。
【权利要求】
1.一种帽组件，所述帽组件被布置在电池的圆柱形容器的敞开的上端处，所述电池被构造成具有如下结构，其中阴极/分隔物/阳极结构的电极组件(凝胶卷状物)被安装在所述圆柱形容器中，所述帽组件包括: 安全通气口，所述安全通气口具有预定切痕，所述预定切痕被构造成由所述电池中的高压气体破裂； 突出的顶帽，所述突出的顶帽沿着其外周被连接到所述安全通气口 ； 衬垫，所述衬垫被安装在所述顶帽的外周处；和 灭火构件，所述灭火构件包含灭火组分以防止所述电池起火，所述灭火构件的至少一部分被安装在所述顶帽和所述衬垫之间的界面处。
2.根据权利要求1所述的帽组件，其中，安装所述灭火构件的所述至少一部分的所述界面是所述顶帽的顶部或外周侧面。
3.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述灭火构件被构造成具有平坦的、中空的环形结构，并且所述灭火构件的等于其半径的20%到100%的外部区域被固定地安装在所述顶帽和所述衬垫之间的所述界面处。
4.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述灭火构件是包含阻燃组分的金属环或薄的中空阻燃膜。
5.根据权利要求4所述的帽组件，其中，所述阻燃组分是从由卤素阻燃剂、磷阻燃剂和无机化合物阻燃剂组成的组中选择的一种阻燃剂或者两种或更多种阻燃剂的混合物。
6.根据权利要求5所述的帽组件，其中，所述阻燃组分包含卤代烷组分。
7.根据权利要求4所述的帽组件，其中，用于所述阻燃膜的材料是聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯或氟基聚合物。
8.根据权利要求4所述的帽组件，其中，在所述阻燃组分的含量等于所述阻燃膜的总重量的按重量计算的20%到90%的状态下，所述阻燃组分被包含在用于所述膜的材料中。
9.根据权利要求4所述的帽组件，其中，在所述阻燃组分的含量等于所述金属环的总重量的按重量计算的20%到90%的状态下，所述阻燃组分被包含在用于所述环的材料中。
10.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述灭火构件表现出在预定温度或更高温度下从液态变为气态的性能，以吸收热量。
11.根据权利要求10所述的帽组件，其中，所述预定温度是100°c。
12.根据权利要求1所述的帽组件，其中，所述安全通气口在其中央处设有凹陷部，所述凹陷部被构造成向下凹陷，在限定所述凹陷部的上弯曲区域和下弯曲区域处分别形成第一切痕和第二切痕，所述第一切痕形成闭合曲线，形成在所述第一切痕下方的所述第二切痕被构造成具有一侧开放的开放曲线结构，并且与所述第一切痕相比，所述第二切痕被更深地形成。
13.根据权利要求1所述的帽组件，还包括正温度系数(PTC)元件，所述正温度系数(PTC)元件被布置在所述顶帽和所述安全通气口之间。
14.一种圆柱形电池，所述圆柱形电池包括根据权利要求1到13中的任一项所述的帽组件。
15.根据权利要求14所述的圆柱形电池，其中，所述电池包括锂二次电池。
【文档编号】H01M2/04GK103548175SQ201280025124
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月31日
【发明者】李学俊, 赵龙昊 申请人:株式会社Lg化学