电极端子的固定结构及包括其的电池、电池组和车辆的制作方法

本公开涉及一种电极端子的固定结构以及包括该电极端子的固定结构的电池、电池组和车辆。本技术要求以下专利申请的优先权：2021年1月19日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0007278；2021年2月19日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0022897；2021年2月19日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0022894；2021年2月19日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0022891；2021年2月19日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0022881；2021年2月23日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0024424；2021年3月8日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0030300；2021年3月8日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0030291；2021年4月9日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0046798；2021年5月4日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0058183；2021年6月14日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0077046；2021年6月28日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0084326；2021年10月1日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0131225；2021年10月1日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0131215；2021年10月1日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0131205；2021年10月1日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0131208；2021年10月1日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0131207；2021年10月14日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0137001；2021年10月15日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0137856；2021年10月22日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0142196；2021年11月9日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0153472；2021年11月19日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0160823；2021年11月24日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0163809；2021年11月26日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0165866；2021年12月3日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0172446；2021年12月10日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0177091；2021年12月31日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0194593；2021年12月31日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0194610；2021年12月31日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0194572；2021年12月31日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0194612；2021年12月31日在韩国提交的韩国专利申请10-2021-0194611；以及2022年1月5日在韩国提交的韩国专利申请10-2022-0001802，这些申请的公开内容通过引用并入本文中。

背景技术：

1、容易应用于各种产品组并具有诸如高能量密度之类的电特性的二次电池不仅普遍应用于便携式装置，而且普遍应用于由电驱动源驱动的电动车辆(ev)、混合动力电动车辆(hev)等。

2、因为这些二次电池具有可以显著减少化石燃料的使用的主要优点以及没有由能量的使用产生副产物的次要优点，所以它们作为一种用于改善生态友好性和能量效率的新能源而受到关注。

3、目前本领域中广泛使用的二次电池类型包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等。单元二次电池的操作电压约为2.5v至4.5v。因此，当需要更高的输出电压时，通过串联连接多个电池来配置电池组。此外，可以根据电池组所需的充/放电容量，并联连接多个电池来形成电池组。因此，可以根据所需的输出电压和/或充电/放电容量来不同地设定包括在电池组中的电池的数量和电连接的形式。

4、同时，作为一种二次电池，已知有圆柱形、矩形和袋型电池。在圆柱形电池的情况下，用作绝缘体的隔膜插设在正极和负极之间，并且它们卷绕以形成卷芯形式的电极组件，该电极组件插入到电池壳体中以与电解质一起配置电池。此外，条形电极接头可以连接到正极和负极中的每一者的未涂覆部，并且电极接头电连接电极组件和暴露于外部的电极端子。作为参考，正极端子是密封电池壳体的开口的密封体的帽，并且负极端子是电池壳体。

5、然而，根据具有这种结构的传统圆柱形电池，由于电流集中在联接到正极的未涂覆部和/或负极的未涂覆部的条形电极接头中，因此由于条形电极接头的小的截面面积引起的大电阻和大量发热，电流收集效率不好。

6、对于具有1865的形状因子(直径：16mm，高度：65mm)或2170的形状因子(直径：21mm，高度：70mm)的小圆柱形电池，电阻和热不是主要问题。然而，当形状因子增加以将圆柱形电池应用于电动车辆时，圆柱形电池在快速充电过程期间电极接头周围产生大量热时可能起火。

7、为了解决此问题，提供了一种圆柱形电池(所谓的无接头圆柱形电池)，其中正极的未涂覆部和负极的未涂覆部设计成分别定位在卷芯型电极组件的顶部和底部，并且集流体焊接到未涂覆部以改善集流效率。

8、图1至图3是示出制造无接头圆柱形电池的过程的图。图1示出了电极的结构，图2示出了卷绕电极的过程，并且图3示出了将集流板焊接到未涂覆部的弯折表面的过程。图4是示出沿纵向方向(y)剖切的无接头圆柱形电池的剖视图。

9、参考图1至图4，正极10和负极11具有这样一种结构，在该结构中，片状集流体20涂覆有活性材料21，并且包括沿卷绕方向x的一个长边处的未涂覆部22。

10、如图2中所示，通过将正极10和负极11与两片隔膜12顺序堆叠在一起，然后沿一个方向x将其卷绕来制造电极组件a。此时，正极10以及负极11的未涂覆部布置在相反方向上。

11、在卷绕过程之后，正极10的未涂覆部10a和负极11的未涂覆部11a朝芯弯折。此后，集流体30、31分别焊接并联接到未涂覆部10a、11a。

12、电极接头不单独联接到正极未涂覆部10a和负极未涂覆部11a，集流体30、集流体31连接到外部电极端子，并且电流路径形成为沿着电极组件a的卷绕轴线方向(参见图3中的箭头)具有大的截面面积，这具有降低电池电阻的优点。这是因为电阻与电流流过的路径的截面面积成反比。

13、然而，当圆柱形电池的形状因子增加并且快速充电期间充电电流的大小增加时，无接头圆柱形电池中也再次发生热问题。

14、具体地，如图4中所示，传统的无接头圆柱形电池40包括电池壳体41和密封体42。电池壳体41也称为电池罐。密封体42包括帽42a、密封垫圈42b和连接板42c。密封垫圈42b围绕帽42a的边缘并且借助压接部43固定。此外，电极组件a借助卷边部44固定在电池壳体41中以防止竖直移动。

15、通常，正极端子是密封体42的帽42a，负极端子是电池壳体41。因此，联接到正极10的未涂覆部10a的集流体30与经由呈条形式的引线45附接到帽42a的连接板42c电连接。此外，联接到负极11的未涂覆部11a的集流体31电连接到电池壳体41的底部。绝缘体46覆盖集流体30以防止具有不同极性的电池壳体41和正极10的未涂覆部10a彼此接触并导致短路。

16、当集流体30连接到连接板42c时，使用呈条形式的引线45。引线45单独附接到集流体30或与集流体30一体制造。然而，由于引线45呈薄条的形式，因此其截面面积小，且因此在快速充电电流流动时产生大量热。此外，从引线45产生的过多的热传递到电极组件a而使隔膜12收缩，这可能导致内部短路，这是热失控的主要原因。

17、引线45还占据电池壳体41内的大量安装空间。因此，包括引线45的圆柱形电池40具有低空间效率，因此在增加能量密度方面存在限制。

18、此外，压接部43的顶部具有负极性但具有小面积。在附图中，压接部43被示出为较大，但实际上，压接部43的顶部具有比密封体42小得多的面积。因此，为了稳定地连接汇流条部件，正极应连接到压接至电池壳体41的敞开端的密封体42，并且负极应连接到电池壳体41的底部。

19、如上所述，为了串联和/或并联连接传统的无接头圆柱形电池40，需要将汇流条部件连接到密封体42的帽42a和电池壳体41的底表面，这使空间效率劣化。装设在电动车辆上的电池组包括数百个圆柱形电池40。因此，电气布线的低效率在电动车辆的组装过程和电池组的维护中造成相当大的不便。

技术实现思路

1、技术问题

2、本公开旨在解决现有技术的问题，因此，本发明涉及通过改善圆柱形电池的电极端子结构以提高电池壳体中的空间效率来降低圆柱形电池的内电阻并提高能量密度。

3、本公开还涉及改善圆柱形电池的电极端子结构，以通过扩展电流路径的截面面积来解决在快速充电期间引起的内部加热问题。

4、本公开还涉及提供结构改善的圆柱形电池，该结构改善允许在圆柱形电池的一侧进行用于圆柱形电池的串联和/或并联连接的电气布线。

5、本公开还涉及提供使用结构改善的圆柱形电池制造的电池组和包括该电池组的车辆。

6、然而，本公开所要解决的技术目的并不限于以上所述，本领域的技术人员将根据以下公开清楚地了解本文未提及的其它目的。

7、技术方案

8、在本公开的一个方面中，提供了一种电极端子的固定结构，包括：电池壳体，所述电池壳体配置成一侧敞开，并且另一侧具有底部，在所述底部中形成有穿孔；电极端子，所述电极端子穿过所述穿孔安装成不接触所述穿孔的内壁；以及端子垫圈，所述端子垫圈插设在所述电极端子与所述穿孔之间，其中，所述电极端子包括：主体部，所述主体部插入所述穿孔中；外凸缘部，所述外凸缘部配置成从所述主体部的第一侧沿所述电池壳体的所述底部的外表面延伸；内凸缘部，所述内凸缘部配置成从所述主体部的第二侧朝向所述电池壳体的所述底部的内表面延伸以压缩所述端子垫圈；以及平坦部，所述平坦部设置于所述内凸缘部的内侧。

9、优选地，所述平坦部可以与所述电池壳体的所述底部的所述内表面平行。

10、优选地，所述电极端子可以由金属制成，并且所述内凸缘部通过对所述主体部的所述第二侧进行塑性加工而形成。

11、在一个实施方式中，所述电极端子可以为所述内凸缘部穿过所述穿孔而铆接的铆接端子。

12、在另一个实施方式中，所述内凸缘部面向所述电池壳体的所述底部的表面与所述电池壳体的所述底部的所述内表面之间的角可以为0°至60°。

13、在又一个实施方式中，所述内凸缘部可以包括第一区域和第二区域，所述第一区域逐渐与所述电池壳体的所述底部隔开，所述第二区域与所述第一区域连接并且朝向所述电池壳体的所述底部延伸，并且所述第二区域面向所述底部的表面与所述底部的所述内表面之间的角可以为0°至30°。

14、优选地，所述内凸缘部与所述平坦部之间可以设置有凹进部。

15、在一个实施方式中，所述凹进部可以为朝向所述主体部的中心轴线凹进的闭环形状的槽。

16、在另一个实施方式中，所述凹进部可以具有不对称截面。

17、在又一个实施方式中，所述不对称截面可以包括所述平坦部的侧壁以及所述内凸缘部的与所述平坦部的所述侧壁的端部连接的倾斜表面。

18、在又一个实施方式中，所述侧壁可以垂直于所述电池壳体的所述底部的所述内表面。

19、在又一个实施方式中，所述侧壁可以朝向所述平坦部倾斜。

20、优选地，所述内凸缘部的厚度可以随着远离所述主体部而逐渐减小。

21、优选地，所述端子垫圈可以包括：外垫圈，所述外垫圈插设在所述外凸缘部与所述电池壳体的所述底部的所述外表面所在的第一平面之间；内垫圈，所述内垫圈插设在所述内凸缘部与所述电池壳体的所述底部的所述内表面所在的第二平面之间；以及中间垫圈，所述中间垫圈插设在所述主体部与所述穿孔之间以连接所述外垫圈和所述内垫圈。

22、在一个实施方式中，所述中间垫圈可以根据其位置具有不同的厚度。

23、在另一个实施方式中，所述端子垫圈可以在所述中间垫圈中具有最小厚度。

24、在又一个实施方式中，所述中间垫圈与所述第一平面相邻的区域的厚度可以随着靠近所述第一平面而增加。

25、在又一个实施方式中，所述中间垫圈与所述第二平面相邻的区域的厚度可以随着靠近所述第二平面而增加。

26、在又一个实施方式中，位于所述中间垫圈的所述第一平面和所述第二平面之间的中央区域可以具有均匀的厚度。

27、在又一个实施方式中，所述中间垫圈的插设在所述穿孔的连接至所述底部的所述内表面的内边缘与所述内凸缘部之间的区域的厚度可以相对小于所述中间垫圈的其它区域的厚度。

28、在又一个实施方式中，所述中间垫圈的厚度可以随着远离所述外凸缘部而逐渐减小。

29、在又一个实施方式中，所述内垫圈的插设在所述底部的所述内表面与所述内凸缘部的端部附近的区域之间的区域可以具有最小的厚度。

30、在又一个实施方式中，所述穿孔的所述内边缘可以包括面向所述内凸缘部的面向表面。

31、在又一个实施方式中，所述内垫圈可以配置成比所述内凸缘部延伸得更长，使得所述内垫圈的端部暴露。

32、在又一个实施方式中，基于所述电池壳体的所述底部的所述内表面，所述平坦部的高度可以等于或大于所述内垫圈的端部的高度。

33、在又一个实施方式中，基于所述电池壳体的所述底部的所述内表面，所述平坦部的高度可以等于或大于所述内凸缘部的高度。

34、在又一个实施方式中，基于所述电池壳体的所述底部的所述内表面，所述内凸缘部的高度可以大于所述内垫圈的端部的高度。

35、优选地，基于所述电池壳体的所述底部的所述内表面，所述内凸缘部的高度可以为0.5mm至3.0mm。

36、优选地，所述电极端子的从所述外凸缘部的下表面延伸到所述平坦部的表面的高度可以为4mm至7mm。

37、优选地，基于所述电池壳体的所述底部的所述外表面，所述外凸缘部的高度可以为0.8mm或更大。

38、优选地，所述外垫圈的至少一部分可以暴露于所述外凸缘部的外部，并且当在平行于所述电池壳体的所述底部的所述外表面的方向上测量时，所述外垫圈的暴露部分可以具有0.1mm至1mm的宽度。

39、优选地，从所述主体部的中心至所述外凸缘部的边缘的半径可以为所述电池壳体的所述底部的半径的10％至70％。

40、优选地，从所述主体部的中心至所述平坦部的边缘的半径可以为所述电池壳体的所述底部的半径的4％至30％。

41、优选地，当将最大压缩点处的厚度变化与压缩前所述端子垫圈的厚度的比率定义为压缩比时，所述端子垫圈的所述压缩比可以为30％至90％。

42、更优选地，所述端子垫圈可以包括聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氟乙烯或聚丙烯，并且所述端子垫圈的所述压缩比可以为50％至90％。

43、优选地，所述端子垫圈的所述中间垫圈和所述内垫圈在压缩前可以具有大致相同的厚度，所述中间垫圈和所述内垫圈的所述压缩比可以为50％至90％。

44、在本公开的另一方面中，还提供一种电池，所述电池包括：电极组件，在所述电极组件中，第一电极和第二电极夹着隔膜卷绕，所述电极组件具有所述第一电极的第一部分和所述第二电极的第二部分，所述第一部分和所述第二部分配置成从所述电极组件的两端延伸并且暴露于所述隔膜的外部；电池壳体，所述电池壳体配置成容纳所述电极组件并且电连接到所述第一电极；电极端子，所述电极端子穿过形成在所述电池壳体的底部中的穿孔安装成不接触所述穿孔的内壁并且电连接到所述第二电极；所述电极端子包括：主体部，所述主体部插入所述穿孔中；外凸缘部，所述外凸缘部配置成从所述主体部的第一侧沿所述电池壳体的所述底部的外表面延伸；内凸缘部，所述内凸缘部配置成从所述主体部的第二侧朝向所述电池壳体的所述底部的内表面延伸；以及平坦部，所述平坦部设置于所述内凸缘部的内侧，端子垫圈，所述端子垫圈插设在所述电极端子与所述穿孔之间；以及密封体，所述密封体配置成密封所述电池壳体的敞开端，以与所述电池壳体绝缘。

45、在一个实施方式中，所述电池壳体可以包括卷边部，所述卷边部形成在邻近所述敞开端的区域中并压入所述电池壳体中，并且所述密封体可以包括不具有极性的帽以及插设所述帽的边缘与所述电池壳体的所述敞开端之间的密封垫圈。

46、在另一个实施方式中，所述电池壳体还可以包括压接部，所述压接部延伸并向所述电池壳体的内侧弯折，并且配置成与所述密封垫圈一起围绕并固定所述帽的所述边缘。

47、优选地，所述帽可以包括排气凹口，所述排气凹口在所述电池壳体内的压力超过阈值时破裂。

48、优选地，当所述电池壳体内的所述压力在15kgf/cm2至35kgf/cm2的范围内时，所述排气凹口可以破裂。

49、在又一个实施方式中，根据本公开的电池还可以包括：第一集流体，所述第一集流体联接到所述第一电极的所述第一部分，并且所述第一集流体的不与所述第一电极的所述第一部分接触的边缘的至少一部分可以插设在所述卷边部与所述密封垫圈之间并且由所述压接部固定。

50、优选地，所述第一集流体的所述边缘的至少一部分可以通过焊接固定到所述卷边部的邻近所述压接部的内周。

51、在又一个实施方式中，根据本公开的电池还可以包括：第二集流体，所述第二集流体联接到所述第二电极的所述第二部分，并且所述第二集流体的至少一部分可以联接到电极端子的所述平坦部。

52、优选地，所述第二集流体和所述电极端子的所述平坦部可以通过焊接联接，并且所述第二集流体与所述电极端子的所述平坦部之间的焊接部分的拉力可以为2kgf或更大。

53、优选地，暴露在所述第二集流体的表面上的焊接图案的转换直径可以为2mm或更大。

54、优选地，所述电极端子的所述平坦部的直径可以为3mm至14mm。

55、优选地，暴露在所述第二集流体的表面上的所述焊接图案的面积与所述电极端子的所述平坦部的面积的比率可以为2.04％至44.4％。

56、在又一个实施方式中，根据本公开的电池还可以包括：绝缘体，所述绝缘体插设在所述第二集流体与所述电池壳体的所述底部的内周之间以及所述电池壳体的侧壁的内周与所述电极组件之间。

57、优选地，所述绝缘体可以具有焊接孔，所述焊接孔形成为朝向所述第二集流体暴露所述电极端子的所述平坦部，并且所述绝缘体覆盖所述第二集流体的表面和所述电极组件的一侧的边缘。

58、优选地，从所述电池壳体的所述底部的所述内表面到所述电极端子的所述平坦部的高度可以等于或小于所述绝缘体的厚度。

59、优选地，所述端子垫圈可以包括：外垫圈，所述外垫圈插设在所述外凸缘部与所述电池壳体的所述底部的所述外表面所在的第一平面之间；内垫圈，所述内垫圈插设在所述内凸缘部与所述电池壳体的所述底部的所述内表面所在的第二平面之间；以及中间垫圈，所述中间垫圈插设在所述主体部与所述穿孔之间以连接所述外垫圈和所述内垫圈。

60、优选地，所述内垫圈的端部可以暴露于所述内凸缘部的外部。

61、在又一个实施方式中，所述焊接孔可以暴露所述电极端子的所述平坦部和所述内凸缘部。

62、在又一个实施方式中，所述焊接孔可以暴露所述电极端子的所述平坦部、所述内凸缘部和所述内垫圈。

63、在又一个实施方式中，在根据本公开的电池中，第一汇流条端子可以电联接到所述电极端子的表面，并且第二汇流条端子可以电联接到所述电池壳体的所述底部的所述外表面。

64、优选地，所述第一汇流条端子可以与所述电极端子在平面上交叠以形成第一交叠区域，并且所述第二汇流条端子与所述电池壳体的所述底部的所述外表面交叠以形成第二交叠区域，并且所述电极端子的直径与所述电池壳体的所述底部的所述外表面的宽度可以满足以下关系式：

65、w1≤e1≤d-2rd-2g-2w2

66、e2＝0.5*(d-2rd-2g-e1)

67、(e1：所述电极端子的直径，e2：在所述电池壳体的所述底部的所述外表面中与所述电极端子的表面平行的暴露表面的宽度，d：所述电池壳体的外径，rd：在平面上测量的所述电池壳体的边缘处的圆形区域的宽度，g：所述外垫圈经由所述电极端子的边缘暴露的宽度，w1：在所述第一交叠区域的边缘中选择的任意两点之间的距离中的最大值，w2：穿过所述电极端子的所述中心的多条直线与所述第二交叠区域的边缘相交的两点之间的距离中的最大值)。

68、在又一个实施方式中，通过将所述电池的直径除以高度获得的形状因子比可以大于0.4。

69、在本公开的另一方面中，还提供一种电池组，该电池组包括多个上述电池。

70、优选地，所述多个电池可以以预定数量的列布置，并且

71、所述电极端子和所述多个电池中的每个电池的所述电池壳体的所述底部的所述外表面可以设置成面向上。

72、根据本公开的电池组可以包括：多个汇流条，所述多个汇流条配置成串联和并联连接所述多个电池，所述多个汇流条可以设置在所述多个电池上方，并且每个汇流条可以包括：主体部，所述主体部配置成在相邻电池的电极端子之间延伸；多个第一汇流条端子，所述多个第一汇流条端子分别配置成从所述主体部沿一侧方向延伸并且电联接到位于所述一侧方向上的电池的所述电极端子；以及多个第二汇流条端子，所述多个第二汇流条端子分别配置成从所述主体部沿另一侧方向延伸并且电联接到位于所述另一侧方向上的电池的所述电池壳体的所述底部的所述外表面。。

73、优选地，在所述电极端子和所述电池壳体的所述底部的所述外表面之间测量的所述电池的ac电阻可以为4毫欧姆(mohm)或更小。

74、在本公开的另一方面中，还提供一种车辆，该车辆包括上述的电池组。

75、有益效果

76、根据本公开的一个实施方式，可以通过改善电池的电极端子结构来提高电池壳体中的空间效率，从而降低电池的内电阻并提高能量密度。

77、根据本公开的另一实施方式，可以通过改善电池的电极端子结构以扩展电流路径的截面面积来解决在快速充电期间引起的内部加热问题。

78、根据本公开的又一实施方式，可以在电池的一侧进行用于电池的串联和/或并联连接的电气布线。

79、根据本公开的又一实施方式，可以提供使用结构改善的电池制造的电池组以及包括该电池组的车辆。