电化学电池及其封装方法 本发明涉及电化学电池例如锂-离子电池及封装这种电池的方法。
近年来，电化学电池尤其是锂离子原电池得到了很大的发展。这类电池一般具有棱柱形的或矩形的形状，并由一种柔性封装材料包裹之。
对于封装材料的一个十分重要的要求就是该材料及其封焊边缘具有完全的气密性，而且，封装材料对于电解质和外部环境的抗腐蚀性和抗弱化性也是重要的。
上述的柔性封装材料通常是一种层压制品，它具有金属箔层、外保护层和内部热封塑料层。上述的金属箔通常是一种不扩散的铝箔，外保护层常用聚乙烯，热封塑料可以选用聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚丙烯及它们的组合物。
上述的层压材料也可在其热封层与金属箔之间具有短路保护层，该保护层必须是电绝缘层，而且其熔点要比热封层的熔点高，这就可减少电接头(电池接片)与金属箔发生电接触的危险。
另外，封闭材料还可具有可对来自电解质的酸产生中和作用的料层或添加剂和/或可提高相邻层间的粘结强度地料层。
现有各种类型的用来将电池封装在封装材料内的密封/包装技术。通常要做出一种带有开口端的封装盒或封装袋，将电池母体(对于卷绕式电池称之为“薄板卷”)置入封装袋内，或者围绕电池母体做出封装袋，使电池母体的接片从封装袋的开口端突出来，然后加入电解质，并采用热封法将封装袋的上端焊封起来。然后使从封装袋上端伸出的电池接片与外电路相连接。
上述方法的一个主要缺点是电池接片容易在其后的贮运过程中发生损坏或短路，这就会导致接片/电池的变坏，并可能使生产区出现危险的状况。由于层压材料中的铝箔的切割边缘可能与接片电接触，故特别容易发生短路。
另一种封装技术是采用一种其长度足以包裹带有接片的电池母体的封装袋，然后再尽可能严密地端封电池母体。按照这种方法，电池接片被包裹住，并在电池的进一步贮运过程中受到封装袋的突出部分的保护。上述方法的优点是可避免由封装箔片切割边缘造成的短路危险，并且使接片受到有效保护而不致于弯曲或受到应力。但是，为了进行后续工序必须具有接近接片的通路，故必须在后续制造工步将封装材料的突出部分弯曲或从接片处切除，而这些切割或弯曲工步本身是难以进行的。
一种流行的封装方法是所谓的流水作业封装法。采用这种方法时，将专用的电池母体沿纵长方向置于长的(连续的)封装材料的中心线上。在连续的生产线上，将封装材料围绕独立的电池折叠起来。在用于食品包装的国际专利WO 97/38905中说明了上述的流水作业封装法的基本原理。当封装电化学电池时，封装材料通常具有可热封的内层，封装材料的两纵长边在电池的一个侧面上互相封接而形成一条所谓的叠片焊缝。同理，将封装材料的底端边缘相互封接起来。在上端(接片端)，则从封装材料条带将封装材料切割至其长度足以盖住电池和接片的整个长度。
然后进行的后续工序通常包括充装电解质、真空密封、初始化、释放多余气体和横过接片的最终封接。在下一步的加工过程中，必须通过切割法去除接片周围的多余封装材料。
与流水作业封装法相比，上述的边缘封接的封装工艺的主要缺点是，封装件两侧面上封接边缘使电池的宽度和体积显著增加。
采用上述的流水作业封装法时需要去除多余的封装材料，而当采用其他的由封装材料盖住接片的封装方法时也需要去除多余的封装材料。切割和折叠封装材料都必须仔细地进行，以避免损伤接片和发生短路。上述的切割工步难以自动化作业。
因此，需要寻找一种方法，该方法要保证接片在封装工步之后的制造阶段中受到有效的保护，而且使接片容易露出来以去除多余的封装材料，同时，应最好使电池接片在电气上受到保护以免发生由封装材料的切割边缘所引起的电势短路。
授与Motorola的美国专利US 5948562说明了解决上述的一些问题所作的努力，该专利提出将接片封闭在封装材料之内部以保护接片，并使包裹接片的封装材料的一个部分具有窗口，通过该窗口形成电连接。这种结构的主要缺点是它仅形成有限的接近接片的通路，而且在接片周围的额外的封装材料增大了电池的重量和体积。为了防止接片短路，上述专利提出在接片与金属箔之间设置带段，所述的带是一种可热封的材料带，其熔化温度与封装材料的热封层相似。因此，上述的带会部分地熔化，从而减小其厚度，降低绝缘性能。
美国专利US-A-4997732、欧洲专利EP-A-390557和US-A-6120935公开了具有可露出用于连接的电极的窗口的电化学电池组件。在国际专利WO-A-97/08762和欧洲专利EP-A-0942477中公开了另一种电池组件结构。
本发明的一个目的是提出一种可保证有效地密封、减少接片损伤和/或短路危险、以及可以可靠而自动地进行制造作业的方法和封装系统。
按照本发明的一个实施例，制备一种带有在使用时与接片对准的狭缝或窗口的封装材料。上述的窗口最好是大致为矩形的窗口，在封装材料沿电池母体周围折叠之前最好沿封装材料条带的横向有4个并排的上述狭缝或窗口。每个窗口或狭缝的宽度最好大于每个接片或接片对(每个负极和正极电接头可具有一个或多个接片)的宽度。
接片之间至少做出一个切口，由于窗口或狭缝比接片宽，故切口不需要直通到接片。
然后通过较简易的切割法去除或者说切割掉多余的封装材料。最好采用具有3个刀片/切割刀的切割刀具，上述刀片或者说切割刀的宽度与多余封装材料至接片的每一侧面的宽度相当，并与两个接片排列之间的宽度相当。
与必须从接片切除多余封装材料的普通结构相比，本发明的主要优点是切割操作不需要靠近接片而进行，因为窗口的边缘或狭缝本身起到预切割线的作用。因此，可最大限度地减少损伤接片的危险，而且可以更方便地在自动生产线上完成切割作业。
与将多余的封装材料切开然后叠回到露出的接片上的结构相比，本发明方法的好处是不存在可能在(自动化的)起始化过程中偶然横过的封装材料的折叶。再一个好处是不一定要按照接片的长度来设计切割刀具，这就使生产/切割设备更为通用，并可用不同类型的尺寸的电池。
另外，本发明的方法可避免要从接片去除的那一部分封装材料的封接层发生不想要的熔化，这种熔化会使封装材料难以从接片去除。
在本发明的一个优选实施例中，将一段绝缘带置于接片与封装材料的切割边缘之间，以避免由于金属箔的边缘与接片相接触而引起的接片短路。上述绝缘带的长度分别大于正极和负极接片排列的宽度，其宽度必须足够形成短路屏障，最好将它们沿封装材料的窗口或狭缝的边缘上的整个宽度安置之。
所选用的绝缘带的材料和厚度要能有效地形成短路屏障。绝缘带至少有一层外粘结层，绝缘带可以固定到封装材料上或接片上。
在另一个优选方案中，绝缘带是一种带有至少一个可热封接外层的层压件。因此，绝缘带可以对封装材料和/或接片进行热封焊。其短路屏障层将阻止接片与封装材料的金属箔片之间的电接触。
在本发明的另一个优选实施例中，具有短路屏障层和至少一个可热封层的绝缘带在电池组件的上封口的焊缝区整个宽度扩展而裹住接片。本实施例的优点在于可将短路屏障限制在接片区，因此，不需要使整个封装材料都带有短路屏障层。这就减小了每个电池的体积和重量，降低了成本。
本发明还提出了解决上述同样问题的替换方案，在该替换方案中，封装材料在封装前不作出窗口/狭缝，而是沿其横向线条打出孔眼。在封装过程中，将电池母体安置成使上述孔眼线横越过电池接片，而封装方法与上面所述的电化学电池的流水作业封装法相似。
然后，以简单的方法沿上述孔眼线拉脱或者说撕去多余的封装材料而露出电池接片。
可以理解，上述的孔眼线的强度应经过恰当选择，该强度即可使电池组件在封装过程中不致于破裂。又足以保证封装材料在去除工步中受到应力作用时可沿上述孔眼线断开。
在使用孔眼线的实施例中，可以采用与上述的使用窗口或狭缝的实施中相同的绝缘带结构。
除了上述的封装方法外，本发明还涉及所述方法的产品，即电池组件，该组件通常带有延伸到切断的或断开的封装材料的边缘之外的绝缘材料带。本发明也涉及预切断或预打孔的封装材料，还涉及由尚未去除多余的封装材料的焊封电池组成的中间产品，所述的焊封电池的接片被多余的封装材料保护着。
下面仅通过实例并参看附图更详细地说明本发明的优选实施例，附图中，
图1是本发明的一个实施例的电化学电池组件的平面图；
图2a～2d简单示出制造电池组件的各工步；
图3a和3b是图2b和2c所示的电池组件的端视透视图；
图4a～4c简单示出另一种电池制造工艺的各工步；
图5是与图1类似的平面图但示出本发明的另一个实施例；
图6是与图1类似的平面图但示出本发明的又一个实施例；
图7a～7d简单示出图6所示电池组件的各制造工步；
图8是图7c的电池组件的端视透视图；和
图9简单示出图6所示电池组件的又一种制造工艺的情况。
正如本专利申请的序言中所述，本发明具体涉及一种卷绕式“薄板卷”电池的封装，所述的电池被卷绕成大致扁平的矩形形状，或者在圆形绕轴上卷绕，然后取去绕轴，将电池弄平。为了方便起见，在下文说明中，使用单词“纵向”表示电池的平行于卷绕轴线的距离或方向，另一方面使用单词“横向”说明垂直于卷绕轴线的方向，并按相应的意思使用其他单词如“长度”和“宽度”。由于在实践中用于电池的电连接的接片或者说端子是沿平行于卷绕轴线的方向伸出的，故上述的纵向方向也与接片的取向一致。
图1示出一种密封在封装件2内的矩形电池1，并示出沿电池组件之一侧面的中央向下延伸的纵向“叠片焊缝”3，而横向焊缝4则封闭电池的伸出接片5的端部。在该电池中，有一对正极接片和一对负极接片，但是，这并不重要，在下文中，要用术语“接片”或“接片排列”分别表述正极接片或负极接片的接头，而不管构成接头的独立接片的数目有多少。
由于电池组件的封装件的额外长度6伸出接片焊缝4之外，故使上述的接片可部分地受到保护而不致损伤或偶然折叠。但是，这些接片至少部分地在封装材料上形成的孔口或者说窗口7露出，在本实施例中，上述窗口7的形状是完整的矩形。这些窗口7的特别好处在于可方便地切除多余的封装材料，而切割刀片完全不会与接片5相接触。显然，只需要做出从点A至点B、从点C至点D和从点E至点F的3个切口。由于窗口延伸至每个接片排列之外，即延伸至接片的侧面，故有一个供刀片伸入的余量，以便可靠地切割封装材料而不触碰接片。而且，由于有了上述的余量而可以按自动化程序实施切割作业，并可由同一台切割装置按普通方式同时地切出上述的3个切口。中间的切口切断电池组件的叠片焊缝3，也切割其两侧的封装材料。
可以理解，窗口7还有一个沿纵向的用以形成切口的余量，这就给出了窗口的纵向尺寸和横向宽度。
在图1中所示出的接片5几乎但未完全延伸到窗口7的整个纵向尺寸。但是，这并不重要，接片可以短些或者确实可以长些，因此可在多余的封装材料之间进一步延伸。
图2a～2d简单示出若按上面所述的流水作业封装法将电池封装在封装材料内时如何制成上述的电池组件。从该说明中可以明白如何按一种将电池置入一种带有开口端的封装盒或者说封装袋内的方法来实施类似的程序，也就是在电池母体置入之前折叠封装材料。
从图2a可看出，沿封装材料2的宽度(该宽度当然必须环绕扁平电池1的两侧面)做出4个孔口或者说窗口7。位于两侧的外孔的位置应当在封装材料折叠在电池上之后可以尽可能精确地对准在折叠前位于内侧的孔。在本实施例中，接片5延伸越过窗口7的整个纵向尺寸。
在这个特定的实施例中，沿封装材料2的宽度设置一条绝缘带8，该绝缘带8盖住窗口7的下边缘(靠近电池1的边缘)，它最好是粘接在封装件2上，但在一个不同的方案中将它焊封在接片上。如果绝缘带8沿整个宽度粘接在封装件上，那么重要的是使绝缘带8不要达到窗口7的上边缘。若绝缘带8也盖住窗口7的上边缘，就会有一种危险，即在切割作业(下面再说明)之后，封装件的多余部分6就不那么方便除去，因为它沿窗口7的上述的上边缘粘接在绝缘带8上了。
图2b以粗线示出做成的用以去除多余封装材料的3个切口。该切口具有横向尺寸，故它们沿封装件的宽度延伸并伸入窗口区，切口也具有纵向尺寸，故它们切割越过绝缘带8。因此，边缘的切口呈“L”形，而中间的切口呈直角的“U”形。但是，必须强调的是，像图1那样的切口只需要3个切割步骤，而这些步骤通常是同时进行的。
可以理解，做出上述的3个切口之后，多余的封装材料6便可与电池组件分离而去除，见图2c和2d。在图2c和2d中以标号4示出的画阴影线的条带代表在电池的接片端部上的横向焊缝，用于使电池密封在封装件内。从图2c和2d可以看出，绝缘带8的几乎全部在窗口7露出的部分(见图2b)都留在接片上，而绝缘带8的靠近接片5的侧面的部分则被去除。
正如本专利申请的序言中讨论的那样，绝缘带的主要好处在于它提供了封装件的边缘之间(具体说是沿窗口的下边缘)的短路屏障，如果没有上述的绝缘带，在初始化的后续步骤后可能有发生短路的危险，因此，图2所示实施例比图1所示实施例确实具有更多优点。
图3a和3b以透视图形式示出处于图2b和2c简单所示的加工工步的电池组件。图3b示出绝缘带8的位于接片5之前面和后面的部分可以除去。
图4a～4c简单示出如何按自动化程序封装电池，但图中未示出后来的焊封和切割工步。将封装材料展开，并沿其宽度方向按一定间隔冲出4个窗口7(见图4a)。然后将绝缘材料条带或者说绝缘带8粘接在封装材料上，并与窗口7重叠(图4b)(绝缘带的个别部分可不粘接)，然后按流水作业封装法以普通方式将电池密封在封装件2内(图4c)。
在一个优选实施例中，绝缘带8充分向电池延伸，使之延伸入横向焊缝4的热封区内。按这种方法，绝缘带做出多余部分形成在普通的封装件中具有的常见的短路屏障，因此，可显著降低封装材料的成本，并可以使用形状较简单的封装件。
绝缘带或绝缘带片(“标签条”)最好由带有丙烯酸粘结层的40μm厚的聚酯条带组成。但是，绝缘带也可以以各种厚度的聚乙烯、聚丙烯或纸为基。其他的例如US 5948562中提到的用作绝缘带的材料也可以使用。上述的粘结层还可以以橡胶物质为基。为了在绝缘带的一个部分上形成一个非粘结区，可在该部分上涂上一种紫外线(UV)固化漆，该漆层固化后，粘结材料就不会粘附到带漆区上。
一种可能是有利的做法是采用3层的层压带，其外层可以是例如50μm厚的丙烯酸乙酯(EAA)的甲基丙烯酸乙酯(GEMM)的可热封材料，其内层可以是电绝缘材料，而且其熔点应比外层的高。该内层可以是例如12μm厚的聚酯。
上述的多层绝缘带应至少在电池的上封焊区内盖住接片的两侧面，因此可避免使用封装件本身的短路屏障。
下面参看图5说明图1所示实施例的另一个方案。在封装材料上不做出上述的窗口，而是沿横向做出“I”形切口或者说狭缝。每个“I”形切口本身的长度大于接片排列的长度，因此，I形切口的头和尾都位于接片的两侧，且平行于这些接片，并与这些接片有一定的距离。因此利用与图1相关的AB切口、CD切口和EF切口，容易去除多余的封装材料。在一个更为简单的实施例中，封装材料上的初始切口可以是线性切口或者说狭缝，但是，这要求用于切除多余封装材料的直线切割刀具更精确地定位，因为沿纵向没有定位容差。而采用具有纵向尺寸以及横向尺寸的切割刀具(例如“T”或“L”形刀具)则可引入切割容差。
这里可以指出，在封装材料上做出窗口或者说孔口的实施例的好处是，可将上述的窗口用作一种控制工艺步骤(包括敷贴绝缘带和切割的步骤)的“传感标志”。具体地说，可通过上述窗口触发用于操纵各制造工步的光学传感件。
关于窗口的实施例，在一个可能的改型中将设置在封装材料两侧的成对窗口(如图2a的实例所示)做成一个可在封装过程中折叠在其本身上的宽的窗口，这样，窗口的尺寸为原先宽窗口尺寸的一半，并且延伸至电池组件的边缘。在这个不十分理想的实施例中，要求封装件(和绝缘带)对电池组件提供刚性，因为多余的封装材料仅沿中央条带连接到电池组件上，虽然在只需要单个切口来去除多余封装材料的情况下是可行的。
在图6的实施例中，采用不同的但是相关的方法来去除多余的封装材料6。该实施例不在封装材料上做出窗口，而是沿封装件2的宽度方向做出小缝隙或孔眼的线10。按照这种方法，用封装材料封装之后，接片5受到完全的保护，因为它们不在窗口露出。由于通过穿孔法形成了减弱线，还是较容易拉脱多余的封装材料6而显露出接片5。在图7a～7d和8简单示出了上述示法，显然，在本实施例中，也沿封装材料的宽度方向设置绝缘带8。
横跨封装材料设置的绝缘带8应当盖住孔眼线10，而且绝缘带应当仅粘接在电池侧的封装材料上，因此，在拉脱多余的封装材料6后，绝缘带8便与封装件2的破断边缘相叠合，并伸出到该破断边缘之外。如果在后续工序中需要将绝缘带回叠以增大通往接片5的通路，可使绝缘带8预先做出位于接片5两侧的纵向切口(这一特征适用于所有实施例；见例如图3b和图8)。
在另一种固定绝缘带的方法中，绝缘带8仅沿其上边缘和下边缘被粘贴。因此，绝缘带8要预先在其上、下边缘做出粘结层，并且在这两粘结区之间预先做出孔眼线。在制造过程中，粘结的绝缘带固定到封装材料上，故其孔眼线相对于封装材料的孔眼线有所偏离，这样，在电池被包裹在封装材料内后而且多余的封装材料去除后，绝缘带便伸出在封装件2的破断边缘之外。绝缘带的伸出部分不会粘附到接片上，这对于后来靠近接片以便进行连接等工作是有利的。
可以指出，上述这种预制出粘结边缘和孔眼线的绝缘带可以与带有窗口或者说孔口的实施例结合应用。在这种情况下，所有窗口区或者说孔口区都被绝缘带盖住，在窗口之间的简单的线性切口足以使多余的封装材料去除(因为绝缘带会沿其孔眼线断开，并且不需要切割)。
应当强调的是，虽然为了制造方便起见而沿封装材料的整个宽度使用一个条带的绝缘带通常是最为方便的，但是，也可以代之以使用多个小段的绝缘带。
参看图9，该图与示出封装电池1的流水作业封装法的图4相似，应当说明的是，封装材料2的上表面已沿其两边缘设置出用于触发操纵绝缘带固定工步和随后的折叠和切割工步的光学传感件的传感标志20。当封装材料从右上侧辊到达左下侧辊时，便可看到封装材料另一表面上的绝缘带。在折叠工步之前的封装材料上看到的虚线表示绝缘带的定位处，而中间的虚线表示封装材料的孔眼线(减弱线)。