电池组件及其制造方法 技术领域
本发明涉及一种电池组件及其制造方法。特别涉及一种电池组件，其中包括由叠层薄膜构成的壳层材料的聚合物电池包含在外壳中，以及它的制造方法。
背景技术
近年来，可携带电子设备，例如集成照相机型VTR(磁带录像机)、手提电话、笔记本型个人计算机等已经出现，并在尺寸和重量上不断减小。伴随于此，对于此类便携电子设备的驱动电源，热切地需要在容量上增加以及在尺寸上进一步减小。此类驱动电源，即所谓的聚合物电池已经被投入实际使用。聚合物电池包括里面含有叠层薄膜的聚合物电池。考虑到聚合物电池免受外部震动、划伤等的保护需要，据调查此类聚合物电池包含外壳。
至此，作为其中包含电池主体的外壳，具有一分为二结构的外壳已经被通常使用，此结构包括由合成树脂形成的半个壳体的上下对的组合。壳体由模制形成(此后简称为树脂制外壳)。更具体的，它已经用于在两个半壳体之一中设置电池主体，然后把另一个半壳放在其上，并通过超声波焊接等方法使两个半个壳体的周边接触表面连接，由此获得电池组件。
在上述树脂制外壳中，为了保护设置在其中的电池主体免受外部震动或类似影响，材料所需的厚度约为0.3到0.4mm。另外，在树脂制外壳中，为了防止电池主体在壳内的晃动，为了在万一摔落时的坚固，或者出于其他目的，通过粘结或双面胶带把电池元件固定到两个半壳中的一个是必要的。而且，考虑到模制半壳时地误差，在使用树脂制外壳的情况下，电池组件的总厚度取决于不对电池容量做贡献的部分的厚度，约为1mm，加上作为能量产生元件的电池主体的厚度。
除此以外，在树脂制外壳中，在通过超声波焊接彼此连接半壳的上-下对时，为了承受焊接而获得足够的强度，要求在连接部分的材料厚度为0.7到1mm。
因此，在使用树脂制外壳的情况下，在结构基础上是必要的而不对电池容量做贡献的部分的体积是庞大的，以至于很难进一步减小尺寸和进一步增加容量。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种电池组件，通过它可能获得更高的容量和更小的尺寸，更具体地，在固定外部尺寸的情况下提高电池容量，或者在固定电池容量的情况下减少外部尺寸，以及它的制造方法。
为了达到上述目的，根据本发明的第一个方面，提供一种包括电池主体的电池组件，其中电池元件使用固态电解质或凝胶型电解质作为电解质，电池元件包含在绝缘膜形式的壳层材料中、该壳体具有一敞开端面的盒状外壳、以及和敞开面相配的帽，其中电池主体包含在外壳中，外壳的敞开面通过帽密闭。
根据本发明按如上构成的电池组件具有壳本身薄于由树脂制成的，具有一分为二结构的常规外壳的结构。因此，在外壳的外部尺寸固定时，内部容积增加。因此，扩大包含在外壳内部的电池主体的尺寸是可能的，而增加电池容量也实现了。另一方面，当电池容量固定时，电池组件在尺寸上可以做得更小。
另外，根据本发明的第二个方面，提供一种电池组件的制造方法，其中在未进行对电池主体的初始充电时，将使用固态电解质或凝胶型电解质作为电解质的电池元件装入绝缘膜形式的壳层材料中，再将由此构成的电池主体装入具有一敞开端面的盒状外壳中，此后进行初始充电。
当组装上电池组件后对电池主体第一次充电时，电池主体膨胀，和外壳的内壁表面紧密接触。所以，在初始充电时，在外壳和电池主体之间的间隙减小为零的设计是可能的。由于此种设计，通过有效地利用外壳的内部容积以确保高电池容量成为可能。除此以外，通过上述的电池主体与外壳内壁的紧密接触，电池主体被固定在外壳内。因此，无需再使用粘结剂或双面胶带固定电池主体。从这一点，也提高了电池容量。
从下面的说明书和附加的权利要求并结合附图得出上述和其他目的，特征和优点是显而易见的。相同的参考标记代表相同的零件或元件。
附图说明
图1是根据本发明的电池组件的部件分解透视图；
图2A和2B是电池组件的截面图，其中图2A是水平截面图，图2B是垂直截面图；
图3是表示电池组件的体积和容量关系的特性图；和
图4是表示帽和外壳配合结构的一个例子的主要部分的透视图。
具体实施方式
现在，参考附图详细描述根据本发明的电池组件的具体实施例及其制造方法。
如图1，2A和2B所示，电池组件1具有电池主体10包含在外壳2中的结构，外壳2的敞开面通过帽3密闭。
电池主体10是固态电解质电池或凝胶形式电解质电池(所谓的锂聚合物电池)，其中电池元件11包括设置在阴极活性物质层和阳极活性物质层之间的固态电解质或凝胶形式电解质，电池元件11包含在绝缘膜形式的壳层材料12内并通过热粘结壳层材料12的周边封结在其中。壳层材料12为塑料膜或由金属彼此层叠构成的叠层板，例如，铝叠层膜，其中绝缘树脂层、由铝构成的金属箔和热熔断树脂层以此顺序层叠并彼此粘结。电池主体10的外部形状大致为长方形。
电池元件11设置有阳极端子引线13，它电连接到构成电池元件11的阳极，阴极端子引线14电连接到构成电池元件11的阴极。阳极端子引线13和阴极端子引线14引出到壳层材料12的外部。
阳极端子引线13和阴极端子引线14分别连接到阳极和阴极集流体。作为阴极端子引线14的材料，可以使用在高电位不分解或融化的金属材料，例如，铝，钛或它们的合金。另一方面，可以使用铜，镍或它们的合金作为阳极端子引线13的材料。
例如，采用固态电解质电池或凝胶电解质电池时，适合于电池元件11的聚合物固态电解质的聚合物材料的例子包括硅凝胶、丙烯凝胶、丙烯腈凝胶、聚磷腈改性的聚合物、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、以及它们的复合聚合物、交联聚合物和改性聚合物等，或者是含氟的聚合物，例如聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-共-四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-共-三氟乙烯)等，以及这些物质的混合物，它们是非限制性的。
层叠在阴极活性物质层或阳极活性物质层上的固态电解质或凝胶型电解质通过将溶液注入阴极活性物质层或阳极活性物质层制备，溶液包括聚合物，电解质盐和溶剂(凝胶电解质的情况下进而可以包括增塑剂)，接着去除溶剂使其固化。层叠在阴极活性物质层或阳极活性物质层上的固态电解质或凝胶型电解质在注入阴极活性物质层或阳极活性物质层部分后固化。在交联聚合物系统的情况下，此后在光或热的条件下开始交联以固化。
凝胶型电解质包括含有锂盐的增塑剂和2％到30％重量的基体聚合物。在这种情况下，可以单独使用酯类，醚类，碳酸酯等，或者作为增塑剂的组分来使用。
作为凝胶型电解质中用于凝胶化这种碳酸酯的基体聚合物，可以使用构成凝胶型电解质时常用的各种聚合物。然而，从氧化还原稳定性的观点出发，优选使用含氟的聚合物，例如聚(偏二氟乙烯)和聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)。
聚合物固态电解质包括锂盐和用于溶解锂盐的聚合物。可以单独或组合使用的聚合物的实例包括醚聚合物如聚(环氧乙烷)和它的交联聚合物、聚(甲基丙烯酸酯)聚合物、丙烯酸酯聚合物、含氟的聚合物如聚(偏二氟乙烯)和聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)等。然而，从氧化还原稳定性的观点出发，优选使用含氟的聚合物，例如聚(偏二氟乙烯)和聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)。
作为凝胶型电解质或者聚合物固态电解质中所包含的锂盐，可以使用普通电池电解液中所使用的那些锂盐。举例来说，作为锂化合物(盐)，可以提及下列非限制性的化合物。
换言之，锂化合物(盐)的非限制性实例包括氯化锂、溴化锂、碘化锂、氯酸锂、高氯酸锂、溴酸锂、碘酸锂、硝酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、醋酸锂、二(三氟甲磺酰)亚胺锂、LiAsF6、LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiAlCl4、LiSiF6等等。
这些锂化合物可以单独或混合使用，从氧化稳定性的观点出发，在它们当中LiPF6和LiBF4是最理想的。
在使用凝胶形式电解质的情况下，在增塑剂中溶液中锂盐的浓度可以是0.1到3.0mol。优选的浓度范围是0.5到2.0摩尔/升。
除了使用上述的凝胶型电解质或固态电解质，根据本实施例的电池主体10可以和常规锂离子电池相同的方式构成。
即，作为构成锂离子电池的阳极材料，可以使用能用锂掺杂或去处掺杂的材料。此种阳极材料，例如，可以使用很难石墨化的碳材料和石墨材料。更具体地，此类碳材料如热分解碳、焦碳(焦煤、针状焦、石油焦)、石墨、玻璃碳、有机聚合物烘焙材料(在适当的温度下材料通过酚醛树脂，呋喃树脂等的烘烤和碳化制备)，碳纤维，活性炭等等，都可以使用。其他可以用锂掺杂或去处掺杂的材料的例子包括聚合物，例如聚乙炔、聚吡咯等等，以及氧化物，例如SnO2等。由此种材料形成阳极，可以添加已知的粘结剂和类似物。
根据目标电池的种类，可以通过使用金属氧化物，金属硫化物，或者特定的聚合物作为阴极活性物质构成阴极。例如，在构成锂离子电池时，不包含锂的金属硫化物或氧化物，例如TiS2，MoS2，NbSe2，V2O5等，主要由LiMO2(其中M代表至少一种过渡金属，x根据电池的充放电状态而不同，一般的范围是0.05到1.10)构成的锂复合氧化物，可以使用这些物质作为阴极活性物质。构成锂复合氧化物的过渡金属M优选为Co，Ni，Mn等。此类锂复合氧化物的具体的例子包括LiCoO2，LiNiO2，LiNiyCo1-yO2(其中0＜y＜1)和LiMn2O4。这些锂复合氧化物构成可以产生高压和很好的能量密度基础的阴极活性物质。多种阴极活性物质可以组合使用以构成阴极。除此以外，可以通过使用此类阴极活性物质，添加已知的导电剂、粘结剂等，形成阴极。
上述电池元件11的结构的例子包括阴极和阳极交替层叠、固态电解质夹在其间的层叠型、固态电解质夹在阴极和阳极之间且叠层层组件卷绕在一起的卷绕型、固态电解质夹在阴极和阳极之间且夹层组件交替折叠的折叠型；可以自由选择这些形式中的一种。
本发明适用于一次电池和二次电池。特别是，把本发明应用到无水电解质二次电池时，可以获得巨大的效果。
外壳2用于把上述电池主体10包含在其中，并为一端敞开的盒状，如图1所示。它满足外壳2具有足够的强度以保护设置在其中的电池主体10免受外部的震动和其他损害。尽管外壳2的材料无具体限制，但考虑到强度和材料厚度，以便保证强度和后面所述的更高容量和更小尺寸，优选使用金属材料制成的外壳(2)，例如铝(Al)和铁(Fe)制成的外壳。在本实施例中，使用铝制外壳2。例如，通过铝材料的深拉形成外壳2。顺便提及，在电池组件1中，电池主体10为不怕液体泄漏的锂聚合物电池，包括绝缘树脂层的铝叠层膜用作壳层材料12，以至于电池主体10和外壳2彼此绝缘，因此不产生短路和其他类似问题。
如上所述，外壳2具有足够的强度保护设置在其中的电池主体10免受外部的震动和其他损害。当使用上述铝制外壳2时，为了达到上述强度，0.15到0.2mm的材料厚度是必要的。因此，电池组件1可以达到足够的强度，同时与常规的模制树脂制成的外壳相比，具有较小的厚度，常规外壳需要具有至少0.3到0.4mm的材料厚度，并且其中一对半壳连接部分的材料厚度需要0.7到1.0mm。因此，在电池组件1中，壳本身可以减少材料的厚度。所以，当外壳的外部尺寸固定时，内部容积增加，导致包含在外壳中的电池主体10的尺寸增加，从而增加电池容量。另一方面，当电池容量固定时，可以实现电池组件1的尺寸的降低。
例如，为获得和电池主体10相等的电池容量所要求的体积，其厚度为5.5mm，宽度为30mm，长度为50mm，更具体地，为了包含电池主体10所要求的体积，取决于树脂制外壳的电池组件A和使用铝制外壳12(根据本发明具有和电池组件1相同的结构)的电池组件B。结果显示在图3中。如图3所示，当使用电池组件A时，所要求的体积为电池主体10的1.31倍，而在使用电池组件B时，体积为电池主体10的1.17倍就足够了。因此，在电池组件中，和使用树脂制外壳的情况比较，铝制外壳12的使用使降低尺寸和提高体积有效性成为可能(在上述例子中大约提高13％)。
另外，由于由铝制成的外壳2比经过模制的由树脂制成的外壳更便宜，所以壳体本身的成本降低了。
而且，因为外壳2可以作为单个零件通过如上所述的铝板的深拉获得，和由一对半壳的组合构成的一分为二的树脂制外壳的情况相比，可以降低零件的数量。因此，它无需对多个零件等进行定位，以至于可以简化电池组件1的设计，提高外部尺寸的精度，而且进一步可以提高可靠性和强度。另外，使用如上所述的单一零件的外壳2，无需树脂制外壳时的通过超声波焊接连接多个零件部分，也无需用于此种连接的昂贵的设备，并降低了制造成本。
而且，外壳2由比合成树脂硬度高的铝形成，也提高了抵抗图钉、小刀等的强度。
顺便提及，将在以后详细描述，在初始充电之前，电池主体10被插入外壳2。在电池组件1中，电池主体10再装在外壳2的状态下进行初始充电。
帽3通过压入或其他类似手段，一定要和包含电池主体10的外壳2的敞开面相配合，从而使外壳2的敞开面密闭。帽3是由合成树脂，例如ABS树脂(丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物)、聚碳酸酯等制成的模制产品。帽3具有孔部分4，用于外部电路和电池主体10的连接，当帽3和外壳2配合时，它和印刷电路板5在指向外壳2的一侧的表面(此后称作内表面)相配合。在内表面相对侧的表面，印刷电路板5通过孔部分4，朝着外壳2的外侧，设置有阴极侧和阳极侧外部端子(未示出)。阴极侧外部端子，通过安装在印刷电路板5上的热动开关6，连接到阴极端子引线14。另一方面，阳极侧外部端子，通过形成在印刷电路板5上的线路，连接到阳极端子引线13。设置在阴极侧外部端子和阴极端子引线14中间的热动开关6是保护性元件，用于当大电流流过或者在电池组件1中的电池不正常地产生热的时候，通过切断或限制电流，保护电池组件1免受非正常的热产生、断裂等损害。顺便提及，除了上面提到的外部端子和作为保护元件的热动开关6以外，ID电阻器和类似元件安装在印刷电路板5上。
按上述构成的电池组件1按如下步骤制造。
首先，制造阴极。
包含阴极活性物质和粘合剂的阴极组分被均匀地施加到金属箔上，例如，成为阴极集流体的铝箔，然后烘干形成阴极活性物质层，由此制成阴极板。接着，阴极板被切成带状，例如由铝制成的阴极端子引线，连接到不具有阴极活性物质层的阴极集流体部分，以形成阴极端子。以此种方式获得带状阴极。至于阴极组分中的粘合剂，可以用已知的粘合剂。除此以外，已知的添加剂和类似物可以添加到阴极组分中。
下一步，制造阳极。
包含阳极活性物质和粘合剂的阳极组分被施加到金属箔上，例如，成为阳极集流体的铜箔，然后烘干形成阳极活性物质层，由此产生阳极板。接着，阳极板被切成带状，例如由镍制成的阳极端子引线连接到不具有阳极活性物质层的集流体部分，以形成阳极端子。以此种方式获得带状阳极。至于阳极组分中的粘合剂，可以用已知的粘合剂。除此以外，已知的添加剂和类似物可以添加到阳极组分中。
接下来，在阴极的阴极活性物质层上形成凝胶电解质层。为了形成凝胶电解质层，首先，在膨胀的溶剂中溶解电解质盐以制备增塑剂。接着，基体聚合物被添加到增塑剂中，紧跟着充分搅拌以溶解基体聚合物，并由此获得可溶形式的电解液。然后，预定量的电解液被施加到阴极活性物质层。接着，在室温下进行冷却，据此在阴极活性物质层上基体聚合物凝结成凝胶电解质层。
另外，以在阴极上形成凝胶电解质层相同的方式，在阳极上形成凝胶电解质层。
下一步，包括凝胶电解质层的电极叠层固定到卷绕芯子上，上述电极层中凝胶电解质层夹在按上述制备的带状阴极和带状阳极之间，电极叠层沿芯子多重卷绕，电极叠层的卷绕末端通过元件胶带固定。而且，卷绕芯子被拉出卷绕的电极叠层，卷绕的电极叠层被从两个方向向下压，以产生截面大致为长方形的电池元件11。
通过在壳层材料12之间夹紧上述电池元件11，并通过热粘结等粘结壳层材料12的周边部分，由此把电池元件11封结在壳层材料12内部，这样制造出电池主体10。在这种情况下，阳极端子引线12和阴极端子引线14被引出壳材料12。然后，电池主体10的热粘结周边部分，更具体地，和引出电极端子的一侧邻近的周边部分，沿图1的箭头方向折叠。
下一步，安装在帽3上的印刷电路板5上的热动开关6和阴极端子引线14彼此连接，在印刷电路板5上的、与在印刷电路板5上的阳极侧外端子导通的线路与阳极端子引线13彼此连接。在这种情况下，在连接到印刷电路板5的线路和热动开关6之后，阳极端子引线13和阴极端子引线14被适当弯曲以至于印刷电路板5和热动开关6被很好地装在外壳2中。例如，如图2A和2B所示，当帽3配合到外壳2时，连接到印刷电路板5上的线路的阴极端子引线14被弯曲到拱起来，而连接到热动开关6的阳极端子引线13先被折叠，然后弯曲到拱起来。
接着，按上述制造的电池主体10被装入由深拉铝板制成的外壳2中，配合到电池主体10的帽3经过压入或类似手段以通过帽3使外壳2的敞开面闭合。例如，电池组件1具有这样的结构，如图4所示，其中装配凸起部分3a设置在帽3的一侧上，而装配孔部分2a设置在外壳2的一侧上，以至于当帽3被压入外壳2时，装配凸起部分3a被装配到装配孔部分2a，由此可以确保帽3装配到外壳2中。顺便提及，在此种情况下，帽3可以在一侧边缘设置一个锥度表面3b以使帽3方便进入外壳2。通过用帽3密闭外壳2的方式，电池组件1的外壳2的里面可以确保密封，由此可以阻止透过湿气、灰尘等进入外壳2，并获得高的可靠性。
用这种方式装配电池组件1后，进行电池主体10的初始充电。在初始充电后，电池主体10的体积膨胀大约5％。在电池组件1中，通过形成外壳2，考虑到初始充电后电池主体10的膨胀，可能获得这样的设计：它把外壳2和电池主体10之间的间隙降低为零，并通过对外壳2的内部容积有效的利用来获得高的电池容量。另外，在电池组件1中，通过这种可能的设计把外壳2和电池主体10的间隙减小为零，可以不需要粘合剂和或双面胶带，粘合剂或双面胶带是为了阻止电池主体10在壳内的晃动、掉落时的加固等等。顺便提及，尽管电池主体10在放电时收缩，但收缩是如此的轻微以至于不必担心电池主体10在壳内的晃动。
此后，经过和普通电池组件类似的包括老化等步骤的制造工艺，制造电池组件1，在准备运输之前，经过实验和选择。因为老化等步骤可以在电池组件1按上述装配之后进行，所以从电池主体10的生产到电池组件1的生产的整个工艺可以连续进行，和使用树脂外壳的情况比较，它的单元主体的老化是跟在电池组件的装配之后。因此，它使提高电池组件1的生产效率、指定较早的交货日期和降低制造成本成为可能。
虽然本发明的优选实施例使用了特定的术语，但这种描述只是为了说明的目的。在不偏离下面的权利要求的精神和范围下进行改变和变化是可以理解的。