锂离子二次电池 【技术领域】
本发明涉及一种薄而宽的锂离子二次电池，更具体地说是涉及这样一种薄而宽的锂离子二次电池，其通过确保盖与具有宽开口的宽面积罐之间的封闭状态而能够防止电解液渗漏、提高储能密度并且制备出各种形状的电池。
背景技术
为了满足便携式电子产品市场成长和变化的需要，对于作为便携式能量供应的可充电电池的需求也正在快速增长，所述的便携式电子产品例如是移动电话、便携式摄像机和笔记本电脑。随着这些便携式电子产品变得越来越小和越来越轻，同时又能提供更好的性能和多种功能，使得对提高二次电池储能密度的要求也变得越来越迫切。
为了满足这样的需求，经过数年的研究已经产生出目前流行的锂离子二次电池，其使得锂离子能够可逆地从材料的主体结构中插入和取出。与已有的水溶液型二次电池，例如镍镉电池和镍氢电池相比，锂离子二次电池每单位体积和每单位重量具有更高地能量密度，且提高了充放电寿命，并很快替代了用于便携式电子产品的现有的电池。
与此同时，移动终端和个人移动信息终端目前的趋势是：其显示器的尺寸由于工艺和显示信息量的提高而增大，增加了通信功能，且由此能量的消耗也快速增加。因此，在使用常规的厚度小于6mm的薄锂离子二次电池的情况下，难以获得足够的运行时间。所以，需要连接两个或更多的电池或使用非常厚的电池。从外观上看，这些锂离子二次电池由一个罐和一个盖构成，其中罐中放入电解液，所述的盖与罐一起构成封闭的容器。接着随着锂离子二次电池的空间尺寸和容量的增长，由于在使用二次电池期间自然发生的电极膨胀和气体产生，从而提高了内压，因此在罐和盖的接触部分，经常发生电解液泄露。电解液的泄露对电池的性能造成致命的影响，甚至于在使用电池的情况下，会对使用该电池的电子装置的电路造成污染，从而缩短了昂贵的电子装置的寿命。
图1a和1b是用于说明常规的锂离子二次电池的示意图。
如前所述，为了避免电解液泄露所导致的问题，常规的矩形锂离子电池将重点放在了使罐和盖的封闭面最小化上，并采用开口窄而深的金属容器。接着，如果与容器的开口面积相比，深型内部的表面积增大了，则金属板应被拉伸成与深度一样大小，从而会导致容器边角的裂缝或容器壁的变形，这对于薄型的宽面电池的制造是不利的。另外，由于该容器深度凹陷，就有了对制造各种形状容器的限制。
近来，出现了一种壁厚为0.2mm左右的锂离子矩形电池，但其只限于用具有很高拉伸比的铝作为表面物质。具有高拉伸比的金属易于进行深度拉伸，但电池的内压又容易使其变形，在用于密封的激光焊接中，由于这种金属的高导热性，使其具有很高的焊接失败率。由于工艺难度加大，所以深度拉伸提高了金属表面材料的加工成本，且在选择金属材料和改变厚度方面有很大的限制。
与此同时，通过这样一种方法制备锂离子二次电池，该方法包括用力将盖插入罐中，并通过激光束将其焊接的步骤，以确保焊接面积和提高大规模生产的生产率。
参照图1a，在使用用力插入方法而制备的常规的锂离子二次电池中，以两步骤结构制备罐，以便于用力将电池盖21插入该罐中，这样就会使电池盖21的厚度增加。而且，在对罐11和盖21进行焊接和密封的情况下，要焊接的开口又宽又薄，电池盖21的厚度增加是保证密封质量的关键。由于上述原因，如果增加了电池盖21的厚度，则单位体积电池的能量密度的损失就会变得很大。因此，为了制备薄型的宽面电池，采用用力插入方法是不合适的。如图1a的(4)中所示，在罐11和盖21装配好的情况下，安装保护电路盒30和PTC盒40使得单位体积的能量密度损失变得很大。因此，就有了这样一种尝试，即将电极体插入开口宽而深的金属罐中，放置单步骤结构的板形金属盖，并将该罐和盖焊接和密封。
参照图1b，电池盖22未采用用力插入方法和两步骤成形，而是采用了单步骤和宽板形状，此时，就必需增加电池罐12和电池盖22的厚度以确保用于焊接所必需的足够的焊接面积。同时，由于所允许的金属容器的最大焊接长度与该金属容器的厚度相同，则金属容器的厚度小于0.3mm就难以确保合适的密封性，就有了产品收得率降低的缺点。
另外，在电池盖22未采用用力插入方法和两步骤成形，而是采用单步骤和宽板形状的情况下，必需精确地固定电池罐12和电池盖22的结合位置。这就需要高度精确地控制误差，从而提高了生产成本，还需要在焊接工艺中使用昂贵的自动夹具，由于在固定位置中花费了加工时间，降低了生产速度，由此提高了生产成本。
【发明内容】
因此，本发明的目的是提供一种锂离子二次电池，其电池罐上采用凸缘，使制备的罐和盖的厚度比常规的要薄以增强储能密度，同时通过调节凸缘的突出长度以增强密封的有效性，并由此提高生产率。
本发明的另一个目的是提供一种锂离子二次电池，使得可以通过在其电池罐的形状所形成的外部空间中安装保护电路盒和PTC盒以使电池罐的外部空间得到最大限度的利用。
为了实现上述目的和其它特性，提供了一种锂离子二次电池。该锂离子二次电池包括：一个罐，其包括一个第一区和一个第二区，每个区均具有一独立空间，该空间包括一个下部、一个上开口部和连接下部和上开口部的侧壁，而第一区和第二区的独立空间彼此连通，所述第一区包括一封闭的下部，以便于向内插入电极板和引入电解液，所述第二区包括一预定的区域，其是封闭的，并由第一区的侧壁向外突出，而剩余的预定区域包括一下开口部以使第一区形成的空间与第二区形成的空间连通，所述罐还包括一个凸缘，其是由第二区上边缘向外突出而形成的，其中第二区的横截面面积大于第一区的横截面面积；一个盖，其包括一个封闭的上部和形成能够封闭凸缘的四周的侧壁，该盖与上述罐装配在一起，以形成一单独的封闭容器，从而使得盖的侧壁的内侧面对所述凸缘的外侧；和一个电极端，其一端与电极板连接，而另一端暴露于罐的外侧。
这里，第二区的下部具有一预定的区域，该预定的区域由第一区的侧壁突出2-10mm的长度，而所述凸缘由第二区的侧壁突出0.2-2mm的长度。如果罐和盖的定位是使得侧壁的内侧面对凸缘的外侧，则盖的四周的形成是使得盖的侧壁的内侧和凸缘的外侧之间的间隙为1mm或更小。第二区的侧壁的高度范围为0.5mm至3mm，而盖的侧壁的高度范围为0.5mm至5mm。
另外，优选的是，电极端的所述另一端穿过罐的第二区的封闭的下部，以暴露于罐的外侧。而且，所述电池还包括一个保护电路盒，其中具有与电极端电连接的电路，所述电路盒安装在由第一区的一个侧壁的外侧和第二区的外侧形成的空间中。此外，所述电池还包括一个PTC盒，其中具有与电极端电连接的PTC装置，所述PTC盒安装在罐的第一区的侧壁的外侧或罐的第二区的下部的外侧从而使得PTC盒定位于由第一区的侧壁的外侧和第二区的下部的外侧形成的空间中，或安装在第一区的侧壁从而使得该PTC盒定位于凸缘的下面。
此外，罐的凸缘与盖的侧壁或上侧焊接，以形成封闭的容器。
【附图说明】
图1a和1b显示的是常规的锂离子二次电池的透视图；和
图2至图5显示的是本发明的锂离子二次电池的透视图。
【具体实施方式】
以下参照附图，对本发明的优选实施方案进行详细描述。在附图中，具有同样功能的同样元件赋予同样的附图标记，且对其重复的描述有意省略。
图2显示的是本发明的罐的透视图。在图2中，标记“A”显示的是沿着图2中a-a’线截取的剖视图。图3显示的是本发明的盖的透视图。在图3中，标记“B”显示的是沿着图3中b-b’线截取的剖视图。图4显示的是装配好的容器的透视图，其中图2的罐与图3中的盖装配在一起。在图4中，标记“C”显示的是沿着图4中c-c’线截取的剖视图。图5显示的是保护电路盒和PTC盒安装在由图4中所示的罐和盖构成的组合体中的构造透视图。在图5中，标记“D”显示的是沿着图5中d-d’线截取的剖视图，而标记“E”显示的是沿着图5中e-e’线截取的剖视图。
参照图2，罐100被分成第一区110和第二区120，二者均具有一独立空间，并且彼此连通。第二区120的横截面面积大于第一区110的横截面面积。
第一区110包括上开口部111，封闭的下部112和连接上部111和下部112的侧壁113，以形成一空间。
第二区120包括下部122，上开口部121，与上部121和下部122连接的侧壁123，以形成一空间，而凸缘124是由侧壁123的上边缘向外突出而形成的。此时，与第一区110的下部112不同的是，第二区120的下部122的预定部分122’被部分封闭，并且向外突出，而第二区120下部122的剩余部分122”是开口，与第一区110的上部111连接。因此，第一区110的空间与第二区120的空间通过第一区110的上部和第二区120的下部122连通。与此同时，可以仅在一个侧壁上形成第二区120的下部122的封闭且突出的区域。在这种情况下，可以允许第二区120的侧壁中除一个侧壁123以外的其余侧壁位于第一区110的另一个侧壁113”的延长线上。
虽然在图中没有显示出来，但电极板和电解液放置于罐100的第一区110中，且电极端的一端与电极板连接，而其另一端穿过罐100的第二区120的突出且封闭的下部122’，暴露于外面。
罐100的凸缘124与下文描述的盖装配，从而形成一封闭的容器。
与此同时，当从第一区的一个侧壁113’测量起时，第二区120的下部122的封闭且突出的区域122’的理想长度是2-10mm。该长度是通过考虑将在下文中描述的保护盒或PTC盒的体积和安装的可加工性来确定的。所述的保护盒或PTC盒安装在由罐100的第一区110的一个侧壁113’的外侧和第二区120的封闭且突出的下部122’的外侧形成的空间中。然而，如果突出的长度超过了上述范围，则会带来罐体积增大的问题。
通过控制突出的长度，凸缘124能够提高密封的有效性。优选凸缘124由第二区120的侧壁突出，其突出的长度为0.2-2mm。该长度是通过考虑下文中将描述的罐和盖结合工作的可加工性来确定的。
参照图3，盖200包括一封闭的上部210和侧壁230，用以能够形成对图2的罐100的凸缘124四周的封装，其成形为内下侧开口的结构。此时，当罐100和盖200彼此装配使得装配的方式是盖200的侧壁230的内侧面对罐100的凸缘124的外侧，而罐100的凸缘123的上侧与盖200的上侧210的内部选择的区域接触时，则优选以这样的方式形成盖200的侧壁230的四周，即使盖200的侧壁230的内侧与凸缘124的外侧之间仅有1mm或更小的间隙。如果该间隙太大，尽管罐100和盖200通过焊接工艺等彼此结合，但密封性仍可能被降低。
另外，如果罐100的第二区120的侧壁123的高度是0.5mm至3mm，盖200的侧壁230的优选高度是0.5mm至5mm。这是因为在将罐100和盖200装配的情况下，密封性要求盖子200至少封闭罐100的第一区110和第二区120，但如果盖200的高度太大，则罐100和盖200结合的可加工性降低。
参照图4，罐100和盖彼此这样装配，即使得盖200的侧壁230的内侧面对凸缘124的外侧，而罐100的凸缘123的上侧与盖200的上侧210的内部的选择区域接触。通过采用激光焊接或电阻焊接，盖的侧壁230和上侧与罐100的凸缘124结合，以形成封闭的容器。
因此，包括凸缘的罐的上侧被插入到盖中，且将该凸缘和盖焊接，从而能够确保用于罐和盖焊接所必需的焊接面积，而进行焊接并不需要独立的夹具。
与此同时，作为一种安全装置，该锂离子二次电池采用用于切断电流的PTC装置，或用于防止过度充放电的保护电路。
参照图5，与电极端电连接的保护电路盒410安装在由罐100的第一区的一个侧壁113”的外侧和第二区的突出且封闭的下侧122’的外侧形成的空间中。此时，该保护电路盒410被牢固地安装，其位置邻近罐100的第一区的一个侧壁113’或罐100的第二区的下侧122’。
另外，与电极端电连接的PTC盒420安装在由罐100的第一区的另一个侧壁113”的外侧和凸缘124的下侧形成的空间中。此时，该PTC盒420被牢固地安装在罐100侧壁113”的外侧。通过在由罐100的第一区的一个侧壁113’外侧和第二区的突出且封闭的下侧122’的外侧形成的空间中安装保护电路盒410，而同样PTC盒420安装在由罐100的第一区的另一个侧壁113”的外侧和凸缘124的下侧形成的空间中，附加保护电路的电池软包装的体积降低，而同时电池软包装状态的单位体积的储能密度增强。
同时，设置了一个电解液注入孔600，以便于将电解液注入第二区的封闭且突出的下侧122’。电极端的一端与电极板连接，另一端500穿过罐100的第二区下的突出且封闭的区域122’以安装在第二区的下侧122’的外壁。此时，电极端500穿过的第二区的下部的预定区域密封得非常牢固紧密，使得电解液没法泄露，且在电解液注入之后，电解液注入孔600被严密地封闭。
[实施方案1]
使用厚度为0.15mm的金属板制造的本发明的罐和盖，制造厚度为4.2mm、短轴长度为34 mm而长轴长度为54mm的矩形锂离子二次电池。
这时，罐的凸缘突出的长度为0.5mm，而罐的凸缘的外侧和盖的侧壁的内侧之间的空隙设置为0.1mm，以提供用于焊接的足够的面积。该罐和盖如图4所示装配，且罐的凸缘和盖的上侧和侧壁通过激光焊接结合。另外，保护电路盒和PTC盒以图4形状被牢固地附着于罐的外侧。
此时，所制造的锂离子二次电池具有的软包装状态的单位体积储能密度是420Wh/l。
[根据图1a的锂离子二次电池的实施例]
使用图1a所示形状的罐和盖，制备厚度为4.2mm、短轴长度为34mm而长轴长度为50mm的矩形锂离子二次电池。此时，用于罐的金属板厚度为0.3mm，用于盖的金属板厚度为0.8mm。制备的罐和盖以图1a(3)的方式装配，并用激光焊接。接着，如图1a(4)所示，将保护电路盒和PTC盒牢固地附着于该组装件的外侧。
此时，所制造的锂离子二次电池具有的软包装状态的单位体积储能密度是286Wh/l。
[根据图1b的锂离子二次电池的实施例]
使用图1b所示形状的罐和盖，制备厚度为4.2mm、短轴长度为34mm而长轴长度为50mm的矩形锂离子二次电池。此时，使用0.3mm厚度的金属板以一层结构制备罐和盖。该制备的罐和盖以图1b(3)的方式装配，并用激光焊接。
[对比例1]
将本发明实施方案1与[根据图1a的锂离子二次电池的实施例]进行比较，可知本发明实施方案1的单位体积储能密度大于[根据图1a的锂离子二次电池的实施例]。因此，在制造与[根据图1a的锂离子二次电池的实施例]具有同样储能密度的本发明的锂离子二次电池的情况下，可以制成比[根据图1a的锂离子二次电池的实施例]更薄的二次电池。因此，通过将容器的模制深度作得比常规的深度浅，就可以容易地作出各种形状的电池。
[对比例2]
将前述实施方案1的本发明电池和根据图1a和1b制备的锂离子二次电池以4.2V的充电状态存放5天。且在各电池的中心部分分别打孔。在500帕斯卡的气压下，将带孔的电池放置1小时。
在这种条件下，在[根据图1b的锂离子二次电池的实施例]的电池中，有少量的电解液渗出，其电压降至3.97V，而[根据图1a的锂离子二次电池的实施例]的电池和本发明的电池均没有电解液渗出，且电压分别保持在4.12V和4.13V。
另外，[根据图1b的锂离子二次电池的实施例]的电池需要总共30分钟进行焊接工艺，与只需要10分钟进行焊接工艺的本发明电池相比，生产效率损失了3倍或更多。而且，[根据图1b的锂离子二次电池的实施例]的电池需要单独的焊接设备和复杂形状的夹具，而本发明的电池只需要将罐插入盖的下侧的插入过程，并不需要单独的夹具，从而节省了步骤。
工业实用性
如上所述，本发明的锂离子二次电池，其中电池罐上采用了凸缘，且通过将包括凸缘的罐的上侧插入盖而将罐和盖装配起来，这样可以确保罐和盖焊接所必需的焊接面积，以防止电解液的泄露。用作电池罐的金属容器的开口是宽而浅的，可以将金属容器的厚度降低至0.3mm以下，从而明显提高了储能密度。
另外，由于罐和盖以一个插入工艺完成装配，则在焊接罐和盖时不需要独立的夹具，从而能够提高生产率，降低生产成本。
还有，可以在由该罐结构形成的外部空间上安装保护电路盒和PTC盒，从而明显提高了电池软包装的单位体积的储能密度。
参照优选的实施方案，已经对本发明进行了详细描述，本领域普通技术人员能够据此作出各种改进和替代，而这并不脱离权利要求所述的本发明的实质和范围。