专利名称：高功率锂单体电池以及具有该锂单体电池的高功率锂电池组的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及高功率锂单体电池以及具有该高功率锂单体电池的高功率锂电池组，特别涉及这样一种高功率锂单体电池和具有该高功率锂单体电池的高功率锂电池组，该单体电池增加了锂电池电极端子的宽度，因此降低了热生成和由于电极端子的电阻而导致的电位降，并有效地除去了产生的热量。
背景技术：
二次电池称作可再充电的电池，与不可再充电的一次电池不同。二次电池已经广泛地应用于高技术电子设备，例如便携式电话、笔记本电脑或者可携式摄像机。
特别是，锂电池的操作电压为3.6V，是广泛用作电子设备电源的镍镉电池或镍氢电池的3倍。另外，锂电池每单位重量的能量密度高。由于这些原因，锂电池发展快速。
这样的锂电池使用锂基氧化物作为阴极的活性材料，且使用碳材料作为阳极的活性材料。通常，将锂电池分为液体电解质电池和聚合物电解质电池。使用液体电解质的电池称作锂离子电池，且使用聚合物电解质的电池称作锂聚合物电池。由于最近普及的锂聚合物电池是由柔韧的材料制成的，因此电池的形状可以有很多变化。另外，锂聚合物电池具有优良的稳定性且重量轻，使得当需要获得体积小且重量轻的便携式电子设备时，它是有优势的。
同时，根据容纳电极组的外壳的形状，可以将锂电池制成各种形状。锂电池可以为圆柱形、方形、袋状(pouch)等。通常，圆柱形锂电池使用圆柱形铝外壳，方形锂电池使用方形铝外壳，且袋状电池使用由薄板制成的袋状外壳。
图1是常规锂单体电池的透视图，且示意性地表示了方形锂单体电池的主体。图2是显示了常规锂单体电池在锂电池放电约30A的电流后的过热状态的照片。
如图1所示，常规锂单体电池的主体11包括阳极板12、阴极板13和隔膜14。阳极板12包括由阳极活性材料层涂覆的阳极集电体。阴极板13包括由阴极活性材料层涂覆的阴极集电体。隔膜14插在阳极板12和阴极板13之间。将阳极板12、隔膜14和阴极板13按顺序布置之后，将它们缠绕并压缩，由此完成了常规锂单体电池的主体11。
在此情况下，阳极板12和阴极板13分别与阳极端子15和阴极端子16焊接，由此它们暴露在主体11的外部。在此情况下，阳极端子15由镍制成，阴极端子16由铝制成。
阳极端子15和阴极端子16都缠绕有保护带17，以防止从主体11暴露的部分受到损坏。
然后，将前述主体11插入并装配在方形铝外壳中，由此获得锂单体电池。
目前已经开发了具有高能容量的锂电池，以长期使用而仅用单独的充电操作。可是，混合式汽车需要的电池远小于或轻于电动汽车的电池，并要求具有瞬时输出。也就是说，由于混合动力车需要能量时发动机可以提供能量，因此混合动力车不需要大容量电池。因此，混合动力车的电池放出储存的能量仅仅几分钟或几秒钟，因此给汽车供应动力，且必须能够在短时间内再次充电。
然而，当电池输出很高的能量然后再充电时会产生大量的热量。除非抑制产生的热量，否则会降低电池的容量和寿命，并且电池可能会破裂或受损。
当使用高功率电池，诸如用做混合动力车的电池时，充电和放电速度比常规锂单体电池快几倍，大量的电流流入暴露到主体11外部的阳极端子15和阴极端子16。
因此，如图2所示，常规的锂电池10的问题在于由于狭窄的阳极端子15和阴极端子16的电阻，生成的热量集中在阳极端子15和阴极端子16周围，使得电池可能过热至约45℃或更高，且可能会出现电位降。
另外，常规的锂电池10的问题还在于锂电池10的电化学反应集中在阳极端子15和阴极端子16的附近，使得局部产生热量，由此，锂电池10局部老化，因此缩短了锂电池10的寿命并损坏电池，可能导致起火或爆炸。
发明内容
因此，本发明是针对现有技术中存在的上述问题而作出的，并且本发明的目的在于提供高功率单体电池和具有高功率单体电池的高功率锂电池组，该单体电池和电池组降低了电池的电阻，因此降低了能量损失，例如在高功率充电操作或放电操作过程中生成的热量和发生的电位降。
本发明的另一个目的是提供高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，该单体电池和电池组防止当高速充电或放电时电化学反应集中于锂电池的阳极端子和阴极端子附近，因此使电化学反应在整个阳极和阴极上均匀地进行。
本发明的再一个目的是提供高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，该单体电池和电池组防止由于电池再充电或放电时电池体积膨胀而造成锂电池损坏和泄漏。
本发明的又一个目的是提供高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，该单体电池和电池组有效地分散、冷却高功率充电或放电操作过程中产生的热量，并有效地将低温电池加热到最佳的温度范围。
为了完成发明目的，本发明提供了一种高功率锂单体电池，该锂单体电池包括至少一个矩形阳极板，该矩形阳极板具有阳极集电体，该阳极集电体的至少一个表面涂覆有阳极活性材料；至少一个矩形阴极板，该矩形阴极板具有阴极集电体，该阴极集电体的至少一个表面涂覆有阴极活性材料；至少一个隔膜，该隔膜插在所述矩形阳极板和矩形阴极板之间并提供电绝缘；阳极端子，该阳极端子与阳极板连接部分相连，该阳极板连接部分突出于所述矩形阳极板的四个边中的两个长边的任一边；以及阴极端子，该阴极端子与阴极板连接部分相连，该阴极板连接部分突出于所述矩形阴极板的四个边中的两个长边的任一边。
根据优选的实施方式，所述阳极端子与阴极端子以相反的方向突出。
根据另一个优选的实施方式，所述阳极端子与阴极端子以相同的方向突出。
另外，本发明提供了一种高功率锂电池组，该电池组包括至少一个高功率锂单体电池，该锂单体电池包括按顺序层叠的至少一个矩形阳极板、隔膜和矩形阴极板，从所述矩形阳极板的四个边中的两个长边的任一边向外延伸的阳极端子，以及从所述矩形阴极板的四个边中的两个长边的任一边向外延伸的阴极端子；至少两个层叠在所述高功率锂单体电池的两个表面上的密封垫；以及至少层叠在最外面的密封垫上的一对支撑板。
图1为常规锂单体电池的透视图；图2为表示常规锂单体电池过热状态的照片；图3为根据本发明第一实施方式的高功率锂单体电池的分解透视图；图4为根据本发明第一实施方式的高功率锂单体电池的透视图；图5为根据本发明第二实施方式的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组的分解透视图；图6为根据本发明第二实施方式的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组的透视图；图7是表示根据本发明第二实施方式的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组的冷却方法的透视图；以及图8是根据本发明第三实施方式的高功率锂单体电池的透视图。
具体实施例方式
在下文中，将详细描述本发明的高功率锂单体电池和具有该高功率锂单体电池的高功率锂电池组。
图3为根据本发明第一实施方式的高功率锂单体电池的分解透视图，且图4为根据本发明第一实施方式的高功率锂单体电池的透视图。
参见图3和图4，根据本发明第一实施方式的高功率锂单体电池100包括阳极板110-1、...、110-A，阴极板120-1、...、120-B，隔膜130-1、...、130-C，阳极板连接部分111-1、...、111-A，阴极板连接部分121-1、...、121-B，阳极端子140，以及阴极端子150。在本发明第一个施方式的高功率锂单体电池中，阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B分别与阳极端子140和阴极端子150直接相连。阳极端子140和阴极端子150暴露在外面，且用预定的包装材料缠绕。
各阳极板110-1、...、110-A设置有包括矩形金属薄板的阳极集电体。阳极集电体可以由铝薄板制成。阳极集电体的至少一个表面涂覆有阳极活性材料。阳极活性材料可以含有由作为主要成分的锂基氧化物、粘合剂、增塑剂、导电材料等组成的混合物。
各阴极板120-1、...、120-B设置有包括矩形金属薄板的阴极集电体。阴极集电体可以由铜薄板制成。阴极集电体的至少一个表面涂覆有阴极活性材料。阴极活性材料可以含有由作为主要成分的碳材料、粘合剂、增塑剂、导电材料等组成的混合物。
隔膜130-1、...、130-C插在阳极板110-1、...、110-A和阴极板120-1、...、120-B之间，从而起到将阳极板和阴极板互相电绝缘的作用。
各阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B从各阳极板110-1、...、110-A和阴极板120-1、...、120-B的四个边的长边向外延伸。在此情况下，各阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部件121-1、...、121-B的宽度约是各矩形阳极板110-1、...、110-A和矩形阴极板120-1、...、120-B的长边的宽度的1/5至1。
阳极端子140附着于暴露在外面的阳极板连接部分111-1、...、111-A，因此形成一个电极。
同样地，阴极端子150附着于暴露在外面的阴极板连接部分121-1、...、121-B，因此形成一个电极。
根据优选的实施方式，通过将阳极板连接部分111-1、...、111-A与阳极端子140焊接并将阴极板连接部分121-1、...、121-B与阴极端子150焊接，阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B可以分别与阳极端子140和阴极端子150相连。
根据另一个优选的实施方式，通过将高导电材料施用于阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B，然后将涂覆有高导电材料的阳极板连接部分和阴极板连接部分分别靠在阳极端子140和阴极端子150上挤压，使阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B可以分别与阳极端子140和阴极端子150相连。另外，可以使用含有高导电材料的粘合剂使它们彼此相连。在此情况下，用于涂覆或粘结的高导电材料可以选自由金、碳纳米管等所组成的组。
同时，包括高功率锂单体电池100的阳极端子140和阴极端子150在内的诸如电极端子的导体具有根据下列方程式1和2计算的电阻和热量。
[方程式2]导体的热量∝电流2×电阻如式1和2所示，本发明的高功率锂单体电池100在矩形的两个长边上具有阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B。因此，与图1所示的常规锂单体电池10相比，电极端子140和150、阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B的截面积增加，且电极端子140和150的长度减小。因此，当在充电和放电操作过程中流过了相同量的电流时，产生的热量显著减少。
因此，与图1中的传统锂单体电池10相比，当本发明的高功率锂单体电池100用于高功率锂电池，例如混合动力车电池时，产生的热量很少，且损失的能量例如电位降减小。
另外，构建本发明的高功率锂单体电池100，使得阳极板连接部分111-1、...、111-A和阴极板连接部分121-1、...、121-B分别与阳极端子140和阴极端子150相连。因此，当本发明的高功率锂单体电池以高速再充电或放电时，与图1的常规锂单体电池10相比局部的电化学反应降低。由此，电化学反应在电池的各层和各部分中均匀进行。
根据本发明优选的实施方式，高功率锂电池可以为通过层状地设置隔膜130-1、阳极板110-1、隔膜130-2、阴极板120-1和隔膜130-3而获得的单独结构。高功率锂电池优选可以具有通过按顺序层叠几个阳极板、阴极板和隔膜而获得的多层结构。
另外，阳极板110-1、...、110-A，阴极板120-1、...、1 20-B和隔膜130-1、...、130-C可以互相连接为一个膜的形式，也就是说，卷绕形式或果子冻卷饼(jelly roll)形式。另外，它们可以以多层迭加的形式互相分隔开。
图5为根据本发明第二实施方式的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组的分解透视图，图6为根据本发明第二实施方式的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组的透视图，图7是表示根据本发明第二个实施方式的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组的冷却方法的透视图。
参见图5和图6，根据本发明的第二实施方式的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组1000包括高功率锂单体电池100-1、...、100-D，密封垫200-1、...、200-E和支撑板300-1、...、300-F。
如图3和图4所示，高功率锂单体电池100-1、...、100-D包括阳极板，阴极板，隔膜，阳极板连接部分，阴极板连接部分，阳极端子140-1、...、140-D和阴极端子150-1、...、150-D。
根据优选的实施方式，通过将一个单体电池的阳极端子与相邻单体电池的阴极端子相连，或者通过将一个单体电池的阴极端子与相邻单体电池的阳极端子相连，将高功率锂单体电池100-1、...、100-D互相串联。这样，可以将这样的串联用于混合动力车等的高电压高功率电池。
密封垫200-1、...、200-E层叠在每个高功率锂单体电池100-1、...、100-D的两个表面上，以安装在高功率锂单体电池100-1、...、100-D之间。在充电和放电操作时密封垫稳固地支持高功率锂单体电池100-1、...、100-D，因此吸收了振动和冲击，并防止了由于体积膨胀而造成的泄漏。
通常地，当暴露在高功率锂单体电池100-1、...、100-D外面的阳极端子140-1、...、140-D和阴极端子150-1、...、150-D很宽时，电极端子140-1、...、140-D和150-1、...、150-D与包装材料之间的接触面积增加。因此，由于体积膨胀而造成泄漏的可能性会增加，并可能发生渗水。
然而，本发明的高功率锂电池组1000使用了密封垫200-1、...、200-E，稳固地使薄弱部分保持密封，因此防止了泄漏和渗水。
另外，当使用本发明的高功率锂电池组1000用作汽车的部件时，密封垫200-1、...、200-E吸收了冲击和振动，从而改善了耐用性和抗振动能力，因此在类似于汽车的振动条件下提高了高功率锂单体电池100-1、...、100-D的寿命和耐用性。
将支撑板300-1、...、300-F附着到高功率锂单体电池100-1、...、100-D之一的两个表面上，或者附着在层叠的高功率锂单体电池100-1、...、100-D之间。另外，支撑板300-1、...、300-F可以插在设置于相邻的高功率锂单体电池100-1、...、100-D所有表面的密封垫200-1、...、200-E之间。支撑板300-1、...、300-F用来增强高功率锂单体电池100-1、...、100-D的冷却效果，并支撑了高功率锂单体电池100-1、...、100-D和密封垫200-1、...、200-E，以防止它们变形。
支撑板300-1、...、300-F优选由导热材料制成，以将由高功率锂单体电池100-1、...、100-D产生的热向外散发。另外，支撑板300-1、...、300-F可以向外突出于密封垫200-1、...、200-E，以提供与电极端子140-1、...、140-D和150-1、...、150-D相同的冷却效果。
如图7所示，通过将冷空气经过阳极端子140-1、...、140-D和阴极端子150-1、...、150-D之间确定的空间，在所有的高功率锂单体电池100-1、...、100-D中均匀地冷却本发明的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组1000中产生的热量，该阳极端子140-1、...、140-D和阴极端子150-1、...、150-D向外突出于密封垫200-1、...、200-E。
相反地，当本发明的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组1000的温度过低，且高功率锂电池组的性能由此变差时，将热空气通过阳极端子140-1、...、140-D和阴极端子150-1、...、150-D之间确定的空间。由此，所有的高功率锂单体电池100-1、...、100-D可以加热到合适的温度。
同时，当设置突出在密封垫200-1、...、200-E外边的支撑板300-1、...、300-F时，可以冷却或加热阳极端子140-1、...、140-D，阴极端子150-1、...、150-D和支撑板300-1、...、300-F的突出部分。
因此，本发明的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组1000设置有宽的阳极端子140-1、...、140-D和阴极端子150-1、...、150-D，使得热传导速度比现有技术快，因此获得了很好的除热效果。
如上所述，本发明的具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组1000冷却或加热阳极端子140-1、...、140-D，阴极端子150-1、...、150-D和支撑板300-1、...、300-F的突出部分，因此将高功率锂单体电池100-1、...、100-D的温度保持在-20℃至50℃，且优选0-40℃。
图8是根据本发明第三实施方式的高功率锂单体电池的透视图。
如图8所示，与第一个实施方式相似，本发明的第三实施方式的高功率锂单体电池包括阳极板410-1、...、410-F，阴极板420-1、...、420-G，隔膜430-1、...、430-H，阳极板连接部分411-1、...、411-F，阴极板连接部分421-1、...、421-G，阳极端子440和阴极端子450。
将图3和4所示的第一实施方式的高功率锂单体电池100与图8所示的第三实施方式的高功率锂单体电池400相比较时，构建第一实施方式的高功率锂单体电池100，使得阳极端子140和阴极端子150从矩形的四个边中的两个长边在相反方向上延伸。然而，构建第三实施方式的高功率锂单体电池400，使得阳极端子440和阴极端子450以互相分隔开的方式从矩形的两个长边的任一边向外延伸。在此情况下，高功率锂单体电池400的各阳极和阴极端子440和450的宽度约为矩形长边宽度的1/8至1/2。
同样，构建本发明第三实施方式的高功率锂单体电池400，使得阳极端子和阴极端子440和450从矩形的长边向外延伸，各电极端子440、450的截面积比图1中常规锂单体电池的电极端子截面积大。
尽管为了描述的目的已经公开了本发明优选的实施方式，但是本领域技术人员会领会到，只要不离开所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神，各种修改、添加和替换都是可能的。
工业实用性如上所述，本发明提供了高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，使得电极端子设置在矩形单体电池的长边上，因此增加了电极端子的宽度，由此在高功率充电和放电操作时，降低了热生成和由于电极端子的电阻而导致的电位降。因此，延长了电池的寿命，还降低了能量损失。
另外，本发明提供了高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，使得电极端子直接与电极层相连，因此降低了电阻并由此降低了产生的热量。因此，降低了发生在常规电池的电极端子附近位置的局部电化学反应，并因此可以均匀地使用各电极层。
另外，本发明提供了高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，该单体电池和电池组使用了宽的电极端子，因此在短时间内使放电时电极端子中产生的热散发到外面，并且在电池的温度很低时，在短时间内将电池加热到合适的温度。
本发明提供了高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，使得密封垫层叠在单体电池的两个表面上，因此防止了在充放电操作时由于体积膨胀在电极端子和包装材料的接合处的泄漏和渗水，并吸收了冲击和振动，因此增加了它们的耐用性和寿命。
本发明提供了高功率锂单体电池和具有高功率锂单体电池的高功率锂电池组，使得从密封垫向外突出的阳极端子和阴极端子具有很宽的热传导面积，因此在非常短的时间内控制需要保持合适温度的冷却或加热操作，以确保电池的最佳性能。
权利要求
1.一种高功率锂单体电池，该锂单体电池包括至少一个矩形阳极板，该矩形阳极板具有阳极集电体，该阳极集电体的至少一个表面涂覆有阳极活性材料；至少一个矩形阴极板，该矩形阴极板具有阴极集电体，该阴极集电体的至少一个表面涂覆有阴极活性材料；至少一个隔膜，该隔膜插在所述矩形阳极板和矩形阴极板之间并提供电绝缘；阳极端子，该阳极端子与阳极板连接部分相连，该阳极板连接部分突出于所述矩形阳极板的四个边中的两个长边的任一边；以及阴极端子，该阴极端子与阴极板连接部分相连，该阴极板连接部分突出于所述矩形阴极板的四个边中的两个长边的任一边。
2.根据权利要求1所述的高功率锂单体电池，其中，所述阳极端子和阴极端子在相反方向上突出。
3.根据权利要求2所述的高功率锂单体电池，其中，所述阳极端子的宽度相当于所述阳极板的长边长度的约1/5至1，所述阴极端子的宽度相当于所述阴极板的长边长度的约1/5至1。
4.根据权利要求1所述的高功率锂单体电池，其中，所述阳极端子与阴极端子在相同的方向上突出。
5.根据权利要求4所述的高功率锂单体电池，其中，所述阳极端子的宽度相当于所述阳极板的长边长度的约1/8至1/2，所述阴极端子的宽度相当于所述阴极板的长边长度的约1/8至1/2。
6.根据权利要求1所述的高功率锂单体电池，其中，所述阳极板连接部分和阴极板连接部分通过焊接分别与阳极端子和阴极端子相连。
7.根据权利要求1所述的高功率锂单体电池，其中，所述阳极板连接部分和阴极板连接部分涂覆高导电材料并靠在所述阳极端子和阴极端子上挤压，以分别与阳极端子和阴极端子连接。
8.根据权利要求1所述的高功率锂单体电池，其中，所述阳极板连接部分和阴极板连接部分通过使用含有高导电材料的粘合剂而分别与阳极端子和阴极端子相连。
9.一种高功率锂电池组，该锂电池组包括至少一个高功率锂单体电池，该锂单体电池包括按顺序层叠的至少一个矩形阳极板、隔膜和矩形阴极板，从所述矩形阳极板的四个边中的两个长边的任一边向外延伸的阳极端子，以及从所述矩形阴极板的四个边中的两个长边的任一边向外延伸的阴极端子；层叠在所述高功率锂单体电池的两个表面上的至少两个密封垫；以及至少层叠在最外边的密封垫上的一对支撑板。
10.根据权利要求9所述的高功率锂电池组，其中，各支撑板由用于散热的导热材料制成。
11.根据权利要求9所述的高功率锂电池组，其中，空气流过阳极端子、阴极端子和支撑板之间所确定的空间，由此维持高功率锂单体电池的温度。
12.根据权利要求11所述的高功率锂电池组，其中，高功率锂单体电池的温度保持在-20℃至50℃。
13.根据权利要求11所述的高功率锂电池组，其中，高功率锂单体电池的温度保持在0-40℃。
全文摘要
在此公开了一种高功率锂单体电池和具有该高功率锂单体电池的高功率锂电池组。本发明增加了锂电池电极端子的宽度，因此降低了热生成和由于电极端子的电阻而导致的电位降，因此有效地除去了产生的热量。
文档编号H01M10/02GK101088192SQ200580044310
公开日2007年12月12日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月22日
发明者吴全根, 李重辉, 朴殷成 申请人:Sk株式会社