專利名稱：圓柱形鋰離子二次電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圓柱形鋰離子二次電池背景技術為了防止一個常規(guī)的圓柱形鋰離子二次電池在過充電的情況下爆炸，提供當由于過充電產(chǎn)生內(nèi)部壓力升高時變形的安全出氣孔，及當安全出氣孔變形時中斷電流的電路板。所述安全出氣孔和電路板作為整體也被叫做電流中斷裝置CID并且組成蓋組件。
下面將詳細描述圓柱形鋰離子二次電池中的安全出氣孔和電路板的操作。
當圓柱形鋰離子二次電池被過充電時，電解質大致地從電極組件的上部區(qū)域蒸發(fā)并且電阻開始增加。另外，大致地從電極組件的中心區(qū)域開始產(chǎn)生鋰的沉淀及形態(tài)變化。在電極組件的上部區(qū)域的電阻的增加導致局部過熱并且突然升高電池的溫度。
在此狀態(tài)下，環(huán)己基苯(CHB)和聯(lián)苯(BP)(電解質添加劑)的反應，在過充電的情況下，通常會分解并產(chǎn)生氣體，從而迅速地增加內(nèi)部壓力。這樣的內(nèi)部壓力向外推動(也就是，向外變形)作為蓋組件的一個部件的安全出氣孔。結果，被布置在該處的電路板破碎并且中斷電流。特別地，被形成在電路板上的布線構圖被破壞并且電流不再流動。電流這樣的中斷結束了過充電的狀態(tài)并且防止電池發(fā)熱，泄漏，冒煙，爆炸，或者著火。
當由于過充電而使電池內(nèi)部壓力上升到臨界水平之上時，安全出氣孔自身被撕開并且向外部排泄內(nèi)部的氣體。
同時，一般在電池里存在空泡體積(void volume)或無用體積(deadvolume)。特別是，在電極組件和蓋組件之間或在中心銷內(nèi)的空的空間可以被認為是空泡體積。這樣的空泡體積認為是安全出氣孔變形或破裂時間被延遲的一個原因。換句話說，空泡體積被認為延遲電流的中斷時間并降低電池的穩(wěn)定性。
在已有技術中已知，當在大約5-11kgf/cm2壓力下電池內(nèi)的安全出氣孔變形(或電路板破裂)且空泡體積是大約2ml，例如，使安全出氣孔的變形需要的氣體量大約是10-22ml，雖然這可以由電池類型的不同而變化。但是，即使當環(huán)己基苯(CHB)完全地分解，其在計算上以0.7％的比率包括在電解質中，大約產(chǎn)生4.116ml的氣體.而且，并且即使當0.3％的聯(lián)苯(BP)完全地分解，大約產(chǎn)生1.833ml的氣體。另外，在排氣過程中大約另外產(chǎn)生氣體1.5mml。但是，從三個不同來源的氣體的總和，對安全出氣孔來說不高于大約7.449ml從而只施加大約3.75kgf/cm2的力?？傊m然在過充電情況下，需要大約5-11kgf/cm2壓力使安全出氣孔變形或電路板損壞，空泡體積實際上只可能提供大約3.75kgf/cm2。結果，安全出氣孔不被操作或操作時間被延遲。這意味著，在過充電情況下電流的中斷時間被延遲。導致的問題是只要時間被延遲就會進一步地過充電，電池溫度進一步上升，并且電池是非?？赡鼙ɑ蛑稹ｋm然在過充電情況下可以通過增加作為電解質的添加劑的環(huán)己基苯(CHB)或聯(lián)苯(BP)的數(shù)量使產(chǎn)生的氣體量變得更大，但是在電池的容量下降、壽命及質量之間具有一個折衷方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個實施例的圓柱形鋰離子二次電池包括電極組件；被安置在電極組件之內(nèi)的中心銷，所述中心銷具有閉合的上和下端；包含電極組件和中心銷的罐體；及與罐體的頂部結合的蓋組件。在一個實施例中，所述罐體具有只在電極組件、中心銷、及蓋組件之間的區(qū)域內(nèi)形成的空泡體積或無用體積。
所述中心銷可以包括延伸預定的長度的主體且其上和下端開放，及至少關閉件適于關閉主體的上和下端并在預定的溫度下熔化或破壞。主體可以包括從由鋼，不銹鋼及鋁組成的組中選擇的任一種材料。所述至少一個關閉件也可以適于在溫度80-120℃下熔化或破壞。在一個實施例中，所述主體具有分別被形成在其上和下端的錐形。
所述至少一個關閉件可以是高分子樹脂；至少為從由聚乙烯、環(huán)氧、縮醛及銦組成的組中選擇的材料；或可以具有1-200μm的厚度。在一些實施例，所述至少一個關閉件有厚度25-75μm。所述至少一個關閉件可以是包圍整個主體的膜，包括它的上和下端，以封套的形狀包圍所述主體。所述至少一個關閉件也可以包括與主體結合的對接部分，從對接部分以預定的長度向外伸出錐形部分，并且膜基本上阻擋主體打開，該膜形成在對接部分和錐形部分之間。
所述中心銷可以由沿主體的軸向形成的槽穿透或者可以在主體上形成至少一個通孔。
所述至少一個關閉件可以是覆蓋主體的上和下端的蓋帽。
所述中心銷可以具有被安置在主體內(nèi)的氣化元件，所述氣化元件適于在預定或更高的電壓下分解并產(chǎn)生氣體。該氣化元件可以在4-4.5V或更高電壓下分解并氣化，并且可包括由環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)組成的組中選擇的至少一種材料。
在一個實施例中，中心銷具有被形成在主體內(nèi)的不易燃的元件。該不易燃的元件可以從由氫氧化基鎂材料、氫氧化基鋁材料、鹵素基的材料、三氧化基銻材料、三聚氰胺基材料、及磷酸鹽基材料組成的組中選擇的至少一種材料。
所述蓋組件可以包括被安置在中心銷頂部的安全出氣孔和被安置在安全出氣孔頂部的電路板，且可以在2-10分鐘內(nèi)被操作，當電荷電勢是4-4.5V或更高時，中斷電路板的電流。在一個實施例中，電池適于維護在表面溫度30-60℃下，當電荷電勢是4-4.5V或更高時，中止充電。
圓柱形鋰離子二次電池的實施例包括電極組件；被安置在電極組件之內(nèi)的中心銷；被容納在中心銷內(nèi)并適于當電荷電勢比參考電壓相等與或更大時短路的電路元件；罐體接納電極組件和包含電路元件的中心銷；及在罐體的上面被結合的蓋組件。
所述電路元件可以包括用于提供參考電壓的參考電壓源；電壓比較器，其適于通過端子從參考電壓源接受參考電壓的，而通過另一個端子接受電池電壓，并且當電池電壓比參考電壓大時輸出短路信號；及與電池平行連接的且適于通過來自電壓比較器的短路信號改變設定從而導致電池短路的短路開關。所述由參考電壓源提供的參考電壓可以被設置在4-5V的范圍內(nèi)。
在一個實施例中，所述短路開關是晶體管，其具有與電池平行連接的集電極和發(fā)射極，且基極連接到電壓比較器的輸出端。加熱元件可以被連接在電池和晶體管的發(fā)射極之間。所述加熱元件可以具有在其上安裝的氣化元件，在預定的溫度和電池的內(nèi)部壓力增加的情況下，該氣化元件氣化。所述加熱元件也可以具有在其上安裝的不易燃的元件，該不易燃的元件在預定的溫度下氣化并且抑制著火。
所述加熱元件可以是熔絲，當氣化元件完全氣化并且溫度到達200-300℃時熔化并從其被操作的位置上斷開。氣化元件可以包括由環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)組成的組中選擇的至少一種材料。不易燃的元件可以包括由氫氧化基鎂材料、氫氧化基鋁材料、鹵素基材料、三氧化基銻材料、三聚氰胺基材料、及磷酸鹽基材料組成的組中選擇的至少一種材料。
在一個實施例中，接地開關被連接到參考電壓源以使參考電壓源接地，在電壓比較器輸出短路信號之后，以使由參考電壓源提供的參考電壓下降到0V。接地開關可以是一晶體管，其具有連接在參考電壓源和接地之間的集電極和發(fā)射極，且其基極被連接到電壓比較器的輸出端。
在一個實施例中，蓋組件包括被安置在中心銷頂部的安全出氣孔和被安置在安全出氣孔頂部的電路板。
在另一個實施例中，電路元件包括一被安置在中心銷內(nèi)的電路板，并且該電路板具有多個安裝在其中的電子元件；用于連接電路板的端子和安全出氣孔的第一導電接頭；及用于連接電路板的另一個端子到罐體上的第二個導電接頭。
圓柱形鋰離子二次電池的另外一個實施例包括電極組件；被安置在電極組件中心之內(nèi)的中心銷；及被安置在中心銷內(nèi)并適于在過充電情況下短路并吸收電流的電路元件。當檢測的電池電壓比預定的參考電壓大時所述電路元件可以導致電池短路。
在一個實施例中，所述電路元件具有安裝在其上的氣化元件，其中所述氣化元件由于短路產(chǎn)生的熱及電池內(nèi)部壓力的增加而被分解。該電路元件也可以具有安裝在其上的不易燃的元件，其中由短路產(chǎn)生的熱使所述不易燃的元件分解并且抑制著火。


通過下面的詳細描述并結合附圖，本發(fā)明的上述和其它特點及各方面將更明顯，在附圖中圖1A是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的圓柱形鋰離子二次電池的透視圖；圖1B是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的圓柱形鋰離子二次電池的剖視圖；圖1C是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的圓柱形鋰離子二次電池的分解的透視圖；圖1D是功能中心銷的放大透視圖；圖1E是功能中心銷的放大剖視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大透視圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大剖視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大透視圖；圖3B是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大剖視圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大透視圖；圖4B是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大剖視圖；圖5A是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大透視圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大剖視圖；圖6A是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大透視圖；圖6B是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大剖視圖；圖7A是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大透視圖；圖7B是根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的另一個功能中心銷的放大剖視圖；圖8A是顯示根據(jù)本發(fā)明的具有功能中心銷的圓柱形鋰離子二次電池的簡圖，其中由于通過中心銷減少了空泡體積，安全出氣孔在低壓力下被操作；圖8B是顯示由于被形成在中心銷內(nèi)的關閉件的熔化或破裂使安全出氣孔的迅速作用的簡圖；
圖9是顯示電壓與電流、電流的中斷時間，及在過充電情況下電池的表面溫度之間關系的曲線圖，用于比較根據(jù)本發(fā)明的具有功能中心銷的圓柱形鋰離子二次電池中和根據(jù)已有技術具有中心銷的圓柱形鋰離子二次電池；圖10A顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例圓柱形鋰離子二次電池的剖視圖；圖10B顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例圓柱形鋰離子二次電池的分解的透視圖；圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的中心銷的剖視圖，該中心銷包含電路元件；圖12是表示可以包含在根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的中心銷內(nèi)的電路元件的示例性的方框圖；圖13是顯示可以包含在根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的中心銷內(nèi)的電路元件的示例性方框圖；及圖14是顯示可以包含在根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的中心銷內(nèi)的電路元件的示例性方框圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖描述本發(fā)明的各種實施例。在下面的描述和附圖中，同樣附圖標記用于指示相同或相似的部分，并且因此對于相同或相似的部分的重復描述將被省去。
參見圖1A、1B、和1C，分別表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的圓柱形鋰離子二次電池的透視圖、剖視圖、分解的透視圖。參見圖1D和1E，分別表示功能中心銷的透視圖和放大剖視圖。
如圖1A、1B、及1C所示，根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池100包括電極組件110，與電極組件110結合的中心銷120，并且它的上和下端被封閉，用于容納電極組件110和中心銷120的罐體130，及覆蓋所述罐體130的頂部的蓋組件140。
所述電極組件110包括涂覆有負電極活性材料(例如，石墨、碳等)的負電極板111；涂覆有正電極活性材料(例如，包括氧化鈷鋰LiCoO2、氧化鎳鋰LiNiO2、氧化錳鋰LiMn2O4的過渡金屬氧化物)的正電極板112；及安置在負和正電極板111和112之間避免短路并僅允許鋰離子移動的隔離件113。負和正電極板111和112和隔離件113大致地纏繞為圓筒的形狀并被容納在罐體130內(nèi)。負電極板111可以由銅(Cu)箔制成，正電極板112可以由鋁(Al)箔制成，并且隔離件113可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制成，但在本發(fā)明中不對材料進行限制。負電極板111可以有被焊在其上的負電極接頭114，其向下伸出預定的長度，并且正電極板112可以有被焊在其上的正電極接頭115，其向上伸出預定的長度，或反之亦然。負電極接頭114可以由鎳(Ni)材料制成并且正電極接頭115可以由鋁(Al)材料制成，但在此不對材料進行限制。
中心銷120大致地被結合在電極組件110的中心，以防止它在電池的充電/放電期間變形。中心銷120的上和下端被封閉使罐體130內(nèi)的空泡體積(或無用體積)減到最小。但是，根據(jù)已有技術，中心銷120的上和下端是開放的且中心銷120的內(nèi)部也用作空泡體積(或無用體積)。這是本發(fā)明和已有技術相比的主要改進之一。中心銷120的結構和作用將在下面進行詳細的描述。
所述罐體130大致地具有圓筒的形狀。特別地，罐體130具有圓柱形表面131及底表面132，該圓柱形表面具有預定的直徑，該底表面被形成在圓柱形表面131的下部大致為盤形。罐體130的頂部是開放的以使電極組件110和中心銷120可以通過該頂部直接被向下插入罐體130中。電極組件110的負電極接頭114可以被焊接到圓柱形罐體130的底表面132上。在這種情況下，圓柱形罐體130作為負電極?；蛘?，正電極接頭115可以被焊接到圓柱形罐體130的底表面132上，然后罐體130作為正電極。下和上絕緣板116和117分別地被安置在電極組件110的下表面和上表面，以避免在電極組件110和圓柱形罐體130之間任何不必要的短路。圓柱形罐體130可以由鋼、不銹鋼、鋁、或它們的等同物制成，但材料在此不被限制。
所述蓋組件140可以包括大致為環(huán)形的被結合到圓柱形罐體130的上部區(qū)域的絕緣墊圈141，特別地，被結合在電極組件110和中心銷120的上部區(qū)域，以及與所述絕緣墊圈141結合的導電性安全出氣孔142。正電極接頭115可以被連接到安全出氣孔142上?；蛘撸撾姌O接頭114可以被連接到安全出氣孔142上。如在已有技術中公知的，當罐體130的內(nèi)部壓力上升時安全出氣孔142變形或破裂，并且破壞電路板143(以后被描述)或向外部排放氣體。電路板143被安置在安全出氣孔142頂部且當安全出氣孔142變形時，被損壞或打破，以中斷電流。正溫度系數(shù)(PTC)元件144被安置在電路板143頂部并在電流過高的情況下中斷電流。導電性正(或負)電極蓋帽145被安置在PTC元件144頂部以向外部提供正電極電壓(或負電極電壓)且其上帶有多個通孔145a，以便于排放氣體。安全出氣孔142、電路板143、PTC元件144、以及正電極蓋帽145是被安置在絕緣墊圈141內(nèi)以防止他們直接地與圓柱形罐體130短路。電路板143具有被形成在其表面上的布線構圖143a，當電路板143被損壞或破裂時，其自然地被切斷。
所述圓柱形罐體130具有被安置在蓋組件140的下部上的凹陷部分133(beading part)，其朝著內(nèi)向凹進，以及形成了在蓋組件140的上部的卷邊部分134，其向內(nèi)部彎曲，以防止蓋組件140向外部脫開。凹陷和卷邊部分133和134將蓋組件140固定并支持到圓柱形罐體130上并且牢固地防止電解質(以后被描述)泄漏。
所述圓柱形罐體130具有被注入其中的電解質(未示出)以使鋰離子移動，鋰離子的移動由在充電/放電期間電池內(nèi)的負和正電極板111和112的電化學反應而產(chǎn)生。所述電解液可以是非水的有機電解液，其為鋰鹽與高純度有機溶液的混合物。另外，電解質可以是使用高分子電解質的聚合物，但電解質的類型在此不被限制。
如圖1D和1E所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的功能中心銷120包括具有預定的長度的主體121，及封閉主體121的上和下端的關閉件123。
所述主體121可以大致具有有預定的長度的圓管形狀，其上端和下端打開。主體121可以具有三角管、方形的管、多邊形管、或橢圓管的形狀來代替所述圓管，但主體121的形狀在此不被限制。主體121的長度與電極組件110相比可以是相等的、稍微長的、或稍微短的，但長度在此不被限制。主體121可以由鋼、不銹鋼、鋁、或它們的等同物制造，它們具有足夠的強度以防止電極組件110變形，但材料在此不被限制。主體121的上和下端很可能產(chǎn)生變形，并且為了減小該變形，可以在該處分別形成斜面或錐形122，其中的直徑變得更小，但形狀在此不被限制。
所述關閉件123可以是包圍整個主體121，包括其上和下端的膜，大致以封套的形狀包圍主體121。關閉件123可以由在預定的溫度下熔化或破碎的材料制造。更加具體地，當電池的內(nèi)部溫度是大約80-120℃(在這種情況下，電池的表面溫度是大約30-60℃)，關閉件123熔化或破裂，以使構成中心銷120的主體121的上和下端是開放的。根據(jù)本發(fā)明的該實施例，中心銷120的上和下端在過充電的最初的階段保持閉合，以使空泡體積極大地被減少且安全出氣孔142迅速被操作。但是，當電池的內(nèi)部溫度到達80-120℃，電池直接地受到加熱、泄漏、冒煙、爆炸和著火的危險，并且此時閉合的中心銷120已經(jīng)沒有意義。換句話說，在一個實施例中，中心銷120在這個狀態(tài)下作為氣體管道。更詳細地，根據(jù)關于防止電池的發(fā)熱、泄漏、冒煙、爆炸、或著火的穩(wěn)定性，由包括在電解質中的環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)的分解形成的氣體可以沿中心銷120的主體121的內(nèi)部被集中在安全出氣孔142處。
所述關閉件123可以由常規(guī)高分子樹脂制造，但在本發(fā)明內(nèi)材料不被限制。更加具體地，關閉件123可以由任何一個從聚乙烯，環(huán)氧，縮醛，銦，以及它們的等同物中選擇的材料來制造，但材料在此不被限制。任一種當電池的內(nèi)部溫度到達80-120℃時能夠熔化或破裂的材料都可以被用于關閉件。關閉件123，在某一實施例中，具有1-200μm的厚度，并且在另一個實施例中為25-75μm。如果關閉件123的厚度是在1μm以下，它可以在低溫下不希望地被熔化或破裂，如果厚度高于200μm，它在希望的溫度下可能不熔化或破碎。但是，厚度可以根據(jù)材料而變化且在此不被限制。
所述關閉件123的熔化的溫度可以根據(jù)電池的類型、容量、形狀、大小及形狀不同地被設置。如果當電池的內(nèi)部溫度是在80℃之下時穩(wěn)定性嚴重地下降，關閉件123可以被設置為在80℃之下熔化或破碎。如果當電池的內(nèi)部溫度在120℃之上時穩(wěn)定性仍沒有什么問題，關閉件123可以被設置為在120℃之上熔化或破碎。
所述氣化元件124可以被插入主體121中以在預定的電壓下或更高時分解并產(chǎn)生氣體。當電池被過充電時氣化元件124通常會分解并產(chǎn)生氣化，特別是當電池電壓是4-4.5V或更高時。更加具體地，氣化元件124可以由環(huán)己基苯(CHB)、聯(lián)苯(BP)、或它們的等同物來制成，它們是電解質的添加劑，但在本發(fā)明中材料不被限制。當環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)進入電解質中時，會有害地縮短電池的壽命。但是，被安置在主體121內(nèi)的氣化元件124，不與電解質進行反應，并且可以由任意的材料制造。換句話說，任一種能盡量產(chǎn)生氣體的材料可以被用于氣化元件124，因為，一旦安全出氣孔142被操作，電池就不能使用了。但這不意味著，氣化元件124被允許產(chǎn)生過多的氣體以至于降低電池的穩(wěn)定性。在這一點上，本發(fā)明的該實施例的優(yōu)點是由于環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)可以包括在中心銷120的主體121內(nèi)的氣化元件124中，不需要對電解質添加包括環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)的添加劑。這使優(yōu)化電池的容量和壽命成為可能。
例如，當由于電池的過充電，電池的內(nèi)部溫度到達大約80-120℃時，關閉件123熔化或破裂并且氣化元件124被引入電池。特別地，氣化元件124轉移到在中心銷120或到電極組件之外的電解質中。電壓在這個狀態(tài)是大約4-4.5V或更高，其對應于過充電的電壓，并且氣化元件124迅速地分解并產(chǎn)生大量氣體。所述大量氣體更加迅速地使安全出氣孔142變形或破碎并使電路板143破裂而通過正電極蓋帽145被排放到外部。總之，氣化元件124避免過充電并極大地改進熱穩(wěn)定性。在氣化元件124被完全地從中心銷120中去掉之后，中心銷120的上和下端是完全開放的并且中心銷120可以充分地作為氣體管道。
不易燃的元件125可以被插入主體121內(nèi)。不易燃的元件125可以與氣化元件124結合在一起被插入或單獨地裝填到所述主體121中。當電池的內(nèi)部溫度到達80-120℃時，如上所述，關閉件123熔化或破裂以使不易燃的元件125可能轉移到在中心銷120的外面。這極大地減少了電池著火的可能性。盡管存在這些過程，電池的外觀依然保持完整。不易燃的元件125可以包括從氫氧化鎂基材料、氫氧化鋁基材料、鹵素基材料、三氧化銻基材料、三聚氰胺基材料、磷酸鹽基材料、以及它們的等同物中選擇的至少一種材料，但在本發(fā)明中材料不被限制。在一個實施例中，不易燃的元件125是由對人體無傷害的環(huán)保材料制造。
氣化元件124和不易燃的元件125可以是在正常的氣態(tài)、液態(tài)、或固態(tài)，但在本發(fā)明中其狀態(tài)不被限制。
參見圖2A和2B，分別為顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圓柱形鋰離子二次電池的功能中心銷的放大透視圖和剖視圖。
功能中心銷220具有形狀幾乎與那上述中心銷120相同，并且現(xiàn)在將描述其區(qū)別。
如圖所示，在功能中心銷220沒有形成在主體221的上端與下端的分開的斜面或錐形。主體221的內(nèi)部用氣化元件224和/或不易燃的元件225裝填并且主體221的整個表面由膜型的關閉件223包圍。在上和下端沒有形成斜面或錐形的功能中心銷220有利于以低成本進行制造。
參見圖3A和3B分別為顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圓柱形鋰離子二次電池的功能中心銷的放大透視圖和剖視圖。
功能中心銷320具有形狀幾乎與那上述中心銷120相同，并且現(xiàn)在將描述其區(qū)別。
如圖所示，功能中心銷320具有沿其主體320的軸向形成的穿透槽(penetrating slit)326。所述穿透槽326可以向內(nèi)凹陷預定的長度以免當中心銷320變形時使電極組件損壞。主體321可以在上和下端分別形成有斜面322。可選擇地，主體321可以不形成斜面322。主體321的內(nèi)部用氣化元件324或/和不易燃的元件325裝填。主體321的整個表面由膜型關閉件323包圍。開放的主體321的上和下端及穿透槽326由關閉件323包圍。當關閉件323熔化或破裂時，氣化元件324和/或不易燃的元件325不僅通過主體321的上和下端，而且通過穿透槽326被引入電池。
參見圖4A和4B分別為顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圓柱形鋰離子二次電池的功能中心銷的放大透視圖和剖視圖。
功能中心銷420具有形狀幾乎與那上述中心銷120相同，并且現(xiàn)在將描述其區(qū)別。
所述功能中心銷420具有形成在它的主體421上的多個通孔426。主體421可以分別具有形成在其上和下端的斜面422?？蛇x擇地，主體421可不在其上形成斜面。主體421的內(nèi)部用氣化元件424和/或不易燃的元件425裝填。主體421的整個表面由膜型關閉件423包圍。主體421的上和下端和通孔426由關閉件423包圍。當關閉件423熔化或破裂時，氣化元件424和/或不易燃的元件425不僅通過主體421的上和下端，而且通過通孔426被引入電池。
參見圖5A和5B分別為顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圓柱形鋰離子二次電池的功能中心銷的放大透視圖和剖視圖。
功能中心銷520具有形狀幾乎與那上述中心銷120相同，并且現(xiàn)在將描述其區(qū)別。
如圖所示，關閉件523被配置作為覆蓋中心銷520的主體521的上端和下端的蓋。特別地，關閉件523被形成蓋的形狀并分別被結合在主體521的上和下端。關閉件523可以由在預定的溫度(當電池的內(nèi)部溫度是80-120℃)下熔化或破碎的高分子樹脂制造，例如，任何一個從聚乙烯，環(huán)氧，縮醛，銦，以及它們的等同物中選擇的材料，但材料在此不被限制。主體521具有被分別形成在其上和下端斜面522，其中直徑變得更小。主體521可以使氣化元件524和/或不易燃的元件525插入和安置在其中，如上所述。當提供中心銷520的電池的內(nèi)部溫度到達80-120℃時，關閉件523熔化或破碎以使氣化元件524和/或不易燃的元件525被引入電池。結果，氣化元件524和/或不易燃的元件525引起安全出氣孔迅速被操作并停止過充電的狀態(tài)。此外，它們抑制發(fā)熱、泄漏、冒煙、著火、爆炸、以及溫度的進一步增加。
參見圖6A和6B分別為顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圓柱形鋰離子二次電池的功能中心銷的放大透視圖和剖視圖。
功能中心銷620具有形狀幾乎與上述中心銷120相同，并且現(xiàn)在將描述其區(qū)別。
如圖所示，功能中心銷620具有一個主體621，其大致地成形為圓柱形管。主體621在上和下端沒有形成斜面。反而，關閉件623分別被結合到主體621的上和下端上作為蓋。關閉件623由在預定的溫度下熔化或破碎的材料制造。主體621的內(nèi)部用氣化元件624和/或不易燃的元件625裝填。當關閉件623熔化或破裂時，氣化元件624和/或不易燃的元件625通過主體621的上和下端被引入電池。
參見圖7A和7B分別為顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的圓柱形鋰離子二次電池的功能中心銷的放大透視圖和剖視圖。
功能中心銷820具有形狀幾乎與上述中心銷620相同，并且現(xiàn)在將描述其區(qū)別。
如圖所示，功能中心銷820具有主體821，其大致地被成形為圓柱形管。主體821在上和下端沒有形成斜面。反而，關閉件823被分別結合到主體821的上和下端作為蓋。各關閉件823包括結合到主體821上的對接部分823a、從對接部分(docking portion)823a向外伸出預定的長度的錐形部分823b、及基本上阻擋主體821打開的膜823c，膜823c形成在對接部分823a和錐形部分823b之間。這里，錐形部分823b的直徑在一端逐漸變小。形成錐形部分823b的原因是使中心銷820與電極組件的結合更容易，并且防止電極組件在結合期間的損傷。關閉件823由在預定的溫度下熔化或破碎的材料制造。主體821的內(nèi)部用氣化元件824和/或不易燃的元件825裝填。當關閉件823(膜823c)熔化或破裂時，氣化元件824和/或不易燃的元件825通過主體821的上和下端被引入電池。
參見圖8A，顯示根據(jù)本發(fā)明具有功能中心銷的圓柱形鋰離子二次電池的簡圖，其中由于減少了中心銷的空泡體積，安全出氣孔在低壓下被操作。參見圖8B，顯示由于形成在中心銷內(nèi)的關閉件的熔化或破裂安全出氣孔的迅速作用的簡圖。在附圖中，箭頭表示在電池內(nèi)氣體的方向(或壓力作用方向)。
如圖8A所示，當由于電池的過充電發(fā)生在低的內(nèi)部壓力時，安全出氣孔142在低壓下向外變形。特別地，內(nèi)部氣體向外推擠安全出氣孔142。隨著安全出氣孔142向外變形，安置在安全出氣孔142上的電路板143被破壞并且形成在其表面上的布線構圖143a相應地被切斷。然后，電池的過充電和溫度的增加被中止。
在安全出氣孔142下面配合進入電極組件110的中心銷120的上和下端(未示出)是閉合的。更加具體地，中心銷120的主體121的上和下端由關閉件123完全封閉。所以，在電池內(nèi)的空泡體積V存在于安全出氣孔142的上部區(qū)域、中心銷120內(nèi)、及電極組件110的上部區(qū)域之中。當在過充電情況下，被添加到電解質中的環(huán)己基苯(CHB)和/或聯(lián)苯(BP)分解并產(chǎn)生氣體時，與已有技術比較，氣體充入變得更小的空泡體積并且壓力變得更大。結果，在空泡體積內(nèi)的更大的壓力進一步縮短安全出氣孔142的操作時間和電流的中斷時間。對本領域普通技術人員來說明顯的是雖然這樣操作發(fā)生在當電池的內(nèi)部溫度是大約80-120℃或更低的時候，但是作用溫度可以根據(jù)電池的類型和形狀而變化。此外，由于空泡體積V被減少，能夠更少量地將預防過充電的附加劑(CHB，BP等)添加到電解質中。這更進一步改進電池的容量和壽命。
當電池被過充電和它的內(nèi)部溫度到達80-120℃(當電池的表面溫度是30-60℃)或更高時，如圖8B所示，熱狀態(tài)變得不穩(wěn)定并且電池是非?？赡苊盁?、爆炸、或著火。在類似的條件下，關閉中心銷120的關閉件123熔化或破裂。特別地，在溫度80-120℃或更高時，形成在中心銷120的主體121的上和下端的關閉件123熔化或破裂。由于關閉件123熔化或破裂，留在中心銷120內(nèi)的氣化元件124和/或不易燃的元件124朝外部的電解質和電極組件110移動。中心銷120作為氣體管道并且促進從電池內(nèi)向安全出氣孔142迅速地移動氣體，然后所述安全出氣孔受到更多的壓力。
氣化元件124基于它的特性自然地氣化，在4-4.5V或更高(過充電電壓)下，其分解并氣化。結果，安全出氣孔142被以更強的力向外推擠或變形。當安全出氣孔142破裂時，由于該氣化元件124，內(nèi)部氣體也可以通過正和負電極蓋帽145的通孔145a散布到外部。這防止了電池爆炸。另外，電路板143基本上被破壞并且它的布線構圖143a完全地被切斷。結果，充電的過程停止并且電池的熱穩(wěn)定性得到改善。
此外，當不易燃的元件125被引入電池時，電池從根本上防止了冒煙或著火。特別地，不易燃的元件125被分布在電解質或電極組件110中并防止它們冒煙或著火。
參見圖9，其是顯示電壓與電流/電流的中斷時間，及在過充電的情況下電池表面溫度之間關系的曲線圖，用于比較根據(jù)本發(fā)明的具有功能中心銷的圓柱形鋰離子二次電池中和根據(jù)已有技術具有中心銷的圓柱形鋰離子二次電池。
如圖所示，左Y軸表示電壓/電流值，右邊Y軸表示電池表面溫度值，及下面的X軸表示電路板操作時間(也就是，過充電的中斷時間)。
在曲線中，虛線顯示在過充電期間根據(jù)已有技術的使用中心銷的圓柱形鋰離子二次電池的趨勢，其中沒考慮空泡體積，及實線顯示在過充電期間根據(jù)本發(fā)明的實施例使用中心銷的圓柱形鋰離子二次電池的趨勢，其中考慮了空泡體積。
由該曲線圖可以很清楚地看到，在常規(guī)電池情況下，在過充電的狀態(tài)持續(xù)大約12分鐘之后而電壓是大約4.6V時電流被中斷。這意味著可能爆炸或著火的危險情形要持續(xù)長達12分鐘。既使當電流被中斷，電池溫度(表面溫度)到達80℃或更高。這相應于非常熱不穩(wěn)定的情況。電池的內(nèi)部溫度是大約200℃，且在這個狀態(tài)下，一般會發(fā)生爆炸或著火。
與此相反，在本發(fā)明電池的實施例中，當電壓是4.6V時，在過充電的狀態(tài)持續(xù)大約8分鐘之后電流被中斷。這意味著，時間比以前短了大約4分鐘。另外，電池溫度(表面溫度)依然是在大約40℃之下。這對應于非常的熱穩(wěn)定狀態(tài)。電池的內(nèi)部溫度是大約80-120℃并且沒有多少爆炸或著火的危險。
參見圖10A，10B，及11，它們分別是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例圓柱形鋰離子二次電池的剖視圖和分解的透視圖。
如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的該實施例的圓柱形鋰離子二次電池700包括電極組件710，結合到電極組件710上的中心銷720，包含在中心銷720內(nèi)在過充電情況下產(chǎn)生小程度短路的電路元件730，用于接納包含電極組件710的中心銷720和電路元件730的罐體740，及用于覆蓋罐體740頂部的蓋組件750。
電極組件710包括被涂覆負電極活性材料(例如，石墨)的負電極板711，被涂覆正電極活性材料(例如，鋰鈷氧化物(LiCoO2))的正電極板712，及安置在負和正電極板711和712之間避免短路并僅允許鋰離子移動的隔離件713。負和正電極板711和712和隔離件713大致纏繞為圓筒形并被接納在圓柱形罐體740中。負電極板711可以由銅(Cu)箔制成，正電極板712可以由鋁(Al)箔制成，且隔離件713可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)制造，但在本發(fā)明中材料不被限制。負電極板711可以有一個被焊接在其上的負電極接頭714，該接頭向下伸出預定的長度，且正電極板712可以具有被焊接在其上的正電極接頭715，該接頭向上伸出預定的長度，或反之亦然。負電極接頭714可以由鎳(Ni)材料制造且正電極接頭715可以由鋁(Al)材料制造，但在本發(fā)明中材料不被限制。
中心銷720大致被結合在電極組件710的中心并防止它在電池的充電/放電期間變形。中心銷720可以有分別形成在其上和下端的錐形721，以使中心銷720能夠容易地配合進入電極組件710。可選擇地，錐形721可以被省去以減少費用。
電路元件730被安置在中心銷720內(nèi)。電路元件730包括具有安裝在其中的多個電子元件732的電路板731。電路板731有多個布線構圖733，在該布線構圖上安裝電子元件732。布線構圖733通過第一和第二導電接頭735和736電連接到蓋組件和罐體(以后被描述)上。以后將對電路元件730的外部形狀和相互的電子連接進行較詳細地描述。
所述罐體740大致地具有圓筒的形狀。特別是，罐體740包括有預定直徑的圓柱形表面741和被形成在圓柱形表面741的更低部分的大致為圓盤形的底表面742。罐體740的頂部是開放的以使在其上結合有電極組件710和電路元件730的中心銷720能通過開放的上面被直接地向下插入罐體740。電極組件710的負電極接頭714可以被焊接在圓柱形罐體740的底表面742上，其然后作為負電極?？蛇x擇地，正電極接頭715可以被焊接到圓柱形罐體740的底表面742，所述罐體740然后作為正電極。電路元件730第二個導電接頭736可以被連接到底表面742或負電極接頭715上。電極組件710可以具有分別被安置在下表面和上表面的下和上絕緣板716和717，以在電極組件710和圓柱形罐體740之間避免任何不必要的短路。圓柱形罐體740可以由鋼、不銹鋼、鋁、或它們的等同物制造，但材料在此不被限制。
所述蓋組件750可以包括大致為環(huán)形的絕緣墊圈751，其被結合在圓柱形罐體740的上部區(qū)域，特別地，結合在電極組件740和中心銷720的上部區(qū)域；以及與絕緣的墊圈751結合而被連接到正電極接頭715上的導電性安全出氣孔752。電路元件730的第一導電接頭735可以被連接到導電性安全出氣孔752上。如在已有技術中公知的，當罐體740的內(nèi)部壓力上升時，安全出氣孔752變形或破裂，并且破壞電路板753(以后被描述)或將氣體排放到外部。當安全出氣孔752變形時，電路板753被安置在安全出氣孔752頂部并且被損壞或破壞，以中斷電流。PTC元件754被安置在電路板753頂部并且中斷任何過高的電流。導電性正(或負)電極蓋帽755被安置在PTC元件754的頂部以向外部提供正電極電壓(或負電極電壓)并且為了排放氣體而帶有多個通孔755a。安全出氣孔752、電路板753、PTC元件754、及正電極蓋帽755被安置在內(nèi)絕緣的墊圈751內(nèi)以防止它們直接與圓柱形罐體740短路。電路板753具有形成在表面上的布線構圖753a，其當電路板753被損壞或破壞時自然地被切斷。
所述圓柱形罐體740具有被安置在蓋組件750的下部的凹陷部分743，其被向內(nèi)凹陷，以及形成在蓋組件750的上部部分的卷邊部分744，其向內(nèi)彎曲，以防止蓋組件750向外脫開。凹陷和卷邊部分743和744將蓋組件750固定和支持到圓柱形罐體740上并牢固地防止電解質(以后被描述)泄漏。
所述圓柱形罐體740具有被注入在其中的電解質(未示出)以使鋰離子移動，所述鋰離子移動由在充電/放電期間在電池之內(nèi)由負和正電極板711和712的電化學反應造成。電解質可以是非水的有機電解質，其為鋰鹽和高純度有機溶液混合物。另外，電解質可以是使用高分子電解質的聚合物，但電解質的類型在此不被限制。
參見圖11，其為顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的圓柱形鋰離子二次電池的包含電路元件的中心銷的剖視圖。
如圖10A、10B、及11所示，電路元件730包括被插入中心銷720的電路板731。電路板731有被形成在表面上的多個布線構圖733，在其上安裝有多個電子元件732以實現(xiàn)各種的功能。一些電子元件732由氣化元件734a和/或一個不易燃的元件734b包圍。以后將對氣化元件的操作734a和/或不易燃的元件734b進行詳述。第一導電接頭735的端子電連接到電路板731的具體布線構圖733上。第一導電接頭735包括接線735a和包圍接線735a的絕緣膜735b。接線735a的區(qū)域通過絕緣膜735b暴露于外部以進行電連接。第一導電接頭735的接線的另一端子735a可以被連接到作為蓋組件750的部件的安全出氣孔752上。第二個導電接頭736的端子電連接到電路板731的另一個布線構圖733上。第二個導電接頭736可以包括接線736a和包圍接線736a的絕緣膜736b。接線736a的區(qū)域通過絕緣膜736b暴露于外部以進行電連接。第二個導電接頭736接線736a的另一端子可以被連接到圓柱形罐體740的底表面742或負電極接頭714上。第一個和第二個導電接頭735和736可以包括沒有任何絕緣膜的僅導電性接線。第一和第二導電接頭的735和736當中任何一個的接線可以防止與中心銷720短路以避免在正常充電/放電期間的內(nèi)部短路。
參見圖12，其顯示能包含在根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的中心銷內(nèi)的電路元件的實施例的例子的結構圖。
如圖所示，所述電路元件730可以包括參考電壓源732a，電壓比較器732b，短路開關732c，加熱元件732d，氣化元件734a和/或不易燃的元件734b。如在此被使用的，電池710實際上涉及可充電/可再充電的電極組件，但是，在下面為了便于描述，將簡單地僅涉及電池。附圖標記732a、732b、732c、及732d涉及如上所述的電子元件732。
參考電壓源732a將參考電壓輸入到電壓比較器732b的終端上。所述參考電壓可以對應于電池的過充電的電壓。更加具體地，雖然參考電壓可以根據(jù)電池類型來變化，任一從大約4-5V的范圍選擇的值可以被輸入到電壓比較器732b的終端上。
所述參考電壓從參考電壓源732a被輸入到電壓比較器732b的終端上，如上所述，并且電池710的電壓被輸入到該處的另一終端上。當被輸入的電池電壓比參考電壓高時，電壓比較器723b輸出短路信號。例如，當參考電壓是4V，如果電池電壓是4V或更高，電壓比較器732b沒有任何延遲地輸出短路信號。一般使用運算(OP)放大器作為電壓比較器732b并且，當電池電壓與參考電壓比是相等的或更高時，電源電壓被立即從運算放大器上輸出。運算放大器僅僅是給出的電壓比較器的732b的例子，本發(fā)明中不限制。只要當電池電壓比參考電壓高時能輸出預定的電壓，可以使用任意的設備和電路。
所述短路開關732c被平行地連接到電池710上并且由電壓比較器732b觸發(fā)接通/關閉。當電池電壓比過充電電壓低時，短路開關732保持在觸發(fā)關閉的位置，當電池電壓比過充電電壓相等與或高時，電壓比較器732b被輸出信號觸發(fā)接通。當短路開關732c被觸發(fā)接通時，電池710被短路，其然后消耗預定量的電力。
加熱元件732d被安置在短路開關732c和電池710間。當短路開關732c被觸發(fā)接通時，加熱元件732d由電池710供應電力并且根據(jù)預定溫度產(chǎn)生熱量。加熱元件732d局部產(chǎn)生的熱量在中心銷內(nèi)，不會突然增加圓柱形鋰離子二次電池的整個溫度。
所述加熱元件732d由氣化元件734a和/或不易燃的元件734b包圍。當加熱的元件732d產(chǎn)生熱量時，氣化元件734a和不易燃的元件734b分解并氣化。在氣化以后，氣化元件734a和不易燃的元件734b迅速地被排放到中心銷的外部。其迅速地增加罐體內(nèi)的壓力并壓制著火。
所述氣化元件734a可以由環(huán)己基苯(CHB)，聯(lián)苯(BP)，或它們的等同物制成，它們在預定的電壓下更容易氣化，但在本發(fā)明中材料不被限制。不易燃的元件734b可以由氫氧化基鎂材料，氫氧化基鋁材料，鹵素基材料，三氧化基銻材料，三聚氰胺基材料，磷酸鹽基材料，或它們的等同物制成，但在本發(fā)明中材料不被限制。加熱元件732d可以在氣化元件734a及不易燃的元件734b完全地氣化之后突然地增加溫度。例如，加熱元件732d可以增加溫度高達大約200-300℃。雖然電池的電流的中斷設備被操作并且過充電的情況中止在這樣提高的溫度下，加熱元件仍然可以提高電池的溫度并有利地自動地被切斷。在一個實施例中，加熱元件734d由熔絲制造，其在200-300℃下自然地被切斷。這對本領域普通技術人員來說是明顯的，即使在加熱元件732d升高溫度到200-300℃之前，電池的過充電的情況可以停止或電池可以完全地被放電。
參考圖13，其為顯示包含根據(jù)本發(fā)明的圓柱形鋰離子二次電池的中心銷內(nèi)的電路元件的實施例的另一個例子的結構圖。
在圖12顯示的電路元件730的情況下，因為當短路開關732c被操作時電池710的電力被消耗，電池的電壓可以降低到由參考電壓源732a提供的參考電壓之下。結果，當觸發(fā)短路開關732c時，電壓比較器732b具有機會停止信號輸出。當短路開關732c被觸發(fā)關閉時，加熱元件732d停止操作并且氣化元件734a和/或不易燃的元件734b不再進行分解?？傊?，一旦電池被過充電，它的穩(wěn)定和可靠性極大地下降。電池可能幾乎不能被重復使用并且通常要被處理掉。被過充電的電池可以被完全地放電以避免當對其進行處理時的任何危險狀況。
在圖13顯示的電路元件730情況下，一旦短路開關732c被觸發(fā)接通時，接地開關732e降低由參考電壓源732a提供的參考電壓到0V。特別地，接地開關732e被連接在參考電壓源732a和接地之間并且由電壓比較器732b的輸出端輸出的信號來控制。例如，當4V的參考電壓被輸入到電壓比較器732b中時，電壓比較器732b輸出預定電壓，如果電池電壓到達4V，就使短路開關732c操作。與其同時，接地開關732e被觸發(fā)接通并且由參考電壓源732a提供的參考電壓成為0V。然后，電池被連續(xù)放電直到0V。
參見圖14，其顯示根據(jù)本發(fā)明的包含在圓柱形鋰離子二次電池的中心銷內(nèi)的電路元件的實施例的另一個例子的結構圖。
如圖所示，參考電壓源732a可以提供大約4-5V參考電壓，可以通過電阻器R1被連接到電壓比較器732b的終端。
所述電壓比較器732b可以是一個常規(guī)的運算放大器，其倒相輸入端(-)被連接到參考電壓源732a上，且非倒相輸入端(+)被連接到電池710的終端上，或反之亦然。用于連接到電壓比較器732b的非倒相輸入端(+)到電池710上的元件可以是第一導電接頭735。
所述短路開關732c可以是常規(guī)的晶體管Q1，其集電極和發(fā)射極被平行地連接到電池上并且基極通過電阻器R2被連接到電壓比較器732b的輸出端。雖然常規(guī)的具有集電極、發(fā)射極、及基極的雙極晶體管被給出作為晶體管的例子，但是也可以使用具有漏極、源極、柵極的場效應晶體管。
所述加熱元件732d被連接在接地和短路開關732c，具體地是晶體管Q1的發(fā)射極之間。通過第二個導電接頭736，大地和電池710相互連接。加熱元件732d可以由常規(guī)的熔絲、線圈、或它們的等同物來制成，但在本發(fā)明中材料不被限制。
所述加熱元件732d可以由氣化元件734a和/或不易燃的元件734b包圍，如上所述。氣化元件734a和不易燃的元件734b在正常情況下是固態(tài)并且包圍加熱元件732d。但是，當短路開關732c被操作并且加熱元件732d產(chǎn)生熱量時，它們會被氣化。例如，氣化元件734a可以由環(huán)己基苯(CHB)、聯(lián)苯(BP)、或它們的等同物制成，但在本發(fā)明中材料不被限制。不易燃的元件734b可以由氫氧化鎂基材料，氫氧化鋁基材料，鹵素基材料，三氧化銻基材料，三聚氰胺基材料，磷酸鹽基材料，或它們的等同物制成，但在本發(fā)明中材料不被限制。在氣化元件734a及不易燃的元件734b氣化以后，加熱元件732d可以突然增加溫度。例如，加熱元件732d可以增加溫度到大約200-300℃。雖然在這樣被升高的溫度下電池的電流中斷設備被操作并且停止過充電狀態(tài)，加熱元件仍然可以提高電池的溫度并且有利地自動地被切斷。加熱元件732d可以由在200-300℃下自然地切斷的熔絲來制造，但在本發(fā)明中材料不被限制。
另一個接地開關732e可以被連接在參考電壓源732a和大地之間。例如，接地開關732e可以是常規(guī)的晶體管Q2，其集電極被連接到參考電壓源732a上，發(fā)射極接地，并且基極通過電阻器R3連接到電壓比較器732b的輸出端。雖然常規(guī)的具有集電極、發(fā)射極、及基極的雙極晶體管被給出作為接地開關732具體地為晶體管Q2的例子，也可以使用具有漏極、源極、柵極的場效應晶體管。例如，當4V的參考電壓被輸入到電壓比較器732b中并且電池電壓成為4V或更高時，電壓比較器732b輸出預定的電壓來操作短路開關732c。然后，接地開關732e與其一起被觸發(fā)接通并且由參考電壓732a源提供的參考電壓成為0V。結果，電池710可以被連續(xù)放電直到0V。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的具有功能中心銷的圓柱形鋰離子二次電池具有好處在于，因為中心銷的上和下端是閉合的，由空泡體積(或無用體積)延遲安全出氣孔(或電路板的)操作的時間被大大地減少。這是因為空泡體積被限制在電極組件、中心銷、及蓋組件之間的區(qū)域內(nèi)。結果，在電池的過充電情況下，內(nèi)部壓力迅速提高并且使安全出氣孔操作。然后，電流的中斷時間被提前并且迅速地中止過充電。
當電池溫度到達預定的溫度或更高時，在中心銷內(nèi)的氣化元件排氣。在預定的電壓下或更高時，氣化元件分解并迅速氣化。這進一步提前安全出氣孔的操作時間。另外，電池溫度不再上升并且電池的耐熱性得到改善。
當電池溫度到達預定的溫度或更高，在中心銷內(nèi)的不易燃的元件排放到外部且根本上防止電池冒煙或著火。
換句話說，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的圓柱形鋰離子二次電池具有在電池內(nèi)的減少的空泡體積以大大地提前安全出氣孔的操作時間。本發(fā)明的電池并且具有形成在中心銷內(nèi)的氣化元件和/或不易燃的元件，從根本上防止電池被過充電、冒煙、爆炸、或著火。
當充電電勢到達預定的過充電的電壓時，在中心銷內(nèi)產(chǎn)生小程度的短路電路以消耗所述過充電的電壓。這樣防止了電池由于過充電而爆炸并改進電池的穩(wěn)定性。
當電荷電勢到達預定的過充電的電壓時，迅速產(chǎn)生大量氣體使安全出氣孔操作而沒有任何的延遲。這樣防止了電池由于過充電而爆炸并改進電池的穩(wěn)定性。
當電荷電勢到達預定的過充電的電壓，大量不易燃材料被迅速排放到中心銷的外部。這樣防止電池由于過充電而著火并改進電池的穩(wěn)定性。
總之，根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的具有包含防過充電電路的中心銷的圓柱形鋰離子二次電池使用防過充電的裝置，其能夠在預定的過充電的電壓下準確和迅速地完成操作，代替常規(guī)的在電化學或化學過程中完成操作的裝置，極大地改進電池的安全和可靠性。
雖然為說明的目的描述了本發(fā)明的各種實施例，但是本領域普通技術人員應該明白各種的修改，改進和替代都是可能的，都不背離本發(fā)明的所附的權利要求書和其等同物的范圍和精神。
本申請要求分別于2005年3月30日、2005年5月3日、及于2005年7月7日遞交韓國知識產(chǎn)權局的申請?zhí)柗謩e為10-2005-0026409、10-2005-0037287和10-2005-0061399的韓國專利申請的優(yōu)先權和權益，所有它們的整個內(nèi)容在此結合為參考。
權利要求
1.圓柱形鋰離子二次電池，包括電極組件；被安置在電極組件之內(nèi)的中心銷，中心銷具有閉合的上和下端；包含電極組件和中心銷的罐體；及被結合在罐體的上面的蓋組件。
2.如權利要求1所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中罐體具有空泡體積或無用體積，它們只被形成在其中的電極組件、中心銷、及蓋組件之間的區(qū)域內(nèi)。
3.如權利要求1所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中中心銷包括主體和至少一個關閉件，所述主體使其上和下端開放地延伸預定長度，所述關閉件適于關閉主體的上和下端并在預定的溫度下熔化或破碎。
4.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中主體包括從鋼、不銹鋼及鋁組成的組中選擇的任一材料。
5.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該至少一個關閉件適于在溫度80-120℃下熔化或破裂。
6.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中主體具有分別在其上和下端形成的錐形。
7.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該至少一個關閉件是高分子樹脂。
8.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該至少一個關閉件包括至少一種從由聚乙烯、環(huán)氧、縮醛、及銦組成的組中選擇的材料。
9.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該至少一個關閉件具有1-200μm的厚度。
10.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該至少一個關閉件具有25-75μm的厚度。
11.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該至少一個關閉件是包圍包括主體的上和下端的整個主體的膜，以封套的形狀圍繞所述主體。
12.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中至少一個關閉件包括被結合到主體上對接部分，從對接部分向外突出預定長度的錐形部分，及充分阻擋所述主體打開的膜，所述膜形成在所述對接部分和錐形部分之間。
13.如權利要求11所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述中心銷由沿主體的軸向形成的槽穿透。
14.如權利要求11所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述中心銷具有至少一個被形成在主體上的通孔。
15.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該至少一個關閉件是覆蓋主體的上和下端的蓋帽。
16.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述中心銷具有被安置在主體內(nèi)的氣化元件，氣化元件適于在預定的電壓下或更高時分解并產(chǎn)生氣體。
17.如權利要求16所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述氣化元件在4-4.5V電壓或更高時分解和氣化。
18.如權利要求16所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述氣化元件包括至少一種從由環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)構成的組中選擇的材料。
19.如權利要求16所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述中心銷具有被形成在主體內(nèi)的不易燃的元件。
20.如權利要求19所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述不易燃的元件包括至少一種從由氫氧化鎂基材料、氫氧化鋁基材料、鹵素基材料、三氧化銻基材料、三聚氰胺基材料、及磷酸鹽基材料構成的組中選擇的材料。
21.如權利要求3所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述中心銷具有被形成在主體內(nèi)的不易燃的元件。
22.如權利要求21所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述不易燃的元件包括至少一種從由氫氧化鎂基材料、氫氧化鋁基材料、鹵素基材料、三氧化銻基材料、三聚氰胺基材料、及磷酸鹽基材料構成的組中選擇的材料。
23.如權利要求1所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述蓋組件包括被安置在中心銷頂部的安全出氣孔和被安置在安全出氣孔頂部的電路板。
24.如權利要求23所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中當充電電勢是4-4.5V或更高時，所述安全出氣孔2-10分鐘內(nèi)被操作，并且中斷所述電路板的電流。
25.如權利要求1所述的圓柱形鋰離子二次電池，當充電電勢是4-4.5V或更高時，其中所述電池適于維護在30-60℃的表面溫度，并且中止充電。
26.圓柱形鋰離子二次電池包括電極組件；被安置在電極組件之內(nèi)的中心銷；包含在中心銷內(nèi)的電路元件，其適于當充電電勢比參考電壓相等與或更高時被短路；罐體，其接受電極組件和在其中包含電路元件的中心銷；及結合在罐體的上面的蓋組件。
27.如權利要求26所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中電路元件包括參考電壓源用于提供參考電壓；電壓比較器適于通過終端接受來自參考電壓源的參考電壓，通過另一個終端接受電池電壓，并且當電池電壓比參考電壓大時輸出短路信號；及短路開關，其平行地連接到電池上并適于由來自電壓比較器的短路信號觸發(fā)到接通的設定并導致所述電池短路。
28.如權利要求27所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中由參考電壓源提供的參考電壓被設定在4-5V的范圍內(nèi)。
29.如權利要求27所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述短路開關是晶體管，其集電極和發(fā)射極被平行地連接到所述電池，并且其基極連接到電壓比較器的輸出端。
30.如權利要求29所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中在電池和晶體管的發(fā)射極之間連接加熱元件。
31.如權利要求30所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述加熱元件具有安裝在其上的氣化元件，該氣化元件在預定的溫度下氣化并增加電池的內(nèi)部壓力。
32.如權利要求30所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中該加熱元件具有安裝在其上的不易燃的元件，該不易燃的元件在預定溫度下氣化并抑制著火。
33.如權利要求30所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述加熱元件具有安裝在其上的氣化元件和不易燃的元件，它們在預定的溫度下分別氣化以增加電池的內(nèi)部壓力和抑制著火。
34.如權利要求31所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述加熱元件是熔絲，當氣化元件完全氣化且溫度到達200-300℃時，其熔化并中斷其操作。
35.如權利要求32所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述加熱元件是熔絲，當不易燃的元件完全地氣化且溫度到達200-300℃時，其熔化并中斷其操作。
36.如權利要求31所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中氣化元件包括至少一種從由環(huán)己基苯(CHB)及聯(lián)苯(BP)構成的組中選擇的材料。
37.如權利要求32所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述不易燃的元件包括至少一種從由氫氧化鎂基材料、氫氧化鋁基材料、鹵素基材料、三氧化銻基材料、三聚氰胺基材料、及磷酸鹽基材料構成的組中選擇的材料。
38.如權利要求27所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中接地開關被連接到參考電壓源以在電壓比較器輸出短路信號以后將參考電壓源接地，以使由參考電壓源提供參考電壓下降到0V。
39.如權利要求38所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述接地開關是晶體管，其集電極和發(fā)射極被連接在參考電壓源和接地之間，且基極被連接到電壓比較器的輸出端。
40.如權利要求26所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述蓋組件包括被安置在中心銷頂部的安全出氣孔和被安置在安全出氣孔頂部的電路板。
41.如權利要求26所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中電路元件包括被安置在中心銷內(nèi)的電路板并且具有安裝在其上的多個電子元件；第一導電接頭，用于將電路板的端子連接到安全出氣孔上；及第二導電接頭，用于將電路板的另一個端子連接到罐體上。
42.圓柱形鋰離子二次電池，包括電極組件；被安置在電極組件的中心之內(nèi)的中心銷；及被安置在中心銷內(nèi)的電路元件并適于在過充電情況下短路且消耗電流。
43.如權利要求42所述的圓柱形鋰離子二次電池，當檢測的電池電壓比預定的參考電壓大時，其中所述電路元件導致電池短路。
44.如權利要求42所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述電路元件具有在其上安裝的氣化元件，其中由短路產(chǎn)生的熱使所述氣化元件分解并且增加電池的內(nèi)部壓力。
45.如權利要求42所述的圓柱形鋰離子二次電池，其中所述電路元件具有安裝在其上的不易燃的元件，其中由短路產(chǎn)生熱使所述不易燃元件分解并抑制著火。
全文摘要
圓柱形鋰離子二次電池，包括電極組件；被安置在電極組件內(nèi)的中心銷，其具有閉合的上和下端；包含電極組件和中心銷的罐體；及結合在罐體的上面的蓋組件。中心銷可以包括主體，其以預定的長度延伸且它的上和下端開放，及至少一個關閉件，其適于關閉主體的上和下端并在預定的溫度下熔化或破碎。中心銷主體也可以或可選擇地包括被安置在中心銷內(nèi)的電路元件，該電路元件適于在過充電情況下短路并消耗電流。
文檔編號H01M2/00GK1855603SQ20061007159
公開日2006年11月1日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權日2005年3月30日
發(fā)明者邢有業(yè), 張錫均, 禹順基, 張允漢 申請人:三星Sdi株式會社