锂-离子二次电池转让专利
申请号 : CN200810083159.9
文献号 : CN101262046B
文献日 : 2010-11-24
发明人 : 小林正和 , 下井田良雄
申请人 : 日产自动车株式会社
摘要 :
本发明涉及一种包括电池元件和覆盖该电池元件的外部封壳的锂-离子二次电池。所述电池元件包括隔件和层叠式电极体，所述层叠式电极体具有在层叠方向上分别布置在所述隔件两个表面上的第一电极和第二电极。所述外部封壳包括在所述层叠方向上位于所述电池元件一侧的第一封壳构件，和在所述层叠方向上位于所述电池元件另一侧的第二封壳构件。所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2。
权利要求 :
1.一种锂-离子二次电池，包括：
电池元件，所述电池元件包括隔件和层叠式电极体，所述层叠式电极体具有在层叠方向上分别布置在所述隔件两个表面上的第一电极和第二电极；和外部封壳，所述外部封壳覆盖所述电池元件，所述外部封壳包括在所述层叠方向上位于所述电池元件一侧的第一封壳构件，和在所述层叠方向上位于所述电池元件另一侧的第二封壳构件，其中所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2；并且其中，所述第一封壳构件的平均厚度式d1和杨氏模量s1以及所述第二封壳构件的平均厚度d2和杨氏模量s2满足d1×s1＜d2×s2的关系。
2.如权利要求1所述的锂-离子二次电池，其中，所述第二封壳构件包括附加边缘。
3.一种锂-离子二次电池，包括：
第一电池元件和第二电池元件，每一个所述第一电池元件和第二电池元件都包括隔件和层叠式电极体，所述层叠式电极体具有分别布置在所述隔件两个表面上的第一电极和第二电极；
第三构件，所述第三构件夹在所述第一和第二电池元件之间；
第一封壳构件，所述第一封壳构件在所述第一电池元件接触所述第三构件的侧面的相对侧覆盖所述第一电池元件；和第二封壳构件，所述第二封壳构件在所述第二电池元件接触所述第三构件的侧面的相对侧覆盖所述第二电池元件，其中，所述第三构件在其外周边部分至少部分地连接到所述第一和第二封壳构件两者，所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1、所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2和所述第三构件的线性膨胀系数α3满足α1≥α3＞α2的关系，和所述第一封壳构件的平均厚度d1和杨氏模量s1、所述第二封壳构件的平均厚度d2和杨氏模量s2以及所述第三构件的平均厚度d3和杨氏模量s3满足(d1×s1+d3×s3)＜d2×s2的关系。
4.如权利要求3所述的锂-离子二次电池，其中，所述第二封壳构件包括附加边缘。
5.如权利要求3所述的锂-离子二次电池，其中，所述第三构件从所述第一封壳构件和所述第二封壳构件向外突起。
6.如权利要求5所述的锂-离子二次电池，其中，所述第三构件包括肋片。
7.一种锂-离子二次电池，包括：
第一电池元件和第二电池元件，每一个所述第一电池元件和第二电池元件都包括隔件和层叠式电极体，所述层叠式电极体具有分别布置在所述隔件两个表面上的第一电极和第二电极；
第三构件，所述第三构件夹在所述第一和第二电池元件之间；
第一封壳构件，所述第一封壳构件在所述第一电池元件接触所述第三构件的侧面的相对侧覆盖所述第一电池元件；和第二封壳构件，所述第二封壳构件在所述第二电池元件接触所述第三构件的侧面的相对侧覆盖所述第二电池元件，其中，所述第三构件在其外周边部分至少部分地连接到所述第一和第二封壳构件两者，和所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1、所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2和所述第三构件的线性膨胀系数α3满足α1≥α2＞α3的关系。
8.如权利要求7所述的锂-离子二次电池，其中，所述第一封壳构件的平均厚度d1和杨氏模量s1、所述第二封壳构件的平均厚度d2和杨氏模量s2以及所述第三构件的平均厚度d3和杨氏模量s3满足(d1×s1+d2×s2)＜d3×s3的关系。
9.如权利要求8所述的锂-离子二次电池，其中，所述第三构件包括附加边缘。
10.如权利要求7所述的锂-离子二次电池，其中，所述第三构件从所述第一封壳构件和所述第二封壳构件向外突起。
11.如权利要求10所述的锂-离子二次电池，其中，所述第三构件包括肋片。
说明书 :
技术领域
本发明涉及锂-离子二次电池。
背景技术
近年来，减少二氧化碳排放是保护环境所希望的目标。在汽车工业中，引入电动车(EVs)和混合电动车辆(HEVs)已经提升了对减少二氧化碳排放的期望。已经研制了用于电力驱动马达的二次电池，这是实际应用这些车辆的关键所在。特别是，由于锂-离子二次电池能量密度高和抗重复充电和放电耐久性高，所以它被认为适合电动车应用。为此，正在进行各种锂-离子电池的研发。
如公开在日本专利申请未审公开No.2002-75455中，锂-离子电池用锂合成物氧化物等作为活性材料。传统活性材料在高温条件下易于损坏。因此，在随着电流经过产生热量，电池温度升高的情况下，活性材料逐渐损坏。作为对策，现在存在一种技术，在高温下通过把供给电池的电流减小到某种程度以抑制温度升高。日本专利公告No.3811353中，当电子传导材料与活性材料接触时，使用一种特性为电阻随温度升高而增大的材料。即，在此使用的材料是导电聚合物，这种导电聚合物是通过导电材料与例如聚甲烯的聚合物混合而形成的。
如公开在日本专利申请未审公开No.2002-75455中，锂-离子电池用锂合成物氧化物等作为活性材料。传统活性材料在高温条件下易于损坏。因此，在随着电流经过产生热量，电池温度升高的情况下，活性材料逐渐损坏。作为对策，现在存在一种技术，在高温下通过把供给电池的电流减小到某种程度以抑制温度升高。日本专利公告No.3811353中，当电子传导材料与活性材料接触时，使用一种特性为电阻随温度升高而增大的材料。即，在此使用的材料是导电聚合物，这种导电聚合物是通过导电材料与例如聚甲烯的聚合物混合而形成的。
发明内容
然而，这种技术的问题在于，即使在正常的温度范围内，所述电池内部电阻也增大，这是因为所述聚合物和导电材料的混合物用作应该具有良好电子传导率的导电材料。而且，在该技术中，当由于在高温下聚合体熔化而切断传导电子的通道和传导离子的通道时，电流被切断。然而，该技术具有当温度回到正常范围内时电池容量不能恢复到其原始水平的风险。
本发明的一个目的是提供一种锂-离子二次电池，所述锂-离子二次电池能够在正常温度范围内维持电池输出特性并且即使被在高温下保存也具有优良的耐久性。
本发明的一方面是一种锂-离子二次电池，其包括：电池元件，所述电池元件包括隔件和层叠式电极体，所述层叠式电极体在层叠方向上具有分别布置在所述隔件两个表面上的第一电极和第二电极；外部封壳，所述外部封壳覆盖所述电池元件，所述外部封壳包括在所述层叠方向上位于所述电池元件一侧的第一封壳构件，和在所述层叠方向上位于所述电池元件另一侧的第二封壳构件，其中所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2。
本发明的一个目的是提供一种锂-离子二次电池，所述锂-离子二次电池能够在正常温度范围内维持电池输出特性并且即使被在高温下保存也具有优良的耐久性。
本发明的一方面是一种锂-离子二次电池，其包括：电池元件，所述电池元件包括隔件和层叠式电极体，所述层叠式电极体在层叠方向上具有分别布置在所述隔件两个表面上的第一电极和第二电极；外部封壳，所述外部封壳覆盖所述电池元件，所述外部封壳包括在所述层叠方向上位于所述电池元件一侧的第一封壳构件，和在所述层叠方向上位于所述电池元件另一侧的第二封壳构件，其中所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2。
附图说明
现在将参照附图对本发明进行描述，其中：
图1是表示根据本发明第一实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图2是表示根据第一实施例的双极锂-离子二次电池的横截面图；
图3是表示根据第一实施例修改例的锂-离子二次电池的横截面图；
图4是表示根据第二实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图5是表示根据第二实施例修改例的锂-离子二次电池的横截面图；
图6是表示根据第三实施例修改例的锂-离子二次电池的横截面图；
图7是表示根据本发明第四实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图8是表示根据第四实施例的优选锂-离子二次电池的前视图；
图9是表示肋片形状具体例子的前视图；
图10是表示肋片形状具体例子的侧视图；
图11是表示形成图9所示肋片的方法的前视图；
图12是表示肋片形状另一具体例子的前视图；
图13是表示图12所示肋片形状具体例子的侧视图；
图14是表示形成图12所示肋片的方法的前视图；
图15是表示根据第五实施例的锂-离子二次电池的前视图；
图16是表示根据第五实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图17是表示根据第七实施例、载有根据第六实施例的组装电池的汽车的示意图。
图1是表示根据本发明第一实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图2是表示根据第一实施例的双极锂-离子二次电池的横截面图；
图3是表示根据第一实施例修改例的锂-离子二次电池的横截面图；
图4是表示根据第二实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图5是表示根据第二实施例修改例的锂-离子二次电池的横截面图；
图6是表示根据第三实施例修改例的锂-离子二次电池的横截面图；
图7是表示根据本发明第四实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图8是表示根据第四实施例的优选锂-离子二次电池的前视图；
图9是表示肋片形状具体例子的前视图；
图10是表示肋片形状具体例子的侧视图；
图11是表示形成图9所示肋片的方法的前视图；
图12是表示肋片形状另一具体例子的前视图；
图13是表示图12所示肋片形状具体例子的侧视图；
图14是表示形成图12所示肋片的方法的前视图；
图15是表示根据第五实施例的锂-离子二次电池的前视图；
图16是表示根据第五实施例的锂-离子二次电池的横截面图；
图17是表示根据第七实施例、载有根据第六实施例的组装电池的汽车的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。在所述图的以下描述中，相同的组件用相同的附图标记表示，并省略重复解释。而且，要注意的是，为了便于描述本发明，附图中的尺寸比或许被夸大了，因此或许不同于实际的尺寸比。
如图1所示，根据本发明第一实施例的锂-离子二次电池10包括电池元件(产生电能的元件)21和外部封壳，所述外部封壳用于把电池元件21密封在所述电池内。所述外部封壳包括第一封壳构件25和第二封壳构件26。电池元件21包括在层叠方向上(图中的Z方向上或每一个层叠式电极体22的厚度方向上)一个层叠在另一个之上的多个层叠式电极体22和交替插在相应的层叠式电极体22之间的多个正电极电流收集器11和负电极电流收集器12。每一个层叠式电极体22包括隔件15、第一电极(正电极活性材料层)13和第二电极(负电极活性材料层)14。正电极活性材料层13和负电极活性材料层14在层叠方向上分别布置在隔件15两个表面上。每一个活性材料层包括活性材料、粘合剂(binder)和其他合适的添加剂。在层叠方向上彼此相邻的层叠式电极体22层叠成以使相应的层叠式电极体22的正电极活性材料层13和负电极活性材料层14相互面对。正电极电流收集器11插在层叠方向上彼此相邻的层叠式电极体22的正电极活性材料层之间。正电极电流收集器11的两个表面与相应的正电极活性材料层建立表面接触。而且，正电极电流收集器11也与电池元件21最外边的正电极活性材料层建立表面接触。负电极电流收集器12插在层叠方向上彼此相邻的层叠式电极体22的负电极活性材料层之间。负电极电流收集器12的两个表面与相应的负电极活性材料层建立表面接触。隔件15保持电解质。众所周知的结构和材料可用于所述电流收集器、所述隔件、所述活性材料和粘合剂等。
所述外部封壳的第一封壳构件25在Z方向的平面图中具有基本上矩形形状。第一封壳构件25具有X方向的宽度(在X方向上的宽度)Wx1，该宽度Wx1在Y方向整个长度范围基本是恒定的；并具有Y方向的宽度(在Y方向上的宽度)Wy1，该宽度Wy1在X方向整个长度范围基本是恒定的。同样，所述外部封壳的第二封壳构件26在Z方向平面图中具有基本上矩形形状、具有X方向的宽度Wx2(＝Wx1)，该宽度Wx2在Y方向整个长度范围基本是恒定的、具有Y方向的宽度Wy2，该宽度Wy2在X方向整个长度范围基本是恒定的。在它们的外缘部分处第一封壳构件25接合到第二封壳构件26。所述接合点基本位于与Z方向垂直的平面上。除所述接合点外，第一封壳构件25的其余部分具有在正Z方向上突起的凸形。除所述接合点外，第二封壳构件26的其余部分具有在负Z方向上突起的凸形。第一封壳构件25和第二封壳构件26在层叠方向上对密封在所述外部封壳内的电池元件21共同施加合适的压力(层叠压力)。同时，在相应的层叠式电极体中，在每一元件上产生合适的接触压力。这样，所述电池的内电阻维持在适当水平。
每一个正电极电流收集器11电连接到位于Y方向一端的正电极端子23。每一个负电极电流收集器12电连接到位于Y方向另一端的负电极端子24。正电极端子23和负电极端子24从所述外部封壳的Y方向两个边延伸到所述电池外侧。
在此，在图1所示的锂-离子二次电池10中，负电极活性材料层14形成为稍微小于正电极活性材料层13。然而，本发明不限于此结构。也可使用尺寸与正电极活性材料层13相同或稍大于正电极活性材料层13的负电极活性材料层14。
现在将更详细地描述本实施例的锂-离子二次电池10的特征结构。
所述第一实施例的特征在于，所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2。线性膨胀系数α指示与物体一定单位温升相关的物体长度增加比率的参数。假定所述物体长度为L，温度为T，改变量分别是ΔL和ΔT，则线性膨胀系数α表示为：
α＝(ΔL/ΔT)/L...(公式1)
换句话说，α值越大，与一定温升对应的长度变化率就越大。
可用于所述外部封壳的材料包括树脂材料如碳纤维增强塑料、聚乙烯萘甲醛(PEN)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、玻璃纤维增强塑料、聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺，或聚酰亚胺。而且，也可使用一种层压材料，所述层压材料通过使用至少一种金属化合物作为核心材料，且在所述电池外侧涂上电绝缘层、且在所述电池内侧涂上电绝缘层而形成，其中所述金属化合物为：因瓦合金；埃林瓦尔合金；科伐合金；纯钛或α和β钛合金；铜合金如磷青铜、铍铜，或白铜；不锈钢如以SUS316为代表的奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢；镍合金如Inconel(注册商标)、Incoloy(注册商标)，或Hastelloy(注册商标)；镁合金如AZ31或AZ91；铝或铝合金(铝-铜合金、铝-锰合金、铝-硅合金、铝-镁合金、铝-镁-硅合金、铝-锌-镁合金、铝-锌-镁-铜合金，或铝黄铜合金)；等等，所述电池外侧上的电绝缘层如聚乙烯、聚丙烯、改性聚烯烃、离聚物、无定形聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺，所述电池内侧上的电绝缘层如聚乙烯、聚丙烯、改性聚烯烃、离聚物、乙二醇二乙酸酯-乙烯共聚物。在此，这些电绝缘层优选薄层涂覆，从而不影响所述金属材料的线性膨胀系数。在此情况下，外层材料的线性膨胀系数设置成等于金属材料的线性膨胀系数。
可用于所述第一封壳构件和第二封壳构件的材料及其线性膨胀系数列于表1中。
<表1>
材料组 线性膨胀系数[×10-6/℃] 材料例子 A 0以下 碳纤维增强塑料、因瓦合金、埃林瓦 尔合金 B 0到10 钛合金、科伐合金 C1 10到17 PEN C2 铜合金(磷青铜、铍铜，白铜) C3 C3碳钢、合金钢(钢合金)、不锈钢 (奥氏体或铁素体)、镍合金 (Incoloy、Hastelloy、Inconel) D1 17到25 PPS、PET D2 玻璃纤维增强塑料、镁合金(AZ31、 AZ91) D3 铝合金(#1000到#7000、铝黄铜合 金) E 25及以上 聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮、聚酰胺酰 亚胺，聚酰亚胺
所述数值α1和α2之间的关系没有特别限制，只要满足α1＞α2即可。然而，为了更有效地发挥本发明的效果，把数值α1和α2之间的线性膨胀系数差优选设在5到50[×10-6/℃]范围内，或更优选地，在10到20[×10-6/℃]范围内。
利用表1中的材料组的参照码，满足以上所述关系的优选组合是：B和A；C1和A和/或B；C2和A和/或B；D1和从A、B、C2和C3构成的组中选取的至少一个；D2和从A、B、C2和C3构成的组中选取的至少一个；D3和从A、B、C2和C3构成的组中选取的至少一个；E和从A、B、C2、C3、D1、D2和D3构成的组中选取的至少一个，按照所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的次序列举。其中，特别优选的组合是：C1和A；C2和A；D1和B；D2和B；D3和B；以及E和C2和/或C3，所有这些都是按照所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的次序列举。
在本发明中，在树脂材料的情况下，在20℃到120℃的温度范围内根据JIS K7197中定义的热力学分析(TMA)方法计算所述线性膨胀系数。同时，当层压膜构件的核心由金属材料制成时，也可根据JIS K7197中定义的TMA方法计算所述金属材料的线性膨胀系数。通过使用热力学分析仪(TMA-60/60H，由Shimadzu公司制造)对所述线性膨胀系数进行测量。
当所述电池放置在高温环境中时，所述第一封壳构件和所述第二封壳构件都开始膨胀。在此，由于所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2，所以在所述外部封壳中产生内应力。然后，压应力作用在所述第一封壳构件上，同时拉应力作用在所述第二封壳构件上。因此，所述第一封壳构件变形成朝向所述电池外侧(正Z方向)的凸形，如图1中的阴影线所示。然后，随着所述电池内部的体积(所述封壳的体积容量)增加，对所述电池元件的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)减小。层叠压力的降低增加了所述电池的内电阻，或中断导电通路。因此，电流被切断，这样抑制了进一步温升。该结构防止活性材料因温升而损坏，因此，此结构的电池具有优良的耐久性。同时，当所述电池的温度恢复正常时，所述外部封壳从朝向所述电池外侧的凸变形情况恢复，并重新具有正常轮廓。因此，保持了正常温度范围内所述电池的输出特性。
换句话说，具有以上所述结构的锂-离子二次电池在温度波动大的环境中具有优良的耐久性，因此适合于应用到例如汽车的车辆。
在所述第一实施例中，假设所述第一封壳构件的的平均厚度是d1，其杨氏模量是s1，所述第二封壳构件的平均厚度是d2，其杨氏模量是s2，优选这些参数满足d1×s1＜d2×s2表示的关系。如果满足此关系，当所述第一封壳构件开始膨胀时，所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件膨胀。因此，更大地发挥了所述第一封壳构件变形成朝向所述电池外侧凸出的本发明的效果。在此，所述平均厚度表示在平行于所述Z轴的横截面上例如垂直于X方向或Y方向的横截面上，每一个封壳构件板厚的平均值。
在本发明中，根据JIS Z 2280中定义的横向共振方法，使用包含与所使用的材料相同的成份且尺寸为40[mm]×50[mm]×1[mm]的试验金属件在298[k]下的测量结果计算所述杨氏模量。
虽然没有特别限定每一个所述封壳构件的杨氏模量，但是一般把所述模量设置在20到25[GPa]范围内。同时，一般每一个所述封壳构件的平均厚度设置在100到200[μm]范围内。
顺便提及，虽然在图1中把上封壳构件定义的第一封壳构件，但是也可把下封壳构件定义为所述第一封壳构件。即，只要各封壳构件具有相互不同的线性膨胀系数，那么所述第一实施例涵盖所述电池的所有结构。
同时，在所述第一实施例的修改示例中，可把所述锂-离子二次电池形成为所谓的双极电池，在该双极电池中各层叠式电极体串联连接。该双极电池的例子示于图2中。在图2所示第一实施例的锂-离子二次电池10的情况下，配置成实现充电和放电反应的电池元件21包括多个层叠式电极体22和多个电流收集器16。层叠式电极体22在层叠方向上彼此堆叠。电流收集器16分别插在层叠式电极体22之间。每一个层叠式电极体22包括隔件15、第一电极(正电极活性材料层13)和第二电极(负电极活性材料层14)，其中所述第一电极和第二电极在所述层叠方向上分别布置在隔件15两个表面上。各个层叠式电极体22堆叠成使每一个层叠式电极体22的正电极活性材料层13或负电极活性材料层14面向在所述层叠方向上与其邻近的层叠式电极体22的负电极活性材料层14或正电极活性材料层13。电流收集器16插在所述层叠方向上彼此邻近的层叠式电极体22的正电极活性材料层和负电极活性材料层之间。电流收集器16的两个表面与相应的活性材料层建立表面接触。电流收集器16a布置成与位于电池元件21最上层的正电极活性材料层13建立表面接触。电流收集器16b布置成与位于电池元件21最下层的负电极活性材料层14建立表面接触。绝缘密封构件31设置在层叠式电极体22周围、各个电流收集器16、16a和16b之间。隔件15保持电解质。
正电极最外层电流收集器16a电连接到位于Y方向一端的正电极端子23。负电极最外层电流收集器16b电连接到位于Y方向另一端的负电极端子24。正电极端子23和负电极端子24从所述外部封壳的Y方向的两个边延伸到所述电池外侧。
图3是表示根据所述第一实施例的另一修改例的锂-离子二次电池的横截面图。此例中的电池元件与图1所示相同，在此省略了对它的描述。
在示于图3中的锂-离子二次电池中，附加边缘EX1和EX2形成在所述第一实施例的第二封壳构件26的一部分上。在此所述的“附加边缘”表示所述封壳构件的区域，它在向内或向外方向上弯曲。一旦在垂直于Z轴方向，即例如在X方向或Y方向施加拉力或压力，所述附加边缘比所述封壳构件的其他区域更容易变形。更精确地说，假定一种情况，即所述电池的温度升高且由于所述两个封壳构件之间线性膨胀系数存在差异，所以压力作用在第一封壳构件25上而拉力作用在第二封壳构件26上，第二封壳构件26各个附加边缘EX1和EX2的端点(EX1a和EX1b或EX2a和EX2b)之间的距离L1和L2比其他区域两个端点之间的距离(例如，距离L3)增长更多，并且在第一封壳构件25变形成朝向所述电池外侧的凸形之前，所述附加边缘EX1和EX2就开始变形。确切地说，所述附加边缘被施加的拉力延伸，其中所述拉力的绝对值比第一封壳构件25变形成凸形所需压力的绝对值小。
优选设置所述附加边缘，以使温度升高时因所述封壳构件膨胀所导致的所述电池内侧体积容量整体变化最小。更精确地说，优选为每一个电池提供向内弯曲的区域EX1和向外弯曲的区域EX2的组合，如图3所示。
当所述第二封壳构件设置有所述附加边缘时，优选为所述封壳构件使用具有弹性的材料。该材料可以是一种层压材料，所述层压材料通过使用金属化合物作为核心材料并在外侧涂覆电绝缘层而形成，其中所述金属化合物为：因瓦合金；埃林瓦尔合金；科伐合金；纯钛、或α和β钛合金；铜合金如磷青铜、铍铜，或白铜；不锈钢如以SUS316为代表的奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢；镍合金如Inconel(注册商标)、Incoloy(注册商标)，或Hastelloy(注册商标)；和镁合金如AZ31或AZ91。
在包括设置有如上所述的附加边缘的第二封壳构件的电池中，在所述电池温升的情况下，第二封壳构件膨胀直到预定温度，且在所述第一封壳构件开始变形成所述凸形之前，第二封壳构件附加边缘延伸。在此期间内，所述第一封壳构件没有变形成凸形，而只是自由膨胀。因此，所述电池内部体积(所述外部封壳的体积容量)没有改变，而且对所述电池元件的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)也没有改变。因此，保持了所述电池正常操作范围内的特性。随着所述附加边缘完全延伸，然后所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件的自由膨胀。因此，所述第一封壳构件变形成所述凸形。
借助冷压形成弯曲区域，容易获得所述附加边缘。然而，获得所述附加边缘的方法不只限于前述。
图4是表示根据第二实施例的锂-离子二次电池的轮廓的横截面视图。现在将参照图4描述此实施例。该实施例的锂-离子二次电池包括第一电池元件41、第二电池元件42和第三构件43。第一电池元件41和第二电池元件42共同地用作电池元件，配置成实现充电和放电反应。所述第三构件夹在第一电池元件41和第二电池元件42之间。同时，所述锂-离子二次电池包括第一封壳构件25和第二封壳构件26。第一封壳构件25位于第一电池元件41接触或抵靠第三构件43的侧部的相对侧，以覆盖所述第一电池元件。第二封壳构件26位于第一电池元件42接触或抵靠第三构件43的侧部的相对侧，以覆盖所述第二电池元件。第三构件43在其外周边部分连接到第一封壳构件25和第二封壳构件26。
同时，第一正电极端子44电连接到第二正电极端子45，第一负电极端子46也电连接到第二负电极端子47。在图4中，同极性的端子在相同方向引出并彼此连接。反之，也可以使这些端子不连接，而当形成电池组时把这些端子夹紧在一起。可替代的是，也可在相同方向从所述第一和第二电池元件引出极性相反的端子(如在Y方向上从一端引出第一正电极端子44和第二负电极端子47和在Y方向上从另一端引出第二正电极端子45和第一负电极端子46)。在此情况下，通过连接其中一个端部的端子能获得双倍电压的电池。
所述第一电池元件和所述第二电池元件可与图1和图2所示的第一实施例的电池元件相同。同时，所述第一电池元件和所述第二电池元件可具有相同的结构或相互不同的结构。
用于形成所述第三构件的材料没有特别限制，只要其最外部分具有电绝缘特性即可。所述第一封壳构件和所述第二封壳构件可使用相同的材料。
在该实施例中，所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1、所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2和所述第三构件的线性膨胀系数α3满足α1≥α3＞α2的关系。
一旦所述电池的温度升高，那么第一封壳构件、第二封壳构件和第三构件都开始膨胀。在此，所述第一封壳构件和所述第三构件的线性膨胀系数α1和α3分别大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2。因此，在所述外部封壳内产生内应力，并且压应力作用在所述第一封壳构件上，同时拉力作用在所述第二封壳构件上。
同时，在所述第二实施例中，假定所述第一封壳构件和所述第三构件的平均厚度是d1和d3，其杨氏模量分别是s1和s3，所述第二封壳构件的平均厚度是d2，其杨氏模量是s2，优选这些参数满足由(d1×s1+d3×s3)＜d2×s2表示的关系。如果满足此关系，则当所述第一封壳构件和所述第三构件开始膨胀时，所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件和所述第三构件的膨胀。因此，所述第一封壳构件变形成朝向所述电池外侧的凸形(在正Z方向上)，而所述第三构件变形成朝向所述第一封壳构件的凸形(在正Z方向上)。
当所述第一封壳构件和所述第三构件的线性膨胀系数满足α1＞α3＞α2的关系时，所述第一封壳构件的变形量大于所述第三构件的变形量，且所述所述第三构件的变形量大于第二封壳构件的变形量。因此，在所述第一封壳构件和第三构件之间布置有所述第一电池元件的空间的体积容量以及在所述第三构件和第二封壳构件之间布置有所述第二电池元件的空间的体积容量都增加了。由于所述外部封壳的体积(体积容量)的增加，所以所述第一和第二电池元件上的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)减小。这种层叠压力的减小增加了所述电池的内电阻，或中断了导电通道。因此，电流被切断，这样抑制了进一步温升。该结构防止活性材料由于温升而损坏，因此，此结构的电池具有优良的耐久性。同时，当所述电池的温度恢复到正常时，所述外部封壳从朝向所述电池外侧的凸变形状态恢复，重新具有正常外形。因此，保持了所述电池在正常温度范围内的输出特性。
同时，与只使用所述封壳构件的电池相比，布置所述第三构件改进了所述电池的机械强度。而且，通过使用包括金属作为核心材料的层压材料作为第三构件也可抑制冷却性能的降低。而且，在双极二次电池的情况下，通过使用第三构件把两个电池结合成一整体。通常需要四个封壳构件串联两个电池，然而该实施例只需要三个构件。因此，降低了所述电池的尺寸和成本。
图5表示所述第二实施例的修改例。在图5所示的锂-离子二次电池中，附加边缘EX1和EX2形成在所述第二实施例的第二封壳构件的一部分上。通过在线性膨胀系数最小的第二封壳构件上形成所述附加边缘，在所述电池温升的情况下，所述附加边缘在所述第一封壳构件和第三构件开始变形成凸形之前延伸，直到预定温度。在此期间，所述第一封壳构件和第三构件不变形成所述凸形，而只是自由膨胀。因此，不但所述电池的内部体积(所述外部封壳的体积容量)没有改变，而且对所述电池元件的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)也没有改变。因此，保持了所述电池在正常操作范围内的特性。当所述附加边缘完全延伸时，然后所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件和所述第三构件的自由膨胀。因此，所述第一封壳构件变形成朝向外侧的凸形，同时所述第三构件变形成朝向所述第一封壳构件的凸形。在此，所述电池元件和示于图4中的那些电池元件相同，在此将省略了对其的描述。可在此设置类似于图3的例子中描述的附加边缘。
本发明的第三实施例提供了所述第二实施例的锂-离子二次电池，其中所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1、所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2和所述第三构件的线性膨胀系数α3满足α1≥α2＞α3的关系。该实施例的锂-离子二次电池的其他特征与所述第二实施例的锂-离子二次电池相同。在所述第三实施例中，一旦所述电池的温度升高，那么第一封壳构件、第二封壳构件和第三构件都开始膨胀。在此，所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的线性膨胀系数α1和α2分别大于所述第三构件的线性膨胀系数α3。因此，在所述外部封壳内产生内应力，并且压应力作用在所述第一封壳构件和第二封壳构件上，同时拉力作用在所述第三构件上。为此，所述第一封壳构件和第二封壳构件变形成朝向所述电池外侧的凸形。由于此凸变形，增加了所述电池的内部体积(所述外部封壳的体积容量)，减小了所述电池元件上的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)。这种层叠压力的减小增加了所述电池的内电阻，或中断了导电通道。因此，电流被切断，这样抑制了进一步温升。该结构防止活性材料由于温升而损坏，因此，此结构的电池具有优良的耐久性。同时，当所述电池的温度恢复到正常时，所述外部封壳从朝向所述电池外侧的凸变形状态恢复，重新具有正常轮廓。因此，保持了所述电池在正常温度范围内的输出特性。
同时，在所述第三实施例中，假定所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的平均厚度是d1和d2，其杨氏模量分别是s1和s2，所述第三构件的平均厚度是d3，其杨氏模量是s3，优选这些参数满足由(d1×s1+d2×s2)＜d3×s3表示的关系。如果满足此关系，当所述第一封壳构件和所述第二封壳构件开始膨胀时，所述第三构件起作用以阻挡所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的膨胀。因此，更大地发挥了所述第一封壳构件和第二封壳构件变形成朝向所述电池外侧的凸形的本发明的效果。
图6是表示所述第三实施例的修改例。在图6中所示的锂-离子二次电池中，所述附加边缘EX1和EX2形成在所述第三实施例的第三构件的一部分上。在此，电池元件与示于图4中的那些电池元件相同，在此将省略了对其的描述。可在此设置类似于图3的例子中描述的附加边缘。
根据本发明的第四实施例的锂-离子二次电池提供了所述第二实施例和第三实施例中任何一个实施例的锂-离子二次电池，其中所述第三构件从所述第一和第二封壳构件向外突起。图7表示所述第四实施例的示意性的横截面图。如图7所示，例如，所述第三构件43在所述电池的Y方向两端从所述第一封壳构件25和第二封壳构件26的外周边部分向外突起。所述第三构件的突起部43a有效辐射出所述电池内部产生的热。因此，可以改善所述电池的冷却效果，以抑制所述电池内部的温升，因此防止了该电池损坏。
图8表示从所述电池的层叠方向看到的第四实施例的优选例的前视图。在图8的锂-离子二次电池中，所述第三构件43形成使其周边部分从第一封壳构件25和第二封壳构件26(未示出)的每一个连接点向外(在正、负X方向和正、负Y方向)突起。而且，所述突起部43a设置有多个肋片43b。通过为所述第三构件43的突起部43a设置肋片43b，由接触所述肋片的气流有效带走所述电池内部产生的热。这样，改进了所述散热效果。
所述肋片的形状没有特别限制，只要所述肋片能发挥所述散热效果。然而，认为图示在图9和图10的肋片形状或图示在图12和图13的肋片形状是具体的例子。图9是部分地表示设置有多个肋片的第三构件的前视图。图10是在图9中箭头X的方向上看到的第三构件侧视图。如图11所示，通过在第三构件43中制作L形的切口并从所述第三构件的突起部43a两个表面交替地升高三角形肋片，具体地说，沿图中的点划线谷折和沿虚线山折形成图9中的肋片。同时，图12是部分地表示设置有另一形状的肋片的第三构件前视图。图13是在图12中箭头XIII方向上看到的第三构件侧视图。如图14所示，通过在第三构件43的突起部43a中制作多个直切口和围绕平行于X方向的轴线扭弯如此分别获得的肋条而形成图12中的肋片。
在该实施例中，通过给所述第三构件的突起部43a设置多个肋片改进了散热效果。然而，本发明不只限于这些结构。作为获得散热效果的另一一种方法，也可以通过把所述第三构件连接和固定到散热片来辐射热量。
在以上所述的实施例中，所述第三构件被固定和连接到所述第一和第二封壳构件两者的整个外周边部分。这些实施例在耐久性和散热效果方面是优选的。然而，在本发明中，所述第三构件部分地固定和连接到所述第一和第二封壳构件的外周边部分(第五实施例)。如图15(前视图)所示，在所述第五实施例中，第三构件43固定和连接到所述第一和第二封壳构件的外周边部分、在电极端子23和24不从该封壳构件延伸的侧部(图中X方向两端)上。该结构允许设置所述第三构件及其突起部43a而不用修改所述端子的结构。因此，该实施例在生产率方面是优选的。图16是沿着图15中XVI-XVI线的横截面图。
在以上所描述的所有实施例中，在高温条件下把所述外部封壳主动变形成朝向所述电池外侧的凸形促进了所述电池内部电解质部分蒸发。因此，实现了电流切断效果。当所述电池的温度进一步升高时，通过电流切断效果抑制了发热。随后，所述外部封壳朝向所述电池外侧的凸变形减小，所述电解质再次液化，因此所述电池恢复正常。
同时，在因误用导致所述电池内部生成过量热的情况下，例如，所述电池可发生内部破裂。因此，当朝向所述电池外侧的凸变形量超过一定值时，可把变形特征从弹性方式改变为塑性方式的材料用于所述外部封壳。至于这种材料，可使用例如含网格薄层(mesh thin layer)的外部封壳。然而，本发明并不只限于该结构。
第六实施例提供了一种组装电池，该组装的电池是通过并联和/或串联多个根据第一到第五实施例中任何一个实施例的锂-离子二次电池而形成的。
连接多个非水电解质二次电池的连接方法没有特别的限制，可酌情使用任何众所周知的方法。例如，可使用诸如超声焊接或点焊的焊接方法以及使用铆钉或压紧(caulking)的固定方法。通过这些连接方法可提高所述组装电池的长期可靠性。
根据该实施例的组装电池，通过使用根据所述第一到第五实施例的任何一个实施例的所述锂-离子二次电池形成组装电池，可以提供确保容量特性足够且能在高输出条件下发挥足够输出的组装电池。
第七实施例提供了一种车辆，通过安装根据所述第一和第五实施例的任何电池或安装根据第六实施例的组装电池作为马达驱动的电源。这种把所述锂-离子二次电池或所述组装电池用作马达驱动电源的车辆可以是配置成用马达驱动车轮的汽车，这种汽车包括例如不用汽油的完全电动车辆、混合车辆诸如串联混合车辆或并联混合车辆、或燃料电池车。由于根据第一至第五实施例的锂-离子二次电池和根据第六实施例的组装电池具有优良的高温耐久性，所以所述电池甚至可以布置在频繁产生高温的组件附近的位置。在这方面，根据安装兼容性，优选把本发明的锂-离子二次电池或组装电池应用到这种车辆。图17是装有本发明的组装电池100的汽车200的示意图，用作参考。装在所述汽车200上的组装电池100具有如上所述的特性。因此，装有组装电池100的汽车200具有优良的输出特性并能在高输出条件下提供足够的输出。
在此所述的优选实施例是为了说明而不是限制，在不背离本发明的精髓或根本特征的情况下可以以其他方法实施本发明。由权利要求书指示的本发明的范围以及权利要求书含义范围内的所有变动包括在其中。
本公开涉及2007年3月8日提交的日本专利申请No.2007-058287的主题，其公开内容全部以引用方式明确包括于此。
如图1所示，根据本发明第一实施例的锂-离子二次电池10包括电池元件(产生电能的元件)21和外部封壳，所述外部封壳用于把电池元件21密封在所述电池内。所述外部封壳包括第一封壳构件25和第二封壳构件26。电池元件21包括在层叠方向上(图中的Z方向上或每一个层叠式电极体22的厚度方向上)一个层叠在另一个之上的多个层叠式电极体22和交替插在相应的层叠式电极体22之间的多个正电极电流收集器11和负电极电流收集器12。每一个层叠式电极体22包括隔件15、第一电极(正电极活性材料层)13和第二电极(负电极活性材料层)14。正电极活性材料层13和负电极活性材料层14在层叠方向上分别布置在隔件15两个表面上。每一个活性材料层包括活性材料、粘合剂(binder)和其他合适的添加剂。在层叠方向上彼此相邻的层叠式电极体22层叠成以使相应的层叠式电极体22的正电极活性材料层13和负电极活性材料层14相互面对。正电极电流收集器11插在层叠方向上彼此相邻的层叠式电极体22的正电极活性材料层之间。正电极电流收集器11的两个表面与相应的正电极活性材料层建立表面接触。而且，正电极电流收集器11也与电池元件21最外边的正电极活性材料层建立表面接触。负电极电流收集器12插在层叠方向上彼此相邻的层叠式电极体22的负电极活性材料层之间。负电极电流收集器12的两个表面与相应的负电极活性材料层建立表面接触。隔件15保持电解质。众所周知的结构和材料可用于所述电流收集器、所述隔件、所述活性材料和粘合剂等。
所述外部封壳的第一封壳构件25在Z方向的平面图中具有基本上矩形形状。第一封壳构件25具有X方向的宽度(在X方向上的宽度)Wx1，该宽度Wx1在Y方向整个长度范围基本是恒定的；并具有Y方向的宽度(在Y方向上的宽度)Wy1，该宽度Wy1在X方向整个长度范围基本是恒定的。同样，所述外部封壳的第二封壳构件26在Z方向平面图中具有基本上矩形形状、具有X方向的宽度Wx2(＝Wx1)，该宽度Wx2在Y方向整个长度范围基本是恒定的、具有Y方向的宽度Wy2，该宽度Wy2在X方向整个长度范围基本是恒定的。在它们的外缘部分处第一封壳构件25接合到第二封壳构件26。所述接合点基本位于与Z方向垂直的平面上。除所述接合点外，第一封壳构件25的其余部分具有在正Z方向上突起的凸形。除所述接合点外，第二封壳构件26的其余部分具有在负Z方向上突起的凸形。第一封壳构件25和第二封壳构件26在层叠方向上对密封在所述外部封壳内的电池元件21共同施加合适的压力(层叠压力)。同时，在相应的层叠式电极体中，在每一元件上产生合适的接触压力。这样，所述电池的内电阻维持在适当水平。
每一个正电极电流收集器11电连接到位于Y方向一端的正电极端子23。每一个负电极电流收集器12电连接到位于Y方向另一端的负电极端子24。正电极端子23和负电极端子24从所述外部封壳的Y方向两个边延伸到所述电池外侧。
在此，在图1所示的锂-离子二次电池10中，负电极活性材料层14形成为稍微小于正电极活性材料层13。然而，本发明不限于此结构。也可使用尺寸与正电极活性材料层13相同或稍大于正电极活性材料层13的负电极活性材料层14。
现在将更详细地描述本实施例的锂-离子二次电池10的特征结构。
所述第一实施例的特征在于，所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2。线性膨胀系数α指示与物体一定单位温升相关的物体长度增加比率的参数。假定所述物体长度为L，温度为T，改变量分别是ΔL和ΔT，则线性膨胀系数α表示为：
α＝(ΔL/ΔT)/L...(公式1)
换句话说，α值越大，与一定温升对应的长度变化率就越大。
可用于所述外部封壳的材料包括树脂材料如碳纤维增强塑料、聚乙烯萘甲醛(PEN)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、玻璃纤维增强塑料、聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺，或聚酰亚胺。而且，也可使用一种层压材料，所述层压材料通过使用至少一种金属化合物作为核心材料，且在所述电池外侧涂上电绝缘层、且在所述电池内侧涂上电绝缘层而形成，其中所述金属化合物为：因瓦合金；埃林瓦尔合金；科伐合金；纯钛或α和β钛合金；铜合金如磷青铜、铍铜，或白铜；不锈钢如以SUS316为代表的奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢；镍合金如Inconel(注册商标)、Incoloy(注册商标)，或Hastelloy(注册商标)；镁合金如AZ31或AZ91；铝或铝合金(铝-铜合金、铝-锰合金、铝-硅合金、铝-镁合金、铝-镁-硅合金、铝-锌-镁合金、铝-锌-镁-铜合金，或铝黄铜合金)；等等，所述电池外侧上的电绝缘层如聚乙烯、聚丙烯、改性聚烯烃、离聚物、无定形聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰胺，所述电池内侧上的电绝缘层如聚乙烯、聚丙烯、改性聚烯烃、离聚物、乙二醇二乙酸酯-乙烯共聚物。在此，这些电绝缘层优选薄层涂覆，从而不影响所述金属材料的线性膨胀系数。在此情况下，外层材料的线性膨胀系数设置成等于金属材料的线性膨胀系数。
可用于所述第一封壳构件和第二封壳构件的材料及其线性膨胀系数列于表1中。
<表1>
材料组 线性膨胀系数[×10-6/℃] 材料例子 A 0以下 碳纤维增强塑料、因瓦合金、埃林瓦 尔合金 B 0到10 钛合金、科伐合金 C1 10到17 PEN C2 铜合金(磷青铜、铍铜，白铜) C3 C3碳钢、合金钢(钢合金)、不锈钢 (奥氏体或铁素体)、镍合金 (Incoloy、Hastelloy、Inconel) D1 17到25 PPS、PET D2 玻璃纤维增强塑料、镁合金(AZ31、 AZ91) D3 铝合金(#1000到#7000、铝黄铜合 金) E 25及以上 聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮、聚酰胺酰 亚胺，聚酰亚胺
所述数值α1和α2之间的关系没有特别限制，只要满足α1＞α2即可。然而，为了更有效地发挥本发明的效果，把数值α1和α2之间的线性膨胀系数差优选设在5到50[×10-6/℃]范围内，或更优选地，在10到20[×10-6/℃]范围内。
利用表1中的材料组的参照码，满足以上所述关系的优选组合是：B和A；C1和A和/或B；C2和A和/或B；D1和从A、B、C2和C3构成的组中选取的至少一个；D2和从A、B、C2和C3构成的组中选取的至少一个；D3和从A、B、C2和C3构成的组中选取的至少一个；E和从A、B、C2、C3、D1、D2和D3构成的组中选取的至少一个，按照所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的次序列举。其中，特别优选的组合是：C1和A；C2和A；D1和B；D2和B；D3和B；以及E和C2和/或C3，所有这些都是按照所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的次序列举。
在本发明中，在树脂材料的情况下，在20℃到120℃的温度范围内根据JIS K7197中定义的热力学分析(TMA)方法计算所述线性膨胀系数。同时，当层压膜构件的核心由金属材料制成时，也可根据JIS K7197中定义的TMA方法计算所述金属材料的线性膨胀系数。通过使用热力学分析仪(TMA-60/60H，由Shimadzu公司制造)对所述线性膨胀系数进行测量。
当所述电池放置在高温环境中时，所述第一封壳构件和所述第二封壳构件都开始膨胀。在此，由于所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2，所以在所述外部封壳中产生内应力。然后，压应力作用在所述第一封壳构件上，同时拉应力作用在所述第二封壳构件上。因此，所述第一封壳构件变形成朝向所述电池外侧(正Z方向)的凸形，如图1中的阴影线所示。然后，随着所述电池内部的体积(所述封壳的体积容量)增加，对所述电池元件的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)减小。层叠压力的降低增加了所述电池的内电阻，或中断导电通路。因此，电流被切断，这样抑制了进一步温升。该结构防止活性材料因温升而损坏，因此，此结构的电池具有优良的耐久性。同时，当所述电池的温度恢复正常时，所述外部封壳从朝向所述电池外侧的凸变形情况恢复，并重新具有正常轮廓。因此，保持了正常温度范围内所述电池的输出特性。
换句话说，具有以上所述结构的锂-离子二次电池在温度波动大的环境中具有优良的耐久性，因此适合于应用到例如汽车的车辆。
在所述第一实施例中，假设所述第一封壳构件的的平均厚度是d1，其杨氏模量是s1，所述第二封壳构件的平均厚度是d2，其杨氏模量是s2，优选这些参数满足d1×s1＜d2×s2表示的关系。如果满足此关系，当所述第一封壳构件开始膨胀时，所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件膨胀。因此，更大地发挥了所述第一封壳构件变形成朝向所述电池外侧凸出的本发明的效果。在此，所述平均厚度表示在平行于所述Z轴的横截面上例如垂直于X方向或Y方向的横截面上，每一个封壳构件板厚的平均值。
在本发明中，根据JIS Z 2280中定义的横向共振方法，使用包含与所使用的材料相同的成份且尺寸为40[mm]×50[mm]×1[mm]的试验金属件在298[k]下的测量结果计算所述杨氏模量。
虽然没有特别限定每一个所述封壳构件的杨氏模量，但是一般把所述模量设置在20到25[GPa]范围内。同时，一般每一个所述封壳构件的平均厚度设置在100到200[μm]范围内。
顺便提及，虽然在图1中把上封壳构件定义的第一封壳构件，但是也可把下封壳构件定义为所述第一封壳构件。即，只要各封壳构件具有相互不同的线性膨胀系数，那么所述第一实施例涵盖所述电池的所有结构。
同时，在所述第一实施例的修改示例中，可把所述锂-离子二次电池形成为所谓的双极电池，在该双极电池中各层叠式电极体串联连接。该双极电池的例子示于图2中。在图2所示第一实施例的锂-离子二次电池10的情况下，配置成实现充电和放电反应的电池元件21包括多个层叠式电极体22和多个电流收集器16。层叠式电极体22在层叠方向上彼此堆叠。电流收集器16分别插在层叠式电极体22之间。每一个层叠式电极体22包括隔件15、第一电极(正电极活性材料层13)和第二电极(负电极活性材料层14)，其中所述第一电极和第二电极在所述层叠方向上分别布置在隔件15两个表面上。各个层叠式电极体22堆叠成使每一个层叠式电极体22的正电极活性材料层13或负电极活性材料层14面向在所述层叠方向上与其邻近的层叠式电极体22的负电极活性材料层14或正电极活性材料层13。电流收集器16插在所述层叠方向上彼此邻近的层叠式电极体22的正电极活性材料层和负电极活性材料层之间。电流收集器16的两个表面与相应的活性材料层建立表面接触。电流收集器16a布置成与位于电池元件21最上层的正电极活性材料层13建立表面接触。电流收集器16b布置成与位于电池元件21最下层的负电极活性材料层14建立表面接触。绝缘密封构件31设置在层叠式电极体22周围、各个电流收集器16、16a和16b之间。隔件15保持电解质。
正电极最外层电流收集器16a电连接到位于Y方向一端的正电极端子23。负电极最外层电流收集器16b电连接到位于Y方向另一端的负电极端子24。正电极端子23和负电极端子24从所述外部封壳的Y方向的两个边延伸到所述电池外侧。
图3是表示根据所述第一实施例的另一修改例的锂-离子二次电池的横截面图。此例中的电池元件与图1所示相同，在此省略了对它的描述。
在示于图3中的锂-离子二次电池中，附加边缘EX1和EX2形成在所述第一实施例的第二封壳构件26的一部分上。在此所述的“附加边缘”表示所述封壳构件的区域，它在向内或向外方向上弯曲。一旦在垂直于Z轴方向，即例如在X方向或Y方向施加拉力或压力，所述附加边缘比所述封壳构件的其他区域更容易变形。更精确地说，假定一种情况，即所述电池的温度升高且由于所述两个封壳构件之间线性膨胀系数存在差异，所以压力作用在第一封壳构件25上而拉力作用在第二封壳构件26上，第二封壳构件26各个附加边缘EX1和EX2的端点(EX1a和EX1b或EX2a和EX2b)之间的距离L1和L2比其他区域两个端点之间的距离(例如，距离L3)增长更多，并且在第一封壳构件25变形成朝向所述电池外侧的凸形之前，所述附加边缘EX1和EX2就开始变形。确切地说，所述附加边缘被施加的拉力延伸，其中所述拉力的绝对值比第一封壳构件25变形成凸形所需压力的绝对值小。
优选设置所述附加边缘，以使温度升高时因所述封壳构件膨胀所导致的所述电池内侧体积容量整体变化最小。更精确地说，优选为每一个电池提供向内弯曲的区域EX1和向外弯曲的区域EX2的组合，如图3所示。
当所述第二封壳构件设置有所述附加边缘时，优选为所述封壳构件使用具有弹性的材料。该材料可以是一种层压材料，所述层压材料通过使用金属化合物作为核心材料并在外侧涂覆电绝缘层而形成，其中所述金属化合物为：因瓦合金；埃林瓦尔合金；科伐合金；纯钛、或α和β钛合金；铜合金如磷青铜、铍铜，或白铜；不锈钢如以SUS316为代表的奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢；镍合金如Inconel(注册商标)、Incoloy(注册商标)，或Hastelloy(注册商标)；和镁合金如AZ31或AZ91。
在包括设置有如上所述的附加边缘的第二封壳构件的电池中，在所述电池温升的情况下，第二封壳构件膨胀直到预定温度，且在所述第一封壳构件开始变形成所述凸形之前，第二封壳构件附加边缘延伸。在此期间内，所述第一封壳构件没有变形成凸形，而只是自由膨胀。因此，所述电池内部体积(所述外部封壳的体积容量)没有改变，而且对所述电池元件的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)也没有改变。因此，保持了所述电池正常操作范围内的特性。随着所述附加边缘完全延伸，然后所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件的自由膨胀。因此，所述第一封壳构件变形成所述凸形。
借助冷压形成弯曲区域，容易获得所述附加边缘。然而，获得所述附加边缘的方法不只限于前述。
图4是表示根据第二实施例的锂-离子二次电池的轮廓的横截面视图。现在将参照图4描述此实施例。该实施例的锂-离子二次电池包括第一电池元件41、第二电池元件42和第三构件43。第一电池元件41和第二电池元件42共同地用作电池元件，配置成实现充电和放电反应。所述第三构件夹在第一电池元件41和第二电池元件42之间。同时，所述锂-离子二次电池包括第一封壳构件25和第二封壳构件26。第一封壳构件25位于第一电池元件41接触或抵靠第三构件43的侧部的相对侧，以覆盖所述第一电池元件。第二封壳构件26位于第一电池元件42接触或抵靠第三构件43的侧部的相对侧，以覆盖所述第二电池元件。第三构件43在其外周边部分连接到第一封壳构件25和第二封壳构件26。
同时，第一正电极端子44电连接到第二正电极端子45，第一负电极端子46也电连接到第二负电极端子47。在图4中，同极性的端子在相同方向引出并彼此连接。反之，也可以使这些端子不连接，而当形成电池组时把这些端子夹紧在一起。可替代的是，也可在相同方向从所述第一和第二电池元件引出极性相反的端子(如在Y方向上从一端引出第一正电极端子44和第二负电极端子47和在Y方向上从另一端引出第二正电极端子45和第一负电极端子46)。在此情况下，通过连接其中一个端部的端子能获得双倍电压的电池。
所述第一电池元件和所述第二电池元件可与图1和图2所示的第一实施例的电池元件相同。同时，所述第一电池元件和所述第二电池元件可具有相同的结构或相互不同的结构。
用于形成所述第三构件的材料没有特别限制，只要其最外部分具有电绝缘特性即可。所述第一封壳构件和所述第二封壳构件可使用相同的材料。
在该实施例中，所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1、所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2和所述第三构件的线性膨胀系数α3满足α1≥α3＞α2的关系。
一旦所述电池的温度升高，那么第一封壳构件、第二封壳构件和第三构件都开始膨胀。在此，所述第一封壳构件和所述第三构件的线性膨胀系数α1和α3分别大于所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2。因此，在所述外部封壳内产生内应力，并且压应力作用在所述第一封壳构件上，同时拉力作用在所述第二封壳构件上。
同时，在所述第二实施例中，假定所述第一封壳构件和所述第三构件的平均厚度是d1和d3，其杨氏模量分别是s1和s3，所述第二封壳构件的平均厚度是d2，其杨氏模量是s2，优选这些参数满足由(d1×s1+d3×s3)＜d2×s2表示的关系。如果满足此关系，则当所述第一封壳构件和所述第三构件开始膨胀时，所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件和所述第三构件的膨胀。因此，所述第一封壳构件变形成朝向所述电池外侧的凸形(在正Z方向上)，而所述第三构件变形成朝向所述第一封壳构件的凸形(在正Z方向上)。
当所述第一封壳构件和所述第三构件的线性膨胀系数满足α1＞α3＞α2的关系时，所述第一封壳构件的变形量大于所述第三构件的变形量，且所述所述第三构件的变形量大于第二封壳构件的变形量。因此，在所述第一封壳构件和第三构件之间布置有所述第一电池元件的空间的体积容量以及在所述第三构件和第二封壳构件之间布置有所述第二电池元件的空间的体积容量都增加了。由于所述外部封壳的体积(体积容量)的增加，所以所述第一和第二电池元件上的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)减小。这种层叠压力的减小增加了所述电池的内电阻，或中断了导电通道。因此，电流被切断，这样抑制了进一步温升。该结构防止活性材料由于温升而损坏，因此，此结构的电池具有优良的耐久性。同时，当所述电池的温度恢复到正常时，所述外部封壳从朝向所述电池外侧的凸变形状态恢复，重新具有正常外形。因此，保持了所述电池在正常温度范围内的输出特性。
同时，与只使用所述封壳构件的电池相比，布置所述第三构件改进了所述电池的机械强度。而且，通过使用包括金属作为核心材料的层压材料作为第三构件也可抑制冷却性能的降低。而且，在双极二次电池的情况下，通过使用第三构件把两个电池结合成一整体。通常需要四个封壳构件串联两个电池，然而该实施例只需要三个构件。因此，降低了所述电池的尺寸和成本。
图5表示所述第二实施例的修改例。在图5所示的锂-离子二次电池中，附加边缘EX1和EX2形成在所述第二实施例的第二封壳构件的一部分上。通过在线性膨胀系数最小的第二封壳构件上形成所述附加边缘，在所述电池温升的情况下，所述附加边缘在所述第一封壳构件和第三构件开始变形成凸形之前延伸，直到预定温度。在此期间，所述第一封壳构件和第三构件不变形成所述凸形，而只是自由膨胀。因此，不但所述电池的内部体积(所述外部封壳的体积容量)没有改变，而且对所述电池元件的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)也没有改变。因此，保持了所述电池在正常操作范围内的特性。当所述附加边缘完全延伸时，然后所述第二封壳构件起作用以阻挡所述第一封壳构件和所述第三构件的自由膨胀。因此，所述第一封壳构件变形成朝向外侧的凸形，同时所述第三构件变形成朝向所述第一封壳构件的凸形。在此，所述电池元件和示于图4中的那些电池元件相同，在此将省略了对其的描述。可在此设置类似于图3的例子中描述的附加边缘。
本发明的第三实施例提供了所述第二实施例的锂-离子二次电池，其中所述第一封壳构件的线性膨胀系数α1、所述第二封壳构件的线性膨胀系数α2和所述第三构件的线性膨胀系数α3满足α1≥α2＞α3的关系。该实施例的锂-离子二次电池的其他特征与所述第二实施例的锂-离子二次电池相同。在所述第三实施例中，一旦所述电池的温度升高，那么第一封壳构件、第二封壳构件和第三构件都开始膨胀。在此，所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的线性膨胀系数α1和α2分别大于所述第三构件的线性膨胀系数α3。因此，在所述外部封壳内产生内应力，并且压应力作用在所述第一封壳构件和第二封壳构件上，同时拉力作用在所述第三构件上。为此，所述第一封壳构件和第二封壳构件变形成朝向所述电池外侧的凸形。由于此凸变形，增加了所述电池的内部体积(所述外部封壳的体积容量)，减小了所述电池元件上的层叠压力(所述层叠式电极体上的表面压力)。这种层叠压力的减小增加了所述电池的内电阻，或中断了导电通道。因此，电流被切断，这样抑制了进一步温升。该结构防止活性材料由于温升而损坏，因此，此结构的电池具有优良的耐久性。同时，当所述电池的温度恢复到正常时，所述外部封壳从朝向所述电池外侧的凸变形状态恢复，重新具有正常轮廓。因此，保持了所述电池在正常温度范围内的输出特性。
同时，在所述第三实施例中，假定所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的平均厚度是d1和d2，其杨氏模量分别是s1和s2，所述第三构件的平均厚度是d3，其杨氏模量是s3，优选这些参数满足由(d1×s1+d2×s2)＜d3×s3表示的关系。如果满足此关系，当所述第一封壳构件和所述第二封壳构件开始膨胀时，所述第三构件起作用以阻挡所述第一封壳构件和所述第二封壳构件的膨胀。因此，更大地发挥了所述第一封壳构件和第二封壳构件变形成朝向所述电池外侧的凸形的本发明的效果。
图6是表示所述第三实施例的修改例。在图6中所示的锂-离子二次电池中，所述附加边缘EX1和EX2形成在所述第三实施例的第三构件的一部分上。在此，电池元件与示于图4中的那些电池元件相同，在此将省略了对其的描述。可在此设置类似于图3的例子中描述的附加边缘。
根据本发明的第四实施例的锂-离子二次电池提供了所述第二实施例和第三实施例中任何一个实施例的锂-离子二次电池，其中所述第三构件从所述第一和第二封壳构件向外突起。图7表示所述第四实施例的示意性的横截面图。如图7所示，例如，所述第三构件43在所述电池的Y方向两端从所述第一封壳构件25和第二封壳构件26的外周边部分向外突起。所述第三构件的突起部43a有效辐射出所述电池内部产生的热。因此，可以改善所述电池的冷却效果，以抑制所述电池内部的温升，因此防止了该电池损坏。
图8表示从所述电池的层叠方向看到的第四实施例的优选例的前视图。在图8的锂-离子二次电池中，所述第三构件43形成使其周边部分从第一封壳构件25和第二封壳构件26(未示出)的每一个连接点向外(在正、负X方向和正、负Y方向)突起。而且，所述突起部43a设置有多个肋片43b。通过为所述第三构件43的突起部43a设置肋片43b，由接触所述肋片的气流有效带走所述电池内部产生的热。这样，改进了所述散热效果。
所述肋片的形状没有特别限制，只要所述肋片能发挥所述散热效果。然而，认为图示在图9和图10的肋片形状或图示在图12和图13的肋片形状是具体的例子。图9是部分地表示设置有多个肋片的第三构件的前视图。图10是在图9中箭头X的方向上看到的第三构件侧视图。如图11所示，通过在第三构件43中制作L形的切口并从所述第三构件的突起部43a两个表面交替地升高三角形肋片，具体地说，沿图中的点划线谷折和沿虚线山折形成图9中的肋片。同时，图12是部分地表示设置有另一形状的肋片的第三构件前视图。图13是在图12中箭头XIII方向上看到的第三构件侧视图。如图14所示，通过在第三构件43的突起部43a中制作多个直切口和围绕平行于X方向的轴线扭弯如此分别获得的肋条而形成图12中的肋片。
在该实施例中，通过给所述第三构件的突起部43a设置多个肋片改进了散热效果。然而，本发明不只限于这些结构。作为获得散热效果的另一一种方法，也可以通过把所述第三构件连接和固定到散热片来辐射热量。
在以上所述的实施例中，所述第三构件被固定和连接到所述第一和第二封壳构件两者的整个外周边部分。这些实施例在耐久性和散热效果方面是优选的。然而，在本发明中，所述第三构件部分地固定和连接到所述第一和第二封壳构件的外周边部分(第五实施例)。如图15(前视图)所示，在所述第五实施例中，第三构件43固定和连接到所述第一和第二封壳构件的外周边部分、在电极端子23和24不从该封壳构件延伸的侧部(图中X方向两端)上。该结构允许设置所述第三构件及其突起部43a而不用修改所述端子的结构。因此，该实施例在生产率方面是优选的。图16是沿着图15中XVI-XVI线的横截面图。
在以上所描述的所有实施例中，在高温条件下把所述外部封壳主动变形成朝向所述电池外侧的凸形促进了所述电池内部电解质部分蒸发。因此，实现了电流切断效果。当所述电池的温度进一步升高时，通过电流切断效果抑制了发热。随后，所述外部封壳朝向所述电池外侧的凸变形减小，所述电解质再次液化，因此所述电池恢复正常。
同时，在因误用导致所述电池内部生成过量热的情况下，例如，所述电池可发生内部破裂。因此，当朝向所述电池外侧的凸变形量超过一定值时，可把变形特征从弹性方式改变为塑性方式的材料用于所述外部封壳。至于这种材料，可使用例如含网格薄层(mesh thin layer)的外部封壳。然而，本发明并不只限于该结构。
第六实施例提供了一种组装电池，该组装的电池是通过并联和/或串联多个根据第一到第五实施例中任何一个实施例的锂-离子二次电池而形成的。
连接多个非水电解质二次电池的连接方法没有特别的限制，可酌情使用任何众所周知的方法。例如，可使用诸如超声焊接或点焊的焊接方法以及使用铆钉或压紧(caulking)的固定方法。通过这些连接方法可提高所述组装电池的长期可靠性。
根据该实施例的组装电池，通过使用根据所述第一到第五实施例的任何一个实施例的所述锂-离子二次电池形成组装电池，可以提供确保容量特性足够且能在高输出条件下发挥足够输出的组装电池。
第七实施例提供了一种车辆，通过安装根据所述第一和第五实施例的任何电池或安装根据第六实施例的组装电池作为马达驱动的电源。这种把所述锂-离子二次电池或所述组装电池用作马达驱动电源的车辆可以是配置成用马达驱动车轮的汽车，这种汽车包括例如不用汽油的完全电动车辆、混合车辆诸如串联混合车辆或并联混合车辆、或燃料电池车。由于根据第一至第五实施例的锂-离子二次电池和根据第六实施例的组装电池具有优良的高温耐久性，所以所述电池甚至可以布置在频繁产生高温的组件附近的位置。在这方面，根据安装兼容性，优选把本发明的锂-离子二次电池或组装电池应用到这种车辆。图17是装有本发明的组装电池100的汽车200的示意图，用作参考。装在所述汽车200上的组装电池100具有如上所述的特性。因此，装有组装电池100的汽车200具有优良的输出特性并能在高输出条件下提供足够的输出。
在此所述的优选实施例是为了说明而不是限制，在不背离本发明的精髓或根本特征的情况下可以以其他方法实施本发明。由权利要求书指示的本发明的范围以及权利要求书含义范围内的所有变动包括在其中。
本公开涉及2007年3月8日提交的日本专利申请No.2007-058287的主题，其公开内容全部以引用方式明确包括于此。