圆柱形电池和用于制造圆柱形电池的方法与流程

1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年1月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0004258号的权益，该韩国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文中。
3.本公开内容涉及圆柱形电池及圆柱形电池的制造方法。
4.技术领域
5.随着由于化石燃料的枯竭而导致能源价格上涨并且环境污染日益受到关注，对于对环境友好的替选能量源的需求成为未来生活的重要因素。因此，正在进行对用于产生各种电力例如核能、太阳能、风能和潮汐能的技术的研究，并且用于更高效地使用所产生的能量的电力存储设备也在引起广泛关注。
6.此外，随着移动装置技术的继续发展以及对这样的移动装置的需求继续增加，对作为能量源的电池的需求正在迅速增加。因此，已经对能够满足各种需要的电池进行了许多研究。特别地，在用于电池的材料方面，对锂二次电池比如锂离子电池和锂离子聚合物电池的需求非常高，锂二次电池具有诸如高能量密度、放电电压和输出稳定性的优点。
7.二次电池可以基于电极组件的结构进行分类，电极组件具有如下结构：在该结构中，正电极和负电极以分隔件被置于正电极与负电极之间的状态堆叠。例如，电极组件可以被配置成具有：卷筒(卷绕)型结构，在该结构中，长片型正电极和长片型负电极被卷绕，其中分隔件置于正电极与负电极之间；或者堆叠(层压)型结构，在该结构中，切割成预定单位尺寸的多个正电极和负电极顺序地堆叠，其中分隔件置于正电极与负电极之间。近年来，为了解决由卷筒型电极组件和堆叠型电极组件引起的问题，已经开发了作为卷筒型电极组件和堆叠型电极组件的组合的堆叠/折叠型电极组件，堆叠/折叠型电极组件具有以下改进的结构：在该结构中，预定数目的正电极和负电极在正电极与负电极之间分别设置有分隔件的状态下顺序地堆叠以构成单元电池，在此之后，多个单元电池在已被放置在分隔膜上的状态下顺序地折叠。
8.这些电极组件根据使用的目的安装在袋状壳体、圆柱形罐、棱柱形壳体等中以生产电池。
9.其中，圆柱形电池具有易于制造和单位重量能量密度高的优点，因此圆柱形电池被用作用于从便携式计算机到电动车辆范围的各种设备的能量源。
10.图1是示出常规的圆柱形电池的示意图。
11.参照图1，通过将卷筒型电极组件120容纳在圆柱形壳体130中，将电解质溶液注入圆柱形壳体130中，并且将顶盖140耦接至圆柱形壳体130的开口的上端部来制造圆柱形电池100。
12.卷筒型电极组件120具有以下结构：在该结构中，正电极121、分隔件122和负电极123按顺序堆叠以被卷绕成圆形，并且圆柱形中心销150插入至电极组件120的中央部分中作为其心轴。中心销150用于固定和支承电极组件120，并且还用作用于在充电/放电和操作时排放由内部反应产生的气体的通道。然而，根据圆柱形电池100的规格，可以不使用中心
销150。
13.在圆柱形电池100的充电/放电过程中，电极组件120的电极被反复地膨胀和收缩。因此，发生其中电极组件120被扭曲的结构变形。特别地，变形在电极组件120的应力集中的中央部分发生得更严重。
14.另外，圆柱形电池100在充电/放电过程中在圆柱形电池100的内部产生高热能。然而，常规的圆柱形电池100不具有能够迅速地排放热能的系统。特别地，近来，对能够高容量和高输出的圆柱形电池的需求正在增加。因此，当使用具有高负载的活性材料的电极时，存在可能发生失控的问题。


技术实现要素：

15.技术问题
16.本公开内容的目的是提供能够防止电极组件的变形和失控的圆柱形电池以及用于制造该圆柱形电池的方法。
17.然而，本公开内容的实施方式的目的不限于上述目的，并且可以在包括在本公开内容中的技术构思的范围内进行各种扩展。
18.技术方案
19.根据本公开内容的一个实施方式，可以提供一种圆柱形电池，该圆柱形电池包括电极组件和位于电极组件的上部上的顶盖组件，其中，顶盖组件通过绝缘体彼此电分离。
20.顶盖组件可以包括第一顶盖组件和第二顶盖组件，第一顶盖组件可以包括第一顶盖、第一电流中断装置和第一气体存储单元，并且第二顶盖组件可以包括第二顶盖、第二电流中断装置和第二气体存储单元。
21.绝缘体可以包括上绝缘体和下绝缘体。
22.上绝缘体可以具有“π”形截面形状。
23.上绝缘体可以以围绕下绝缘体的中间部分的结构耦接。
24.下绝缘体可以位于第一电流中断装置与第二电流中断装置之间，并且可以使第一电流中断装置和第二电流中断装置电绝缘。
25.上绝缘体可以附接至第一电流中断装置和第二电流中断装置。
26.即使操作第一电流中断装置和第二电流中断装置中的任何一个，上绝缘体也可以向上移动并且向外部突出。
27.当操作第一电流中断装置或第二电流中断装置时，电极组件中产生的气体可以被收集在第一气体存储单元和第二气体存储单元中。
28.当上绝缘体由于收集在第一气体存储单元和第二气体存储单元中的气体的压力而向上移动至高度l1或更高时，收集在第一气体存储单元和第二气体存储单元中的气体可以被排放至外部。
29.绝缘体可以包括第一绝缘体、第二绝缘体和下绝缘体。
30.第一绝缘体和第二绝缘体可以被构造成彼此分离。
31.第一绝缘体附接至第一电流中断装置，并且当操作第一电流中断装置时，第一绝缘体可以向上移动并突出。
32.第二绝缘体附接至第二电流中断装置，并且当操作第二电流中断装置时，第二绝
a'截取的顶盖组件的示意性截面图。图4是示出图3中的上绝缘体向上突出的状态的示意图。图5是示出图2的绝缘体的示意图。
52.参照图2至图5，圆柱形电池200可以是其中卷筒型电极组件220被插入至电池壳体(未示出)中的结构。正电极接线片230可以形成在电极组件220的上部中以电连接至顶盖组件210。负电极接线片240可以形成在电极组件220的下部中以电连接至电池壳体。正电极接线片230可以包括第一正电极接线片231和第二正电极接线片232。负电极接线片240可以包括第一负电极接线片241和第二负电极接线片242。
53.顶盖组件210可以包括第一顶盖组件211和第二顶盖组件212。第一顶盖组件211和第二顶盖组件212可以通过绝缘体250电分离。第一顶盖组件211和第二顶盖组件212可以被构造成相对于绝缘体250相互对称。
54.第一正电极接线片231可以电连接至第二顶盖组件212。第二正电极接线片232可以电连接至第一顶盖组件211。
55.绝缘体250可以形成为沿顶盖组件210的长度和宽度方向延伸同时穿过顶盖组件210的中央部分的结构。绝缘体250可以包括上绝缘体250-1和下绝缘体250-2。
56.第一顶盖组件211可以包括第一顶盖211-1、第一电流中断装置211-2、第一气体存储单元211-3和垫圈211-4。第一顶盖211-1可以以被暴露于外部的形式形成正电极端子。第一电流中断装置211-2可以形成在上绝缘体250-1的下部。
57.第二顶盖组件212包括第二顶盖212-1、第二电流中断装置212-2、第二气体存储单元212-3和第二垫圈212-4。第二顶盖212-1可以以被暴露于圆柱形电池200外部的形式形成正电极端子。第二电流中断装置212-2可以形成在上绝缘体250-1的下部。
58.上绝缘体250-1可以被构造成附接至第一电流中断装置211-2和第二电流中断装置212-2。因此，即使操作第一电流中断装置211-2和第二电流中断装置212-2中的任何一个，上绝缘体250-1也可以向上移动并且向外部突出。
59.例如，当操作第一电流中断装置211-2时，上绝缘体250-1向上移动，并且附接至上绝缘体250-1的第二电流中断装置212-2也可以一起向上移动。另外，当操作第二电流中断装置212-2时，上绝缘体250-1向上移动，并且附接至上绝缘体250-1的第一电流中断装置211-2也可以一起向上移动。
60.此外，当上绝缘体250-1向上移动并且向外部突出时，操作者可以在视觉上确认上绝缘体250-1的突出程度。并且，可以通过上绝缘体250-1的突出程度来掌握内部气体的产生程度。
61.上绝缘体250-1可以具有沿线a-a'切割的“π”形截面。上绝缘体250-1可以形成在沿下绝缘体250-2的长度方向y的中间部分处。上绝缘体250-1可以以围绕下绝缘体250-2的中间部分的结构耦接。
62.下绝缘体250-2可以位于第一电流中断装置211-2与第二电流中断装置212-2之间。第一电流中断装置211-2和第二电流中断装置212-2可以被构造成通过下绝缘体250-2彼此电绝缘。
63.当操作第一电流中断装置211-2或第二电流中断装置212-2时，电极组件220中产生的气体被收集在第一气体存储单元211-3和第二气体存储单元212-3中。并且，当上绝缘体250-1由于收集在第一气体存储单元211-3和第二气体存储单元212-3中的气体的压力而
向上移动至高度l1或更高时，收集在第一气体存储单元211-3和第二气体存储单元212-3中的气体可以被排放至外部。
64.第一气体存储单元211-3可以包括第一凹部211-3-1和第二凹部211-3-2。第一凹部211-3-1可以是通过朝向第一顶盖211-1凹陷而形成的空间。第二凹部211-3-2可以是通过朝向上绝缘体250-1凹陷而形成的空间。第一气体存储单元211-3可以形成在第一凹部211-3-1、第二凹部211-3-2与第一电流中断装置211-2之间。
65.当上绝缘体250-1向上移动至第一高度l1或更高时，收集在第一气体存储单元211-3中的气体可以被排放至外部，而第二凹部211-3-2暴露于外部。
66.可以基于第二凹部211-3-2的高度l3和宽度l2来确定通过其排放收集在第一气体存储单元211-3中的气体的路径的尺寸。特别地，当宽度l2更大时，气体排放路径可以形成为更大。
67.第一接触部211-5可以是第一顶盖211-1与第一电流中断装置211-2之间的接触部。当第一电流中断装置211-2向上移动时，第一接触部211-5被打开，并且内部气体可以被收集在第一气体存储单元211-3中。在此，第一接触部211-5被打开意指第一顶盖211-1和第一电流中断装置211-2分离。内部气体可以移动通过在第一顶盖211-1和第一电流中断装置211-2分离时产生的空间，从而被收集在第一气体存储单元211-3中。
68.第二顶盖组件212可以具有与第一顶盖组件211相同的结构。因此，将省略第二顶盖组件212的细节。
69.第二气体存储单元212-3可以具有与第一气体存储单元211-3相同的结构。另外，第二气体存储单元212-3可以以与第一气体存储单元211-3相同的方式收集和排放气体。因此，将省略第二气体存储单元212-3的细节。
70.第一气体存储单元211-3和第二气体存储单元212-3可以包含灭火气体。灭火气体可以是二氧化碳或氮气。灭火气体可以防止由由于圆柱形电池200的异常操作而可能发生的失控引起的火灾。
71.图6是示出根据本公开内容的另一实施方式的顶盖组件的示意性截面图。
72.参照图6，顶盖组件310可以包括第一顶盖组件311和第二顶盖组件312。第一顶盖组件311和第二顶盖组件312可以通过绝缘体350电分离。第一顶盖组件311和第二顶盖组件312可以被构造成相对于绝缘体350相互对称。
73.绝缘体350可以形成为沿顶盖组件310的长度和宽度方向延伸同时穿过顶盖组件310的中央部分的结构。绝缘体350可以包括第一绝缘体350-1、第二绝缘体350-2和下绝缘体350-3。
74.第一顶盖组件311可以包括第一顶盖311-1、第一电流中断装置311-2、第一气体存储单元311-3和垫圈311-4。第一顶盖311-1可以以被暴露于外部的形式形成正电极端子。第一电流中断装置311-2可以形成在第一绝缘体350-1的下部。
75.第二顶盖组件312可以包括第二顶盖312-1、第二电流中断装置312-2、气体存储单元312-3和第二垫圈312-4。第二顶盖312-1可以以被暴露于外部的形式形成正电极端子。第二电流中断装置312-2可以形成在第二绝缘体350-2的下部。
76.第一绝缘体350-1可以被构造成附接至第一电流中断装置311-2。因此，当操作第一电流中断装置311-2时，第一绝缘体350-1可以向上移动并突出。
77.第二绝缘体350-2可以被构造成附接至第二电流中断装置312-2。因此，当操作第二电流中断装置312-2时，第二绝缘体350-2可以向上移动并突出。
78.第一绝缘体350-1和第二绝缘体350-2可以被构造成彼此分离。因此，第一绝缘体350-1和第二绝缘体350-2可以被分离并操作。
79.第一电流中断装置311-2和第二电流中断装置312-2可以被构造成通过下绝缘体350-3电分离。另外，第一电流中断装置311-2和第二电流中断装置312-2不影响相互操作。
80.当操作第一电流中断装置311-2时，内部气体可以被收集在第一气体存储单元311-3中。并且，当第一绝缘体350-1由于收集在第一气体存储单元311-3中的气体压力而向上移动至高度s1或更高时，收集在第一气体存储单元311-3中的气体可以被排放至外部。
81.第一气体存储单元311-3可以包括第一凹部311-3-1和第二凹部311-3-2。第一凹部311-3-1可以是通过朝向第一顶盖311-1凹陷而形成的空间。第二凹部311-3-2可以是通过朝向第一绝缘体350-1凹陷而形成的空间。第一气体存储单元311-3可以形成在第一凹部311-3-1、第二凹部311-3-2与第一电流中断装置311-2之间。
82.当第一绝缘体350-1向上移动至高度s1或更高时，第二凹部311-3-2暴露于外部，并且收集在第一气体存储单元311-3中的气体可以被排放至外部。
83.可以基于第二凹部311-3-2的高度s3和宽度s2来确定通过其排放收集在第一气体存储单元311-3中的气体的路径的尺寸。特别地，当宽度l2更大时，气体排放路径可以形成为更大。
84.第一接触部311-5可以是第一顶盖311-1与第一电流中断装置311-2之间的接触部。当第一电流中断装置311-2向上移动时，第一接触部311-5被打开并且所排放的气体可以收集在第一气体存储单元311-3中。在此，第一接触部511-5被打开意指第一顶盖311-1和第一电流中断装置311-2分离。内部气体可以移动通过在第一顶盖311-1和第一电流中断装置311-2分离时产生的空间，从而被收集在第一气体存储单元311-3中。
85.第二顶盖组件312可以具有与第一顶盖组件311相同的结构。因此，将省略第二顶盖组件312的细节。
86.第二气体存储单元312-3可以具有与第一气体存储单元311-3相同的结构。另外，第二气体存储单元312-3可以以与第一气体存储单元311-3相同的方式收集和排放气体。因此，将省略第二气体存储单元312-3的细节。
87.第一气体存储单元311-3和第二气体存储单元312-3可以包含灭火气体。灭火气体可以是二氧化碳或氮气。灭火气体可以防止由由于圆柱形电池的异常操作而可能发生的失控引起的火灾。
88.当第一绝缘体350-1和第二绝缘体350-2向上移动并且向外部突出时，操作者可以在视觉上确认第一绝缘体350-1和第二绝缘体350-2的突出程度。另外，可以通过第一绝缘体350-1和第二绝缘体350-2的突出程度来掌握内部气体的产生程度。
89.图7是示出根据本公开内容的另一实施方式的顶盖组件的示意性截面图。
90.参照图7，顶盖组件410可以包括第一顶盖组件411和第二顶盖组件412。第一顶盖组件411和第二顶盖组件412可以通过绝缘体450电分离。
91.绝缘体450可以形成为沿顶盖组件410的长度和宽度方向延伸同时穿过顶盖组件410的中央部分的结构。绝缘体450可以包括上绝缘体450-1和下绝缘体450-2。
92.第一顶盖组件411可以包括第一顶盖411-1、第一电流中断装置411-2、第一气体存储单元411-3和垫圈411-4。第一顶盖411-1可以以被暴露于外部的形式形成正电极端子。第一电流中断装置411-2可以形成在上绝缘体450-1的下部。
93.第二顶盖组件412可以包括第二顶盖412-1、第二电流中断装置412-2、气体存储单元412-3和第二垫圈412-4。第二顶盖412-1可以以被暴露于外部的形式形成正电极端子。第二电流中断装置412-2可以形成在上绝缘体450-1的下部。
94.上绝缘体450-1可以被构造成附接至第一电流中断装置411-2和第二电流中断装置412-2。因此，即使操作第一电流中断装置411-2和第二电流中断装置412-2中的任何一个，上绝缘体450-1也可以向上移动并突出。例如，当操作第一电流中断装置411-2时，上绝缘体450-1向上移动并且附接至上绝缘体450-1的第二电流中断装置412-2也可以一起向上移动。另外，当操作第二电流中断装置412-2时，上绝缘体450-1向上移动，并且附接至上绝缘体450-1的第一电流中断装置411-2也可以一起向上移动。
95.当上绝缘体450-1向上移动并且向外部突出时，操作者可以在视觉上确认上绝缘体450-1的突出程度。此外，可以通过上绝缘体450-1的突出程度来掌握内部气体的产生程度。
96.当操作第一电流中断装置411-2或第二电流中断装置412-2时，内部气体可以被收集在第一气体存储单元411-3和第二气体存储单元412-3中。然而，与上述实施方式相反，根据该实施方式，即使上绝缘体450-1通过收集在第一气体存储单元411-3和第二气体存储单元412-3中的气体压力而向上移动至第二高度m1或更高，收集在第一气体存储单元411-3和第二气体存储单元412-3中的气体也不会被排放至外部。然而，当由于来自外部的加热等而产生过多的气体并且电流中断装置411-2和412-2超过第二高度m1时，上绝缘体450-1和电流中断装置411-2和412-2被一起排放至外部，并且内部气体可以被排放至外部。
97.第一气体存储单元411-3可以是通过朝向第一顶盖411-1凹陷而形成的空间。第一气体存储单元411-3可以形成在第一顶盖411-1、上绝缘体450-1与第一电流中断装置411-2之间。
98.第一接触部411-5可以是第一顶盖411-1与第一电流中断装置411-2之间的接触部。当第一电流中断装置411-2向上移动时，第一接触部411-5被打开并且内部气体可以被收集在第一气体存储单元411-3中。在此，第一接触部411-5被打开意指第一顶盖411-1和第一电流中断装置411-2分离。内部气体可以移动通过在第一顶盖411-1和第一电流中断装置411-2分离时产生的空间，从而被收集在第一气体存储单元411-3中。
99.第二顶盖组件412可以具有与第一顶盖组件411相同的结构。因此，将省略第二顶盖组件412的结构的细节。
100.第二气体存储单元412-3可以具有与第一气体存储单元411-3相同的结构。另外，第二气体存储单元412-3可以以与第一气体存储单元411-3相同的方式收集和排放气体。因此，将省略第二气体存储单元412-3的细节。
101.第一气体存储单元411-3和第二气体存储单元412-3可以包含灭火气体。灭火气体可以是二氧化碳或氮气。灭火气体可以防止由由于圆柱形电池的异常操作而可能发生的失控引起的火灾。
102.图8是示出根据本公开内容的实施方式制造图2中的电极组件的示意图。图9是示
出根据本公开内容的另一实施方式制造图2中的电极组件的示意图。
103.参照图2、图8和图9，电极组件220可以包括第一电极组件221和第二电极组件222。第一电极组件221可以位于第二电极组件222的中央部分。
104.第一电极组件221可以具有其中第一正电极221-1、第一分隔件221-2和第一负电极221-3被按一定顺序卷绕的结构。第一正电极接线片231可以形成在第一电极组件221的上部以电连接至第一顶盖组件211。第一负电极接线片241形成在第一电极组件221的下部以电连接至电池壳体。
105.第二电极组件222可以具有其中第二正电极222-1、第二分隔件222-2和第二负电极222-3被按一定顺序卷绕的结构。第二正电极接线片232形成在第二电极组件222的上部以电连接至第二顶盖组件212。第二负电极接线片242可以形成在第二电极组件222的下部以电连接至电池壳体。
106.在第一电极组件221中，第一负电极221-3可以包括负极活性材料。在第二电极组件222中，第二负电极222-3可以包括负极活性材料。相对于第二负电极222-3中的硅(si)的含量，第一负电极221-3中的硅的含量可以为25％至75％。相对于第二负电极222-3的负极活性材料的负载量，第一负电极221-3的负极活性材料的负载量可以为40％至70％。
107.使用这样的结构，可以在圆柱形电池200的充电/放电过程期间，防止电极组件220的结构由于第一负电极221-3和第二负电极222-3的体积膨胀和发热而变形。
108.可以通过各种方法来制造电极组件220。作为示例，可以通过分别卷绕第一电极组件221和第二电极组件222来制造电极组件，或者替选地，可以通过将第一电极组件221插入至第二电极组件222的中央部分260中来制造电极组件。可以通过卷绕第一正电极221-1、第一分隔件221-2和第一负电极221-3的堆叠来制造第一电极组件221。可以通过卷绕第二正电极222-1、第二分隔件222-2和第二负电极222-3的堆叠来制造第二电极组件222。此时，第二电极组件222可以使用等于中央部分260的直径d2的心轴(未示出)来卷绕第二电极组件222。另外，中央部分260的直径d2可以等于第一电极组件221的直径d1。
109.可以通过包括以下的过程来制造电极组件220：首先制造第一电极组件221，然后通过使用第一电极组件221作为心轴来卷绕第二负电极222-1、第二分隔件222-2和第二负电极222-3的堆叠。
110.根据本公开内容的实施方式的圆柱形电池包括在一个结构中电分离的电极组件和顶盖组件，使得可以使在充电/放电过程中发生的电极组件的变形最小化。特别地，可以防止应力集中在电极组件的中央部分。
111.另外，每个电极组件可以由电分离的顶盖组件来控制，从而提供能够快速排放内部产生的热能的系统。
112.基于以上公开内容，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开内容的范围的情况下可以进行各种应用和修改。
113.附图标记的描述
114.210,310,410：顶盖组件
115.211-1,311-1,411-1：第一顶盖
116.212-1,312-1,412-1：第二顶盖
117.211-2,311-2,411-2：第一电流中断装置
118.212-2,312-2,412-2：第二电流中断装置
119.250,350,450：绝缘体