电池电芯制造方法和电池电芯制造设备与流程

1.本说明书要求于2021年3月31日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2021-0042363的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容以引用方式并入本文中。
2.本发明涉及电池电芯制造方法和电池电芯制造设备。


背景技术：

3.根据产品种类容易应用并具有诸如高能量密度这样的电特性的二次电池通常除了应用于便携式装置之外还应用于由电驱动源驱动的电动车辆(ev)和混合电动车辆(hev)。
4.因为二次电池不仅具有急剧减少化石燃料使用的主要优点，而且具有不因使用能量而产生副产物的优点，所以二次电池作为用于提高生态友好性和能量效率的新能源正引起关注。
5.目前广泛使用的二次电池的类型包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等。单元二次电池电芯的操作电压为约2.5v至4.5v。因此，当需要较高的输出电压时，将多个电池电芯串联连接以形成电池组。另外，根据电池组所需的充电/放电容量，将多个电池电芯并联连接以形成电池组。因此，电池组中所包括的电池电芯的数量和电连接的类型可以根据所需的输出电压和/或充电/放电容量而不同地设置。
6.另一方面，作为二次电池电芯的类型，已知圆柱形、棱柱形和袋型电池电芯。电池电芯可以是圆柱形电池电芯。在电池电芯中，作为绝缘体的隔膜插置在正极和负极之间，正极、隔膜和负极被卷绕以形成啫喱卷形式的电极组件，并且电极组件与电解液一起被插入到电池罐中以形成电池。另外，条形电极接头可以连接到正极和负极中的每一个的未涂覆部分，并且电极接头将电极组件与外部暴露的电极端子电连接。作为参考，正极端子是密封电池罐的开口的密封体的盖板，并且负极端子是电池罐。
7.然而，根据具有以上结构的常规电池电芯，由于电流集中在联接到正极的未涂覆部分和/或负极的未涂覆部分的条状电极接头中，因此存在的问题是电阻高，产生大量热量，并且电流收集效率不好。
8.对于具有18650或21700形状因数的小型圆柱形电池电芯，电阻和热量不是大问题。然而，当增大形状因数以便将圆柱形电池电芯应用于电动车辆时，可能引起的问题是在快速充电过程期间，由于在电极接头周围产生大量热，因此圆柱形电池电芯着火。


技术实现要素：

9.技术问题
10.本发明将要提供减轻了诸如由于气体产生而导致的着火这样的安全问题的电池电芯制造方法和电池电芯制造设备。
11.技术方案
12.本发明的示例性实施方式提供了一种电池电芯制造方法，该电池电芯制造方法包
括以下操作：(a)将容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐放置在排气腔室内，或者将所述排气腔室联接到所述开口以便密封所述开口；(b)将所述排气腔室调节为惰性气氛(inert atmosphere)；以及(c)对所述电极组件执行预充电，并且通过所述排气腔室排放由于所述预充电而产生的废气。
13.本发明的示例性实施方式提供了一种电池电芯制造设备，该电池电芯制造设备包括：排气腔室，在所述排气腔室中设置有容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐或者所述排气腔室被联接以便密封所述开口。
14.有益效果
15.在电池电芯制造方法的情况下，由于在完成电池电芯的组装之后并且执行启用过程之前执行预充电，因此不执行排放在该过程中产生的气体的操作。
16.与21700圆柱形电芯相比，具有改进的容量和/或输出的电池电芯具有增加的尺寸，使得与现有情况相比，在充电期间产生的气体的量基于体积增加了大致2.5至3.5倍，结果，如果在预充电过程中没有一起进行气体排放，则电池电芯可能易受到安全的影响。为此原因，需要能够在充电期间排放气体的设施/过程。
17.根据本发明的一方面，通过将容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐设置在排气腔室内或者将排气腔室联接到开口以密封开口，可以通过开口和排气腔室排放在预充电期间产生的废气。因此，即使与现有情况相比，在具有改进的容量和/或输出的电池电芯的预充电期间产生的气体量显著增加，该处理也在预充电过程期间顺畅地排放气体的同时进行，由此解决了安全问题。
18.根据本发明的另一方面，通过在电池罐的一侧敞开的状态下执行预充电，产生比正常状态下更多的油蒸汽，并且由于作为着火点的充电引脚而有着火和爆炸的危险，使得通过将排气腔室控制为惰性气氛，或者优选地，通过注入氮气以降低氧气浓度从而不着火，可以将高温环境中的预充电期间的安全问题最小化。
19.根据本发明的另一方面，通过解决以上的气体排放问题，电池电芯的尺寸可以增加(这可以通过改进电池电芯的电极端子结构以增加电池罐中的空间效率来实现)，由此减小内阻并增加能量密度。
附图说明
20.附于本说明书的以下附图例示了本发明的示例性实施方式，并且与稍后将要描述的本发明的具体实施方式一起用于帮助进一步理解本发明的技术精神，使得本发明不应该被解释为仅限于附图中描述的内容。
21.图1是例示了在根据本发明的比较例的在电池电芯制造方法中在电池罐的开口被密封体密封的状态下执行预充电的情况的图。
22.图2是例示了在根据本发明的示例性实施方式的电池电芯制造方法中在负极端子和正极端子设置于电池罐的底表面并且在电池罐的开口敞开的状态下执行预充电并且排放废气的情况的图。
23.图3是例示了在根据本发明的示例性实施方式的电池电芯制造方法中在电池罐的开口敞开的状态下，负极端子设置于电池罐的底部并且正极端子设置于电极组件的面对底部的另一端部，并且执行预充电并且在电极组件的两个端部处排放废气的情况的图。
24.[对参考标号和符号的说明]
[0025]
1：组装完成的电芯
[0026]
2：一侧敞开的圆柱形电池罐
[0027]
3:开口
[0028]
4、4’：集流体板
[0029]
5：(+)充电引脚
[0030]
6：(-)充电引脚
[0031]
7：排气腔室
[0032]
8：注入部
[0033]
9：排放部
[0034]
10：电极端子
[0035]
11:主体部分
[0036]
12：外凸缘部分
[0037]
13：内凸缘部分
[0038]
14：平坦部分
[0039]
20：底部
[0040]
30：通孔
[0041]
40：衬垫(gasket)
[0042]
50、50’：未涂覆部分
[0043]
70：引线抽头
[0044]
100：电池电芯
具体实施方式
[0045]
在本说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应当被解释为被限制为一般或词汇的含义，并且基于发明人可以通过最佳方法适当地定义用于描述本发明的术语的概念的原则，术语或词语应当被解释为与本发明的技术精神对应的含义和概念。
[0046]
另外，当部分“包括”其它构成元件时，这意味着还可以包括其它构成元件，而没有排除其它构成元件，除非另有说明。
[0047]
另外，说明书中描述的术语
“‑
单元”、
“‑
装置”和“模块”意指用于处理至少一个功能和操作的单元。下文中，将参考附图来描述本发明的示例性实施方式。
[0048]
本发明的示例性实施方式提供了一种电池电芯制造方法，该电池电芯制造方法包括以下步骤：(a)将容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐设置在排气腔室内，或者将排气腔室联接到开口以密封开口；(b)将排气腔室调节为惰性气氛；以及(c)对电极组件执行预充电，并且通过排气腔室排放由于预充电而产生的废气。
[0049]
各操作的顺序不受描述顺序的限制。在示例中，可以在操作(a)之前执行操作(b)。
[0050]
根据示例性实施方式，容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐可以设置在排气腔室内。
[0051]
充电端子可以设置在排气腔室中，以在容纳在电池罐中的电极组件的两个端部处被充电，并且充电端子也可以设置在电池罐的一个端部处。
[0052]
电极组件的端部意指电极组件在卷绕轴线的垂直方向上的端部。
[0053]
电池罐设置在排气腔室内，使得可以通过开口和排气腔室排放在预充电过程期间产生的气体，并且充电端子设置在电极组件的两个端部处，使得可以在排气腔室内的惰性气氛中执行预充电并且使安全性问题最小化。
[0054]
根据示例性实施方式，容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐可以联接到排气腔室的开口，以密封排气腔室。
[0055]
在一侧具有开口的电池罐处于电池罐没有通过用于密封电池罐的开口的密封体联接的敞开状态，并且可以与排气腔室联接以保持密封状态。
[0056]
如上所述，通过保持密封状态，可以将排气腔室调节为惰性气氛。除此之外，只要排气腔室能调节为惰性气氛，就不限于密封状态。
[0057]
通过将排气腔室保持在惰性气氛中，可以使由充电引脚引起的着火和爆炸的风险最小化，并且通过将排气腔室联接到开口以密封排气腔室，可以通过开口和排气腔室排放在预充电过程期间产生的废气。
[0058]
另外，通过将排气腔室联接到开口以密封排气腔室，在预充电过程期间产生的油蒸汽可以通过排气腔室排放，并且可以与作为着火点的充电引脚在空间上分离，使得即使在高温环境中，也可以使预充电期间可能出现的安全性问题最小化。
[0059]
电池罐由导电金属材料制成。在一个示例中，电池罐可以由钢材料制成，但本发明不限于此。
[0060]
根据示例性实施方式，通过将排气腔室内的氧气浓度调节为4体积％或更小来执行将排气腔室调节为惰性气氛。
[0061]
当将排气腔室内的氧气浓度调节为4体积％或更小时，由于三个着火因素(即，着火点、油蒸汽和氧气)当中的氧气浓度处于不发生着火的状态，由此解决了预充电期间可能出现的安全性问题。
[0062]
排气腔室可以是真空状态，并且除此之外，没有特别的限制，只要可以在排气腔室内保持惰性气氛即可。
[0063]
通过将排气腔室保持在惰性气氛中，可以减轻在具有大量油蒸汽的高温环境中在预充电期间的安全性问题。
[0064]
根据示例性实施方式，可以对电极组件执行预充电并通过在排气腔室已被调节为惰性气氛的状态下敞开电池罐的一侧来通过排气腔室排放由于预充电而产生的废气的操作。
[0065]
因此，在预充电期间产生的气体可以通过电池罐的开口和排气腔室排放。由于在预充电期间产生的气体被顺畅地排放的同时进行该过程，因此可以解决安全性问题。
[0066]
根据本发明的电池电芯可以是圆柱形电池电芯。
[0067]
图1是例示了在根据本发明的比较例的电池电芯制造方法中在电池罐的开口3被密封体密封的状态下执行预充电的情况的图。
[0068]
参照图1，在电池电芯制造方法中，在电池电芯被完全组装之后，可以执行预充电。在一个示例中，预充电可以在电池罐被密封体密封的状态下执行，并且不执行排放在该过程中产生的废气的操作。
[0069]
如上所述，当在电池电芯的组装完成之后执行预充电时，电池电芯中产生的气体
量增加，并且当内部压力由于气体量增加而过度增加时，可能出现安全性问题。
[0070]
因此，特别是在具有改进的容量和/或输出的电芯的情况下，还必须通过在容纳有电极组件和电解液的电池罐一侧的开口3敞开的状态下执行预充电来同时促进气体排放操作。
[0071]
图2是例示了在根据本发明的示例性实施方式的电池电芯制造方法中在负极端子和正极端子设置于电池罐的底表面，并且在电池罐的开口3敞开的状态下执行预充电，并且通过电池罐的开口3排放废气的情况的图。
[0072]
参照图2，例示了具有以下结构的电池电芯100：正极端子和负极端子在电池罐的一侧(即，电池罐的底部20)处在开口3的相对侧处电连接。
[0073]
电池电芯100包括通过形成在底部20中的通孔30铆接的电极端子10以及设置在电极端子10和通孔的外径之间以将电极端子10与电池罐2隔离的衬垫40。
[0074]
在圆柱形电池电芯的情况下，负极端子设置于底表面，并且铆接的电极端子可以是正极端子。
[0075]
因此，可以通过从圆柱形电池电芯的一侧接近(+)充电引脚5和(-)充电引脚6并连接正极端子与负极端子来执行预充电。连接可以是使(+)充电引脚5和(-)充电引脚6与正极端子和负极端子接触。
[0076]
由于充电在圆柱形电芯的一个方向上进行，因此排气腔室7设置成与电池罐的开口3配合的形状，以在密封开口3的同时与开口3联接，因此可以在不妨碍充电引脚的情况下安全地排放。即，作为着火点的充电引脚和排气腔室在空间上彼此分离，使得可以将甚至在高温环境中的预充电期间可能出现的安全性问题最小化。
[0077]
在这种情况下，电池罐的底部20的形成有正极端子和负极端子的相对侧敞开，使得可以通过开口排放在预充电操作中产生的废气。
[0078]
因此，可以同时执行预充电操作和气体排放操作，从而存在过程快速且简单的优点。
[0079]
对于气体排放操作，在一侧具有开口的电池罐2中，排气腔室7可以联接到开口3，以密封开口3。在这种情况下，过程在预充电过程中产生的气体被顺畅排放的同时进行，由此解决了安全性问题。
[0080]
图3是例示了在根据本发明的示例性实施方式的电池电芯制造方法中在电池罐的开口3敞开的状态下，负极端子设置于电池罐的底部20并且正极端子设置于电极组件的面对底部的另一端部，并且执行预充电并且在电极组件的两个端部处排放废气的情况的图。
[0081]
参照图3，圆柱形电池电芯包括与设置于电极组件的面对底部20的另一端的正极未涂覆部分50电连接的正极集流体板4，并且设置于集流体板的正极引线抽头70通过电池罐的上部开口暴露于外部并且正极引线抽头70与(+)充电引脚5接触。
[0082]
另外，(-)充电引脚6与电池罐的底表面接触，该底表面与电极组件的负极未涂覆部分50’电连接。
[0083]
在这种情况下，与正极引线抽头70接触的(+)充电引脚5可以例如具有能插入正极引线抽头70的狭缝，或者具有包括握持部的结构，利用该握持部可以抓握正极引线抽头70的两个表面。
[0084]
即使在图3中例示的过程中，类似于图2，预充电也是在电池罐的一侧敞开而没有
被密封体密封的状态下执行的，使得可以容易地通过开口3排放气体。
[0085]
在气体排放操作中，类似于以上，在一侧具有开口3的电池罐在上部部分敞开的状态下设置在排气腔室内，然后可以去除在预充电期间产生的废气。
[0086]
同时，尽管在图中未例示，但在电池罐的一侧敞开的状态下的圆柱形电池电芯可以在装载在托盘中的状态下通过各个通道被预充电，并且在该过程中产生的气体可以通过排气腔室7从圆柱形电池电芯的内部去除。
[0087]
根据示例性实施方式，电极组件具有以下结构：第一电极、隔膜和第二电极被堆叠和卷绕，第一电极和电池罐2电连接，并且电池电芯还包括与第二电极电连接的电极端子10。
[0088]
在本文中，第一电极可以是负极并且第二电极可以是正极。
[0089]
根据该示例性实施方式，在将排气腔室7调节为惰性气氛的操作中，排气腔室内的氧气浓度可以被调节为4体积％或更小，并且该操作可以是将惰性气体注入到排气腔室7中的操作。
[0090]
通过将排气腔室内的氧气浓度调节为4体积％或更小，可以将排气腔室7调节为惰性气氛，并且这可以通过向排气腔室7注入惰性气体来调节。
[0091]
当将排气腔室7内的氧气浓度调节为4体积％或更小时，三个着火因素当中的氧气浓度处于电池电芯不会着火的状态，因此可以解决在预充电期间可能出现的安全性问题。
[0092]
在这种情况下，注入到排气腔室7中的惰性气体可以是氮气，并且本发明不限于此。
[0093]
在执行预充电的过程期间注入到排气腔室7中的惰性气体被连续供应到电极组件，使得排气腔室7可以被调节为惰性气氛。惰性气体可以是例如氮气，并且本发明不限于此。
[0094]
根据示例性实施方式，排气腔室7可以包括用于注入惰性气体的注入部8和排放废气的排放部9。
[0095]
注入部8和排放部9在它们的结构或位置方面不受限制，只要注入部8注入气体并且排放部9排出气体即可。例如，注入部8和排放部9可以设置于排气腔室7的一个截面或者在排气腔室7的对角线方向上，使得所注入的气体可以顺利地循环。
[0096]
注入到注入部8中的惰性气体的压力可以为0.2mpa或更大、0.3mpa或更大、或0.4mpa或更大。注入到注入部8中的惰性气体的压力可以为0.8mpa或更小、0.7mpa或更小、或0.6mpa或更小。
[0097]
排放到排放部9的废气的压力可以根据注入到注入部8中的惰性气体的压力或电池电芯的大小而变化。
[0098]
供应惰性气体的气体供应装置可以连接到注入部8，并且气体供应装置可以以预定压力连续地供应惰性气体，以保持排气腔室内的惰性气氛。
[0099]
参照图2和图3，用箭头指示通过注入部8注入并通过排放部9排放的惰性气体的流动。
[0100]
根据示例性实施方式，可以执行注入惰性气体的操作，直到通过注入部8在排气腔室7内的氧气浓度为4体积％或更小。注入惰性气体直到排气腔室7内的氧气浓度为4体积％或更小，使得排气腔室7内的惰性气氛可以保持，因此可以减轻在具有大量油蒸汽的高温环
境中在预充电期间出现的安全性问题。
[0101]
当排气腔室7内的氧气浓度为4体积％或更小时，三个着火因素(即，着火点、油蒸汽和氧气)当中的氧气浓度处于电池电芯将不着火的状态，由此解决了预充电期间可能出现的安全性问题。
[0102]
根据一方面，还可以包括在电池罐2设置在排气腔室7内或者排气腔室7联接到开口3之前将惰性气体注入到排气腔室7中的操作。在这种情况下，可以快速地调节排气腔室7内的惰性气氛，并将安全性问题最小化。
[0103]
本发明的示例性实施方式提供以下的电池电芯制造方法：在将排气腔室7联接到容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口3的电池罐2的开口3以密封开口3的操作中，电池罐2包括电极端子10和衬垫40，所述电极端子10通过形成在电池罐的底部20中的通孔30而铆接，所述衬垫40设置在电极端子10和通孔30的外径之间。
[0104]
根据本发明的示例性实施方式，提供了以下的电池电芯制造方法：电极端子10包括：主体部分11，其被插入到通孔30中；外凸缘部分12，其从主体部分的通过底部的外表面暴露的一侧的周缘沿着外表面延伸；内凸缘部分13，其从主体部分的通过底部的内表面暴露的另一侧的周缘朝向内表面延伸；以及平坦部分14，其设置在内凸缘部分内部。
[0105]
根据本发明的示例性实施方式的电池罐2可以包括在电池罐的底部20中的铆接的电极端子10。例如，铆接在电池罐的底部20中的电极端子10可以具有铆接结构。
[0106]
根据铆接结构，正极端子和负极端子二者都设置于圆柱形电芯的一端，使得可以在圆柱形电芯的一端中执行充电。圆柱形电芯的一端可以是电池罐的底表面。
[0107]
根据示例性实施方式，电池电芯100包括设置于电池罐的底部20的负极端子，并且铆接的电极端子10是正极端子，并且可以通过将充电端子连接到负极端子和正极端子来执行预充电。
[0108]
负极端子和正极端子可以设置于电池罐的底表面。
[0109]
因此，用于在另一方向上供应惰性气体并排放气体的排气腔室7以与电池罐的开口3配合的形状设置以联接到开口3，同时密封开口3，因此可以在不妨碍充电引脚5和6的情况下安全地排气。
[0110]
参照图2，根据示例性实施方式的电极端子10的铆接结构可以包括具有敞开的一侧的圆柱形电池罐2、通过形成在电池罐2的底部20中的通孔30铆接的电极端子10以及设置在电极端子10和通孔30的外径之间的衬垫40。
[0111]
电池罐2由导电金属材料制成。在一个示例中，电池罐2可以由钢材料制成，并且本发明不限于此。
[0112]
电极端子10由导电金属材料制成。在一个示例中，电极端子10可以由铝制成，并且本发明不限于此。
[0113]
衬垫40可以由具有绝缘性质和弹性的聚合物树脂制成。在一个示例中，衬垫40可以由聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氟乙烯(polyethylene fluoride)等制成，并且本发明不限于此。
[0114]
优选地，电极端子10可以包括：主体部分11，其被插入到通孔30中；外凸缘部分12，其从主体部分11的通过电池罐2的底部20的外表面暴露的一侧的周缘沿着外表面延伸；内凸缘部分13，其从主体部分11的通过电池罐2的底部20的内表面暴露的另一侧的周缘朝向
内表面延伸；以及平坦部分14，其设置在内凸缘部分13内。
[0115]
优选地，平坦部分14和电池罐2的底部20的内表面可以彼此平行。这里，“平行”意指用肉眼观察时基本上平行。
[0116]
根据本发明的示例性实施方式，电极端子10的铆接结构可以通过使用上下移动的填隙夹具来形成。首先，将衬垫40插入到形成在电池罐2的底部20中的通孔30中，以插入电极端子10的预成型件(未例示)。预成型件是指铆接之前的电极端子。
[0117]
接下来，将填隙夹具插入到电池罐2的内部空间中。填隙夹具包括在面对预成型件的表面上对应于电极端子10的最终形状的凹进和突起，以便通过铆接预成型件来形成电极端子10。
[0118]
接下来，通过将填隙夹具向下移动并将预成型件的上部部分按压成型，将预成型件变形为铆接的电极端子10。
[0119]
在通过填隙夹具对预成型件加压期间，插置在外凸缘部分12和电池罐2的底部20的外表面之间的衬垫40被弹性按压，以具有减小的厚度。因此，铆接的电极端子10与电池罐2之间的密封性质显著提高。
[0120]
优选地，在预成型件被铆接的过程中，衬垫40可以被充分按压以确保所期望的密封强度而没有受到物理损坏。
[0121]
在一个示例中，当衬垫40由聚对苯二甲酸丁二醇酯形成时，衬垫40优选地在衬垫40被按压至最小厚度的点处具有50％或更大的压缩比。压缩比是按压前后的厚度变化与按压前厚度的比率。
[0122]
在另一示例中，当衬垫40由聚氟乙烯形成时，衬垫40优选地在衬垫40被按压至最小厚度的点处具有60％或更大的按压比。
[0123]
在另一示例中，当衬垫40由聚丙烯形成时，衬垫40优选地在衬垫40被按压至最小厚度的点处具有60％或更大的按压比。
[0124]
优选地，预成型件的上部部分的按压成型可以通过执行填隙夹具的垂直移动至少两次或更多次来分阶段执行。即，可以通过分阶段按压成型预成型件来使预成型件变形几次。在这种情况下，施加到填隙夹具的压力可以分阶段增加。在这种情况下，施加到预成型件的应力被多次分布，可以防止衬垫40在填隙过程中损坏。
[0125]
在使用填隙夹具完成预成型件的按压成型之后，当填隙夹具与电池罐2分离时，可以获得如图2中例示的根据本发明的示例性实施方式的电极端子10的铆接结构。
[0126]
根据示例性实施方式，填隙夹具通过在电池罐2内的垂直移动来按压成型预成型件的上部部分。根据情况，对于预成型件的按压成型，可以使用相关技术中使用的旋转式旋转夹具。
[0127]
然而，旋转式旋转夹具以相对于电池罐2的中心轴线以预定角度倾斜的状态旋转。因此，具有大旋转半径的旋转式旋转夹具可能妨碍电池罐2的内壁。另外，当电池罐2的深度大时，旋转式旋转夹具的长度也增加与深度一样多。在这种情况下，随着旋转式旋转夹具的端部的旋转半径增大，不能正确地执行预成型件的按压成形。因此，使用填隙夹具的按压成型比使用旋转式旋转夹具的方法更有效。
[0128]
根据本发明的示例性实施方式的电极端子10的铆接结构适用于电池电芯100。
[0129]
在示例中，电池电芯可以包括电池罐。电池罐具有圆柱形形状。电池罐的大小可以
是两个端部处的30mm至55mm的圆形直径和60mm至120mm的高度。优选地，圆柱形电池的圆柱形直径
×
高度可以是46mm
×
60mm、46mm
×
80mm、46mm
×
90mm或46mm
×
120mm。
[0130]
优选地，圆柱形电池电芯例如可以是形状因数比率(该形状因数比率被定义为通过将圆柱形电池电芯的直径除以高度而获得的值，即，直径与高度h的比率)大于大致0.4的圆柱形电池电芯。
[0131]
在本文中，形状因数意指表示圆柱形电池电芯的直径和高度的值。根据本发明的示例性实施方式的圆柱形电池电芯可以是例如46110电芯、48750电芯、48110电芯、48800电芯、46800电芯和46900电芯。在表示形状因数的数值中，前两个数字指示电芯的直径，接下来的两个数字指示电芯的高度，并且最后一个数字0指示电芯具有圆形截面。
[0132]
根据本公开的示例性实施方式的电池电芯可以是具有大致圆柱形形状并且具有约46mm的直径、约110mm的高度和0.418的形状因数比率的圆柱形电池电芯。
[0133]
根据本公开的另一示例性实施方式的电池电芯可以是具有大致圆柱形形状并且具有约48mm的直径、约75mm的高度和0.640的形状因数比率的圆柱形电池电芯。
[0134]
根据本发明的另一示例性实施方式的电池电芯可以是具有大致圆柱形形状并且具有约48mm的直径、约110mm的高度和0.418的形状因数比率的圆柱形电池电芯。
[0135]
根据本公开的另一示例性实施方式的电池电芯可以是具有大致圆柱形形状并且具有约48mm的直径、约80mm的高度和0.600的形状因数比率的圆柱形电池电芯。
[0136]
根据本公开的另一示例性实施方式的电池电芯可以是具有大致圆柱形形状并且具有约46mm的直径、约80mm的高度和0.575的形状因数比率的圆柱形电池电芯。
[0137]
根据本公开的另一示例性实施方式的电池电芯可以是具有大致圆柱形形状并且具有约46mm的直径、约90mm的高度和0.511的形状因数比率的圆柱形电池电芯。
[0138]
在相关技术中，已使用具有约0.4或更小的形状因数比率的电池电芯。即，在相关技术中，例如，使用18650电芯、21700电芯等。18650电芯具有约18mm的直径、约65mm的高度和0.277的形状因数比率。21700电芯具有约21mm的直径、约70mm的高度和0.300的形状因数比率。
[0139]
根据本发明的示例性实施方式的电池电芯100包括电极组件，在该电极组件中，形状像片材的第一电极和第二电极被卷绕且隔膜插置在第一电极和第二电极之间并且该电极组件包括从两个端部延伸并暴露的第一电极的未涂覆部分50’和第二电极的涂覆部分50。
[0140]
根据本发明的示例性实施方式的电极可以是电极板，并且在本发明的示例性实施方式中，第一电极可以是负极板并且第二电极可以是正极板。当然，其相反的情况也是可能的。
[0141]
电池电芯100还包括容纳电极组件并与第一电极的未涂覆部分50’电连接的电池罐2。
[0142]
优选地，电池罐2的一侧敞开。另外，电池罐2的底部20具有以下结构：电极端子10通过填隙过程被铆接在通孔30中。
[0143]
另外，电池电芯100可以包括设置在电极端子10与通孔30的外径之间的衬垫40。
[0144]
电池电芯100可以包括密封电池罐2的敞开端以与电池罐2绝缘的密封体(未例示)。优选地，密封体可以包括没有极性的盖板以及插置在盖板的边缘和电池罐的敞开端之
间的密封衬垫。
[0145]
盖板可以由诸如铝、钢或镍这样的导电金属材料制成。另外，密封衬垫可以由具有绝缘性质和弹性的聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氟乙烯等制成。然而，本发明不受盖板和密封衬垫的材料的限制。
[0146]
盖板可以包括当电池罐内部的压力超过阈值时破裂的排气凹口。排气凹口可以形成在盖板的两个表面上。排气凹口可以在盖板的表面上形成连续或不连续的圆形图案、笔直图案或任何其它图案。
[0147]
电池罐2可以包括卷边部分，该卷边部分朝向电池罐2的内部延伸并弯曲，以将盖板的边缘与密封衬垫一起包裹并固定，以便固定密封体(未例示)。
[0148]
电池罐2还可以包括压边部分，该压边部分在与敞开端相邻的区域中被压入到电池罐2的内部中。当密封体被卷边部分固定时，压边部分支承密封体的边缘，特别是密封衬垫的外周表面。
[0149]
电池电芯100还可以进一步包括焊接到第一电极的未涂覆部分50’的集流体板4'。集流体板由诸如铝、钢或镍这样的导电金属材料制成。优选地，集流体板的不与第一电极的未涂覆部分50’接触的边缘的至少一部分可以插置在压边部分和密封衬垫之间并被卷边部分固定。
[0150]
电池电芯100还可以包括焊接到第二电极的未涂覆部分50的集流体板4。优选地，集流体板4的至少一部分可以被焊接到电极端子10的平坦部分14。
[0151]
优选地，当集流体板4被焊接时，焊接工具可以被插入穿过存在于电极组件的芯中的空腔，以到达集流体板4的焊接点。另外，当集流体板4被焊接到电极端子10的平坦部分14时，电极端子10支承集流体板4的焊接区域，因此向焊接区域施加强压力，以提高焊接质量。另外，由于电极端子10的平坦部分14的面积大，因此也可以确保焊接区域宽。因此，可以通过减小焊接区域的接触电阻来减小电池电芯100的内阻。铆接的电极端子10和集流体板4的面对面焊接结构对于使用高c速率电流的快速充电是非常有用的。这是因为每单位面积的电流密度在电流流动方向上的截面可以减小，使得在电流路径中产生的热量可以低于相关技术中的热量。
[0152]
当电极端子10的平坦部分14被焊接到集流体板4时，可以使用激光焊接、超声波焊接、点焊和电阻焊接中的任一种。可以根据焊接方法不同地调节平坦部分14的面积，但是为焊接强度和焊接过程的容易性，优选地为2mm或更大。
[0153]
在一个示例中，当平坦部分14和集流体板4被用激光焊接并且以圆形图案的形式焊接成连续或不连续的线时，平坦部分14的直径优选地为4mm或更大。当平坦部分14的直径满足对应条件时，可以确保焊接强度，并且通过将超声波焊接工具插入到电极组件的空腔中来进行焊接过程没有困难。
[0154]
在另一示例中，当平坦部分14和集流体板4被超声焊接并被焊接成圆形图案时，平坦部分14的直径优选地为2mm或更大。当平坦部分14的直径满足对应条件时，可以确保焊接强度，并且通过将激光焊接工具插入到电极组件的空腔中来进行焊接过程没有困难。
[0155]
在根据本发明的示例性实施方式的电池电芯100中，密封体(未例示)的盖板没有极性。另选地，集流体板连接到电池罐2的侧壁，使得电池罐2的底部20的外表面具有与电极端子10的极性相反的极性。因此，当多个电芯将要串联和/或并联地连接时，可以使用电池
罐2的底部20的外表面和电极端子10在电池电芯100的顶部处执行诸如汇流条连接这样的布线。通过这样，可以通过增加可以安装在同一空间中的电芯的数量来提高能量密度。
[0156]
根据示例性实施方式，在将排气腔室7联接到容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐2的开口3以密封开口3的操作中，电池罐2包括通过形成在电池罐的底部20中的通孔30铆接的电极端子10以及设置在电极端子10和通孔30的外径之间的衬垫40。
[0157]
根据示例性实施方式，在将排气腔室7联接到容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐2的开口3以密封开口3的操作中，电池电芯100包括设置在电池罐的底部20中的负极端子，铆接的电极端子10是正极端子，并且当对电极组件执行预充电时，可以通过将充电端子连接到负极端子和正极端子来执行预充电。
[0158]
另外，充电端子可以包括与正极端子连接的(+)充电引脚5和与负极端子连接的(-)充电引脚6。
[0159]
根据示例性实施方式，负极端子和正极端子可以设置在电池罐的底表面上。因此，充电在电极组件的一端处进行，使得当联接排气腔室7以密封开口3时，可以在不妨碍充电引脚的情况下安全地排气(参见图2)。
[0160]
根据示例性实施方式，在设置容纳电极组件和电解液并在排气腔室7的一侧具有开口的电池罐2的操作中，电极组件具有以下结构：第一电极、隔膜和第二电极被堆叠和卷绕，第一电极和电池罐2被电连接，并且电池电芯100还可以包括与第二电极电连接的电极端子10。
[0161]
优选地，第一电极和第二电极中的至少一个包括集流体和设置在集流体上的电极活性材料层，并且集流体包括其中没有设置电极活性材料层的未涂覆部分50和50'，并且第一电极电连接到电池罐的底部20，并且电池电芯还包括电连接到第二电极的未涂覆部分50的集流体板4。
[0162]
第一电极或第二电极可以具有活性材料被涂覆在片形集流体上的结构，并且可以在沿着卷绕方向的一个长边上包括未涂覆部分50和50'。
[0163]
根据示例性实施方式，电连接到第二电极的未涂覆部分50的集流体板4还可以包括电连接到电极端子的引线抽头70。
[0164]
第一电极可以是负极，并且第二电极可以是正极。
[0165]
电极组件可以在顺序堆叠负极、隔膜和正极之后在一个方向上卷绕，并且在这种情况下，正极和负极的未涂覆部分可以在相反方向上设置。
[0166]
在卷绕过程之后，正极的未涂覆部分50和负极的未涂覆部分50’可以朝向芯弯曲，并且通过将集流体板4和4’分别焊接到未涂覆部分50和50'，可以将集流体板4和4’联接到未涂覆部分50和50'。
[0167]
由于单独的电极接头没有联接到正极和负极的未涂覆部分，并且集流体板连接到外部电极端子，并且电流路径形成有沿着电极组件的卷绕轴线方向的大的截面积，因此优点在于可以减小电池电芯的电阻。这是因为电阻与电流流过的路径的截面面积成反比。
[0168]
电池电芯100可以包括电池罐2和密封体(未例示)，并且密封体包括盖板、密封衬垫和连接板。密封衬垫围绕盖板的边缘并且借助卷边部分固定。另外，电极组件通过压边部分被固定在电池罐2中，以防止上下流动。
[0169]
参照图3，典型地，正极端子是密封体(未例示)的盖板，并且负极端子是电池罐2。
因此，联接到正极的未涂覆部分50的集流体板4通过呈条形式的引线抽头70电连接到附接到盖板的连接板。另外，联接到负极板的未涂覆部分50'的集流体板4’电连接到电池罐2的底部20。
[0170]
当集流体板4连接到连接板时，使用呈条形式的引线抽头70。引线抽头70可以单独地附接到集流体板4或者与集流体板4一体地制造。
[0171]
根据示例性实施方式，在将电池罐2设置在排气腔室7内的操作中，电池电芯100包括设置在两个端部处的电连接到第一电极的负极端子和电连接到第二电极的正极端子，并且当对电极组件执行预充电时，可以通过将充电端子连接到负极端子和正极端子来执行预充电。
[0172]
另外，充电端子可以包括与正极端子连接的(+)充电引脚5和与负极端子连接的(-)充电引脚6。连接到充电端子的(+)充电引脚5和(-)充电引脚6可以与充电端子接触。
[0173]
参照图3，根据示例性实施方式，负极端子和正极端子可以分别设置在电极组件的两个端部处。电极组件的两个端部意指垂直于电极组件的卷绕轴线的两个端部。
[0174]
根据示例性实施方式，电池电芯100包括设置在两个端部处的电连接到第一电极的负极端子和电连接到第二电极的正极端子，并且通过将充电端子连接到负极端子和正极端子来执行预充电。
[0175]
由于充电在电极组件的两个端部处进行，并且当电池罐2设置在排气腔室7中时处理在气体被顺畅地排放的同时进行，因此可以解决安全问题。
[0176]
本发明的另一示例性实施方式提供了一种电池电芯制造设备，该电池电芯制造设备包括排气腔室7，其中，设置容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口3的电池罐2或者排气腔室7可以被联接以密封开口3。
[0177]
根据示例性实施方式，排气腔室7可以包括用于注入惰性气体的注入部8和用于排放废气的排放部9。
[0178]
注入部8和排放部9可以设置在排气腔室7的一侧，只要惰性气体被注入和排放，本发明就不限于此。
[0179]
可以被联接以密封在一侧具有开口3的电池罐2的开口3的排气腔室7可以具有与开口3的形状对应的联接部分，并且联接部分可以优选地为圆形形状。联接部分的结构和形状不受限制，只要联接部分可以被联接以密封开口3即可。
[0180]
根据示例性实施方式，通过电池电芯制造方法制造的电池电芯100将预充电期间产生的废气通过排气腔室7排放，由此电池电芯100的外部形状因废气的压力和/或设置在密封电池罐2的敞开端部的密封体中的盖板的通气而变形的概率被最小化。
[0181]
在没有通过电池电芯制造方法制造的电池电芯中，在预充电期间产生的废气留在电池电芯内部，存在电池电芯的外部形状因废气的压力和/或设置在密封电池罐的敞开端部的密封体中的盖板的通气而变形的概率。
[0182]
在本发明中，涂覆在正极上的正极活性材料和涂覆在负极上的负极活性材料可以不受限制地使用，只要活性材料在本领域中已知即可。
[0183]
在一个示例中，正极活性材料可以包括由化学通式a[a
xmy
]o
2+z
表示的碱金属化合物(a包括li、na或k当中的至少一种元素；m包括选自ni、co、mn、ca、mg、al、ti、si、fe、mo、v、zr、zn、cu、al、mo、sc、zr、ru和cr中的至少一种元素；x≥0，1≤x+y≤2，-0.1≤z≤2；选择x、
y、z和m中所包含的元素的化学计量系数使得化合物保持电中性)。
[0184]
在另一示例中，正极活性材料可以是由us6,677,082和us6,680,143等中公开的碱金属化合物xlim1o
2-(1-x)li2m2o3(m1包括至少一个平均氧化态为3的元素；m2包括至少一个平均氧化态为4的元素；0≤x≤1)。
[0185]
在另一示例中，正极活性材料可以是由化学通式liam1xfe
1-xm2yp
1-ym3zo
4-z
(m1包括选自ti、si、mn、co、fe、v、cr、mo、ni、nd、al、mg中的至少一种元素；m2包括选自ti、si、mn、co、fe、v、cr、mo、ni、nd、al、mg、al、as、sb、si、ge、v和s中的至少一种元素；m3包括选择性包括f的卤族元素；0《a≤2，0≤x≤1，0≤y《1，0≤z《1；选择a、x、y、z、m1、m2和m3中所包含的元素的化学计量系数，使得化合物保持电中性)表示的锂金属磷酸盐、或li3m2(po4)3(m包括选自ti、si、mn、fe、co、v、cr、mo、ni、al、mg和al中的至少一种元素)。
[0186]
优选地，正极活性材料可以包括一次粒子和/或聚集有一次粒子的二次粒子。
[0187]
在一个示例中，负极活性材料可以是碳材料、锂金属或锂金属化合物、硅或硅化合物、锡或锡化合物。电位小于2v的诸如tio2和sno2这样的金属氧化物也可以被用作负极活性材料。作为碳材料，低结晶碳、高结晶碳等全都可以被使用。
[0188]
作为隔膜，可以单独使用或者可以堆叠和使用多孔聚合物膜，例如，由诸如乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物或乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物这样的聚烯烃类聚合物制成的多孔聚合物膜。作为另一示例，隔膜可以是典型的多孔无纺布，例如，由高熔点玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等制成的无纺布。隔膜的至少一个表面可以包括无机颗粒的涂层。另外，隔膜本身也可以由无机颗粒的涂层制成。构成涂层的颗粒可以具有粘合到粘结剂使得在相邻颗粒之间存在间隙容积的结构。
[0189]
无机颗粒可以由介电常数为5或更大的无机材料制成。作为非限制性示例，无机颗粒可以包括选自由pb(zr,ti)o3(pzt)、pb
1-x
la
x
zr
1-y
tiyo3(plzt)、pb(mg3nb
2/3
)o
3-pbtio3(pmn-pt)、batio3、二氧化铪(hfo2)、srtio3、tio2、al2o3、zro2、sno2、ceo2、mgo、cao、zno和y2o3组成的组的至少一种材料。
[0190]
电解液可以是具有诸如a
+
b-这样的结构的盐。在本文中，a
+
包括由诸如li
+
、na
+
和k
+
这样的碱金属正离子或其组合构成的离子。另外，b-包括选自由f-、cl-、br-、i-、no
3-、n(cn)
2-、bf
4-、clo
4-、alo
4-、alcl
4-、pf
6-、sbf
6-、asf
6-、bf2c2o
4-、bc4o
8-、(cf3)2pf
4-、(cf3)3pf
3-、(cf3)4pf
2-、(cf3)5pf-、(cf3)6p-、cf3so
3-、c4f9so
3-、cf3cf2so
3-、(cf3so2)2n-、(fso2)2n-、cf3cf2(cf3)2co-、(cf3so2)2ch-、(sf5)3c-、(cf3so2)3c-、cf3(cf2)7so
3-、cf3co
2-、ch3co
2-、scn-和(cf
3 cf2so2)2n-组成的组中的一种或更多种负离子。
[0191]
另外，电解液可以被溶解在有机溶剂中使用。作为有机溶剂，可以使用碳酸丙烯酯(pc)、碳酸亚乙酯(ec)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二丙酯(dpc)、二甲基亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)、碳酸甲乙酯(emc)和γ丁内酯或其混合物。
[0192]
根据示例性实施方式，圆柱形电池电芯可以用于制造电池组，并且电池组可以包括圆柱形电池电芯被电连接到的组件和容纳该组件的电池组壳体。圆柱形电池电芯是根据示例性实施方式的电池电芯100。
[0193]
根据示例性实施方式，电池组可以被安装于车辆，并且车辆的示例包括电动车辆、混合动力车辆或插电式混合动力车辆。车辆包括四轮车辆或两轮车辆。
[0194]
虽然已结合有限的示例性实施方式和附图描述了本发明，但本发明不限于此，并且显而易见，本领域的技术人员可以在本发明的技术精神和等同于所附权利要求书的范围内做出各种改变和修改。

技术特征：
1.一种电池电芯制造方法，该电池电芯制造方法包括以下操作：(a)将容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐放置在排气腔室内，或者将所述排气腔室联接到所述开口以便密封所述开口；(b)将所述排气腔室调节为惰性气氛；以及(c)对所述电极组件执行预充电，并且通过所述排气腔室排放由于所述预充电而产生的废气。2.根据权利要求1所述的电池电芯制造方法，其中，所述电极组件具有第一电极、隔膜和第二电极被堆叠和卷绕的结构，并且所述第一电极和所述电池罐电连接，并且所述电池电芯还包括与所述第二电极电连接的电极端子。3.根据权利要求2所述的电池电芯制造方法，其中，所述第一电极是负极并且所述第二电极是正极。4.根据权利要求1所述的电池电芯制造方法，其中，在所述操作(b)中，将所述排气腔室内的氧气浓度调节为4体积％或更小。5.根据权利要求1所述的电池电芯制造方法，其中，所述操作(b)是向所述排气腔室注入惰性气体的操作。6.根据权利要求5所述的电池电芯制造方法，其中，所述惰性气体为氮气。7.根据权利要求1所述的电池电芯制造方法，其中，所述排气腔室包括注入惰性气体的注入部和排放废气的排放部。8.根据权利要求7所述的电池电芯制造方法，其中，在所述操作(b)中，通过所述注入部注入惰性气体，直到所述排气腔室内的氧气浓度为4体积％或更小。9.根据权利要求1所述的电池电芯制造方法，该电池电芯制造方法还包括以下操作：在所述操作(a)中将所述电池罐设置在所述排气腔室内或者将所述排气腔室联接到所述开口之前，将惰性气体注入到所述排气腔室中。10.根据权利要求1所述的电池电芯制造方法，其中，在所述操作(a)中将所述排气腔室联接到所述开口以便密封所述开口时，所述电池罐包括电极端子和衬垫，所述电极端子通过形成在所述电池罐的底部上的通孔而铆接，所述衬垫设置在所述电极端子和所述通孔的外径之间。11.根据权利要求10所述的电池电芯制造方法，其中，所述电极端子包括：主体部分，所述主体部分被插入到所述通孔中；外凸缘部分，所述外凸缘部分从所述主体部分的通过所述底部的外表面暴露的一侧的周缘沿着外表面延伸；内凸缘部分，所述内凸缘部分从所述主体部分的通过所述底部的内表面暴露的另一侧的周缘朝向内表面延伸；以及平坦部分，所述平坦部分设置在所述内凸缘部分内。12.根据权利要求10所述的电池电芯制造方法，其中，在所述操作(c)中，所述电池电芯包括设置于所述电池罐的所述底部的负极端子，并且铆接的电极端子是正极端子，并且通过将充电端子连接到所述负极端子和所述正极端子来执行所述预充电。13.根据权利要求12所述的电池电芯制造方法，其中，所述负极端子和所述正极端子设置于所述电池罐的底表面。14.根据权利要求2所述的电池电芯制造方法，其中，在所述操作(a)中将所述电池罐设
置在所述排气腔室内时，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括集流体和设置在所述集流体上的电极活性材料层，并且所述集流体包括不含所述电极活性材料层的未涂覆部分，并且所述第一电极与所述电池罐的底部电连接，并且所述电池电芯还包括与所述第二电极的未涂覆部分电连接的集流体板。15.根据权利要求14所述的电池电芯制造方法，其中，与所述第二电极的未涂覆部分电连接的所述集流体板还包括与所述电极端子电连接的引线抽头。16.根据权利要求14所述的电池电芯制造方法，其中，在所述操作(c)中，所述电池电芯包括设置在两个端部处的与所述第一电极电连接的负极端子和与所述第二电极电连接的正极端子，并且通过将充电端子连接到所述负极端子和所述正极端子来执行所述预充电。17.根据权利要求16所述的电池电芯制造方法，其中，所述负极端子设置于所述电池罐的底部，并且所述正极端子设置于所述电极组件的面对所述底部的另一端部。18.根据权利要求12或16所述的电池电芯制造方法，其中，所述充电端子包括与所述正极端子连接的(+)充电引脚和与所述负极端子连接的(-)充电引脚。19.一种电池电芯制造设备，该电池电芯制造设备包括：排气腔室，在所述排气腔室中设置有容纳电极组件和电解液并在一侧具有开口的电池罐，或者所述排气腔室被联接以便密封所述开口。20.根据权利要求19所述的电池电芯制造设备，其中，所述排气腔室包括注入惰性气体的注入部和排放废气的排放部。

技术总结
本发明提供了一种电池电芯制造方法，该电池电芯制造方法包括以下步骤：(A)将容纳电极组件和电解液并在其一侧具有开口的电池罐放置在排气腔室内，或者将所述排气腔室联接到所述开口以密封所述排气腔室；(B)在所述排气腔室内创建惰性气氛；以及(C)对所述电极组件进行预充电，并且通过所述排气腔室排放由于所述预充电而产生的废气。另外，本发明提供了一种电池电芯制造设备，该电池电芯制造设备包括：排气腔室，其中容纳电极组件和电解液并在其一侧具有开口的电池罐可以设置在排气腔室内或者所述排气腔室联接到电池罐以密封所述开口。者所述排气腔室联接到电池罐以密封所述开口。者所述排气腔室联接到电池罐以密封所述开口。


技术研发人员：沈亨燮 李俊吾 沈揆宪 李吉永 金建玗 金敏泰
受保护的技术使用者：株式会社LG新能源
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2023/8/5