阅读说明：本技术 设置有压电元件的圆柱形二次电池 (Cylindrical secondary battery provided with piezoelectric element ) 是由 郑民基 成周桓 朴韩索 赵敏秀 于 2018-12-06 设计创作，主要内容包括：本文公开了一种圆柱形二次电池,包括：果冻卷型电极组件,果冻卷型电极组件配置为具有其中长片型正极和长片型负极在隔膜夹在正极与负极之间的状态下卷绕的结构；配置为容纳果冻卷型电极组件的圆柱形电池壳体；和压电元件,压电元件配置为由于果冻卷型电极组件的充电和放电引起的果冻卷型电极组件的体积膨胀而产生电能。(Disclosed herein is a cylindrical secondary battery including: a jelly-roll type electrode assembly configured to have a structure in which a long sheet type positive electrode and a long sheet type negative electrode are wound in a state in which a separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode; a cylindrical battery case configured to receive the jelly-roll type electrode assembly; and a piezoelectric element configured to generate electric energy due to volume expansion of the jelly-roll type electrode assembly caused by charge and discharge of the jelly-roll type electrode assembly.)

设置有压电元件的圆柱形二次电池

技术领域

本申请要求享有于2017年12月6日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请第2017-0166659号的权益，通过引用将该韩国专利申请的公开内容整体并入本文。

本发明涉及一种设置有压电元件的圆柱形二次电池，更特定而言，涉及一种包括安装在圆柱形电池壳体中的果冻卷型电极组件和由于果冻卷型电极组件的充电和放电引起的果冻卷型电极组件的体积膨胀而产生电能的压电元件的圆柱形二次电池。

背景技术

随着移动装置的持续发展和对移动装置的需求的增大，能够充电和放电的二次电池已广泛用作移动装置的能源。此外，作为已开发电动车辆和混合动力电动车辆来解决由使用化石燃料的现有的汽油和柴油车辆导致的诸如空气污染之类的问题，二次电池作为电动车辆和混合电动车辆的能量源已受到显著的关注。

通常，基于电池壳体的形状，二次电池分为具有安装在圆柱形金属罐中的电极组件的圆柱形电池、具有安装在棱柱形金属罐中的电极组件的棱柱形电池和具有安装在由铝层压片制成的袋形壳体中的电极组件的袋形电池。

安装在电池壳体中的电极组件是包括正极、负极和夹在正极与负极之间的隔膜且能被充电和放电的电力产生元件。电极组件分为果冻卷型电极组件或堆叠型电极组件，果冻卷型电极组件配置为具有其中被施加活性材料的长片型正极和长片型负极在隔膜设置于正极与负极之间的状态下卷绕的结构，堆叠型电极组件配置为具有其中具有预定尺寸的多个正极和具有预定尺寸的多个负极在多个隔膜分别设置在这些正极与负极之间的状态下顺序堆叠的结构。果冻卷型电极组件的优点在于，果冻卷型电极组件易于制造并且果冻卷型电极组件具有高的每单位重量的能量密度。因此，果冻卷型电极组件已广泛用于必须应用高容量二次电池的领域中。

也就是说，已使用具有容纳于圆柱形电池壳体中的果冻卷型电极组件的圆柱形电池来满足对具有高能量密度和高容量的电池的需求。由于圆柱形电池使用表现出比袋形电池高的刚性的金属罐作为电池壳体，因此难以增大电池内限定的空间尺寸。除非在如上所述的圆柱形电池内限定的空间的利用率不令人满意的状态下开发出具有高能量效率的材料，否则增大圆柱形电池的能量密度并且提高圆柱形电池的能量效率是困难的。

韩国注册专利第1261705号公开了一种包括具有压电元件层的电池壳体和具有电压存储单元的保护电路模块的袋形电池，其中压电元件层将吸收的振动转换为存储在电压存储单元中的电压，使得可在需要时进行自充电。

然而，上述二次电池是不同于圆柱形电池的袋形电池，并且为了存储由压电元件层产生的电力而进一步包括诸如电压存储单元之类的单独元件，这降低了电池中限定的空间的利用率。

韩国注册专利第1708456号公开了一种包括压电元件和与压电元件连接的电容器的电容器充电系统，压电元件利用由电池单元膨胀现象产生的压力来产生电力，电容器接收所述电力以进行充电。由于压电元件位于电池单元之间或位于电池单元与模块壳体之间，因此难以将压电元件应用于圆柱形电池的内部。

因此，在使用具有较高的每单位重量的能量密度的圆柱形电池的情况下，对使电池能够进行自充电而不会增大电池的尺寸且不需要单独存储空间的技术存在迫切需求。

发明内容

技术问题

鉴于上述问题和尚未解决的其他技术问题做出了本发明，本发明的目的是提供一种包括由于果冻卷型电极组件的充电和放电引起的果冻卷型电极组件的体积膨胀而产生电能，使得圆柱形二次电池进行自主发电的压电元件的圆柱形二次电池，其中除了通过对容纳在圆柱形二次电池中的果冻卷型电极组件充电所产生的电力外，还可另外产生电能。

技术方案

根据本发明的一方面，可通过提供一种圆柱形二次电池实现上述及其他目的，所述圆柱形二次电池包括：

果冻卷型电极组件，所述果冻卷型电极组件配置为具有其中长片型正极和长片型负极在隔膜夹在所述正极与所述负极之间的状态下卷绕的结构；配置为容纳所述果冻卷型电极组件的圆柱形电池壳体；和压电元件，所述压电元件配置为由于所述果冻卷型电极组件的充电和放电引起的所述果冻卷型电极组件的体积膨胀而产生电能。

也就是说，根据本发明的所述圆柱形二次电池使用能够被重复充电和放电的果冻卷型电极组件。因此，可因对电极组件充电而获得电能。另外，为了满足对具有高容量和高能量密度的电池的需求，已做出各种努力以提高圆柱形二次电池的能量密度。然而，开发呈现高能量效率的材料需要较长时间。

根据本发明，在圆柱形二次电池中包括压电元件，并且所述压电元件由于在电极组件的充电和放电期间重复膨胀和收缩的果冻卷型电极组件的体积变化而产生能量。因此，本发明具有二次电池在使用时可进行自主发电的优点。

压电元件是一种正电荷与负电荷之间失去平衡，从而出现电位差并因此产生电力的材料。当由于果冻卷型电极组件的膨胀而给压电元件施加压力时，产生了电能。

根据本发明，如上所述，除了通过对果冻卷型电极组件充电所产生的电力之外，还可利用压电元件产生电能。因此，可提供具有高能量密度的圆柱形二次电池而不会增大二次电池的总体尺寸。

在具体示例中，可将压电元件添加到圆柱形二次电池从而不增大圆柱形二次电池的总体积。考虑到能够由于果冻卷型电极组件的体积膨胀而产生电能的压电元件的位置，优选将压电元件添加到电池壳体的内侧。例如，压电元件可位于果冻卷型电极组件与圆柱形电池壳体之间。

在如上所述的将压电元件设置成与在充电和放电期间重复膨胀和收缩的果冻卷型电极组件接触的情况下，或者在将压电元件设置成与果冻卷型电极组件相邻的情况下，压力可被更加准确地施加到压电元件，并且可将压电元件添加到相对较大的区域，由此可增加由压电元件产生的电能的量。

可选择性地应用添加压电元件的区域和位置。例如，可将压电元件添加到配置为防止果冻卷型电极组件松开的胶带。在将压电元件添加到上述位置的情况下，可防止果冻卷型电极组件的卷绕状态由于果冻卷型电极组件的重复膨胀和收缩而松开，并且可由于压电元件而额外地产生电能。

此外，可将压电元件附接到圆柱形电池壳体的内表面。可将压电元件附接到电池壳体的整个内表面，或者可将压电元件仅附接到电池壳体的圆柱形侧表面。

可以以在与电池壳体相对的表面上形成具有粘合剂层的胶带的形式添加压电元件，或者可使用喷涂方法添加压电元件。

在具体示例中，圆柱形电池壳体可包括之间限定中空部分的外壳体和内壳体，并且压电元件可位于中空部分中。也就是说，包括电池壳体的圆柱形表面和底表面的整个圆柱形电池壳体可配置为具有包括外壳体和内壳体的结构。

另外，当考虑到果冻卷型电极组件从其卷绕中心轴线沿离心方向膨胀的事实时，圆柱形电池壳体可配置成使得圆柱形电池壳体的圆柱形侧表面具有包括外壳体和内壳体的双重结构，并且使得圆柱形电池壳体的底表面具有单结构，由此可仅将压电元件添加到圆柱形电池壳体的圆柱形侧表面。

压电元件可以是选自以下各项构成的组的至少一种：天然压电材料、人造压电晶体、无铅压电陶瓷和人造压电陶瓷。

具体地，天然压电材料可以是柏林石(AlPO₄)、蔗糖、石英、罗谢尔盐(Rochellesalt)、黄宝石、电气石、丝绸、搪瓷或牙质，人造压电晶体可以是磷酸镓(GaPO₄)或兰克赛(La₃Ga₅SiO₁₄)，无铅压电陶瓷可以是NaKNb、铁酸铋(BiFeO₃)、铌酸钠(NaNbO₃)、Bi₄Ti₃O₁₂或Na_0.5Bi_0.5TiO₃。

人造压电陶瓷是钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸铅(NbTiO₃)、铌酸钾(KNbO₃)、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、钨酸钠(Na₂WO)、氧化锌(ZnO₃)、Ba₂NaNb₅O₅或Pb₂KNb₅O₁₅。

在具体示例中，可将由压电元件产生的电能存储在果冻卷型电极组件中。由于不包括用于储存由压电元件产生的电能的单独构件，因此可提供具有较高的每单位体积的能量密度的圆柱形二次电池。

根据本发明的另一方面，提供一种包括圆柱形二次电池的电池组。

具体而言，所述电池组可用作需要承受高温的能力、长寿命、高倍率特性等的装置的电源。所述装置的具体示例可包括移动电子装置(mobile device)、可穿戴电子装置(wearable device)、由电池供电电机驱动的电动工具(power tool)、诸如电动车辆(Electric Vehicle，EV)、混合动力电动车辆(Hybrid Electric Vehicle，HEV)或插电式混合动力电动车辆(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)之类的电动汽车，诸如电动自行车(E-bike)或电动滑板车(E-scooter)之类的电动两轮车，电动高尔夫球车(electricgolf cart)和能量储存系统(Energy Storage System)。然而，本发明不限于此。

所述装置的结构和制造方法是本发明所属技术领域中所熟知的，因此将省略其详细描述。

附图说明

图1是示出根据本发明一实施方式的圆柱形二次电池的垂直截面图。

图2是示出根据本发明一实施方式的圆柱形电池壳体的垂直截面图。

图3是示出根据本发明另一实施方式的圆柱形电池壳体的垂直截面图。

图4是示出根据本发明一实施方式的果冻卷型电极组件的透视图。

图5是示出根据本发明另一实施方式的果冻卷型电极组件的透视图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明的优选实施方式能被本发明所属领域的普通技术人员容易地实施。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的工作原理时，当本文并入的已知功能和构造的详细描述可能使本发明的主题模糊不清时，将省略该详细描述。

在整个附图中将尽可能使用相同的参考标号来表示执行相似功能或操作的部件。另外，在本发明的下面的描述中，在一个部件被表述为“连接”到另一部件的情况下，该一个部件不仅可直接连接到该另一部件，而且该一个部件可经由另外部件而间接连接导该另一部件。此外，除非另外提及，“包括”某一元件并不是指排除其他元件，而是指还可包括这些元件，。

现在将详细参考本发明的优选实施方式，其示例绘示于附图中。

图1是示意地示出根据本发明一实施方式的圆柱形二次电池的垂直截面图。

参照图1，由参考标号100表示的圆柱形二次电池配置为具有包括电池壳体101、容纳在电池壳体101中的电极组件120以及设置在电池壳体101与电极组件120之间的压电元件110的结构，电池壳体101具有包括闭合底部和开放顶部的圆柱形单层结构。压电元件110也插置在电池壳体101的下表面与电极组件120之间。或者，压电元件110可仅插置在电池壳体101的侧表面与电极组件120的侧表面之间。

为了便于描述，从图中省略了构成圆柱形二次电池的其他内部元件。

图2和图3是示意地示出根据本发明不同实施方式的圆柱形电池壳体的垂直截面图。

参照图2和图3，由参考标号200和300表示的电池壳体中的每一个都配置为具有包括闭合底部和开放顶部的圆柱形双重结构。

电池壳体200包括外壳体201和内壳体202。在外壳体201与内壳体202之间限定中空部分，并且在中空部分中设置压电元件210。电池壳体200的侧表面和下表面205中的每一个都包括外壳体201和内壳体202。

电池壳体300包括外壳体301和内壳体302。在外壳体301与内壳体302之间限定中空部分，并且在中空部分中设置压电元件310。电池壳体300的侧表面包括外壳体301和内壳体302，但电池壳体300的下表面305配置为具有单层。

图4是示出根据本发明一实施方式的果冻卷型电极组件的透视图，图5是示出根据本发明另一实施方式的果冻卷型电极组件的透视图。

参照图4，以这样的状态示出了由参考标号420表示的果冻卷型电极组件，即压电元件410添加到卷绕的片型电极的整个外表面。如所示出的那样，可将压电元件410添加成360度围绕果冻卷型电极组件的外表面。或者，在压电元件360度围绕果冻卷型电极组件的外表面的状态下，在果冻卷型电极组件的卷绕轴线方向上，压电元件的长度可短于果冻卷型电极组件的长度。

参照图5，以这样的状态示出了由参考标号520表示的果冻卷型电极组件，即压电元件510添加到与电极组件的卷绕端部粘接的胶带以防止电极组件松开。在此情况下，为了增大压电元件的尺寸，优选将果冻卷型电极组件容纳在具有压电元件附接至其内表面的电池壳体中，例如图1示出的电池壳体100。

在图1、图2和图3示出的压电元件的情况下，外壳体101、201和301中的每一个对应于负极，因此压电元件的负(-)极可直接连接至外壳体101、201和301中的每一个。压电元件的正(+)极可连接至圆柱形电池的顶盖的正(+)极，或可连接至与其平行的电极组件的正(+)极接片。

在图4或图5所示的压电元件的情况下，压电元件的正(+)极和负(-)极可直接连接至与其平行的果冻卷型电极组件420或520的正极接片和负极接片。

如上所述，根据本发明的圆柱形二次电池配置为具有包括设置在电池壳体中的果冻卷型电极组件和/或压电元件的结构。因此，当果冻卷型电极组件在二次电池的充电和放电期间膨胀时，压力被施加到压电元件。因此，形成电位差，由此可产生电能。

此外，由于果冻卷型电极组件的膨胀和收缩是重复的，因此压力可被重复地施加至压电元件。因而，根据二次电池的充电放电循环，可通过压电元件重复地产生电能。

下文中，将参照以下示例来描述本发明。该示例仅被提供用于更易于理解本发明，而不应解释为限制本发明的范围。

<示例>

制造了如图2所示的配置为使得电池壳体的底表面设置为具有单层、电池壳体的侧表面包括之间限定中空部分的外壳体和内壳体、压电元件设置在中空部分中的圆柱形二次电池。

圆柱形二次电池是18650型的。也就是说，圆柱形二次电池的外径是18mm，圆柱形二次电池的高度是65mm，不包括位于圆柱形二次电池的上部的盖组件的高度的设置压电元件的电池壳体的侧表面的高度是60mm。

在电池壳体的厚度是0.15mm并且外壳体、内壳体和中空部分的厚度分别是0.05mm、0.05mm和0.05mm的情况下，电池壳体的设置压电元件的部分的体积可如下计算。

V＝3.14x 18mm x 0.05mm x 60mm x 1cm³/1000mm³＝0.16956cm³

通常，在被施加压力时压电元件的能量密度是250μW/cm³。因此，对于上述电池壳体，可获得250μW/cm³ x 0.16956cm³＝42.39μW＝0.4239mW的能量。

如上所述，在使用根据本发明的圆柱形二次电池的情况下，除了通过对二次电池充电产生的能量之外，还可因电极组件的物理体积膨胀而产生电能。因此，可提供具有提高的能量密度的圆柱形二次电池而不会增大电池单元的尺寸。

本发明所属领域的技术人员将了解，在不背离本发明的范围的情况下可基于以上描述做出各种应用和修改。

-参考标号说明

100：圆柱形二次电池

101、200、300：电池壳体

110、210、310、410、510：压电元件

120、420、520：电极组件

201、301：外壳体

202、302：内壳体

205、305：电池壳体的底表面

工业实用性

从上面的描述显而易见的是，根据本发明的圆柱形二次电池配置为具有将由于果冻卷型电极组件的充电和放电引起的果冻卷型电极组件的体积膨胀而产生电能的压电元件添加到果冻卷型电极组件或添加到电池壳体的结构。因此，除了由于对二次电池充电而产生电能之外，还可提供能进行自主发电的圆柱形二次电池，由此显著提高二次电池的能量密度。

根据本发明的压电元件延缓电极组件的充电和放电。因此，可防止电极组件由于电极组件的充电和放电而变形。

此外，由于利用压电元件自主发电而产生的电能被储存在果冻卷型电极组件中，由此不需要额外的存储空间。因此，可解决圆柱形二次电池的每单位体积的能量密度由于圆柱形二次电池的体积增大而减小的问题。