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CN101485033A - 具有新颖叠层结构的用于二次电池的电极组件 - Google Patents

具有新颖叠层结构的用于二次电池的电极组件 Download PDF

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CN101485033A CNA2007800256571A CN200780025657A CN101485033A CN 101485033 A CN101485033 A CN 101485033A CN A2007800256571 A CNA2007800256571 A CN A2007800256571A CN 200780025657 A CN200780025657 A CN 200780025657A CN 101485033 A CN101485033 A CN 101485033A
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Abstract

在本说明书中公开了一种用于二次电池的电极组件，其中所述电极组件被构造为这样的结构，在该结构中阴极和阳极被弯曲成垂直截面为Z字形——该阴极具有涂覆在一集电器的一主表面上的活性材料层，该阳极具有涂覆在另一集电器的一主表面上的活性材料层-并且将所述阴极和所述阳极相互配合，使得所述电极活性材料层相互面对，同时在所述阴极和所述阳极之间放置一分隔板。根据本发明的电极组件具有简化制造电池的过程的效果，从而减少了制造成本和制造时间，因此提高生产率。

Description

具有新颖叠层结构的用于二次电池的电极组件
技术领域
本发明涉及一种具有新颖叠层结构的用于二次电池的电极组件，更具体而言，涉及一种用于二次电池的电极组件，其中该电极组件被构造为这样的结构，在该结构中阴极和阳极被弯曲为垂直截面为Z字形状，该阴极具有涂覆在一集电器的一主表面上的活性材料层，该阳极具有涂覆在另一集电器的一主表面上的活性材料层，并且将所述阴极和所述阳极相互配合，以使所述电极活性材料层相互面对，同时在所述阴极和所述阳极之间放置一分隔板。
背景技术
随着移动设备的日益发展且对移动设备的需求不断增加，对于作为移动设备的能量来源的电池需求也急剧增加。在这些电池中就有锂二次电池，该锂二次电池有高能量密度和电压、延长的循环寿命和低自放电率，并已商业化且得到广泛使用。
基于电极构造和电解质，锂二次电池可分为锂离子电池、锂离子聚合物电池或锂聚合物电池。在这些电池中，锂离子聚合物电池的使用日益增加，因为锂离子聚合物电池具有低的电解质泄漏可能性、重量轻、制造成本低并且易于构造为多种形状。
构成二次电池且具有阴极/分隔板/阳极结构的电极组件，基于所述电极组件的结构，可通常分为凝胶卷(卷绕)型电极组件或堆叠型电极组件。凝胶卷型电极组件是通过以下步骤制造的：将用作集电器的金属薄片涂以电极活性材料；干燥并且压制该涂好的金属薄片；将该干燥和压制的金属薄片切割成具有预定宽度和长度的带形；使用分隔板将阳极和阴极相互分隔；并螺旋卷绕阳极/分隔板/阴极结构。凝胶卷型电极组件适合于圆柱形电池；然而，凝胶卷型电极组件因电极活性材料可能被分离并且空间利用率很低而不适于棱形电池或袋形电池。另一方面，堆叠型电极组件是一种被构造为这样的结构的电极组件，在该结构中多个单元阴极和阳极一个在另一个上依次堆叠。堆叠型电极组件的优点在于，堆叠型电极组件可被构造为棱形结构；然而，堆叠型电极组件的缺点在于，用来制造堆叠型电极组件的过程即复杂又麻烦，并且当外部冲击力施于堆叠型电极组件时，堆叠型电极组件的电极受到挤压，结果是在堆叠型电极组件中发生短路。
为了解决上述问题，研发了一种重叠型电极组件，即一种被构造为这样的结构的电极组件，在该结构中全电池或双电池一个在另一个上依次堆叠——所述全电池具有预定单元尺寸的阴极/分隔板/阳极结构，所述双电池具有预定单元尺寸的阴极(阳极)/分隔板/阳极(阴极)/分隔板/阴极(阳极)——使得所述阴极朝向相应的阳极，同时在所述全电池或半电池之间放置有一个长的连续分隔薄板。这种重叠型电极组件的实施例在韩国专利申请公开文本No.2001-82058、No.2001-82059和No.2001-82060中被公开，所述专利申请以本专利申请的申请人的名义提交。在图1和图2中清楚地示出了重叠型电极组件的结构，图1和图2是示出用于制造该重叠型电极组件的过程的典型视图。
参考图1和图2，重叠型电极组件10是通过几个步骤制造的，即，切割阴极1、阳极2和分隔板5使得该阴极1、阳极2和分隔板5具有预定尺寸的步骤，依次堆叠该切割的阴极1、阳极2和分隔板5以制造双电池(或全电池)的步骤，使用分隔薄膜7将多个双电池6包起来的步骤，以及电连接从阴极1和阳极2的一侧末端中突出的电极头3和4的步骤。因此，制造过程很复杂，因而增加了制造成本和制造时间。另外，在连接所述电极头3和4的步骤中必须使用一种附加的连接部件，并且需要诸如熔焊等的麻烦工作。因此，进一步增加了制造成本并且增加了电池缺陷的可能性。
鉴于此，提出了一种将电极组件制造为垂直截面为Z字形重叠结构而非堆叠或重叠结构的方法。
例如，日本专利申请公开文本No.2001-160393公开了一种在将诸如双电池或全电池的阴极和阳极堆叠单元附接至分隔薄板的同时折叠分隔薄板成Z字形以制造电极组件的方法。然而，这种制造方法像重叠电极组件一样，需要制造电极堆叠单元的步骤和将电极堆叠单元布置到分隔薄板上的步骤。因此，这种制造方法存在根本缺陷。
另外，韩国专利申请公开文本No.2000-51741公开了一种将电极薄板和分隔板构造为有阴极/分隔板/阳极布置的堆叠结构并将该堆叠结构折叠成Z字形以制造电极组件的方法。这种制造方法的优点在于，与上述日本专利申请公开文本相比，这种制造方法非常简单。然而，有阴极/分隔板/阳极布置的堆叠结构存在一定厚度，结果是很难将该堆叠结构折叠为Z字形。而且，当向该堆叠结构施力以折叠该堆叠结构时，电极活性材料层可能与电极集电器相分离。
因此，非常需要一种在根本上解决上述问题的技术。
发明内容
因此，本发明致力于解决上述问题以及其他待解决的技术问题。
通过大量的、为解决上述问题而进行的广泛深入研究和试验，本发明的发明人发现，当将阴极和阳极预先弯成垂直截面为Z字形状并且将所弯曲的阴极和阳极相互配合，使得电极活性材料层相互面对，同时在所述弯曲的阴极和阳极之间布置一分隔板来制造电极组件时，可简化制造电池的过程，从而减少制造成本和制造时间，因此提高生产率。本发明即基于这些发现完成的。
根据本发明的一方面，可通过提供一种用于二次电池的电极组件来实现上述和其他目标，其中所述电极组件被构造为这样的结构，在该结构中阴极和阳极被弯曲成垂直截面为z字形——该阴极具有涂覆在一集电器的一主表面上的活性材料层，该阳极具有涂覆在另一集电器的一主表面上的活性材料层——并且将所述阴极和阳极相互配合，以使所述电极活性材料层相互面对，同时在所述阴极和所述阳极之间布置一分隔板。
如上所述构造的电极组件的优点在于，该电极组件易于通过非常简单的过程而加以制造，所述过程为将阴极和阳极弯曲成预定形状并将所述阴极和阳极相互配合使得所述阴极和阳极相互重叠。
为了能容易地弯曲阴极和阳极——该阴极具有涂覆在由金属制成的集电器上的活性材料层，该阳极具有涂覆在由金属制成的集电器上的活性材料层——并且为了防止在折叠区域的电极组件的厚度增加，本发明提出了多种结构，将在下面详细描述这些结构。
“折叠区域”是通过将电极弯曲成z字形所形成的边缘区域。沿着弯曲电极的方向(弯曲方向)以预定间隔布置折叠区域。基于两个相邻折叠区域之间的距离，确定电极组件的宽度。
在优选实施方案中，在折叠区域上设置用于使电极能够被容易地弯曲的标记。具体而言，这些标记形成在电极的集电器上。例如，这些标记可包括沿折叠区域以预定间隔隔开的多个孔。
在另一优选实施方案中，不向折叠区域涂抹活性材料，或者向折叠区域稀薄地涂抹活性材料，从而可轻易完成电极的弯曲，并且防止了在折叠区域的电极组件厚度的增加。折叠区域可通过使用图案化涂覆的方法将活性材料层涂抹到集电器而形成。
在根据本发明的电极组件中，分隔板是由绝缘材料制成的薄的多孔薄膜。考虑到在制造电极组件的过程中，分隔板不容易处理这一事实，可在弯曲电极之前，将分隔板热熔焊到阴极或阳极的活性材料层。
通常，堆叠型电极组件包括多个分隔的电极，因此，在所述电极的集电器的一侧末端或两侧末端突出一电极头，使得所述电极相互结合并连接到外部电路，同时在电极头上没有涂覆活性材料。
另一方面，根据本发明，将单个集电器弯曲形成多个重叠的电极。优选的是，尽管针对各自弯曲的电极可形成多个电极头，但是在各电极的一侧或两侧不涂覆预定尺寸的活性材料层，使电极引线可附接至相应电极以完成电连接。
根据本发明的电极组件可变型为多种形状，这些形状将在下面被详细描述。
作为一种优先变型，电极组件可被构造为这样的结构，在该结构中在垂直于弯曲方向的纵向方向(侧向)上分隔板延伸的尺寸等于各个电极宽度的倍数，多个电极相互配合，同时沿着分隔板的纵向方向，在所述电极之间放置分隔板，并且接着沿着分隔板的纵向方向将其折叠。
作为一种优选变型，电极组件可被构造为这样的结构，在该结构中在垂直于弯曲方向的横向方向上分隔板延伸的尺寸长于各个电极的长度，多个电极相互配合，同时在所述电极之间放置分隔板，并且该分隔板的延伸部分覆盖相配合的电极的外表面。在这种情况下，电极优选配合到分隔板的除了该延伸部分之外的剩余区域。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括具有上述构造的电极组件的二次电池。
优选的是，根据本发明的二次电池是锂离子聚合物电池。构成锂离子聚合物二次电池的组件和制造锂离子聚合物二次电池的方法在本发明所属的技术领域中是公知的，因此将不给出有关它们的详细描述。
附图说明
通过以下结合附图的详细说明，将更加清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，在所述附图中：
图1和图2是一个示出了制造传统重叠型电极组件的过程的典型视图；
图3是一个示出了在电极组件装配之前，根据本发明一优选实施方案的电极组件的典型视图；
图4是一个在所述电极组件装配之后，沿图3的A-A线所截取的垂直截面图；
图5是一个示出了可应用在图3的电极组件中的电极的实施例的平面视图；
图6是一个示出了可应用在图3的电极组件中的电极的另一个实施例的平面视图；
图7是一个示出了在所述电极组件装配之前，根据本发明另一优选实施方案的电极组件的典型视图；
图8是一个示出了在所述电极组件装配之前，根据本发明再一个优选实施方案的电极组件的典型视图；并且
图9是一个在所述电极组件装配之后，沿图8的B-B线所截取的垂直截面图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的优选实施方案。然而，应注意到本发明的范围并不局限于所示出的实施方案。
图3是一个示出了在所述电极组件装配之前，根据本发明一优选实施方案的电极组件的典型视图，而图4是一个在所述电极组件装配之后，沿图3的A-A线所截取的垂直截面图。
参考这些附图，电极组件100被构造为这样的结构，在该结构中阴极110和阳极120被弯曲为垂直截面为Z字形——该阴极具有涂覆在集电器111的一个主表面上的活性材料层112，该阳极具有涂覆在集电器121的一个主表面上的活性材料层122——并且将阴极110和阳极120相互配合使得电极活性材料层112和122相互面对，同时在阴极110和阳极120之间放置一分隔板130，其被弯曲成与阴极110和阳极120相同的形状。可在将阴极110和阳极120相互配合之前，将分隔板130弯曲成与阴极110和阳极120相同的形状。可替换性地，考虑到分隔板130的弹性薄膜特征，装配过程可以这样进行，即分隔板130不用预先弯曲，而是在配合阴极110和阳极120的步骤中被自然弯曲。
在阴极110和阳极120的末端形成延伸部分C，电极引线(未示出)连接到该延伸部分上以实现电连接。在延伸部分C的集电器111和121上没有涂活性材料。
而且，阴极110和阳极120分别由金属集电器111和121组成。金属集电器111和121不易弯曲，相应地，折叠区域140可被修改为多种形状。图4到图5是示出电极实施例的平面图，折叠区域的结构可从图4到图5中得到确认。
参考图4和图5，折叠区域可设有包括多个孔的标记160，所述孔沿电极的集电器161的折叠区域以预定间隔分布，或者沿不存在活性材料或当将活性材料层172涂覆到集电器171上时活性材料被稀薄涂抹的区域，以预定间隔分布。
图7是一个示出在所述电极组件装配之前，根据本发明另一优选实施方案的电极组件的典型视图；图8是一个示出了在电极组件装配之前根据本发明再一个优选实施方案的电极组件的典型视图。
首先参考图7，电极组件101包括分隔板180，该分隔板在垂直于弯曲方向x的纵向方向y上具有三倍于电极宽度w的尺寸。而且，电极组件101也可构造为这样的结构，在该结构中三个阴极110和三个阳极120在纵向方向y上相互配合，同时在阴极110和相应的阳极120之间放置所述分隔板180，如图3中所示。可基于电极宽度w沿纵向方向y折叠电极组件101。如图中所示出的，在阴极110和阳极120沿纵向方向y交替布置时，阴极110和阳极120可弯曲成Z字形，使得当电极组件101沿纵向方向y折叠时，具有相反极性的电极相互面对。在这种情况下，分隔板180延伸到一个足够的长度，以使其比图3的分隔板进一步多弯曲半次，使得分隔板180放置在沿纵向方向y弯曲的阴极110和阳极120之间。
参考图8，电极组件102包括一分隔板190，该分隔板190延伸长于沿弯曲方向x的电极长度1。此外，电极组件102被构造为这样的结构，在该结构中阴极110和120相互配合，同时在阴极110和相应的阳极120之间放置一分隔板190，如图3中所示，并且使用分隔板190的延伸部分191覆盖电极110和120的外表面。图9是在电极组件装配后，沿着图8的B-B线所取的垂直截面图，从图9中可易于确认电极组件102的详细结构。
在下文中，将更加详细描述根据本发明的实施例。然而，应注意到本发明的范围不局限于所示的实施例。
实施例1
通过将95重量％的作为阴极活性材料的LiCoO2、2.5重量％的超-P(一种导电介质)、以及2.5重量％的PVdf(一种耦合介质)添加到作为溶剂的NMP来制备阳极混合物悬浮液。正如在图4中所示出的，将阳极混合物悬浮液涂覆到其上形成有标记的铜箔的一个主表面上，然后将其干燥并压制以制造阳极。
使用Cell GuardTM作为分隔板。沿着阴极和阳极的标记区域将阴极和阳极弯曲成垂直截面为Z字形。分隔板也被弯曲成与阴极和阳极相同的形状。阴极和阳极相互配合，使得阴极和阳极的活性材料层相互面对，同时在阴极和阳极之间放置一分隔板以制造电极组件。所制造的电极组件被安装到电池壳中，接着将电解质喷射到电池壳中，从而最终形成一个电池。
对比实施例1
除了将阴极和阳极一个在另一个上堆叠，同时在阴极和阳极之间放置一分隔板，并且所堆叠的阴极、阳极和分隔板被弯曲成Z字形以制造电极组件之外，以与实施例1相同的方式制造电池。
试验实施例1
根据实施例1制造10个电池，根据对比实施例1制造10个电池。在电池的制造过程中，测量从阴极和阳极分离的固态粉末量。结果表明，在根据对比实施例1制造电池的过程中从阴极和阳极中分离的固态粉末量平均是根据实施例1制造电池过程中从阴极和阳极中分离的固态粉末量的180％。对所分离的固态粉末的分析表明，所分离的固态粉末包括电极活性材料、耦合介质和导电介质。对所分离的固态粉末的分析还表明，在根据对比实施例1制造电池过程中，从阴极和阳极中分离出相对大量的电极活性材料。
另外，对如上所述制造的电池进行300-循环充电和放电测试以测量电池的膨胀现象(延伸度)。结果表明，在根据对比实施例1制造的电池中的四个电池发生相对大的膨胀现象。从该结果可推断出，在根据对比实施例1制造电池过程中，没有准确进行阴极、阳极和分隔板的堆叠和弯曲。由于很难在预定位置准确弯曲预定尺寸的阴极/分隔板/阳极结构的电极组件，因此当使用根据对比实施例1的方法时，发生上述不匹配现象的概率很高。
工业应用性
正如从上述描述中显而易见的是，根据本发明的电极组件具有简化制造电池的过程的效果，从而减少制造成本和制造时间，并因此提高生产率。
尽管已出于说明性目的公开了本发明的优选实施方案，在本技术领域的普通技术人员将意识到，可做出多种修改、添加和替换，而在不偏离在附属权利要求中所公开的本发明的范围和主旨。

Claims (9)

1.一种用于二次电池的电极组件，其中所述电极组件被构造为这样的结构，在该结构中阴极和阳极被弯曲成垂直截面为Z字形——该阴极具有涂覆在一集电器的一主表面上的活性材料层，该阳极具有涂覆在另一集电器的一主表面上的活性材料层——并且将所述阴极和所述阳极相互配合，以使所述电极活性材料层相互面对，同时在所述阴极和所述阳极之间放置一分隔板。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述电极的集电器在其折叠区域设有能够使所述集电器容易被弯曲的标记。
3.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述电极的活性材料层是图案化的涂层，以使所述折叠区域上不存在活性材料，或者将所述活性材料稀薄地涂抹到所述折叠区域，从而可容易地实现所述电极的弯曲。
4.根据权利要求1所述的电极组件，其中在弯曲所述电极之前，将所述分隔板热熔焊到所述阴极或所述阳极的活性材料层。
5.根据权利要求1所述的电极组件，其中各个电极的一侧或两侧不涂覆预定尺寸的所述活性材料层，以使电极引线可连接至相应电极。
6.根据权利要求1所述的电极组件，其中在垂直于弯曲方向的纵向方向(侧向)上所述分隔板延伸的尺寸等于各个电极宽度的倍数，并且在纵向方向将多个电极相互配合，然后将其折叠。
7.根据权利要求1所述的电极组件，其中在垂直于弯曲方向的横向方向上所述分隔板延伸得长于各个电极的长度，并且所述分隔板的延伸部分覆盖相配合的电极的外表面。
8.一种二次电池，包括根据权利要求1到7中任一权利要求所述的电极组件。
9.根据权利要求8所述的二次电池，其中所述电池是锂离子聚合物电池。
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