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CN103988356B - 包含具有相同宽度和不同长度的电极单元的电极组件以及包含所述电极组件的电池单元和装置 - Google Patents

包含具有相同宽度和不同长度的电极单元的电极组件以及包含所述电极组件的电池单元和装置 Download PDF

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CN103988356B CN201380003648.8A CN201380003648A CN103988356B CN 103988356 B CN103988356 B CN 103988356B CN 201380003648 A CN201380003648 A CN 201380003648A CN 103988356 B CN103988356 B CN 103988356B
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Abstract

本发明提供一种电极组件、包含所述电极组件的电池单元和包含所述电极组件的装置。所述电极组件包含具有相同宽度和不同长度的两个以上电极单元的组合，其中所述电极单元以在所述电极单元之间形成阶梯部的方式堆叠，且具有不同极性的电极在所述电极单元之间的界面处相互面对。

Description

包含具有相同宽度和不同长度的电极单元的电极组件以及包含所述电极组件的电池单元和装置
技术领域
本发明涉及一种具有阶梯部的电极组件，更特别地，涉及包含具有相同宽度和不同长度的电极单元的电极组件和包含所述电极组件的电池，所述电极单元以在电极单元之间的界面处具有不同极性的电极相互面对的方式来构造。
另外，本发明涉及包含所述电极组件的电池单元、电池组和装置。背景技术
随着移动装置的开发和用途的日益增加，对二次电池的需求急剧增加，特别地，将具有高能量密度、高运行电压、易于储存的特性和相对长寿命的二次电池广泛用作各种电子产品如移动装置中的电源。
通常，通过将电极组件和电解质设置在电池壳中并对电池壳进行密封来形成诸如锂二次电池的二次电池。二次电池，根据其形状可以分为圆柱型、棱柱型和袋型电池，并根据用于其中的电解质的类型可以分为锂离子电池、锂离子聚合物电池和锂聚合物电池。随着移动装置的尺寸减小，对薄的棱柱型或袋型电池的要求提高，特别地，袋型电池由于相对重量轻而值得关注。
容纳在电池壳中的电极组件可以根据其结构而分为卷状物(卷绕)型、堆叠型和堆叠/折叠(组合)型。通常，可以通过如下制造卷状物型电极组件：利用电极活性材料对用作集电器的金属箔进行涂布；对所述金属箔进行压制；将所述金属箔切割成具有期望宽度和长度的带；使用隔离膜将正极和负极隔开；以及以螺旋形状对所述隔离膜进行卷绕。通过将负极、隔膜和正极垂直堆叠可以制造堆叠型电极组件。通过将具有单个电极或负极/隔膜/正极结构的各电极堆放置在隔离膜的长片上，并对所述隔离膜进行折叠，可以制造堆叠/折叠型电极组件。
然而，在相关领域中，电极组件通常通过对具有相同尺寸的单元电池或电极进行堆叠来制造并由此具有受限的形状。因此，在电池设计方面存在许多限制。为了克服这种限制，已经介绍了通过使用具有不同尺寸的电极或单元电池制造具有阶梯部的电池的方法。然而，由于通过将正极板和负极板切割成不同尺寸以形成具有不同尺寸的单元电池并对所述单元电池进行堆叠来制造这种具有阶梯部的电池，所以将电池的层的厚度限制为单元电池的厚度的倍数，由此电池的设计自由度相对低。
此外，相关领域的上述技术仅公开了通过将正极和负极切割成期望尺寸并对正极和负极进行堆叠来改变电池设计的简单理念。即，未公开制造具有实际可用的电池特性的电池的具体方法。例如，尽管具有阶梯部的电池的单元电池不存在单独的操作误差，但根据单元电池的堆叠结构，单元电池可能具有总的操作误差，或者与具有相同体积的电池的容量相比，具有阶梯部的电池的电容量可能非常低。另外，随着充放电循环的重复，具有阶梯部的电池的层之间的界面可能过度溶胀，从而降低电池的寿命并使得难以实际使用所述电池。然而，在相关领域中，未设计具有阶梯部的电池以考虑防止这种问题。
因此，需要高容量、耐用的电极组件以及使用这种电极组件的电池的开发，所述电极组件能够根据其中使用电极组件的装置的形状而不同地设计。
发明内容
技术问题
本发明的方面可以提供一种电极组件和包含所述电极组件的电池单元和装置，所述电极组件具有降低的厚度、提高的电容量特性和对于各种设计的适用性。
技术方案
根据本发明的一方面，电极组件可以包含具有相同宽度和不同长度的两个以上电极单元的组合，其中所述电极单元以在所述电极单元之间形成阶梯部的方式堆叠，且具有不同极性的电极可以在所述电极单元之间的界面处相互面对。
在具有相同宽度和不同长度的两个以上电极单元之间的界面处，相对长的电极单元的负极可以面对相对短的电极单元的正极。
在25℃下进行500个充放电循环之后，电极组件的电容量可以为在一个充放电循环之后测得的电容量的60％以上，且电极组件的总厚度与在一个充放电循环之后测得的总厚度相比可以变化15％以下。为此，在具有不同长度的电极单元之间的界面处相互面对的正极和负极可以平衡。
根据本发明的方面，电极组件可以包含n+1个以上的电极单元，且Nn对Pn之比(Nn/Pn)可以不大于Nn对Pn+1之比(Nn/Pn+1)，其中n表示等于或大于1的整数，Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Pn表示第n长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，且Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。换言之，电极组件可以满足式1。
式1：Nn/Pn≤Nn/Pn+1
如果电极组件包含n+2个以上具有不同长度的电极单元，则Nn对Pn+1之比(Nn/Pn+1)可以不小于Nn对Pn之比(Nn/Pn)且可以不大于Nn+1对Pn+1之比(Nn+1/Pn+1)，其中Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Pn表示第n长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，Nn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量且Pn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。另外，Nn+1对Pn+1之比(Nn+1/Pn+1)可以不大于Nn+1对Pn+2之比(Nn+1/Pn+2)。换言之，如果电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元，则电极组件可以满足式2。
式2：Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤Nn+1/Pn+1≤Nn+1/Pn+2
如果以使得将第(n+2)长的电极单元设置在第n长的电极单元与第(n+1)长的电极单元之间的方式形成包含三种以上具有不同长度的电极单元的电极组件，则Nn+1对Pn+2之比(Nn+1/Pn+2)可以不小于Nn对Pn+2之比(Nn/Pn+2)。换言之，电极组件可以满足式3。
式3：Nn/Pn+2≤Nn+1/Pn+2
根据本发明的另一个方面，电极组件可以包含n+1个以上具有不同长度的电极单元，且dNn对dPn之比(dNn/dPn)可以不大于dNn对dPn+1之比(dNn/dPn+1)，其中dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，且dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度。换言之，电极组件可以满足式4。
式4：dNn/dPn≤dNn/dPn+1
如果电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元，则dNn对dPn+1之比(dNn/dPn+1)可以不小于dNn对dPn之比(dNn/dPn)且可以不大于dNn+1对dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)，其中dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，dNn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的厚度，dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度且dPn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的厚度。另外，dNn+1对dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)可以不大于dNn+1对dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)。换言之，电极组件可以满足式5。
式5：dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤dNn+1/dPn+1≤dNn+1/dPn+2
如果以使得将第(n+2)长的电极单元设置在第n长的电极单元与第(n+1)长的电极单元之间的方式形成包含三种以上具有不同长度的电极单元的电极组件，则dNn+1对dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)可以不小于dNn对dPn+2之比(dNn/dPn+2)。换言之，电极组件可以满足式6。
式6：dNn/dPn+2≤dNn+1/dPn+2
优选地，在电极组件的电极单元之间的界面处相互面对的正极和负极可以具有在约0.5～约2、约0.6～约1.9、约0.8～约1.5或约1.0～约1.5的范围内的负极厚度对正极厚度之比，或所述比例可以为1.0、1.1、1.2、1.3或1.4。
在电极组件的具有不同长度的电极单元之间的界面处负极的单位面积的可逆容量对面对所述负极的正极的单位面积的可逆容量之比可以为约1以上。例如，所述比例可以为约1～约2，约1～约1.5，约1～约1.1，约1～约1.09，约1.5～约2，约1.02～约1.09或约1.05～约1.09。具体地，所述比例可以为1.05、1.06、1.07、1.08或1.09。
如果电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元，在电极单元之间的界面处负极的单位面积的可逆容量对面对所述负极的正极的单位面积的可逆容量之比可以为1或可以随电极单元之间的接触面积减小而增大。
所述电极单元可以包含选自如下的至少一种：单个电极；包含至少一个正极、至少一个负极和至少一个隔膜的至少一个单元电池；及其组合。所述单元电池可以形成为选自如下的类型：卷状物型、堆叠型、层压堆叠型、以及堆叠折叠型。设置在单元电池的两个最外侧上的电极可以具有相同的极性或不同的极性。
电极单元的电极和单元电池可以部分或全部被至少一个隔离膜的长片围绕。
电极单元可以具有各种横断面形状如四边形、具有至少一个弯曲角的四边形、菱形、或具有至少一个弯曲边的形状。
电极组件的电极单元可以具有不同的横断面形状或相同的断面形状。
电极单元可以包含一个或多个电极极耳，且相同极性的电极极耳可以相互电连接。电极极耳可以随电极单元的面积而具有相同的尺寸或不同的尺寸。
在电极组件中，可以以各种方式对具有相同宽度和不同长度的两个以上的电极单元进行堆叠。对电极单元进行堆叠的方法没有限制。例如，可以在从电极组件的下侧到上侧的方向上以长度的倒序或以长度的顺序依次对电极单元进行堆叠，或可以以使得将最长电极单元设置在电极组件中间的方式对电极单元进行堆叠。
在电极组件中，可以以使得电极单元的平面中心点相互对齐或在其间具有预定间隔的条件下布置的方式对电极单元进行堆叠。或者，可以以使得将电极单元的宽边相互对齐的方式布置电极单元。
根据本发明的另一个方面，电池单元可以包含所述电极组件和容纳所述电极组件的电池壳。所述电池壳可以为袋型电池壳。然而，电池壳不限于此。电池壳可以具有与电极组件的形状相对应的形状。电池单元可以为锂离子二次电池或锂离子聚合物二次电池。
根据本发明的另一个方面，装置可以包含至少一个如上所述的这种电池单元。所述装置可以为移动电话、便携式计算机、智能手机、智能平板电脑、上网本、LEV(轻型电动车辆)、电动车辆、混合电动车辆、插电式混合电动车辆或电力储存装置。
根据本发明的方面，可以将装置的系统部件设置在电池单元的剩余空间中。
有益效果
根据本发明，由于电极组件包含两种以上具有不同长度的电极单元，所以电极组件可以不同地设计并可以具有商业要求水平的电容量和耐久性。
另外，由于使在具有不同长度的电极单元的界面处相互面对的正极与负极平衡，所以可以在保持电极组件的容量和耐久性特性的同时相对自由地对形成电极组件的层的电极单元的面积和厚度进行调节，由此可以提高电极组件的设计自由度。因此，使用所述电极组件的装置因电极组件的设计自由高而可具有减少的无效空间和高的空间效率。
附图说明
图1是显示根据本发明示例性实施方案的电极组件的透视图。
图2是显示根据本发明第一实施方案的电极组件的侧视图。
图3是显示根据本发明第二实施方案的电极组件的侧视图。
图4是显示根据本发明第三实施方案的电极组件的侧视图。
图5是显示根据本发明第四实施方案的电极组件的侧视图。
图6是显示根据本发明第五实施方案的电极组件的侧视图。
图7是显示根据本发明示例性实施方案的电极组件的展开图。
图8A和8B是显示根据本发明示例性实施方案的电极极耳的图。
图9A～9D是显示根据本发明实施方案的电极单元的示例性堆叠结构的图。
图10是显示根据本发明示例性实施方案的电池单元的透视图。
图11是显示根据本发明另一个示例性实施方案的电池单元的透视图。
图12是显示根据本发明的实施例1和2以及比较例1和2制造的电极组件在500个充放电循环期间测量的电容量和厚度变化的图。
图13是显示相对于电极单元之间的界面处的负极/正极的可逆容量比的能量密度变化的图。
图14是显示需要电极单元之间的界面处的负极/正极的厚度比的能量密度变化的图。
图15～17是显示层压堆叠型单元电池的实例的视图。
具体实施方式
下文中，将参考附图对本发明的实施方案进行详细说明。将附图并入于此以帮助解释本发明的示例性实施方案，且本发明的实施方案不限于所述附图。在附图中，相同的参考数字表示相同的元件，且某些元件可以放大、缩小尺寸或者出于清晰或简洁而省略。
图1显示根据本发明示例性实施方案的电极组件。参考图1，本实施方案的电极组件包含具有相同宽度(W)和不同长度(L)的两种以上电极单元110、120和130。所述电极单元110、120和130以使得在其间形成阶梯部且在其间的界面处具有不同极性的电极相互面对的方式堆叠。
在本发明中，术语“宽度(W)”是指具有四个边的电极组件的最大的一个电极单元的两个相对短边中各个边的长度，所述四个边为两对相同的相对的边。术语“长度(L)”是指电极单元的宽度边之外的电极单元的两个边中各个边的长度。
另外，术语“电极单元”是指构成具有阶梯部的电极组件的层的基本单元，且各个电极单元可以包含：单个电极如负极或正极；包含至少一个负极、至少一个正极和至少一个隔膜的至少一个单元电池；或其组合。
另外，“单元电池”是包含具有至少一个负极、至少一个正极和至少一个隔膜的电极堆的术语，且对负极、正极和隔膜进行堆叠以形成电极堆的方法没有限制。在本发明中，例如，术语“单元电池”可以指电极堆如：通过利用隔离膜将片型负极和片型正极隔开并以螺旋形状对所述电极进行卷绕而制造的卷状物型电极堆；通过依次堆叠至少一个负极、至少一个隔膜和至少一个正极而制造的堆叠型电极堆；或者通过将各自包含单个电极和/或至少一个正极、至少一个隔膜和至少一个负极的电极堆放置在长片型隔离膜上，并对所述隔离膜进行折叠而制造的堆叠折叠型电极堆。
在本发明中，堆叠型电极堆可以利用常规方法通过依次堆叠正极、隔膜和负极而制得，或者可以通过形成各自包含至少一个正极、至少一个负极和至少一个隔膜的层压物(电极基本单元)并对所述电极基本单元进行堆叠而制得(现在将该方法称作层压堆叠型电极堆或层压堆叠法)。
在层压堆叠型电极堆中，各个电极基本单元的结构没有限制，只要电极基本单元包含至少一个正极、至少一个负极和至少一个隔膜即可。
然而，在工艺简化方面和经济方面，层压堆叠型电极堆的电极基本单元可以具有第一电极/隔膜/第二电极/隔膜或隔膜/第一电极/隔膜/第二电极的基本结构。所述第一和第二电极可以具有不同的极性(例如，第一和第二电极可以为正极和负极)，且层压堆叠型电极堆可以具有一个或多个基本结构。
此外，层压堆叠型电极堆可以仅包含具有上述基本结构的电极基本单元或者可以包含具有上述基本结构的电极基本单元和具有不同结构的电极结构。
图15～17显示通过层压堆叠法形成的电极堆的各种实例。
图15显示包含具有隔膜60/负极50/隔膜60/正极40的基本结构的电极基本单元710的层压堆叠型电极堆。在图15中，显示了隔膜/负极/隔膜/正极的基本结构。然而，可以使用隔膜/正极/隔膜/负极的基本结构。如果电极基本单元的基本结构为如图15中所示的隔膜/负极/隔膜/正极结构，则由这种电极单元形成的电极堆的最外面(最上面)的正极可以不被隔膜覆盖，而是可露出至外部。在此情况中，最外面的正极可以为其露出的面未涂布活性材料以优化电池容量的单面涂布的正极。在图15中，电极基本单元710具有相同的基本结构。然而，本发明的实施方案不限于此。例如，电极基本单元可以具有重复堆叠的两个以上的基本结构。
图16显示包含具有隔膜60/负极50/隔膜60/正极40的基本结构的电极基本单元810和具有隔膜60/负极50/隔膜60结构的电极结构的电极堆。如图16中所示，由于最外面(最上面)的电极结构具有隔膜60/负极40/隔膜50的结构，所以正极可以不露出并由此电池的容量可以提高。在电极基本单元具有露出的最上面的负极的情况中，可以将具有隔膜/正极/隔膜结构的电极结构设置在露出的最上面的负极上以最大化使用最上面的负极的容量。
图17显示包含具有负极50/隔膜60/正极40/隔膜60的基本结构的电极基本单元810'和具有负极50/隔膜60/正极40/隔膜60/负极50结构的电极结构820'的电极堆。在图17中，由于最外面(最上面)的电极结构820'具有负极50/隔膜60/正极40/隔膜60/正极50的基本结构，所以正极可以不露出并由此电池的容量可以提高。
如图16和17中所示，通过层压堆叠法形成的电极堆可以包含具有上述基本结构的电极基本单元。除了电极基本单元之外，电极堆可以还包含单个电极、单个隔膜或具有不同布置和结构的单元电池的组合。例如，在堆叠具有上述基本结构的电极基本单元之后，可以将单个电极、单面涂布的电极、隔膜或具有不同布置和结构的单元电池设置在堆叠的电极单元的一个最外侧上或两个最外侧中的每一侧上，从而覆盖露出的正极并提高电池的容量。在图16和17中的各个图中，将具有不同结构的电极结构设置在电极堆的上侧上。然而，本发明的实施方案不限于此。例如，可以将具有不同结构的电极结构设置在电极堆的下侧上，或可以将具有不同结构的电极结构设置在电极堆的上侧和下侧上。
在本发明的实施方案中，单元电池可以具有结构如正极/隔膜/负极/隔膜/正极结构或负极/隔膜/正极/隔膜/负极结构，从而可以将具有相同极性的电极设置在单元电池的两个最外侧(最上侧和最下侧)上，或单元电池可以具有基本结构如正极/隔膜/负极结构或正极/隔膜/负极/隔膜/正极/隔膜/负极隔膜，从而可以将具有不同极性的电极设置在电极单元的两个最外侧上。
在本发明的实施方案中，术语“堆叠折叠法(堆叠折叠型)”是指将单个电极和/或各自包含至少一个正极、至少一个隔膜和至少一个负极的电极堆放置在隔离膜的长片上，并对所述隔离膜进行折叠的方法。此处，可以通过任意方法来折叠隔离膜。折叠方法的实例包括熟知的折叠法如：对隔离膜的片进行折叠的方法(称作Z折叠或折叠屏风(foldingscreen)法)；对隔离膜的片进行折叠的方法，在所述隔离膜上设置有各自包含至少一个负极、至少一个正极和在其间的至少一个隔膜的电极堆；或者在隔离膜的片的两侧上交替布置单个电极并对隔离膜进行折叠的方法。在本发明中，通过卷状物法制造的单元电池、通过堆叠法制造的单元电池、通过堆叠折叠法制造的单元电池分别指卷状物型单元电池、堆叠型单元电池和堆叠折叠型单元电池。
本发明的实施方案提供各自通过对具有相同宽度(W)和不同长度(L)的两种以上电极单元进行堆叠以在电极组件上形成阶梯部而形成的电极组件，由此使用所述电极组件可以制造与相关领域相比具有多种形状的电池。在本发明的实施方案中，电极单元的长度(L)没有限制，只要在堆叠电极单元时形成阶梯部即可。即，电极单元的长度(L)可以根据电池的设计而自由选择。例如，在本发明的实施方案中，如果两个电极单元中更长的长度为100％，则两个电极单元中更短的长度(L)可以为20％～95％，优选30％～90％。
在本发明的实施方案中，电极组件的电极单元可以具有相同的厚度或不同的厚度。即，电极单元的厚度没有限制。例如，在本发明的实施方案中，具有相对长的长度(L)的电极单元可以比具有相对短的长度(L)的电极单元更薄或更厚。
在本发明的实施方案中，具有不同极性的电极在具有不同长度(L)的电极单元之间的界面处相互面对，从而可以将电力储存在界面中以提高电池的电容量。表述“相互面对”用于表示电极的相互面对布置，包括其中两个电极相互接触的状态和其中将另一个元件如隔膜和/或隔离膜的片设置在相互面对的两个电极之间的其他状态。
根据本发明的实施方案，在包含具有相同宽度(W)和不同长度(L)的两种以上电极单元的电极组件中，相对长的电极单元的负极可以在两个电极单元之间的界面处面对相对短的电极单元的正极。如果以使得将相对长的电极单元的正极设置在电极单元之间的界面处的方式布置具有不同长度(L)的电极单元，则锂可能从正极沉淀而降低电池的寿命或稳定性。
在本发明的实施方案中，电极组件包含具有不同长度的电极单元，且如果需要，所述电极单元可以具有不同的厚度。因此，可以提供各种电池设计。然而，如果仅通过堆叠具有不同长度的电极单元来制造电极组件，则电极组件可能不具有商业要求水平的容量和耐久性，且由于将电极单元的厚度限制为单元电池或单元电极的厚度的倍数，所以在厚度方向上的设计自由度可能受到限制。由此，本发明人对制造具有明显提高的设计自由度、特别是提高的在其厚度方向上的设计自由度以及商业要求水平的输出效率和结构稳定性的电极组件的方式进行了大量研究。结果，本发明人发现，通过调节在具有不同长度的电极单元之间的界面处的平衡可以制造具有提高的容量、耐久性和在其厚度方向上的自由度的电极组件。
表述“调节在具有不同长度的电极单元之间的界面处的平衡”是指对在电极单元之间的界面处相互面对的正极和负极进行优化设计以在预定的循环次数期间获得稳定的输出效率并保持电池的稳定性。例如，通过调节界面正极和负极的容量或厚度可以实现该目的。更详细地，根据本发明的实施方案，可以以如下方式对在具有不同长度的电极单元之间的界面处相互面对的正极和负极进行设计：在25℃下进行500个充放电循环之后，包含电极单元的电极组件的电容量可以为在一个充放电循环之后测得的电容量的60％以上，且电极组件的总厚度与在一个充放电循环之后测得的总厚度相比可以变化15％以下。
在上述中，在如下充电条件(A)和放电条件(B)下对电容量进行测量。另外，充电与放电之间的间隔为10分钟。
充电条件(A)：在1C倍率下以恒流模式充电至4.25V或4.35V的电压，然后以恒压模式充电，直至充电电流达到最小电池容量的1/20。
放电条件(B)：在1C倍率下以恒流模式放电至3V的电压。
通过如下表达式来测量电极组件的厚度变化：(在500个充放电循环之后电极组件的总厚度/在一个充放电循环之后电极组件的总厚度)×100。
通过长期研究，本发明人已经发现，通过将在界面处相互面对的负极与正极的可逆容量调节至特定条件能够使得具有不同长度的电极单元之间的界面平衡。
详细地，根据本发明的实施方案，可以以Nn对Pn之比(Nn/Pn)不大于Nn对Pn+1之比(Nn/Pn+1)的方式由电极单元形成电极组件，其中Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Nn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Pn表示第n长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，且Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。即，电极组件可以满足式1。
式1：Nn/Pn≤Nn/Pn+1
其中n表示等于或大于1的整数。
在式1中，将负极的单位面积的可逆容量定义为单位面积的负极充电容量[mAh/cm2]×负极效率[％]，其中将单位面积的负极充电容量定义为单位面积的负极活性材料负载量[g/cm2]×单位重量的负极充电容量[mAh/g]，并将负极效率定义为100×负极放电容量对负极充电容量之比。另外，将正极的单位面积的可逆容量定义如下：正极活性材料的负载量[g/cm2]×单位重量的正极充电容量[mAh/g]-负极的单位面积的不可逆容量[mAh]。
负极活性材料负载量是涂布在负极集电器上的负极活性材料的单位面积的重量，且正极活性材料负载量是涂布在正极集电器上的正极活性材料的单位面积的重量。另外，正极和负极的单位面积的充电容量、放电容量和不可逆容量可以按下述来测量。
1)正极的单位重量的充电容量
制造了正极半电池，并制备了锂电极以作为对电极。其后，在0.1C倍率下以恒流模式将正极半电池充电至4.25V的电极电压，并测量了正极半电池的电容量。将通过将测得的电容量除以正极半电池的活性材料的重量而得到的值确定为正极的单位重量的充电容量。
2)负极的单位重量的充电容量
制造了负极半电池，并制备了锂电极以作为对电极。其后，在0.1C倍率下以恒流模式将负极半电池充电至1.6V的电极电压，并测量了负极半电池的电容量。将通过将测得的电容量除以负极半电池的活性材料的重量而得到的值确定为负极的单位重量的充电容量。
3)负极的单位重量的放电容量
制造了负极半电池，并制备了锂电极以作为对电极。其后，在0.1C倍率下以恒流模式将负极半电池充电至1.6V的电极电压，然后在0.1C倍率下以恒流模式放电至0V的电极电压。然后，测量了负极半电池的电容量。将通过将测得的电容量除以负极半电池的活性材料的重量而得到的值确定为负极的单位重量的放电容量。
4)负极的单位重量的不可逆容量
将通过将按上述测得的负极的充电容量与放电容量之差除以负极半电池的活性材料的重量而得到的值确定为负极的单位重量的不可逆容量。
根据本发明人进行的研究，尽管对包含具有不同长度的电极单元的电极组件进行设计以适当运行电极单元，但是如果电极单元在其界面处的容量比不满足式1，则电极组件可能不能具有商业要求水平的容量和耐久性。这是关于由常规尺寸的电极单元形成的电极组件未预测的结果。即，当使用具有不同长度的电极单元制造电极组件时，可以考虑相关领域的电极组件所未考虑的其他因素。另外，如果满足式1，则在式1所允许的范围内可以自由选择电极单元的厚度，由此在厚度方向上的设计自由度可以明显提高。
根据本发明的实施方案，当考虑经济方面和单位体积的能量密度时，可优选的是，电极组件的Nn/Pn和Nn/Pn+1等于或大于约1，更优选在约1～约1.2的范围内。然而，本发明的实施方案不限于此。换言之，根据本发明的其他实施方案，电极组件可以满足式1-1，优选式1-2。
式1-1：1≤Nn/Pn≤Nn/Pn+1
式1-2：1≤Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤1.2
其中n、Nn、Pn和Pn+1与式1中所定义的相同。
在本发明的实施方案中，如果电极组件中所包含的具有不同宽度的电极单元的数目为n+2以上(n为等于或大于1的整数)，则Nn对Pn+1之比(Nn/Pn+1)可以不小于Nn对Pn之比(Nn/Pn)且可以不大于Nn+1对Pn+1之比(Nn+1/Pn+1)，其中Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Pn表示第n长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，Nn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量且Pn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。另外，Nn+1对Pn+1之比(Nn+1/Pn+1)可以不大于Nn+1对Pn+2之比(Nn+1/Pn+2)。换言之，如果本发明实施方案的电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元的组合，则电极组件可以满足式2。
式2：Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤Nn+1/Pn+1≤Nn+1/Pn+2
其中n表示等于或大于1的整数。
在本发明的实施方案中，当考虑经济方面和单位体积的能量密度时，可优选的是，电极组件的Nn/Pn、Nn/Pn+1、Nn+1/Pn+1和Nn+1/Pn+2等于或大于约1，更优选在约1～约1.2的范围内。即，本发明实施方案的电极组件可以满足式2-1和式2-2。
式2-1：1≤Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤Nn+1/Pn+1≤Nn+1/Pn+2
式2-2：1≤Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤Nn+1/Pn+1≤Nn+1/Pn+2≤1.2
其中n、Nn、Nn+1、Pn和Pn+1与上述说明中所定义的相同。
在本发明的实施方案中，如果以使得将第(n+2)长的电极单元设置在第n长的电极单元与第(n+1)长的电极单元之间的方式形成包含n+2个以上具有不同长度的电极单元的电极组件，则Nn+1对Pn+2之比(Nn+1/Pn+2)可以不小于Nn对Pn+2之比(Nn/Pn+2)。换言之，如果本发明实施方案的电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元的组合，则电极组件可以满足上式2和式3。
式3：Nn/Pn+2≤Nn+1/Pn+2
其中n表示等于或大于1的整数，Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Nn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量且Pn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。
根据本发明人进行的研究，如果电极组件的正极和负极的可逆容量满足上述条件，则尽管电极单元的长度和厚度不同地变化，但电极组件仍可具有提高的输出效率和结构稳定性。例如，在25℃下进行500个充放电循环之后，电极组件的电容量可以为在一个充放电循环之后测得的电容量的60％以上，且电极组件的总厚度与在一个充放电循环之后测得的总厚度相比可以变化15％以下。
在电极组件的具有不同长度的电极单元之间的界面处负极的单位面积的可逆容量对面对所述负极的正极的单位面积的可逆容量之比可以为1以上，优选1～2、1～1.5、1～1.1、1～1.09、1.5～2、1.02～1.09、1.05～1.09、1.05、1.06、1.07、1.08或1.09。根据本发明人进行的研究，尽管如果在电极单元之间的界面处负极的单位面积的可逆容量对面对所述负极的正极的单位面积的可逆容量之比为1以上则电极单元的面积或厚度相对自由地变化，但是可以获得商业要求水平的电池容量和耐久性。然而，如果负极与正极的单位面积的可逆容量之比小于1，则电池的稳定性和效率可能因溶胀而明显降低。
在本发明的实施方案中，如果电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元的组合，则负极的单位面积的可逆容量对正极的单位面积的可逆容量之比在电极单元之间的界面处可以相等或者可以以与电极单元之间的接触面积成反比的方式增大。例如，如果电极组件包含三个具有不同长度的电极单元(从最长一个到最短一个称作第一到第三电极单元)，设置在第二与第三电极单元之间的界面处的负极与正极的单位面积的可逆容量比可以等于或大于设置在第一与第二电极单元之间的界面处的负极与正极的单位面积的可逆容量比。随着具有不同长度的电极单元数目增大，电极单元之间的界面数增大至两个以上，且如果两个以上的界面不平衡，则电池的稳定性和性能可能因结构变形而降低。根据本发明人进行的研究，当通过对三种以上具有不同长度的电极单元进行组合来形成电极组件时，如果在电极单元之间的界面处负极与正极的单位面积的可逆容量比在上述范围内，则由结构变形造成的电池的稳定性和性能的劣化可以最小化。
作为对具有不同长度的电极单元之间界面处的负极和正极进行平衡的另一种方法，可以将负极与正极的厚度比调节在预定范围内。例如，在本发明的电极组件中，可以将在具有不同长度的电极单元之间的界面处相互面对的负极与正极的厚度比(负极厚度/正极厚度)调节在约0.5～约2、优选约0.7～约1.8、更优选约1.0～约1.4的范围内。如果在电极单元之间的界面处相互面对的负极与正极的厚度比小于0.5，则锂离子可能因负极不足以接收源自正极的锂离子而沉淀，由此电池的性能和容量可能低于设计的预期水平。如果在电极单元之间的界面处相互面对的负极与正极的厚度比大于2，则因为在初始充电期间能够接收锂离子的负极位点增多，所以不可逆容量可能提高，且实际容量可能低于设计容量。另外，由于负极过厚，所以电池的能量密度(电池的效率/密度之比)可能降低，且负极活性材料可能因涂布强度低而分离。
通过使用离子研磨装置(横断面研磨机(CP))对电极组件进行切割并使用SEM对电极组件的横断面进行扫描，可以测量电极组件的负极和正极的厚度。负极和正极各自的厚度包括电极集电器的厚度和电极活性材料层的厚度。例如，包含集电器和形成在所述集电器一侧上的活性材料层的电极的厚度是集电器的厚度与活性材料层的厚度之和，且包含集电器和形成在所述集电器两侧上的活性材料层的电极(即，具有活性材料层/集电器/活性材料层的结构的电极)的厚度是集电器的厚度与活性材料层的厚度之和。
具体地，在根据本发明实施方案的电极组件中，dNn对dPn之比(dNn/dPn)可以不大于dNn对dPn+1之比(dNn/dPn+1)，其中dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，且dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度。换言之，本发明实施方案的电极组件可以满足式4。
式4：dNn/dPn≤dNn/dPn+1
其中n表示等于或大于1的整数。
在本发明的实施方案中，当考虑经济方面和单位体积的能量密度时，电极组件的dNn/dPn和dNn/dPn+1可以为约0.5～约2，优选约0.6～约1.9，更优选约1.0～约1.5。即，本发明实施方案的电极组件可以满足式4-1、式4-2或式4-3。
式4-1：0.5≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤2
式4-2：0.6≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤1.9
式4-3：1.0≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤1.5
在式4-1、4-2和4-3中，dNn、dPn和dPn+1与上述说明中所定义的相同。
在本发明的实施方案中，当电极组件包含n+2个以上具有不同长度的电极单元时，dNn对dPn+1之比(dNn/dPn+1)可以不小于dNn对dPn之比(dNn/dPn)且可以不大于dNn+1对dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)，其中dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，dNn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的厚度，dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度且dPn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的厚度。另外，dNn+1对dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)可以不大于dNn+1对dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)。换言之，如果本发明实施方案的电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元，则电极组件可以满足式5。
式5：dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤dNn+1/dPn+1≤dNn+1/dPn+2
其中n表示等于或大于1的整数。
在本发明的实施方案中，当考虑经济方面和单位体积的能量密度时，电极组件的dNn/dPn、dNn/dPn+1、dNn+1/dPn+1和dNn+1/dPn+2可以为约0.5～约2，优选约0.6～约1.9，更优选约1.0～约1.5。即，本发明实施方案的电极组件可以满足式5-1、式5-2或式5-3。
式5-1：0.5≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤dNn+1/dPn+1≤dNn+1/dPn+2≤2
式5-2：0.6≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤dNn+1/dPn+1≤dNn+1/dPn+2≤1.9
式5-3：1.0≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤dNn+1/dPn+1≤dNn+1/dPn+2≤1.5
在式5-1、5-2和5-3中，dNn、dNn+1、dPn和dPn+1与式5的说明中所定义的相同。
此外，在本发明的实施方案中，如果以使得将第(n+2)长的电极单元设置在第n长的电极单元与第(n+1)长的电极单元之间的方式形成包含三种以上具有不同长度的电极单元的电极组件，则dNn+1对dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)可以不小于dNn对dPn+2之比(dNn/dPn+2)。即，本发明实施方案的电极组件满足上式5并满足式6。
式6：dNn/dPn+2≤dNn+1/dPn+2
其中n表示等于或大于1的整数，dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，dNn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的厚度，dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度且dPn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的厚度。
与调节单位面积的可逆容量比的方法相比，对在电极单元之间的界面处负极与正极的厚度进行调节的上述方法可以更简单。然而，根据电极的规格，仅通过调节电极的厚度可能不能调节电极之间的平衡。在此情况中，当设计电极组件时，也可以调节在电极单元的界面处正极与负极的可逆容量比。然而，在电极单元的电极的规格相同和不同两种情况中，如果负极活性材料的充电容量为正极活性材料的充电容量的约1.5倍～约3倍、优选约1.8倍～约2.5倍，则可以将在电极单元之间的界面处负极与正极的厚度调节在上述范围内以容易地调节界面之间的平衡。
在本发明的实施方案中，对包含在电极组件中的正极与负极的厚度、孔隙率和负载量没有限制，只要电极单元的界面平衡即可。
例如，可以根据诸如电极活性材料种类和电池容量的因素适当选择电极组件的正极和负极的厚度。例如，在本发明实施方案的电极组件中，正极的厚度可以为约50μm～约150μm、约80μm～约140μm或约100μm～约150μm，且负极的厚度可以为约80μm～约200μm、约100μm～约200μm或约100μm～约150μm。
此外，在本发明的实施方案中，电极组件的正极和负极的单位面积的电极活性材料的涂布量(负载量)没有限制，但可以根据诸如电极活性材料种类和电池容量的因素适当选择。例如，在本发明的实施方案中，正极的单位面积的正极活性材料的涂布量可以为约10mg/cm2～约30mg/cm2、约10mg/cm2～约25mg/cm2或约15mg/cm2～约30mg/cm2，且负极的单位面积的负极活性材料的涂布量可以为约5mg/cm2～约20mg/cm2、约5mg/cm2～约15mg/cm2或约10mg/cm2～约20mg/cm2。
另外，正极和负极的孔隙率不限于此，但可以根据电极活性材料和电池容量来适当选择。例如，在本发明的实施方案中，正极的孔隙率可以为约10％～约30％、约15％～约30％或约10％～约25％，且负极的孔隙率可以为约15％～约50％、约20％～约50％或约15％～约40％。
根据本发明人进行的研究，如果电极组件的正极和负极的厚度满足上述条件，则尽管电极单元的长度和厚度不同地变化，但电极组件仍可具有提高的输出效率和结构稳定性。例如，在25℃下进行500个充放电循环之后，电极组件的电容量可以为在一个充放电循环之后测得的电极组件的电容量的60％以上，且电极组件的总厚度与在一个充放电循环之后测得的电极组件的总厚度相比可以变化15％以下。
在本发明的实施方案中，电极组件的电极单元可以不同地组合。下文中，将参考附图根据本发明的实施方案对电极单元的构造进行更详细地说明。图2～5显示根据本发明示例性实施方案的电极组件的电极单元的构造。
图2是沿图1的线A-A'截取的断面图，其中电极组件的电极单元110、120和130由根据本发明实施方案的堆叠型单元电池形成。参考图2，本发明实施方案的电极组件可以包含三种具有不同长度(L)的电极单元110、120和130，且电极单元110、120和130可以包含各自包含正极40、负极50和设置在其间的隔膜60的堆叠型单元电池。例如，电极单元130可以由一个单元电池105形成，且单元电池110或120可以由具有相同宽度(W)和长度(L)的两个单元电池101和102或103和104形成。在图2中，所有电极单元的单元电池都是堆叠型单元电池。然而，本发明的实施方案不限于此。即，在本发明的实施方案中，电极单元可以包含堆叠型单元电池、卷状物型单元电池、堆叠折叠型单元电池、这种单元电池和单个电极的组合、或不同种类的单元电池的组合。
例如，图3是显示根据本发明实施方案的电极组件的横断面图，所述电极组件包含通过将卷状物型单元电池与单个电极组合而形成的电极单元。参考图3，本实施方案的电极组件可以包含两种具有不同长度(L)的电极单元210和220。较短电极单元210可以通过将卷状物型单元电池201和单个电极202组合来形成且较长电极单元220可以由卷状物型单元电池203形成。可以通过对负极片50'、正极片40'和设置在其间的隔膜60'进行卷绕来形成各个卷状物型单元电池201和203。在此情况中，为了电稳定性，负极片50'可以露出至外部，且单个电极202可以为正极。然而，本发明的实施方案不限于此。例如，卷状物型单元电池的正极片可以露出至外部，且露出至外部的正极片的区域可以未涂布正极活性材料(即正极片的未涂布部分可以露出至外部)。
图3显示由卷状物型单元电池和单个电极的组合形成的电极单元和由卷状物型单元电池形成的电极单元。然而，本发明的实施方案不限于此。例如，通过将堆叠型单元电池和/或堆叠折叠型单元电池与单个电极组合可以形成电极单元。在另一个实例中，通过将两种以上的单元电池组合可以形成电极单元。
例如，图4显示根据本发明实施方案的通过将堆叠型单元电池与堆叠折叠型单元电池组合而形成的电极组件。参考图4，本实施方案的电极组件可以包含三种具有不同长度(L)的电极单元310、320和330。最短的电极单元310和最长的电极单元330可以由堆叠型单元电池形成，且电极单元320可以由堆叠折叠型单元电池形成。最短的电极单元310的堆叠型单元电池可以具有负极50/隔膜60/正极40/隔膜60/负极50/隔膜60/正极40的结构。最长的电极单元330的单元电池可以具有负极50/隔膜60/正极40/隔膜60/负极50/隔膜60/正极40/隔膜60/负极50的结构。如上所述，在本发明的实施方案中，设置在单元电池最外侧的电极可以具有不同的极性或相同的极性，且在单元电池中可以包含至少一个正极和/或至少一个负极。电极单元320的堆叠折叠的单元电池可以包含各自包含负极、正极和隔膜且设置在隔离膜70的折叠片上的电极堆。
图5显示根据本发明实施方案的由单个电极形成的电极单元。参考图5，电极组件包含：由单个电极形成的电极单元420；和由一个或多个单元电池401和402形成的电极单元410。
如上所述，根据本发明的实施方案，电极组件的电极单元可以由单个电极、一个或多个单元电池或其组合形成。可以将用于相关领域中的各种单元电池如堆叠型单元电池、卷状物型单元电池、堆叠折叠型单元电池及其组合用作单元电池而无任何限制。除了图2～5中所示的单元电池之外，可以使用各种其他类型的单元电池。即，在本发明的其他实施方案中，可以使用其他类型的单元电池。
此外，根据本发明的其他实施方案，电极组件的电极单元可以部分或全部地被至少一个隔离膜的片围绕。图6显示根据本发明示例性实施方案的电极组件，其中单个电极和电极单元的单元电池部分或全部地被隔离膜的片围绕。参考图6，电极单元510、520和530的单元电池501、502、503、504、505、506和507被隔离膜70的片围绕。在此情况中，可以通过隔离膜70抑制电池的膨胀或溶胀而提高电池的稳定性。在图6中，由虚线表示的隔离膜70的部分可以是不必要的部分。
在图6中，单元电池501、502、503、504、505、506和507被隔离膜70以Z字形方式围绕。然而，本发明的实施方案不限于此。例如，隔离膜片可以绕单个电极和/或单元电池卷绕。
如图7中所示，根据本发明的实施方案，具有相同宽度(W)和不同长度(L)的单元电池601、602、603、604、605、606和607可以放置在隔离膜的片上，并可以对隔离膜进行卷绕以形成电极组件。
尽管图中未显示，但是可以将正极在预定间隔下布置在隔离膜片的一侧上，并且可以将负极布置在隔离膜的另一侧上。然后，可以对隔离膜进行卷绕以形成电极组件。在另一个实例中，可以将负极以其间具有预定间隔的方式布置在隔离膜的一个片上，并且可以将正极以其间具有预定间隔的方式布置在隔离膜的另一个片上。然后，可以对隔离膜的两个片进行卷绕以形成电极组件。除了上述方法之外，根据要形成的电极组件的形状，可以通过其他方法使电极单元部分或全部地被隔离膜围绕。这种方法也可以在本发明实施方案的范围内。
在本发明的实施方案中，用于电极组件的正极、负极和隔膜的材料没有限制。例如，可以使用相关领域中用于形成正极、负极和隔膜的材料。例如，通过使用铜，镍，铝或包含铜、镍和铝中至少一种的合金制备负极集电器，并利用负极活性材料如锂、锂合金、碳、石油焦、活性炭、石墨、硅化合物、锌化合物、钛化合物或其合金对负极集电器进行涂布，可以制造负极。例如，通过使用铝，镍，铜或包含铝、镍和铜中的至少一种的合金制备正极集电器，并利用正极活性材料如锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂铁磷酸盐、或者包含其至少一种的复合物或混合物对正极集电器进行涂布，可以制造正极。此时，涂布有活性材料的相同单元电池的正极和负极的部分可以具有相同的面积或不同的面积。例如，图2的各单元电池的负极和正极具有相同的活性材料涂布面积，且图4的各单元电池的负极和正极具有不同的活性材料涂布面积。电极活性材料可以涂布在集电器的两侧上或可以仅涂布在集电器的一侧上以形成未涂布部分。
另外，各个隔膜可以为由具有细孔的材料如聚乙烯、聚丙烯或其组合形成的多层膜。在另一个实例中，各个隔膜可以为用于固体或凝胶型聚合物电解质的聚合物膜如聚偏二氟乙烯膜、聚环氧乙烷膜、聚丙烯腈膜或聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯膜。
在本发明的实施方案中，电极组件的电极单元可以包含至少一个电极极耳。例如，由单个电极形成的电极单元(例如图5的电极单元420)可以包含单个电极极耳，且包含单元电池的电极单元可以包含负极极耳和正极极耳。在将电极单元插入电池壳中之后，相同极性的电极极耳可以相互电连接。在本发明的实施方案中，电极极耳的面积或布置没有限制。然而，电极单元的电极极耳可以形成在各电极单元的四个边的相同边上。例如，电极极耳可以形成在电极单元的宽端或长端上。如果电极极耳形成在电极单元的长端上，则电极极耳可以布置在最短电极单元的长度内。
此外，在本发明的实施方案中，电极极耳可以不同地位于电极单元上。例如，相同极性的电极极耳可以部分或全部地相互重叠。在相关领域中，通常，相同极性的电极极耳相互完全重叠，从而在将电极组件插入电池壳中之后易于连接电极极耳。然而，如果堆叠多个电极，则连接的电极极耳可能具有大的厚度。在此情况中，电极极耳可能不能牢固地连接。如果电极极耳部分重叠，则可防止该问题。
根据本发明的实施方案，具有不同面积的电极极耳可以相互部分重叠以提高电极极耳之间的结合特性并最大化电池的电容量。图8显示根据本发明实施方案的电极组件的示例性电极极耳。参考图8，电极组件包含随电极单元而具有不同面积的电极极耳10、20和30，且电极极耳10、20和30可以以重叠方式布置。
根据本发明的实施方案，各电极单元可以包含两个相同的边和另外两个相同的边。例如，根据本发明的实施方案，电极单元可以具有四边形形状如矩形、正方形、平行四边形和菱形。另外，可以对各电极单元的至少一个角进行倒角或圆化，且各电极单元的至少一个边可以呈弯曲形状。另外，根据本发明的其他实施方案可以使用具有其他各种形状的电极单元。
在本发明的实施方案中，电极组件可以包含具有相同形状的电极单元或可以如图11中所示包含具有不同形状的电极单元。通过使用具有这种各种形状的电极单元可以提供具有各种形状的电池，且如果使用这种电池则可以有效利用空间。
根据本发明的实施方案，如图9A～9D中所示，具有相同宽度(W)和不同长度(L)的两个以上的电极单元可以不同地布置而形成电极组件。对电极单元进行堆叠的方法没有限制。例如，参考图9A，以使得电极单元的长度在从电极组件的下侧到顶侧的方向上下降的方式对电极组件的电极单元进行堆叠。参考图9B，以使得电极单元的长度在从电极组件的下侧到顶侧的方向上增大的方式对电极组件的电极单元进行堆叠。参考图9C，以使得最长电极单元设置在电极组件的中间层中的方式对电极组件的电极单元进行堆叠。
在图9A中所示的实施方案中，可以将电极单元的平面中心点相互对齐。在图9D中所示的实施方案中，可以将电极单元的平面中心点在其间存在预定间隔的条件下布置，并可以将电极单元的宽边相互对齐。
另外，可以根据本发明的其他实施方案以各种方式布置电极单元。
接下来，将根据本发明的实施方案对电池单元进行说明。图10和11显示根据本发明实施方案的电池单元900。参考图10和11，通过将电极组件100设置在电池壳910中而形成各电池单元900。
电池壳910可以为具有与电极组件100的形状相对应的形状的袋型壳。然而，电池壳910不限于此。
袋型壳可以由包含外树脂层、用于防止杂质透过的阻挡金属层和内密封树脂层的层压片形成。然而，袋型壳不限于此。
用于连接电极组件100的电极单元的电极端子的电极引线920和930可以露出在电池壳910的外表面上，并可以将绝缘膜(未示出)连接到电极引线920和930的顶侧和底侧以保护电极引线920和930。
电池壳910可以具有与电极组件100的形状相对应的形状。例如，电池壳910可以变形为与电极组件100的形状相对应的形状。电池壳910可以不具有与电极组件100的形状和尺寸确切相同的形状和尺寸。然而，电池壳910可以具有适用于防止电极组件100滑动并防止电极组件100短路的形状和尺寸。然而，电池壳910的形状和尺寸不限于此。即，电池壳910的形状和尺寸可以随例如应用条件而变化。
电池单元900可以为锂离子电池单元或锂离子聚合物电池单元。然而，电池单元900不限于此。
根据本发明的实施方案，电池单元可以单独使用或可以以包含至少一个电池单元的电池组的形式使用。根据本发明的实施方案，这种电池单元和/或电池组可以用于各种装置如移动电话、便携式计算机、智能手机、智能平板电脑、上网本、轻型电动车辆(LEV)、电动车辆、混合电动车辆、插电式混合电动车辆或电力储存装置中。这种装置的结构和构造方法在本领域内是熟知的，由此省略其说明。
当将电池单元或电池组放置在这种装置中时，可以将装置的系统部件设置在由于电池单元或电池组的结构而剩余的空间中。根据本发明的实施方案，电池单元或电池组包含一个阶梯电极组件或具有不同尺寸的多个阶梯电极组件，且根据一个电极组件或多个电极组件的形状使电池单元或电池组的一个或多个电池壳成形。因此，与相关领域的使用棱柱形或椭圆形电池单元或电池组的装置的情况相比，使用电池单元或电池组的装置的空间能够节省。可以将装置的系统部件设置在节省的空间中。在此情况中，系统部件和电池单元或电池组可以柔性设置在装置中，由此能够有效使用装置的空间。此外，装置的厚度或体积可以降低以使得装置变细。
实施例
下文中，将对本发明的实施例进行说明。如下实施例仅用于示例性目的且不用于限制本发明的实施方案的范围。
制造例1：正极(A)
将用作正极活性材料的LiCoO2和用作粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVDF)进行混合并溶于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中以制备正极糊膏。将所述正极糊膏涂布到铝箔集电器的两侧上并在150℃的烘箱中干燥。然后，对涂布有正极糊膏的集电器进行压制以形成正极(A)。正极(A)的厚度为100μm，孔隙率为21％，且可逆容量为335mAh。
制造例2：正极(B)
除了正极(B)的厚度为110μm之外，以与制造例1中相同的方式制造了正极(B)。正极(B)的厚度为110μm，孔隙率为21％，且可逆容量为375mAh。
制造例3：负极(A)
将天然石墨和人造石墨的共混物用作负极活性材料，并将丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)用作粘合剂。将负极活性材料和粘合剂进行混合并溶于蒸馏水中以制备负极糊膏。将所述负极糊膏涂布到铜箔集电器的两侧上并在100℃的烘箱中干燥。然后，对涂布有负极糊膏的集电器进行压制以形成负极(A)。负极(A)的厚度为105μm，孔隙率为27％，且可逆容量为348mAh。
制造例4：负极(B)
除了负极(B)的厚度为108μm之外，以与制造例3中相同的方式制造了负极(B)。负极(B)的厚度为105μm，孔隙率为27％，且可逆容量为359mAh。
制造例5：负极(C)
除了负极(C)的厚度为118.8μm之外，以与制造例3中相同的方式制造了负极(C)。负极(C)的厚度为118.8μm，孔隙率为27％，且可逆容量为400mAh。
制造例6：负极(D)
除了负极(D)的厚度为90μm之外，以与制造例3中相同的方式制造了负极(D)。负极(D)的厚度为90μm，孔隙率为27％，且可逆容量为294mAh。
制造例7：负极(E)
除了负极(E)的厚度为140μm之外，以与制造例3中相同的方式制造了负极(E)。负极(E)的厚度为140μm，孔隙率为27％，且可逆容量为465mAh。
实施例1
将正极(A)和负极(A)切割成100mm×150mm，并在其间插入隔膜的条件下进行堆叠以形成电极单元。然后，通过将正极(A)和负极(A)切割成100mm×120mm并在其间插入隔膜的条件下对正极和负极(A)进行堆叠，形成相对小面积的电极单元。对相对大面积的电极单元和相对小面积的电极单元进行堆叠以形成电极组件。
实施例2
将正极(A)和负极(A)切割成100mm×150mm，并在其间插入隔膜的条件下进行堆叠以形成电极单元。然后，通过将正极(A)和负极(B)切割成100mm×120mm并在其间插入隔膜的条件下对正极(A)和负极(B)进行堆叠，形成相对小面积的电极单元。对相对大面积的电极单元和相对小面积的电极单元进行堆叠以形成电极组件。
比较例1
将正极(A)和负极(B)切割成100mm×150mm，并在其间插入隔膜的条件下进行堆叠以形成电极单元。然后，通过将正极(B)和负极(C)切割成100mm×120mm并在其间插入隔膜的条件下对正极(B)和负极(C)进行堆叠，形成相对小面积的电极单元。对相对大面积的电极单元和相对小面积的电极单元进行堆叠以形成电极组件。
比较例2
将正极(A)和负极(D)切割成100mm×150mm，并在其间插入隔膜的条件下进行堆叠以形成电极单元。然后，通过将正极(A)和负极(A)切割成100mm×120mm并在其间插入隔膜的条件下对正极(A)和负极(A)进行堆叠，形成相对小面积的电极单元。对相对大面积的电极单元和相对小面积的电极单元进行堆叠以形成电极组件。
在表1和2以及实验例1和3中，术语“大面积的电极单元”是指具有相对长长度的电极单元，且术语“小面积的电极单元”是指具有相对短长度的电极单元。
[表1]
E：实施例；CE：比较例；P：正极；N：负极
实验例1
在电极组件经历500个充放电循环之后，对实施例1和2以及比较例1和2的电极组件的电容量和厚度变化进行测量。
在如下充电条件和放电条件下对电容量进行测量，并在10分钟的间隔下实施充放电。
(1)充电条件(A)：在1C倍率下以恒流模式充电至4.2V或4.35V的电压，然后以恒压模式充电，直至充电电流达到最小电池容量的1/20
(2)放电条件(B)：在1C倍率下以恒流模式放电至3V的电压
通过每一个充放电循环之后测量电极组件的厚度，对电极组件的厚度变化进行测量。
将测量结果示于图12中。参考图12，在根据本发明的实施例1和2制造的电极组件的情况中，在500个充放电循环之后测得的电容量为在一个充放电循环之后测得的电容量的80％以上，且厚度变化为10％以下。然而，在比较例1和2的电极组件的情况中，电容量和厚度变化在400个循环到500个循环期间发生明显变化。
实验例2
将正极(A)和负极(E)切割成100mm×120mm，并在其间插入隔膜的条件下进行堆叠以形成小面积的电极单元。
然后，除了负极1～8的厚度发生变化之外，以与制造例3中相同的方式制造了负极1～8，如表2中所示。负极1～8具有如表2中所示的可逆容量。其后，将正极(A)和负极1～8切割成100mm×150mm，并在其间插入隔膜的条件下进行堆叠，从而形成大面积的电极单元1～8。
然后，将小面积的电极单元分别放置在大面积的电极单元1～8上，从而形成电极组件1～8。
[表2]
EA：电极组件；N：负极；P：正极
在如下充电和放电条件下将电极组件1～8充电并放电一次，并测量其电容量和电压。将测得的电容量和电压相乘以计算电能值。其后，
将计算的电能值除以电极组件1～8的体积以计算单位体积的能量密度。
(1)充电条件(A)：在1C倍率下以恒流模式充电至4.2V或4.35V的电压，然后以恒压模式充电，直至充电电流达到最小电池容量的1/20
(2)放电条件(B)：在1C倍率下以恒流模式放电至3V的电压
(3)另外，在10分钟的间隔下实施充电和放电。
将测量结果示于图13和14中。图13是显示相对于在电极单元之间的界面处负极的单位面积的可逆容量对正极的单位面积的可逆容量之比的能量密度变化的图。图14是显示相对于在电极单元之间的界面处负极对正极的厚度之比的能量密度变化的图。
参考图13，当在电极单元之间的界面处负极的单位面积的可逆容量对正极的单位面积的可逆容量之比在约1～约1.5、特别是约1～约1.2的范围内时，单位体积的能量密度高。如图12中所示，如果可逆容量比为1以下，则可以获得商业水平的能量密度。然而，在此情况中，电极组件的电容量明显降低，且如实验例1中的说明中所述，电极组件的厚度发生明显变化。商业化可能困难。
参考图14，当在电极单元之间的界面处负极对正极的厚度之比在约0.5～约2的范围内时，单位体积的能量密度达到300Wh/l以上的商业要求水平。当厚度比在约0.6～约1.9的范围内时，单位体积的能量密度达到350Wh/l以上的高水平。特别地，当厚度比在约0.8～约1.5的范围内时，单位体积的能量密度达到400Wh/l以上的非常高的水平。
附图标记
10，20，30：电极极耳
40，40’：正极
50，50’：负极
60，60’：隔膜
70，670’：隔离膜
100：电极组件
110，120，130，310，320，330，410，420，510，520，530：电极单元
900：电池单元
910：电池壳
920，930：电极引线

Claims (34)

1.一种电极组件，包含具有相同宽度和不同长度的两个以上电极单元的组合，
其中所述电极单元以在所述电极单元之间形成阶梯部的方式堆叠，
正极和负极在所述电极单元之间的界面处相互面对，且
所述电极组件满足式1-1和式2：
式1-1：1≤Nn/Pn≤Nn/Pn+1
式2：Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤Nn+1/Pn+1≤Nn+1/Pn+2
其中n表示等于或大于1的整数，
Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，
Nn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，
Pn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，
Pn表示第n长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，且
Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。
2.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件满足式1-2：
式1-1：1≤Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤1.2
其中n表示等于或大于1的整数，
Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，
Pn表示第n长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，且
Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。
3.如权利要求1所述的电极组件，其中在具有相同宽度和不同长度的所述电极单元之间的界面处，相对长的电极单元的负极面对相对短的电极单元的正极。
4.如权利要求1所述的电极组件，其中在充电条件(A)和放电条件(B)下在25℃下进行500个充放电循环之后，所述电极组件的电容量为在一个充放电循环之后测得的电容量的60％以上，且所述电极组件的总厚度与在一个充放电循环之后测得的总厚度相比变化15％以下，
其中在所述充电条件(A)中，在1C倍率下以恒流模式将所述电极组件充电至4.2V或4.35V的电压，然后以恒压模式向所述电极组件供应电流，直至所述电流达到电池最小容量的1/20，且
在所述放电条件(B)中，在1C倍率下以恒流模式将所述电极组件放电至3V的电压。
5.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件满足式2-1：
式2-1：1≤Nn/Pn≤Nn/Pn+1≤Nn+1/Pn+1≤Nn+1/Pn+2
其中n表示等于或大于1的整数，
Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，
Nn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，
Pn表示第n长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，
Pn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量，且
Pn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。
6.如权利要求1所述的电极组件，其中将所述第(n+2)长的电极单元设置在所述第n长的电极单元与所述第(n+1)长的电极单元之间，
其中所述电极组件满足式3：
式3：Nn/Pn+2≤Nn+1/Pn+2
其中n表示等于或大于1的整数，
Nn表示第n长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，
Nn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的单位面积的可逆容量，且
Pn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的单位面积的可逆容量。
7.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件满足式4：
式4：dNn/dPn≤dNn/dPn+1
其中n表示等于或大于1的整数，
dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，
dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，且
dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度。
8.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件满足式4-1：
式4-1：0.5≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤2
其中n表示等于或大于1的整数，
dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，
dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，且
dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度。
9.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件满足式5：
式5：dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤dNn+1/dPn+1≤dNn+1/dPn+2
其中n表示等于或大于1的整数，
dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，
dNn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的厚度，
dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，且
dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度，且
dPn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的厚度。
10.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件满足式5-1：
式5-1：0.5≤dNn/dPn≤dNn/dPn+1≤dNn+1/dPn+1≤dNn+1/dPn+2≤2
其中
n表示等于或大于1的整数，
dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，
dNn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的厚度，
dPn表示第n长的电极单元的正极的厚度，且
dPn+1表示第(n+1)长的电极单元的正极的厚度，且
dPn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的厚度。
11.如权利要求9所述的电极组件，其中将所述第(n+2)长的电极单元设置在所述第n长的电极单元与所述第(n+1)长的电极单元之间，
其中所述电极组件满足式6：
式6：dNn/dPn+2≤dNn+1/dPn+2
其中n表示等于或大于1的整数，
dNn表示第n长的电极单元的负极的厚度，
dNn+1表示第(n+1)长的电极单元的负极的厚度，且
dPn+2表示第(n+2)长的电极单元的正极的厚度。
12.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件包含三种以上具有不同长度的电极单元，
其中在所述电极单元之间的界面处负极的单位面积的可逆容量对面对所述负极的正极的单位面积的可逆容量之比为1或随所述电极单元之间的接触面积减小而增大。
13.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极单元包含：
单个电极；
包含至少一个正极、至少一个负极和至少一个隔膜的至少一个单元电池；或
它们的组合。
14.如权利要求13所述的电极组件，其中所述单元电池具有选自如下的类型：卷状物型、堆叠型、层压堆叠型以及堆叠折叠型。
15.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极单元的电极和单元电池部分地或全部地被至少一个隔离膜长片围绕。
16.如权利要求13所述的电极组件，其中设置在所述单元电池的两个最外侧上的电极具有相同的极性。
17.如权利要求13所述的电极组件，其中设置在所述单元电池的两个最外侧上的电极具有不同的极性。
18.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极单元各自具有：矩形断面形状、具有至少一个弯曲角的矩形断面形状或具有至少一个弯曲边的断面形状。
19.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极单元具有相同的断面形状。
20.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极单元包含一个或多个电极极耳，且
所述电极极耳以使得相同极性的电极极耳相互重叠的方式堆叠。
21.如权利要求20所述的电极组件，其中所述电极极耳具有不同的尺寸。
22.如权利要求1所述的电极组件，其中以使得在从所述电极组件的下侧到上侧的方向上所述电极单元的长度下降的方式布置所述电极单元。
23.如权利要求1所述的电极组件，其中以使得在从所述电极组件的下侧到上侧的方向上所述电极单元的长度增大的方式布置所述电极单元。
24.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极单元的最长电极单元设置在所述电极组件的中间层中。
25.如权利要求1所述的电极组件，其中以使得所述电极单元的平面中心点相互对齐的方式布置所述电极单元。
26.如权利要求1所述的电极组件，其中以使得在其间具有预定间隔的条件下布置所述电极单元的平面中心点的方式布置所述电极单元。
27.如权利要求1所述的电极组件，其中以使得所述电极单元的宽边相互对齐的方式布置所述电极单元。
28.一种电池单元，包含：
权利要求1的电极组件；和
容纳所述电极组件的电池壳。
29.如权利要求28所述的电池单元，其中所述电池壳为袋型电池壳。
30.如权利要求28所述的电池单元，其中所述电池壳具有与所述电极组件的形状相对应的形状。
31.如权利要求28所述的电池单元，其中所述电池单元为锂离子二次电池。
32.一种装置，包含至少一个如权利要求28所述的电池单元。
33.如权利要求32所述的装置，其中所述装置的系统部件设置在所述电池单元的剩余空间中。
34.如权利要求33所述的装置，其中所述装置为移动电话、便携式计算机、智能手机、电动车辆或电力储存装置。
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