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CN113728456B - 二次电池的电极及制造二次电池的电极的方法 - Google Patents

二次电池的电极及制造二次电池的电极的方法 Download PDF

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CN113728456B CN202080030002.9A CN202080030002A CN113728456B CN 113728456 B CN113728456 B CN 113728456B CN 202080030002 A CN202080030002 A CN 202080030002A CN 113728456 B CN113728456 B CN 113728456B
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Abstract

本公开内容涉及一种二次电池的电极及制造二次电池的电极的方法。根据本公开内容一个实施方式的二次电池的电极包括：包括涂覆部分和未涂覆部分的电极集流体；和位于电极集流体的涂覆部分上的活性材料层，其中在未涂覆部分的表面上形成有凹陷部分，并且在凹陷部分的表面上形成有塑性变形层。

Description

二次电池的电极及制造二次电池的电极的方法
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求在韩国知识产权局于2019年12月5日提交的韩国专利申请第10-2019-0160898号以及于2020年10月30日提交的韩国专利申请第10-2020-0143369号的权益，通过引用将该韩国专利申请的整个公开内容结合在此。
本公开内容涉及一种二次电池的电极及制造二次电池的电极的方法，更具体地，涉及一种提高未涂覆部分的抗应力性的用于二次电池的辊压装置和辊压方法。
背景技术
可通过将由正极板、负极板和隔膜构成的电极组件插入到壳体中，然后密封壳体来形成二次电池。可通过在正极导电集流体或负极导电集流体上将活性材料浆料涂覆至预定厚度来构成正极板或负极板(下文中，称为“电极板”)，通过在正极板与负极板之间插入隔膜并将电极板以果冻卷型卷绕多次或者将电极板以多层层压来形成电极组件。
电极板可由涂覆有活性材料浆料的活性材料涂覆层、和未涂覆部分形成。活性材料涂覆层可经受辊压工序，以增加对电极集流体的粘附性并增加活性材料的体积密度。被辊压的电极板在干燥之后可通过穿过具有一定宽度的切割器被切割成预定尺寸来使用。
辊压工序具有其中由于在辊压电极板时涂覆层与未涂覆部分之间的厚度差异而发生压缩偏差的问题。由于这种偏差，会发生电极集流体的不平衡的塑性变形，从而导致残余应力。特别是，拉伸残余应力会引起疲劳耐久性的降低和部件的断裂强度的降低。
图1是示出使用常规辊压装置的辊压工序的示意图。图2是示出辊压之后的电极板的平面图。
参照图1，可执行通过辊压辊10辊压形成在电极集流体20上的涂覆层30和未涂覆部分40的辊压工序。此时，压力集中在涂覆层30上，如图2中所示，涂覆部分30P的拉伸程度与未涂覆部分40的拉伸程度之间产生差异，在未涂覆部分40中可产生褶皱。由于在辊压期间产生的未涂覆部分40的褶皱，在随后的工序中会发生诸如电极断开之类的工序缺陷。特别是，在涂覆部分30P与未涂覆部分40之间的界面处残留较高的拉伸残余应力时，电极可由于收缩和膨胀而持续接收弱应力，会变得易于断裂。
发明内容
技术问题
本公开内容的目的是提供一种提高未涂覆部分(non-coated portion)的抗应力性的二次电池的电极及制造二次电池的电极的方法。
然而，本公开内容的实施方式要解决的问题不限于上述问题，可在本公开内容包括的技术构思的范围内进行各种扩展。
技术方案
根据本公开内容的一个实施方式，提供了一种制造二次电池的电极的方法，包括以下步骤：将活性材料涂覆到电极集流体上，以形成涂覆部分和未涂覆部分；和对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力，其中对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤包括：对所述未涂覆部分的表面执行喷丸(peening)工序的步骤。
在沿所述电极集流体的移动方向执行的辊压(roll)工序之前执行对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤，所述辊压工序可包括以下至少一个工序：辊压所述电极集流体的所述涂覆部分和所述未涂覆部分的工序、以及将所述电极集流体的所述涂覆部分和所述未涂覆部分开槽的工序。
对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤可包括执行弹喷丸(shotpeening)工序的步骤。
执行所述弹喷丸工序的步骤可包括：在所述未涂覆部分的表面上形成凹陷部分的步骤。
在所述凹陷部分的表面上形成塑性变形层，使得所述塑性变形层具有压缩残余应力，并且位于所述塑性变形层之外的所述未涂覆部分的内部具有拉伸残余应力。
对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤可包括执行超声喷丸(ultrasonic peening)工序的步骤。
执行所述超声喷丸工序的步骤可包括在所述未涂覆部分的表面上形成凹陷部分的步骤。
在对所述未涂覆部分的表面执行所述喷丸工序的步骤之后，所述制造二次电池的电极的方法可进一步包括对所述电极集流体热处理的步骤。
根据本公开内容的另一个实施方式，提供了一种二次电池的电极，包括：包括涂覆部分和未涂覆部分的电极集流体；和位于所述电极集流体的所述涂覆部分上的活性材料层，其中在所述未涂覆部分的表面上形成有凹陷部分，并且在所述凹陷部分的表面上形成有塑性变形层。
所述二次电池的电极进一步包括位于所述凹陷部分的表面上的塑性变形层，其中所述塑性变形层可具有压缩残余应力，并且位于所述塑性变形层之外的所述未涂覆部分的内部具有拉伸残余应力。
有益效果
根据本公开内容的实施方式，通过在电极辊压和/或开槽工序之前对未涂覆部分的表面施加压缩残余应力，可提高材料的疲劳耐久性和断裂强度并且可提高抗应力性。因此，可减少由于在电极与未涂覆部分之间的界面处的疲劳断裂(Fatigue fracture)而引起的断裂的发生。
附图说明
图1是示出使用常规辊压装置的辊压工序的示意图。
图2是示出辊压之后的电极板的平面图。
图3是示出根据本公开内容一个实施方式的辊压装置的透视图。
图4是示意性示出从正面观察图3的辊压装置的状态的示图。
图5是示出根据本公开内容一个实施方式的开槽装置的示意图。
图6是示出图4和图5的喷丸(Peening)工序的示意性剖面图。
图7是示出根据本公开内容实施方式的弹喷丸(Shot Peening)工序的透视图。
图8是示出通过图7的弹喷丸工序形成凹陷部分的状态的剖面图。
图9是示出根据本公开内容实施方式的老化(aging)工序的示意性剖面图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的各实施方式，使得本领域技术人员能够容易地实现它们。本公开内容可以以各种不同的方式修改，不限于在此阐述的实施方式。
将省略与描述无关的部分，以清楚地描述本公开内容，并且在整个申请中相似的参考标号表示相似的元件。
此外，在附图中，为了便于描述，任意地示出了每个元件的尺寸和厚度，本公开内容不必限于附图中示出的那些。在附图中，为了清楚起见，夸大了层、区域等的厚度。在附图中，为了便于描述，一些层和区域的厚度被夸大地示出。
此外，将理解的是，当诸如层、膜、区域或板之类的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，所述元件可直接在所述另一元件上或者也可存在中间元件。相反，当一元件被称为“直接在”另一元件“上”时，这意味着不存在其他中间元件。此外，词语“在……上”或“在……上方”是指设置在基准部分上方或下方，并不一定是指设置在基准部分的朝向重力的相反方向的上端。
此外，在整个申请中，当一部分被称为“包括”某一部件时，这意味着该部分可进一步包括其他部件，而不排除其他部件，除非另有说明。
此外，在整个申请中，当被称为“平面”时，是指当从上侧观看目标部分时，当被称为“剖面”时，是指当从垂直切割的横截面的一侧观看目标部分时。
图3是示出根据本公开内容一个实施方式的辊压装置的透视图。
参照图3，根据本公开内容一个实施方式的制造二次电池的电极的方法包括以下步骤：将活性材料涂覆到电极集流体300上，以形成涂覆部分400和未涂覆部分500；以及对未涂覆部分500的表面施加压缩残余应力。此时，对未涂覆部分500的表面施加压缩残余应力的步骤包括：对未涂覆部分500的表面执行喷丸(peening)工序的步骤。当对未涂覆部分500的表面执行喷丸工序时，期望使未涂覆部分500的表面上的物理变形最小化。就是说，必须通过诸如经由喷丸工序的淬火之类的作用对未涂覆部分500的表面施加压缩残余应力，这与施加拉力不同。根据本实施方式，通过喷丸工序，未涂覆部分500的表面上没有物理变化，或者即使有物理变化，该变化也可均匀地发生。
在沿电极集流体300的移动方向执行的辊压(roll)工序之前执行对未涂覆部分500的表面施加压缩残余应力的步骤，辊压工序可包括以下至少一个工序：辊压电极集流体300的涂覆部分400和未涂覆部分500的工序、以及将电极集流体300的涂覆部分400和未涂覆部分500开槽的工序。
图4是示意性示出从正面观察图3的辊压装置的状态的示图。图5是示出根据本公开内容一个实施方式的开槽装置的示意图。
参照图3和图4，根据本公开内容实施方式的电极辊压装置100包括：退绕电极板250的第一辊101，电极板250具有在电极集流体300上形成有涂覆材料的涂覆部分400和对应于未涂覆的部分的未涂覆部分500；卷绕电极板250的第二辊102；以及辊压辊109，辊压辊109位于第一辊101与第二辊102之间并且沿电极板250的移动方向辊压电极板250的涂覆部分400和未涂覆部分500。未涂覆部分500可指除了形成在电极集流体300上的涂覆部分400以外的区域。
第一辊101将待辊压的电极板250提供到辊压装置100，并且根据顺时针旋转沿图4的箭头D1的方向移动电极板250。由第一辊101退绕的电极板250在沿箭头的方向移动的同时穿过辊压辊109之间。辊压辊109分别位于以电极板250为基准的两侧，并且按压穿过两个辊压辊109之间的电极板250。之后，穿过两个辊压辊109之间的电极板250被再次卷绕在第二辊102上。
根据本公开内容实施方式的制造二次电池的电极的方法包括以下步骤：在具有涂覆部分400和未涂覆部分500的电极板250被退绕、然后被辊压辊109辊压之前，执行喷丸(peening)工序。可通过位于根据本实施方式的电极辊压装置100中的第一辊101和辊压辊109之间的喷丸装置PN来执行喷丸工序。根据本实施方式，喷丸工序可对未涂覆部分500施加压缩残余应力。
参照图5，在修改的实施方式中，根据本公开内容实施方式的制造二次电池的电极的方法包括以下步骤：在具有涂覆部分400和未涂覆部分500的电极板250被退绕、然后被用于开槽的上模具210和下模具220开槽之前，执行弹喷丸(shot peening)工序。可通过位于根据本实施方式的电极开槽装置200中的第一辊201与开槽模具210和220之间的喷丸装置PN来执行喷丸工序。
图6是示出图4和图5的喷丸(Peening)工序的示意性剖面图。图7是示出根据本公开内容实施方式的弹喷丸(Shot Peening)工序的透视图。图8是示出通过图7的弹喷丸工序形成凹陷部分的状态的剖面图。
参照图6，根据本实施方式的对未涂覆部分500的表面施加压缩残余应力的步骤可包括：执行弹喷丸(Shot Peening)工序的步骤或者执行超声喷丸(ultrasonic peening)工序的步骤。下文中，将主要描述执行弹喷丸工序的步骤。
参照图7和图8，弹丸600可被高速抛掷到未涂覆部分500的表面上，从而锤击(hammering)电极集流体300的表面。弹丸600可由诸如不锈钢之类的钢球形成。具体地，在弹喷丸工序中，弹丸600高速冲击未涂覆部分500的表面，弹丸600的动能瞬间引起材料表面上的塑性变形(plastic deformation)，并且弹丸600脱离表面。此时，未涂覆部分500的表面形成了具有凹进形状的凹陷部分DP。根据本实施方式，在凹陷部分DP的表面上形成了薄的塑性变形层PDL，并且塑性变形层PDL可具有压缩残余应力。相比之下，位于塑性变形层PDL之外的未涂覆部分500的内部可具有拉伸残余应力。因而，根据本实施方式的塑性变形层PDL被施加要将拉伸的表面保持在拉伸之前的状态的力，并且在形成有凹陷部分DP的未涂覆部分500的表面和内部分别形成压缩残余应力和拉伸残余应力，从而实现平衡。通过该弹喷丸工序在未涂覆部分500的表面上留下压缩残余应力，当被施加反复拉力时，压缩残余应力逐渐消除，能够延长疲劳寿命，直到压缩残余应力消失。
上述压缩残余应力和拉伸残余应力可解释为使用残余应力测试仪测量的残余应力的余弦值。
再次参照图6，在修改的实施方式中，对未涂覆部分500的表面施加压缩残余应力的步骤可包括：执行超声喷丸(ultrasonic peening)工序的步骤。在超声喷丸工序中，超声波装置700设置在未涂覆部分500的上端，使得超声波高速冲击未涂覆部分500的表面，从而引起塑性变形(plastic deformation)。具体地，在超声喷丸工序中，在将超声能量传递到未涂覆部分500的表面时可控制压缩残余应力，并且可改善高低周疲劳。可在控制图6中所示的超声装置700的高度的同时执行超声喷丸工序。通过这种高度控制，可控制未涂覆部分500的表面粗糙度(surface roughness)。
执行超声喷丸工序的步骤可替代执行上述弹喷丸(shot peening)工序的步骤。即使在执行超声喷丸工序的步骤中，也可在未涂覆部分500的表面上形成凹陷部分，并且在凹陷部分的表面上形成具有压缩残余应力的塑性变形层，位于塑性变形层之外的未涂覆部分的内部可具有拉伸残余应力。在超声喷丸工序中，未涂覆部分500的表面上的物理变形相较于上述弹喷丸工序可相对较小。
图9是示出根据本公开内容实施方式的老化(aging)工序的示意性剖面图。
参照图9，根据本公开内容实施方式的制造二次电池的电极的方法可包括：在对未涂覆部分500的表面执行喷丸工序之后，对电极集流体300热处理的步骤。在对电极集流体300热处理的步骤中，热处理设备800设置在未涂覆部分500的上端，使得超声波高速冲击未涂覆部分500的表面，从而引起塑性变形(plastic deformation)。当除了上述喷丸工序之外还执行诸如热处理之类的老化(Aging)时，可在电极集流体300的表面上进一步产生压缩残余应力。因此，可减轻由于辊压期间的应力而产生的不平衡的塑性变形的水平，并且可显著地减轻在表面上产生的拉伸残余应力的水平。
根据本公开内容的实施方式，通过经由喷丸工序对电极集流体300施加压缩残余应力，可在提高断裂强度和疲劳耐久性的状态下对电极集流体300热处理，从而制造其中电极集流体300的内部晶粒(grain)稳定的二次电池的电极。此时，热处理温度可设定为材料的物理性质不发生大变化的范围内的温度和时间。
尽管上面已经详细描述了本公开内容的优选实施方式，但是本公开内容的范围不限于此，本领域技术人员使用在以下权利要求书中限定的本公开内容的基本构思而进行的各种修改和改进也属于权利的范围。
参考标号说明
300：电极集流体
400：涂覆部分
500：未涂覆部分
600：弹丸
DP：凹陷部分
PDL：塑性变形层。

Claims (8)

1.一种制造二次电池的电极的方法，包括以下步骤：
将活性材料涂覆到电极集流体上，以形成涂覆部分和未涂覆部分；
对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力，
其中对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤包括：对所述未涂覆部分的表面执行喷丸工序以在所述未涂覆部分的表面上形成塑性变形层的步骤，
其中，所述塑性变形层具有压缩残余应力，并且位于所述塑性变形层之外的所述未涂覆部分的内部具有拉伸残余应力，
其中，在对所述未涂覆部分的所述表面执行喷丸工序的步骤之后，对所述电极集流体进行热处理，并且
其中，所述喷丸工序包括通过淬火的作用在所述未涂覆部分的表面上施加压缩残余应力以使物理变形最小化的步骤。
2.根据权利要求1所述的制造二次电池的电极的方法，
其中在沿所述电极集流体的移动方向执行的辊压工序之前执行对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤，所述辊压工序包括以下至少一个工序：辊压所述电极集流体的所述涂覆部分和所述未涂覆部分的工序、以及将所述电极集流体的所述涂覆部分和所述未涂覆部分开槽的工序。
3.根据权利要求2所述的制造二次电池的电极的方法，
其中对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤包括执行弹喷丸工序的步骤。
4.根据权利要求3所述的制造二次电池的电极的方法，
其中执行所述弹喷丸工序的步骤包括：在所述未涂覆部分的表面上形成凹陷部分的步骤。
5.根据权利要求4所述的制造二次电池的电极的方法，
其中在所述凹陷部分的表面上形成所述塑性变形层。
6.根据权利要求2所述的制造二次电池的电极的方法，
其中对所述未涂覆部分的表面施加压缩残余应力的步骤包括执行超声喷丸工序的步骤。
7.根据权利要求6所述的制造二次电池的电极的方法，
其中执行所述超声喷丸工序的步骤包括在所述未涂覆部分的表面上形成凹陷部分的步骤。
8.根据权利要求7所述的制造二次电池的电极的方法，
其中在所述凹陷部分的表面上形成所述塑性变形层。
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