CN100483800C - 电极组件和使用它的锂离子二次电池 - Google Patents

电极组件和使用它的锂离子二次电池 Download PDF

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Abstract

一种具有减少的卷绕厚度的电极组件和使用该电极组件的锂离子二次电池。活性物质被涂覆在负极集电体中负极导电接片被焊接到其上的第一区域和与该第一区域重叠的邻近区域上。活性物质还被涂覆在正极集电体中正极导电接片被焊接到其上的第一区域和与该第一区域重叠的邻近区域上。与导电接片对应的电极组件的部件没有从该电极组件突出，从而使得该电极组件容易地插入到罐或袋中。

Description

电极组件和使用它的锂离子二次电池
相关申请的交叉参考
本申请要求2004年6月22日递交的、韩国专利申请号为2004-0046669的优先权和利益，该申请全部内容包含在此作为参考。
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池，更具体地，涉及用于锂离子二次电池的电极组件。
背景技术
正如本领域普遍知道的，锂离子二次电池包括电极组件，该电极组件具有涂有预定厚度活性物质的正、负极集电体以及插入在这些集电体之间的隔板，电极组件被卷绕多次成为胶卷(jelly roll)结构。在卷绕多次成为胶卷结构后，电极组件容纳在圆柱形或正方形罐或袋中，并且被密封。
集电体具有焊接到其上的导电接片，导电接片向外部延伸预定距离，以便可以从电池的外部提供充电电功率，或者使放电电功率可以被提供到电池的外部。特别是，正负极导电接片分别被焊接到正负极集电体上。正、负极导电接片具有附着在其表面上的、预定厚度的绝缘带，以防止隔板被损坏并避免直接短路。
集电体的厚度大约为10μm，活性物质的厚度大约为120μm，导电接片的厚度大约为100μm，并且绝缘带的厚度大约为40μm。导电接片和绝缘带的厚度之和实质上大于活性物质的厚度。
当如上述配置的电极组件被卷绕成胶卷结构时，与导电接片和绝缘带对应的被卷绕区域实质上比余下的卷绕区域更厚。特别是，与导电接片和绝缘带对应的被卷绕区域比余下的区域更向外突出。因此，当电极组件被插入到罐或袋中时，这种不规则的厚度使电极组件的插入变得困难，并且有时导致突出部分变形。这种变形可能降低电池容量。
由于电极组件不容易插入到罐中，因而可能对它进行挤或压以达到所需要的结果。结果，对应于下面的导电接片和绝缘带的活性物质被强力所压缩，并使这些部件的有用性退化。换句话说，活性物质的用途小，但是却增加了电极组件的厚度。
因此，需要一种具有减少的总卷绕厚度的电极组件和使用它的锂离子二次电池。
发明内容
根据本发明，提供一种具有在焊接有导电接片的区域的外围边缘上形成的活性物质的电极组件，活性物质还被涂覆在与该导电接片重叠的邻近区域上，以减少整个卷绕厚度。
提供一种电极组件，该电极组件包括负极集电体，该负极集电体具有邻近该负极集电体末端焊接的负极导电接片，以及被涂覆在距该负极导电接片预定间隔的该负极集电体的外围边缘上的负极活性物质。另外，该电极组件包含正极集电体，该正极集电体具有邻近该正极集电体末端焊接的正极导电接片，以及被涂覆在距该正极导电接片预定间隔的该正极集电体的外围边缘上的正极活性物质，该正极集电体与该负极集电体一起卷绕多次。
根据本发明的另一实施例，提供一种锂离子二次电池，其包括电极组件，该电极组件包含负极集电体，其中该负极集电体具有延伸到外部、被焊接到该负极集电体表面上的负极导电接片，以及被涂覆在该负极集电体两个表面上的负极活性物质。该电极组件还可以包含正极集电体，该正极集电体具有延伸到外部、被焊接到该正极集电体表面上的正极导电接片，以及被涂覆在除了在卷绕过程中与正极导电接片相对应的区域之外的该正极集电体的两个表面的外围边缘上的正极活性物质。该电极组件可以与被插入在该负极集电体两个表面之间的隔板一起卷绕。该电池还包含罐，该罐具有第一表面、连接到该第一表面的第二表面、与该第一和第二表面连接的第三表面和形成在该罐顶部并且朝向该第三表面以使该电极组件可以被结合到该罐的开口；被焊接到该罐顶部以防止该电极组件暴露到外部的盖组件；以及可注入到该罐中的电解液。
该电极组件和使用它的锂离子二次电池没有在构成电极组件的负正极集电体的、与导电接片重叠的区域中形成的活性物质。这使得电极组件的卷绕厚度最小化。特别是，对应于导电接片和绝缘带的卷绕区域并不比剩余区域更向外部突出。这样的电极组件可以容易地插入到罐或袋中。这就改进了使用性并抑制变形，并且避免电池容量的退化。
附图说明
图1A.1为表示根据本发明实施例的电极组件未展开的负极集电体的俯视图。
图1A.2为表示根据本发明实施例的电极组件未展开的正极集电体的俯视图。
图1B.1为图1A.1所示的电极组件的仰视图。
图1B.2为图1A.2所示的电极组件的仰视图。
图1C.1为沿图1A.1的线1-1的截面图。
图1C.2为沿图1A.2的线1-1的截面图。
图2A为表示与插入其中的隔板一起卷绕的电极组件的整体截面图。
图2B为图2A中区域2的放大图。
图3A为表示根据本发明实施例的锂离子二次电池的透视图。
图3B为图3A所示的锂离子二次电池的分解透视图。
图3C为沿图3A的线3-3的截面图。
具体实施方式
参照图1A.1、1B.1和1C.1，根据本发明实施例的电极组件包括大致为板形的负极集电体100、被涂覆在负极集电体100的两个表面的预定区域上的负极活性物质140和被焊接到负极集电体100的预定区域的负极导电接片150。
参照图1A.2、1B.2和1C.2，该电极组件还可以包括正极集电体200、在正极集电体200的两个表面的预定区域中涂覆而形成的正极活性物质240和被焊接到正极集电体200的预定区域的正极导电接片250。
负极集电体100具有实质上为平面的第一表面111，以及与该第一表面111相对的实质上为平面的第二表面112。负极集电体100具有形成在第一和第二表面111，112上的、实质上为正方形或者矩形的第一、第二、...、第(n-1)和第n区域120_1、120_2、...、120_n-1和120_n，以及形成在各个区域之间的第一、第二、...、第(n-2)和第(n-1)折叠线130_1、130_2、...、130_n-2和130_n-1。通过将负极集电体100沿着各个折叠线130_1、130_2、...、130_n-2和130_n-1折叠，将其卷绕多次。负极集电体100可以由例如铜箔或者其等价物制成，不过并不局限于此材料。
负极活性物质140通过在负极集电体100的第一表面111的第三、第四、...、第(n-2)和第(n-1)区域120_3、120_4、...、120_n-2和120_n-1中涂覆而形成。该负极活性物质还被涂覆在负极集电体100的第二表面112的第二、第三、...、第(n-1)和第n区域120_2、120_3、...、120_n-1上达预定厚度。负极活性物质140可以由例如石墨或者其等价物制成，不过并不局限于此材料。
负极导电接片150被焊接到负极集电体100的第一表面111的第一区域120_1上，并且向外部突出预定距离。负极导电接片150的表面被绝缘带160包围，以防止隔板(下面更详细描述)损坏并避免直接短路到正极集电体200。负极导电接片150可以由例如镍或者其等价物制成，不过并不局限于此材料。
正极集电体200具有实质上为平面的第一表面211，以及与该第一表面211相对的实质上为平面的第二表面212。正极集电体200具有形成在第一和第二表面211和212上的、实质上为正方形或者矩形的第一、第二、...、第(n-1)和第n区域220_1、220_2、...、220_n-1和220_n，以及形成在各个区域之间的第一、第二、...、第(n-2)和第(n-1)折叠线230_1、230_2、...、230_n-2和230_n-1。
正极集电体200的第一区域220_1的宽度可以小于余下的第二、第三、...、第(n-1)和第n区域220_2、220_3、...、220_n-1和220_n的宽度。更具体地，正极集电体200的第一区域220_1的宽度、长度和面积比可以对应于剩余区域的20～80％。通过将正极集电体200沿着各个折叠线230_1、230_2、...、230_n-2和230_n-1折叠，将其卷绕多次。正极集电体200可以由例如铝箔、铝网或者其等价物构成，不过并不局限于此材料。
正极活性物质240被涂覆在正极集电体200的第一表面211的第三、第四、...、第(n-2)和第(n-1)区域220_3、220_4、...、220_n-2和220_n-1上。该正极活性物质240还以预定厚度被涂覆在正极集电体200的第二表面212的第二、第三、...、第(n-4)和第(n-3)区域220_2、220_3、...、220_n-4和220_n-3上。另外，正极活性物质240还可以被涂覆在正极集电体200的第一表面211的第二区域220_2的预定区域上。更具体地，正极活性物质240可以被涂覆在除了由于正极集电体200被折叠而接触正极导电接片250(下面更详细描述)的部分之外的第一表面211的第二区域220_2的外围边缘上。这就使卷绕厚度最小化，这是因为由于正极集电体200被卷绕，因此正极活性物质240没有被涂覆在直接接触正极导电接片250的区域上。结果，总厚度并不因为正极导电接片250和绝缘带260的组合厚度而增加，因为正极活性物质240没有被涂覆在与它们接触的区域中。这样的厚度控制使得在电极组件被卷绕后，电极组件突出量最小化。正极活性物质240可以由锂钴氧化物(lithium cobalt oxide)或者其等价物制成，不过并不局限于此材料。
正极导电接片250被焊接到正极导电器200的第一表面211的第一区域220_1上，并且向外部延伸预定距离。正极导电接片250的表面被绝缘带260包围，以防止隔板(未示出)被正极导电接片250损坏并避免负极集电体100的直接短路。正极导电接片250可以由铝或者其等价物制成，不过并不局限于此材料。
图2A示出与插入其中的隔板一起卷绕的电极组件的截面图。图2B示出图2A中区域2的放大图。在这些图中，为了便于理解，所示的负极集电体100、隔板300和正极集电体200被间隔放置。不过应该注意的是，在实际的电极组件中，它们互相卷绕并且间隔很小。
如图所示，涂有负极活性物质140的负极集电体100沿逆时针方向围绕负极导电接片150卷绕。具体地，从第一表面111的第一和第二区域120_1和120_2互相面对时开始卷绕负极集电体100。负极导电接片150被焊接到负极集电体100的第一表面111的第一区域120_1上，并且被绝缘带160包围。负极集电体100的第一和第二表面111和112被隔板300包围，以防止负极集电体100直接短路正极集电体200。隔板300还被插入到负极集电体100的第一表面111的第一和第二区域120_1和120_2之间，以防止第一和第二区域120_1和120_2互相直接接触。
涂覆负极集电体100的负极活性物质140从第一表面111的第三区域120_3和第二表面112的第二区域120_2开始被涂覆。负极活性物质140一直被涂覆到负极集电体100的第一表面111的第(n-1)个区域120_n-1上，和一直到第二表面112的第n个区域120_n上。
正极集电体200的第一表面211的第一区域220_1被紧贴到负极集电体100的第二表面212的第一区域220_1，并且隔板300位于它们之间。正极集电体200的第一区域220_1的宽度或长度小于剩余区域的宽度的宽度或长度。正极导电接片250被焊接到第一表面211的第一区域220_1上，并且被绝缘带260包围。涂覆正极集电体200的第一表面211的正极活性物质240被涂覆在第二区域220_2的预定部分上。更具体地，正极活性物质240被涂覆在与正极导电接片250重叠的、并且由于正极导电接片250和绝缘带260而使厚度的增加最小化的第二区域220_2的外围边缘上。实际上，正极活性物质240的这种涂覆结构，使得电极组件的厚度减少大约100μm。
涂覆正极集电体200的第二表面212的正极活性物质240从第二区域220_2开始被涂覆。当负极集电体100第二次折叠时，正极集电体200的第一表面220_1一起卷绕，并且在卷绕的最后，正极集电体200包围负极集电体100。在正方形罐的情况下，罐本身作为正极，并且可以有效地防止负极集电体100和罐之间的短路。正极活性物质240一直被涂覆到正极集电体200的第一表面211的第(n-1)区域220_n-1上，和一直到第二表面212的第(n-3)区域220_n-3上。因此，正极集电体200被直接暴露到电极组件的表面，而并没有插入正极活性物质240。
图3A示出根据本发明实施例的锂离子二次电池的透视图。另外，图3B示出图3A中锂离子二次电池的分解透视图；和图3C示出沿着图3A的线3-3的截面图。
如图所示，根据本发明实施例的锂离子二次电池包括电极组件410(100和200合并为410)(图3C)；用于容纳电极组件410的罐420；可注入到罐420中以使锂离子能够移动的电解液(未示出)；用于盖住罐420的盖组件430，该盖组件还用于防止电极组件410和电解液暴露到外部。虽然在这里给出方形电池作为实例，本发明还可以被应用于其它电池，例如圆柱形或者袋型电池。
电极组件410包括：具有附在其上的负极活性物质140(例如石墨)的负极集电体100；具有附在其上的正极活性物质240(例如锂钴氧化物)的正极集电体200；包围正、负极集电体200和100以防止短路并仅使锂离子能够移动的隔板300。正、负极集电体200和100和隔板300卷绕多次成胶卷(jelly roll)结构，并且被容纳在罐420中。在负极导电接片150被焊接到负极集电体100后，负极集电体100被提供绝缘带160；在正极导电接片250被焊接到正极集电体200后，正极集电体200被提供绝缘带260。
正、负极活性物质240，140的涂覆结构包括参照图1A.1、1A.2、1B.1、1B.2、1C.1、1C.2、2A和图2B描述的所有特征。具体地，负极活性物质140被涂覆在负极集电体100的第一表面111的第二、第三、...、第(n-2)和第(n-1)区域120_2、120_3、...、120_n-2和120_n-1上，和在负极集电体100的第二表面112的第二、第三、...、第(n-1)和第n区域120_2、120_3、...、120_n-1和120_n上。正极活性物质240从正极集电体200的第一表面211的第二区域220_2的预定区域开始被涂覆，直到第(n-1)区域，该预定区域是与正极导电接片250和绝缘带260重叠的区域的外围边缘。正极活性物质240还被涂覆在第二表面212的第2、第3、...、第(n-4)和第(n-3)区域220_2、220_3、...、220_n-4和220_n-3上。
电极组件410的这种结构使由正或负极导电接片250或150造成的厚度增加最小化，并且使电极组件410插入到罐420中变得容易。
罐420具有带有顶部开口421的实质上为六面体的形状。罐420可以由铝(Al)、铁(Fe)、合金或者其等价物制成，但是并不局限于这些材料。
电解液(未示出)被注入到罐420中，并且被放置在电极组件410的负和正极集电体100，200之间。电解液作为在放/充电过程中，电池内的负和正极集电体100，200之间的电化学反应所产生的锂离子的移动媒介，并且电解液可以是锂盐和高纯度有机溶液的混合物的非水有机电解液。电解液还可以由高分子电解液的聚合物制成。
绝缘壳441、端子板442和绝缘带443，可以附加地被结合在电极组件410上部的罐420的开口421上，但是这些组成部分并不总是本发明必要的。绝缘壳441、端子板442和绝缘带443分别具有形成在其中的通孔441a，442a，443a，从而使负、正极导电接片150和250可以沿向上方向突出穿过。绝缘壳441具有形成在其中的电解液通孔441b，从而当通过盖板431(后面描述)注入电解液时，电解液可以容易地流向电极组件410。
盖组件430由激光焊接焊接到罐420的开口421，并且包括实质上为矩形板形状的盖板431。盖板431具有以预定尺寸形成在中心的通孔431a，形成在盖板431的一侧上、用于注入电解液的电解液注入孔432，形成在另一侧上、具有相对较小厚度的安全排气口433。绝缘垫圈434被结合到盖板431的通孔431a上，并且负极端子435被结合到绝缘垫圈434上。电极端子435被焊接到负极导电接片150上，以在电池充放电过程作为负极。正极导电接片250被焊接在盖板431的电解液注入孔432和电极端子435之间，从而使盖板431和罐420作为整体充当正极。盖板431的电解液注入孔432，具有连接和焊接到其上的塞436，从而在注入电解液后，防止电解液泄漏。
如上所述，电极组件和使用该电极组件的锂离子二次电池，并没有在构成电极组件的负、正极集电体的、与导电接片重叠的区域中形成的活性物质。这使得电极组件的卷绕厚度最小化。具体地，对应于导电接片和绝缘带的卷绕区域并不比剩余区域更向外部突出。这样的电极组件可以容易地插入到罐或袋中。这就改进了使用性并抑制变形，并避免电池容量的退化。
虽然为了说明目的而描述了本发明的示范性实施例，本领域技术人员应该理解，不脱离由附带的权利要求所公开的精神和范围，可以对本发明进行各种变化、增加和替换。

Claims (11)

1、一种电极组件，包括：
第一电极带，从第一起始端向第一终止端延长，包括具有内表面和外表面的第一电极集电体、沿着所述第一电极集电体从内部起始点至内部终止点涂布在所述第一电极集电体的内表面上的内部第一活性物质层以及沿着所述第一电极集电体从外部起始点至外部终止点涂布在所述第一电极集电体的外表面上的外部第一活性物质层；
第一电极导电接片，在所述第一电极带的所述第一起始端处焊接于所述第一电极集电体的内表面上；
第二电极带，从第二起始端向第二终止端延长，包括具有内表面和外表面的第二电极集电体、沿着所述第二电极集电体从内部起始点至内部终止点涂布在所述第二电极集电体的内表面上的内部第二活性物质层以及沿着所述第二电极集电体从外部起始点至外部终止点涂布在所述第二电极集电体的外表面上的外部第二活性物质层；
第二电极导电接片，在所述第二电极带的所述第二起始端处焊接于所述第二电极集电体的内表面上；和
假想的矩形框，限定了一个中心轴和一个平面的侧表面，包括分别平行于所述中心轴延伸的第一侧部和第二侧部；
所述第一和第二电极带夹着绝缘隔板在所述第一和第二侧部围绕所述中心轴沿卷绕方向被卷绕多圈，所述第一和第二电极导电接片朝向所述侧表面，并且所述第一起始端最接近于所述第一侧部，所述第二起始端最接近于所述第二侧部；
其中，在卷绕方向上，所述第一电极带的所述外部起始点位于所述第二侧部且与所述第一电极带的所述第一起始端距离半圈，所述第一电极带的所述内部起始点位于所述第一侧部且与所述第一起始端距离一圈；所述第二电极带的所述外部起始点位于所述第二侧部且靠近于所述第二起始端，而所述第二电极带的所述内部起始点位于所述第一和第二电极导电接片之间。
2、根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一和第二电极导电接片向卷绕体外部突出预定距离并且其表面分别被绝缘带包围。
3、根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一和第二电极之一为负极，其负极集电体由铜箔制成。
4、根据权利要求3所述的电极组件，其中，负极活性物质为石墨。
5、根据权利要求3所述的电极组件，其中，负极导电接片为镍接片。
6、根据权利要求3所述的电极组件，其中，正极集电体由选自包括铝箔和铝网的组中的任意一种而制成。
7、根据权利要求6所述的电极组件，其中，正极活性物质为锂钴氧化物。
8、根据权利要求6所述的电极组件，其中，正极接片为铝接片。
9、根据权利要求1所述的电极组件，其中，在卷绕方向上，所述第二电极带的所述第二终止端比所述第一电极带的所述第一终止端多卷绕半圈，且位于所述第二侧部。
10、根据权利要求9所述的电极组件，其中，在卷绕方向上，所述第一电极带的所述内部终止点位于所述第二侧部且与所述第一电极带的所述第一终止端距离半圈，所述第一电极带的所述外部终止点位于所述第一侧部且靠近于所述第一终止端；并且，所述第二电极带的所述外部终止点位于所述第一侧部且与所述第二电极带的所述第二终止端距离一个半圈，而所述第二电极带的所述内部终止点位于所述第一侧部且与所述第二终止端距离半圈。
11、一种锂离子二次电池，包括：
权利要求1～10中任意一项所述的电极组件；
罐，具有用于装入所述电极组件的敞开顶部；以及
盖组件，用于密封所述罐的敞开顶部。
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