CN101212064B - 用于大型二次电池的原电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于包括以折叠/折叠方式交替堆叠的单元电池的大型二次电池的原电池，或者一种用于包括以凝胶物卷方式卷绕和堆叠的单元电池的大型二次电池的原电池，每个单元电池具有正极、负极和隔板，其中在原电池中插入聚合物膜以支撑原电池。根据本发明，通过牢固地支撑原电池，可防止因外部冲击和原电池自身的反应而引起的结构变形。因此，可防止被电连接的原电池中正极和负极短路并可改善正极、负极和隔板的界面性能。

Description

用于大型二次电池的原电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于大型二次电池的原电池(crude cell)及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种用于包括以折叠方式(fold type)堆叠的单元电池(unit cells)的大型二次电池的原电池及其制备方法，其中原电池的结构被稳固支撑，且通过在原电池中插入聚合物膜来防止结构变形，借此可避免正极和负极短路，且可改善正极、负极和隔板的界面附着。
背景技术
通常，随着使用如蓄电池、电动车辆等大容量电功率的产业的迅速发展，对于高性能和高安全性的二次电池的需求大大增长。
在这些产业中，需要大容量的二次电池，因此要求具有大面积电极板的大型二次电池。通常，大型二次电池是具有额定容量为5.0Ah或更高的电池，或者是包括具有至少100mm或大于100mm的长(L)和宽(W)的原电池的电池。
如镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂二次电池之类的电池多半用作电气设备的电源。在这些电池中，锂二次电池由于其使用寿命和容量而使用最广泛。根据电解质类型可将锂二次电池分为锂金属电池、使用液态电解质的锂离子电池、及使用聚合物固体电解质的锂聚合物电池。锂聚合物电池根据其聚合物的固体电解质类型被分为不含有机电解质的绝对固体型锂聚合物电池和使用含有机电解质的凝胶型电解质的锂离子聚合物电池。
大面积二次电池根据其封装类型被分为圆柱形电池、棱形电池和袋形(pouch type)电池。图1示出了传统二次电池的原电池的一个实例。示于图1中的大型二次电池的原电池1包括交替堆叠的单元电池2。单元电池2包括正极3、负极4和用于分隔正极和负极的隔板5。而在另一实例中，二次电池的原电池包括具有以凝胶物卷方式卷绕的正极、负极和隔板(未示出)。
然而，传统的大型二次电池存在的问题是，由于电极板面积的增加使电极界面附着不紧密而造成原电池变形，由此在电池充电和放电时引起电池性能恶化以及正极和负极彼此接触而发生短路。
发明内容
因此，本发明是针对现有技术中出现的上述问题而进行的改进，本发明的一个目的是，提供一种用于包括以折叠方式堆叠的单元电池的大型二次电池的原电池及其制备方法，其中原电池的结构被稳固支撑，且通过将聚合物膜插入原电池中来防止结构变形，由此可避免正极和负极短路，且可改善正极、负极和隔板的界面附着。
本发明的另一目的是，提供一种用于包括以凝胶物卷方式卷绕的单元电池的大型二次电池的原电池及其制备方法，其中通过将聚合物膜插入原电池中来稳固地支撑原电池的结构和防止结构变形，以避免正极和负极发生短路，改善正极、负极和隔板的界面附着。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种用于包括以折叠/折叠方式交替堆叠的单元电池的大型二次电池的原电池，每一单元电池包括正极、负极和隔板，其中聚合物膜被插入原电池中以支撑原电池。
本发明另一方面，提供一种用于包括以凝胶物卷方式卷绕和堆叠的单元电池的大型二次电池的原电池，每一单元电池具有正极、负极和隔板，其中聚合物膜被插入原电池中以支撑原电池。
优选将聚合物膜设置在单元电池和单元电池之间，更优选的是，分别将其设置在原电池中部的单元电池之间或在原电池两端处的单元电池之间。
聚合物膜的厚度为0.8到1mm，其选自由聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚缩醛树脂、氯乙烯树脂、聚苯乙烯、ABS树脂和丙烯酸树脂组成的组中的至少之一。根据本发明，单元电池具有正极/隔板/负极的单电池结构或正极/隔板/负极/隔板/正极的双电池结构。
本发明又一方面，提供一种制备用于大型二次电池的原电池的方法，其包括以下步骤：制备具有正极、负极和隔板的单元电池；通过以折叠/折叠方式交替堆叠单元电池来制备原电池；在原电池的中部或两端设置聚合物膜。
本发明再一方面，提供一种制备用于大型二次电池的原电池的方法，其包括以下步骤：制备具有正极、负极和隔板的单元电池；通过以凝胶物卷方式卷绕和堆叠单元电池来制备原电池；在原电池的中部或两端设置聚合物膜。
本发明所使用的正极采用含有选自锂过渡金属氧化物、有机硫化合物和导电聚合物中至少之一的正极活性材料浆料敷覆。
本发明所使用的负极采用含有选自金属锂、锂合金、聚并苯碳(polyacenic carbon)和石墨中至少之一的负极活性材料浆料敷覆。
本发明所使用的隔板优选为含有选自聚乙烯和聚丙烯中至少之一的微孔性膜。
传统的用于大型二次电池的原电池存在的问题是，由于电极板面积的增加使电极界面附着不紧密而造成原电池变形，于是在电池充电和放电时将使电池性能恶化，且正极和负极彼此接触而发生短路。
为了解决上述问题，根据本发明，将聚合物膜插入用于普通大型二次电池的原电池中。这种聚合物膜稳固地支撑原电池的结构并可防止因外部冲击和其自身的反应而引起的原电池的变形。结果，可防止原电池中正极和负极短路，并在组装原电池时通过增加原电池装置中隔板与负极及正极之间的张力使它们之间的界面彼此紧密附着而可提供优异的电池性能。
对本发明所使用的聚合物膜没有具体限制，只要其与原电池中的化学反应物之间不发生反应，并且其强度足以稳固支撑所述结构即可。该聚合物膜优选包括热塑性聚合物膜，更优选的是选自聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚缩醛树脂、氯乙烯树脂、聚苯乙烯、ABS树脂和丙烯酸树脂的至少一种。
本发明所使用的聚合物膜的厚度优选为0.8到1mm，这种厚度足以稳固支撑原电池的结构。若厚度小于0.8mm，由于厚度太薄很难达到期望的强度。若厚度超过1mm，则能量密度和输出密度将减小。
聚合物膜具有与单元电池相等或相似的尺寸。
根据本发明，插入的聚合物膜优选插入原电池的任何部分中相邻的单元电池之间。然而，为使插入的聚合物膜产生的效果最好，更优选的是在位于原电池中部的相邻单元电池之间设置一个聚合物膜，或者在原电池两端的每一端设置一个聚合物膜。此时，若聚合物膜的数量太多，由于原电池体积的增加而可能出现问题。因此，优选插入一或两个聚合物膜。
附图说明
从下文结合附图对本发明优选实施例的详细描述中本发明的上述和其它目的、特征和优势将更加清晰。附图中：
图1是用于大型二次电池的原电池的横截面图；
图2是本发明第一实施例的用于大型二次电池的原电池的横截面图；
图3是本发明第二实施例的用于大型二次电池的原电池的横截面图；
图4是本发明第三实施例的用于大型二次电池的原电池的横截面图；
图5是本发明第四实施例的用于大型二次电池的原电池的横截面图；
图6是包括本发明一优选实施例的大型原电池的二次电池的横截面图。
具体实施方式
下文参照示于附图中的一些实例对本发明的一些优选实施例作出详细说明。然而，应该理解的是，本发明的技术特征不限于此。
图2是本发明第一实施例的用于大型二次电池的原电池的横截面图。具体地说，原电池10包括以折叠/折叠方式、即以Z字形方式交替堆叠的单元电池11，每一单元电池11具有正极12、负极13以及隔离正极和负极的隔板14。在原电池10中部插入聚合物膜20以支撑原电池10。
上述组成可具体解释为，正极12包括至少常用于大型二次电池中的正极，其可用传统浆料敷覆。根据本发明，它可以用含有选自锂过渡金属氧化物、有机硫化合物和导电聚合物或它们的混合物中的至少一种正极活性材料浆料敷覆。锂过渡金属氧化物的粒子包括锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂镍氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂钴锰氧化物等。有机硫化合物的例子包括有机二硫化物化合物、聚二硫化碳化合物、活性硫等。导电聚合物的例子包括含有无机化合物的聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。
以100重量份的正极活性材料为基准，将包括10到50重量份的导电材料和10到20重量份的粘结材料的60到90wt％固体含量溶解于10到40wt％的溶剂中形成浆料，并将所述浆料敷覆在铝箔上，然后进行干燥和压制，从而制得正极。导电材料包括碳黑，例如乙炔黑、ketjen black EC系列、Vulcan XC-72、Super-P等。粘结材料包括PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、SBR(丁苯橡胶)和CMC(羧甲基纤维素)等，优选为具有2到25wt％的PVDF或HFP的PVDF-HFP共聚物。溶剂包括NMP(N-甲基吡咯烷酮)等。
负极13可以是常用于大型二次电池中的任何负极。根据本发明，它可以用含有选自石墨、聚并苯碳或金属锂中的至少一种负极活性材料浆料敷覆。其间，聚并苯(polyacene；一维石墨)是一种具有乙炔和石墨的中间结构的材料，其中两个聚乙炔链交联。Polyacenoacene包括三个交联的聚乙炔链。以100重量份的负极活性材料为基准，将包括10到50重量份的导电材料和10到20重量份的粘结材料的60到90wt％固体含量溶解于10到40wt％的溶剂中形成浆料，并将所述浆料敷覆在铜箔上，之后进行干燥和压制，从而制得负极。可使用的导电材料和粘结材料的例子如用于正极中的所述材料。
因此，通过用溶剂例如NMP中的导电材料和粘结材料溶解正极活性材料或负极活性材料而制得的浆料直接敷覆在集电器箔上，本发明的正极12和负极13具有在集电器和活性材料之间增大的粘结力，并减小了对集电器的界面阻力。此时，溶剂和正极或负极活性材料的混合比率可根据正极和负极中活性材料的常规混合比率而确定。而且，通过使电极板的厚度变薄可缩短锂离子的移动路径并通过干燥后进行卷压可减小电极电阻。
隔板14设置在正极12和负极13之间，以阻止它们之间直接接触。尽管可以使用任何一种常用于大型二次电池的原电池中的隔板，用于本发明中的隔板的实例优选包括含有聚乙烯、聚丙烯或它们的混合物的微孔薄膜。
单元电池11包括正极12、负极13和隔板14。单元电池11以折叠/折叠方式、即以Z字形方式交替堆叠而形成原电池10。这里，单元电池11优选具有正极/隔板/负极的单电池结构，或正极/隔板/负极/隔板/正极或负极/隔板/正极/隔板/负极的双电池结构，当然它不限于此，只要它可以用于普通大型二次电池中即可。
通过堆叠单元电池11形成原电池10。本发明的原电池10的宽度和长度中至少之一优选为100mm或更大。
此时，本发明第一实施例的主要特征是设置在原电池10中的聚合物膜20。具体地说，通过堆叠单元电池11的一半，定位聚合物膜20并在聚合物膜20的顶部堆叠其余的单元电池11，或者堆叠全部的单元电池11以形成原电池10，并在原电池10的中部插入聚合物膜20而形成原电池10。聚合物膜20的其他细节可参考前面对聚合物膜的描述。在组装原电池的过程中通过增加隔板和电极板之间的张力而使正极紧紧地附着于负极，设置聚合物膜从而可提高电池性能。另外，通过牢固地支撑原电池可防止由正极和负极的电化学反应引起的锂离子的吸留(occlusion)和释放时结构变形，由此可防止电池中正极和负极短路。
图2是本发明第二实施例的用于大型二次电池的原电池的横截面图。此处省略了对第二实施例的组成中与第一实施例的组成相同的部件的描述，仅仅描述其不同之处。
在第二实施例中，通过在原电池10的端部堆叠单元电池和设置聚合物膜20、20’来形成原电池10。换句话说，聚合物膜20、20’设置在原电池10的顶部和底部。利用这种结构，除具有第一实施例的效果之外，这种原电池可受到聚合物膜的保护而免受外部冲击，由此确保了电池的安全。
图3和图4是本发明第三和第四实施例的用于大型二次电池的原电池的横截面图。其中省略了对第三和第四实施例的组成中与第一实施例的组成相同的部件的描述，而仅仅描述其不同之处。
第三实施例的主要特征是插入在用于大型二次电池的原电池中以支撑原电池的聚合物膜，其中原电池包括单元电池，每个单元电池具有以凝胶物卷的方式卷绕和堆叠正极、负极和隔板。换句话说，通过在中心配置聚合物膜40并围绕作为凝胶物卷中的轴的聚合物膜40卷绕单元电池30而形成原电池。
与第二实施例类似，第四实施例的主要特征是在原电池两端分别设置聚合物膜40、40’，其中通过以凝胶物卷方式卷绕单元电池30而制备原电池。
图6的透视图概略地示出了使用本发明的原电池的大型二次电池的结构。
参考图6，锂二次电池100包括本发明的原电池120和用于容纳该电池的包装件140。原电池120包括用于正极112的电极抽头和用于负极114的电极抽头。通过将形成于正极上的正极栅116焊接到正极抽头部件111上而形成用于正极112的电极抽头。通过将形成于负极上的负极栅118焊接到负极抽头部件113上而形成用于负极114的电极抽头。抽头部件111、113包括铝或镍的非树脂部分115和附着在非树脂部分115两侧的树脂部分117。
包装件140包括用于容纳原电池120的容纳部分132和注入电解液后真空密封的密封部分134。容纳部分132具有用于基本容纳正极和负极体的第一容纳部分136和用于容纳正极和负极116、118的电极抽头的第二容纳部分138。树脂部分117设置在密封部分134之间以防止电解液(未示出)泄漏和在抽头部件111、113的区域内发生短路。
如上所述，本发明的用于大型二次电池的原电池通过在原电池中插入聚合物膜可牢固地支承原电池结构，从而可防止因外部冲击和原电池自身的反应而引起的结构变形。因此，可防止电连接的原电池中正极和负极短路，并能增进正极、负极和隔板的界面附着。
虽然已参考具体示出的实施例对本发明进行了描述，但本发明的范围不受这些实施例的限制而仅由所附权利要求限定。可以理解的是，本领域技术人员在不超出本发明的范围和构思的前提下，可以作出一些变换或改型。

Claims (15)

1.一种用于包括以折叠/折叠方式交替堆叠的单元电池的大型二次电池的原电池，每个单元电池具有正极、负极和隔板，其中，在所述原电池中插入聚合物膜以支撑所述原电池，所述聚合物膜被分别设置在所述原电池两端，其中，所述聚合物膜的厚度为0.8到1mm，且所述原电池的宽度和长度的至少之一为100mm或更大。
2.根据权利要求1所述的用于大型二次电池的原电池，其中，所述聚合物膜是选自由聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚缩醛树脂、氯乙烯树脂、聚苯乙烯、ABS树脂和丙烯酸树脂组成的组中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于大型二次电池的原电池，其中，所述单元电池具有正极/隔板/负极的单电池结构或正极/隔板/负极/隔板/正极的双电池结构。
4.一种用于包括以凝胶物卷方式卷绕和堆叠的单元电池的大型二次电池的原电池，每个单元电池具有正极、负极和隔板，其中，在所述原电池中插入聚合物膜以支撑所述原电池，所述聚合物膜被分别设置在所述原电池两端，其中，所述聚合物膜的厚度为0.8到1mm，且所述原电池的宽度和长度的至少之一为100mm或更大。
5.根据权利要求4所述的用于大型二次电池的原电池，其中，所述聚合物膜是选自由聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚缩醛树脂、氯乙烯树脂、聚苯乙烯、ABS树脂和丙烯酸树脂组成的组中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的用于大型二次电池的原电池，其中，所述单元电池具有正极/隔板/负极的单电池结构或正极/隔板/负极/隔板/正极的双电池结构。
7.一种制备用于大型二次电池的原电池的方法，包括以下步骤：
制备具有正极、负极和隔板的单元电池；
通过以折叠/折叠方式交替堆叠单元电池来制备所述原电池；及
在所述原电池两端设置聚合物膜以支撑所述原电池，
其中，所述聚合物膜的厚度为0.8到1mm，且所述原电池的宽度和长度的至少之一为100mm或更大。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述正极用含有选自锂过渡金属氧化物、有机硫化合物和导电聚合物或它们的混合物中至少之一的正极活性材料的浆料敷覆。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述负极用含有选自石墨、聚并苯碳和金属锂中至少之一的负极活性材料浆料敷覆。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述隔板是含有选自聚乙烯和聚丙烯的至少之一的微孔薄膜
11.一种制备用于大型二次电池的原电池的方法，包括以下步骤：
制备具有正极、负极和隔板的单元电池；
通过以凝胶物卷方式卷绕和堆叠所述单元电池来制备原电池；及
在所述原电池两端设置聚合物膜以支撑所述原电池，
其中，所述聚合物膜的厚度为0.8到1mm，且所述原电池的宽度和长度的至少之一为100mm或更大。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述正极用含有选自锂过渡金属氧化物、有机硫化合物和导电聚合物或它们的混合物中至少之一的正极活性材料的浆料敷覆。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述负极用含有选自石墨、聚并苯碳和金属锂中至少之一的负极活性材料浆料敷覆。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述隔板是含有选自聚乙烯和聚丙烯的至少之一的微孔薄膜。
15.一种大型二次电池，其包括用于在权利要求1或4中限定的大型二次电池的原电池。
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