CN101271970B - 用于电池的电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于电池的电极，其包括薄板集电体和涂覆在该集电体上的活性材料。所述集电体在上表面处设置有经涂覆的集电体部分和与所述经涂覆的集电体部分邻接的未经涂覆的集电体部分。所述未经涂覆的集电体部分的屈服应力小于所述经涂覆的集电体部分的屈服应力。

Description

用于电池的电极及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于电池的电极。更具体地，本发明涉及一种二次电池的电极所用的集电体。
背景技术
用作电子器具用电源的二次电池具有电极单元，该电极单元包括阳极、阴极和在阳极和阴极之间设置的隔离体。
阳极和阴极中的每一个均通过在由金属形成的集电体上涂覆活性材料形成。通常，阳极的集电体由铜或铝形成，并涂覆以碳基活性材料。阴极的集电体由铝形成，并涂覆以诸如LiCoO2、LiMnO2或LiNiO2之类的活性材料。
活性材料结合诸如导电剂、粘合剂、溶剂之类的材料以浆料形式涂覆，从而使它可以有效涂覆在集电体上。涂覆以活性材料浆料的集电体在干化炉中干化，之后，集电体例如被压制机压平。
当压制集电体时，电极可能弯曲，从而在电极卷绕期间产生缺陷。结果，生产率下降，同样下降的还有充电和放电效率。
发明内容
本发明试图提供一种二次电池，该二次电池的电极被设计为，最小化涂覆有活性材料的部分与未涂覆活性材料的未涂覆部分之间的延伸量之差。
在本发明示例性实施例中，用于电池的电极包括薄板集电体和涂覆在该集电体上的活性材料层。集电体在上表面设置有经涂覆的集电体部分和与该经涂覆的集电体部分邻接的未经涂覆的集电体部分。未经涂覆的集电体部分被退火并且该未经涂覆的集电体部分的屈服应力小于经涂覆的集电体部分的屈服应力；其中，当所述经涂覆的集电体部分的屈服应力为σ1并且所述未经涂覆的集电体部分的屈服应力为σ2时，满足1.5≤σ1/σ2≤7的条件。
在本发明的另一示例性实施例中，一种制作电极的方法包括：提供集电体，对该集电体的边缘进行退火，在该集电体上涂覆活性材料，以及压制其上已经涂覆有活性材料并且其所述边缘已被退火的集电体；其中，当所述集电体的涂覆部分的屈服应力为σ1并且所述集电体的所述边缘的屈服应力为σ2时，满足1.5≤σ1/σ2≤7的条件。
未经涂覆的集电体部分的延伸率可大于经涂覆的集电体部分的延伸率。
未经涂覆的集电体部分的残余应力可小于经涂覆集的电体部分的残余应力。
集电体可由铝形成。
集电体可由铜形成。
所述电池的制作过程可为：将正电极和负电极其间设置隔离体而相互堆叠，然后将该正电极、负电极和隔离体进行卷绕。
边缘的退火过程可在涂覆所述活性材料前执行。
边缘的退火过程可在涂覆所述活性材料后执行。
在边缘退火期间，集电体可通过辐射热进行加热。
附图说明
由于结合附图参照下文详细描述而使本发明变得更为易于理解，本发明更为详尽的认知及其许多相关优势将变得显而易见，附图中相同的附图标记代表相同或相似的元件，其中：
图1为根据本发明示例性实施例的用于电池的电极的透视图。
图2为根据本发明示例性实施例的用于制作电极的电极制作装置的示意图。
图3为根据本发明示例性实施例的加热元件的透视图。
图4为根据本发明示例性实施例的集电体的透视图。
图5为根据本发明示例性实施例的集电体的未涂覆部分和涂覆部分的延伸量和屈服载荷的图表。
图6为根据本发明示例性实施例的集电体的平面图。
图7为在图6中所示的多个点处的屈服载荷对比延伸量的图表。
图8为沿集电体的宽度方向的屈服载荷分布的图表。
具体实施方式
下文中将参照附图对本发明进行更为详尽的描述，所述附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以采用多种不同形式实施，而不应理解为局限于在此阐述的示例性实施例。确切而言，所提供的这些实施例意在使本公开变得全面而完整，并向本领域技术人员详尽灌输本发明的概念。
图1为根据本发明示例性实施例的用于电池的电极的透视图。
用作可再充电电池的正电极或负电极的电极10包括集电体15和形成在集电体15上的活性材料层17。活性材料层17并不形成在集电体15的整个表面上。也就是说，电极10具有涂覆活性材料的部分12和未涂覆有活性材料从而显露出集电体15的未涂覆部分11。
当电极10用作正电极时，集电体15由铝形成，而当电极10用作负电极时，集电体15由铜或铝形成。
当电极10用作正电极时，活性材料层17为包含诸如LiCoO2、LiMnO2或LiNiO2之类的活性材料、导电剂和粘合剂的浆料形式。当电极10用作负电极时，活性材料层17为包含碳基材料、导电剂和粘合剂的浆料形式。
集电体15设置为沿特定方向延伸的条形设置，未涂覆部分11沿集电体15的纵向边缘形成。
下文中将参照图2描述用于制作电极10的方法。根据本发明示例性实施例的用于制作电池电极10的装置包括：安装在末端以加热集电体15的加热元件110、用于传送集电体15的多个滚筒121和123、邻近滚筒123安装的活性材料涂覆元件130、用于对其上形成活性材料层17的集电体15进行干化的干化炉140、和用于对经干化的集电体15进行压制的压制元件150。
集电体15的边缘被安装在(装置的)末端的加热元件110所加热，接着，集电体15被滚筒121和123朝向涂覆元件130传送。由于在集电体15的受热部分在朝向涂覆元件130传送的同时缓慢冷却，集电体15的边缘退火，从而其屈服应力和残余应力减小，而同时其延伸率增大。
冷却时间由加热元件110与涂覆元件130之间的路径长度控制。不过上述冷却方法仅提供用于示例，因此本发明的冷却方法并不限于上述设置。
参照图3，两个加热元件110对应于集电体15的两个纵向边缘进行安装。加热元件110被设置而采用辐射热对集电体15进行加热。当集电体15由辐射热进行加热时，能够有效地对特定部分进行加热。
加热元件110仅提供用于示例，因此本发明的加热元件110并不限于上述设置。例如，加热元件110可设置为通过传导、对流等方式对集电体15进行加热。
如图2所示，经冷却的集电体15被传送到邻近涂覆元件130安装的滚筒123，并被涂覆元件130涂覆以活性材料层17。涂覆有活性材料层17的集电体15被传送到干化炉140，从而使包含在活性材料层17中的易挥发组分能够蒸发。然后，在干化炉140中得到干化的集电体15被压制元件150压平。
图2示出集电体15的涂覆有活性材料的一侧。但是图2中所示的电极10仅提供用于示例，因此集电体的两侧均可涂覆有活性材料。
集电体15沿宽度方向的中心切割，并最终形成为如图1所示的电极10。
电极10用作电池的正电极或负电极。正电极和负电极相互堆叠，其间介入有隔离体，然后，堆叠的正电极、负电极和隔离体被卷绕而形成胶卷形电极组件。
图4为根据本发明示例性实施例的集电体的透视图。
图4所示的集电体15包括经涂覆的集电体部分15b和形成在集电体15边缘处的未经涂覆的集电体部分15a。
在本示例性实施例的电极10中，集电体15如上所述得到退火，因此参照图4，未经涂覆的集电体部分15a的延伸率变得大于经涂覆的集电体部分15b的延伸率。另外，未经涂覆的集电体部分15a的屈服应力变得小于经涂覆集的电体部分15b的屈服应力。当经涂覆的集电体部分15b的屈服应力为σ1而未经涂覆的集电体部分15a的屈服应力为σ2时，应满足1.5≤σ1/σ2≤7的条件。当σ1/σ2小于1.5时，在压制期间未经涂覆的集电体部分15a延伸得不够充分，从而会使电极10弯曲。当σ1/σ2大于7时，未经涂覆的集电体部分15a被加热到过高温度，从而会使未经涂覆的集电体部分15a的结构受损。
实验示例
由Al A1050形成且厚度为15μm的正集电体15的未经涂覆的集电体部分15a得到退火。退火过程包括将正集电体15加热至550℃达24秒，并将阳极集电体15缓慢冷却至室温。
集电体15在经涂覆的集电体部分15b上涂覆以活性材料，并被干燥和压制。通过拉伸试验测定退火的未经涂覆集电体部分15a的屈服载荷和延伸量。在拉伸试验中，样本形成为宽3mm、长10mm的退火的未经涂覆的集电体部分15a。
比较示例
由Al A1050形成的厚度为15μm的正集电体在经涂覆的集电体部分上涂覆有活性材料，并且正集电体被干化和压制。
通过拉伸试验测定未经涂覆的集电体部分的屈服载荷和延伸量。在拉伸试验中，样本形成为宽3mm、长10mm的未经涂覆的集电体部分。
通过拉伸试验测定经涂覆的集电体部分和未经涂覆的集电体部分的屈服载荷和延伸量。在拉伸试验中，样本形成为去除活性材料的经涂覆的集电体部分，且该样本宽3mm、长10mm。
[表1]
  延伸量(mm)   屈服载荷(kN)
 经涂覆的集电体部分   0.333   0.010175
 实验示例 (未经涂覆的集电体部 分，退火)   0.650   0.002234
 比较示例 (未经涂覆的集电体部 分)   0.309   0.010738
如表1和图5所示，可以注意到，对于未退火的传统集电体，未经涂覆的集电体部分的屈服载荷大于经涂覆的集电体部分的屈服载荷。另外，经涂覆的集电体部分的延伸量大于未经涂覆的集电体部分的延伸量。
不过，对于根据本实施例进行退火的集电体15，未经涂覆的集电体部分15a的屈服载荷显著小于经涂覆的集电体部分15b的屈服载荷。另外，未经涂覆的集电体部分15a的延伸量约为经涂覆的集电体部分15b的延伸量的两倍。
也就是说，对于传统集电体，经涂覆的集电体部分的屈服载荷与传统的未经涂覆的集电体部分的屈服载荷的屈服载荷比为0.948。对于本发明的集电体，经涂覆的集电体部分15b的屈服载荷与未经涂覆的集电体部分15a的屈服载荷的屈服载荷比为4.555。
也就是说，对于传统集电体，由于在压制期间经涂覆的集电体部分所受压制更甚于未涂覆部分，所以屈服载荷比大于1。然而，对于本发明的集电体，由于未经涂覆的集电体部分15a退火，所以未经涂覆的集电体部分15a的软度显著增大，且屈服载荷显著小于传统集电体的未经涂覆的集电体部分。
由于屈服应力值等于屈服载荷值除以样本横截面积，且每个样本的横截面积相同，所以屈服应力正比于屈服载荷。因此，本发明的未经涂覆的集电体部分15a的屈服应力小于经涂覆的集电体部分15b的屈服应力，而且还远小于传统的未经涂覆的集电体部分的屈服应力。
进一步，对于传统集电体，经涂覆的集电体部分的延伸量与未经涂覆的集电体部分的延伸量的比为1.078。对于本发明的集电体15，经涂覆的集电体部分15b的延伸量与未经涂覆的集电体部分15a的延伸量的比为0.512。也就是说，可以注意到，对于本发明的集电体15，未经涂覆的集电体部分15a的延伸量显著大于经涂覆的集电体部分15b的延伸量。
由于相同条件下延伸率正比于延伸量，所以未经涂覆的集电体部分15a的延伸率大于经涂覆的集电体部分15b的延伸率。
如上所述，由于本发明的集电体15的未经涂覆的集电体部分15a即使在相对较小的负载下也具有相对较高的延伸量，所以即使在相对较高的压力施加到经涂覆的集电体部分15b以使经涂覆的集电体部分15b延伸时，未经涂覆的集电体部分15a也充分延伸。从而就可以防止由于经涂覆的集电体部分15b与未经涂覆的集电体部分15a之间的延伸量差异而导致的电极10弯曲。
图6为根据本发明示例性实施例的集电体的平面图。
参照图6，未经涂覆的集电体部分15a退火，未经涂覆的集电体部分15a位于集电体部分15的宽度方向上的端部，且宽35mm。
图6所示的点为用于测定屈服载荷和延伸量的样本位置。这些点设置间隔10mm，用于显示退火部分与未退火部分之间的屈服载荷差。
在每一点处，选择宽3.18mm、长9.53mm的样本，并针对这些样本进行拉伸试验。
图7显示拉伸试验的结果。如图7所示，位于P1到P3的退火部分具有相对较小的屈服载荷和相对较大的延伸量，位于P4到P8的未退火部分具有相对较大的屈服载荷和相对较小的延伸量。
参照图7，可以注意到，退火部分易于在小载荷下延伸，未退火部分不易在大载荷下延伸。
图8显示沿集电体宽度方向分布的屈服载荷。参照图8，在P3所处退火部分与P4所处未退火部分之间，屈服载荷变化较大。
根据本发明，由于未经涂覆的集电体部分退火以减小其屈服应力，所以未经涂覆的集电体部分能够有效延伸，从而能够防止电极在压制期间弯曲。因此，能够提高电极的结构稳定性和生产率。
尽管已经结合当前被认为较为实用的示例性实施例对本发明进行描述，但是应该理解的是，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反地，意在涵盖落在所附权利要求书的精神和范围内的多种修改和等价替换。

Claims (13)

1.一种用于电池的电极，包括：
薄板集电体；和
涂覆在所述集电体上的活性材料层，所述集电体包括经涂覆的集电体部分以及与该经涂覆的集电体部分邻接的未经涂覆的集电体部分，所述集电体的上表面被分为所述经涂覆的集电体部分和所述未经涂覆的集电体部分；
其中，所述未经涂覆的集电体部分被退火并且该未经涂覆的集电体部分的屈服应力小于所述经涂覆的集电体部分的屈服应力；其中，当所述经涂覆的集电体部分的屈服应力为σ1并且所述未经涂覆的集电体部分的屈服应力为σ2时，满足1.5≤σ1/σ2≤7的条件。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述未经涂覆的集电体部分的延伸率大于所述经涂覆的集电体部分的延伸率。
3.根据权利要求1所述的电极，其中，所述未经涂覆的集电体部分的残余应力小于所述经涂覆的集电体部分的残余应力。
4.根据权利要求1所述的电极，其中，所述集电体包括铝。
5.根据权利要求1所述的电极，其中，所述集电体包括铜。
6.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电池由相互堆叠的正电极和负电极以及介于其间的隔离体制成，所堆叠的电极和隔离体被卷绕。
7.一种制作电极的方法，包括：
提供集电体；
对所述集电体的边缘退火；
在所述集电体上涂覆活性材料；以及
压制其上已经涂覆有所述活性材料并且其所述边缘已被退火的集电体；
其中，当所述集电体的涂覆部分的屈服应力为σ1并且所述集电体的所述边缘的屈服应力为σ2时，满足1.5≤σ1/σ2≤7的条件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述边缘的退火过程在涂覆所述活性材料之前执行。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述边缘的退火过程在涂覆所述活性材料之后执行。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述集电体由铝形成。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述集电体由铜形成。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电极形成电池的正电极或者形成电池的负电极，并且，所述电池的制作过程为：将所述正电极和所述负电极在其间插入隔离体之后相互堆叠，然后将所堆叠的电极和隔离体进行卷绕。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述集电体的边缘通过辐射热进行退火。
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