CN101276934A - 具有聚合物电解质的可再充电电池及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种聚合物电解质电池，其包括两个电极，聚合物电解质，和袋型壳体，其中，在最大面积表面中包括与电极接头重叠的区域的第一区域和构成其余区域的第二区域形成为在其之间具有台阶。一种聚合物电解质电池的制造方法，其包括步骤：将电极组件放入袋型壳体；在密封袋型壳体的外围后，通过从外部封闭袋型壳体形成聚合物裸电池；压制袋部的最大面积表面，其中具有包括台阶槽的表面结构；和通过对电解质施加能量凝胶化电解质。根据本发明，活性材料层和聚合物电解质界面在聚合物电解质电池中相互粘合，接触面积可以增加，并且，由于离子电导性通过使极板之间的距离变窄而增大，内阻可以减小，从而防止电池容量的降低。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年3月26日提交的韩国专利申请No.10-2007-0029423的优先权及权益，该申请的全部内容通过引用被并入此文。
技术领域
本发明涉及一种非水电解质可再充电电池，更具体地，涉及一种具有袋型壳体的聚合物电解质电池。
背景技术
近几年，便携式电子设备的使用急剧增长，这是由于电子设备随着电子工业的快速进步变得更小、更轻。更具体地，锂可再充电电池的研究和发展已经积极进行，因为需要作为便携式电子设备电源的电池具有高能量密度。在锂可再充电电池中，锂金属氧化物用作阳极活性材料，碳或碳复合材料用作阴极活性材料。可再充电电池的制造方法如下：通过将具有合适厚度和长度的活性材料应用到集流体上，或通过堆叠或将形成为膜的活性材料和为绝缘体的隔板堆叠并缠绕来制作电极组；然后将电极组插入盒、袋、或类似的容器中；向其中注入电解质。
锂可再充电电池要求具有较薄的厚度，形状的自由度需要根据便携式电子设备增加，便携式电子设备要求小、轻、薄。具有袋型壳体的锂可再充电电池已经发展并用于满足这些要求。
袋型锂可再充电电池的缺点在于，在以与盒型锂可再充电电池类似的方式将非水性有机电解质注入壳体中的情况下，由于袋型壳体的低强度，具有很高的电解质渗漏的可能性。有机电解质的渗漏增加了点火的可能性，另外这终止了电池的功能或者污染环境，从而引起安全问题。因此，优选的是，袋型锂可再充电电池使用不流动的电解质。
为了使电解质不流动，电池可以通过下述方式构造，即，通过使用设置在两极板之间以作为隔板的完全固态电解质，或通过使用凝胶型聚合物电解质，其中电解质注入聚合物基体材料或作为增塑剂的电解质注入完全固态电解质。聚合物既用作电解质又用作隔板的电池通常称为聚合物电池或聚合物电解质电池。
聚合物电解质电池广泛地发展并在相对较小的电子设备中用作具有薄厚度的电源。
在袋型聚合物电解质电池中，壳体对电极组件的压力低。因此，电极与隔板之间的粘合度可能由于电极组件的堆叠卷绕松散而变弱。并且，可能的是，构成电极组件的阳极、阴极和聚合物电解质层之间的接触松开，或因为电极组件由于多种原因变形而在其间形成间隙。在这种情况下，离子电导性由于离子穿过的面积减小而减小，并且，由于离子电导性部分地有差异，枝晶形成的可能性增加。另外，形成间隙的区域中的活性材料可能不参与充电/放电活动，从而导致整个电池容量的减少。因此，在聚合物电解质电池中，高倍率充电/放电特性似乎降低，或者使用寿命特性降低。
为了解决这些问题，USP No.5,981,107等等公开了一种在极板和隔板之间形成树脂粘合层和粘结剂层的方法。但是，树脂粘合层或粘结剂层的问题在于，由于树脂粘合层或粘结剂层的离子电导性通常较低造成其增加了内部离子传导电阻。并且，存在的问题在于，由于与增加电池容量无关的杂质进一步进入树脂粘合层或粘结剂层，每电池体积的电容或每电池重量的电容降低。
发明内容
本发明被认为减少这些问题，本发明的一个方面是提供一种聚合物电解质电池及其制造方法，其能够防止具有袋型壳体的聚合物电解质电池中的内部离子电流的流动变弱，并防止使用寿命的减少。
用于实现以上目的的根据本发明的聚合物电解质电池包括安装有电极接头的两个电极，设置在所述两个电极之间的聚合物电解质，和袋型壳体，其承接所述两个电极及所述聚合物电解质，并由所述电极接头穿过，其中，在最大面积表面中，包括与所述电极接头重叠的区域的第一区域，和构成其余区域的第二区域形成为在其之间具有台阶。
根据本发明，所述第一区域在厚度方向上厚于所述第二区域，所述厚度方向为法线方向，所述第一区域的厚度可以等于所述电极接头的厚度。
用于实现所述目的的根据本发明的制造所述聚合物电解质电池的方法包括步骤：将具有电解质的电极组件放入所述袋型壳体；在密封所述袋型壳体的外围后，通过从外部封闭所述袋型壳体形成聚合物裸电池；压制所述袋部的最大面积表面，其中具有台阶槽的表面结构；和通过对所述电解质施加能量凝胶化所述电解质。
在所述将具有电解质的电极组件放入所述袋型壳体的步骤中，所述电极组件可以通过在堆叠两个电极或在堆叠所述电极后缠绕所述电极来形成。所述电极接头连接到集流体暴露其中的非涂覆部分。电解质层可以在通过将电极活性材料层堆叠在两个电极中的至少一个电极的集流体上而形成所述电极后，通过将包括单体，低聚物，有机溶剂、锂盐和聚合引发剂的所述液相电解质应用到所述电极并部分地干燥所述电解质来形成。不使用隔板而与两电极之间的电子迁徙相隔离的电极组件可以通过堆叠或通过堆叠并缠绕其上形成有电解质层的两个电极板而形成。这里，所述电解质层可以在所述电解质层应用到所述电极表面的状态下被凝胶化，或者所述电解质层可以在所述电解质层变成固态或半固态的状态之后，在压制具有板的袋部中的电极组件的步骤中凝胶化。
在本发明中，优选为所述台阶槽构造为具有与所述电极接头重叠的区域，所述台阶槽的深度与所述电极接头的厚度为相同范围。
在本发明中，所述凝胶化主要通过以预定温度或更高温度施加热能来实现。
附图说明
本发明的以上及其他方面、特征和优点将通过以下结合附图的详细描述而变得更加明显，其中：
图1和图2是分别示出根据本发明的示例性实施例的聚合物裸电池的正视图和立体图，
图3是示意性示出根据本发明的另一示例性实施例的聚合物裸电池的正视图，
图4至图6是示出了用于形成本发明的聚合物电解质电池的压模实例的立体图，
图7和图8是示出了根据本发明的聚合物电解质电池及其制造方法的优点的比较照片和比较图表，
图9是用于解释本发明的聚合物电解质电池的优点的立体图。
具体实施方式
在下文中，本发明将通过参照附图描述本发明的示例性实施例而详细描述。
图1和图2是分别示出根据本发明的示例性实施例的聚合物裸电池的正视图和立体图。
图3是示意性示出根据本发明的另一示例性实施例的聚合物裸电池的正视图。
图4至图6是示出了用于形成本发明的聚合物电解质电池的压模实例的立体图。
参见图1和图2，在聚合物裸电池10中，最大面积表面主要分为四个区域。在这些区域中，与电极接头21和23的以虚线表示的区域重叠的区域140是第一区域，其余区域110、120是第二区域。第一区域与电极接头重叠，第一区域比第二区域厚。
附图标记21、23分别表示聚合物裸电池的电极接头，附图标记31、33表示用于防止构成袋的金属箔(铝箔)与电极接头21、23在密封12处短路的密封带，电极接头21、23在密封12中穿过袋型壳体。
参见图3，在聚合物裸电池10′中，最大面积表面分为五个区域。在这些区域中，与电极接头21和23重叠的区域240、250是第一区域，其余区域210、220和230是第二区域。构成第一区域的两个区域240、250形成为具有相同的厚度，这两个区域与构成第二区域的其余三个区域210、220和230形成为在其间具有台阶。该台阶可以为0.05mm至0.2mm，其对应于聚合物电解质电池的正常电极接头的厚度，然而，该台阶在具有高功率和大容量的电池中可能更大。
为了形成在例如本发明的聚合物电解质电池的聚合物裸电池的最大面积表面的区域之间的台阶，可以使用如图4至6所示的压模。在压模300、400和500的这些实例中，台阶槽320、420和520在压模300、400和500的表面上形成为对应于与电极接头重叠的第一区域的区域，其中，从外部压制聚合物裸电池，同时接触聚合物裸电池的最大面积表面。
这些压模300、400和500具有大约为矩形板形状，孔310、410和510形成在四个边缘处。例如，聚合物裸电池设置在两个压模之间，从而使除了具有台阶槽320、420和520的表面之外的其余表面部分330、340、430、530、540和550接触聚合物裸电池的最大面积表面，然后，对准这两个压模的四个边缘的孔310、410和510，并将螺钉(未示出)穿过这些孔。螺母(未示出)旋至该螺钉的端部，然后可以通过紧固螺母压制聚合物裸电池。
或者，在两个压模形成为虎钳的两个表面，且聚合物裸电池安装在这两个表面之间的状态下，也可以通过紧固虎钳压制聚合物裸电池的最大面积表面。
也可以设置多个聚合物裸电池并同时压制多个聚合物裸电池的最大面积表面。
结合本发明的方法，可以在将具有电解质的电极组件放入袋型壳体的步骤中通过使用传统方法来形成袋型壳体和电极组件。例如，袋型壳体可以在形成或未形成用于承接电极组件的槽的状态下形成。袋型壳体可以通过将作为熔接树脂层用于外包装的流延聚丙烯(CPP)层或尼龙层堆叠在例如铝箔的金属箔片上来形成。
电极组件的阳极和阴极可以通过将活性材料料浆应用在集流体的表面并将其干燥和轧制来形成。电解质层可以堆叠并形成在阳极和阴极的至少一个上。电极组件可以通过堆叠和缠绕这两个电极来形成。作为活性材料，通常使用能够插入或脱插锂离子的材料。更具体地，锂钴氧化物，锂镍氧化物和锂锰氧化物一般用作阳极活性材料，例如石墨的碳基材料用作阴极活性材料。
电解质层由单体、低聚物、锂盐和构成聚合物电解质的聚合物的材料的溶剂构成，电解质层可以进一步包括用于聚合的聚合引发剂。这些材料可以通过组合在聚合物电池领域中公知的材料来使用。
在将电极组件放入袋型壳体的步骤中，电极组件的电解质层可以是固态或半固态电解质层，其中，一些没有凝胶化的溶剂从其中去除。在这种情况下，分离的溶剂像电极组件一样可以放入袋中。要去除的溶剂和要放入的溶剂在沸点或聚合物的精制方面可以彼此不同。
电解质可以是液相，其在凝胶化之前在分离的烯基的基体材料或聚偏氟乙烯(PVDF)的基体材料中被吸收。在这种情况下，可以使用将具有液相电解质的电极组件放入袋型壳体的方法，其中电极组件由基体材料制成。
根据本发明的方法，电解质的凝胶可以在凝胶前的液相电解质应用于电极的表面且电极组件形成之前实现。这里，凝胶化通过以预定温度或更高温度加热电解质，或通过特定波长的辐射光来进行。
具有电解质的电极组件放入袋中，并且，袋的开口部分通过使用热焊的方法密封，以使电极接头的部分暴露在外。
在被密封并具有电极组件的聚合物裸电池中，在聚合物裸电池设置在形成有台阶槽的压模表面之间的状态下，压力被应用于与电极接头相重叠的区域。优选的是，压力在不破坏电解质层的范围内尽可能高。在压力太低的情况下，可能由于粘合度低而通过变形形成间隙，因此，可能不能充分获得例如电池使用寿命增加的优点。相反，在压力太高的情况下，由于也作为隔板的电解质层被破坏，内部短路的可能性增加。然而，压力的上限可以根据其中使用的电解质的特性而变化。压力的具体范围可以根据要制造的电池的尺寸或规格而调整。
优选的是，电解质层的凝胶化在压制聚合物裸电池的最大面积表面的过程中实现。在这种情况下，随着凝胶型聚合物电解质的形成，电解质可以具有紧密地粘合至电极活性材料层的表面的结构，并且，这种结构可以防止在电极活性材料层与聚合物电解质之间的形成间隙。另一方面，当电解质层已经在电极组件成形步骤中凝胶化时，即使将电解质层和电极活性材料层物理上压合在一起，间隙可能由于充电/放电作用和外力所致的变形在电解质层与电极活性材料层之间的界面形成。这里，凝胶化主要通过控制温度实现，电解质通常包括聚合引发剂。
此后，很可能进一步包括下述步骤：使聚合物裸电池初始充电/放电，其中凝胶聚合物电解质通过成形过程形成；通过将保护电路模块连接至聚合物裸电池形成核心包装；然后，通过将核心包装插入外壳实现硬包装。
图7和图8是示出了根据本发明的聚合物电解质电池及其制造方法的优点的比较照片和比较图表。
沿竖直方向设置在图7左侧的三张照片示出了在传统的聚合物电池中，在电极层和隔板层之间形成多个间隙。由箭头指示的深色区域表示间隙。相反，沿竖直方向设置在右侧的三张照片示出了在根据本发明的聚合物电池中，在电极层和隔板层之间形成相对较少的间隙。在根据本发明的实施例中，间隙集中形成在没有施加压力的电极接头周围至袋表面，间隙很少形成在施加压力的区域上。
在图8中构成如‘A’所示的组的轨迹表示根据传统方法的聚合物电池的周期容量特性，而图8中如‘B’所示的组表示根据本发明的聚合物电池的周期容量特性。传统聚合物电池的容量根据充电/放电次数快速下降，根据使用的降低程度波动。根据本发明的聚合物电池显示了几乎不变的周期容量特性，根据充电/放电次数的容量下降逐渐下降。充电/放电在恒流恒压(CCCV)的水平执行。例如，充电可以在1.0C(C-RATE)、4.2V、截止电流0.1C的水平执行，放电可以在1.0C、3.2V、截止电流条件的水平执行。
图9是用于解释本发明的聚合物电解质电池的另一优点的分解立体图。
参见图9，例如图1实例的聚合物裸电池10由于两个电极接头21’、23’连接到以PCB板形状的保护电路模块700的端子而形成核心包装。在保护电路模块700中，外部端子701、702和703从板突出。核心包装安装在上部和下部610、620相互连接的硬壳体中，以使外部端子701、702和703通过开口601、602和603暴露在外。
这里，双面带810、820连接到在聚合物裸电池10的最大面积表面中具有较薄厚度的第二区域的一部分，双面带810、820的另一侧连接到硬壳体上部和下部610、620的内表面，因此，核心包装被固定并安装在硬壳体中。当双面带的厚度小于台阶时，由于双面带所致的整个硬包装电池厚度的增加不会发生，这是因为双面带安装在第二区域。
根据本发明，接触面积可以由于活性材料层和聚合物电解质界面在聚合物电解质电池中相互粘合而增加，并且，内阻可以通过使电极之间的距离变窄增大离子电导性而减小。
另外，可能的是，防止由于充电/放电作用和外力所致的变形而在电解质层与电极活性材料层之间的界面形成间隙。也就是说，可能防止的问题在于，电池容量由于不参加充电/放电的部分作为间隙形成在界面而减少，以及使用寿命由于在过充电的情况下形成枝晶而减少。
Claims (12)
1.一种聚合物电解质电池，其包括：
安装有电极接头的两个电极，
设置在所述两个电极之间的聚合物电解质，和
袋型壳体，其承接所述两个电极及所述聚合物电解质，并由所述电极接头穿过，
其中，在最大面积表面之中，包括与所述电极接头重叠的区域的第一区域，和构成其余区域的第二区域形成为在其之间具有台阶。
2.如权利要求1所述的聚合物电解质电池，其中，所述第一区域在厚度方向上厚于所述第二区域，所述厚度方向为法线方向。
3.如权利要求2所述的聚合物电解质电池，其中，所述台阶对应于所述电极接头的厚度。
4.如权利要求1所述的聚合物电解质电池，其中进一步包括用于承接所述袋型壳体的外壳体，其中，双面带的一侧连接到所述第二区域的至少一部分，所述双面带的另一侧连接到所述外壳体的内表面，从而固定所述袋型壳体和所述外壳体。
5.一种聚合物电解质电池的制造方法，其包括步骤：
将具有电解质的电极组件放入所述袋型壳体；
在密封所述袋型壳体的外围后，通过从外部封闭所述袋型壳体形成聚合物裸电池；
压制所述袋部的最大面积表面，其中具有包括台阶槽的表面结构；和
使所述电解质凝胶化。
6.如权利要求5所述的聚合物电解质电池的制造方法，其中所述使所述电解质凝胶化的步骤在压制具有所述结构的聚合物裸电池的步骤中实现。
7.如权利要求6所述的聚合物电解质电池的制造方法，其中所述压制所述聚合物裸电池的步骤通过使用压模执行，并且
其中，台阶槽形成在所述压模的与所述电极接头重叠部分的表面，所述表面与所述聚合物裸电池的最大面积表面相对。
8.如权利要求5所述的聚合物电解质电池的制造方法，其中在所述将具有电解质的电极组件放入所述袋型壳体的步骤中，所述电极组件通过包括形成两个不同极性的电极并堆叠所述两个电极的步骤形成，并且
其中，所述形成两个极板的步骤进一步包括在通过将电极活性材料层堆叠在集流体上形成所述电极后，将包括单体、低聚物、有机溶剂，和锂盐的液相电解质应用到两个极板的至少一个极板中的步骤。
9.如权利要求8所述的聚合物电解质电池的制造方法，其中所述液相电解质进一步包括聚合引发剂。
10.如权利要求8所述的聚合物电解质电池的制造方法，其中在所述将具有所述电解质的电极组件放入所述袋型壳体的步骤中，所述电极组件通过包括形成两个不同极性的极板和在多孔烯基的基体材料或聚偏氟乙烯(PVDF)的基体材料设置在所述两个电极之间的状态下堆叠所述两个电极的步骤形成，并且
其中包括单体、低聚物、有机溶剂，和锂盐的所述液相电解质注入并在所述基体材料中被吸收。
11.如权利要求5所述的聚合物电解质电池的制造方法，其中所述使所述电解质凝胶化的步骤通过以预定温度或更高温度施加热能来实现。
12.如权利要求5所述的聚合物电解质电池的制造方法，其中进一步包括步骤：
将用于控制所述聚合物裸电池的充电/放电的保护电路模块通过所述电极接头连接到所述聚合物裸电池；和
将所述双面带的一个表面连接到除了对应于所述聚合物裸电池中的所述台阶槽的部分之外的一些部分，并将所述双面带的另一个表面连接到承接所述聚合物裸电池的外壳体的内表面。
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