CN101299456A

CN101299456A - 电极组件和具有该电极组件的二次电池

Info

Publication number: CN101299456A
Application number: CNA2008100827911A
Authority: CN
Inventors: 金真喜
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2007-05-03
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: KR20080097771A; US20080274398A1; KR100914108B1; US8580417B2; CN101299456B

Abstract

电极组件及包括该电极组件的二次电池。所述电极组件构造为具有包括正极涂覆部分的正极板、包括负极涂覆部分的负极板、插在所述正极板与所述负极板之间的隔板和至少一个布置在所述正极板和所述负极板中的至少一个上的网格层。所述网格层比所述正极涂覆部分或所述负极涂覆部分更宽，从而防止所述正极涂覆部分或所述负极涂覆部分分离。由于所述网格层防止所述电极涂覆部分在受到外部影响时分离，因此可以提高电池的稳定性和可靠性。

Description

电极组件和具有该电极组件的二次电池

对优先权的要求

本申请要求于2007年5月3日提交的韩国专利申请No.10-2007-0043042的优先权和权益，其所有内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及电极组件和具有该电极组件的二次电池，并且更具体地说，涉及具有高稳定性和可靠性的电极组件和具有该电极组件的二次电池。

背景技术

通常，不同于一次电池，二次电池是可再充电的，并且已经被集中用作例如，通信装置、信息处理装置和音频/视频便携装置的主要电源。近年来，二次电池已经引起关注并取得快速发展，因为它们具有很轻的重量、高能量密度、高输出电压、低放电率和长寿命并且不妨害生态环境。

根据电极活性材料的类型，二次电池被分类为镍-金属氢化物(Ni-MH)电池和锂离子(Li-ion)电池。特别地，根据电解质的类型，锂离子电池可以被分为利用液体电解质的锂离子电池和利用固体聚合物电解质或凝胶型电解质的锂离子电池。另外，根据用于容纳电极组件的容器的形状，电池被分类为罐型电池和袋型电池。

由于锂离子电池比一次电池具有高得多的单位重量的能量密度，因此锂离子电池可以被制造为超轻重量电池。另外，在锂离子电池中，每个单元的平均电压为3.6V，这是诸如镍-镉电池和镍-金属氢化物电池的其它二次电池1.2V的平均电压的三倍。并且，锂离子电池在20℃的温度下，具有每个月小于大约5％的放电率，这是镍-镉电池和镍-金属氢化物电池的放电率的三分之一。另外，由于锂离子电池不使用诸如镉(Cd)或汞(Hg)的重金属，它是不妨害生态环境的电池，并且锂离子电池在正常状态下可以充电和放电1000次。出于这些原因，近年来，随着信息和通信技术的发展，锂离子电池得到了快速的发展。

根据相关技术，在二次电池中，包括正极板、负极板和隔板的电极组件容纳在铝或铝合金罐中，在罐的上部设置盖组件，以封闭盖的上部开口，电解质通过电解质注入孔注入罐，关闭电解质注入孔，从而形成裸电池。正极板被涂覆以正极活性材料制成的正极涂覆部分，负极板被涂覆以负极活性材料制成的负极涂覆部分。当罐为铝制或铝合金制时，由于铝为轻金属，可以减小电池的重量，并且具有即使电池长时间在高电压环境下使用也不会被腐蚀的优点。

密封的单元裸电池连接到安全设备，例如PTC(正温度系数)设备、热保险丝和保护电路模块(PCM)，和独立硬包装中的其它电池零件，或者利用热熔性树脂模制。以这种方式形成电池的外观。

同时，在正极板与负极板之间设置电极组件的隔板以阻止正极板与负极板之间的短路。隔板还用作阻止电池过热的安全设备。

然而，当电池被过度充电或者频繁充电和放电时，银白色锂枝晶可能堆积在负极活性材料的表面上，并且锂枝晶可能穿过隔板，这样正极活性材料接触负极活性材料，导致正极活性材料与负极活性材料之间的短路。

另外，穿钉测试是用于测试内部短路的安全性测试，在穿钉测试期间，当钉经过电池时，活性材料可能与集电体分离，与集电体分离的正极活性材料和负极活性材料彼此接触，从而导致短路。

进一步，当电极被缠绕在一起时，由于充电和放电引起极板重复的扩充和收缩，降低了集电体和电极涂覆部分之间的粘着性，电极涂覆部分可能破裂，并且可能与集电体分离。当正极活性材料和负极活性材料与相应的集电体分离时，由于正极活性材料与负极活性材料之间接触，正极活性材料与负极活性材料之间出现短路，这样降低了电池的稳定性和可靠性。

因此，当电极涂覆部分与电极集电体之间的粘着性降低时，必需改变电极组件的结构以防止电极涂覆部分分离。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供具有改进电极组件的改进二次电池。

本发明的另一个目的在于解决上述缺陷。

本发明的又一个目的在于提供改进的电极组件和具有所述电极组件的二次电池，所述电极组件能够防止电极涂覆部分在受到外部影响时分离，并能够提高电池的稳定性和可靠性。

为了完成本发明的方面，根据本发明的一方面，电极组件被构造为具有：包括正极涂覆部分的正极板、包括负极涂覆部分的负极板、插在所述正极板与所述负极板之间的隔板和布置在所述正极板与所述负极板中的至少一个上的至少一个网格层。所述网格层比所述正极涂覆部分或所述负极涂覆部分更宽，从而防止所述正极涂覆部分或所述负极涂覆部分分离。

所述网格层可以由尼龙、聚氨酯或其混合物制成。

所述网格层具有大约3μm至大约20μm的厚度。

所述网格层的网格可以为钻石形状。

所述网格的一侧的长度可以小于5mm。

粘着性物质可以应用于所述网格层的边缘，并且所述网格层可以在所述正极板或所述负极板上层叠。

所述网格层可以通过缠绕接触所述隔板。

根据本发明的另一方面，二次电池被构造为具有电极组件、罐和盖组件。所述电极组件被构造为具有包括正电极涂覆部分的正极板、包括负极涂覆部分的负极板、插在所述正极板与所述负极板之间的隔板和布置在所述正极板与所述负极板中的至少一个上的至少一个网格层。所述网格层比所述正极涂覆部分或所述负极涂覆部分更宽，从而防止所述正极涂覆部分或所述负极涂覆部分分离。

所述网格层可以由尼龙、聚氨酯或其混合物制成，并且所述网格层可以具有大约3μmm至大约12μm的厚度。此外，所述网格层的网格可以为钻石形状，并且所述网格的一侧长度可以小于5mm。

附图说明

通过参见在结合附图考虑时的以下详细描述，本发明的更完整认知和其许多所伴随的优势将变得明显并更好理解，在所述附图中相似的附图标记指示相同或相似的部件，其中：

图1是示出根据本发明原理的实施例的电极组件的分解透视图；并且

图2是示出根据本发明原理的实施例的被钉穿透的电极组件的图。

具体实施方式

在下文中，将参见附图详细描述根据本发明示例性实施例的电极组件。

如图1所示，根据本发明原理的实施例的电极组件被构造为具有正极板10、负极板20、插在正极板10与负极板20之间的隔板30，其用于防止正极板10与负极板20之间短路、并能够只移动锂离子，和在正极板10或负极板20上层叠的网格层40。正极板10、网格层40、隔板30和负极板20的层叠结构成螺旋形卷曲。

正极板10包括正极集电体11、正极涂覆部分12和正极接头13。

正极集电体11由薄铝箔制成。正极涂覆部分12由主要由锂基氧化物构成的正极活性材料制成，并且形成在正极集电体11的两个表面上。在这种情况下，诸如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂或LiMnO₂的锂氧化物用作正极活性材料。另外，没有涂覆正极活性材料的正极非涂覆部分14以预定间隔形成在正极集电体11的两端。

正极接头13牢固地附在正极非涂覆部分14的一部分，这样在正极板10、网格层40、隔板30和负极板20的层叠结构通过超声波焊接或激光焊接形成螺旋形卷曲之后，正极接头13布置在电极组件的内圆周部分。正极接头13由镍金属材料制成，并且正极接头13的上部牢固地附在正极集电体11的上部，并从正极集电体11的上部伸出。

负极板20包括负极集电体21、负极涂覆部分22和负极接头23。

负极集电体21由薄铜箔制成。负极涂覆部分22由主要由含碳材料组成的负极活性材料制成，并形成在负极集电体21的两个表面上。在这种情况下，例如，碳(C)-基材料，Si、Sn、锡氧化物、复合锡合金或过渡金属氧化物用作负极活性材料。另外，没有涂覆负极活性材料的负极非涂覆部分24形成在负极集电体21的两端。

负极接头23由镍金属材料制成，并牢固地附在负极非涂覆部分14的一部分，这样在正极板10、网格层40、隔板30和负极板20的层叠结构通过超声波焊接形成螺旋形卷曲之后，负极接头23布置在内圆周部分。负极接头23牢固地附在负极集电体21的内部，使得负极接头23的上部从负极集电体21的上部伸出。

隔板30通常由聚乙烯(PE)树脂或聚丙烯(PP)树脂制成。作为替代地，隔板30可以由普通绝缘胶带制成。另外，隔板30的宽度大于正极板10和负极板20的宽度，从而防止正极板10与负极板20之间的短路。

网格层40为网格形状的纤维组织，并且网格层40的宽度大于正极涂覆部分12和负极涂覆部分22的宽度，从而抑制很可能在极板表面产生的锂枝晶的生长。

粘着性物质被应用于网格层40的边缘，这样网格层40粘附在正极板10或负极板20上，并通过烘干过程平面化。在这种情况下，网格层40可以通过卷曲接触隔板30。

也就是说，在这个实施例中，网格层40可以在极板上层叠，以便与正极涂覆部分结合，并通过卷曲接触隔板30。

网格层40由尼龙、聚氨酯或其混合物制成，并且有弹性地覆盖正极板10或负极板20，以便可以防止电极活性材料通过外力与电极集电体分离。另外，如图2所示，当钉50穿过电池时，网格层40随钉50延伸，这样可以使由内部短路引起的电池燃烧和爆炸最小化。

同时，随着网格层40的变厚，网格层40占据电池的大片内部区域，这可能导致电池中单位体积的大量容量损失。另外，厚度大的网格层40阻止导致电池寿命降低的电极板的扩张或收缩。因此，网格层40优选地具有大约3μm至大约20μm的厚度，以实现高稳定性和性能。

以下的表格1总结了利用各种电极制造的电池的初始容量、穿钉测试结果和寿命。

在表格1中，在穿透测试中，使钉完全穿透以4.35V的电压充电的电池，并且然后检查电池中是否出现燃烧和爆炸。如果电池中没有出现燃烧和爆炸，则电池的穿透结果用“OK”表示。另一方面，如果电池中出现燃烧和爆炸，电池的穿透结果用“NG”表示。同时，从电池寿命的观点来看，电池以1C和4.2V充电，并以1C和3V放电。如果已经被充电和放电500次的电池的容量等于或大于初始容量的80％，则电池寿命用“OK”表示。另一方面，如果电池容量小于初始容量的80％，则电池寿命用“NG”表示。另外，网格层40应当具有小于20μm的厚度，以减小由网格层40引起的电池容量损失。如果网格层40的厚度小于20μm，则电池的初始容量结果用“OK”表示。否则，如果网格层40的厚度大于20μm，则电池的初始容量结果用“NG”表示。

在以下表格1中的比较例2至比较例8的电池中，钻石形状的网格一侧的长度为1μm。

表格1

在比较例1中，电池制造为具有正极板、负极板和由聚烯烃薄膜制成的隔板。

在比较例2中，电池制造为具有与比较例1相同的电极。厚度为25μm的网格层在正极板和负极板上层叠。

在比较例3中，电池制造为具有与比较例1相同的电极。厚度为2μm的网格层形成在正极板和负极板上。除了上述网格层之外，比较例2和比较例3中的电池与比较例1中的电池相同。

在比较例1的电池中，穿透结果为NG。也就是说，钉穿过电池内部，并且正极活性材料和负极活性材料与集电体分离，引起正极板与负极板之间的短路，导致电池爆炸。

由于比较例2的电池构造为具有网格层，所述网格层用于防止正极活性材料和负极活性材料分别与正极集电体和负极集电体分离。穿透结果为OK，但是由于厚度厚，比较例2的电池的初始容量和寿命为NG。

比较例3的电池构造为具有形成在正极板和负极板的网格层，但是网格层太薄，不能完全防止活性材料与电极集电体分离。因此，穿透结果为NG。

在例1至例4的电池中，用于防止活性材料分离的网格层分别以20μm、10μm、5μm和3μm的厚度在正极板和负极板上层叠。根据实施例1至4的电池的初始容量、穿透结果和寿命均为OK。

在例5和例6的电池中，网格层分别以20μm和3μm的厚度只形成在正极板上。在例7和例8的电池中，网格层分别以20μm和3μm的厚度只形成在负极板上。

如从例5至例8可见的，形成在正极板或负极板上的网格层使得可以在钉穿过电池时实现电池的稳定性，并且不影响电池的初始容量和寿命。也就是说，虽然优选在正极板和负极板上都形成网格层以便进一步提高稳定性，考虑到制造成本和电池系统的优化，也可以在正极板或负极板之一上形成网格层。

同时，网格层上的网格可以以钻石形状形成。在这种情况下，当网格的一侧太长时，活性材料可能穿过网格，使得难以通过防止活性材料的分离来防止短路。因此，由于网格一侧的长度变得更小，可以有效地防止活性材料的分离。

以下的表2总结了在进行针对网格尺寸的上限测试之后的电池的初始容量、钉穿透测试结果和电池的寿命。

在只调整网格的尺寸时，厚度为5μm的网格层形成在正极板和负极板上。另外，与表格1类似，在穿透测试中，钉完全穿过以4.35V的电压充电的电池，然后检查电池中是否出现燃烧和爆炸。如果电池中没有出现燃烧和爆炸，则电池的穿透结果用“OK”表示。另一方面，如果电池中出现燃烧和爆炸，则电池的穿透结果用“NG”表示。同时，从电池寿命的观点来看，电池以1C和4.2V充电，以1C和3V放电。如果已经被充电和放电500次的电池的容量等于或大于初始容量的80％，则电池的寿命用“OK”表示。另一方面，如果电池的容量小于初始容量的80％，则电池的寿命用“NG”表示。

表格2

在比较例1的电池中，钻石形状的网格的一侧长度为7mm的网格层在正极板和负极板上层叠。

在比较例2的电池中，钻石形状的网格的一侧长度为5mm的网格层在正极板和负极板上层叠。

在例1至例5的电池中，钻石形状的网格的一侧长度分别为4mm、3mm、2mm、1mm和0.5mm的网格层在正极板和负极板上层叠。

当如在比较例1和比较例2中的，网格的一侧长度等于或大于5mm时，当钉穿过电池时，不能有效地防止活性材料经过网格，导致电池燃烧和爆炸。

然而，如在例1至例5的电池中，当网格一侧的长度小于5mm时，当钉穿过电池时，可以有效地防止活性材料分离。因此电池中不会发生短路。结果是，不会发生电池的燃烧和爆炸。

因此，优选网格一侧的长度小于5mm，以便防止活性材料分离。

接下来，将根据示例性实施例详细描述根据本发明原理的示例性实施例的包括电极组件的二次电池。

根据本发明原理的实施例的二次电池构造为具有电极组件、用于容纳所述电极组件的罐和用于封闭所述罐的开口的盖组件。

如上所述，所述电极组件包括正极板、负极板和插在所述正极板与所述负极板之间用于防止所述正极板与负极板之间短路的隔板。这里，所述电极组件进一步构造为具有网格层，所述网格层比正极板或负极板的电极涂覆部分都宽，从而防止电极涂覆部分的分离。

如上所示，网格层由尼龙、聚氨酯或其混合物制成，并且可以具有大约3μm至大约20μm的厚度。另外，网格层的钻石形状网格一侧的长度可以小于5mm。

同时，所述罐和所述盖组件可以具有普通的二次电池结构。

也就是说，所述罐由铝或铝合金制成，并且大约为长方体形状。所述电极组件通过上方开口部分容纳在所述罐中，并且所述罐作为用于所述电极组件和电解质的容器。所述罐也可以作为端子。

在所述盖组件中设置与具有所述罐的所述上方开口部分相似的尺寸和形状的平面盖板。在所述盖板与经过所述盖板中心的电极端子之间设置管状的衬垫以使所述盖板与所述电极端子电绝缘。另外，绝缘板布置在所述盖板的下表面上，并且在所述绝缘板的下表面提供端板。所述电极端子的下部电连接到所述端板。从所述正极板延伸的正极接头焊接到所述盖板的下表面，从所述负极板延伸并具有之字形弯曲部分的负极接头焊接到所述电极端子的下端。

电解质注入孔在所述盖板的一侧形成，在注入所述电解质之后，设置塞子以封闭所述电解质注入孔。通过在所述电解质注入孔上放置由铝或铝合金制成的球形基础材料并将所述基础材料机械地压在所述电解质注入孔上来形成所述塞子。所述塞子在所述电解质注入孔周围焊接到所述盖板以密封所述电解质注入孔。所述盖组件通过将所述盖板的外围部分焊接到所述罐的上方开口部分的侧壁来连接到所述罐。

接下来，以下将描述被构造为本发明原理的实施例的电极组件的操作及具有该电极组件的二次电池。

如图1所示，隔板30插在正极板10与负极板20之间以防止正极板10与负极板20之间的短路，并且由尼龙、聚氨酯或其混合物制成的网格层40比正极板10或负极板20的电极涂覆部分都更宽。

由于网格层40具有高弹性和挠度，因此网格层40可以防止电极涂覆部分分离。另外，如图2所示，即使在钉50穿过电池时，具有高弹性的网格层40被延伸为缠绕钉50的表面。结果是，提高了电池的稳定性。

根据本发明的上述实施例，网格层在正极板或负极板上形成，这样可以防止电极涂覆部分在受到外部影响时分离，并且从而提高电池的稳定性和可靠性。

如上所述，虽然以上已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于此。因此，本领域技术人员将认知到可以在不脱离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明做出各种修改和改变，本发明的保护范围由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims

1、一种电极组件，其包括：

正极板和彼此相对的负极板，其包括各自的电极涂覆部分；和

布置在所述正极板和所述负极板中至少一个之上的网格层，所述网格层宽于所述一个极板的电极涂覆部分，从而防止所述电极涂覆部分从所述一个极板分离。

2、根据权利要求1所述的电极组件，所述网格层是由尼龙、聚氨酯或其混合物制成的。

3、根据权利要求1所述的电极组件，所述网格层具有大约3μm至大约20μm的厚度。

4、根据权利要求1所述的电极组件，所述网格层包括具有钻石形状的网格。

5、根据权利要求4所述的电极组件，所述网格一侧的长度小于大约5mm。

6、根据权利要求1所述的电极组件，其进一步包括应用于所述网格层的边缘的粘着性物质，所述网格层在所述正极板和所述负极板中的至少一个上层叠。

7、二次电池，其包括：

根据权利要求1-6中任意一个的电极组件；

罐；和

盖组件。