CN101405911B - 具有改进的安全性的多层型电化学电池 - Google Patents

具有改进的安全性的多层型电化学电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以这样的结构构建的电化学电池，其中作为单元电池的多个全电池或双电池用长片状形式的隔离膜进行交叠，并且单元电池的隔离物通过热熔接被固定在隔离膜上。本发明的电化学电池具有以下效果：避免堆叠电极的电极与隔离膜分离或由于外部冲击和振动而扭曲，从而避免电化学电池产生热量或着火。此外，即使在电化学电池的温度升高或者电化学电池的体积由于产生气体而增加的情况下，仍然维持电化学电池的结构稳定性。

Description

具有改进的安全性的多层型电化学电池
技术领域
本发明涉及具有改进的安全性的多层型电化学电池，更具体而言涉及一种以这样的结构构建的电化学电池，其中多个作为单元电池的全电池(full cell)或双电池(bicell)用长片状的隔离膜进行交叠，并且单元电池的隔离物通过热熔接固定于隔离膜上。
背景技术
随着移动设备的逐渐发展以及对这些移动设备需求的增加，对二次电池的需求也迅速增加。在这些二次电池中，锂二次电池具有高的能量密度和电压并具有极好的保存和使用寿命特性，其已被广泛用作多种电子产品以及移动设备的能量来源。
根据外部和内部结构，二次电池通常分为圆柱电池、方形电池和袋状电池。特别是，方形电池和袋状电池可以高整合度堆叠并且具有小的宽度长度比，因而吸引了大家相当多的关注。
具有阴极/隔离物/阳极结构的电化学电池构成了二次电池；根据电化学电池的结构，其通常可分为凝胶卷(卷绕)(jelly-roll(winding))型电化学电池或堆叠型(stacking type)电化学电池。凝胶卷型电化学电池由以下方式制备：将电极活性材料涂覆在用作集电器的金属薄片上，干燥并压制已涂覆的金属薄片，将已干燥并压制的金属薄片切割成具有预定的宽度和长度的带状，将阳极和阴极使用隔离物彼此隔开并以螺旋状卷绕该阳极/隔离物/阴极结构。凝胶卷型电化学电池适用于圆柱电池；然而，凝胶卷型电化学电池不适用于方形电池或袋状电池，因为电极活性材料可能分离并且空间利用率较低。另一方面，堆叠型电化学电池为一种以这样的结构构建的电化学电池：其中多个阴极和阳极单元电池依次彼此堆叠。堆叠型电化学电池的一个优点为其可构建成方形结构；然而，堆叠型电化学电池的缺点在于其制造工艺复杂且麻烦，并且当对堆叠型电化学电池进行外部冲击时，其电极被推挤并导致在堆叠型电化学电池内部发生短路。
为了解决上述问题，已开发了一种具有新结构的电化学电池，其为凝胶卷型电化学电池和堆叠型电化学电池的结合，即电化学电池以这样一种结构构建，其中具有预定单元尺寸的阴极/隔离物/阳极结构的全电池或具有预定单元尺寸的阴极(阳极)/隔离物/阳极(阴极)/隔离物/阴极(阳极)结构的双电池使用连续的长隔离膜进行交叠。这种电化学电池的实例公开于韩国未经审查的专利公开文本No.2001-82058、No.2001-82059和No.2001-82060中，上述专利为本专利申请的申请人所提出。
然而，在具有上述结构的电化学电池中，使用长隔离膜造成单元电池的电极可能与隔离膜分离，或单元电池的电极可能由于对电池外部和内部进行冲击和振动而被扭曲，从而可造成二次电池中发生短路。根据不同的情况，所述二次电池可着火或爆炸。
发明内容
技术问题
因此，做出本发明以解决上述问题以及尚未解决的其它技术问题。
通过为解决上述问题而进行的多种广泛而深入的研究和实验，本发明的发明人已发现：当由长片状形式的隔离膜交叠而成的多个单元电池的隔离物通过热熔接被固定于隔离膜时，堆叠电极的电极可避免与隔离膜分离，或避免由于外部冲击和振动而被扭曲，从而避免电化学电池产生热量或着火；并且即使在电化学电池的温度升高或者电化学电池的体积由于产生气体而增加的情况下，仍然维持电化学电池的结构稳定性。基于这些发现已完成本发明。
技术方案
根据本方面的一个方面，上述及其它目标可通过提供一种以这样结构构建的多层型电化学电池完成，其中作为单元电池的多个全电池或双电池用长片状形式的隔离膜进行交叠，并且单元电池的隔离物通过热熔接被固定在隔离膜上。
在一个优选实施方案中，电化学电池以这样一种结构构建，其中隔离膜的单位长度足以包裹单元电池，并且隔离膜每隔一单位长度向内弯曲，从而使其从中心单元电池到最外面的单元电池将单元电池持续包裹。
具体而言，电化学电池以这样一种结构构建，其中隔离膜由其一端通过翻转包裹第一中心单元电池的外表面；该隔离膜通过翻转包裹第二单元电池和第三单元电池的外表面，所述第二单元电池和第三单元电池分别位于第一单元电池的上面和下面，从而使得单元电池可彼此堆叠同时使隔离膜置于单元电池之间；并且该隔离膜通过翻转包裹第四单元电池和第五单元电池的外表面，所述第四单元电池和第五单元电池分别位于第二单元电池的上面和第三单元电池的下面，即成为其中最外面的单元电池可被隔离膜包裹的一种结构。
该电化学电池可通过例如以下方式制造：将第一单元电池使用热熔接方法固定到隔离膜一端的一个主表面；将第二单元电池固定到隔离膜的一个主表面，条件是第一单元电池的厚度和宽度和堆叠于第一单元电池上的第二单元电池的厚度被设定为单位长度；以及将第三单元电池固定到隔离膜的一个主表面，条件是第一和第二单元电池的厚度与固定于第一和第二单元电池上的第三单元电池的厚度被设定为单位长度，即该电化学电池通过以下方式制造：每隔一单位长度向内弯曲隔离膜，同时将各单元电池固定到隔离膜的一个主表面，条件是所述单位长度由已固定的单元电池的厚度以及待固定的单元电池的厚度之和限定。此时，第一单元电池和第二单元电池之间的单位长度为包括第一单元电池的厚度和宽度的长度，其不同于其它单元电池之间的单位长度。
在另一优选的实施方案中，电化学电池以如下结构构建，其中隔离膜的单位长度足以包裹单元电池，并且隔离膜每隔一单位长度向外弯曲，从而以Z字形由最下面的单元电池到最上面的单元电池将单元电池持续包裹，而且隔离膜的剩余部分包裹堆叠电池的外周。
该电化学电池可通过例如以下方式制造：将第一单元电池使用热熔接方法固定到隔离膜一端的一个主表面；将第二单元电池固定到隔离膜的与第一单元电池相对的另一主表面，条件是单元电池的厚度被设定为单位长度，即该电化学电池通过以下方式制造：每隔一单位长度向外弯曲隔离膜，同时将各单元电池交替固定到隔离膜的相对主表面，条件是所述单位长度由单元电池的厚度限定。
在本发明中，术语“向内”和“向外”表示隔离膜弯曲的方向。当隔离膜以与隔离膜以前弯曲的方向相同的方向弯曲时，该方向由术语“向内”表示。反之，当隔离膜以与隔离膜以前弯曲的方向相反的方向弯曲时，该方向由术语“向外”表示。例如，当隔离膜以前弯曲的方向为右方时，则相同的方向即右方由术语“向内”表示，相反的方向即左方由术语“向外”表示。
优选热熔接在各单元电池的一侧或相对的两侧进行。或者，热熔接可在各单元电池的下端和/或上端进行。另一方面，当各单元电池在其上端具有电极终端时，热熔接可在各单元电池的下端进行。
在一个优选实施方案中，当热熔接在各电池的下端和/或上端进行时，具有足以完全覆盖各电池下端和/或上端的大小的隔离物粘接在各电池的下端和/或上端，并且在各电池的下端和/或上端进行热熔接。
热熔接在隔离膜和隔离物上进行，它们耐热度较低。因此，优选在70至140℃下进行热熔接。当温度过低时，热熔接需要的时间增长，并且除了加热之外还需施用高压。因此，低温在制造电池的过程中是不希望出现的。另一方面，当该温度过高时，隔离膜或隔离物受损，当进行热熔接时，可能导致发生内部短路或损害电极活性材料。因此高温是不希望出现的。
用于本发明的全电池和双电池的结构以及使用全电池和双电池构建电化学电池的方法完全公开于韩国未经审查的专利公开文本No.2001-82058、No.2001-82059和No.2001-82060中，上述专利为本专利申请的申请人所提出的。上述专利公开文本的公开内容在此通过引证的方式纳入，好像在本文完全阐明一样。
用作单元电池的全电池为一种以阴极/隔离物/阳极单元结构构建的电池。具体而言，所述全电池为一种在其相对侧具有阴极和阳极的电池。所述全电池的基本结构可为阴极/隔离物/阳极结构或阴极/隔离物/阳极/隔离物/阴极/隔离物/阳极结构。具有阴极/隔离物/阳极结构的全电池示于图1的示意图中。为了使用全电池构建电化学电池、包括二次电池，需要将多个全电池相互堆叠，从而使得阴极和阳极彼此相对，同时隔离膜置于全电池之间。
另一方面，用作单元电池的双电池为一种以阴极/隔离物/阳极/隔离物/阴极单元结构或阳极/隔离物/阴极/隔离物/阳极单元结构构建的电池。就是说，双电池为一种在其相对侧具有相同电极的电池。具有阴极/隔离物/阳极/隔离物/阴极结构的双电池示于图2的示意图中，具有阳极/隔离物/阴极/隔离物/阳极结构的双电池示于图3的示意图中。为了使用双电池构建电化学电池、包括二次电池，需要将多个双电池相互堆叠，从而使得具有阴极/隔离物/阳极/隔离物/阴极结构的双电池与具有阳极/隔离物/阴极/隔离物/阳极结构的双电池彼此相对，同时隔离膜置于双电池之间。
根据不同情况，双电池可进一步堆叠。进一步堆叠的双电池的实例示于图4和5中。具体而言，具有阴极/隔离物/阳极/隔离物/阴极/隔离物/阳极/隔离物/阴极结构的双电池示于图4的示意图中，具有阳极/隔离物/阴极/隔离物/阳极/隔离物/阴极/隔离物/阳极结构的双电池示于图5的示意图中。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括上述电化学电池的锂二次电池。
所述锂二次电池的组件及该锂二次电池的制造方法为本发明所涉及领域中所公知的，因此其具体描述将不再给出。
附图说明
通过将以下具体描述与附图结合，将更清楚地理解本发明的上述和其它目标、特征和其它优点，其中：
图1至5为分别示出可用作本发明电化学电池的单元电池的示例性全电池和双电池的示意图；
图6及7为分别示出下述电化学电池的示意图，所述电化学电池通过根据本发明的一个优选实施方案将作为单元电池的图2和3中所示双电池交叠并通过热熔接将隔离膜固定至单元电池的相对的两侧而制造；以及
图8为示出下述电化学电池的示意图，所述电化学电池通过将隔离膜固定到已根据本发明的另一优选实施方案进行了交叠的单元电池的下端而制造。
具体实施方式
现在，将结合附图对本发明的优选实施方案进行详细描述。然而，应注意的是本发明的范围不受到所述实施方案的限制。
图6和7为分别示出下述电化学电池的示意图，所述电化学电池通过根据本发明的一个优选实施方案将作为单元电池的图2和3中所示双电池交叠并通过热熔接将隔离膜固定到单元电池的相对的两侧而制造。
参见这些附图，电化学电池100；200以这样一种结构构建，其中通过长片状形式的隔离膜310将多个双电池110、120、130......；210......220交叠，并且通过热熔接将双电池110，120，130...；210...220的隔离物300固定到隔离膜310的相对的两侧。
如图6所示，电化学电池100可通过以如下结构将双电池110、120、130......交叠而制造：其中隔离膜310通过翻转包裹第一中心双电池110的外表面；并且隔离膜310通过翻转包裹第二双电池120和第三双电池130的外表面，第二双电池120和第三双电池130分别位于第一双电池110的上面和下面。另一方面，如图7所示，电化学电池200可通过以如下结构将双电池210......220交叠而制造：其中隔离膜310以Z字形由最下面的双电池210到最上面的双电池220将双电池210......220包裹。
当双电池110、120、130......通过前述方法进行交叠时，包裹双电池相对侧的隔离膜310的厚度由最外面的双电池向中心双电池110的方向增加。因此，考虑到隔离膜厚度的增加，可减少双电池110的宽度。
图8为示出下述电化学电池的示意图，所述电化学电池通过将隔离膜固定到已根据本发明的另一优选实施方案进行了交叠的单元电池的下端而制造。
参见图8，电化学电池110在其上端具有电极末端，该末端由电化学电池110的上端向外伸出。另一隔离物320通过热熔接被固定到电池100的下端，该隔离物320的尺寸比电池100下端的面积略大。隔离物320通过热熔接被牢牢地固定于隔离膜310的下端。并且，隔离物320中的一部分被固定在处于单元电池阳极和阴极之间的隔离物300上。
以下将更详细地描述本发明的实施例。然而，应注意本发明的范围不受到所述实施例的限制。
[实施例1]
阴极混合浆料通过以下方式制备：将95重量％的作为阴极活性材料的LiCoO2、2.5重量％的Super-P(导电剂)和2.5重量％的PVdf(偶联剂)加入到作为溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中。阳极混合浆料通过以下方式制备：将95重量％的作为阳极活性材料的人造石墨、2.5重量％的Super-P(导电剂)和2.5重量％的PVdf(偶联剂)加入到作为溶剂的NMP中。将阴极混合浆料和阳极混合浆料分别涂覆到铝薄片和铜薄片上。随后，干燥并挤压该铝薄片和铜薄片。以此方式，制造阴极和阳极。
使用Cell GuardTM作隔离物。将阴极、阳极和隔离物依次相互堆叠以构建双电池。还使用与隔离物相同的材料即Cell GuardTM作隔离膜。使用隔离膜依次将总共7个双电池交叠，然后使用温度为100℃的电热板将隔离物热熔接到隔离膜的相对两侧面。以此方式，制造了电化学电池。制好的电化学电池装在袋状电池盒中，然后将电解液注入电池盒中，从而最终完成电池制造。
[实施例2]
电池以与实施例1相同的方式完成制造，除了将隔离物热熔接到双电池下端的隔离膜上。
[对比实施例]
电池以与实施例1相同的方式完成制造，除了未在双电池的相对两侧进行热熔接。
[实验实施例1]
将按照实施例和对比实施例制造的电池充电至4.2V，然后使电池从1m的高度坠落。接连进行50次坠落实验。坠落实验的结果示于下表1中。
<表1>
  电池数   在连续50次坠落实验期间短路的电池的数目
 实施例1   100   2
 实施例2   100   10
 对比实施例1   100   85
从表1中可看出，即使在对包括以如下结构构建的电化学电池的电池进行连续50次坠落实验之后，短路发生率也大幅度下降，所述结构中多个单元电池用长片状形式的隔离膜进行交叠，并且单元电池的隔离物通过热熔接被固定在隔离膜上。
产业实用性
由上述描述可显然得知，本发明的电化学电池具有以下效果：避免堆叠电极的电极与隔离膜分离或由于外部冲击和振动而扭曲，从而避免电化学电池产生热量或着火。此外，即使在电化学电池的温度升高或者电化学电池的体积由于产生气体而增加的情况下，仍然维持电化学电池的结构稳定性。
尽管已为了说明目的而公开了本发明的优选实施方案，但本领域普通技术人员将理解：在不背离如所附权利要求中所公开的本发明范围和精神的情况下，可进行各种修改、增加以及替换。

Claims (7)

1.一种多层型电化学电池，其以如下结构构建，其中作为单元电池的多个全电池或双电池用长片状形式的隔离膜进行交叠，并且单元电池的隔离物通过热熔接被固定在隔离膜上，其中所述热熔接在各电池的一侧或相对的两侧进行。
2.权利要求1的电化学电池，其中所述电化学电池以这样一种结构构建，其中隔离膜的单位长度足以包裹单元电池，并且隔离膜每隔一单位长度向内弯曲，从而使其由中心单元电池到最外面的单元电池将单元电池持续包裹。
3.权利要求1的电化学电池，其中电化学电池以这样一种结构构建，其中隔离膜的单位长度足以包裹单元电池，并且隔离膜每隔一单位长度向外弯曲，从而使其以Z字形由最下面的单元电池到最上面的单元电池将单元电池持续包裹，而且隔离膜的剩余部分包裹堆叠电池的外周。
4.权利要求1的电化学电池，其中热熔接在各电池的下端和/或上端进行。
5.权利要求4的电化学电池，其中具有足以完全覆盖各电池下端和/或上端的大小的隔离物粘接在各电池的下端和/或上端，并且热熔接在各电池的下端和/或上端进行。
6.权利要求1的电化学电池，其中热熔接在70至140℃的温度下进行。
7.一种锂二次电池，包含权利要求1至6中任一项的电化学电池。
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