CN101488588A - 锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种易于灌注电解液的电极组件。一种附着到电极组件外周界的密封带包括对电解液具有亲和性的材料；或者，所述密封带的全部或一部分涂覆有所述材料；再或者，所述密封带的表面粗糙，从而提高所述电解液对所述密封带的润湿性以及所述电解液在所述密封带中的扩散。在另一个实施例中，第一和第二绝缘板包括对所述电解液具有亲和性的材料；或者，所述绝缘板包括对所述电解液具有亲和性的材料与聚丙烯或聚乙烯的混合物；或者，所述绝缘板的表面涂覆有所述材料或用于减少所述电解液表面张力的表面活性剂。

Description

锂离子二次电池
本申请是申请号为200610156350.2的申请的分案申请，原申请的申请日为2006年12月29，发明名称为“锂离子二次电池”。
相关申请的交叉引用
本发明要求2005年12月29日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请10-2005-0134537、10-2005-0134539和10-2005-0134540的优先权和权益，上述专利申请的全部内容被合并于此作为参考。
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池。更具体地，本发明涉及一种具有附着到电极组件的外周界的密封带的锂离子二次电池。
背景技术
近年来，紧凑且轻便的电气和电子设备，例如，移动电话、便携式计算机和便携式摄像机，已经得到积极的发展并被大量生产。电池组被置于便携式电气和电子设备中，使得便携式电气和电子设备能够在无需额外电源的情况下工作。所述内置的电池组包括至少一个电池，用于输出稳定的电压电平，以在所希望的时间段内驱动便携式电气或电子设备。
出于成本的考虑，能够充电和放电的二次电池，近来已用作电池组。二次电池包括Ni-Cd电池，Ni-MH电池，锂金属电池，和锂离子电池。
锂离子二次电池的工作电压通常为3.6V，该工作电压比在便携式电子设备中广泛用作电源的Ni-Cd电池和Ni-MH电池的工作电压高3倍。此外，锂离子二次电池的单位重量的能量密度也高。因此，锂离子二次电池的使用迅速增长。
在锂离子二次电池中，基于锂的氧化物被用作正电极活性材料，碳材料被用作负电极活性材料。通常，根据电解液的种类，锂离子二次电池被分为：液体电解液电池和聚合物电解液电池。使用液体电解液的电池是指锂离子电池，而使用聚合物电解液的电池是指锂聚合物电池。而且，锂离子二次电池可采用各种形状，例如，圆柱形，多变形和袋状。
通常，圆柱形锂离子二次电池包括：电极组件，其具有涂覆有正活性材料的正电极板，涂覆有负活性材料的负电极板，和置于所述正电极板与所述负电极板之间的隔板。所述隔板防止正电极板与负电极板短路，并仅允许锂离子的运动。电极组件被卷绕并与电解液一起被置于壳体中，且盖组件密封所述壳体。
用于支撑、保护和绝缘所述电极组件的密封带，绕着锂离子二次电池中的电极组件的外周界卷绕。密封带通常由基于聚烯烃的材料形成，例如，聚乙烯(PE)，聚丙烯(PE)和聚酰亚胺(PI)。不过，这些材料很难被电解液润湿，因此电解液很难扩散到这些材料中(该材料对电解液具有弱亲和性)。其结果是，阻止了在注入电解液的过程中在壳体与电极组件之间产生微小间隙的毛细现象。另外，随着电池容量的增加，电极组件的密度增加。因此，电极组件的外直径增加，且电极组件与壳体之间的空间减小，使得灌注电解液更为困难。
在圆柱形锂离子二次电池中，在将电极组件插入壳体之前，插入下绝缘板，以将电极组件与壳体相互绝缘。而且，当插入电极组件之后以及用盖组件密封壳体之前，插入上绝缘板，以将电极组件与盖组件相互绝缘。
由于上绝缘板和下绝缘板通常由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成，因此，上绝缘板和下绝缘板很难被电解液润湿，因此电解液很难扩散到上绝缘板和下绝缘板中(上绝缘板和下绝缘板对电解液具有弱亲和性)。因此，阻止了电极组件被充分灌以电解液。另外，随着电池容量的增加，电极组件的密度增加。其结果是，电极组件的外直径增加。当电极组件的外直径增加时，电极组件与壳体之间的空间减小，使得灌注电解液更为困难。
发明内容
在本发明的一个实施例中，锂离子二次电池包括由对电解液具有亲和性的材料所形成的密封带，以改进电解液的灌注。
在另一个实施例中，锂离子二次电池包括密封带，该密封带的表面涂覆有对电解液具有亲和性的材料，以改进电解液的灌注。
在本发明的又一个实施例中，锂离子二次电池包括第一绝缘板和第二绝缘板，第一绝缘板和第二绝缘板中的至少一个的表面，通过能够容易地灌以电解液的材料而被改进。这使得即使是高密度电极组件也能够容易地被灌以电解液。
在本发明的再一个实施例中，锂离子二次电池包括第一绝缘板和第二绝缘板，第一绝缘板和第二绝缘板中的至少一个的表面涂覆有能够容易地灌以电解液的材料。这使得即使是高密度电极组件也能够容易地被灌以电解液。
根据本发明的一个实施例，一种锂离子二次电池包括：电极组件，附着到所述电极组件的外周界的密封带，用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体，和用于密封所述壳体顶部的开口的盖组件。在一个实施例中，密封带由对所述电解液具有亲和性的材料形成，使得电解液容易地扩散进入所述密封带中，并使得所述密封带容易地被所述电解液润湿。
在一个实施例中，对所述电解液具有亲和性的材料为聚合物材料，其在与所述电解液的界面处具有大约1-80°的接触角度，如在接触角度实验中所测量到的那样。适合的聚合物材料的一个非限制性示例为聚偏二氟乙烯(PVdF)。PVdF可为PVdF 761，PVdF 2801，或者PVdF 761和PVdF 2801的混合物。
在另一个实施例中，所述聚合物材料包括酯基或者羧基。
在另一个实施例中，所述密封带中形成有多个孔。这些孔可采用任何形状。例如，所述孔可为圆形、三角形或四方形。
根据本发明的另一个实施例，锂离子二次电池包括：电极组件，附着到所述电极组件的外周界的密封带，用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体，和用于密封所述壳体中的开口的盖组件。所述密封带的表面涂覆有对所述电解液具有亲和性的材料，使得电解液容易地扩散到所述密封带中，并使得所述密封带容易地被所述电解液润湿。
在一个实施例中，所述密封带由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成。
在另一个实施例中，对所述电解液具有亲和性的材料可为PVdF。PVdF在其与所述电解液的界面处的接触角度在大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。PVdF例如可为PVdF 761，PVdF 2801，或PVdF 761和PVdF 2801的混合物。
在一个实施例中，所述对电解液具有亲和性的材料可包括酯基或羟基。
根据另一个实施例，所述对电解液具有亲和性的材料可为表面活性剂。所述表面活性剂可为
Figure A200910006026D0009161332QIETU
。
在一个实施例中，所述密封带中形成有多个孔。这些孔可采用任何形状，例如，圆形、三角形或四方形。
根据本发明的又一个实施例，锂离子二次电池包括：电极组件，附着到所述电极组件的外周界的密封带，用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体，和用于密封所述壳体中的开口的盖组件。所述密封带的表面是粗糙的，使得电解液容易地扩散进入所述密封带中，并使得所述密封带容易地被所述电解液润湿。
所述密封带可以由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成。所述密封带能够被所述电解液润湿，且所述电解液能够在所述密封带与所述电解液的界面处以一接触角度扩散进入所述密封带中，该接触角度在大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。
所述密封带中可形成有多个孔。这些孔可采用任何形状，例如，圆形、三角形或四方形。
根据本发明的再一个实施例，锂离子二次电池包括：电极组件，用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体，用于密封所述壳体的盖组件，位于所述电极组件与所述壳体之间的第一绝缘板，和位于所述电极组件与所述盖组件之间的第二绝缘板。所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个包括对所述电解液具有亲和性的材料，使得电解液容易地扩散进入所述密封带中，并使得所述密封带容易地被所述电解液润湿。对所述电解液具有亲和性的材料可为聚合物材料，其在与所述电解液的界面处的接触角度在大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。在一个实施例中，聚合物材料可为PVdF。PVdF例如可为PVdF 761，PVdF 2801，或PVdF 761和PVdF 2801的混合物。
在另一个实施例中，聚合物材料包括酯基或者羧基。
根据本发明的又一个实施例，锂离子二次电池包括：电极组件，用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体，用于密封所述壳体的盖组件，位于所述电极组件与所述壳体之间的第一绝缘板，和位于所述电极组件与所述盖组件之间的第二绝缘板。所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个包括一种材料，该材料包括对所述电解液具有亲和性的材料与对所述电解液不具有亲和性的材料的混合物。对所述电解液具有亲和性的材料可为氧化物，其在与所述电解液的界面处的接触角度在大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。在一个实施例中，所述氧化物可为二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)。
在一个实施例中，所述氧化物的量的重量百分比，基于所述混合物的总重量，在大约30％-95％的范围中。对所述电解液不具有亲和性的材料，可为聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。
根据本发明的又一个实施例，锂离子二次电池包括：电极组件，用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体，用于密封所述壳体的盖组件，位于所述电极组件与所述壳体之间的第一绝缘板，和位于所述电极组件与所述盖组件之间的第二绝缘板。所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个，具有至少一个涂覆有对所述电解液具有亲和性的材料的表面，使得电解液容易地扩散进入所述密封带中，并使得所述密封带容易地被所述电解液润湿。对所述电解液具有亲和性的材料可为聚合物材料，其在与所述电解液的界面处的接触角度在大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。在一个实施例中，所述聚合物材料为PVdF。PVdF例如可以为PVdF 761，PVdF 2801，或者PVdF 761和PVdF 2801的混合物。
在另一个实施例中，所述聚合物材料包括酯基或者羧基。
在又一个实施例中，所述对所述电解液具有亲和性的材料为表面活性剂。所述表面活性剂的一个示例为
Figure A200910006026D0011161532QIETU
。
在一个实施例中，所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成。根据一个实施例，所述第二绝缘板为圆柱形。所述第二绝缘板的表面上可形成有多个孔。
附图说明
结合附图并参照下面的详细描述，本发明的这些以及其他特征和优点，将变得显而易见。其中：
图1是根据本发明一个实施例的锂离子二次电池的透视图；
图2是沿图1中的线A-A所获取的电池的截面图；
图3是根据本发明一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图4a是根据本发明另一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图4b是根据本发明又一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图4c是根据本发明再一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图5是根据本发明另一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图6a是根据本发明另一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图6b是沿图6a中的线B-B所获取的电极组件的截面图；
图7a是根据本发明另一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图7b是根据本发明又一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图7c是根据本发明再一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图；
图8a是根据本发明一个实施例的第二绝缘板的俯视图；
图8b是沿图8a中的线C-C所获取的第二绝缘板的截面图；
图9a是根据本发明一个实施例的第一绝缘板的俯视图；
图9b是沿图9a中的线D-D所获取的第一绝缘板的截面图；
图10a是根据本发明另一个实施例的第二绝缘板的俯视图；
图10b是沿图10a中的线E-E所获取的第二绝缘板的截面图；
图11a是根据本发明另一个实施例的第一绝缘板的俯视图；和
图11b是沿图11a中的线F-F所获取的第一绝缘板的截面图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的锂离子二次电池的透视图。图2是沿图1中的线A-A所获取的电池的截面图。为了方便，所描述的为圆柱形锂离子二次电池。不过，本发明并不仅限于圆柱形锂离子二次电池，而是可以包括任何的锂离子二次电池，包括多面体锂离子二次电池。
参照图1和图2，圆柱形锂离子二次电池100包括电极组件200，用于容纳电极组件200和电解液的圆柱形壳体300，和连接到圆柱形壳体300的用于密封圆柱形壳体300并用于将电极组件200产生的电流传送到外部设备到盖组件400。
参照图2，电极组件200包括：通过将正电极集电体表面涂覆以正电极涂层而获得的正电极板210，通过将负电极集电体表面涂覆以负电极涂层而获得的负电极板220，和置于正电极板210与负电极板220之间的隔板230。隔板230将正电极板与负电极板220相互电绝缘。电极组件200被卷绕成胶卷(jelly-roll)形。
正电极板210可包括由具有良好导电性的薄金属板形成的正电极集电体。例如，可使用铝(Al)箔作为正电极板。正电极板涂层可被涂覆在正电极集电体的两个表面上。正电极集电体的两端可包括未涂覆所述正电极涂层的部分。由铝(Al)形成的正电极接片(tab)215，可突出到电极组件200之外，并可连接到正电极集电体的一个未涂覆的末端。
而且，负电极板220可包括由薄导电金属板形成的负电极集电体，例如，铜(Cu)箔或镍(Ni)箔。负电极板涂层可被涂覆在负电极集电体的两个表面上。负电极集电体的两端可包括未涂覆有所述负电极涂层的部分。由镍(Ni)形成的负电极接片225，可突出到电极组件200之外，并可连接到负电极集电体的未涂覆的末端。
锂离子二次电池100可进一步包括第一绝缘板241和第二绝缘板245，其分别连接到电极组件200。绝缘板241和245防止电极组件200被直接连接到盖组件400和圆柱形壳体300。绝缘板241和245将在下面进行进一步的描述。
参照图3，在电极组件200的外周界上，可附着有密封带250以支撑和保护电极组件200。正电极板和负电极板相互面对，并通过置于正电极板与负电极板之间的隔板而相互分离。所述正电极板和负电极板以及隔板被圆柱状地卷绕，而且卷绕的隔板的一部分被暴露于电极组件200的最外周界。为防止卷绕的电极组件200退绕，可将密封带250附着到电极组件200的外周界以及隔板的末端。
在一个实施例中，容纳电极组件200的壳体300的内表面，由对电解液具有亲和性的材料形成，例如铝(Al)，钢(Fe)，或等同材料。不过，密封带250通常由对电解液不具有亲和性的材料形成，例如聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，和聚酰亚胺(PI)。另外，当电极组件200被插入壳体300中时，密封带250的内表面与壳体300的内表面相互接近，使得存在极少空间或者没有空间能够供电解液灌入。密封带250对电解液不具有亲和性，因而阻止了电解液通过毛细现象进行渗透。
由于聚乙烯(PE)具有低密度和松散的分子排列，因而其易于处理。而且，由于聚乙烯(PE)仅由CH2形成，因而其电绝缘性优秀。由于聚乙烯(PE)具有对称的碳(C)链，如其化学式所示，聚乙烯(PE)适于用作高频绝缘材料。
聚丙烯(PP)具有全同立构结构，而且甲基以相同的方向排列。其在模制之前具有高结晶度，而在模制之后结晶度降低。
不过，无论是聚乙烯(PE)还是聚丙烯(PP)，对于非水性电解液均不具有亲和性。这是因为，在非水性电解液与聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)之间表面能的差异较大，使得电解液分子不容易与由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成的密封带的表面相结合。因此，当由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成的密封带接触电解液时，电解液形成珠状，使得密封带很难被电解液润湿，而且使得电解液很难扩散到密封带中。
根据本发明的一个实施例，密封带250通过一种对电解液具有亲和性的材料进行改进，该材料易于被电解液润湿，使得电解液易于扩散到所述材料中。根据本实施例，密封带250的材料被电解液润湿而且电解液扩散到密封带250中，其中，密封带250与电解液的界面处的接触角度，处于大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。在此，当电解液的液滴接触密封带250的表面时，电解液液滴扩散进入该表面。例如，当电解液的液滴未进行扩散时，接触角度较大，意味着密封带250对电解液不具有亲和性或具有低亲和性。当电解液液滴大面积扩散时，则密封带250对电解液具有亲和性或较大的亲和性。换句话说，当电解液在所述材料上形成液滴时，所述材料为疏水的；而当电解液大面积扩散时，所述材料为亲水的。
根据一个实施例，对电解液具有亲水性的材料为其它聚合物材料中的聚偏二氟乙烯(PVdF)。PVdF具有重复的-CH2-CF2-结构，其为用作在集电体上涂覆电极活性材料的粘合剂的一类氟树脂。所述氟树脂的主链具有与聚烯烃相同的C-C键。所述氟树脂为具有某种结构的合成树脂，其中，聚烯烃的部分或所有氢原子被氟(F)原子所取代。
关于电解液灌注的实验表明，PVdF易于被非水性电解液润湿，且非水性电解液易于在PVdF中扩散，其中PVdF包括PVdF 761和PVdF 2801。因此，根据一个实施例，密封带包括选自PVdF 761、PVdF 2801及其混合物中的材料。
如上所述，为了制造易于被非水性电解液润湿并且非水性电解液易于在其扩散的密封带，可以通过PVdF对密封带进行改进。或者，密封带可由聚合物材料形成，以替代PVdF。所述聚合物材料可包括酯基或羧基(即，亲水原子基)。
所述酯基是形成表示为RCOOR′的脂肪族化合物的原子基。为了产生所述酯基，醇或酚与有机或无机酸反应，以去除水(H2O)，从而产生酯。具体地，例如硫酸酯和硝酸酯的无机酸酯，可用作有机溶剂。羧基是形成表示为RCOOH的脂肪族化合物的原子基，例如，乙酸(CH3COOH)和苯甲酸(C6H5COOH)。
包括酯基或羧基的聚合物材料，对非水性电解液具有亲和性。当密封带由硫酸酯或苯甲酸(包括酯基或羧基)形成时，密封带易于被电解液润湿，而且电解液易于扩散到密封带中。其结果是，电解液的灌注得以改善。
图4a-4c是根据本发明的各种可替换实施例的包括密封带的电极组件的透视图。孔252、254和256可为圆形的、三角形的、四方形的或等同的形状。不过，孔的形状并不仅限于此。密封带可以包括任何数量的孔252、254和256，只要密封带250能够阻止电极组件200退绕即可。孔252、254和256的数目并不受限制。
孔252、254和256形成在密封带250中，以将隔板230(其比密封带250具有更好的对电解液的亲和性)暴露于电极组件200的外周界。另外，孔252、254和256在所述壳体的侧表面310与密封带250所附着的电极组件200的外周界之间形成了空间。因此，当注入的电解液沿着电极组件200的外周界流动时，隔板230(其通过孔252、254和256而被暴露于电极组件200的外周界)有助于电解液的灌注，并允许电解液通过由孔252、254和256形成的空间渗透进电池。
当孔252、254和256过大或提供得过多时，密封带250不再支撑电极组件200的外周界，因此电极组件200可能变形或损坏。因此，孔252、254和256的尺寸和数量应使得密封带250能够支撑电极组件200的外周界。
为了改进电解液得灌注，如上所述，密封带能够被改进，或者，密封带的表面可以由涂覆有对电解液具有亲和性材料的聚乙烯(PE)形成。
如上所述，PVdF可用作对电解液具有亲和性的材料。PVdF被电解液润湿，而电解液在PVdF与电解液的界面处以一接触角度扩散到PVdF中，其中接触角度处于大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。具体地，密封带可由PVdF 761、PVdF 2801或其混合物形成。或者，包括酯基或羧基的化合物可用作涂覆在密封带上的材料，以替代PVdF。
在另一个实施例中，密封带表面可涂覆有表面活性剂，电解液扩散进入到所述表面活性剂中，在所述表面活性剂与电解液的界面处的接触角度，处于大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。
表面活性剂具有亲水基和亲脂基，并用于降低水的表面张力。表面活性剂也会渗透、扩散、乳化和起泡。作为其代表性的功能，表面活性剂用于清洁衣物，并通过将附着在衣物纤维上的油和水混合以将去除衣物上的污迹来起作用。表面活性剂被分为阴离子表面活性剂，阳离子表面活性剂，非离子表面活性剂，和两性表面活性剂。阴离子表面活性剂主要用作合成清洁剂。
当表面活性剂溶于水中时，亲脂基离子游离。当亲脂基游离以形成负电荷(-)时，形成阴离子表面活性剂。当亲脂基离子游离以形成正电荷(+)时，形成阳离子表面活性剂。当亲脂基离子游离以形成正电荷(+)和负电荷(-)时，形成两性表面活性剂。当亲脂基离子未形成游离离子时，形成非离子表面活性剂。
在本发明的一个实施例中，使用
Figure A200910006026D0016162057QIETU
(即，非离子表面活性剂)作为表面活性剂。
Figure A200910006026D0016162109QIETU
具有-OH基。具有相对较低的亲水性能，但具有酯基和醚键，其给予
Figure A200910006026D0016162145QIETU
优秀的亲脂性能。
Figure A200910006026D0016162157QIETU
仅为可用的表面活性剂的一个非限制性示例，应理解的是，所述表面活性剂并不仅限于
Figure A200910006026D0016162215QIETU
。
当表面活性剂接触非水性电解液时，表面活性剂的亲脂基连接到非水性电解液分子的表面。因此，表面活性剂与非水性电解液之间的界面增加，而电解液的表面张力降低。其结果是，密封带易于被电解液润湿，且电解液易于扩散到密封带中。
如上所述，当密封带的表面涂覆有对电解液具有亲和性的聚合物材料或涂覆有表面活性剂时，有可能增加电解液的渗透速度和灌注速度。这是因为，密封带的表面并非专门接触电解液。
根据一个实施例，可涂覆密封带的整个表面。或者，可仅涂覆密封带的一部分表面。图5是电极组件250的一个实施例的透视图，其中，仅涂覆了密封带的一部分。如图所示，密封带250包括仅位于密封带250一部分表面上的涂层251。涂层251沿着电极组件200的长度方向进行涂覆。涂层251之间的距离和涂层251的宽度，可根据电解液的粘度和电池的结构来控制。例如，当电解液的粘度高时，涂层251之间的距离较小，而涂层251的宽度较大。
如上所述，当密封带被间隔地涂覆有对电解液具有亲和性的组分时，在电解液的灌注过程中出现毛细现象，电解液在形成有涂层251的地方以及在壳体的侧表面310接触密封带250的地方易于流动。密封带的未形成有涂层251的部分以及壳体的侧表面310接触密封带250的部分，可用作释放泡泡的通路。
即使当涂层在1μm之内且当在表面上涂有单层时，也有可能改进所述表面。
在另一个实施例中，多个孔可以形成在密封带的涂层中。孔可为圆形，三角形，四方形，或等同形状。不过，孔的形状并非限制性的。孔的功能和操作如上所述。
图6a是根据本发明另一个实施例的包括密封带的电极组件的透视图。图6b是沿图6a中得线B-B所获取的电极组件的截面图。参照图6a，浅交叉斜线形成在密封带250的表面上。这提供了密封带250表面上的粗糙度。在图6a中，浅交叉斜线代表了一种实施例，表明给予密封带表面一定的粗糙度。可形成不同的图样或突起，以使密封带250的表面粗糙。
当在密封带250的表面上形成斜线以使密封带250的表面粗糙时，密封带250接触电解液的区域增加。如上所述，密封带250能够被电解液润湿，且电解液能够扩散到密封带250中，在密封带250与电解液的界面处的接触角度在大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。这种接触角度可通过增加密封带250的表面粗糙度来实现。参照图6b，壳体的侧表面310与密封带250之间的空间(电解液通过所述空间流动)增加，从而改善了电解液的灌注。所述粗糙度能够根据电解液的粘度和电池结构来进行控制。例如，当电解液的粘度高时，所述粗糙度应较大。
参照图7a、图7b和图7c，除了形成粗糙表面以外，在密封带250中还可形成孔262、264和266。孔262、264和266可为圆形，三角形，四方形，或等同形状。不过，孔262、264和266并非限制性的。孔262、264和266的功能和操作如上所述。
再次参照图2，圆柱形壳体300包括圆柱形侧表面310，其具有足以容纳圆柱形电极组件200的直径。壳体300进一步包括用于密封圆柱形侧表面310的底部的底表面320。圆柱形侧表面310的顶部可敞开，供电极组件200插入。电极组件200的负电极接片225可连接到圆柱形壳体300的底表面320，使得圆柱形壳体300能够用作负电极。而且，圆柱形壳体300可由铝(Al)、钢(Fe)或这些金属的合金形成。另外，圆柱形壳体300可包括在其上端的第一曲部(crimp)330，其中壳体300被朝向其内侧卷曲以紧固盖组件400的顶部。而且，圆柱形壳体300可包括第二曲部340，其中壳体300被朝向其内侧卷曲以紧固盖组件400的底部。第二曲部340形成在壳体300的一部分中，位于第一曲部330下方，并与第一曲部330分离一段距离，该距离对应于盖组件400的厚度。
再次参照图2，盖组件400可包括安全孔410，电流阻断单元420，二次保护装置480，和盖顶490。向下突出的突起可形成在板状安全孔410的中央。因此，所述突起位于盖组件400的下部，并被二次电池中产生的压力向上推压。正电极接片215从正电极板210引出，并被焊接到安全孔410的底部，使得安全孔410与电极组件200的正电极板210相互电连接。负电极接片可直接接触壳体300以电连接到壳体300。
参照图2、8a和8b，第二绝缘板241可位于盖组件400(尤其是安全孔410)与电极组件200的上部分之间。第二绝缘板241避免盖组件400(包括电连接到正电极接片215的安全孔410)与电极组件200之间短路。参照图8a和8b，第二绝缘板可包括电解液孔242，正电极接片孔243，和空腔244。电解液孔242为所注入的电解液被灌注的通路。正电极接片孔243为正电极接片215抽出的通路。空腔244连接到中心销的一端。
参照图2、9a和9b，第一绝缘板245可位于壳体的底表面320与电极组件200的下部之间。第一绝缘板245避免壳体300(包括电连接到负电极接片225的底表面320)与电极组件200之间短路。参照图9a和9b，第一绝缘板可包括负电极接片孔246和空腔247。负电极接片孔246为负电极接片225抽出的通路。空腔247连接到中心销的一端。当负电极接片225形成在电极组件200的最外周界上时，负电极接片孔246不需形成。在这种情况下，当第一绝缘板245被定位在电极组件200下面且负电极接片225以接近于直角被弯曲之后，负电极接片225被焊接到壳体300的底表面320。
第二绝缘板241和第一绝缘板245通常由基于聚烯烃的树脂形成，例如，聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，或聚酰亚胺(PI)。由于聚乙烯(PE)具有低密度和松散的分子排列，因此，聚乙烯(PE)具有良好的延伸性，低拉伸强度和高耐冲击性。因此，聚乙烯(PE)能够被容易地加工和使用。而且，由于聚乙烯(PE)仅由CH2形成，因此其电绝缘性能优秀。由于聚乙烯(PE)具有对称的碳(C)链，如其化学式所示，所以聚乙烯(PE)适于用作高频绝缘材料。
聚丙烯(PP)是当萘分解时与乙烯共同产生的，并具有全同立构结构。其甲基以相同的方向排列，如PP的化学式所示。其在模制之前具有高结晶度，而在模制之后其结晶度降低。聚丙烯(PP)和聚酰亚胺(PI)的电特性类似于聚乙烯(PE)的电特性。
不过，如上所述，聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)对非水性电解液均不具有亲和性。这是因为，在非水性电解液与聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)之间表面能的差异较大，使得聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)都不容易连接到电解液分子上。因此，当密封带由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)形成且密封带接触电解液时，电解液形成珠状，使得密封带很难被电解液润湿，而且使得电解液很难扩散到密封带中。
根据本发明的一个实施例，第一绝缘板和第二绝缘板可由对电解液具有亲和性的材料形成，以替代对电解液不具有亲和性的传统材料。这使得有可能改进电解液灌注。对电解液具有亲和性的材料可包括聚合物材料，其被电解液润湿，且电解液在所述聚合物材料与电解液的界面处以一接触角度扩散到该聚合物材料中，接触角度在大约1-80°的范围中，如在接触角度实验中所测量到的那样。例如，可使用PVdF作为对电解液具有亲水性的材料。PVdF具有重复的-CH2-CF2-结构，且为用于将电极活性材料粘合在电流集电体上的一类氟树脂。所述氟树脂的主链具有与聚烯烃相同的C-C键。所述氟树脂为具有某种结构的合成树脂，其中，聚烯烃的部分或所有氢原子被氟(F)原子所取代。
作为电解液灌注实验的结果，易于被非水性电解液润湿且电解液易于在其中扩散的PVdF可以是PVdF 761或PVdF 2801。因此，绝缘板可以包括PVdF 761、PVdF 2801或其混合物。
如上所述，为了使PVdF易于被非水性电解液润湿并使非水性电解液易于在PVdF中扩散，可以通过PVdF对所述绝缘板进行改进。或者，绝缘板可由包括酯基或羧基(即，亲水原子基)的聚合物材料形成，以替代PVdF。
酯基是形成表示为RCOOR′的脂肪族化合物的原子基。酯是通过醇或酚与有机或无机酸反应以去除水(H2O)产生的，从而形成酯。具体地，例如硫酸酯和硝酸酯的无机酸酯，可用作有机溶剂。羧基是形成表示为RCOOH的脂肪族化合物的原子基，例如，乙酸(CH3COOH)和苯甲酸(C6H5COOH)。
包括酯基或羧基的聚合物材料，对非水性电解液具有亲和性。当绝缘板由硫酸酯或苯甲酸(包括酯基或羧基)形成时，绝缘板易于被电解液润湿，且电解液易于扩散到绝缘板中。其结果是，电解液的灌注得以改善。
不过，绝缘板千万不能膨胀(swell)。膨胀是聚合物的一种特性，其中，聚合物具有结晶部分和非晶部分，它们被溶剂分子渗透，使得聚合物的体积增加。这种现象可在长时间之后出现在结晶部分中。不过，由于与非晶部分相比，结晶部分中的聚合物链之间的距离更近，因此，与非晶部分相比，结晶部分中出现这种现象机会较小。
当包括酯基或羧基的聚合物材料吸收了导致聚合物材料膨胀的非水性电解液时，绝缘板膨胀，从而使电极组件变形。因此，当将对电解液具有亲和性的材料用作绝缘板材料时，应提供应对措施以防止膨胀。或者，应使用不会膨胀的材料。
根据本发明的另一个实施例，锂离子二次电池包括：电极组件；用于容纳所述电极组件的壳体；用于密封所述壳体的盖组件；位于所述电极组件与所述壳体之间的第一绝缘板；和位于所述电极组件与所述盖组件之间的第二绝缘板。所述绝缘板可由对所述电解液具有亲和性的材料与对所述电解液不具有亲和性或具有较小亲和性的材料的混合物形成。
如上所述，基于聚烯烃的树脂，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚酰亚胺(PI)，可用作对电解液不具有亲和性的材料。对电解液不具有亲和性的材料与对电解液具有亲和性的材料被混合，以改进电解液的灌注。可使用氧化物作为对所述电解液具有亲和性的材料，其中电解液能够以大约1-80°范围中的接触角度扩散到氧化物中，如在接触角度实验中所测量到的那样。合适氧化物的非限制性示例包括二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)，和等同物质。
硅石(二氧化硅)为透明固体，并具有大约60.09的分子量。由于天然硅石包括杂质，因此，天然硅石可能为不透明的或彩色的。SiO4为规则的四面体，其中，硅被四个氧原子包围，并用作基本单元。所有的氧原子由硅共享，使得提供了大的三维连接的分子结构。具有不规则分子排列的石英玻璃，通过将结晶二氧化硅熔化，随后冷却而获得。不过，硅石不是由酸来软化，而是通过碱软化或碳酸盐软化而变为可溶的硅酸盐，并通过强碱水溶液来逐渐软化。非晶硅凝胶吸收湿气以用作干燥剂。
氧化铝(矾土)具有各种形状。通过在低于大约300℃的温度下加热氢氧化铝而产生的α-氧化铝，纯净而稳定。γ-氧化铝具有不佳的结晶度，其通过将包含少许碱的β-氢氧化铝进行脱水而产生。在上述中，具有不佳结晶度的氧化铝，例如γ-氧化铝，用作强的脱水催化剂。未结晶的氧化铝或氢氧化铝通常是指氧化铝凝胶，并用作抗酸剂和吸收剂。
硅石和氧化铝均对非水性电解液具有亲和性。当硅石和氧化铝与对电解液不具有亲和性的聚合物材料混合时，硅石和氧化铝用作填充物。所述氧化物基于混合物的总重量的重量百分比，可在大约30％-95％的范围中。在此，随着所述填充物的量的增加，对电解液的亲和性增加。
如上所述，绝缘板可通过对电解液具有亲和性的聚合物材料来进行改进。或者，绝缘板可包括混合有聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)的填充物(例如所述氧化物)。由于绝缘板并不专门接触电解液，因此有可能增加电解液的渗透速度和灌注速度。
根据本发明的另一个实施例，参照图2和10a，第二绝缘板241a可位于盖组件400(尤其是安全孔410)与电极组件200的上部分之间。第二绝缘板241a避免盖组件400(包括电连接到正电极接片215的安全孔410)与电极组件200之间短路。参照图10a，第二绝缘板可包括注入的电解液被灌入所通过的电解液孔242，正电极接片215被抽出所通过的正电极接片孔243和连接到中心销一端的空腔244。参照图10b，第二绝缘板241a可仅在绝缘板的一部分上涂覆有涂层成分。如图所示，涂层成分被涂覆在第二绝缘板上的层249中。
根据本发明的另一个实施例，参照图2和图11a，第一绝缘板245a可位于壳体300的底表面320与电极组件200的下部分之间。第一绝缘板245a避免壳体300(包括电连接到负电极接片225的底表面320)与电极组件200之间短路。参照图11a，第一绝缘板245a可包括负电极接片225被抽出所通过的负电极接片孔246，和连接到中心销一端的空腔247。参照图11b，第一绝缘板245a可仅在绝缘板的一部分上涂覆有涂层成分。如图所示，涂层成分被涂覆在第一绝缘板上的层249中。
当负电极接片225形成在电极组件200的最外周界上时，负电极接片孔246无需形成。此时，当第一绝缘板245a被定位在电极组件200下面而且负电极接片225以接近于直角被弯曲之后，负电极接片225被焊接到壳体300的底表面320。
如上所述，第二绝缘板241a和和第一绝缘板245a可由基于聚烯烃的树脂形成，例如，聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，或聚酰亚胺(PI)。聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，和聚酰亚胺(PI)的特性如上所述。
如上所述，聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)对非水性电解液均不具有亲和性。聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)对非水性电解液均不具有亲和性的原因如上所述。
根据本发明的另一个实施例，绝缘板(其对电解液不具有亲和性)被涂覆有对电解液具有亲和性的材料，以改进电解液的灌注。对电解液具有亲和性的材料可包括聚合物材料，其被电解液润湿，且电解液以大约1-80°范围中的接触角度扩散到该聚合物材料中，如在接触角度实验中所测量到的那样。例如，可使用PVdF作为对电解液具有亲水性的材料。PVdF具有重复的-CH2-CF2-结构，其为用于将电极活性材料粘合在电流集电体上的一类氟树脂。氟树脂的主链具有与聚烯烃相同的C-C键。氟树脂为具有某种结构的合成树脂，其中，聚烯烃的部分或所有氢原子被氟(F)原子所取代。
作为电解液灌注实验的结果，可以发现易于被非水性电解液润湿且电解液易于在其中扩散的PVdF可以为PVdF 761或PVdF 2801。因此，绝缘板可涂覆有PVdF 761、PVdF 2801或其混合物。
如上所述，可以通过PVdF对绝缘板进行改进。或者，绝缘板可由具有酯基或羧基(即，亲水原子基)的聚合物材料形成，以替代PVdF。
所述酯基是形成由RCOOR′所表示的脂肪族化合物的原子基。酯是通过醇或酚与有机或无机酸反应以去除水(H2O)来产生的，从而形成酯。具体地，例如硫酸酯和硝酸酯的无机酸酯，可用作有机溶剂。羧基是形成由RCOOH所表示的脂肪族化合物的原子基，例如，乙酸(CH3COOH)和苯甲酸(C6H5COOH)。
包括酯基或羧基的聚合物材料，对非水性电解液具有亲和性。当绝缘板由硫酸酯或苯甲酸(包括酯基或羧基)形成时，绝缘板易于被电解液润湿，且电解液易于扩散到绝缘板中。其结果是，电解液的灌注得以改善。
不过，绝缘板千万不能膨胀。膨胀是聚合物的一种特性，其中，聚合物具有结晶部分和非晶部分，它们被溶剂分子渗透，使得聚合物的体积增加。这种现象可在长时间之后出现在结晶部分中。不过，由于与非晶部分相比，结晶部分中的聚合物链之间的距离更近，因此，与非晶部分相比，结晶部分中出现这种现象机会较小。
当包括酯基或羧基的聚合物材料吸收了非水性电解液时，聚合物材料由于过充电而膨胀。这会导致绝缘板膨胀，从而使电极组件变形。因此，当绝缘板表面涂覆有对电解液具有亲和性的材料时，涂覆层应为薄层，以使所述材料不会膨胀。
在另一个实施例中，绝缘板可以涂覆有表面活性剂。
表面活性剂具有亲水基和亲脂基，并用于降低水的表面张力。表面活性剂也会渗透、扩散、乳化和起泡。作为其代表性的功能，表面活性剂用于清洁衣物，并通过将附着到衣物纤维上的油与水混合以去除衣物上的污迹来起作用。表面活性剂被分为阴离子表面活性剂，阳离子表面活性剂，非离子表面活性剂，和两性表面活性剂。阴离子表面活性剂主要用作合成清洁剂。
当表面活性剂溶于水中时，亲脂基离子游离。当亲脂基游离以形成负电荷(-)时，形成阴离子表面活性剂。当亲脂基离子游离以形成正电荷(+)时，形成阳离子表面活性剂。当亲脂基离子游离以形成正电荷(+)和负电荷(-)时，形成两性表面活性剂。当亲脂基离子未形成游离离子时，形成非离子表面活性剂。
在本发明的一个实施例中，使用
Figure A200910006026D00241
(即，非离子表面活性剂)作为表面活性剂。
Figure A200910006026D00242
具有-OH基。
Figure A200910006026D00243
具有相对较低的亲水性能，但具有酯基和醚键，其给予
Figure A200910006026D00244
优秀的亲脂性能。
Figure A200910006026D00245
仅为可用的表面活性剂的一个非限制性示例，应理解的是，所述表面活性剂并不仅限于
Figure A200910006026D00246
当表面活性剂接触非水性电解液时，表面活性剂的亲脂基连接到非水性电解液分子的表面。因此，表面活性剂与非水性电解液之间的界面增加，而电解液的表面张力降低。其结果是，绝缘板易于被电解液润湿，且电解液易于扩散到绝缘板中。
如上所述，绝缘板可涂覆有对电解液具有亲和性的聚合物材料。或者，绝缘板可涂覆有表面活性剂。由于绝缘板的表面并非专门接触电解液，因此，可增加电解液的渗透速度和灌注速度。即使当涂层在1μm之内且当涂层为单层时，也有可能改进所述表面。
在根据本发明一个实施例的锂离子二次电池中，附着到电极组件的最外周界的密封带的材料，包括对电解液具有亲和性的材料。在可替代实施例中，密封带涂覆有对电解液具有亲和性的材料。可对密封带的整个表面进行涂覆，或者，可对密封带的一部分进行涂覆。例如，密封带的表面可包括涂覆材料的层。在另一个实施例中，密封带的表面是粗糙的，从而改进了电解液灌注，并增加了电解液灌注速度，其在整个过程中需要的时间最长。这样还提高了生产率。
在根据本发明另一个实施例的锂离子二次电池中，绝缘板包括对电解液具有亲和性的材料。在可替代实施例中，绝缘板包括对电解液具有亲和性的填充物材料与聚乙烯或聚丙烯的混合物。绝缘板并非专门接触电解液，这使得电解液能够容易地在电池中流动，从而改进了电解液的灌注。而且，电解液灌注速度增加，从而提高了生产率。
在根据本发明又一个实施例的锂离子二次电池中，绝缘板表面涂覆有对电解液具有亲和性的聚合物材料。在可替代实施例中，绝缘板涂覆有降低电解液表面张力的表面活性剂。绝缘板并非专门接触电解液，这使得电解液能够容易地在电池中流动。这改进了电解液的灌注并提高了电解液的灌注速度，从而提高了生产率。
虽然已经图示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应认识到，在不脱离如所附权利要求及其等同物所限定的本发明保护范围的情况下，可对所描述的各实施例进行改变和修改。

Claims (28)

1、一种锂离子二次电池，其包括：
电极组件；
用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体；
附着到所述电极组件的周界的密封带，其中，所述密封带的表面包括粗糙结构；和
用于密封所述壳体中的开口的盖组件。
2、如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，所述密封带被所述电解液润湿，且所述电解液在所述密封带与所述电解液的界面处以一接触角度扩散进入所述密封带中，其中所述接触角度在大约1-80°的范围中。
3、如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，所述密封带包括从由聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)所组成的组中选出的材料。
4、如权利要求1所述的锂离子二次电池，其中，所述密封带包括多个孔。
5、如权利要求4所述的锂离子二次电池，其中，所述多个孔采用选自圆形、三角形和四方形所组成的组中的形状。
6、一种锂离子二次电池，其包括：
电极组件；
用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体；
用于密封所述壳体的盖组件；
位于所述电极组件与所述壳体之间的第一绝缘板；和
位于所述电极组件与所述盖组件之间的第二绝缘板；
其中，所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个包括对所述电解液具有亲和性的材料。
7、如权利要求6所述的锂离子二次电池，其中，所述对电解液具有亲和性的材料被所述电解液润湿，且所述电解液在所述材料与所述电解液的界面处以一接触角度扩散进入所述材料中，其中所述接触角度在大约1-80°的范围中。
8、如权利要求6所述的锂离子二次电池，其中，所述对电解液具有亲和性的材料包括聚合物材料。
9、如权利要求8所述的锂离子二次电池，其中，所述聚合物材料包括聚偏二氟乙烯(PVdF)。
10、如权利要求9所述的锂离子二次电池，其中，所述聚偏二氟乙烯(PVdF)选自PVdF761、PVdF2801以及它们的混合物所组成的组中。
11、如权利要求8所述的锂离子二次电池，其中，所述聚合物材料选自具有酯基的材料和具有羧基的材料所组成的组中。
12、一种锂离子二次电池，其包括：
电极组件；
用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体；
用于密封所述壳体的盖组件；
位于所述电极组件与所述壳体之间的第一绝缘板；和
位于所述电极组件与所述盖组件之间的第二绝缘板；
其中，所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个包括一种材料，该材料包括对所述电解液具有亲和性的材料与对所述电解液不具有亲和性的材料的混合物。
13、如权利要求12所述的锂离子二次电池，其中，所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个被所述电解液润湿，且所述电解液在所述密封带与所述电解液的界面处以一接触角度扩散进入所述密封带中，其中所述接触角度在大约1-80°的范围。
14、如权利要求12所述的锂离子二次电池，其中，所述对电解液具有亲和性的材料包括氧化物。
15、如权利要求14所述的锂离子二次电池，其中，所述氧化物选自二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)所组成的组中。
16、如权利要求14所述的锂离子二次电池，其中，所述氧化物的量基于所述混合物总重量的重量百分比，在大约30％-95％的范围中。
17、如权利要求12所述的锂离子二次电池，其中，所述对电解液不具有亲和性的材料选自聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)所组成的组中。
18、一种锂离子二次电池，其包括：
电极组件；
用于容纳所述电极组件以及电解液的壳体；
用于密封所述壳体的盖组件；
位于所述电极组件与所述壳体之间的第一绝缘板；和
位于所述电极组件与所述盖组件之间的第二绝缘板；
其中，所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个，具有涂覆有对所述电解液具有亲和性材料的表面。
19、如权利要求18所述的锂离子二次电池，其中，所述第一绝缘板和所述第二绝缘板中的至少一个被所述电解液润湿，且所述电解液在所述表面与所述电解液的界面处以一接触角度扩散进入所述表面中，其中所述接触角度在大约1-80°的范围。
20、如权利要求18所述的锂离子二次电池，其中，所述对电解液具有亲和性的材料包括聚合物材料。
21、如权利要求20所述的锂离子二次电池，其中，所述聚合物材料包括聚偏二氟乙烯(PVdF)。
22、如权利要求21所述的锂离子二次电池，其中，所述聚偏二氟乙烯(PVdF)选自PVdF761、PVdF2801以及它们的混合物所组成的组中。
23、如权利要求20所述的锂离子二次电池，其中，所述聚合物材料选自具有酯基的材料和具有羧基的材料所组成的组中。
24、如权利要求18所述的锂离子二次电池，其中，所述对电解液具有亲和性的材料包括表面活性剂。
25、如权利要求24所述的锂离子二次电池，其中，所述表面活性剂为
Figure A200910006026C0004165429QIETU
。
26、如权利要求18所述的锂离子二次电池，其中，所述第一绝缘板和所述第二绝缘板包括从由聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)所组成的组中选出的材料。
27、如权利要求18所述的锂离子二次电池，其中，所述第二绝缘板为圆柱形。
28、如权利要求27所述的锂离子二次电池，其中，所述第二绝缘板包括多个孔。
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