CN101743661B - 具有附着在无活性材料涂覆部分上的弹性构件的凝胶卷以及使用该凝胶卷的二次电池 - Google Patents

Abstract

在本说明书中公开了一种卷绕型电极组件(“凝胶卷”)，其被构造为如下结构，在该结构中，阴极片和阳极片被以圆形卷绕，同时在所述阴极片和阳极片之间插入一隔板，或者所述组件在卷绕之后沿一个方向压缩，其中所述凝胶卷包括：在凝胶卷的卷绕外端处形成的无活性材料涂覆部分；一导电带，其附接至凝胶卷的卷绕末端，用于覆盖包括所述无活性材料涂覆部分的凝胶卷的卷绕外侧；以及一弹性构件，其附接至所述无活性材料涂覆部分的内侧，所述弹性构件具有的厚度相当于活性材料层的高度的50～200％。

Description

具有附着在无活性材料涂覆部分上的弹性构件的凝胶卷以及使用该凝胶卷的二次电池

技术领域

本发明涉及一种被构造为如下结构的卷绕型电极组件（“凝胶卷”），在该结构中将一阴极片（cathode sheet）和一阳极片以圆形卷绕，同时在所述阴极片和所述阳极片之间插入一隔板，或者在卷绕之后将所述组件沿一个方向压缩，其中所述凝胶卷包括在凝胶卷的卷绕末端处所形成的无活性材料涂覆部分；一导电带，其附接至凝胶卷的卷绕末端，用于覆盖包括所述无活性材料涂覆部分的凝胶卷的卷绕外侧；以及一弹性构件，其具有预定厚度，附接至所述无活性材料涂覆部分的内侧。 

背景技术

随着移动设备的日益发展以及对于这种移动设备的需求已经增加，对于作为移动设备的能量来源的二次电池的需求也已急剧增加。在这些二次电池中，有一种具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池，针对这种锂二次电池已进行了许多研究，并且这种锂二次电池目前已在商业上广泛使用。 

根据电池壳的形状，二次电池可被分为具有安装在一圆柱形金属容器中的凝胶卷的圆柱形电池、具有安装在一棱柱形金属容器中的凝胶卷的棱柱形电池，或者具有安装在一由铝层压板制成的袋形壳中的凝胶卷的袋形电池。 

此外，安装在电池壳中的电极组件是发电元件，其具有阴极/隔板/阳极的堆叠结构，并且可被充电和放电。电极组件可被分为折叠型电极组件（凝胶卷）或堆叠型电极组件：折叠型电极组件被构造为如下结构，在该结构中将涂有活性材料的长片型阴极和长片型阳极进行卷绕，同时在所述阴极和阳极之间布置一隔板；堆叠型电极组件被构造为如下结构，在该结构中相继地（consecutively）堆叠具有预定尺寸的多个阴极和阳极，同时在所述阴极和阳极之间分别布置隔板。凝胶 卷是优选的，因为凝胶卷易于制造并且每单位重量具有高能量密度。 

常规的代表性圆柱形锂二次电池的结构被典型示出在图1中。 

参照图1，二次电池10包括圆柱形容器20、安装在容器20中的电极组件30，以及联接至容器20的顶部的盖组件40。 

电极组件30被构造为如下结构，在该结构中阴极31和阳极32被卷绕为凝胶卷形状，同时在阴极31和阳极32之间插入一隔板33。阴极31上附接有一阴极引线34，所述阴极引线连接至盖组件40。阳极32上附接有一阳极引线（未示出），所述阳极引线连接至容器20的底部。 

盖组件40包括：构成阴极端子的顶盖41；正温度系数（PTC）元件42，其用于当电池的内部温度增加时，通过大幅增加电池电阻来中断电流；弯曲安全构件43，其用于当电池的内部压力增加时，中断电流或排放气体；衬垫44，其用于将弯曲安全构件43——除了弯曲安全构件43的特定部分——与盖板45电绝缘；以及盖板45，其连接至阴极引线34，所述阴极引线附接至阴极31。所述盖组件40被构造为如下结构，在该结构中，将顶盖41、PTC元件42、弯曲安全构件43、衬垫44以及盖板45相继地堆叠。 

同时，凝胶卷型电极组件被构造为如下结构，在该结构中阳极被卷绕以构成最外面的电极层，并且一用于防止阳极解开（unwinding）的密封带附接至阳极的外侧。在此情况下，将凝胶卷型电极组件安装在金属容器中。 

通常，当凝胶卷型电极组件被安装在金属容器中以构成一电池时，阳极引线被焊接至电极组件的阳极集电器，并且阳极引线还被焊接至金属容器。然而，在这种情况下，会出现几个问题。首先，电极引线被添加在阴极集电器和阳极集电器之间，所述阴极集电器和所述阳极集电器相继地形成均匀的接触界面。从而，有电极引线附接其上的阳极集电器的至少一部分是弯曲的。随着凝胶卷由于电池的连续充电和放电而反复膨胀和收缩，阳极集电器的该部分会变形（J/R扭曲）。其次，在电极组件和金属容器之间需要一用于电极引线的空间，导致与其它具有相同容量的电池相比，该电池的尺寸增加。 

为了解决上述问题，日本专利申请公开文本No.2001-196090公开 了一种使用导电带（conductive tape）作为凝胶卷型电极组件的密封带从而用于实现与金属容器的直接连接的技术。然而，这种技术的缺点在于，随着凝胶卷由于电池的连续充电和放电而反复膨胀和收缩，导电带与容器在其中导电带与容器相互接触的部分分离，从而会发生短路。为了解决上述问题，凝胶卷型电极组件可被构造为具有几乎相当于容器的内径的尺寸。然而，在这种情况下，当将凝胶卷型组件插入到金属容器中时，外部隔板和电极很有可能被损坏。 

因此，非常需要一种如下技术，其能够在装配包括凝胶卷型电极组件的二次电池的过程中，防止凝胶卷解开，并且当凝胶卷由于电池的连续充电和放电而反复膨胀和收缩时，保持导电带和金属容器之间的稳定连接。 

发明内容

技术问题 

因此，为了解决上述问题以及其它尚待解决的技术问题，做出了本发明。 

作为为了解决上述问题的各种广泛深入研究和实验的结果，本发明的发明人发现，当在其中使用一导电带作为用于防止解开的密封带的机构中将弹性构件附接到无活性材料涂覆部分的内侧时，正如将在下面描述的，虽然电池由于电池的反复充电和放电而膨胀和收缩，但仍可稳定保持与金属容器的电连接。本发明即基于这些发现而完成。 

技术方案 

根据本发明的一方面，通过提供一种被构造为如下结构的卷绕型电极组件来完成上述和其它目的，在该结构中，将一阴极片和一阳极片以圆形卷绕，同时在所述阴极片和所述阳极片之间插入一隔板，或者在所述阴极片和阳极片被以圆形卷绕，同时在所述阴极片和阳极片之间插入一隔板之后，将所述组件沿一个方向压缩，其中所述凝胶卷包括：在凝胶卷的卷绕外端处形成的无活性材料涂覆部分；一导电带，其附接至凝胶卷的卷绕外端，用于覆盖包括所述无活性材料涂覆部分的凝胶卷的卷绕外侧，所述导电带通过导电粘合剂附接到所述无活性 材料涂覆部分；以及一弹性构件，其附接至所述无活性材料涂覆部分的内侧，所述弹性构件具有的厚度相当于活性材料层的高度的50～200％。 

在根据本发明的凝胶卷中，所述无活性材料涂覆部分是如下一个部分，在该部分中没有将活性材料涂至凝胶卷的卷绕外端，该凝胶卷通过卷绕阴极片和阳极片且同时在所述阴极片和所述阳极片之间插入一隔板而构造。具体地，所述无活性材料涂覆部分是如下一个部分，在该部分中没有将活性材料涂至卷绕阴极片或卷绕阳极片的卷绕外端。所述导电带附接至凝胶卷的相应外侧，同时覆盖在凝胶卷的卷绕末端处形成的无活性材料涂覆部分的外侧。 

即是说，所述导电带沿着凝胶卷的外周缘布置，使得导电带的一端附接至一个电极片（electrode sheet）的无活性材料涂覆部分，导电带的另一端附接至凝胶卷的外侧，用于防止所述凝胶卷解开。此外，电极片和电池壳之间的电连接是通过该导电带实现的。 

当所述导电带附接至电极片的外侧同时所述导电带的相对末端相互重叠时，所述导电带所提供的附着力大于当导电带仅仅附接至电极片的外侧时所述导电带所提供的附着力，由此通过附着力的差异呈现出卓越的防止解开的特征。 

而且，具有预定厚度的弹性构件被附接至无活性材料涂覆部分的内侧，使得无活性材料涂覆部分被所述弹性构件从电极组件的中心推向电池壳（例如，金属容器），由此可防止导电带在电池组电池的充电和放电过程中，由于凝胶卷的体积的变化而与电池壳的内侧相分离。 

其上附接有导电带的最外面的电极片可以是阴极或阳极。通常，圆柱形电池被构造为其中阳极位于凝胶卷的最外面的结构，而棱柱形电池被构造为其中阴极位于凝胶卷的最外面的结构。根据最外面电极的构造，可改变其上附接有导电带的电极片的类型。 

既然弹性构件被附接至无活性材料涂覆部分的内侧，所述弹性构件可具有一如下厚度，该厚度相当于活性材料层的高度的50～200％，优选地90～130％，以防止凝胶卷的厚度由于这种结构而增加。如果弹性构件的厚度小于活性材料层的高度的50％，则当凝胶卷膨胀和收缩时，很难确保预期的弹力。另一方面，如果弹性构件的厚度大于活 性材料层的高度的200％，则凝胶卷的厚度增大到如下程度，即当将凝胶卷插入到电池壳中时，会将凝胶卷损坏。然而，即使当弹性构件比活性材料层更厚时，在电池的制造过程中，借助于弹性构件的弹力，仍可将凝胶卷插入到电池壳中，同时将弹性构件压缩至活性材料层的高度。 

所述弹性构件和所述无活性材料涂覆部分之间的联接可通过如下过程实现：将粘合剂涂至所述弹性构件的一侧末端，并且将所述弹性构件的一侧末端通过粘合剂附接至所述无活性材料涂覆部分的相应末端。或者，所述粘合剂可被涂至其中所述无活性材料涂覆部分被联接至弹性构件的所述无活性材料涂覆部分的区域。 

由于粘合剂被涂至弹性构件的一侧末端，可使用各种不影响电池的运行并提供足以保持凝胶卷的卷绕状态的粘合力的材料。例如，可使用丙烯醛基粘合剂（acryl adhesive）或者SBR粘合剂。 

在二次电池的充电和放电过程中，电极组件反复膨胀和收缩。考虑到电极组件的形变度，弹性构件的高度优选具有相当于凝胶卷的宽度的70～100％。在这种情况下，弹性构件的形状不受具体限制。例如，弹性构件可形成为细长矩形。 

用于弹性构件的材料不受具体限制，只要弹性构件呈现出弹力。例如，弹性构件可由具有高弹性且无吸湿性的材料制成，例如橡胶。 

根据不同情况，弹性材料可以是多孔材料。替代性地，弹性材料可以是从包括海绵和苯乙烯泡沫塑料的组中选择的至少一种绝缘材料。 

通常，多孔材料可被分为开孔型材料或闭孔型材料。海绵是开孔型材料，而苯乙烯泡沫塑料是闭孔型材料。优选使用闭孔型材料，因为其呈现出卓越的耐用性。 

所述凝胶卷是通过如下过程制造的：将一金属箔片——其将被用作集电器——涂覆以电极活性材料；干燥并压制所述金属箔片；将所述金属箔片切割为具有预定宽度和长度的带状；使用隔板将阳极和阴极分开；将所述阳极和阴极以螺旋形状卷绕，同时在所述阳极和阴极之间布置一隔板。从而，所述凝胶卷具有圆形截面。可基于将要使用的电池壳改变所述凝胶卷的形状。当将凝胶卷插入到棱柱形电池壳中 时，压力被沿着侧向施加至凝胶卷，使得凝胶卷具有椭圆形横截面。从而，凝胶卷优选具有圆形或椭圆形横截面。 

所述导电带被附接至电极片的卷绕外端，即，无活性材料涂覆部分，以完成凝胶卷的卷绕。优选地，导电带包括薄金属箔基（thin metal foil base）和被涂至所述薄金属箔基的导电粘合剂，所述导电粘合剂包含粘合剂以及导电金属粉末。例如，所述金属箔基可由具有高导电性的铜制成，并且所述导电金属粉末可以是镍、铝或铜粉末。 

所述二次电池的制造通过如下过程完成：即如上所述，将凝胶卷插入到容器中，同时使用导电带完成凝胶卷的卷绕。当二次电池充电和放电时，电流流至与电极片的无活性材料涂覆部分相接触的导电金属粉末。所述电流经由金属箔片流至容器，导致所述容器呈现出阳极的特性。 

根据不同情况，导电带的相对末端相互重叠的长度优选为所述凝胶卷的外周缘长度的5～15％。如果导电带的联接末端的重叠长度太小，则导电带的相对末端可以轻易地相互分离，原因在于在电池的反复充电和放电过程中，凝胶卷的反复膨胀和收缩造成凝胶卷的内部应力增加至恢复力，导致凝胶卷会解开。另一方面，如果导电带的联接末端的重叠长度太大，凝胶卷的厚度增加至相应于重叠部分的程度，则会导致电池的总容量减少。 

根据本发明的另一方面，提供了一种被构造为将上述凝胶卷安装在电池壳中的结构的二次电池。 

所述电池壳可以是，例如，棱柱形或圆柱形金属容器。圆柱形二次电池可通过如下过程制造：将一凝胶卷插入到一圆柱形容器中，所述凝胶卷被构造为如下结构，在该结构中以圆形卷绕一阴极片和阳极片，同时在所述阴极片和阳极片之间插入一隔板，并且将一导电带附接至所述凝胶卷，使得所述凝胶卷的外侧被所述导电带覆盖；将所述凝胶卷充满以电解质；并且密封该圆柱形容器。 

可以与上述圆柱形二次电池相同的方式制造棱柱形二次电池，只是将卷绕为圆形的凝胶卷压缩为平坦的，然后将该凝胶卷插入到棱柱形容器中，由此，将不再给出其详细描述。 

附图说明

本发明的上述和其它目标、特征和其它优点将通过下面结合附图的详细说明而被更加清晰地理解，在所述附图中： 

图1是示出常规圆柱形锂二次电池的结构的典型视图； 

图2是示出根据本发明一优选实施方案的在二次电池中使用的凝胶卷型电极组件的典型视图； 

图3是从图2完成的凝胶卷型电极组件的横截面图； 

图4是沿图3的A－A′线所取的竖直截面图；以及 

图5是示出附接至凝胶卷型电极组件的外侧的导电带的典型视图。 

具体实施方式

现在，将参考附图详细描述本发明的优选实施方案。然而，应注意的是，本发明的范围不受所示出的实施方案的限制。 

图2是示出根据本发明一优选实施方案的在二次电池中使用的凝胶卷型电极组件的结构的典型视图。 

参照图2，凝胶卷型电极组件100通过如下过程被制造：即沿着箭头所示的方向卷绕一阴极片和一阳极片，同时在所述阴极片和阳极片之间插入一隔板，其中所述阴极片具有阴极板（cathode plate）320，在所述阴极板的相对侧面上涂有阴极活性材料310，所述阳极片具有阳极板220，在所述阳极板的相对侧面上涂有阳极活性材料210。在阴极板320的一侧末端处，形成无活性材料涂覆部分140。阴极端子510的上端从无活性材料涂覆部分140突出，并且阴极端子510的下端被焊接至无活性材料涂覆部分140。 

另一方面，无活性材料涂覆部分120被形成在阳极板220的一侧末端处。导电带110在无活性材料涂覆部分120的外侧覆盖无活性材料涂覆部分120。所述导电带110具有一如下长度，该长度比无活性材料涂覆部分120的长度b长了长度a。所述导电带110通过导电粘合剂附接到无活性材料涂覆部分120。从而，实现了导电带与容器之间的电连接，而未将额外的阳极端子焊接至无活性材料涂覆部分120，这与阴极片不同。 

弹性构件130附接在无活性材料涂覆部分120的内侧和隔板400之间，用于进一步牢固导电带110和容器之间的连接。所述弹性构件130具有与凝胶卷的宽度L相等的高度。弹性构件130由弹性材料制成。 

图3是典型示出从图2完成的凝胶卷型电极组件的横截面图。 

参照图3，凝胶卷型电极组件具有圆形横截面。弹性构件130具有的厚度基本等于或大于阳极活性材料层230的高度。所述弹性构件130附接至无活性材料涂覆部分120的内侧。导电带110附接至容器300的内侧，同时覆盖住所述凝胶卷的卷绕外侧，包括覆盖住所述无活性材料涂覆部分120。 

从而，导电带110在电池的装配和/或在电池的充电和放电过程中，防止了凝胶卷的卷绕末端解开。另外，导电带110消除了对将一常规的阳极端子焊接至无活性材料涂覆部分120的外侧的需要，并且还消除了对将所述阳极端子联接至所述容器300的内侧的需要。 

此外，所述弹性构件130通过丙烯醛基粘合剂附接至无活性材料涂覆部分120的内部，用于进一步确保在导电带110和容器300之间的电连接。 

图4是沿图3的A－A′线所取的竖直截面图，图5是示出附接至凝胶卷型电极组件的外侧的导电带的典型视图。 

参照这两个附图，导电带110包括薄金属箔基111和涂至薄金属箔基111的粘合层112，所述粘合层包括导电金属粉末。导电带110附接至凝胶卷型电极组件100的卷绕末端，用于防止凝胶卷型电极组件100解开，从而保持凝胶卷型电极组件100的卷绕状态。导电带110——其附接至凝胶卷型电极组件用于防止凝胶卷型电极组件解开——具有足以至少覆盖所述凝胶卷型电极组件100的卷绕末端的尺寸。即是说，导电带110——其具有小于凝胶卷型电极组件100的高度H和宽度W的尺寸——被附接至凝胶卷型电极组件100的卷绕末端11。 

尽管已出于示例性目的公开了本发明的优选实施方案，但本领域技术人员将意识到在不偏离所附权利要求中所公开的本发明的范围和主旨的情况下，各种修改、添加和替代都是可能的。 

工业适用性 

如从上述说明书中显而易见的，导电带被附接至根据本发明的凝胶卷，同时完全覆盖无活性材料涂覆部分的外侧，与此同时，具有预定厚度的弹性构件被附接至无活性材料涂覆部分的内侧。从而，不需要将电极端子焊接至无活性材料涂覆部分，并且即使当凝胶卷由于电池的连续充电和放电而反复膨胀和收缩时，仍可保持导电带和电池壳之间的稳定连接。 

Claims (13)

1.一种卷绕型电极组件，称为“凝胶卷”，其被构造为如下结构，在该结构中，阴极片和阳极片被以圆形卷绕，同时在所述阴极片和阳极片之间插入一隔板，或者在所述阴极片和阳极片被以圆形卷绕，同时在所述阴极片和阳极片之间插入一隔板之后，将所述组件沿一个方向压缩，其中

所述凝胶卷包括：在凝胶卷的卷绕外端处形成的无活性材料涂覆部分；一导电带，其附接至凝胶卷的卷绕外端，用于覆盖包括所述无活性材料涂覆部分的凝胶卷的卷绕外侧，所述导电带通过导电粘合剂附接到所述无活性材料涂覆部分；以及一弹性构件，其附接至所述无活性材料涂覆部分的内侧，所述弹性构件具有的厚度相当于活性材料层的高度的50～200％；以及

其中，所述导电带的一端附接至一个电极片的无活性材料涂覆部分，以及所述导电带的另一端附接至凝胶卷的外侧，用于防止所述凝胶卷解开。

2.根据权利要求1所述的凝胶卷，其中所述弹性构件联接至所述无活性材料涂覆部分的内侧，所述弹性构件具有的厚度相当于所述活性材料层的高度的90～130％。

3.根据权利要求1所述的凝胶卷，其中所述弹性构件的一侧末端通过粘合联接至所述无活性材料涂覆部分。

4.根据权利要求3所述的凝胶卷，其中所述弹性构件的一侧末端通过丙烯醛基粘合剂或者SBR粘合剂联接至所述无活性材料涂覆部分。

5.根据权利要求1所述的凝胶卷，其中所述弹性构件附接至所述无活性材料涂覆部分的内侧，所述弹性构件具有的高度相当于所述凝胶卷的宽度的70～100％。

6.根据权利要求1所述的凝胶卷，其中所述弹性构件由弹性材料制成。

7.根据权利要求6所述的凝胶卷，其中所述弹性材料是橡胶或多孔材料。

8.根据权利要求7所述的凝胶卷，其中所述多孔材料是从包括海绵和苯乙烯泡沫塑料的组中选择的一种绝缘材料。

9.根据权利要求1所述的凝胶卷，其中所述凝胶卷具有圆形或椭圆形横截面。

10.根据权利要求1所述的凝胶卷，其中所述导电带包括薄金属箔基和被涂至所述薄金属箔基的所述导电粘合剂，所述导电粘合剂包含导电金属粉末，所述导电带被附接至所述凝胶卷的卷绕末端。

11.根据权利要求1所述的凝胶卷，其中所述导电带的相对末端互相重叠的长度为凝胶卷的外周缘长度的5～15％。

12.一种被构造为将根据权利要求1～11中任一权利要求所述的凝胶卷安装在电池壳中的结构的二次电池。

13.根据权利要求12所述的二次电池，其中所述电池壳是圆柱形或棱柱形的金属容器。

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