CN101981747A - 具有增强的电绝缘性能的电池 - Google Patents

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Abstract

公开的是一种电池，其包括被盘绕成以其间介入隔离物的方式彼此面对的阴极和阳极。阴极集流体的两个表面都设置有阴极活性材料涂层，以在该阴极的盘绕开始部分不设置阴极未涂敷部。用于安装阴极引线的阴极未涂敷部仅被设置在该阴极的盘绕结束部分。绝缘带在该阴极的盘绕结束部分被附接至面对该阳极的阴极活性材料涂层的边界。在不含该阴极活性材料涂层的非涂敷部与阳极活性材料涂层彼此面对的位置将该绝缘带设置到该阴极活性材料涂层的边界，增强了电池的电绝缘性能，从而实现了电池的安全性。

Description

具有增强的电绝缘性能的电池
技术领域
本发明涉及一种具有增强的电绝缘性能的电池，更具体地涉及一种这样的电池：其中，在阳极活性材料涂层面对阴极未涂敷部——此处不存在阴极活性材料涂层——的位置将绝缘带(insulator tape)附接至阴极活性材料涂层的边界，以增强电池的电绝缘性能和安全性。
背景技术
常规地，与不具有充电能力的一次电池不同，随着包括数码相机、蜂窝电话、膝上电脑、混合动力车等先进技术的发展，具有充电和放电特性的可再充电的二次电池正处于积极的研究中。二次电池的实例包括镍镉电池、镍-金属氢化物电池、镍氢电池、锂二次电池等。
在上面提及的二次电池中，锂二次电池具有3.6V或更大的驱动电压(actuation voltage)。锂二次电池可被利用作为便携式电子应用的电源，或者当多个锂二次电池被串联连接时可被用在高功率混合动力车中。由于锂二次电池具有三倍于镍-镉电池或镍-金属氢化物混合电池的较高的驱动电压，并且每单位重量具有较高的能量密度，因此锂二次电池的使用迅猛增长。
现今，锂离子电池是这样装配的：其中，将阴极和阳极——它们通过介入(interpose)它们之间的隔离物(separator)而绝缘——盘绕成圆柱形或棱柱形的电极组件(assembly)，并且，在将所形成的电极组件插入金属壳之后，将电解质注射到该金属壳中。随着该金属壳被密封，该锂离子电池的制造即告完成。
更具体地，传统的锂离子电池包括：阴极，其中阴极活性材料涂层被设置在阴极集流体(collector)的一个或两个表面上；和，阳极，其中阳极活性材料涂层被设置在阳极集流体的一个或两个表面上，该阴极和阳极以其间介入多个隔离物的方式被盘绕。
在电极集流体的两个表面上均设置了活性材料涂层的情况下，设置在该电极集流体的一个表面上的活性材料涂层一般比设置在该电极集流体的另一表面上的活性材料涂层短。通常，期望的是：阳极的长度和宽度大于阴极的长度和宽度，以防止锂离子从阴极脱出(extraction)。
图1是传统电池的截面图，而图2示出了盘绕成的电池的胶卷式(jelly-roll)结构。参考这些图详细地考虑传统电池的结构，该电池包括：阴极，其中阴极活性材料涂层20a和20b被设置在阴极集流体10的至少一个表面上；阳极，其中阳极活性材料涂层40a和40b被设置在阳极集流体30的至少一个表面上；和，多个隔离物50a和50b，它们介入该阴极和该阳极之间。
阴极集流体10或阳极集流体30的盘绕开始部分和盘绕结束部分至少之一包含阴极未涂敷部10’或阳极未涂敷部30’——此处不存在电极活性材料涂层。这些未涂敷部10’和30’设置有待连接至外部端子的电极引线(lead)60和70。这两个电极引线，即阴极引线60和阳极引线70，被布置在相同的方向。
考虑到盘绕偏差以及因电池的充电和放电造成的位置改变，当阴极活性材料涂层20a与该阳极以其间介入隔离物的方式接触时，阴极活性材料涂层20a必须重叠于(overlap)所面对的阳极活性材料涂层40b(换言之，必须具有比阳极活性材料涂层40b小的面积)。在这种情况下，阴极活性材料涂层和阴极未涂敷部10’之间的边界遇到(come across)阳极活性材料涂层40b。这造成了微孔(micro-holes)或收缩(shrinkage)，并且给所面对的隔离物50的其他功能造成了损害，从而在阳极活性材料涂层40b和阴极未涂敷部10’接触时导致大量发热。
同时，当该阳极和阴极活性材料涂层因短路而彼此接触时，由于该阴极活性材料涂层的高电阻，所以短路电流和发热可忽略。但是，当该阳极与该阴极未涂敷部(即，该阴极集流体的不存在阴极活性材料涂层的部分)接触时，不足的电阻造成了严重的短路电流和发热，这严重威胁到电池的安全性。
为了解决上面描述的问题，传统地，已经采用了一种在阴极活性材料涂层的边界设置绝缘体90a、90b、90c和90d以防止阴极未涂敷部和阳极之间的面对区域(facing region)中的短路的方法。
参考图2，其示出了图1中示出的电池的胶卷式盘绕结构，阴极引线60的前侧和后侧分别以介入仅一层隔离物的方式面对阳极未涂敷部或阳极活性材料涂层。因此，阴极引线60的每一侧都有必要具有附加绝缘体(additional insulator)以防止短路。
进一步，由于该阴极活性材料涂层的开始部分或结束部分以介入仅一层隔离物的方式面对该阳极活性材料涂层，所以有必要在其间设置绝缘体以防止短路。
阳极引线70在其相反的两侧与该阳极接触，在各相反侧与该阳极之间分别介入六层隔离物和两层隔离物。因此，附加绝缘体不是必要的。与阳极引线70相似，该阳极的盘绕开始部分的两个表面都与该阳极的另一区域接触，在各表面与该另一区域之间分别介入六层隔离物和两层隔离物，从而附加绝缘体不是必要的。
但是，该阳极涂层的开始部分和远端以介入仅一层隔离物的方式面对阴极未涂敷部或阴极活性材料涂层，因此，由于短路风险而有必要提供附加绝缘体。
发明内容
技术问题
因此，已经做出本发明，以解决当一个电极的未涂敷部——此处不存在活性材料——面对另一电极时造成的短路问题。
为了防止彼此面对的一个电极和另一电极之间的短路以及由此导致的电绝缘性能的恶化，本发明提出，阴极引线和阳极引线被布置在相反的方向而非被布置在相同的方向，以防止阴极未涂敷部面对阳极，并且，在该阴极的与该阴极引线相反的一侧不设置阴极未涂敷部(不包含阴极活性材料涂层的非涂敷部)，从而消除了当该阴极未涂敷部面对阳极时造成的短路风险。在需要设置阴极未涂敷部的情况下，本发明提出了，在该阴极未涂敷部设置附加绝缘带。另外，考虑到当该阴极的仅一个表面涂有阴极活性材料且设置在该阴极的另一表面的未涂敷部面对阳极活性材料涂层时造成的短路风险，向该阴极活性材料涂层的边界附加地附接了绝缘带。
据此，本发明的一个目的是，提供具有增强的电绝缘性能的电池。
技术方案
根据本发明，可以通过提供这样的电池来实现上述及其他目的，该电池包括：阴极，其具有设置在阴极集流体的至少一个表面上的阴极活性材料涂层；和，阳极，其具有设置在阳极集流体的至少一个表面上的阳极活性材料涂层，该阴极和阳极被盘绕成以其间介入隔离物的方式彼此面对，其中，该阴极集流体的上表面和下表面均设置有阴极活性材料涂层，以在该阴极的盘绕开始部分不设置阴极未涂敷部，且用于安装阴极引线的该阴极未涂敷部仅被设置在该阴极的盘绕结束部分，且其中，绝缘带在该阴极的盘绕结束部分被附接至面对该阳极的阴极活性材料涂层的边界。
有利效果
在被设计为在阴极的至少一侧上不设置阴极未涂敷部的电池中，有可能消除阴极与被布置为面对该阴极的阳极之间的短路风险。根据本发明，即使在需要设置阴极未涂敷部的情况下，在该阴极未涂敷部设置绝缘带，以消除由阴极未涂敷部造成的短路风险。进一步，根据本发明，绝缘带在阳极活性材料涂层面对非涂敷部——此处不包含阴极活性材料涂层——的位置附接至阴极活性材料涂层的边界，增强了电池的电绝缘性能和安全性。
附图说明
从下面结合附图的详细描述，本发明的上述及其他目的、特征和其他优点将被更加清晰地理解，在附图中：
图1和图2是示出了传统电池的结构和该电池的胶卷式盘绕结构的视图；
图3和图4是示出了根据本发明的第一实施方案的电池的结构和该电池的胶卷式盘绕结构的视图；
图5和图6是示出了根据本发明的第二实施方案的电池的结构和该电池的胶卷式盘绕结构的视图；
图7和图8是示出了根据本发明的第三实施方案的电池的结构和该电池的胶卷式盘绕结构的视图；且
图9和图10是示出了根据本发明的第四实施方案的电池的结构和该电池的胶卷式盘绕结构的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更加详细地描述本发明。
参考图3，其示出了根据本发明的电极结构：具有设置在阴极集流体的至少一个表面上的阴极活性材料涂层的阴极和具有设置在阳极集流体的至少一个表面上的阳极活性材料涂层的阳极被盘绕成以其间介入隔离物的方式彼此面对。
该阴极在阴极集流体110的上表面和下表面上分别包括阴极活性材料涂层120a和120b。在阴极集流体110的至少一个方向，优选地在其盘绕结束部分，阴极集流体110设置有用于安装阴极引线160的阴极未涂敷部110’，阴极未涂敷部110’是不存在阴极活性材料涂层的非涂敷部。在阴极集流体110的另一方向(此处不包含阴极引线160)，不存在阴极未涂敷部——此处阴极集流体110的至少一个表面未涂有阴极活性材料。
特别地，由于当阳极与阴极未涂敷部接触时引起的短路电流和大量发热，阴极未涂敷部可以严重威胁到该电池的安全性，所以省略阴极未涂敷部具有防止短路的效果。该阴极的上述结构可以经由例如块切割法(block-cutting method)或两步切割法(two-step cutting method)来实现，在两步切割法中，不包含阴极活性材料涂层的阴极未涂敷部被切割一次，此后阴极活性材料涂层被切割。
根据本发明的阳极在阳极集流体130的上表面和下表面上分别包括阳极活性材料涂层140a和140b。阳极集流体130的至少一侧——即盘绕开始部分或盘绕结束部分——被阳极未涂敷部130’(其不包含阳极活性材料涂层140a和140b)所限定。待连接至外部端子的阳极引线170被连接至阳极未涂敷部130’。
在本发明中，阴极引线160和阳极引线170被布置在相反的方向，而非如现有技术那样被布置在相同的方向。该布置拟用于，以介入一层隔离物的方式，防止当阴极引线和阳极引线被布置在相同的方向以彼此面对时造成的短路。当根据本发明将阴极引线160和阳极引线170布置在相反的方向时，阴极引线160位于盘绕远端以面对阴极，消除了短路风险。
该隔离物被放置为纵向(lengthwise)延伸超出阳极的结束部分(ending portion)，以防止阴极和阳极之间的短路，即使该隔离物在接收热时经历了收缩。优选地，该隔离物从阳极的结束部分进一步延伸至少5mm或更多长度。
在上述的本发明的结构中，如从图3示出的结构中可见，针对阴极集流体110的不存在阴极未涂敷部的盘绕开始部分(此处不包含阴极活性材料涂层)而言，设置在阳极集流体130的上表面和下表面上的阳极活性材料涂层140a和140b与设置在阴极集流体110的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层120a和120b通过介入其间的隔离物150a和150b而接触，从而在阴极和阳极之间不具有短路风险。
针对阳极集流体130的盘绕结束部分而言，设置在阳极集流体130的上表面上的阳极活性材料涂层140a与设置在阴极集流体110的下表面上——此处安装有阴极引线160——的阴极活性材料涂层120b的边界通过介入其间的隔离物150a而间接接触。在这种情况下，绝缘带190b被附接至阴极活性材料涂层120b的边界，以防止不包含阴极活性材料涂层的阴极未涂敷部110’与阳极活性材料涂层140a之间的短路。
另外，针对阳极集流体130的盘绕结束部分而言，设置在阳极集流体130的下表面上的阳极活性材料涂层140b与阴极集流体110的上表面上——此处安装有阴极引线160——的阴极活性材料涂层120a的边界通过介入其间的隔离物150b而间接接触。在这种情况下，绝缘带190a被附接至阴极活性材料涂层120b的边界，以防止阳极活性材料涂层140b与不包含阴极活性材料涂层的非涂敷部接触。
在下文中，将参考附图更加详细地描述本发明的示例性实施方案，其中，阴极、阳极和隔离物被盘绕在盘绕芯轴(winding mandrel)上。当然，应理解，本发明不限于这些实施方案。
图3和图4分别是根据本发明的第一实施方案的电池的横截面视图和示出了该电池的胶卷式盘绕结构的视图。
参考示出了该电池的胶卷式盘绕结构的图4，本实施方案的阴极在其盘绕开始部分不包含阴极未涂敷部，而一俟盘绕，阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层就分别与阳极活性材料涂层通过介入其间的一层隔离物而接触。该阴极的盘绕开始部分可以经由例如块切割法或两步切割法来实现，在两步切割法中，不包含阴极活性材料涂层的阴极未涂敷部被切割一次，此后阴极活性材料涂层被切割。
设置在该阳极的盘绕开始部分的阳极未涂敷部130’的切割面(cut face)在其相反两侧设置有数层隔离物，从而增强了对抗该切割面上的毛刺(burr)的安全性。进一步，针对该阳极的盘绕结束部分而言，尽管该阳极未涂敷部的切割面的任一侧以介入仅一层隔离物的方式面对该阴极，但该阴极活性材料涂层的边界上的绝缘带190a和190b可以提高该电池的对抗该切割面上的毛刺的安全性。
在上述的本发明的第一实施方案中，如图3和图4所示，绝缘带190a和190b在该阴极的结束部分被附接至设置在该阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层的边界，从而防止了该阳极活性材料涂层与所面对的不包含阴极活性材料涂层的非涂敷部之间的短路。
优选地，绝缘带190a和190b在电极盘绕过程中或在大宽度电极的制造过程中被附接至该阴极活性材料涂层的边界。
在本实施方案中，阴极引线160和阳极引线170被布置在相反的方向，而非被布置在相同的方向。特别地，在阴极引线160的与该阴极未涂敷部相反的一侧不设置阴极集流体，以防止与该阳极短路。
隔离物150被放置为从该阳极的结束部分延伸至少5mm或更多长度。以此结构，即使该隔离物经历了热收缩，也有可能防止阳极活性材料涂层被暴露在外。
图5和图6示出了本发明的示例性第二实施方案。与前文描述的第一实施方案相比，在本发明的第二实施方案中，阴极活性材料涂层220a’和220b’被进一步提供在阴极未涂敷部的远端——此处安装有阴极引线——的上表面和下表面上。
与前文描述的第一实施方案相似，阴极在其盘绕开始部分不包含阴极未涂敷部。如图6示出的，在该阴极的盘绕开始部分的阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层分别与阳极活性材料涂层通过一层介入其间的隔离物接触。该阴极的梢端(tip end)可以经由一步切割法来实现。
通过在阴极未涂敷部的远端——此处安装有阴极引线260——的上表面和下表面上设置附加阴极活性材料涂层220a’和220b’，本实施方案没有必要具有针对该阴极未涂敷部的绝缘带。
阴极引线260和阳极引线270被布置在相反的方向，而非被布置在相同的方向。特别地，在阴极引线260的与该阴极未涂敷部相反的一侧不设置阴极集流体，以防止与该阳极短路。
隔离物250被放置为从该阳极的结束部分进一步延伸至少5mm或更多长度(参看图6)。以此结构，即使该隔离物经历了热收缩，也有可能防止阳极活性材料涂层被暴露在外。
设置在该阳极的盘绕开始部分的阳极未涂敷部230’的切割面在其相反两侧设置有数层隔离物，从而增强了对抗该切割面上的毛刺的安全性。进一步，针对该阳极的盘绕结束部分而言，尽管该阳极未涂敷部的切割面的任一侧以介入仅一层隔离物的方式面对该阴极，但绝缘带290a和290b被附接至该阴极活性材料涂层的边界，从而增强了该电池的对抗该切割面上的毛刺的安全性。
在上述的本发明的第二实施方案中，与前文描述的第一实施方案相似，绝缘带290a和290b在该阴极的结束部分被附接至设置在该阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层的边界，从而防止了该阳极活性材料涂层与所面对的不包含阴极活性材料涂层的非涂敷部之间的短路。
优选地，绝缘带290a和290b在电极盘绕过程中或在大宽度电极的制造过程中被附接至该阴极活性材料涂层的边界。
图7和图8示出了本发明的示例性第三实施方案。与前文描述的第二实施方案相比，本实施方案采用了更多数量的绝缘带。特别地，绝缘带390c和390d在该阴极的梢端处被附接至该阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层的边界，并且绝缘带390a和390b在该阴极的结束部分被附接至该阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层的边界。另外，绝缘带390e和390f在该阴极的结束部分被附接至附加地设置在阴极未涂敷部的远端上的阴极活性材料涂层320a’和320b’的边界。由于设置了这些绝缘带，有可能防止当该阳极活性材料涂层面对该阴极的不包含阴极活性材料涂层的非涂敷部时造成的短路。
设置在该阳极的盘绕开始部分的阳极未涂敷部330’的切割面在其相反两侧设置有数层隔离物，从而增强了对抗该切割面上的毛刺的安全性。进一步，针对该阳极的盘绕结束部分而言，尽管该阳极未涂敷部的切割面的任一侧以介入仅一层隔离物的方式面对该阴极，但设置绝缘带390a和390b可以提高该电池的对抗该切割面上的毛刺的安全性。
阴极引线360和阳极引线370被布置在相反的方向，而非被布置在相同的方向。特别地，在阴极引线360的与该阴极未涂敷部相反的一侧不设置阴极集流体，以防止与该阳极短路。
隔离物350被放置为从该阳极的结束部分进一步延伸至少5mm或更多长度。以此结构，即使该隔离物经历了热收缩，也有可能防止阳极活性材料涂层被暴露在外。
图9和图10示出了本发明的示例性第四实施方案。在本实施方案中，阴极集流体410在其两个远端设有阴极未涂敷部410’——此处不存在阴极活性材料涂层。据此，阴极活性材料涂层在该阴极集流体的上表面和下表面上，从与该阴极的盘绕开始部分间隔一预定距离的位置开始延伸。一俟盘绕，该阴极的盘绕开始部分就与该阳极活性材料涂层以其间介入仅一层隔离物的方式间接接触，如图10所示。在本实施方案中，为了防止当该阴极未涂敷部面对该阳极活性材料涂层时造成的短路，绝缘带490c和490d在该阴极的梢端处被附加地附接至该阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层的边界。
该阴极的盘绕开始部分由阴极未涂敷部——此处不存在阴极活性材料涂层——经由一步切割法来形成。
为了防止彼此面对的未涂敷部(其不包含阴极活性材料涂层)与阳极活性材料涂层之间的电短路，绝缘带490a和490b在阴极的结束部分处被附接至设置在阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层，并且绝缘带490e和490f在该阴极集流体的远端——此处安装有阴极引线——被附接至该阴极未涂敷部的上表面和下表面。
设置在该阳极的盘绕开始部分的阳极未涂敷部430’的切割面在其相反两侧设置有数层隔离物，从而增强了对抗该切割面上的毛刺的安全性。进一步，针对该阳极的盘绕结束部分而言，尽管该阳极未涂敷部的切割面的任一侧以介入仅一层隔离物的方式面对该阴极，但在该阴极活性材料涂层上设置绝缘带490a和490b可以提高该电池的对抗该切割面上的毛刺的安全性。
优选地，绝缘带490a、490b、490c、490d、490e和490f在电极盘绕过程中或在大宽度电极的制造过程中被附接至阴极活性材料涂层的边界。
阴极引线460和阳极引线470被布置在相反的方向，而非被布置在相同的方向。考虑到隔离物450a和450b的热收缩，隔离物450a和450b被放置为纵向延伸超出该阳极的远端。
以本发明的电池的上述结构，该阳极的作为盘绕开始部分的梢端处的阳极未涂敷部的切割面被介入其间的多层隔离物绝缘和保护，并且该阳极的作为盘绕结束部分的远端处的阳极未涂敷部的切割面被附接至该阴极活性材料涂层的边界的绝缘带保护，从而产生了具有卓越的电绝缘性能的二次电池。
尽管用在本发明的各实施方案中的绝缘带不限于特殊的绝缘带，只要具有卓越的电绝缘性能即可，但优选的是直到200℃仍不具有热收缩的材料。进一步，更优选的是使用在热的影响下具有微弱的热收缩的材料，以防止介入电极之间的隔离物的任何麻烦。
该绝缘带可以是从由聚酰亚胺(polyimide)带、醋酸酯(acetate)带、玻璃布(glass-cloth)带、聚酯(polyester)带、聚苯硫醚(polyphenylenesulfide)(PPS)带和聚丙烯(polypropylene)带组成的组中选择的一种或多种。优选地，该绝缘带是聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)带。
优选地，设置在根据本发明的电池中的绝缘带具有10μm至100μm的厚度。
在下文中，将描述根据本发明的电池的其他组成元件，特别是针对二次电池而言。
根据本发明的阴极集流体可以由不锈钢、镍、铝、钛或其合金制成，或者可以具有经碳、镍、钛或银处理过的铝或不锈钢表面。在这些材料中，铝或铝合金是优选的。
根据本发明的电极活性材料的具体实例可以包括但不限于：层状化合物(lamellar compounds)，例如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)等，或者被一个或多个过渡金属替代的化合物；由化学式Li1+xMn2-xO4(其中，x的值为0-0.33)表示的锂锰氧化物，例如LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2等；锂铜氧化物(Li2CuO2)；LiFe3O4；钒氧化物，例如LiV3O8、V2O5、Cu2V2O7等；由化学式LiNi1-xMxO2(其中，M是Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，且x的值为0.01-0.3)表示的镍位型(Ni-site type)锂镍氧化物；由化学式LiMn2-xMxO2(其中，M是Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，且x的值为0.01-0.1)或Li2Mn3MO8(其中，M是Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；LiMn2O4，其中化学式中的Li被碱土金属离子取代；二硫化物化合物(disulfide compounds)；Fe2(MoO4)3等。优选地，该阴极活性材料可以是锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂镍氧化物、锂锰钴镍氧化物或者其中两种或多种的复合物(composites)。
根据本发明的阳极集流体可以由不锈钢、镍、铜、钛或其合金制成，或者可以具有经碳、镍、钛或银处理过的铜或不锈钢表面。在这些材料中，铝或铝合金是优选的。
根据本发明的阳极活性材料的具体实例可以包括但不限于：碳和石墨材料，例如天然石墨、人造石墨、膨胀石墨(expanded graphite)、碳纤维、非石墨化碳(non-graphitizing carbon)、炭黑、碳纳米管、富勒烯(fullerenes)、活性碳等；能够与锂制成合金的金属，例如Al、Si、Sn、Ag、Bi、Mg、Zn、In、Ge、Pb、Pd、Pt、Ti等，以及包含这些元素的化合物；金属及其化合物和碳及石墨材料的复合物；锂基氮化物等。优选地，该阳极活性材料可以是从由结晶碳、无定形碳、硅基活性材料、锡基活性材料和硅碳基活性材料组成的组中选择的仅一种或者两种或更多种的组合。另外，可以向该阳极添加常规的粘合剂(binder)、导体和添加剂，它们的详细实例或内容只要使它们实现常规水平就足够了。
该粘合剂帮助在该活性材料和该导体之间实现连接，以及在该活性材料和该集流体之间实现连接，并且其添加量可以为电极化合物混合物总重量的1至50重量％。该粘合剂的实例包括聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride)(PVDF)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol)、羧甲基纤维素(carboxymethyl-cellulose)(CMC)、淀粉(starch)、羟丙基纤维素(hydroxypropylcellulose)、再生纤维素(regenerated cellulose)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone)、四氟乙烯(tetrafluoroethylene)、聚乙烯、聚丙烯、丙烯-乙烯-二烯三元共聚物(ethylene-propylene-diene polymer)(EPDM)、磺化EPDM(sulfonized EPDM)、丁苯橡胶(styrene-butadiene rubber)、含氟橡胶(fluoro rubber)，及其各种共聚物。
该导体是进一步提高电极活性材料导电性的部件，并且其添加量可以为电极化合物混合物总重量的1至20重量％。该导体可以从具有期望导电性且在该电池中不造成任何化学变化(chemical variation)的材料中选择，没有特殊限制。该导体的实例可以包括：石墨，例如天然石墨、人造石墨等；黑物质(black matters)，例如炭黑、乙炔黑(acetylene black)、科琴黑(Ketjen black)、槽黑(channel black)、perneis黑(perneis black)、灯黑(lamp black)、夏黑(summer black)等；导电纤维，例如碳纤维、金属纤维等；金属粉，例如碳氟化合物(fluorocarbon)、铝、镍粉等；导电晶须(conductive whisker)，例如氧化锌、钛酸钾(potassium titanate)等；导电金属氧化物，例如氧化钛等；聚亚苯基衍生物(polyphenylene derivative)等。
该添加剂被选择性地使用，以限制该阳极的膨胀。该添加剂从在该电池中不造成化学变化的纤维材料中选择，没有特殊限制。该添加剂的实例包括：烯烃基聚合物(olefin-based polymers)，例如聚乙烯、聚丙烯等；和，其他纤维材料，例如玻璃纤维、碳纤维等。
介入该阴极和该阳极之间的隔离物是具有高的离子透过率(iontransmissivity)和机械强度的绝缘薄膜。一般地，该隔离物具有直径为0.01μm至10μm的超细孔(ultra-fine pores)，并且该隔离物的厚度在5μm至300μm的范围内。例如，该隔离物可以由下列材料制成：化学抗性且疏水性的烯烃基聚合物，例如聚丙烯等；由玻璃纤维或聚乙烯制成的薄片(sheet)或无纺布(non-woven fabrics)等；和，牛皮纸(kraft paper)等。当前商业上可得到的隔离物的代表性实例包括：Hoechest Celanese Corp.的Celgard系列产品(CelgardTM 2400&2300)；Ube Industries Ltd.或Pall RAI MFG Co.的聚丙烯隔离物；Tonen或Entek的聚丙烯基隔离物等。
在有需要的情况下，为了增强该电池的稳定性，凝胶聚合物电解质可以被涂敷在该隔离物上。凝胶聚合物的代表性实例可以包括：聚氧化乙烯(polyethyleneoxide)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)等。当使用固体电解质——例如聚合物等——时，该固体电解质也可以用作隔离物。
经由焊接(例如激光焊接、超声焊接或电阻焊(resistantwelding))或者使用导电粘结剂，阴极引线和阳极引线以导电方式被附接至阴极和阳极。由绝缘材料制成的保护带被附接至电极引线，以防止电极之间的短路。
本发明提供了一种棱柱形电池，其是这样获得的：将具有上述结构的电池一起容纳在棱柱形电池壳中，然后添加非水电解质。
该非水电解质包含锂盐，并且由非水电解质溶液和锂盐组成。该非水电解质是从非水电解质溶液、固体电解质、无机固体电解质等中选择的。
例如，该非水电解质溶液可以是质子惰性有机溶剂(aprotic organic solvent)，例如N-甲基-2-咯烷酮(N-methyl-2-pyrollidinon)、碳酸丙烯酯(propylene carbonate)、碳酸亚乙酯(ethylene carbonate)、碳酸丁烯酯(butylene carbonate)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate)、碳酸二乙酯(diethyle carbonate)、碳酸甲乙酯(ethylmethyl carbonate)、γ-羟基丁酸内酯(gamma-butyro lactone)、1，2-二甲氧基乙烷(1，2-dimethoxy ethane)、1，2-二乙氧基乙烷(1，2-diethoxy ethane)、四羟基franc(tetrahydroxy franc)、2-甲基四氢呋喃(2-methyl tetrahydrofurane)、二甲亚砜(dimethyl sulfoxide)、1，3-二氧戊环(1，3-dioxolene)、4-甲基-1，3-二噁烷(4-methyl-1，3-dioxene)、乙醚(diethylether)、甲酰胺(formamide)、二甲基甲酰胺(dimethylformamide)、二氧戊环(dioxolene)、氰化甲烷(acetonitrile)、硝基甲烷(nitromethane)、甲酸甲酯(methyl formic acid)、甲基乙酸(methyl acetic acid)、磷酸三酯(phosphoric acid triester)、三甲氧基甲烷(trimethoxy methane)、二氧戊环衍生物(dioxolene derivative)、环丁砜(sulfolane)、甲基环丁砜(methyl sulfolane)、1，3-二甲基-2-咪唑烷酮(1，3-dimethyl-2-imidasolidinone)、碳酸丙烯衍生物(propylene carbonate derivative)、四氢呋喃衍生物(tetrahydrofurane derivative)、醚(ethers)、甲基丙酸(methyl propionic acid)、乙基丙酸(ethyl propionic acid)等。
例如，该有机固体电解质可以是聚乙烯衍生物(polyethylene derivative)、聚氧化乙烯衍生物(polyethylene oxide derivative)、聚环氧丙烷衍生物(polypropylene oxide derivative)、磷酸酯聚合物(phosphoric acid ester polymer)、多搅拌赖氨酸(polyagitation lysine)、聚酯硫化物(polyester sulfide)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol)、聚氟亚乙烯(polyfluorovinylidene)、包含离子分解体(ionic disintegrators)的聚合物等。
该无机固体电解质，例如，可以包括：锂基氮化物(Li-based nitrides)，例如Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH、Li3PO4-Li2S-SiS2等；卤化物(halides)；硫酸盐(sulfates)等。
锂盐是一种在非水电解质中充分可溶的材料，例如可以是LiCI、LiBr、LiI、LiCIO4、LiBF4、LiB10CI10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAICI4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、LiSCN、LiC(CF3SO2)3、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂(chloroboranlithium)、低级脂肪族碳酸锂(low-grade aliphatic carbonic acid lithium)、4-苯硼酸锂(4-penyl-boric acid lithium)、酰亚胺(imides)等。
为了增强充电和放电特性、阻燃性等，可以向该非水电解质添加例如：嘧啶(pyridine)、亚磷酸三乙酯(triethylphosphite)、三乙醇胺(triethanolamine)、环醚(cyclic ether)、乙烯二胺(ethylene diamine)、n-乙二醇二甲醚(n-glyme)、六甲基磷酰三胺(hexa phosphoric acid tri amide)、硝基苯衍生物(nitrobenzene derivative)、硫磺(sulfur)、醌亚胺着色剂(quinone imine colorant)、氮取代噁唑烷酮(N-substituted oxasolidinone)、氮，氮取代咪唑烷(N，N-substituted imidasolidine)、乙二醇二烷基醚(ethylene glycol dialkyl ether)、铵盐(ammonium salt)、吡咯(pyrrole)、2-甲氧基乙醇(2-methoxy ethanol)、三氯铝(trichloro aluminum)等。在有需要的情况下，为了获得不可燃性(incombustibility)，可以向该非水电解质添加含卤溶剂(halogen containing solvent)，例如四氯化碳(tetrachlorocarbon)、三氟乙烯(trifluoroethylene)等。进一步，为了提高耐高温特性，还可以向该非水电解质添加二氧化碳。
现在，将简要描述根据本发明的棱柱形锂电池的制造。首先，通过以其间介入隔离物的方式盘绕阴极和阳极，制备具有近似椭圆形横截面的电极组(electrode group)，该隔离物由20μm厚的无孔聚乙烯薄膜(non-porous polyethylene film)制成。该电极组被容纳在具有底部和侧壁的棱柱形铝电池壳中。该电池壳的顶部限定了开口，并且具有近似方形的形状。此后，制备用于防止阴极引线和阳极引线与该电池壳之间的短路的绝缘带，另外，在具有短路风险的各区域制备绝缘带。在本发明中，当绝缘带被附接至面对阳极活性材料涂层且不包含阴极活性材料涂层的非涂敷部时，该绝缘带可以在盘绕过程中经由绝缘带附接装置来形成，或者可以在电极涂敷过程中以与电极宽度相应的长度被附接。然后，球形密封构件——其中被绝缘垫圈(gasket)围绕的阳极端子被设置在中心——被放置在该电池壳的开口中，且该阳极引线被连接至该阳极端子。该阴极引线被连接至该密封构件的下表面。随着该密封构件经由激光焊接被焊接至该开口的周边(periphery)，该电池壳的开口被密封。此后，通过该密封构件上的注射孔，将非水电解质注射到该电池壳中。最后，随着经由焊接用栓堵塞该注射孔，该棱柱形锂二次电池的制造即告完成。
经由烘箱测试(hot box test)对根据第一至第四实施方案制造的电池以及如图1示出的传统电池进行稳定性评价，其结果被示出在下面的表1中。这里，该烘箱测试在150℃持续执行了1小时。
表1
Figure BPA00001232293200161
从上面的表1可以看到，根据本发明制造的棱柱形电池在任何危险环境中都没有内部短路风险，从而可观地增强了该电池的安全性。
本发明的模型
已经以施行本发明的最佳模式描述了各种实施方案。
工业适用性
本发明适用于锂二次电池，以增强该电池的电绝缘性能和安全性。
尽管已经以解释的目的公开了本发明的优选实施方案，但是本领域普通技术人员应理解，在不违背所附权利要求中公开的本发明范围和精神的情况下，各种修改、添加和替代是可能的。

Claims (19)

1.一种电池，包括：阴极，其具有被设置在阴极集流体的至少一个表面上的阴极活性材料涂层；和，阳极，其具有被设置在阳极集流体的至少一个表面上的阳极活性材料涂层，所述阴极和所述阳极被盘绕成以其间介入隔离物的方式彼此面对，
其中，所述阴极集流体的上表面和下表面都设置有阴极活性材料涂层，以在所述阴极的盘绕开始部分不设置阴极未涂敷部，且用于安装阴极引线的所述阴极未涂敷部仅被设置在所述阴极的盘绕结束部分，且
其中，绝缘带在所述阴极的盘绕结束部分被附接至面对所述阳极的所述阴极活性材料涂层的边界。
2.一种电池，包括：阴极，其具有被设置在阴极集流体的至少一个表面上的阴极活性材料涂层；和，阳极，其具有被设置在阳极集流体的至少一个表面上的阳极活性材料涂层，所述阴极和所述阳极被盘绕成以其间介入隔离物的方式彼此面对，
其中，所述阴极集流体的上表面和下表面都设置有阴极活性材料涂层，以在所述阴极的盘绕开始部分不设置阴极未涂敷部，且用于安装阴极引线的所述阴极未涂敷部仅被设置在所述阴极的盘绕结束部分，
其中，附加阴极活性材料涂层被设置在所述阴极未涂敷部的远端的至少一个表面上，且
其中，绝缘带在所述阴极的盘绕结束部分被附接至面对所述阳极的所述阴极活性材料涂层的边界。
3.一种电池，包括：阴极，其具有被设置在阴极集流体的至少一个表面上的阴极活性材料涂层；和，阳极，其具有被设置在阳极集流体的至少一个表面上的阳极活性材料涂层，所述阴极和所述阳极被盘绕成以其间介入隔离物的方式彼此面对，
其中，阴极未涂敷部分别被设置在所述阴极的盘绕开始部分和盘绕结束部分，使得阴极引线被安装在设置在所述盘绕开始部分和所述盘绕结束部分的阴极未涂敷部至少之一上，并且绝缘带被附接至所述阴极未涂敷部的远端——此处安装有所述阴极引线，且
其中，绝缘带在所述阴极的盘绕结束部分被附接至面对所述阳极的所述阴极活性材料涂层的边界。
4.根据权利要求1或2的电池，其中所述阴极集流体的上表面和下表面上的阴极活性材料涂层在所述阴极的盘绕开始部分具有相同的开始点，并且在所述阴极的盘绕结束部分具有彼此不同的长度，凭此所述阴极集流体的至少一个表面包括不包含阴极活性材料涂层的非涂敷部。
5.根据权利要求1或2的电池，其中，基于所述盘绕开始部分，所述绝缘带在所述阴极集流体的上表面和下表面的远端处被附接至所述阴极活性材料涂层的边界。
6.根据权利要求2的电池，其中，基于所述盘绕开始部分，所述绝缘带在所述阴极集流体的上表面和下表面的远端处被附接至所述阴极活性材料涂层的边界，并且在所述阴极未涂敷部的远端处被附接至所述阴极活性材料涂层的边界。
7.根据权利要求3的电池，其中，基于所述盘绕开始部分，所述绝缘带在所述阴极集流体的上表面和下表面的远端处被附接至所述阴极活性材料涂层的边界，并且被附接至所述阴极集流体的远端——此处安装有所述阴极引线。
8.根据权利要求1-3中任一权利要求的电池，其中，所述绝缘带在盘绕过程或电极涂敷过程中被设置。
9.根据权利要求1-3中任一权利要求的电池，其中，所述电池的阴极引线和阳极引线被布置在相反的方向。
10.根据权利要求1-3中任一权利要求的电池，其中，所述阳极在其盘绕开始部分和盘绕结束部分至少之一处设置有阳极未涂敷部——此处不包含阳极活性材料涂层——以与阳极引线连接，并且其中，所述阳极集流体在与其连接有阳极引线的一个表面相反的另一表面上在对应于所述阳极引线的位置设置有两个或更多个绝缘层。
11.根据权利要求1-3中任一权利要求的电池，其中，设置在所述阳极的作为盘绕开始部分的梢端处的阳极未涂敷部的切割面被多个隔离物绝缘和保护。
12.根据权利要求1-3中任一权利要求的电池，其中，所述隔离物延伸超出所述阳极的结束部分。
13.根据权利要求12的电池，其中，所述隔离物从所述阳极的结束部分进一步延伸大约5mm或更多。
14.根据权利要求1-3中任一权利要求的电池，其中，所述绝缘带是从由聚酰亚胺带、醋酸酯带、玻璃布带、聚酯带、聚苯硫醚(PPS)带和聚丙烯带组成的组中选择的一种或多种。
15.根据权利要求14的电池，其中，所述绝缘带是聚对苯二甲酸乙二醇酯带。
16.根据权利要求1-3中任一权利要求的电池，其中，所述绝缘带具有大约10μm至100μm的厚度。
17.一种棱柱形电池，其中，根据权利要求1的电池被容纳在棱柱形电池壳中，并且还设置有非水电解质。
18.一种棱柱形电池，其中，根据权利要求2的电池被容纳在棱柱形电池壳中，并且还设置有非水电解质。
19.一种棱柱形电池，其中，根据权利要求3的电池被容纳在棱柱形电池壳中，并且还设置有非水电解质。
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