CN102064310A - 电极组件及使用这种电极组件的可再充电电池 - Google Patents

电极组件及使用这种电极组件的可再充电电池 Download PDF

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Abstract

一种电极组件及使用这种电极组件的可再充电电池，包括：正电极，包括正集流体和位于所述正集流体上的正活性材料；负电极，包括负集流体和位于所述负集流体上的负活性材料；外电极，包括外集流体和位于所述外集流体上的外活性材料，其中所述外集流体包括背对外隔板的外表面和面对所述外隔板的内表面，所述外活性材料位于所述外表面和所述内表面上，并且其中所述外活性材料的厚度小于所述正活性材料的厚度和所述负活性材料的厚度中的至少一个厚度。

Description

电极组件及使用这种电极组件的可再充电电池
技术领域
本发明实施例的方面涉及电极组件及使用这种电极组件的可再充电电池，更具体地说，涉及电极组件的外电极。
背景技术
与无法再充电的一次电池不同，可再充电电池可以被再充电和放电。低容量可再充电电池通常被用于诸如移动电话、膝上型计算机和可携式摄像机之类的小型便携式电子设备，而大容量可再充电电池通常被用作驱动例如用于混合动力车辆的发动机的电源或蓄电源。
已经开发出使用非水性电解质、具有高能量密度的大容量大功率可再充电电池，并且这种可再充电电池由通过将多个可再充电电池串联或并联连接而成的大容量大功率可再充电电池模块形成，以便使用这种可再充电电池来驱动设备，例如用于需要大量电能的电车的发动机。
可再充电电池可以被制造为圆柱形、棱柱形、袋形等。在典型的可再充电电池中，活性材料层涂覆在正电极和负电极的两侧。
堆叠型可再充电电池的最外电极的外活性材料层不参与充放电反应，因此是不需要的。
然而，如果去掉不必要的外活性材料层，则电极可能会在涂覆之后的压缩期间弯曲。在电极制造期间，除了一般的制造工艺之外，还包括一侧涂覆工艺以及与此相关的组装工艺。出于上面的考虑，最外电极通常会包括涂覆在电极两侧的活性材料层。然而，这可能会使重量和体积增加，导致能量密度降低。并且还会存在浪费活性材料的问题。
在背景部分中公开的以上信息仅用于加强所描述的技术的背景的理解，因此其可能包含并不构成在本国内已被本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
根据本发明实施例的方面，可再充电电池具有高能量密度。
根据本发明的一个实施例，一种电极组件，包括：正电极，包括正集流体和位于所述正集流体上的正活性材料；负电极，包括负集流体和位于所述负集流体上的负活性材料；外电极，包括外集流体和位于所述外集流体上的外活性材料，所述正电极和所述负电极中的一者位于所述正电极和所述负电极中的另一者与所述外电极之间；内隔板，位于所述正电极与所述负电极之间；以及外隔板，位于所述正电极和所述负电极中的所述一者与所述外电极之间，其中所述外集流体包括背对所述外隔板的外表面和面对所述外隔板的内表面，并且所述外活性材料位于所述外表面和所述内表面上，并且其中所述外活性材料的厚度小于所述正活性材料的厚度和所述负活性材料的厚度中的至少一个厚度。
在一个实施例中，所述外活性材料的厚度是所述正活性材料的厚度和所述负性材料的厚度中的至少一个厚度的一半。
所述外集流体可以包括具有多个开口的薄片。所述薄片可以是网状型薄片。
所述正集流体和所述负集流体中的至少一者可以包括具有多个开口的薄片。所述外集流体可以包括具有多个开口的薄片，所述外集流体这些开口比所述正集流体和所述负集流体中的所述至少一者的开口大。
所述正集流体和所述负集流体中的至少一者包括没有开口的薄片。
在一个实施例中，所述外电极是第一外电极，并且所述电极组件进一步包括第二外电极，所述正电极和所述负电极位于所述第一外电极与所述第二外电极之间。
位于所述外表面上的外活性材料的厚度可以不同于位于所述内表面上的外活性材料的厚度。
位于所述外表面和所述内表面中的一者上的外活性材料的厚度可以介于位于所述外表面和所述内表面中的另一者上的外活性材料的厚度的1倍至10倍之间。在一个实施例中，位于所述外表面和所述内表面中的所述一者的外活性材料的厚度介于位于所述外表面和所述内表面中的所述另一者上的外活性材料的厚度的1倍至3倍之间。
根据本发明的另一实施例，一种可再充电电池，包括：电极组件；以及壳体，用于将所述电极组件容纳于其中，所述电极组件包括：正电极，包括正集流体和位于所述正集流体上的正活性材料；负电极，包括负集流体和位于所述负集流体上的负活性材料；外电极，包括外集流体和位于所述外集流体上的外活性材料，所述正电极和负电极中的一者位于所述正电极和所述负电极中的另一者与所述外电极之间；内隔板，位于所述正电极与所述负电极之间；以及外隔板，位于所述正电极和所述负电极中的一者与所述外电极之间，其中所述外集流体包括背对所述外隔板的外表面和面对所述外隔板的内表面，并且所述外活性材料位于所述外表面和所述内表面上，并且其中所述外活性材料的厚度小于所述正活性材料的厚度和所述负活性材料的厚度中的至少一个厚度。
根据本发明的又一实施例，电极组件包括：正电极，包括涂覆在正集流体上的正活性材料；负电极，包括涂覆在负集流体上的负活性材料；以及隔板，插置于所述正电极与所述负电极之间。在一个实施例中，布置在所述正电极和所述负电极中最外侧上的最外电极包括网状外集流体和具有比布置在内部的正电极或负电极的活性材料的厚度小的厚度的活性材料层。
根据本发明的再一实施例，可再充电电池包括：电极组件，包括：正电极，包括涂覆在正集流体上的正活性材料；负电极，包括涂覆在负集流体上的负活性材料；以及隔板，插置于所述正电极与所述负电极之间；壳体，用于容纳所述电极组件；以及端子，电连接至所述电极组件，并且暴露在所述壳体外部，其中布置在所述电极组件中的正电极和负电极最外侧上的最外电极包括网状集流体和形成在所述网状集流体上的活性材料，并且该最外电极的体积比布置在内部的正电极和负电极的体积小。
根据本发明实施例的另一方面，通过在最外电极上形面具有减小的厚度的活性材料层，提高了能量密度，并且防止或减小了不必要的原材料浪费。
附图说明
通过参考附图描述详细本发明的某些示例性实施例，本发明的以上及其它特征和优点将变得更加明显。
图1是根据本发明一个实施例的可再充电电池的剖面图。
图2是根据本发明另一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
图3是根据本发明再一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
图4是根据本发明又一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
图5是根据本发明另一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
对在附图中表示某些元件的附图标记的说明：
100：可再充电电池
10、30、40、50：电极组件
11、31、41、51：正电极
11a、31a、41a、51a：正集流体
11b、31b、41b、51b：正活性材料层
11c：正未涂覆区域
12、32、42、52：负电极
12a、32a、42a、52a：负集流体
12b、32b、42b、52b：负活性材料层
12c：负未涂覆区域
13、33、43、53：隔板
14、34、44、54：最外电极
14a、34a、44a、54a：外集流体
14b、34b、44b、54b：外活性材料层
20：壳体
21：正端子
22：负端子
具体实施方式
以下结合附图更充分地描述某些示例实施例，然而，本发明的实施例可以不同的形式体现，并且不应当被解释为仅限于这里所示出并记载的示例性实施例。相反，这些示例性实施例以示例方式提供，用于本发明的理解，并向本领域技术人员传达本发明的范围。本领域技术人员会认识到，所描述的实施例可以在完全不超出本发明的精神或范围的情况下以多种不同的方式进行修改。相同的附图标记在说明书和附图中始终指代相同的元件。
图1是根据本发明一个实施例的可再充电电池的剖面图，并且图2是根据本发明另一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
参见图1，可再充电电池100包括用于执行充放电的电极组件10和用于容纳电极组件10的壳体20。
在一个实施例中，壳体20形成可再充电电池100的外壳，并提供用于在其中容纳或装电极组件10的空间。例如，壳体20可以形成为膜的袋形或具有用于接纳电极组件10(例如具有与立方形壳体相对应的形状的电极组件)的开口的立方棱柱形。在一个实施例中，壳体20可以由诸如铝、铝合金、镀镍钢等的金属形成，或者可替代地，由层压膜的袋或其它任意合适材料的袋形成。在一个实施例中，盖组件25被安装到壳体20的开口，从而密封壳体20。
在一个实施例中，正端子21和负端子22电连接至电极组件10，并且正端子21和负端子22伸出到壳体20之外。在一个实施例中，正端子21和负端子22由盖组件25固定。
在一个实施例中，正端子21电连接至电极组件10的正未涂覆区域11c，并且负端子22电连接至电极组件10的负未涂覆区域12c。进一步地，在一个实施例中，正端子21和负端子22伸出到壳体20之外，密封件23安装在正端子21与壳体20之间，并且另一密封件24安装在负端子22与壳体20之间。正端子21和负端子22可以无限制地沿相同的方向伸出，或者可以沿彼此相反的方向伸出。
参见图2，电极组件10包括正电极11、负电极12和布置在正电极11与负电极12之间的隔板13。进一步地，在一个实施例中，电极组件10具有这样的结构：多个正电极11和负电极12以堆叠结构层压在一起，并且隔板13位于每个正电极11与负电极12之间。
在一个实施例中，正电极11具有包括在正集流体11a的两个表面上形成的正活性材料层11b的结构。在一个实施例中，正活性集电体11a由铝、不锈钢等或任意其它合适的材料形成，并且形成为网状方形薄片，或者具有多个开口或孔形成在其中的任意其它合适的形状。在一个实施例中，开口为菱形，并且具有沿0.8至1.6mm的长对角线的长和沿0.4至1.2mm的短对角线的宽。在一个实施例中，沿长对角线的长为大约1.2mm，并且沿短对角线的宽为大约0.8mm。然而，本发明的实施例不限于此。也就是说，在其它实施例中，开口可以具有任意其它合适的形状和尺寸。在一个实施例中，正活性材料层11b包括LiCoO2、LiMnO2、LiFePO4、LiNiO2、LiMn2O4等、导电制剂、黏合剂等。在一个实施例中，正活性材料层11b涂覆在正集流体11a上，或者在其它实施例中，正活性材料层11b可以使用层压方法或任意其它合适的方法附着到正集流体11a上。
在一个实施例中，在正电极11上形成有露出正集流体11a而未在其上形成正活性材料层11b的正未涂覆区域11c。
在一个实施例中，负电极12具有包括在负集流体12a的两个表面上形成的负活性材料层12b的结构。在一个实施例中，负集流体12a由铜、不锈钢、铝等或任意其它合适的材料形成，并且形成为网状方形薄片，或者具有多个开口或孔形成在其中的任意其它合适的形状。开口可以被配置为对应于以上所述的正集流体11a的开口。在一个实施例中，负活性材料层12b包括Li4Ti5O12或碳基活性材料、导电制剂、黏合剂等。在一个实施例中，在负电极12上形成有露出负集流体12a而未在其上形成负活性材料层12b的负未涂覆区域12c。在一个实施例中，负活性材料层12b涂覆在负集流体12a上，或者在其它实施例中，负活性材料层12b可以使用层压方法或任意其它合适的方法附着到负集流体12a上。
在一个实施例中，隔板13由用于在正电极11与负电极12之间绝缘并为离子提供通道的多孔材料形成。
在一个实施例中，如图2所示，多个正电极11和负电极12被堆叠并层压，并且隔板13位于每对正电极11与相邻的负电极12之间。进一步地，最外电极14被布置在电极组件10的最外侧。根据一个实施例，最外电极14被布置为与负电极12相邻，并且隔板13位于该最外电极14与该负电极12之间(参见图2)，因此最外电极14充当正电极。然而，本发明不限于此，并且在其它实施例中，最外电极14可以被形成为充当负电极。
在一个实施例中，最外电极14包括外集流体14a和形成外集流体14a的两个表面上的外活性材料层14b。进一步地，在一个实施例中，最外电极14的外活性材料层14b的厚度比正活性材料层11b的厚度小。在一个实施例中，最外电极14的外集流体14a和外活性材料层14b由分别与正集流体11a和正活性材料层11b相同的材料形成。在一个实施例中，外集流体14a包括具有多个开口的网状薄片，这些开口的尺寸比正集流体11a的开口的尺寸大。在一个实施例中，外活性材料层14b的厚度约为正活性材料层11b的厚度的一半。换句话说，在一个实施例中，外活性材料层14b的量是能够与被布置为与最外电极14相邻的负电极12(并且隔板13位于最外电极14与该相邻的负电极12之间)的一个表面上所布置的负活性材料层12b发生反应的量，以便防止或减少与外活性材料层的超过能够反应的量的厚度相关联的不必要的成本。在一个实施例中，正活性材料层11b的厚度以及负活性材料层12b的厚度为240至440μm，并且进一步地，在一个实施例中是320至340μm。同样，在一个实施例中，外活性材料层14b的厚度为120至220μm，并且进一步地，在一个实施例中为160至170μm。然而，本发明的实施例不限于以上所述的厚度，在其它实施例中，正活性材料层11b、负活性材料层12b和外活性材料层14b可以具有任意其它合适的厚度。
进一步地，在以上所述的实施例中，当最外电极14的外活性材料层14b的厚度约为正电极11的正活性材料层11b厚度的一半时，外活性材料层14b的量和与之发生反应的紧密布置在最外电极14内部的负电极12一个表面上的负活性材料层12b的量彼此对应，因此不会不必要地增加体积。
另外，在一个实施例中，当最外电极14b的外集流体14a由网状结构形成时，布置在外集流体14a两个表面上的外活性材料层14b可以参与充放电反应。另外，在以上所述的实施例中，由于外活性材料层14b形成在外集流体14a的两个表面上，因此可以防止或减小最外电极14的变形。
图3是根据本发明再一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
参见图3，根据一个示例性实施例的电极组件30包括正电极31、负电极32、布置在正电极31与负电极32之间的隔板33和布置在电极组件30的最外侧的最外电极34。
根据一个实施例，多个正电极31和负电极32被交替堆叠并被层压，隔板33插置于每对相邻的正电极31和负电极32之间，并且两个最外电极34被布置在电极组件30的最外侧。如图3所示，根据一个实施例的最外电极34被布置为与负电极32相邻，并且隔板33位于该最外电极34与该负电极32之间，因此最外电极34充当正电极。
在一个实施例中，正电极31包括正集流体31a和形成在正集流体31a的两个表面上的正活性材料层31b。在一个实施例中，正集流体31a由没有开口的四边形平坦薄片形成。在一个实施例中，负电极32包括负集流体32a和形成在负集流体32a的两个表面上的负活性材料层32b。在一个实施例中，负集流体32a由没有开口的四边形平坦薄片形成。
在一个实施例中，最外电极34包括外集流体34a和形成在外集流体34a的两个表面上的外活性材料层34b，并且外集流体34a由具有多个开口的网状平坦薄片形成。布置在最外电极34的两个表面上的外活性材料层34b的厚度比正活性材料层31b的厚度小。进一步地，在一个实施例中，外活性材料层34b的厚度约为正电极的正活性材料层31b的厚度的一半。
根据以上所述的实施例，布置在最外电极34内部的正电极31和负电极32包括一般集流体(例如没有开口的薄片)来取代网状集流体，但是最外电极34包括网状集流体。当最外电极34被配置有网状集流体时，布置在外集流体34a两个表面上的外活性材料层34b可以参与充放电，使得外活性材料层34b可以具有薄的厚度。
图4是根据本发明又一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
参见图4，根据一个示例性实施例的电极组件40包括正电极41、负电极42、布置在正电极41与负电极42之间的隔板43和布置在电极组件40的最外侧的最外电极44。
在一个实施例中，多个正电极41和负电极42被交替堆叠并被层压，并且隔板43位于每对相邻的正电极41和负电极42之间，并且两个最外电极44被布置在电极组件40的最外侧。如图4所示，根据一个实施例的最外电极44被布置为与负电极42相邻，并且隔板43位于该最外电极44与该负电极42之间，因此最外电极44充当正电极。
在一个实施例中，正电极41包括具有网状结构的正集流体41a和形成在正集流体41a的两个表面上的正活性材料层41b。在一个实施例中，负电极42包括具有网状结构的负集流体42a和形成在负集流体42a的两个表面上的负活性材料层42b。
在一个实施例中，最外电极44包括外集流体44a和形成在外集流体44a的两个表面上的外活性材料层44b，并且外集流体44a由具有多个开口的网状平坦薄片形成。
根据一个实施例，被布置在最外电极44的两个表面上的外活性材料层44b的厚度比布置在正电极41两个表面上的正活性材料层41a的厚度小。进一步地，在一个实施例中，最外电极44的外活性材料层44b的厚度约为正电极41的正活性材料层41b的厚度的一半。
根据一个实施例，其中布置在外集流体44a与隔板43之间的外活性材料层44ba的厚度为D1，而布置在外集流体44a外侧的外活性材料层44bb的厚度为D2，在最外电极44中，D1/D2在0.1至10之间。换句话说，布置在最外电极44中的外集流体44a两个表面上的外活性材料层44ba和44bb可以被形成为具有相同的厚度，或者外活性材料层44ba、44bb之一的厚度可以高达外活性材料层44ba、44bb中的另一外活性材料层的厚度的10倍。在一个实施例中，D1/D2在1/3至3之间。进一步地，在一个实施例中，D1/D2在0.5至2之间。
图5是根据本发明另一实施例的可再充电电池的电极组件的剖面图。
参见图5，根据一个示例性实施例的电极组件50包括正电极51、负电极52、布置在正电极51与负电极52之间的隔板53和布置在电极组件50的最外侧的最外电极54。
在一个实施例中，多个正电极51和负电极52被交替堆叠并被层压，并且隔板53位于每对相邻的正电极51和负电极52之间，并且两个最外电极54被布置在电极组件50的最外侧。如图5所示，根据一个实施例的最外电极54被布置为与负电极52相邻，并且隔板53位于该最外电极54与该负电极52之间，因此最外电极54充当正电极。
在一个实施例中，正电极51包括正集流体51a和形成在正集流体51a的两个表面上的正活性材料层51b。在一个实施例中，正集流体51a由没有开口的四边形平坦薄片形成。在一个实施例中，负电极52包括负集流体52a和形成在负集流体52a的两个表面上的负活性材料层52b。在一个实施例中，负集流体52a由没有开口的四边形平坦薄片形成。
在一个实施例中，最外电极54包括外集流体54a和形成在外集流体54a的两个表面上的外活性材料层54b，并且外集流体54a由具有多个开口的网状平坦薄片形成。根据一个实施例，布置在最外电极54的两个表面上的外活性材料层54b的厚度比正活性材料层51b的厚度小。进一步地，在一个实施例中，外活性材料层54b的厚度约为正电极51的正活性材料层51b的厚度的一半。
根据一个实施例，其中布置在外集流体54a与隔板53之间的外活性材料层54ba的厚度为D3，而布置在外集流体54a外侧的外活性材料层54bb的厚度为D4，在最外电极54中，D3/D4在0.1至10之间。换句话说，布置在最外电极54中的外集流体54a两个表面上的外活性材料层54ba和54bb可以被形成为具有相同的厚度，或者外活性材料层54ba、54bb之一的厚度可以高达外活性材料层54ba、54bb中的另一外活性材料层的厚度的10倍。在一个实施例中，D3/D4在1/3至3之间。进一步地，在一个实施例中，D3/D4在0.5至2之间。
尽管已经结合目前所认为的某些示例性实施例描述了本公开内容，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围之内的各种修改和等同布置。

Claims (22)

1.一种电极组件，包括：
正电极，包括正集流体和位于所述正集流体上的正活性材料；
负电极，包括负集流体和位于所述负集流体上的负活性材料；
外电极，包括外集流体和位于所述外集流体上的外活性材料，所述正电极和所述负电极中的一者位于所述正电极和所述负电极中的另一者与所述外电极之间；
内隔板，位于所述正电极与所述负电极之间；以及
外隔板，位于所述正电极和所述负电极中的所述一者与所述外电极之间，
其中所述外集流体包括背对所述外隔板的外表面和面对所述外隔板的内表面，并且所述外活性材料位于所述外表面和所述内表面上，并且
其中所述外活性材料的厚度小于所述正活性材料的厚度和所述负活性材料的厚度中的至少一个厚度。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述外活性材料的厚度是所述正活性材料的厚度和所述负性材料的厚度中的至少一个厚度的一半。
3.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述外集流体包括具有多个开口的薄片。
4.根据权利要求3所述的电极组件，其中所述薄片是网状型薄片。
5.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述正集流体和所述负集流体中的至少一者包括具有多个开口的薄片。
6.根据权利要求5所述的电极组件，其中所述外集流体包括具有多个开口的薄片，所述外集流体的这些开口比所述正集流体和所述负集流体中的所述至少一者的开口大。
7.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述正集流体和所述负集流体中的至少一者包括没有开口的薄片。
8.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述外电极是第一外电极，并且所述电极组件进一步包括第二外电极，所述正电极和所述负电极位于所述第一外电极与所述第二外电极之间。
9.根据权利要求1所述的电极组件，其中位于所述外表面上的外活性材料的厚度不同于位于所述内表面上的外活性材料的厚度。
10.根据权利要求1所述的电极组件，其中位于所述外表面和所述内表面中的一者上的外活性材料的厚度介于位于所述外表面和所述内表面中的另一者上的外活性材料的厚度的1倍至10倍之间。
11.根据权利要求10所述的电极组件，其中位于所述外表面和所述内表面中的所述一者的外活性材料的厚度介于位于所述外表面和所述内表面中的所述另一者上的外活性材料的厚度的1倍至3倍之间。
12.一种可再充电电池，包括：
电极组件；以及
壳体，用于将所述电极组件容纳于其中，
所述电极组件包括：
正电极，包括正集流体和位于所述正集流体上的正活性材料；
负电极，包括负集流体和位于所述负集流体上的负活性材料；
外电极，包括外集流体和位于所述外集流体上的外活性材料，所述正电极和负电极中的一者位于所述正电极和所述负电极中的另一者与所述外电极之间；
内隔板，位于所述正电极与所述负电极之间；以及
外隔板，位于所述正电极和所述负电极中的一者与所述外电极之间，
其中所述外集流体包括背对所述外隔板的外表面和面对所述外隔板的内表面，并且所述外活性材料位于所述外表面和所述内表面上，并且
其中所述外活性材料的厚度小于所述正活性材料的厚度和所述负活性材料的厚度中的至少一个厚度。
13.根据权利要求12所述的可再充电电池，其中所述外活性材料的厚度是所述正活性材料的厚度和所述负性材料的厚度中的至少一个厚度的一半。
14.根据权利要求12所述的可再充电电池，其中所述外集流体包括具有多个开口的薄片。
15.根据权利要求14所述的可再充电电池，其中所述薄片是网状型薄片。
16.根据权利要求12所述的可再充电电池，其中所述正集流体和所述负集流体中的至少一者包括具有多个开口的薄片。
17.根据权利要求16所述的可再充电电池，其中所述外集流体包括具有多个开口的薄片，这些开口比所述正集流体和所述负集流体中的所述至少一者的开口大。
18.根据权利要求12所述的可再充电电池，其中所述正集流体和所述负集流体中的至少一者包括没有开口的薄片。
19.根据权利要求12所述的可再充电电池，其中所述外电极是第一外电极，并且所述电极组件进一步包括第二外电极，所述正电极和所述负电极位于所述第一外电极与所述第二外电极之间。
20.根据权利要求12所述的可再充电电池，其中位于所述外表面上的外活性材料的厚度不同于位于所述内表面上的外活性材料的厚度。
21.根据权利要求12所述的可再充电电池，其中位于所述外表面和所述内表面中的一者上的外活性材料的厚度介于位于所述外表面和所述内表面中的另一者上的外活性材料的厚度的1倍至10倍之间。
22.根据权利要求21所述的可再充电电池，其中位于所述外表面和所述内表面中的所述一者的外活性材料的厚度介于位于所述外表面和所述内表面中的所述另一者上的外活性材料的厚度的1倍至3倍之间。
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