CN102780006A - 电极板、具有该电极板的二次电池和制造该电极板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电极板、一种具有该电极板的二次电池和一种制造该电极板的方法。该电极板包括位于电极集流体的至少一个表面上的活性材料涂覆部分并包括未涂覆部分，未涂覆部分被定义为电极集流体的未涂覆有活性材料的部分并包括晶粒尺寸在大约6.5μm至大约7.2μm范围内的金属箔。

Description

电极板、具有该电极板的二次电池和制造该电极板的方法
技术领域
实施例涉及一种电极板、一种具有该电极板的二次电池和一种制造该电极板的方法。
背景技术
通常，通过将包括被卷绕在一起的正电极板、负电极板和分隔件的电极组件插入壳体中并用盖组件密封电极组件来形成二次电池。正电极板或负电极板(在下文中，将被称为“电极板”)包括活性材料涂覆部分和未涂覆部分，活性材料涂覆部分具有涂覆在例如铝或铜薄膜上的活性材料浆，未涂覆部分不具有活性材料浆。
活性材料涂覆部分可以表现出相对于电极集流体的提高的粘附性，可对电极板进行轧制，以增大活性材料的容量密度。可以使轧制的电极板干燥，并且在使用之前，可使用具有预定宽度的切割器将轧制的电极板切割成预定的尺寸。
发明内容
实施例涉及一种电极板、一种具有该电极板的二次电池和一种制造该电极板的方法，该电极板的至少一个表面具有活性材料涂覆部分和防止电极板损坏的感应加热过的未涂覆部分。
可以通过提供一种电极板来实现以上和其他特征及优点中的至少一个，该电极板包括：活性材料涂覆部分，位于电极集流体的至少一个表面上；以及未涂覆部分，被定义为电极集流体的未涂覆有活性材料的部分并包括晶粒尺寸在大约6.5μm至大约7.2μm范围内的金属箔。
电极集流体可包括铝。
未涂覆部分可表现出大约16N/mm2至大约19N/mm2的硬度。
电极集流体可表现出大约32N/mm2至大约39N/mm2范围内的硬度。
未涂覆部分可表现出大约167N/mm2至大约171N/mm2范围内的抗拉强度。
未涂覆部分可表现出大约16N/mm2至大约19N/mm2的硬度。
电极集流体中的未涂覆部分的晶粒尺寸可不同于电极集流体的涂覆有活性材料的部分的晶粒尺寸。
电极集流体可包括金属，电极集流体的未涂覆部分中的金属的硬度低于电极集流体的与活性材料涂覆部分对应的金属的硬度。
还可以通过提供一种二次电池来实现以上和其他特征及优点中的至少一个，该二次电池包括：电极组件，包括第一电极板、第二电极板以及设置在第一电极板和第二电极板之间的分隔件；以及电极组件容纳单元，被构造成接纳电极组件，其中，第一电极板和第二电极板中的至少一个包括位于电极集流体的至少一个表面上的活性材料涂覆部分并包括未涂覆部分，未涂覆部分被定义为电极集流体的未涂覆有活性材料的部分并包括晶粒尺寸在大约6.5μm至大约7.2μm范围内的金属箔。
电极集流体可包括铝。
未涂覆部分可表现出大约16N/mm2至大约19N/mm2的硬度。
电极集流体可表现出大约32N/mm2至大约39N/mm2范围内的硬度。
未涂覆部分可表现出大约167N/mm2至大约171N/mm2范围内的抗拉强度。
还可以通过提供一种制造电极板的方法来实现以上和其他特征及优点中的至少一个，该制造电极板的方法包括：在电极集流体的至少一个表面上涂覆活性材料以形成活性材料涂覆部分，从而将电极集流体的未涂覆有活性材料的部分定义为未涂覆部分；感应加热电极集流体的未涂覆部分，使得未涂覆部分包括晶粒尺寸在大约6.5μm至大约7.2μm范围内的金属箔；压制涂覆的活性材料和电极集流体；干燥涂覆的活性材料；以及将涂覆有活性材料的干燥的电极集流体切割成适合于电池的尺寸。
感应加热未涂覆部分的步骤可包括距感应加热构件大约1mm至大约2mm的距离以大约2m/min至大约10m/min的速度移动电极集流体，感应加热构件具有大约6kW至大约10kW的功率输出。
感应加热未涂覆部分的步骤可包括将未涂覆部分加热至大约300℃至大约600℃的温度。
感应加热未涂覆部分的步骤可包括仅加热电极集流体的未涂覆部分。
感应加热未涂覆部分的步骤可包括为未涂覆部分提供大约16N/mm2至大约19N/mm2的硬度，而涂覆有活性材料涂覆部分的电极集流体表现出大约32N/mm2至大约39N/mm2的硬度。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，以上和其他特征及优点对本领域普通技术人员而言将变得更加明显，在附图中：
图1示出了根据示例实施例的电极板的制造工艺的示意图；
图2示出了根据示例实施例的电极板的部分的放大图；
图3A至图3D示出了根据示例实施例的感应加热过的未涂覆部分的晶粒的照片；
图4示出了包括图2中示出的电极板的二次电池的分解图；以及
图5示出了根据示例实施例的电极板的制造方法的流程图。
具体实施方式
通过引用将2011年5月11日在韩国知识产权局提交的名称为“电极板、具有该电极板的二次电池和制造该电极板的方法”的第10-2011-0043996号韩国专利申请完全包含于此。
在下文中，现在将参照附图更充分地描述示例实施例；然而，它们可以以不同的形式实施，且不应该被解释成局限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例，使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些实施例将把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在附图中，为了示出的清楚，可以夸大层和区域的尺寸。还将理解的是，当层(或元件)被称作“在”另一层或基底“上”时，它可以直接在该另一层或基底上，或者也可以存在中间层。另外，还将理解的是，当层被称作“在”两个层“之间”时，它可以是这两个层之间唯一的层，或者也可以存在一个或更多个中间层。同样的附图标记始终表示同样的元件。
根据示例实施例的电极板包括活性材料涂覆部分和未涂覆部分。例如，电极板可以由铝金属薄膜形成，使得该铝金属薄膜可具有涂覆在其至少一个表面上的正电极活性材料，从而形成为正电极板。在另一示例中，负电极活性材料可以涂覆在铝金属薄膜的至少一个表面上，从而使该铝金属薄膜形成为负电极板。根据其上涂覆的活性材料来定义正电极板和负电极板。
负电极活性材料的可用的示例可包括金属锂、能够与锂形成合金的金属材料、过渡金属氧化物、掺杂或脱掺杂锂的材料、能够通过与锂的可逆反应形成化合物的材料以及可逆地嵌入/脱嵌锂离子的材料。能够与锂形成合金的金属材料的可用的示例可包括Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、Ag、Zn、Cd、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb和Bi中的至少一种。另外，过渡金属氧化物、掺杂或脱掺杂锂的材料和可逆地嵌入/脱嵌锂离子的材料的可用的示例可包括钒氧化物、锂钒氧化物、Si、SiOx(0＜x＜2)、含硅的金属合金、Sn、SnO2和复合锡合金中的至少一种。然而，示例实施例不将正电极活性材料和负电极活性材料的材料局限于这里列出的材料。
在下文中，将参照图1、图2和图5详细描述根据示例实施例的电极板和制造该电极板的方法。图1示出了根据实施例的电极板的制造工艺的示意图，图2示出了图1中的电极板的部分的放大图，图5示出了图1中示出的电极板的制造方法的流程图。
参照图1、图2和图5，制造正电极板113的方法可包括准备电极集流体(S100)、在电极集流体上涂覆活性材料(S200)、感应加热电极集流体的未涂覆部分(S300)、压制电极集流体(S400)、干燥电极集流体(S500)和切割电极集流体(S600)。应注意的是，虽然在下文中描述了正电极板113，但是负电极板的结构和形成方法基本上相同。
参照图1，在准备电极集流体(S100)的过程中，可以提供由导电金属薄膜(即，金属箔)(例如，铝膜)形成的电极集流体111。可通过多个导辊11和12从卷盘10供应电极集流体111，从而使电极集流体111保持在恒定水平的张力下(图1中的左侧)。电极集流体111可以表现出大约32N/mm2至大约39N/mm2范围内的硬度。
在涂覆活性材料(S200)的过程中，例如在混合器20中，可将正极活性材料和导电剂放入粘合剂溶液中并混合在一起以形成正电极活性材料21。然后，可将正电极活性材料21以均匀的厚度涂覆在电极集流体111的预定部分上，即图2中的部分A上，从而在电极集流体111上形成活性材料涂覆部分116(图2)。电极集流体111的没有正电极活性材料21的部分(即部分B)被定义为未涂覆部分117。这里，可将正电极活性材料21涂覆在电极集流体111的一个表面或两个表面上。
正电极活性材料21的可用的示例可包括硫属化合物。硫属化合物的示例可包括复合金属氧化物，例如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1-xCoxO2(0＜x＜1)和/或LiMnO2。另外，正电极活性材料的可用的示例可包括基于NCM的正电极活性材料(例如，Li[NiCoMn]O2)、基于NCA的正电极活性材料(例如，Li[NiAlCo]O2)和/或基于LFP的正电极活性材料(例如，LiFePO4)。
在感应加热(S300)过程中，感应加热未涂覆部分117。也就是说，仅电极集流体111的部分B可被感应加热，例如，可仅对电极集流体111的部分B进行退火。可以例如通过传送器沿着感应加热构件30以大约2m/min至大约10m/min的速度移动未涂覆部分117。未涂覆部分117与感应加热构件30之间的距离可以是大约1mm至大约2mm。感应加热构件30的输出功率可以在大约6kW至大约10kW的范围内，感应加热构件30可以以具有感应线圈的热发生器的形式形成，所述感应线圈在输出功率流过时产生热。感应加热构件30可以(例如，缓慢地)将未涂覆部分117的温度升高至例如大约300℃至大约600℃的温度，然后随着未涂覆部分117远离感应加热构件30移动，未涂覆部分117缓慢地冷却。
在感应加热(S300)之后，感应加热过的未涂覆部分117可具有大约6.5μm至大约7.2μm范围内的晶粒尺寸(其不同于电极集流体111的涂覆有活性材料的部分的晶粒尺寸)，并且与感应加热(S300)之前的电极集流体111的硬度相比，感应加热过的未涂覆部分117可以表现出减小的硬度，例如在大约16N/mm2至大约19N/mm2范围内的硬度。另外，感应加热过的未涂覆部分117可以表现出大约167N/mm2至大约171N/mm2范围内的抗拉强度。下面将参照图3A至图3D和示例1至示例6更详细地讨论感应加热过的未涂覆部分117的物理性质。
图3A至图3D是示出分别根据示例1至示例4的感应加热过的未涂覆部分的晶粒的照片。详细地讲，对于示例1至示例4分别制备了根据示例实施例的四(4)个未涂覆部分，并分析四个未涂覆部分，例如，基于ASTM E-112使用Image-Pro Plus(一种数字图像分析软件)测量四个未涂覆部分以确定晶粒尺寸。使用软件Image-Pro Plus来测量每条线的截段的长度的平均值、最大值、最小值和标准偏差。另外，还使用软件Image-Pro Plus来测量多条线的所有截段的长度的平均值、最大值、最小值和标准偏差。下面在表1中报告了未涂覆部分117的晶粒尺寸的测量结果。
在示例1至示例4中，重复地分析未涂覆部分的同一位置。具体地讲，根据示例实施例，执行示例1和示例2来测量感应加热未涂覆部分之后的未涂覆部分的晶粒尺寸，即完成操作S300之后、操作S400之前的未涂覆部分的晶粒尺寸；根据示例实施例，执行示例3和示例4来测量压制活性材料涂覆部分116之后的未涂覆部分117的晶粒尺寸，即完成操作S400之后的未涂覆部分117的晶粒尺寸。
通过示例1至示例4测量形成在电极集流体111的至少一个表面上的未涂覆部分117的晶粒尺寸。在这种情况下，分析未涂覆部分117来测量在电极集流体111的纵向方向上(即，沿着与涂覆活性材料的方向相同的方向)选择的任意位置处的晶粒尺寸。应注意的是，虽然描述了一些特定示例，但是本发明构思的实施例不限于此。
表1
Figure BDA0000159538890000061
参照表1，如示例1和示例2中的感应加热过的未涂覆部分117的晶粒尺寸与如示例3和示例4中的未涂覆部分117的晶粒尺寸之间没有明显差别。因此，由表1确定，感应加热过的未涂覆部分117的晶粒尺寸在大约6.55μm至大约7.19μm的范围内。
另外，在示例5中，分析感应加热过的未涂覆部分117来测量硬度。在示例5中，将感应加热过的未涂覆部分117与未感应加热过的未涂覆部分进行比较，并测量它们各自的硬度水平。
也就是说，将预定的压力施加到未涂覆部分117(即，在完成操作(S300)之后)，以测量未涂覆部分117的硬度。在没有被感应加热过的未涂覆部分中，即，在对比示例1中，在准备电极集流体的过程中测量电极集流体的硬度，即，在完成操作(S100)之后测量电极集流体的硬度。在没有被感应加热过的另一未涂覆部分中，即，在对比示例2中，在涂覆活性材料(S200)之后测量具有活性材料涂覆部分的电极集流体的硬度，即，在感应加热(S300)之前测量电极集流体的硬度。在对比示例1和对比示例2中，电极集流体没有被感应加热。在表2中报告了硬度的测量。
表2
  第一次测量   第二次测量
  示例5   17(N/mm2)   18(N/mm2)
  对比示例1   39(N/mm2)   38(N/mm2)
  对比示例2   36(N/mm2)   34(N/mm2)
如由表2确定的，感应加热过的未涂覆部分117(即，示例5)表现出比没有被感应加热过的部分(即，对比示例1和对比示例2)低的硬度。使用维氏硬度测试来确定硬度。
另外，在示例6中，分析未涂覆部分117来测量抗拉强度。在示例6中，拉伸感应加热过的未涂覆部分117，并测量感应加热过的未涂覆部分117断裂之前紧挨着的那个时刻未涂覆部分117的抗拉强度。示例实施例不将试件的尺寸和位置局限于在该示例中使用的尺寸和位置。如示例6中确定的，感应加热过的未涂覆部分117的测得的抗拉强度在大约167N/mm2至大约171N/mm2的范围内。
在感应加热(S300)之后，在压制(S400)过程中，例如使用按压装置40(图1)压制活性材料涂覆部分116和电极集流体111，以增大它们之间的粘附性。按压装置可以包括压制活性材料涂覆部分116和电极集流体111的上辊和下辊。
在干燥(S500)过程中，可以使用干燥器50(例如，竖直干燥器(verticaldryer))来干燥电极集流体111，例如活性材料涂覆部分116。执行干燥工艺，以去除活性材料中包含的溶剂和/或在工艺过程中透入活性材料的潮气，并抑制在充放电过程中活性材料的膨胀和粘合剂的细小晶体的形成。在不同的温度范围下执行干燥达预定的时间。
在切割(S600)过程中，根据二次电池的规格，例如通过切割器60将在压制(S400)过程中被压制的正电极板113切割成预定的尺寸。另外，在切割(S600)过程中，可以根据二次电池的形状和类型冲压正电极板。然而，根据二次电池的尺寸和形状，可以省略切割(S600)和冲压。
接下来，将参照图4描述根据示例实施例的二次电池100。图4是根据实施例的二次电池100的分解图。应注意的是，虽然图4示出了棱柱形电池作为二次电池的示例，但是根据实施例的二次电池不局限于棱柱形电池。例如，可以将实施例应用于各种类型的电池，例如圆柱形电池、袋型电池等。
参照图4，二次电池100可包括电极组件112、罐110、电极端子130和盖板140。
电极组件112可以包括具有不同极性的电极板(即，第一电极板和第二电极板)和形成在电极板之间的分隔件114。电极板可以形成为正电极板113和负电极板115。可通过在电极集流体111上涂覆正电极活性材料来形成正电极板113，可通过在电极集流体111上涂覆负电极活性材料来形成负电极板115。正电极板113可具有连接到正电极接线片118的未涂覆部分117，负电极板115可具有连接到负电极接线片119的未涂覆部分。另外，正电极接线片118可以电连接到电极端子130。
根据二次电池100的设计，电极集流体111可以由例如铝或铜形成。例如，根据二次电池100的设计，电极集流体111可以由铝制成，并且可以用于形成正电极板113和负电极板115，例如，铝电极集流体111可以形成在正电极板113和负电极板115中的一个或两个中。涂覆有正电极活性材料的电极集流体111可以表现出大约32N/mm2至大约39N/mm2范围内的硬度。
因为正电极板113和负电极板115具有基本相同的形状和功能，所以将仅针对正电极板113做出下面的描述。可以通过前面参照图1和图5描述的工艺制造正电极板113。如图2中所示，正电极板113可以包括位于电极集流体111的至少一个表面上的活性材料涂覆部分116，因此电极集流体的未涂覆有活性材料涂覆部分116的部分可被定义为未涂覆部分117。
未涂覆部分117可具有大约6.5μm至大约7.2μm范围内的晶粒尺寸，并可以表现出大约16N/mm2至大约19N/mm2范围内的硬度。另外，未涂覆部分117可以表现出大约167N/mm2至大约171N/mm2范围内的抗拉强度。
结果，在电极板制造工艺中可以将正电极板113的损坏最小化。如此，二次电池100可以具有提高的性能。
可以使用金属材料(例如，诸如铝或铝合金)通过深冲压形成罐110。罐110可具有基本上平坦的底表面110b。罐110可以用作端子。罐110可具有形成顶部开口110a的敞开的顶部。电极组件112穿过顶部开口110a接纳在罐110中。
盖板140可以结合到单独的绝缘壳170，继而与罐110的顶部开口110a组合，从而密封罐110。盖板140可以具有通孔141，以允许电极端子130插入到其中。衬垫146可形成在盖板140与电极端子130之间，以密封它们之间的间隙。另外，盖板140可以包括电解质注入孔(未示出)、塞142a和安全排气口142b。
另外，盖板140可以包括绝缘板150和设置在绝缘板150下部的端子板160。绝缘板150具有与盖板140的通孔141对应的端子孔151。绝缘板150由绝缘材料(例如，与衬垫146相同的材料)制成。
端子板160安装在绝缘板150的底表面上。端子板160可由例如镍合金制成。端子板160可具有对应于端子孔151的端子孔161。可以在电极端子130延伸穿过通孔141、端子孔151和端子孔161的同时组装电极端子130，正电极接线片118可以连接到端子板160的一侧。另外，负电极接线片119可以连接到盖板140的底表面。负电极接线片119可以连接到盖板140，例如，可通过焊接连接到盖板140。所述焊接可包括电阻焊、激光焊等。通常使用电阻焊。
根据示例实施例，电极板可包括感应加热过的未涂覆部分，从而提高了其品质。也就是说，在根据示例实施例的电极板中，电极集流体可包括在其至少一个表面上的感应加热过的未涂覆部分。与活性材料涂覆部分相比，集流体的未涂覆部分的感应加热减小了未涂覆部分的硬度。当感应加热过的未涂覆部分变得更软时，例如在压制步骤中可以防止电极板损坏和/或断裂。另外，未涂覆部分的感应加热可提高电极板的性能和安全性，从而提高了包括该电极板的二次电池的品质。
在这里已经公开了示例实施例，虽然采用了特定的术语，但是仅以一般的和描述性的含义来使用和解释它们，而不是为了限制的目的。因此，本领域技术人员将理解的是，在不脱离权利要求书中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式上和细节上的各种改变。

Claims (18)

1.一种电极板，包括：
活性材料涂覆部分，位于电极集流体的至少一个表面上；以及
未涂覆部分，被定义为电极集流体的未涂覆有活性材料的部分并包括晶粒尺寸在6.5μm至7.2μm范围内的金属箔。
2.根据权利要求1所述的电极板，其中，电极集流体包括铝。
3.根据权利要求2所述的电极板，其中，未涂覆部分表现出16N/mm2至19N/mm2的硬度。
4.根据权利要求1所述的电极板，其中，形成在电极集流体上的活性材料涂覆部分表现出32N/mm2至39N/mm2范围内的硬度。
5.根据权利要求1所述的电极板，其中，未涂覆部分表现出167N/mm2至171N/mm2范围内的抗拉强度。
6.根据权利要求1所述的电极板，其中，未涂覆部分表现出16N/mm2至19N/mm2的硬度。
7.根据权利要求1所述的电极板，其中，电极集流体中的未涂覆部分的晶粒尺寸不同于电极集流体的涂覆有活性材料的部分的晶粒尺寸。
8.根据权利要求1所述的电极板，其中，电极集流体包括金属，电极集流体的未涂覆部分中的金属的硬度低于电极集流体的与活性材料涂覆部分对应的金属的硬度。
9.一种二次电池，包括：
电极组件，包括第一电极板、第二电极板以及设置在第一电极板和第二电极板之间的分隔件；以及
电极组件容纳单元，被构造成接纳电极组件，
其中，第一电极板和第二电极板中的至少一个包括位于电极集流体的至少一个表面上的活性材料涂覆部分并包括未涂覆部分，未涂覆部分被定义为电极集流体的未涂覆有活性材料的部分并包括晶粒尺寸在6.5μm至7.2μm范围内的金属箔。
10.根据权利要求9所述的二次电池，其中，电极集流体包括铝。
11.根据权利要求10所述的二次电池，其中，未涂覆部分表现出16N/mm2至19N/mm2的硬度。
12.根据权利要求9所述的二次电池，其中，形成在电极集流体上的活性材料涂覆部分表现出32N/mm2至39N/mm2范围内的硬度。
13.根据权利要求9所述的二次电池，其中，未涂覆部分表现出167N/mm2至171N/mm2范围内的抗拉强度。
14.一种制造电极板的方法，包括下述步骤：
在电极集流体的至少一个表面上涂覆活性材料以形成活性材料涂覆部分，从而将电极集流体的未涂覆有活性材料的部分定义为未涂覆部分；
感应加热电极集流体的未涂覆部分，使得未涂覆部分包括晶粒尺寸在6.5μm至7.2μm范围内的金属箔；
压制涂覆的活性材料和电极集流体；
干燥涂覆的活性材料；以及
将涂覆有活性材料的干燥的电极集流体切割成适合于电池的尺寸。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，感应加热未涂覆部分的步骤包括距感应加热构件1mm至2mm的距离以2m/min至10m/min的速度移动电极集流体，感应加热构件具有6kW至10kW的功率输出。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，感应加热未涂覆部分的步骤包括将未涂覆部分加热至300℃至600℃的温度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，感应加热未涂覆部分的步骤包括仅加热电极集流体的未涂覆部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，感应加热未涂覆部分的步骤包括为未涂覆部分提供16N/mm2至19N/mm2的硬度，而涂覆有活性材料涂覆部分的电极集流体表现出32N/mm2至39N/mm2的硬度。
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