CN103081204A - 线缆型二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种线缆型二次电池，其包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的电极组件和卷绕在所述电极组件是外表面上的线型外部集电器，所述电极组件包含内部集电器、负极活性材料层和电解质层以及正极活性材料层。所述线型外部集电器具有优异的柔性和预定水平的弹性，由此提高了整个线缆型二次电池的柔性并防止了因所述线缆型二次电池变形而造成的短路的发生和活性材料从活性材料层的脱落。
Description
技术领域
本发明涉及自由形状适应的线缆型二次电池。
背景技术
本申请要求于2010年8月25日在韩国提交的韩国专利申请10-2010-0082593号的优先权，通过参考将其完整内容并入本文中。
二次电池为能够以化学形式储存能量并在需要时转化成电能以发电的装置。二次电池也称作可再充电电池，因为其能够反复再充电。普通的二次电池包含铅蓄电池、NiCd电池、NiMH蓄电池、Li离子电池、Li离子聚合物电池等。当与一次性的原电池相比时，二次电池不仅在经济上更有效，而且环境更友好。
目前将二次电池用于需要低电力的应用如帮助车辆启动的设备、移动装置、工具、不间断电源等。近来，由于无线通信技术的发展导致移动装置的普及并甚至导致多种常规装置的移动化，所以对二次电池的需求急剧增加。还将二次电池用于环境友好的下一代车辆如混合动力车辆和电动车辆中以降低成本和重量并提高车辆的使用寿命。
通常，二次电池具有圆柱形、棱柱形或袋形形状。这与二次电池的制造方法相关，在所述方法中将由负极、正极和隔膜构成的电极组件安装在圆柱形或棱柱形金属壳或铝层压片的袋形壳中，且利用电解质填充所述壳。因为在这种方法中需要用于电极组件的预定安装空间，所以在各种形状的移动装置的开发中二次电池的圆柱形、棱柱形或袋形形状是一种限制。因此，需要形状易于适应的新结构的二次电池。
为了满足这种需要，已经提出开发长度对横截面的直径之比非常大的线性电池。韩国专利0804411号公开了一种线性电池，所述线性电池包含具有插入其间的隔膜的多个负极和多个正极。韩国专利注册0742739号公开了一种包含正极线和负极线的线型柔性电池，然而其形状不易适应。此外，当向线缆型二次电池的外部集电器施加外力时，所述外部集电器会变形而接触内部集电器，从而导致短路。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种新型线性结构的二次电池，所述二次电池的形状易于适应以保持稳定性和优异的性能并防止由外部集电器的变形造成的短路。
技术方案
本发明的线缆型二次电池可包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器，所述电极组件包含内部集电器、负极活性材料层和电解质层以及正极活性材料层。
在此情况中，所述集电器可优选由不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银进行表面处理的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料进行表面处理的不导电聚合物；或导电聚合物制成。所述导电材料可以为选自聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、铟锡氧化物(ITO)、银、钯和镍中的任一种或它们的混合物，且所述导电聚合物可以为选自聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚氮化硫中的任一种或它们的混合物。
所述负极活性材料层可由活性材料形成，所述活性材料包含选自天然石墨、人造石墨或碳质材料；含锂的钛复合氧化物(LTO)；包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe的金属(Me)；所述金属(Me)的合金；所述金属(Me)的氧化物(MeOx)；所述金属(Me)和碳的复合材料中的任一种或它们的混合物的活性材料粒子。所述正极活性材料层可由活性材料形成，所述活性材料包含选自LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2和LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2中的任一种或混合物的活性材料粒子(M1和M2各自独立地为选自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo中的任一种，且x、y和z各自独立地为各种组分在氧化物中的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，x+y+z≤1)。
所述电解质层可由选自聚环氧乙烷(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的凝胶聚合物电解质；和PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚硫化乙烯(PES)或PVAc的固体聚合物电解质中的电解质形成。
在本发明的线缆型二次电池中，所述电解质层可还包含锂盐。所述锂盐可以为选自LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族碳酸锂和4-苯基硼酸锂中的任一种或它们的混合物。
有益效果
根据本发明，卷绕在电极组件的外表面上的外部集电器具有优异的柔性和预定水平的弹性，由此提高了具有外部集电器的线缆型二次电池的柔性。
此外，当向本发明的线缆型二次电池施加过多的外力时，本发明的线型外部集电器由于形状特征而难以屈服于诸如破碎或破裂的极端变形，由此减少了因与内部集电器接触而造成的短路的可能性。
此外，卷绕在电极组件的外表面上的线型外部集电器具有弹性，由此当因外力而变形时，可分散力，由此防止活性材料层变形并因此防止活性材料从活性材料层脱落。
附图说明
附图显示了本发明的优选实施方案，并与上述公开内容一起，用于进一步理解本发明的技术主旨。然而，不能将本发明解释为受限于所述附图。
图1是根据本发明实施方案的具有一个内电极的线缆型二次电池的透视图。
图2是根据本发明实施方案的具有多个负极的线缆型二次电池的横截面图。
图3是根据本发明实施方案的具有多个负极的线缆型二次电池的横截面图，所述多个负极各自在外表面上具有电解质层。
附图标记说明
10：内部集电器 20：内部集电器活性材料层
30：电解质层30 40：外部集电器活性材料层
50：卷绕的线型外部集电器 60：保护涂层
具体实施方式
提供下列详细说明以帮助读者全面理解本文中所述的方法、设备和/或系统。因此，对本领域中的技术人员暗示本文中所述的系统、设备和/或方法的各种改变、变化和等价物。此外，为了更加清晰和简明，可以省略熟知功能和构造的描述。
本发明的线缆型二次电池包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器。所述电极组件由内电极、负极活性材料层、电解质层和正极活性材料层构成。此处，预定形状不限于具体形状，且在不背离本发明主旨和范围的条件下可包括任意形状。本发明的线缆型二次电池具有预定形状的水平横截面和垂直于所述水平横截面纵向延伸的线性结构。所述线缆型二次电池具有柔性并因此具有自由形状适应性。
本发明的电极组件不限于具体类型，且可以为包含正极和负极以及在所述正极与所述负极之间充当离子通道的电解质层的任意类型的电极组件，且内电极由内部集电器和正极或负极活性材料层构成。外电极由卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器和活性材料层构成，在此情况中，所述活性材料层需要以与所述线型外部集电器接触的方式形成在所述电极组件的最外表面上。
如上所述，卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器与形成在所述电极组件的最外表面上的活性材料层形成外电极(参见图1)。常规线型集电器具有优异的柔性，但因为与活性材料层接触的面积小，所以在用作外部集电器时难以确保期望水平的电导率。然而，本发明的线型外部集电器与活性材料层具有充分增大的接触面积，由此确保了预定水平的电池性能。此外，本发明的线型外部集电器由于其形状而具有弹性，由此提高了整个线缆型二次电池的柔性。
此外，当向本发明的线缆型二次电池施加过多的外力时，本发明的线型外部集电器由于形状特征而较少经历例如破碎或破裂的过度变形，由此减少了因与内部集电器接触而造成的短路的可能性。
电极活性材料层包含电极活性材料、粘合剂和导电材料，并与集电器形成电极。当电极因外力而变形，特别是电极破碎或破裂时，电极活性材料可能从电极活性材料层脱落，从而导致电池的性能和容量下降。然而，根据本发明的线缆型二次电池，卷绕在电极组件的外表面上的线型外部集电器具有弹性，由此当施加外力时，分散力，从而防止活性材料层变形并因此防止活性材料从活性材料层脱落。
本发明的电极活性材料层使得离子可通过集电器迁移，并通过离子的嵌入/脱嵌而进入/离开电解质层来实施离子迁移。
优选地，所述集电器由不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银进行表面处理的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料进行表面处理的不导电聚合物；或导电聚合物制成。
所述集电器收集由活性材料的电化学反应所产生的电子，或供应电化学反应所需要的电子。通常，集电器由诸如铜或铝的金属制成。然而，当集电器特别地为经导电材料进行表面处理的不导电聚合物或导电聚合物的聚合物导体时，柔性比集电器由诸如铜或铝的金属制成的情况中的柔性相对更高。此外，当与金属基集电器相比时，聚合物基集电器可实现电池的重量减轻。
所述导电材料可包含聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、铟锡氧化物(ITO)、银、钯和镍。所述导电聚合物可包含聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚氮化硫。然而，用于集电器中的不导电聚合物不限于特定类型的不导电聚合物。
所述负极活性材料可包括但不限于天然石墨、人造石墨或碳质材料；含锂的钛复合氧化物(LTO)；包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni或Fe的金属(Me)；所述金属(Me)的合金；所述金属(Me)的氧化物(MeOx)；以及所述金属(Me)和碳的复合材料。
所述正极活性材料可包括但不限于，LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2和LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1和M2各自独立地为选自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo中的任一种，且x、y和z各自独立地为各种组分在氧化物中的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，x+y+z≤1)。
在本发明的线缆型二次电池中，包围内电极的电解质层充当离子通道并由聚环氧乙烷(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的凝胶聚合物电解质；或PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚硫化乙烯(PES)或PVAc的固体聚合物电解质形成。优选地，所述固体聚合物电解质的基体基本为聚合物基体或陶瓷-玻璃基体。即使典型的聚合物电解质具有充分的离子传导率，离子仍可能移动缓慢，即反应速率仍可能低，由此相对于固体聚合物电解质优选具有有利的离子移动的凝胶聚合物电解质。因为凝胶聚合物电解质的机械性能差，所以可使用多孔载体或交联聚合物以提高凝胶聚合物电解质的机械性能。本发明的电解质层可充当隔膜，由此可不使用隔膜。
本发明的电解质层可还包含锂盐。所述锂盐可提高离子传导率和反应速率，且可包括但不限于，例如LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族碳酸锂和4-苯基硼酸锂。
本发明具有形成在外部集电器的外表面上的保护涂层，且所述保护涂层可充当绝缘体以保护电极免受空气中的水汽或外部冲击影响。所述保护涂层可以由典型的聚合物树脂如PVC、高密度聚乙烯(HDPE)或环氧树脂形成。
在下文中，参考下图1对根据本发明实施方案的线缆型二次电池和制造所述线缆型二次电池的方法进行简要说明。
根据本发明实施方案的线缆型二次电池包含电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器50，且所述电极组件包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器10、包围所述内部集电器10的负极活性材料层20、包围所述负极活性材料层20并充当离子通道的电解质层30和包围所述电解质层30的正极活性材料层40。
首先，准备线型线性负极集电器10并利用负极活性材料层20进行表面涂布。在此情况中，可使用典型的涂布方法，具体地电镀法或阳极氧化法。为了保持规则的间隔，优选通过挤出机对包含活性材料的电极浆体进行挤出涂布。
随后，利用电解质层30对负极活性材料层20进行表面涂布。在此情况中，形成电解质层30的方法没有特别限制，然而挤出涂布由于电池的特征而在制造线缆型线性二次电池时是有利的。
然后，利用正极活性材料层40对电解质层30进行表面涂布。可将与负极活性材料层20相同的涂布方法应用于正极活性材料层40。接下来，将线型外部集电器50卷绕在正极活性材料层40的外表面上。卷绕方法没有特别限制，然而可使用卷绕机将线型外部集电器50卷绕在正极活性材料层40的外表面上。
最后，在线型外部集电器50的外表面上形成保护涂层60。所述保护涂层60形成在最外表面上并充当绝缘体以保护电极免受空气中的水汽或外部冲击影响。所述保护涂层60可由典型的聚合物树脂如PVC、高密度聚乙烯(HDPE)或环氧树脂形成。
或者，具有正极作为内电极并具有负极作为外电极的线缆型二次电池可包含电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器50，且所述电极组件可包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器10、包围所述内部集电器的正极活性材料层20、包围所述正极活性材料层20并充当离子通道的电解质层30和包围所述电解质层30的所述负极活性材料层40。
在下文中，参考图2和3对本发明的另一个示例性实施方案进行说明。
参考图2，该示例性实施方案的线缆型二次电池可包含电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器50，所述电极组件包含包括至少两个平行布置的负极的内电极、包围所述内电极并充当离子通道的电解质层30和包围所述电解质层30的正极活性材料层40，各个负极由具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器10和包围所述内部集电器10的负极活性材料层20构成。
或者，具有正极作为内电极并具有负极作为外电极的线缆型二次电池可包含电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器50，所述电极组件包含包括至少两个平行布置的正极的内电极、包围所述内电极并充当离子通道的电解质层30和包围所述电解质层30的负极活性材料层40，各个正极由具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器10和包围所述内部集电器10的正极活性材料层20构成。
参考图3，该示例性实施方案的线缆型二次电池可包含电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器50，所述电极组件包含包括至少两个平行布置的负极的内电极，各个负极包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器10；包围所述内部集电器10的负极活性材料层20；以及包围所述负极活性材料层20并充当离子通道的电解质层30，和包围所述电解质层30的正极活性材料层40。
或者，具有正极作为内电极并具有负极作为外电极的线缆型二次电池可包含电极组件和卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器50，所述电极组件包含包括至少两个平行布置的正极的内电极，各个正极包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器10；包围所述内部集电器10的正极活性材料层20；以及包围所述正极活性材料层20并充当离子通道的电解质层30，和包围所述电解质层30的负极活性材料层40。
Claims (16)
1.一种线缆型二次电池，包含：
具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的电极组件，所述电极组件包含内部集电器、负极活性材料层和电解质层以及正极活性材料层；和
卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器。
2.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述内部集电器由如下材料制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银进行表面处理的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料进行表面处理的不导电聚合物；或导电聚合物。
3.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述外部集电器由如下材料制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银进行表面处理的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料进行表面处理的不导电聚合物；或导电聚合物。
4.如权利要求2或3所述的线缆型二次电池，其中所述导电材料为选自如下材料中的任一种或它们的混合物：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、铟锡氧化物(ITO)、银、钯和镍。
5.如权利要求2或3所述的线缆型二次电池，其中所述导电聚合物为选自如下材料中的任一种或它们的混合物：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚氮化硫。
6.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述负极活性材料层由包含活性材料粒子的活性材料形成，所述活性材料粒子选自如下材料中的任一种或它们的混合物：天然石墨、人造石墨或碳质材料；含锂的钛复合氧化物(LTO)；包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe的金属(Me)；所述金属(Me)的合金；所述金属(Me)的氧化物(MeOx)；以及所述金属(Me)和碳的复合材料。
7.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述正极活性材料层由包含活性材料粒子的活性材料形成，所述活性材料粒子为选自如下材料中的任一种或它们的混合物：LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2和LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(M1和M2各自独立地为选自如下元素中的任一种：Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，且x、y和z各自独立地为各种组分在氧化物中的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，x+y+z≤1)。
8.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述电解质层由选自如下材料中的电解质形成：
聚环氧乙烷(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)的凝胶聚合物电解质；和
PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚硫化乙烯(PES)或PVAc的固体聚合物电解质。
9.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述电解质层还包含锂盐。
10.如权利要求9所述的线缆型二次电池，其中所述锂盐为选自如下材料中的任一种或它们的混合物：LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂族碳酸锂和4-苯基硼酸锂。
11.一种线缆型二次电池，包含：
电极组件；和
卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器，
所述电极组件包含：
具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器；
包围所述内部集电器的负极活性材料层；
包围所述负极活性材料层并充当离子通道的电解质层；以及
包围所述电解质层的正极活性材料层。
12.一种线缆型二次电池，包含：
电极组件；和
卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器，
所述电极组件包含：
具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器，
包围所述内部集电器的正极活性材料层；
包围所述正极活性材料层并充当离子通道的电解质层；和
包围所述电解质层的负极活性材料层。
13.一种线缆型二次电池，包含：
电极组件；和
卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器，
所述电极组件包含：
包含至少两个平行布置的负极的内电极，各个负极包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器和包围所述内部集电器的负极活性材料层；
包围所述内电极并充当离子通道的电解质层；和
包围所述电解质层的正极活性材料层。
14.一种线缆型二次电池，包含：
电极组件；和
卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器，
所述电极组件包含：
包含至少两个平行布置的正极的内电极，各个正极包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器和包围所述内部集电器的正极活性材料层；
包围所述内电极并充当离子通道的电解质层；和
包围所述电解质层的负极活性材料层。
15.一种线缆型二次电池，包含：
电极组件；和
卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器，
所述电极组件包含：
包含至少两个平行布置的负极的内电极，各个负极包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器、包围所述内部集电器的负极活性材料层以及包围所述负极活性材料层并充当离子通道的电解质层；和
包围所述电解质层的正极活性材料层。
16.一种线缆型二次电池，包含：
电极组件；和
卷绕在所述电极组件的外表面上的线型外部集电器，
所述电极组件包含：
包含至少两个平行布置的正极的内电极，各个正极包含具有预定形状的水平横截面并纵向延伸的内部集电器、包围所述内部集电器的正极活性材料层以及包围所述正极活性材料层并充当离子通道的电解质层；和
包围所述电解质层的负极活性材料层。
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