CN103081205B - 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，包含：具有预定形状的水平横断面并纵向延伸的负极集电器；具有在所述负极集电器上以预定间隔隔开的负极活性材料图案的负极活性材料图案层；包围所述负极活性材料图案层并充当离子通道的电解质层；具有在与所述负极活性材料图案相对应的位置处在所述电解质层上以预定间隔隔开的正极活性材料图案的正极活性材料图案层；以及包围所述正极活性材料图案层的负极集电器。本发明的具有所述活性材料图案的所述线缆型二次电池具有优异的柔性，以防止所述活性材料从所述活性材料层脱落。
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27日在韩国提交的韩国专利申请10-2010-0083637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能够转化成电能以产生电力的装置。也将所述二次电池称作充电电池，这是因为其能够反复再充电。普通的二次电池包括铅蓄电池、NiCd电池、NiMH蓄电池、Li离子电池、Li离子聚合物电池等。当与一次性原电池相比时，二次电池不仅是经济更高效的，且是环境更友好的。
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、移动器件、工具、不间断电源等。近来，随着无线通信技术的发展导致移动器件开始普及，甚至导致多种常规器件的可移动化，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寿命。
通常，二次电池具有圆柱形、棱柱形或袋形。这与二次电池的制造方法相关，其中将由负极、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，且在所述壳中填充电解质。因为在这种方法中电极组件需要预定的安装空间，所以二次电池的圆柱形、棱柱形或袋形对于各种形状的移动器件的开发是一种限制。因此，需要具有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，开发长度与横断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，所述线性电池包含多个负极和多个正极、以及插入其间的隔膜。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，当线缆型二次电池因过大的外力而变形时，活性材料可能从活性材料层脱落。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种具有新型线性结构的二次电池，所述二次电池在形状上易于适应以保持稳定性和优异的性能。
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断面并纵向延伸的负极集电器、具有在所述负极集电器上以预定间隔隔开的负极活性材料图案的负极活性材料图案层、包围所述负极活性材料图案层并充当离子通道的电解质层、具有在与所述负极活性材料图案相对应的位置处在所述电解质层上以预定间隔隔开的正极活性材料图案的正极活性材料图案层以及包围所述正极活性材料图案层的正极集电器。
所述正极集电器可以为具有预定形状的管型集电器或具有预定形状的网格型集电器。
此外，所述正极集电器可以为卷绕在所述正极活性材料图案层上的线型集电器。
在此情况中，所述集电器优选由如下材料制成：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。所述导电材料可以为选自如下材料中的任意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；所述导电聚合物可以为选自如下材料中的任意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。
所述负极活性材料图案层可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意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)；金属(Me)，包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe；所述金属(Me)的合金；所述金属(Me)的氧化物(MeOx)；以及金属(Me)和碳的复合材料。所述正极活性材料图案层可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意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的任一种元素：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)。
所述电解质层可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)的胶凝聚合物电解质；以及
PEO、聚苯醚(PPO)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)或PVAc的固体聚合物电解质。
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如下材料中的任意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。
有益效果
本发明的线缆型二次电池具有活性材料图案层，其中非图案部分比图案部分具有相对更高的柔性，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大的外力时，活性材料图案层的非图案部分比所述图案部分更早发生变形，由此防止所述活性材料层变形，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，并与上述发明内容一起，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限于这些附图。
图1是根据本发明实施方案的线缆型二次电池的横断面视图。
图2是根据本发明实施方案的线缆型二次电池的横断面视图。
图3是制造根据本发明实施方案的线缆型二次电池的方法的流程图。
附图标记说明
10：负极集电器20：负极活性材料图案层
30：电解质层40：正极活性材料图案层
50：正极集电器60：保护涂层
具体实施方式
提供如下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，将本文中所述的系统、设备和/或方法的各种改变、变化和等价物展示给本领域中的技术人员。此外，为了更加清晰和简明，可能省略了熟知功能和构造的描述。
在图1和2中示意性显示了根据本发明实施方案的线缆型二次电池，其中类似的元件用类似的附图标记表示。参考图1和2，根据本发明实施方案的线缆型二次电池包含具有预定形状的水平横断面并纵向延伸的负极集电器10、具有在所述负极集电器10的外表面上以预定间隔隔开的负极活性材料图案的负极活性材料图案层20、包围所述负极活性材料图案层20并充当离子通道的电解质层30、具有在与所述负极活性材料图案相对应的位置处在所述电解质层30的外表面上以预定间隔隔开的正极活性材料图案的正极活性材料图案层40以及包围所述正极活性材料图案层40的正极集电器50。此处，没有将预定形状限制为具体形状，在不背离本发明的主旨和范围的条件下所述预定形状可包括任意一种形状。本发明的线缆型二次电池具有预定形状的水平横断面和在垂直于所述水平横断面的方向上纵向延伸的线性结构。所述线缆型二次电池具有柔性，并因此具有自由的形状适应性。
本发明的负极活性材料图案层20具有在负极集电器10的外表面上形成的负极活性材料图案，所述负极活性材料图案以预定间隔隔开。此处，不能将预定间隔限制为特定间隔。如图2中所示，所述负极活性材料图案以它们之间的预定间隔布置以形成负极活性材料图案层20。此外，所述正极活性材料图案层40具有在与所述负极活性材料图案相对应的位置处以其间的预定间隔隔开的正极活性材料图案。
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时，特别是当电极破碎或破裂时，电极活性材料可能从电极活性材料层脱落，由此导致电池的性能和容量下降。然而，本发明的线缆型二次电池具有负极活性材料图案层20和正极活性材料图案层40，其中当向本发明的线缆型二次电池施加过大的外力时非图案部分比图案部分更早变形。这是因为非图案部分比图案部分的柔性更大，由此即使施加相同的力时，所述非图案部分也比图案部分更早变形。因此，本发明的电极活性材料层、负极活性材料图案层20和正极活性材料图案层40不易发生变形，由此防止电极活性材料从电极活性材料层脱落。
不存在电极活性材料层且具有优异柔性的非图案部分还提高了整个线缆型二次电池的柔性。
本发明的电极活性材料图案层20和40使得离子通过集电器10和50迁移，且通过离子的嵌入/脱嵌而进入/离开电解质层30，从而实施离子迁移。
所述正极集电器50可以为预定形状的管型集电器。为了确保柔性，所述正极集电器50还可以为具有优异柔性的网状结构的网格型集电器。
所述正极集电器50可以为线型集电器，且通过将线型集电器卷绕在正极活性材料图案层40的外表面上，可制造线缆型二次电池。特别地，可将线型集电器仅卷绕在图案部分上而不卷绕在非图案部分上，由此提高柔性(参见图3)。当管型正极集电器因外力而破碎或破裂时，尖锐的正极集电器会穿过电解质层30与负极集电器20接触，导致短路。然而，线型集电器不易因外力而破碎或破裂，由此降低了因渗入到电解质层30中而造成短路的可能性。
优选地，所述集电器10和50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。
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，当集电器特别地为由经导电材料进行表面处理的不导电聚合物或导电聚合物构成的聚合物导体时，它的柔性比在集电器由诸如铜或铝的金属制成的情况中的相对更高。此外，与金属基集电器相比，聚合物基集电器可使得电池的重量减轻。
所述导电材料可包括聚乙炔、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括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚氮化硫。然而，不能将用于集电器中的不导电聚合物限制为特定类型的不导电聚合物。
所述负极活性材料图案层20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)；金属(Me)，例如Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe；所述金属(Me)的合金；所述金属(Me)的氧化物(MeOx)；和所述金属(Me)和碳的复合材料。
所述正极活性材料图案层40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中的任意一种元素，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30充当离子通道，并由如下材料形成：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)的胶凝聚合物电解质；或PEO、聚苯醚(PPO)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)或PVAc的固体聚合物电解质。优选地，固体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足够的离子传导率，离子仍移动缓慢，即反应速率可能是低的，由此相对于固体聚合物电解质，优选具有有利的离子运动的胶凝聚合物电解质。因为胶凝聚合物电解质的机械性能差，所以可使用多孔载体或交联的聚合物以提高胶凝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30可还包含锂盐。所述锂盐可提高离子传导率和反应速率，所述锂盐可包括但不限于，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。
本发明具有形成在正极集电器50的外表面上的保护涂层60，且所述保护涂层60可充当绝缘体，以防止空气中的湿气或外部冲击对电极造成损害。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。
此外，根据本发明实施方案的线缆型二次电池可包含具有预定形状的水平横断面并纵向延伸的正极集电器、具有在所述正极集电器的外表面上以预定间隔隔开的正极活性材料图案的正极活性材料图案层、包围所述正极活性材料图案层并充当离子通道的电解质层、具有在与所述正极活性材料图案相对应的位置处在所述电解质层的外表面上以预定间隔隔开的负极活性材料图案的负极活性材料图案层以及包围所述负极活性材料图案层的负极集电器。所述负极集电器可以为预定形状的管型集电器或预定形状的网格型集电器。此外，所述负极集电器可以为卷绕在所述负极活性材料图案层上的线型集电器。
下文中，参考下图3对制造上述线缆型二次电池的方法进行简要说明。
在步骤S1中，准备线型线性负极集电器10并利用负极活性材料图案层20进行表面涂布，所述负极活性材料图案层20由以预定间隔隔开的负极活性材料图案形成。在此情况中，可使用典型的涂布方法，具体地为电镀法或阳极氧化法。为了保持预定间隔，优选通过挤出机对包含活性材料的电极浆料进行不连续的挤出涂布。
在步骤S2中，利用电解质层30对负极活性材料图案层20进行表面涂布。在此情况中，对于形成电解质层30的方法没有特别限制，挤出涂布由于电池的特征而在制造线缆型线性二次电池中是有利的。
在步骤S3中，利用正极活性材料图案层40对涂布的电解质层30进行表面涂布，所述正极活性材料图案层40由以与所述负极活性材料图案相同的间隔隔开的正极活性材料图案构成。可将与负极活性材料图案层20相同的涂布方法应用于正极活性材料图案层40。此外，为了正极活性材料与负极活性材料之间的平衡，可对正极活性材料图案的间隔进行调整。
在步骤S4中，将线型正极集电器50卷绕在正极活性材料图案层40的外表面上。卷绕方法没有特别限制，可使用卷绕机械以预定间隔将线型集电器50不连续地卷绕在正极活性材料图案层40的外表面上。
在步骤S5中，在线型集电器50的外表面上形成保护涂层60。所述保护涂层60形成在最外部的表面上，并充当绝缘体以防止空气中的湿气或外部冲击对电极造成损害。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。
Claims (11)
1.一种线缆型二次电池，包含：
具有预定形状的水平横断面并纵向延伸的负极集电器；
具有在所述负极集电器上以预定间隔隔开的负极活性材料图案的负极活性材料图案层；
包围所述负极活性材料图案层并充当离子通道的电解质层；
具有在与所述负极活性材料图案相对应的位置处在所述电解质层上以预定间隔隔开的正极活性材料图案的正极活性材料图案层；以及
包围所述正极活性材料图案层的正极集电器，
其中所述线缆型二次电池具有预定形状的水平横断面和在垂直于所述水平横断面的方向上纵向延伸的线性结构，
其中所述正极集电器为卷绕在所述正极活性材料图案层上的线型集电器，
其中所述线型集电器仅卷绕在形成正极活性材料层的图案部分上，而不卷绕在不存在正极活性材料层的非图案部分上。
2.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图案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意一种或它们的混合物：碳质材料；含锂的钛复合氧化物；选自Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni和Fe中的一种或多种金属；所述金属的合金；所述金属的氧化物；以及所述金属和碳的复合材料。
3.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图案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意一种或它们的混合物：LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4和LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2，其中M1和M2各自独立地为选自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo中的任意一种元素，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<0.5，0<x+y+z≤1。
4.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述负极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。
5.如权利要求1所述的线缆型二次电池，其中所述正极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。
6.如权利要求4或5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意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。
7.如权利要求4或5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意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。
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、聚偏二氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈或聚乙酸乙烯酯的胶凝聚合物电解质；和
聚环氧乙烷、聚苯醚、聚醚酰亚胺、聚醚砜(PES)或聚乙酸乙烯酯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意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：
具有预定形状的水平横断面并纵向延伸的正极集电器；
具有在所述正极集电器上以预定间隔隔开的正极活性材料图案的正极活性材料图案层；
包围所述正极活性材料图案层并充当离子通道的电解质层；
具有在与所述正极活性材料图案相对应的位置处在所述电解质层上以预定间隔隔开的负极活性材料图案的负极活性材料图案层；以及
包围所述负极活性材料图案层的负极集电器，
其中所述线缆型二次电池具有预定形状的水平横断面和在垂直于所述水平横断面的方向上纵向延伸的线性结构，
其中所述负极集电器为卷绕在所述负极活性材料图案层上的线型集电器，
其中所述线型集电器仅卷绕在形成负极活性材料层的图案部分上，而不卷绕在不存在负极活性材料层的非图案部分上。
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