CN103190025A - 线缆型二次电池 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，一种线缆型二次电池包括：具有细长形状的第一和第二电极，其中电极活性材料涂布在集电器的表面上，该集电器电极组件和包围所述电极组件的覆盖构件，所述电极组件包括以及置于所述第一和第二电极之间的隔离物或电解质层，各个电极包括具有垂直于其长度方向的圆形、不对称的椭圆形或多边形形状的横截面的集电器和涂布到所述集电器的表面上的电极活性材料，其中所述覆盖构件在其表面上具有预定图案的连续或不连续的刮痕凹槽。所述线缆型二次电池使用具有刮痕凹槽的改进的覆盖构件保护和/或包覆电极组件，由此提高了线缆型二次电池的柔性。

Description

线缆型二次电池
技术领域
本发明涉及自由形状适应的线缆型二次电池，更特别地，涉及具有包围线缆型电极组件的包覆层(覆盖构件)的改进结构的线缆型二次电池。
背景技术
本申请要求2010年10月26日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2010-0104644的优先权，通过参考将其完整内容并入本文中。
近来，无线通讯技术的进展导致了移动装置的普及，为了与这种趋势保持同步，存在使用二次电池作为移动装置的电源的强烈趋势。也将二次电池用作环境友好的下一代车辆如电动车辆和混合动力车辆的电源。
如上所述，由于在许多工业领域中二次电池的使用急剧增加，所以二次电池的输出、容量、结构等随使用二次电池的领域的特征而变化。
通常，二次电池具有包括阴极和阳极以及置于所述阴极与所述阳极之间的隔离物的电极组件，所述阴极和所述阳极各自具有利用活性材料表面涂布的板状集电器。将电极组件与液体电解质或固体电解质一起容纳在圆柱形或棱柱形金属壳或铝层压片的袋型壳中。为了提高二次电池的容量，电极组件可以为将阴极片、隔离物片和阳极片轧制在一起的凝胶卷型，或将多个薄板形单位电极顺序堆叠的堆叠型。因此，电极组件的电极(阴极和阳极)具有基本板状的结构。
常规的板状电极结构的优势在于，当轧制或堆叠时其具有高集成度，但难以适应性地改变结构以满足工业领域的要求。此外，板状电极结构的各种问题在于，其对于充/放电期间电极的体积变化敏感，在单电池中产生的气体不能容易地排出，且电极之间的电位差会提高。
特别地，为了满足使用者的各种需要，使得使用二次电池的装置的种类多样化并将许多重点放在这种装置的设计上。然而，具有特定形状的装置需要提供单独的部分或空间以安装具有传统结构和/或形状(圆柱形、棱柱形或袋型)的二次电池，这在扩展无线技术和开发新设计时变为巨大的障碍。例如，当新开发的装置具有伸长的空间以安装二次电池时，从结构上改变包括由现有板状电极构成的电极组件的二次电池以使得结构适应安装空间基本不可能或者非常无效率。换言之，因为常规的圆柱形、硬币型和棱柱形电池具有特定形状，所以电池在其使用和自由变形能力方面受到限制。此外，难以根据使用电池的位置而适应性地变形如扭曲或弯曲。
为了解决这些问题，本发明人已经公开了发明名称为“具有新型结构的电极组件和包括该电极组件的二次电池”的韩国专利No.10-0804411(2006年1月17日提交、2008年2月12日注册)。
然而，这种二次电池(下文中称作线缆型二次电池)的柔性仍然不足。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种具有改进结构的二次电池，所述二次电池可以容易地适应形状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电极组件和包围所述电极组件的覆盖构件，所述电极组件包含伸长形状的第一和第二电极以及置于所述第一和第二电极之间的隔离物或电解质层，各个电极包含具有垂直于其长度方向的圆形、不对称的椭圆形或多边形形状的横截面的集电器和涂布到所述集电器的表面上的电极活性材料，其中所述覆盖构件在其表面上具有预定图案的连续或不连续的刮痕凹槽。
优选地，所述刮痕凹槽的深度为所述覆盖构件的厚度的10～30%。
所述刮痕凹槽可具有与所述覆盖构件的长度方向成预定角度的线性图案，或还可具有与所述覆盖构件的长度方向成预定角度的波状图案。
此外，所述刮痕凹槽可具有格子图案，且所述刮痕凹槽可包括多个不规则的凹槽。
在此情况中，相反极性的所述第一和第二电极可各自为阳极或阴极。优选地，所述第一电极为阳极且所述第二电极为阴极。
优选地，所述集电器由如下制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料表面处理过的不导电聚合物；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。所述导电聚合物可以为选自如下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。
所述阳极活性材料层可由活性材料形成，所述活性材料包含选自如下的任一种或它们的混合物的活性材料粒子：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)；以及所述金属(Me)和碳的复合材料。所述阴极活性材料层可由活性材料形成，所述活性材料包含选自如下的任一种或它们的混合物的活性材料粒子：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：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；以及PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙硫醚(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、脂族低级碳酸锂和4-苯基硼酸锂。
所述隔离物可以为选自如下的任一种：微孔聚乙烯膜、微孔聚丙烯膜或这些膜的多层膜；以及聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物电解质用聚合物膜。
有益效果
本发明的线缆型二次电池使用具有刮痕凹槽的改进的覆盖构件保护或包覆电极组件，由此提高了线缆型二次电池的柔性。
附图说明
附图显示了本发明的优选实施例，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是根据本发明实施例的线缆型二次电池的透视图。
图2是根据本发明实施例的线缆型二次电池的侧视图，所述线缆型二次电池具有与覆盖构件的长度方向垂直的刮痕凹槽的线性图案。
图3是根据本发明实施例的线缆型二次电池的侧视图，所述线缆型二次电池具有相对于覆盖构件的长度方向倾斜的刮痕凹槽的线性图案。
图4是根据本发明实施例的线缆型二次电池的侧视图，所述线缆型二次电池具有与覆盖构件的长度方向成预定角度的刮痕凹槽的波状图案。
图5是根据本发明实施例的线缆型二次电池的侧视图，所述线缆型二次电池具有刮痕凹槽的格子图案。
图6是根据本发明实施例的线缆型二次电池的侧视图，所述线缆型二次电池具有多个不规则刮痕凹槽。
具体实施方式
提供如下详细说明以帮助读者全面地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。
将根据本发明实施例的线缆型二次电池示意性地示于图1中。尽管对本发明的几个示例性实施例进行了显示和描述，但本发明不限于所述的示例性实施例。相反，本领域技术人员应理解，可在不背离本发明的原理和主旨的条件下对这些示例性实施例进行改变，本发明的范围由权利要求书及其等价物限定。
参考图1，根据本发明实施例的线缆型二次电池100可包括电极组件120和包围所述电极组件120的覆盖构件110，所述电极组件120包括伸长形状的第一和第二电极以及置于所述第一和第二电极之间的隔离物或电解质层，每个电极包括具有垂直于其长度方向的圆形、不对称的椭圆形或多边形形状的横截面的集电器和施加到所述集电器的表面上的电极活性材料。所述覆盖构件110可以在其表面上具有预定图案的连续或不连续的刮痕凹槽。
本发明的线缆型二次电池具有纵向延伸的线性结构并为柔性，从而其可自由适应形状。此处，预定图案不限于特定图案，且可在不背离本发明的主旨和范围的条件下包括重复的图案和不规则的图案。此外，可将连续的刮痕凹槽定义为不中断的且比本发明线缆型二次电池的直径长至少三倍的凹槽，并可将所述不连续刮痕凹槽定义为长度小于本发明线缆型二次电池的直径的三倍的凹槽。
本发明的电极组件120不限于特定类型，且可以为包括阴极和阳极以及作为阴极与阳极之间的离子通道的隔离物或电解质层的任意一种电极组件。在此情况中，阴极可由阴极集电器和阴极活性材料层构成，阳极可由阳极集电器和阳极活性材料层构成。此外，多个阴极和多个阳极可有助于提高电池性能。
包围电极组件120的覆盖构件110可在其表面上具有预定图案的刮痕凹槽，以提高线缆型二次电池的柔性。当对线缆型二次电池施加外力时，覆盖构件110的刮痕凹槽会降低对弯曲的抵抗性，使得覆盖构件110可以更容易地弯曲。此外，即使覆盖构件110因过大的外力而变形，刮痕凹槽仍会分散集中在特定区域上的力，由此防止不可逆的变形。
优选地，刮痕凹槽的深度为覆盖构件110的厚度的10～30%。当刮痕凹槽太深时，覆盖构件中的电极组件可能会露出。当刮痕凹槽太浅时，柔性改进效果会不足。根据制造方法，刮痕凹槽的横截面可以为方形、半圆形、三角形或任意其他各种形状。
刮痕凹槽可通过后加工，例如在形成覆盖构件110之后通过利用砂纸进行研磨或利用具有刮痕凹槽图案的雕刻切割机进行雕刻而形成，或者可通过具有刮痕凹槽图案的模具制造具有刮痕凹槽的覆盖构件110而形成。
本发明的覆盖构件110可形成在外部电极组件的外表面上，并可充当绝缘体以保护电极免受空气中的湿气或外部冲击的影响。覆盖构件110可由典型的聚合物树脂如聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)或环氧树脂形成。
优选地，集电器由如下材料制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料表面处理过的不导电聚合物；或导电聚合物。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。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，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。
阳极活性材料层可包括但不限于：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)；以及所述金属(Me)和碳的合成物。阴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，并由如下形成：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；或者PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙硫醚(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，电解质层还可包含锂盐。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。
隔离物可以为选自如下的任一种：微孔聚乙烯膜、微孔聚丙烯膜或这些膜的多层膜；以及聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物电解质用聚合物膜。当使用隔离物时，需要利用电解质对隔离物进行浸渗以用于离子迁移。电解质可包含由式A+B-代表的盐，其中A+代表碱金属阳离子如Li+、Na+、K+或其组合，且B-代表含有阴离子如PF6 -、BF4 -、Cl-、Br-、I-、ClO4 -、AsF6 -、CH3CO2 -、CF3SO3 -、N(CF3SO2)2 -、C(CF2SO2)3 -或其组合的盐。可将所述盐溶解或解离于选自如下的有机溶剂中：碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、二甲亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸甲乙酯(EMC)、γ-丁内酯(γ-丁内酯)，或它们的混合物。然而，本发明不限于此。基于制造工艺和最终产品的期望性质，可在电池制造的合适步骤期间倒入电解质。换言之，可在电池组装之前或在电池组装的最后，倒入电解质。
在此情况中，相反极性的第一和第二电极可各自为阳极或阴极。优选地，第一电极为阳极且第二电极为阴极。
下文中，下面对制造上述线缆型二次电池的方法进行简要说明。
根据本发明实施例的线缆型二次电池100可包括电极组件120和包围所述电极组件120的覆盖构件110，所述电极组件120包括伸长形状的阳极和阴极以及置于所述阳极和阴极之间的隔离物或电解质层，所述阳极或阴极包括具有垂直于其长度方向的圆形、不对称的椭圆形或多边形形状的横截面的集电器和涂布到所述集电器的表面上的电极活性材料。所述覆盖构件110可以在其表面上具有预定图案的连续或不连续的刮痕凹槽。
首先，准备线型线性阳极集电器并利用阳极活性材料层进行表面涂布。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。此外，可使用通过挤出机对包含活性材料的电极浆料进行的挤出涂布，然而，本发明不限于此。
其次，利用电解质层对阳极活性材料层进行表面涂布。在此情况中，用于形成电解质层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中是有利的。
再次，利用阴极活性材料层对电解质层进行表面涂布。可将与阳极活性材料层相同的涂布方法应用于阴极活性材料层。此外，在阴极活性材料层的外表面上形成线型阴极集电器。
最后，在线型集电器的外表面上形成覆盖构件。覆盖构件形成在最外表面上，并可以充当绝缘体以保护电极免受空气中的湿气或外部冲击的影响。覆盖构件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。特别地，根据本发明的覆盖构件的刮痕凹槽，可在形成覆盖构件之后通过进一步加工而形成，或者可在形成覆盖构件时使用具有刮痕凹槽图案的模具而形成。
参考图2和3，刮痕凹槽111和112可具有与覆盖构件的长度方向成预定角度的线性图案。此处，所述预定角度可包括相对于覆盖构件的长度方向垂直或水平倾斜的各种角度。
参考图4，刮痕凹槽115可具有与覆盖构件的长度方向成预定角度的波状图案。此处，所述预定角度可包括相对于覆盖构件的长度方向垂直或水平倾斜的各种角度。
参考图5，刮痕凹槽113可具有格子图案。参考图6，刮痕凹槽114可包括多个不规则的刮痕凹槽。

Claims (17)

1.一种线缆型二次电池，包括：
电极组件；和
包围所述电极组件的覆盖构件，
所述电极组件包括：
伸长形状的第一电极和第二电极，每个电极包括集电器和施加到所述集电器的表面上的电极活性材料，所述集电器具有垂直于其长度方向的圆形、不对称的椭圆形或多边形形状的横截面；以及
置于所述第一电极和所述第二电极之间的隔离物或电解质层，
其中，在所述覆盖构件的表面上具有预定图案的连续或不连续的刮痕凹槽。
2.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述刮痕凹槽的深度是所述覆盖构件的厚度的10%至30%。
3.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述刮痕凹槽具有与所述覆盖构件的长度方向成预定角度的线性图案。
4.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述刮痕凹槽具有与所述覆盖构件的长度方向成预定角度的波状图案。
5.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述刮痕凹槽具有格子图案。
6.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述刮痕凹槽包括多个不规则的凹槽。
7.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述第一电极为阳极，且所述第二电极为阴极。
8.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述第一活性材料层由包括选自如下材料中的任一种的活性材料粒子的活性材料形成：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)，所述金属（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)；以及所述金属(Me)和碳的合成物；或它们的混合物。
9.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述第二活性材料层由包括选自如下材料中的任一种的活性材料粒子的活性材料形成：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：Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，且x、y和z各自独立地为每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)，或它们的混合物。
10.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述第一集电器由如下材料制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料表面处理过的不导电聚合物；或导电聚合物。
11.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述第二集电器由如下材料制成：不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或铜；经碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；经导电材料表面处理过的不导电聚合物；或导电聚合物。
12.如权利要求10或11所述的线缆型二次电池，
其中，所述导电材料为选自如下中的任一种：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、铟锡氧化物(ITO)、银、钯、镍、或它们的混合物。
13.如权利要求10或11所述的线缆型二次电池，
其中，所述导电聚合物为选自如下的任一种：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚氮化硫、或它们的混合物。
14.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；以及PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙硫醚(PES)或PVAc的固体聚合物电解质。
15.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。
16.如权利要求15所述的线缆型二次电池，
其中，所述锂盐选自如下中的任一种：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、4-苯基硼酸锂、或它们的混合物。
17.如权利要求1所述的线缆型二次电池，
其中，所述隔离物选自如下的任一种：微孔聚乙烯膜、微孔聚丙烯膜、或这些膜的多层膜；以及聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物电解质用聚合物膜。
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