CN104051776A - 电极组件和使用其的二次电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电极组件和使用其的二次电池的制造方法。所述电极组件包括正极板、负极板、以及介于所述正极板和负极板之间的隔板，所述隔板具有在其上的聚合物粘合剂涂层，所述正极板、所述隔板和所述负极板是顺序堆叠并且以果冻卷形状卷绕的，所述果冻卷是通过热压过程压制的。

Description

电极组件和使用其的二次电池的制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日在韩国知识产权局提交并且题为“电极组件和使用其的二次电池的制造方法”的韩国专利申请No.10-2013-0028260的优先权，将其全部引入本文作为参考。
技术领域
实施方式涉及电极组件和使用其的二次电池的制造方法。
背景技术
随着用于移动设备的技术的发展和需求增加，对作为移动设备的能源的二次电池的需求迅速增加。二次电池根据其外部和内部结构特征可通常分为圆柱型、棱柱型(棱柱形)、和袋型电池。随着移动设备小型化，棱柱型和袋型电池可为特别适合的。
发明内容
实施方式涉及电极组件，其包括正极板、负极板、以及介于所述正极板和负极板之间的隔板，所述隔板具有在其上的聚合物粘合剂涂层，所述正极板、所述隔板和所述负极板是顺序堆叠和以果冻卷形状卷绕的，所述果冻卷是通过热压过程压制的。
所述聚合物粘合剂可包括聚偏氟乙烯(PVdF)。
在所述热压过程之后由PVdF的α相除以PVdF的β相获得的值可为约1-约3。
所述α相可为在796cm-1或976cm-1的波数处测量的值，和所述β相可为在841cm-1的波数处测量的值。
在所述隔板和所述聚合物粘合剂之间可涂覆陶瓷层。
所述热压过程可包括用约100-约500kgf的压力压制所述果冻卷。
所述热压过程可在约80-约130℃的温度下进行。
所述热压过程可进行约60-约150秒。
所述正极板可包括连接至正极集流体一端的正极极耳，所述正极集流体具有在其上的正极活性物质层，和所述负极板可包括连接至负极集流体一端的负极极耳，所述负极集流体具有在其上的负极活性物质层。
实施方式还涉及制造二次电池的方法，所述方法包括：通过将正极板、其上具有聚合物粘合剂涂层的隔板、和负极板顺序堆叠和卷绕而形成果冻卷，和通过热压过程压制所述果冻卷。
所述聚合物粘合剂可包括聚偏氟乙烯(PVdF)。
在通过热压过程压制所述果冻卷之后由PVdF的α相除以PVdF的β相获得的值可为约1-约3。
所述α相可为在796cm-1或976cm-1的波数处测量的值，和所述β相为在841cm-1的波数处测量的值。
所述热压过程可包括用约100-约500kgf的压力压制所述果冻卷。
所述热压过程可在约80-约130℃的温度下进行。
所述热压过程可进行约60-约150秒。
在所述隔板和所述聚合物粘合剂之间可涂覆陶瓷层。
所述方法可进一步包括将所述果冻卷插入棱柱形电池壳中，将电解质注入所述电池壳中，和密封所述电池壳。
附图说明
通过参照附图详细地描述实例实施方式，特征对于本领域技术人员而言将变得明晰，在附图中：
图1说明根据实例实施方式的电极组件的透视图。
图2说明根据一个实例实施方式的隔板的截面图。
图3A说明显示其中对在隔板上未涂覆有聚偏氟乙烯(PVdF)的果冻卷型电极组件进行常温压制过程的状态的图。
图3B说明显示其中对隔板上涂覆有PVdF的果冻卷型电极组件进行常温压制过程的状态的图。
图3C说明显示其中对隔板上涂覆有PVdF的果冻卷型电极组件进行热压过程的状态的图。
图4说明显示PVdF的聚合物结构的图。
图5A说明显示通过测量经历常温压制过程的PVdF的在特定波数处的α和β相获得的结果的表。
图5B说明显示通过测量根据实例实施方式的经历热压过程的PVdF的在特定波数处的α和β相获得的结果的表。
图6说明根据另一实例实施方式的隔板的截面图。
图7说明显示当对相关领域电极组件进行初始充电时的电压变化和当对根据实例实施方式的经历热压过程的电极组件进行初始充电时的电压变化的图。
图8说明显示当对经历常温压制过程的电极组件进行充电时的厚度变化和当对根据实例实施方式的经历热压过程的电极组件进行充电时的厚度变化的图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地描述实例实施方式；然而，它们可以不同的形式体现并且不应被解释为限于本文中所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式，使得本公开内容将是彻底和完整的，并且将实例实施方式的范围全面地传达给本领域技术人员。
在以下详细描述中，简单地通过说明显示和描述仅一些实例实施方式。如本领域技术人员将认识到的，所描述的实例实施方式可以多种不同的方式改变，全部不脱离实施方式的精神或范围。因此，附图和说明书应被认为在本质上是说明性的，而不是限制性的。将理解，当一个元件被称为“在”两个元件“之间”时，其可为所述两个元件之间的唯一元件，或者还可存在一个或多个中间元件。此外，当一个元件被称为“在”另外的元件“上”时，其可直接在所述另外的元件上，或者间接地在所述另外的元件上，在其间插入有一个或多个中间元件。而且，当一个元件被称为“连接至”另外的元件时，其可直接连接至所述另外的元件，或者可间接连接至所述另外的元件，在其间插入有一个或多个中间元件。下文中，相同的附图标记是指相同的元件。在附图中，层的厚度或尺寸为了清楚起见而被放大并且不必是按比例绘制的。
图1说明根据实例实施方式的电极组件的透视图。
参照图1，根据本实例实施方式的电极组件100可包括正极板110(其可通过将正极极耳111连接至其上形成有正极活性物质层的正极集流体的一端而形成)、负极板120(其可通过将负极极耳121连接至其上形成有负极活性物质层的负极集流体的一端而形成)、以及介于正极板和负极板110和120之间的隔板130。可将正极板110、隔板130和负极板120顺序堆叠，然后以果冻卷形状卷绕。
在本实例实施方式中，正极板110包括正极集流体和正极活性物质层。所述正极活性物质层可包括含锂的层状化合物、用于改善结合力的粘合剂、和用于改善导电性的导电材料。所述正极集流体通常由铝制成。所述正极集流体成为在所述正极活性物质层中产生的电荷的移动路径，和执行支持所述正极活性物质层的功能。在正极板110中形成其上未形成有正极活性物质层的正极未涂覆部分(未示出)，和正极极耳111连接至所述正极未涂覆部分。正极极耳111通常由铝、铝合金、镍或镍合金等制成。
在本实例实施方式中，负极板120包括负极集流体和负极活性物质层。所述负极活性物质层可包括经常使用的含碳的硬碳或石墨、和用于改善活性物质颗粒之间的结合力的粘合剂。所述负极集流体通常由铜制成。所述负极集流体成为在所述负极活性物质层中产生的电荷的移动路径，和执行支持所述负极活性物质层的功能。在负极板120中形成其上未形成有负极活性物质层的负极未涂覆部分(未示出)，和负极极耳121连接至所述负极未涂覆部分。负极极耳121通常由铝、铝合金、镍或镍合金等制成。
在本实例实施方式中，隔板130介于正极板和负极板110和120之间，以使正极板和负极板110和120彼此绝缘。隔板130容许正极板和负极板110和120的离子穿过其。隔板130由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)等制成。隔板130可包括电解质，所述电解质可以液体或凝胶相等形成。
图2说明根据一个实例实施方式的隔板的截面图。
参照图2，可在隔板130上涂覆聚合物粘合剂。所述聚合物粘合剂可为例如聚偏氟乙烯(PVdF)。
在本实例实施方式中，将正极板110、负极板120和隔板130顺序堆叠，其中隔板130介于正极板和负极板110和120之间。使用例如芯轴设备对正极板110、负极板120和隔板130进行卷绕。然后，通过热压过程压制电极组件100的一个或两个表面。
当向电极组件100施加热时，涂覆在隔板130上的PVdF的相可通过所述热而改变，并且可出现粘附。在本实例实施方式中，正极板和负极板110和120通过与介于其间的隔板130的粘附而粘附，并且正极板110、隔板130和负极板120彼此紧密地粘附，以即使在热压过程完成之后也保持粘附状态。
所述热压过程可用约100-约500kgf、例如约200kgf的压力在约80-约130℃的温度下进行约60-约150秒。在其中温度为约80℃或更高的情况下，保持正极板110、隔板130和负极板120之间的粘附的效果可得到增强。在其中温度为约130℃或更低的情况下，隔板130的孔可不由于隔板130的材料的变化而被堵塞。
图3A说明显示其中对在隔板上未涂覆有PVdF的果冻卷型电极组件进行常温压制过程的状态的图。图3B为显示其中对隔板上涂覆有PVdF的果冻卷型电极组件进行常温压制过程的状态的图。图3C为显示其中对隔板上涂覆有PVdF的果冻卷型电极组件进行热压过程的状态的图。
参照图3A，可看到，在进行常温压制过程之后，在正极板和负极板之间出现间隙。在图3B中，也可看到，即使粘附比图3A中的高，在正极板和负极板之间也出现一定的间隙。
然而，参照图3C，可看到，在隔板上涂覆有PVdF的果冻卷型电极组件中，即使在进行热压过程之后，正极板和负极板之间的粘附也基本上保持，从而保持进行热压过程时该电极组件的减小的厚度。不受理论束缚，认为这是因为通过涂覆在隔板上的PVdF的热变形，正极板和负极板粘附至隔板。
在对电极组件100进行热压过程之后，涂覆在隔板130上的PVdF在以熔融状态骤冷时可根据结晶温度形成图4(a)或4(b)中所示的α或β固体结构。涂覆在隔板130上的PVdF在流延状态下形成图4(c)中所示的γ固体结构。
根据本实例实施方式，在热压过程之后由PVdF的α相除以PVdF的β相获得的值(α/β)为约1-约3。
图5A为显示通过测量经历常温压制过程的PVdF的在特定波数处的α和β相获得的结果的表。图5B为显示通过测量根据实例实施方式的经历热压过程的PVdF的在特定波数处的α和β相获得的结果的表。根据本实例实施方式，所述α和β相通过FT-IR(傅立叶变换红外光谱法)测量。如本领域普通技术人员将由说明书和附图明晰的，波数测量的结果是对于相应的α和β相的吸收系数。
参照图5A，在其中进行常温压制过程的情况下，通过将在976cm-1和796cm-1的特定波数处测量的α相除以在841cm-1的特定波数处测量的β相获得的平均值分别为5.263和3.591。
另一方面，参照图5B，在其中进行热压过程的情况下，通过将在976cm-1和796cm-1的特定波数处测量的α相除以在841cm-1的特定波数处测量的β相获得的平均值分别为2.119和2.143。因此，可看到，该值在约1-约3范围内。
因此，在其中对电极组件100进行热压过程的情况下，涂覆在隔板上的PVdF的α相减少，和涂覆在隔板上的PVdF的β相增加。因此，通过将α相除以β相获得的值减少。
图6说明根据另一实例实施方式的隔板的截面图。
参照图6，可在隔板130的一个表面上涂覆陶瓷层，和在隔板130的另一表面和所述陶瓷层上涂覆PVdF。
在其中在PVdF和隔板130之间涂覆陶瓷层的情况下，可改善正极110、隔板130和负极板120之间的粘附。由于陶瓷层的特性，孔隙率可为高的。因此，电解质的润湿可为快速的，使得电解质的注入速度可提高。进一步地，电解质的稳定性可提高，使得电池寿命和放电特性可改善。
现在将描述包括电极组件的二次电池的制造方法的实例实施方式。
根据本实例实施方式，首先，将正极板、在其两个表面上均涂覆有作为聚合物粘合剂的PVdF的隔板、和负极板顺序地堆叠，然后卷绕，从而形成果冻卷。随后，通过热压过程压制该果冻卷。在本实例实施方式中，所述热压过程可用约100-约500kgf例如约200kgf的压力在约80-约130℃的温度下进行约60-约150秒。最后，将经历所述热压过程的果冻卷容纳在棱柱形电池壳中，并将其中注入有电解质的电池壳密封，从而制造二次电池。
在本实例实施方式中，通常将少量电解质注入到电池壳中，并且通常以其中电池壳的注入孔未被密封的状态进行预充电以活化电池。随后，将在初始充电中产生的气体脱气，和再次向电池壳中注入电解质。随后，进行老化过程以提供可使电解质均匀分布的时间，然后密封电池壳以进行第二次充电。
提供以下实施例和对比例以突出一个或多个实施方式的特性，但是将理解，实施例和对比例不被解释为限制实施方式的范围，也不将对比例解释为在实施方式的范围之外。进一步地，将理解，实施方式不限于在实施例和对比例中描述的具体细节。
图7说明显示当对相关领域电极组件进行初始充电时的电压变化和当对根据实例实施方式的经历热压过程的电极组件进行初始充电时的电压变化的图。
对比例1显示以其中在隔板上未涂覆PVdF的状态进行常温压制过程的电极组件的结果。对比例2显示以其中在隔板上涂覆PVdF的状态进行常温压制过程的电极组件的结果。实施例显示以其中在隔板上涂覆PVdF的状态进行根据实例实施方式的热压过程的电极组件的结果。
参照图7，可看到，在实施例中在初始充电中的过电压与对比例1和2中的相比降低。不受理论束缚，认为这是因为，在经历热压过程的电极组件中，正极板、隔板和负极板最大限度地彼此粘附，并且因此，在初始充电中未充电区域的不均匀性与对比例1和2中的相比得到改善。
图8说明显示当对经历常温压制过程的电极组件进行充电时的厚度变化和当对根据实例实施方式的经历热压过程的电极组件进行充电时的厚度变化的图。
参照图8，在根据对比例的经历常温压制过程的电极组件中，在初始充电中厚度变化非常显著。第二次充电之前和之后的厚度分别为92.3和96，其中厚度变化为3.7。另一方面，在根据实例实施方式的经历热压过程的电极组件中，在初始充电中厚度变化小。第二次充电之前和之后的厚度分别为92.1和92.7，其中厚度变化仅为0.6。
因此，在根据实例实施方式的经历热压过程的电极组件中，即使在初始充电中厚度变化也可显著降低。因此，可将其中与通常的电极组件相比正极板、隔板和负极板进一步堆叠的电极组件卷绕和插入到具有相同容量的电池壳中。因此，可改善二次电池的容量或体积效率。
作为总结和回顾，二次电池中的用于电池反应的电极组件可具有其中电解质浸渍到其上分别涂覆有正极活性物质和负极活性物质的正极板和负极板以及介于其间的隔板中的结构。二次电池的电极组件根据其结构可通常描述为果冻卷型(卷绕型)电极组件和堆叠型电极组件。因此，棱柱型二次电池可通过将果冻卷型电极组件或堆叠型电极组件容纳在棱柱型壳中而制造。
在果冻卷型电极组件的情况下，在将果冻卷型电极组件插入棱柱型壳中之前可通过压机对果冻卷进行压制。在此情况下，果冻卷在果冻卷被压制时可保持一定程度的平坦性(扁平性)，然后在除去通过压机施加的外力之后具有比果冻卷的初始厚度薄的厚度。然而，果冻卷的厚度可在一定程度上恢复到初始厚度。如果将果冻卷插入金属壳中，则壳可通过其外力包围果冻卷，但是该外力不会容许电极组件的正极板和负极板充分地彼此紧密地粘附。
因此，在其中将电解质注入通常的二次电池中的棱柱型金属外壳中的情况下，由于正极板和负极板之间的距离不相等，二次电池的带电状态可为分散的或者变化的，并且因此，可产生气体等。在此情况下，二次电池的厚度可被所产生的气体改变。
如上所述，实施方式涉及电极组件和使用其的二次电池的制造方法，其中在所述二次电池中，可降低果冻卷型电极组件的粘附的正极板和负极板之间的距离。
根据实施方式，可保持如下状态，其中电极组件中的正极板、隔板和负极板最大限度地彼此紧密地粘附。
进一步地，即使在其中插入有根据实施方式的电极组件的二次电池的初始充电和第二次充电中也可减小或避免厚度变化。
本文中已经公开了实例实施方式，并且虽然采用了特定术语，但是它们仅在一般性和描述性的意义上使用和解释并且不用于限制目的。在一些情况下，如到本申请提交时本领域普通技术人员将明晰的，关于具体实施方式描述的特征、特性和/或要素可单独使用或者与关于其它实施方式描述的特征、特性和/或要素组合使用，除非另外具体说明。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.电极组件，包括：
正极板；
负极板；以及
介于所述正极板和负极板之间的隔板，所述隔板具有在其上的聚合物粘合剂涂层，所述正极板、所述隔板和所述负极板是顺序堆叠并且以果冻卷形状卷绕的，所述果冻卷是通过热压过程压制的。
2.权利要求1的电极组件，其中所述聚合物粘合剂包括聚偏氟乙烯(PVdF)。
3.权利要求2的电极组件，其中在所述热压过程之后由PVdF的α相除以PVdF的β相获得的值为1-3，其中所述α相为在796cm-1或976cm-1的波数处测量的值，和所述β相为在841cm-1的波数处测量的值。
4.权利要求1的电极组件，其中在所述隔板和所述聚合物粘合剂之间涂覆陶瓷层。
5.权利要求1的电极组件，其中所述热压过程包括用100-500kgf的压力压制所述果冻卷。
6.权利要求1的电极组件，其中所述热压过程在80-130℃的温度下进行。
7.权利要求1的电极组件，其中所述热压过程进行60-150秒。
8.权利要求1的电极组件，其中：
所述正极板包括连接至正极集流体一端的正极极耳，所述正极集流体具有在其上的正极活性物质层，和
所述负极板包括连接至负极集流体一端的负极极耳，所述负极集流体具有在其上的负极活性物质层。
9.制造二次电池的方法，所述方法包括：
通过如下形成权利要求1-8任一项的电极组件：将正极板、其上具有聚合物粘合剂涂层的隔板和负极板顺序堆叠和卷绕而形成果冻卷；和通过热压过程压制所述果冻卷。
10.权利要求9的方法，进一步包括将所述果冻卷插入棱柱形电池壳中，将电解质注入所述电池壳中，和密封所述电池壳。
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