CN104488128B - 电极组件、电池和包括该电池的装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种电极组件，该电极组件通过堆叠多个电极单元而形成，所述电极组件包括：通过堆叠具有不同面积的三种或更多种类型的电极单元而形成的两个或更多个阶梯，其中在所述电极单元中具有最大面积的电极单元的阵列位于所述电极组件的内部，并且在具有不同面积的电极单元之间的界面处，具有不同极性的电极彼此面对。

Description

电极组件、电池和包括该电池的装置
技术领域
本公开涉及一种电极组件、一种电池和一种包括该电池的装置，并且更具体地，涉及一种包括具有不同面积的三种或更多种电极单元的组合的电极组件，具有不同极性的电极形成为在具有不同面积的电极单元之间的界面处彼此面对，并且涉及一种电池和一种包括该电池的装置。
背景技术
随着技术的进步以及对移动装置的日益增加的需求，对可再充电电池的需求已经显著增加。在可再充电电池中，广泛使用具有高能量密度和高运行电压以及超高寿命循环的锂二次电池，作为用于各种电子器材以及多种移动装置的能量源。
大体上，锂二次电池形成为具有下列结构，其中电极组件和电解质被密封在电池壳体中，并且根据其外观，可将锂二次电池分为圆柱式电池、棱柱式电池、袋式电池等等，或者可根据其中使用的电解质类型，将锂二次电池分为锂离子电池、锂离子聚合物电池、锂聚合物电池等等。由于近年来移动装置小型化的趋势，对于薄棱柱电池和袋式电池的需求已经增加，并且特别地，对于具有易于改变形状的轻质袋式电池的关注高。
根据其形状，被接纳在电池壳体中的电极组件可被分为果冻卷(卷绕)式、堆叠(层压)式、以及堆叠和折叠(复合)式。通常以下列方式制造果冻卷式电极组件：以活性电极材料对用作集电器的金属箔进行涂覆；挤压经涂覆的金属箔；将经挤压的金属箔切割为具有期望长度和宽度的带状物；使用隔膜将负电极片和正电极片分离；和以螺旋形缠绕负和正电极片以及隔膜。堆叠式电极组件是以下列方式制造的电极组件，其中竖直堆叠负电极、隔膜和正电极。同时，堆叠和折叠式电极组件是以下列方式制造的电极组件，即使用长片式隔膜缠绕或折叠单一电极或分别由负电极、隔膜和正电极形成的堆叠电极主体。
然而，由于通常可通过堆叠具有相同尺寸的单元电池或个别电极制造根据最新的现有技术的电极组件，所以其形状的自由度可能劣化，导致其设计中存在限制。同时，为了更改设计，在大多数情况下，在制造、堆叠或电连接个别电极时，可能需要复杂和困难的工艺。在更改设计的情况下，单位体积的电池容量可能退化。
因此，已经需要开发下列电极组件和使用该电极组件的电池，该电极组件能够被多样地设计，同时，该电极组件具有稳定性和高容量特性。
发明内容
技术问题
本公开的示例性实施例可提供一种电极组件、一种电池和一种包括该电池的装置，与现有技术相比，能够多样地设计该电极组件，并且该电极组件通过使用三种或更多种具有不同面积的电极组件而允许明显降低由于设计因素导致的未利用空间从而提高空间占用率，并且该电极组件通过在电极单元组件的内部包括具有最大面积的电极单元而具有较高稳定性。
技术解决方案
根据本公开的一方面，提供一种通过堆叠多个电极单元而形成的电极组件，该电极组件包括：通过堆叠具有不同面积的三种或更多种电极单元形成的两个或更多个阶梯，其中在电极单元中具有最大面积的电极单元的阵列位于电极组件的内部，并且在具有不同面积的电极单元之间的界面处具有不同极性的电极彼此面对。
每个电极单元都由单一电极、单元电池或其组合形成，单元电池包括正电极和负电极，在正电极和负电极之间介有隔膜。
可通过果冻卷法、堆叠法、堆叠和折叠法或者层压和堆叠法制造单元电池。
在每个电极单元中，其电极表面都可具有四边形形状，其中至少一个角部是弯曲的，或者至少一边是弯曲的。
三种或更多种类型的电极单元中的至少一种电极单元的电极表面形状可与其余的电极单元的电极表面形状不同。
根据本公开的另一方面，提供一种包括上述电极组件的、被嵌入电池壳体中的二次电池。
二次电池可为锂离子二次电池或锂离子聚合物二次电池。
根据本公开的另一方面，提供一种包括两个或更多个上述二次电池的电池组。
根据本公开的另一方面，提供一种包括至少一个二次电池的装置。该装置可为移动电话、便携式计算机、智能电话、智能平板、上网本、轻型电动车辆(LEV)、电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆或蓄电装置。
有利效果
本公开的示例性实施例可提供一种电极组件、一种电池和一种包括该电池的装置，与现有技术相比，能够多样地设计该电极组件，并且该电极组件允许通过使用三种或更多种具有不同面积的电极组件来明显降低由于设计因素导致的未利用空间，从而提高空间占用率，并且该电极组件通过在电极单元组合的内部包括具有最大面积的电极单元而具有较高稳定性。
附图说明
图1是根据本公开的示例性实施例的电极组件的侧视图。
图2-4是例示被堆叠在根据本公开的示例性实施例的电极组件中的电极单元实例的视图。
图5是根据本公开的示例性实施例的二次电池的透视图。
图6是根据本公开的另一示例性实施例的二次电池的透视图。
具体实施方式
下面，现在将参考附图详细描述本公开的示例性实施例。然而，提供附图是为了帮助理解本公开，并且可作为实例例示，但是无意限制本公开的范围。另外，贯穿附图，相同附图标记都涉及相同元件，并且为了例示清晰，可放大、缩小或省略一些元件。
本公开的示例性实施例涉及一种包括三种或更多种具有不同面积的电极单元的组合的电极组件。在该情况下，电极单元可被堆叠成具有在其间形成的阶梯，同时可在电极单元组合的内部设置具有最大面积的电极单元，并且具有不同极性的电极可形成为在具有不同面积的电极单元之间的界面处彼此面对。
这里，术语“面积”涉及关于电极单元的堆叠方向垂直的方向(下文称为‘平面方向’)中的电极单元的表面积，并且相同类型的电极单元可具有相同形状和相同表面积。
另外，“电极单元”——构成电极组件的基本单元，可为单一电极，诸如负电极或正电极，或者可为单元电池，该单元电池具有交替堆叠的负电极和正电极，两者之间介有隔膜。在该情况下，可通过堆叠其间介有隔膜的单个负电极和单个正电极来形成单元电池，或者也可通过堆叠其间介有隔膜的两个或更多负电极以及两个或更多正电极来形成单元电池。此外，“电极单元”可由单元电池和单一电极的组合形成。
同时，术语“单元电池”不特别受限，只要在其间介有隔膜的情况下交替地堆叠至少一个负电极和至少一个正电极从而导致电池反应即可。在根据本公开示例性实施例的具有阶梯的电极组件中，单元电池可形成单层，或者可为其间具有阶梯的两层或更多层的组合。
在该情况下，单元电池可以为通过下列果冻卷方法制造的电极层压件，即：将片状隔膜介于片状负电极和片状正电极之间，并且然后卷绕膜和电极。可替代地，单元电池可为通过以下列方式堆叠两个或更多电极形成的堆叠式电极层压件，即：在负电极和正电极之间介有单独的隔膜的情况下交替并且依次地堆叠负电极和正电极。另外，单元电池可为堆叠和折叠式电极层压件，通过以预定顺序将两个或更多电极布置在长片式隔膜上，然后使用电极单元折叠片式隔膜，该堆叠和折叠式电极层压件具有交替堆叠的至少一个负电极和至少一个正电极，在其间介有长片式隔膜。
此外，电池单元可为层压和堆叠式电极层压件，其通过使用预定程度的粘合剂交替地堆叠至少一个负电极和至少一个正电极以形成层压件而形成。在该情况下，该层压和堆叠式单元电池可具有下列结构，其中交替地堆叠具有不同极性的两个或更多电极，隔膜介于电极之间，并且另一隔膜被堆叠和层压在单元电池的最外部表面上。例如，单元电池可为具有电极/隔膜/电极/隔膜的最小单元结构的电极层压件，或者通过在最小单元结构上进一步层压至少一个电极和至少一个隔膜形成的电极层压件。另外，层压和堆叠式单元电池可具有下列结构，其中交替地堆叠具有不同极性的两个或更多电极，电极之间介有隔膜，并且在单元电池的两个最外部表面上分别堆叠和层压其它隔膜。例如，单元电池可为具有隔膜/电极/隔膜/电极/隔膜的最小单元结构的电极层压件，或者通过在最小单元结构上进一步层压至少一个电极和至少一个隔膜形成的电极层压件。当然，单元电池可为具有层压的电极/隔膜/电极的最小单元结构的电极层压件。
在根据本公开示例性实施例的单元电池中，其间介有隔膜而交替堆叠的电极可被以与正电极/负电极/正电极或负电极/正电极/负电极的情况类似的方式布置成下列方式，即具有相同极性的电极被设置在构成单元电池的电极层压件的两个表面上，并且也可被以与正电极/负电极或正电极/负电极/正电极/负电极的情况类似的方式布置成下列方式，即具有不同极性的电极被设置在构成单元电池的电极层压件的两个表面上。
根据本公开示例性实施例的电极组件可能为下列电极组件，该电极组件包括三层或更多层，并且通过组合具有不同面积的三种或更多种电极单元而具有两个或更多阶梯。因此，根据本公开示例性实施例的电极组件例如可为下列电极组件，该电极组件通过堆叠具有不同面积的三种或更多种电极层压件，通过堆叠具有相同面积的电极单元以形成相应的电极层压件，并且在彼此之上堆叠相应的电极层压件，而具有两个或更多阶梯。在该情况下，可通过堆叠上述相应的电极层压件形成电极组件。可替代地，可通过在片状隔膜上布置相应的电极层压件并且卷绕片状隔膜而形成电极组件。以这种方式，可通过各种方法诸如堆叠法、堆叠和折叠法或其组合来形成电极组件。
在该情况下，在根据本公开的示例性实施例提供的电极组件中，在三种或更多种电极单元中具有最大面积的电极单元可被设置在电极组件的内部。具有最大面积的电极单元可被包括在电极单元的组合中，由此，电极组件的重心可被位于电极单元的组合内部，从而提高电极组件的稳定性。此外，具有根据现有技术的阶梯的电极组件可以以单调的方式形成。例如，仅设置下列电极组件，该电极组件形成为具有在电极的堆叠方向上减小或增大的尺寸。因此，二次电池的形状自由度显著降低，并且在设计使用这种二次电池的装置的部件时，存在大量限制，诸如需要考虑二次电池的形状等等。然而，通过根据本公开示例性实施例提供的电极组件，可提高电池形状的自由度，并且可不受电极组件的形状导致的限制，进一步以各种方式设计装置。
在本说明书中，具有不同面积的三种或更多种电极单元涉及以三层或更多层的量堆叠并且具有不同面积的电极单元的组合。在该情况下，相应的电极单元可为相同类型的电极单元，或者不同类型的电极单元。此外，在本公开的示例性实施例中，不特别限制电极单元之间的面积差，只要可在堆叠电极单元时形成阶梯即可，并且可考虑电池的期望设计等等，自由地调节该面积差。
根据本公开的示例性实施例，在三种或更多种电极组件中，电极单元的电极表面可具有不同面积。不特别限制电极单元之间的面积差，只要通过堆叠电极单元形成阶梯即可。此外，在根据本公开的示例性实施例的电极组件中，相应电极单元的厚度可彼此相同或不同，但是不限于此。例如，在本公开的示例性实施例中，具有相对大面积的电极单元可比具有相对小面积的电极单元更薄或更厚。此外，由电极单元或其组合形成的电极层压件的厚度也可彼此相同或不同。
在根据本公开的示例性实施例的电极组件中，当堆叠具有相同面积的电极或电极单元时，具有不同极性的电极可被布置成彼此面对，在电极之间介有隔膜。即使在通过堆叠具有不同面积的电极层压件形成阶梯的情况下，具有不同极性的电极也可被布置成彼此面对，在具有不同面积的电极层压件的界面处，在两者之间介有隔膜。因此，即使在其中形成阶梯的界面处，也可促进电池反应，由此导致电容量增大。在该情况下，术语“面对”涉及被布置成彼此相对。除非另外明确描述，否则，术语“面对”包括下列概念，其中两个电极彼此面对，且在电极之间介有隔膜。
更优选地，在根据本公开的示例性实施例的电极组件中，在其中具有不同极性的电极在其中通过堆叠具有不同面积的电极单元形成阶梯的界面处彼此面对的情况下，具有相对大面积的电极可被布置成负电极，并且具有相对小面积的电极可被布置成正电极。如上所述，具有不同极性的电极彼此面对，由此可抑制锂金属沉淀导致的电池短路。因而，可解决下列限制，诸如电池寿命缩短和电池稳定性退化。
可通过各种组合，形成根据本公开的示例性实施例的电极组件中所包括的电极单元。下面，将更详细地参考附图，描述根据本公开的示例性实施例的电极单元的构造。
图1是根据本公开的示例性实施例的电极组件的侧视图，例示了其中电极单元在电极组件中堆叠的形式。如图1中所示，根据本公开的示例性实施例的电极组件可包括具有不同面积的三种或更多种电极单元110、120和130，并且通过组合具有最大面积的电极单元120形成的电极层压件可布置在电极组件的内部。可在电极单元的组合的内部包括具有最大面积的电极单元120，由此，电极组件的重心可被设置在电极单元的组合的内部，由此导致电极组件的稳定性提高。
在该情况下，电极单元可被配置成包括堆叠式单元电池，每个单元电池都包括交替堆叠的正电极10和负电极20，正电极10和负电极20之间介有隔膜30。在该情况下，每个电极单元都可形成单层，并且包括其中堆叠的两个或更多电极单元的电极层压件也可形成单层。例如，如图1中所示，电极组件可按下文所述形成。通过堆叠其间设置有隔膜的单个负电极和单个正电极而形成的单元电池105的电极单元可形成最下部的电极层压件。然后，可在最下部的电极层压件上堆叠通过单元电池101和103以及单元电池102和104的组合而形成的电极层压件。在该情况下，单元电池101和103每个都可包括被布置在其两侧上的负电极以及被布置在负电极之间的正电极，相应的电极之间介有隔膜，并且单元电池102和104每个都可包括被布置在其两侧上的正电极以及被布置在正电极之间的负电极，相应的电极之间介有隔膜。
虽然图1例示了其中构成电极层压件的所有单元电池都为堆叠式单元电池的情况，但是除了堆叠式单元电池之外，根据本公开的示例性实施例的电极单元可被构造成果冻卷式单元电池或堆叠和折叠式单元电池，或者可形成为这些单元电池与单一电极的组合，或者形成为不同类型的单元电池的组合。
同时，如图1中所示，根据本公开的示例性实施例的电极组件可为通过堆叠相应的电极层压件形成的堆叠式电极组件，但是也可为堆叠和折叠式电极组件，或者可为多个电极组件的组合。然而，电极组件的类型不限于此。
同时，不特别限制用于在根据本公开的示例性实施例的电极组件中包括的正电极、负电极和隔膜的材料，并且可使用本领域已知的用于正电极、负电极和隔膜的材料，无任何限制。可通过以正电极活性材料(诸如氧化锂锰、氧化锂钴、氧化锂镍、磷酸锂铁，或含有至少一种上述元素的化合物或混合物)对铝、镍、铜或含有至少一种上述元素的合金形成的正电极集电器进行涂覆，形成正电极。
另外，可通过以负电极活性材料(诸如锂金属、锂合金、碳、石油焦、活性碳、石墨、硅化合物、锡化合物、钛化合物，或含有至少一种上述元素的其合金)对铜、镍、铝或含有至少一种上述元素的其合金形成的负电极集电器进行涂覆，形成负电极。
此外，例如，隔膜可为多层膜，该多层膜具有精细孔结构，并且由聚乙烯、聚丙烯或其组合形成，或者可为用于固体聚合物电解质或凝胶式聚合物电解质，诸如聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物膜。
另外，在根据本公开的示例性实施例的电极组件中，电极单元可包括至少一个或多个电极接线片。在该情况下，不特别限制电极接线片的面积、布置位置等等。例如，被布置在相应的电极单元中的电极接线片可具有相同面积或不同面积。根据现有技术，通常使用具有相同面积和形状的电极接线片，并且在该情况下，电极接线片通常被成直线布置，从而被堆叠。然而，由于在本公开的示例性实施例中包括具有不同面积的三种或更多种电极单元，所以单独电极单元最佳的电极接线片的尺寸可能改变。因而，在根据示例性实施例的电极组件中，还可能有利地取决于电极单元的面积，选择具有不同面积的电极接线片，以便显著提高电容量。
另外，电极接线片可被设置在不同位置中。例如，具有相同极性的部分或全部电极接线片可被布置成彼此交迭。在根据现有技术的电极组件的情况下，为了在将电极组件插入电池壳体后促进电极接线片之间的导电性，具有相同极性的全部电极接线片通常都可被布置成彼此交迭。然而，在该情况下，电极接线片的厚度根据电极层压件的数目增大而增大，因此，电极接线片之间的结合性可能退化。在其中仅部分电极接线片彼此交迭，而非全部电极接线片都彼此交迭的情况下，可相当大地减少上述限制。
特别地，在通过使用具有各种面积的电极单元形成具有多个阶梯的电极组件的情况下，与根据本公开的示例性实施例的电极组件中相同，可使用取决于电极单元的面积而具有不同面积的电极接线片，并且可堆叠电极接线片，以便仅其部分可彼此交迭。电极接线片以如此方式布置以允许电容量显著提高，并且进一步，可提高电极接线片之间的结合性。
接下来，在根据本公开的示例性实施例的电极组件中，可以以各种布置堆叠具有不同面积的三种或更多种电极单元。不特别限制堆叠电极单元的方法，但是电极单元可被堆叠成相应电极层压件的至少一个角部彼此重合，如图2和3中所示。如图4中所示，电极单元可被堆叠成使得电极层压件的部分的角部包括在具有较大面积的电极组件的表面内。在该情况下，电极层压件可被堆叠成使得其重心彼此重合，或者彼此不重合。
同时，在本公开的示例性实施例中，形成不同电极层压件的电极单元的形状可彼此相同或不同。例如，根据本公开的示例性实施例的电极单元可具有四边形形状，诸如矩形、正方形、梯形、平行四边形、菱形等等。每个电极单元都可具有下列四边形形状，其中其至少一个角部可以是弯曲的，或其至少一个边也可以是弯曲的。除了这些形状之外，可存在多种形状的电极单元，并且这些改进实例可被视为属于本公开的范围。
例如，可通过堆叠电极层压件形成根据本公开示例性实施例的电极组件，其中如图5中所示，至少一个电极层压件具有与其余电极层压件不同的电极表面形状。根据本公开示例性实施例的电极组件可通过堆叠三个或更多电极层压件而形成，其电极具有相同电极表面形状，但是面积不同，如图6所示。如上所述，多样地形成电极单元的形状，可具体实施例各种形状的电池设计。此外，可根据电池接纳空间的变化，改变电极组件的形状，以提高空间占用率。因此，可促进电容量的提高。
同时，本公开的示例性实施例可提供一种嵌入电池壳体中的二次电池。如图5和6中所示，可通过将根据本公开的上述实施例的电极组件100嵌入电池壳体220中，形成根据本公开示例性实施例的二次电池200。在该情况下，电池壳体220不受限，并且可为袋式壳体。袋式壳体可由层压片形成，并且层压片可由下列层形成：形成其最外部部分的外部树脂层；防止异物穿透的屏蔽金属层；和用于密封的内部树脂层，但是本公开不限于此。
电池壳体可具有与电极组件的形状相对应的形状。然而，不必使电池壳体的形状和尺寸完全匹配电极组件的那些形状和尺寸。可在下列范围内设置电池壳体的形状和尺寸，其中可防止其中电极组件的电极单元滑移的现象导致的内部短路。
同时，可使用在本公开的示例性实施例中提供的电极组件来制造锂离子二次电池或锂离子聚合物二次电池。另外，可获得下列电池组，该电池组包括两个或更多二次电池，该二次电池包括根据本公开示例性实施例提供的电极组件。此外，可获得包括上述至少一个二次电池的装置。该装置可为移动电话、便携式计算机、智能电话、智能平板、上网本、轻型电动车(LEV)、电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆或蓄电装置。
当根据本公开示例性实施例的二次电池被安装在上述装置中时，装置的系统部分可被设置在由于根据本公开的示例性实施例的二次电池的结构形成的额外空间中。在其中根据本公开示例性实施例的二次电池可被设置成使得其电极组件以阶梯方式形成的情况下，电极壳体被形成为与电极形状匹配，并且二次电池被安装在装置中，可产生在现有技术的棱柱或椭圆电池单元或电池组中不存在的额外空间。当装置的系统部分被装备在额外空间中时，可平滑地布置装置的系统部分和电池单元或电池组，所以可提高空间的可用性，并且可降低装置的总厚度或体积，从而实现纤细设计。
附图标记列表
10：正电极
20：负电极
30：隔膜
100：电极组件
101、102、103、104、105：单元电池
110、120、130：电极单元
200：电池
210：电极引线部分
220：电池壳体

Claims (15)

1.一种电极组件，所述电极组件通过堆叠多个电极单元而形成，所述电极组件包括两个或更多个阶梯，所述两个或更多个阶梯通过堆叠具有不同面积的三种或更多种类型的电极单元而形成，
其中，在所述电极单元中具有最大面积的电极单元的阵列位于所述电极组件的内部，并且
在具有不同面积的所述电极单元之间的界面处，具有不同极性的电极彼此面对，
其中，所述电极组件的重心位于所述电极单元的组合的内部，并且
其中，在所述界面处，具有相对大面积的电极被布置成负电极，并且具有相对小面积的电极被布置成正电极。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中，每个电极单元均由单一电极、单元电池或其组合形成，所述单元电池包括正电极和负电极，在所述正电极和所述负电极之间介有隔膜。
3.根据权利要求2所述的电极组件，其中，通过果冻卷法或者堆叠法来制造所述单元电池。
4.根据权利要求2所述的电极组件，其中，通过堆叠和折叠法或者层压和堆叠法来制造所述单元电池。
5.根据权利要求1所述的电极组件，其中，在每个电极单元中，所述电极单元的电极表面具有四边形形状，所述四边形形状的至少一个角部是弯曲的或者至少一边是弯曲的。
6.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述三种或更多种类型的电极单元中的至少一种电极单元的电极表面形状与其余的电极单元的电极表面形状不同。
7.一种二次电池，包括嵌入电池壳体中的、根据权利要求1-6中任一项所述的电极组件。
8.根据权利要求7所述的二次电池，其中，所述二次电池是锂离子二次电池。
9.根据权利要求7所述的二次电池，其中，所述二次电池是锂离子聚合物二次电池。
10.一种电池组，包括两个或更多个根据权利要求7所述的二次电池。
11.一种包括至少一个根据权利要求7所述的二次电池的装置。
12.根据权利要求11所述的装置，所述装置为移动电话、便携式计算机、智能电话、电动车辆或蓄电装置。
13.根据权利要求11所述的装置，所述装置为智能平板或轻型电动车辆。
14.根据权利要求11所述的装置，所述装置为上网本或混合动力电动车辆。
15.根据权利要求11所述的装置，所述装置为插电式混合动力电动车辆。
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