CN104769751B - 具有改良的偏向运动的电极和包含其的二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二次电池，所述二次电池在用于卷型电极组件中的电极集电器的前部中包含加强材料，由此使所述卷型电极组件在预定位置卷绕，并最终解决因偏向运动造成的内部短路问题。

Description

具有改良的偏向运动的电极和包含其的二次电池
技术领域
本申请要求2013年9月30日在韩国提交的韩国专利申请10-2013-0116939号和2014年9月30日在韩国提交的韩国专利申请10-2014-0131877号的优先权，所述韩国专利申请通过参考并入本文中。
本公开内容涉及一种具有改良的偏向运动的电极和一种包含所述电极的二次电池。
背景技术
近来，可充电/可再充电二次电池作为一种能源而广泛用于无线移动装置。此外，二次电池作为一种用于电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)和插电式混合电动车辆(plug-in HEV)的电源而引起广泛关注，已经开发了所述电动车辆以解决诸如由现有的使用化石燃料的汽油和柴油车辆所造成的空气污染的问题。这种二次电池以将电极组件与电解质溶液置于电池壳体中的形式来制备。
电极组件被划分为堆栈型、折叠型、堆栈-折叠型和卷型。堆栈型电极组件或堆栈-折叠型电极组件具有通过如下获得的结构：在多个正极单元与多个负极单元之间夹置隔膜，然后依序进行层压。
同时，卷型电极组件具有通过如下获得的结构：在具有施加在集电器上的活性材料的片材型正极与具有施加在集电器上的活性材料的片材型负极之间夹置隔膜，然后进行卷绕，预先制备所述正极和所述负极。单位电极如正极或负极通过如下的过程来制备：例如以单位电极的间隔对电极集电器进行切口、施加电极浆料、施加涂布剂等等。在制备电池的这种整个过程中，对电极片材重复进行卷绕或重绕。如在本文中使用的，术语“片材”是表示上面施加有活性材料的集电器以及上面不施加活性材料的集电器二者的通用术语。在这种情况下，首先供给至卷绕辊或重绕辊的电极部分是集电器的前部。参见图1，集电器的前部对应于上面未形成电极活性材料层的未涂布区域2a，且更具体地，所述未涂布区域的宽度方向端部(W)首先开始供给至卷绕辊或重绕辊。尤其是，正极集电器2通常由铝箔制成，这可使前部在卷绕或重绕期间，因该集电器的低张力而造成卷曲。当电极的前部出现卷曲时，该电极会发生偏向运动且电极组件不能在预定位置层压，此可使正极的未涂布区域接触负极活性材料，使负极的未涂布区域接触正极活性材料，或使正极的未涂布区域接触负极的未涂布区域，从而造成内部短路。
发明内容
技术问题
设计本公开内容以解决上述问题，即因电极集电器的前部的卷曲而出现并导致电池发生内部短路的电极偏向运动。
技术方案
根据本公开内容的一个方面，提供一种电极，其包含电极集电器和在电极集电器的至少一个表面上形成的活性材料层，其中将用于增强张力的加强材料施加至电极集电器的前部。
可将加强材料施加至电极集电器的前部的宽度方向端部。
可将加强材料施加至电极集电器的前部的两个纵向端部。
可将加强材料施加于电极集电器的前部的宽度方向端部处以及施加于其两个纵向端部处。
可将加强材料可施加成从电极集电器的前部延伸至活性材料层的起始部。
可将加强材料施加至电极集电器的前部的两个表面上。
加强材料可具有10μm～100μm的厚度。
加强材料可薄于活性材料层。
加强材料可由选自如下的任一种材料制成：聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙稀-乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、乙酸酯树脂、聚酰亚胺、玻璃布带、聚酯、聚苯硫醚(PPS)、聚丙稀树脂、不锈钢及其混合物。
电极集电器可由铝制成。
电极集电器的前部可在宽度方向端部、纵向端部，或同时在宽度方向端部与纵向端部被一(1)片加强材料环绕。
根据本公开内容的另一方面，提供卷型电极组件，所述卷型电极组件包含上述电极。
根据本公开内容的另一方面，提供二次电池，所述二次电池包含被密封于电池壳体内的卷型电极组件。
根据本公开内容的又一方面，提供包含两个以上单元电池的电池组，其中各个单元电池是二次电池。
电池组可用作电动车辆、混合电动车辆、插电式混合电动车辆或储电装置的电源。
根据本公开内容的又一方面，提供用于制备包含卷型电极组件的二次电池的方法，所述卷型电极组件由正极、隔膜及负极组成，所述方法包含：在连续电极集电器片材的一段上施加加强材料，该段将被形成为一个电极集电器的前部的宽度方向端部和另一个电极集电器的后部的宽度方向端部；以及以单元电极的间隔切割连续电极集电器片材，使得将加强材料施加至一个电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部。
有益效果
根据本公开内容，在制备卷型电极组件时，可在不卷曲电极片材的情况下，在预定位置处卷绕电极，进而防止电极片材的偏向运动和内部短路问题。
附图说明
图1示意性显示卷绕之前的常规电极。
图2示意性显示卷绕之前的根据本公开内容的一个实施方式的电极。
图3示意性显示卷绕之前的根据本公开内容的另一个实施方式的电极。
图4示意性显示卷绕之前的根据本公开内容的另一个实施方式的电极。
图5示意性显示卷绕之前的根据本公开内容的另一个实施方式的电极。
图6自侧面显示图2所示电极的实例，其中将一片加强材料施加于电极集电器的前部的一个表面上。
图7自侧面显示图2所示电极的实例，其中将两片加强材料施加于电极集电器的两个表面的每一个上。
图8自侧面显示图2所示电极的实例，其中将一片加强材料施加于电极集电器的两个表面上。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本公开内容。在说明之前，应理解说明书及附属权利要求书中使用的术语不应被视为仅限于一般及字典上的意义，而是基于允许发明人恰当地定义术语以进行最佳解释的原则，基于对应于本公开内容技术方面的意义及概念加以解释。因此，本文所提出的实施例及附图的构成，仅仅是用于例示目的的优选实例，而非旨在限制本公开内容的范围，因而应理解，在不背离本公开内容的主旨及范围的情况下，可对所述实施例及附图作出其他等效变形及修饰。
图1示意性显示卷绕前的传统电极，且图2至图5显示卷绕前的根据本公开内容的一个实施方式的电极。
参照图1至图5，在集电器2的中心处形成活性材料层3。同样，其中不形成活性材料的区域位于活性材料层3的两侧(参见图1至图5)。如在本文中使用的，术语“未涂布区域”指其中电极集电器上没有形成活性材料的区域。
本公开内容中可用的集电器2可以为本领域中常规使用的任一集电器，即，由本领域中已知的常规材料制成，且根据需要通过本领域中已知的传统方法加工而成的任一集电器。例如，可使用多孔集电器。当因集电器的原材料的性质和/或厚度而特别需要防止集电器卷曲时，本公开内容的效果可更为显著。为此，本公开内容可优选应用至其中使用由铝制成的集电器的电极。
可通过涂布包含活性材料、导电材料及粘合剂的浆料，然后进行干燥来形成活性材料层3，所述活性材料、导电材料及粘合剂中的每一者可以本领域中通常使用的材料。本公开内容中并不限制构成活性材料及其组成的成分。
参见图1，常规电极5不包含用于加强集电器2的张力的材料或工具。因此，当将使用由低张力材料(例如铝)制成的集电器制造的电极供给至卷绕装置时，电极集电器2的前部变得卷曲。如在本文中使用的，术语“前部”指其中当沿核心方向供给电极时电极开始卷绕或重绕的区段，例如图1中的“2a”部分。
本公开内容的特征在于，施加加强材料来增强向电极前部的预定位置的张力，由此解决电极的前部被卷曲及由此产生的电极偏向运动问题。
如在本文中使用的，术语“加强材料”指任何可施加至电极的预定位置，由此抑制或防止电极的片材卷曲的组成。
如在本文中使用的，术语“电极的预定位置”指电极的其中施加加强材料来解决电极前部的卷曲现象及由此产生的偏向运动的任何位置。
例如，参见显示本公开内容的一个实施方式的图2，加强材料5a可附着于电极集电器2的前部2a的宽度方向端部(W)处。当将加强材料施加至电极集电器2的前部2a时，加强材料5a的宽度可被确定成使得电极活性材料的工作效果不会受到不利影响。如图5所示，加强材料5a可具有延伸至活性材料层3的起始部的宽度，或具有使得加强材料5a与活性材料层3部分重叠的宽度。
此外，根据本公开内容的另一实施方式，可将加强材料5a施加至电极集电器2的前部的纵向端部(L)(图3)，或施加至电极集电器2的前部的纵向端部(L)及宽度方向端部(W)(图4)。
如上所述，施加至电极集电器2的前部的加强材料5a可增强电极集电器2的张力。因此，可在不发生任何卷曲的情况下，将电极1供给至卷绕装置以进行卷绕。加强材料5a应提供充分的加强张力，使电极集电器2的前部2a不被容易地卷曲，且同时应不在集电器中形成显著的高度差异。
加强材料可具有10μm～100μm的厚度。特别优选地，加强材料具有的厚度等于或薄于活性材料层的厚度。
在本公开内容中可用的加强材料不受限制，只要加强材料为能够增强集电器的张力，并对电解质溶液或锂离子具有高稳定性且具有高绝缘性能及优良热稳定性的材料即可。
加强材料的非限制性实例可包含聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙稀-乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙稀基醚共聚物(PFA)、氟树脂如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、乙酸酯树脂、聚酰亚胺、玻璃布带、聚酯、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯树脂及其混合物，所述加强材料可以绝缘带的形式施加至电极集电器的预定位置。或者，加强材料可为例如更能够增强张力的不锈钢(SUS)等金属，且所述加强材料可以膜的形式施加至电极集电器的预定位置。
通过施加至加强材料的一个表面上的粘合剂，可将加强材料附着至电极集电器。在某些情形中，加强材料可通过热结合附着至电极集电器。
加强材料可仅存在于电极集电器2的前部处，或在某些情形中，加强材料可同时存在于电极集电器2的后部以及前部中。例如，可将加强材料施加至连续电极集电器片材的一段上，该段将形成电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部；并且以单位电极的间隔切割该连续电极集电器片材，使该加强材料施加于一个电极集电器的前部的宽度方向端部处，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部处。
图2中示出了一个实施方式。参见图2，在电极电流组件的前部及后部中分别存在加强材料5a及加强材料5b。
参见显示本公开内容另一个实施方式的图5，将加强材料5a施加成从阴极的前部延伸至正极的未涂布区域与活性材料层间的界面，由此提供电绝缘性能并提高安全性。在此种情形中，加强材料可延伸至覆盖电极集电器2与活性材料层3间的界面，由此消除将绝缘带附着至电极集电器与活性材料层间的界面的必要性。优选地，加强材料的延伸长度被确定成使得活性材料层的工作效果不会受到不利影响。
此外，根据本公开内容的一个实施方式，可将加强材料5a施加至前部的一个表面上(图6)，且也可将加强材料施加在前部的两个表面上。在此种情形中，通过层压粘附在电极集电器的两个表面上形成两片加强材料5a、5a’(图7)，或可施加一片加强材料5a来环绕电极集电器的两个表面的前部(图8)。即，电极集电器的前部可在宽度方向端部处、在纵向端部处，或在宽度方向端部和纵向端部全部处用一片加强材料环绕。当电极集电器的前部被一片加强材料环绕时，好处在于不会在加强材料与电极集电器之间发生剥离。
因此，可根据图3至图5以及图2所示的实施方式来施加加强材料。
此外，本公开内容提供一种包含上述电极组件的二次电池，将所述电极组件与电解质溶液一起密封于电池壳体内。
所述二次电池优选为能量密度高、放电电压及输出稳定性优良的锂二次电池。本公开内容的二次电池包含以下部件。
锂二次电池一般由正极、负极、隔膜，及含有锂盐的非水性电解质溶液组成。
例如，通过将正极活性材料、导电材料与粘合剂的混合物施加于正极集电器上，然后进行干燥来制备正极。根据需要，正极可还包含填料。通过将负极材料施加于负极集电器上，然后进行干燥来制备负极。根据需要，负极可还包含如上所述的其他成分。
隔膜夹置于正极与负极之间，且可使用具有高离子渗透性及优异机械强度的绝缘膜作为隔膜。
含有锂盐的非水性电解质溶液包含非水性电解质及锂盐。非水性电解质可以为非水性液体电解质、固体电解质、无机固体电解质等等。
集电器、电极活性材料、导电材料、粘合剂、填料、隔膜、电解质溶液，及锂盐在本领域中已知，故在本公开内容中省略了其具体解释。
可通过本领域中已知的常规方法来制备本公开内容的二次电池，例如，通过在正极与负极之间夹置隔膜，并在其中引人电解质溶液来制备。
例如，通过将包含上述锂过渡金属氧化物、导电材料及粘合剂的浆料施加于集电器上，然后进行干燥来制备正极。类似地，通过将包含上述碳材料、导电材料及粘合剂的浆料施加于薄的集电器上，然后进行干燥来制备负极。
此外，本公开内容提供包含两个以上单元电池的电池组，其中每个单元电池为所述二次电池。
考虑到设备的效率及结构稳定性，本公开内容的电池组优选可用于具有有限设备空间并常常受到频繁振动及强烈冲击的电动车辆、混合电动车辆和插电式混合电动车辆中。

Claims (6)

1.一种用于制备卷型电极组件的方法，所述卷型电极组件由正极、隔膜及负极组成，所述方法包括：
将厚度为10μm～100μm的加强材料附着于连续电极集电器片材的一段上，所述段将被形成为一个电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部；以及
以单位电极的间隔切割所述连续电极集电器片材，使得所述加强材料附着于一个电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部。
2.一种用于制备卷型电极组件的方法，所述卷型电极组件由正极、隔膜及负极组成，所述方法包括：
将加强材料附着于连续电极集电器片材的一段上，所述段将被形成为一个电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部；以及
以单位电极的间隔切割所述连续电极集电器片材，使得所述加强材料附着于一个电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部，
其中所述加强材料比活性材料层薄。
3.一种用于制备卷型电极组件的方法，所述卷型电极组件由正极、隔膜及负极组成，所述方法包括：
将加强材料附着于连续电极集电器片材的一段上，所述段将被形成为一个电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部；以及
以单位电极的间隔切割所述连续电极集电器片材，使得所述加强材料附着于一个电极集电器的前部的宽度方向端部，及另一个电极集电器的后部的宽度方向端部，
其中所述加强材料由选自如下材料中的任一种材料制成：聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙稀-乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、乙酸酯树脂、聚酰亚胺、玻璃布带、聚酯、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯树脂及它们的混合物。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中所述电极集电器由铝制成。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中所述加强材料施加至所述电极集电器的前部的宽度方向端部及两个纵向端部。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中沿着所述电极集电器的前部至活性材料层的起始部施加所述加强材料。
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