CN106898777A

CN106898777A - 极板结构

Info

Publication number: CN106898777A
Application number: CN201610040516.8A
Authority: CN
Inventors: 吴平耀; 朱文彬; 刘达人; 曾诗存; 徐文月
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2017-06-27
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: CN106898777B; TW201724629A

Abstract

一种极板结构，其包括一集电体、一活性层与一安全防护层。集电体包括Al、Cu或不锈钢。活性层邻接在集电体上，并包括石墨、硅碳或上述的组合。安全防护层包覆活性层的所有上表面及侧表面，并包含通式为M_xO_y的一氧化物。其中M为Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的组合。x介于1～2。y介于1～3。

Description

极板结构

技术领域

本发明涉及一种极板结构，尤其涉及一种电池的极板结构。

背景技术

在各种技术领域中，常需要一(上)材料层完全覆盖另一(下)材料层的上表面与侧表面的多层结构。然而，目前技术仍有需要改善的问题。例如凹版印刷只能进行全幅涂布，无法达到基材的边缘留白控制(edge control)。浸沾式涂布仅能进行双面同时涂布，无法只在单一面进行涂布，也无法达到边缘留白控制，且涂膜厚度控制不易。一般狭缝式涂布中，上材料层无法完全覆盖下材料层。

当无法符合需求的结构应用至产品(例如电池的极板结构)时，会使得产品效能降低，甚至使用上会有安全疑虑。

发明内容

本发明涉及一种极板结构。

作为本发明的一实施例，提出一种极板结构，其包括一集电体、一活性层与一安全防护层。集电体包括Al、Cu或不锈钢。活性层邻接在集电体上，并包括石墨、硅碳或上述的组合。安全防护层包覆活性层的所有上表面及侧表面，并包含通式为M_xO_y的一氧化物。其中M为Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的组合。x介于1～2。y介于1～3。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

附图说明

图1绘示根据一实施例的涂布方法示意图；

图2绘示根据一实施例的涂布方法示意图；

图3绘示根据一实施例的基材、材料层、涂层与涂布模具；

图4绘示根据一比较例的涂布结果示意图；

图5绘示根据一比较例的涂布结果示意图。

【符号说明】

102：基材

103：材料层的上表面

104：材料层

105A：材料层的左侧表面

105B：材料层的右侧表面

106：辊轮

107A：材料层的左上端点

107B：材料层的右上端点

108：涂布模具

110：凹槽

111A：涂层的左底表面

111B：涂层的右底表面

112：狭缝

113：材料层的下表面

114：涂料 116：涂层

A：中间宽度值

D₁、D₂：宽度值

h：厚度值

w：厚度值

X₁：左侧表面投影在下表面的宽度值

X₂：右侧表面投影在下表面的宽度值

Y₁：左宽度值

Y₂：右宽度值

θ₁：左侧表面与下表面之间的夹角

θ₂：右侧表面与下表面之间的夹角

λ₁、λ₂：夹角

具体实施方式

在本发明中，为求简洁，相同的元件将以相同的符号表示。

请参照图1与图2，其绘示根据一实施例的涂布方法示意图。柔性基材102上配置有材料层104，并可在涂布机的辊轮106(或背胶轮)上移动。涂布模具108可包括互相连通的凹槽110与狭缝112。被泵推入凹槽110中的涂料114往狭缝112流动，并从狭缝112排出而涂布在基材102上的材料层104上以形成涂层116。

实施例中，涂布模具108的狭缝112是根据配置在基材102上的材料层104做设计，由此均匀排出涂料114在基材102上的材料层104上，并使得形成的涂层116能包覆材料层104的所有上表面及侧表面，亦即涂层116能完全覆盖材料层104的宽度范围。涂层116亦能从材料层104连续延伸至外侧的部分基材102上。

请参照图3，其绘示根据一实施例的基材102、材料层104、涂层116与具有狭缝112的涂布模具108。一实施例中，材料层104是以涂布的方式配置在基材102上，然而本发明并不限于此，材料层104亦可以其他合适的方式配置在基材102上。

狭缝112的总宽度值Q包括中间宽度值A、左宽度值Y₁与右宽度值Y₂。中间宽度值A对应材料层104的上表面103的总宽度值。左宽度值Y₁对应超出材料层104的左上端点107A的左部分宽度值。右宽度值Y₂对应超出材料层104的右上端点107B的右部分宽度值。Q＝A+Y₁+Y₂。

涂布模具108的狭缝112符合以下关系式(I)、(II)：

上述关系式(I)、(II)中，h为材料层104的厚度值。举例来说，当材料层104的厚度为40μm时，h厚度值以40表示。类似概念亦可应用至其他类似用语，将不再重复赘述。θ₁为材料层104的左侧表面105A与下表面113之间的夹角。0°＜θ₁≤90°。X₁为材料层104的左侧表面105A投影在下表面113的宽度值，等于θ₂为材料层104的右侧表面105B与下表面113之间的夹角)。0°＜θ₂≤90°。X₂为材料层104的右侧表面105B投影在下表面113的宽度值，等于w为涂层116的厚度值。一实施例中，完整且连续涂布在材料层104的上表面103与侧表面(左侧表面105A、右侧表面105B)上的涂层116具有均一的厚度。上述的宽度或厚度的数值单位可为微米(μm)。

一实施例中，40≤h≤100，30≤w≤50，50≤Y₁-X₁≤1000，50≤Y₂-X₂≤1000。一实施例中，w＝30，40≤h≤100，100≤Y₁-X₁≤500，100≤Y₂-X₂≤500。一实施例中，w＝30，h＝40，100≤Y₁-X₁≤500，100≤Y₂-X₂≤500。一实施例中，w＝30，h＝70，150≤Y₁-X₁≤450，150≤Y₂-X₂≤450。一实施例中，w＝30，h＝100，200≤Y₁-X₁≤400，200≤Y₂-X₂≤400。一实施例中，w＝50，40≤h≤100，50≤Y₁-X₁≤1000，50≤Y₂-X₂≤1000。一实施例中，w＝50，h＝40，50≤Y₁-X₁≤800，50≤Y₂-X₂≤800。一实施例中，w＝50，h＝70，75≤Y₁-X₁≤900，75≤Y₂-X₂≤900。一实施例中，w＝50，h＝100，100≤Y₁-X₁≤1000，100≤Y₂-X₂≤1000。

涂层116的总宽度值B等于涂层116的上表面103的宽度值A、材料层104的左侧表面105A投影在下表面113的宽度值X1、材料层104的右侧表面105B投影在下表面113的宽度值X2、涂层116的左底表面111A的宽度值D₁与涂层116的右底表面111B的宽度值D₂的总和。实施例中，涂层116的总宽度值B是略小于狭缝112的总宽度值Q。

结构并不限于左右对称的设计，亦可视产品实际需求使用非对称的设计。举例来说，在材料层左右不对称的情况下，可适当地使用左右不对称的涂布模具狭缝设计，以得到涂层覆盖材料层的所有上表面及侧表面，且涂层具有均一的厚度，或涂层可更进一步从材料层连续延伸至外侧的部分基材上。

根据本发明使用狭缝式涂布模具的涂布方法可应用至单面涂布或双面涂布。

一实施例中，是以根据一实施例的方法制造极板结构，其中请参照图3，基材102即为集电体。邻接在基材102上的材料层104即为活性层，可用作电池的极板。包覆材料层104的所有上表面103及侧表面(左侧表面105A、右侧表面105B)的涂层116即为安全防护层，例如耐热的绝缘层或介电质层。一实施例中，集电体的部分上表面可露出安全防护层，亦即，根据实施例的方法在材料层104上涂布涂层116可留白基材102。

一实施例中，极板结构可应用在电池，例如锂电池的负极板结构。

举例来说，集电体(或基材102)可包括铝(Al)、铜(Cu)或不锈钢，或其他导电性高的适合材料。一实施例中例如铜箔。

活性层(或材料层104)可包括石墨、硅碳或上述的组合。一实施例中，活性层可为利用浆料形成的涂布层，浆料可包括含有石墨、硅碳或上述的组合的填充物。浆料可进一步包括粘合剂，例如偏二氟乙烯等。浆料可进一步包括溶剂，例如N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP)。

举例来说，安全防护层(或涂层116)可包含通式为M_xO_y的氧化物，其中M为Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的组合，x介于1～2，y介于1～3。一实施例中，安全防护层包括氧化硅。一实施例中，举例来说，安全防护层还可以包含一树脂，例如偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、丁苯橡胶(SBR，Styrene-ButadieneRubber)、羧甲基纤维素(CMC，carboxymethyl cellulose)、聚酰亚胺(PI，Polyimide)等，可用作粘合剂。氧化物占安全防护层的0.1wt％～90wt％。安全防护层为介电材料。

实施例中，安全防护层的厚度(可参照图3的符号w)可介于0.5μm～10μm。安全防护层超出活性层的宽度(可参照图3的符号D₁、D₂)介于0.5μm～10mm，或10μm～10mm。安全防护层的外侧表面与集电体的上表面之间具有夹角λ₁、λ₂，0°＜λ₁≤90°，0°＜λ₂≤90°。

根据本发明的涂布方法形成的极板结构中，安全防护层足够连续地覆盖活性层的所有侧表面与上表面，不会影响后续极板结构的焊接导电柄工艺，也能提供有效的保护作用，避免电池受外力穿刺与避免高温受热时因隔离膜收缩而发生正负极相接触的短路造成起火燃烧，达到安全效果。

本发明的涂布方法并不限于电池的极板结构，亦可应用在其它需要涂层完全覆盖材料层的上表面与侧表面的结构产品中。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

极板结构的集电体(或基材102)为15μm铜箔。

极板结构的活性层(或材料层104)是使用负极浆料涂布在集电体上形成。其中负极浆料包括填充物(filler)、粘合剂与溶剂。填充物使用中间相石墨粉末(meso-phasegraphite powder(MGP-A)，中钢碳素化学股份有限公司出售)及导电碳黑材料(conductiveadditive carbon black；Super-P，由TIMCAL公司制造)。粘合剂(binder)使用偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride；PVDF 9200，Kureha制造)。中间相石墨粉末：导电碳黑材料：偏二氟乙烯的重量比为94∶1∶5。有机溶剂使用N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP；台湾波律股份有限公司制造)。浆料的固含量约54wt％。浆料的粘度约800cPs。涂布形成的活性层厚度为30μm～70μm。

安全防护层(或涂层116)为含硅(Si)成份的涂层。用以形成安全防护层的涂料包含粘合剂偏二氟乙烯(PVDF)、氧化硅粒子(clay)，其中粘合剂：氧化硅粒的重量比为60∶40。涂料也包含溶剂二甲基乙酰胺(DMAc)。涂料的固含量为8wt％。涂料的粘度约70cPs。涂布湿膜厚为20～40μm。

一实施例中，在铜箔基材102上的材料层104厚度为70μm(即厚度值h为70)，材料层104的左侧表面105A/右侧表面105B投影在下表面113的宽度为200μm(即左侧表面105A/右侧表面105B投影在下表面113的宽度值X₁/X₂为200)，材料层104的左侧表面105A/右侧表面105B与下表面113之间的夹角θ₁/θ₂为20°。涂布模具108的狭缝112的左宽度、右宽度为500μm(即左宽度值Y₁、右宽度值Y₂为500)。利用涂布模具108在材料层104上形成的涂层116厚度为30μm(即厚度值w为30)。以上参数符合本发明的关系式(I)及(II)。表1列示利用能量色散X-射线光谱(EDS)分析材料层104的上表面103与侧表面(左侧表面105A/右侧表面105B)上附近，与靠近材料层104的基材102上附近的元素及(以重量百分比Wt％或原子量百分比Atomic％表示的)量，发现四个检测点(表1中编号1-1、1-2、1-3、1-4)都含有Si元素，表示涂层116完全覆盖材料层104。且实施例的负极板结构在进行针刺实验后，电池并未发生起火燃烧，因此实施例的极板结构使用安全性高。

表1

在一些比较例中，涂布模具并不符合本发明的关系式(I)及(II)，在利用涂布模具进行涂布之后，涂层116无法完全覆盖材料层104(图4)，或是材料层104上的涂层116膜面不连续，或是基材102上的涂层116膜面不连续(图5)，因此在应用制造极板结构会造成产品结构制作失败。

在一比较例中，材料层厚度为70μm，材料层的侧表面投影在下表面的宽度为200μm，材料层的侧表面与下表面之间的夹角为20°。使用的涂布模具的狭缝的左/右宽度为0μm。形成的涂层厚度为30μm。以上参数不符合本发明的关系式(I)及(II)。表2列示利用能量色散X-射线光谱分析材料层的上表面与侧表面上附近，与靠近材料层的基材上附近的元素，发现一些检测点(表2中编号2-6、2-7、2-8、2-9、2-11)仅含有C元素，而未含有Si元素，表示涂层未覆盖材料层的所有上表面与侧表面。且比较例得到的负极板结构在进行针刺实验后，电池发生起火燃烧，因此比较例的极板结构在使用上并不安全。

表2

根据以上，以符合本发明的关系式(I)及(II)对配置在基材上的材料层进行涂布，可使得形成的涂层连续且完整地覆盖材料层的上表面与侧表面。在应用至电池的极板结构中，安全防护层可完全覆盖活性层，因此能提供有效的保护作用，使得电池在操作上的安全性高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种极板结构，包括：

一集电体，包括Al、Cu或不锈钢；

一活性层，邻接在该集电体上，并包括石墨、硅碳或上述的组合；以及

一安全防护层，包覆该活性层的所有上表面及侧表面，并包含通式为M_xO_y的一氧化物，其中M为Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的组合，x介于1～2，y介于1～3。

2.如权利要求1所述的极板结构，其中该安全防护层的厚度介于0.5μm～10μm。

3.如权利要求1所述的极板结构，其中该安全防护层超出该活性层的宽度介于10μm～10mm。

4.如权利要求1所述的极板结构，其中该安全防护层更包含一树脂，该树脂选自由偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、丁苯橡胶(SBR，Styrene-ButadieneRubber)、羧甲基纤维素(CMC，carboxymethyl cellulose)、聚酰亚胺(PI，Polyimide)所构成的组。

5.如权利要求1所述的极板结构，其中该氧化物占该安全防护层的0.1wt％～90wt％。

6.如权利要求1所述的极板结构，其中该安全防护层的外侧表面与该集电体的上表面之间具有夹角λ，0°＜λ≤90°。

7.如权利要求1所述的极板结构，其中该集电体的部分上表面露出该安全防护层。

8.如权利要求1所述的极板结构，其是一电池的一负极板结构。

9.如权利要求1所述的极板结构，其是一锂电池的极板结构。