CN107078269A - 用于提高电池容量的电极制造方法和由此制成的电极 - Google Patents

用于提高电池容量的电极制造方法和由此制成的电极 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电极制造方法、由此制造的电极以及包括该电极的电池，所述电极制造方法包括以下步骤：将电极活性材料施加至集电器上；并且照射激光，使得已通过施加所述电极活性材料获得的电极活性材料层的端部变直，从而移除所述电极活性材料。本发明的优点在于分别施加至正极和负极的活性材料之间的面积差被最小化，从而增加了电池的容量并且提高了电池的稳定性。

Description

用于提高电池容量的电极制造方法和由此制成的电极
技术领域
本申请要求于2014年10月24日的韩国专利申请第10-2014-0145372号和2015年10月23日的韩国专利申请第10-2015-0148277号的优先权，并且包括相应的韩国专利申请文献中所披露的全部内容作为本说明书的一部分。
本发明涉及一种用于提高电池容量的电极制造方法和由此制成的电极，且更具体地，涉及一种用于提高电池容量的制造电极的方法和由此制成的电极，所述方法通过激光清洁技术减小电池负极悬垂公差(overhang tolerance)而提高了电池容量。
背景技术
锂离子电池是移动装置和电动汽车时代的重要元件部分，并且对增加容量的需求不断提高。一般来说，锂聚合物离子电池具有如下基本结构：其中正极与负极彼此堆叠且重叠，并且在正极与负极之间插入分离膜以防止电极短路。同时，为了防止电池中的锂沉淀，负极的面积必须足够宽以便覆盖正极的面积，这称为悬垂(overhang)。由于电池的容量是由如上所述正极与负极重叠的面积确定的，正极与负极之间的面积差必须最小化以便增加相同电池尺寸的容量，因此，当能够减小悬垂时，便可增加相同面积内的电池容量。
然而，当涂布活性材料时，问题在于，电极活性材料是通过涂布工艺被线性地涂布的，因此，问题在于，正极与负极的悬垂公差由此增加，并且这些问题给电池的安全性和容量带来了负面影响。为了尽量减少这些问题，当涂布正极活性材料时，必须使端部是直的，但是由于电池的高容量导致涂层厚度变大，因此现在使端部是直的变得很难。
为了解决这些问题，例如，韩国专利申请待审公开第10-2006-0010650号提出了一种通过使用激光、挤压、刮刀或超声波的任何一个移除超出基准面积的活性材料来制造二次电池的方法，但是由于该方法不能使施加至正极和负极的活性材料之间的面积差(即，悬垂)最小化，因此在提高电池容量方面存在限制。
发明内容
技术问题
本发明试图解决如上所述的现有技术中的问题，并且本发明的目的是通过应用激光工艺技术在不损坏电极箔的情况下移除正极和负极活性材料而使悬垂公差最小化，从而使涂布电极活性材料的端部变直。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种制造电极的方法，所述方法包括以下步骤：
将电极活性材料施加至集电器上；和
照射激光，使得已通过施加所述电极活性材料获得的电极活性材料层的端部变直，从而移除所述电极活性材料。
此外，本发明提供一种通过上述电极制造方法制造的电极。
此外，本发明提供一种包括所述电极的电池。
有益效果
通过根据本发明的用于提高电池容量的方法，优点在于：施加至正极和负极的活性材料之间的面积差(即，悬垂)被最小化，从而增加了电池的容量并且提高了电池的稳定性。
附图说明
图1是图解本发明的电极制造方法中使电极活性材料的端部变直的工序的示意图。
图2是图解在本发明的电极制造方法中，将电极活性材料涂布在集电器上的照片。
图3是图解在本发明的电极制造方法中，电极活性材料层端部处的电极活性材料已被激光移除的照片。
图4是比较传统的电极与本发明中制造的电极的悬垂差异以及根据悬垂差异的电池容量的视图。
图5是图解在本发明的电极制造方法中，在移除活性材料层时使用的激光束的形状的视图。
图6是捕获了根据本发明的实施例1移除活性材料层的照片。
图7是捕获了根据本发明的实施例2移除活性材料层的照片。
图8是捕获了根据本发明的实施例3移除活性材料层的照片。
图9是捕获了根据本发明的实施例4移除活性材料层的照片。
图10是捕获了根据本发明的实施例5移除活性材料层的照片。
图11是捕获了根据本发明的实施例6移除活性材料层的照片。
图12是捕获了根据本发明的实施例7移除活性材料层的照片。
具体实施方式
下文中，将详细描述本发明。
根据本发明的电极制造方法包括以下步骤：
将电极活性材料施加至集电器上；和
照射激光，使得已通过施加所述电极活性材料获得的电极活性材料层的端部变直，从而移除所述电极活性材料。
首先，本发明的电极制造方法包括以下步骤：将电极活性材料施加至集电器上。
所述集电器可以是用于正极的集电器或用于负极的集电器，并且可无特别限制地通过本领域已知的典型方法或其修改方法来制备用于正极的集电器或用于负极的集电器。
用于正极的集电器没有特别限制，只要该集电器具有导电性且不会导致电池发生化学变化即可，例如，可以使用不锈钢、铝、镍、钛或烧制碳，或者使用铝或不锈钢的表面经碳、钛、镍、银和类似者表面处理过的材料。该集电器亦可通过在表面上形成细微的凹凸不规则性而增加正极活性材料的粘合强度，该集电器可采用各种形式，诸如膜、片材、箔、网、多孔体、发泡体和非织造体。此外，用于正极的集电器可具有3μm至500μm的厚度。
用于负极的集电器没有特别限制，只要该集电器具有导电性且不会导致电池发生化学变化即可，例如，可以使用不锈钢、铝、镍、钛或烧制碳，或者使用铜或不锈钢的表面经碳、钛、镍、银和类似者表面处理过的材料，铝镉合金和类似材料。此外，类似于正极集电器，该负极集电器亦可通过在表面上形成细微的凹凸不规则性而增加负极活性材料的粘合强度，该集电器可采用各种形式，诸如膜、片材、箔、网、多孔体、发泡体和非织造体。此外，用于负极的集电器可具有3μm至500μm的厚度。
所述电极活性材料可以是正极活性材料或负极活性材料，可无特别限制地通过本领域已知的典型方法或其修改方法来制备所述正极活性材料或所述负极活性材料，并且当施加所述电极活性材料时，所述电极活性材料可具有50至200μm的厚度。
所述正极活性材料包括作为主要成分的层状化合物，诸如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)或由一种或多种过渡金属取代的化合物；锂锰氧化物(LiMnO2)，诸如化学式为Li1+xMn2-xO4(此处，x为0至0.33)、LiMnO3、LiMn2O3和LiMnO2；锂铜氧化物(Li2CuO2)；钒氧化物，诸如LiV3O8、LiFe3O4、V2O5和Cu2V2O7；由化学式LiNi1-xMxO2(此处，M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或G，并且x＝0.01至0.3)表示的镍位点型锂镍氧化物(锂化的镍氧化物)；由化学式LiMn2-xMxO2(此处，M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，并且x＝0.01至0.1)或Li2Mn3MO8(此处，M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；LiMn2O4，其中化学式中的锂部分被碱土金属离子取代；二硫化合物；和锂嵌入材料(lithium intercalation material)，诸如Fe2(MoO4)3或通过它们的组合形成的复合氧化物，正极活性材料的例子包括上述种类，但并不限于此。
作为负极活性材料，例如，可以使用：炭，诸如难石墨化的炭或石墨基炭；金属复合氧化物，LixFe2O3(0≤x≤1)、LixWO2(0≤x≤1)以及SnxMe1-xMe'yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me'：Al、B、P、Si、周期表第1、2、3族的元素、卤素；0<x≤1；1≤y≤3；并且1≤z≤8)；锂金属；锂合金；硅基合金；锡基合金；氧化物，诸如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4和Bi2O5；导电聚合物，诸如聚乙炔；Li-Co-Ni基材料和类似者。
本发明可包括以下步骤：照射激光，使得已通过施加所述电极活性材料获得的电极活性材料层的端部变直，从而移除所述电极活性材料，如图1所示。
当在集电器上涂布电极活性材料时，电极活性材料的涂层并非平滑地形成直线，如图2所示。当通过使正极与负极处于重叠的状态形成电极时，负极活性材料可覆盖正极活性材料，如图4的左侧所示，但是会产生超出所需的悬垂(overhang)公差。悬垂公差的产生实质上可引起电池的容量减小，因为二次电池的容量是由负极与正极重叠的面积确定的。然而，当电极活性材料的涂层平滑地形成直线时，正极与负极之间的面积差可被最小化，如图4的右侧所示，结果由于最低限度地产生悬垂公差，使得在相同的面积内电池的容量可最大化地增加。
本发明通过照射激光使得已通过施加电极活性材料获得的电极活性材料层的端部变直。
在本发明中，直线不仅是指根据数学定义的直线概念，而且还表示在激光工业中能够通过光辐射产生的直线，是包括在该行业中一般理解的所有轻微偏差的概念。
为了根据本发明的发明意图照射激光，需考虑活性材料的吸光度和下部电极层的反射率，并且在通过调整激光照射容易地移除活性材料的同时不应损坏用作电极集电器箔的铜或铝。
为此，本发明的激光照射使用脉冲激光，优选地，脉冲激光的波长可使用300nm至1,100nm的波长，且更优选地，可使用波长为500nm至600nm或1,000nm至1,100nm的激光。
此外，脉冲激光的脉冲能量可优选地使用0.05mJ至5mJ的能量，且更优选地使用0.1mJ至3mJ的能量，且最优选地使用0.5mJ至2mJ的能量。使用上述范围内的脉冲能量的原因在于当激光聚焦的部分的能量密度太低时，活性物质可能不易被移除，当能量太高时，不只是待被移除的区域可能被移除，从而导致对电极造成损坏。
此外，为了减少因暴露于激光的部分的能量差异导致的在移除活性材料中的差异并且为了使对下基板的损坏最小化，可采用激光束的形状为将激光束从高斯光束形状修改为如图5中所示的圆形平顶光束形状、线性平顶光束形状或方形平顶光束形状。
当在上述条件下照射激光时，相较于集电器，电极活性材料可相对容易地经受激光烧蚀，因为电极活性材料的激光光收率高于例如铝(Al)或铜(Cu)的激光光收率。这样，当具有能量的激光在相同条件下通过它照射到电极活性材料上时，仅电极活性材料可被移除，如图3中所示，电极活性材料可被移除，而不会对集电器造成损坏，从而在电极的端部处增加电极活性材料涂层形状的直线度。
此外，本发明提供通过所述电极制造方法制造的电极。
如上所述，由于通过本发明制造的电极可使正极与负极之间的面积差异最小化，因此，可产生最小悬垂公差，最大程度地增加相同面积内的电池容量。通过本发明制造的电极比通过现有技术方法制造的电极有显著改善。
此外，本发明提供包括所述电极的电池。
所述电池可优选地为用于二次电池的电池，且更优选地为用于二次电池的聚合物电池。
本发明的实施方式
尽管已根据本发明的实施例参照附图描述了本发明，但本领域的普通技术人员可基于上述内容在本发明所属的范围内进行各种应用和修改。本发明的范围由权利要求书限定，并且意在包括与权利要求的条款等同的范围和意义内的任何修改。
实施例
[制备实施例]
将活性材料施加至尺寸为2cm x 2cm的铜集电器箔上，然后通过对所施加的活性材料进行干燥来制备在其上施加了活性材料的电极。
[实施例1]
如图4所示，光纤激光器在如下激光条件下照射制备实施例的电极：波长为1,060nm，脉冲宽度为100ns，脉冲能量为1mJ(20W/20kHz)，并且激光移动速度为1,000mm/s，从而移除所述活性材料。同时，通过将激光间隔改变为20um、30um和40um进行试验。
[实施例2]
除激光条件为：波长为1,060nm，脉冲宽度为50ns，脉冲能量为0.65mJ(13W/20kHz)，并且激光移动速度为1,000mm/s之外，在与实施例1相同的条件下制造负极。同时，通过将激光间隔改变为20um、30um和40um进行试验。
[实施例3]
除激光条件为：波长为1,060nm，脉冲宽度为20ns，脉冲能量为0.35mJ(7W/20kHz)，并且激光移动速度为1,000mm/s之外，在与实施例1相同的条件下制造负极。同时，通过将激光间隔改变为20um、30um和40um进行试验。
[实施例4]
除激光条件为：波长为1,060nm，脉冲宽度为10ns，脉冲能量为0.1mJ(2W/20kHz)，并且激光移动速度为1,000mm/s之外，在与实施例1相同的条件下制造负极。同时，通过将激光间隔改变为20um、30um和40um进行试验。
[实施例5]
除激光条件为：波长为1,060nm，脉冲宽度为7ns，脉冲能量为0.05mJ(1W/20kHz)，并且激光移动速度为1,000mm/s之外，在与实施例1相同的条件下制造负极。同时，通过将激光间隔改变为20um、30um和40um进行试验。
[实施例6]
除激光条件为：波长为1,060nm，脉冲宽度为7ns，脉冲能量为0.06mJ(6W/100kHz)，并且激光移动速度为5,000mm/s之外，在与实施例1相同的条件下制造负极。同时，通过将激光间隔改变为20um、30um和40um进行试验。
[实施例7]
除激光条件为：波长为1,060nm，脉冲宽度为7ns，脉冲能量为0.15mJ(20W/300kHz)，并且激光移动速度为5,000mm/s之外，在与实施例1相同的条件下制造负极。同时，通过将激光间隔改变为20um、30um和40um进行试验。
试验实施例
对于实施例1至7中从其中移除活性材料的电极，使用光学显微镜(Olympus BX51,Olympus Optical Co.,Ltd.)捕获表面，以实施例1至7的顺序分别在图6至图12中示出所捕获表面的图像。
在实施例1的情形中，可以确认随着激光间隔改变为20um、30um和40um，在重复次数为3次以内，活性材料已被完全移除，如图6中所示。
在实施例2的情形中，可以确认在激光间隔为20um时重复试验三次，在激光间隔为30um时重复试验四次，在激光间隔为40um时重复试验五次，可将活性材料完全移除，如图7中所示。
在实施例3的情形中，可以确认在激光间隔为20um时重复试验六次，在激光间隔为30um时重复试验七次，在激光间隔为40um时重复试验八次，可将活性材料完全移除，如图8中所示。
在实施例4的情形中，可以确认在激光间隔为20um时重复试验六次，在激光间隔为30um时重复试验八次，在激光间隔为40um时重复试验九次，可将活性材料完全移除，如图9中所示。
在实施例5的情形中，可以确认随着激光间隔改变为20um、30um和40um，只有当试验重复30次或更多次时，活性材料被完全移除，如图10中所示。
在实施例6的情形中，可以确认随着激光间隔改变为20um、30um和40um，只有当试验重复20次或更多次时，活性材料被完全移除，如图11中所示。
在实施例7的情形中，可以确认随着激光间隔改变为20um、30um和40um，只有当试验重复8次或更多次时，活性材料被完全移除，如图12中所示。

Claims (15)

1.一种用于制造电极的方法，所述方法包括以下步骤：
将电极活性材料施加至集电器上；和
照射激光，使得已通过施加所述电极活性材料获得的电极活性材料层的端部变直，从而移除所述电极活性材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光是脉冲激光。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述脉冲激光具有300nm至1,100nm的波长。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述脉冲激光具有500nm至600nm的波长。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述脉冲激光具有1,000nm至1,100nm的波长。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述脉冲激光具有0.05mJ至5mJ的脉冲能量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述脉冲激光具有0.1mJ至3mJ的脉冲能量。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述脉冲激光具有0.5mJ至2mJ的脉冲能量。
9.根据权利要求2所述的方法，其中所述脉冲激光的光束形状为圆形平顶光束形状、线性平顶光束形状或方形平顶光束形状。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述集电器是用于正极的集电器，并且所述电极活性材料是正极活性材料。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述集电器是用于负极的集电器，并且所述电极活性材料是负极活性材料。
12.一种根据权利要求1所述的电极制造方法制造的电极。
13.一种包括权利要求12所述的电极的电池。
14.根据权利要求13所述的电池，其中所述电池是用于二次电池的电池。
15.根据权利要求14所述的电池，其中所述电池是用于二次电池的聚合物电池。
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