CN107112574B - 多层线缆型二次电池 - Google Patents

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Abstract

公开了多层线缆型二次电池，其包含：第一电极组件，所述第一电极组件包含一个或多个第一内电极、包围所述第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层、和被螺旋卷绕并同时包围所述第一隔离层而形成的第一片型外电极；包围所述第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层；和第二电极组件，所述第二电极组件包含一个或多个包围所述第三隔离层的外表面的第二内电极、包围所述第二内电极的外表面以防止电极短路的第二隔离层、和被螺旋卷绕并同时包围所述第二隔离层而形成的第二片型外电极。

Description

多层线缆型二次电池
技术领域
本申请要求2014年10月31日在大韩民国提交的韩国专利申请No.10-2014-0150761和2014年10月31日提交的韩国专利申请No.10-2014-0150764的优先权，所述专利申请的公开内容通过引用并入本文中。
本公开涉及形状自由改变的线缆型二次电池，更具体而言，涉及单位长度线缆电池的电池容量改善的线缆型二次电池。
背景技术
近来，二次电池是指将外部电能转化为化学能并将其储存、和根据需要发电的装置。所述二次电池也称为“可再充电电池”，因为它们可以反复再充电。一般使用的二次电池包括铅蓄电池、镉镍(NiCd)电池、镍氢化物(NiMH)蓄电池、锂离子(Li离子)电池、锂离子(Li离子)聚合物电池等。所述二次电池比一次性的一次电池更有经济和环境优势。
二次电池目前用于需要低电力的应用。所述应用的例子包括帮助车辆、移动装置、工具、不间断电源等启动的设备。无线通信技术的最新发展不仅带来移动装置的普及，而且带来许多种常规装置的移动化，对二次电池的需要已经急剧增加。另外，为了防止环境污染等的目的，混合动力车辆和电动车辆已经商业化，这些新一代车辆利用二次电池来减少成本和重量以及增加寿命。
通常，大多数二次电池具有圆柱形、棱柱形或袋形的形状。这是因为二次电池是通过将包含负极、正极和隔膜的电极组件安装在圆柱形或棱柱形金属罐或者袋状的铝层压片壳中并将电解质引入所述电极组件中制成的。因为用于安装所述二次电池的预定空间是必需的，所以在各种形状的移动装置的开发中，二次电池的圆柱形、棱柱形或袋状形状是不利的限制。因此，对于可容易地改变形状的新的二次电池结构，存在着需求。
响应于这种需求，已经建议长度对横截面直径的比很高的线缆型电池。然而，当为了增加单位长度线缆型电池的电池容量而将用于线缆型电池的活性材料涂覆超过预定的厚度或负荷量时，存在例如如下问题：活性材料层厚度增加，因而电极电阻增加并因此电池性能、寿命、输出特性等劣化。因此，在改善电池容量上有局限性。
发明内容
技术问题
因此，本公开被设计成解决相关领域的问题并因此本公开涉及提供多层线缆型二次电池，所述多层线缆型二次电池包含交替形成的负极和正极以便增加单位长度线缆型电池的电池容量。
技术方案
在本公开的一个方面中，提供了多层线缆型二次电池，其包含：第一电极组件，所述第一电极组件包含一个或多个第一内电极、包围所述第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层和被螺旋卷绕以包围所述第一隔离层的片型第一外电极；包围所述第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层；和第二电极组件，所述第二电极组件包含一个或多个包围所述第三隔离层的外表面的第二内电极、包围所述第二内电极的外表面以防止电极短路的第二隔离层和被螺旋卷绕以包围所述第二隔离层的片型第二外电极。
在本公开的一种优选实施方式中，所述第一内电极可包含一个或多个平行布置的线型内电极或者两个或更多个绞合在一起布置的线型内电极。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述第二内电极可包含一个或多个被螺旋卷绕以包围所述第三隔离层外表面的线型内电极。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述内电极可包含内集电器和在所述内集电器的表面上形成的内电极活性材料层。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述片型外电极可具有侧向延伸的条形结构。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述片型外电极可以被螺旋卷绕，使得所述片型外电极彼此不重叠，并且另外，所述片型外电极可以彼此隔开小于所述片型外电极宽度的2倍的距离。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述片型外电极可以被螺旋卷绕，使得所述片型外电极彼此重叠，并且所述片型外电极可以被螺旋卷绕，使得重叠部分的宽度小于所述片型外电极宽度的0.9倍。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述外电极可包含外集电器和在所述外集电器的一个表面上形成的外电极活性材料层。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述外电极还可包含在所述外电极活性材料层上形成的多孔第一支撑层。在所述第一支撑层上还可以形成包含导电材料和粘合剂的导电材料涂层，并且在所述第一支撑层上还可以形成包含无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述外电极还可以包含在所述外集电器的另一个表面上形成的第二支撑层。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述隔离层可以是被卷绕的。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述内电极可以是负极或正极，而所述外电极可以是与所述内电极对应的正极或负极。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述多层线缆型二次电池还可以包含包围所述第二电极组件的外表面的保护涂层。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述多层线缆型二次电池可包含：一个或多个第一内电极；和一个或多个第二内电极，其中各第一内电极具有在其中具有空区域的中空结构。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述第一和第二内电极可各自独立地包含一个或多个被螺旋卷绕的线型内集电器，或者一个或多个被螺旋卷绕的片型内集电器。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述第一和第二内电极可包含两个或更多个在彼此交叉的同时被螺旋卷绕的线型内集电器。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述第一和第二内电极可各自独立地包含在所述内集电器的整个表面上形成的内电极活性材料层，或包围所述被卷绕的内集电器的外表面而形成的内电极活性材料层。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述第一和第二内电极还可包含在所述内电极活性材料层的表面上形成的聚合物支撑层。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述多层线缆型二次电池还可包含在所述第一内电极的空区域中形成的内电极集电器用芯、包含电解质的锂离子供给用芯、或填充芯。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述内电极集电器用芯可以由以下材料制成：碳纳米管；不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；铜；用碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；用导电材料表面处理过的非导电聚合物；或导电聚合物。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述锂离子供给用芯可包含凝胶型聚合物电解质和支撑体。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述锂离子供给用芯可包含液体电解质和多孔载体。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述填充芯可包含聚合物树脂、橡胶或无机化合物，并且所述聚合物树脂、橡胶或无机化合物可具有线、纤维、粉末、网眼或泡沫的形状。
在本公开的另一种优选实施方式中，所述外电极可包含：外集电器；在所述外集电器的一个表面上形成的外电极活性材料层；和在所述外集电器的另一个表面上形成的多孔支撑层。
有利效果
本公开提供了柔性改善并且单位长度的电池容量最大化的线缆型电池。
附图说明
附图示出了本公开的优选实施方式，并且与前述的公开内容一起，用来提供对本公开的技术主旨的进一步了解。然而，本公开不应被解释为局限于所述附图。
图1是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池中的第一电极组件的横截面图。
图2是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池中的第一电极组件的示意性透视图。
图3是示出了根据本公开的另一种实施方式的多层线缆型二次电池中的第一电极组件的示意性透视图。
图4是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池的示意性透视图。
图5是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池的制造方法的示意性流程图。
图6是示出了根据本公开的一种实施方式的片型二次电池的电极的横截面图。
图7是示出了根据本公开的另一种实施方式的片型二次电池的电极的横截面图。
图8是示出了根据本公开的另一种实施方式的片型二次电池的电极的横截面图。
图9是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池的横截面图。
图10是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池中的第一电极组件的示意性透视图。
图11是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池的示意性透视图。
图12是示出了根据本公开的一种实施方式的多层线缆型二次电池的制造方法的示意性流程图。
图13是示出了根据本公开的另一种实施方式的多层线缆型二次电池的电极组件的示意性透视图。
图14是示出了根据本公开的一种实施方式的片型二次电池的电极的横截面图。
图15是示出了根据本公开的另一种实施方式的片型二次电池的电极的横截面图。
图16是示出了根据本公开的另一种实施方式的片型二次电池的电极的横截面图。
图17是示出了根据本公开的一种实施方式的具有一个内电极的多层线缆型二次电池的横截面图。
图18是示出了根据本公开的另一种实施方式的具有两个或更多个内电极的多层线缆型二次电池的横截面图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应该了解在说明书和所附权利要求书中使用的术语不应该被解释为限于一般的和词典的含义，而是在允许发明人恰当定义术语以求最佳解释的原则的基础上，基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解读。因此，本文中提出的描述只是仅用于说明目的的优选例子，不旨在限制本公开的范围，因此应该理解，在不背离本公开的主旨和范围的情况下可对其作出其他等效替换和修改。
本公开涉及多层线缆型二次电池，其包含：第一电极组件，所述第一电极组件包含一个或多个第一内电极、包围所述第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层和被螺旋卷绕以包围所述第一隔离层的片型第一外电极；包围所述第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层；和第二电极组件，所述第二电极组件包含一个或多个包围所述第三隔离层的外表面的第二内电极、包围所述第二内电极的外表面以防止电极短路的第二隔离层和被螺旋卷绕以包围所述第二隔离层的片型第二外电极。
常规的线缆型电池当涂覆超过用以增加电池容量的预定厚度或负荷量的电极活性材料时，具有由于厚度增加导致电极电阻增加并因而电池性能和寿命、输出特性劣化等的问题，因此在为了增加电池容量而增厚活性材料层上具有局限性。为了解决这些问题，本公开涉及通过制造有多层结构的电池来改善单位长度线缆电池的电池容量，所述多层结构包含交替堆叠的负极和正极，例如负极/正极/负极/正极。
以下，将参考图1、4和5更详细地描述根据本公开的线缆型电池，其具有包含交替堆叠的负极和正极的多层。
参考图1，图1是示出第一电极组件的横截面图，并且线缆型电池包含第一电极组件100，所述第一电极组件100包含一个或多个第一内电极110、包围第一内电极110的外表面以防止电极短路的第一隔离层120和被螺旋卷绕以包围第一隔离层120的片型第一外电极130。另外，参考图4，线缆型电池还包含第三隔离层200，其包围上述图1的第一电极组件以防止电极短路。另外，线缆型电池包含第二电极组件300，所述第二电极组件300包含包围第三隔离层200的外表面的第二内电极310、包围第二内电极310的外表面以防止电极短路的第二隔离层320和被螺旋卷绕以包围第二隔离层320的片型第二外电极330。
因此，本公开涉及通过在线缆型二次电池中形成呈多层形态的第一电极组件和第二电极组件、例如包含负极/正极/负极/正极的结构来改善线缆型电池的单位长度电池容量，并且本公开包括具有如图4所示的第一电极组件和第二电极组件的多层结构的多层线缆型电池以及还包含在其上布置的另外的电极组件的多层线缆型电池。
图5中示意性显示了图4中显示的本公开的多层线缆型二次电池的制造方法。参考图5，一个或多个线型第一内电极110被布置成彼此平行依附，然后将第一隔离层120卷绕以包围第一内电极110的外表面，然后将片型第一外电极130螺旋卷绕以包围第一隔离层120而形成第一电极组件100。然后，将第三隔离层200卷绕使其包围第一电极组件。然后，将线型第二内电极310卷绕使其包围第三隔离层200的外表面，将第二隔离层320卷绕以包围第二内电极310的外表面，并将片型第二外电极330螺旋卷绕以包围第二隔离层320，从而形成第二电极组件300。
以下，将更详细地描述各个部件。
包含第一内电极和第二内电极二者的内电极包含内集电器和内电极活性材料层，更具体而言，包含一个或多个内集电器和在内集电器的表面上形成的内电极活性材料层。
特别是，关于第一内电极，一个或多个内电极可以彼此接触地堆积。根据一种实施方式，两个或更多个线型第一内电极110可以平行布置，如图2所示，或两个或更多个线型第一内电极110可以彼此绞合，如图3所示。
绞合形态不限于某种绞合形态，而是几股负极可以平行放置并绞合在一起，或几股负极可以彼此交叉布置并像长发辫子那样绞合。
第一内电极可以如上所述密集地堆积在一起，从而减小本公开的多层线缆型电池的内径。
另外，第二内电极包围后面描述的第三隔离层的外表面，更具体而言，第二内电极可在以线型卷绕在第三隔离层的外表面上的同时包围所述外表面。
第二内电极可包含一个或多个被螺旋卷绕的线型内集电器、两个或更多个在彼此交叉的同时被螺旋卷绕的线型内集电器、或者一个或多个被螺旋卷绕的片型内集电器。另外，内电极活性材料层可以在内集电器的整个表面上形成，或内电极活性材料层可以包围被卷绕的内集电器的外表面而形成。更具体而言，关于在线型内集电器的整个表面上形成内电极活性材料层的结构，可以存在具有线型内集电器并包含在线型内集电器表面上形成的内电极活性材料层的一个线型内电极，或者可以将具有两个或更多个线型内集电器并包含在线型内集电器表面上形成的内电极活性材料层的两个或更多个内电极卷绕以使其彼此交叉。当两个或更多个线型内电极如上所述卷绕在一起时，有改善电池的倍率特性的优点。
另外，关于第二内电极的内电极活性材料层包围被卷绕的内集电器的外表面这种结构，可以卷绕内集电器，然后可以形成内电极活性材料层包围被卷绕的内集电器的外表面。
在这种情况下，第二内电极还可以包含在内电极活性材料层的表面上形成的聚合物支撑层。
当根据本公开的一种实施方式，第二内电极在第二内电极的内电极活性材料层的表面上还包含聚合物支撑层时，可显著防止内电极活性材料层表面的破裂，即使被卷绕的线型内电极用作第二内电极或线缆型二次电池被外力弯曲等等。结果，可进一步防止内电极活性材料层的脱离并可进一步改善电池性能。此外，聚合物支撑层可具有多孔结构，便于将电解液引入内电极活性材料层中并防止电极电阻增加。
在此使用时，聚合物支撑层可含有极性线性聚合物、氧化物类线性聚合物或其混合物。
在这种情况下，极性线性聚合物可以是选自下列的任何一种：聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯、聚乙烯亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸丁酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚芳酯和聚对苯二甲酰对苯二胺，或者其两种或更多种的混合物。
另外，氧化物类线性聚合物可以是选自聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚氧甲烯和聚二甲基硅氧烷的任何一种，及其两种或更多种的混合物。
另外，聚合物支撑层可以是孔隙大小为0.01μm至10μm和孔隙率为5％至95％的多孔聚合物层。
另外，多孔聚合物层的多孔结构可以通过在其制造过程中使用非溶剂进行相分离或相转变而形成。
例如，将作为聚合物的聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯添加到作为溶剂的丙酮中来制备具有10重量％的固体含量的溶液。然后，可以向所制备的溶液添加2至10重量％的作为非溶剂的水或乙醇来制备聚合物溶液。
在聚合物溶液涂覆后的蒸发期间，聚合物溶液经历相转变，在非溶剂和聚合物的相分离部分之中的非溶剂的一部分变成孔隙。因此，可以根据非溶剂和聚合物的溶解度以及非溶剂的含量来控制孔隙的大小。
另外，在本公开的一种实施方式中，第二内电极可以是被螺旋卷绕的片型，其包含内集电器、在内集电器的一个表面上形成的内电极活性材料层和在内集电器的另一个表面上形成的多孔支撑层。
另外，外电极，其包含第一外电极和第二外电极二者，是被螺旋卷绕以包围隔离层的片型，并且特别地，第一外电极被螺旋卷绕以包围第一隔离层，且第二外电极被螺旋卷绕以包围第二隔离层。
在常规线型外电极的情况下，即使通过浸涂形成活性材料层，从而通过保护涂层保护它在外部弯曲/扭曲条件下的原始形状，但在外电极活性材料层的表面上仍可发生破裂并在电极柔性方面有缺点。因此，在本公开中，引入被螺旋卷绕以包围隔离层的外表面的片型外电极。
用在本文中时，术语“螺旋”包括螺旋或盘旋，是指绞扭到预定水平的形状并统称为大体弹簧样形状。
所述外电极可具有侧向延伸的条形结构。
另外，外电极可以被螺旋卷绕，使它们彼此不重叠。在这种情况下，外电极可以被螺旋卷绕，使它们彼此隔开小于外电极宽度的2倍的距离，以免电池性能劣化。
另外，外电极可以被螺旋卷绕，使它们彼此重叠。在这种情况下，外电极可以被螺旋卷绕，使重叠部分的宽度小于外电极宽度的0.9倍，以防止电池的内电阻过度增加。
在这种情况下，外电极可包含外集电器31和在外集电器的一个表面上形成的外电极活性材料层32。在这种情况下，外集电器可以是网眼型集电器。
图6至8是示出了图4的外电极的A区域的示意性横截面图。
如图6所示，外电极还可以包含在外电极活性材料层32上形成的多孔第一支撑层33，并且即使向电极施加外力例如弯曲或扭曲，多孔第一支撑层33起到缓冲体的功能以减轻施加于电极活性材料层32的外力，从而防止电极活性材料层32的脱离并从而改善电极的柔性。另外，可以如图7所示另外形成的第二支撑层34可防止集电器31的断线并从而进一步改善集电器31的柔性。
在本公开的一种实施方式中，外电极可包含外集电器、在外集电器的一个表面上形成的外电极活性材料层、和在外集电器的另一个表面上形成的多孔支撑层。
也就是说，外电极可以包含在外集电器的另一个表面上形成的多孔支撑层，而不包含如上所述在外电极活性材料层上的第一支撑层。
另外，外电极还可以在第一支撑层33上包含含有导电材料和粘合剂的导电材料涂层35，如图8所示，并且它还可以在第一支撑层33上包含含有无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层。
在这种情况下，在包含无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层中，无机粒子通过粘合剂聚合物彼此粘合，使它们保持在彼此粘合的状态(即，粘合剂聚合物连接和固定无机粒子)，并且多孔涂层也通过粘合剂聚合物与第一支撑层保持粘合的状态。多孔涂层的无机粒子是最密集堆积的，同时基本上彼此接触，并且由接触布置的无机粒子生成的间隙体积成为多孔涂层的孔隙。
在根据第一实施方式的片型二次电池的制造方法中，首先，向集电器的一个表面施加电极活性材料浆料(S1)。在此，集电器起到收集由电极活性材料的电化学反应形成的电子或供给电化学反应需要的电子的功能。集电器可以由下列材料制成：不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；铜；用碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；用导电材料表面处理过的不导电聚合物；导电聚合物；包含Ni、Al、Au、Ag、Pd/Ag、Cr、Ta、Cu、Ba或ITO的金属粉末的金属糊料；或包含石墨、炭黑或碳纳米管的碳粉的碳糊料。
如上所述，当外力例如弯曲或扭曲施加于二次电池时，电极活性材料层可能从集电器脱离。因此，为了电极柔性，可以在电极活性材料层中引入大量的粘合剂成分。然而，这样大量的粘合剂由于被电解液溶胀，可能容易从集电器剥离，从而引起电池性能劣化。
因此，为了改善电极活性材料层和集电器之间的粘附性，集电器还可以包含含有导电材料和粘合剂的底涂层。在这种情况下，导电材料和粘合剂可以与如后面描述的用于形成导电材料涂层的那些相同。
另外，集电器可以是网眼型集电器并可以在其至少一个表面上具有多个凹进，从而进一步增加它的表面积。在这种情况下，所述多个凹进可以具有连续图案或间断图案。也就是说，凹进可以具有其中凹进在纵向上彼此隔开的连续图案，或在其中形成多个孔洞的间断图案。所述多个孔洞可以是圆形或多边形的形状。
然后，在所施加的电极活性材料浆料上形成多孔第一支撑层(S2)。在此，第一支撑层可以是网眼型多孔膜或无纺布。第一支撑层具有如上所述的多孔结构，从而促进电解液引入电极活性材料层中，由于固有的优异的电解液浸渍而确保离子传导性，和防止电池内电阻增加并因而电池性能劣化。
另外，第一支撑层可以由选自下列的任何一种或者其两种或更多种的混合物制成：高密度聚乙烯，低密度聚乙烯，线性低密度聚乙烯，超高分子量聚乙烯，聚丙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚酯，聚缩醛，聚酰胺，聚碳酸酯，聚酰亚胺，聚醚醚酮，聚醚砜，聚苯醚，聚苯硫醚，和聚萘二甲酸乙二醇酯。
同时，在第一支撑层上还可以形成包含导电材料和粘合剂的导电材料涂层。导电材料涂层改善电极活性材料层的电导率，从而降低电极电阻和防止电池性能劣化。
因为负极活性材料层的电导率比较高，负极即使不包含导电材料涂层，它仍表现出与一般负极相似的性能，而因为正极活性材料层的导电率低，正极可具有增加的电极电阻和因此劣化的性能。因此，导电材料涂层当施加于正极以降低电池的内电阻时，是特别有利的。
在这种情况下，导电材料涂层可以是导电材料和粘合剂呈80:20至99:1重量比的混合物。当粘合剂的含量增加时，电极的电阻可过度增加，而当粘合剂的含量满足上述范围时，可防止电极电阻的过度增加。此外，如上所述，因为第一支撑层起到防止电极活性材料层脱离的缓冲体的功能，即使存在比较少量的粘合剂，对确保电极的柔性也没有负面效应。
在这种情况下，导电材料可以包括但不限于，选自炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管和石墨烯的任何一种，或者其两种或更多种的混合物。
同时，粘合剂可以是选自下列的任何一种：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯、聚丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷、聚芳酯、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基普鲁兰多糖、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、普鲁兰多糖、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物和聚酰亚胺，或者其两种或更多种的混合物，但不限于此。
随后，将步骤(S2)所制造的产物压缩以形成通过在集电器和第一支撑层之间粘附而一体化的电极活性材料层(S3)。同时，当电极活性材料浆料涂覆在集电器的一个表面上、然后干燥形成电极活性材料层、和通过层叠等在其上形成第一支撑层时，粘合电极活性材料层至第一支撑层的电极活性材料浆料粘合剂成分被固化，其可能维持不了两个层之间的强粘附性。
另外，多孔支撑层可以通过用聚合物溶液涂覆电极活性材料层形成，而不是使用之前通过上述方法制造的多孔第一支撑层。然而，通过涂覆聚合物溶液而形成的多孔支撑体由于机械性质比通过本公开的优选制造方法制造的多孔第一支撑层差，因此不能有效防止由外力引起的电极活性材料层的脱离。
然而，根据本公开的优选制造方法，在粘合剂成分固化之前，可以在所施加的电极活性材料浆料的上表面上形成第一支撑层并通过刮刀涂覆一起，从而形成通过在集电器和第一支撑层之间粘附而一体化的电极活性材料层。
同时，在步骤(S1)之前或步骤(S3)之后，所述方法还可以包括在集电器的另一个表面上通过压缩形成第二支撑层。在此，第二支撑层可抑制集电器的断线，从而进一步改善集电器的柔性。
在这种情况下，第二支撑层可以是聚合物膜。在这种情况下，聚合物膜可以由选自聚烯烃、聚酯、聚酰亚胺和聚酰胺的任何一种、或者其两种或更多种的混合物制成。
另外，包括第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的隔离层，起到防止电极短路的功能，并且更特别地，本公开的隔离层包含在第一内电极和第一外电极之间形成的第一隔离层、在第二内电极和第二外电极之间形成的第二隔离层、和在第一电极组件和第二电极组件之间形成的第三隔离层。
本公开的隔离层可以是电解质层或隔膜。
充当离子通道的电解质层可以由下列电解质制成：使用PEO、PVdF、PVdF-HFP、PMMA、PAN或PVAc的凝胶型聚合物电解质；或使用PEO、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚硫化乙烯(PES)或聚乙酸乙烯酯(PVAc)等的固体电解质。固体电解质的基质优选使用聚合物或陶瓷玻璃作为骨架形成。在典型的聚合物电解质的情况下，即使当满足离子传导性时，离子也可能在反应速率方面移动很慢。因此，相比固体电解质，优选使用便于离子移动的凝胶型聚合物电解质。凝胶型聚合物电解质的机械性质差，因此可以包含支撑体来改善差的机械性质。支撑体可以是多孔支撑体或交联聚合物。本公开的电解质层可以充当隔离膜，因此可以省略另外的隔离层。
本公开的电解质层还可以包含锂盐。锂盐可改善离子传导性和反应速率。锂盐的非限制性例子可以包括LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼酸锂、低级脂族羧酸锂和四苯基硼酸锂。
另外，隔膜的例子可以包括但不限于，由选自乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-己烯共聚物和乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物的聚烯烃类聚合物制成的多孔聚合物基材；由选自聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯的聚合物制成的多孔聚合物基材；由无机粒子和粘合剂聚合物的混合物制成的多孔基材；或具有在多孔聚合物基材的至少一个表面上形成的包含无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层的隔膜。
在这种情况下，在包含无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层中，无机粒子通过粘合剂聚合物彼此粘合，使它们保持在彼此粘合的状态(即，粘合剂聚合物连接和固定无机粒子)，并且多孔涂层也通过粘合剂聚合物与多孔聚合物基材保持粘合的状态。多孔涂层的无机粒子是最密集地堆积的，同时基本上彼此接触，并且由接触布置的无机粒子生成的间隙体积成为多孔涂层的孔隙。
另外，本公开的隔离层优选是被卷绕的。
根据本公开的一种实施方式的线缆型二次电池具有预定形状的横截面和相对于横截面纵向延伸的线性结构。根据本公开的一种实施方式的线缆型二次电池可以具有柔性，因此它能自由改变形状。本文中使用的术语“预定形状”不特别限于任何形状并且是指不损害本公开的性质的任何形状。
本公开的内电极可以是负极或正极，并且外电极可以是与内电极对应的正极或负极。
在本公开中，电极活性材料层使得离子移动穿过集电器，并且离子的移动是由离子的相互作用例如离子嵌入电解质层/从电解质层脱嵌引起的。
这样的电极活性材料层可以分成负极活性材料层和正极活性材料层。
具体而言，当内电极是负极且外电极是正极时，内电极活性材料层成为负极活性材料层并可以包含选自下列的任何一种活性材料粒子：天然石墨，人造石墨或碳质材料；锂钛复合氧化物(LTO)，和包括Si、Sn、Li、Zn、Mg、Cd、Ce、Ni或Fe的金属(Me)；金属(Me)的合金；金属(Me)的氧化物(MeOx)；以及金属(Me)和碳的复合物；及其两种或更多种的混合物，并且外电极活性材料层成为正极活性材料层并可以包含选自下列的任何一种活性材料粒子：LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2和LiNi1-x-y-zCoxM1yM2zO2(其中M1和M2各自独立地选自Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg和Mo，并且x、y和z各自独立地是氧化物形成元素的原子分数，其中0≤x<0.5，0≤y<0.5，0≤z<0.5，和x+y+z≤1)，或者其两种或更多种的混合物。
另外，当内电极是正极且外电极是负极时，内电极活性材料层可以是正极活性材料层并且外电极活性材料层可以是负极活性材料层。
电极活性材料层包含电极活性材料、粘合剂和导电材料并与集电器结合以构成电极。当电极遭受变形、例如被外力折叠或严重弯曲时，电极活性材料脱离。这样的电极活性材料脱离造成电池性能和电池容量劣化。相反，被螺旋卷绕的片型外集电器因为其弹性，在被外力变形时起到分散外力的功能，从而减轻电极活性材料层的变形。因此，可防止活性材料的脱离。
根据本公开的一种实施方式的线缆型二次电池具有保护涂层400。参考图9，保护涂层充当绝缘体并在最外面的电极组件的外表面上形成，以便保护电极抵御空气中的水分和外部碰撞。保护涂层可以由具有水分阻挡层的常规聚合物树脂制成。在这种情况下，水分阻挡层可以由具有优异的阻水能力的铝、液晶聚合物等制成，并且聚合物树脂可以是PET、PVC、HDPE、环氧树脂等。
如图9所示，根据本公开的一种实施方式，线缆型二次电池可以包含第一电极组件，所述第一电极组件包含：一个或多个线型内电极110、包围第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层120和被螺旋卷绕以包围第一隔离层120的片型第一外电极130；
包围第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层200；
第二电极组件，所述第二电极组件包含包围第三隔离层的外表面的第二内电极310、包围第二内电极的外表面以防止电极短路的片型第二隔离层320和被螺旋卷绕以包围第二隔离层的片型第二外电极330；和
包围第二电极组件的外表面的保护涂层400。
如下简要描述该线缆型二次电池的制造方法。形成第一电极组件、第三隔离层和第二电极组件，然后形成保护涂层包围第二电极组件的外表面。
保护涂层充当绝缘体并在最外表面上形成，以便保护电极抵御空气中的水分和外部碰撞。保护涂层可以由如上所述包含水分阻挡层的普通聚合物树脂制成。
然后，注入非水电解液并完全密封以制造线缆型二次电池。
另外，在本公开的另一种优选实施方式中，多层线缆型二次电池可以包含：一个或多个第一内电极；和一个或多个第二内电极，其中各第一内电极具有在其中具有空区域的中空结构，如上所述。
本公开涉及多层线缆型二次电池，其包含：第一电极组件，所述第一电极组件包含：一个或多个第一内电极、各具有在其中具有空区域的中空结构，包围第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层，和被螺旋卷绕以包围第一隔离层的片型第一外电极；包围第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层；和第二电极组件，所述第二电极组件包含一个或多个包围第三隔离层的外表面的第二内电极、包围第二内电极的外表面以防止电极短路的第二隔离层和被螺旋卷绕以包围第二隔离层的片型第二外电极。
参考图10，图10是示出第一电极组件的示意图，线缆型二次电池包含第一电极组件100a，第一电极组件100a包含具有在其中具有空区域的中空结构的第一内电极110a、包围第一内电极110a的外表面以防止电极短路的第一隔离层120和被螺旋卷绕以包围第一隔离层120的外表面的片型第一外电极130。另外，参考图11，提供了包围上述图10的第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层200a。另外，线缆型电池包含第二电极组件300a，第二电极组件300a包含包围第三隔离层200a的外表面的第二内电极310a、包围第二内电极310a的外表面以防止电极短路的第二隔离层320a和被螺旋卷绕以包围第二隔离层320a的片型第二外电极330a。
因此，本公开涉及通过在线缆型二次电池中形成呈多层形态的第一电极组件和第二电极组件、例如包含负极/正极/负极/正极的结构来改善线缆型电池的单位长度电池容量，并且本公开包括具有如图11所示的第一电极组件和第二电极组件的多层结构的多层线缆型电池以及还包含在其上布置的另外的电极组件的多层线缆型电池。
图12中示意性显示了图11中显示的本公开多层线缆型二次电池的制造方法。参考图12，将线型第一内电极110a卷绕以在其中形成空区域，然后将第一隔离层120a卷绕以包围第一内电极110a的外表面，然后将片型第一外电极130a螺旋卷绕以包围第一隔离层120a从而形成第一电极组件100a。然后，将第三隔离层200a卷绕以包围第一电极组件。然后，将线型第二内电极310a卷绕以包围第三隔离层200a的外表面，然后将第二隔离层320a卷绕以包围第二内电极310a的外表面，并然后将片型第二外电极螺旋卷绕以包围第二隔离层320a，从而形成第二电极组件300a。
以下，将更详细地描述各个部件。
包含第一内电极和第二内电极二者的内电极包含内集电器和内电极活性材料层，更具体而言包含一个或多个内集电器和在内集电器的表面上形成的内电极活性材料层。
另外，它可以包含一个或多个被螺旋卷绕的线型内集电器、两个或更多个被螺旋卷绕成彼此交叉的线型内集电器、或者一个或多个被螺旋卷绕的片型内集电器。
另外，内电极活性材料层可以在内集电器的整个表面上形成，或内电极活性材料层可以包围被卷绕的内集电器的外表面而形成。
更具体而言，关于在线型内集电器的整个表面上形成内电极活性材料层的这种结构，可以存在具有线型内集电器和包含在线型内集电器表面上形成的内电极活性材料层的一个线型内电极，如图11所示，或者可以将具有两个或更多个内集电器10a和包含在内集电器表面上形成的内电极活性材料层的两个或更多个内电极卷绕使其彼此交叉，如图13所示。当两个或更多个线型内电极如上所述卷绕在一起时，有改善电池的倍率特性的优点。
另外，关于内电极活性材料层包围被卷绕的内集电器的外表面的这种结构，可以卷绕内集电器，然后可以形成内电极活性材料层以包围被卷绕的内集电器的外表面。
在这种情况下，内电极，即第一内电极和第二内电极，还可以包含在内电极活性材料层的表面上形成的聚合物支撑层。
聚合物支撑层的功能、材料、孔隙大小和孔隙率、形成方法等如上所述。
在这种情况下，第一内电极可以具有在其中具有空区域的中空结构。
根据一种实施方式，可以在内电极的空区域中形成内电极集电器用芯。内电极集电器用芯可以由下列材料制成：碳纳米管；不锈钢，铝；镍；钛；烧结碳；铜；用碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；用导电材料表面处理过的非导电聚合物；或导电聚合物。
根据另一种实施方式，可以在内电极的空区域中形成包含电解质的锂离子供给用芯。锂离子供给用芯可以包含凝胶型聚合物电解质和支撑体。另外，锂离子供给用芯可以包含液体电解质和多孔载体。
根据另一种实施方式，在内电极的空区域中可以形成填充芯。除了如上所述用于形成内电极集电器用芯和锂离子供给用芯的材料之外，填充芯也可以使用用于改善线缆型二次电池的各种性能的材料例如聚合物树脂、橡胶、无机物等形成为各种形状，例如线、纤维、粉末、网眼、泡沫等。
另外，第二内电极包围隔离层的外表面，更具体而言，第二内电极可以在以线的形态卷绕在隔离层的外表面上的同时包围所述外表面。
在这种情况下，外电极可以包含外集电器31a和在外集电器的一个表面上形成的外电极活性材料层32a。在这种情况下，外集电器可以是网眼型集电器。
图14至16是示出了图11的外电极的B区域的示意性横截面图。
如图14所示，外电极还可以包含在外电极活性材料层32a上形成的多孔第一支撑层33a，并且即使向电极施加外力例如弯曲或扭曲，多孔第一支撑层33a起到缓冲体的功能以减轻向电极活性材料层32a施加的外力，从而防止电极活性材料层32a的脱离并从而改善电极的柔性。另外，可以如图15所示另外形成的第二支撑层34a可防止集电器31a的开路并从而进一步改善集电器31a的柔性。
另外，外电极还可以在第一支撑层33a上包含含有导电材料和粘合剂的导电材料涂层35a，如图16所示，并且它还可以在第一支撑层33a上包含含有无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层。
另外，隔膜的例子可以包括但不限于，由选自乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-己烯共聚物和乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物的聚烯烃类聚合物制成的多孔聚合物基材；由选自聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯的聚合物制成的多孔聚合物基材；由无机粒子和粘合剂聚合物的混合物制成的多孔基材；或具有在多孔聚合物基材的至少一个表面上形成的包含无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层的隔膜。
在这种情况下，在包含无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层中，无机粒子通过粘合剂聚合物彼此粘合，使其彼此保持粘合的状态(即，粘合剂聚合物连接和固定无机粒子)，并且多孔涂层也通过粘合剂聚合物与多孔聚合物基材保持粘合的状态。多孔涂层的无机粒子是最密集地堆积的，同时基本上彼此接触，并且由接触布置的无机粒子生成的间隙体积成为多孔涂层的孔隙。
特别是，也为了便于锂离子从锂离子供给用芯传递到外电极，隔膜优选是与由选自聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯的聚合物制成的多孔聚合物基材相对应的无纺布材料制成的隔膜。
根据本公开的一种实施方式的线缆型二次电池具有保护涂层500a。参考图17和18，保护涂层充当绝缘体并在最外面的电极组件的外表面上形成，以便保护电极抵御空气中的水分和外部碰撞。保护涂层可以由具有水分阻挡层的常规聚合物树脂制成。在这种情况下，水分阻挡层可以由具有优异的阻水能力的铝、液晶聚合物等制成，并且聚合物树脂可以是PET、PVC、HDPE、环氧树脂等。
如图17所示，根据本公开的一种实施方式的线缆型二次电池可以包含：第一电极组件，所述第一电极组件包含一个在其内部空区域中具有锂离子供给用芯400a的第一内电极110a、包围第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层120a和被螺旋卷绕以包围第一隔离层的片型第一外电极130a；包围第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层200a；第二电极组件，所述第二电极组件包含包围第三隔离层的外表面的第二内电极310a、包围第二内电极的外表面以防止电极短路的第二隔离层320a和被螺旋卷绕以包围第二隔离层的片型第二外电极330a；和包围第二电极组件的外表面的保护涂层500a。
如图18所示，根据本公开的一种实施方式的线缆型二次电池可以包含：第一电极组件，所述第一电极组件包含两个或更多个在其内部空区域中具有锂离子供给用芯400a的第一内电极110a、包围两个或更多个第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层120a和被螺旋卷绕以包围第一隔离层的片型第一外电极130a；包围第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层200a；第二电极组件，所述第二电极组件包含包围第三隔离层的外表面的第二内电极310a、包围第二内电极的外表面以防止电极短路的第二隔离层320a和被螺旋卷绕以包围第二隔离层的片型第二外电极330a；和包围第二电极组件的外表面的保护涂层500a。
如下简要描述该线缆型二次电池的制造方法。形成第一电极组件、第三隔离层和第二电极组件，然后形成保护涂层以包围第二电极组件的外表面。
保护涂层充当绝缘体并在最外表面上形成，以便保护电极抵御空气中的水分和外部碰撞。保护涂层可以由如上所述的包含水分阻挡层的普通聚合物树脂制成。
然后，将电解质注入到内电极的中心部分内形成的空区域中以形成锂离子供给用芯。
锂离子供给用芯可以通过在电极组件的外表面上形成保护涂层后引入电解液而形成，但它可以使用挤出机利用聚合物电解质预先形成为线形态，然后形成被卷绕的线型内电极，或可以通过制备由海绵材料制成的线型载体来预先形成，然后在其中引入非水电解液，或可以通过制备内电极和然后在内电极的中心部分的空区域中引入非水电解液而形成。
然后，注入电解液的部分被完全密封，以制造线缆型二次电池。
【标号说明】
110，110a：第一内电极
120，120a：第一隔离层
130，130a：第一外电极
100，100a：第一电极组件
200，200a：第三隔离层
310，310a：第二内电极
320，320a：第二隔离层
330，330a：第二外电极
300，300a：第二电极组件
10a：内电极
20a：隔离层
30a：外电极
31，31a：外集电器
32，32a：外电极活性材料层
33，33a：第一支撑层
34，34a：第二支撑层
35，35a：导电层
400，500a：保护涂层
400a：锂离子供给用芯

Claims (28)

1.多层线缆型二次电池，其包含：
第一电极组件，所述第一电极组件包含一个或多个第一内电极、包围所述第一内电极的外表面以防止电极短路的第一隔离层和被螺旋卷绕以包围所述第一隔离层的片型第一外电极；
包围所述第一电极组件以防止电极短路的第三隔离层；和
第二电极组件，所述第二电极组件包含一个或多个包围所述第三隔离层的外表面的第二内电极、包围所述第二内电极的外表面以防止电极短路的第二隔离层和被螺旋卷绕以包围所述第二隔离层的片型第二外电极。
2.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述第一内电极包含一个或多个平行布置的线型内电极或者两个或更多个绞合在一起布置的线型内电极。
3.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述第二内电极包含一个或多个被螺旋卷绕以包围所述第三隔离层的外表面的线型内电极。
4.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述第一内电极和所述第二内电极各自包含内集电器和在所述内集电器的表面上形成的内电极活性材料层。
5.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述片型外电极具有侧向延伸的条形结构。
6.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述片型外电极被螺旋卷绕，使得所述片型外电极彼此不重叠。
7.根据权利要求6所述的多层线缆型二次电池，其中所述片型外电极被螺旋卷绕，使得所述片型外电极彼此隔开小于所述片型外电极的宽度的2倍的距离而彼此不重叠。
8.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述片型外电极被螺旋卷绕，使得所述片型外电极彼此重叠。
9.根据权利要求8所述的多层线缆型二次电池，其中所述片型外电极被螺旋卷绕，使得重叠部分的宽度小于所述片型外电极的宽度的0.9倍。
10.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述外电极包含外集电器和在所述外集电器的一个表面上形成的外电极活性材料层。
11.根据权利要求10所述的多层线缆型二次电池，其中所述外电极还包含在所述外电极活性材料层上形成的多孔第一支撑层。
12.根据权利要求11所述的多层线缆型二次电池，还包含在所述第一支撑层上的包含导电材料和粘合剂的导电材料涂层。
13.根据权利要求11所述的多层线缆型二次电池，还包含在所述第一支撑层上的包含无机粒子和粘合剂聚合物的混合物的多孔涂层。
14.根据权利要求11所述的多层线缆型二次电池，其中所述外电极还包含在所述外集电器的另一个表面上形成的第二支撑层。
15.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述隔离层是被卷绕的。
16.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述内电极是负极或正极，而所述外电极是与所述内电极对应的正极或负极。
17.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，还包含包围所述第二电极组件的外表面的保护涂层。
18.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述多层线缆型二次电池包含：
一个或多个第一内电极；和
一个或多个第二内电极，
其中各所述第一内电极具有在其中具有空区域的中空结构。
19.根据权利要求18所述的多层线缆型二次电池，其中所述第一和第二内电极各自独立地包含一个或多个被螺旋卷绕的线型内集电器，或者一个或多个被螺旋卷绕的片型内集电器。
20.根据权利要求18所述的多层线缆型二次电池，其中所述第一和第二内电极包含两个或更多个在彼此交叉的同时被螺旋卷绕的线型内集电器。
21.根据权利要求18所述的多层线缆型二次电池，其中所述第一和第二内电极各自独立地包含在内集电器的整个表面上形成的内电极活性材料层，或者包围被卷绕的内集电器的外表面而形成的内电极活性材料层。
22.根据权利要求18所述的多层线缆型二次电池，其中所述第一和第二内电极还包含在所述内电极活性材料层的表面上形成的聚合物支撑层。
23.根据权利要求18所述的多层线缆型二次电池，其中所述多层线缆型二次电池包含在所述第一内电极的空区域中形成的内电极集电器用芯、包含电解质的锂离子供给用芯、或填充芯。
24.根据权利要求23所述的多层线缆型二次电池，其中所述内电极集电器用芯由以下材料制成：碳纳米管；不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；铜；用碳、镍、钛或银表面处理过的不锈钢；铝-镉合金；用导电材料表面处理过的非导电聚合物；或导电聚合物。
25.根据权利要求23所述的多层线缆型二次电池，其中所述锂离子供给用芯包含凝胶型聚合物电解质和支撑体。
26.根据权利要求23所述的多层线缆型二次电池，其中所述锂离子供给用芯包含液体电解质和多孔载体。
27.根据权利要求23所述的多层线缆型二次电池，其中所述填充芯包含聚合物树脂、橡胶或无机化合物，并且所述聚合物树脂、橡胶或无机化合物具有线、纤维、粉末、网眼或泡沫的形状。
28.根据权利要求1所述的多层线缆型二次电池，其中所述外电极包含：外集电器；在所述外集电器的一个表面上形成的外电极活性材料层；和在所述外集电器的另一个表面上形成的多孔支撑层。
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