CN108475766A - 电极单元及用于制造该电极单元的方法 - Google Patents

电极单元及用于制造该电极单元的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种电极单元和一种用于制造该电极单元的方法。根据本发明，在利用热量制造出电极单元之后，可以消除或最小化由冷却电极单元导致的电极单元的弯曲。为了实现上述目的，在根据本发明实施方式的用于制造电极单元的方法中，计算施加至正极集流体和负极集流体中的每一个的内部的应力以反映计算结果，由此选择正极集流体和负极集流体。

Description

电极单元及用于制造该电极单元的方法
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年10月7日提交的韩国专利申请第10-2016-0130071号的优先权的权益，通过引用将上述韩国专利申请作为整体并入本文。
技术领域
本发明涉及一种电极单元和一种用于制造该电极单元的方法。
背景技术
一般来说，可重复地充电和放电的二次电池(secondary battery)包括电极组件(electrode assembly)。在此，电极组件可通过结合电极单元(electrode unit)来制造。
图1是图解根据相关技术的电极单元的示例的侧视图。如图1中所示，电极单元可包括正极、隔膜和负极。电极单元可通过交替地堆叠正极、隔膜和负极而形成。电极单元彼此结合以制造电极组件。电极单元可通过各种制造方法制造。例如，制造电极单元的工序可包括将热量施加至正极、隔膜和负极的工序。集流体的两个表面或一个表面可涂覆有正极活性材料以制造正极。此外，集流体的两个表面或一个表面可涂覆有负极活性材料以制造负极。
图2是图解根据相关技术的电极单元的制造方法的示例的侧视图。
如图2中所示，电极单元的制造方法可以是层压(lamination)工艺。层压工艺是如下一种工艺：将隔膜和电极布置成彼此接触或彼此接近，然后通过利用诸如辊之类的设备加热和/或压制隔膜和电极以使隔膜与电极结合。
发明内容
技术问题
当通过诸如层压工艺之类的加热工艺来制造电极单元时，完成的电极单元随着时间推移而冷却。因此，当通过加热工艺来制造电极单元时，电极单元随着时间推移而收缩。然而，电极单元包括多种彼此不同的材料。因此，由于多种材料具有不同的热膨胀系数(coefficient of expansion)，所以电极单元的部件以彼此不同的收缩比收缩，从而导致电极单元弯曲。
在制造电极单元的工艺中，可考虑去除加热工艺或降低热施加的程度的方法。然而，在这种情况下，隔膜与电极之间的结合力以及电极单元的刚度(stiffness)可能会下降。
因此，为了解决上述问题，本发明的目的是即使在通过施加热量来制造电极单元的工艺之后电极单元被冷却，也可以防止电极单元弯曲或使电极单元的弯曲最小化。
技术方案
根据用于实现上述目的的本发明的第一方面，一种用于制造包括正极、负极和隔膜的电极单元的方法包括：选择步骤，选择设置在正极中的正极集流体和设置在负极中的负极集流体；涂覆步骤，将活性材料施加至在选择步骤中选择出的正极集流体和负极集流体中的每一个；以及结合步骤，施加热量以将正极、隔膜和负极彼此结合，其中，在选择步骤中，计算由于在制造出电极单元之后电极单元的冷却而施加至正极集流体和负极集流体中的每一个的内部的应力(stress)，以反映计算结果，由此选择正极集流体和负极集流体。
在选择步骤中，可以根据正极集流体或负极集流体的厚度计算施加至正极集流体和负极集流体中的每一个的内部的应力，以选择正极集流体和负极集流体。
在选择步骤中，可以选择正极集流体和负极集流体，使得正极集流体的厚度与负极集流体的厚度的比率为1.8至3.1。
正极集流体可由铝制成，负极集流体可由铜制成。
正极、隔膜和负极可通过层压(lamination)工艺彼此结合。
根据用于实现上述目的的本发明的第二方面，一种用于制造包括正极、负极和隔膜的电极单元的方法包括：选择步骤，选择设置在正极中的正极集流体和设置在负极中的负极集流体；涂覆步骤，将活性材料施加至在选择步骤中选择出的正极集流体和负极集流体中的每一个；以及结合步骤，施加热量以将正极、隔膜和负极彼此结合，其中，在选择步骤中，根据正极集流体的厚度变化或负极集流体的厚度变化，计算由于在制造出电极单元之后电极单元的冷却导致的正极集流体和负极集流体的收缩所引起的电极单元的弯曲程度，以选择正极集流体和负极集流体。
在选择步骤中，可以选择正极集流体和负极集流体，使得正极集流体的厚度与负极集流体的厚度的比率为1.8至3.1。
正极集流体可由铝制成，负极集流体可由铜制成。
正极、隔膜和负极可通过层压(lamination)工艺彼此结合。
根据用于实现上述目的的本发明的第三方面，一种电极单元包括正极、负极和隔膜，其中所述正极、所述负极和所述隔膜彼此结合，所述正极和所述负极分别包括正极集流体和负极集流体，所述正极集流体的厚度与所述负极集流体的厚度的比率为1.8至3.1。
正极集流体可由铝制成，负极集流体可由铜制成。
有益效果
根据本发明，即使在通过施加热量来制造电极单元的工艺之后电极单元被冷却，也可以防止电极单元发生弯曲或使电极单元的弯曲最小化。
附图说明
图1是图解根据相关技术的电极单元结构的示例的侧视图。
图2是图解根据相关技术的电极单元的制造方法的示例的侧视图。
图3是图解在完成制造电极单元之后，由于电极单元的冷却而导致的电极单元的翘曲状态的侧视图。
图4是图解根据本发明的在根据铝的厚度与铜的厚度的比率(Al/Cu thicknessratio，Al/Cu厚度比率)的变化来测试电极单元的弯曲程度之后获得的结果的图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述根据本发明实施方式的用于制造电极单元的方法。
如上所述，当施加热量以制造电极单元时，在制造电极单元之后冷却电极单元时，发生电极单元的弯曲。由于构成正极和负极的正极集流体和负极集流体之间的热膨胀系数不同，电极单元的弯曲受到很大影响。
图3是图解在完成制造电极单元之后，由于电极单元的冷却而导致的电极单元的翘曲状态的侧视图。
电极单元1的电极10和20中的每一个可包括电极活性材料(未示出)和集流体(未示出)，集流体的一个表面或两个表面涂覆有电极活性材料。构成电极的正极10和负极20可彼此面向，在正极10和负极20之间具有隔膜30。在制造电极单元时，可将热量施加至正极10和负极20以将正极10和负极20结合至隔膜30。例如，可通过层压(lamination)工艺来制造电极单元1。
正极集流体和负极集流体可以由彼此不同的材料制成。因此，正极集流体和负极集流体可具有彼此不同的物理性质。具体地，由于正极集流体和负极集流体具有彼此不同的热膨胀系数(coefficient of expansion)，因此正极集流体和负极集流体在冷却时可具有不同的收缩比，从而导致电极单元弯曲。
例如，正极10的正极集流体可由铝制成，负极20的负极集流体可由铜制成。基于线性膨胀系数，铝可具有23.1μm*m-1*K-1的热膨胀系数(基于25摄氏度)，铜可具有16.5μm*m-1*K-1的热膨胀系数(基于25摄氏度)。下文中，尽管将其中正极集流体由铝制成且负极集流体由铜制成的情形作为示例进行描述，但本发明并不限于此。例如，本发明还可应用于其中正极集流体或负极集流体由不同材料制成的情形。
在通过施加热量制造电极单元1之后将电极单元1冷却时，形成正极集流体的铝可比形成负极集流体的铜相对收缩的更多。因此，如图3中所示，电极单元1的两端会朝向铝(即，正极集流体)弯曲。
在此，由于铝和铜的弯曲程度与电极单元的整体弯曲程度不同，因此可由于拉伸力或收缩力而在铝和铜中产生应力(stress)。也就是说，由于铝(即，正极集流体)的收缩程度大于电极单元的整体收缩程度，因此由于从铝的中心到两端作用的拉伸力导致在铝中产生拉伸应力(tensile stress)。另一方面，由于铜(即，负极集流体)的收缩程度小于电极单元的整体收缩程度，因此由于朝向铜的中心作用的收缩力导致在铜中产生收缩应力(例如，压缩应力，compressive stress)。
为了更加清楚起见，铝和铜具有不同的线性膨胀系数，因此由于温度变化而导致的铝的热变形的量大于铜的热变形的量。因此，可以从概念上理解，铜对铝施加拉伸应力，而铝对铜施加收缩应力。
通过下面的方程式对此进行解释。
应力(stress)(下文中，在本申请中以符号“σ”表示)定义为作用于材料的每单位面积A上的材料的电阻率P。也就是说，应力被定义如下。
(下文中，称为“[方程式1]”)
此外，应力可由下面的方程式表示。当材料在弹性极限(elastic limit)内变形时，应力表示为弹性模量(modulus of elasticity)或杨氏模量(Young’s modulus)(下文中，在本申请中以符号“E”表示)与应变(strain，每单位长度材料的应变，下文中，在本申请中以符号“ε”表示)的乘积。也就是说，应力被定义如下。
σ＝E×ε(下文中，称为“[方程式2]”)
在此，当[方程式2]被归纳为ε，然后代入[方程式1]时，导出以下方程式。
(下文中，称为“[方程式3]”)
根据定义，材料在长度上的位移(displacement)(下文中，在本申请中以符号“λ”表示)定义为应变与材料的长度(length)(下文中，在本说明书中以符号“L”表示)的乘积。因此，导出以下方程式。
(下文中，称为“[方程式4]”)
由于构成电极单元1的正极集流体和负极集流体的冷却而导致的收缩长度必须考虑由于温度变化而导致的收缩的影响以及作用在材料上的应力的影响。
也就是说，参照图3，铝(即，正极集流体)的收缩长度量是通过从根据温度变化而收缩的长度量减去因拉伸应力而收缩的长度量获得的值，铜(即，负极集流体)的收缩长度量是根据温度变化而收缩的长度量与因收缩应力而收缩的长度量的总和。然而，由于正极和负极结合至同一隔膜，因此假定铝的收缩长度量和铜的收缩长度量是相同的。因此，当基于线性膨胀系数的材料的热膨胀系数为α，且温度变化为ΔT时，导出以下方程式。
(下文中，称为“[方程式5]”)
在此，当假定正极集流体和负极集流体具有相同的长度(Lal＝Lcu)，且[方程式5]被归纳为P时，导出以下方程式。
(下文中，称为“[方程式6]”)
也就是说，可通过利用[方程式6]获得施加到电极单元内部的电阻率P，然后，可将电阻率P代入[方程式1]中以获得αal和αcu。
当正极集流体由铝制成且负极集流体由铜制成时，电极单元1的两端可朝向铝弯曲。因此，为了减小电极单元1的弯曲程度，需要使铝的位移λal减小，或使铜的位移λcu增加。在此，参照[方程式2]和[方程式4]，为了减小铝的位移λal，需要使铝的应力σal减小。此外，为了增加铜的位移λcu，需要使应力σcu增加。
也就是说，根据本发明实施方式的包括加热电极单元工序的用于制造电极单元的方法可包括以下工序：计算由于正极和负极的冷却而施加至正极集流体和负极集流体中的每一个的内部的应力，以反映计算结果，由此选择正极集流体和负极集流体。也就是说，选择正极集流体和负极集流体的工序可包括以下工序：计算施加至正极集流体和负极集流体中的每一个的内部的应力，以防止电极单元的弯曲或使电极单元的弯曲最小化。
如上所述，存在用于控制施加至冷却的正极集流体和负极集流体中的每一个的内部的应力的各种方法。其中，本发明的发明人已证实，正极集流体或负极集流体的厚度对施加至正极集流体或负极集流体内部的应力具有很大影响。表1示出了当正极集流体由铝制成，并且负极集流体由铜制成时，根据铝或铜的厚度变化来测量铝或铜的应力而获得的试验结果。
【表1】
根据铝或铜的厚度变化来测量铝和铜的应力而获得的试验结果
如上表所示，当铜的厚度减小5μm时，可以证实，铝的应力减小，且铜的应力增加，从而减轻了电极单元的弯曲。当铝的厚度增加5μm时，可以证实，铝的应力减小，且铜的应力增加，从而减轻了电极单元的弯曲。
具体而言，根据试验结果，在正极集流体由铝制成且负极集流体由铜制成地情形中，当铜的厚度减小5μm时，可以证实，铝的应力从1.4kgf/mm2到1.0kgf/mm2减小28％，且铜的应力从1.6kgf/mm2到2.3kgf/mm2增加44％。另一方面，当铝的厚度增加5μm时，可以证实，铝的应力从1.4kgf/mm2到1.2kgf/mm2减小14％，且铜的应力从1.6kgf/mm2到2.0kgf/mm2增加25％。也就是说，本发明的发明人已经证实，为了减轻电极单元的弯曲，铜的厚度调整比铝的厚度调整更有效，以便减小铝的应力并且增加铜的应力。
对于减轻电极单元的弯曲，铜的厚度调整比铝的厚度调整更有效的原因在于：铜的杨氏模量(Young’s modulus)比铝的杨氏模量高约1.6倍(铜的杨氏模量为110Gpa，铝的杨氏模量为69Gpa)，板(plate)状材料上的弯矩(bending moment)与厚度的三次方成正比。
然而，不可能无限制地减小铜的厚度或无限制地增加铝的厚度以减轻电极单元的弯曲。这是因为，当铜的厚度过度减小，或铝的厚度过度增加时，电极单元的两端可能会朝向铜(即，负极集流体)弯曲。因此，为了使电极单元的弯曲最小化，已经证实，铝厚度与铜厚度的比率也是一个重要因素。
图4是图解在根据铝的厚度与铜的厚度的比率(Al/Cu thickness ratio，Al/Cu厚度比率)的变化来测试电极单元的翘曲程度之后获得的结果的图。
如图4中所示，当铝的厚度与铜的厚度的比率在预定范围内时，可以证实，能够显著防止电极单元弯曲。如图4中所示，本发明的发明人已通过试验证实，当铝的厚度与铜的厚度的比率为1.8至3.1时，电极单元的弯曲程度显著降低。
下文中，将参照上述内容描述根据本发明实施方式的一种用于制造电极单元的方法。
根据本发明实施方式的一种用于制造包括正极、负极和隔膜的电极单元的方法可包括：选择步骤，选择正极中设置的正极集流体和负极中设置的负极集流体；涂覆步骤，将活性材料施加至在选择步骤中所选择的正极集流体和负极集流体的每一个；以及结合步骤，施加热量以将正极、隔膜和负极彼此结合。在此，所述选择步骤可包括以下步骤：计算由于正极和负极的冷却而施加至正极集流体和负极集流体中的每一个的内部的应力(stress)，以反映计算结果，由此选择正极集流体和负极集流体。如上所述，可对正极集流体的厚度和负极集流体的厚度进行调整以控制施加至正极集流体和负极集流体内部的应力。
尽管已参照具体实施方式描述了本发明的实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种变化和修改。

Claims (11)

1.一种用于制造包括正极、负极和隔膜的电极单元的方法，所述方法包括：
选择步骤，选择设置在正极中的正极集流体和设置在负极中的负极集流体；
涂覆步骤，将活性材料施加至在所述选择步骤中选择出的所述正极集流体和所述负极集流体中的每一个；以及
结合步骤，施加热量以将所述正极、所述隔膜和所述负极彼此结合，
其中，在所述选择步骤中，计算由于在制造出所述电极单元之后所述电极单元的冷却而施加至所述正极集流体和所述负极集流体中的每一个的内部的应力(stress)，以反映计算结果，由此选择所述正极集流体和所述负极集流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述选择步骤中，根据所述正极集流体或所述负极集流体的厚度计算施加至所述正极集流体和所述负极集流体中的每一个的内部的应力，以选择所述正极集流体和所述负极集流体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述选择步骤中，选择所述正极集流体和所述负极集流体，使得所述正极集流体的厚度与所述负极集流体的厚度的比率为1.8至3.1。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述正极集流体由铝制成，且所述负极集流体由铜制成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述正极、所述隔膜和所述负极通过层压(lamination)工艺彼此结合。
6.一种用于制造包括正极、负极和隔膜的电极单元的方法，所述方法包括：
选择步骤，选择设置在正极中的正极集流体和设置在负极中的负极集流体；
涂覆步骤，将活性材料施加至在所述选择步骤中选择出的所述正极集流体和所述负极集流体的每一个；以及
结合步骤，施加热量以将所述正极、所述隔膜和所述负极彼此结合，
其中，在所述选择步骤中，根据所述正极集流体的厚度变化或所述负极集流体的厚度变化，计算由于在制造出所述电极单元之后所述电极单元的冷却而导致的所述正极集流体和所述负极集流体的收缩所引起的所述电极单元的弯曲程度，以选择所述正极集流体和所述负极集流体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述选择步骤中，选择所述正极集流体和所述负极集流体，使得所述正极集流体的厚度与所述负极集流体的厚度的比率为1.8至3.1。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述所述正极集流体由铝制成，且所述负极集流体由铜制成。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述正极、所述隔膜和所述负极通过层压(lamination)工艺彼此结合。
10.一种电极单元，包括正极、负极和隔膜，
其中所述正极、所述负极和所述隔膜彼此结合，
所述正极和所述负极分别包括正极集流体和负极集流体，并且
所述正极集流体的厚度与所述负极集流体的厚度的比率为1.8至3.1。
11.根据权利要求10所述的电极单元，其中所述正极集流体由铝制成，并且所述负极集流体由铜制成。
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