CN109417190B

CN109417190B - 二次电池

Info

Publication number: CN109417190B
Application number: CN201780042962.5A
Authority: CN
Inventors: 高永山; 金旼载; 金基俊; 曹彩雄; 李准植
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2037-07-17
Also published as: WO2018026117A1; CN109417190A; KR20180014520A; US20190237767A1; KR102619895B1; US10916778B2

Abstract

公开了一种二次电池，其可通过在电极板上形成碳涂层和电极活性物质层使得碳涂层的端部和电极活性物质层的端部处于不同位置来提高安全性。作为示例，所公开的二次电池包括：电极组件，包括第一电极板、第二电极板和置于它们之间的隔板；以及用于接纳电极组件的壳体，其中第一电极板包括：第一电极集电体；形成在第一电极集电体的至少一个表面上的碳涂层；和覆盖碳涂层的至少一部分的第一电极活性物质层，其中碳涂层和电极活性物质层形成为使得碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部处于不同位置，并且在碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部中的至少一个上形成有突起。

Description

二次电池

技术领域

本发明的实施例涉及二次电池。

背景技术

与不能充电的一次电池不同，二次电池可以再充电。由一个单电池组成的低容量二次电池被用作各种便携式小型电子设备的电源，例如手机和便携式摄像机。其中几十个单电池在电池组中连接的大容量二次电池，被广泛用作电机驱动的电源，例如混合动力汽车中的电机驱动。

二次电池制造成各种形状，其代表性形状包括圆柱形、棱柱形和袋形。二次电池被配置成使得电极组件和电解质被接纳在壳体中，并且盖板被联接到壳体，其中电极组件由正电极板和负电极板以及它们之间作为绝缘体介入的隔板形成。当然，正电极端子和负电极端子连接到电极组件，然后暴露或突出到壳体的外部。

发明内容

【技术问题】

本发明的实施例提供一种二次电池，其能通过在电极板上形成碳涂层和电极活性物质层使得碳涂层的端部和电极活性物质层的端部位于不同的位置来提高安全性。

【技术方案】

根据本发明的一个实施例，提供了一种二次电池，包括电极组件，包括第一电极板、第二电极板和置于它们之间的隔板；以及壳体，用于接纳所述电极组件，其中所述第一电极板包括：第一电极集电体；碳涂层，形成在所述第一电极集电体的至少一个表面上；和第一电极活性物质层，覆盖所述碳涂层的至少一部分，其中所述碳涂层和所述电极活性物质层形成为使得所述碳涂层的端部和所述第一电极活性物质层的端部处于不同位置，并且在所述碳涂层的所述端部和所述第一电极活性物质层的所述端部中的至少一个上形成有突起。

这里，第一电极活性物质层可以形成为覆盖第一电极集电体的至少一部分。

此外，突起可以包括从碳涂层的端部沿厚度方向突出的第一突起，以及从第一电极活性物质层的端部沿厚度方向突出的第二突起。

此外，第一电极活性物质层可以形成为使得其端部延伸得比碳涂层的端部长。

此外，第二突起可以位于碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部之间。

此外，碳涂层可以形成为使得其端部延伸得比第一电极活性物质层的端部长。

此外，第一突起可以位于第一电极活性物质层的端部和碳涂层的端部之间。

此外，碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部可以彼此间隔开预定距离。

此外，所述距离可以设定在1mm至10mm的范围内。

【有益效果】

如上所述，在根据本发明实施例的二次电池中，涂覆在电极板上的碳涂层的端部和电极活性物质层的端部处于不同的位置，以防止碳涂层的突起和电极活性物质层的突起相互重叠，从而抑制二次电池的缺陷并提高二次电池的安全性。也就是说，碳涂层和电极活性物质层可以通过例如但不限于狭缝型挤压式涂覆方式(slot die coating)来涂覆。这里，在厚度方向上形成在涂覆开始部分和/或涂覆结束部分上的突起可以相对较厚。因此，如果分别具有突起的碳涂层的端部和电极活性物质层的端部在相同位置处，则它们可能变得比规定的厚度水平厚，使得活性物质可能在压制步骤中层离和/或锂离子可能在电池操作(充电或放电)期间通过突起沉积。然而，在根据本发明实施例的二次电池中，如上所述，由于具有突起的碳涂层的端部和电极活性物质层的端部处于不同的位置，可以防止电极活性物质的层离和/或锂离子的沉积。

附图说明

图1是根据本发明实施例的二次电池的透视图。

图2是根据本发明实施例的二次电池中的电极组件的分解透视图。

图3是图2所示的电极组件的剖视图。

图4是图3中部分A的放大剖视图。

图5是根据本发明另一实施例的二次电池中与图4对应的区域的剖视图。

图6和图7是用于对比在电极板上形成的两个涂层的端部在同一条线上的二次电池和两个涂层的端部在不同位置的二次电池的照片。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本发明的优选实施例。

本发明的各种实施例可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为受限于这里阐述的示例实施例。而是，提供本公开的这些示例实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域技术人员传达本公开的创造性概念。

在附图中，为了简洁和清楚，各种部件的尺寸或厚度被夸大。贯穿全文的相同的标记表示相同的元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如这里所使用的，单数形式也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地指出另外的情况。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、数字、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

应该理解，尽管术语“第一”、“第二”等可在此用于描述各种构件、元件、区域、层和/或部分，但这些构件、元件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个构件、元件、区域、层和/或部分与另一个构件、元件、区域、层和/或部分区分。

以下，将描述根据本发明实施例的二次电池。

图1是根据本发明实施例的二次电池的透视图。图2是根据本发明实施例的二次电池中的电极组件的分解透视图。

参照图1和图2，根据本发明实施例的二次电池10可以包括电极组件100和用于接纳电极组件100的壳体200。

电极组件100通过堆叠或卷绕第一电极板110、第二电极板120和置于它们之间的隔板130而形成。也就是说，电极组件110可以通过堆叠第一和第二电极板110和120以及隔板130，如图2所示，并且卷绕该堆叠结构来形成。卷绕的电极组件110接纳在壳体200中。同时，第一电极板110可以是负电极，并且第二电极板120可以是正电极，反之亦然。

第一电极板110包括第一电极集电体111、形成在第一电极集电体111的至少一个表面上的涂覆区域112以及未形成涂覆区域112的第一电极未涂覆部分115。这里，涂覆区域112可以包括碳涂层113和第一电极活性物质层114，这将在后面描述。碳涂层113可以置于第一电极集电体111和第一电极活性物质层114之间，以减小它们之间的界面电阻并增加电导率。因此，碳涂层113可以降低二次电池的内部电阻，并且可以增加充电/放电循环寿命。

当第一电极板110是负电极时，第一电极集电体111可以包括由例如但不限于铜(Cu)箔或镍(Ni)箔制成的导电金属薄板。碳涂层113可以包含一种或多种碳基材料，该碳基材料选自由例如但不限于石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑(Ketjen black)、槽法炭黑、炉黑、灯黑、夏黑(summer black)、碳纤维和碳氟化合物组成的组。此外，第一电极活性物质层114可以用例如但不限于碳基材料、硅、锡、氧化锡、锡合金复合物、过渡金属氧化物、锂金属氮化物或金属氧化物形成。然而，如上所述，本发明并不将第一电极板110的材料限制于本文公开的材料。

稍后将更详细地描述涂覆区域112的配置。

第一电极接线片140形成在第一电极板110的没有形成涂覆区域112的第一电极未涂覆部分115中。第一电极接线片140的一端电连接到第一电极未涂覆部分115，其另一端被拉到壳体200的外部。同时，用于绝缘的绝缘膜160附接到第一电极接线片140的接触壳体200的区域。

第二电极板120包括第二电极集电体121、形成在第二电极集电体121的至少一个表面上的第二电极活性物质层122以及未形成第二电极活性物质层122的第二电极未涂覆部分125。

当第二电极板120是正电极时，第二电极集电体121可以包括由例如但不限于铝箔制成的高导电性金属薄板。此外，第二电极活性物质层122可以包含例如但不限于氧族化合物，包括例如复合金属氧化物，例如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2或LiNiMnO2。然而，如上所述，本发明并不将第二电极板120的材料限制于本文公开的材料。

第二电极接线片150形成在第二电极板120的没有形成第二电极活性物质层122的第二电极未涂覆部分125中。第二电极接线片150的一端电连接到第二电极未涂覆部分125，并且其另一端被拉到壳体200的外部。同时，用于绝缘的绝缘膜160附接到第二电极接线片150的接触壳体200的区域。

隔板130置于第一电极板110和第二电极板120之间，以防止其间发生电短路。此外，隔板130可以由多孔层形成，以允许锂离子在第一电极板110和第二电极板120之间移动。隔板130可以由例如聚乙烯、聚丙烯或聚丙烯和聚乙烯的共聚物制成，但是本发明并不将隔板130的材料限制于这里公开的那些材料。为了防止第一电极板110和第二电极板120之间发生电短路，隔板130可以具有比第一和第二电极板110和120更大的宽度。在一些情况下，隔板130本身可以是有机和/或无机固体电解质。

绝缘膜160使第一电极接线片140和第二电极接线片150中的每个与壳体200彼此电绝缘。绝缘膜160可以由例如聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)或聚丙烯(PP)制成，但是本发明并不将绝缘膜160的材料限制为本文公开的那些材料。

电解质溶液(未示出)以及电极组件100可以接纳在壳体200中。电解质溶液可以用作在充电/放电期间在二次电池100的正电极和负电极之间发生的电化学反应所产生的锂离子的移动介质，并且可以包括为锂盐和高纯度有机溶剂的混合物的非水性有机溶液。此外，电解质溶液可以是基于聚合物电解质的聚合物。如上所述，当使用有机和/或无机固体电解质时，可以不提供电解质溶液。

壳体200由上壳体210和下壳体220组成，它们通过将以单个主体形成的矩形袋层在其纵向方向上的中心弯曲而形成。在下壳体220中形成有凹槽221和密封部分222，其中凹槽221通过例如压制步骤形成为用于接纳电极组件100和电解质溶液，密封部分222用于与上壳体210密封。

同时，本发明的实施例公开了二次电池10被配置成使得电极组件100接纳在袋型壳体200中，但是本发明的各方面并不局限于此。也就是说，二次电池10可以是棱柱形电池或圆柱形电池，而不是袋型电池。

图3是图2所示的电极组件的剖视图。图4是图3的部分A的放大剖视图。为了简洁和清楚起见，图3和图4中所示的电极组件的厚度和长度可以被放大或缩小。

参照图3和图4，涂覆区域112形成在第一电极集电体111的两个表面上。涂覆区域112包括碳涂层113和第一电极活性物质层114。如图所示，涂覆区域112可以形成在第一电极集电体111的两个表面上。在一些情况下，涂覆区域112可以形成在选自第一电极集电体111的两个表面的仅一个表面上。

碳涂层113形成为覆盖第一电极集电体111的至少一部分。在碳涂层113的相反端存在在厚度方向上相对较厚的第一突起113a。也就是说，第一突起113a存在于涂覆有碳涂层113的前缘部分和后缘部分，以比除了前缘部分和后缘部分之外的其它涂覆区域更厚地突出。

在形成碳涂层113的过程中不可避免地形成第一突起113a。也就是说，当用于形成碳涂层113的浆料涂覆在第一电极集电体111上时，由于涂覆工艺的特性，浆料的隆起可能发生在前缘部分(即，涂覆开始部分)和后缘部分(即，涂覆结束部分)。也就是说，浆料隆起的原因是涂覆工艺在碳涂层113的前缘部分和后缘部分不均匀地进行，这归因于所采用的浆料和涂覆机的特性。这样，由于浆料的隆起，第一突起113a存在于碳涂层113的前缘部分和后缘部分。

第一电极活性物质层114形成为覆盖第一电极集电体111的至少一部分。此外，第一电极活性物质层114也形成为覆盖碳涂层113的至少一部分。第二突起114a存在于第一电极活性物质层114的相反端。也就是说，第二突起114a形成在涂覆有第一电极活性物质层114的前缘部分和后缘部分处，第二突起114a比除了前缘部分和后缘部分之外的其它涂覆区域更厚地突出。

第二突起114a在第一电极活性物质层114的涂覆过程中不可避免地形成。也就是说，与第一突起113a一样，由于涂覆工艺的特性，第二突起114a也因为浆料涂覆在前缘部分和后缘部分处不均匀地进行而形成。

同时，碳涂层113的端部和第一电极活性物质层114的端部可以在不同的位置。也就是说，在本发明的一个实施例中，第一电极活性物质层114的端部延伸得比碳涂层113的端部长。换句话说，第一电极活性物质层114形成得比碳涂层113长。因此，第一电极活性物质层114可以形成为完全覆盖碳涂层113。此外，碳涂层113不被第一电极活性物质层114暴露于外部。

具体地，如图4所示，第一电极活性物质层114的端部与碳涂层113的端部间隔开预定距离D。此外，距离D被设定为防止第一突起113a和第二突起114a彼此重叠。因此，第二突起114a位于碳涂层113的端部的延长线L1和第一电极活性物质层114的端部的延长线L2之间。此外，第二突起114a优选地位于与碳涂层113的端部的延长线L1间隔开的区域。

同时，距离D优选设定在1mm至10mm的范围内。这里，由于碳涂层113的端部和第一电极活性物质层114的端部可以在不同的位置，所以距离D将不为零(0)。更优选地，距离D可以被设定在2.5mm至5mm的范围内。如果距离D小于2.5mm，则第一突起113a和第二突起114a可能彼此重叠，这是不希望的。如果距离D大于5mm，则碳涂层113和第一电极活性物质层114之间的长度差可能变得不必要地增大，这也是不希望的。

在本发明的实施例中，使碳涂层113的端部和第一电极活性物质层114的端部处于不同的位置，从而防止第一突起113a和第二突起114a彼此重叠。因此，可以防止二次电池的安全性由于第一突起113a和第二突起114a的重叠而受损。

也就是说，当碳涂层113的端部和第一电极活性物质层114的端部位于同一条线上时，第一突起113a和第二突起114a可能彼此重叠，使得二次电池容易遭受损坏或缺陷。例如，在第一电极板110的压制步骤中，第一突起113a和第二突起114a的相对厚的重叠区域可能发生活性物质层离。此外，在二次电池10的充电/放电期间，在第一突起113a和第二突起114a的相对厚的重叠区域，锂离子的移动可能不方便，导致锂离子的沉积。特别是，锂离子的沉积可导致锂离子穿过相邻的第一电极板110和第二电极板120或相邻的隔板130，导致二次电池10的燃烧。

在本发明的实施例中，通过形成第一突出部113a和第二突出部114a以不彼此重叠，更均匀地形成涂覆区域112。因此，可以抑制由于第一突起113a和第二突起114a的重叠所引起的活性物质层离，从而提高工艺可靠性。此外，可以消除锂离子的沉积，从而减少二次电池10的缺陷并提高二次电池10的安全性。

虽然本发明的实施例示出碳涂层113仅形成在第一电极板110上，但是碳涂层113也可以形成在第二电极板120上。也就是说，碳涂层113可以置于第二电极集电体121和第二电极板120的第二电极活性物质层122之间。

以下，将描述根据本发明另一实施例的二次电池。

图5是根据本发明另一实施例的二次电池中与图4对应的区域的剖视图。由于除了涂覆区域312的配置之外，根据本发明另一实施例的二次电池与根据先前实施例的二次电池10基本相同，所以将不给出重复说明。

参照图5，涂覆区域312形成在第一电极集电体(图3中的111)的至少一个表面上。这里，涂覆区域312包括碳涂层313和第一电极活性物质层314。此外，碳涂层313和第一电极活性物质层314包括分别形成在其端部的第一突起313a和第二突起314a。

碳涂层313和第一电极活性物质层314可以形成为使得碳涂层313的端部和第一电极活性物质层314的端部处于不同的位置。也就是说，在本发明的另一个实施例中，碳涂层313被形成为使得其端部延伸得比第一电极活性物质层314的端部长。换句话说，碳涂层313形成得比第一电极活性物质层314长。因此，第一电极活性物质层314覆盖碳涂层313的至少一部分。此外，碳涂层313的端部被第一电极活性物质层314暴露于外部。

具体而言，碳涂层313的端部和第一电极活性物质层314的端部彼此间隔开预定距离D。此外，距离D被设定为使得第一突起313a和第二突起314a不彼此重叠。因此，第一突起313a位于第一电极活性物质层314的端部的延长线L3和碳涂层313的端部的延长线L4之间。此外，第一突起313a优选地位于与第一电极活性物质层314的端部的延长线L3间隔开的区域处。

同时，距离D可以设定在1mm至10mm的范围内。当然，由于第一电极活性物质层314的端部和碳涂层313的端部处于不同的位置，所以距离D可以不为零(0)。优选地，距离D可以被设定在2.5mm至5mm的范围内。如果距离D小于2.5mm，则第一突起313a和第二突起314a可能彼此重叠，这是不希望的。此外，如果距离D大于5mm，则碳涂层313和第一电极活性物质层314之间的长度差可能变得不必要地增大，这也是不希望的。

在本发明的另一实施例中，碳涂层313和第一电极活性物质层314可以形成为使得碳涂层313的端部和第一电极活性物质层314的端部处于不同位置，从而防止第一突起313a和第二突起314a彼此重叠。因此，可以防止电极活性物质的层离和/或锂离子的沉积，从而抑制二次电池的缺陷并提高二次电池的安全性。

同时，根据当前实施例的涂覆区域312的配置和根据先前实施例的涂覆区域112的配置都可以组合应用。也就是说，不同配置的组合可以应用于形成在第一电极板110两端的涂覆区域，使得根据先前实施例的涂覆区域112的配置应用于一端涂覆区域，并且根据当前实施例的涂覆区域312的配置应用于另一端涂覆区域。

此外，尽管未示出，碳涂层也可以形成在第二电极板上。这里，形成在第二电极板上的碳涂层和第二电极活性物质层可以通过单独应用根据本发明先前实施例的涂覆区域112的配置，通过单独应用根据本发明当前实施例的涂覆区域312的配置，或者通过应用根据组合的两个实施例的涂覆区域212和312的配置来配置。

表1显示活性物质层离和锂沉积取决于碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部之间的距离D的观察结果。这里，假设原点O是碳涂层的端部，则距离D表示第一电极活性物质层的与原点O间隔开的端部的位置。此外，(+)符号表示第一电极活性物质层的端部延伸得比碳涂层的端部长，并且(-)符号表示第一电极活性物质层的端部延伸得比碳涂层的端部短。也就是说，在示例1和2中应用先前实施例中公开的涂覆区域112的配置，并且在示例3和4中应用当前实施例中公开的涂覆区域312的配置。

关于表1中的活性物质层离，观察结果通过确定在第一电极板上形成涂覆区域之后执行的压制步骤中，粘附在压制辊上的层离活性物质的量是否超过预定水平来获得。

关于表1中的锂沉积，观察结果是在对电极组件执行预定程度的充电和放电操作然后拆卸电极组件之后，通过确定锂是否沉积在涂覆区域和第一电极未涂覆部分之间的边界区域来获得的。这里，对比例1的观察结果示于图6中，并且示例1的观察结果示于图7中。

表1

在对比例1中，当碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部位于同一条线上(D＝0mm)时，观察到活性物质层离和锂沉积的发生。具体而言，参照图6，确认在涂覆区域(C)和未涂覆部分(N)之间的边界处存在沉积区域。也就是说，应该理解，碳涂层的突起和第一电极活性物质层的突起彼此重叠，在涂覆区域的端部出现的隆起现象被最大化，从而导致活性物质层离和锂沉积。

然而，当碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部彼此间隔开距离D(D＝+5mm)时(示例1)，没有观察到活性物质层离和锂沉积的发生。具体地，参照图7，确认仅观察到涂覆区域(C)和未涂覆部分(N)之间的边界部分，但是没有观察到锂沉积。也就是说，应该理解，碳涂层的突起和第一电极活性物质层的突起不相互重叠，并且涂覆区域C被更均匀地形成，从而防止由于碳涂层的突起和第一电极活性物质层的突起重叠而发生活性物质层离和锂沉积。

此外，当碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部之间的距离D分别为+3mm、-3mm和-5mm(示例2、3和4)时，确认没有观察到活性物质层离和锂沉积的发生，如表1所示。

也就是说，在根据本发明的二次电池中，碳涂层的端部和第一电极活性物质层的端部位于第一电极板中的不同位置，并且各个突起不相互重叠，从而提高了二次电池的安全性。

尽管已经描述了上述实施例以实施本发明的二次电池，但是这些实施例是为了说明的目的而提出的，并不用于限制本发明。本领域技术人员将容易理解，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变化，并且这些修改和变化包含在本发明的范围和精神内。

附图标记说明：

10：二次电池 100：电极组件

110：第一电极板 111：第一电极集电体

112：涂覆区域 113：碳涂层

113a：第一突起 114：第一电极活性物质层

114a：第二突起 115：第一电极未涂覆部分

120：第二电极板 130：隔板

140、150：第一和第二电极接线片

200：壳体 312：涂覆区域

313：碳涂层 313a：第一突起

314：第一电极活性物质层

314a：第二突起

Claims

1.一种二次电池，包括：

电极组件，包括第一电极板、第二电极板和置于它们之间的隔板；以及

壳体，用于接纳所述电极组件，

其中所述第一电极板包括：

第一电极集电体；

碳涂层，形成在所述第一电极集电体的至少一个表面上；和

第一电极活性物质层，覆盖所述碳涂层的至少一部分，

其中所述碳涂层和所述第一电极活性物质层形成为使得所述碳涂层的端部和所述第一电极活性物质层的端部处于不同位置，并且在所述碳涂层的所述端部和所述第一电极活性物质层的所述端部上均形成有突起。

2.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述第一电极活性物质层被形成为覆盖所述第一电极集电体的至少一部分。

3.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述突起包括从所述碳涂层的所述端部沿厚度方向突出的第一突起，以及从所述第一电极活性物质层的所述端部沿厚度方向突出的第二突起。

4.根据权利要求3所述的二次电池，其中所述第一电极活性物质层被形成为使得其端部延伸得比所述碳涂层的所述端部长。

5.根据权利要求4所述的二次电池，其中所述第二突起位于所述碳涂层的所述端部和所述第一电极活性物质层的所述端部之间。

6.根据权利要求3所述的二次电池，其中所述碳涂层被形成为使得其端部延伸得比所述第一电极活性物质层的所述端部长。

7.根据权利要求6所述的二次电池，其中所述第一突起位于所述第一电极活性物质层的所述端部和所述碳涂层的所述端部之间。

8.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述碳涂层的所述端部和所述第一电极活性物质层的所述端部彼此间隔开预定距离。

9.根据权利要求8所述的二次电池，其中所述距离被设定在1mm至10mm的范围内。