CN109643821A - 电极组件以及包括该电极组件的可再充电电池 - Google Patents

电极组件以及包括该电极组件的可再充电电池 Download PDF

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Abstract

根据本发明的实施例的电极组件具有被堆叠且围绕卷绕轴线被卷绕的包括第一电极活化部分和第一未涂覆电极部分的第一电极、隔板以及包括第二电极活化部分和第二未涂覆电极部分的第二电极，其中第一电极活化部分包括第一小电极部分和第二小电极部分，该第一小电极部分包括第一基材和分别形成在第一基材的两个表面上的第一活性物质层，该第二小电极部分包括第一基材的暴露表面，其中第一活性物质层被形成在第一基材的另一表面上，且其中第二小电极部分位于由电极组件的首次旋转所产生的第一弯曲表面部分中。

Description

电极组件以及包括该电极组件的可再充电电池
技术领域
本发明涉及一种电极组件，且更特别地，涉及一种用于可再充电电池的电极组件以及包括该电极组件的可再充电电池。
背景技术
可再充电电池是将电能转化为化学能以利用优秀的能量密度将其存储的能量存储系统。与不能再充电的一次电池不同，因为可再充电电池可以被再充电，所以其被广泛用在诸如智能手机、膝上电脑、平板电脑等的信息技术(IT)设备中。
最近，电动汽车的关注已经正在增加，这是由于诸如环境恶化和化石燃料枯竭的问题，且此类可再充电电池被用作电动车辆的电池。根据这种趋势，可再充电电池需要具有诸如高能量密度、高功率、高安全等特性。
作为可再充电电池的类型，包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、锂金属电池、锂空气电池、钠空气电池等。使用锂的可再充电电池与其他可充电电池相比，具有每单位重量更高的工作电压和更高的能量密度，使得其被日益应用到便携式IT设备和电动车辆。
当由于锂基可再充电电池中锂的强反应性而在其中发生短路时，因为可能发生燃烧和爆炸，所以需要即使充电/放电被重复执行也不会发生电极之间的短路的安全结构。正在研发一种可再充电电池的电极组件结构，其安全性可被确保并且其可以被快速制造。
在众所周知的结构中，首先存在螺旋卷绕类型的电极组件结构，其中正电极和负电极在其间具有隔膜的情况下被卷绕，并且其次存在堆叠类型的电极组件结构，其中被切割以匹配电池尺寸的正电极和负电极在其间具有隔膜的情况下被交替堆叠。
通过在基材上设置活性物质层而形成电极组件的正电极和负电极，且正电极的活性物质层的厚度大于负电极的活性物质层的厚度。因此，当卷绕结构的电极组件被制造时，因为旋转半径随着邻近其卷绕轴线而变小，所以在电极中生成裂纹，从而使电池的特性和产量劣化。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种电极组件和包括该电极组件的可再充电电池，即使旋转半径邻近卷绕轴线较小，其也可以使裂纹的发生最小化。
本发明的另一方面在于提供一种电极组件和包括该电极组件的可再充电电池，其可以通过最小化Li沉淀(precipitation)而改进电特性。
本发明的实施例提供一种电极组件，其中具有第一电极涂覆区域和第一电极未涂覆区域的第一电极、隔板、以及具有第二电极涂覆区域和第二电极未涂覆区域的第二电极被堆叠且围绕卷绕轴线被卷绕，其中所述第一电极涂覆区域可以包括第一基材、第一小电极部分以及第二小电极部分，所述第一小电极部分包括形成在所述第一基材的两个表面上的第一活性物质层，在所述第二小电极部分中所述第一基材的一个表面被暴露，所述第二小电极部分包括形成在所述第一基材的另一表面上的第一活性物质层，且所述第二小电极部分可以被定位在通过所述电极组件的首次卷绕所形成的第一弯曲部分处。
所述电极组件可以进一步包括位于所述第一弯曲部分与所述第一电极未涂覆区域之间的第一扁平部分，且所述第二小电极部分可以进一步包括延伸电极部分，所述延伸电极部分从所述第一弯曲部分延伸且位于所述第一扁平部分中。
所述第二电极涂覆区域可以包括第二基材、第三小电极部分以及第四小电极部分，所述第三小电极部分包括形成在所述第二基材的两个表面上的第二活性物质层，在所述第四小电极部分中所述第二基材的一个表面被暴露，所述第四小电极部分包括形成在所述第二基材的另一表面上的第二活性物质层。
所述第四小电极部分可以面向所述延伸电极部分。
所述第二小电极部分的所述第一活性物质层可以与所述第四小电极部分的所述第二基材重叠，其中所述隔板位于所述第二小电极部分的所述第一活性物质层与所述第四小电极部分的所述第二基材之间。
本发明的另一实施例提供一种电极组件，其中具有第一电极涂覆区域和第一电极未涂覆区域的第一电极、隔板、以及具有第二电极涂覆区域和第二电极未涂覆区域的第二电极被堆叠且围绕卷绕轴线被卷绕，其中所述第一电极涂覆区域可以包括第一基材和形成在所述第一基材的至少一个表面上的第一活性物质层，且所述第一电极涂覆区域被定位在由所述电极组件的首次卷绕所形成的第一弯曲部分处，且面向所述卷绕轴线的所述第一基材可以被暴露。
所述电极组件可以进一步包括位于所述第一弯曲部分与所述第一电极未涂覆区域之间的第一扁平部分，且位于所述第一扁平部分处的所述第一基材可以被暴露。
所述第二电极涂覆区域可以包括第二基材和形成在所述第二基材的至少一个表面上的第二活性物质层，且所述第二电极涂覆区域可以被定位在由所述第二电极涂覆区域的首次卷绕所形成的第二弯曲部分处，且面向所述卷绕轴线的所述第二基材可以被暴露。
所述第一电极的载荷水平(loading level)可以是40mg/cm2，所述第二小电极部分的长度可以是1mm至4mm，且所述第一电极的厚度可以是60μm至80μm。
所述第一电极的电流密度可以是3.5mA/cm2。
所述第一电极可以是正电极，且所述第二电极可以是负电极。
根据本发明的另一实施例的可再充电电池包括上述电极组件，以及用于将电解质溶液与电极组件一起容纳的壳体。
根据本发明的实施例，能够提供具有优秀电池特性的可再充电电池，这是因为即使旋转半径邻近卷绕轴线较小也不出现裂纹。
此外，根据本发明的实施例，能够提供可阻止电池特性由于卷绕芯部分中的Li沉淀而劣化的可再充电电池。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的用于可再充电电池的电极组件的示意透视图。
图2示出图1的电极组件的示意横向截面图。
图3示出图1的电极组件的分解透视图。
图4示出根据本发明的另一实施例的电极组件的示意横向截面图。
图5示出图4的电极组件的分解透视图。
图6示出根据本发明的实施例的可再充电电池的分解透视图。
图7示出沿着图6的线VII-VII截取的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图更充分描述本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。如本领域技术人员将意识，描述的实施例可以以各种不同方式来修改，所有均不偏离本发明的范围。
附图和描述将被视为本质上为说明性的但非限制性的。在整个说明书中，相同附图标记表示相同元件。
在整个说明书和随附权利要求书中，当描述一元件被“联接”到另一元件时，该元件可以被“直接联接”到该另一元件或通过第三元件被“间接联接”到该另一元件。此外，除非相反地明确描述，词语“包括”和变体(诸如“包含”或“含有”)将被理解为暗示包括所述元件但是不排除任何其他元件。
图1示出根据本发明的实施例的用于可再充电电池的电极组件的示意透视图，
图2示出图1的电极组件的示意横向截面图，以及图3示出图1的电极组件的分解透视图。
如图1至图3中示出的，根据本发明的实施例的电极组件101包括第一电极121、第二电极122以及位于第一电极与第二电极之间的隔板123。隔板123用于绝缘，且第一电极121、隔板123以及第二电极122可以以本顺序被堆叠。
其中第一电极121、隔板123以及第二电极122被堆叠的电极组件101可以具有基于卷绕轴线XL被螺旋卷绕的胶卷形。如果必要的话，电极组件101可以在被螺旋卷绕之后被按压为扁平，且其可以具有椭圆形截面的形状。
第一电极121包括第一电极涂覆区域11a和第一电极未涂覆区域11b，且第二电极122包括第二电极涂覆区域12a和第二电极未涂覆区域12b。
第一电极涂覆区域11a包括第一小电极部分S1和第二小电极部分S2，第一小电极部分S1和第二小电极部分S2包括第一基材11a1和形成在第一基材11a1的至少一个表面上的第一活性物质层11a2，且第二电极涂覆区域12a包括第三小电极部分S3和第四小电极部分S4，第三小电极部分S3和第四小电极部分S4包括第二基材12a1和形成在第二基材12a1的至少一个表面上的第二活性物质层12a2。
第一小电极部分S1包括第一基材11a1和形成在第一基材11a1的两个表面上的第一活性物质层11a2，且第二小电极部分S2包括第一基材11a1和形成在第一基材11a1的一个表面上的第一活性物质层11a2。第三小电极部分S3包括第二基材12a1和形成在第二基材12a1的两个表面上的第二活性物质层12a2，且第四小电极部分S4包括第二基材12a1和形成在第二基材12a1的一个表面上的第二活性物质层12a2。第一基材11a1和第二基材12a1可以由带形金属箔形成。
第二小电极部分S2和第四小电极部分S4的长度中的每个长度可以是4mm或更小，且优选为1mm至4mm。当第二小电极部分S2和第四小电极部分S4的长度小于1mm时，可能发生工艺误差，且当它们大于4mm时，电池容量可能降低。
第一基材11a1提供第一活性物质层11a2中生成的电荷的移动路径且支撑第一活性物质层11a2。例如，第一电极121可以是正电极，且第一基材11a1可以包括铝。
第一活性物质层11a2可以通过将包括电极活性物质、粘合剂、导体等的电极活性质量分散在溶剂中以形成浆体、将其涂敷到第一基材11a1的至少一个表面、并然后将其干燥和压缩而形成。
第一电极121的电流密度是3.5mA/cm2，且其厚度可以是60μm或更多和80μm或更少。
第二基材12a1提供第二活性物质层12a2中生成的电荷的移动路径且支撑第二活性物质层12a2。例如，第二电极122可以是负电极，且第二基材12a1可以包括铜。
第二活性物质层12a2可以通过将包括电极活性物质、粘合剂、导体等的电极活性质量分散在溶剂中以形成浆体、将其涂敷到第二基材12a1的至少一个表面、并然后将其干燥和压缩而形成。
第一电极未涂覆区域11b和第二电极未涂覆区域12b不包括活性物质层且与第一基材11a1或第二基材12a1一体形成，且它们可以是第一电极涂覆区域11a的第一基材11a1和第二电极涂覆区域12a的第二基材12a1在其处延伸的部分。
第一电极未涂覆区域11b可以被定位在第一活性物质层11a2的相反侧处，且用于将由化学反应生成的电荷引到外部的第一电极集流部分21可以被连接到第一电极未涂覆区域11b中的任一个。第一电极集流部分21可以通过超声波焊接被连接到第一电极未涂覆区域11b。第一电极集流部分21可以包括如同第一基材11a1的铝。
第一电极集流部分21的厚度可以是12μm或更小。
第二电极未涂覆区域12b可以被定位在第二活性物质层12a2的两侧处，且用于将由化学反应生成的电荷引到外部的第二电极集流部分22可以被连接到第二电极未涂覆区域12b中的任一个。第二电极集流部分22可以通过超声波焊接被连接到第二电极未涂覆区域12b。第二电极集流部分22可以包括镍。
因为第一电极未涂覆区域11b和第二电极未涂覆区域12b分别被定位在第一活性物质层11a2和第二活性物质层12a2的两侧处，所以当第一电极121和第二电极122基于卷绕轴线XL被卷绕时，邻近卷绕轴线XL的电极未涂覆区域被称为中心未涂覆区域11b1和12b1，并且被定位为相对远离卷绕轴线XL的电极未涂覆区域被称为外部未涂覆区域11b2和12b2。
虽然示出了第一电极集流部分21和第二电极集流部分22被连接到外部未涂覆区域11b2和12b2，但是本发明不限于此，且如果必要的话，第一电极集流部分21和第二电极集流部分22可以被连接到中心未涂覆区域11b1和12b1，或可以被分别连接到中心未涂覆区域11b1和12b1与外部未涂覆区域11b2和12b2。在这种情况下，在被卷绕之后，第一电极集流部分21和第二电极集流部分22彼此间隔开以不被短路。
隔板123被定位在第一电极121与第二电极122之间，且阻止在其间的短路。
隔板123可以由具有高离子渗透性和机械强度的多孔膜形成。例如，其可以由诸如聚乙烯或聚丙烯的烯烃基聚合物形成。隔板被形成为沿着纵向方向或沿着宽度方向比第一电极涂覆区域11a或第二电极涂覆区域12a延伸更多，因此能阻止第一电极涂覆区域11a与第二电极涂覆区域12a之间由于热收缩而短路。
电极组件101可以通过将第一电极121、隔板123以及第二电极122围绕卷绕轴线XL重复卷绕并然后将其按压而形成。在这种情况下，载荷水平L1可以是40mg/cm2或者更大。电极组件101可以具有沿一个方向在横穿卷绕轴线XL的竖直方向上切割的椭圆形截面。
因此，电极组件101在截面中包括相对平坦的扁平部分和相对圆形的弯曲部分。扁平部分可以在卷绕电极组件101之后是按压部分，且弯曲部分可以将面向彼此的两个扁平部分连接。为了便于解释，按从中心未涂覆区域的顺序，扁平部分被称为AA1、AA2、AA3，…，且弯曲部分被称为AB1和AB2。
另一方面，第二小电极部分S2被定位在第一弯曲部分AB1处，且第二小电极部分S2中暴露的第一基材11a1面向卷绕轴线。在这种情况下，当电极组件101通过将第一电极、隔板以及第二电极围绕卷绕轴线重复卷绕而形成时，第一弯曲部分AB1对应于由第一电极涂覆区域11a和第二电极涂覆区域12a的首次卷绕所形成的弯曲部分。
因此，相对远离卷绕轴线XL的第一电极未涂覆区域11b的外部未涂覆区域11b2和第二电极未涂覆部分12b的外部未涂覆部分12b2可以被定位在电极组件101的最外边缘处。
当如本发明的实施例中那样形成第二小电极部分时，具有相对大厚度的第一电极活性物质层被形成在基材的仅一个表面上，从而减小第二小电极部分的厚度。
通过将第二小电极部分定位在具有最小转向半径的第一弯曲部分处，在旋转期间施加的应力可以被降低。因此，由于第一弯曲部分的小旋转半径而可能出现的裂纹被最小化，因此可以提供具有优秀特性的高密度且高电流密度电池。此外，能减少其中活性物质层从第一弯曲表面部分分离的现象，从而减少由于活性物质层的分离导致的容量减少。
图4示出根据本发明的另一实施例的电极组件的示意横向截面图，以及图5示出图4的电极组件的分解透视图。
因为图4和图5中示出的电极组件几乎与图2和图3中示出的电极组件相同，所以现在将详细描述仅不同部分。
如图4和图5中示出的，根据本发明的另一实施例的电极组件102包括第一电极121、第二电极122以及位于第一电极121与第二电极122之间的隔板123，且该电极组件102具有基于卷绕轴线被螺旋卷绕的胶卷形。
电极组件102可以通过将第一电极121、隔板123以及第二电极122围绕卷绕轴线XL重复卷绕并然后将其按压而形成，且其可具有在垂直于卷绕轴线XL的方向上切割的椭圆形截面。因此，电极组件102包括相对平坦的扁平部分和相对圆形的弯曲部分。扁平部分可以在卷绕电极组件102之后是按压部分，且弯曲部分可以将面向彼此的两个扁平部分连接。
第一电极涂覆区域11a包括第一小电极部分S1和第二小电极部分S2，该第一小电极部分S1第一基材11a1和形成在第一基材11a1的两个表面上的第一活性物质层11a2，该第二小电极部分S2包括第一基材11a1和形成在第一基材11a1的一个表面上的第一活性物质层11a2。第二电极涂覆区域12a包括第三小电极部分S3和第四小电极部分S4，该第三小电极部分S3包括第二基材12a1和形成在第二基材12a1的两个表面上的第二活性物质层12a2，该第四小电极部分S4包括第二基材12a1和形成在第二基材12a1的一个表面上的第二活性物质层12a2。
第二小电极部分S2可以被定位在第一弯曲部分AB1处，且第二小电极部分S2可以进一步包括延伸电极部分，该延伸电极部分可以从第一弯曲部分AB1延伸且被定位在第一扁平部分AA1处。
此外，第四小电极部分S4可以被定位在第一扁平部分AA1处。因此，第二小电极部分S2和被定位在第一扁平部分处的第四小电极部分S4关于中心未涂覆区域被定位相对侧处以面向彼此。
如在本发明的实施例中，当第二活性物质层被形成在第二小电极部分的仅一个表面上时，能减小由于比第一活性材料层相对更厚而导致的非均匀厚度的发生。
此外，通过将第二小电极部分和第四小电极部分定位为面向彼此，卷绕部分中的Li沉淀可以被最小化。
以上描述的电极组件可以是用于可再充电电池的电极组件，并且在下文中，包括以上描述的电极组件的可再充电电池将参照附图描述。
图6示出根据本发明的实施例的可再充电电池的分解透视图，以及图7示出沿着图6的线VII-VII截取的截面图。
如图6和图7中示出的，根据本发明的实施例的可再充电电池300包括电极组件103、壳体65以及盖板40。在下文中，作为示例，将描述金属壳体，但是本发明不限于此，且本发明可以被应用到各种类型的电池，诸如袋型的电池等。
电极组件103可以是图1至图5中示出的电极组件，且包括第一电极121、第二电极122以及隔板123。第一电极121和第二电极122在其间介入用作绝缘体的隔板123，并且然后被卷绕为胶卷形。
第一电极121可以是正电极，且第二电极122可以是负电极。
在这种情况下，正电极集流部分51被固定到正电极，且负电极集流部分52被固定到负电极。正电极集流部分51和负电极集流部分52被设置为平行于卷绕轴线，且被暴露在其层被暴露的电极组件103的截面部分处。
正电极集流部分51和负电极集流部分52在壳体65中形成开口65a的方向上突出，且被设置为彼此间隔开预定距离以被电绝缘。
正电极集流部分51由诸如镍或铝的导电材料制成，且被电连接到盖板40。负电极集流部分52由诸如镍或铜的导电材料制成，且被电连接到端子45。
壳体65在其上端处被提供有开口65a以容纳电极组件103。壳体65提供用于容纳电极组件103和电解质溶液的空间，且被电连接到正电极集流部分51。壳体65可以通过由诸如金属深拉的方法加工铝或铝合金来制造。
盖板40被组合到壳体65的开口65a以闭合和密封壳体65，且由诸如铝或铝合金的导电金属材料制成。正电极集流部分51通过焊接被结合到盖板40的底表面以使盖板40带正电荷。
绝缘壳体63被设置在电极组件103与盖板40之间。绝缘壳体63包括基部63a和从基部63a的侧向端突出的侧向壁63b。基部63a被形成为具有板形，且被提供有第一集流孔63c和第二集流孔63d，正电极集流部分51穿过该第一集流孔63c，负电极集流部分52穿过该第二集流孔63d。侧向壁63b沿着基部63a的周界形成。
端子45被定位在盖板40的中心处，且经过盖板40中形成的端子孔41。端子45经由绝缘衬垫46被设置在盖板40处，且绝缘衬垫46围绕端子45以将端子45与盖板40电绝缘。
盖板40被提供有电解质注入孔42，该电解质注入孔42是用于将电解质注入到壳体65中的通道，且塞子43被插入到电解质注入孔42中以闭合电解质注入孔42。
端子45穿透盖板40和连接板62，且连接板62在壳体65内部被设置在电极组件103与盖板40之间。连接板62被形成为具有板形，且连接板62被提供有供端子45经过的端子孔62a。
端子45在穿透盖板40和连接板62的同时通过铆接被固定到盖板40和连接板62。负电极集流部分52被焊接到连接板62，并且因此端子45可以通过连接板62和负电极集流部分52与负电极122电连接。
绝缘板61被提供在盖板40与连接板62之间以将连接板62与盖板40绝缘。绝缘板61由具有电绝缘性质的板制成，且被设置为平行于盖板40。绝缘板61被提供有供端子45经过的端子孔61a。
虽然已经连同目前被视为可行的示例性实施例描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的实施例，但是相反，其意于覆盖包括在随附权利要求的范围内的各种变型和等同布置。

Claims (14)

1.一种电极组件，其中具有第一电极涂覆区域和第一电极未涂覆区域的第一电极、隔板、以及具有第二电极涂覆区域和第二电极未涂覆区域的第二电极被堆叠且围绕卷绕轴线被卷绕，其中
所述第一电极涂覆区域包括第一基材、第一小电极部分以及第二小电极部分，所述第一小电极部分包括形成在所述第一基材的两个表面上的第一活性物质层，在所述第二小电极部分中所述第一基材的一个表面被暴露，所述第二小电极部分包括形成在所述第一基材的另一表面上的第一活性物质层，且
所述第二小电极部分被定位在由所述电极组件的首次卷绕所形成的第一弯曲部分处。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中
所述电极组件进一步包括位于所述第一弯曲部分与所述第一电极未涂覆区域之间的第一扁平部分，且
所述第二小电极部分进一步包括延伸电极部分，所述延伸电极部分从所述第一弯曲部分延伸且位于所述第一扁平部分中。
3.根据权利要求2所述的电极组件，其中
所述第二电极涂覆区域包括第二基材、第三小电极部分以及第四小电极部分，所述第三小电极部分包括形成在所述第二基材的两个表面上的第二活性物质层，在所述第四小电极部分中所述第二基材的一个表面被暴露，所述第四小电极部分包括形成在所述第二基材的另一表面上的第二活性物质层。
4.根据权利要求3所述的电极组件，其中
所述第四小电极部分面向所述延伸电极部分。
5.根据权利要求3所述的电极组件，其中
所述第二小电极部分的所述第一活性物质层与所述第四小电极部分的所述第二基材重叠，其中所述隔板位于所述第二小电极部分的所述第一活性物质层与所述第四小电极部分的所述第二基材之间。
6.一种电极组件，其中具有第一电极涂覆区域和第一电极未涂覆区域的第一电极、隔板、以及具有第二电极涂覆区域和第二电极未涂覆区域的第二电极被堆叠且围绕卷绕轴线被卷绕，其中
所述第一电极涂覆区域包括第一基材和形成在所述第一基材的至少一个表面上的第一活性物质层，且
所述第一电极涂覆区域被定位在由所述电极组件的首次卷绕所形成的第一弯曲部分处，且面向所述卷绕轴线的所述第一基材被暴露。
7.根据权利要求6所述的电极组件，其中
所述电极组件进一步包括位于所述第一弯曲部分与所述第一电极未涂覆区域之间的第一扁平部分，且
位于所述第一扁平部分处的所述第一基材被暴露。
8.根据权利要求7所述的电极组件，其中
所述第二电极涂覆区域包括第二基材和形成在所述第二基材的至少一个表面上的第二活性物质层，且
所述第二电极涂覆区域被定位在由所述第二电极涂覆区域的首次卷绕所形成的第二弯曲部分处，且面向所述卷绕轴线的所述第二基材被暴露。
9.根据权利要求1或权利要求6所述的电极组件，其中
所述第一电极的载荷水平是40mg/cm2。
10.根据权利要求1或权利要求6所述的电极组件，其中
所述第二小电极部分的长度是1mm至4mm。
11.根据权利要求1或权利要求6所述的电极组件，其中
所述第一电极的厚度是60μm至80μm。
12.根据权利要求1或权利要求6所述的电极组件，其中
所述第一电极的电流密度是3.5mA/cm2。
13.根据权利要求1或权利要求6所述的电极组件，其中
所述第一电极是正电极，且
所述第二电极是负电极。
14.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的电极组件，进一步包括：
被配置为将所述电极组件与电解质溶液一起容纳的壳体。
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