CN110676501B - 高压电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压电池单元，具体地，提供了一种包括凝胶卷的高压电池单元，在该凝胶卷中三种不同类型的凝胶卷单元被自由堆叠并且串联连接。根据本发明的实施例，提供了一种高压电池单元，该高压电池单元在具有高压的同时能够实施各种电池单元结构，并且比其它典型的二次电池相对更抗外部冲击。

Description

高压电池单元
技术领域
本申请涉及一种高压电池单元。
背景技术
二次电池用作便携式电子装置的电源，并且近来的趋势是将多个二次电池彼此串联或并联连接，以便用于混合动力车辆、电动车辆等。通常，包括阳极、阴极和隔板的电极主体容纳在封装材料中，并且电解质注入封装材料中以形成一个电池单元。因为电极主体具有与卷绕成卷的胶状物(jelly)相似的形状，所以电极主体可以被称为凝胶卷(jellyroll)。
即使当将电池单元彼此串联连接时，也可能增加电压，但是在准备所需电压时可能需要大的空间，或者可形成的电压可能根据电池单元的结构形状而受限。
因此，已经对增加电池单元本身的电压的方法和确保具有高压的电池单元的稳定性的方法进行了研究。
作为现有技术的示例，2016年11月23日登记的登记号10-1680755的韩国专利公开了一种具有改善的绝缘性能的电池单元，然而，仍然无法确保电池单元的稳定性。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种高压电池单元，该高压电池单元中凝胶卷单元串联连接以具有高压。
另外，本发明的实施例的另一目的是提供一种高压电池单元，即使通过包括固体电解质层的凝胶卷单元对该高压电池单元施加诸如变形的外部冲击，该高压电池单元也可以正常操作。
此外，本发明的实施例的另一目的是提供一种高压电池单元，在该高压电池单元中可以自由地配置三种不同类型的凝胶卷单元以改变电池单元的结构。
为了实现上述目的，根据本发明的方面，提供一种高压电池单元，包括：凝胶卷，通过堆叠多个凝胶卷单元并且将多个凝胶卷单元彼此串联连接而形成，该多个凝胶卷单元包括阴极，从阴极突出的阴极片，阳极和从阳极突出的阳极片，其中凝胶卷单元中的每一个是下列中的任意一种：阴极片和阳极片在相同方向突出的第一凝胶卷单元、阴极片和阳极片在彼此不同的方向上斜对角地突出的第二凝胶卷单元以及阴极片和阳极片在彼此相反的方向上突出的第三凝胶卷单元，其中在凝胶卷中彼此相邻的凝胶卷单元串联连接。
这里，根据本发明的一个实施例，凝胶卷单元可以包括固体电解质层。
此外，根据本发明的一个实施例，第一凝胶卷单元、第二凝胶卷单元和第三凝胶卷单元中的一种类型可以被堆叠并且串联连接。
此外，根据本发明的一个实施例，奇数个凝胶卷单元可以被堆叠并且串联连接。
此外，根据本发明的一个实施例，第一凝胶卷单元、第二凝胶卷单元和第三凝胶卷单元中的两个可以被堆叠并且串联连接。
此外，根据本发明的一个实施例，所有第一凝胶卷单元、第二凝胶卷单元和第三凝胶卷单元都可以被堆叠并且串联连接。
此外，根据本发明的一个实施例，凝胶卷的最外侧暴露表面可以是仅凝胶卷的内侧被涂覆的阴极或阳极的金属暴露表面。
此外，根据本发明的一个实施例，阳极可以涂覆有第一活性材料层，第一活性材料层可以包括锂过渡金属氧化物，PVdF粘合剂和碳导电材料。
此外，根据本发明的一个实施例，两个表面都被涂覆的阳极可以设置在凝胶卷的最外侧。
此外，根据本发明的一个实施例，阴极可以涂覆有第二活性材料层，第二活性材料层可以包括石墨、碳或氧化硅、硅化合物或硅金属，并且可以进一步包括苯乙烯丁二烯橡胶粘合剂、CMC粘合剂和碳导电材料。
根据本发明实施例的高压电池单元可以由于串联连接的凝胶卷单元而具有比典型二次电池更高的电压。
另外，根据本发明实施例的高压电池单元可以包括固体电解质层，从而抵抗施加到高压电池单元上的外部冲击。
此外，在根据本发明实施例的高压电池单元中，可以自由地布置三种类型的凝胶卷单元以改变电池单元的形状。
附图说明
从以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1A至图1C是示出根据本发明的实施例的高压电池单元的凝胶卷单元的示意图；
图2是示出将具有根据本发明的实施例的高压电池单元的不同类型的凝胶卷的凝胶卷单元堆叠在一起的结构的示意图；以及
图3A和图3B是示出堆叠具有根据本发明的实施例的高压电池单元的相同类型的凝胶卷的凝胶卷单元的结构的示意图。
[附图标记的描述]
10：凝胶卷 11：第一凝胶卷单元
12：第二凝胶卷单元 13：第三凝胶卷单元
20：阴极片 30：阳极片
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的特定实施例。提供以下详细描述以有助于全面理解本文描述的方法、设备和/或系统。然而，这些实施例仅是说明性示例，并且本发明不限于此。
在本发明的实施例的描述中，将不详细描述被判断为能够不必要地模糊本发明的主旨的公知技术。参照附图，在一些示图中相同的附图标记始终表示相同或相应的部分。另外，本文使用的术语是通过考虑本公开的功能来定义的，并且可以根据用户或操作者的习惯或意图而改变。因此，应根据本文阐述的整体公开内容定义术语。
另外，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在将本发明限制于此。除非上下文另有明确说明，否则如本文所使用的单数形式“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。
此外，将理解的是，虽然本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件、组件或部分，但是这些元件、组件或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件或部分与另一元件、组件或部分区分开。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件或部分可以被称为第二元件、组件或部分。
此外，结合所公开附图的方向使用诸如“一侧”，“另一侧”，“上”，“下”等方向术语。由于本发明实施例的组件可以位于各种方向，因此方向术语用于说明性目的，并且不旨在限制本发明于此。
图1A至图1C是示出根据本发明的实施例的高压电池单元的凝胶卷单元的示意图。根据本发明实施例的高压电池单元可以包括凝胶卷10。凝胶卷10对应于二次电池的电极主体或电极组件，并且用于表示具有此种卷绕胶状物形状的电极主体或电极组件。
凝胶卷10的凝胶卷单元可以包括阴极、阳极、从阴极突出的阴极片20，以及从阳极突出的阳极片30。此外，凝胶卷10可以进一步包括在本领域技术人员容易理解的范围内的单独组件。
在凝胶卷10中，多个凝胶卷单元11、12和13可以彼此连接以形成一个凝胶卷。凝胶卷单元11、12和13可以根据凝胶卷单元11、12和13的形状划分为D型、X型和S型。
为了便于描述，D型凝胶卷单元可以被称为第一凝胶卷单元11，X型凝胶卷单元可以被称为第二凝胶卷单元12，并且S型凝胶卷单元可以被称为第三凝胶卷单元13。
第一凝胶卷单元11可以被称为阴极片20和阳极片30在相同方向突出的类型。在阴极片20和阳极片30在彼此不同的方向突出的凝胶卷单元之中，这些片在彼此相反的方向上突出的情况可以被称为第三凝胶卷单元13，并且另一种情况可以称为第二凝胶卷单元12。也就是说，在第二凝胶卷单元12中，这些片可以在彼此不同的方向上斜对角地突出。
多个凝胶卷单元11、12和13可以被堆叠并且串联连接以形成根据本发明实施例的高压电池单元，这将在下面描述。
根据本发明实施例的高压电池单元可以包括在电池单元中存在的固体电解质层。当在电池单元中存在液体电解质时，在除了凝胶卷单元11、12和13的阴极片20和阳极片30之外的部分处可能发生意外的电连通。因此，优选的是，以不存在液体电解质的全固态电池的形式形成电解质层。
当形成凝胶卷10时，存在于最外层的凝胶卷单元11、12和13的暴露于外侧的两侧可以是未涂覆的电极，也就是阴极或阳极的金属暴露表面，其中一侧，即仅在凝胶卷10的内侧涂覆有电极活性材料层。另外，两个表面都被涂覆的阳极可以设置在凝胶卷的最外侧。
作为设计电池单元的主要因素，存在阴极涂覆表面的电化学容量与阳极涂覆表面的电化学容量之间的比率。如果每单位面积的阴极容量超过阳极容量，则可能不可逆地发生Li金属或Li化合物的沉淀，这可能导致电池单元的劣化，诸如容量的降低。当最外侧的暴露表面是阴极涂覆表面时，整个电池单元中阴极容量的比率增大，并且可能发生电池单元的上述劣化。因此，优选的是，以最外侧的暴露表面是阳极涂覆表面或未涂覆横截面的方式设计用于锂电池的电池单元的凝胶卷。
可以利用活性材料涂覆阴极以形成第一活性材料层。本文中，第一活性材料层可以包括锂过渡金属氧化物，诸如锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物等作为主要组分，并且可以进一步包括PVdF粘合剂和碳导电材料。
阳极可以具有在阳极上形成的第二活性材料层。第二活性材料层可以包括石墨、碳或氧化硅、硅化合物或硅金属作为主要组分，并且可以进一步包括聚合物苯乙烯丁二烯橡胶粘合剂和碳导电材料。
图2是示出具有根据本发明的实施例的高压电池单元的不同类型的凝胶卷的凝胶卷单元堆叠在一起的结构的示意图。参照图2，当形成凝胶卷10时，可以串联连接不同类型的凝胶卷单元，并且可以连接相同类型的凝胶卷单元。
图2示出一个第一凝胶卷单元11和两个第二凝胶卷单元12彼此连接的方法，但不限于此。可选地，可以使用所有第一凝胶卷单元11、第二凝胶卷单元12和第三凝胶卷单元13，并且可以将一个或多个相应的凝胶卷单元11、12和13串联连接。也就是说，如果凝胶卷单元11、12和13中的每一个的电压是3.6V，则根据所连接的凝胶卷单元11、12和13的数量，可以形成7.2V、10.8V、14.4V或更高的期望电压。高压可以意味着超过4.2V的电压。电池单元可以通过串联连接凝胶卷单元被配置成具有超过4.2V的电压。
此外，除了使用所有第一至第三凝胶卷单元11、12和13的情况之外，可以使用第一凝胶卷单元11和第二凝胶卷单元12的组合、第二凝胶卷单元12和第三凝胶卷单元12的组合以及第一凝胶卷单元11和第三凝胶卷单元13的组合。当使用两种或更多种类型的凝胶卷单元的组合时，可以布置并且串联连接一个或多个相应的凝胶卷单元11、12和13。
当作为示例描述图2中所示的配置时，另一第二凝胶卷单元12堆叠在一个第二凝胶卷单元12上，并且第一凝胶卷单元11再次堆叠在该另一第二凝胶卷单元12上。此时，如果凝胶卷单元11和12中的每一个具有3.6V的电压，则图2的凝胶卷10可以具有10.8V的电压。此时，如果第一凝胶卷单元11的阴极片20被引出到外部，则第一凝胶卷单元11的阳极片30和位于第一凝胶卷单元11下方的第二凝胶卷单元12的阴极片20串联连接，位于中间的第二凝胶卷单元12的阳极片30和位于最低位置的第二凝胶卷单元12的阴极片20可以串联连接。因此，位于最低位置的第二凝胶卷单元12的阳极片30可以被引出到电池单元的外部。
此时，将待引出到外部的阴极片20和待引出到外部的阳极片30在相同方向引出可能不是问题。然而，当阴极片20和阳极片30在相同竖直线上引出的同时在相同方向引出时，可能出现诸如接触线的问题。因此，三种类型的凝胶卷单元11、12和13可以自由堆叠，但是优选的是，将它们堆叠以避免它们在相同方向和相同竖直线上被引出的情况。也就是说，可以适当地设置三种不同类型的凝胶卷单元11、12和13，并且可以根据凝胶卷单元11、12和13的堆叠顺序和堆叠方法来实施各种电池单元结构。
图3A和图3B是示出堆叠具有根据本发明的实施例的高压电池单元的相同类型的凝胶卷的凝胶卷单元的结构的示意图。具体地，图3A是示出堆叠奇数个相同类型的凝胶卷单元的结构的示图，图3B是示出堆叠偶数个相同类型的凝胶卷单元的结构的示图。
考虑到相同类型的凝胶卷单元被堆叠并且串联连接的情况，可以通过划分成堆叠奇数个凝胶卷单元的情况和堆叠偶数个凝胶卷单元的情况来考虑。
为了堆叠相同类型的凝胶卷单元，每次堆叠凝胶卷单元时，每个凝胶卷单元可以倒置堆叠。例如，如图3A所示，凝胶卷单元可以设置成阳极片30设置在左侧而阴极片20设置在右侧，然后在第二层中，凝胶卷单元可以倒置堆叠，使得阴极片20设置在左侧，阳极片30设置在右侧，并且该过程可以重复几十次。
当堆叠奇数个相同类型的凝胶卷单元时，引出到电池单元外部的阴极片20和阳极片30可以不在相同的竖直线和相同的方向上引出。然而，当堆叠偶数个相同类型的凝胶卷单元时，阴极片20和阳极片30可以在相同的竖直线和相同的方向上引出，这可能不是优选的。
图3A示出具有堆叠三个第一凝胶卷单元11的结构的凝胶卷10'，图3B示出具有堆叠四个第一凝胶卷单元11的结构的凝胶卷10”。
例如，参照图3A，一个第一凝胶卷单元11可以设置在底部，另一个第一凝胶卷单元11可以设置在中间，再一个第一凝胶卷单元11可以设置在其上。如果设置在顶部的第一凝胶卷单元11的阴极片20可以连接到外部，则设置在顶部的第一凝胶卷单元11的阳极片30与设置在中间的第一凝胶卷单元11的阴极片20串联连接，并且设置在中间的第一凝胶卷单元的阳极片30连接到设置在底部的第一凝胶卷单元11的阴极片20，并且设置在底部的第一凝胶卷单元11的阳极片30可以被引出到外部。此时，虽然设置在顶部的第一凝胶卷单元11的阴极片20和设置在底部的第一凝胶卷单元11的阳极片30在相同方向被引出，但是其设置在彼此不同的位置上，这些片可以用作暴露于电池单元外部的端子片。
另一方面，参照图3B，为了便于描述，可以描述形成凝胶卷10”的第一凝胶卷单元11，在被提及时作为被设置在顶部、中上部、中下部和底部的第一凝胶卷单元11。当设置在顶部的第一凝胶卷单元11的阴极片20被引出到外部时，设置在顶部的第一凝胶卷单元11的阳极片30和设置在中上部的第一凝胶卷单元11的阴极片20串联连接，设置在中上部的第一凝胶卷单元11的阳极片30和设置在中下部的第一凝胶卷单元11的阴极片20串联连接，并且设置在中下部的第一凝胶卷单元11的阳极片30和设置在底部的第一凝胶卷单元11的阴极片20可以串联连接。因此，设置在底部的第一凝胶卷单元11的阳极片30可以被引出到外部。此时，引出到外部的阴极片20和阳极片30可以在相同的方向上被引出并且布置在相同的竖直线上。在这种情况下，可能发生如上所述的诸如接触线的意外问题，这将在下面详细描述。
原因在于，图2和图3是为了以示意性和直观的方式理解凝胶卷10的结构或为了便于描述和理解的目的而创建的示图，因此，在实际上，设置在顶部的第一凝胶卷单元11以及设置在底部的第一凝胶卷单元11之间的距离可能不够厚，即使阴极片20和阳极片30稍微弯曲也会引起诸如接触线的问题。
因此，当使用相同类型的凝胶卷单元形成凝胶卷10时，优选的是，堆叠奇数个凝胶卷单元。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体说明和描述了本发明，但是将理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例，而是相反。因此，本发明的范围不应限于上述实施例，而应由所附权利要求的等同方案以及所附权利要求确定。

Claims (9)

1.一种电池单元，包括：
凝胶卷，通过堆叠多个凝胶卷单元并且将所述多个凝胶卷单元彼此串联连接而形成，所述凝胶卷单元包括阴极、从所述阴极突出的阴极片、阳极和从所述阳极突出的阳极片，
每一个所述凝胶卷单元包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，
其中所述凝胶卷单元中的每一个是下列中的任意一种：
所述阴极片和所述阳极片在相同方向从所述第一侧突出的第一凝胶卷单元；
所述阴极片和所述阳极片在彼此不同的方向上斜对角地突出的第二凝胶卷单元，其中，所述第二凝胶卷单元的所述阴极片位于所述第一侧，所述第二凝胶卷单元的所述阳极片位于所述第二侧；以及
所述阴极片和所述阳极片在所述第一侧和所述第二侧上在彼此相反的方向上且在相同竖直线突出的第三凝胶卷单元，
其中彼此相邻的所述凝胶卷单元串联连接，
其中所述第一凝胶卷单元、所述第二凝胶卷单元和所述第三凝胶卷单元中的至少两个被堆叠并且串联连接。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述凝胶卷单元包括固体电解质层。
3.根据权利要求1所述的电池单元，其中奇数个凝胶卷单元被堆叠并且串联连接。
4.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述第一凝胶卷单元、所述第二凝胶卷单元和所述第三凝胶卷单元中的两个被堆叠并且串联连接。
5.根据权利要求1所述的电池单元，其中所有所述第一凝胶卷单元、所述第二凝胶卷单元和所述第三凝胶卷单元被堆叠并且串联连接。
6. 根据权利要求1所述的电池单元，其中所述凝胶卷的最外侧暴露表面是仅所述凝胶卷的内侧被涂覆的所述阴极或所述阳极的金属暴露表面。
7.根据权利要求6所述的电池单元，其中所述阳极涂覆有第一活性材料层，并且
所述第一活性材料层包括锂过渡金属氧化物、PVdF粘合剂和碳导电材料。
8. 根据权利要求1所述的电池单元，其中两个表面都被涂覆的阳极设置在所述凝胶卷的最外侧。
9.根据权利要求8所述的电池单元，其中所述阴极涂覆有第二活性材料层，并且
所述第二活性材料层包括石墨、碳或氧化硅、硅化合物或硅金属，并且进一步包括苯乙烯丁二烯橡胶粘合剂、CMC粘合剂和碳导电材料。
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