CN111373574B - 锂二次电池 - Google Patents

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Abstract

提供了一种金属接片，其仅焊接到第一电极接片，该第一电极接片延伸以从锂二次电池中的第一电极伸出，该锂二次电池包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极通过在其间放置隔膜而具有不同极性，其中第一电极的集流体的杨氏模量小于或等于第二电极的集流体的杨氏模量。

Description

锂二次电池
技术领域
本公开涉及一种用于柔性电池的金属接片，其能够解决在柔性环境中会发生的电池的机械问题。
背景技术
二次电池是指与不能充电的一次电池相反而能够被充电和放电的电池，并且已经被广泛地用于诸如蜂窝电话、笔记本计算机、便携式摄像机等的高级电子设备领域的领域。随着便携式电子设备被制造得更轻并具有改善的性能以及物联网(IoT)发展，正在对用作其电源的二次电池进行大量研究。
具体地说，与主要用作便携式电子设备的电源的镍镉电池或镍氢电池相比，锂二次电池具有更高的电压，并且每单位重量的能量密度也较高。因此，对锂二次电池的需求正在增加。
当正电极和负电极在其被插入到电解质中的同时彼此连接时，二次电池利用在电解质与正电极和负电极之间发生的电化学反应。与传统的一次电池不同，二次电池是可充电和可放电的电池，其在电子设备消耗能量时能够通过充电器进行能量再充电并再次使用。因此，二次电池的使用已经随着无线电子设备的普及而增加。
通常，隔膜插入在正电极与负电极之间然后螺旋缠绕在一起的凝胶卷型电极组件，或者多个正电极和负电极堆叠并且隔膜插入在正电极与负电极之间的柔性堆叠型电极组件已经用作锂二次电池。例如，通过将凝胶卷型电极组件容纳在圆柱形罐中，向其中注入电解质并密封罐来制造圆柱形电池，并且通过将凝胶卷型电极组件或堆叠型电极组件按压为扁平的并将扁平电极组件容纳在棱柱形罐中，来制造棱柱形电池。另外，通过将凝胶卷型电极组件或堆叠型电极组件与电解质一起包装在软包型壳体中来制造软包型电池。在这种电极组件中，正电极接片和负电极接片分别从正电极和正电极引出到电极组件的外部，然后连接到二次电池的正电极和负电极。
同时，位于沿垂直方向堆叠的多个正电极和负电极上的电极接片连接到电极引线。在直接设置期间，电极接片与电极引线之间的传统的接合结构的连贯性略有降低。因此，当电池在使用期间弯曲等时，在电极接片与电极引线之间的接合中发生问题。将参照韩国专利公开No.10-2013-0063709来说明软包型电池，该专利公开了一种软包型二次电池，其中，两个电极、隔膜和电解质被布置在软包中并密封，并且所述软包包括内部树脂层、金属箔层和外部树脂层以及，并且具有小于金属箔层的反应性的缓冲层形成在内部树脂层与金属箔层之间。在这种情况下，具有小于金属箔层的反应性的缓冲层被添加，因此，即使在内部树脂层被损坏(诸如，微裂纹)时，该缓冲层也能够抑制金属箔层的氧化。因此，可以抑制对电池外部的腐蚀。然而，金属箔在弯曲期间基本上易受变形(例如，起皱)影响，因此会导致柔性电池的性能下降。
根据传统技术，当典型的电池组件被弯曲时，压缩应力被施加到内部弯曲部分，而拉伸应力被施加到相对侧。因此，覆盖电池的电极组件的壳体也膨胀或收缩，因此局部发生机械损坏。因此，需要一种具有适当柔韧性的新型柔性电池组件。
另外，在通常的锂二次电池的集流体中，设置了由活性材料产生的电子能够流到外部的路径，并且从具有不同极性的电极突出并延伸的电极接片分别由具有不同特性的金属制成。例如，负电极集流体主要由铜制成。这是因为在负电极工作电位下，铝与锂反应生成合金。然而，在负电极工作电位下，铜不参与氧化还原反应，因此是稳定的。在此，一起使用由具有低杨氏模量(例如，铝)制成的金属集流体以及由具有相对较高杨氏模量(例如，铜)制成的金属集流体。当包括延伸率和厚度彼此不同的部件的电池弯曲时，需要有效地使应力最小化的技术。特别地，需要有效解决由电极与电极引线之间的杨氏模量差异引起的问题的技术。
专利文件1：KR10-2013-0063709A
本发明的公开内容
本发明所要解决的问题
本公开提供一种用于解决会发生在柔性环境中的电池的机械问题的方法。
解决问题的方法
为了解决上述问题，根据本公开的一方面，提供一种金属接片，所述金属接片包括在锂二次电池中，所述锂二次电池包括：具有不同极性的第一电极和第二电极、以及插入在它们之间的隔膜，并且所述金属接片设置在从所述第一电极突出并延伸的第一电极接片上，并且所述第一电极的杨氏模量等于或小于所述第二电极的杨氏模量。
当所述第一电极的集流体由铝制成时，所述第二电极的集流体由铝或不锈钢制成。
当所述第一电极的集流体由铜制成时，所述第二电极的集流体由不锈钢制成。
所述锂二次电池的最大弯曲角度以10°至180°范围内的内角弯曲。
所述金属接片由杨氏模量等于或大于所述第一电极的集流体的杨氏模量并且厚度是所述第一电极的集流体的厚度的1倍到5倍的金属制成。
根据本公开的另一方面，在包括金属接片的所述锂二次电池中，第一电极引线设置在所述金属接片上，所述金属接片设置在所述第一电极接片上，并且所述第一电极的集流体、所述金属接片和所述第一电极引线的杨氏模量满足以下关系：所述第一电极引线的杨氏模量等于或大于所述金属接片的杨氏模量，所述金属接片的杨氏模量等于或大于所述第一电极的集流体的杨氏模量。
如果所述第一电极的集流体的杨氏模量等于或小于所述第二电极的集流体的杨氏模量，则接合在从所述第二电极突出并延伸的第二电极接片上的第二电极引线具有弯曲结构，在所述第二电极引线已经朝着电极组件被设置在所述第二电极接片上的状态下，所述弯曲结构朝着所述电极组件的外部在180°相反方向上弯曲。
如果所述第一电极的集流体的杨氏模量小于所述第二电极的集流体的杨氏模量，则第二电极引线设置在从所述第二电极突出并延伸的所述第二电极接片上，所述第一电极的集流体、所述第二电极的集流体、所述金属接片、所述第一电极引线和所述第二电极引线的杨氏模量满足以下关系：所述第二电极的集流体的杨氏模量等于或大于所述第一电极引线的杨氏模量，所述第一电极引线的杨氏模量等于或大于所述金属接片的杨氏模量，所述金属接片的杨氏模量等于或大于所述第一电极的集流体的杨氏模量，所述第一电极的集流体的杨氏模量等于或大于所述第二电极引线的杨氏模量。
如果所述第一电极的集流体具有与所述第一电极引线相同的杨氏模量，则所述第一电极引线具有弯曲结构。
所述锂二次电池中包括的电极组件包括：具有不同极性并交替堆叠的第一电极和第二电极、以及插入在所述第一电极与所述第二电极之间的隔膜，并且布置在所述电极组件的两侧上的最外面的一对电极包括具有涂覆有电极混合物的单个表面的第一电极。
金属接片设置在所述最外面的一对电极的电极接片中的至少一个电极接片上。
所述锂二次电池包括混合物层以及电极接片，所述混合物层具有不同极性并分别涂覆在所述第一电极的集流体和所述第二电极的集流体上，所述电极接片未涂覆有所述混合物层并分别布置在所述第一电极的集流体和所述第二电极的集流体上，并且所述锂二次电池密封在包括电极引线部分的软包中，所述电极引线部分设置在所述电极接片上并突出到所述锂二次电池的外部以使电子流动。
本发明的效果
根据本公开，连接到电极引线的具有较大厚度的金属接片用于具有等于或小于预定水平的延伸率和弯曲性的电极。因此，能够有效解决由厚度和延伸率差异引起的电极与引线之间的分离问题。
附图说明
图1是示出根据本公开的实施例的金属接片接合到电极接片的结构的透视图。
图2是示出根据图1所示的金属接片已经接合在电极接片上的透视图。
图3是示出根据本公开的另一实施例的金属接片接合到电极接片的结构的透视图。
图4是示出根据本公开的又一实施例的具有弯曲结构的电极引线已经接合在金属接片上的结构的透视图。
图5示出根据本公开的又一实施例的电极组件中包括的电极之中的最外面的电极的集流体被布置为具有相对较低的杨氏模量的结构。
图6是示出根据本公开的实施例的具有金属接片的电池的弯曲测试以及不具有金属接片的电池的弯曲测试的结果的图。
图7是示出根据本公开的实施例的金属接片、电极以及电极引线的材料和杨氏模量的表格。
图8示出根据本公开的实施例的如何对金属接片、电极的集流体和电极引线执行应力测试。
图9和图10是示出基于从作为电池的部件的金属接片、电极的集流体和电极引线中的每个测量的应力和位移，在电极的集流体、电极引线和接片-引线设置部分中的破裂和切断程度的图。
实现本发明的最佳方式
在下文中，将参照附图来描述根据本公开的柔性电池。
提供以下示例性实施例仅是为了理解本公开，而不意图限制本公开的正确范围。因此，在与本公开相同的范围内执行相同功能的发明也包括在本公开的正确范围内。
在下文中，将参照附图详细描述本公开的一些实施例。当参考标号指代每个附图的部件时，尽管在不同的附图中示出了相同的部件，但是相同的部件尽可能由相同的参考标号来指代。另外，如果认为相关的已知配置或功能的描述会使本公开的主旨模糊，则将省略其描述。
另外，在描述本公开的部件时，能够使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语。这些术语仅用于将所述部件与其他部件进行区分。因此，相应部件的特性、顺序、次序等不受这些术语的限制。应当理解，当一个元件被称为“连接到”或“耦接到”另一元件时，所述一个元件可以直接连接或耦接到所述另一元件，或者可以在具有“连接”或“耦合”在所述一个元件与所述另一元件之间的又一元件的情况下，所述一个元件连接或耦接到所述另一元件。
图1是示出根据本公开的实施例的金属接片接合到电极接片的透视图。图2是示出根据图1所示的金属接片已经接合在电极接片上的透视图。
参照图1和图2，根据本公开的金属接片100用于锂二次电池，该锂二次电池包括具有不同极性的第一电极200和第二电极300以及插入在它们之间的隔膜400。两个电极中的第一电极200的集流体的杨氏模量等于或低于第二电极300的集流体的杨氏模量。
如果第一电极200的集流体的杨氏模量低于第二电极300的集流体的杨氏模量，则第一电极200的集流体可以由铜制成，并且第二电极300的集流体可以由不锈钢制成。
另外，如果第一电极200的集流体的杨氏模量低于第二电极300的集流体的杨氏模量，则第一电极200的集流体可以由铝制成，并且第二电极300的集流体可以由不锈钢制成。
同时，如果第一电极200的集流体的杨氏模量与第二电极300的集流体的杨氏模量相同，则第一电极200的集流体可以由铝制成，并且第二电极300的集流体可以由铝制成。
根据本公开的金属接片100被设置并焊接在从第一电极200突出用于电连接的第一电极接片210上。在本公开的实施例中，在与第一电极200的集流体相比具有更高的杨氏模量的第二电极300的集流体中不使用金属接片100。这是因为由弯曲应力引起的电极引线与电极之间的分离问题主要发生在第一电极200中。
在本公开的实施例中，金属接片100的杨氏模量等于或大于第一电极200的集流体的杨氏模量，但是期望地等于或小于电极引线500的杨氏模量。
在本公开的实施例中，弯曲应力由厚度控制，图1示出金属接片100的厚度是第一电极200的集流体的厚度的1倍到5倍。
这是因为如果具有上述厚度的金属接片100接合在第一电极200的集流体上，则金属接片100能够有效地吸收在杨氏模量较高的电极引线500被弯曲时产生的应力。如果金属接片100的厚度小于一倍，则电极引线500与第一电极接片210之间的设置部分能够在不受接合金属接片100的影响的情况下被容易地切断，并且如果金属接片100的厚度大于五倍，则当金属接片100设置在第一电极200的电极接片210上时，粘附力降低，并且如果增加超声波的强度以提高粘附力，则金属接片100部分熔化并粘在角和铁砧上。这样，设置的难度增加并且可加工性降低。此外，质量也不均匀。另外，在弯曲过程中能够容易地切断电极接片210，该电极接片210是位于设置有电极引线500和第一电极200的电极接片的接片-引线设置部分下方的未涂覆部分。
在本公开的实施例中，锂二次电池是具有弯曲性的柔性锂二次电池，并且锂二次电池的最大弯曲角度以10°至180°范围内的内角弯曲。也就是说，在本公开中，在第一电极接片210与电极引线500之间使用金属接片100，以解决在柔性锂二次电池中发生的应力问题，特别是在厚的电极引线(例如，镍)也被弯曲时第一电极200的薄的集流体(例如，铜)的破裂或分离。
图3是示出根据本公开的另一实施例的金属接片接合到电极接片的结构的透视图。
参照图3，根据本公开的金属接片100用于锂二次电池，该锂二次电池包括具有不同极性的第一电极200和第二电极300以及插入在它们之间的隔膜400，并且第一电极200的集流体的杨氏模量等于或小于第二电极300的集流体的杨氏模量。
第二电极引线600具有弯曲结构，在第二电极引线600已经被设置在朝着电极组件从第二电极300突出用于电连接的第二电极接片310上的状态下，该弯曲结构朝着电极组件的外部在180°相反方向上弯曲。
当第一电极200的集流体的杨氏模量小于第二电极300的集流体的杨氏模量时，第二电极引线600设置在第二电极接片310上；第一电极200的集流体、第二电极300的集流体、金属接片100、第一电极引线500和第二电极引线600的杨氏模量满足以下关系：第二电极300的杨氏模量大于第一电极引线500的杨氏模量，第一电极引线500的杨氏模量等于或大于金属接片100的杨氏模量，金属接片100的杨氏模量等于或大于第一电极200的杨氏模量，第一电极200的杨氏模量大于第二电极引线600的杨氏模量。
图4是示出根据本公开的又一实施例的具有弯曲结构的电极引线已经接合在金属接片上的结构的透视图。
参照图4，当第一电极200的集流体的杨氏模量与第一电极引线500的杨氏模量相同时，第一电极引线500也能够具有弯曲结构。
图5示出根据本公开的又一实施例的电极组件中包括的电极之中的最外面的电极的集流体被布置为具有相对较低的杨氏模量的结构。
电极组件具有如下结构：第一电极200和第二电极300具有不同极性并交替地堆叠，并且隔膜插入在第一电极200与第二电极300之间。
在该结构中，作为电极组件中包括的最外面的一对电极，可以布置包括具有相对较低的杨氏模量的集流体的第一电极200。最外面的一对电极中的每个电极可以具有涂覆有电极混合物的单个表面。
同时，对于均包括电极接片的最外面的一对电极中的至少任何一个电极，在电极接片上设置金属接片。
另外，锂二次电池包括混合物层以及电极接片，混合物层具有不同极性并且分别涂覆在第一电极200的集流体和第二电极300的集流体上，电极接片未涂覆有混合物层并且分别布置在第一电极200的集流体和第二电极300的集流体上，并且锂二次电池密封在包括电极引线部分的软包中，该电极引线部分设置在电极接片上并突出到锂二次电池的外部以使电子流动。
在下文中，将描述应用于本公开的杨氏模量。
具有高杨氏模量的材料有些坚硬并且抗变形高，因此具有固体性和低柔韧性。
具有低杨氏模量的材料非常柔软并且抗变形性小，因此具有脆性和高柔韧性。因此，当电池在外力下弯曲时，最外面的电极的切断较少发生。
同时，如果厚度太薄，则会容易发生破裂。因此，需要采用合适的厚度。另外，当外力施加到由彼此不同的材料制成并交替地堆叠的电极时，具有相对较低的杨氏模量的电极首先被选择性地破坏，因此，需要在考虑厚度的情况下找到合适的杨氏模量，以确保柔韧性。
另外，例如，对于铜(Cu)和不锈钢(SUS)，SUS比Cu贵，因此，将Cu应用于包括相对大量的电极的最外面的电极并降低制造成本是有效的。
此外，最外面的电极对电池的容量没有贡献，但是占据了厚度，因此导致能量密度的降低。因此，期望将电极混合物涂覆在单个表面上。
图6是示出根据本公开的实施例的具有金属接片的电池的弯曲测试以及不具有金属接片的电池的弯曲测试的结果的图。
参照图6，同时执行充电/放电测试和弯曲测试。作为其结果，在不具有金属接片100的传统电池中的电极和引线在弯曲30次之前就被破坏了，而具有金属接片100的电池即使在弯曲5000次之后，也能够执行正常的电化学操作。
在许多情况下，传统的锂二次电池在外部冲击或力的作用下在端部容易被切断，因此容量急剧下降并且不能用作电池。
然而，通过理解电池中包括的诸如金属接片100、电极200和300以及电极引线500和600的部件的材料的特性并改善结构，可以增强在锂二次电池的端部的电极的耐久性，该端部由于来自外部的反复施加力的弯曲和变形而最容易发生破裂和切断。
在本公开中，基于具有不同极性的第一电极200和第二电极300在电极接片上设置(点设置、超声设置、激光设置、与导电粘合剂接合等)小的金属接片100的简单工艺对端部的柔韧性具有很大的影响。
图7是示出根据本公开的实施例的金属接片、电极以及电极引线的材料和杨氏模量的表格。
如图7中所示，如果使用第一电极200作为正电极并且使用第二电极300作为正电极来准备实施例，则通过使用铝、铜、不锈钢和镍作为材料设定杨氏模量，能够对部件进行协调。
同时，杨氏模量是指示弹性物体的相对长度被外力(应力)改变多少的系数。这与物体的形状无关，而仅与物体的材料有关。
图8示出根据本公开的实施例的对金属接片、电极的集流体和电极引线执行应力测试。参照图8，在对具有金属接片100的电池的应力测试中，当力施加到电池的两端时，电池材料的横截面积逐渐减小，然后被切断。在这种情况下，电池材料产生抵抗来自外部的拉力的内部力，并且通过将抵抗力除以横截面积来定义应力。
图9和图10是示出作为图8所示的执行应力测试的结果，基于从作为电池的部件的金属接片、电极的集流体和电极引线中的每个测量的应力和位移，在电极的集流体、电极引线和接片-引线设置部分中的破裂和切断程度的图。
图9的图是示出在第一电极200的集流体由铜制成、第二电极300的集流体由不锈钢制成、第一电极200的集流体的杨氏模量低于第二电极300的集流体的杨氏模量的实施例中，在各个电极的集流体、金属接片100、第一电极引线500和第二电极引线600恰好被破坏和切断之前的应力和位移。对于由铜制成的第一电极200的集流体，其在约30kgf/mm2的应力下连续拉伸，并在约1.5mm的位移处被切断。对于由不锈钢制成的第二电极300的集流体，与铜不同，其倾向于对来自外部的拉力进行高度抵抗，而不是被拉伸。
图10示出在第一电极的集流体、第二电极的集流体、第一电极引线和第二电极引线由铝制成的另一实施例中应力与位移之间的关系。
因此，通过使用增强的金属接片100和弯曲结构的接片，并对各个电极的电极集流体应用合适的杨氏模量和厚度，可以改善容易被外力破坏的薄弱部分，并确保电池的柔韧性。

Claims (11)

1.一种锂二次电池，所述锂二次电池包括：
第一电极，
第二电极，和
插入在它们之间的隔膜，并且
在与所述第一电极连接的第一电极接片上设置有金属接片，并且
所述第一电极的集流体的杨氏模量等于或小于所述第二电极的集流体的杨氏模量，
其中，所述金属接片的杨氏模量等于或大于所述第一电极的集流体的杨氏模量，并且
其中，在所述锂二次电池中，
第一电极引线设置在所述金属接片上，并且
所述第一电极的集流体、所述金属接片和所述第一电极引线的杨氏模量满足以下关系：所述第一电极引线的杨氏模量等于或大于所述金属接片的杨氏模量，并且所述金属接片的杨氏模量等于或大于所述第一电极的集流体的杨氏模量。
2.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，当所述第一电极的集流体由铝制成时，所述第二电极的集流体由铝或不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，当所述第一电极的集流体由铜制成时，所述第二电极的集流体由不锈钢制成。
4.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，所述锂二次电池的弯曲角度以10°至180°范围内的内角弯曲。
5.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，所述金属接片由杨氏模量等于或大于所述第一电极的集流体的杨氏模量并且厚度等于或大于所述第一电极的集流体的金属制成。
6.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，设置在与所述第二电极连接的第二电极接片上的第二电极引线具有弯曲结构。
7.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，第二电极引线设置在从所述第二电极突出并延伸的第二电极接片上，并且
所述第一电极的集流体、所述第二电极的集流体、所述金属接片、所述第一电极引线和所述第二电极引线的杨氏模量满足以下关系：所述第二电极的集流体的杨氏模量等于或大于所述第一电极引线的杨氏模量，所述第一电极引线的杨氏模量等于或大于所述金属接片的杨氏模量，所述金属接片的杨氏模量等于或大于所述第一电极的集流体的杨氏模量，并且所述第一电极的集流体的杨氏模量等于或大于所述第二电极引线的杨氏模量。
8.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，如果所述第一电极的集流体具有与第一电极引线相同的杨氏模量，则所述第一电极引线具有弯曲结构。
9.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，所述锂二次电池中包括的电极组件包括交替堆叠的第一电极和第二电极，其中隔膜插入在所述第一电极与所述第二电极之间，并且
布置在所述电极组件的两侧上的最外面的一对电极包括涂覆有电极混合物的第一电极。
10.根据权利要求9所述的锂二次电池，
其中，金属接片设置在所述最外面的一对电极的电极接片中的至少一个电极接片上。
11.根据权利要求1所述的锂二次电池，
其中，所述锂二次电池包括：混合物层，其分别涂覆在所述第一电极的集流体和所述第二电极的集流体上；以及电极接片，其未涂覆有所述混合物层并分别布置在所述第一电极的集流体和所述第二电极的集流体上，并且
所述锂二次电池密封在包括电极引线部分的软包中，所述电极引线部分形成在所述电极接片上并突出到所述锂二次电池的外部。
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