CN111656602B - 二次电池及包括该二次电池的设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的实施方式的二次电池包括：电极组件，该电极组件包括负极板、正极板和分隔膜；以及散热带，该散热带位于电极组件的外周表面上，其中，散热带包括热扩散层，并且该热扩散层包括石墨和金属箔中的至少一者。

Description

二次电池及包括该二次电池的设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0152911的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容通过参引并入本文中。
技术领域
本发明涉及二次电池及包括该二次电池的设备。更具体地，本发明涉及包括电极组件的二次电池、以及包括该二次电池的设备。
背景技术
近年来，随着对诸如笔记本式计算机、视频摄像机和移动电话之类的便携式电子产品的需求快速增长，并且电动车辆、能量储存电池、机器人、卫星等已得到认真发展，已经积极地探索和研究了用作上述各者的驱动电源的二次电池。
这种二次电池例如可以包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂二次电池等。在这些电池当中，锂二次电池已经广泛地用于高科技电子设备领域中，这是因为：与镍基二次电池相比锂二次电池几乎没有记忆效应，锂二次电池自由地充电和放电，并且锂二次电池具有非常低的自放电率、高的操作电压和高的每单位重量的能量密度。
通常，锂二次电池具有由正极、负极和置于正极与负极之间的分隔膜构造的单元电池堆叠或卷绕的结构，该锂二次电池嵌置在由金属罐或层压片制成的壳体中，并且电解质溶液被注射或灌注在该壳体中。
构成二次电池的正极/分隔膜/负极结构的电极组件根据该电极组件的结构主要分成果冻卷型(卷绕型)和堆叠体型(堆叠型)。果冻卷型是通过将分隔膜置于涂覆有活性材料的长板型正极与负极之间并然后将该分隔膜卷绕而得到的结构，并且堆叠体型是具有预定尺寸的多个正极和负极在分隔膜置于正极与负极之间的状态下按次序堆叠的结构。
近来，为了实现高功率和高容量的模型，使用的部件正在变得薄膜化，并且因此，具有低电阻和高容量的二次电池日益增多。然而，由于电阻降低并且容量增加，因而较大的电流被施加更长的时间，并且因此由于外部短路导致的电极接片产生热的问题已经变成越发重要的问题。
二次电池内部产生的热集中在电极接片上、且特别是在负极接片上，这是因为电池单元内部的电极特性不均匀。因此，二次电池内部存在温度偏差，使得在电池单元中发生平衡劣化，这可能与二次电池的性能劣化有关。
发明内容
【技术问题】
本发明的示例性实施方式的目的是解决以上问题，提供一种可以有效控制二次电池内部的热产生并减小温度偏差的二次电池。
【技术方案】
根据本发明的示例性实施方式的二次电池包括：电极组件，该电极组件包括负极板、正极板和分隔膜；以及热辐射带，该热辐射带布置在电极组件的外周表面处，其中，热辐射带包括热扩散层，并且该热扩散层包括石墨和金属箔中的至少一者。
石墨可以包括天然石墨和人造石墨中的至少一者。
金属箔可以包括Cu和Al中的至少一者。
电极组件可以是果冻卷型的电极组件，在该果冻卷型的电极组件中，分隔膜置于负极板与正极板之间并在负极板与正极板之间卷绕，电极接片可以附接至电极组件的外周表面，并且电极接片可以布置在热辐射带的至少一部分与电极组件的外周表面之间。
热辐射带的至少一部分可以与附接至电极组件的外周表面的电极接片接触。
电极接片可以包括负极接片和正极接片，并且负极接片可以附接至电极组件的外周表面。
热辐射带还可以包括粘合层，并且粘合层可以布置在电极接片与热扩散层之间以及在电极组件的外周表面与热扩散层之间。
热辐射带还可以包括粘合层，该粘合层可以布置在电极组件的外周表面与热扩散层之间，并且电极接片的至少一部分可以与热扩散层接触。
热辐射带的至少一部分可以粘附至电极组件的外周表面中的终止部分，其中，分隔膜的最靠外端部布置在该终止部分处。
热扩散层的厚度可以为从17μm至1mm。
热扩散层可以具有板状形状，并且热是沿与热扩散层平行的方向传递的。
热辐射带还可以包括粘合层和基层，并且热扩散层可以布置在粘合层与基层之间。
基层可以包括聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一者。
粘合层的厚度可以为从5μm至25μm，并且基层的厚度可以为从5μm至25μm。
【有利效果】
根据本发明的示例性实施方式，由于不仅可以通过布置在电极组件的外周表面处的热辐射带来保持电极组件的形状，而且可以使在二次电池中局部产生的热迅速地扩散，因此二次电池内部的温度偏差可以减小，由此防止了由于温度不平衡导致的性能劣化。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施方式的在卷绕之前的电极组件的分解立体图。
图2是卷绕之后的图1的电极组件的立体图。
图3是图2的部分A的局部放大图。
图4是在沿图2的方向B观察时的部分A的局部图。
图5是根据本发明的示例性实施方式的在卷绕之后的电极组件的立体图。
图6是图5的部分C的局部放大图。
图7是在沿图5的方向D观察时的部分C的局部图。
图8是用于对根据本发明的示例性实施方式的其中粘附有包括热扩散层的热辐射带的二次电池的每个部段的最大温度与其中粘附有无热扩散层的带的二次电池的每个部段的最大温度进行比较的曲线图。
具体实施方式
在下文中将参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。如本领域技术人员将认识到的，所描述的实施方式可以以全部都不脱离本发明的精神或范围的各种不同方式来修改。
为了清楚地说明本发明，省略了与本发明不直接相关的部分，并且贯穿整个说明书，相同的附图标记附属于相同或类似的组成元件。
此外，为了更好地理解且易于描述，附图中示出的每个构型的尺寸和厚度被任意地示出，但是本发明不限于此。在附图中，为了清楚起见，夸大了层、膜、面板、区域等的厚度。在附图中，为了更好地理解且易于描述，夸大了一些层和区域的厚度。
将理解的是，当诸如层、膜、区域或基底之类的元件被称为“位于”另一元件“上”时，该元件可以直接位于另一元件上或者也可以存在有中间元件。相反，当元件被称为“直接位于”另一元件“上”时，不存在有中间元件。此外，词语“位于……上方”或“位于……上”表示定位在目标部分上或下，但本质上不表示定位在目标部分的基于重力方向的上侧部上。
此外，除非有明确的相反描述，否则词语“包括”和诸如“包含(comprises)”或“包含有(comprising)”的变型将被理解成暗示包括所陈述的元件而非排除任何其他元件。
贯穿说明书，短语“在平面上”表示从顶部观察目标部分，并且短语“在横截面上”表示从侧部观察目标部分的被竖向切割的横截面。
图1是根据本发明的示例性实施方式的在卷绕之前的电极组件的分解立体图，并且图2是卷绕之后的图1的电极组件的立体图。
参照图1和图2，根据本发明的示例性实施方式的二次电池包括：电极组件100，该电极组件100包括负极板110、正极板120和分隔膜130；以及热辐射带170，该热辐射带170布置在电极组件100的外周表面上，其中，热辐射带170包括热扩散层，并且该热扩散层包括石墨和金属箔中的至少一者。稍后描述热扩散层。
图2中的热辐射带170示出为与电极组件100的外周表面的顶部和底部间隔开，但这是为了便于描述，并且热辐射带170可以布置成包围电极组件100的整个外周表面。
电极组件100是果冻卷型的电极组件100，该果冻卷型的电极组件100在将分隔膜130置于负极板110与正极板120之间的同时被卷绕，电极接片可以附接至电极组件100的外周表面，并且电极接片可以布置在位于热辐射带170中的至少一部分与电极组件100的外周表面之间。
电极接片140和160分别包括附接至负极板110的负极接片140和附接至正极板120的正极接片160。图2示出了负极接片140附接至电极组件100的外周表面以布置在热辐射带170中的至少一部分与电极组件100的外周表面之间，并且正极接片160布置在电极组件100的中央部分上。然而，正极接片160可以附接至电极组件100的外周表面，并且负极接片140可以布置在电极组件100的中央部分处。此外，尽管未示出，但是对于高功率模型而言，可以额外地附接正极接片和负极接片中的至少一者。
在高功率且高容量模型的二次电池中，当由于高速率放电、过度充电、外部短路等而在短时间内流过大电流时，由于电流集中而在电极接片中、特别是在负极接片140处会产生大量的热。由于二次电池通过内部电化学反应不断地反复充电或放电，因此当二次电池变为高容量时，由充电和放电产生的热急剧增加。由于这种热产生，分隔膜130可能被损坏并导致内部短路，并且还可能由于引起二次电池内部的温度偏差而导致二次电池的性能劣化。
由于热辐射带170包括具有优异的热传导特性的热扩散层以旨在解决这种问题，并且此外，由于二次电池内局部产生的热可以迅速扩散以防止温度升高，因此可以减小二次电池内部的温度偏差以防止由于温度不平衡而导致的性能劣化。
具体地，在二次电池的内部组成元件中的具有特别高电阻的负极接片140的情况中，负极接片140产生最大的热生成，通常，负极接片140而不是正极接片160附接至电极组件100的外周表面。因此，特别地通过热辐射带170的至少一部分与附接至电极组件100的外周表面的负极接片140接触的结构，在负极接片140中产生的热可以有效地扩散。
此外，再次参照图2，热辐射带170的至少一部分可以附接至电极组件100的外周表面的终止部分(finishing portion)150，并且终止部分150可以布置在分隔膜130的最靠外的端部处。由于热辐射带170的至少一部分在粘附至终止部分150的同时挤压电极组件100，因此热辐射带170的所述至少一部分保持卷绕后的电极组件100的形状并且防止电极组件100由于内部应力而松弛。
在下文中，为了便于就图3至图7进行说明，基于其中电极接片中的负极接片附接至电极组件的外周表面的示例来描述本发明，但是范围不限于此，并且本发明也适用于正极接片附接至电极组件的外周表面的情况。
图3是图2的部分A的局部放大图，并且图4是在沿图2的方向B观察时的部分A的局部图。
参照图3和图4，根据本发明的示例性实施方式的热辐射带170可以包括基层173、热扩散层171和粘合层172。粘合层172可以布置在负极接片140与热扩散层171之间并且在电极组件100的外周表面与热扩散层171之间。热扩散层171可以通过粘合层172固定地布置在负极接片140以及电极组件100的外周表面上。
图5是根据本发明的示例性实施方式的在卷绕之后的电极组件的立体图，图6是图5的部分C的局部放大图，并且图7是在沿图5的方向D观察时的部分C的局部图。
参照图5至图7，布置在包括负极板210、正极板220和分隔膜230的电极组件200的外周表面处的热辐射带270可以包括基层273、热扩散层271和粘合层272。粘合层272可以布置在电极组件200的外周表面与热扩散层271之间，并且负极接片240的至少一部分可以与热扩散层271接触。也就是说，通过布置在电极组件200的外周表面与热扩散层271之间的粘合层272，不仅热扩散层271可以固定地布置在电极组件200的外周表面以及负极接片240上，而且负极接片240的至少一部分可以与直接布置在负极接片240的所述至少一部分上的热扩散层271直接接触，由此在负极接片240中局部产生的热可以进一步迅速地扩散。
尽管未示出，但是根据本发明的另一示例性实施方式的电极组件具有与正极板和负极板相比延长了特定长度的分隔膜，从而在卷绕后的电极组件的最靠外部分卷绕了多于一匝。在这种情况下，负极接片可以布置在延长的分隔膜下方而不是在卷绕后的电极组件的最靠外部分处。因此，延长的分隔膜可以放置在负极接片与热辐射带之间。在这种情况下，根据本示例性实施方式的电极组件可以形成其中粘合层布置在热扩散层与分隔膜之间的结构以及其中分隔膜与热扩散层直接接触的结构，上述结构中分隔膜均布置在负极接片上。
再次参照图4和图7，根据本发明的示例性实施方式的热辐射带170和270各自还可以包括粘合层172和272、基层173和273以及热扩散层171和271，并且热扩散层171和271可以布置在粘合层172和272与基层173和273之间。
如上所述，热扩散层171和271将扩散和释放在二次电池中的任何位置中产生的热，并且热扩散层171和271没有特别限制，只要热传导性优异即可，然而优选的是，热扩散层171和271包括金属箔和石墨中的至少一者，并且石墨可以包括天然石墨和人造石墨中的至少一者。
由于热扩散层171和271是板状的，所以根据热扩散原理，热传递沿与热扩散层171和271平行的水平方向进行。
热扩散层171和271的厚度优选地为17μm至1mm。针对每种材料的特定厚度在下文描述。
天然石墨是具有良好的可生产性的材料，因为天然石墨易于形成为各种厚度和宽度，并且优选的是形成具有0.07mm至1mm的厚度的天然石墨。如果厚度小于0.07mm，则热扩散层可能太薄以至于热传递可能受限制，并且如果厚度大于1mm，则热扩散效果可能由于过度的厚度而降低，并且作为副作用，二次电池的容量可能降低。
人造石墨是人工生产的石墨，并且由于人造石墨在其热耗散特性方面是优异的而被生产为薄膜，人造石墨优选的是形成17μm至40μm的厚度。如果厚度小于17μm，则热扩散层可能太薄以至于热传递可能受限制，并且如果厚度大于40μm，则热扩散效果可能由于过度的厚度而降低，并且作为副作用，二次电池的容量可能降低。
金属箔是可以相对廉价地形成热扩散层的材料并且可以包括具有高的热传导性的Cu和Al中的至少一者，并且金属箔优选地形成为具有25μm至90μm的厚度。
粘合层172和272用于将包括热扩散层171和271的热辐射带170和270固定并定位至包括电极接片的电极组件的外周表面，并且粘合层172和272可以包括丙烯酸基(acryl-based)粘合剂。
粘合层172和272的厚度可以是从5μm至25μm。热辐射带170和270的粘合性在厚度至少为5μm时可以被保持，但是当厚度大于25μm时，可能存在由于不必要的厚度而不能有效地扩散热的问题。
基层173和273是热辐射带170和270的基础层，并且基层173和273没有特别限制，只要基层173和273可以执行绝缘和耐热功能即可，但是优选地，基层173和273包括聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一者。
基层173和273的厚度可以是从5μm至25μm。5μm的厚度是基层173和273可以表现出绝缘性能的最小厚度，并且如果厚度大于25μm，则可能存在由于不必要的厚度而不能有效地扩散热的问题。
再次参照图2和图5，根据本发明的示例性实施方式的电极组件100和200可以是通过分别将分隔膜130和230置于待卷绕的负极板110和210与正极板120和220之间得到的果冻卷型的电极组件100和200。由于电极组件100和200是果冻卷型的，因此与电极接片直接或间接接触的负极板110、正极板120和分隔膜130的每个弯曲部都可能由于从电极接片产生的热而被损坏。然而，根据本发明的示例性实施方式的电极组件100可以由于粘附至电极组件100和200的外周表面的热辐射带170和270的热扩散效应而使上述损坏最小化。也就是说，当将本发明的热辐射带170和270应用于呈果冻卷的形式的电极组件100和200时，可以进一步使由于热而引起的损坏最小化。
尽管未示出，但是根据本发明的示例性实施方式的二次电池还可以包括袋型壳体，该袋型壳体接纳电极组件并且包括层压片。与使用分隔膜作为电极组件的终止部(finishing)的常规的袋型二次电池不同，在本发明的示例性实施方式中，电极组件可以由热辐射带终止以不发生松弛，并且同时，可以减少二次电池的温度不平衡。
另外，根据本发明的示例性实施方式的二次电池还可以包括筒形或矩形壳体，电极组件容置在该筒形或矩形壳体中。图2至图7图示了其中电极组件容置在筒形壳体中的情况，但是热辐射带等的结构即使在容置于矩形壳体中时也可以等同地或类似地应用。
上文所描述的电极组件包括在二次电池中并且可以应用于各种设备。设备可以应用于诸如电动自行车、电动车辆、混合动力车辆之类的车辆，但不限于此，并且设备可以应用于可以使用二次电池的各种设备。
实验示例1
在图8中示出了用于对粘附有包括由人造石墨制成的热扩散层的热辐射带的二次电池的每个部分的最大温度与粘附有无热扩散层的带的二次电池的每个部分的最大温度进行比较的曲线图。包括由人造石墨制成的热扩散层的热辐射带的厚度为40μm，并且由人造石墨制成的热扩散层的厚度为25μm。
将附接有负极接片的部分作为0°的基准，并且每移动90°附上一温度线，然后测量温度。通过图8可以确认的是，与粘附有无热扩散层的带的二次电池相比，在根据本发明的示例性实施方式的粘附有包括热扩散层的热辐射带的二次电池中，最大温度进一步降低。特别地，可以确认的是，温度在附接有负极接片的部分的0°处降低最多。
实验示例2
针对包括人造石墨、天然石墨和金属箔用于根据本发明的示例性实施方式的包括热扩散层的热辐射带的每种情况以及针对无热扩散层的热辐射带进行水平热传导性的测量并在表格1中示出。水平热传导性表示在与热辐射带平行的方向上的热传导性。
[表1]
分类 水平热传导性(W/mK)
人造石墨 800
天然石墨 250
金属箔 100-250
无热扩散层 <1.0
参照表1，与无热扩散层的情况相比，根据本发明的示例性实施方式的包括热扩散层的热辐射带显示出了高的水平热传导性。因此，可以更有效地消散在二次电池内部产生的热，并且特别地，由于包含人造石墨或天然石墨的热辐射带显示出了比包括金属箔的情况的水平热传导性高3倍至8倍的水平热传导性，因此包括石墨、特别是人造石墨是特别期望的。
虽然已经结合目前认为是实际的示例性实施方式描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明意在覆盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种改型和等同布置。
【附图标记说明】
100、200：电极组件
170、270：热辐射带
171、271：热扩散层

Claims (14)

1.一种二次电池，包括：
电极组件，所述电极组件包括负极板、正极板和分隔膜；以及
热辐射带，所述热辐射带布置在所述电极组件的整个外周表面处，
其中，所述热辐射带包括热扩散层，
所述热扩散层包括石墨和金属箔中的至少一者，
所述电极组件是果冻卷型的电极组件，在所述果冻卷型的电极组件中，分隔膜置于负极板与正极板之间并在负极板与正极板之间卷绕，
电极接片附接至所述电极组件的外周表面，并且
所述电极接片布置在所述热辐射带的至少一部分与所述电极组件的外周表面之间。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述石墨包括天然石墨和人造石墨中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述金属箔包括Cu和Al中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述热辐射带的至少一部分与附接至所述电极组件的所述外周表面的所述电极接片接触。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述电极接片包括负极接片和正极接片，并且
所述负极接片附接至所述电极组件的所述外周表面。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述热辐射带还包括粘合层，并且
所述粘合层布置在所述电极接片与所述热扩散层之间以及在所述电极组件的所述外周表面与所述热扩散层之间。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述热辐射带还包括粘合层，
所述粘合层布置在所述电极组件的所述外周表面与所述热扩散层之间，并且
所述电极接片的至少一部分与所述热扩散层接触。
8.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述热辐射带的至少一部分粘附至所述电极组件的所述外周表面中的终止部分，其中，所述终止部分设置在所述分隔膜的最靠外的端部处。
9.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述热扩散层的厚度是从17 μm至1 mm。
10.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述热扩散层具有板状形状，并且热是沿与所述热扩散层平行的方向传递的。
11.根据权利要求1所述的二次电池，其中，
所述热辐射带还包括粘合层和基层，并且
所述热扩散层布置在所述粘合层与所述基层之间。
12.根据权利要求11所述的二次电池，其中，
所述基层包括聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一者。
13.根据权利要求11所述的二次电池，其中，
所述粘合层的厚度为从5 μm至25 μm，以及
所述基层的厚度为从5 μm至25 μm。
14.一种包括根据权利要求1至权利要求13中的任一项所述的二次电池作为电源的设备。
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