CN111937222A - 电极组件以及包括该电极组件的二次电池 - Google Patents

电极组件以及包括该电极组件的二次电池 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个实施方式的电极组件为果冻卷型电极组件，在该电极组件中，负极板、正极板以及置于负极板与正极板之间的分隔件被卷绕在一起，该电极组件包括：一个或多个电极接片，电极接片附接至负极板或正极板并且电极接片的至少一些向外延伸；以及热释放带，热释放带粘附至电极接片，其中，粘附有热释放带的热电极接片定位在经卷绕的电极组件的中心与其外周表面之间、或者定位在其外周表面上，热释放带包括热扩散层，并且热扩散层包括石墨和/或金属箔。

Description

电极组件以及包括该电极组件的二次电池
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.10-2018-0152916的优先权和权益，该申请的全部内容通过参引并入本文中。
技术领域
本发明涉及电极组件以及包括该电极组件的二次电池。更具体地，本发明涉及包括电极接片的电极组件、以及包括该电极组件的二次电池。
背景技术
近来，对于比如手提电脑、摄像机、便携式电话等便携式电子产品的需求快速增加，并且电动车辆、能量储存电池、机器人、卫星等的发展活跃，因此，对用作这些产品的驱动动力源的二次电池已经进行了许多研究。
这种二次电池包括例如镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和锂二次电池。在这些电池中，由于与镍基二次电池相比，锂二次电池几乎没有记忆效应，并且锂二次电池具有比如自由充电和放电、非常低的自放电率、高的操作电压、高的每单位重量的能量密度等优点，因此锂二次电池被广泛地用于高科技电子设备。
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入或灌注在该壳体中。
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，而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。在这些结构中，果冻卷型电极组件易于制造并且具有高的每单位重量的能量密度的优点。
在配备有这种电极组件的二次电池中，如果由于高速率放电、过充电、外部短路等而在短时间内流过大的电流，则由于电极接片、特别是负极接片的发热，分隔膜收缩，并且电极活性材料与分隔膜变为半熔接，使得出现电极活性材料和分隔膜被推压和附接的问题。另外，由于分隔膜的损坏，可能会出现内部短路，这可能导致电池发热或爆炸。
特别地，近来，为了实现高功率和高容量模式，使用的组件正在变得薄膜化，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大，因而较大的电流被施加更长时间，并且因此，由于外部短路引起的电极接片的发热问题已经变成越发重要的问题。
为了克服该问题，需要对能够有效地控制电极接片的发热的二次电池进行研究。
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上述问题，以提供一种如下的用于二次电池的电极组件：该电极组件可以在外部短路、高速率放电等情况下有效地控制电极接片的发热。
【技术方案】
根据本发明的示例性实施方式的电极组件为果冻卷型的电极组件，在该电极组件中，负极板、正极板以及置于负极板与正极板之间的分隔膜被卷绕在一起，该电极组件包括：至少一个电极接片，电极接片附接至负极板或正极板，并且电极接片具有延伸至外部至少一部分；以及热辐射带，热辐射带粘附至电极接片，其中，粘附有热辐射带的电极接片定位在经卷绕的电极组件的中心部分与外周表面之间、或者定位在该外周表面上，热辐射带包括热扩散层，并且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。
热辐射带的粘附面积可以大于电极接片的附接面积。
与热辐射带的粘附面积对应的区域可以包括与电极接片的附接面积对应的区域。
热辐射带还可以包括粘合层，并且粘合层可以设置在电极接片与热扩散层之间、以及负极板或正极板与热扩散层之间。
热辐射带还可以包括粘合层，粘合层可以设置在负极板或正极板与热扩散层之间，并且电极接片的至少一部分可以与热扩散层接触。
热扩散层的厚度可以为从17μm至1mm。
热辐射带还可以包括粘合层和基层，并且热扩散层可以设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。
【有益效果】
根据本发明的示例性实施方式，由于外部短路而在电极接片中产生的热通过附接至电极接片的热辐射带快速地扩散并排出至周围环境，从而防止对分隔膜的损坏或内部短路。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施方式的电极组件的立体图。
图2是图1的电极组件在卷绕之前的分解立体图。
图3和图4是根据本发明的示例性实施方式的电极接片中的负极接片的俯视平面图。
图5是沿图4的方向C的前视图。
图6是根据本发明的示例性实施方式的电极接片中的负极接片的放大俯视平面图。
图7是沿图6的方向D观察的前视图。
图8示出了对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电极接片与使用不包含热扩散层的带的电极接片之间的温度梯度进行比较的实验结果。
具体实施方式
在下文中将参照附图对本发明进行更全面地描述，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了解的，在所有不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以以各种不同的方式对描述的实施方式进行修改。
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，相同的附图标记属于相同或类似的组成元件。
另外，为了更好的理解且易于描述，附图中示出的每个构型的尺寸和厚度是任意示出的，但本发明不限于此。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，为了更好的理解且易于描述，夸大了一些层和区域的厚度。
将理解的是，当比如层、膜、区域或基底的元件被称为“位于另一个元件上”时，该元件可以直接位于其他元件上，或者还可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接位于另一个元件上”时，不存在中间元件。此外，词语“在……上面”或“在……之上”意味着定位在目标部分的上方或下方，但本质上不意味着定位在目标部分的基于重力方向的上侧。
另外，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)”的变型将被理解为意指包括所陈述的元件但不排除任何其他元件。
贯穿说明书，短语“在平面上”意味着从顶部观察目标部分，并且短语“在横截面上”意味着从侧面观察目标部分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电极组件的立体图，并且图2是图1的电极组件在卷绕之前的分解立体图。
参照图1和图2，在根据本发明的示例性实施方式的电极组件100中，负极板110、正极板120以及置于负极板110与正极板120之间的分隔膜130被卷绕，电极组件100包括电极接片140和电极接片160中的至少一者，电极接片140和电极接片160附接至负极板110或正极板120并且具有延伸至外部的至少一部分，并且电极组件100包括粘附至电极接片140和电极接片160中的所述至少一者的热辐射带170，粘附有热辐射带170的电极接片140和电极接片160中的所述至少一者设置在经卷绕的电极组件100的中心部分与外周表面之间，并且热辐射带170包括热扩散层。热扩散层包括石墨和金属箔中的至少一者。稍后将对热扩散层进行描述。尽管未示出，但电极接片可以设置在经卷绕的电极组件的外周表面上。
电极组件100可以与电解质溶液一起被密封并接纳在壳体(未示出)中，以被制造为二次电池。
电极接片140和160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。在负极板110的表面上形成有负极活性材料，并且负极接片140可以附接至负极板110的表面中未形成负极活性材料的负极未涂覆区域115。在正极板120中的表面上形成有正极活性材料，并且正极接片160可以附接至正极板120的表面中未形成正极活性材料的正极未涂覆区域125。
由于正极板120的构型和负极板110的构型彼此相同或类似，因此参照图3至图7基于电极中的负极板110对正极板120的构型和负极板110的构型进行描述。
图3是根据本发明的示例性实施方式的电极接片中的负极接片的放大俯视平面图。电极接片中的负极接片140附接至负极板110，并且负极接片140的至少一部分延伸至外部。负极接片140与负极板110之间的附接不受限制，只要可以进行电连接即可，并且可以执行超声波焊接或电阻焊接。
热辐射带170附接至负极接片140，并且热辐射带包括热扩散层。
在高功率和高容量模式的二次电池中，当由于高速率放电、过充电、外部短路等而在短时间内流过大的电流时，由于电流集中而在电极接片中并且特别是在负极接片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重复地充电或放电，因而在二次电池变为高容量时，由充电和放电产生的热急剧增加。由于负极接片140的发热，分隔膜130可能收缩，并且负极板110和正极板120的电极活性材料与分隔膜130处于半熔接状态，使得可能造成负极板110和正极板120的电极活性材料与分隔膜130彼此粘附而发生损坏。另外，可能由于分隔膜130的损坏而出现内部短路，从而导致二次电池的发热。
为了有效地消除由于电流集中而在电极接片中产生的热，热辐射带170包括具有优异的热传导特性的热扩散层，并且热辐射带170附接至电极接片，从而使电极接片中局部产生的热快速扩散并排出至周围环境。从而可以防止对分隔膜130的损坏和内部短路。
负极接片140为二次电池的内部组成元件中具有特别高的电阻的部分，大部分热产生在负极接片140中。因此，在负极接片140中，对电极接片的发热问题进行控制的需求更重要，但电极接片的发热问题并不一定限于负极接片140，而是在正极接片160的情况下发热现象可能仍是问题。因此，热辐射带可以粘附至附接至负极板110的负极接片140和附接至正极板120的正极接片160中的至少一者。
再次参照图3，热辐射带170的粘附面积A大于负极接片140的附接面积B。具体地，由于热辐射带170粘附的粘附面积A大于负极接片140附接至负极板110的附接面积B，因而热辐射带170粘附至负极板110、具体地粘附至负极未涂覆区域115并粘附至负极接片140。热辐射带170的粘附面积A根据电池的尺寸可以是有差别的，但优选的是，粘附面积A的高度是与其平行的负极板的高度的0.5倍或更多，并且优选的是，粘附面积A的宽度是5mm至50mm。如果粘附面积A的宽度小于5mm，则来自负极接片140的局部产生的热可能不能有效地扩散并排出。另一方面，如果粘附面积A的宽度超过50mm，则经卷绕的电极组件100的外径由于热辐射带170而增大，该外径比二次电池的限定的空间中所需的外径更大，使得活性材料的量受到限制，从而可能造成电池容量减小并且可能干扰电极组件100的卷绕。
另一方面，优选的是，正极接片160中的热辐射带170的粘附面积的宽度是5mm至30mm。如果粘附面积的宽度小于5mm，则来自正极接片160的局部产生的热可能不能有效地扩散并释放。另一方面，为了正极接片160的稳定附接，正极接片160中的热辐射带170优选地覆盖所有正极未涂覆区域125，但由于这可能导致二次电池的容量减小，因而通过考虑正极未涂覆区域125的面积，粘附面积的宽度优选地是30mm或更小。
另外，与热辐射带170的粘附面积A对应的区域可以包括与负极接片140的附接面积B对应的区域。也就是说，负极接片140的至少一部分延伸至外部，并且其他部分附接至负极板110并一起被热辐射带170覆盖。由于与负极接片140附接至的粘附面积对应的区域被包括在与热辐射带170的粘附面积对应的区域中，因而不仅可以通过有效地扩散从负极接片140产生的热而降低发热部分的温度，而且还可以防止分隔膜因负极接片140的边缘而导致比如破裂或穿透之类的损坏。
即使当热辐射带被结合至正极接片时，热辐射带的粘附面积也可以应用有相同或类似的特性。
图4是根据本发明的示例性实施方式的电极接片中的负极接片的放大俯视平面图，并且图5是沿图4的方向C的前视图。参照图4和图5，热辐射带170还可以包括粘合层172，并且粘合层172可以设置在负极接片140与热扩散层171之间、以及负极板110与热扩散层171之间。热扩散层171可以通过粘合层172固定地设置在负极接片140和负极板110上。
图6是根据本发明的另一示例性实施方式的电极接片中的负极接片的放大俯视平面图，并且图7是沿图6的方向D的前视图。参照图6和图7，热辐射带270还可以包括粘合层272，并且粘合层272可以设置在负极板210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相接触。也就是说，热扩散层271不仅可以通过设置在负极板210与热扩散层271之间的粘合层272固定地设置在负极接片240和负极板210上，而且热扩散层271还可以在正上方直接接触负极接片240的至少一部分，使得由于高速率放电而在负极接片240上局部产生的热可以更快速地扩散。
即使当热辐射带被结合至正极接片时，包括粘合层的热辐射带也可以应用有相同或类似的特性。
再次参照图5和图7，根据本发明的示例性实施方式的热辐射带170和热辐射带270还可以分别包括粘合层172和粘合层272、基层173和基层273、以及热扩散层171和热扩散层271，并且其中，热扩散层171和热扩散层271可以设置在粘合层172和粘合层272与基层173和基层273之间。
如上面所提到的，热扩散层171和热扩散层271用以扩散并释放正极接片或负极接片中产生的热，并且热扩散层171和热扩散层271不受特别限制，只要热传导性优异即可，然而，优选的是，热扩散层171和热扩散层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和热扩散层271是板状的，因而根据热扩散原理，在平行于热扩散层171和热扩散层271的水平方向上进行热传递。
热扩散层171和热扩散层271的厚度优选地是17μm至1mm。下面对每种材料的具体厚度进行描述。
天然石墨是具有良好可生产性的材料，这是由于其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，使得热传递受限，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减弱，并且作为副作用，二次电池的容量可能减小。
人造石墨是人工制造的石墨，并且由于其在散热特性方面的优异性而被制造为薄膜，人造石墨优选的是形成为17μm至40μm的厚度。如果厚度小于17μm，则热扩散层可能太薄，使得热传递受限，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减弱，并且作为副作用，二次电池的容量可能减小。
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热传导率的Cu和Al中的至少一者，并且金属箔优选地形成为25μm至90μm的厚度。
粘合层172和粘合层272用于将包括热扩散层171和热扩散层271的热辐射带170和热辐射带270固定并定位在电极接片上，并且粘合层172和粘合层272可以包括丙烯酸基(acryl-based)粘合剂。
粘合层172和粘合层272的厚度可以为从5μm至25μm。热辐射带170和热辐射带270的粘附力在厚度为至少5μm时可以被保持，但在厚度大于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和基层273是热辐射带170和热辐射带270的基础层，并且基层173和基层273不受特别限制，只要基层173和基层273可以执行绝缘和耐热功能即可，但优选地，基层173和基层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和基层273的厚度可以是5μm至25μm。5μm的厚度是基层173和基层273可以呈现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1和图2，根据本发明的示例性实施方式的电极组件100是呈果冻卷形式的电极组件100，其中，分隔膜130被置于负极板110与正极板120之间并在负极板110与正极板120之间被卷绕。由于电极组件100呈果冻卷形式，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接片的热辐射带170的热扩散效果而使上述损坏最小化。也就是说，当本发明的热辐射带被应用于果冻卷形式的电极组件100时，可以使由于热引起的损坏最小化。
上述电极组件被包括在二次电池中并且可以应用于各种设备。设备可以应用于比如电动自行车、电动车辆、或混合动力车辆的交通工具，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
图8中示出了对粘附有包括由人造石墨制成的热扩散层的热辐射带的电极接片与粘附有无热扩散层的带的电极接片之间的温度梯度进行比较的实验结果。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。
包括热扩散层的热辐射带具有74W/mK的水平热传导率，而无热扩散层的带具有0.22W/mK的水平热传导率。因此，可以确认的是，与在粘附有无热扩散层的带的电极接片中相比，在粘附有包括热扩散层的热辐射带的电极接片中更容易进行热扩散，使得电极接片的温度进一步降低。水平热传导率是指在平行于热辐射带的方向上的热传导率。
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率的测量并在表格1中示出水平热传导率。
表1
类别 水平热传导率(W/mK)
人造石墨 800
天然石墨 250
金属箔 100-250
不具有热扩散层 <1.0
参照表1，相比于无热扩散层的情况，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了高的水平热传导率。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比包括金属箔的情况高3倍至8倍的水平热传导率，因而包括石墨、特别是人造石墨是特别期望的。
尽管已经结合目前被认为是实用的示例性实施方式描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
【附图标记说明】
100：电极组件
140：负极接片
160：正极接片
170、270：热辐射带
171、271：热扩散层

Claims (12)

1.一种果冻卷型的电极组件，在所述电极组件中，负极板、正极板以及置于所述负极板与所述正极板之间的分隔膜被卷绕在一起，所述电极组件包括：
至少一个电极接片，所述电极接片附接至所述负极板或所述正极板并且至少一部分延伸至外部；以及
热辐射带，所述热辐射带粘附至所述电极接片，
其中，粘附有所述热辐射带的所述电极接片定位在经卷绕的电极组件的中心部分与外周表面之间、或者定位在所述外周表面上，
所述热辐射带包括热扩散层，并且
所述热扩散层包括石墨和金属箔中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的电极组件，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所述的电极组件，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所述的电极组件，其中，
所述热辐射带的粘附面积大于所述电极接片的附接面积。
5.根据权利要求4所述的电极组件，其中，
与所述热辐射带的所述粘附面积对应的区域包括与所述电极接片的所述附接面积对应的区域。
6.根据权利要求5所述的电极组件，其中，
所述热辐射带还包括粘合层，并且
所述粘合层设置在所述电极接片与所述热扩散层之间以及所述负极板或所述正极板与所述热扩散层之间。
7.根据权利要求5所述的电极组件，其中，
所述热辐射带还包括粘合层，
所述粘合层设置在所述负极板或所述正极板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所述的电极组件，其中，
所述热扩散层的厚度为从17μm至1mm。
9.根据权利要求1所述的电极组件，其中，
所述热辐射带还包括粘合层和基层，并且
所述热扩散层设置在所述粘合层与所述基层之间。
10.根据权利要求9所述的电极组件，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。
11.根据权利要求9所述的电极组件，其中，
所述粘合层的厚度为从5μm至25μm，并且
所述基层的厚度为从5μm至25μm。
12.一种二次电池，所述二次电池包括根据权利要求1至权利要求11中的任一项所述的电极组件。
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