CN113711407A - 用于评估电极性能的电极组件和电极性能评估方法 - Google Patents

用于评估电极性能的电极组件和电极性能评估方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一种电极性能评估方法包括：提供用于性能评估的电极组件的步骤(S10)；将用于性能评估的电极组件浸在电解液中并向其施加恒定电流的步骤(S20)；以及在使所施加的电压逐渐增大的同时测量开始出现锂沉积的安全电压的步骤(S30)。在提供用于性能评估的电极组件的步骤中提供的用于性能评估的电极组件包括顺序堆叠有负极、第二负极、隔膜、参考电极、另一隔膜和正极的部分，并且在测量安全电压的步骤(S30)中包括：测量在正极和第二负极之间测得的电位差值作为设置在正极和负极之间的参考电极处的安全电压。本发明的一种用于性能评估的电极组件包括：负极，在负极中，负极活性材料被涂覆至负极集流体的两个表面；正极，在正极中，正极活性材料被涂覆至正极集流体的两个表面，并且正极堆叠在负极上；两个隔膜，两个隔膜堆叠在负极和正极之间；参考电极，其堆叠在两个隔膜之间；以及第二负极，其堆叠在两个隔膜中的相对靠近负极的隔膜和负极之间。

Description

用于评估电极性能的电极组件和电极性能评估方法
技术领域
本申请要求于2020年1月2日提交的韩国专利申请No.10-2020-0000439的优先权权益，该韩国专利申请的全部内容特此以引用方式并入。
本发明涉及用于评估电极性能的电极组件，并且更具体地，涉及能够通过基于第二负极测量电位值来计算更可靠的安全电压值的、用于评估电极性能的电极组件以及使用该用于评估电极性能的电极组件评估电极性能的方法。
背景技术
与原电池不同，可充电二次电池不仅正被开发用于数字装置，而且正被开发用于诸如电动车辆这样的车辆。
二次电池根据正极和负极的材料和外部形状进行各种分类。其中，由于使用锂化合物材料的那种锂二次电池具有大容量和低自放电率，因此正广泛使用锂二次电池来替代根据相关技术的镍-镉二次电池。
另外，锂二次电池可以按各种形状制造。代表性地，锂二次电池可以被制造为柱型、棱柱型或袋型。
随着这种锂二次电池的使用增加，对缩短充电时间的需求增加，因此，不断在进行缩短充电时间的研究和开发。
这里，重要的是，通过针对二次电池的充电特性分析所安装的电极组件的负电位来准确地测量没有出现锂枝晶的范围。为了缩短充电时间，当在高电压下执行充电时，负极表面中可能出现锂枝晶，并且当出现锂枝晶时，电解液可以被分解而产生可燃气体，由此造成二次电池膨胀。
因此，为了对二次电池进行快速充电，当对电极组件施加恒定电流时，应该检查出现锂枝晶的电位，并且应该在最短时间内以最安全的电压执行充电。
因此，必须准确地测量出现锂枝晶的电位差(安全电压)。
发明内容
技术问题
本发明的主要目的是提供不仅能够通过参考电极分离负极电位和正极电位并进行观察而且能够在充电期间基于负极的表面电位(负极活性材料的外表面上的电位)来测量安全电压的用于评估电极性能的电极组件以及用于评估电极性能的方法。
技术方案
用于实现上述目的的根据本发明的一种用于评估电极性能的方法包括：提供用于评估性能的电极组件的步骤(S10)；将用于评估性能的所述电极组件浸在电解液中并施加恒定电流的步骤(S20)；以及使所施加的电压能够逐渐增大以便测量开始出现锂枝晶的安全电压的步骤(S30)，其中，在提供用于评估性能的所述电极组件的所述步骤(S10)中提供的用于评估性能的所述电极组件包括顺序堆叠有负极、第二负极、隔膜、参考电极、隔膜和正极的部分，并且在测量所述安全电压的所述步骤(S30)中，测量在所述正极和所述第二负极之间测得的电位差值作为设置在所述正极和所述负极之间的所述参考电极中的安全电压。
在与所述第二负极接触的负极中，负极活性材料可以被涂覆至负极集流体的两个表面中的每个，并且所述第二负极可以堆叠在所述负极的所述负极活性材料和所述隔膜之间。
另外，本发明另外提供了一种用于评估电极性能的电极组件。根据本发明的一种用于评估电极性能的电极组件包括：负极，在所述负极上，负极活性材料被涂覆至负极集流体的两个表面；正极，在所述正极上，正极活性材料被涂覆至正极集流体的两个表面，并且所述正极与所述负极堆叠；两个隔膜，所述两个隔膜堆叠在所述负极和所述正极之间；参考电极，所述参考电极堆叠在所述两个隔膜之间；以及第二负极，所述第二负极堆叠在所述两个隔膜中的相对靠近所述负极的隔膜和所述负极之间。
所述参考电极可以被连接，以测量在向所述正极和所述负极施加电流时出现的电位差并测量在向所述正极和所述第二负极施加电流时出现的电位差。
所述第二负极可以具有冲压出孔使得可允许锂移动的结构。第二负极可以具有连续重复多个孔的网结构，并且第二负极可以由铜箔制成。
所述第二负极的面积可以等于或小于所述负极的面积，并且所述参考电极的面积可以等于或小于所述正极的面积。
另外，在本发明中，所述第二负极的面积可以小于所述负极的面积，从而仅覆盖所述负极活性材料的一部分，并且所述第二负极的剩余部分可以设置在所述负极活性材料外。可以设置多个所述第二负极，并且所述多个第二负极在所述负极活性材料和所述隔膜之间彼此间隔开，并且所述第二负极可以由与所述负极集流体相同的材料制成。
有益效果
在具有如上所述构造的本发明中，由于作为实际出现锂枝晶的一部分的负极的表面电位值被反映到开始出现锂枝晶的安全电压的测量值，因此可以计算出更准确的最终安全电压。
也就是说，当电极组件被充电时，锂可以从负极表面插入，因此，负极表面(负极活性材料的外表面)与负极集流体与负极活性材料接触的表面之间的电位差可以随着电流增大和温度降低而增加。然而，为了防止快速充电期间出现锂枝晶，可能需要测量负极表面上的电位，从而计算最终的安全电压。因此，在本发明中，由于基于负极的表面电位来测量安全电压，因此可以计算出更可靠的安全电压值。
附图说明
图1是用于评估电极性能的电极组件的侧视图，该电极组件具有从下面起按正极/隔膜/负极/隔膜/参考电极/隔膜/正极/隔膜/负极的顺序堆叠的结构。
图2是例示了根据本发明的用于评估电极性能的方法中的每个步骤的流程图。
图3是根据本发明的用于评估电极性能的电极组件的侧视图，该电极组件具有从下面起按正极/隔膜/负极/第二负极/隔膜/参考电极/隔膜/正极/隔膜/负极的顺序堆叠的结构。
图4a是例示了根据本发明的第三实施方式的第二负极被堆叠在负极活性材料上的状态的平面图，其中，第二负极仅覆盖负极活性材料的一部分，并且第二负极的一部分突出到负极活性材料外。
图4b是例示了根据本发明的第四实施方式的第二负极被堆叠在负极活性材料上的状态的平面图，其中，设置了多个第二负极，并且第二负极中的一个设置在负极活性材料的中央侧，而其它第二负极设置在相对外侧。
图4c是例示了根据本发明的第五实施方式的第二负极被堆叠在负极活性材料上的状态的平面图，其中，第二负极设置在负极活性材料的中央侧，并从负极活性材料突出以延伸呈具有相对窄宽度的线形。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明所属领域的普通技术人员可以容易地执行本发明的技术思路。然而，本发明可以按不同的形式来实施并且不应该被理解为限于本文中阐述的实施方式。
为了清楚地描述本发明，省略与描述无关的部分，并且在整个说明书中对相同或类似的部件分配相同的参考标号。
另外，本说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应该被限制性解释为普通含义或基于字典的含义，而是应该基于发明人可以合适定义术语概念从而以最佳方式描述和说明他或她的发明的原理，被解释为符合本发明范围的含义和概念。
发明本发明的目的是为了准确地测量当执行快速充电时开始出现锂枝晶的安全电压。本发明提供了不仅能够分离负极电位和正极电位并进行观察而且能够在充电期间基于负极的表面电位来测量安全电压的用于评估电极性能的电极组件以及用于评估电极性能的方法。
图1是用于评估电极性能的电极组件的侧视图，该电极组件具有从下面起按正极10/隔膜30/负极20/隔膜30/参考电极40/隔膜30/正极10/隔膜30/负极20的顺序堆叠的结构。在电极组件的总体结构(正极/隔膜/负极/隔膜被顺序重复的结构)中，当电流在正极和负极之间流动时，不可以独立地测量正极的电位和负极的电位。然而，如图1中例示的，在用于评估电极性能的电极组件200的结构中，可以独立地测量正极的电位和负极的电位。
也就是说，电流可以在参考电极40和正极10之间流动以测量正极电位，并且电流可以在不顾及正极电位的情况下在参考电极和负极20之间流动以测量负极电位。
然而，在高电流充电期间的锂枝晶中，负极10的表面电位的测量值成为比负极10的总电位的测量值更重要的变量。
也就是说，正极10具有正极活性材料10b被涂覆至正极集流体10a的两个表面的结构，负极10具有负极活性材料20b被涂覆至负极集流体20a的两个表面的结构。
另外，当在低电流下执行充电时，从正极活性材料10b发出的锂离子逐渐从负极活性材料20b的表面朝向负极集流体20a渗透，因此，负极活性材料20b与负极集流体20a之间没有出现电位差。然而，当在高电流下执行充电时，大量发出的锂离子集中到负极活性材料20b的表面中。这里，当集中到负极活性材料20b的表面上的锂离子的数量大于朝向负极集流体20a渗透的锂离子的数量时，出现锂枝晶。
此外，由于负极集流体20a附近的锂离子的数量与负极活性材料20b的表面中的锂离子的数量之间的差异，导致负极集流体20a与负极活性材料20b的表面之间出现电位差。
因此，应该基于以负极活性材料20b的表面为基础测量的电压值而非以负极集流体20a为基础测量的电压来测量开始出现锂枝晶的稳定电压。
然而，在图1中例示的结构中，在仅设置有参考电极40的结构中，可以不测量负极20的表面电位(即，基于负极活性材料的表面测量的电压)。
因此，作为第一实施方式，本发明提供了能够准确地测量开始出现锂枝晶的安全电压的用于评估电极性能的方法。
第一实施方式
参照图2，图2是示出了根据本发明的用于评估电极性能的方法中的步骤的流程图，根据本发明的评估方法包括提供用于评估性能的电极组件的步骤(S10)、将用于评估性能的电极组件100浸在电解液(未示出)中并施加恒定电流的步骤(S20)以及使所施加的电压能够逐渐增大以便测量开始出现锂枝晶的安全电压的步骤(S30)。
在提供用于评估性能的电极组件的步骤(S10)中提供的用于评估性能的电极组件基本上包括重复堆叠有正极10/隔膜30/负极20的部分，即，至少顺序堆叠有负极20、第二负极50、隔膜30、参考电极40、隔膜30和正极10的部分。
另外，用于评估性能的电极组件100被浸在电解液中，使得锂离子能移动以使电流能够流动并施加恒定电流。
这里，执行通过使用在参考电极40中测量的电压来测量安全电压的步骤(S30)。当出现锂枝晶时，测量作为参考电极40和第二电极50之间的电位以及参考电极40和正极10之间的电位的安全电压。
也就是说，在参考电极40和第二负极20之间施加电流，以测量电位差，并且分别地，在参考电极40和正极10之间施加电流，以测量电位差。另外，正极10和第二负极50之间的电位差可以通过两个值之间的差来获得。
也就是说，正极10和第二负极50之间的电位差对应于正极集流体和负极活性材料的表面之间的电位差值。可以通过电位差值获得更准确可靠的稳定电压。
在第一实施方式中，第二负极50可以具有与负极20的大小对应的大小。
然而，如图4b中例示的，多个第二负极50可以在隔膜30和负极活性材料20b之间彼此分别间隔开。这里，可以测量第二负极50当中的靠近中心的第二负极和靠近外侧的第二负极的电位，以确定锂离子是否瞬时集中在负极活性材料20b的表面的特定部分中(例如，在锂离子集中的部分处测得的电位差高)。
第二实施方式
此外，本发明提供作为第二实施方式的用于上述评估电极性能的方法的用于评估性能的电极组件100。
图3是根据本发明的用于评估电极性能的电极组件的侧视图，该电极组件具有从下面起按正极10/隔膜30/负极20/第二负极50/隔膜30/参考电极40/隔膜30/正极10/隔膜30/负极20的顺序堆叠的结构。
根据该实施方式的用于评估性能的电极组件100具有电极和隔膜按图3中例示的顺序堆叠的结构。也就是说，负极20在负极集流体20a的两个表面上涂覆有负极活性材料20b，正极10在正极集流体10a的两个表面上涂覆有正极活性材料10b，并且两个隔膜30堆叠在负极20和正极10之间。
另外，参考电极40堆叠在两个隔膜30之间，第二负极50堆叠在隔膜40当中的相对靠近负极20的隔膜(图3中的两个隔膜的下隔膜)和负极20之间。
在根据该实施方式的用于评估性能的电极组件100中，基本上包括正极10、负极20和隔膜30重复堆叠在最上面的负极20上方和最下面的正极10下方的构造，即，基本上包括堆叠有参考电极40和第二负极50的至少上述构造。
在具有该构造的用于评估性能的电极组件100中，在电解液被浸入的状态下施加电流，使得锂离子在正极10和负极20之间流动。
另外，当施加电流时，可以通过参考电极40测量在正极10和第二负极50之间产生的电位。
也就是说，可以通过测量参考电极40和正极10之间的电位以及参考电极40和第二负极50之间的电位来测量第二负极50和正极10之间出现的电位差。由于电位差根据所施加的电流量而变化，因此可以计算开始出现锂枝晶时的电位差。
在该实施方式中，第二负极50具有冲压出孔以使锂能够移动的结构。例如，两侧可具有多个冲压孔。更优选地，第二负极50可具有连续重复多个孔的网结构。
此外，第二负极50由铜材料(更具体地，由铜制成的箔)制成，并具有等于或小于负极20的面积的面积。另一方面，参考电极40可具有等于或小于正极的面积的面积。
第三实施方式
图4a是例示了根据本发明的第三实施方式的第二负极被堆叠在负极活性材料上的状态的平面图，其中，第二负极仅覆盖负极活性材料的部分，第二负极的部分突出到负极活性材料外。
根据该实施方式的第二负极51可以具有以下的结构：第二负极51的一部分设置在隔膜30和负极活性材料20b之间，使得在测量电位时易于连接测量装置的导线，并且第二负极51的剩余部分设置在负极活性材料20b外。这里，第二负极51的覆盖负极活性材料20b的面积可以被确定为不干扰锂离子的渗透并不产生不必要电阻的水平。
第四实施方式
图4b是例示了根据本发明的第四实施方式的第二负极被堆叠在负极活性材料上的状态的平面图，其中，设置了多个第二负极，并且第二负极中的一个设置在负极活性材料的中央侧，而其它第二负极设置在相对外侧。
在该实施方式中，可以设置多个第二负极52(52a、52b和52c)。因此，可以划分负极活性材料的整个区域，以瞬时测量某些点或几个点处的电位。
第五实施方式
图4c是例示了根据本发明的第五实施方式的第二负极被堆叠在负极活性材料上的状态的平面图，其中，第二负极设置在负极活性材料的中央侧，并从负极活性材料突出以延伸呈具有相对窄宽度的线形。
在该实施方式中，第二负极53可以具有圆形形状和多边形形状，并且宽度比实际电位被测量的部分53a的宽度窄的部分53b可以从负极活性材料20b中被抽出。
在第三实施方式至第五实施方式中设置的第二负极51、52、53没有覆盖整个负极活性材料20b。因此，由于锂离子通过未被第二负极51、52、53覆盖的部分在负极活性材料20b和隔膜30之间穿过，因此在第三实施方式至第五实施方式中设置的第二电极51、52、53中的每个可以具有非多孔结构。也就是说，由于第二电极51、52和53中的每个都具有非多孔结构，因此可以防止每个电极破裂并且每个电极的厚度薄。
也就是说，在第二实施方式中，第二负极50可以设置在负极20和隔膜30之间，且具有多孔结构使得穿过隔膜30的锂离子能够渗透到负极活性材料20b中。在第三实施方式至第五实施方式中，负极51、52和53可以部分地覆盖负极活性材料20b，并且锂离子可以穿过剩余部分。然而，限定使锂离子能够正常穿过其中的结构的第二负极的面积、厚度、形状等不受限制。
如上所述，由于第二负极51、52和53中的每个由与负极集流体20a相同的铜箔材料制成，因此可以在将负极活性材料20b涂覆到负极集流体20a之后处理负极集流体20a，并且剩余的多余铜箔可以用于被处理为第二负极51、52和53。
在具有以上构造的本发明中，由于基于作为实际出现锂枝晶的部分的负极活性材料的表面电位来测量开始出现锂枝晶的安全电压的测量值，因此可以测量更可靠的安全电压。
也就是说，当电极组件被充电时，锂可以从负极表面插入，因此，负极20的表面(负极活性材料的外表面)与负极集流体20a与负极活性材料20b接触的表面之间的电位差可以随着电流增大和温度降低而增加。然而，为了防止快速充电期间出现锂枝晶，可能基本上需要测量负极表面上的电位，从而计算最终的安全电压。因此，在本发明中，由于基于第二阴极50的表面电位来测量安全电压，因此可以提高可靠性。
虽然已经参照特定实施方式描述了本发明的实施方式，但是本领域的技术人员应该清楚，在不脱离随附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变和修改。
[对符号的描述]
10:正极
20:负极
30:隔膜
40:第一参考电极
50:第二参考电极

Claims (12)

1.一种用于评估电极性能的方法，所述方法包括以下步骤：
提供用于评估性能的电极组件的步骤(S10)；
将用于评估性能的所述电极组件浸在电解液中并施加恒定电流的步骤(S20)；以及
使所施加的电压能够逐渐增大以便测量开始出现锂枝晶的安全电压的步骤(S30)，
其中，在提供用于评估性能的所述电极组件的所述步骤(S10)中提供的用于评估性能的所述电极组件包括顺序堆叠有负极、第二负极、隔膜、参考电极、隔膜和正极的部分，并且
在测量所述安全电压的所述步骤(S30)中，测量在所述正极和所述第二负极之间测得的电位差值作为设置在所述正极和所述负极之间的所述参考电极中的安全电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在与所述第二负极接触的负极中，负极活性材料被涂覆至负极集流体的两个表面中的每个，并且所述第二负极堆叠在所述负极的所述负极活性材料和所述隔膜之间。
3.一种用于评估电极性能的电极组件，所述电极组件包括：
负极，在所述负极上，负极活性材料被涂覆至负极集流体的两个表面；
正极，在所述正极上，正极活性材料被涂覆至正极集流体的两个表面，并且所述正极与所述负极堆叠；
两个隔膜，所述两个隔膜堆叠在所述负极和所述正极之间；
参考电极，所述参考电极堆叠在所述两个隔膜之间；以及
第二负极，所述第二负极堆叠在所述两个隔膜中的相对靠近所述负极的隔膜和所述负极之间。
4.根据权利要求3所述的电极组件，其中，所述参考电极被连接，以测量在向所述正极和所述负极施加电流时出现的电位差并测量在向所述正极和所述第二负极施加电流时出现的电位差。
5.根据权利要求4所述的电极组件，其中，所述第二负极具有冲压出孔使得能允许锂移动的结构。
6.根据权利要求5所述的电极组件，其中，所述第二负极具有连续重复多个孔的网结构。
7.根据权利要求6所述的电极组件，其中，所述第二负极由铜箔制成。
8.根据权利要求6所述的电极组件，其中，所述第二负极的面积等于或小于所述负极的面积。
9.根据权利要求4所述的电极组件，其中，所述参考电极的面积等于或小于所述正极的面积。
10.根据权利要求4所述的电极组件，其中，所述第二负极的面积小于所述负极的面积，以仅覆盖所述负极活性材料的一部分，并且所述第二负极的剩余部分设置在所述负极活性材料外。
11.根据权利要求10所述的电极组件，其中，设置多个所述第二负极，并且所述多个第二负极在所述负极活性材料和所述隔膜之间彼此间隔开。
12.根据权利要求10所述的电极组件，其中，所述第二负极由与所述负极集流体相同的材料制成。
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