CN115020640A - 锂二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂二次电池,其包括正极和与该正极相对设置的负极,该正极包括正极集流体和形成在该正极集流体上的正极活性物质层,该正极集流体包含在该正极集流体的纵向上从其一端突出的正极极耳,其中该正极活性物质层包括与该正极集流体上的正极极耳间隔设置的第二正极部,以及与该正极集流体上的正极极耳相邻设置并且具有与该第二正极部的电极密度相比更高的电极密度的第一正极部。可以通过控制正极极耳边缘部分的电极密度来提高锂二次电池的寿命特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂二次电池,并且更具体地,涉及一种包括包含用于锂二次电池的锂金属氧化物基正极活性物质的正极的锂二次电池。
背景技术
二次电池是可以重复充电和放电的电池。随着信息和通信、显示产业的迅速发展,二次电池已广泛应用于如摄像机、移动电话、笔记本电脑等的各种便携式电子设备而作为其电源。近来,包括二次电池的电池组也已被开发并应用于如混合动力汽车的环保汽车而作为其电源。
二次电池的实例可以包括锂二次电池、镍镉电池、镍氢电池等。其中,锂二次电池的工作电压和每单位重量的能量密度高,并且在充电速度和重量轻方面是有利的。就此而言,锂二次电池已经被积极开发并应用作为电源。
例如,在锂二次电池的充电和放电期间,由于锂离子移动速度的不同,锂离子可能会析出(precipitated)。因此,二次电池的寿命特性和运行可靠性可能会降低。
例如,韩国专利登记公布第10-0548988号公开了一种锂二次电池,但在保证足够的寿命特性和稳定性方面存在局限性。
[现有技术文献]
[专利文献]
韩国专利登记公布第10-0548988号
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有优异的运行稳定性和可靠性的锂二次电池。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供一种锂二次电池,其包括:正极,所述正极包括包含从其一端突出的正极极耳的正极集流体和形成在所述正极集流体上的正极活性物质层;和与所述正极相对设置的负极,其中所述正极活性物质层可以包括:第一正极部,所述第一正极部在平面方向上(in the planar direction)与所述正极极耳相邻设置;和第二正极部,所述第二正极部在平面方向上与所述正极极耳间隔开,所述第一正极部插入所述第二正极部和所述正极极耳之间,并且所述第二正极部具有比所述第一正极部的电极密度低的电极密度。
在一些实施方案中,由以下等式1定义的正极密度差为1.5%至6%:
[等式1]
(在等式1中,DdP是正极密度差,D1P是第一正极部的电极密度,D2P是第二正极部的电极密度)。
在一些实施方案中,负极可以包括:包含从其一端突出的负极极耳的负极集流体和形成在所述负极集流体上的负极活性物质层,其中,所述负极活性物质层可以包括:第一负极部,所述第一负极部在平面方向上与所述负极极耳相邻设置;和第二负极部,所述第二负极部在平面方向上与所述负极极耳间隔开,所述第一负极部插入所述第二负极部和所述负极极耳之间,并且所述第二负极部具有比所述第一负极部的电极密度低的电极密度。
在一些实施方案中,由以下等式2定义的负极密度差可以为1.5%至6%:
[等式2]
(在等式2中,DdN是负极密度差,D1N是第一负极部的电极密度,D2N是第二负极部的电极密度)。
在一些实施方案中,所述第一正极部和所述第二负极部可以在厚度方向上相互重叠,并且所述第二正极部和所述第一负极部可以在厚度方向上相互重叠。
在一些实施方案中,在平面方向上,所述第一正极部的长度与所述第二负极部的长度相同,并且所述第二正极部的长度与所述第一负极部的长度相同。
在一些实施方案中,所述正极极耳和所述负极极耳可以在平面方向上沿彼此相反的方向突出。
在一些实施方案中,所述第一正极部的长度可以小于或等于所述第二正极部的长度,并且所述第二负极部的长度可以小于或等于所述第一负极部的长度。
在一些实施方案中,所述第一正极部的厚度可以小于所述第二正极部的厚度,并且所述第二负极部的厚度可以大于所述第一负极部的厚度。
所述锂二次电池可以进一步包括设置在所述正极活性物质层和所述负极活性物质层之间的隔膜,其中所述隔膜可以包括:第一部,所述第一部设置在所述第一正极部和所述第二负极部之间;第二部,所述第二部设置在所述第二正极部和所述第一负极部之间;和在所述第一部和所述第二部之间的阶梯部(stepped portion)。
在一些实施方案中,所述阶梯部可以与所述第二正极部和所述第二负极部的侧壁接触。
在一些实施方案中,所述第一正极部的电极密度可以为3.6克/立方厘米(g/cc)以下,并且所述第一负极部的电极密度可以为1.7克/立方厘米以下。
根据上述示例性实施方案的锂二次电池可以包括在正极极耳边缘部分(peripheral part)具有相对较高的电极密度的正极。在这种情况下,在正极极耳边缘部分处的正极电阻增加,使得在正极中的锂离子的移动速度会减少。因此,可以防止锂离子以过快的速度向负极移动而引起的锂析出现象。此外,通过整体上实现锂离子的均匀的(uniform)移动速度,可以抑制在二次电池的充电和放电期间的膨胀现象。
在示例性实施方案中,锂二次电池可以包括在正极极耳边缘部分具有相对低的电极密度的负极。在这种情况下,在正极极耳边缘部分处的负极电阻降低,从而可以提高负极中的锂离子的极限(limit)移动速度。因此,可以防止在负极中锂离子以超过极限移动速度移动而导致锂析出现象(lithium precipitation phenomenon)。
在一些实施方案中,锂二次电池可以包括包含阶梯部的隔膜。因此,可以使锂二次电池的厚度增加最小化,并且可以实现上述提高寿命特性的效果。
附图说明
根据以下结合附图的详细说明,将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点,其中:
图1为示出根据示例性实施方案的电极的示意性平面图;
图2为示出根据示例性实施方案的电极堆叠结构的示意性横截面图;
图3为示出根据示例性实施方案的锂二次电池的示意性平面图。
具体实施方式
本发明的实施方案提供一种锂二次电池,其包括正极,该正极包括具有不同电极密度的部分的正极活性物质。
在下文中,将参照附图详细描述本发明的实施方案。然而,这些实施方案仅仅是实例,并且本发明不限于作为实例描述的具体实施方案。
图1为示出根据示例性实施方案的电极的示意性平面图。具体地,图1为示出根据示例性实施方案的正极和负极的示意性平面图。在图1中,为了便于描述,单个正极和负极以在平面方向上彼此隔开的方式而示出。包括正极和负极的电极堆叠结构如图2所示。
图2为示出根据示例性实施方案的电极堆叠结构的示意性横截面图。具体地,图2为示出其中正极和负极交替和反复层叠的电极堆叠结构的横截面图。
在下文中,将参照图1和图2描述锂二次电池和电极堆叠结构的电极。
参照图1和图2,锂二次电池可以包括电极组件,该电极组件包括正极110、负极120和插入正极和负极之间的隔膜130。例如,电极组件可以与电解液一起容纳在外壳220中并被浸渍。
例如,正极110、负极120和隔膜130可以交替和反复层叠以形成电极堆叠结构100。
在示例性实施方案中,正极110可以包括包含从其一端突出的正极极耳119的正极集流体117和形成在正极集流体117上的正极活性物质层112。
例如,正极集流体117和正极极耳119可以包括不锈钢、镍、铝、钛、铜或它们的合金,并且优选地包括铝或铝合金。例如,正极集流体117和正极极耳119可以使用基本相同的构件(member)彼此一体地形成。
例如,可以通过将正极活性物质涂覆到正极集流体117来形成正极活性物质层112。例如,正极活性物质可以包括能够使锂离子可逆地嵌入和脱嵌的化合物。
在示例性实施方案中,正极活性物质可以包括锂-过渡金属复合氧化物颗粒。例如,锂-过渡金属复合氧化物颗粒包括镍(Ni),并且可以进一步包括钴(Co)和锰(Mn)中的至少一种。
例如,锂-过渡金属复合氧化物颗粒可以由下式1表示。
[式1]
LixNi1-yMyO2+z
在式1中,x和y可以分别在0.9≤x≤1.2和0≤y≤0.5的范围内,并且z可以在-0.1≤z≤0.1的范围内。M可以表示选自Na、Mg、Ca、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Co、Fe、Cu、Ag、Zn、B、Al、Ga、C、Si、Sn或Zr中的至少一种元素。
在一些实施方案中,式1中Ni的摩尔比或浓度(1-y)可以为0.8以上,在优选的实施方案中超过0.8。在这种情况下,由于在正极活性物质中包含高含量的Ni,所以可以提高二次电池的输出特性。
Ni可以作为与锂二次电池的输出和容量相关的过渡金属而提供。因此,如上所述,通过在锂-过渡金属复合氧化物颗粒中采用高镍(高Ni)含量的组成,可以提供高功率的正极和高功率的锂二次电池。
在这点上,随着Ni含量的增加,正极或二次电池的长期储存稳定性和寿命稳定性会相对降低。然而,根据示例性实施方案,在通过包含Co来保持导电性的同时,可以通过Mn来提高寿命稳定性和容量保持特性。
在一些实施方案中,正极活性物质或锂-过渡金属复合氧化物颗粒可以进一步包括涂层元素(coating element)或掺杂元素(doping element)。例如,涂层元素或掺杂元素可以包括Al、Ti、Ba、Zr、Si、B、Mg、P或它们的合金或它们的氧化物。这些物质可以单独使用或两种以上组合使用。正极活性物质颗粒通过涂层元素或掺杂元素而被钝化(passivated),从而可以进一步提高针对外部物体穿透的稳定性和寿命。
可以通过在溶剂中将包含上述锂-过渡金属复合氧化物颗粒的正极活性物质与粘合剂、导电材料和/或分散剂混合并搅拌来制备浆料。可以将浆料涂覆到正极集流体117,然后干燥并压制以制造正极110。
粘合剂可以选自例如有机粘合剂,例如偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-co-HFP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯等,或水性粘合剂例如苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR),并且粘合剂可以与诸如羧甲基纤维素(CMC)的增稠剂一起使用。
例如,PVDF基粘合剂可以用作正极形成粘合剂。在这种情况下,可以减少用于形成正极活性物质层的粘合剂的量,并且可以相对增加正极活性物质的量,从而提高二次电池的输出和容量。
可以包括导电材料以促进活性物质颗粒之间的电子转移。例如,导电材料可以包括碳基导电材料,例如石墨、炭黑、石墨烯或碳纳米管,和/或例如锡的金属基导电材料、氧化锡、氧化钛,或例如LaSrCoO3和LaSrMnO3的钙钛矿材料。
在示例性实施方案中,正极活性物质层112可以包括设置在正极集流体117上并且在平面方向上与正极极耳119相邻的第一正极部113和在平面方向上与正极极耳119间隔开的第二正极部115,第一正极部113插入在第二正极部115和正极极耳119之间。
例如,锂离子的移动速度在正极极耳边缘部分会最高。因此,锂离子会过快地移动到正极极耳119的边缘部分处的负极,从而导致锂析出现象。
根据本发明的实施方案,第一正极部113的电极密度可以高于第二正极部115的电极密度。在这种情况下,在正极极耳119的边缘部分处(例如,第一正极部113)的正极电阻可以相对增加以降低锂离子的移动速度。因此,可以防止由于锂离子以过快的速度移动到负极120而引起的锂析出现象。此外,通过整体上实现锂离子的均匀的移动速度,可以抑制在二次电池的充电和放电期间的膨胀现象。因此,例如,可以提高二次电池的寿命特性。
在一些实施方案中,由以下等式1定义的正极密度差可以是1.5%至6%。
[等式1]
在等式1中,DdP可以是正极密度差,D1P可以是第一正极部的电极密度,D2P可以是第二正极部的电极密度。
例如,当满足上述正极密度差的范围时,在正极极耳119的边缘部分(例如,第一正极部113)中锂离子的移动速度充分降低的同时,可以适当地控制正极电阻以保持电池的输出特性。
例如,可以通过正极部113和正极部115之间的厚度差来实现正极密度差。例如,第一正极部113的厚度可以小于第二正极部115的厚度。因此,可以设计成使得第一正极部113的电极密度大于第二正极部115的电极密度。
在一些实施方案中,第二正极部115的电极密度可以是3.6克/立方厘米以下。在这种情况下,根据上面的等式1,第一正极部113的电极密度可以为约3.82克/立方厘米以下。
在示例性实施方案中,负极120可以包括包含从其一端突出的负极极耳129的负极集流体127和形成在所述负极集流体127上的负极活性物质层122。
负极集流体127可以包括例如金、不锈钢、镍、铝、钛、铜或它们的合金,优选地包括铜或铜合金。
例如,可以通过将负极活性物质涂覆到负极集流体127上来形成负极活性物质层122。
可用于本发明的负极活性物质可以包括相关领域已知的任何物质,只要其能够使锂离子嵌入和脱嵌即可,没有特别限制。例如,可以使用碳基物质如结晶碳、无定形碳、碳复合材料、碳纤维等;锂合金;硅化合物或锡。无定形碳的实例可以包括硬碳、焦炭、中间相碳微球(MCMB)、中间相沥青基碳纤维(MPCF)等。
结晶碳的实例可以包括石墨基碳,例如天然石墨、人造石墨、石墨焦炭、石墨化MCMB、石墨化MPCF等。包括在锂合金中的其他元素可以包括例如铝、锌、铋、镉、锑、硅、铅、锡、镓、铟等。
硅化合物可以包括例如硅-碳复合化合物,例如氧化硅或碳化硅(SiC)。
例如,可以通过在溶剂中将负极活性物质与粘合剂、导电材料和/或增稠剂混合,然后搅拌来制备浆料形式(form)。可以将浆料涂覆到负极集流体127的至少一个表面,然后干燥并压制以制造负极120。
可以使用与正极活性物质层112中使用的上述物质基本相同或相似的物质作为粘合剂和导电材料。在一些实施方案中,用于形成负极的粘合剂可以包括例如水性粘合剂如丁苯橡胶(SBR)以与碳基活性物质相容(consistency),并且可以与增稠剂如羧甲基纤维素(CMC)一起使用。
在示例性实施方案中,负极活性物质层122可以包括设置在负极集流体127上并且在平面方向上与负极极耳129相邻的第一负极部123,和与负极极耳129间隔开的第二负极部125,第一负极部123插入第二负极部125和负极极耳129之间。
例如,第二负极部125电极密度可以低于第一负极部123的电极密度。在这种情况下,在正极极耳119边缘部分处(例如,第二负极部125)的负极电阻会减小以提高在负极中锂离子的极限移动速度。因此,可以防止由于锂离子以超过极限移动速度向负极120移动而引起的锂析出现象。
如本文所用,表达“极限移动速度(limit moving speed)”可以指在负极120中不发生锂析出现象的锂离子最大移动速度。
在一些实施方案中,由以下等式2限定的负极密度差可以是1.5%至6%。
[等式2]
在等式2中,DdN可以是负极密度差,D1N可以是第一负极部的电极密度,D2N可以是第二负极部的电极密度。
例如,当负极密度差满足上述范围时,在正极极耳119的边缘部分处(例如,第二负极部125)的负极电阻充分降低的同时,可以适当地保持锂离子的移动速度以提高二次电池的输出特性和寿命特性。
例如,可以通过负极部123和负极部125之间的厚度差来实现负极密度差。例如,第二负极部125的厚度可以大于第一负极部123的厚度。因此,可以设计使得第二负极部125的电极密度小于第一负极部123的电极密度。
在一些实施方案中,第一负极部123的电极密度可以为1.7克/立方厘米以下。在这种情况下,根据上面的等式2,第二负极部125的电极密度可以为约1.60克/立方厘米以下。
在一些实施方案中,锂二次电池的正极极耳119和负极极耳129可以在平面方向上沿彼此相反的方向突出。
在一些实施方案中,上述的第一正极部113和第二负极部125可以在电极堆叠结构100的厚度方向上相互重叠,并且第二正极部115和第一负极部123可以在电极堆叠结构100的厚度方向上相互重叠。在这种情况下,在正极极耳119的边缘部分(例如,第一正极部113和第二负极部125)中,正极电阻会增加,并且负极电阻会降低。因此,可以降低在第一正极部113中的锂离子移动速度,并且可以增加在第二负极部125中的锂离子移动速度。因此,通过在整个锂二次电池中实现锂离子的均匀的移动速度,可以抑制在电池充电和放电期间的膨胀现象。
在一些实施方案中,第一正极部113的长度可以与第二负极部125的长度相同,并且第二正极部115的长度可以与第一负极部123的长度相同。“相同(same)”的含义可以包括被认为是基本相同的情况,以及数学上(mathematically)相同的情况。在这种情况下,如图2所示,电极堆叠结构100厚度的增加由于高效的空间布置而最小化,并且可以提高寿命特性的上述效果。
在一些实施方案中,第一正极部113的长度可以小于或等于第二正极部115的长度,并且第二负极部125的长度可以小于或等于第一负极部123的长度。在这种情况下,可以通过防止正极极耳119的边缘部分(例如,第一正极部113和第二负极部125)的面积过度增加来保持电池的输出特性。
在示例性实施方案中,电极堆叠结构100可以进一步包括插入正极活性物质层112和负极活性物质层122之间的隔膜130。
例如,隔膜130可以包括由聚烯烃聚合物如乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物、乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物等制得的多孔聚合物膜。隔膜130可以包括高熔点玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等制得的非织造织物。
在一些实施方案中,隔膜130可以包括设置在第一正极部113和第二负极部125之间的第一部132和设置在第二正极部115和第一负极部123之间的第二部134。
例如,隔膜130可以进一步包括第一部132和第二部134之间的阶梯部136。例如,上述阶梯部136可以与第二正极部115和第二负极部125的侧壁接触。
例如,可以设计使得隔膜130与正极活性物质层112的曲率轮廓(curvatureprofile)或负极活性物质层122的曲率轮廓啮合(engaged)并结合(coupled)。在这种情况下,正极110、负极120和隔膜130可以紧密结合以形成电极堆叠结构100。由此,可以提高二次电池的空间效率。
在一些实施方案中,负极120的面积(例如,与隔膜130的接触面积)和/或体积可以大于正极110的面积和/或体积。因此,可以防止锂离子在其移动过程中析出,并获得根据上述结构的效果。
图3是示出根据示例性实施方案的锂二次电池的示意性平面图。
参照图3,锂二次电池200可以包括电极组件210、容纳电极组件210的外壳220、通过熔合(fusing)极耳119和极耳129形成的极耳部分202和极耳部分204,以及电极引线206和电极引线208。
例如,电极单元可以由正极110、负极120和隔膜130限定,并且多个电极单元可以堆叠以形成上文所述的电极堆叠结构100。例如,电极组件可以形成为果冻卷(jelly roll)形状,其中电极堆叠结构100通过隔膜130的卷绕(winding)、层叠(laminating)、折叠(folding)等而卷绕(wound)、层叠(laminated)和/或折叠(folded)。
电极组件210可以与电解液一起容纳在外壳220中,以限定锂二次电池200。根据示例性实施方案,非水电解液可以用作电解液。
非水电解液包括电解质的锂盐和有机溶剂,并且锂盐可以由例如Li+X-表示,并且锂盐的阴离子X-可以示例为F-、C1-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、(CF3SO2)3C-、CF3(CF2)7SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-和(CF3CF2SO2)2N-等。
例如,可以使用碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯、碳酸二丙酯、二甲基亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、碳酸亚乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸丙烯酯、四氢呋喃等作为有机溶剂。这些化合物可以单独使用或它们的两种以上组合使用。
如上所述,正极极耳119和负极极耳129可以分别从属于每个电极单元的正极集流体117和负极集流体127突出。
如图3所示,正极极耳119被熔合形成正极极耳部分202,并且可以延伸至外壳220的一侧,负极极耳129被熔合形成负极极耳部分204,并且可以延伸至外壳220的一侧。极耳部分202和极耳部分204可以与外壳220的一侧熔合在一起,以形成延伸或暴露于外壳220外部的电极引线(例如,正极引线206和负极引线208)。
例如,可以将锂二次电池制造成圆柱形(使用罐)、方形(square shape)、软包形(pouch type)、硬币形(coin shape)等。
在下文中,为了便于理解本发明,提出具体的实验例。然而,以下实施例仅用于说明本发明,并且本领域技术人员将清楚地理解,在本发明的范围和精神内可以进行各种改变和修改。这样的改变和修改适当地包括在所附权利要求内。
实施例1
正极的制备
使用通过用N2鼓泡24小时去除内部溶解氧的蒸馏水将NiSO4、CoSO4和MnSO4分别以0.8:0.1:0.1的比例混合。
将该溶液引入55℃反应器中,并且使用NaOH作为沉淀剂和NH3H2O作为螯合剂进行共沉淀反应72小时,得到作为过渡金属前体的Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2。
然后,在干式高速混合器(dry high-speed mixer)中以1.03:1的比例加入氢氧化锂和过渡金属前体,然后将其均匀地搅拌和混合20分钟。将该混合物放入煅烧炉(calcination furnace)中,以2℃/分钟的加热速率加热至950℃,并在950℃保持12小时。在加热和保持期间,以10mL/分钟的流速连续通过氧气。煅烧完成后,将混合物自然冷却至室温,然后进行研磨和分级,制备正极活性物质的锂-过渡金属复合氧化物颗粒LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。该锂-过渡金属复合氧化物颗粒用作正极活性物质。
将正极活性物质、作为导电材料的乙炔炭黑和作为粘合剂的PVDF分别以97:2:1的质量比组成混合,以制备正极浆料。然后,将该浆料涂覆到与正极极耳相邻的铝集流体,随后将其干燥并压制以制备第一正极部。在压制之后,将第一正极部的目标电极密度控制为3.7克/立方厘米。
将正极浆料涂覆到铝集流体上,使得第一正极部插入所涂覆的正极浆料和正极极耳之间,并且所涂覆的正极浆料与正极极耳间隔开,然后将其干燥并压制以制备第二正极部。在压制之后,将第二正极部的目标电极密度控制为3.55克/立方厘米。
此时,制备正极使得在电池长度方向上,第一正极部与第二正极部的长度比为5:5。
因此,制备了包括包含第一正极部和第二正极部的正极活性物质层的正极。
负极的制备
制备包含作为负极活性物质的93重量%的天然石墨、作为片状导电材料的5重量%的KS6、作为粘合剂的1重量%的苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)和作为增稠剂的1重量%的羧甲基纤维素(CMC)的负极浆料。将负极浆料涂覆到与负极极耳相邻的铜集流体,然后将其干燥并压制以制备第一负极部。在压制之后,将第一负极部的目标电极密度控制为1.6克/立方厘米。
将负极浆料涂覆到铜集流体上,使得第一负极部插入所涂覆的负极浆料和负极极耳之间,并且所涂覆的负极浆料与负极极耳间隔开,然后将其干燥并压制以制备第二负极部。在压制之后,将第二负极部的目标电极密度控制为1.55克/立方厘米。
此时,制备负极使得在电池长度方向上,第一负极部与第二负极部的长度比为5:5。
因此,制备了包括包含第一负极部和第二负极部的负极活性物质层的负极。
锂二次电池的制造
将如上所述制得的正极和负极分别切割为预定尺寸并层压。将包括设置在第一正极部和第二负极部之间的第一部、设置在第二正极部和第一负极部之间的第二部,以及在第一部和第二部之间的阶梯部的隔膜(聚乙烯,厚度:25μm)插入在正极和负极之间以形成具有正极和负极的电极单元。此后,分别焊接正极的极耳部分和负极的极耳部分。将焊接的正极/隔膜/负极的组合放入袋中,然后密封袋的三个侧面,除了其中注入电解液的一侧。此时,具有极耳的部分包含在密封部分中。在通过除了密封部分之外的剩余一侧注入电解液之后,剩余一侧也被密封,随后浸渍12小时以上。
通过在EC/EMC/DEC(25/45/30;体积比)的混合溶剂中溶解1M LiPF6溶液,然后加入1重量%的碳酸亚乙烯酯(VC)、0.5重量%的1,3-丙烯磺内酯(PRS)和0.5重量%的双(草酸)硼酸锂(LiBOB)来制备本文使用的电解液。
之后,通过施加对应于0.25C的电流(5A)36分钟,对如上制造的二次电池进行预充电。1小时后,脱气并陈化24小时以上,然后进行化成充放电(formation charging-discharging)(充电条件为CC-CV 0.2C 4.2V 0.05C截止,放电条件CC 0.2C 2.5V截止)。
实施例2
除了将第一正极部的目标电极密度控制为3.78克/立方厘米,并且将第二负极部的目标电极密度控制为1.50克/立方厘米之外,根据与实施例1中所述相同的方法制造锂二次电池。
实施例3
除了将第一正极部的目标电极密度控制为3.6克/立方厘米,并且将第二负极部的目标电极密度控制为1.58克/立方厘米之外,根据与实施例1中所述相同的方法制造锂二次电池。
实施例4
除了制备正极使得在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为3:7,并且制备负极使得在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为7:3,根据与实施例1中所述相同的方法制造锂二次电池。
实施例5
除了制备正极使得在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为3:7,并且制备负极使得在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为7:3,根据与实施例2中所述相同的方法制造锂二次电池。
实施例6
除了制备正极使得在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为3:7,并且制备负极使得在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为7:3,根据与实施例3中所述相同的方法制造锂二次电池。
实施例7
除了制备正极使得在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为7:3,并且制备负极使得在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为3:7,根据与实施例1中所述相同的方法制造锂二次电池。
实施例8
除了制备正极使得在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为7:3,并且制备负极使得在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为3:7,根据与实施例2中所述相同的方法制造锂二次电池。
实施例9
除了制备正极使得在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为7:3,并且制备负极使得在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为3:7,根据与实施例3中所述相同的方法制造锂二次电池。
比较例
不区分第一正极部和第二正极部,通过将正极浆料均匀地涂覆到铝集流体,然后干燥、压制,形成正极活性物质层,并且将正极活性物质层的目标电极密度控制为3.55克/立方厘米。
除了不区分第一负极部和第二负极部,通过将负极浆料均匀地涂覆到铜集流体,然后干燥、压制,以形成负极活性物质层,并且将负极活性物质层的目标电极密度控制为1.6克/立方厘米以外,根据与实施例1中所述相同的方法制备锂二次电池。
根据上述实施例和比较例制造的锂二次电池之间的电极密度和电极密度差示于下表1中。
[表1]
实验例
(1)放电输出和直流内阻(DCIR)的测量
对根据上述实施例和比较例制造的锂二次电池进行混合脉冲功率特性(hybridpulse power characterization,HPPC)测试,以测量放电输出和放电DCIR值。
(2)容量和容量保持率的计算
在25℃的腔室内对根据上述实施例和比较例制造的锂二次电池重复进行300次充电(CC-CV 1.0C 4.2V 0.05C截止)和放电(CC 1.0C 2.7V截止),通过基于第1次放电容量计算的第300次放电容量的百分比(%)来评价300次循环后的容量保持率。
测量结果示于下表2中。
[表2]
参照表2,与分别具有相同的电极密度的负极和正极的比较例的锂二次电池相比,在包括具有彼此不同的电极密度的第一正极部和第二正极部,以及具有彼此不同的电极密度的第一负极部和第二负极部的实施例的锂二次电池中,确保了优异的容量保持率。
然而,与具有的正极密度差和负极密度差满足1.5%至6%的范围的实施例1、4和7的锂二次电池相比,在具有正极密度差和负极密度差超过6%的实施例2、5和8的锂二次电池中,电阻增加,使得输出特性略微降低。
此外,与实施例1、4和7的锂二次电池相比,在具有正极密度差和负极密度差小于1.5%的实施例3、6和9的锂二次电池中,锂离子的移动速度降低,使得容量保持率略微降低。
进一步,与其他实施例的锂二次电池相比,在其中在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为3:7,并且在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为7:3的实施例4至6的锂二次电池中,呈现低电阻和优异的输出特性。
然而,与其他实施例的锂二次电池相比,在其中在电池长度方向上第一正极部与第二正极部的长度比为7:3,并且在电池长度方向上第一负极部与第二负极部的长度比为7:3的实施例7至9的锂二次电池中,具有高电极密度的正极极耳的边缘部分(第一正极部和第二负极部)的面积过度加宽,使得电池的整体电阻增加,并且输出特性略微降低。
[附图标记的说明]
100:电极堆叠结构
110:正极
112:正极活性物质层
113:第一正极部
115:第二正极部
117:正极集流体
119:正极极耳
120:负极
122:负极活性物质层
123:第一负极部
125:第二负极部
127:负极集流体
129:负极极耳
130:隔膜
200:锂二次电池
202:正极极耳部分
204:负极极耳部分
206:正极引线
208:负极引线
210:电极组件
220:外壳
Claims (12)
1.一种锂二次电池,其包括:
正极,所述正极包括包含从其一端突出的正极极耳的正极集流体和形成在所述正极集流体上的正极活性物质层;和
与所述正极相对设置的负极,
其中所述正极活性物质层包括:
第一正极部,所述第一正极部在平面方向上与所述正极极耳相邻设置;和
第二正极部,所述第二正极部在平面方向上与所述正极极耳间隔开,所述第一正极部插入所述第二正极部和所述正极极耳之间,并且所述第二正极部具有比所述第一正极部的电极密度低的电极密度。
3.根据权利要求1所述的锂二次电池,其中,所述负极包括:
包含从其一端突出的负极极耳的负极集流体;和
形成在所述负极集流体上的负极活性物质层,
其中,所述负极活性物质层包括:
第一负极部,所述第一负极部在平面方向上与所述负极极耳相邻设置;和
第二负极部,所述第二负极部在平面方向上与所述负极极耳间隔开,所述第一负极部插入所述第二负极部和所述负极极耳之间,并且所述第二负极部具有比所述第一负极部的电极密度低的电极密度。
5.根据权利要求3所述的锂二次电池,其中,所述第一正极部和所述第二负极部在厚度方向上相互重叠,并且所述第二正极部和所述第一负极部在厚度方向上相互重叠。
6.根据权利要求5所述的锂二次电池,其中,在平面方向上,所述第一正极部的长度与所述第二负极部的长度相同,并且所述第二正极部的长度与所述第一负极部的长度相同。
7.根据权利要求3所述的锂二次电池,其中,所述正极极耳和所述负极极耳在平面方向上沿彼此相反的方向突出。
8.根据权利要求3所述的锂二次电池,其中,所述第一正极部的长度小于或等于所述第二正极部的长度,并且所述第二负极部的长度小于或等于所述第一负极部的长度。
9.根据权利要求3所述的锂二次电池,其中,所述第一正极部的厚度小于所述第二正极部的厚度,并且所述第二负极部的厚度大于所述第一负极部的厚度。
10.根据权利要求9所述的锂二次电池,所述锂二次电池进一步包括设置在所述正极活性物质层和所述负极活性物质层之间的隔膜,
其中所述隔膜包括:
第一部,所述第一部设置在所述第一正极部和所述第二负极部之间;
第二部,所述第二部设置在所述第二正极部和所述第一负极部之间;和
在所述第一部和所述第二部之间的阶梯部。
11.根据权利要求10所述的锂二次电池,其中,所述阶梯部与所述第二正极部和所述第二负极部的侧壁接触。
12.根据权利要求3所述的锂二次电池,其中,所述第一正极部的电极密度为3.6克/立方厘米以下,并且所述第一负极部的电极密度为1.7克/立方厘米以下。
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