CN115023839A - 具有改进的安全性的电池单元及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有改进的安全性的电池单元及其制造方法，更具体地，涉及以下电池单元及电池单元制造方法：其中电极组件容纳在单元壳体(100)中，电极组件包括正极(200)和负极(300)，其被定位为在隔膜(400)置于其之间的情况下彼此面对，其中正极(200)包括正极板(210)和设置在正极板(210)的一个表面和/或另一表面上的正极活性材料层(220)，负极(300)包括负极板(310)和设置在负极板(310)的一个表面和/或另一表面上的负极活性材料层(320)，正极活性材料层(220)各包括第一平坦部分(221)和在第一平坦部分(221)的相对侧的第一倾斜部分(222)，负极活性材料层(320)各包括第二平坦部分(321)和在第二平坦部分(321)的相对侧的第二倾斜部分(322)。

Description

具有改进的安全性的电池单元及其制造方法
技术领域
本申请要求于2020年8月21日提交的韩国专利申请No.2020-0105020的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文中。
本发明涉及一种具有改进的安全性的电池单元及其制造方法，并且更具体地，涉及如下具有改进的安全性的电池单元及其制造方法：电池单元被构造为使得在正极的端部形成倾斜部分，由此防止锂离子析出，因此抑制事件的发生并提高电池单元的能量密度。
背景技术
随着由于使用化石燃料导致的空气污染和能源枯竭导致替代能源的近期发展，对能够存储产生的电能的二次电池的需求已经增加。能够充电和放电的二次电池在日常生活中被密切使用。例如，二次电池用于移动装置、电动车辆和混合动力电动车辆。
由于移动装置的使用增加、移动装置的复杂性增加以及电动车辆的发展，作为现代社会不可避免地使用的各种电子装置的能源的二次电池的所需容量已经增加。为了满足用户的需求，多个电池单元被设置在小型装置中，而在车辆中使用包括彼此电连接的多个电池单元的电池模块或包括多个电池模块的电池组。
图1是传统电极组件的截面图。参照图1，构成袋状电池单元的电极组件被构造成具有以下结构：隔膜40置于正极20和负极30之间，并且包含电极活性材料材料的混合物22和32中的每一种被涂布到集流体21和31中的对应集流体的一个表面或两个相对表面(opposite surfaces)。
然而，在反复充放电过程期间，负极30中要嵌入从正极20分离的锂离子的空间变得不足，从而锂离子可能在负极表面析出为锂金属，或者在电池制造过程中混入的金属杂质可能再结晶，并可能通过隔膜与正极接触，从而可能发生内部短路。结果，可能出现与安全性相关的问题。
为了最大限度地抑制这种现象，已经采用如下结构：其中，在正极和负极在隔膜置于它们之间的状态下彼此面对的正极和负极的位置处，负极的截面容量大于正极的截面容量。然而，尚未充分进行关于通过在电极边缘涂布或涂覆而实现的截面容量的调整与能量密度的提高相关的研究。
发明内容
技术问题
本发明是鉴于以上问题而进行的，并且本发明的目的在于提供一种被构造为抑制锂离子的析出同时最大化地提高电池单元的能量密度的具有改进的安全性的电池单元及及其制造方法。
技术方案
为了实现以上目的，根据本发明的电池单元被构造为使得电极组件容纳在单元壳体(100)中，电极组件包括正极(200)和负极(300)，正极(200)和负极(300)被定位为在隔膜(400)置于它们之间的状态下彼此相对，其中，正极(200)包括正极板(210)和设置在正极板(210)的一个表面和/或另一表面上的正极活性材料层(220)，负极(300)包括负极板(310)和设置在负极板(310)的一个表面和/或另一表面上的负极活性材料层(320)，正极活性材料层(220)包括第一平坦部分(221)和设置在第一平坦部分(221)的相对两侧中的每一侧的第一倾斜部分(222)，并且负极活性材料层(320)包括第二平坦部分(321)和设置在第二平坦部分(321)的相对两侧中的每一侧的第二倾斜部分(322)。
此外，在根据本发明的电池单元中，正极活性材料层(220)可以被定位为与负极活性材料层(320)交叠，并且负极活性材料层(320)的第二平坦部分的长度(L3)和第二倾斜部分的长度(L4)之和可以大于正极活性材料层(220)的第一平坦部分的长度(L1)和第一倾斜部分的长度(L2)之和。
另外，在根据本发明的电池单元中，负极活性材料层(320)在第二平坦部分的厚度(D3)方向上的负极截面容量可以大于位于同一垂直延长线上的正极活性材料层(220)的正极截面容量。
此外，在根据本发明的电池单元中，负极活性材料层(320)在第二倾斜部分的厚度(D4)方向上的负极截面容量可以大于位于同一垂直延长线上的正极活性材料层(220)的正极截面容量。
此外，在根据本发明的电池单元中，正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)的垂直截面可以具有朝向其边缘逐渐减小的厚度。
此外，在根据本发明的电池单元中，正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)可以被构造为具有锥形形状。
此外，在根据本发明的电池单元中，正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)可以被构造为具有阶梯形状。
此外，在根据本发明的电池单元中，可以在正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)形成倾斜表面，使得第一倾斜部分与第一平坦部分(221)一起形成锐角。
此外，根据本发明的电池单元制造方法包括如下步骤：制备电池壳体(100)和电极组件，该电极组件包括正极(200)和负极(300)，正极(200)和负极(300)被定位为在隔膜(400)置于它们之间的状态下彼此相对；以及将电极组件容纳在单元壳体(100)中之后，密封单元壳体(100)的边缘，其中，正极(200)包括正极板(210)和设置在正极板(210)的一个表面和/或另一表面上的正极活性材料层(220)，负极(300)包括负极板(310)和设置在负极板(310)的一个表面和/或另一表面上的负极活性材料层(320)，正极活性材料层(220)包括第一平坦部分(221)和设置在第一平坦部分(221)的相对两侧中的每一侧的第一倾斜部分(222)，并且负极活性材料层(320)包括第二平坦部分(321)和设置在第二平坦部分(321)的相对两侧中的每一侧的第二倾斜部分(322)。
此外，在根据本发明的电池单元制造方法中，正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)的垂直截面可以具有朝向其边缘逐渐减小的厚度。
另外，在根据本发明的电池单元的制造方法中，正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)可以被切割以具有阶梯形状。
另外，在根据本发明的电池单元制造方法中，可以多次涂布正极活性材料，使得正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)具有阶梯形状。
此外，在根据本发明的电池单元制造方法中，正极活性材料可以注入模具中，使得正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)具有阶梯形状。
此外，在根据本发明的电池单元制造方法中，可以使用激光切割正极活性材料层(220)的第一倾斜部分(222)，使得在第一倾斜表面形成倾斜表面，由此第一倾斜部分与第一平坦部分(221)一起形成锐角。
此外，本发明提供一种电池模块，其包括具有至少一个上述特征的电池单元。
技术效果
从以上描述中可以明显看出，根据本发明的具有改进的安全性的电池单元及其制造方法的优点在于，倾斜部分形成在正极的一端或相对端，使得正极的截面容量小于面对正极的负极的截面容量，由此可以防止从正极分离的锂离子析出，因此可以防止诸如性能下降、发热和火灾爆发的二次损坏。
附图说明
图1是传统电极组件的截面图。
图2是根据本发明的优选实施方式的电池单元的外部立体图。
图3是根据本发明的第一优选实施方式的电极组件的分解立体图。
图4是示出了图3的电极组件中的正极、隔膜和负极的放大分解立体图。
图5是沿图4的线A-A′截取的电极组件的截面图。
图6是根据本发明的第二优选实施方式的电极组件的截面图。
图7是根据本发明的第三优选实施方式的电极组件的截面图。
具体实施方式
现在，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能够容易地实现本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的操作原理时，并入本文中的已知功能和构造的详细描述在其可能掩盖本发明的主题模糊时将被省略。
另外，在整个附图中，将使用相同的附图标记来指代执行相似功能或操作的部件。在整个说明书中一个部分被称为连接至另一部分的情况下，不仅所述一个部分可以直接连接到另一部分，而且所述一个部分可以通过另外的部分间接地连接到另一部分。此外，包含某个元件并不意味着排除其他元件，而是意味着除非另有提及，否则可以进一步包含此种元件。
在下文中，将参照附图描述根据本发明的具有改进的安全性的电池单元及其制造方法。
图2是本发明的优选实施方式的电池单元的外部立体图，图3是根据本发明第一优选实施方式的电极组件的分解立体图，而图4是示出了图3的电极组件中的正极、隔膜和负极的放大分解立体图。
参照图2至图4，根据本发明的电池单元包括单元壳体100、正极200、负极300、隔膜400和绝缘构件500。
首先，单元壳体100容纳电极组件，并且通常被构造为具有包括内层、金属层和外层的层压片结构。内层设置为与电极组件直接接触，因此内层必须表现出对电解液的高阻抗性和高绝缘性。另外，内层必须表现出高密封性，以便将电池外壳与外部完全密封，即，内层之间的热结合密封部分必须表现出优异的热结合强度。内层可以由选自表现出优异的耐化学性和高密封性的聚烯烃基树脂(诸如聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯丙烯酸酯或聚丁烯)、聚氨酯树脂和聚酰亚胺树脂的材料制成。然而，本发明不限于此，最优选地使用表现出优异的机械物理性能(诸如，拉伸强度、刚度、表面硬度和耐冲击强度)以及优异的耐化学性的聚丙烯。
这里，电极组件可以是：果冻卷型组件，其被构造为具有长片型正极200和长片型负极300在隔膜400置于它们之间的状态下卷绕的结构；层叠型电极组件，其被构造为具有矩形正极200和矩形负极300在隔膜400置于它们之间的状态下层叠的结构；层叠和折叠型组件，其被构造为具有使用长的分隔膜缠绕单元电芯(unit cell)的结构；或者层压和层叠型组件，其被构造为具有电池单元在隔膜400置于它们之间的状态下层叠然后彼此附接的结构。然而，本发明不限于此。
设置成与内层抵接的金属层相当于被构造为防止湿气或各种气体从外部渗入电池中的阻挡层。轻且易于成型的铝薄膜可以用作金属层的优选材料。
外层设置在金属层的另一表面上。外层可以由表现出优异的拉伸强度、抗湿气渗透性和抗空气渗透性的耐热聚合物制成，使得外层在保护电极组件的同时表现出高耐热性和耐化学性。作为示例，外层可以由尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。然而，本发明不限于此。
绝缘构件500位于正极引线230和负极引线330的上下表面，以提高与单元壳体100的密封性并保证正极引线230与单元壳体100之间以及负极引线330与单元壳体100之间的绝缘。
同时，根据本发明的优选实施方式的电极组件被构造为具有隔膜400置于正极200和负极300之间的结构。虽然在图3中示出两个正极200、两个负极300以及三个隔膜400，这仅是示例，但是考虑到所需容量，其数量可以无限制地改变。
图5是沿图4的线A-A′截取的电极组件的截面图。与图4一起参照图5，正极200包括正极板210、正极活性材料层220和正极引线230。
正极板210是平坦的，并且可以由铝制成。正极接头211从正极板的一个边缘延伸预定长度，以电连接到正极引线230。
正极活性材料层220设置在正极板210的两个相对表面中的每个表面上，以具有预定厚度。诸如二氧化钴锂、二氧化镍锂、二氧化锰锂之类的含锂过渡金属氧化物或锂硫属化合物可以用作正极活性材料。然而，正极活性材料没有特别限制，只要正极活性材料是已知的即可。
位于正极板210的上表面、下表面或上下表面上的正极活性材料层220可以包括第一平坦部分221和第一倾斜部分222。具体地，第一平坦部分221位于正极板210的中部，而第一倾斜部分222位于第一平坦部分221的相对两侧中的每一侧。第一倾斜部分可以被构造为具有其厚度朝向正极板210的边缘逐渐减小的锥形形状。
负极300包括负极板310、负极活性材料层320和负极引线330。
负极板310以与正极板210一样的方式是平坦的，并且可以由铜制成。负极接头311从负极板的一个边缘延伸预定长度，以电连接到负极引线330。
负极活性材料层320设置在负极板310的两个相对表面中的每个表面上，以具有预定厚度。诸如结晶碳、非晶碳、碳复合物或碳纤维之类的碳材料、锂金属、或锂合金可以用作负极活性材料。然而，负极活性材料没有特别限制，只要负极活性材料是已知的即可。
位于负极板310的上表面和下表面中的每一个上的负极活性材料层320可以包括第二平坦部分321和第二倾斜部分322。具体地，第二平坦部分321位于负极板310的中部，而第二倾斜部分322位于第二平坦部分321的相对两侧中的每一侧。第二倾斜部分可以被构造为具有其厚度朝向负极板310的边缘逐渐减小的锥形形状。
通过用聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯涂覆聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯-共-聚丙烯中的一种而制成的隔膜400位于正极200和负极300之间。
虽然电池单元被示为构造为使得正极接头211和负极接头311在附图中位于相对方向的双向电池单元，但是电池单元可以是构造为使得接头位于相同方向的单向电池单元。
同时，在本发明的第一优选实施方式中，对于正极活性材料层220而言，优选的是被定位为与负极活性材料层320交叠，并且对于正极活性材料层220的长度而言，优选的是小于负极活性材料层320的长度。
更具体地，对于正极活性材料层220的第一平坦部分的长度L1和第一倾斜部分的长度L2之和而言，优选的是小于负极活性材料层320的第二平坦部分的长度L3与第二倾斜部分的长度L4之和，并且对于负极活性材料层320的在第二平坦部分的第二厚度(D3)方向以及在第二倾斜部分的厚度(D4)方向的负极截面容量而言，更优选的是等于或大于位于同一垂直延长线上的正极活性材料层220在第一平坦部分的厚度(D1)方向和第一倾斜部分的厚度(D2)方向的正极截面容量。
如果满足以上条件，则第一倾斜部分222的一部分可以设置为与第二平坦部分321交叠。
如前所述，进行这种设置是为了防止锂离子析出以及使能量密度最大化。也就是说，当正极200在第一倾斜部分的厚度(D2)方向的正极截面容量大于位于同一垂直延长线上的负极活性材料层220的负极截面容量时，正极活性材料层220的锂离子不穿过隔膜400，从而锂离子析出，这导致电池单元的诸如性能下降或起火之类的事件。然而，根据本发明的电池单元能够从根本上防止这样的问题。
此外，正电极200和负电极300之间的间隙(即，对应于负电极活性材料层220的边缘的正电极活性材料层220的边缘处的未涂覆部分)可以由于正极活性材料层220的第一倾斜部分222而减小，从而可以增加能量密度。
同时，虽然形成正极活性材料层220的第一平坦部分221和第一倾斜部分222以及负极活性材料层320的第二平坦部分321和第二倾斜部分322的方法是没有特别限制，但是作为示例，可以涂布浆料状态的活性材料以形成平坦部分和倾斜部分。此时，第二倾斜部分322由于活性材料的流动性而自然形成。
图6是根据本发明的第二优选实施方式的电极组件的截面图。参照图6，根据本发明的第二优选实施方式的电极组件除了正极活性材料层220的第一倾斜部分222之外，与上述根据第一实施方式的电极组件相同。
根据本发明的第二实施方式的第一倾斜部分222可以被构造成具有阶梯形状。具体地，第一倾斜部分可以被构造为具有厚度朝向正极板的边缘逐渐减小的阶梯形状。
图7是根据本发明的第三优选实施方式的电极组件的截面图。参照图7，根据本发明第三优选实施方式的电极组件除了正极活性材料层220的第一倾斜部分222之外，与上述根据第一实施方式的电极组件相同。
根据本发明的第三实施方式的第一倾斜部分222可以被切割成与第一平坦部分221一起形成预定锐角，由此第一倾斜部分可以设置有倾斜表面。
在下文中，将描述根据本发明的电池单元制造方法。
根据本发明的电池单元制造方法包括：制备电极组件以及单元壳体100的步骤，该电极组件包括正电极200和负电极300，正电极200和负电极300被定位为在隔膜400置于它们之间的状态下彼此相对；以及将电极组件容纳在单元壳体100中并密封单元壳体100的边缘的步骤。
同时，正极活性材料层220位于正极200的正极板210的一个表面或两个相对表面上。此时，当第一倾斜部分222形成为具有锥形形状时，将浆料状态的正极活性材料一次性涂布到正极板210。另一方面，当第一倾斜部分形成为具有阶梯形状时，多次涂布正极活性材料以形成阶梯形状。另选地，阶梯模具可以位于正极板210上，并且可以涂布或注入正极活性材料，以形成阶梯第一倾斜部分。
当需要在第一倾斜部分222上形成倾斜表面使得第一倾斜部分与第一平坦部分221一起形成锐角时，使用激光切割对应部分。
同时，负极活性材料层320位于负极300的负极板310的一个表面或两个相对表面上。可以将浆料状态的负极活性材料涂布到负极板310，以形成负极活性材料层。
本发明可以提供包括具有至少一个上述特征的电池单元的电池模块或电池组。电池模块或电池组可以安装在诸如电动车辆、混合动力电动车辆或插电式混合动力电动车辆之类的装置中。
本发明所属领域的技术人员将理解，基于以上描述，在本发明的范畴内可以有各种应用和修改。
(附图标记列表)
100：单元壳体
200：正极
210：正极板
211：正极接头
220：正极活性材料层
221：第一平坦部分 222：第一倾斜部分
230：正极引线
300：负极
310：负极板
311：负极接头
320：负极活性材料层
321：第二平坦部分 322：第二倾斜部分
330：负极引线
400：隔膜
500：绝缘构件
L1：第一平坦部分的长度 L2：第一倾斜部分的长度
L3：第二平坦部分的长度 L4：第二倾斜部分的长度
D1：第一平坦部分的厚度 D2：第一倾斜部分的厚度
D3：第二平坦部分的厚度 D4：第二倾斜部分的厚度

Claims (15)

1.一种电池单元，该电池单元被构造为使得电极组件被容纳在单元壳体中，该电极组件包括正极和负极，所述正极和所述负极被定位为在隔膜置于它们之间的状态下彼此相对，其中，
所述正极包括正极板和设置在所述正极板的一个表面和/或另一表面上的正极活性材料层，
所述负极包括负极板和设置在所述负极板的一个表面和/或另一表面上的负极活性材料层，
所述正极活性材料层包括第一平坦部分和设置在所述第一平坦部分的相对两侧中的每一侧的第一倾斜部分，并且
所述负极活性材料层包括第二平坦部分和设置在所述第二平坦部分的相对两侧中的每一侧的第二倾斜部分。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其中，
所述正极活性材料层被定位为与所述负极活性材料层交叠，并且
所述负极活性材料层的所述第二平坦部分的长度与所述第二倾斜部分的长度之和大于所述正极活性材料层的所述第一平坦部分的长度与所述第一倾斜部分的长度之和。
3.根据权利要求2所述的电池单元，其中，所述负极活性材料层在所述第二平坦部分的厚度方向上的负极截面容量大于位于同一垂直延长线上的所述正极活性材料层的正极截面容量。
4.根据权利要求2所述的电池单元，其中，所述负极活性材料层在所述第二倾斜部分的厚度方向上的负极截面容量大于位于同一垂直延长线上的所述正极活性材料层的正极截面容量。
5.根据权利要求4所述的电池单元，其中，所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分的垂直截面具有朝向其边缘逐渐减小的厚度。
6.根据权利要求5所述的电池单元，其中，所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分被构造为具有锥形形状。
7.根据权利要求5所述的电池单元，其中，所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分被构造为具有阶梯形状。
8.根据权利要求5所述的电池单元，其中，在所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分处形成倾斜表面，使得所述第一倾斜部分与所述第一平坦部分一起形成锐角。
9.一种电池单元制造方法，该电池单元制造方法包括以下步骤：
制备单元壳体和电极组件，该电极组件包括正极和负极，所述正极和所述负极被定位为在隔膜置于它们之间的状态下彼此相对；以及
在将所述电极组容纳在所述单元壳体中之后，密封所述单元壳体的边缘，其中，
所述正极包括正极板和设置在所述正极板的一个表面和/或另一表面上的正极活性材料层，
所述负极包括负极板和设置在所述负极板的一个表面和/或另一表面上的负极活性材料层，
所述正极活性材料层包括第一平坦部分和设置在所述第一平坦部分的相对两侧中的每一侧的第一倾斜部分，并且
所述负极活性材料层包括第二平坦部分和设置在所述第二平坦部分的相对两侧中的每一侧的第二倾斜部分。
10.根据权利要求9所述的电池单元制造方法，其中，所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分的垂直截面具有朝向其边缘逐渐减小的厚度。
11.根据权利要求10所述的电池单元制造方法，其中，所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分被切割为具有阶梯形状。
12.根据权利要求10所述的电池单元制造方法，其中，多次涂布正极活性材料，使得所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分具有阶梯形状。
13.根据权利要求10所述的电池单元制造方法，其中，将正极活性材料注入模具中，使得所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分具有阶梯形状。
14.根据权利要求10所述的电池单元制造方法，其中，使用激光切割所述正极活性材料层的所述第一倾斜部分，使得在所述第一倾斜部分处形成倾斜表面，由此所述第一倾斜部分与所述第一平坦部分一起形成锐角。
15.一种电池模块，该电池模块包括根据权利要求1至8中的任一项所述的电池单元。
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