CN115244767A - 袋型电池壳体和袋型二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括袋膜层压体的袋型电池壳体，所述袋膜层压体包括：密封层、阻气层、和表面保护层，其中所述密封层由第一聚合物形成作为最内层，所述表面保护层由第二聚合物形成作为最外层；所述阻气层层压在所述表面保护层与所述密封层之间并由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。

Description

袋型电池壳体和袋型二次电池
技术领域
本申请要求于2020年4月14日提交的韩国专利申请10-2020-0045542的优先权权益，通过引用将该申请作为整体结合在此。
本发明涉及袋型电池壳体和袋型二次电池，且更具体地，涉及其中通过提高拉伸强度和伸长率来改善可模制性的袋型电池壳体和袋型二次电池。
背景技术
一般而言，二次电池的类型包括镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、和锂离子聚合物电池。这些二次电池已不仅应用于诸如数码相机、P-DVD、MP3P、移动电话、PDA、便携式游戏设备(Portable Game Device)、电动工具(Power Tool)、电动自行车(E-bike)之类的小型产品，也应用并使用于诸如电动汽车和混合动力汽车、和用于存储剩余功率或可再生能源的储能装置和备用储能装置之类的需要高输出的大型产品。
为了制造这种二次电池，首先，分别用电极活性材料浆料涂覆正极集电器和负极集电器以制造正极和负极，然后将正极和负极层压在隔板(Separator)的两侧上以形成具有预定形状的电极组件(Electrode Assembly)。然后，在将电极组件容纳在电池壳体和注入电解质之后，将电池壳体密封。
根据容纳电极组件的壳体的材料，二次电池分为袋型(Pouch Type)、罐型(CanType)、和类似者。袋型将电极组件容纳在由柔性聚合物材料制成的袋中。此外，罐型(CanType)将电极组件容纳在由金属或塑料之类的材料制成的壳体中。
作为袋型二次电池的壳体的袋通过对柔性袋膜层压体进行压制加工而形成杯状部来制备。然后，当形成杯状部时，将电极组件容纳在该杯状部的容纳空间中，并将密封部密封以制造二次电池。
在压制加工中的拉伸(Drawing)通过将袋膜层压体插入压制设备中并通过使用冲压机对袋膜层压体施加压力以拉长袋膜层压体来进行。袋膜层压体由多层构成，并且设置在其中的阻气层由金属制成。然而，常规袋膜层压体的局限在于成型更深的杯状部，并且还在于当对杯状部的底部的边缘和开口的边缘施加圆角(Filleting)时减小圆角半径。此外，常规袋膜层压体的局限在于成型接近垂直的杯状部的外壁。相应地，存在的问题在于：二次电池的死空间(Dead Space)增加、并且电极组件的尺寸可能减小，使得使相对于体积的能量效率降低。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供一种其中通过提高拉伸强度和伸长率来改善可成型性的袋型电池壳体和一种袋型二次电池。
本发明的目的不限于上述目的，本领域技术人员根据以下描述将清楚地理解本文中未描述的其他目的。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种容纳通过堆叠正极、隔板、和负极而形成的电极组件的袋型电池壳体，其中所述袋型电池壳体包括袋膜层压体，所述袋膜层压体包括：密封层，所述密封层由第一聚合物形成作为最内层；表面保护层，所述表面保护层由第二聚合物形成作为最外层；和阻气层，所述阻气层层压在所述表面保护层与所述密封层之间并由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。此外，所述铝合金薄膜可包含1.2重量％至1.7重量％的量的铁。
此外，所述铝合金薄膜可包含1.3重量％至1.7重量％的量的铁。
此外，所述铝合金薄膜可包含0.2重量％或更少的量的硅。
此外，所述铝合金薄膜可具有10.5μm至12.5μm的晶粒尺寸。
此外，所述铝合金薄膜的合金编号可为AA8021。
此外，可所述阻气层具有70μm至90μm的厚度。
此外，所述密封层的厚度可以是所述阻气层的厚度的0.6倍至1.2倍，例如，可在30μm至90μm的范围内。
此外，所述第一聚合物可包括聚丙烯(PP)。
此外，所述表面保护层可具有6μm至25μm的厚度。
此外，所述第二聚合物可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
此外，所述袋型电池壳体可进一步包括拉伸辅助层，所述拉伸辅助层由第三聚合物制成并且层压在所述表面保护层和所述阻气层之间。
此外，所述拉伸辅助层可具有20μm至50μm的厚度。
此外，所述第三聚合物可包括尼龙(Nylon)。
此外，所述袋膜层压体具有180μm或更大、例如180μm至210μm的总厚度。
此外，所述袋膜层压体可具有200N/15mm至300N/15mm的拉伸强度和105％至150％的伸长率，所述拉伸强度是在将所述袋膜层压体切割成15mm×80mm的尺寸之后以50mm/min的拉伸速度进行拉伸的同时进行测量的。
根据本发明的另一方面，提供一种袋型二次电池，包括：通过堆叠正极、隔板、和负极而形成的电极组件；和容纳所述电极组件的袋型电池壳体，其中所述电池壳体包括袋膜层压体，所述袋膜层压体包括：密封层，所述密封层由第一聚合物形成作为最内层；表面保护层，所述表面保护层由第二聚合物形成作为最外层；和阻气层，所述阻气层层压在所述表面保护层与所述密封层之间并由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。
本发明的其他具体细节被包括在详细描述和附图中。
有益效果
根据本发明的实施方式，可至少实现下述效果：
根据本发明的袋型电池壳体通过使用包括具有特定厚度和晶粒尺寸的铝合金薄膜作为阻气层的袋膜层压体而提高了袋膜层压体的拉伸强度、伸长率、和韧性(Toughness)。如果使用该袋膜层压体，由于在成型杯状部期间可在没有发生针孔(Pinhole)或裂纹的情况下增加成型深度，并且可减小杯状部边缘的曲率半径，因而可增加电池组件的容纳空间体积。
此外，由于根据本发明的袋膜层压体具有优异的穿刺强度，所以即使其受到来自外部的较大压力或被尖锐物体刺破而被损坏，该袋膜层压体也可以更有效地保护内部电极组件。
根据本发明的效果不受限于以上例示的你让，而是更多种不同的效果被包括在本说明书中。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的二次电池的组装图。
图2是根据本发明的实施方式的袋膜层压体的截面图。
图3是示出合金编号为AA8079的铝合金和合金编号为AA8021的铝合金的铁和硅含量的图。
图4是示出合金编号为AA8079的铝合金和合金编号为AA8021的铝合金的拉伸强度、伸长率、和晶粒尺寸的图。
图5是实施例1中使用的合金编号为AA8021的铝合金薄膜和比较例3中使用的合金编号为AA8079的铝合金薄膜的晶粒的放大SEM照片。
图6是根据本发明的制备例、比较例1、和比较例2的袋膜层压体的拉伸强度和伸长率的测试结果的图。
图7是根据本发明的制备例、比较例1、和比较例2的袋膜层压体的穿刺强度的测试结果的图。
具体实施方式
将通过参照附图描述的以下实施方式来阐明本发明的优点和特征及其实现方法。然而，本发明可以以不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。而是，提供这些实施方式以使得本公开内容将是透彻和完整的，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。此外，本发明仅由权利要求的范围限定。在整个说明书中，相似的附图标记表示相似的元件。
除非另外限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)意图具有本领域技术人员所理解的含义。此外，除非清楚具体地定义，否则在常用字典中定义的术语不应被反常地或过度地解释。
本文中使用的技术术语仅出于描述特定的示例实施方式的目的，而不意图限制本发明。在本说明书中，单数形式的术语可包括复数形式，除非由相反的规定。还要理解的是，在用于本说明书中时，术语“包含(comprises)”和/或“包括(comprising)”表示提到的部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他部件。
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的优选实施方式。
图1是根据本发明的实施方式的二次电池1的组装图。
根据本发明的实施方式，由于通过提高袋膜层压体135的拉伸强度和伸长率而增加了韧性(Toughness)，因而当将袋膜层压体135进行成型以制备袋型电池壳体13时，可改善可成型性。此外，由于袋膜层压体具有优异的穿刺强度，所以即使其受到来自外部的较大压力或被尖锐物体刺破而被损坏，该袋膜层压体也可以更有效地保护内部电极组件。
为此，根据本发明的实施方式的袋型电池壳体13是其中容纳有通过顶点正极、隔板、和负极而形成的电极组件10的袋型电池壳体13，并包括袋膜层压体135，所述袋膜层压体135包括：密封层1351，所述密封层1351由第一聚合物形成作为最内层；表面保护层1353，所述表面保护层1353由第二聚合物形成作为最外层；和阻气层1352，所述阻气层1352层压在所述表面保护层1353与所述密封层1351之间并由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。
根据本发明的实施方式的二次电池1包括：通过堆叠正极、隔板、和负极而形成的电极组件10；和容纳电极组件10的袋型电池壳体13，其中电池壳体13包括袋膜层压体135，所述袋膜层压体135包括：密封层1351，所述密封层1351由第一聚合物形成作为最内层；表面保护层1353，所述表面保护层1353由第二聚合物形成作为最外层；和阻气层1352，所述阻气层1352层压在所述表面保护层1353与所述密封层1351之间并由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。
电极组件10通过顺序地堆叠正极、隔板、和负极而形成。首先，将其中电极活性材料、粘合剂、和增塑剂进行混合的浆料施加至正极集电器和负极集电器以制备正极和负极，并在通过将正极和负极堆叠在隔板(Separator)的两侧而形成具有预定形状的电极组件10之后，将电极组件10插入电池壳体13中，并在将注入电解质溶液之后密封电池壳体13。
具体地，电极组件(Electrode Assembly)10包括两种类型的电极(诸如正极和负极)、以及设置在电极之间以使电极彼此绝缘的隔板。电极组件10包括堆叠型、果冻卷型、和堆叠折叠型。这两种类型的电极(即，正极和负极)分别具有其中活性材料浆料被施加至包括铝和铜的金属箔或金属网形式的电极集电器上的结构。通常可以通过在添加有溶剂的状态下搅拌粒状活性材料、导电材料、和粘合剂来形成活性材料浆料。溶剂可以在随后的工序中除去。
如图1所示，电极组件10包括电极接片(Electrode Tab)11。电极接片11连接至电极组件10的正极和负极中的每一者并从电极组件10的一侧向外突出，从而其变成电子可在电极组件10的内部和外部之间移动通过的路径。电极组件10的集电器由施加有电极活性材料的部分和其上未施加电极活性材料的远端(即，未涂覆部分)构成。每个电极接片11可以通过切割非涂覆部分来形成或通过将单独的导电构件经由超声焊接或类似者连接至非涂覆部分近来形成。如图1所示，电极接片11可以沿相同方向从电极组件10的一侧肩并肩地突出，但不限于此，并且可以分别沿彼此不同的方向突出。
电极引线(Electrode Lead)12经由点(Spot)焊或类似者连接至电极组件10的电极接片11。此外，电极引线12的一部分被绝缘部14包围。绝缘部14受限地位于密封部134处，电池壳体13的第一壳体131和第二壳体132在密封部134上被热熔合，使得电极引线12结合至电池壳体13。此外，绝缘部14可以防止从电极组件10产生的电力经由电极引线12流向电池壳体13，并且保持电池壳体13的密封。因此，绝缘部14可以由不导电的具有非导电性的非导体制成。一般来说，广泛使用易于附接至电极引线12并且相对较薄的绝缘带作为绝缘部14，但本发明不限于此，可使用各种构件，只要这些构件可使电极引线12绝缘即可。
电极引线12的一端连接至电极接片11，并且电极引线12的另一端突出至电池壳体13的外部。即，电极引线12包括正极引线121和负极引线122，正极引线121的一端连接至正极接片111并在正极接片111突出的方向上延伸，负极引线122的一端连接至负极接片112以在负极接片112突出的方向上延伸。如图1所示，正极引线121和负极引线122的另一端均突出至电池壳体13的外部。相应地，在电极组件10中产生的电力可被供应到外部。此外，由于正极接片111和负极接片112分别形成为在各个方向上突出，因此正极引线121和负极引线122也可以在各个方向上延伸。
正极引线121和负极引线122的材料可彼此不同。即，正极引线121可以由与正极集电器相同的材料制成，即铝(Al)材料，负极引线122可以由与负极集电器相同的材料制成，即，铜(Cu)材料或涂覆有镍(Ni)的铜材料。由于电极引线12的突出到电池壳体13的外部的部分变成端子部，因而其电连接至外部端子。
电池壳体13通过使由柔性材料制成的袋成型来形成。在下文中，将描述电池壳体13是袋的情况。电池壳体13容纳电极组件10，使得电极引线12的一部分，即端子部露出，然后被密封。如图1所示，电池壳体13包括第一壳体131和第二壳体132。在第二壳体132中形成杯状部133以提供能够容纳电极组件10的容纳可1331，第一壳体131从顶部覆盖容纳空间1331，使得电极组件10不分离至电池壳体13的外部。在这种情况下，如图1所示，设置有容纳空间1331的杯状部133也可以形成在第一壳体131中，以从顶部容纳电极组件10。如图1所示，第一壳体131和第二壳体132可通过将其一侧彼此连接来制备，但本发明不限于此，第一壳体131和第二壳体132可以各种方式进行制备，例如，第一壳体131和第二壳体132彼此分离且被单独地制造。
当电极引线12连接至电极组件10的电极接片11且绝缘部14形成在电极引线12的一部分上时，电极组件10容纳在设置于第二壳体132的杯状部133中的容纳空间1331中，并且第一壳体131从顶部覆盖该空间。然后，将电解质注入到其中，并将形成在第一壳体131和第二壳体132的边缘上的密封部134密封。电解质可以移动在二次电池1的充电和放电期间由电极的电化学反应产生的锂离子，其中电解质可包括作为锂盐和高纯度有机溶剂的混合物的非水有机电解质、或使用聚合物的聚合物电解质。通过上述方法，可制备袋型二次电池1。
图2是根据本发明的实施方式的袋膜层压体135的截面图。
可以通过拉伸(Drawing)袋膜层压体135来制造根据本发明的实施方式的袋型二次电池1的电池壳体13。即，通过使用冲压机或类似者来拉长袋膜层压体135以形成杯状部133来制备电池壳体13。根据本发明的实施方式，如图2所示，袋膜层压体135包括密封层(Sealant Layer)1351、阻气层(Gas Barrier Layer)1352、和表面保护层(SurfaceProtection Layer)1353，并且如有必要，可进一步包括扩拉伸辅助层(DrawingAssistance Layer)1354。
密封层1351由第一聚合物形成，并且形成为最内层以与电极组件10直接接触。在此，最内层表示在定位有电极组件10的方向上定位在阻气层1352的端部处的层。当使用冲压机或类似者拉伸(Drawing)具有如上所述的层压结构的袋膜层压体135时，袋膜层压体135的一部分被拉长以形成杯状部133，该杯状部133包括袋状的容纳空间1331。然后，当将电极组件10容纳在容纳空间1331中时，注入电解质溶液。之后，如果第一壳体131和第二壳体132彼此接触并对密封部134施加热压缩，则密封层1351彼此结合以将袋密封。在这种情况下，密封层1351必须具有绝缘性，因为密封层1351与电极组件10直接接触，并且必须具有耐腐蚀性，因为密封层1351也与电解质溶液接触。此外，由于有必要完全密封电池壳体13的内部以防止材料在内部和外部之间移动，所以其必须具有高密封性。即，其中密封层1351彼此结合的密封部134必须具有优异的结合强度。一般而言，制备密封层1351的第一聚合物可包括选自由以下各者构成的群组中的至少一种材料：聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、亚克力聚合物、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、纤维素、芳族聚酰胺、尼龙、聚酯、聚对苯撑苯并双恶唑、聚芳酯、聚四氟乙烯、和玻璃纤维。特别地，主要使用诸如聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)之类的聚烯烃基树脂。由于聚丙烯(PP)具有优异的诸如拉伸强度、刚性、表面硬度、耐磨性、和耐热性之类的机械性质和诸如耐腐蚀性之类的化学性质，因此其主要用于制备密封层1351。此外，密封层可由流延聚丙烯(Cated Polypropylene)、酸改性聚丙烯(Acid Modified Polypropylene)、或聚丙烯-丁烯-乙烯三元共聚物构成。在此，酸处理聚丙烯可以是马来酸酐聚丙烯(MAH PP)。此外，密封层1351可具有由任一种材料形成的单层结构或具有其中两种或更多种材料分别形成为层的复合层结构。
密封层1351的厚度可以是以下待述的阻气层的厚度的0.6倍至1.2倍、优选0.7倍至1.1倍、且更优选0.8倍至1.1倍。在密封层的厚度小于阻气层的厚度的0.6倍情况下，密封耐久性可能降低，而在密封层的厚度大于阻气层的厚度的1.2倍的情况下，由于袋的总厚度可能过度地增加，可成型性可能降低。此外，为了确保足够的绝缘性，更可取的是密封层1351的厚度是阻气层的厚度的0.8倍或更大。
具体而言，密封层1351的厚度可以在30μm至90μm、优选50μm至90μm、且更优选70μm至90μm的范围内。在密封层1351的厚度小于30μm的情况下，密封耐久性可能降低，例如，在密封期间发生内部破坏，而在密封层1351的厚度大于90μm的情况下，由于袋的厚度可能过度地增加，因而可成型性可能降低并且电池能量密度(每体积的能量)可能降低。此外，为了确保足够的绝缘性，更可取的是密封层1351的厚度是70μm或更大。这样做的原因在于，当密封剂的厚度小时，袋膜层压体的介电击穿电压可能降低而劣化绝缘性，而在通过使用具有差绝缘性的袋膜层压体制备电池的情况下，故障率可能增加。
阻气层1352层压在表面保护层1353和密封层1351之间，以确保袋的机械强度，阻止来自二次电池1外部的气体或湿气的引入和释放，并防止电解质溶液泄漏。
阻气层1352由铝合金薄膜制成，并且根据本发明的实施方式的阻气层1352可特别地由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。铝合金薄膜在确保具有高于预定水平的机械强度的同时重量轻，可补充由电极组件10和电解质溶液带来的电化学性质，并且可确保散热性。
具体而言，根据本发明的实施方式的铝合金薄膜可具有60μm至100μm、例如70μm至90μm的厚度、和10μm至13μm、优选10.5μm至12.5μm、且更优选11μm至12μm的晶粒尺寸。当铝合金薄膜的厚度和晶粒尺寸满足以上范围时，可在杯成型期间没有发生针孔(Pinhole)或裂纹的情况下增加成型深度。
常规而言，通常将阻气层1352形成为30μm至50μm的厚度。然而，在阻气层的厚度是30μm至50μm的情况下，存在的局限在于：即使袋膜层压体135被拉伸模制，增加杯状部133的成型深度或成型接近垂直状态的杯状部133的外壁，并且存在的局限还在于减小杯状部133的边缘的圆角曲率半径。此外，由于穿刺强度低，存在的问题在于：当电池壳体收到来自外部的冲击时，内部电极组件10容易受损。
为了在本发明中改善这一问题，阻气层1352形成为60μm至100μm、特别是70μm至100μm的厚度。在阻气层的厚度满足以上范围的情况下，由于改善了阻气层1352的可成型性，因而在拉伸袋膜层压体135时可将杯状部133成型得较深，并且也可减小杯状部133的边缘的曲率半径。然后，由于增加了容纳空间1331的体积，因而更多的电极和隔板可堆叠在容纳于其中的电极组件10中，并且可增加相对于体积的能量效率。然而，如果阻气层1352的厚度大于100μm，由于袋的总厚度可能过度地增加，因而二次电池1相对于体积的能量密度可能反而降低。
此外，在阻气层的厚度满足以上范围的情况下，由于改善了袋膜层压体135的穿刺强度，因而即使其受到来自外部的较大压力或被尖锐物体刺破而被损坏，该袋膜层压体也可以更有效地保护内部电极组件10。在此，表述“优异的穿刺强度”的意思是在袋膜层压体135中穿刺孔洞时的强度高。
然而，在只有铝合金薄膜的厚度增加的情况下，成型深度可能增加，但是，由于成型之后在铝合金薄膜中发生针孔或裂纹，因而，发生了密封耐久性的问题。因此，作为显著数量研究的结果，本申请发明人发现，在使用具有10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜的情况下，即使成型深度增加，也可抑制针孔或裂纹的发生，由此导致本发明的文城。根据本申请发明人的研究，在铝合金薄膜的晶粒尺寸大于13μm的情况下，铝合金薄膜的强度降低而增加了在成型期间发生裂纹或针孔，而在晶粒尺寸小于10μm的情况下，由于铝合金薄膜的柔性降低，因而存在改善可成型性的限制。
晶粒尺寸取决于铝合金薄膜的组成和铝合金薄膜的加工方法而变化，并且可通过用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察铝合金薄膜的厚度方向上的截面来测量。具体而言，在本发明中，使用扫描电子显微镜获得铝合金薄膜的厚度方向上的截面SEM图像，测量在SEM图像中观察的晶粒中30个随机晶粒的最大直径，然后将其平均值评价为晶粒尺寸。
在根据本发明的铝合金薄膜中，可包括除铝之外的金属元素，例如，选自由铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、锰(Mn)、镍(Ni)、镁(Mg)、和锌(Zn)构成的群组中的至少一者。
铝合金薄膜的铁(Fe)的含量可在1.2重量％至1.7重量％、优选1.3重量％至1.7重量％、且更优选1.3重量％至1.45重量％的范围内。在铝合金薄膜的铁(Fe)含量小于1.2重量％的情况下，铝合金薄膜的强度可能降低而在成型期间导致裂纹和针孔，而在铝合金薄膜的铁(Fe)含量大于1.7重量％的情况下，由于铝合金薄膜的柔性降低，因而存在改善可成型性的限制。
此外，铝合金薄膜的硅(Si)的含量可在0.2重量％或更小、优选0.05重量％至0.2重量％、且更优选0.08重量％至0.19重量％的范围内。在硅含量大于0.2重量％的情况下，可成型性可能降低。
具体而言，根据本发明的铝合金薄膜可以是合金编号为AA8021的铝合金。
图3是示出已主要用于常规用于电池的袋中的合金编号为AA8079的铝合金和本发明中使用的合金编号为AA8021的铝合金的铁和硅含量的图。
如图3中所示，合金编号AA8079包括0.6重量％至1.2重量％的铁和0.05重量％至0.3重量％的硅。一般而言，当铝合金中包含大量的铁时，机械强度得以改善，而当包含少量的铁时，柔性得以改善。对于合金编号为AA8079的铝合金而言，含有相对少的铁，而在通过使用其来制备阻气层1352的情况下，，柔性可能得到改善，但是，由于强度可能降低，因而可能存在可成型性的限制。
相比之下，如图3中所示，合金编号AA8021包括1.2重量％至1.7重量％、特别是1.3重量％至1.7重量％的铁、和0.05重量％至1.9重量％、特别是0.08重量％至0.19重量％的硅。在从合金编号为AA8021的铝合金制备阻气层1352的情况下，由于以相对大的量包含铁，因而拉伸强度(Tensile Strength)、伸长率(Elongation Rate)、和穿刺强度(PunctureStrength)可得以改善。
图4中示出了合金编号为AA8079的铝合金和合金编号为AA8021的铝合金的拉伸强度(Rm)、伸长率(A)、和晶粒尺寸。
如图4中所示，AA8079具有低拉伸强度和伸长率，使得存在增加可成型性的限制，而由于晶粒尺寸相对较大，为13μm至21μm，在拉伸期间内部应力被较少分散，并因此，存在针孔(Pinhole)数量增加的问题。
相比之下，由于AA8021因其高拉伸强度和伸长率而具有优异的可成型性并具有相对小的10μm至13μm的晶粒尺寸，因而在拉伸期间内部应力可被更多分散，并因此，可有效抑制发生针孔(Pinhole)。
当将拉伸力施加至某种材料时，拉伸强度和伸长率之间的关系可以表示为曲线图。在这种情况下，如果该曲线图的垂直轴是拉伸强度而水平轴是伸长率，则该曲线图下的面积是相应材料的韧性(Toughness)。韧性是指对抗材料破坏的韧性的程度，其中韧性越高，在该材料未破裂为止其可被延伸得更多。在通过使用合金编号为AA8021的铝合金来制备阻气层1352的情况下，由于改善了拉伸强度和伸长率，因而可增加韧性(Toughness)并可改善可成型性。
表面保护层1353由第二聚合物制成，并且形成为最外层以保护二次电池1免受外部摩擦和碰撞的同时使电极组件10与外部电绝缘。在此，最外层是指在与定位有电极组件10的方向相反的方形上定位在阻气层1352的端部处的层。用于制备表面保护层1353的第二聚合物可以是选自由以下各者构成的群组中的至少一种材料：聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、亚克力聚合物、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、纤维素、芳族聚酰胺、尼龙、聚酯、聚对苯撑苯并双恶唑、聚芳酯、聚四氟乙烯、和玻璃纤维。特别地，可取的是，主要使用具有耐磨性和耐热性的聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。表面保护层1353可具有由任一种材料制成的单层结构或具有其中两种或更多种材料分别形成为层的复合层结构。
根据本发明的实施方式，表面保护层1353的厚度可在6μm至25μm的范围内。如果表面保护层1353的厚度小于6μm，则存在外部绝缘降低的问题。相比之下，如果表面保护层1353的厚度大于25μm，则由于袋的总厚度可能增加，因而二次电池1相对于体积的能量密度可能反而降低。
尽管PET便宜、具有优异的耐久性、并且具有优异的电绝缘性，但是PET对于铝(其通常用做阻气层1352)具有较差的粘附性，并且当在应力下拉伸PET和铝时，它们具有彼此不同的行为。因此，如果将表面保护层1353和阻气层1352直接粘附，则保护层1353和阻气层1352可能会在拉伸期间分层。结果，由于阻气层1352可能无法被均匀地伸长，因而可成型性可能降低。
根据本发明的实施方式，电池壳体13可进一步包括拉伸辅助层1354，拉伸辅助层1354由第三聚合物制成并且层压在表面保护层1353和阻气层1352之间。拉伸辅助层1354层压在表面保护层1353和阻气层1352之间，以防止在拉伸期间表面保护层1353和阻气层1352分层。用于制备拉伸辅助层1354的第三聚合物可包括选自由以下各者构成的群组中的至少一种材料：聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、亚克力聚合物、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、纤维素、芳族聚酰胺、尼龙、聚酯、聚对苯撑苯并双恶唑、聚芳酯、聚四氟乙烯、和玻璃纤维。特别地，由于尼龙(Nylon)树脂容易粘附至表面保护层1353的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，并且在拉长时具有类似于阻气层1352的铝合金的行为，因此可取的是，主要使用尼龙(Nylon)树脂作为第三聚合物。拉伸辅助层1354可具有由任一种材料制成的单层结构或具有其中两种或更多种材料分别形成为层的复合层结构。
如上所述，根据本发明的实施方式，由于阻气层1352具有大约60μm至大约100μm的厚度，因此改善了阻气层1352的可成型性。在这种情况下，为了同样提高拉伸辅助层1354的可成型性，拉伸辅助层1354可具有20μm至50μm的厚度，并且特别地，可取的是，拉伸辅助层1354具有25μm至38μm的厚度。如果拉伸辅助层1354的厚度小于20μm，由于拉伸辅助层1354可能无法匹配阻气层1352的改善的可模制性，因而其可能在拉伸过程中受损。相比之下，如果厚度大于50μm，由于袋的总厚度可能增加，因而二次电池1的体积可能增加并且能量密度可能降低。
根据本发明的袋膜层压体可具有180μm或更大、例如180μm至210μm的总厚度。在袋膜层压体的厚度是180μm或更大的情况下，杯成型深度与常规情况相比可进一步增加。在袋膜层压体的总厚度过大的情况下，这是不可取的，因为二次电池的总体积增加。
根据本发明的袋膜层压体通过包括具有特定厚度和晶粒尺寸的铝合金薄膜而具有优异的额拉伸强度和伸长率。具体而言，根据本发明的袋膜层压体可具有200N/15mm至300N/15mm、优选220N/15mm至270N/15mm、且更优选220N/15mm至250N/15mm的拉伸强度，所述拉伸强度是在将所述袋膜层压体切割成15mm×80mm的尺寸之后以50mm/min的拉伸速度进行拉伸的同时进行测量的，并且可具有105％至150％、优选105％至140％、且更优选105％至130％的伸长率。如上所述，由于根据本发明的袋膜层压体具有高拉伸强度和伸长率，结果，增加了任选，即使在杯成型期间成型深度较大时也较少可能发生裂纹。
此外，根据本发明的袋膜层压体通过包括具有特定厚度和晶粒尺寸的铝合金薄膜而具有优异的穿刺强度，具体而言，根据本发明的袋膜层压体可具有30N或更大、例如30N至40N的穿刺强度。
在下文中，将按照具体的实施例更详细地描述本发明。
实施例1
通过藉由使用氨基甲酸酯粘合剂的干层压法在宽度为266cm、长度为50m、厚度为80μm的合金编号为AA8021的铝(Al)合金的一个表面上顺序地粘合宽度为266cm、长度为50m、厚度为25μm的尼龙树脂和宽度为266cm、长度为50m、厚度为12μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)来形成表面保护层、拉伸辅助层、和阻气层。
接下来，将流延聚丙烯(CPP)在高温下熔化，然后共挤出在铝(Al)合金薄膜的另一表面上以形成厚度为60μm的密封层，从而制备袋膜层压体。该袋膜层压体的总厚度是183μm。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制备袋膜层压体，不同之处在于：密封层形成为80μm的厚度。该袋膜层压体的总厚度是203μm。
比较例1
以与实施例1中相同的方式制备袋膜层压体，不同之处在于：厚度为40μm的合金编号为AA8021的铝合金薄膜被用作阻气层，厚度为15μm的尼龙膜被用作拉伸辅助层，并且密封层形成为80μm的厚度。该袋膜层压体的总厚度是153μm。
比较例2
以与实施例1中相同的方式制备袋膜层压体，不同之处在于：厚度为50μm的合金编号为AA8021的铝合金薄膜被用作阻气层。该袋膜层压体的总厚度是153μm。
比较例3
以与实施例1中相同的方式制备袋膜层压体，不同之处在于：厚度为80μm的合金编号为AA8079的铝合金薄膜被用作阻气层。该袋膜层压体的总厚度是183μm。
比较例4
以与实施例2中相同的方式制备袋膜层压体，不同之处在于：厚度为80μm的合金编号为AA8079的铝合金薄膜被用作阻气层。该袋膜层压体的总厚度是203μm。
比较例5
以与实施例1中相同的方式制备袋膜层压体，不同之处在于：厚度为40μm的合金编号为AA8079的铝合金薄膜被用作阻气层，厚度为15μm的尼龙膜被用作拉伸辅助层，并且密封层形成为80μm的厚度。该袋膜层压体的总厚度是153μm。
[表1]
Figure BDA0003827699370000151
实验例1：晶粒尺寸测量
用扫描电子显微镜(SEM)分别观察被用作实施例1和比较例3中的阻气层的AA8021和AA8079铝合金薄膜的厚度方向上的截面以测量晶粒尺寸。具体而言，在测量使用扫描电子显微镜获得的铝合金薄膜的厚度方向上截面SEM图像中观察的30个晶粒的最大直径之后，通过计算其平均值的方法来测量晶粒尺寸。
AA8021铝合金的SEM图像和AA8079铝合金的SEM图像示出在图5中。作为基于所示的SEM图像测量晶粒尺寸的结果，AA8021的晶粒尺寸是11.6μm，AA8079的晶粒尺寸是16.8μm。
实验例2：可成型性评价
在将实施例1和2以及比较例1至5中制备的袋膜层压体各自切割成90mm×150mm的尺寸之后，在具有尺寸为宽度32mm×长度55mm的成型部件的电池壳体成型装置中改变成型深度的同时执行成型。记录每个样品中发生裂纹处的成型深度。在此，将冲压机的拐角和边缘和电池壳体成型装置的成型部件进行倒角(Filleting)，冲压机的拐角具有2mm的曲率，其边缘具有1mm的曲率，成型部件的拐角具有2.3mm的曲率，其边缘具有1mm的曲率。此外，冲压机与模制部件之间的间隙(Clearance)为0.3mm。测量结果示出在下表2中。
[表2]
Figure BDA0003827699370000161
如表2中所列，对于根据本发明的实施例1和2的袋膜层压体，并未发生裂纹，并且它们可成型至15.0mm或更大的深度，但是，对于在其中阻气层厚度和/或晶粒尺寸在本发明的范围之外的比较例1至5的袋膜层压体，在小于15.0mm的成型深度处发生了裂纹。因此，可以确认的是，在满足本发明的阻气层厚度和晶粒尺寸时，改善了袋膜层压体的可成型性。如果通过使用根据本发明制备例的袋膜层压体来制备电池壳体，则由于在第二壳体和第一壳体各自中形成了一个杯状部，因而可获得深度为30mm或更大的容纳空间。因此，由于可容纳更厚的电极组件，因而可增加二次电池的相对于体积的能量密度。
试验例3：拉伸强度和伸长率的评价
在将实施例1和2以及比较例1至5中制备的袋膜层压体各自的5个样品切割成15mm×80mm的相同尺寸之后，将每个样品固定至拉伸强度测试仪(制造商：Shimadzu，型号：AGX-V)的下夹具。此外，在通过使用上夹具将每个样品固定至距离上端30mm的点之后，在使上夹具以50mm/min的速度远离下夹具移动的同时，拉长样品。然后，测量在袋膜层压体断裂之前的拉伸强度和伸长率。测量结果示出在下表3和表4中。
[表3]
Figure BDA0003827699370000162
Figure BDA0003827699370000171
[表4]
Figure BDA0003827699370000172
图6是根据本发明的实施例1、比较例1和比较例2的袋膜层压体的拉伸强度和伸长率的测试结果的图。参照图6以及表3和表4，可以确认的是，实施例1和2的袋膜层压体具有与比较例1至5的袋膜层压体相比更好的拉伸强度和伸长率。
在拉伸强度和伸长率之间的图中，该图下方的面积是相应材料的韧性(Toughness)，其中，如图6中所示，可以理解的是，根据本发明的实施例1的袋膜层压体的图像面积大于根据比较例1和比较例2的袋膜层压体的图像面积，这示出了根据本发明实施例1的袋膜层压体具有优异的韧性。
实验例4：穿刺强度Puncture Strength)评价
在将实施例1和2以及比较例1至5中制备的袋膜层压体各自的10个样品切割成90mm×80mm的相同尺寸之后，将每个样品水平地固定至穿刺强度测试仪(制造商：Shimadzu，型号：AGX-V)的夹具。将直径为1.0mm、尖端曲率为0.5mm的测针垂直安装在已安装样品的上方。然后，通过将测针放到每个样品上来测量每个样品的穿刺强度。测量结果示出在下表5中。
[表5]
Figure BDA0003827699370000181
图7是示出根据本发明的实施例1、比较例1和比较例2的袋膜层压体的穿刺强度的测试结果的图。参照图7和表5，可以确认的是，实施例1和2的袋膜层压体具有与比较例1至5的袋膜层压体相比更好的穿刺强度。即，即使其受到来自外部的较大压力或被尖锐物体刺破而被损坏，根据本发明的袋膜层压体也可以更有效地保护内部电极组件。
实验例5：绝缘性评价
在将实施例1和2中制备的袋膜层压体各自切割成90mm×150mm的相同尺寸、然后在60度的真空烘箱中存储24小时之后，在干燥室中测量介电击穿电压。具体而言，将厚度为5t的铝薄膜设置在袋膜层压体的两侧上，将测量装置的(+)电极连接至袋膜层压体的阻气层，并且在将(-)电极连接至与密封层接触的铝薄膜之后，将在以100V/s的速率施加电压的同时所测量的泄漏电流为0.5Ma或更大时施加的电压评价为介电击穿电压。测量结果示出在下表6中。
[表6]
次数 实施例1 实施例2
1 3868V 4573V
2 3844V 4562V
3 3853V 4533V
平均值 3855V 4556V
参照表6，可以确认的是，密封层厚度为80μm的实施例2的袋膜层压体的介电击穿电压高于密封层厚度为60μm的实施例1的袋膜层压体的介电击穿电压，其中这表面当密封层的厚度为80μm时绝缘性更好。
本领域技术人员将要理解的是，在不脱离如下述权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可作出形式和细节上的各种改变。相应地，要理解的是，通过示例而非限制的方式描述了本发明。因此，本发明的范围通过下述权利要求而非前述详细描述来限定，并且要解释的是，从随附的权利要求的含义、范围、和等价概念衍生的所有改变或变相在本发明的范围内。
[符号说明]
1：二次电池 10：电极组件
11：电极接片 12：电极引线
13：电池壳体 14：绝缘部
111：正极接片 112：负极接片
121：正极引线 122：负极引线
131：第一壳体 132：第二壳体
133：杯状部 134：密封部
135：袋膜层压体 1331：容纳空间
1351：密封层 1352：阻气层
1353：表面保护层 1354：拉伸辅助层

Claims (19)

1.一种容纳通过堆叠正极、隔板、和负极而形成的电极组件的袋型电池壳体，
其中所述袋型电池壳体包括袋膜层压体，所述袋膜层压体包括：
密封层，所述密封层由第一聚合物形成作为最内层；
表面保护层，所述表面保护层由第二聚合物形成作为最外层；和
阻气层，所述阻气层层压在所述表面保护层与所述密封层之间并由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。
2.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述铝合金薄膜包含1.2重量％至1.7重量％的量的铁。
3.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述铝合金薄膜包含1.3重量％至1.7重量％的量的铁。
4.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述铝合金薄膜包含0.2重量％或更少的量的硅。
5.根据权利要求2所述的袋型电池壳体，其中所述铝合金薄膜具有10.5μm至12.5μm的晶粒尺寸。
6.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述铝合金薄膜的合金编号为AA8021。
7.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述阻气层具有70μm至90μm的厚度。
8.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述密封层的厚度是所述阻气层的厚度的0.6倍至1.2倍。
9.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述密封层具有30μm至90μm的厚度。
10.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述第一聚合物包括聚丙烯(PP)。
11.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述表面保护层具有6μm至25μm的厚度。
12.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述第二聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
13.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，进一步包括拉伸辅助层，所述拉伸辅助层由第三聚合物制成并且层压在所述表面保护层和所述阻气层之间。
14.根据权利要求13所述的袋型电池壳体，其中所述拉伸辅助层具有20μm至50μm的厚度。
15.根据权利要求13所述的袋型电池壳体，其中所述第三聚合物包括尼龙(Nylon)。
16.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述袋膜层压体具有180μm或更大的总厚度。
17.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述袋膜层压体具有200N/15mm至300N/15mm的拉伸强度和105％至150％的伸长率，所述拉伸强度是在将所述袋膜层压体切割成15mm×80mm的尺寸之后以50mm/min的拉伸速度进行拉伸的同时进行测量的。
18.根据权利要求1所述的袋型电池壳体，其中所述袋膜层压体具有30N或更大的穿刺强度。
19.一种袋型二次电池，包括：通过堆叠正极、隔板、和负极而形成的电极组件；和容纳所述电极组件的袋型电池壳体，
其中所述电池壳体包括袋膜层压体，所述袋膜层压体包括：
密封层，所述密封层由第一聚合物形成作为最内层；
表面保护层，所述表面保护层由第二聚合物形成作为最外层；和
阻气层，所述阻气层层压在所述表面保护层与所述密封层之间并由具有60μm至100μm的厚度和10μm至13μm的晶粒尺寸的铝合金薄膜形成。
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