CN116783770A - 用于将电极接线片和金属引线结合的方法以及锂二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过使用锂电极接线片模具框架将锂电极接线片和金属引线结合的方法，和一种包括通过以上方法制造的、将锂电极接线片和金属引线结合的结构的锂二次电池。
Description
技术领域
该申请要求基于在2021年6月21日提交的韩国专利申请第10-2021-0079944号和在2022年6月20日提交的韩国专利申请第10-2022-0074655号的优先权利益，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及一种将电极接线片和金属引线结合的方法，并且涉及一种锂二次电池。
背景技术
随着对能量存储技术的兴趣不断增加，由于其应用正在从用于移动电话、平板电脑、膝上型计算机和摄像机的能源扩展到甚至用于电动车辆(EV)和混合动力电动车辆(HEV)的能源，电化学装置的研究和开发正在逐渐地增加。
在电化学装置中，能够充电/放电的锂二次电池以及进一步锂二次电池的开发已经成为关注的焦点。近年来，在开发这些电池时，为了改进容量密度和比能量，正在积极进行用于新电极和电池的设计的研究和开发。
根据这些趋势，作为下一代电池而正在开发的锂金属电池仅仅具有锂作为负电极。然而，已知锂与其他金属相比较具有低的熔点，并且柔软且容易断裂，并且当暴露于空气时存在爆炸的潜在风险，从而使得难以作为电池来开发。
特别地，已知由于锂电极接线片的脆性性质，所以将锂负电极的锂电极接线片和金属引线结合是非常困难的任务。
即，在传统的锂离子电池的情形中，当执行接线片焊接时，虽然通过超声波焊接、激光焊接或者电阻焊接方法来焊接负电极(铜)或者正电极(铝)接线片和引线(铜、镍等)，但是难以将这项技术应用于锂负电极的锂电极接线片和金属引线的焊接。
因此，在现有技术中，如在图1中所示，正在使用用于通过在堆叠状态中对金属引线和锂电极接线片进行加压来结合金属引线和锂电极接线片的技术。然而，在使用这种方法的情形中，因为锂电极接线片是柔软的，所以难以调节结合部的结合强度和尺寸，并且因此锂电极接线片被挤压和展开的程度取决于加压压力的大小和加压时间而改变。即，对于每一个操作，锂电极接线片的外周边的形状被不同地形成，并且外周边的端部也被凹凸不平地形成，从而使得难以以均匀的形状形成结合部。此外，也难以均匀地形成锂电极接线片的厚度和结合部的面积。
进而，如上所述的传统方法还具有锂粘结到挤压锂电极接线片的加压装置的缺点，从而引起结合缺陷并且因此增加结合过程所要求的时间，这导致电池的生产效率低。
[现有技术文献]
[专利文献]
韩国公开专利公报第10-2020-0009230号
发明内容
技术问题
本发明已经被设计用于解决现有技术的上述问题，并且本发明意在提供：一种将电极接线片和金属引线结合的方法，该方法能够均匀地形成锂电极接线片的外周边的形状，能够均匀地形成锂电极接线片的厚度，并且能够可靠地控制结合面积，并且因此能够容易地调节在锂电极接线片和金属引线之间的结合部的结合强度和尺寸，并且使在单体之间的电阻变化最小化，并且大大地提高过程效率；和一种包括通过上述方法形成的结合结构的锂二次电池。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种将锂电极接线片和金属引线结合的方法，所述方法包括以下步骤，
(a)制备用于锂电极接线片的模具；
(b)将所述锂电极接线片的一端定位在所述模具的模制凹槽中；
(c)将所述金属引线的一端堆叠在位于所述模制凹槽中的所述锂电极接线片的上部上；以及
(d)对堆叠的所述金属引线的上部加压。
另外，本发明提供一种锂二次电池，该锂二次电池包括锂电极接线片和金属引线的电极结合结构，其中，结合到金属引线的锂电极接线片的在纵向方向上的两个侧部具有被模制为平面的形状。
有利效果
本发明的将锂电极接线片和金属引线结合的方法能够均匀地形成锂电极接线片的外周边的形状，能够均匀地形成锂电极接线片的厚度，并且能够可靠地控制结合面积，并且因此能够容易地调节在锂电极接线片和金属引线之间的结合部的结合强度和尺寸。
另外，该将电极接线片和金属引线结合的方法显著地提高过程效率，提供使结合缺陷最小化的效果，并且提供使单体之间的电阻变化最小化的效果。
本发明的锂二次电池包括具有优良结合强度的锂电极接线片和金属引线的结合结构，由此提供改进的质量。
附图说明
图1是示意性地示出根据现有技术的将锂电极接线片和金属引线结合的方法的立体图。
图2和图3是示意性地示出根据本发明的将锂电极接线片和金属引线结合的方法的实施例的立体图。
图4是示意性地示出用于根据本发明的将锂电极接线片和金属引线结合的方法的模具的实施例的立体图。
图5是示意性地图示根据本发明的将锂电极接线片和金属引线结合的方法的结合机制的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例，使得本领域技术人员可以容易地实现本发明。然而，本发明能够以很多不同的形式来实现，并且不限于本文中所描述的实施例。在整个说明书中，相同的附图标记被用于类似的部分。
如在图2、图3和图5中所示，本发明的将锂电极接线片和金属引线结合的方法的特征在于包括以下步骤：
(a)制备用于锂电极接线片的模具10；
(b)将锂电极接线片22的一端定位在模具的模制凹槽12中；
(c)将金属引线30的一端堆叠在位于模制凹槽12中的锂电极接线片22上；以及
(d)对堆叠的金属引线30的上部加压。
在现有技术中，如在图1中所示，在不使用模具的情况下，锂电极接线片22的一端和金属引线30的一端被层叠，并且然后被加压，以将锂电极接线片和金属引线结合。
然而，在使用这种方法的情形中，难以控制结合部的结合强度和尺寸，这是因为锂电极接线片的性质是柔软的，并且因此锂电极接线片被挤压和展开的程度取决于加压压力的大小和加压时间而改变。即，对于每一个操作，锂电极接线片的外周边的形状被不同地形成，并且外周边的端部也被凹凸不平地形成，从而使得难以以均匀的形状形成结合部。另外，难以均匀地形成锂电极接线片的厚度和结合部的面积。
另外，根据这种方法形成的锂电极接线片和金属引线的结合部的厚度和面积不均匀，从而存在增加了单体之间的电阻偏差的问题，并且如果结合面积不足，则结合部容易断裂，从而导致在单体的组装期间的很多缺陷。
同时，在如上所述的传统方法中，锂粘结到用于对锂电极接线片加压的加压装置，从而引起结合缺陷，并且还增加了结合过程所要求的时间，由此导致电池的生产效率降低。
本发明的特征在于，通过使用模具10来将锂电极接线片22和金属引线30结合，能够容易地调节结合部的结合强度和尺寸。即，在本发明的结合方法中，通过使用模具10，能够以形成在模具10中的模制凹槽12的形状来均匀地形成锂电极接线片22的外周边的形状，而且通过该效果，能够可靠地控制在锂电极接线片和金属引线之间的结合面积。另外，通过模具10的作用，还可以均匀地形成锂电极接线片22的厚度。即，因为形成模具10中的模制凹槽12的壁在加压期间用作止挡件，所以即便金属引线30上的压力在加压期间未被精细地调节，也可以均匀地形成锂电极接线片22的厚度。
另外，在本发明的结合方法中，因为锂电极接线片22不直接地接触加压装置，而是仅仅接触模具的模制凹槽12，所以这提供了如下效果：不引起锂粘结到加压装置由此引起结合缺陷的问题以及锂粘结到加压装置由此增加结合过程所要求的时间的问题。
在本发明的一个实施例中，如在图2和图4的(a)中所示，步骤(a)中的模制凹槽12可以被形成为从模具10的在金属引线30的方向上的前端到远端的连续形式。
这种类型的模制凹槽12是优选的，因为能够均匀地控制锂电极接线片22的在纵向方向上的两个侧部的形状。
在本发明的一个实施例中，如在图3和图4的(b)中所示，步骤(a)的模制凹槽12可以是在矩形凹槽中一侧打开的形状。在此情形中，打开的一侧可以位于电极20的联接到锂电极接线片22的一侧上。
这种类型的模制凹槽12是优选的，因为不仅能够均匀地控制锂电极接线片22的在纵向方向上的两个侧部，而且还能够均匀地控制远端的形状。
在本发明的一个实施例中，模制凹槽12可以具有金属引线30的宽度的0.5到1倍的宽度。如果模制凹槽的宽度大于金属引线的宽度，则这是不期望的，因为可能在结合期间形成锂电极接线片22的不与金属引线30结合的一部分，并且在加压期间，锂电极接线片22可能升高到不存在金属引线30的部分，由此引起单体之间的电阻偏差。
在本发明的一个实施例中，模制凹槽12的深度优选地被形成为比锂电极接线片22的厚度浅。原因在于，当金属引线30被挤压以将金属引线30和锂电极接线片22结合时，性质柔软的锂电极接线片22的厚度变薄并且在横向方向上展开，因此为了均匀地形成锂电极接线片22的厚度，如在图5的(a)中所示，有必要使得形成模具10中的模制凹槽12的壁充当用于止挡金属引线30的加压的止挡件。
在本发明的一个实施例中，模制凹槽12优选地被形成为比锂电极接线片22的宽度宽。原因在于，当在厚度方向上加压时，因为锂电极接线片22在横向方向上拉伸，所以应该在模制凹槽中存在用于容纳延伸部分的空间。
在本发明的一个实施例中，在步骤(d)之后，可以进一步包括焊接锂电极接线片和金属引线的步骤。然而，焊接步骤不是必要的步骤。即，因为能够通过各种结合结构而在不进行焊接的情况下将金属引线和锂电极接线片结合，所以焊接步骤可以选择性地执行。
在本发明的一个实施例中，在步骤(b)中，在将锂电极接线片22的一端定位在模具10的模制凹槽12中之前，可以进一步包括将离型剂施加到模制凹槽12或者覆盖离型膜的步骤。
在图5中图示了本发明的将锂电极接线片和金属引线结合的方法的结合机制。图5的(a)图分别地示出在结合之前和之后的锂电极接线片22和金属引线30在宽度方向(横向方向)上的截面视图。如在图5的(a)中所示，如果在金属引线30和模具10的一个或多个方向上施加压力，则具有柔软性质的锂电极接线片22在于横向方向上扩展的同时被形成为模制凹槽12的形状，并且同时被结合到金属引线30。
图5的(b)图分别地示出在结合之前和之后的锂电极接线片22和金属引线30在长度方向(纵向方向)上的截面视图。如在图5的(b)中所示，如果在金属引线30和模具10的一个或多个方向上施加压力，则具有柔软性质的锂电极接线片22如上述(a)中所示地在横向方向上扩展，并且同时，在如(b)中所示地减小厚度的同时被形成为模制凹槽12的形式。另外，通过这种机制，锂电极接线片22被结合到金属引线30。
图5的(c)图示出通过加压进行的锂电极接线片22从锂电极接线片22的向上方向的变形行为。如在图5的(c)中所示，如果在金属引线30和模具10的一个或多个方向上施加压力，则具有柔软性质的锂电极接线片22在于横向方向上扩展的同时被形成为模制凹槽12的形状。
另外，本发明还涉及一种锂二次电池，该锂二次电池包括锂电极接线片和金属引线的堆叠和结合结构，其中，结合到金属引线的锂电极接线片的在纵向方向上的两个侧部具有被模制为平面的形状。
该平面可以是通过模具而模制的表面。
在将电极接线片和金属引线结合的方法中所描述的内容同样地能够应用于锂二次电池。因此，省略了与上文描述的内容重复的内容。
在本发明的一个实施例中，结合到金属引线的锂电极接线片的在金属引线方向上的端表面具有被模制为平面的形状。
该均匀表面可以是通过模具而模制的表面。
在本发明的一个实施例中，结合到金属引线的锂电极接线片的上表面和下表面可以具有被模制为具有均匀厚度的平面的形状。
在本发明的一个实施例中，结合到金属引线的锂电极接线片的上表面和下表面可以具有被模制为具有均匀厚度的平面的形状。
在本发明的一个实施例中，所述堆叠和结合结构可以具有如下形状：形成阶差的锂电极接线片22和在阶差的下端处的金属引线30如图5的(b)中所示地在堆叠状态中被结合。
在本发明的一个实施例中，所述堆叠和结合结构可以具有如下形状：形成阶差的锂电极接线片22和在阶差的下端处的金属引线30如图5的(b)中所示地在堆叠状态中被结合，并且锂电极接线片22的相对于金属引线30的堆叠侧的相反侧也可以具有包括阶差的形状。
在本发明的一个实施例中，如在图5的(b)中所示，阶差可以通过如下过程来形成：将锂电极接线片22的一端放置在用于锂电极接线片的模具10的模制凹槽12中，将金属引线30的一端堆叠在锂电极接线片22的上部上，并且对堆叠的金属引线30的上部加压。
在上文中，结合到锂电极接线片22的金属引线的端表面可以在与锂电极接线片的阶差形成表面没有间隙的情况下以结合的形式形成堆叠和结合结构。本文中所使用的术语“没有间隙”意指大致没有间隙。
在本发明的一个实施例中，锂二次电池可以包括自支撑(free-standing)锂电极。
在本发明的一个实施例中，锂二次电池可以通过包括作为自支撑锂电极的负电极、正电极以及介于负电极和正电极之间的电解质和分隔件来制造。
除了锂电极接线片和金属引线的结合结构，可以通过在本领域中已知的构造利用已知的方法来制造本发明的锂二次电池。在下文中，将描述正电极、电解质和分隔件的具体示例。
正电极
本发明的锂二次电池中所包括的正电极可以包括正电极活性材料、粘合剂、导电材料等。粘合剂是有助于在正电极活性材料和导电材料之间的结合以及到集电器的结合的成分，并且例如可以是但不限于选自由如下物质组成的组中的至少一种：聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚偏二氟乙烯-聚六氟丙烯共聚物(PVdF/HFP)、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯醚、聚乙烯、聚乙烯氧化物、烷基化聚乙烯氧化物、聚丙烯、聚(甲基)丙烯酸甲酯、聚(甲基)丙烯酸乙酯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、聚乙烯吡咯烷酮、苯乙烯-丁二烯橡胶、丙烯腈-丁二烯橡胶、乙烯-丙烯-二烯单体橡胶(EPDM)、磺化EPDM橡胶、苯乙烯-丁烯橡胶、氟橡胶、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素及其混合物。
基于100重量份的正电极的总重量，通常以1到50重量份、优选是3到15重量份的量来添加粘合剂。
正电极中所包括的导电材料不受特别限制，只要它不在锂硫电池的内部环境中引起副反应并且在不引起电池中的化学变化的同时具有优良的导电性即可。典型地，导电材料可以是石墨或导电碳，并且例如但不限于是：石墨，诸如天然石墨或人造石墨；碳黑，诸如乙炔黑、科琴黑、丹卡(Denka)黑、热黑、槽黑、炉黑、灯黑、夏黑等；其晶体结构为石墨烯或石墨的碳基材料；导电纤维，诸如碳纤维和金属纤维；氟化碳；金属粉末，诸如铝粉末和镍粉末；导电晶须，诸如氧化锌和钛酸钾；导电氧化物，诸如氧化钛；导电聚合物，诸如聚亚苯基衍生物；可以单独地或者以如上材料中的两种或更多种的混合物的形式来使用。
基于100重量份的正电极的总重量，典型地以0.5到50重量份、优选是1到30重量份的量来添加导电材料。
正电极活性材料、粘合剂、导电材料等被分散并混合在分散介质(溶剂)中以形成浆液，并且该浆液能够被施加到正电极集电器上，随后对其进行干燥和辊压以制备本发明的正电极。分散介质可以是但不限于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)、乙醇、异丙醇、水或者其混合物。
正电极集电器可以是但不一定被限制于铂(Pt)、金(Au)、钯(Pd)、铱(Ir)、银(Ag)、钌(Ru)、镍(Ni)、不锈钢(STS)、铝(Al)、钼(Mo)、铬(Cr)、碳(C)、钛(Ti)、钨(W)、ITO(In掺杂的SnO2)、FTO(F掺杂的SnO2)及其合金，或者其表面用碳(C)、镍(Ni)、钛(Ti)或银(Ag)等处理的铝(Al)或者不锈钢。正电极集电器的形状可以是箔、膜、片、冲压件、多孔体、泡沫等的形式。
分隔件
分隔件介于正电极和负电极之间以防止在其间短路，并且用于提供用于锂离子的移动的通道。作为分隔件，可以以片、多层隔膜、微孔膜、织造织物或者无纺布的形式来使用烯烃基聚合物(诸如聚乙烯和聚丙烯)、玻璃纤维等，但是不限于此。在另一方面，当使用诸如聚合物(例如有机固体电解质、无机固体电解质等)的固体电解质作为电解质时，该固体电解质也可以用作分隔件。
电解质
可以使用固体电解质或者液体电解质作为电解质，并且可以使用例如非水电解质溶液(非水有机溶剂)作为液体电解质。作为非水电解质溶液，可以单独地或者以其两种或更多种的组合来使用碳酸盐、酯、醚或者酮，但是不一定被限制于此。例如，可以使用非质子有机溶剂，诸如碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、γ-丁内酯、乙酸正甲酯、乙酸正乙酯、乙酸正丙酯、磷酸三酯、二丁基醚、N-甲基-2-吡咯烷酮、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、四氢呋喃衍生物(诸如2-甲基四氢呋喃)、二甲基亚砜、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环及其衍生物、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、三甲氧基甲烷、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、丙酸甲酯和丙酸乙酯，但是不限于此。
锂盐可以进一步被添加到电解质溶液(所谓的包含锂盐的非水电解质溶液)，并且锂盐可以是在非水电解质溶液中能够很好地溶解的已知锂盐，例如，LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiPF3(CF2CF3)3、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、氯硼烷锂、低级脂肪族羧酸锂、四苯基硼酸锂和酰亚胺锂等，但是不一定被限制于此。
可以根据本领域中的常规方法来制造本发明的锂二次电池。例如，能够通过将多孔分隔件置于正电极和负电极之间并且注射非水电解质溶液来制造锂二次电池。
虽然已经结合上文提到的优选实施例描述了本发明，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改和改变。相应地，所附权利要求将包括这种修改和改变，只要它们落入本发明的主旨内即可。
附图标记说明
10：模具 12：模制凹槽
20：锂电极 22：锂电极接线片
30：金属引线 40：电极引线膜
Claims (14)
1.一种将锂电极接线片和金属引线结合的方法，包括以下步骤，
(a)制备用于锂电极接线片的模具；
(b)将所述锂电极接线片的一端定位在所述模具的模制凹槽中；
(c)将所述金属引线的一端堆叠在定位于所述模制凹槽中的所述锂电极接线片的上部上；以及
(d)对堆叠的所述金属引线的上部加压。
2.根据权利要求1所述的将锂电极接线片和金属引线结合的方法，其中，在上述步骤(a)中的所述模制凹槽从所述模具的在所述金属引线的方向上的前端到远端被连续地形成。
3.根据权利要求1所述的将锂电极接线片和金属引线结合的方法，其中，上述步骤(a)的所述模制凹槽具有在矩形凹槽中一侧打开的形状，并且打开的所述一侧位于电极的联接到所述锂电极接线片的一侧上。
4.根据权利要求2或3所述的将锂电极接线片和金属引线结合的方法，其中，所述模制凹槽具有所述金属引线的宽度的0.5倍到1倍的宽度。
5.根据权利要求1所述的将锂电极接线片和金属引线结合的方法，进一步包括在步骤(d)之后焊接所述锂电极接线片和所述金属引线。
6.根据权利要求1所述的将锂电极接线片和金属引线结合的方法，进一步包括在步骤(b)之前将离型剂施加到所述模制凹槽或者用离型膜覆盖所述模制凹槽。
7.一种锂二次电池，所述锂二次电池包括锂电极接线片和金属引线的堆叠和结合结构，其中，结合到所述金属引线的所述锂电极接线片的在纵向方向上的两个侧部具有被模制为平面的形状。
8.根据权利要求7所述的锂二次电池，其中，所述堆叠和结合结构具有如下形状：形成有阶差的所述锂电极接线片和在所述阶差的下端处的所述金属引线在堆叠状态中被结合。
9.根据权利要求8所述的锂二次电池，其中，所述锂电极接线片的相对于所述金属引线的堆叠侧的相反侧也包括阶差。
10.根据权利要求8或9所述的锂二次电池，其中，通过如下过程来形成所述阶差：将所述锂电极接线片的一端放置在用于所述锂电极接线片的模具的模制凹槽中，将所述金属引线的一端堆叠在所述锂电极接线片的上部上，并且对堆叠的所述金属引线的上部加压。
11.根据权利要求8所述的锂二次电池，其中，结合到所述锂电极接线片的所述金属引线的端表面具有在没有间隙的情况下被结合到所述锂电极接线片的阶差形成表面的形式。
12.根据权利要求7所述的锂二次电池，其中，结合到所述金属引线的所述锂电极接线片的在所述金属引线的方向上的端表面被形成为平面。
13.根据权利要求7所述的锂二次电池，其中，结合到所述金属引线的所述锂电极接线片的上表面和下表面被模制为具有均匀厚度的平面。
14.根据权利要求7所述的锂二次电池，其中，所述锂二次电池包括自支撑锂电极。
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