CN116848693A - 电极组件和包括该电极组件的二次电池 - Google Patents

电极组件和包括该电极组件的二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电极组件和包括该电极组件的二次电池，并且更具体地，涉及即使在隔膜在高温下热收缩的环境中也能够提高二次电池的稳定性的电极组件和二次电池。所述电极组件包括正极板，与所述正极板对应的负极板，以及第一隔膜和第二隔膜，所述第一隔膜和所述第二隔膜彼此相邻地定位，并使所述正极板或所述负极板插置其间。沿所述正极板和所述负极板的纵向方向，所述第一隔膜的至少一端附接到所述第二隔膜的至少一端。所述第一隔膜和所述第二隔膜的至少一端被折叠以围绕所述正极板或所述负极板。所述电极组件还包括覆盖所述第一隔膜和所述第二隔膜的折叠部分的绝缘带。

Description

电极组件和包括该电极组件的二次电池
技术领域
与相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年3月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0036922的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
本公开涉及电极组件和包括该电极组件的二次电池，并且更具体地，涉及即使在隔膜的高温和热收缩环境下也能够提高二次电池的安全性的电极组件和二次电池。
背景技术
随着技术发展和对移动装置的需求增加，对作为能源的二次电池的需求迅速增加。因此，正在对能够满足各种需求的二次电池进行许多研究。二次电池作为动力驱动装置(例如电动自行车、电动车辆和混合动力车辆)的能源以及移动装置(例如蜂窝电话、数码相机和膝上型计算机)的能源已经引起了相当大的关注。
诸如蜂窝电话、照相机等的小型装置使用其中封装有一个电池单元的小型电池组。然而，诸如膝上型计算机、电动车辆等的中型或大型装置使用中型或大型电池组，其中封装有由并联和/或串联连接的两个或更多个电池单元构成的电池组。
在锂二次电池的情况下，存在的问题是其具有优异的电特性，同时其安全性低。例如，锂二次电池引起作为电池构成元件的活性材料、电解质等的分解反应，从而产生热量和气体。由此产生的高温和高压条件可进一步促进分解反应以引起着火或爆炸。
在更具体的示例中，在常规电极组件和包括常规电极组件的方形或袋型二次电池中，存在许多其中包括在电极组件中的隔膜在暴露于高温环境的情况下热收缩的情况。由于隔膜的热收缩，正极和负极可能直接彼此面对，导致电短路。结果，锂二次电池可能引起着火、爆炸等。
特别地，近年来，随着锂二次电池的容量和电压增高，例如，广泛使用含有按重量计60％的高含量或更高含量的镍的正极活性材料。含有这种高含量的镍的正极活性材料具有高热值和低结构崩塌温度，因此热稳定性相对较低。因此，与上述二次电池的安全性，特别是高温安全性，相关的问题，变得更加突出。
由于常规电极组件的这种缺点，持续需要开发一种即使在隔膜的高温热收缩环境下也能提高二次电池的安全性的技术。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种电极组件以及包括该电极组件的二次电池，该电极组件即使在隔膜的高温和热收缩环境下也能够提高二次电池的安全性。
然而，本公开的实施例所要解决的问题不限于上述问题，并且可以在本公开所包括的技术构思的范围内进行各种扩展。
技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种电极组件，该电极组件包括：正极板，负极板，负极板对应于正极板，以及
第一隔膜和第二隔膜，所述第一隔膜和所述第二隔膜彼此相邻设置，并使所述正极板或所述负极板插置其间，
其中，所述第一隔膜的至少一端沿所述正极板和所述负极板的纵向方向粘附到所述第二隔膜的至少一端，
其中，所述第一隔膜和所述第二隔膜的至少一端被折叠成包绕所述正极板或所述负极板，并且
其中，所述电极组件还包括覆盖所述第一隔膜和所述第二隔膜的折叠部分的绝缘带。
根据本公开的一个方面，提供了一种二次电池，其包括：电极组件，以及
用于容纳电极组件的电池壳体。
有利效果
在本公开的电极组件中，添加在堆叠在彼此之上的正极板和负极板之间的隔膜彼此粘附，并且被折叠成包绕正极板和负极板，并且在它们周围覆盖绝缘带。
结果，即使当电极组件和二次电池暴露于高温环境等时，也可以使隔膜热收缩而引起正极板和负极板之间的电短路的现象最小化。因此，即使应用含有高含量的镍的正极活性材料等，也可以使二次电池的着火、爆炸等最小化，从而使锂二次电池的安全性最大化。
此外，当相互粘附的隔膜被折叠成包绕正极板和负极板时，可以更顺利地执行将电极组件插入袋型电池壳体中的过程等。
因此，本公开通过应用含有高含量的镍的正极活性材料等而提供了具有高容量和高能量密度的二次电池，并且还可以改善这种二次电池的安全性和加工性，因此可以极大地有助于提供高质量的二次电池。
附图说明
图1是示意性地示出根据本公开的实施例的电极组件的立体图；
图2是示意性地示出根据本公开的实施例的用于制造电极组件的电极-隔膜层叠体的平面图；
图3a和图3b是示意性地示出根据本公开的实施例的电极组件的平面图；以及
图4a是示意性地示出根据本公开的实施例的电极组件的截面图，并且图4b是在图3a、图3b和图4a中由圆圈指示的第一隔膜和第二隔膜的折叠部分的放大截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的各种实施例，使得本领域技术人员可以容易地实施它们。本公开可以以各种不同的方式进行修改，并且不限于在此阐述的实施例。
为了清楚地描述本公开，将省略与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
此外，在附图中，为了便于描述，任意地示出了每个元件的尺寸和厚度，并且本公开不必限于附图中示出的尺寸和厚度。在附图中，为了清楚起见，夸大了层，区域等的厚度。在附图中，为了便于描述，夸大了一些层和区域的厚度。
此外，在整个说明书中，当一部分被称为“包括”或“包含”某一组件时，其意指该部分可进一步包括其它组件，而不排除其它组件，除非另有说明。
此外，在整个说明书中，当被称为“平面(或平面图)”时，其意指当从上侧观察目标部分时，并且当被称为“截面(或截面图)”时，其意指当从垂直切割的截面的侧面观察目标部分时。
图1、图3a、图3b和图4a分别示出了根据本公开的实施例的电极组件的立体图、平面图和截面图。
如这些图1、图3a、图3b和图4a所示，根据本公开的一个实施例，提供了一种电极组件100，该电极组件包括：
正极板110，
对应于正极板110的负极板130，以及
第一隔膜120a和第二隔膜120b，第一隔膜120a和第二隔膜120b彼此相邻设置，并使正极板110或负极板130插置其间，
其中，第一隔膜120a的至少一端沿正极板110和负极板130的纵向方向粘附到第二隔膜120b的至少一端，
其中，第一隔膜120a和第二隔膜120b的至少一端被折叠以包绕正极板110或负极板130；
其中，电极组件100还包括覆盖第一隔膜120a和第二隔膜120b的折叠部分的绝缘带140。
一个实施例的电极组件100包括堆叠型电极-隔膜层叠体，其中，基本上，正极板110和负极板130彼此交替堆叠，并且第一隔膜120a和第二隔膜120b分别形成在交替堆叠的正极板110和负极板130之间。参照图2，在该堆叠型电极-隔膜层叠体中，第一隔膜120a和第二隔膜120b被形成/布置为具有大于正极板110和负极板130的宽度的宽度(在图2中由右侧的方形指示的部分)。
此外，如图3a、图3b和图4a所示，彼此相邻设置的第一隔膜120a和第二隔膜120b的至少一端沿正极板110和负极板130的纵向彼此粘附，并且第一隔膜120a和第二隔膜120b的相互粘附的部分被折叠成包绕正极板110和/或负极板130(在图3a、图3b和图4a中由圆圈指示的部分)。
此外，绝缘带140形成为沿垂直于纵向方向的宽度方向包绕在正极板110和负极板130周围，同时覆盖第一隔膜120a和第二隔膜120b的折叠部分。
以这种方式，一个实施例的电极组件100具有三种类型的隔膜固定结构，其中彼此相邻的第一隔膜120a和第二隔膜120b的至少一端彼此粘附，它们围绕正极板110和负极板130折叠，并且绝缘带140围绕第一隔膜120a和第二隔膜120b的折叠部分以及电极板110和130形成。
由于第一隔膜120a和第二隔膜120b的固定结构及由其产生的固定力，即使电极组件100和二次电池暴露于高温环境等，或从正极活性材料产生热量等，第一隔膜120a和第二隔膜120b的热收缩力也被抵消，使得第一隔膜120a和第二隔膜120b不能热收缩。结果，可以使由于这些隔膜的热收缩导致正极板110和负极板130彼此接触并且引起电短路的现象最小化。特别地，与其中第一隔膜和第二隔膜被简单地形成为具有大于每个电极板的宽度的宽度以提高电池安全性的电极组件相比，具有隔膜的上述固定结构的实施例的电极组件可以进一步显着地减少每个隔膜的热收缩和由此导致的电极板的电短路。
因此，当应用一个实施例的电极组件时，其可以使二次电池的着火、爆炸等最小化，并大大提高二次电池的安全性，特别是应用了含有高含量的镍的正极活性材料的具有高容量和高能量密度的锂二次电池的安全性。此外，由于彼此粘附的第一隔膜120a和第二隔膜120b被折叠成包绕正极板110和负极板130，所以还可以更顺利地进行将电极组件100插入袋型电池壳体中的过程。
同时，在上述实施例的电极组件100中，正极板110和负极板130中的每一个可以包括电极集流器；形成在所述电极集流器上的电极活性材料层；以及形成为从电极集流器突出的电极片115和135。
其中，包括在正极板110中的电极集流器(即正极集流器)通常可具有3μm至500μm的厚度。对这种正极集流器没有特别限制，只要其具有导电性同时不引起二次电池的化学变化即可，并且可以使用例如不锈钢、铝、镍、钛、煅烧碳，或利用碳、镍、钛、银等进行了表面处理的铝或不锈钢。
正极板110的电极活性材料层(即正极活性材料层)包括正极活性材料，正极活性材料的示例包括：成层化合物，例如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)，或以一种或更多种过渡金属进行了取代的化合物；锂锰氧化物，例如化学式Li1+yMn2-yO4(其中y为0至0.33)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2；锂铜氧化物(Li2CuO2)；钒氧化物，例如LiV3O8、LiFe3O4、V2O5和Cu2V2O7；由化学式LiNi1-yMyO2(其中M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，并且y＝0.01至0.3)表示的镍位型锂镍氧化物；由化学式LiMn2-yMyO2(其中M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，y＝0.01至0.1)或Li2Mn3MO8(其中M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；LiMn2O4，其中化学式中的一部分Li被碱土金属离子取代；二硫化物化合物；Fe2(MoO4)3等，但不限于此。
然而，当应用含有按重量计60％或更多，或按重量计60％至99％的镍的基于锂过渡金属复合氧化物的正极活性材料时，二次电池的例如着火、发热或爆炸的安全性问题可能更严重地发生，由此根据本公开的实施例的电极组件的结构可更优选地应用于包括这种正极活性材料的电极组件和二次电池。
同时，可以通过将包含正极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物的正极混合物施加到正极集流器上的除了形成有正极片115的区域之外的剩余部分上并且随后进行干燥和轧制来制备正极活性材料层，并且如果需要的话，可以将填料进一步添加到混合物中。然而，由于正极活性材料层的组成和形成方法可遵循一般锂二次电池中所包括的活性材料层的组成和方法，因此将省略其额外描述。
同时，包括在负极板130中的电极集流器(即，负极集流器)通常可被制造为具有3微米至500微米的厚度。负极集流器没有特别限制，只要其具有高导电性而不引起包括电极组件的电池的化学变化即可，并且可以使用例如铜、不锈钢、铝-镉合金等。
此外，负极板130的电极活性材料层(即负极活性材料层)包括负极活性材料，负极活性材料例如可以包括：碳，例如难石墨化碳和石墨基碳；金属复合氧化物，例如LixFeO3(0≤x≤1)、LixWO2(0≤x≤1)、SnxMe1-xMe'yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me'：Al、B、P、Si，周期表中第1、2、3族元素，卤素；0<x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；锂金属；锂合金；硅基合金；锡基合金；金属氧化物，例如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4或Bi2O5；导电聚合物，例如聚乙炔；Li-Co-Ni基材料等。
可以通过将包含负极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物的负极混合物施加到负极集流器上的除了形成有负极片135的区域之外的剩余部分上并且随后进行干燥和轧制来制备这样的负极活性材料层，并且如果需要，可以将填料进一步添加到混合物中。这样的负极活性材料层的组成和形成方法可遵循一般的组成和方法。
如图2所示，在一个实施例的电极组件100的制造过程中，形成堆叠型电极-隔膜层叠体，其中上述正极板110和负极板130彼此交替堆叠，具有更大宽度的第一隔膜120a和第二隔膜120b分别形成在交替堆叠的正极板110和负极板130之间。具有更大宽度的第一隔膜120a和第二隔膜120b分别形成为在正极板110和负极板130之间电绝缘。
在这种电极-隔膜层叠体中，彼此相邻的正极板110和负极板130与它们之间的第一隔膜120a和第二隔膜120b物理接触(作为参考，图2示出了正极板110、负极板130以及第一隔膜120a和第二隔膜120b彼此间隔开，但这是为了便于图示)。此时，第一隔膜120a和第二隔膜120b可仅与面对它们的正极板110或负极板130物理接触，但它们可粘附到所面对的正极板110或负极板130。因此，当电极组件100和二次电池暴露于高温环境等时，可以进一步抵消第一隔膜120a和第二隔膜120b的热收缩力，从而进一步最小化隔膜的热收缩现象。
在电极-隔膜层压体和由其制造的电极组件100中，具有高离子渗透性、机械强度和低收缩特性的绝缘薄膜可用作第一隔膜120a和第二隔膜120b。例如，可以使用由例如耐化学和疏水的聚丙烯的基于烯烃的聚合物、玻璃纤维或聚乙烯制成的片材或非织造织物。
同时，在电极－隔膜层叠体中，彼此相邻的第一隔膜120a和第二隔膜120b可以形成为使得其至少一端或两端可以沿正极板110和负极板130的纵向方向(在图2中由方形指示的部分，在图3a、图3b和图4中由圆圈指示的部分)彼此粘附。此时，为了更有效地抑制第一隔膜120a和第二隔膜120b的热收缩，更优选的是，第一隔膜120a和第二隔膜120b的两端沿电极板110和130的纵向方向粘附。
为了第一隔膜120a和第二隔膜120b的相互粘附，包括在第一隔膜120a和第二隔膜120b自身中的粘合剂可以被热封，但是根据另选的实施例，可以将粘结剂添加到彼此相邻的第一隔膜120a和第二隔膜120b的接触部分。作为这样的粘结剂，例如，可以使用包括乙烯乙酸乙烯酯、聚氨酯或其混合物的热熔粘结剂，但不特别限于此。
此外，在一个实施例的电极组件100中，第一隔膜120a和第二隔膜120b的彼此粘附的至少一端或两端可以被折叠成包绕正极板110和/或负极板130(在图3a、图3b和图4a中由圆圈指示的部分)。此时，第一隔膜120a和第二隔膜120b的彼此粘附的一端或两端可以仅折叠一次以包绕正极板110和/或负极板130，但是如图4b所示，其可以双重折叠。
由于这种双重折叠结构，可以更有效地抑制隔膜的高温热收缩，使电极组件100的形状更紧凑，并且因此可以更顺利地进行将其插入袋型电池壳体中的过程等。
另一方面，在上述电极组件100中，在第一隔膜120a和第二隔膜120b的折叠部分上，绝缘带140被形成为在垂直于长度方向的宽度方向上包绕正极板110和负极板130，同时覆盖这些隔膜的折叠部分。如图1、图3a和图3b所示，绝缘带140可以以规则的间隔附接到多个绝缘带140，以便包绕在隔膜的折叠部分、正极板110和负极板130周围。此外，参照图3b，除了这些绝缘带140之外，更多的绝缘带140可以进一步被附接以在电极片115和135的突出部分周围进一步包绕正极板110和负极板130。
通过添加绝缘带140，可以进一步抑制隔膜的高温热收缩，并且可以进一步提高二次电池的安全性。
绝缘带140的类型没有特别限制，但是例如可以使用聚酰亚胺基绝缘带或聚酯基绝缘带(例如，PET或PEN基绝缘带)。
上述电极组件可以例如以浸渍在电解质中的状态容纳在电池壳体中，以构成二次电池。此时，电极组件可以包括堆叠型电极-隔膜层叠体，并且可以主要容纳在袋型电池壳体或方形电池壳体中。
此时，作为电池壳体，可以使用应用于袋型或方形二次电池的一般电池壳体。
此外，电极组件和包括该电极组件的二次电池可应用于各种装置。这样的装置可应用于诸如电动自行车、电动车辆或混合动力车辆的车辆装置，但本公开不限于此，并且可应用于可使用电极组件和包括电极组件的二次电池的各种装置，这也落入本公开的范围内。
尽管以上已经详细描述了本公开的优选实施例，但是本公开的范围不限于此，并且本领域技术人员使用在所附权利要求中限定的本公开的基本构思做出的各种修改和改进也落入本公开的范围内。
*附图标记说明
100：电极组件
110：电极板(正极板)
115：电极片(正极片)
120a、120b：第一隔膜和第二隔膜
130：电极板(负极板)
135：电极片(负极片)
140：绝缘带

Claims (10)

1.一种电极组件，所述电极组件包括：
正极板，
负极板，所述负极板对应于所述正极板，以及
第一隔膜和第二隔膜，所述第一隔膜和所述第二隔膜彼此相邻设置，并且使所述正极板或所述负极板插置其间，
其中，所述第一隔膜的至少一端沿所述正极板和所述负极板的纵向方向粘附到所述第二隔膜的至少一端，
其中，所述第一隔膜的所述至少一端和所述第二隔膜的所述至少一端被折叠成包绕所述正极板或所述负极板，并且
其中，所述电极组件还包括覆盖所述第一隔膜的折叠部分和所述第二隔膜的折叠部分的绝缘带。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述正极板和所述负极板中的每一个均包括：
电极集流器；
形成在所述电极集流器上的电极活性材料层；以及
被形成为从所述电极集流器突出的电极片。
3.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一隔膜和所述第二隔膜的宽度大于所述正极板和所述负极板的宽度。
4.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一隔膜和所述第二隔膜粘附到所面对的所述正极板或所面对的所述负极板。
5.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一隔膜的两端沿所述正极板和所述负极板的所述纵向方向粘附到所述第二隔膜的两端，并且
所述第一隔膜的两端和所述第二隔膜的两端被折叠成包绕所述正极板或所述负极板。
6.根据权利要求1所述的电极组件，其中，彼此粘附的所述第一隔膜的所述至少一端和所述第二隔膜的所述至少一端被双重折叠。
7.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，所述绝缘带被形成为沿垂直于所述纵向方向的宽度方向包绕在所述正极板和所述负极板周围，同时覆盖所述第一隔膜的折叠部分和所述第二隔膜的折叠部分。
8.根据权利要求2所述的电极组件，其中，所述绝缘带被形成为进一步在电极片突出部分周围包绕在所述正极板和所述负极板周围。
9.一种二次电池，所述二次电池包括：
根据权利要求1至8中的任一项所述的电极组件，以及
用于容纳所述电极组件的电池壳体。
10.根据权利要求9所述的二次电池，其中，所述电池壳体是袋型电池壳体或方形电池壳体。
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