CN1171338C - 集电体、电极和采用它们的二次电池 - Google Patents

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Abstract

集电体、电极以及采用它们的二次电池。二次电池包括：电极组件，具有通过将活性材料极片附着于扁平集电体的至少一侧上而得到的电极，扁平集电体具有以预定图形形成的多个通孔，隔板插在电极之间；外壳，用于封闭电极组件；和接头，与电极组件的端部相连并朝外壳外延伸，其中通孔为规则多边形，通孔之间的肋条宽度相等。

Description

集电体、电极和采用它们的二次电池
技术领域
本发明涉及二次电池，尤其是涉及增强的集电体和电极结构以及采用它们的二次电池。
背景技术
有各种类型的充电二次电池，包括镍镉(Ni-Cd)电池、铅酸电池、镍金属氢化物(Ni-MH)电池、锂(Li)离子电池、Li聚合物电池、金属Li二次电池等。
具体而言，与Ni-Cd电池或Ni-MH电池相比，含有Li的充电二次电池具有高的能量密度与重量比，因此其应用逐步得以扩大。Li二次电池根据电解质的类型，分为使用液体电解质的Li离子电池和使用聚合物固体电解质的Li聚合物电池。
图1表示Li聚合物电池的一个例子。参考图1，Li聚合物电池包括电极组件11和外壳12，在电极组件11中正极板和负极板重叠，隔板插在正极板和负极板之间，外壳12封闭电极组件11。同时，电极接头13与正极板和负极板的连接头13a相连，电极接头13突起在外壳12的外侧。
用分别由负极活性材料和正极活性材料组成的极片层叠铜(Cu)或铝(Al)组成的集电体，制备出正极板和负极板。隔板插在正极板和负极板之间，从包括正极板和负极板以及隔板的电极组件中提取塑化剂，然后把电解质注入已提取出塑化剂的该空间中。
为提高与活性材料极片的粘结力并通过提高接触面积增大导电率，集电体由多孔金属网组成。
然而，在经过连续工艺制备电极中，对多孔金属网的拉伸力在与制备多孔金属网的延长方向相同的方向上起作用，从而集电体由于该延伸而产生变形。因此，多孔金属网并不适合于经过连续批量生产系统所制备的电极。同时，多孔金属网约30μm厚，厚度偏差可达到10μm，从而当附着活性材料极片时，难以控制厚度。此外，当通过将活性材料极片附着于集电体所制备的电极板切割成预定尺寸时，在切割部件有毛刺，从而正极板和负极板之间电短路。
为解决这些问题，冲孔金属已用于集电体。然而，形成在冲孔金属上的开孔对电极组件的性能非常关键。即，如果冲孔金属的开孔太小，虽改善了导电率，但不能保证顺利提取塑化剂。反之，尽管可容易提取塑化剂，但导电率降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供集电体、电极和采用它们的二次电池，能使由连续制造过程期间拉伸力引起的集电体变形最小，集电体的导电率良好，塑化剂能顺利从集电体中提取。
按照本发明目的的一方面，本发明提供电池的集电体，它包括薄板元件，其中多个通孔以预定图形形成，其肋条宽度均匀。
优选通孔具有圆形或规则多边形。
按照本发明目的的另一方面，本发明提供电池的电极，它包括：以扁平元件形成的集电体，多个通孔以预定图形形成在集电体上；以及附着在集电体的至少一侧上的活性材料极片，其中假设集电体的厚度为T1，集电体和活性材料极片的厚度之和是T2，则T2≤6.32×T1。
假设通孔的尺寸是M，而集电体和活性材料极片的厚度之和是T2，则优选3.75T2≤M≤18.75T2。
假设通孔之间的间距是P，而集电体和活性材料极片的厚度之和是T2，则优选1.2M≤P≤1.6M。
按照本发明目的的再一方面，本发明提供二次电池，包括：电极组件，具有通过将活性材料极片附着于扁平集电体的至少一侧所得到的电极，集电体具有以预定图形形成的多个通孔，而隔板插在电极之间；外壳，用于封闭电极组件；和接头，接头与电极组件的端部相连并朝外壳外部延伸，其中通孔具有规则多边形，通孔之间的肋条宽度相同。
附图说明
参考附图，通过详细描述优选实施例，将对本发明的上述目的和优点更加清楚。
图1是传统二次电池例子的分解透视图；
图2是按照本发明的二次电池的分解透视图；
图3是图2的电极组件的部分分解透视图；
图4是表示按照本发明的电极厚度与电阻之间的关系图；
图5是表示按照本发明的形成在集电体上的通孔尺寸与电阻之间的关系图；
图6是表示通孔尺寸和随时间变化的提取塑化剂的数量之间的关系图；
图7是表示按照本发明的通孔间距与电阻之间的关系图；和
图8是表示按照本发明的通孔间距与提取塑化剂的数量之间的关系图；
具体实施方式
参考图2，表示按照本发明的集电体和采用该集电体的二次电池，通过交替正极110和负极120而隔板130插在正极和负极之间来形成电极组件100。正极110和负极120通过导电连接元件102a和101a分别与电极接头101和102相连。同时，电极组件100由外壳140封闭，电极接头101和102的端部从外壳140中抽出。
在具有上述结构的二次电池中，通过将含有活性材料和添加剂的活性材料极片115附着于集电体111上而得到正极和负极110和120，如图3所示。正极和负极110和120与插在其间的隔板130结合之后，从活性材料极片115和隔板130中提取塑化剂，然后把电解质注入已提取出塑化剂的所得电极组件的该空间中。
集电体111是由铜(Cu)或铝(Al)组成的薄板，具有多个圆形或多边形通孔112。薄板表面涂覆有锌(Zn)和碳(C)以改善导电率。此外，分开相邻通孔112和112的肋条113宽度在整个集电体111上一致。优选通孔112制备成规则多边形如长方形、三角形和六边形。
图4表示根据电极110和120的厚度T2(参见图3)以及集电体111的厚度T1(参见图3)的电极性能。在此，所用的冲孔金属厚度为15μm和25μm。
通过增大附着于每一集电体的活性材料极片的厚度，测量电极的电阻。结果，在电极采用厚度T1为15μm的集电体的情况下，电池的电阻达到120mΩ，电极厚度T2为102μm，并不适合于用作电池。此外，在电极采用厚度T1为25μm的集电体的情况下，电池的电阻达到120mΩ，电极厚度T2为158μm，不能用于电池。
即，很清楚，电极厚度T2约为集电体厚度T1的7倍。
根据上述精确计算的结果，优选集电体厚度T1与电极厚度T2的关系(I)如下。
T2≤6.32×T1        …(1)
此外，形成在集电体111上的通孔112尺寸越小，集电体111和活性材料极片115之间的接触面积越大，这提高了导电率。然而，随着提取塑化剂的数量下降，注入电极组件中的电解质数量下降。同时，通孔112的尺寸影响集电体和电极的拉伸力。
为分析通孔112的尺寸M与电极导电率之间的关系，形成在厚度80μm的电极集电体111上的通孔尺寸M改变到0.1mm、0.3mm、0.7mm、1.5mm和2.0mm，然后测量电极的电阻。
结果，如图5所示，当通孔尺寸M为0.1mm时，电极导电率良好，电阻约40mΩ，而采用具有2.0mm通孔的集电体的电极电阻为153mΩ，这超过120mΩ的电池工作电阻。
图6表示根据形成在集电体111上的通孔112尺寸M所提取塑化剂的数量。如图6所示，在通孔112的尺寸M为0.3mm、0.7mm、0.5mm和2.0mm的情况下，10分钟内可提取90％或更多的塑化剂。同时，在通孔尺寸M为1.0mm的情况下，在50分钟以后可提取90％或更多的塑化剂。
从上述结果可了解，在具有0.1mm通孔的集电体111的情况下，电极导电率良好，但提取塑化剂的数量少。另一方面，在具有2mm通孔的集电体的情况下，提取大量的塑化剂，但导电率低。在具有不同厚度的电极中可得到与上述相同的结果。因此，优选形成在集电体111上的通孔112的尺寸范围为0.2-2mm。通孔112的尺寸M与电极的厚度T2的关系(2)如下。
3.7T2≤M≤18.75T2                …(2)
通孔112的每个中心之间的距离，即间距P，与通孔尺寸M之间的关系在图7和8中用图表示。为得到结果，制备间距与通孔尺寸M的1.1、1.2、1.3、1.5、1.6和1.7倍相对应的集电体，测量提取塑化剂的数量和导电率。
结果，间距1.1M的集电体的电阻达到150mΩ，这超过电池临界电阻120mΩ。当间距范围为1.1M-1.6M时，提取塑化剂的数量处于92％的常规范围(30分钟内)。然而，在间距为1.7M的情况下，30分钟内提取塑化剂的数量为87％。即，应理解通孔112间距P与通孔尺寸M的关系(3)优选如下。
1.2M≤P≤1.6M                    …(3)
在按照本发明的集电体和采用该集电体的二次电池中，集电体111以扁平状形成，厚度薄且均匀，多边形的通孔112以均匀间隔形成，从而改善活性材料极片与集电体之间的导电率。
此外，通孔112的间距P处于预定范围内，确保均匀电子传递路径，和顺利提取塑化剂。而且，部分活性材料极片可进入每个通孔112，从而加强了集电体与活性材料极片之间的粘合力。
具体而言，由于电极厚度T2为集电体111的厚度T1的6倍，通孔112的尺寸M处于关系(2)表达的范围内，防止了空穴的形成，空穴是由于活性材料极片附着于集电体时活性材料未充分插入通孔而发生。
按照本发明，多个通孔112形成在集电体111上，可连续制备而不会有在使用多孔金属网的传统情况下即使小拉伸力也会引起的变形。即，按照本发明的集电体不会经过膨胀形成通孔，但采用扁平元件，多个通孔以预定形状已冲压在扁平元件上。因此，可防止小拉伸力的变形。
按照实验结果，按照本发明的集电体与活性材料极片之间的粘合力为15kgf/mm，比传统集电体的粘合力(10kgf/mm)提高50％或更多。同时，电池的能量密度提高5-10％或更多。此外，容易从电极组件中提取塑化剂并容易将电解质注入电极组件中。
参考特定实施例已说明和描述了本发明，处于附属权利要求所确定的本发明精神和范围内的进一步变形和改变，对于本领域技术人员是显而易见的。例如，按照本发明的集电体可应用于卷绕电极组件和波纹电极组件。

Claims (9)

1.一种电池的电极，包括：
以扁平元件形成的集电体，多个通孔以预定图形形成在扁平元件上；和
附着于集电体的至少一侧上的活性材料极片，
其中假设集电体厚度为T1以及集电体和活性材料极片的厚度总和为T2，则T2≤6.32×T1。
2.按权利要求1的电极，其中形成在集电体上的通孔之间的肋条宽度相等。
3.按权利要求1的电极，其中假设通孔尺寸是M，3.75T2≤M≤18.75T2。
4.按权利要求3的电极，其中假设通孔之间的间距为P，1.2M≤P≤1.6M。
5.按权利要求1的电极，其中通孔为规则多边形。
6.二次电池，包括：
电极组件，具有通过将活性材料极片附着于扁平集电体的至少一侧上而得到的电极，扁平集电体具有以预定图形形成的多个通孔，并且隔板插在电极之间；
外壳，用于封闭电极组件；和
接头，与电极组件的端部相连并朝外壳外延伸，
其中通孔为规则多边形，通孔之间的肋条宽度相等，其中假设集电体厚度为T1以及集电体和活性材料极片的厚度总和为T2，T2≤6.32×T1。
7.按权利要求6的二次电池，假设通孔尺寸是M以及集电体和活性材料极片的厚度总和为T2，3.75T2≤M≤18.75T2。
8.按权利要求6的二次电池，其中假设通孔之间的间距为P，1.2M≤P≤1.6M。
9.按权利要求6的二次电池，其中集电体由铜或铝组成。
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