CN1305153C - 穿孔电极与使用该电极的可充电锂电池 - Google Patents

穿孔电极与使用该电极的可充电锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一穿孔电极与使用该电极的可充电锂电池，进一步讲就是一穿孔的电极与一再充电锂电池使用相同方法能够提高电池的循环使用寿命、容量和安全性能。本发明通过采用一较高水平的电解质的浸渍比例和均匀控制浸渍程度来提高电池的循环寿命、容量和比率特性等性质，它也能提高电池的安全特性，具体是通过在组成再生锂电池内部的一组电极的阳极一端、阳极/阴极一端、或者一阳极/阴极/分离器上穿一洞孔来阻止锂的沉淀得到均匀的电极反应来实现。

Description

穿孔电极与使用该电极的可充电锂电池
                           技术领域
本发明涉及电极穿孔和可充电的锂电池二次的方法，进一步解释就是一穿孔过的电极能提高电池的循环使用寿命、容量和安全性能，可再充电的锂二次电池也使用同一种方法。
                           背景技术
最近，对移动电子设备的爆炸性增长需求也使得对二次电池的需求快速增长，特别是，锂二次电池的角色尤其显得重要。另一方面，因为移动电子设备越来越微型化，性能要求越来越高，相应地，也要求电池高性能、微型化和形状的可变化性。尤其是对个人计算机而言，不同形状的电池对减少个人电脑的厚度做了各种试验，因为电池的大小对一台个人电脑的厚度有着一个特别重要的影响。另一方面，因为出现了严重的环境污染问题，对全球变暖的解决办法也被不断地提上议事日程。
针对这些问题的一个解决办法，立法减少汽车汽油燃料的使用，它是引起全球变暖的主要因素，提出有义务使用较环保型的电动运输工具，有些已将这些指导意见投入运行。另外，为了解决污染问题，对电控运输工具(HEV，EV)的发展研究不断地被完成，有一些这样的电动车现在已被普遍使用。正因如此，电池被要求具有大容量，提高热稳定性和安全性能的一个新的方法被提了出来。
为了满足这些需求，增加电池的高度和宽度的试验做了出来。尽管这样一个尝试能提高电池的容量和简化了电池的形状，但它还可能对电池的性能有一个障碍，因为当电极区域扩大后，用电解质均匀地润湿的整个电极区域有一些困难，在充电和放电的循环过程中，会引起一整个电极区域均匀的电极反应。所以，尽管电极条件是良好的，缺少电解质可能会加速电极恶化，因此缩短电池的循环使用寿命。另一方面，如果一个电极严重不均匀，电极反应将集中在局部，该处金属锂的沉淀可能会引起安全问题。
                           发明内容
本发明为克服先有技术的上述问题而提出了解决办法，本发明的目的之一是为二次锂电池提供一种电极，它能提高电池的均匀性和循环使用寿命，通过使得一种电解质的平缓浸润，和使电解质在穿孔洞区域之间保持与整个电极区域相同的均匀潮湿度，甚至在很多次的充电与放电循环之后。
本发明的另一个目的是提供一种由前面提到的电极组成的锂二次电池。
为了达到上述目的，本发明针对锂二次电池提供了一种电极，该电极由一个阴极、一个阳极和一个分隔薄膜组成，其中该阴极是穿孔过的。
更进一步说，本发明提供一种电极，电极上的阴极是穿孔过的，阴极和阳极都是穿孔过的，或阴极、阳极和隔离薄膜三者都穿孔过的电极。
本发明也提供一种由上述电极组成的锂二次电池。
                           附图说明
图1是一个可再充电的锂二次电池的结构图；
图2是一个电极的结构性示意图；
图3是实施例2的电极的结构性示意图；
图4是实施例3的电极的结构性示意图；
图5是电池的电解质浸润速度的对比结果图，将应用未穿孔的电极的电池(对比实施例1)与应用穿孔过的电极的电池(实施例2和3)进行比较。
图6是电池的第10次循环放电曲线对比结果图，将应用未穿孔的电极的电池(对比实施例1)与应用穿孔过的电极的电池(实施例2和3)进行比较。
                           具体实施方式
现在对本发明作详细的解释。
本发明涉及一种电极和一种可再充电的由该电极组成的锂二次电池，该电极上的一个阴极、一个阳极和一个隔离薄膜都被一种特殊大小的洞打穿。这样一种方法能增加电解质的浸润速度和使得浸润程度均匀，以促进电池的性能因素如循环使用寿命、容量和速率特性和防止锂沉淀以促进电池的安全性能。
通常地，一个可充电的锂离子二次电池包括一个电极和一个薄铝板压的包装纸外壳，该电极使用一种锂钴氧化物活性的材料作电极的阴极，碳活性材料作阳极。一个锂离子电池的结构图显示在图1中，图中的电极有一堆叠形式(图2)。对阴极而言，活性材料是涂在一铝片上的，对阳极而言，反应活跃的材料是涂在铜片上的。所以，电解质不能被垂直地浸润到电极表面，但是完全可以从电极的边缘通过毛细管的效果浸润。当一个电极的面积很小时，这样的一个结构不会引起大的问题，但是当电极面积很大时，这种结构就会在一种电解质的供应和浸润方面存在困难。另一方面，在现存的大容量的电池的情况下，当一个电极的尺寸越来越大时，因为热传输方面的差异导致电池内温度差异的发生，结果在电池性能上产生一个负面的影响。
根据上述分析，为了解决这些问题，本发明在阴极上、阴极/阳极、或者阴极/阳极/分隔薄膜上用一种特殊大小的洞来穿孔，因此促进电解质供应的平缓均匀以提高电池的性能。
具体地讲，本发明在一电极上穿孔，能使电解质在一个方向上的运动垂直的到达电极表面，以提高电极湿化速度和提供电解质均匀地通过整个电极区域，因此促进了电池的运行性能。
根据本发明，除了能够提供电解质均匀地通过整个电极区域之外，多余的电解质同时保存在穿孔的位置上。这样防止了电解质在充电/放电周期中不均匀的分布，进而阻止了通过电解质在充放电周期运行后进行的不均匀电极反应，因此本发明是通过阻止早期的电极恶化来实现增长电池的循环使用寿命。
另外，与现有的电池里的电极的热传输相比，本发明提供的穿孔过的电极使得热传输更平缓、更均匀，因此减少了温度的负面影响，以使反应能够均匀地通过整个电极区域，进而提高了电池运行性能。以穿孔位置为基础的堆叠电极使得电极制备也更为便利了。
根据本发明所述，阴极穿孔是在根据下列数学公式1所示的条件下引导出来的：
(数学公式1)
A-B＞B
式中A是阴极的总面积，B是阴极的穿孔部分的面积。
另一方面，阳极穿孔是在根据下列数学公式2所示的条件下引导出来的：
(数学公式2)
C-D＞D
式中C是阳极的总面积，D是阳极穿孔部分的面积。
分隔薄膜穿孔是在下列数学公式3所示的条件下引导出来的：
数学公式3
E-F＞F
式中E代表分隔薄膜的总面积，F代表分隔薄膜穿孔部分的面积。
另外，阴极和阳极的穿孔，或者阴极、阳极和分隔薄膜的穿孔是对每个元素在相同位置上引导出来的。例如，圆形穿孔，每个洞的中心都在同一个位置上。
本发明提供了一种可充电的锂二次电池，该电池包括一个电极，电极由上述条件下的一个穿孔阴极、一个阳极和一个分隔薄膜组成；一个阴极/阳极终端；和一片薄铝板压的包装纸。
本发明也提供了一种可充电的锂二次电池，该电池包括一个电极，电极由上述条件下的一个穿孔阴极、一个穿孔阳极和一个分隔薄膜组成；一个阴极/阳极终端；和一片薄铝板压的包装纸。
另外，本发明还提供了一种可充电的锂二次电池，该电池包括一个电极，电极由上述条件下的一个穿孔阴极、一个穿孔阳极和一个穿孔分隔薄膜组成；一个阴极/阳极终端；和一片薄铝板压的包装纸。
如上所述，根据本发明提供的使用穿孔电极的可充电的锂二次电池具有更高的电解质浸润速度和比常规电池更均匀的浸润，也具有更高的电池容量。
以下根据实施例对本发明作更详细的解释，但本发明并非仅局限于以下实施例。
对比实施例1
制备一种使用锂钴氧化物作阴极和碳活性材料作阳极的电极没有穿孔，和一个用烯烃电解质薄膜分隔的电极(图2)。
实施例1
在与对比实施例1中相似的一个阴极中，在一堆叠位置的中心线上在相同位置的相同中心穿过一个孔。在阴极上，穿一个直径是2mm的洞。然后，一个电极通过与参照物1同样的方法被制备好了。
实施例2
在与对比实施例1相似的一个相同的阴极和阳极上，在一堆叠位置的中心线上在相同位置相同中心穿过多个孔(图3)，阴极上有一个直径是2mm的洞，阳极上有一个直径是1mm的孔。然后一组电极用与对比实施例1同样的方法被制备好了。
实施例3
一个电极用与实施例2相同的办法制备，除分隔薄膜外，在分隔薄膜上，用激光在相同位置相同中心点上打一个直径是0.5mm的孔，如同穿孔电极上的孔一样(图4)。
实施例4
在对比实施例1和实施例2和3中制备的电极，分别将它们放进铝包装纸中(图1至3)；由乙烯基碳酸盐(EC)(ethylenecarbonate)、乙基甲基碳酸盐(EMC)(ethylmethylcarbonate)和锂盐(LiPF6)组成的电解质以相同的量同时注入其中；它们都用一包装纸覆盖起来；边缘部分热封起来后制成了锂离子电池。制成的电池分别浸渍2小时、6小时、1天、2天和1周，然后分解这些电池，测量电极的重量，以确定渗入电解质的数量，再进行比较。
图5显示了每个电池的电解质渗入的数量随着时间的增加而变化的状况。可以看到电解质的最大数量是实施例3中的电池以最高的速度浸润，与使用普通电极的电池相比(对比实施例1)。特别是，图5所示，浸润的电解质的数量依次为：实施例3，实施例2和对比实施例1，随着时间的增加，数量上的差异减少。从这点上可以得出结论，一个电池使用阴极/阳极/分隔薄膜三者都穿孔的电极将有最高的浸润速度。另外，尽管随着时间的增加，渗入的电解质的数量差异减少，但是数量上还是有一些差异，甚至在1周以后，这就显示出电解质在实施例3中电池中的浸润最均匀。
实施例5
对比实施例1和实施例2和3中制成的可充电的锂离子二次电池的充电/放电试验在充电/放电0.5C/1.0C条件下进行，使用一充/放电测试仪进行测试，放电容量和AC阻抗被分别测量。然后，在重复了充电放电周期后，AC阻抗再次被测量，根据每个样品的循环周期，比较放电容量的结果。
图6是一个对比曲线图，对比实施例1和实施例2和3的电池第10次放电曲线，在1C条件下的充电放电情况。如图6所示，对比实施例1的AC阻抗大于实施例2和实施例3的阻抗，这被认为是在整个电极上电解质润湿速度慢的原因，因此润湿并没有充分地传导经过整个电极。另外，还显示了这样一个结果，就是对比实施例1比实施例2和实施例3有一个较大的电压降，与AC阻抗测量值相对应。从这些结果上显示出：根据周期运行过程，使用穿孔电极(实施例2和实施例3)的电池比使用普通电极的电池(对比实施例1)具有相对低的容量减少速度，在1C条件下的放电容量差异大于在0.5C条件下的差异，这样就能确定：对比实施例1中的电极润湿是最不均匀的，因此高速率的放电容量是较小的。
根据本发明所述，组成可充电锂二次电池的内部结构的一种电极，该电极或是一阴极、或是一阴极/阳极、或是阴极/阳极/分隔薄膜等被穿孔，这样增加了电解质的浸润速度和使得浸润程度更加均匀，改进了电池运行性能的因素，如循环使用寿命、容量和速率特性，使电极反应更均匀协调，因而防止锂沉淀以改善电池的安全性能。

Claims (6)

1、一种电极组件，由一个阴极、一个阳极、和一个分隔薄膜组成，其特征在于，所述阴极和阳极在相同的位置上穿有若干个孔，使得所述阴极和阳极上的所述穿孔的中心在相同的位置上。
2、根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述阴极、阳极和分隔薄膜都在相同的位置上穿有若干个孔，使得所述阴极、阳极和分隔薄膜上的所述穿孔的中心在相同的位置上。
3、根据权利要求1或2所述的电极组件，其特征在于，所述阴极是在下列数学公式1所示的条件下穿孔的：
数学公式1
A-B＞B
式中A是该阴极的总面积，B是该阴极穿孔部分的面积。
4、根据权利要求1或2所述的电极组件，其特征在于，所述阳极是在下列数学公式2所示的条件下穿孔的：
数学公式2
C-D＞D
式中C是该阳极的总面积，D是该阳极穿孔部分的面积。
5、根据权利要求2所述的电极组件，其特征在于，所述分隔薄膜是在下列数学公式3所示的条件下穿孔的：
数学公式3
E-F＞F
式中E是该分隔薄膜的总面积，F是该分隔薄膜穿孔部分的面积。
6、一种锂二次电池，其特征在于，所述电池由权利要求1或2所述的电极组件组成。
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