CN1357935A

CN1357935A - 堆叠式电池的构造

Info

Publication number: CN1357935A
Application number: CN00135707A
Authority: CN
Inventors: 詹益松; 杨长荣; 潘金平; 朱文斌
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-07-10

Abstract

本发明公开了一种具有高能量密度,以及避免空间死角存在的堆叠式电池的构造,通过将粘胶与活性物质分离,并且通过重新布置粘胶的位置的手段,使得依此方式制成的正/负极极板,可以在堆叠压合的制作过程中借由粘胶与高分子隔离膜粘结,同时又不影响每单位重量中活性物质所含的比例,借此提供一种能够避免传统电池极板以卷绕方式所造成的空间死角问题,又能改善电池的重量能量密度的堆叠式电池的构造。

Description

堆叠式电池的构造

本发明涉及一种堆叠式电池的构造，特别是一种以堆叠式电池极板的方式所制成，且具有高能量密度，以及避免空间死角存在的堆叠式电池的构造。

可充电式二次电池自近年推出以后，由于性能受到可携式电子产品制造业者的肯定，应用产品的规格与数量均快速增加，加上近年来电子、信息与通讯等产品正朝向更轻薄、短小的实用设计迈进，而其所需求的电源-二次电池的特性与功能已成为决定无线通讯、笔记本电脑、其他可携式电子产品与电动车辆等产品竞争优势的重要因素。

一般充电式电池的正/负极极板10a、10b的涂布方式与组装方法为将正/负极活性物质与高分子粘结剂(Binder)，助导剂等混合后成为正/负电极活性材料12a、12b，以涂布机于集电板11a、1b上进行涂布，涂布的模式如图1或图2所示。

其中，图1为单一材料间断涂布方式，图2则为单一材料连续涂布方式，涂布完成后的正/负极极板10a、10b经碾压、分条后，由高分子隔离膜将其隔开后，进行圆形卷绕与椭圆形电极卷绕等其他后序工作后，完成圆形与方形电池的制作。

由于现行的电子产品要求为轻薄短小，因此可充电式二次电池的设计即在电池重量、能量密度与空间利用上有了比以往更严苛的要求。以二次电池的发展来说，早期二次电池的构造为圆形的构造，如图3所示，将上述正极极板/高分子隔离膜/负极极板进行圆形极板卷绕20放入圆形金属外壳21内，此种圆形构造在工程技术上比较成熟，但是在空间利用上，则有显著的空间死角22，存在有空间浪费的现象。

由于圆形电池有着上述空间浪费的问题，因此发展出了方形外壳的电池，如图4所示，方形电池现阶段广泛用于锂离子电池与镍氢电池的设计当中。以方形外壳制作的电池由于在外型上的堆积排列比较没有空间浪费的问题，但是其在正/负极极板卷绕20a方式为椭圆型卷绕再放入方形金属外壳21a内，在电池内部还是有空间死角22a的存在。

基于上述原因，最近电池的组装技术又朝向以堆叠压合的方式进行，即所谓类似现阶段高分子电池的电池堆叠方式，如图5所示。理论上讲，由叠压极板30方式形成的电池，可以达到最密堆积，也就是其空间利用率最大，加上利用铝箔外壳31包装，可以降低总体的电池重量，理论上可以达到提高电池能量密度的目的。但是由于在现行电池的设计上，电极极板与高分子隔离膜(聚乙烯，聚丙烯或无纺布)之间没有任何的粘结性，因此现行的充电电池(镍氢电池、锂离子电池)均无法以堆叠压合的方式进行。而高分子电池则由于其高分子电解质膜(类似隔离膜)具有较大的粘着性，因此可以进行堆叠压合。但是由于极板需和高分子电解质(膜)压合堆叠，因此在正/负极极板上的高分子粘结剂(Binder)需增加，而使正/负极极板上的活性物质比例降低，造成高分子电池的重量能量密度反而比不上锂离子电池，而且由于在正/负极极板上的高分子粘结剂含量增加后，正/负极极板的电子导电率随之降低，造成高分子电池大电池的充/放电不易进行。

因此，如何能够在不需要增加正/负极极板的高分子粘结剂的前提下，以理论上最密的堆叠压合方式进行正/负极极板与高分子隔离膜叠合，为当前所希望解决的重要问题。

本发明的主要的目的即是要提供一种堆叠式电池的构造，其能够避免传统电池极板以卷绕方式所造成的空间死角问题，又能改善电池的重量能量密度，以克服现有技术中所存在的上述缺陷。

本发明的上述目的是这样实现的：一种堆叠式电池的构造，其包括有：一正极极板、一负极极板及一高分子隔离膜，该高分子隔离膜是介于该正/负极极板之间，且借由复数片的该正/负极极板彼此堆叠成一电池，其特征是：

任一该正/负极极板具有一集电板，在该集电板的任一表面具有一电极层，而位于该相邻正/负极极板的邻接面的局部表面还包含一粘胶层，用以使该正/负极极板与该高分子隔离膜彼此粘结密合。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是在该电极层的表面。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是在该电极层的周缘。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是在该电极层的对称两侧边缘。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是分布在该电极层表面的对角线处。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层形成的方式，是借由模具射出涂布(Die Coating)的方式所形成。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层形成的方式，是借由网板印刷(Screen Printing)的方式所形成。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该正/负极极板与该高分子隔离膜是以热压方式粘结密合。

本发明所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层的材质是选自橡胶类粘着剂、硫类化合物、环氧树脂类、聚酯(polyester)、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、低分子量聚乙烯(PE)、无规聚丙烯(PP)、聚丙烯酸酯(压克力)类粘着剂、氰基丙烯酸酯粘着剂、芳香族聚亚胺粘着剂、硅酮粘着剂、聚苯并噻唑(Polyhenzimidazolespolyquinoxalines polyphenyl quinoxalines)和聚喹噁啉所构成族群中的任意一种。

从上面的说明中可以看出，针对解决空间死角的问题，本发明利用堆叠的方式以避免传统卷绕方式所造成的圆形或椭圆形的空间死角问题。

另外，针对改善电池的重量能量密度的问题，本发明所公开的堆叠式电池的构造的技术特点为将粘胶与活性物质分离，并且通过重新布置粘胶的位置的手段，使得依此方式制成的正/负极极板，可以在堆叠压合的制作过程中借由粘胶与高分子隔离膜粘结，同时又不影响每单位重量中活性物质所含的比例，且堆叠压合的粘结作用完全与活性物质无关。

在本发明的较佳实施例中，粘胶层是利用涂布法或是网印技术形成于电池极板的集电板的单一侧表面。另外，在本发明的较佳实施例中，粘胶层是利用涂布法或是网印的技术形成于电池极板的集电板的两侧表面。

根据本发明的较佳实施例，粘胶层是形成在电极材料的周围、或形成在电极材料的对称两侧边缘、或是分布在电极材料表面的对角线处，借此，则可使正/负极极板与高分子隔离膜彼此粘结密合。

下面结合实施例及其附图，对本发明作进一步详细说明。

图1为公知的涂布模式示意图；

图2为公知的涂布模式示意图；

图3为公知圆形电池的构造示意图；

图4为公知方形电池的构造示意图；

图5为借由叠压方式形成堆叠式电池的示意图；

图6A和图6B为本发明堆叠式电池极板的断面图；

图7为本发明涂布模式方法一的示意图；

图8为本发明涂布模式方法二的示意图；

图9为本发明涂布模式方法三的示意图；

图10为本发明涂布模式方法四的示意图；

图11为本发明第一实施例的正极极板尺寸示意图；

图12为本发明第一实施例的负极极板尺寸示意图；

图13为本发明第一实施例的充/放电图；

图14为本发明第二实施例的正极极板尺寸示意图；

图15为本发明第二实施例的负极极板尺寸示意图；

图16为本发明第二实施例的充/放电图；

图17为本发明第三实施例的正极极板尺寸示意图；

图18为本发明第三实施例的负极极板尺寸示意图；以及

图19为本发明第三实施例的充/放电图。

首先，请参阅图6A和图6B，其为本发明堆叠式电池极板10、10’的断面图，本发明的主要技术手段即将电池的活性物质涂布在集电板11(基材)上的任一表面形成电极层13，而相邻正/负极极板10、10’的电极层13邻接面的局部表面再形成有一粘胶层14(如热粘胶、环氧树脂等物质)位于电极层13的任一或复数边缘，或粘胶层14’位于电极层13表面的边缘上方，并利用粘胶本身的粘合力再加上热压合的方式，即可以使电池中正/负极极板10与几乎任何高分子隔离膜(图中未示)可轻易的胶合，达到理论上最密堆叠压合的方式，而且不会改变电池极板10活性物质的配方。

本发明所使用到的加工方法可包括有：(1)涂布法、(2)网印法，因此，本发明主要是在电池的极板10上涂布或网印粘胶使电池极板10容易与高分子隔离膜胶合。可能的涂布模式有以下数种：

方法一，如图7所示，利用涂布或网印等方式所制成的极板10c，是将电极活性物质与粘胶层14a单面或双面涂在集电板11c上，电极材料为块状分散涂布形成电极层13a，而粘胶层14a则是涂在电极层13a的单边或多边上，如图上为粘胶层14a在电极层13a的周围。然后以冲压、裁切等方式将正/负电极层13a与粘胶层14a涂物裁切下来，以热压合等方式将正极极板/高分子隔离膜/负极极板粘合。此高分子隔离膜可能包括了PP，PE与PP/PE复合层与无纺布等。由于本发明极板10c的特殊构造，使得极板10c与高分子隔离膜的粘合能力取决于粘胶层14a与高分子隔离膜的粘合性，而不再与电极粘结剂(Binder)有关，因而使得粘胶层14a与高分子隔离膜的可选择性增加非常多的机会，例如，粘胶层14a的物质可以为橡胶类粘着剂、硫类化合物、环氧树脂类、聚酯(polyester)、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、低分子量聚乙烯(PE，Polyethylene)、无规聚丙烯(PP，Polypropylene)、克拉通(Kraton，壳牌化学公司生产)、聚丙烯酸酯(压克力)类粘着剂、氰基丙烯酸酯粘着剂、芳香族聚亚胺粘着剂、硅酮粘着剂、聚苯并噻唑(polyhenzimidazoles polyquinoxalines polyphenyl quinoxalines)和聚喹噁啉等，均可适用。

方法二，如图8所示，利用涂布或网印等方式所制成的极板10d，是将电极活性物质与粘胶层14b单面或双面涂在集电板11d上，电极材料形成的电极层13b与粘胶层14b横向交错涂布，然后以裁切或分条方式将正/负极极板10d裁切成片状，使粘胶层14b位于电极层13b的对称两侧边，并以热压合等方式将正析极板/高分子隔离膜/负极极板粘合，而制作成可充/放电的电池。

方法三，如图9所示，利用涂布或网印等方式所制成的极板10e，是将电极活性物质与粘胶层14c单面或双面涂在集电板11e上，电极材料形成的电极层13c与粘胶层14c纵向交错涂布，使粘胶层14c位于电极层13c的对称两侧边，然后以裁切或分条方式将正/负极极板10e裁切成片状或条状，并以热压合等方式将正极极板/高分子隔离膜/负极极板粘合，而制作成可充/放电的电池。

方法四，如图10所示，利用涂布或网印等方式所制成的极板10f，是将电极活性物质与粘胶层14d单面或双面涂在集电板11f上，其中，粘胶层14d是分布在电极材料形成的电极层13d表面的对角线处，然后以冲压、裁切等方式将正/负极极板10f裁切下来，并以热压合等方式将正极极板/高分子隔离膜/负极极板粘合，而制作成可充/放电的电池。

由此，根据上述的四种方法所得的堆叠式电池结构，可适用于锂离子电池、锂高分子电池、镍氢电池和电容器等。

实施例

首先，正极极板的涂布方式取85％的LiCoO₂(锂钴氧化物)与助导剂KS6(商品名，成分为碳)10％与粘结剂PVdF(聚四氟乙烯)5％混合后，溶于以NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)为溶剂中的浆料中。粘胶的组成为PE(聚乙烯)或环氧树脂，溶于NMP中，同样也形成可涂布的浆料，并以模具射出涂布(Die Coating)或网板印刷(Screen Printing)等方式，同时或分段将上述正极材料与粘胶涂布成方法一、二、三所示。

接着，负极极板的涂布方式，取90％的MCMB(meso carbon micorbeads；商品名，是一种碳)粉体90％混合10％PVdF的粘结剂，并溶于NMP中形成浆料。粘胶的组成则为PE或环氧树脂等，也溶于NMP中，同样也形成可涂布的浆料，并以模具射出涂布或网印等方式，同时或分段将上述负极材料与粘胶涂布成如方法一、二、三所示。

实施例一

将方法一完成的正极极板以压膜或裁切方式切出极板含粘胶层14的宽×长(W1×L1)为(4.0+0.5)×(7.0+0.5)公分，其中正极电极层16的宽×长(W2×L2)为4.0×7.0公分，其余宽充为t＝0.25的面积则为粘胶层14，如图11所示。

将方法一完成的负极极板以压膜或裁切方式切出极板含粘胶层14的宽×长(W1’×L1’)为(4.1+0.5)×(7.1+0.5)公分，其中正极电极层17的宽×长(W2’×L2’)为4.1×7.1公分，其余宽度为t＝0.25的面积则为粘胶层14，如图12所示。

将上述的正/负极极板与PE隔离膜(Celgard)，尺寸为4.7×7.7公分，进行140℃热压5分钟，再焊上导电柄，置入铝箔袋或金属罐体中，进行真空灌液，加入MEX2(商品名，为一电解质配方；三井石化)的电解液，最后进行铝箔袋的封口工序，即完成单层结构的电池，最后的充/放电图则如图13所示。

实施例二

将方法二完成的正极极板以压膜或裁切方式切出极板含粘胶层14的宽×长(W1×L1)为(4.0)×(7.0+0.5)公分，其中正极电极层16的宽×长(W1×L2)为4.0×7.0公分，其余宽度为t＝0.25的面积则为粘胶层14，如图14所示。

将方法二完成的负极极板以压膜或裁切方式切出极板含粘胶层的宽×长(W1’×L1’)为(4.1)×(7.1+0.5)公分，其中负极电极层17的宽×长(W1’×L2’)为4.1×7.1公分，其余宽度为t＝0.25的面积则为粘胶层14，如图15所示。

将上述的正/负极极板与PE隔离膜(Celgard)，尺寸为4.7×7.7公分，进行140℃热压5分钟，再焊上导电柄，置入铝箔袋中，进行真空灌液，加入MEX2(三井石化)的电解液，最后进行铝箔袋的封口工序，即完成单层结构的电池，最后的充/放电图则如图16所示。

实施例三

将方法三完成的正极极板以压膜或裁切方式切出极板含粘胶层14的宽×长(W1×L1)为(4.0+0.5)×(7.0)公分，其中正极电极层16的宽×长(W2×L1)为4.0×7.0公分，其余宽度为t＝0.25的面积则为粘胶层14，如图17所示。

将方法三完成的负极极板以压膜或裁切方式切出极板含粘胶层的宽×长(W1’×L1’)为(4.1+0.5)×(7.1)公分，其中负极电极层17的宽×长(W2’×L1’)为4.1×7.1公分，其余宽度为t＝0.25的面积则为粘胶层14，如图18所示。

将上述的正/负极极板与PE隔离膜(Celgard)，尺寸为4.7×7.7公分，进行140℃热压5分钟，再焊上导电柄，置入铝箔袋中，进行真空灌液，加入MEX2(三井石化)的电解液，最后进行铝箔袋的封口工序，即完成单层结构的电池，最后的充/放电图则如图19所示。

虽然上述的电池结构由单一组电池单元(正极极板/高分子隔离膜/负极极板)由热压方式胶合组成，但也可借由多组电池叠压(例如：正极极板/高分子隔离膜/负极极板/高分子隔离膜/正极极板)的方式而组成堆叠式电池，也可形成相同堆叠式电池的结构。

根据本发明所公开的堆叠式电池的构造，其效果为：

1、在电池极板的集电板的表面形成一粘胶层，用以粘结正/负极极板与高分子隔离膜，因此，堆叠压合的粘结作用完全与活性材料无关，使得粘胶层与高分子隔离膜的可选择性增加非常多的机会；

2、本发明的结构可适用于锂离子电池、锂高分子电池、镍氢电池和电容器等；

3、借由堆叠电池极板的方式可增加电池的重量能量密度；以及

4、可避免传统利用卷绕方式的电池所造成的空间死角的问题。

虽然本发明以上述的较桂实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何本专业领域内的普通技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作适当的变更与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的范围为准。

Claims

1、一种堆叠式电池的构造，其包括有：一正极极板、一负极极板及一高分子隔离膜，该高分子隔离膜是介于该正/负极极板之间，且借由复数片的该正/负极极板彼此堆叠成一电池，其特征是：

2、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是在该电极层的表面。

3、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是在该电极层的周缘。

4、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是在该电极层的对称两侧边缘。

5、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层是分布在该电极层表面的对角线处。

6、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层形成的方式，是借由模具射出涂布的方式所形成。

7、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层形成的方式，是借由网板印刷的方式所形成。

8、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该正/负极极板与该高分子隔离膜是以热压方式粘结密合。

9、如权利要求1所述的堆叠式电池的构造，其特征是该粘胶层的材质是选自橡胶类粘着剂、硫类化合物、环氧树脂类、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、低分子量聚乙烯、无规聚丙烯、聚丙烯酸酯类粘着剂、氰基丙烯酸酯粘着剂、芳香族聚亚胺粘着剂、硅酮粘着剂、聚苯并噻唑和聚喹噁啉所构成族群中的任意一种。