CN1601783A - 锂二次电池及其用的隔板 - Google Patents
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Abstract
本发明披露一种锂二次电池，其包括：电极组件、罐体和盖组件，其中电极组件包括卷绕成螺旋状的正极板和负极板，同时插入有纵向上弹性模量为2.0kgf/mm2或更小的隔板；电极组件与电解液一起固定在罐体内，并与所述电极组件的负极板和正极板之一电连接；以及盖组件安装于所述罐体的顶端，并与所述电极组件的负极板和正极板中的另一个电连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂二次电池，以及具体地涉及用于电极组件(electrodeassembly)的隔板。
背景技术
通常，电池大致分为二次电池和一次电池，其中二次电池能够进行重复充电和放电，一次电池不能进行再充电且耗尽后被废弃。根据目标设备的外形可将所述电池制备成各种形状，例如圆筒形、棱柱形和袋形。
二次电池具有电极组件、罐体和盖组件(cap assembly)，其中在电极组件中负极板和正极板螺旋卷绕形成“凝胶卷(jelly-roll)”，同时在其间插入有隔板；电极组件与电解液一起固定在罐体内；以及盖组件安装于所述罐体的顶端。
电极组件的正极板通过正极引线与盖组件电连接，负极板通过负极引线与罐体电连接。
在锂离子二次电池中，锂复合氧化物用作正极活性材料以形成正极板，碳用作负极活性材料以形成负极板。由于锂离子在负极和正极之间的迁移而发生了充电和放电。
锂离子二次电池具有高电压和高电池容量，因此表现出作为便携式电子设备电源的优良性能特点。然而，由于使用有机电解液而使电池的安全性出现了问题。为了解决该问题，需要具有不同于其他非水二次微型电池性能特点的隔板。即，增加电池容量和提高电池安全性以为该电池设计系统提供最佳隔板、同时考虑例如化学稳定性、厚度、机械强度和电流断路等特点是很重要的。
所述隔板主要使所述正极板和负极板相互隔开，并通过吸收电池反应所需的电解液保持高离子电导性。特别在锂离子二次电池的情况下，所述隔板也可防止由于电池反应而引起的不需要物质的迁移，以及当发生非正常状况时确保电池安全性。
此外，该隔板抑制了在充电和放电的重复循环中发生的电池厚度膨胀。
由于充电和放电的重复循环而引起的电池厚度膨胀严重损害了电池的可靠性。为解决该问题，已经设计了一种电池以通过从所述活性材料中除去微粒或在该电解液中使用添加剂而抑制其内气体的产生。然而，通过从所述活性材料中除去微粒或在该电解液中使用添加剂来抑制厚度膨胀是有限的。
此外，由于锂离子二次电池已经发展成为具有高容量和薄而平的结构，隔板制备得更薄，因此不能有效吸收由于充电和放电的重复循环而引起的活性材料的膨胀，从而加速了厚度的膨胀。
发明内容
在本发明的一个实施方案中，提供一种锂二次电池，其具有包括隔板的电极组件，所述隔板在纵向上具有有限的弹性模量。因为当所述隔板的纵向上弹性模量增加时，螺旋式膨胀更容易增加，所以该有限弹性模量起到抑制电极组件由于充电和放电的重复循环而引起的厚度膨胀的作用。
在本发明的一个实施方案中，所述锂二次电池包括纵向上弹性模量不大于2.0kgf/mm2的隔板。在一个实施方案中，纵向上的弹性模量为0.2kgf/mm2到2.0kgf/mm2。
根据本发明的一个实施方案，提供一种锂二次电池，该电池包括电极组件，其中负极板、正极板和插入在其间的隔板螺旋卷绕成“凝胶卷”形状。值得注意的是，所述隔板在纵向上具有2.0kgf/mm2或更小的弹性模量。电极组件与电解液一起固定在罐体内，并与所述电极组件的负极板或正极板电连接。在该实施方案中，将盖组件安装在具有电极组件的罐体的顶部，并与所述电极组件的负极板或正极板电连接。
附图说明
通过参考附图详细地描述本发明的实施方案，本发明以上和其他优点将更加显而易见，其中：
图1是本发明实施方案的锂二次电池的剖视图；
图2是用于图1所示实施方案的锂二次电池的电极组件的透视图；和
图3是使用实施例1和2以及比较例1的锂二次电池、描述作为充电和放电的重复循环与厚度变化函数关系的曲线。
具体实施方式
下面将参考附图，详细描述本发明的实施方案。
如图1和2所示，所述锂二次电池具有电极组件10、罐体20和盖组件30，其中在电极组件10中负极板14和正极板12卷绕成“凝胶卷”形状或者螺旋，同时在其间插入有隔板13；电极组件10与电解液一起固定在罐体20内，并与电极组件10的正极板12电连接；以及盖组件30安装于所述罐体20的顶端，并与电极组件10的负极板14电连接。
在该实施方案中，隔板13在纵向上具有0.2-2.0kgf/mm2的弹性模量。
在电极组件10内，负极板14、隔板13和正极板12依次层叠，并卷绕成螺旋状。
在棱柱形电池的情况下，将卷绕成螺旋状的电极组件10插入棱柱形罐体20中，并对其挤压以减少其整体厚度。
在隔板13是由纵向上高弹性模量的材料形成的情况下，隔板13在挤压后恢复到初始状态，并保持其突出的形状，因此降低了挤压效果。相比之下，在隔板13是由纵向上低弹性模量的材料形成的情况下，隔板13在挤压后保持被挤压的状态，因此可保持初始厚度薄的优势。
在本发明实施方案的锂二次电池中，隔板13是由纵向上弹性模量为0.2-2.0kgf/mm2的材料形成的。因此，即使在挤压过程完成后，仍保持受挤压状态，这充分保持了薄的初始厚度。
当隔板13的纵向上弹性模量小于0.2kgf/mm2时，即使通过手工挤压的轻度变形也不会恢复到初始形状，因此应仔细处理。
相比之下，当隔板13的纵向上弹性模量大于2.0kgf/mm2时，其挤压后的形状则恢复到接近其挤压前的形状，因此，很难使隔板13的初始厚度变薄。
具有必要弹性模量的隔板的非限定性实例包括单层、双层和三层聚合结构。特别优选的是弹性模量等于或小于2.0kgf/mm2、更优选地为0.2-2.0kgf/mm2的聚乙烯(PE)和/或聚丙烯(PP)的单层、双层和三层膜。隔板13可选择地由其他材料形成或包括这些材料，条件是所述隔板纵向上的弹性模量为0.2-2.0kgf/mm2。
如图1所示，正极引线15与正极板12电连接，负极引线16与负极板14电连接。盖组件30具有安装于罐体20开口部分的盖板(cap plate)32、通过垫圈35与盖板32绝缘的阴极端子34、以及用于在注入电解液之后密封形成于盖板32处的电解液注入孔的插塞38。负极引线16与阴极端子34电连接，正极引线15与盖板32电连接。
可通过使用普通锂离子电池的结构来构造盖组件30、电极组件10和罐体20，因此在此省略对其详细的描述。
使用实施例1和2以及比较例1的锂二次电池，测量充电后电极组件的厚度、电极组件的厚度变化，充电和放电的重复循环次数之间的函数关系。这些测量结果列表和描述在表1和图3中。
实施例1
使用隔板13将涂覆有电极活性材料的正极板14和负极板12彼此隔离，并卷绕成螺旋状以形成电极组件10。隔板13的纵向弹性模量在0.2-1.2kgf/mm2范围内，具体地为0.8kgf/mm2。将电极组件10插入棱柱形罐体20中，并将电解液注入罐体20中以制备锂二次电池。所述电解液通过将1M的LiPF6溶解在比率为3∶7的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物中而制备。
实施例2
通过使用纵向弹性模量为1.6kgf/mm2的隔板13制备锂二次电池。电极组件10和电解液以与实施例1相同的方式制备。
比较例1
通过使用纵向弹性模量为3.2kgf/mm2的隔板制备锂二次电池。电极组件10和电解液以与实施例1相同的方式制备。
在实施例1和2以及比较例1中的电极组件形成之后，测量挤压前和挤压后这些组件的厚度。在制备棱柱形电池之后，测量标准初始充电之后这些组件的厚度。其测量结果列于表1。对所有三个实施例进行充电-放电循环，并分别测量初始状态以及100次、200次、和300次充电-放电循环之后这些电机组件的厚度。其测量结果如图3所示。
如上所述，制备每个实施例1和2以及比较例1的25个电池，测量它们的厚度。平均测量结果如表1和图3所示。
表1
| 分类 | 电极组件厚度(mm) | ||
| 挤压前 | 挤压后 | 初始充电后 | |
| 实施例1 | 6.10 | 6.07 | 7.97 |
| 实施例2 | 6.10 | 6.07 | 7.99 |
| 比较例1 | 6.11 | 6.10 | 8.05 |
如表1所示，与各自挤压前的厚度相比，实施例1和2中电极组件厚度减少了0.03mm。比较例1中电极组件厚度挤压后减少了0.01mm。因此由于挤压引起的厚度减少在实施例1和2中更为显著。与比较例1相比，结果中的差异对应于实施例1和2的弹性模量的差异。由更高弹性模量材料形成的隔板反弹至其原来的、未变形(非挤压)构造(厚度)的倾向性更强。在低弹性模量的材料中形状恢复更不显著。因此，低弹性模量的隔板在制备薄而平的电池时更有优势。
相对于初始充电后所述电极组件的厚度，使用最低弹性模量的隔板的实施例1中电极组件的厚度，比比较例1中使用较高弹性模量的隔板的电极组件的厚度小约0.08mm。
此外，图3显示，就充电-放电循环次数而言，使用较低弹性模量的隔板13的实施例1和2的电极组件的厚度变化小于比较例1中使用较高弹性模量的隔板的电极组件的厚度变化。
此外，随着充电-放电循环次数增加，在隔板的弹性模量相对较高的情况下其厚度变化更加显著。
在重复充电-放电循环之后实施例1和2中电极组件的厚度变化在某种程度上由于具有低弹性模量的隔板而减少。因此，降低所述隔板的弹性模量在减少电极组件膨胀方面高度有效。
在本发明的一个实施方案中，提供具有纵向弹性模量低的隔板的锂二次电池，从而充分施加了挤压效果。在该实施方案中，有可能保持所述电极组件的挤压后厚度值为0.06mm或小于传统情况下的厚度，并可制备薄而平的电池。
在该实施方案中也有可能更有效地抑制重复充电-放电循环之后电极组件的厚度膨胀。在该实施方案中，所述电极组件的厚度膨胀可在300次重复充电和放电之后减少0.15mm或更多。此方式可提高涉及电池厚度的可靠性。
虽然在上文中已详细描述本发明实施方案，但是应当清楚理解，对本领域技术人员显而易见的是，根据权利要求书中所定义的，基本发明概念的变异和/或修改仍将处于本发明的精神和范围之内。
Claims (14)
1.一种电极组件，其包括：
负极板；
正极板；和
插入负极板和正极板之间的隔板，其在纵向上具有2.0kgf/mm2或更小的弹性模量。
2.权利要求1的电极组件，其中所述隔板在纵向上具有0.2kgf/mm2到2.0kgf/mm2的弹性模量。
3.权利要求1的电极组件，其中所述隔板是包括聚乙烯和聚丙烯中的一种或两种的单层。
4.权利要求1的电极组件，其中所述隔板是包括聚乙烯和聚丙烯中的一种或两种的双层。
5.权利要求1的电极组件，其中所述隔板是包括聚乙烯和聚丙烯中的一种或两种的三层。
6.一种锂二次电池，其包括：
电极组件，其包括负极板和正极板以及隔板，所述隔板置于所述负极板和正极板之间，且其在纵向上具有2.0kgf/mm2或更小的弹性模量隔板，所述电极组件卷绕成螺旋状；
罐体，电极组件与电解液一起固定在其内，且所述罐体与所述电极组件的负极板和正极板之一电连接；以及
盖组件，其安装于所述罐体的顶端，并与所述电极组件的负极板和正极板中的另一个电连接。
7.权利要求6的锂二次电池，其中所述隔板纵向上的弹性模量约为0.2-2.0kgf/mm2。
8.权利要求6或7的锂二次电池，其中所述隔板具有包括聚乙烯和聚丙烯中至少一种的单层结构。
9.权利要求6或7的锂二次电池，其中所述隔板具有包括聚乙烯和聚丙烯中至少一种的双层结构。
10.权利要求6或7的锂二次电池，其中所述隔板具有包括聚乙烯和聚丙烯中至少一种的三层结构。
11.权利要求6或7的锂二次电池，其中卷绕成螺旋状的电极组件在挤压下厚度减小。
12.权利要求6或7的锂二次电池，其中所述盖组件包括安装于所述罐体开口部分的盖板、通过垫圈与所述盖板绝缘的阴极端子，以及密封形成于盖板处的电解液注入孔的插塞。
13.用于在锂电池的电极组件中隔开负极板和正极板的隔板，其中所述隔板构造成插入在负极板和正极板之间并卷绕成螺旋状，且其在纵向上具有2.0kgf/mm2或更小的弹性模量。
14.权利要求13的隔板，其在纵向上具有0.2-2.0kgf/mm2的弹性模量。
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