CN220086117U - 电极组件以及包括该电极组件的二次电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电极组件以及包括该电极组件的二次电池。根据本实用新型的一个实施方式的电极组件包括：第一电极；第二电极；以及分隔件，该分隔件插置在第一电极与第二电极之间，其中，第一电极、第二电极和分隔件卷绕在一起以形成果冻卷结构。第一电极基于果冻卷结构包括第一部分和第二部分，第一部分包括第一电极的最内边缘，第二部分从第一部分延伸，并且，第一部分的厚度比第二部分的厚度小。本实用新型的电极组件和二次电池可以通过解决由台阶结构引起的应力集中而提高安全性。

Description

电极组件以及包括该电极组件的二次电池

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年7月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0085822的权益，该韩国专利申请的全部公开内容通过参引并入本文。

本公开涉及电极组件以及包括该电极组件的二次电池，并且更具体地，涉及包括果冻卷电极组件的电极组件以及包括该电极组件的二次电池。

背景技术

近来，随着能源价格由于化石燃料的枯竭而上涨以及对环境污染的关注度越来越高，对环境友好的替代性能源的需求必将在未来的生活中发挥重要的作用。因此，正在进行对用于产生各种电力比如核能、太阳能、风能和潮汐能的技术的研究，并且用于更高效地使用所产生的能量的电力存储设备也在引起广泛关注。

特别地，随着技术发展和对移动装置需求的增加，对作为能源的电池的需求迅速增加，并且因此，已经对满足各种需求的电池进行了大量研究。

通常，对具有诸如高能量密度、放电电压、输出稳定性等优点的锂二次电池比如锂离子电池或锂离子聚合物电池的需求较高。

此外，基于电池盒的形状，二次电池被分类为电极组件构建到圆柱形金属罐中的圆柱形电池、电极组件构建到棱柱形金属罐中的棱柱形电池以及电极组件构建到由铝层压片制成的袋型盒中的袋型电池。

此外，可以基于电极组件的结构对二次电池进行分类，该电极组件具有以下结构：在该结构中，正极和负极在分隔件插置在正极与负极之间的状态下堆叠。

通常，可以提及例如果冻卷(卷绕)型电极组件或堆叠型电极组件，果冻卷(卷绕)型电极组件具有以下结构：其中，长片正极和长片负极在分隔件插置在正极与负极之间的状态下卷绕，堆叠型电极组件具有以下结构：其中，以一定尺寸单元切割的多个正极和负极在分隔件插置在正极与负极之间的状态下依次堆叠。

近年来，为了解决由果冻卷型电极组件和堆叠型电极组件引起的问题，已经开发了堆叠/折叠型电极组件，该堆叠/折叠型电极组件是果冻卷型电极组件和堆叠型电极组件的组合，其具有以下结构：其中，单元电池在已经放置在分隔膜上的状态下依次卷绕而成，单元电池通过在其间插置有分隔件的情况下堆叠预定单元的正极和负极而成。

图1是常规的果冻卷电极组件的立体图，图2的a和图2的b是以放大的方式示出了图1的部段“U”的局部视图。具体地，图2a示出了充电/放电循环的第一半部，并且图2b示出了重复数百次至数千次的充电/放电循环的第二半部。

参照图1和图2的a，常规的果冻卷电极组件可以通过卷绕正极10和负极20形成。附接至正极10的正极接片11和附接至负极20的负极接片21可以在果冻卷电极组件中沿彼此相反的方向突出。在正极10与负极20之间插置有分隔件，并且在图2的a和图2的b中，为了便于说明已经省略了分隔件的图示。

参照图2的a，在果冻卷电极组件的中央部分C中，存在负极20比正极10延伸得更多并且额外卷绕的区域。也就是说，在负极20卷绕至一定程度之后，正极10被插入并卷绕在一起。

在仅卷绕负极20和分隔件的区域中，几乎不存在由于厚度等的差异而产生的空间，但是当在正极10的起始点处插入正极10时，厚度从100μm急剧地增加至200μm，并且在果冻卷电极组件内形成物理台阶。

由于这种台阶结构，存在弯曲变形的可能性，这可能导致电极组件的不对称结构并且引起果冻卷电极组件的形状在重复充电/放电之后扭曲的问题。具体地，随着负极20根据充电和放电重复收缩和膨胀，应力在台阶结构上集中，正极10进入形成在台阶结构中的空的空间，并且电极组件的中央部分C可能发生变形。

此外，参照图2的b，在执行重复数百次至数千次的充电/放电循环之后，可以在负极20的面向正极10的表面上形成锂沉淀物P。此时，由于在仅卷绕负极20和分隔件的区域中不发生化学反应，因此在负极20的表面上不形成锂沉淀物P。然而，由于从插入正极10的区域发生化学反应，因此可以在负极20的表面上形成锂沉淀物P。因此，可以通过在重复充电和放电时形成的锂沉淀物P形成更大的台阶结构。由于锂沉淀物P加速了果冻卷电极组件的膨胀和台阶结构的增加，因此负极20中的弯曲应力可以最大化。当由于台阶结构产生的应力在负极20的重复收缩和膨胀的过程中超过负极20的伸长极限时，最终可能出现裂纹，从而导致断开或短路，这可能极大地损害二次电池的安全性。

实用新型内容

技术问题

本公开的目的是提供通过解决由台阶结构引起的应力集中来提高安全性的电极组件以及包括该电极组件的二次电池。

然而，通过本公开的实施方式解决的问题不限于上述问题，并且可以在本公开中包括的技术构思的范围内进行各种扩展。

技术方案

根据本公开的一个实施方式，提供了电极组件，该电极组件包括：第一电极；第二电极；以及分隔件，该分隔件插置在第一电极与第二电极之间，其中，第一电极、第二电极和分隔件卷绕在一起以形成果冻卷结构，其中，基于果冻卷结构，第一电极包括：第一部分和第二部分，第一部分包括第一电极的最内边缘，第二部分从第一部分延伸，第一部分的厚度比第二部分的厚度薄，并且基于果冻卷结构，第二电极的最内边缘可以定位成比第一电极的最内边缘更靠近果冻卷结构的中心部分。

在果冻卷结构的中心部分中，第二电极卷绕成从第一电极延伸。

第一电极可以是正极，并且第二电极可以是负极。

第一部分可以在果冻卷结构中卷绕0.5次以上且1.5次以下。

第一部分的厚度可以是第二部分的厚度的0.4倍以上且0.8倍以下。

第一电极可以还包括位于第一部分与第二部分之间的第三部分，并且第三部分的厚度可以随着从第二部分朝向第一部分行进而逐渐减小。

第一电极的第一部分和第二部分中的每一者可以包括电极集流体和形成在电极集流体上的活性材料层。

第一部分的电极集流体的厚度可以比第二部分的电极集流体的厚度薄。

活性材料层可以通过将电极活性材料施加到电极集流体上而形成，并且第一部分的活性材料层的每单位面积的电极活性材料的施加量可以比第二部分的活性材料层的每单位面积的电极活性材料的施加量小。

根据本公开的另一个实施方式，还提供了一种包括上述电极组件的二次电池。

有益效果

根据本公开的实施方式，在电极组件中卷绕的电极的起始部分的厚度设定得薄，由此可以使由于台阶导致的结构不利影响最小化，并且可以提高二次电池的安全性。

本公开的效果不限于上面提及的效果，并且本领域技术人员将根据所附权利要求的描述清楚地理解上面未描述的附加的其他效果。

附图说明

图1是常规的果冻卷电极组件的立体图；

图2的a和图2的b是以放大的方式示出了图1的部段“U”的局部视图；

图3是根据本公开的实施方式的电极组件的立体图；

图4是示出了在图3的电极组件卷绕之前的状态的分解立体图；

图5是以放大的方式示出了图3的部段“V”的局部视图；

图6是以放大的方式示出了图4的部段“W”的局部视图；

图7是用于说明根据本公开的另一实施方式的第一部分至第三部分的局部视图；以及

图8是用于说明形成根据本公开的实施方式的第一电极的第一部分的方法的示意图。

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方式，使得本领域技术人员可以容易地实现各种实施方式。本公开可以以各种不同的方式进行修改，并且不限于本文中所阐述的实施方式。

为了清楚起见，本文将省略与描述无关的部分的描述，并且在整个描述中，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，任意图示了每个元件的尺寸和厚度，并且本公开不必限于附图中图示的那些尺寸和厚度。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。

另外，应当理解的是，当元件比如层、膜、区域或板被称为在另一元件“上”或“上方”时，该元件可以直接在另一元件上或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“上”时，这意味着不存在其他中间元件。此外，词语“在……上”或“在……上方”意味着设置在参照部分上或下方，并且不一定意味着设置在参照部分的朝向重力的相反方向的上端部上。

此外，在整个描述中，当一部分被称为“包括”某个部件时，这意味着该部分还可以包括其他部件，而不排除其他部件，除非另有说明。

此外，在整个描述中，当称为“平面”时，这意味着当从上侧观察目标部分时，并且当称为“横截面”时，这意味着当从横截面竖向切割的侧面观察目标部分时。

图3是根据本公开的实施方式的电极组件的立体图，并且图4是示出了在图3的电极组件卷绕之前的状态的分解立体图。

参照图3和图4，根据本公开的一个实施方式的电极组件包括第一电极100、第二电极200以及插置在第一电极100与第二电极200之间的分隔件300，其中，第一电极100、第二电极200和分隔件300卷绕在一起以形成果冻卷结构。为了防止第一电极100和第二电极200在形成果冻卷结构时彼此接触，优选的是，分隔件300另外设置在第二电极200的下方。

第一电极100可以包括由薄金属板制成的电极集流体120和形成在电极集流体120上的活性材料层130。可以通过将电极活性材料施加到电极集流体120上而形成活性材料层130。此外，在暴露电极集流体120的一部分而不施加活性材料之后，可以接合第一电极接片110。

类似地，第二电极200可以包括由薄金属板制成的电极集流体220和形成在电极集流体220上的活性材料层230。这种活性材料层230可以通过将电极活性材料施加到电极集流体220上而形成。此外，在暴露电极集流体220的一部分而不施加活性材料之后，可以接合第二电极接片210。

第一电极接片110和第二电极接片210可以相对于果冻卷结构的电极组件沿彼此相反的方向突出。

另一方面，第一电极100可以是通过将正极活性材料施加到电极集流体120上而形成的正极，并且第二电极200可以是通过将负活性材料施加到电极集流体220上而形成的负极。

接下来，将参照图5和图6描述包括在第一电极中的第一部分和第二部分。

图5是以放大的方式示出了图3的部段“V”的局部视图。图6是以放大的方式示出了图4的部段“W”的局部视图。具体地，在图5中，为了便于说明，已经省略了插置在第一电极100与第二电极200之间的分隔件300的图示。

参照图5和图6，基于果冻卷结构，根据本实施方式的第一电极100包括第一部分100a和第二部分100b，第一部分100a包括第一电极100的最内边缘100E，第二部分100b从第一部分100a延伸，并且第一部分100a的厚度d1比第二部分100b的厚度d2薄。此外，基于果冻卷结构，第二电极200的最内边缘200E可以定位成比第一电极100的最内边缘100E更靠近果冻卷结构的中央部分C。

在此，当从上方观察果冻卷结构时，果冻卷结构的中央部分(C)是圆形结构的中心部分，并且是指与卷绕开始的部分相对应的虚拟区域。此外，第一电极100的最内边缘100E和第二电极200的最内边缘200E表示在第一电极100和第二电极200处首先开始卷绕的一侧上的边缘。

具体地，在果冻卷结构的中央部分C中，第二电极200可以卷绕成从第一电极100延伸。也就是说，在第二电极200和分隔件300首先卷绕至一定程度之后，第一电极100可以被插入并卷绕在一起。如上所述，第一电极100和第二电极200可以分别是正极和负极。然而，在锂离子电池的化学反应中，由于负极必须从正极接收锂离子，因此优选的是，负极被设计成在长度和宽度上比正极宽。如果正极的长度或宽度形成得更宽，则用于接收锂离子的空间变得不足，并且因此充电和放电不能顺利地进行，并且可能增加爆炸的风险。因此，优选的是，在果冻卷电极组件的卷绕开始的中央部分C处，作为负极的第二电极200比作为正极的第一电极100更早卷绕。在一个示例中，在第二电极200比第一电极100更早地卷绕大约一次至两次之后，第一电极100可以插置在第二电极200之间。由此，如上所述，基于果冻卷结构，第二电极200的最内边缘200E定位成比第一电极100的最内边缘100E更靠近果冻卷结构的中央部分C。此外，尽管在图中未具体示出，但是作为负极的第二电极200可以延伸和形成为充分覆盖作为正极的第一电极100，甚至在果冻卷电极组件的卷绕结束的外周表面上也是如此。

在参照图2a和图2b描述的常规电极组件的情况下，由于在正极10的起始点处插入正极10，形成了台阶结构，因此应力集中在台阶结构上，这可能最终引起诸如裂纹、断开或短路的问题。特别地，在重复的充电/放电循环之后，由于形成在负极20的表面上的锂沉淀物P，短路结构可能变大。因此，根据充电/放电的进程，上述问题可能变得更严重。

另一方面，根据本实施方式的电极组件可以通过将包括第一电极100的最内边缘100E的第一部分100a的厚度d1形成为比第二部分100b的厚度d2薄而使由台阶结构引起的问题最小化。换句话说，通过设置第一部分100a，可以减小第一电极的起始点、即从最内侧卷绕的部分的厚度的变化。由此，可以减小由于台阶结构导致的弯曲应力，使得可以防止裂纹、断开、短路等的发生。更具体地，在最内边缘100E之前的区域S1中，即，在插入第一电极100之前，第一电极100仅位于第二电极200的一个表面上，并且来自第一电极100的充电和放电仅在第二电极200的一个表面上执行。另一方面，在插入第一电极100之后的区域S2中，第一电极100位于第二电极200的两个表面上，由此，来自第一电极100的充电和放电在第二电极200的两个表面上执行。因此，第一电极100的最内边缘100E可以被视为在一侧充电/放电的区域与在两侧充电/放电的区域之间的边界，使得台阶基于该边界变得更深，并且应力可以最大化。根据本实施方式的第一部分100a被设计成在厚度上变薄，并且尝试最大限度地减小这种台阶结构和由该结构引起的上述问题。

此外，经由第一部分100a使由于充电/放电循环的重复而导致的第二电极200的收缩和膨胀的程度减小，并且因此可以进一步减小发生裂纹或断开的可能性。如上所述，第二电极200可以是负极，并且上述效果在应用于负极中具有大量SiO的高容量电池时可以更显著。

同时，第一部分可以在果冻卷结构中卷绕0.5次以上且1.5次以下。当第一部分100a卷绕为少于0.5次时，由第一电极100引起的台阶结构不能适当地松弛，这对于减小应力是没有效的。此外，当第一部分100a卷绕为多于1.5次时，第一部分100a的区域可能比需要的更多地形成，这可能导致电池容量和输出不好的问题。在图5中，作为示例，示出了第一部分100a卷绕一次的状态。

同时，第一部分100a的厚度d1可以是第二部分100b的厚度d2的0.4倍以上且0.8倍以下。当第一部分100a的厚度d1小于第二部分100b的厚度d2的0.4倍时，在第一部分100a与第二部分100b之间反而形成台阶结构，这是不优选的。此外，当第一部分100a的厚度d1大于第二部分100b的厚度d2的0.8倍时，可能难以使由插置的第一电极100的最内边缘100E形成的台阶结构适当地松弛。

参照回图6，第一电极100可以包括如上所述的电极集流体120和活性材料层130。此时，第一部分100a的电极集流体120a的厚度d11可以比第二部分100b的电极集流体120b的厚度d21薄。此外，第一部分100a的活性材料层130a的厚度d12可以比第二部分100b的活性材料层130b的厚度d22薄。也就是说，当将第一部分100a的厚度形成为比第二部分100b的厚度薄时，可以在电极集流体120a与120b之间形成厚度差，或者在活性材料层130a与130b之间形成厚度差。当然，也可以在电极集流体120a与120b之间以及在活性材料层130a与130b之间均形成有厚度差。形成这种厚度差的方法不受特别限制，但是可以使用利用辊压机进行间距调节。下面将与图8一起再次描述这一点。

同时，第一部分100a的活性材料层130a的每单位面积的电极活性材料的施加量可以比第二部分100b的活性材料层130b的每单位面积的电极活性材料的施加量小。在此，每单位面积的电极活性材料的施加量表示相对于电极集流体120a和120b的施加有电极活性材料的表面(平行于xy平面的表面)的面积施加的电极活性材料的量。根据本实施方式，当在活性材料层130a与130b之间形成厚度差时，可能导致所施加的活性材料的量存在差异。换句话说，第一部分100a中的电极活性材料的负载量可以设定为小于第二部分100b中的电极活性材料的负载量。因此，不仅第一部分100a的活性材料层130a的厚度d12可以形成为比第二部分100b的活性材料层130b的厚度d22薄，而且当第二电极200是负极时，负载量小，使得可以减小在具有大曲率的负极上的锂沉淀物的可能性。因此，可以更有效地使上述台阶结构松弛。

接下来，将参照图7详细描述根据本公开的另一实施方式的第三部分。

图7是用于说明根据本公开的另一实施方式的第一部分至第三部分的局部视图。详细地说，其是对应于图6的部分的局部视图。

参照图7，根据本实施方式的第一电极100还包括位于第一部分100a与第二部分100b之间的第三部分100c，并且第三部分100c的厚度可以随着从第二部分100b朝向第一部分100a行进而逐渐减小。

根据本实施方式，通过设置形成平滑表面并且厚度逐渐减小的第三部分100c，可以消除突然的厚度偏差，由此可以进一步减小第一电极100开始卷绕的部分处的台阶。此外，根据本实施方式，第一部分100a的面积减小并且第三部分100c的面积变得更宽，由此可以显著减少台阶结构和由台阶结构产生的果冻卷结构中的空的空间。

图8是用于说明形成根据本公开的实施方式的第一电极的第一部分的方法的示意图。

参照图8，当第一电极100在分别位于第一电极100上方和下方的第一辊R1与第二辊R2之间通过时，调节在第一辊R1与第二辊R2之间的距离，使得可以在第一电极100上设置第一部分100a。

具体地，当挤压第一部分100a时第一辊R1与第二辊R2之间的距离可以设定为比当挤压第二部分100b时第一辊R1与第二辊R2之间的距离窄。另外，第一辊R1与第二辊R2之间的距离设定为逐渐变窄，使得图7中示出的第三部分100c可以形成在第一部分100a与第二部分100b之间。如果调节第一辊R1与第二辊R2之间的距离，则运动对象不受特别限制。换句话说，除了使第一辊R1和第二辊R2在沿着第一电极100的左右方向上移动之外，第一电极100相对于固定的第一辊R1和第二辊R2在左右方向上移动的方法也是可能的。

尽管本文使用了表示方向的术语比如前、后、左、右、上和下方向，但是对于本领域技术人员而言明显的是，这些仅仅是为了便于说明而表示的，并且可以根据观察者的位置、物体的位置等而不同。

上述根据本实施方式的电极组件可以与电解液一起容纳在电池盒中以形成二次电池，并且该二次电池可以应用于各种装置。这种装置可以应用于诸如电动自行车、电动车辆或混合动力车辆之类的车辆装置，但是本公开不限于此，并且可以应用于使用二次电池的各种装置。

尽管上面已经详细描述了本公开的优选实施方式，但本公开的范围不限于此，并且由本领域技术人员使用在所附权利要求中定义的本公开的基本构思而做出的各种修改和改进也属于本公开的范围。

附图标记列表

100：第一电极

200：第二电极

100a：第一部分

100b：第二部分

100c：第三部分

Claims (10)

1.一种电极组件，包括：

第一电极；

第二电极；以及

分隔件，所述分隔件插置在所述第一电极与所述第二电极之间，

其中，所述第一电极、所述第二电极和所述分隔件卷绕在一起以形成果冻卷结构，

其特征在于，基于所述果冻卷结构，所述第一电极包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括所述第一电极的最内边缘，所述第二部分从所述第一部分延伸，

所述第一部分的厚度比所述第二部分的厚度薄，并且

基于所述果冻卷结构，所述第二电极的最内边缘定位成比所述第一电极的最内边缘更靠近所述果冻卷结构的中心部分。

2.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于：

在所述果冻卷结构的所述中心部分中，所述第二电极卷绕成从所述第一电极延伸。

3.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于：

所述第一电极是正极，并且所述第二电极是负极。

4.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于：

所述第一部分在所述果冻卷结构中卷绕0.5次以上且1.5次以下。

5.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于：

所述第一部分的厚度是所述第二部分的厚度的0.4倍以上且0.8倍以下。

6.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于：

所述第一电极还包括位于所述第一部分与所述第二部分之间的第三部分，并且

所述第三部分的厚度随着从所述第二部分朝向所述第一部分行进而逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于：

所述第一电极的所述第一部分和所述第二部分中的每一者包括电极集流体和形成在所述电极集流体上的活性材料层。

8.根据权利要求7所述的电极组件，其特征在于：

所述第一部分的电极集流体的厚度比所述第二部分的电极集流体的厚度薄。

9.根据权利要求7所述的电极组件，其特征在于：

所述活性材料层通过将电极活性材料施加到所述电极集流体上而形成，并且

所述第一部分的活性材料层的每单位面积的电极活性材料的施加量比所述第二部分的活性材料层的每单位面积的电极活性材料的施加量小。

10.一种二次电池，其特征在于，所述二次电池包括根据权利要求1至9中的任一项所述的电极组件。