DE102023107998A1

DE102023107998A1 - Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE102023107998A1
Application number: DE102023107998.0A
Authority: DE
Inventors: Kyung Tae Park
Original assignee: SK On Co Ltd
Current assignee: SK On Co Ltd
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2023-03-29
Publication date: 2023-10-05
Also published as: KR20230141140A; US20230318095A1

Abstract

Eine Sekundärbatterie umfasst eine Elektrodenanordnung, einen Beutel, der die Elektrodenanordnung aufnimmt, und ein Isolierelement, das auf einer Innenfläche des Beutels ausgebildet ist. Eine Innenseite des Beutels enthält einen Aufnahmeabschnitt zum Einsetzen der Elektrodenanordnung und Umfangsabschnitte um den Aufnahmeabschnitt herum. Mindestens einer der Umfangsabschnitte hat eine abdichtende Oberfläche und eine nicht abdichtende Oberfläche. Das Isolierelement ist auf der nicht abdichtenden Oberfläche und nicht auf der abdichtenden Oberfläche ausgebildet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2022-0040294 , die am 31. März 2022 beim koreanischen Amt für geistiges Eigentum (KIPO) eingereicht wurde.
HINTERGRUND
1. Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sekundärbatterie. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Sekundärbatterie mit einer Elektrodenanordnung und einem Beutel.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Sekundärbatterie, die wiederholt geladen und entladen werden kann, ist als Energiequelle für ein mobiles elektronisches Gerät, wie z. B. einen Camcorder, ein Mobiltelefon, einen Laptop-Computer usw., entsprechend den Entwicklungen in der Informations- und Anzeigetechnologie weit verbreitet. In jüngster Zeit wird eine Batteriepackung, die die Sekundärbatterie enthält, entwickelt und als umweltfreundliche Energiequelle eines Elektroautos, eines Hybridfahrzeugs usw. eingesetzt.
Beispiele für die Sekundärbatterie sind eine Lithium-Sekundärbatterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie, usw. Die Lithium-Sekundärbatterie wird aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung und Energiedichte pro Gewichtseinheit, ihrer hohen Laderate, ihrer kompakten Abmessungen usw. häufig entwickelt und eingesetzt.
Die Sekundärbatterie kann beispielsweise eine Elektrodenanordnung mit einer Kathode, einer Anode und einer Trennschicht (Separator) sowie einen Elektrolyten, in den die Elektrodenanordnung eintaucht, umfassen. Die Sekundärbatterie kann ferner ein äußeres Gehäuse umfassen, das z. B. die Form eines Beutels hat, um die Elektrodenanordnung und den Elektrolyten aufzunehmen.
Das äußere Gehäuse umfasst eine Substratschicht zum Abdichten nach der Aufnahme der Elektrodenanordnung, eine Metallschicht, eine Klebstoffschicht zum Verbinden der Substratschicht und der Metallschicht usw.
Da sich beispielsweise der Anwendungsbereich von Lithium-Sekundärbatterien erweitert, wird der Nickelgehalt eines Kathodenaktivmaterials erhöht, um die Hochkapazität-Eigenschaften zu verbessern. Wenn der Nickelgehalt erhöht wird, kann Gasbildung an der Innenseite des Beutels erhöht werden und ein Innendruck steigt bei hoher Temperatur. Dementsprechend kann eine Dichtung des Beutels delaminiert oder beschädigt werden.
Daher kann eine verbesserte Versiegelung des Beutels erforderlich sein, um die Hochtemperaturstabilität der Batterie zu gewährleisten. Wenn jedoch eine Versiegelungstemperatur oder eine Versiegelungszeit erhöht wird, um eine erhöhte Versiegelungsfestigkeit des Beutels zu erreichen, kann die Substratschicht des Beutels in einem anderen Bereich als dem Versiegelungsbereich geschmolzen werden, und es kann zu einer Punktschweißung im Beutel kommen. Außerdem kann eine Instabilität der Batterie durch ein Auslaufen des Elektrolyten und Korrosion verursacht werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Sekundärbatterie mit verbesserter Stabilität und Druckbeständigkeit bereitgestellt.
Eine Sekundärbatterie umfasst eine Elektrodenanordnung, einen Beutel, der die Elektrodenanordnung aufnimmt, und ein Isolierelement, das auf einer Innenfläche des Beutels ausgebildet ist. Eine Innenseite des Beutels enthält einen Aufnahmeabschnitt, um die Elektrodenanordnung einzusetzen, und Umfangsabschnitte um den Aufnahmeabschnitt herum. Mindestens einer der Umfangsabschnitte weist eine abdichtende Oberfläche und eine nicht abdichtende Oberfläche auf, und das Isolierelement ist auf der nicht abdichtenden Oberfläche und nicht auf der abdichtenden Oberfläche ausgebildet.
In einigen Ausführungsformen kann das Isolierelement innerhalb von 10 mm von einer Grenze zwischen der abdichtenden Oberfläche und der nicht abdichtenden Oberfläche ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Isolierelement innerhalb von 0,1 mm bis 5 mm von einer Grenze zwischen der abdichtenden Oberfläche und der nicht abdichtenden Oberfläche ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein Elektrodenstreifen mit der Elektrodenanordnung verbunden sein und an den Umfangsabschnitt des Beutels gezogen sein. Die Umfangsabschnitte können einen Streifenziehabschnitt, durch den der Elektrodenstreifen herausgezogen sein kann, und einen seitlichen Umfangsabschnitt, aus dem der Elektrodenstreifen nicht herausgezogen sein kann, umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das Isolierelement auf mindestens einem Abschnitt einer Innenfläche des Streifenziehabschnitts und einer Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen kann der Streifenziehabschnitt an der oberen und unteren Seite des Beutels ausgebildet sein, und der seitliche Umfangsabschnitt kann mit der oberen und unteren Seite verbunden sein.
In einigen Ausführungsformen kann der Streifenziehabschnitt an einer Oberseite oder einer Unterseite des Beutels ausgebildet sein, und der seitliche Umfangsabschnitt kann mit der Oberseite oder der Unterseite verbunden sein.
In einigen Ausführungsformen kann der Aufnahmeabschnitt einen ersten Aufnahmeabschnitt und einen zweiten Aufnahmeabschnitt umfassen, die einander gegenüberliegen, und die Umfangsabschnitte können ferner einen Faltabschnitt umfassen, der den ersten Aufnahmeabschnitt und den zweiten Aufnahmeabschnitt trennt.
In einigen Ausführungsformen kann das Isolierelement nicht auf einer Innenfläche des Faltabschnitts ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Isolierelement ein Isolierband umfassen, das mindestens eines aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polyacetylen, Polytetrafluorethylen, Nylon, Polyimid, Polyethylenterephthalat, Polypropylen und chloriertem Polypropylen enthält.
In einigen Ausführungsformen kann der Beutel eine laminierte Struktur aufweisen, die eine Dichtungsschicht, eine Metallschicht und eine Überzugsschicht umfasst.
In einigen Ausführungsformen kann die Dichtungsschicht ein Harz auf Polyolefinbasis, die Metallschicht Aluminium und die Überzugsschicht Nylon enthalten.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Isolierelement auf einer nicht abdichtenden Oberfläche eines Umfangsabschnitts eines Beutels für eine Sekundärbatterie gebildet, um ein Punktschweißen des Beutels zu verhindern, das bei einem Abdichtungsprozess während der Herstellung einer Batterie auftreten kann. Die Punktschweißung kann unterdrückt werden, so dass die Abdichtungsbedingungen weiter verstärkt werden können und somit die Druckbeständigkeit des Beutels verbessert werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist das Isolierelement auf der nicht dichtenden Oberfläche des Umfangsabschnitts des Beutels ausgebildet, so dass das Punktschweißen im Abdichtungsprozess ohne zusätzliche Einführung oder Änderung eines Werkzeugs oder einer Ausrüstung wirksam verhindert werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Draufsicht, die eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigt.
2 ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht, die einen Umfangsabschnitt einer Sekundärbatterietasche gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigt.
3 ist eine schematische Draufsicht, die eine Sekundärbatterie in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen darstellt.
4 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie I-I' von 3.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur eines Beutels einer Sekundärbatterie in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine schematische Draufsicht, die eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigt. Zur Vereinfachung der Beschreibungen ist in 1 ein Beutel 100 in einem ungefalteten Zustand dargestellt.
Eine Innenfläche (eine Innenfläche in einem gefalteten Zustand) des Beutels 100 kann einen Aufnahmeabschnitt 130 zum Einsetzen oder Aufnehmen einer Elektrodenanordnung 200 und einen Umfangsabschnitt 150 um den Aufnahmeabschnitt 130 herum umfassen. Der Umfangsabschnitt 150 kann eine abdichtende Oberfläche 151 und eine nicht abdichtende Oberfläche 153 aufweisen.
Die abdichtende Oberfläche 151 bezieht sich auf eine Fläche, die durch einen Kontakt/Pressung einer Dichtungsvorrichtung („sealing jig“) in einem Abdichtungsprozess während einer Batterieherstellung abgedichtet werden soll. Die nicht abdichtende Oberfläche 153 bezieht sich auf einen Teil, den die Dichtungsvorrichtung bei dem Abdichtungsvorgang nicht berührt/drückt. Wie später beschrieben wird, kann die nicht abdichtende Oberfläche 153 einen Bereich umfassen, in dem das isolierende Element 170 gebildet werden kann.
In einer Ausführungsform bezieht sich der Umfangsabschnitt 150 auf einen Bereich, der den Aufnahmeabschnitt 130 zum Einsetzen oder Aufnehmen der Elektrodenanordnung 200 umgibt. Der Umfangsabschnitt 150 kann einen Streifenziehabschnitt 155 umfassen, der in einem Bereich ausgebildet ist, in dem die Elektrodenstreifen 270 und 275 herausgezogen sind, und einen seitlichen Umfangsabschnitt 157, der in einem Bereich ausgebildet ist, in dem die Elektrodenstreifen 270 und 275 nicht herausgezogen sind.
Beispielsweise können der erste Elektrodenstreifen 270 und der zweite Elektrodenstreifen 275 an beiden Seiten, d.h. an der Ober- und Unterseite der Elektrodenanordnung 200 in einer Draufsicht von 1, ausgebildet sein. Der erste Elektrodenstreifen 270 und der zweite Elektrodenstreifen 275 können durch die an der Ober- und Unterseite des Beutels 100 ausgebildeten Streifenziehabschnitte 155 nach außen ragen.
In einer Ausführungsform können sowohl der erste Elektrodenstreifen 270 als auch der zweite Elektrodenstreifen 275 an einer Seite (der Oberseite oder der Unterseite) der Elektrodenanordnung 200 ausgebildet sein, und der erste Elektrodenstreifen 270 und der zweite Elektrodenstreifen 275 können durch den an der Oberseite oder der Unterseite des Beutels 100 ausgebildeten Streifenziehabschnitt 155 nach außen ragen.
In einer Ausführungsform kann der Aufnahmeabschnitt 130 eine Ausnehmungsform aufweisen, die eigepresst oder konkav bis zu einer vorbestimmten Tiefe von dem Umfangsabschnitt 130 ist. Die Elektrodenanordnung 200 kann in dem Aufnahmeabschnitt 130 angeordnet werden. Die Größe und Form des Aufnahmeabschnitts 130 kann entsprechend der Größe und Form der Elektrodenanordnung 200 angepasst werden.
Der Aufnahmeabschnitt 130 kann durch einen Faltabschnitt 159 in einen ersten Aufnahmeabschnitt 131 und einen zweiten Aufnahmeabschnitt 133 unterteilt werden. Der erste Aufnahmeabschnitt 131 kann einen unteren Abschnitt der Elektrodenanordnung 200 aufnehmen, und der zweite Aufnahmeabschnitt 133 kann einen oberen Abschnitt der Elektrodenanordnung 200 abdecken. In einigen Ausführungsformen kann der untere Abschnitt der Elektrodenanordnung 200 in den zweiten Aufnahmeabschnitt 133 eingesetzt werden, und der erste Aufnahmeabschnitt 131 kann den oberen Abschnitt der Elektrodenanordnung 200 abdecken.
Eine Struktur und eine Form des Faltabschnitts 159 sind nicht besonders begrenzt und können einen Vorsprung umfassen oder eine flache Form aufweisen.
Die Elektrodenanordnung 200 kann entweder in dem ersten Aufnahmeabschnitt 131 oder dem zweiten Aufnahmeabschnitt 133 eingesetzt sein, und der andere von dem ersten Aufnahmeabschnitts 131 oder dem zweiten Aufnahmeabschnitts 133 kann entlang des Faltabschnitts 159 gefaltet sein. Dementsprechend kann die Elektrodenanordnung 200 von dem Beutel 100 umgeben oder umhüllt sein.
In diesem Fall können der erste Aufnahmeabschnitt 131 und der zweite Aufnahmeabschnitt 133 einander zugewandt sein bzw. gegenüberliegen, und der Umfangsabschnitt des ersten Aufnahmeabschnitts 110 und der Umfangsabschnitt des zweiten Aufnahmeabschnitts 133 können ebenfalls einander zugewandt sein bzw. gegenüberliegen und einander berühren.
Entlang der Kanten der einander zugewandten und sich berührenden Umfangsabschnitte kann unter Verwendung einer Dichtungsvorrichtung („sealing jig“) eine Kompression oder Verschmelzung durchgeführt werden, um die abdichtende Oberfläche 151 zu bilden. Die nicht abdichtende Fläche 153 kann entlang der Innenseiten der abdichtenden Oberfläche 151 gebildet werden. Die nicht abdichtende Oberfläche 151 kann ein Bereich sein, der nicht direkt durch die Dichtungsvorrichtung komprimiert oder verschmolzen wird.
In einer Ausführungsform kann das Isolierelement 170 auf der nicht abdichtenden Oberfläche 153 ausgebildet sein, und das Isolierelement kann auf der abdichtenden Oberfläche 151 nicht ausgebildet sein.
Beispielsweise kann das Isolierelement 170 durch Anbringen eines Isolierbandes gebildet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Isolierband auf der nicht abdichtenden Oberfläche 153 angebracht werden, bevor es durch die Dichtungsvorrichtung gepresst wird, um das Isolierelement 170 zu bilden. Danach kann die Verpressung oder Verschmelzung auf der abdichtenden Oberfläche 151 unter Verwendung der Dichtungsvorrichtung durchgeführt werden, so dass die Elektrodenanordnung 200 im Inneren des Beutels versiegelt werden kann. Die Elektrodenstreifen 270 und 275 können abgedichtet werden, während sie aus dem Umfangsabschnitt 150 nach außen herausragen.
Das Abdichten kann durchgeführt werden, nachdem das Isolierband an der nicht abdichtenden Oberfläche 153 angebracht wurde, und somit kann eine Wärmeausbreitung in einen anderen Bereich als die abdichtenden Oberfläche 151 verhindert werden. Dementsprechend kann das Punktschweißen des Beutels an einer unerwünschten Stelle verhindert werden. Auf diese Weise kann das Risiko des Punktschweißens vermieden oder reduziert werden, so dass die Abdichtungsbedingungen weiter verstärkt werden können und die Druckbeständigkeit des Beutels verbessert werden kann.
In einer Ausführungsform kann das Isolierelement 170 auf einer Innenfläche des Streifenziehabschnitts 155 ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann das Isolierelement 170 auf einer Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts 157 ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann das Isolierelement 170 entlang des Streifenziehabschnitts 155 und des seitlichen Umfangsabschnittes 157 und vollständig entlang des Umfangsabschnittes 150 ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Isolierelement 170 auf dem Faltabschnitt 159 nicht ausgebildet sein.
Beispielsweise kann die abdichtende Oberfläche 151 an einer Kante des Streifenziehabschnitts 155 ausgebildet sein, und das Isolierelement 170 kann an der nicht abdichtenden Oberfläche 153 der Innenfläche des Streifenziehabschnitts 155 ausgebildet sein.
Die abdichtende Oberfläche 151 kann beispielsweise an einer Kante des seitlichen Umfangsabschnitts 157 ausgebildet sein, und das Isolierelement 170 kann auf der nicht abdichtenden Oberfläche 153 der Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts 157 ausgebildet sein.
Zum Beispiel kann die abdichtende Oberfläche 151 an den Kanten des Streifenziehabschnitts 155 und des seitlichen Umfangsabschnitts 157 ausgebildet sein, und das Isolierelement 170 kann auf der nicht abdichtenden Oberfläche 153 der Innenflächen ausgebildet sein, die in dem Streifenziehabschnitt 155 und dem seitlichen Umfangsabschnitt 157 enthalten sind.
Eine Außenseite oder die abdichtende Oberfläche des Umfangsabschnitts 150 kommt nicht mit dem Elektrolyt in Berührung, auch wenn das Punktschweißen in dem Beutel auftritt. Daher können die vorteilhaften Wirkungen des Isolierbandes/der Isolierbeschichtung an der Außenseite oder der abdichtenden Oberfläche nicht zum Tragen kommen, auch wenn das Punktschweißen des Beutels auftritt.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in 1 dargestellt, kann jedoch das Punktschweißen des Beutels verhindert werden, indem das Isolierelement 170 auf der Innenseite der abdichtenden Oberfläche ausgebildet und der Beutel dann versiegelt wird.
Daher kann die Korrosion einer Metallschicht (z. B. einer Aluminiumschicht) in dem Beutel, die durch einen direkten Kontakt mit einer Elektrolytlösung aufgrund des Punktschweißens verursacht wird, verhindert werden. Außerdem kann eine Verringerung des Isolationswiderstandes des Beutels durch die Elektrolytlösung verhindert werden. Außerdem kann das Risiko des Punktschweißens vermieden oder reduziert werden, so dass die Abdichtungsbedingungen weiter verbessert werden können. Dadurch kann auch die Druckbeständigkeit des Beutels verbessert werden. Daher kann das Punktschweißen des Beutels im Abdichtungsprozess wirksam unterdrückt werden, ohne dass ein neuer Mechanismus bzw. eine neue Ausrüstung eingeführt oder modifiziert werden muss.
2 ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht, die einen Umfangsabschnitt eines Sekundärbatteriebeutels gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigt.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der Umfangsabschnitt 150 des Beutels 100, wie oben beschrieben, eine abdichtende Oberfläche 151 und eine nicht abdichtende Oberfläche 153 umfassen, und das Isolierelement 170 kann auf der nicht abdichtenden Oberfläche 153 ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform kann das Isolierelement 170 innerhalb von 10 mm von einer Grenze zwischen der abdichtenden Oberfläche 151 und der nicht abdichtenden Oberfläche 153, vorzugsweise innerhalb von 0,1 mm bis 5 mm, ausgebildet sein. In diesem Fall kann während des Abdichtungsprozesses, bei dem hohe Temperaturen und hoher Druck auf die Endabschnitte des Beutels bei der Herstellung der Batterie aufgebracht werden, die durch eine Wärmeausbreitung verursachte Verschmelzung des Beutels verhindert werden. Dementsprechend können die Bedingungen des Abdichtungsprozesses verstärkt werden, ohne dass es zu einer Punktschweißung kommt. Daher kann die Verringerung des Isolationswiderstands verhindert werden, und eine Verschlechterung, Verfärbung, Korrosion, Zersetzung usw. des Beutels aufgrund eines Elektrolytaustritts kann ebenfalls verhindert werden.
Ein Trennungsabstand zwischen dem Isolierelement 170 und der abdichtenden Oberfläche 151 wird als D angegeben. Der Trennungsabstand D bezieht sich auf einen Abstand zwischen dem Isolierelement 170 und einer Grenzlinie der abdichtenden Oberfläche 151 und der nicht abdichtenden Oberfläche 153.
In einigen Ausführungsformen kann der Trennungsabstand D 3 mm oder weniger betragen, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm. Innerhalb dieses Bereichs kann die oben erwähnte Verschmelzung des Beutels effektiver verhindert werden.
Das Isolierelement 170 kann aus einem Material gebildet sein, das eine hohe Isolations- und Wärmebeständigkeit aufweist und nicht durch eine Elektrolytlösung umgewandelt werden kann. Außerdem kann das Isolierelement 170 aus einem Material bestehen, das auch dann nicht geschmolzen werden kann, wenn beim Abdichtungsprozess hohe Temperaturen und hoher Druck angewendet werden.
Zum Beispiel kann das Isolierelement 170 als Isolierband bereitgestellt werden, und das Isolierband kann z.B. Polyethylen (PE), Polyacetylen (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Nylon, Polyimid (PI), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), chloriertes Polypropylen (CPP) usw. umfassen.
Die Breite des Isolierelements 170 kann in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 1 mm bis 6 mm, liegen. In dem oben genannten Bereich kann die Punktschweißung, die durch das Schmelzen einer in dem Beutel enthaltenen Schicht verursacht wird, wenn sich die Wärme während des Abdichtungsprozesses auf einen anderen Bereich als die abdichtende Oberfläche ausbreitet, effektiver unterdrückt werden.
3 ist eine schematische Draufsicht, die eine Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigt. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie I-I' von 3.
Gemäß 4 kann die Elektrodenanordnung 200 eine Kathode 230, eine Anode 240 und eine zwischen der Kathode 230 und der Anode 240 angeordnete Trennschicht 250 umfassen.
Die Kathode 230 kann einen Kathodenstromkollektor 210 und eine Schicht aus kathodenaktivem Material 215 umfassen, die durch Auftragen der Schicht aus kathodenaktivem Material auf den Kathodenstromkollektor gebildet wird. Das kathodenaktive Material kann eine Verbindung enthalten, die Lithiumionen reversibel interkalieren und de-interkalieren kann.
Die Kathode 230 kann durch Auftragen einer Kathodenaufschlämmung auf den Kathodenstromkollektor 210 und anschließendes Trocknen und Pressen der Kathodenaufschlämmung hergestellt werden. Die Kathodenaufschlämmung kann durch Mischen und Rühren des kathodenaktiven Materials mit einem Bindemittel, einem leitfähigen Material und/oder einem Dispersionsmittel in einem Lösungsmittel hergestellt werden.
Der Kathodenstromkollektor 210 kann ein metallisches Material enthalten, das innerhalb eines Lade-/Entladespannungsbereichs der Lithium-Sekundärbatterie 10 keine Reaktivität aufweist und eine verbesserte Haftung an dem kathodenaktiven Material besitzt. Der Kathodenstromkollektor 210 kann z.B. aus Edelstahl, Nickel, Aluminium, Titan, Kupfer oder einer Legierung davon bestehen und kann vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthalten.
Das kathodenaktive Material kann Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel enthalten. Die Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel enthalten beispielsweise Nickel (Ni) und können außerdem mindestens eines von Kobalt (Co) und Mangan (Mn) enthalten.
Das Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel kann durch die folgende chemische Formel 1 dargestellt werden, und die Sekundärbatterie kann eine Lithium-Sekundärbatterie sein. Li_1+aNi_1-(x+y)Co_xM_yO₂ [Chemische Formel 1]
In Formel 1 gilt -0,05≤a≤0,2, 0,01≤x≤0,3, 0,01≤y≤0,3, und M umfasst mindestens ein Element, ausgewählt aus Mn, Al, Mg, Sr, Ba, B, Si, Ti, Ta, Zr und W.
Vorzugsweise gilt in der chemischen Formel 1 0,05≤a≤0,2, 0,01≤x≤0,2 und 0,01≤y≤0,2, und M kann mindestens eines, ausgewählt aus Mn und Al, enthalten.
Das Bindemittel kann ein organisches Bindemittel wie ein Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVDF-co-HFP), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril, Polymethylmethacrylat usw. oder ein wässriges Bindemittel wie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) umfassen, das mit einem Verdickungsmittel wie Carboxymethylcellulose (CMC) verwendet werden kann.
Als Kathodenbindemittel kann zum Beispiel ein Bindemittel auf PVDF-Basis verwendet werden. In diesem Fall kann die Menge des Bindemittels zur Bildung der Schicht aus kathodenaktivem Material reduziert und die Menge des kathodenaktiven Materials relativ erhöht werden. Dadurch können Kapazität und Leistung der Sekundärbatterie weiter verbessert werden.
Das leitfähige Material kann hinzugefügt werden, um die Elektronenmobilität zwischen aktiven Materialpartikeln zu erleichtern. Das leitfähige Material kann beispielsweise ein Material auf Kohlenstoffbasis wie Graphit, Ruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren usw. und/oder ein Material auf Metallbasis wie Zinn, Zinnoxid, Titanoxid, ein Perowskitmaterial wie LaSrCoO₃ oder LaSrMnO₃ usw. umfassen.
Die Anode 240 kann einen Anodenstromkollektor 220 und eine Schicht aus anodenaktivem Material 225 umfassen, die durch Auftragen eines anodenaktiven Materials auf eine Oberfläche des Anodenstromkollektors 220 gebildet wird.
Das anodenaktive Material kann ein im Stand der Technik übliches Material umfassen, das in der Lage sein kann, Lithiumionen zu adsorbieren und auszustoßen. Zum Beispiel ein Material auf Kohlenstoffbasis wie kristalliner Kohlenstoff, amorpher Kohlenstoff, ein Kohlenstoffkomplex oder eine Kohlenstofffaser, eine Lithiumlegierung, ein Material auf Siliziumbasis usw.
Der amorphe Kohlenstoff kann einen harten Kohlenstoff, Koks, ein Mesokohlenstoff-Mikrokügelchen (MCMB), eine Kohlenstofffaser auf Mesophasenpechbasis (MPCF) usw. umfassen.
Der kristalline Kohlenstoff kann ein Material auf Graphitbasis wie Naturgraphit, graphitierter Koks, graphitiertes MCMB, graphitierte MPCF usw. umfassen.
Die Lithiumlegierung kann ferner Aluminium, Zink, Wismut, Cadmium, Antimon, Silizium, Blei, Zinn, Gallium, Indium usw. enthalten.
Das aktive Material auf Siliziumbasis kann SiOx (0<x<2) oder ein SiOx (0<x<2), das eine Lithiumverbindung enthält, umfassen. Das SiOx, das eine Lithiumverbindung enthält, kann ein SiOx sein, das ein Lithiumsilikat enthält. Das Lithiumsilikat kann in mindestens einem Teil der SiOx (0<x<2)-Partikel enthalten sein. Beispielsweise kann das Lithiumsilikat im Inneren und/oder auf der Oberfläche der SiOx (0<x<2)-Partikel vorhanden sein. Das Lithiumsilikat kann Li₂SiO₃, Li₂Si₂O₅, Li₄SiO₄, Li₄Si₃O₈, usw. enthalten.
Das aktive Material auf Siliziumbasis kann eine Silizium-Kohlenstoff-Verbindung wie Siliziumkarbid (SiC) enthalten.
Der Anodenstromkollektor 220 kann rostfreien Stahl, Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan oder eine Legierung davon enthalten. Vorzugsweise kann der Anodenstromkollektor 220 Kupfer oder eine Kupferlegierung enthalten.
Beispielsweise kann eine Aufschlämmung durch Mischen und Rühren des anodenaktiven Materials mit dem Bindemittel, dem leitfähigen Material, einem Verdickungsmittel usw. in einem Lösungsmittel hergestellt werden. Die Aufschlämmung kann auf mindestens eine Oberfläche des Anodenstromkollektors 220 aufgetragen werden und dann getrocknet und gepresst werden, um die Anode 240 einschließlich der Schicht aus anodenaktivem Material 225 zu bilden.
Das Bindemittel für die Anode kann beispielsweise ein wässriges Bindemittel wie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) zur Kompatibilität mit dem kohlenstoffbasierten aktiven Material enthalten und kann zusammen mit dem Verdickungsmittel wie Carboxymethylcellulose (CMC) verwendet werden.
Die Trennschicht 250 kann zwischen der Kathode 230 und der Anode 240 angeordnet sein. Die Trennschicht 250 kann einen porösen Polymerfilm enthalten, der z.B. aus einem Polymer auf Polyolefinbasis, wie einem Ethylen-Homopolymer, einem Propylen-Homopolymer, einem Ethylen/Buten-Copolymer, einem Ethylen/Hexen-Copolymer, einem Ethylen/Methacrylat-Copolymer oder ähnlichem hergestellt ist. Die Trennschicht 250 kann auch einen Vliesstoff enthalten, der aus einer Glasfaser mit hohem Schmelzpunkt, einer Polyethylenterephthalatfaser oder ähnlichem gebildet ist.
In einigen Ausführungsformen kann eine Fläche und/oder ein Volumen der Anode 240 (z. B. eine Kontaktfläche mit der Trennschicht 250) größer sein als die der Kathode 230. Auf diese Weise können Lithiumionen, die von der Kathode 230 erzeugt werden, leicht auf die Anode 240 übertragen werden, ohne dass es zu Verlusten kommt, z.B. durch Ausfällung oder Sedimentation.
In beispielhaften Ausführungsformen kann eine Elektrodenzelle durch die Kathode 230, die Anode 240 und die Trennschicht 250 definiert sein, und eine Vielzahl der Elektrodenzellen kann gestapelt werden, um eine Elektrodenanordnung 200 zu bilden, die z. B. die Form einer Jelly-Rolle („jelly roll shape") aufweisen kann. Die Elektrodenanordnung 150 kann zum Beispiel durch Wickeln, Laminieren oder Falten der Trennschicht 250 gebildet werden.
Die Elektrodenanordnung 200 kann zusammen mit einem Elektrolyten in dem Beutel 100 aufgenommen werden, um die Lithium-Sekundärbatterie zu bilden. In beispielhaften Ausführungsformen kann ein nichtwässriger Elektrolyt als Elektrolyt verwendet werden.
Der nichtwässrige Elektrolyt kann ein Lithiumsalz und ein organisches Lösungsmittel enthalten. Das Lithiumsalz kann durch Li⁺X^- dargestellt werden, und ein Anion des Lithiumsalzes X^- kann z. B. umfassen, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, NO₃ ^-, N(CN)₂ ^-, BF₄ ^-, ClO₄ ^-, PF₆ ^-, (CF₃)₂PF₄ ^-, (CF₃)₃PF₃ ^-, (CF₃)₄PF₂ ^-, (CF₃)₅PF^-, (CF₃)₆P^-, CF₃SO₃ ^-, CF₃CF₂SO₃ ^-, (CF₃SO₂)₂N^-, (FSO₂)₂N^-, CF₃CF₂(CF₃)₂CO^-, (CF₃SO₂)₂CH^-, (SF₅)₃C^-, (CF₃SO₂)₃C^-, CF₃(CF₂)₇SO₃ ^-, CF₃CO₂ ^-, CH₃CO₂ ^-, SCN^-, (CF₃CF₂SO₂)₂N^-, usw.
Das organische Lösungsmittel kann z.B. umfassen, Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylpropylcarbonat, Dipropylcarbonat, Dimethylsulfoxid, Acetonitril, Dimethoxyethan, Diethoxyethan, Vinylencarbonat, Sulfolan, Gamma-Butyrolacton, Propylensulfit, Tetrahydrofuran, usw. Diese können allein oder in einer Kombination von zwei oder mehreren dieser Stoffe verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann die Sekundärbatterie 10 eine reine Festkörper-Sekundärbatterie sein. In diesem Fall können die Anode, die Kathode und der Elektrolyt ordnungsgemäß ausgetauscht oder modifiziert werden.
Elektrodenstreifen (ein Kathodenstreifen und ein Anodenstreifen) können von dem Kathodenstromkollektor 210 und dem Anodenstromkollektor 220, die in jeder Elektrodenzelle enthalten sind, an einer Seite des Beutels 100 vorstehen. Die Elektrodenstreifen können mit der einen Seite des Beutels 100 verschweißt werden, um mit dem ersten Elektrodenstreifen 270 und dem zweiten Elektrodenstreifen 275 verbunden zu werden.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine laminierte Struktur eines Beutels einer Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigt.
Bezugnehmend auf 5 kann der Beutel 100 eine laminierte Struktur aufweisen, die eine Dichtungsschicht 101, eine Metallschicht 105 und eine Überzugsschicht 109 umfasst. Zusätzlich kann eine erste Klebeschicht 103 zwischen der Dichtungsschicht 101 und der Metallschicht 105 und eine zweite Klebeschicht 107 zwischen der Metallschicht 105 und der Überzugsschicht 109 ausgebildet sein.
Wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, kann der Beutel, nachdem die Elektrodenanordnung 200 in dem ersten Aufnahmeabschnitt 131 oder dem zweiten Aufnahmeabschnitt 133 des Beutels untergebracht ist, entlang des Faltabschnitts 159 gefaltet werden, so dass der erste Aufnahmeabschnitt 131 und der zweite Aufnahmeabschnitt 133 einander zugewandt bzw. gegenüberliegend sein können. Die Dichtungsschichten 101 können durch die abdichtende Oberfläche 151 der Kante des Umfangsabschnitts 150 miteinander verbunden werden, um den Beutel zu abzudichten.
Die Dichtungsschicht 101 kann zum Beispiel ein verschmelzbares Material enthalten. In diesem Fall kann der Beutel durch thermisches Verschmelzen abgedichtet werden. Die Dichtungsschicht 101 kann Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Acrylpolymer, Polyacrylnitril, Polyimid, Polyamid, Cellulose, Aramid, Nylon, Polyester, Polyparaphenylenbenzobisoxazol, Polyarylat, Teflon, eine Glasfaser usw. umfassen. Die Dichtungsschicht 101 kann einen einschichtigen Aufbau oder einen mehrschichtigen Aufbau mit zwei oder mehr Materialien aufweisen.
Vorzugsweise kann die Dichtungsschicht 101 ein Laminat aus Homopolypropylen und modifiziertem Polypropylen enthalten. Beispielsweise kann die Gesamtdicke der Dichtungsschicht 101 in einem Bereich von etwa 60 µm bis 100 µm, vorzugsweise von etwa 70 µm bis 90 µm liegen.
Die Metallschicht 105 kann verhindern, dass Feuchtigkeit, Gas usw. von außen in die Elektrodenanordnung eindringt, wodurch die mechanische Festigkeit des Beutels verbessert wird, und kann verhindern, dass eine in den Beutel injizierte chemische Substanz nach außen gelangt.
Die Metallschicht 105 kann beispielsweise Eisen (Fe), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Aluminium (Al), eine Legierung davon usw. enthalten und kann auch Kohlenstoff enthalten. Vorzugsweise enthält die Metallschicht 105 Aluminium (Al) und kann eine verbesserte Flexibilität aufweisen. Eine Dicke der Metallschicht 105 kann in einem Bereich von etwa 30 µm bis 50 µm, vorzugsweise von etwa 35 µm bis 45 µm liegen.
Die Überzugsschicht 109 kann Nylon enthalten und kann biaxial verstrecktes Nylon enthalten. Beispielsweise kann die Überzugsschicht 109 eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 20 µm aufweisen.
In einer Ausführungsform können die Dichtungsschicht 101, die Metallschicht 105 und die Beschichtungsschicht 109 durch die Klebeschichten 103 und 107 miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die Klebeschichten 103 und 107 eine Dicke von etwa 3 µm oder weniger aufweisen. Beispielsweise können die Klebeschichten 103 und 107 eine Dicke von etwa 0,1 µm bis 3 µm haben. In diesem Dickenbereich der Klebeschichten 103 und 107 kann die Haftung jeder Schicht verbessert werden, während eine übermäßige Zunahme der Dicke des Beutels vermieden wird.
Beispiele und Vergleichsbeispiele
(1) Herstellung einer Elektrodenzelle
Eine Kathodenaufschlämmung mit einem Massenverhältnis von 95:3:2 von LiNi_0,8Co_0,1Mn_0,1O₂ als Kathodenaktivmaterial, Ruß als leitfähigem Material und Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Bindemittel wurde hergestellt. Die Kathodenaufschlämmung wurde beschichtet, getrocknet und auf ein Aluminiumsubstrat gepresst, um eine Kathode zu bilden.
Eine Anodenaufschlämmung wurde unter Verwendung von 92 Gew.-% künstlichem Graphit als Anodenaktivmaterial, 2 Gew.-% eines Bindemittels auf Styrol-Butadien-Kautschuk-Basis (SBR), 1 Gew.-% CMC als Verdickungsmittel und 5 Gew.-% amorphem künstlichem Graphit als leitfähigem Material hergestellt. Die Anodenaufschlämmung wurde beschichtet, getrocknet und auf ein Kupfersubstrat gepresst, um eine Anode zu bilden.
Eine Elektrodenanordnung wurde hergestellt, indem die vorbereitete Kathode und die Anode mit einem dazwischen liegenden Polyethylen (PE)-Separator (15 µm) angeordnet wurden, um eine Elektrodenzelle zu bilden, und indem die Elektrodenzelle gewickelt wurde.
(2) Herstellung einer Sekundärbatterie
Ein Beutel (Dichtungsschicht: PP-Film 80 µm, Metallschicht: Aluminium-Dünnfilm 40 µm, Überzugsschicht: Nylonfilm 15 µm), der mit einem Aufnahmeabschnitt und einem Umfangsabschnitt (einem Streifenziehabschnitt und einem seitlichen Umfangsabschnitt) ausgebildet ist, wurde hergestellt. Ein Isolierband (PI-Band, Breite 5 mm) wurde parallel zu einer abdichtenden Oberfläche entlang des Streifenziehabschnitts innerhalb von 8 mm von einer Kante der abdichtenden Oberfläche (einer Grenze zu einer nicht abdichtenden Oberfläche) angebracht. Danach wurde die Elektrodenanordnung in dem Beutel untergebracht und dann durch einen Schmelzvorgang unter harschen Bedingungen von 220 °C oder mehr, einem Druck von 0,7 MPa oder mehr für 5 Sekunden oder mehr unter Verwendung einer Dichtungsvorrichtung („sealing jig“) auf der abdichtenden Oberfläche versiegelt.
Danach wurde eine Sekundärbatterie durch Einspritzen einer Elektrolytlösung und anschließendes Abdichten hergestellt. Der Elektrolyt wurde durch Herstellung einer 1M LiPF₆-Lösung in einem gemischten Lösungsmittel aus EC/EMC/DEC (25/45/30; Volumenverhältnis) und anschließender Zugabe von 0,5 Gew.-% 1,3-Propansulton (PS) hergestellt.
Wie in Tabelle 1 unten gezeigt, wurden Lithium-Sekundärbatterien gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellt, indem die Position des Isolierelements oder die Abdichtungsbedingungen geändert wurden.
Experimentelles Beispiel
(1) Auswertung der Punktschweißung
Bei der Herstellung der Lithium-Sekundärbatterie gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurde die Entstehung der Punktschweißung im Beutel wie folgt bewertet.

⊚: 5 oder mehr Schweißpunkte sind aufgetreten.
◯: 3 bis 5 Schweißpunkte sind aufgetreten.
Δ: 1 bis 3 Schweißpunkte sind aufgetreten.
×: Keine Schweißpunkte

(2) Bewertung des Isolationswiderstandes
Mit einem Isolationswiderstandsmessgerät wurde der Widerstand zwischen der Kathode oder der Anode und dem Beutel gemessen. Die Batterie wurde als normales Produkt eingestuft, wenn der gemessene Widerstand 100 MΩ oder mehr betrug. Gemäß den Bedingungen der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurde eine durchschnittliche Fehlerquote während des Produktionsprozesses der Lithium-Sekundärbatterie gemessen.

Die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 1 unten dargestellt. [Tabelle 1]

	Position des Isolierbandes	Abdichtungstemperatur (°C)	Auftreten von Schweißpunkten	Fehlerquote des Isolationswiderstands (%)
Beispiel 1	Innenfläche des Streifenziehabschnitts der Beutel-Oberseite (Unterseite)	220	Δ	<10
Beispiel 2	Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts des Beutels	220	◯	≤30
Beispiel 3	Innenfläche des Streifenziehabschnitts der Beutel-Ober- und Unterseiten	220	×	0
Beispiel 4	Innenfläche des Streifenziehabschnitts der Beutel-Oberseite (Unterseite) + Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts des Beutels	220	Δ	≤5
Beispiel 5	Innenfläche des Streifenziehabschnitts der Beutel-Ober- und Unterseiten + Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts des Beutels	220	×	0
Beispiel 6	Innenfläche des Streifenziehabschnitts der Beutel-Ober- und Unterseiten + Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts des Beutels	230	×	0
Vergleichsbeispiel	-	220	⊚	>75

Gemäß Tabelle 1 traten in den Beispielen, in denen das Isolierband entlang der Innenseite der abdichtenden Oberfläche des Umfangsabschnitts des Beutels angebracht wurde, keine Schweißpunkte im Beutel auf, oder es traten drei oder weniger Schweißpunkte auf, selbst unter harschen Abdichtungsbedingungen. Darüber hinaus wurde auch die Fehlerquote beim Isolationswiderstand reduziert. Wenn das Isolierband an der inneren Oberfläche des Streifenziehabschnitts angebracht war, wurde die Wirkung der Verhinderung von Punktschweißungen noch verstärkt.
In Beispiel 6 trat die Punktschweißung nicht auf, selbst wenn die Abdichtungsbedingungen verstärkt wurden.
Im Vergleichsbeispiel, bei dem das Isolierband nicht am Umfangsabschnitt des Beutels angebracht war, trat die Punktschweißung leicht auf.
In den obigen Beispielen wurde bestätigt, dass das Risiko des Anhaftens des Beutels reduziert werden konnte und die Isolationswiderstandseigenschaft wurde ebenfalls verbessert, um die Stabilität der Batterie zu erhöhen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020220040294 [0001]

Claims

Sekundärbatterie, umfassend: eine Elektrodenanordnung; einen Beutel, der die Elektrodenanordnung aufnimmt; und ein Isolierelement, das auf einer Innenfläche des Beutels ausgebildet ist, wobei eine Innenseite des Beutels einen Aufnahmeabschnitt, um die Elektrodenanordnung einzusetzen, und Umfangsabschnitte um den Aufnahmeabschnitt herum umfasst, mindestens einer der Umfangsabschnitte eine abdichtende Oberfläche und eine nicht abdichtende Oberfläche aufweist, und das Isolierelement auf der nicht abdichtenden Oberfläche und nicht auf der abdichtenden Oberfläche ausgebildet ist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Isolierelement innerhalb von 10 mm von einer Grenze zwischen der abdichtenden Oberfläche und der nicht abdichtenden Oberfläche ausgebildet ist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Isolierelement innerhalb von 0,1 mm bis 5 mm von einer Grenze zwischen der abdichtenden Oberfläche und der nicht abdichtenden Oberfläche ausgebildet ist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Elektrodenstreifen umfasst, der mit der Elektrodenanordnung verbunden ist und an den Umfangsabschnitt des Beutels gezogen ist, wobei die Umfangsabschnitte einen Streifenziehabschnitt, durch den der Elektrodenstreifen herausgezogen ist, und einen seitlichen Umfangsabschnitt, aus dem der Elektrodenstreifen nicht herausgezogen ist, umfassen.
Sekundärbatterie nach Anspruch 4, wobei das Isolierelement auf mindestens einem Abschnitt einer Innenfläche des Streifenziehabschnitts und einer Innenfläche des seitlichen Umfangsabschnitts ausgebildet ist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 4, wobei der Streifenziehabschnitt an einer Oberseite und einer Unterseite des Beutels ausgebildet ist und der seitliche Umfangsabschnitt mit der Oberseite und der Unterseite verbunden ist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 4, wobei der Streifenziehabschnitt an einer Oberseite oder einer Unterseite des Beutels ausgebildet ist und der seitliche Umfangsabschnitt mit der Oberseite oder der Unterseite verbunden ist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 4, wobei der Aufnahmeabschnitt einen ersten Aufnahmeabschnitt und einen zweiten Aufnahmeabschnitt umfasst, die einander gegenüberliegen, und die Umfangsabschnitte ferner einen Faltabschnitt aufweisen, der den ersten Aufnahmeabschnitt und den zweiten Aufnahmeabschnitt trennt.
Sekundärbatterie nach Anspruch 8, wobei das Isolierelement nicht auf einer Innenfläche des Faltabschnitts ausgebildet ist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Isolierelement ein Isolierband umfasst, das mindestens eines aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen, Polyacetylen, Polytetrafluorethylen, Nylon, Polyimid, Polyethylenterephthalat, Polypropylen und chloriertem Polypropylen enthält.
Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei der Beutel eine laminierte Struktur mit einer Dichtungsschicht, einer Metallschicht und einer Überzugsschicht aufweist.
Sekundärbatterie nach Anspruch 11, wobei die Dichtungsschicht ein Harz auf Polyolefinbasis, die Metallschicht Aluminium und die Überzugsschicht Nylon enthält.