ES3036221T3 - Electrode assembly for secondary battery including separator with notch groove and secondary battery comprising the same - Google Patents

Electrode assembly for secondary battery including separator with notch groove and secondary battery comprising the same

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ES3036221T3 ES22809632T ES22809632T ES3036221T3 ES 3036221 T3 ES3036221 T3 ES 3036221T3 ES 22809632 T ES22809632 T ES 22809632T ES 22809632 T ES22809632 T ES 22809632T ES 3036221 T3 ES3036221 T3 ES 3036221T3
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Sang Seung Oh
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Abstract

De acuerdo con una realización de la presente invención, se proporciona un conjunto de electrodos de batería secundaria y una batería secundaria que lo comprende, comprendiendo el conjunto de electrodos: una pila que incluye un cátodo, un ánodo y una membrana de separación insertada entre el cátodo y el ánodo, estando la membrana de separación posicionada en las superficies más externas de ambos lados de la pila; y dos o más pares de elementos de fijación unidos en la dirección de apilado para fijar las membranas de separación posicionadas en las superficies más externas de ambos lados de la pila, donde la membrana de separación incluye al menos un par de ranuras de muesca, y el par de ranuras de muesca se forman una a una en una superficie perpendicular a la dirección que sobresale de una pestaña de electrodo, y en la otra superficie posicionada en la dirección diagonal de la misma. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Conjunto de electrodos para batería secundaria que incluye separador con ranura de muesca y batería secundaria que comprende el mismo
Sector de la técnica
Referencia cruzada a solicitud(es) relacionada(s)
La presente solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de Patente Coreana n.° 10-2021-0067468 presentada el 26 de mayo de 2021 ante la Oficina Coreana de Propiedad Intelectual.
La presente descripción se refiere a un conjunto de electrodos para batería secundaria que incluye un separador con una ranura de muesca formada en el mismo y a una batería secundaria que incluye el mismo.
Estado de la técnica
Debido al rápido aumento en el uso de combustibles fósiles, la demanda de uso de energía alternativa o energía limpia está aumentando y, como parte de ello, los campos que se están estudiando más activamente son los campos de generación de energía y de almacenamiento de energía que usan electroquímica.
En la actualidad, una batería secundaria es un ejemplo representativo de un dispositivo electroquímico que utiliza dicha energía electroquímica, y el rango de uso de la misma tiende a expandirse gradualmente.
En los últimos años, dado que se han desarrollado de manera creciente dispositivos móviles como, por ejemplo, ordenadores portátiles, teléfonos portátiles y cámaras, la demanda de baterías secundarias también ha aumentado rápidamente como una fuente de energía para los dispositivos móviles. Entre dichas baterías secundarias se encuentra una batería secundaria de litio que exhibe características de carga/descarga y características de vida útil altas y que es respetuosa con el medio ambiente, con respecto a la cual se han llevado a cabo numerosas investigaciones y la cual también se comercializa y usa en la actualidad ampliamente.
El documento JP 2010086731 A se refiere a una batería tipo pila y a un módulo de batería, el documento JP 2012 059363 A se refiere a una batería en la cual una placa de electrodo positivo y una placa de electrodo negativo están laminadas a través de un separador y el documento US 2016/104872 A1 se refiere a una celda de batería que se usa en una batería secundaria como, por ejemplo, una batería de iones de litio.
En general, la batería secundaria tiene una estructura en la cual un electrolito no acuoso está impregnado en el conjunto de electrodos que comprende un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador poroso.
En este momento, los electrodos como, por ejemplo, el electrodo positivo y el electrodo negativo, deben estar completamente separados, pero existe el problema de que contactan entre sí y ocurre un cortocircuito debido a la contracción del separador, la proyección del material activo de electrodo, y similares.
En general, cuando un material activo de electrodo positivo y un material activo de electrodo negativo entran en cortocircuito, la tensión de la celda cae junto con un pequeño calor y finaliza la reacción. En el caso de un cortocircuito franco en el cual la lámina de electrodo positivo y el material activo de electrodo negativo entran directamente en cortocircuito, la generación de calor en condiciones de abuso mecánico, eléctrico o térmico conduce a una fuga térmica, que amenaza ampliamente la seguridad.
En particular, dicho cortocircuito franco ocurre en el orden de cortocircuito entre electrodos, ignición y similares mientras la deformación del separador y del electrodo ocurre principalmente debido a la contracción del separador que ocurre a una temperatura alta.
La Fig. 1 muestra, de forma esquemática, un conjunto de electrodos convencional, y la Fig. 2 muestra, de forma esquemática, un fenómeno en el cual el conjunto de electrodos se deforma a una temperatura alta para que ocurra un cortocircuito franco.
Con referencia a las Figs. 1 y 2, un cuerpo 10 apilado incluye un electrodo 11 positivo, un electrodo 12 negativo y un separador 13 interpuesto entre el electrodo 11 positivo y el electrodo 12 negativo, el separador 13 estando también ubicado en la superficie más exterior en ambos lados, y el cuerpo apilado se fija por al menos tres pares de miembros 14 de fijación fijados en la dirección de apilamiento para fijarse entre los separadores 13 ubicados en la superficie más exterior en ambos lados del cuerpo 10 apilado.
Cuando dicho cuerpo 10 apilado se usa posteriormente después de fabricarse como una batería secundaria, la contracción del separador 13 ocurre a una temperatura alta. De manera específica, a medida que la temperatura aumenta, la contracción del separador 13 se acelera, y existe una diferencia predeterminada dependiendo del material. Sin embargo, la contracción en la dirección MD/TD a 150 °C es de alrededor del 10 % al 20 %, y la contracción en la dirección MD/TD a 180 °C supera el 40 %, respectivamente. En este momento, la contracción del separador 13 ocurre en un espacio estrecho entre los miembros 14 de fijación, por medio de lo cual el electrodo 11 positivo se deforma en la dirección de apilamiento como en A, y ocurre un cortocircuito franco entre el electrodo 11 positivo y el electrodo 12 negativo, lo cual conduce a la ignición.
Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar una tecnología que pueda resolver dichos problemas y retrasar o evitar cortocircuitos francos entre electrodos debido a la contracción del separador a temperaturas altas y, por consiguiente, que mejore la seguridad a una temperatura alta.
Objeto de la invención
Problema técnico
La presente descripción se ha llevado a cabo para resolver los problemas descritos más arriba y otros problemas técnicos que aún deben resolverse.
De manera específica, un objeto de la presente descripción es proveer un conjunto de electrodos para batería secundaria que pueda evitar cortocircuitos francos entre electrodos y mejorar la seguridad a una alta temperatura formando una ranura de muesca en el separador del cuerpo apilado y, por consiguiente, induciendo una dirección y trayectoria de contracción a alta temperatura, y una batería secundaria que incluye el mismo.
Solución técnica
Según un aspecto de la presente descripción, se provee un conjunto de electrodos para batería segundaria que comprende:
un cuerpo apilado que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, el separador estando ubicado en la superficie más exterior en ambos lados; y
al menos dos pares de miembros de fijación fijados en la dirección de apilamiento para la fijación entre los separadores ubicados en la superficie más exterior en ambos lados del cuerpo apilado,
en donde el separador incluye al menos un par de ranuras de muesca, y
en donde el par de ranuras de muesca se forman una a una sobre una superficie perpendicular a una dirección sobresaliente de una lengüeta de electrodos y la otra superficie ubicada en una dirección diagonal de la misma. En este momento, la ranura de muesca se forma en al menos dos pares, y las ranuras de muesca pueden formarse en una dirección diagonal y una dirección lineal de cada superficie perpendicular a la dirección sobresaliente de la lengüeta de electrodos.
Además, la ranura de muesca puede formarse en una posición que no interfiere con la lengüeta de electrodos. Una forma plana de la ranura de muesca puede ser una forma tipo hendidura, una forma poligonal, una forma circular, o una forma elíptica.
Mientras tanto, la forma plana de la ranura de muesca puede ser una forma tipo hendidura o una forma triangular. El miembro de fijación puede incluir poliimida.
El miembro de fijación puede configurarse de modo tal que un par de miembros de fijación se fijan en posiciones que se miran entre sí en ambos lados paralelos a la dirección sobresaliente de la lengüeta de electrodos, y el otro al menos un par de miembros de fijación se fijan en una posición en la que se miran entre sí en ambos lados paralelos a la dirección sobresaliente de la lengüeta de electrodos en una posición espaciada del par de miembros de fijación. Mientras tanto, el conjunto de electrodos puede ser un conjunto de electrodos tipo laminación y pila o un conjunto de electrodos tipo pila y plegado.
Según otro aspecto de la presente descripción, se provee una batería secundaria en la cual el conjunto de electrodos según la presente descripción se incorpora en una caja de batería secundaria junto con un electrolito.Descripción de las figuras
La Fig. 1 muestra, de manera esquemática, un conjunto de electrodos convencional;
la Fig. 2 es una vista esquemática de una forma en la cual un conjunto de electrodos convencional para batería secundaria se deforma a alta temperatura de modo tal que se contrae el separador;
la Fig. 3 es un diagrama esquemático de un conjunto de electrodos para batería secundaria según una realización de la presente descripción;
la Fig. 4 es una vista esquemática de una forma en la cual el conjunto de electrodos de la Fig. 3 se deforma a alta temperatura de modo tal que se contrae el separador;
la Fig. 5 es un diagrama esquemático de un conjunto de electrodos de una batería secundaria según otra realización de la presente descripción;
la Fig. 6 es una vista esquemática de una forma en la cual el conjunto de electrodos de la Fig. 5 se deforma a alta temperatura de modo tal que se contrae el separador; y
la Fig. 7 es una vista esquemática que muestra la forma plana de la ranura de muesca.
Descripción detallada de la invención
De aquí en adelante, la presente descripción se describirá en mayor detalle para una mejor comprensión de la presente descripción.
Los términos técnicos provistos en la presente memoria se usan meramente para describir realizaciones particulares solamente y no pretenden limitar la presente descripción. Las formas singulares "un", "una/o" y "el/la" pretenden incluir las formas plurales también, a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
Debe observarse que los términos “comprender”, “incluir”, “tener”, etc., se usan en la presente memoria para especificar la presencia de características, enteros, etapas, componentes establecidos o combinaciones de los mismos, pero no excluyen la presencia o adición de una o más de otras características, enteros, etapas, componentes, o combinaciones de los mismos.
Según una realización de la presente descripción, se provee un conjunto de electrodos para batería secundaria que comprende:
un cuerpo apilado que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, el separador estando ubicado en la superficie más exterior en ambos lados; y
al menos dos pares de miembros de fijación fijados en la dirección de apilamiento para la fijación entre los separadores ubicados en la superficie más exterior en ambos lados del cuerpo apilado,
en donde el separador incluye al menos un par de ranuras de muesca, y
en donde el par de ranuras de muesca se forman una a una sobre una superficie perpendicular a una dirección sobresaliente de una lengüeta de electrodos y la otra superficie ubicada en una dirección diagonal de la misma. La Fig. 3 muestra, de forma esquemática, un conjunto 100 de electrodos para batería secundaria según una realización de la presente descripción.
Con referencia a la Fig. 3, el conjunto 100 de electrodos según la presente descripción incluye un cuerpo 110 apilado que incluye un electrodo 111 positivo, un electrodo 112 negativo y un separador 113 interpuesto entre el electrodo 111 positivo y el electrodo 112 negativo, y presentes en la superficie más exterior en ambos lados; y al menos tres pares de miembros 114 de fijación fijados en la dirección de apilamiento para la fijación entre los separadores 113 ubicados en la superficie más exterior en ambos lados del cuerpo 110 apilado.
El miembro 114 de fijación se provee para fijar el cuerpo 110 apilado, y puede incluir al menos dos pares de miembros de fijación para fijar firmemente el cuerpo 110 apilado.
En este momento, el miembro 114 de fijación se configura de modo tal que un par de miembros 114a de fijación se fijan en posiciones mirándose entre sí en ambos lados paralelos a la dirección sobresaliente de las lengüetas 111a y 112a de electrodos, y el otro al menos un par de miembros 114b y 114c de fijación se fijan en una posición mirándose entre sí en ambos lados paralelos a la dirección sobresaliente de las lengüetas 111a y 112a de electrodos en una posición espaciada del par de miembros 114a de fijación.
Como el material que constituye dicho miembro 114 de fijación, pueden seleccionarse varios materiales usados para la batería pero, de manera específica, es preferible un material que tenga tanto resistencia al calor como propiedad aislante y, por consiguiente, que no tenga un problema de cortocircuito y, por ejemplo, puede incluir poliimida.
Además, según la presente descripción, el separador 113 incluye un par de ranuras 115 de muesca que se forman una a una en una superficie perpendicular a la dirección sobresaliente de las lengüetas 111a y 112a de electrodos y la otra superficie ubicada en una dirección diagonal de la misma, y la ranura 115 de muesca puede formarse en una posición que no interfiere con las lengüetas 111a y 112a de electrodos, para evitar que la lengüeta de electrodos que tiene una primera polaridad y la capa de material activo de electrodo que tiene una segunda polaridad contacten entre sí y provoquen un cortocircuito.
Es decir, por ejemplo, cuando la ranura 114 de muesca se forma en una posición donde se superpone con las lengüetas 111a y 112b de electrodos, existe la posibilidad de que la lengüeta 111a de electrodos positivos y la capa de material activo de electrodo negativo del electrodo 112 negativo entren en contacto entre sí en la porción de ranura 115 de muesca para provocar un cortocircuito. Por lo tanto, con el fin de evitar estos problemas, las lengüetas 111a y 112a se forman en posiciones que no interfieren entre sí.
Además, un par de ranuras 115 de muesca están específicamente formadas en posiciones horizontal y verticalmente simétricas una con respecto a la otra.
La Fig. 4 muestra, de forma esquemática, un fenómeno en el cual el separador se contrae y deforma cuando el conjunto 100 de electrodos se expone a una alta temperatura.
Con referencia a la Fig. 4, si un par de ranuras 115 de muesca se forman en el separador 113 como en la presente descripción, el separador se contrae también cuando el conjunto 100 de electrodos se expone a una alta temperatura. Sin embargo, el par de ranuras 115 de muesca previamente formadas provoca el desgarro del separador en la forma de conexión de un par de ranuras 115 de muesca, por medio de lo cual la contracción no ocurre entre los miembros 114 de fijación, y el electrodo 111 positivo y el separador 114 no se deforman en la dirección de apilamiento, siendo de este modo capaces de evitar un cortocircuito franco, reduciendo la posibilidad de ignición y, por consiguiente, mejorando la seguridad de la batería.
Es decir, el par de ranuras 115 de muesca provoca el desgarro del separador 113 mientras induce una trayectoria en la cual el separador 113 se contrae, evitando de este modo la deformación del electrodo 111 positivo o del electrodo 112 negativo en la dirección de apilamiento.
Mientras tanto, puede formarse un par de ranuras de muesca como se muestra en las Figs. 3 a 4, pero pueden formarse al menos dos pares.
La Fig. 5 muestra, de forma esquemática, un conjunto 200 de electrodos en el cual dos pares de ranuras de muesca se forman según otra realización de la presente descripción, y la Fig. 6 muestra, de forma esquemática, un fenómeno en el cual el separador se contrae y se deforma cuando el conjunto de electrodos se expone a una temperatura alta.
En primer lugar, con referencia a la Fig. 5, el conjunto 200 de electrodos incluye un cuerpo 210 apilado, y tres pares de miembros 214 de fijación fijados en la dirección de apilamiento para la fijación entre los separadores 213 ubicados en la superficie más exterior en ambos lados del cuerpo 210 apilado, de manera similar a los que se muestran en la Fig. 3. Sin embargo, el separador 213 incluye dos pares de ranuras 215 de muesca formadas en una dirección diagonal y una dirección lineal en cada superficie perpendicular a la dirección sobresaliente de las lengüetas 211a y 212a de electrodos, y los dos pares de ranuras 215 de muesca se forman en posiciones que no interfieren con las lengüetas 211a y 212a de electrodos. Además, los dos pares de ranuras 215 de muesca están específicamente formados en formas horizontal y verticalmente simétricas uno con respecto al otro.
Con referencia a la Fig. 6, cuando el conjunto 200 de electrodos en el cual se forman los dos pares de ranuras 215 de muesca de esta manera también se expone a una alta temperatura, el separador 213 se contrae, y el separador 213 se desgarra y contrae en una dirección vertical o en una dirección diagonal por los dos pares de ranuras 215 de muesca. Por lo tanto, de manera similar al conjunto 100 de electrodos en el cual se forma un par de ranuras de muesca, no ocurre contracción alguna entre los miembros 214 de fijación y, por consiguiente, el electrodo positivo o el electrodo negativo y el separador 214 no se deforman en la dirección de apilamiento, siendo capaces de esta manera de evitar un cortocircuito franco, reduciendo la posibilidad de ignición y, por tanto, mejorando la seguridad de la batería.
Si al menos dos pares de ranuras de muesca se forman de esta manera, es posible inducir de manera más fiable la trayectoria de contracción y desgarro del separador.
Mientras tanto, la forma plana de las ranuras de muesca no está limitada, y puede formarse de varias maneras. Por ejemplo, puede ser una forma tipo hendidura, una forma poligonal, una forma circular o una forma elíptica.
La Fig. 7 muestra, de manera esquemática, la forma plana de la ranura 315 de muesca.
Con referencia a la Fig. 7, la ranura 315 de muesca forma la forma plana en una forma triangular, de modo tal que las direcciones de contracción y desgarro del separador 313 pueden inducirse en una dirección diagonal (Fig. 7(a)), o forma la forma plana en una forma tipo hendidura, de modo que la dirección de contracción y desgarro del separador 113 puede inducirse en una dirección en la cual se forma una hendidura, es decir, en una dirección lineal (Fig. 7(b)), o forma la forma plana en una forma cuadrada, de modo que la dirección de contracción y desgarro del separador 113 puede inducirse en una dirección que se extiende desde las esquinas inferiores en ambos lados (Fig. 7(c)), o forma la forma plana en una forma circular o elíptica, de modo que la dirección de contracción y desgarro del separador 313 puede inducirse en varias direcciones.
Sin embargo, de manera específica, la forma plana de la ranura 315 de muesca puede ser una forma tipo hendidura o una forma triangular de modo que la dirección de contracción y desgarro del separador es constante y, por consiguiente, puede minimizar la influencia sobre el miembro de fijación.
Además, el tamaño de la ranura de muesca se forma preferiblemente en un tamaño en el cual un cortocircuito entre el electrodo positivo y el electrodo negativo no ocurre debido a la formación de la ranura de muesca, es decir, un tamaño en el cual no se exponen la capa de material activo de electrodo positivo y la capa de material activo de electrodo negativo. Dentro de este rango, el tamaño no está limitado.
Mientras tanto, el conjunto de electrodos no está limitado siempre que tenga una forma que incluya un cuerpo apilado, y puede ser un conjunto de electrodos tipo pila, un conjunto de electrodos tipo laminación y pila, o un conjunto de electrodos tipo pila y plegado. De manera específica, puede ser un conjunto de electrodos tipo laminación y pila o un conjunto de electrodos tipo pila y plegado.
Dado que el método de fabricación y la configuración detallados de dicho conjunto de electrodos se conocen en la técnica, en la presente memoria se omitirá una descripción detallada de los mismos.
Mientras tanto, según otra realización de la presente descripción, se provee una batería secundaria en la cual el conjunto de electrodos se incorpora en una caja de batería secundaria junto con un electrolito.
En este momento, el electrolito puede ser un electrolito no acuoso de sal de litio, y la batería secundaria puede ser una batería secundaria de litio.
Dado que la configuración anterior es conocida en la técnica, en la presente memoria se omitirá una descripción detallada de la misma.
Aplicabilidad industrial
Como se describe más arriba, el conjunto de electrodos para batería secundaria según una realización de la presente descripción forma una ranura de muesca en el separador y provee un defecto artificial al separador, que, por consiguiente, induce la dirección y trayectoria de contracción durante la contracción del separador a una temperatura alta, exhibiendo de este modo los efectos de retrasar y evitar cortocircuitos francos entre electrodos que pueden ocurrir a una alta temperatura, y, por consiguiente, evitando la ignición a altas temperaturas y mejorando la seguridad de las baterías secundarias.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria que comprende:
un cuerpo (110, 210) apilado que incluye un electrodo (11, 111, 211) positivo, un electrodo (12, 112, 212) negativo, y un separador (13, 113, 213, 313) interpuesto entre el electrodo (11, 111, 211) positivo y el electrodo (12, 112, 212) negativo, el separador (13, 113, 213, 313) estando ubicado en la superficie más exterior en ambos lados; y al menos dos pares de miembros (14, 114, 214) de fijación fijados en la dirección de apilamiento para la fijación entre los separadores (13, 113, 213, 313) ubicados en la superficie más exterior en ambos lados del cuerpo (110, 210) apilado,
el separador (13, 113, 213, 313) incluyendo al menos un par de ranuras (115, 215, 315) de muesca,caracterizado por queel par de ranuras (115, 215, 315) de muesca se forman una a una sobre una superficie perpendicular a una dirección sobresaliente de una lengüeta (111a, 112a, 211a, 212a) de electrodos y la otra superficie ubicada en una dirección diagonal de la misma.
2. El conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria según la reivindicación 1, en donde:
la ranura (115, 215, 315) de muesca se forma en al menos dos pares, y las ranuras (115, 215, 315) de muesca se forman en una dirección diagonal y una dirección lineal de cada superficie perpendicular a la dirección sobresaliente de la lengüeta (111a, 112a, 211a, 212a) de electrodos.
3. El conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria según la reivindicación 1, en donde:
la ranura (115, 215, 315) de muesca se forma en una posición que no interfiere con la lengüeta (111a, 112a, 211a, 212a) de electrodos.
4. El conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria según la reivindicación 1, en donde:
una forma plana de la ranura (115, 215, 315) de muesca es una forma tipo hendidura, una forma poligonal, una forma circular o una forma elíptica.
5. El conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria según la reivindicación 4, en donde:
la forma plana de la ranura (115, 215, 315) de muesca es una forma tipo hendidura o una forma triangular.
6. El conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria según la reivindicación 1, en donde:
el miembro (14, 114, 214) de fijación incluye poliimida.
7. El conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria según la reivindicación 1, en donde:
el miembro (14, 114, 214) de fijación se configura de modo tal que un par de miembros (14, 114, 214) de fijación se fijan en posiciones mirándose entre sí en ambos lados paralelos a la dirección sobresaliente de la lengüeta (111a, 112a, 211a, 212a) de electrodos, y el otro al menos un par de miembros (14, 114, 214) de fijación se fijan en una posición mirándose entre sí en ambos lados paralelos a la dirección sobresaliente de la lengüeta (111a, 112a, 211a, 212a) de electrodos en una posición espaciada del par de miembros de fijación.
8. El conjunto (10, 100, 200) de electrodos para batería secundaria según la reivindicación 1, en donde:
el conjunto (10, 100, 200) de electrodos es un conjunto de electrodos tipo laminación y pila o un conjunto de electrodos tipo pila y plegado.
9. Una batería secundaria en la cual el conjunto (10, 100, 200) de electrodos según la reivindicación 1 se incorpora en una caja de batería secundaria junto con un electrolito.
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