JP7454705B2 - 電極シート、捲回式電池セル及び電池 - Google Patents

電極シート、捲回式電池セル及び電池 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本開示は、２０２０年５月９日に提出された中国特許出願第２０２０２０７５８５４３．０号に基づくものであり、かつその優先権を主張するものであり、その全ての内容は参照により本開示に組み込まれるものとする。
本開示は、電池の分野に関し、特に電極シート、捲回式電池セル及び電池に関する。
電池の電極シートは、集電体と、集電体の表面に塗布された活物質とを含み、集電体は、通常、アルミニウム箔又は銅箔である。現在の電池の電極シートの製造過程において、電極シートをロールプレスすることによって、設計パラメータに合致する電極シートを製造する。しかしながら、ロールプレス工程を行う過程において、活物質を圧縮する必要があり、このとき活物質が箔を押圧し、最終的に箔に張力が発生する。活物質層が塗布されない位置には張力が発生しないため、活物質がある位置と活物質がない位置では、異なる張力が発生し、箔の端部に外観上波うちや、深刻な場合には皺が発生する。電極シートの凹溝に皺が発生すると、タブの溶接強度に影響を与え、溶接不良や電池の抵抗の増大を引き起こし、電池の充放電過程において早々に発熱が生じ、サイクル寿命の劣化が加速される。凹溝と活物質との接続箇所に、活物質がより脱落しやすく、電極シートの箔露出を引き起こす。負極シートの箔の露出箇所においては、分極が小さいため、リチウム析出現象がより発生しやすい。
本開示は、電極シート、捲回式電池セル及び電池を提供し、電極シートのロールプレス過程において集電体に皺が発生することによる電池の電極シートの箔が露出し、セルのサイクル寿命が短く、電池の発熱が速い等の課題を解決することができる。
本開示の目的を達成するために、本開示は、以下の技術手段を提供する。
第１態様では、本開示に係る電極シートは、集電体と、前記集電体の表面に塗布された第１活物質層とを含み、前記第１活物質層は、互いに接続された本体部及び第１緩衝部を含み、前記本体部は、互いに背向する第１内表面及び外表面を含み、前記第１内表面が前記集電体に貼り合わされ、前記外表面が前記第１内表面に平行であり、前記外表面と前記第１内表面との垂直距離が第１厚さであり、第１厚さの設定範囲は、５０～２００μｍであり、前記第１緩衝部にタブを設置するための第１凹溝が形成され、前記第１緩衝部は、第２内表面と、緩衝面と、前記第１凹溝を囲む内壁面とを含み、前記第２内表面は、前記第１内表面と重なり、前記緩衝面は、一端が前記外表面に接続され、他端が前記内壁面に接続され、前記緩衝面と前記内壁面との接続箇所の交線から前記第２内表面までの垂直距離が第２厚さであり、前記第２厚さは、前記第１厚さより小さく、第２厚さの設定範囲は、２０～１８０μｍであってもよい。
一実施形態では、前記緩衝面は、曲面、斜面、段差面、曲面と斜面の組み合わせ、曲面と段差面の組み合わせ、斜面と段差面の組み合わせ及び曲面と段差面と斜面の３つの表面タイプの組み合わせのいずれかを含む。
一実施形態では、前記緩衝面上の任意の１点から前記第２内表面までの垂直距離は、前記第１厚さより小さい。
一実施形態では、前記第１緩衝部の内壁面は、第１壁面、第２壁面及び第３壁面を含み、前記第１壁面は、前記第２壁面に対向し、前記第３壁面は、前記第１壁面及び前記第２壁面に接続され、前記第１壁面、前記第２壁面及び前記第３壁面の少なくとも１つの面の対応する位置に前記緩衝面が設置される。
一実施形態では、前記緩衝部と前記本体部とは一体型構造である。
一実施形態では、前記電極シートは、第２活物質層をさらに含み、前記第２活物質層は、前記集電体の前記第１活物質層に背向する他面に設置され、前記第２活物質層に第２緩衝部が設置され、前記第２緩衝部に第２凹溝が形成され、前記第２緩衝部の構造が前記第１緩衝部の構造と同じである。
一実施形態では、前記第１緩衝部と前記第２緩衝部は、正対するか又は交互に設置される。
一実施形態では、前記集電体は、反対側に位置する第１側辺及び第２側辺を含み、前記第１凹溝は、前記第１側辺から前記第２側辺の方向に伸び、前記第２凹溝は、前記第１側辺から前記第２側辺の方向に伸びるか、又は、前記第２凹溝は、前記第２側辺から前記第１側辺の方向に伸びる。
第２態様では、本開示に係る捲回式電池セルは、セパレータと、第１態様の様々な実施例のいずれか一項に記載の電極シートとを含み、２枚の前記電極シートの間に前記セパレータが設置される。
第３態様では、本開示に係る電池は、第２態様に記載の捲回式電池セルを含む。
緩衝面を設置することにより、ロールプレス工程において第１緩衝部が受けた圧力を小さくし、第１緩衝部から集電体に作用する圧力が小さくなり、集電体の伸び率が小さくなり、集電体に発生する皺の程度を軽減し、さらに皺がないという効果を実現し、集電体に皺が発生するという現象の軽減は、活物質が脱落して箔の露出を最終的に引き起こすリスクを低減し、セルのサイクル寿命を延長し、電池の発熱速度を低下させることができる。
本開示の実施形態又は従来技術における技術手段をより明確に説明するために、以下、実施形態又は従来技術の説明に必要な図面を簡単に紹介し、明らかに、以下の説明における図面は、本開示のいくつかの実施形態に過ぎず、当業者にとって、創造的な労働を要することなく、これらの図面に基づいて他の図面を取得することができる。
一実施例の電池の構造概略図である。 一実施例の捲回式電池セルの構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの正面構造概略図である。 一実施例の電極シートの平面構造概略図である。 一実施例の電池の構造概略図である。
以下、本開示の実施形態における図面を参照しながら、本開示の実施形態における技術手段を明確かつ完全に説明する。明らかに、説明される実施形態は、本開示の実施形態の一部に過ぎず、全てではない。本開示の実施形態に基づいて、当業者が創造的な労働をしない前提で取得した他の全ての実施形態は、いずれも本開示の保護範囲に属するものである。
図１及び図２４に示すように、本開示の実施例は、電池ケースＫ、電池ケースＫ内に配置された捲回式電池セルＪと、電池上部カバーＧとを含む電池１００を提供する。捲回式電池セルＪは、本開示の実施例により提供され、具体的な構造は、後に説明する。電池ケースＫは、上端が開口した円筒であってもよく、円筒内壁の底部は、捲回式電池セルＪの負極集電板に電気的に接続され、電池ケースＫの外底部の中間には、電池の負極を外部デバイスに接続するためのボスＴ１が設置される。電池上部カバーＧは、電池ケースＫとマッチングする円盤状のカバーであり、その下部に下向きに突出する平面が設置され、正極集電板に電気的に接続され、正極集電板と電池ケースＫとの間に絶縁シールリングが取り付けられ、電池上部カバーの上部の中間には、上向きに突起する、電池正極を外部デバイスに接続するための円筒状のボスＴ２が設置される。電池上部カバーＧに電解液注入口Ｄが設置され、電解液を注入することにより正負極間の電子伝導を実現し、電解液が注入された後にシールピンで封止する。このような構造の電池１００は、充放電過程において発熱が少なく、リサイクルの減衰速度が遅いため、電池１００の耐用年数をより長くすることができる。本開示に係る捲回式電池セルＪを使用することにより、電極シートに皺が発生するという現象が減少し、さらに皺がなく、電池１００の抵抗を小さくし、電池１００の発熱を遅くすることができ、同時に電極シートの活物質層の脱落による集電体の露出という現象の発生を減少させ、電池１００の耐用年数を延長することができる。
図２に示すように、本開示の実施例は、捲回式電池セルＪを提供し、該捲回式電池セルＪは、セパレータ３、本開示の実施例に係る電極シート１及び電極シート２を含み、電極シート１及び電極シート２は、正極シート及び負極シートであってもよく、セパレータ３は、通常、ナノスケールの細孔を有する高分子材料であり、電極シート１と電極シート２との間に設置され、２つの電極シートを隔離することにより、正負極の接触による短絡という問題を避けるとともに、電解質イオンを通過させることができる。電極シート１、セパレータ３及び電極シート２は、積層して設置され、専用の捲回機により捲回して捲回式電池セルＪを製造する。本開示に係る電極シートを使用することにより、電極シートに皺が発生するという現象が減少し、さらに皺がなく、電極シートの活物質層の脱落を減少させ、セルのリサイクルの減衰速度を低下させることができる。
図３に示すように、本開示の実施例は、集電体１０と、集電体１０の表面に塗布された第１活物質層１１とを含む電極シートを提供する。集電体１０は、通常、アルミニウム箔又は銅箔であり、第１活物質層１１は、主に、活物質、導電剤及び接着剤等の成分を含む。第１活物質層１１は、互いに接続された本体部Ｕ及び第１緩衝部Ｖ１を含み、本体部Ｕは、互いに背向する第１内表面Ｎ１及び外表面Ｗを含み、第１内表面Ｎ１が集電体１０に貼り合わされ、外表面Ｗが第１内表面Ｎ１に平行であり、外表面Ｗと第１内表面Ｎ１との垂直距離が第１厚さＨ１である。第１厚さＨ１の設定範囲は、５０～２００μｍである。
図３及び図４に示すように、第１緩衝部Ｖ１に第１凹溝Ｃ１が形成され、第１緩衝部Ｖ１は、第２内表面Ｎ２と、緩衝面Ｓと、第１凹溝Ｃ１を囲む内壁面Ｂとを含み、第２内表面Ｎ２が第１内表面Ｎ１と重なり、緩衝面Ｓは、一端が前記外表面Ｗに接続され、他端が内壁面Ｂに接続され、緩衝面Ｓと内壁面Ｂとの接続箇所の交線から第２内表面Ｎ２までの垂直距離が第２厚さＨ２であり、第２厚さＨ２は、第１厚さＨ１より小さい。第２厚さの設定範囲は、２０～１８０μｍであってもよい。
緩衝面Ｓを設置することにより、ロールプレス過程において、電極シートがプレスロールＹを通過する場合に、第１緩衝部Ｖ１が受けた圧力が小さくなり、第１緩衝部Ｖ１から集電体１０に作用する圧力が小さくなり、集電体１０の伸び率が小さくなり、集電体１０に発生する皺の程度を軽減し、さらに皺がないという効果を実現し、集電体１０に皺が発生するという現象の軽減は、活物質が脱落して箔の露出を最終的に引き起こすリスクを低減し、セルのサイクル寿命を延長し、電池１００の発熱速度を低下させることができる。
一実施例において、図３に示すように、第１緩衝部Ｖ１と本体部Ｕは、一体成形プロセスで製造された一体型構造であり、プロセスが簡単であり、製造しやすい。他の実施例において、第１緩衝部Ｖ１と本体部Ｕは、それぞれ製造されて一体に接続されてもよい。
一実施例において、図３及び図４に示すように、外表面Ｗと内壁面Ｂとの間の緩衝面Ｓは、曲面であり、プレスロールＹは、ロールプレス場合に、集電体１０の外表面Ｗから緩衝面Ｓを通過して内壁面Ｂに移行し、第１凹溝Ｃ１の周辺に到達する圧力が小さくなり、集電体１０がここで受けた圧力が小さくなり、それに応じて伸び率が小さくなり、皺の程度が軽減する。
他の実施例において、図４及び図５に示すように、外表面Ｗと内壁面Ｂとの間の緩衝面Ｓは、斜面であり、緩衝面Ｓを斜面とすることにより、ロールプレス過程においてプレスロールＹと第１緩衝部Ｖ１との間の接触面積を等速変化させ、集電体１０の応力変化を均一にし、集電体１０に皺が発生する可能性をさらに低減することができる。
他の実施例において、図４及び図６に示すように、外表面Ｗと内壁面Ｂとの間の緩衝面Ｓは、段差面であり、緩衝面Ｓの緩衝作用により、プレスロールＹが第１緩衝部Ｖ１を通過する場合に集電体１０が受けた圧力を小さくし、それに応じて集電体１０の伸び率が小さくなり、皺が発生するという現象の発生を減少させるという目的を達成する。
他の実施例において、図７に示すように、外表面Ｗと内壁面Ｂとの間の緩衝面Ｓは、曲面と斜面との組み合わせである。
他の実施例において、図８に示すように、外表面Ｗと内壁面Ｂとの間の緩衝面Ｓは、曲面と段差面との組み合わせである。
他の実施例において、図９に示すように、外表面Ｗと内壁面Ｂとの間の緩衝面Ｓは、斜面と段差面との組み合わせである。
他の実施例において、図１０に示すように、外表面Ｗと内壁面Ｂとの間の緩衝面Ｓは、曲面と斜面と段差面との３つの表面タイプの組み合わせであり、緩衝面Ｓを異なる表面タイプの組み合わせに設定することにより、良い緩衝程度を取得することができ、集電体１０の皺をより良く減少させる効果を実現する。
一実施例において、図３に示すように、緩衝面Ｓ上の任意の１点から第２内表面Ｎ２までの垂直距離は、第１厚さＨ１より小さく、緩衝面Ｓ全体の集電体１０からの高さを外表面Ｗより低く設定することにより、緩衝面Ｓに正対する集電体１０の各箇所が受けた圧力がより小さいことを保証することができ、ロールプレスした後に集電体１０の表面の皺がより少ない。
第１緩衝部Ｖ１の内壁面Ｂは、第１壁面Ｂ１、第２壁面Ｂ２及び第３壁面Ｂ３を含み、第１壁面Ｂ１が第２壁面Ｂ２に対向し、第３壁面Ｂ３が第１壁面Ｂ１及び第２壁面Ｂ２に接続され、第１壁面Ｂ１、第２壁面Ｂ２及び第３壁面Ｂ３の少なくとも１つの面の対応する位置に緩衝面Ｓが設置される。
一実施例において、図１１及び図１２に示すように、第１壁面Ｂ１に緩衝面Ｓが設置され、第２壁面Ｂ２と第３壁面Ｂ３に緩衝面が設置されない。本実施例において、緩衝面Ｓは、段差面であり、他の実施例において、緩衝面Ｓは、前述の他のタイプの表面であってもよい。
他の実施例において、図１３及び図１４に示すように、第２壁面Ｂ２に緩衝面Ｓが設置され、第１壁面Ｂ１と第３壁面Ｂ３に緩衝面が設置されない。本実施例において、緩衝面Ｓは、段差面であり、他の実施例において、緩衝面Ｓは、前述の他のタイプの表面であってもよい。
他の実施例において、図１５及び図１６に示すように、第３壁面Ｂ３に緩衝面Ｓが設置され、第１壁面Ｂ１及び第２壁面Ｂ２に緩衝面が設置されない。本実施例において、緩衝面Ｓは、段差面であり、他の実施例において、緩衝面Ｓは、前述の他のタイプの表面であってもよい。
他の実施例において、図１７に示すように、第１壁面Ｂ１及び第２壁面Ｂ２に緩衝面Ｓが設置され、第３壁面Ｂ３に緩衝面が設置されない。本実施例において、緩衝面Ｓは、段差面であり、他の実施例において、緩衝面Ｓは、前述の他のタイプの表面であってもよい。
他の実施例において、図１８に示すように、第１壁面Ｂ１及び第３壁面Ｂ３に緩衝面Ｓが設置され、第２壁面Ｂ２に緩衝面が設置されない。本実施例において、緩衝面Ｓは、段差面であり、他の実施例において、緩衝面Ｓは、前述の他のタイプの表面であってもよい。
他の実施例において、図１９に示すように、第２壁面Ｂ２及び第３壁面Ｂ３に緩衝面Ｓが設置され、第１壁面Ｂ１に緩衝面が設置されない。本実施例において、緩衝面Ｓは、段差面であり、他の実施例において、緩衝面Ｓは、前述の他のタイプの表面であってもよい。
他の実施例において、図２０に示すように、第１壁面Ｂ１、第２壁面Ｂ２及び第３壁面Ｂ３に緩衝面Ｓが同時に設置される。本実施例において、緩衝面Ｓは、段差面であり、他の実施例において、緩衝面Ｓは、前述の他のタイプの表面であってもよい。異なる内壁面を選択して緩衝面Ｓを設置することにより最適な解決手段を得て、集電体１０の皺を最大限に減少させることを実現することができる。
図２１に示すように、電極シートは、第２活物質層１２をさらに含み、第２活物質層１２は、集電体１０の第１活物質層１１に背向する他面に設置され、第２活物質層１２に第２緩衝部Ｖ２が設置され、第２緩衝部Ｖ２に第２凹溝Ｃ２が形成され、前記第２緩衝部Ｖ２の構造が第１緩衝部Ｖ１の構造と同じである。
一実施例において、図２１に示すように、第１緩衝部Ｖ１と第２緩衝部Ｖ２は、正対する。
他の実施例において、図２２に示すように、第１緩衝部Ｖ１と第２緩衝部Ｖ２は、交互に設置される。
図１２及び図２３に示すように、集電体１０は、反対側に位置する第１側辺５及び第２側辺６を含む。
一実施例において、図１２に示すように、第１凹溝Ｃ１は、第１側辺５から第２側辺６へ伸び、同様に、第２凹溝Ｃ２も第１側辺５から第２側辺６へ伸びる。
他の実施例において、図２３に示すように、第１凹溝Ｃ１は、第１側辺５から第２側辺６へ伸び、逆に、第２凹溝Ｃ２は、第２側辺６から第１側辺５の方向へ伸びる。
以上に開示された内容は本開示の好ましい実施例にすぎず、本開示の特許請求の範囲を限定するものではなく、当業者であれば理解できるように、上記実施例を実現するための全部又は一部のフロー、及び本開示の請求項に基づいて行われた等価な変更は、依然として開示の範囲に属する。
電池１００
電池ケースＫ
捲回式電池セルＪ
電池上部カバーＧ
ボスＴ１
円筒状のボスＴ２
電解液注入口Ｄ
セパレータ３
電極シート１／２
集電体１０
第１活物質層１１
本体部Ｕ
第１内表面Ｎ１
外表面Ｗ
第１緩衝部Ｖ１
第１厚さＨ１
第１凹溝Ｃ１
第２内表面Ｎ２
緩衝面Ｓ
内壁面Ｂ
第２厚さＨ２
プレスロールＹ
第１壁面Ｂ１
第２壁面Ｂ２
第３壁面Ｂ３
第２活物質層１２
第２緩衝部Ｖ２
第２凹溝Ｃ２
第１側辺５
第２側辺６

Claims (10)

  1. 集電体と、前記集電体の表面に塗布された第１活物質層とを含む電極シートであって、
    前記第１活物質層は、互いに接続された本体部及び第１緩衝部を含み、
    前記本体部は、互いに背向する第１内表面及び外表面を含み、前記第１内表面が前記集電体に貼り合わされ、前記外表面が前記第１内表面に平行であり、前記外表面と前記第１内表面との垂直距離が第１厚さであり、
    前記第１緩衝部に第１凹溝が形成され、前記第１緩衝部は、第２内表面と、緩衝面と、前記第１凹溝を画定する内壁面とを含み、前記第２内表面は、前記第１内表面と重なり、前記緩衝面の一端が前記外表面に接続され、前記緩衝面の他端が前記内壁面に接続され、前記緩衝面と前記内壁面との接続箇所の交線から前記第２内表面までの垂直距離が第２厚さであり、前記第２厚さは、前記第１厚さより小さい、電極シート。
  2. 前記緩衝面は、曲面、斜面、段差面、曲面と斜面の組み合わせ、曲面と段差面の組み合わせ、斜面と段差面の組み合わせ、及び、曲面と段差面と斜面の組み合わせのいずれかを含む、請求項１に記載の電極シート。
  3. 前記緩衝面上の任意の１点から前記第２内表面までの垂直距離は、前記第１厚さより小さい、請求項２に記載の電極シート。
  4. 前記第１緩衝部の内壁面は、第１壁面、第２壁面及び第３壁面を含み、前記第１壁面は、前記第２壁面に対向し、前記第３壁面は、前記第１壁面及び前記第２壁面に接続され、前記第１壁面、前記第２壁面及び前記第３壁面の少なくとも１つの面の対応する位置に前記緩衝面が設置される、請求項１～３のいずれか一項に記載の電極シート。
  5. 前記第１緩衝部と前記本体部とは一体型構造である、請求項１～４のいずれか一項に記載の電極シート。
  6. 第２活物質層をさらに含み、前記第２活物質層は、前記集電体の前記第１活物質層に背向する他面に設置され、前記第２活物質層に第２緩衝部が設置され、前記第２緩衝部に第２凹溝が形成され、前記第２緩衝部の構造が前記第１緩衝部の構造と同じである、請求項１～５のいずれか一項に記載の電極シート。
  7. 前記第１緩衝部と前記第２緩衝部は、正対するか又は交互に設置される、請求項６に記載の電極シート。
  8. 前記集電体は、反対側に位置する第１側辺及び第２側辺を含み、前記第１凹溝は、前記第１側辺から前記第２側辺の方向に伸び、前記第２凹溝は、前記第１側辺から前記第２側辺の方向に伸びるか、又は、前記第２凹溝は、前記第２側辺から前記第１側辺の方向に伸びる、請求項６に記載の電極シート。
  9. セパレータと、請求項１～８のいずれか一項に記載の電極シートとを含み、２枚の前記電極シートの間に前記セパレータが設置される、捲回式電池セル。
  10. 請求項９に記載の捲回式電池セルを含む、電池。
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