JP7584530B2 - 電極組立体、電池セル、電池及び電力消費装置 - Google Patents

Description

本願は、２０２０年１０月２７日に提出された「電極組立体、電池セル、電池及び電力消費装置」という名称の中国特許出願２０２０２２４２１８３２．４の優先権を主張し、該出願の全ての内容は引用により本明細書に組み込まれる。

本願は、電池の分野に関し、特に電極組立体、電池セル、電池及び電力消費装置に関する。

再充電可能な電池は、二次電池と呼ばれてもよく、電池が放電した後に充電で活物質を活性化させて使用し続けることができる電池である。再充電可能な電池は、電子機器、例えば携帯電話、ノートパソコン、電動スクーター、電気自動車、電動飛行機、電動船舶、電動玩具自動車、電動玩具船舶、電動玩具飛行機及び電動ツール等に広く用いられている。

再充電可能な電池は、カドミウムニッケル電池、水素ニッケル電池、リチウムイオン電池及び亜鉛マンガンアルカリ二次電池等を含むことができる。

現在、自動車に多く使用される電池は通常リチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、再充電可能な電池として、体積が小さく、エネルギー密度が高く、電力密度が高く、サイクル使用回数が多くかつ記憶時間が長い等の利点を有する。

再充電可能な電池は電極組立体及び電解質溶液を含む。電極組立体は、正極シート、負極シート及び正極シートと負極シートとの間に位置するセパレータを含む。正極シートは、アノードシートと呼ばれてもよく、正極シートの二つの表面にいずれも正極活物質層を備える。例えば、正極活物質層の正極活物質は、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム又はニッケルコバルトマンガン酸リチウムであってもよい。負極シートは、カソードシートと呼ばれてもよく、負極シートの二つの表面にいずれも負極活物質層を備える。例えば、負極活物質層の負極活物質は、黒鉛又はケイ素であってもよい。

リチウム析出は、リチウムイオン電池のよく見られる異常現象であり、リチウムイオンの充電効率及びエネルギー密度に影響を与える。リチウム析出が深刻である場合にリチウム結晶を形成することができ、リチウム結晶は、セパレータを突き通すことにより内部短絡して熱暴走を引き起こし、電池の安全を深刻に損なうことができる。

したがって、どのようにリチウム析出を低減又は回避し、電池の安全を向上させるかは、業界の一つの課題となっている。

本願は、リチウム析出のリスクを低減し、安全性能を向上させることができる電極組立体、電池セル、電池及び電力消費装置を提供する。

本願の第１の態様は、正極集電体及び正極集電体の二つの表面に設置された正極活物質層を含む正極シートと、負極集電体及び負極集電体の二つの表面に設置された負極活物質層を含む負極シートとを備える電極組立体を提供する。正極シート及び負極シートは、巻回された後に折り曲げ領域を形成し、正極シートは折り曲げ領域に位置する第１の正極折り曲げ層を備え、負極シートは折り曲げ領域に位置する第１の負極折り曲げ層を備え、第１の正極折り曲げ層は第１の負極折り曲げ層の外側に位置し、かつ第１の負極折り曲げ層に隣接して設置されている。第１の負極折り曲げ層は、負極集電体を貫通する開口を有し、開口は、第１の正極折り曲げ層の正極活物質層から脱離された一部のイオンが開口を通過しかつ第１の負極折り曲げ層の負極集電体の内側に設置された負極活物質層に挿入されるように設置されている、。

第１の負極折り曲げ層の負極集電体の内側の負極活物質層は第１の正極折り曲げ層の正極活物質層に対しリチウム挿入空間を提供することができ、第１の負極折り曲げ層の負極集電体の外側の負極活物質層におけるリチウム析出のリスクを低減し、電極組立体の安全性能及び耐用年数を向上させることができる。

いくつかの実施例において、開口は負極集電体及び負極集電体の内側の負極活物質層を貫通する。他のいくつかの実施例において、開口は負極集電体及び負極集電体の外側の負極活物質層を貫通する。さらに他のいくつかの実施例において、開口は、負極集電体、負極集電体の外側の負極活物質層及び負極集電体の内側の負極活物質層を貫通する。

いくつかの実施例において、第１の負極折り曲げ層の負極活物質層は、第１の部分、第２の部分及び第３の部分を備え、第１の部分は、負極集電体の内側に設置され、第２の部分は、負極集電体の外側に設置され、第３の部分は、開口内に設置されかつ第１の部分と第２の部分とに接続されている。開口内に設置された第３の部分もリチウムイオンに対しリチウム挿入空間を提供することができ、それによりリチウム析出のリスクを低減することができる。

いくつかの実施例において、負極シートは、折り曲げ領域に位置する複数の負極折り曲げ層を備え、折り曲げ領域における最内側の一つの負極折り曲げ層は、第１の負極折り曲げ層である。折り曲げ領域における最内側の一つの負極折り曲げ層は、リチウム析出のリスクが最も高いため、このように設置されるとリチウム析出のリスクを効果的に低減することができる。

いくつかの実施例において、折り曲げ領域における最内側の一つの負極折り曲げ層のみは、第１の負極折り曲げ層である。このようにして開口の数量を減少させ、負極シートの製造プロセスを簡略化することができる。

いくつかの実施例において、折り曲げ領域における全ての負極折り曲げ層は、いずれも第１の負極折り曲げ層である。

いくつかの実施例において、開口は一つである。他のいくつかの実施例において、開口は非連続的な複数であり、複数の開口は折り曲げ領域の折り曲げ方向に沿って間隔を置いて分布されている。さらに他のいくつかの実施例において、複数の開口は、折り曲げ方向に垂直な方向に沿って間隔を置いて分布されている。複数の開口は、イオンチャネルをより均一に分布させ、イオンが負極集電体を通過する効率を向上させることができる。

いくつかの実施例において、折り曲げ方向に垂直な方向において、第１の負極折り曲げ層の寸法に対する開口の寸法の比が０．０５～１．００である。

いくつかの実施例において、電極組立体は、平坦領域を有し、折り曲げ領域は、二つであり、かつそれぞれ平坦領域の両端に接続されており、二つの折り曲げ領域は、いずれも第１の負極折り曲げ層を備える。

本願の第２の態様は、ケースと、カバープレートと、少なくとも一つの上記実施例の電極組立体を含む電池セルを提供する。ケースは、収容キャビティ及び開口を有し、電極組立体は、収容キャビティ内に収容されている。カバープレートは、ケースの開口を閉鎖する。

本願の第３の態様は、筐体と、少なくとも一つの上記実施例の電池セルとを含み、且つ、電池セルが筐体内に収容されている電池を提供する。

本願の第４の態様は、上記実施例の電池から供給された電気エネルギーを受け取るように設置される電力消費装置を提供する。

以下に図面を参照して本願の例示的な実施例の特徴、利点及び技術的効果を説明する。

本願の一つの実施例に係る電力消費装置の構造概略図である。 本願の一つの実施例に係る電池の構造概略図である。 本願の一つの実施例に係る電池モジュールの概略図である。 本願の一つの実施例に係る電池セルの構造概略図である。 本願の一つの実施例に係る電極組立体の立体構造概略図である。 図５の電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。 図６の電極組立体の折り曲げ領域の構造概略図である。 図７の折り曲げ領域の円枠部分Ａでの拡大概略図である。 本願の一つの実施例に係る電極組立体の負極シートが平坦化された後の構造概略図である。 本願の一つの実施例に係る電極組立体の正極シートが平坦化された後の構造概略図である。 本願の他の実施例に係る電極組立体の負極シートが平坦化された後の構造概略図である。 本願の他の実施例に係る電極組立体の負極シートが平坦化された後の構造概略図である。 本願の他の実施例に係る電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。 図１３の電極組立体のブロック部分Ｂでの拡大概略図である。 本願の他の実施例に係る電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。 図１５の電極組立体のブロック部分Ｃでの拡大概略図である。 本願の他の実施例に係る電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。 図１７の電極組立体のブロック部分Ｄでの拡大概略図である。 本願の他の実施例に係る電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。 図１９の電極組立体のブロック部分Ｅでの拡大概略図である。図面において、図面は、実際の縮尺で描かれない。

本願の実施例の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下、本願の実施例における図面を参照して、本願の実施例における技術案を明確で、完全に説明する。明らかに、説明された実施例は、単に本願の一部の実施例であり、全ての実施例ではない。本願における実施例に基づいて、当業者であれば、創造的労働をしない前提で得られた全ての他の実施例は、いずれも本願の保護範囲に属する。

他の定義がない限り、本明細書で使用された全ての技術及び科学用語は、本願の技術分野に属する技術者が通常に理解する意味と同じである。本明細書において、出願の明細書に使用された用語は単に具体的な実施例を説明することを目的とするものであり、本願を限定することを意図するものではない。本願の明細書及び特許請求の範囲及び前記図面の説明における「含む」及び「有する」との用語及びそれらの任意の変形は、非排他的な「包含」をカバーすることを意図する。

本願に言及された「実施例」は、実施例を参照して説明された特定の特徴、構造又は特性が本願の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所で当該文章が現れたことは、必ずしもいずれも同じ実施例を指すわけではなく、他の実施例と排他的な、独立した又は代替的な実施例でもない。当業者は、本願に説明された実施例が他の実施例に結合されることを明示的又は暗黙的に理解している。

本願における「及び／又は」という用語は、関連するオブジェクトの関連関係を説明するためのものに過ぎず、３種類の関係が存在できることを示す。例えば、Ａ及び／又はＢは、Ａが単独で存在する状況、ＡとＢが同時に存在する状況、Ｂが単独で存在する状況の３つの状況を示すことができる。また、本願における文字「／」は一般的に、前後に関連するオブジェクトが「又は」の関係であることを示す。

本願の説明において、理解すべきこととしては、用語「中心」、「縦方向」、「横方向」、「長さ」、「幅」、「厚さ」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「鉛直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」、「時計回り」、「反時計回り」、「軸方向」、「径方向」、「周方向」等で指示された方位又は位置関係は、図面に示した方位又は位置関係に基づいたものであり、単に、本願を容易に説明し、説明を簡略化するに過ぎず、指定された装置又は要素が必ず特定の方位を有し、特定の方位で構成され、操作しなければならないことを指示し又は暗示することでなく、したがって、本願に対する限定と理解することはできない。また、本願の明細書、特許請求の範囲又は上記図面における用語「第１」、「第２」等は異なるオブジェクトを区別するために用いられ、特定の順序を説明するためのものではなく、明示的又は暗示的に一つ又は複数の当該特徴を含むことができる。本願の説明において、他の説明がない限り、「複数」の意味は二つ又は二つ以上である。

本願の説明において、説明すべきものとしては、明確な規定及び限定がない限り、用語「取付」、「連結」、「接続」は広義に理解されるべきである。例えば、固定接続であってもよく、取り外し可能に接続されてもよく、又は一体的に接続されてもよく、機械的接続であってもよく、電気的接続であってもよく、直接接続されてもよく、中間媒体を介して間接的に接続されてもよく、二つの素子内部の連通であってもよい。当業者であれば、具体的な状況に応じて本願における上記用語の具体的な意味を理解することができる。

本願の実施例で説明された電池セル及び電池は、いずれも電力消費装置に適用され、電池セル及び電池は、電力消費装置に電気エネルギーを供給する。例えば、電力消費装置は、携帯電話、携帯型機器、ノートパソコン、電動スクーター、電気自動車、船舶、航空機、電動玩具及び電動ツール等であってもよい。例えば、航空機は、飛行機、ロケット、スペースシャトル及び宇宙船等を含む。電動玩具は、固定式又は移動式の電動玩具を含み、例えば、ゲーム機、電気自動車玩具、電動船舶玩具及び電動飛行機玩具等である。電動ツールは、金属切削電動ツール、研磨電動ツール、組立電動ツール及び鉄道用電動ツールを含み、例えば、電動ドリル、電動グラインダー、電動レンチ、電動ドライバ、電動ハンマ、衝撃電動ドリル、コンクリート振動器及び電気カンナ等がある。

本願の実施例に記載の電池セル及び電池は、上記説明した電力消費装置に適用することに限定されるものではなく、電池を使用する全ての装置に適用することができるが、説明を簡潔にするために、下記実施例はいずれも電気自動車を例として説明する。

例えば、図１に示すように、本願の一つの実施例に係る電力消費装置の構造概略図である。電力消費装置は車両１であってもよい。車両１は、エンジン駆動車、天然ガス自動車又は新エネルギー自動車であってもよい。新エネルギー自動車は、純電気自動車、ハイブリッド自動車又はレンジエクステンダー型自動車等であってもよい。車両１の内部に、電池２、コントローラ３及びモータ４が設置されてもよく、コントローラ３は、電池２がモータ４に電力を供給するように制御するために用いられる。例えば、車両１の底部、前部又は後部に電池２を設置することができる。電池２は、車両１の電力供給に用いられる。例えば、電池２は、車両１の操作電源として車両１の回路システムに用いられ、例えば、車両１の起動、ナビゲーション及び運転時の作業電力消費需要に用いられる。本願の他の実施例において、電池２は、車両１の操作電源とするだけでなく、車両１の駆動電源として燃料油又は天然ガスを代えて又は部分的に代えて車両１に駆動力を提供することができる。

異なる使用電力需要を満たすために、電池は、複数の電池セルを含むことができる。ここで、複数の電池セルの間は直列接続、並列接続、又は直並列接続されてもよく、直並列接続とは直列接続及び並列接続の混合を指す。好ましくは、複数の電池セルを、まず直列接続、並列接続又は直並列接続して電池モジュールを構成し、次に複数の電池モジュールを直列接続、並列接続又は直並列接続して電池を構成する。即ち、複数の電池セルは、直接的に電池を構成してもよく、先に電池モジュールを構成して、さらに電池モジュールから電池を構成してもよい。

本願の他の実施例において、図２に示すように、本願の一つの実施例に係る電池の構造概略図である。電池２は、一つ又は複数の電池モジュール２１を含む。例えば、電池２は複数の電池モジュール２１を含む。複数の電池モジュール２１は、直列接続、並列接続又は直並列接続されてもよく、直並列接続とは、直列接続及び並列接続の混合を指す。電池２は、筐体２２（又はカバー体と呼ばれる）をさらに含み、筐体２２の内部は中空構造であり、複数の電池モジュール２１は筐体２２内に収容されている。図２に示すように、筐体２２は二つの部分を有し、それぞれ第１の部分２３と第２の部分２４と呼ばれ、第１の部分２３と第２の部分２４とが互いに係合されている。第１の部分２３及び第２の部分２４の形状は、複数の電池モジュール２１の組み合わせの形状に応じて決定することができ、第１の部分２３及び第２の部分２４はいずれも一つの開口を有することができる。例えば、第１の部分２３と第２の部分２４は、いずれも中空の直方体であってもよく、かつそれぞれ一つの面のみが開口面である。第１の部分２３の開口と第２の部分２４の開口とが対向して設置されており、かつ第１の部分２３と第２の部分２４とが互いに係合されて密閉キャビティを有する筐体２２が形成される。複数の電池モジュール２１は、互いに並列接続、直列接続又は直並列接続されて組み合わせられた後に、第１の部分２３と第２の部分２４とが係合された後に形成された筐体２２内に設置される。

選択的に、電池２はさらに他の構造を含むことができ、ここで重複して説明しない。例えば、当該電池２は、さらにバスバーを含むことができる。バスバーは、複数の電池セルの間の電気的接続（例えば、並列接続、直列接続又は直並列接続）を実現するために用いられる。具体的には、バスバーは、電池セルの電極端子を接続することにより電池セルの間の電気的接続を実現することができる。さらに、バスバーは、溶接により電池セルの電極端子に固定されている。複数の電池セルの電気エネルギーは、さらに導電機構により筐体２２を通過して引き出されてもよい。選択的に、導電機構は、バスバーに属することもできる。

異なる電力需要に応じて、電池モジュール２１は一つ又は複数の電池セルを含むことができる。図３に示すように、電池モジュール２１は、複数の電池セル２５を含む。複数の電池セル２５は、直列接続、並列接続又は直並列接続で接続されて大きな容量又は電力を実現することができる。選択的に、電池モジュール２１は、さらにバスバー２６を含む。バスバー２６は、複数の電池セル２５の間の電気的接続（例えば、直列接続、並列接続又は直並列接続）を実現するために用いられる。例えば、電池セルは、リチウムイオン二次電池、リチウムイオン一次電池、リチウム硫黄電池、ナトリウムリチウムイオン電池又はマグネシウムイオン電池を含むが、これに限定されない。電池セルは、円柱体、扁平体、四角形又は他の形状等を呈する。例えば、図３に示すように、電池セルは、四角形構造である。

図４に示すように、本願の一つの実施例に係る電池セルの構造概略図である。電池セルは、ハウジング１０１及びハウジング１０１内に収容された一つ又は複数の電極組立体１００を備える。ハウジング１０１は、ケース１０２及びカバープレート１０３を備える。ケース１０２は、収容キャビティを有し、かつ開口を有する。即ち、当該平面は、ケース１０２の内外を連通するようにケース壁を有せず、それにより電極組立体１００はケース１０２の収容キャビティ内に収容される。カバープレート１０３とケース１０２とはケース１０２の開口に結合されて中空キャビティを形成する。電極組立体１００は、ハウジング１０１内に収容された後、ハウジング１０１内に電解液が充填されかつ密封される。

ケース１０２は、一つ以上の電極組立体１００が組み合わせた後の形状に応じて決定される。例えば、ケース１０２は、中空の直方体、中空の立方体又は中空の円柱体であってもよい。例えば、ケース１０２が中空の直方体又は立方体である場合、ケース１０２の一つの平面は開口面であり、即ち、当該平面はケース１０２の内外を連通するようにケース壁を有しない。ケース１０２が中空の円柱体である場合、ケース１０２の一つの円形側面は開口面であり、即ち、当該円形側面はケース１０２の内外を連通するようにケース壁を有しない。ケース１０２は、導電性金属材料又はプラスチックで製造されてもよい。選択的に、ケース１０２は、アルミニウム又はアルミニウム合金から製造される。

図５は、本願の一つの実施例に係る電極組立体の立体構造概略図である。図６は、図５の電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。図５及び図６に示すとおり、本願の実施例に係る電極組立体１００は、正極シート１１０、負極シート１２０及びセパレータ１３０を含む。ここで、正極シート１１０、負極シート１２０及びセパレータ１３０が積層された後に巻回軸線Ｋの周りに巻回されて巻回構造が形成される。セパレータ１３０は、負極シート１２０及び正極シート１１０を隔てるために用いられて負極シート１２０と正極シート１１０との短絡を防止する絶縁膜である。当該電極組立体１００の巻回構造は扁平体の形状であり、電極組立体１００の巻回軸線Ｋに垂直な方向に沿った断面の構造概略図は図６に示すとおりである。

図５及び図６に示すとおり、当該電極組立体１００は、折り曲げ領域１４０及び平坦領域１５０を有する。折り曲げ領域１４０は二つであり、かつそれぞれ平坦領域１５０の両端に接続されている。平坦領域１５０とは、当該巻回構造において平行構造を有する領域を指す。即ち、当該平坦領域１５０において、負極シート１２０、正極シート１１０及びセパレータ１３０は基本的に互いに平行である。即ち、電極組立体は、平坦領域１５０における各層の負極シート１２０、正極シート１１０及びセパレータ１３０の表面がいずれも平面である。折り曲げ領域１４０は、当該巻回構造において折り曲げ構造を有する領域を指す。即ち、当該折り曲げ領域１４０における負極シート１２０、正極シート１１０及びセパレータ１３０はいずれも折り曲げられている。即ち、電極組立体は、折り曲げ領域１４０における各層の負極シート１２０、正極シート１１０及びセパレータ１３０の表面がいずれも曲面である。当該折り曲げ領域１４０は折り曲げ方向Ｌを有し、当該折り曲げ方向Ｌは折り曲げ領域に沿って電極組立体の表面が平坦領域に指向する方向であると理解することができる。例えば、当該折り曲げ方向Ｌは、当該折り曲げ領域１４０において当該巻回構造の巻回方向に沿っている。

図７は、図６の電極組立体の折り曲げ領域の構造概略図である。図７に示すとおり、いくつかの例において、正極シート１１０は正極集電体１１１と正極集電体１１１の二つの表面に設置された正極活物質層１１２とを含み、負極シート１２０は負極集電体１２１と負極集電体１２１の二つの表面に設置された負極活物質層１２２とを含む。正極活物質層１１２は正極活物質を含む。例えば、正極活物質は、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム又はニッケルコバルトマンガン酸リチウムであってもよい。負極活物質層１２２は負極活物質を含む。負極活物質は黒鉛又はケイ素であってもよい。いくつかの例において、正極集電体１１１及び負極集電体１２１は金属箔材である。例えば、正極集電体１１１はアルミニウム箔であり、負極集電体１２１は銅箔である。

セパレータ１３０は、貫通した細孔を大量に有し、電解質イオンが自由に通過することを確保することができ、リチウムイオンに対して高い透過性を有するため、セパレータ１３０は基本的にリチウムイオンの通過を阻止することができない。例えば、セパレータ１３０はセパレータ基層とセパレータ基層の表面に位置する機能層とを有する。セパレータ基層はポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン－プロピレン共重合体、ポリブチレンテレフタレート等の少なくとも一種であってもよく、機能層はセラミック酸化物と接着剤の混合物層であってもよい。

正極シート１１０は、折り曲げ領域１４０に位置する正極折り曲げ層１１３を有し、負極シート１２０は折り曲げ領域１４０に位置する負極折り曲げ層１２３を有する。いくつかの例において、正極折り曲げ層１１３は複数であり、負極折り曲げ層１２３は複数であり、複数の正極折り曲げ層１１３と複数の負極折り曲げ層１２３とは交互に積層されている。セパレータ１３０は、隣接する正極折り曲げ層１１３と負極折り曲げ層１２３とを隔離する。

リチウムイオン電池は、充電時、リチウムイオンが正極シートから脱離されかつ負極シートに挿入されるが、いくつかの異常事態が発生する可能性がある。例えば、負極シートのリチウム挿入空間が不足してリチウムイオンの負極シートへの挿入抵抗が過大であるか又は正極シートからのリチウムイオンの脱離が速すぎることにより、脱離されたリチウムイオンは負極シートの負極活物質層に等量に挿入されず、負極シートに挿入できないリチウムイオンは負極シートの表面において電子を得るしかないため、金色の金属リチウム単体を形成し、これは、リチウム析出現象である。リチウム析出は、リチウムイオン電池の性能を低下させるだけでなく、サイクル寿命も大幅に減少させ、さらにリチウムイオン電池の急速充電容量を制限する。それ以外に、リチウムイオン電池がリチウム析出を発生した時、析出したリチウム金属は非常に活性であり、低い温度で電解液と反応することができ、電池の自己発熱開始温度（Ｔｏｎｓｅｔ）の低減及び自己発熱速度の増大を引き起こし、電池の安全を深刻に損なうことができる。また、リチウム析出が深刻である場合、脱離されたリチウムイオンは負極シートの表面にリチウム結晶を形成することができ、リチウム結晶がセパレータを突き刺しやすく、隣接する正極シートと負極シートとを短絡させるリスクがある。

発明者は、研究開発過程において、電極組立体がその折り曲げ領域においてリチウム析出現象が頻繁に発生することを発見した。更なる研究により、発明者は、当該リチウム析出現象を引き起こす原因を発見した。その原因として、折り曲げ領域１４０において、正極折り曲げ層１１３の半径はその内側の負極折り曲げ層１２３の半径より大きいため、正極折り曲げ層１１３の正極集電体１１１の内表面における正極活物質層１１２の弧長は負極折り曲げ層１２３の負極集電体１２１の外表面における負極活物質層１２２の弧長よりも大きく、正極折り曲げ層１１３の正極集電体１１１の内表面における正極活物質層１１２から脱離されたリチウムイオンはその内側の負極折り曲げ層１２３の負極活物質層１２２に挿入する時に負極活物質層１２２へのリチウム挿入空間が不足するため、リチウムイオン電池は充電時にリチウム析出現象が発生しやすい。

これに鑑みて、本願は、正極集電体１１１及び正極集電体１１１の二つの表面に設置された正極活物質層１１２を含む正極シート１１０と、負極集電体１２１及び負極集電体１２１の二つの表面に設置された負極活物質層１２２を含む負極シート１２０とを備える、電極組立体１００を提供する。正極シート１１０及び負極シート１２０は、巻回された後に折り曲げ領域１４０を形成する。

図８は、図７の折り曲げ領域の円枠部分Ａでの拡大概略図である。図８に示すとおり、正極シート１１０は、折り曲げ領域１４０に位置する第１の正極折り曲げ層１１３ａを備え、負極シート１２０は、折り曲げ領域１４０に位置する第１の負極折り曲げ層１２３ａを備える。第１の正極折り曲げ層１１３ａは、第１の負極折り曲げ層１２３ａの外側に位置しかつ第１の負極折り曲げ層１２３ａに隣接して設置されている。セパレータ１３０は、第１の正極折り曲げ層１１３ａと第１の負極折り曲げ層１２３ａとを隔離する。

第１の負極折り曲げ層１２３ａは、負極集電体１２１を貫通した開口Ｈ１を有する。開口Ｈ１は、第１の正極折り曲げ層１１３ａの正極活物質層１１２から脱離された一部のイオンが開口Ｈ１を通過しかつ第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極集電体１２１の内側に設置された負極活物質層１２２に挿入されるように設置されている。開口Ｈ１は、第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極集電体１２１に開設されたイオンチャネルである。

第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極集電体１２１の内側の負極活物質層１２２は、第１の正極折り曲げ層１１３ａの正極活物質層１１２にリチウム挿入空間を提供することができ、第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極集電体１２１の外側の負極活物質層１２２がリチウム析出を発生するリスクを低減させ、電極組立体１００の安全性能及び耐用年数を向上させることができる。

また、第１の負極折り曲げ層１２３ａの半径は、その内側の正極折り曲げ層の半径よりも大きいため、第１の正極折り曲げ層１１３ａの正極活物質層１１２から脱離された一部のイオンが第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極集電体１２１の内側に設置された負極活物質層１２２に挿入されても、第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極集電体１２１の内側の負極活物質層１２２は依然として第１の負極折り曲げ層１２３ａの内側の正極折り曲げ層の正極活物質層１１２から脱離されたイオンにリチウム挿入空間を提供することができ、第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極集電体１２１の内側の負極活物質層１２２がリチウム析出を発生するリスクを回避することができる。

本願の他の実施例において、図８を参照し、開口Ｈ１は、負極集電体１２１及び負極集電体１２１の外側の負極活物質層１２２を貫通する。開口Ｈ１は、第１正極折り曲げ層１１３ａに向かって開口する凹溝である。

第１の負極折り曲げ層１２３ａの負極活物質層１２２は、第１の部分１２２１及び第２の部分１２２２を有する。第１の部分１２２１は負極集電体１２１の内側に設置され、第２の部分１２２２は負極集電体１２１の外側に設置され、開口Ｈ１は第２の部分１２２２及び負極集電体１２１を貫通する。第１部分１２２１は、開口Ｈ１を内側から覆う。

本願の他の実施例において、折り曲げ領域１４０の最内側の一つの負極折り曲げ層１２３は第１の負極折り曲げ層１２３ａである。折り曲げ領域１４０の最内側の電極シートの折り曲げの程度は最も大きく、最内側の一つの負極折り曲げ層と当該負極折り曲げ層の外側に位置する正極折り曲げ層との半径の差が大きい。即ち、折り曲げ領域１４０の最内側の一つの負極折り曲げ層１２３はリチウム析出を発生するリスクが最も高い。したがって、少なくとも折り曲げ領域１４０の最内側の一つの負極折り曲げ層１２３は、開口Ｈ１が設けられた第１の負極折り曲げ層１２３ａである。

本願の他の実施例において、折り曲げ領域１４０の最内側の一つの負極折り曲げ層１２３は第１の負極折り曲げ層１２３ａである。このようにして開口Ｈ１の数量を減少させ、負極シート１２０の製造プロセスを簡略化することができる。

図９は、本願の実施例に係る電極組立体の負極シートが平坦化された後の構造概略図である。図９を参照すると、負極集電体１２１は、負極本体部１２１１と負極本体部１２１１から延びる負極タブ部１２１２とを有する。負極活物質層１２２は、少なくとも一部が負極本体部１２１１の表面に塗布されている。いくつかの例において、負極タブ部１２１２は複数であり、負極シート１２０が巻回状態にある場合に、複数の負極タブ部１２１２は互いに積層されている。

平坦化状態で、負極シート１２０は、複数の負極折り曲げ層１２３及び複数の負極平坦層１２４を有する。負極シート１２０の長さ方向Ｘに沿って、複数の負極平坦層１２４と複数の負極折り曲げ層１２３とが交互に設置されている。巻回成形された電極組立体１００において、複数の負極平坦層１２４は、電極組立体１００の平坦領域１５０に位置し、複数の負極折り曲げ層１２３は電極組立体１００の折り曲げ領域１４０に位置する。

いくつかの実施例において、二つの折り曲げ領域１４０はいずれも第１の負極折り曲げ層１２３ａを備える。例えば、図９を参照し、負極シート１２０の二つの隣接する負極折り曲げ層１２３に開口Ｈ１が形成され、負極シート１２０が巻回成形された後、この二つの隣接する負極折り曲げ層１２３は二つの第１の負極折り曲げ層１２３ａであり、かつそれぞれ二つの折り曲げ領域１４０に位置する。いくつかの例において、この二つの隣接する負極折り曲げ層１２３は、それぞれ二つの折り曲げ領域１４０の最内側の負極折り曲げ層１２３である。

いくつかの実施例において、第１の負極折り曲げ層１２３ａの開口Ｈ１は一つである。図９に示すとおり、開口Ｈ１は負極シートの幅方向Ｙに沿って延びる帯状孔である。巻回成形された電極組立体１００において、幅方向Ｙは巻回軸線Ｋに平行であり、かつ折り曲げ方向Ｌに垂直である。

折り曲げ方向Ｌに垂直な方向において、第１の負極折り曲げ層１２３ａの寸法ｄ２に対する開口Ｈ１の寸法ｄ１の比は、０．０５～１．００である。当該比が０．０５より小さいと、開口Ｈ１のサイズが小さく、開口Ｈ１で形成されたイオンチャネルも小さくなり、イオンの通過効率に影響を与える。

図１０は、本願の一つの実施例に係る電極組立体の正極シートが平坦化された後の構造概略図である。図１０を参照すると、正極集電体１１１は、正極本体部１１１１と正極本体部１１１１から延びる正極タブ部１１１２とを有する。正極活物質層１１２は、少なくとも一部が正極本体部１１１１の表面に塗布されている。いくつかの例において、正極タブ部１１１２は複数であり、正極シート１１０が巻回状態にある場合に複数の正極タブ部１１１２が互いに積層されている。

平坦化状態で、正極シート１１０は、複数の正極折り曲げ層１１３及び複数の正極平坦層１１４を備える。正極シート１１０の長さ方向Ｘに沿って、複数の正極平坦層１１４及び複数の正極折り曲げ層１１３が交互に配置されている。巻回成形された電極組立体１００において、複数の正極平坦層１１４は電極組立体１００の平坦領域１５０に位置し、複数の正極折り曲げ層１１３は電極組立体１００の折り曲げ領域１４０に位置している。

図１１は、本願の他の実施例に係る電極組立体の負極シートが平坦化された後の構造概略図である。図１１を参照すると、開口Ｈ１は非連続的な複数であり、複数の開口Ｈ１は折り曲げ領域１４０の折り曲げ方向Ｌに沿って間隔を置いて分布されている。複数の開口Ｈ１は、イオンチャネルをより均一に分布させ、イオンが負極集電体１２１を通過する効率を向上させることができる。いくつかの例において、各開口Ｈ１は幅方向Ｙに沿って延びる帯状孔である。折り曲げ方向Ｌに垂直な方向において、第１の負極折り曲げ層１２３ａの寸法に対する各開口Ｈ１の寸法の比は、０．０５～１．００である。

図１２は、本願の別の実施例に係る電極組立体の負極シートが平坦化された後の構造概略図である。図１２を参照すると、複数の開口Ｈ１は折り曲げ方向Ｌに垂直な方向に沿って間隔を置いて分布されている。複数の開口Ｈ１は、イオンチャネルをより均一に分布させ、イオンが負極集電体１２１を通過する効率を向上させることができる。いくつかの例において、各開口Ｈ１は長さ方向Ｘに沿って延びる帯状孔である。折り曲げ方向Ｌに垂直な方向において、第１の負極折り曲げ層１２３ａの寸法に対する各開口Ｈ１の寸法の比は０．０５～０．２である。

図１３は、本願の他の実施例に係る電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。図１４は、図１３の電極組立体のブロック部分Ｂでの拡大概略図である。

図１３及び１４に示すとおり、本願の実施例は、正極集電体２１１及び正極集電体２１１の二つの表面に設置された正極活物質層２１２を含む正極シート２１０と、負極集電体２２１及び負極集電体２２１の二つの表面に設置された負極活物質層を含む負極シート２２０とを備える、電極組立体２００をさらに提供する。正極シート２１０及び負極シート２２０は、巻回された後に折り曲げ領域２４０及び平坦領域２５０を形成する。

正極シート２１０は、折り曲げ領域２４０に位置する第１の正極折り曲げ層２１３ａを備え、負極シート２２０は折り曲げ領域２４０に位置する第１の負極折り曲げ層２２３ａを備え、第１の正極折り曲げ層２１３ａは、第１の負極折り曲げ層２２３ａの外側に位置しかつ第１の負極折り曲げ層２２３ａに隣接して設置されている。セパレータ２３０は、第１正極折り曲げ層２１３ａと第１負極折り曲げ層２２３ａとを隔離する。

第１の負極折り曲げ層２２３ａは、負極集電体２２１を貫通する開口Ｈ２を有する。開口Ｈ２は、第１の正極折り曲げ層２１３ａの正極活物質層２１２から脱離された一部のイオンが開口Ｈ２を通過しかつ第１の負極折り曲げ層２２３ａの負極集電体２２１の内側に設置された負極活物質層に挿入されるように設置されている。開口Ｈ２は、第１負極折り曲げ層２２３ａの負極集電体２２１に開設されたイオンチャネルである。

開口Ｈ２は、負極集電体１２１及び負極集電体１２１の内側の負極活物質層を貫通する。第１の負極折り曲げ層２２３ａの負極活物質層は、第１の部分２２２１及び第２の部分２２２２を備える。第１の部分２２２１は負極集電体２２１の内側に設置され、第２の部分２２２２は負極集電体２２１の外側に設置され、開口Ｈ２は第１の部分２２２１及び負極集電体２２１を貫通する。第２部分２２２２は、外側から開口Ｈ２を覆う。なお、イオンが負極活物質層中を移動することができ、第２の部分２２２２がイオンの開口Ｈ２への通過を阻止しない。

図１５は、本願の他の実施例に係る電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。図１６は、図１５の電極組立体のブロック部分Ｃでの拡大概略図である。

図１５及び１６に示すとおり、本願の実施例は、正極集電体３１１及び正極集電体３１１の二つの表面に設置された正極活物質層３１２を含む正極シート３１０と、負極集電体３２１及び負極集電体３２１の二つの表面に設置された負極活物質層を含む負極シート３２０とを備える電極組立体３００をさらに提供する。正極シート３１０及び負極シート３２０は、巻回された後に折り曲げ領域３４０及び平坦領域３５０を形成する。

正極シート３１０は、折り曲げ領域３４０に位置する第１の正極折り曲げ層３１３ａを備え、負極シート３２０は、折り曲げ領域３４０に位置する第１の負極折り曲げ層３２３ａを備え、第１の正極折り曲げ層３１３ａは第１の負極折り曲げ層３２３ａの外側に位置しかつ第１の負極折り曲げ層３２３ａに隣接して設置されている。セパレータ３３０は、第１正極折り曲げ層３１３ａと第１負極折り曲げ層３２３ａとを隔離する。

第１の負極折り曲げ層３２３ａは、負極集電体３２１を貫通する開口Ｈ３を有する。開口Ｈ３は、第１の正極折り曲げ層３１３ａの正極活物質層３１２から脱離された一部のイオンが開口Ｈ３を通過しかつ第１の負極折り曲げ層３２３ａの負極集電体３２１の内側に設置された負極活物質層に挿入されるように設置されている。開口Ｈ３は、第１の負極折り曲げ層３２３ａの負極集電体３２１に開設されたイオンチャネルである。

開口Ｈ３は、負極集電体３２１、負極集電体３２１の外側の負極活物質層及び負極集電体３２１の内側の負極活物質層を貫通する。第１の負極折り曲げ層３２３ａの負極活物質層は第１の部分３２２１及び第２の部分３２２２を有する。第１の部分３２２１は負極集電体３２１の内側に設置され、第２の部分３２２２は負極集電体３２１の外側に設置され、開口Ｈ３は第１の部分３２２１、負極集電体３２１及び第２の部分３２２２を貫通する。開口Ｈ３は、打ち抜きにより形成され、負極シート３２０の成形プロセスを簡略化することができる。

図１７は、本願の他の実施例に係る電極組立体の巻回軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。図１８は、図１７の電極組立体のブロック部分Ｄでの拡大概略図である。

図１７及び１８に示すとおり、本願の実施例は、正極集電体４１１及び正極集電体４１１の二つの表面に設置された正極活物質層４１２を含む正極シート４１０と、負極集電体４２１及び負極集電体４２１の二つの表面に設置された負極活物質層を含む負極シート４２０とを備える電極組立体４００をさらに提供する。正極シート４１０及び負極シート４２０は巻回された後に折り曲げ領域４４０及び平坦領域４５０を形成する。

正極シート４１０は、折り曲げ領域４４０に位置する第１の正極折り曲げ層４１３ａを備え、負極シート４２０は、折り曲げ領域４４０に位置する第１の負極折り曲げ層４２３ａを備え、第１の正極折り曲げ層４１３ａは、第１の負極折り曲げ層４２３ａの外側に位置しかつ第１の負極折り曲げ層４２３ａに隣接して設置されている。セパレータ４３０は、第１正極折り曲げ層４１３ａと第１負極折り曲げ層４２３ａとを隔離する。

第１の負極折り曲げ層４２３ａは負極集電体４２１を貫通する開口Ｈ４を有する。開口Ｈ４は、第１の正極折り曲げ層４１３ａの正極活物質層４１２から脱離された一部のイオンが開口Ｈ４を通過しかつ第１の負極折り曲げ層４２３ａの負極集電体４２１の内側に設置された負極活物質層に挿入されるように設置されている。開口Ｈ４は、第１負極折り曲げ層４２３ａの負極集電体４２１に開設されたイオンチャネルである。

第１の負極折り曲げ層４２３ａの負極活物質層は第１の部分４２２１、第２の部分４２２２及び第３の部分４２２３を備える。第１の部分４２２１は負極集電体４２１の内側に設置され、第２の部分４２２２は負極集電体４２１の外側に設置され、第３の部分４２２３は開口Ｈ４内に設置されかつ第１の部分４２２１と第２の部分４２２２とに接続されている。開口Ｈ４内に設置された第３の部分４２２３もリチウムイオンにリチウム挿入空間を提供することで、リチウム析出のリスクを低減することができる。

図１９は、本願の他の実施例に係る電極組立体の巻取り軸線に垂直な方向に沿った断面の構造概略図である。図２０は、図１９の電極組立体のブロック部分Ｅでの拡大概略図である。

図１９及び２０に示すとおり、本願の実施例は、正極集電体５１１及び正極集電体５１１の二つの表面に設置された正極活物質層５１２を含む正極シート５１０と、負極集電体５２１及び負極集電体５２１の二つの表面に設置された負極活物質層を含む負極シート５２０とを備える電極組立体５００をさらに提供する。正極シート５１０及び負極シート５２０は巻回された後に折り曲げ領域５４０及び平坦領域５５０を形成する。

正極シート５１０は、折り曲げ領域５４０に位置する複数の正極折り曲げ層５１３を備え、負極シート５２０は、折り曲げ領域５４０に位置する複数の負極折り曲げ層を備える。複数の正極折り曲げ層５１３と複数の負極折り曲げ層とは交互に設けられている。折り曲げ領域５４０の全ての負極折り曲げ層は、いずれも第１の負極折り曲げ層５２３ａである。ここで、各第１の負極折り曲げ層５２３ａは、負極集電体５２１を貫通する開口Ｈ５を有する。開口Ｈ５は、第１負極折り曲げ層５２３ａの負極集電体５２１に開設さられたイオンチャネルである。

各第１の負極折り曲げ層５２３ａの負極活物質層は第１の部分５２２１、第２の部分５２２２及び第３の部分５２２３を有する。第１の部分５２２１は、負極集電体５２１の内側に設置され、第２の部分５２２２は負極集電体５２１の外側に設置され、第３の部分５２２３は開口Ｈ５内に設置され、かつ第１の部分５２２１と第２の部分５２２２とに接続されている。開口Ｈ５内に設置された第３の部分５２２３もリチウムイオンにリチウム挿入空間を提供することで、リチウム析出のリスクを低減することができる。

他の実施例において、いくつかの負極折り曲げ層は、開口Ｈ５を有する第１の負極折り曲げ層５２３ａであり、他のいくつかの負極折り曲げ層は、開口Ｈ５を有しない第２の負極折り曲げ層である。

好ましい実施例を参照して本願を説明したが、本願の範囲から逸脱しない場合、それに様々な改良を行うことができかつ等価物でその中の部材を置換することができる。特に、構造衝突が存在しない限り、各実施例に言及された各技術的特徴はいずれも任意の方式で組み合わせることができる。本願は本明細書に開示された特定の実施例に限定されるものではなく、請求項の範囲内に属する全ての技術的解決手段を含む。

Claims (7)

1. 正極集電体及び前記正極集電体の二つの表面に設置された正極活物質層を含む正極シートと、負極集電体及び前記負極集電体の二つの表面に設置された負極活物質層を含む負極シートとを備え、
   前記正極シート及び前記負極シートは、巻回された後に折り曲げ領域を形成し、前記正極シートは前記折り曲げ領域に位置する第１の正極折り曲げ層を備え、前記負極シートは前記折り曲げ領域に位置する第１の負極折り曲げ層を備え、前記第１の正極折り曲げ層は前記第１の負極折り曲げ層の外側に位置し、かつ前記第１の負極折り曲げ層に隣接して設置されており、
   前記第１の負極折り曲げ層は、前記負極集電体を貫通する開口を有し、前記開口は、前記第１の正極折り曲げ層の前記正極活物質層から脱離された一部のイオンが前記開口を通過しかつ前記第１の負極折り曲げ層の前記負極集電体の内側に設置された前記負極活物質層に挿入されるように設置されており、
   前記開口は、前記負極集電体及び前記負極集電体の内側の前記負極活物質層を貫通し、
   又は、
   前記開口は、前記負極集電体及び前記負極集電体の外側の前記負極活物質層を貫通し、
   又は、
   前記開口は、前記負極集電体、前記負極集電体の外側の前記負極活物質層及び前記負極集電体の内側の前記負極活物質層を貫通し、
   前記負極シートは、前記折り曲げ領域に位置する複数の負極折り曲げ層を備え、前記折
   り曲げ領域における最内側の一つの前記負極折り曲げ層のみは、前記第１の負極折り曲げ層である、電極組立体。
2. 前記開口は、一つであり、又は、
   前記開口は、非連続的な複数であり、複数の前記開口は前記折り曲げ領域の折り曲げ方向に沿って間隔を置いて分布されている請求項１に記載の電極組立体。
3. 前記折り曲げ方向に垂直な方向において、前記第１の負極折り曲げ層の寸法に対する前記開口の寸法の比が０．０５～１．００である、請求項２に記載の電極組立体。
4. 前記電極組立体は、平坦領域を有し、前記折り曲げ領域は、二つであり、かつそれぞれ前記平坦領域の両端に接続されており、二つの前記折り曲げ領域は、いずれも前記第１の負極折り曲げ層を備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電極組立体。
5. ケースと、カバープレートと、少なくとも一つの請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電極組立体とを含み、
   前記ケースは、収容キャビティ及び開口を有し、前記電極組立体は、前記収容キャビティ内に収容されており、
   前記カバープレートは、前記ケースの開口を閉鎖する、電池セル。
6. 筐体と少なくとも一つの請求項５に記載の電池セルとを含み、且つ、前記電池セルが前記筐体内に収容されている、電池。
7. 電気エネルギーを供給するための請求項６に記載の電池を備える電力消費装置。

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