201242146 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具新穎結構之電極組件及其製備方 法’尤指一種陰極/分隔器/陽極結構之電極組件及其製備方 法’其中複數個第一單位電極和第二電極片纏繞，使第一 單位電極經由分隔片相對於第二電極片，且第一電極和第 二電極係為相對極性。 【先前技術】 隨著行動裝置曰益發達，與對行動裝置之需求增加， 以二次電池作為行動裝置能源的需求也急劇增加。因此， 許多二次電池研究已將完成以滿足各種需要。 關於電池之外型，對於稜形二次電池或袋形二次電池 之需求為其薄到可以應用於到產品（如行動電話）中，是非常 重要。關於電池之材料，如鋰離子電池和鋰離子聚合物電 池之一次鋰電池，顯示高能量密度放電電壓和功率穩定的 需求是非常高。 另一方面，二次電池可依構造上分類為具有一種陰極/ 分隔器/陽極結構之電極組件。例如，在電極組件可由長板 型（long-sheet type)陰極和長板型陽極之果凍捲（纏繞）型 結構構成為纏繞之狀態，且分隔器係分別設置於陰極和陽 極之間；或在複數個陰極和陽極依預定尺寸依次堆疊之態 樣，且分隔器係分別設置於陰極和陽極之間。 然而，這種傳統的電極組件有以下幾個問題。 201242146 首先，膠狀捲筒式(jelly-r〇ll type)電極組件係由密集纏 繞之長板型陰極和長板型陽極製備，其結果使膠狀捲筒式 電極組件在剖面上為圓形或橢圓形β因此，在電池充放電 期間’由電極膨脹或收縮造成之應力，可能會積聚在電極 組件，而且’當應力累積超過特定限制時，該電極組件可 能會變形。電極組件變形的結果將使電極之間的間隙不一 致。因此，電池的性能可能會突然惡化，由於電池内部短 路，無法確保電池的安全。此外，也很難迅速地缠繞長板 型陰極和長板型陽極’而維持陰極和陽極之間間隙的一致 性，其結果使產率下降。 其次’堆疊型電極組件係依序堆疊複數個單位陰極和 複數個單位陽極製備《因此，需要另外提供一個傳輸電極 板的過程’其用於製備單位陰極和單位陽極。此外，很多 時間和努力都必須在依序堆疊的過程中執行，其結果使產 率下降。 為了解決上述問題，發展出一種堆疊/折疊型 (stack/folding type)電極組件，其係結合膠狀捲筒式電極組 件和堆疊型電極組件。堆叠/折疊型電極組件係配置有一個 結構，其中複數個陰極和陽極依預定尺寸堆疊，且該分隔 器係分別設置於陰極和陽極之間之態樣，因而構成一個二 分電池（bi-cell)或完全電池（full ceii)，然後，複數個 二分電池或完全電池在纏繞的狀態，其二分電池或完全電 池係設置於長分隔片。詳細的堆疊/折疊型電極組件係揭露 4 201242146 於韓國申請專利公開案號2001-0082058、2001-0082059和 2001-0082060，並在本專利申請案已提交申請人名稱。 圖1和2係為典型地說明製備傳統堆疊/折疊型電極組 件之實例過程。 併參這些圖式，堆疊/折疊型電極組件係製備，例如， 二分電池10 ’ 11，12，13和14，設置在長分隔片20，且由 分隔片20之一端21依序纏繞二分電池1〇，1卜12，13和14。 圖3係堆疊/折疊型電極組件，採用上述方法製備，解 決膠狀捲筒式電極組件和堆疊型電極組件造成之問題。當 堆疊/折疊型電極組件安裝於電池殼體以製備二次電池 時’然而，該堆疊/折疊型電極組件係顯示出低安全性。例 如’當外部衝擊施加於二次電池時，電極組件被推擠，結 果在陰極凸出部（cathode tabs ) 31和電池本體之間或陽極 凸出部（anode tabs ) 32和電池本體之間可能發生内部短路。 也就是說’當某些物體由於外力作用擠壓電池，陰極 凸出部31或陽極凸出部32接觸到電池本體的相反電極，其 結果是可能發生短路。由於短路，電極活性材料發生反應， 使電極活性材料的溫度增加。此外，在例子中，陰極活性 材料係由鋰過渡金屬氧化物製成，顯現出低導電性，由於 短路致使電池的燃燒或爆炸更加快，大量的熱量由陰極活 性材料生成。 此外，在陽極V型成型過程中，為了焊接陽極凸出部” 至陽極導線（anodelead) 33 ’ -些陽極凸出部32可能被切 割。 201242146 因此’對電極組件使用簡單的製備程序製備，安全的 使用期限，甚至在外力施加到二次電池時二次電池的安全 性*有高度的必要性。 【發明内容】 因此’本發明係為解決上述問題，以及其它尚未解決 之技術問題》 各種廣泛而深入的研究和實驗之結果，以解決如上所 述之問題，本申請案的發明人發現，當電極組件配置有一 個結構’其中複數個第一單位電極和第二電極片纏繞，使 第一單位電極經由分隔片相對於第二電極片，且第一電極 和第二電極係為相對極性，它可以防止由於外部作用力造 成第一電極凸出部和第二電極凸出部之間發生短路而使電 池產生熱量，藉以提高電池的安全性，且在電池製備期間， 第二電極凸出部焊接至第二電極導線之程序是沒有必要執 行，從而大幅提高產率。本發明係根據這些發現完成。 依照本發明的一個態樣，上述和其它目的可由提供一 陰極/分隔器/陽極結構之電極組件完成，其中複數個第一單 位電極和第二電極片纏繞，使第一單位電極經由分隔片相 對於第二電極片，且第一電極和第二電極係為相對極性。 根據本發明’第一電極和第二電極為相對極性，且第 單位電極和第二電極片缠繞，使第一單位電極經由分隔 片相對於第二電極片。因此，它可以防止可能由於電池掉 落或振動而使電極凸出部之間接觸而造成之内部短路所造 成電池的燃燒或爆炸，藉以提高電池的安全性。 201242146 具體來說，第二電極係由單獨薄片形成，同時第二個 電極並不包括複數個第二電極片。因此，可以從根本上防 止電極凸出部接觸到相對之電極。 此外’第二電極凸出部熱焊接至電極導線之程序是沒 有必要執行，因此，在第二電極凸出部熱焊接至電極導線 期間，它可以排除部分第二電極凸出部被切割的可能。 此外，在第二電極形成凸出部或依附凸出部至第二電 極以製備單位電極之程序是沒有必要執行，因此，將可以 減少電池製備的程序’因而提高產率。 一在-較佳實例中H组件係、配置有—個結構，在一
-分隔片’與第二分隔片在分隔片縱向方向（沿長度方向) 之每個第一單位電極之寬度依序纏繞。 一分隔片，與第二
卿笫一單位電極之寬度依序纏繞。
，在一態樣中， 一單位電極之寬度依序纏繞。 二電極片係依序設置在 第一分隔片，第二電極 (沿長度方向）之每個 201242146 第一電極可為陰極，而第二電極可為陽極。另一方面， 第個可為陽極，而第二電極可為陰極。 同時’第-單位電極可由塗佈具有第一電極活性材料於 -電極集流器之相對主要表面而製備之電極，而第二電 極片可由塗佈具有第二電極活性材料於第—電極集流器之 相對主要表面而製備之電極。 例如，在一例子中，其第一電極是陰極和第二電極是 陽極’陰極製備係透過塗覆、烘乾與施壓陰極活性材料、 導電劑和黏著劑之混合物至陰極集流器之相對主要表面。 如果需要的話，可添加填充物到混合物中。 一般情況下，陰極集流器之厚度為3至5〇〇私陰極集 流器並沒有特別限制，只要陰極集流器具有高導電性且 在使用時，陰極集流器在電池内不會引起任何化學變化。 例如，陰極集流器可由不銹鋼，鋁’鎳，鈦或塑料碳（Wash carbon)製成。另外，陰極集流器可由經碳，鎳，鈦或銀表面 處理之鋁或不銹鋼製成》陰極集流器可具有微凹凸部分形 成於表面，以增加陰極活性材料之吸附能力。陰極集流器 可由各種形式構成，如一薄膜、片狀、箔、網、發泡體和 非編織纖維體。 在二次鋰電池之例子，陰極活性材料可以是一層狀化 合物，但不局限於此，如氧化鈷鋰（uc〇〇2)或氧化鎳鋰 (LiNi〇2) ’或由一個或多個過渡金屬取代之化合物；化 學式Li1+xMn2_x〇4 (其中，X = 〇至〇 33 )代表之鐘猛氧化物 或裡猛氧化物’如LiMn03，LiMn203或LiMn02 ;氧化銅鋰 201242146 2CU〇2)，飢氧化物，如LiV308，LiFe304，v205 或 cu2v2〇7;化學式LiNii具〇2 (其中，Mm，銅， 鐵:鎮’蝴或鎵’且x = 〇.〇li〇 3)代表之錄設置經鎳氧化 物化學式LiMn2 · xMx02 (其中，μ =姑，鎮、，鐵，鉻，鋅 或鈕和χ = 〇.01至0.1 )或化學式Li2Mn3M08 (其中，μ = 鐵，鈷’鎳，銅和辞）代表之鋰錳複合氧化物；LiMn2〇4 化學式中具有部分鋰被鹼土金屬離子取代之；二硫化合 物；或Fe2 ( Mo〇4) 3 » 導電劑的添加量一般係依據含有陰極活性材料之化合 物總重量，其導電劑佔1至50重量百分比。該導電劑並沒有 特別限制，只要導電劑具有高導電性，且在使用時，導電 劑在電池内不會引起任何化學變化。例如，石墨，如天然 石墨或人造石墨；碳黑’如碳黑’乙炔碳黑，柯琴黑（Ketjen black) ’ 槽黑（channel black)，爐黑（furnace black)， 燈黑（lamp black)，夏黑（sunimer black);導電纖維， 如碳纖維或金屬纖維；金屬粉末，如氟化碳粉，鋁粉或鎳 粉；導電晶鬚’如氧化鋅和鈦酸鉀；導電金屬氧化物，如 鈦氧化物；或聚苯衍生物（polyphenylene derivatives)可用作 導電劑。 黏著劑是協助活性材料和導電劑之間結合和集流器結 合。一般結合劑的添加量，係依據含有陰極活性材料之化 合物總重量，佔1至50重量百分比。一黏著劑例子，可使用 聚偏氟乙稀（polyvinylidene fluoride)、聚乙稀醇（polyvinyl alcohol)、羧甲基纖維素（CMC)、澱粉（starch)、羥丙基 201242146 纖維素（hydroxypropylcellulose)、再生纖維素（regenerated cellulose)、聚乙稀0比鳴·院酮（polyvinyl pyrollidone)、四 氟乙烯（tetrafluoroethylene)、聚乙烯（polyethylene)、聚丙烯 (polypropylene)、乙烯-丙烯二烯三元共聚物（EPDM)、 續化EPDM ’ 苯乙稀丁二稀橡膠（styrene butadiene rubber)、 氟橡膠及各種共聚物。 填充物係用於抑制陰極膨脹之任一成份。填充物並沒 有特別的限制’只要在使用時，電池内不會引起任何化學 變化’且可由織維材料製成。如填充物的例子，可使用烯 經聚合物’如聚乙稀（polyethylene)、聚丙稀（polypropylene) 和織維材料，如玻璃纖維和碳纖維。 另一方面’陽極製備係透過塗覆、烘乾與施壓陽極活 性材料至陽極集流器。導電劑、黏著劑和填充物係如先前 敘述，可視需要選擇性地添加至陽極活性材料。 一般情況下’陽極集流器之厚度為3至500μ m。陽極集 流器並沒有特別限制’只要陽極集流器具有高導電性，且 在使用時，陽極集流器在電池内不會引起任何化學變化。 例如，陽極集流器可由不銹鋼，鋁，鎳，欽或塑料碳製成。 可選擇地，陽極集流器可由經碳，鎳，鈦或銀或鋁_鎘合金 表面處理之銅或不銹鋼製成。如同陰極極流器同樣的方 式，陽極集流器可具有微凹凸部分形成於表面，以增加陽 極活性材料之吸附能力。陽極集流器可由各種形式構成， 如一薄膜’平板，箔，網，發泡體和非編織纖維體。 201242146 關於陽極活性材料，例如，可使用碳，如非石墨碳或 石墨基碳；金屬複合氧化物’如LixFe203( OS XS 1 )，UxW02 (〇^x^ 1) , SnxMebXMe'y〇z ( ME :錳，鐵，導線，鍺； Me·:鋁’硼’磷，矽’週期表的第1，2和3族元素，齒素； 1 ； 1 ^ 3 ； 1 8):鋰金屬；鋰合金；矽基合 金；錫基合金；金屬氧化物，如Sn〇、Sn02、PbO、Pb02、
Pb203、Pb304、Sb203、Sb2〇4、Sb205、GeO、Ge02、Bi2〇3、
Biz〇4或Bi2〇5;導電聚合物，如聚乙炔；或鋰鈷鎳基（u_c〇 Ni) 材料。 第二電極片可連接到第二分隔片頂部，使第二電極片 和第二分隔片可容易纏繞。第二電極片連接於第二分隔片 頂部可用熱焊接的方式完成，但不限於此方式。 較佳例子’電極凸出部由各自的第一單位電極突出， 且電極導線可以連結至第二電極片之集流器之非為電極活 性材料使用塗佈之部分。 如另一例子，第一單位電極可交替設置於相關之第二 電極，使電極凸出部以纏繞狀態設置於相同區域。 其間’當第一單位電極在縱向方向連續纏繞時，第一 單位電極的纏繞厚度增加。因此’第一單位電極設置於相 關之第二電極，使第一單位電極在縱向方向之間的間隔增 加》 第一分隔片和/或第一分隔片在一次缠繞後，可具有長 度延伸至電極組件周圍，而第一分隔片和/或第二分隔片之 最外端可以由熱焊接或膝帶固定。例如，一熱焊接設備或 201242146 加熱板可導致第一分 —刀隔片和/或第二分隔片接觸完成，使第 .β 3第二分隔片由加熱焊接後固定。因此，施壓 的：面接：持’也因此在電極和分隔片之間是達到穩定 第”隔片和第二分隔片可以是由相同或不同的材料 製成的多孔絕緣薄膜。 關於第一分隔片和第二分隔片例如絕緣薄膜表現 出高離子渗透性和高機械強度可被使用。-般分隔片具有 0.01至ΙΟμηι之孔徑和5至3〇叫111之厚度。關於分隔片之材 料’例如，係使用烯烴聚合物，如聚丙烯，其表面耐化學 性和疏水性，玻璃纖維或聚&稀製成之片狀或非編織纖 維。第一分隔片和第二分隔片可選自一由微多孔聚乙烯薄 膜聚丙稀薄膜，結合聚乙稀薄膜和聚丙稀薄膜製備之多 層膜，高分子電解質之聚合物薄膜，如聚偏氟乙烯 (p〇lyvinylidene f|U0ride)，聚氧化乙稀（p〇lyethylene oxide)，聚丙烯賭（po丨yacryl〇nitrUe)，及聚偏氟乙烯六氟丙 婦共聚物（polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer)所組成之群組所製成。 較佳為’分隔片具有黏著功能以便輕易地完成纏繞程 序。在較佳例子，第一分隔片和第二分隔片係由聚合物電 解質之高分子薄膜製成，由熱焊接形成黏著功能，其包括 微孔隙之第一聚合物層和由聚偏氟乙烯三氟氣乙烯共聚物 (polyvinylidene fluoride chlorotrifluoroethylene copolymer) 凝膠化以獲得之第二聚合物層，其係揭露於本申請案之申 12 201242146 奢人申凊之韓國專利申清號丨999·573丨2。該中請案之揭露 合併於此參考。 依據本發明另一個態樣，提供了一個電化學電池，包 括具有前述結構之電極組件。 一電化學電池的典型例子可為二次電池。較佳為，二 次電池是具有链離子為媒介之链二次電池。 基於形成電極組件和電池結構或基於形成電池殼體， 鋰二次電池可分為圓柱電池、柱狀電池或袋形電池。袋形 電池在電池被丟棄時當外力衝擊於電池時顯示出低安全 性’，本發明較佳為適用於此。 袋形電池配置有一個結構，其電極組件係組設於一由 包括金屬層和樹脂層組成之層壓板製成如前面所述袋形電 池中。一鋁複合板的例子是常被使用。 一種製備電化學電池之方法，該電極組件之使用係為 本發明涉及之已知技藝’因此’將不提供詳細描述。 同時’近年來’鋰離子二次電池已引起相當的重視作 為大型設備之動力源以及小型移動設備《當鋰離子二次電 池被於這些應用中時，其較佳為具有輕重量之鋰離子二次 電池。一個減少二次電池重量之方法的例子，係具有一結 構構成二次電池，其中電極組件係安裝在一鋁層壓板製成 之袋形電池。鋰二次電池係為本發明涉及之已知技藝，因 此，將不提供詳細描述。 此外，當二次電池作為中間或大型設備之動力源，如 前面所述，較佳為，二次電池配置有一個結構，其中即使 201242146 長期使用，二次電池之運作性能是最大限度，二次電池的 壽命是優異的，二次電池可以低成本的量產。在這個關係， 根據本發明之包括電極組件之二次電池，較佳為使用於中 型或大型電池模組’包括二次電池作為單位電池。 中型或大型電池模組配置有一個結構，其中複數個單 位電池相互串聯或_/並聯，以提供高功率與大容量。_型 或大型電池模組係為本發明涉及之已知技藝，因此，將不 提供詳細描述。 根據本發明進一步之態樣，係提供一種製備具有前述 構件之電極組件之方法。 在一較佳例子’製備電極組件之方法包括，切割第 一電極片以製備成配置複數個第一單位電極，使每個第— 單位電極具有電極凸出部形成於一側，b)連接電極導線至 集流器之非為電極活性材料使用塗部之部份以製備第-電 極片，c)在薄片縱向方向（沿長度方向）之每個第一單位 電極之寬度連續地缠繞第二電極片、第一分隔片、第一單 位電極和第二分隔片，在一情況下’第二電極片，第一分 隔片’第一單位電極係依續設置於第二分隔片上面，和d) 焊接第一單位電極之電極凸出部至電極導線。 電極組件係根據本發明製備電極組件之方法製備，類 似於膠狀捲筒式電極組件和堆疊/折疊型電極組件，根據本 發明之電極組件係基於一個纏繞結構。然而，根據本發明 之電極組件，並不會受到在膠狀捲筒式電極組件造成之來 自内部壓力累積’因而使電極組件變形。另一方面，根據 201242146 本發明之電極組件’不會受到在㈣/折—電極組件Μ 之低安全性。 此外，電極組件係根據本發明製備電極組件之方法製 備，類似於堆疊型組件，由於一些電極係由單位電極的形 式製備。然而，根據本發明之電極組件，不會受到在堆疊 型極組件造成之複雜製程和低產率。 因此，根據本發明製備電極組件之方法係一種新賴技 術，其可解決製備電極組件之傳&方法之所有問題。 【實施方式】 如同上面描述顯示，根據本發明之電極組件配置有一 個結構’纟中第-單位電極和第二妹片纏繞，使第一單 位電極經由分隔片相對於第二電極片，且第一電極和第二 電極係為相對極性’因&，它可以防止電池由於外力引起 之内部短路產生之熱量，從而提高電池之安全性且在製 備電池過程中’將複數個第二電極凸出部焊接至第二電極 導線的過程為非必要執行的，從而大幅提高產率。 本發明之上述和其它目的，態樣和其它優點將藉由下述 詳細之描述及結合隨附圖式而更加清楚。 現在，本發明之具體實施例將參考隨附圖式而描述。 應該指出，然而，本發明之範疇並沒有僅限制於以下實例 之說明》 圖4係為代表性地說明根據本發明具體化之製備電極 組件之程序，而圖5係為代表性地說明利用圖4之程序製備 之電極組件結構。 15 201242146 參考這些圖式，一電極組件70配置有一陰極/分隔片/ 陽極結構。八個第一單位電極4〇和一第二電極板6〇纏繞， 使第一單位電極40經由分隔片50相對於第二電極片6〇。 第二電極導線62連接（焊接）至第二電極片6〇集流器 之非為電極活性材料塗部之部份。 第一單位電極40係交替設置於相關之第二電極6〇，使 第一電極凸出部40a以纏繞狀態設置於相同區域。第一單位 電極40設置於相關之第二電極60，使第一單位電極4〇之間 之間隔L在縱向方向（箭頭指示方向）增加。 第一單位電極40’第二單位電極60和分隔片50係為纏 繞狀態，其中第一單位電極40，第二電極片60和分隔片50 係堆疊在另一分隔片之陰極/分隔片/陽極結構，以構成一電 極組件，其描述如下並參考圓7和8。 圖6係為代表性地說明含有圊5電極組件之鋰二次電池 結構。 併參圖6與圖5，鋰二次電池100配置有一結構，其中包 括一陰極，陽極和陰極在陽極之間之分隔片之電極組件7〇 在袋形電池殼體200，電極組件70之陰極凸出部31係由V-成型焊接至陰極導線34,陽極導線33焊接到陽極片之非塗 佈部分，而電池殼體200係在密封狀態，其中陰極導線34和 陽極導線33由電池殼體200向外突出。 電池殼體200係由一軟性包裝材料製成，如鋁層壓板。 電池殼體200包括一具有凹陷容置部件230之箱本體210，其 201242146 中電極組件70設置於此，與一覆蓋220其中一端連接到箱本 體 210。 絕緣薄膜80連接到陰極導線34和陽極導線33之頂部和 底部’以確保在陰極導線34和電池殼趙200之間與在陽極導 線33和電池殼體200之間的電絕緣性和密封性。 圖7係為代表性地說明陣列結合之第一單位電極和第 二電極片之實例在根據本發明其它具趙化製備電極組件之 程序。 參考圓7，電極組件72配置有一個結構，在一狀態中， 其單位陰極42和陽極片64，第一分隔片52設置於之間，並 放置第二分隔片54’例如，陽極片64，第一分隔片52和單 位陰極42係依序設置於第二分隔片54，而單位陰極42，陽 極片64，第一分隔片52和第二分隔片54係在第一分隔片52 和第二分隔片54縱向方向（箭頭所指方向）之每個單位電 極42之寬度W依序纏繞。 第一分隔片52和第二分隔片54係由相同材料製成之多 孔絕緣薄膜。陽極片64由熱焊接連接至第二分隔片54之頂 部〇 圖8係為代表性地說明陣列結合之第一單位電極和第 二電極片之例子在根據本發明進一步具體化製備電極組件 之程序。 參考圖8 ’電極組件74之結構與圖7之電極組件72相 同，除了電極組件74配置有一個結構，在一狀態中，其單 位陰極42’第一分隔片52和陽極片64係依序設置於第二分 17 201242146 隔片54，而單位陰極42，第一分隔片52,陽極片64和第二 分隔片54在分隔片縱向方向（箭頭所指方向）之每個單位 電極42之寬度W依序纏繞，其詳細描述將被省略。 雖然本發明之具體實施例已揭露說明用途，這些技藝 將可被體會於各種修改，附加和可能的替代，將不會偏離 發明的範圍和精神，如同伴隨揭露之申請專利範圍上述實 施例僅係為了方便說明舉例而已，任何熟習此技藝者，在 不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤 飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界 定者為準。 【圓式簡單說明】 囷1係為代表性地說明製備含有傳統二分電池之堆疊/折疊 型電極組件之程序》 圖2係為代表性地說明陣列結合之二分電池在圖1製備堆疊 /折疊型電極組件之程序。 囷3係為代表性地說明利用圓1之程序製備之電極組件結 構。 圊4係為代表性地說明根據本發明具體化之製備電極組件 之程序。 圓5係為代表性地說明利用圓4之程序製備之電極組件結 構。 圊ό係為代表性地說明含有圖$電極組件之裡二次電池結 構。 201242146 圓7和8係為代表性地說明陣列結合之第一單位電極和第 電極片在根據本發明其它具體化製備電極組件之程序。 【主要元件符號說明】 1〇’ 11，12，13，14 二分電池 20分隔片 31陰極凸出部 33陽極導線 40第一單位電極 42單位陰極 52第一分隔片 60第二電極 64陽極片 100链二次電池 210箱本體 230凹陷容置部件 W單位電極之寬度 21分隔片之一端 32陽極凸出部 34陰極導線 40a第一電極凸出部 50分隔片 54第二分隔片 62第二電極導線 70, 72, 74電極組件 200袋形電池殼體 220覆蓋 L第一單位電極之間隔