TW201401615A - 電極組及包含其之電化學電池 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種藉由一摺疊法或一堆疊法以外的第三種方法所製造之電極組，以及一包括其之電化學裝置。該電極組包括至少一自由基電池。該自由基電池具有一藉由逐一堆疊一第一電極、一第一隔離件、一第二電極以及一第二隔離件，所得之四層結構。

Description

電極組及包含其之電化學電池
本發明係主張於2012年5月23日所提出之韓國專利申請第10-2012-0055073號及於2013年5月23日所提出之韓國專利申請第10-2013-0058164號之優先權，且其所揭示之內容均併入本發明以供參考。
本發明係關於一種藉由一摺疊法或一堆疊法以外的第三種方法所製造之電極組，以及一包括其之電化學電池。
二次電池在作為電動車、油電混合車、並聯式油電混合車、及諸如此類等方面引人注目，其被提議作為解決如經常使用化石燃料之汽油車、柴油車等所導致之環境汙染等缺點的替代方案。在一中型及大型裝置，例如於汽車中，為了滿足高功率及高電容之需求，係使用複數個電性連結之電池之中型及大型電池模組。
然而，由於該中大型的電池模組必須製造成輕 量小尺寸，因此相較其電容值來說，輕量且高度堆疊的一方型電池、一袋狀電池等被廣泛地用來作為該中大型電池模組之電池。
就電池而言，包括一電極組。一般而言，該電極組係依據包括該正極/隔離件/負極結構之該電極組的結構來進行分類。
通常，可將該電極組分類成：一膠捲(包捲型)電極組，其中包捲具有長片狀的正極及負極與一插設的隔離件、一堆疊型(一層疊型)電極組，其中具有複數個正極及負極與一插設的隔離件，取將其分切成特定大小的單元並且逐一堆疊、以及一堆疊/摺疊型電極組。
首先，將說明本申請人申請之韓國專利公開號2001-0082058、2001-0082059以及2001-0082060中所揭示的堆疊/摺疊型電極組。
參見圖1，一堆疊/摺疊結構的電極組1包括做為單元電池的複數個重疊的全電池2、3、4…(下文中，將稱做‘全電池’)，其中正極/隔離件/負極依序配置。在各個該重疊部件中，插設一隔離片5。該隔離片5具有可包捲該全電池的一單位長度。當連續包捲各個該全電池時，自該全電池1b中間起始的該隔離片5藉由該單位長度向內彎曲，至最外部的全電池4，以插設於該全電池的重疊部件中。該隔離片5的遠端部係利用一黏合帶6進行加熱焊接或貼附而完成。該堆疊/摺疊型電極組之製造係藉由，例如，將該全電池2，3，4…排列於具有較長長度的隔離片5上，並且自該隔離 片5的一端部依序包捲。然而，在此結構中，在中間部分的該些全電池1a、1b及2，以及該配置於外部的全電池3及4之間，可能產生一溫度梯度，以產生不同的放熱效率。因此，當長時間使用時，可能會減少該電極組的使用壽命。
該電極組之製程係藉由利用兩個用於製造各個電極組的層疊裝置以及一做為分離裝置之額外的摺疊裝置所進行。因此，製程之黏著時間的減少受到限制。具體而言，在透過摺疊來完成該堆疊結構的結構中，配置於上及下方的電極組之分對準(minute aligning)並不容易。因此，一具有可靠品質之組件的製備很不容易。
亦即，對於利用該摺疊製程之該電極組結構而言，需要各自獨立之摺疊裝置。當運用一雙電池(bicell)結構時，製造並堆疊該些雙電池(bicells)之兩型(亦即，A型及C型)。在進行摺疊前，配置於一長形隔離片上的一雙電池與另一雙電池之間的距離不易被控制。亦即，該上部及下部單元電池(全電池或雙電池)之間不容易被準確地對準。當製造一高電容電池時，改變類型需要耗費相當可觀的時間。
接著，將說明一堆疊型電極組。由於該堆疊型電極組已廣為所屬技術領域所知，將僅簡述該堆疊型電極組的缺點。
一般而言，在該堆疊型電極組中，隔離件的寬度及長度大於電極的寬度及長度。該隔離件堆疊於一具有對應於該隔離件的寬度及長度之尺寸的匣盒或工模上，並且重複進行該隔離件上之電極的堆疊製程以製造該堆疊型電極 組。
然而，當藉由上述方法製造該堆疊型電極組時，必須逐一堆疊該電極及該隔離件。因此，會增加工作時間而顯著降低產能。此外，藉由該隔離件之長度及寬度可進行該複數個隔離件的對準。然而，由於不存在準確地對準該置於隔離件上之電極的匣盒或工模，該堆疊型電極組中的複數個電極可能無法對準，且可能移位。
此外，由於橫跨該隔離件之該正極及該負極的表面移位，在塗佈於該正極及負極表面的部分活性材料區中，可能無法產生電化學反應。因此，可能會劣化電池效能。
考量上述缺點，本發明之一態樣提供一電極組及包括該電極組之一電化學裝置，其具有一能夠藉由簡單製程及低成本所製造之結構。
本發明之另一態樣提供一電極組以及一包括該電極組的一電化學裝置，其中，在其中間部分及外部之間的溫差不大，且該裝置的使用壽命很長。
本發明之另一態樣提供了一電極組以及一包括該電極組的電化學裝置，其中，複數個該電極係準確地對準，且該裝置具有高效能。
依據本發明之一態樣，係提供一電極組，其包括至少一自由基電池。該自由基電池具有一藉由依序堆疊一第一電極、一第一隔離件、一第二電極以及一第二隔離件，所得之四層結構。
此外，可藉由將該電極及該隔離件彼此貼附以形成該自由基電池。
此外，藉由對該電極及該隔離件施壓，或藉由在該電極及該隔離件上施予壓力或熱能，可進行該電極及該隔離件之貼附。
此外，該隔離件可被一具有貼附貼附性質質之塗佈材料所塗佈。
此外，該塗佈材料可為無機粒子及一黏結劑聚合物之一混合物。
此外，面對該第一電極及該第二電極之該第一隔離件的兩側可被該塗佈材料所塗佈，且面對第二電極之該第二隔離件的一側可被該塗佈材料所塗佈。
此外，面對該第一電極及該第二電極之該第一隔離件的兩側可被該塗佈材料所塗佈，且面對該第二電極之該第二隔離件的一側以及一其反側可被該塗佈材料所塗佈。藉由堆疊至少兩個自由基電池可完成該電極組，以及透過該第二隔離件的塗佈材料可將該自由基電池彼此貼附。
此外，藉由重複堆疊該四層結構可獲得該自由基電池。
此外，該電極組可更包括一堆疊於一第一遠端電極上的第一輔助電池。該第一遠端電極可為位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第一電極。當該第一電極為一正極，且該第二電極為一負極時，藉由自該第一遠端電極，逐一堆疊該隔離件、該負極、該隔離件以及該正極，可形成該 第一輔助電池。當該第一電極為該負極，且該第二電極為該正極時，藉由自該第一遠端電極，逐一堆疊該隔離件以及該正極，可形成該第一輔助電池。
此外，該第一輔助電池之該正極可包括一電流收集器，以及一正極活性材料，其在該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池之一側上。
此外，該電極組可更包括一堆疊於一第一遠端電極上的第一輔助電池。該第一遠端電極可為位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第一電極。當該第一電極為一正極，且該第二電極為一負極時，藉由自該第一遠端電極，逐一堆疊該隔離件、該負極、以及該隔離件，可形成該第一輔助電池。
此外，該電極組可更包括一第二輔助電池，其堆疊於一第二遠端隔離件上。該第二遠端隔離件可為位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第二隔離件。當該第一電極為一正極，且該第二電極為一負極時，藉由自該第二遠端隔離件，逐一堆疊該負極、該隔離件以及該正極，可形成該第二輔助電池。
此外，該第二輔助電池之該正極可包括一電流收集器，以及一正極活性材料，其在該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池之一側上。
此外，該電極組可更包括一第二輔助電池，其堆疊於一第二遠端隔離件上。該第二遠端隔離件可為位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第二隔離件。當該第一電 極為一正極，且該第二電極為一負極時，可藉由自該第二遠端隔離件，逐一堆疊該第一正極、該隔離件、該負極、該隔離件以及該第二正極，可形成該第二輔助電池。該第二輔助電池之該第二正極可包括一電流收集器及一正極活性材料。該正極活性材料可在該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池之一側上。
此外，該電極組可更包括一第二輔助電池，其堆疊於一第二遠端隔離件上。該第二遠端隔離件可為位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第二隔離件。當該第一電極為一負極，且該第二電極為一正極時，藉由自該第二遠端隔離件，逐一堆疊該負極、該隔離件、該正極、該隔離件以及該負極，可形成該第二輔助電池。
此外，該電極組可更包括一固定部件用於固定該電極組的一側部或一前部。
此外，該固定部件可包括一聚合物膠帶用於貼紮該電極組的該側部或該前部。
此外，該第一電極及該第二電極可包括一電流收集器，且一活性材料塗佈於該電流收集器之兩側上。
此外，該隔離件可擇自由下列所組成之群組：一聚乙烯薄膜、一聚丙烯薄膜、一藉由結合該聚乙烯薄膜以及該聚丙烯薄膜所得之多層膜，以及一作為聚合物電解質的聚合物薄膜，如一聚偏二氟乙烯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈、或一聚偏二氟乙烯六氟丙烯共聚物。該些薄膜可包括微孔。
此外，利用一包括Li2MnO3及LiMO2的正極漿料 可形成該正極活性材料。
依據本發明之另一態樣，提供一包括任一上述電極組的電化學裝置。
此外，該電化學裝置可為一二次電池、一包括複數個該二次電池的電池模組、或一包括複數個該電池模組的電池包。
依據本發明，可提供一具有可藉由簡單製程及低成本所製造之結構的電極組，以及一包括該電極組的電化學裝置。
此外，可提供一在其中間部分與外部之間不具有太大溫差以及較長壽命的電極組，以及一包括該電極組的電化學裝置。
此外，可提供一電極組，其中，複數個電極係準確地對準，且該電極組具有高效能，以及一包括該電極組的電化學裝置。
100(100a，100b，100c，100d，100e，100f，100g)‧‧‧電極組
110(110a，110b，110c)‧‧‧自由基電池
111‧‧‧第一電極
112‧‧‧第一隔離件
113‧‧‧第二電極
114‧‧‧第二隔離件
116‧‧‧第一遠端電極
117‧‧‧第二遠端電極
121‧‧‧第一電極材料
122‧‧‧第一隔離件材料
123‧‧‧第二電極材料
124‧‧‧第二隔離件材料
130(130a，130b，130c，130d)‧‧‧第一遠端電池
140(140a，140b，140c，140d)‧‧‧第二遠端電池
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，其詳細說明如下：圖1係依據所屬技術領域，顯示一具有堆疊/摺疊型結構之電極組的示意圖；圖2係依據本發明，顯示一自由基電池之第一結構的側視圖； 圖3係依據本發明，顯示一自由基電池之第二結構的側視圖；圖4係依據本發明，說明一自由基電池之製程；圖5係依據本發明，顯示一包括一自由基電池及一第一輔助電池的電極組之第一結構的側視圖；圖6係依據本發明，顯示一包括一自由基電池及一第一輔助電池的電極組之第二結構的側視圖；圖7係依據本發明，顯示一包括一自由基電池及一第二輔助電池的電極組之第三結構的側視圖；圖8係依據本發明，顯示一包括一自由基電池及一第二輔助電池的電極組之第四結構的側視圖；圖9係依據本發明，顯示一包括一自由基電池、一第一輔助電池、以及一第二輔助電池的電極組之第五結構的側視圖；圖10係依據本發明，顯示一包括一自由基電池以及一第一輔助電池的電極組之第六結構的側視圖；圖11係依據本發明，顯示一包括一自由基電池以及一第二輔助電池的電極組之第七結構的側視圖；以及圖12係依據本發明，顯示一電極組之固定結構的示意圖。
本發明的示範性實施例將參照所附圖式而更詳細地描述。然而，本發明不限制於下列示範性實施例。
一電極組(參見圖5中的100a)包括至少一自由基電池(參見圖2中的110a等)。亦即，一電極組100包括一自由基電池110或至少兩個自由基電池110。該電極組100係藉由堆疊該自由基電池110所形成。例如，可藉由堆疊一自由基電池110於另一自由基電池110上以形成該電極組100。如上所述，可藉由堆疊作為一單元的該些自由基電池110以形成該電極組100。亦即，先形成該些自由基電池110，進而逐一堆疊以形成該電極組100。
如上所述，根據此示範性實施例，該電極組100在其製造而重複推疊該自由基電池110中具有基本的特性。透過藉由上述方法製造該電極組100，可持續地排列該自由基電池110及可增進產能之優點。
該自由基電池110係藉由逐一堆疊一第一電極111、一第一隔離件112、一第二電極113以及一第二隔離件114所形成。如上所述，該自由基電池110基本上包括一四層結構。更具體而言，該自由基電池110係藉由自如圖2所示的頂部或底部，逐一堆疊該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113以及該第二隔離件114，所形成，或者可藉由自如圖3所示的頂部或底部，逐一堆疊該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113以及該第二隔離件114，所形成。在此情況下，該第一電極111以及該第二電極113具有相反於彼此的電極。例如，當該第一電極111係一正極，該第二電極113係一負極。當然，相反的情況係可行的。
包括於該自由基電池110中的該第一電極111包括一電流收集器以及一活性材料層(活性材料)，而該活性材料層塗佈於該電流收集器的兩個表面上。同樣地，包括於該自由基電池110中的該第二電極113包括該電流收集器以及該活性材料層(活性材料)。該活性材料層塗佈於該電流收集器之兩側上。
同時，可藉由下列製程來形成該自由基電池110(參見圖4)。首先，製備一第一電極材料121、一第一隔離件材料122、一第二電極材料123以及一第二隔離件材料124。在此情況下，將該些電極材料121及123分切成一特定的大小以形成該些電極111及113，其將描述於下文中。同樣地，將該些隔離件材料122及124分切成一特定的大小。為了程序自動化，該些電極材料及該些隔離件材料較佳地可在一滾筒上具有一包捲形狀。在製備該些材料之後，藉由一切斷器C1裝置將該第一電極材料121分切成一特定的大小。接著，藉由一切斷器C2的裝置亦將該第二電極材料123分切成一特定的大小。接著，將具有該特定大小的第一電極材料121設置於該第一隔離件材料122上。具有該特定大小的該第二電極材料123亦設置於該第二隔離件材料124上。接著，將所有的材料供應於疊合機(laminators)L1及L2。
如上所述，該電極組100係藉由重複堆疊該自由基電池110所形成。然而，當構成該些自由基電池110的電極及隔離件係與彼此分離，該些自由基電池110的重複堆疊可能會非常困難。因此，當形成該些自由基電池110時， 該電極及該隔離件較佳地可彼此貼附。疊合機L1及L2用於使該電極及該隔離件彼此貼附。亦即，疊合機L1及L2對該些材料施予壓力或者熱能及壓力以貼附該電極材料與該隔離件材料。藉由疊合機L1及L2的裝置使該電極材料與該隔離件材料彼此貼附。透過此貼附步驟，該些自由基電池110可更穩定地維持其形狀。
最後，藉由利用一切斷器C3將該第一隔離件材料122及該第二隔離件材料124分切成一特定的大小。透過該分切，可形成該些自由基電池110。關於該些自由基電池110，可另外進行各種不同的檢測。例如，可另外進行厚度、視覺性、短路或類似者的檢測。
同時，可使用一具有貼附性質貼附性質之塗佈材料塗佈該隔離件(隔離件材料)的表面。在此情況下，該塗佈材料係無機粒子及一黏結劑聚合物之一混合物。該無機粒子可增進該隔離件的熱穩定性。亦即，該無機粒子可預防該隔離件在一高溫下收縮。此外，該黏結劑聚合物可固定該無機粒子。因此，該無機粒子可包括特定的孔洞結構。由於該孔洞結構，離子可自該正極流暢地移動至該負極，即使該無機粒子塗佈於該隔離件上。此外，該黏結劑聚合物可使該無機粒子穩定地維持在該隔離件上以增進該隔離件的機械穩定性。此外，該黏結劑聚合物可更穩定地將該隔離件貼附至該電極上。供參考，可藉由利用一聚烯烴系(polyolefin-based)的隔離件基板來形成該隔離件。
然而，如圖2及3所示，該些電極111及113 位於該第一隔離件112的兩側。然而，僅有一電極113位於該第二隔離件114的一側。因此，該第一隔離件112的兩側可被該塗佈材料所塗佈，而該第二隔離件114的一側可被該塗佈材料所塗佈。亦即，面對該第一電極111及該第二電極113之該第一隔離件112的兩側可被該塗佈材料所塗佈，且面對該第二電極113之該第二隔離件114的一側可被該塗佈材料所塗佈。
如上所述，當完成該自由基電池時，藉由利用該塗佈材料所提供的貼附性質是足夠的。因此，關於如上所述之該第二隔離件114的一側可進行塗佈。不過，由於在該些自由基電池之間的黏合可藉由施以如熱壓的方法來完成，當有需要時，該第二隔離件114的兩側可被塗佈。亦即，該塗佈材料可塗佈於面對該第二電極113之該第二隔離件114的一側及其反側。在此情況下，位於頂部之該自由基電池位於及僅位於其下方之該自由基電池可透過在該第二隔離件的外表面上之該塗佈材料來進行貼附。
供參考，當一具有貼附性質之塗佈材料塗佈於該隔離件上時，不建議藉由利用一物件直壓(direct pressurization)於該隔離件上。一般而言，該隔離件係自該電極向外延伸。可嘗試來將該第一隔離件112的遠端部與該第二隔離件的遠端部與彼此結合114。例如，可嘗試藉由音波焊接(sonication welding)來將該第一隔離件112的遠端部與該第二隔離件的遠端部焊接。關於音波焊接，需要藉由利用一焊頭(horn)來直壓一標的物。然而，當藉由利用該焊頭來直壓 該些隔離件的遠端部，由於該塗佈材料具有貼附性質，該焊頭可能會直接貼附於該隔離件。在此情況下，此裝置可能會損壞。因此，當具有貼附性質的該塗佈材料塗佈於該隔離件上時，藉由利用一物件來直接施壓於該隔離件上並非較佳的。
此外，該自由基電池110不必然包括四層結構。例如，該自由基電池110可包括一藉由逐一堆疊該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113、該第二隔離件114、該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113以及該第二隔離件114，所形成之八層結構。亦即，該自由基電池110可具有一藉由重複堆疊該四層結構所形成之結構。如上所述，可藉由重複堆疊該些自由基電池110以形成該電極組100。因此，可藉由重複堆疊該四層結構以形成該電極組100，或者可藉由重複堆疊，例如，八層結構以形成該電極組100。
同時，該電極組100可更包括一第一輔助電池130及一第二輔助電池140中的至少一者。首先，將說明該第一輔助電池130。藉由自頂部至底部，或自底部至頂部，逐一堆疊該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113以及該第二隔離件114，可形成該自由基電池110。當藉由重複堆疊該些自由基電池110以形成該電極組100時，該第一電極116(下文中，將稱做‘第一遠端電極’)可位於該電極組100的最頂部(參見圖2)，或最底部(參見圖3)(該第一遠端電極可為一正極或一負極)。該第一輔助電池130可另外堆疊於該第一遠端電極116上。
更具體而言，如圖5所示，當該第一電極111為一正極，且該第二電極113為一負極時，可藉由自該第一遠端電極116堆疊而形成，亦即，至該第一遠端電極116之外部(至圖5中的頂部)，逐一堆疊該隔離件114、該負極113、該隔離件112以及該正極111，以形成該第一輔助電池130a。此外，如圖6所示，當該第一電極111為該負極，且該第二電極113為該正極時，可藉由自該第一遠端電極116堆疊而形成，亦即，自該第一遠端電極116至該外部，逐一堆疊該隔離件114以及該正極113，以形成該第一輔助電池130a。如圖5及6所示，在該電極組100中，由於該第一輔助電池130，該正極可位於該第一遠端電極116的最外部，。
一般而言，一電極包括一電流收集器，以及一活性材料層(活性材料)，且該活性材料層塗佈於該電流收集器之兩側上。因此，在圖5中，係透過該隔離件，於該正極之活性材料層中，位於該電流收集器下方之該活性材料層與於該正極之活性材料層中，位於該電流收集器上方之該活性材料層反應。當藉由製造相同的自由基電池110並逐一堆疊它們以形成該電極組100時，位於該電極組100的最頂部或最底部之該第一遠端電極可包括於該電流收集器之兩側上之活性材料層，如同另一第一電極。然而，當該第一遠端電極具有一結構，其包括塗佈於該電流收集器之兩側上的該活性材料層，在該第一遠端電極的該活性材料層中，位於外部的該活性材料層不會與另一活性材料層反應。因此，可能會造成該活性材料層的浪費。
該第一輔助電池130係被提供以解決上面所提到的缺點。亦即，該第一輔助電池130係獨立於該些自由基電池110而形成。因此，該第一輔助電池130可包括一正極，其包括僅形成於該電流收集器之一側上的該活性材料層。亦即，該第一輔助電池130可包括一正極，該正極包括該活性材料層，其位於該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池110之一側上(圖5中面對底部的一側)。因此，當藉由另外堆疊該第一輔助電池130於該第一遠端電極116上以形成該電極組100時，可配置該正極，其包括僅位於該第一遠端電極116之一最外部的塗佈層。因此，可解決在該活性材料層的浪費上之缺點。當考量電池容量時，由於該正極有持續釋放，例如，鎳離子(nickel ions)，在該最外部之該正極的供應係較佳的。
接著，將說明該第二輔助電池140。該第二輔助電池140基本上展現有如該第一輔助電池130的功能。更具體而言，該自由基電池100係藉由自頂部至底部，或自底部至頂部，逐一堆疊該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113以及該第二隔離件114，所形成。當藉由重複堆疊該些自由基電池110以形成該電極組100時，該第二隔離件117(下文中，將稱做‘第二遠端隔離件’)可位於該電極組100的最頂部(參見圖3)，或最底部(參見圖2)。該第二輔助電池140可另外堆疊於該第二遠端隔離件117。
更具體而言，如圖7所示，當該第一電極111為一正極，且該第二電極113為一負極，該第二輔助電池140a 可形成為該正極111。此外，如圖8所示，當該第一電極111為一負極，且該第二電極113為一正極時，可藉由自該第二遠端電極117，亦即，至該第二遠端電極117之外部(至圖8中的底部)，逐一堆疊該負極111、該隔離件112以及該正極113，以形成該第二輔助電池140b。該第二輔助電池140亦可包括一正極，該正極包括該活性材料層，其在該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池110之一側上(圖8中面對頂部的一側)，有如該第一輔助電池130。當藉由另外堆疊該第二輔助電池140於該第二遠端隔離件117上以形成該電極組100時，一正極可位於第二遠端隔離件117之最外部，該電極包括僅於其一側上之塗佈層。
供參考，在圖5及6，以及7及8中，說明自頂部至底部，逐一堆疊該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113以及該第二隔離件114的結構。相對地，將藉由如上所述的相同方式來說明自底部至頂部，逐一堆疊該第一電極111、該第一隔離件112、該第二電極113以及該第二隔離件114的結構。當有需要時，該第一輔助電池130及該第二輔助電池140可更包括一位於最外部的隔離件。例如，當位於最外部的該正極需要與一殼體絕緣，該第一輔助電池130及該第二輔助電池140可更包括一位於該正極的最外部之隔離件。由於此類原因，該正極可更包括一隔離件，該正極暴露於該第二輔助電池140的堆疊部分之反側(圖7中該電極組的最頂部)。
同時，較佳地可如圖9至11所示來製造一電極 組。首先，先形成一如圖9所示的電極組100e。可藉由自該底部至頂部，逐一堆疊一第一電極111、一第一隔離件112、一第二電極113以及一第二隔離件114，以形成一自由基電池110b。在此情況下，該第一電極111可為一正極，且該第二電極113可為一負極。藉由自該第一遠端電極116堆疊而形成，亦即，自如圖9所示的頂部至底部，逐一堆疊該隔離件114、該負極113、該隔離件112以及該正極111，以形成一第一輔助電池130c。在此情況下，該第一輔助電池130c的該正極111可包括一活性材料層，其僅形成於面對一自由基電池110b的一側。
此外，可藉由自一第二遠端隔離件117並且自如圖9所示的底部至頂部，逐一堆疊一正極111(一第一正極)、一隔離件112、一負極113、一隔離件114以及一正極118(一第二正極)，以形成一第二輔助電池140c。在此情況下，位於該第二輔助電池140c的最外部之該正極118(該第二正極)可包括一活性材料層，其僅形成於面對該自由基電池110b的一側。供參考，當該輔助電池包括該隔離件，該電池的該對準可容易地進行。
接著，可形成一如圖10所示之電極組100f。可藉由自該底部至頂部，逐一堆疊一電極111、一第一隔離件112、一第二電極113以及一第二隔離件114，以形成一自由基電池110b。在此情況下，該第一電極111可為一正極，且該第二電極113可為一負極。可藉由自一第一遠端電極116，逐一堆疊該隔離件114、該負極113以及該隔離件112，以形 成一第一輔助電池130d。在此情況下，可不提供一第二輔助電池。供參考，由於一電位差，一負極可與一電極殼體(例如，囊袋)的一鋁層反應。因此，較佳地藉由該隔離件的裝置來使該負極與該電極絕緣。
最後，可形成一如圖11所示的電極組100g。可藉由自該頂部至底部，逐一堆疊一第一電極111、一第一隔離件112、一第二電極113以及一第二隔離件114，以形成一自由基電池110c。在此情況下，該第一電極111可為一負極，且該第二電極113可為一正極。可藉由自一第二遠端隔離件117，逐一堆疊該負極111、該隔離件112、該正極113、該隔離件114以及該負極119，以形成一第二輔助電池140d。在此情況下，可不提供一第一輔助電池。
參見圖12，下面將說明依據本發明的一固定結構。
依據本發明的一電極組100可更包括一用來固定該電極組100的該側部或該前部之固定部件T1，該電極組100包括一自由基電池110或者具有該些自由基電池110的一堆疊結構。
為了確保一堆疊結構的穩定性，該電極組100可藉由利用一位於其側部之不同的元件來固定。可藉由貼紮如圖12(a)所示之堆疊電極組100的所有側，或者藉由利用一僅用來固定如圖12(b)所示之該電極組100的該些側部之固定部件T2，來完成該固定。此外，一聚合物膠帶可用來做為如圖12(a)及12(b)所示之該固定部件。
下文中，將說明依據本發明的電極組100之構成元件的特定材料及基本特性。
[正極結構]
可將於一自由基電池中所提供的一電極分類成一正極及一負極，而自由基電池之製造係藉由結合該正極與該負極以及一插入其間的隔離件。該正極的製造係可藉由，例如，將一正極活性材料、一導電材料以及一黏結劑的一混合物之漿料塗佈於一正極電流收集器上，乾燥並且施壓。如有需要可將一填充物添加至該混合物中。當完成該正極有如一要被設置於一滾筒上的片狀，可提升該自由基電池的製造速率。
[正極電流收集器]
一正極電流收集器一般被製備成具有約3至500μm之厚度。關於該正極電流收集器，可使用，但不限於，一不會導致一電池的化學變化並且具有高導電性之材料。例如可使用不鏽鋼、鋁、鎳、鈦、鍛燒碳(calcined carbon)、一帶有碳、鎳、鈦或類似物之鋁或不鏽鋼的表面處理材料。可藉由將微小的壓紋(minute embossing)形成於該正極電流收集器的表面上以提升一正極活性材料的貼附性質。該正極電流收集器可具有各種不同的形狀，例如一薄膜、一片狀、一薄層、一網狀、一多孔材料、一發泡材料、一不織布材料，以及類似物。
[正極活性材料]
用於一鋰二次電池的一正極活性材料可包括，但不限於，例如，一鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)等的層狀化合物，或一以一或多種過渡金屬取代的化合物；鋰錳氧化物，像是Li1+xMn2-xO4(其中x係0至0.33)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2等；鋰銅氧化物(Li2CuO2)；釩氧化物，像是LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7等；以化學式LiNi1-xMxO2(其中，M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，x=0.01至0.3)來表示的Ni位置類型的鋰鎳氧化物；以化學式LiMn2-xMxO2(其中，M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，以及x=0.01至0.1)或Li2Mn3MO8(其中，M=Fe，Co、Ni、Cu或Zn)來表示的鋰錳複合氧化物；LiMn2O4，其中鹼土離子取代一部分的Li；二硫醇化合物；Fe2(MoO4)3，以及類似物。
一般而言，將一導電材料添加至一混合物中，其包括以該混合物的總量計為1至50重量百分比的該正極活性材料。可使用，但不限於，任何具有高導電性且不會導致一電池的化學變化之導電材料。例如，石墨，像是天然石墨、合成石墨等；碳黑，像是碳黑、乙炔黑、科琴碳黑(ketjen black)、槽黑、爐黑、燈黑、熱碳黑等；導電纖維，像是碳纖維、金屬纖維等；金屬粉末，像是氟化碳粉末、鋁粉、鎳粉等；導電晶鬚(conductive whisker)，像是鈦酸鉀等；導電金屬氧化物，像是氧化鈦等；導電材料，像是聚苯衍生物等。
一黏結劑係一協助該活性材料與該導電材料的結合以及與該電流收集器的結合之組分，並且通常以包括該 正極活性材料的該混合物的總量計約，其含量為1至50重量百分比。該黏結劑的例子可包括多氟化亞乙烯(polyfluoro vinylidene)、聚乙烯醇、羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基纖維素、再生纖維素、聚乙烯氫吡咯酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯，乙烯-丙烯-二烯聚合物(EPDM)、磺酸化EPDM、苯乙烯丁二烯橡膠、氟橡膠、各種不同的共聚物等。
一填充物係一限制該正極的膨脹的組分並且係選擇性使用的。可使用，但不限於，一不會誘導一電池的化學變化並且具有一纖維相(fiber phase)之材料。可使用，例如，烯烴系聚合物，像是聚乙烯、聚丙烯以及類似物；纖維相材料，像是玻璃纖維、碳纖維以及類似物。
[負極結構]
一負極的製造可藉由將一負極活性材料塗佈於一負極電流收集器上，乾燥並且施壓。如有需要可選擇性地包括一導電材料、一黏結劑、一填充物等。當形成該負極有如一可能被設置於一滾筒上的片狀，可提升一自由基電池的製造速率。
[負極電流收集器]
一負極電流收集器一般被製備成具有約3至500μm之厚度。關於該負極電流收集器，可使用，但不限於，一不會導致一電池的化學變化並且具有高導電性之材料。例如，銅、不鏽鋼、鋁、鎳、鈦、鍛燒碳(calcined carbon)、一帶有碳、鎳、鈦、銀、鋁鎘合金等之銅或不鏽鋼的表面處理材料。同樣地，有如該正極電流收集器，可藉由將微小的壓 紋形成於該負極電流收集器的表面上以提升該負極活性材料的貼附性質。該負極電流收集器可具有各種不同的形狀，例如一薄膜、一片狀、一薄層、一網狀、一多孔材料、一發泡材料、一非紡織材料等。
[負極活性材料]
一負極活性材料可包括，例如，碳，像是非石墨化碳、石墨化碳等；金屬複合氧化物，像是LixFe2O3(0x1)、LixWO2(0x1)、SnxMe1-xMe’yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me’：Al、B，P、Si、在週期表第1族、第2族與第3族中所發現的元素、鹵素；0<x1；1y3；1z8)等；鋰金屬；鋰合金；矽系合金；錫系合金；金屬氧化物，像是SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5等；導電聚合物，像是聚乙炔等；Li-Co-Ni系材料等。
[隔離件]
一隔離件係透過除一摺疊製程或一滾軋製程之外的簡單的堆疊製程，來完成其簡單堆疊，以形成一自由基電池。具體而言，該隔離件與該電極的貼附可藉由於一疊合機中的壓力(或藉由壓力及熱能)來完成。由於上述製程，一介於該電極及該隔離片之間具有穩定的界面接觸是可行的。
任何材料可用來製造該隔離件，其可展現絕緣特性並且具有供離子移動的多孔結構。例如，可使用具有一高度離子穿透性及機械強度的絕緣薄膜。該隔離件或該隔離片的孔洞半徑通常約為0.01至10μm，並且其厚度通常約為 5至300μm。
關於該隔離件，可使用，例如，烯烴系聚合物，像是耐化學的及疏水性的聚丙烯等；藉由利用玻璃纖維、聚乙烯或類似物所得到的薄片或非紡織材料。當使用像是一聚合物的固態電解質作為一電解質時，該固態電解質亦可如同該隔離件來作用。較佳地，可使用一聚乙烯薄膜、一聚丙烯薄膜或一藉由結合該些薄膜所得之多層膜、或一用於像是聚偏二氟乙烯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈、或聚偏二氟乙烯六氟丙烯共聚物之一聚合物電解質或一膠體聚合物電解質的聚合物薄膜。
下文中，將說明一電化學裝置，其中可應用依據本發明的電極組100。
依據本發明的電極組100可應用於一透過一正極與一負及的電化學反應來產生電力的電化學電池。電化學電池的代表性例子包括一超電容(super capacitor)、超級電容(ultra capacitor)、一二次電池、一燃料電池、各種的感測器、一用於電解的裝置、一電化學反應器，以及類似物。該二次電池係特別佳的。
該二次電池具有一結構，其中，具有一充滿含離子電解質的狀態之可充電/可放電的電極組內建於一電池殼體中。在一較佳實施例中，該二次電池可為一鋰二次電池。
最近，關於一大尺寸裝置及一小尺寸的行動裝置的電源，一鋰二次電池吸引許多關注。將它們應用於這些領域，一輕量鋰二次電池係較佳的。作為減少該二次電池重 量的方法，可使用一內建結構，其包括一電極組於一鋁積層片(aluminum laminate sheet)的一囊袋式殼體中。由於在鋰二次電池上的特性為所屬技術領域中所熟知的，將省略在鋰二次電池上的說明。
此外，如上所述，當該鋰二次電池用於作為一中大型裝置的電源時，一二次電池，其最大地限制長時間的操作性能之劣化，具有良好的壽命特性並且具有可能以低成本來大量生產的結構，係較佳的。由於此觀點，包括本發明電極組的二次電池可較佳地用於作為在一中大型電池模組中的單位電池。
一包括一電池模組(其包括複數個二次電池)的電池包可用來作為至少一個擇自由下列所組成之群組中的中大型裝置中之電源：電動工具；一擇自由下列所組成之群組中的電動車：一電動車(EV)、一油電混合車(HEV)以及一插電式油電混合車(PHEV)；一E-腳踏車；一E-機車；一電動高爾夫球車；一電動卡車；以及一電動商用車。
該中大型電池模組係由在一串聯系統或一串/並聯系統中所連接之複數個單位電池所組成，藉此以提供一高輸出及一高電容。在這些特性上的技術為所屬技術屬領域所詳知的。因此，本發明將省略在這些特性上的說明。
雖然已連同示範性實施例來顯示與說明本發明，對於熟習此技藝者而言將為明顯的是：在不背離有如由所附申請專利範圍所定義之本發明的範圍和精神之下可作出修改及變化。
110a‧‧‧自由基電池
111‧‧‧第一電極
112‧‧‧第一隔離件
113‧‧‧第二電極
114‧‧‧第二隔離件

Claims (22)

  1. 一種電極組，包括至少一自由基電池，該自由基電池具有一依序堆疊一第一電極、一第一隔離件、一第二電極、以及一第二隔離件，所得之四層結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該自由基電池係藉由將該電極與該隔離件彼此貼附所形成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電極組，其中，該電極及該隔離件之貼附係藉由對該電極及該隔離件施壓，或藉由在該電極及該隔離件上施予壓力或熱能而進行。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電極組，其中，該隔離件係經一具有貼附性質之塗佈材料塗佈。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電極組，其中，該塗佈材料係無機粒子及一黏結劑聚合物之一混合物。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電極組，其中，利用該塗佈材料塗佈面對該第一電極及該第二電極之該第一隔離件的兩側，以及利用該塗佈材料塗佈面對該第二電極之該第二隔離件的一側。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之電極組，其中，利用該塗佈材料塗佈面對該第一電極及該第二電極之該第一隔離件的兩側，以及利用該塗佈材料塗佈面對該第二電極之該第二隔離件的一側及一其反側， 藉由堆疊至少兩個自由基電池以獲得該電極組，透過該第二隔離件的該塗佈材料將該自由基電池彼此黏附。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該自由基電池係經由重複堆疊該四層結構而得。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該電極組更包括堆疊於一第一遠端電極上的一第一輔助電池，該第一遠端電極係該位於該電極組之一最頂部或一最底部的第一電極，當該第一電極係一正極，且該第二電極係一負極時，該第一輔助電池係藉由自該第一遠端電極，逐一堆疊該隔離件、該負極、該隔離件以及該正極所形成，當該第一電極係該負極，且該第二電極係該正極時，該第一輔助電池係藉由自該第一遠端電極，逐一堆疊該隔離件及該正極所形成。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電極組，其中，該第一輔助電池之該正極包括：一電流收集器；以及一正極活性材料，其位於該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池之一側上。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該電極組更包括一堆疊於一第一遠端電極上的第一輔助電池，該第一 遠端電極係位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第一電極，當該第一電極係一正極，且該第二電極係一負極時，該第一輔助電池係藉由自該第一遠端電極，逐一堆疊該負極及該隔離件所形成。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該電極組更包括一第二輔助電池，其堆疊於一第二遠端隔離件上，該第二遠端隔離件係位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第二隔離件，當該第一電極係一正極，且該第二電極係一負極時，該第二輔助電池係藉由自該第二遠端隔離件，逐一堆疊該負極、該隔離件以及該正極所形成。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電極組，其中，該第二輔助電池之該正極包括：一電流收集器；以及一正極活性材料，其在該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池之一側上。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該電極組更包括一第二輔助電池，其堆疊於一第二遠端隔離件上，該第二遠端隔離件係位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第二隔離件， 當該第一電極係一正極，且該第二電極係一負極時，該第二輔助電池係藉由自該第二遠端隔離件，逐一堆疊該第一正極、該隔離件、該負極、該隔離件以及該第二正極，所形成，該第二輔助電池之該第二正極包括一電流收集器及一正極活性材料，該正極活性材料在該電流收集器的兩側中，僅塗佈於面對該自由基電池之一側上。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該電極組更包括一第二輔助電池，其堆疊於一第二遠端隔離件上，該第二遠端隔離件係位於該電極組之一最頂部或一最底部的該第二隔離件，當該第一電極係一負極，且該第二電極係一正極時，該第二輔助電池係藉由自該第二遠端隔離件，逐一堆疊該負極、該隔離件、該正極、該隔離件以及該負極所形成。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，更包括一固定部件用於固定該電極組的一側部或一前部。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電極組，其中，該固定部件包括一聚合物膠帶，係用於貼紮該電極組的該側部或該前部。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該第一電極及該第二電極包括：一電流收集器；以及一活性材料塗佈於該電流收集器之兩側上。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之電極組，其中，該隔離件係擇自由下列所組成之群組：一聚乙烯薄膜、一聚丙烯薄膜、一藉由結合該聚乙烯薄膜以及該聚丙烯薄膜所得之多層膜，以及一用於一聚偏二氟乙烯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈或一聚偏二氟乙烯六氟丙烯共聚物之聚合物電解質的聚合物薄膜，該些薄膜包括微孔。
  20. 如申請專利範圍第10、13或14項所述之電極組，其中，該正極活性材料係藉由利用一包括Li2MnO3以及LiMO2的正極漿料所形成。
  21. 一種電化學裝置包括如申請專利範圍第1至19項中任一項所述之電極組。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之電化學裝置，其中，該電化學裝置係一二次電池、一包括複數個該二次電池的電池模組、或一包括複數個該電池模組的電池包。
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