TW201427146A - 電極片、電極片之成型方法及具有該電極片之鋰電池芯成型方法 - Google Patents

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Abstract

一種電極片,其正面之大部份區域結合第一極片塗層,電極片反面之大部份區域結合第二極片塗層,而一固態分子聚電解質塗層分別塗佈於第一極片塗層及第二極片塗層上。藉此,當電極片做為正極片或負極片其中之一種,正極片及負極片交叉層疊,正極片及負極片之間夾置固態分子聚電解質塗層,且正、負極片堆疊或連續捲繞方式形成一卷芯時,即可組成一鋰電池芯,使能在高、低溫的環境下正常運作,且能讓電池的性能穩定,以確保使用安全。

Description

電極片、電極片之成型方法及具有該電極片之鋰電池芯成型方法
本發明係有關一種電極片、電極片之成型方法及具有該電極片之鋰電池芯成型方法,尤指一種可在高、低溫時的性能穩定,以確保使用安全者。
目前鋰離子電池芯由於具有重量輕,比鋼/鋁殼電池安全係數更高、不易爆炸等原因,因此在部分領域得到快速發展,但其實質上也是更換了包裝的液態鋰離子電池芯。其中,當電池芯處於充、放電狀態、短路或高溫環境下而使得電池液的溫度升高到達大約75~80℃以上的高溫時,電解質溶液內諸如碳酸二甲酯(dimethyl carbonate,DMC)之類的有機溶劑及部份雜質將會產生諸如氫氣、氧氣及二氧化碳之類的空氣,而形成氣脹及漏液的現象,如此一來,不但會造成電池芯的性能下降,甚至於會產生爆炸現象,而有安全上的疑慮。
再者,一般鋰電池芯內的電極片之製程大致分為堆疊及捲繞兩種方式,二者方式皆是在正極片及負極片之間夾置隔膜紙之後,再重複堆疊或捲繞而成,並在放進殼體之後,注入電解液,最後打鋼珠封口以成型一鋰電池芯。然而,隔膜紙與電解液均不耐高、低溫,當電池液的溫度升高到達大約75~80℃以上的高溫時,不但會有氣脹爆炸的危險,且會有在低溫下無法運作的問題。
有鑑於此,為了改善上述之缺點,使電極片及具有該電極片之鋰電池芯不但能消除高、低溫環境的限制以正常運作,且能讓電池芯的性能穩定,以確保使用安全,發明人積多年的經驗及不 斷的研發改進,遂有本發明之產生。
本發明之主要目的在提供一種在電極片之兩側分別結合一極片塗層,並於二極片塗層之表面分別塗佈一固態分子聚電解質塗層,以藉由固態分子聚電解質塗層的導電及耐高、低溫之特性,使在高溫時,能防止產生氣脹、漏液的問題,以確保使用安全,並在低溫環境中能正常運作之電極片、電極片之成型方法及具有該電極片之鋰電池芯成型方法。
為達上述發明之目的,本發明所設之電極片係包括一正面及一反面,電極片之正面之大部份區域結合第一極片塗層,電極片之反面之大部份區域結合第二極片塗層,第一、第二極片塗層分別對應於電極片之正、反面;其主要的技術特點在於:一固態分子聚電解質塗層分別結合於第一極片塗層及第二極片塗層上。
實施時,該固態分子聚電解質塗層係為高分子聚合物,其具有由以下通式I表示之重複單元E1
其中該重複單元E1具有兩個與該重複單元E1之四個N原子中之兩個鍵結的側基,L1及L2;L1及L2獨立地表示基團R1-SO3M,R1表示烴;M表示選自由Li+、Na+、H+及K+組成之群的陽離子;R3表示基團H或SO3M; 且x表示大於10之整數。
本發明所設之電極片之成型方法係包括下列步驟:a.將固態分子聚電解質塗層分別塗佈於電極片正面之第一極片塗層及電極片反面之第二極片塗層上;以及b.烘乾固態分子聚電解質塗層之後,使固態分子聚電解質塗層分別固著於第一極片塗層及第二極片塗層上。
實施時,本發明更包括一步驟,係分別於電極片之正、反面上塗上絕緣膠,並使絕緣膠分別位於電極片之正、反面之固態分子聚電解質塗層之一側邊。
本發明所設之鋰電池芯成型方法,係包括下列步驟:a.裁切已塗上固態分子聚電解質塗層的正極片及負極片,使正極片具有正極極耳,並使負極片具有負極極耳;b.交叉堆疊正極片及負極片;c.定位該等正極片及該等負極片,並連結該等正極片之正極極耳,連結該等負極片之負極極耳;d.將各正極極耳連結於蓋板之正極極片上,各負極極耳連結於蓋板之負極極片上;e.將該等正極片及該等負極片裝入殼體內;以及f.結合殼體及蓋板,以成型鋰電池芯。
本發明所設之鋰電池芯成型方法,係包括下列步驟:a.裁切已塗上固態分子聚電解質塗層的正極片及負極片,使正極片具有正極極耳,並使負極片具有負極極耳;b.交叉堆疊正極片及負極片之後,進行連續捲繞成卷芯並在卷芯中間放絕緣片;c.定位該等正極片及該等負極片,並連結該等正極片之正極極耳,連結該等負極片之負極極耳;d.將各正極極耳連結於蓋板之正極極片上,各負極極耳連結於蓋板之負極極片上;e.將該卷芯裝入殼體內;以及f. 結合殼體及蓋板,以成型鋰電池芯。
為便於對本發明能有更深入的瞭解,茲詳述於後:
請參閱第1、2圖所示,其為本發明電極片1之較佳實施例,該電極片1係為正極片或負極片其中之一種,且該電極片1包括一正面11及一反面12,電極片1之正面11之大部份區域結合第一極片塗層111,電極片1正面11之其他區域概略呈長條形,電極片1之反面12之大部份區域結合第二極片塗層121,電極片1反面12之其他區域概略呈長條形,藉以使第一、第二極片塗層(111、121)分別對應於電極片1之正、反面(11、12),而一固態分子聚電解質塗層(3、3’)係分別結合於第一極片塗層111及第二極片塗層121之外表面上。
其中,當電極片1係為正極片時,該第一、第二極片塗層(111、121)係為鋰金屬混合氧化物(lithium mixed metal oxide),亦可為LiMnO2、LiMn2O4、LiCoO2、Li2Cr2O7、Li2CrO4、LiNiO2、LiFeO2、LiNixCo1-xO2、LiFePO4、LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2、LiMc0.5Mn1.5O4、或上述之組合;當電極片1係為負極片時,該第一、第二極片塗層(111、121)係由商用矽粉末球磨後而成,且在矽材料表面包覆碳膜。
而該固態分子聚電解質塗層(3、3’)係為耐高、低溫之高分子聚合物,在本實施例中,該固態分子聚電解質塗層(3、3’)具有由以下通式I表示之重複單元E1
其中該重複單元E1具有兩個與該重複單元E1之四個N原子中之兩個鍵結的側基,L1及L2;L1及L2獨立地表示基團R1-SO3M,R1表示烴;M表示選自由Li+、Na+、H+及K+組成之群的陽離子;R3表示基團H或SO3M;且x表示大於10之整數。
經實驗結果,上述固態分子聚電解質塗層(3、3’)在室溫下具有約2.8×10-3 S/cm之三維等向性導電度。
實施時,上述電極片1之成型方法,係包括下列步驟:a.將固態分子聚電解質塗層(3、3’)分別塗佈於電極片1正面11之第一極片塗層111及電極片1反面12之第二極片塗層121上;b.烘乾固態分子聚電解質塗層(3、3’)之後,使固態分子聚電解質塗層(3、3’)分別固著於第一極片塗層111及第二極片塗層121上。
在步驟a中,該固態分子聚電解質塗層(3、3’)係溶於諸如二甲亞碸及二甲基乙醢胺之多種質子性溶劑中,或以水做為溶劑,以供塗佈於第一、第二極片塗層(111、121)上。而在步驟a之後,則是分別於電極片1之正、反面(11、12)上塗上一絕緣膠(4、4’),並使絕緣膠(4、4’)分別位於電極片1之正、反面(11、12)之固態分子聚電解質塗層(3、3’)之一側邊。
請參閱第1~6圖所示,其為具有上述電極片1之鋰電池芯5 之成型方法之第一實施例,其係為堆疊製程,主要包括下列步驟:a.裁切已塗上固態分子聚電解質塗層(3、3’)的正極片1’及負極片1”,使正極片1’具有正極極耳11’,並使負極片1”具有負極極耳11”;b.交叉堆疊正極片1’及負極片1”;c.定位該等正極片1’及該等負極片1”,並連結該等正極片1’之正極極耳11’,連結該等負極片1”之負極極耳11”;d.將各正極極耳11’連結於蓋板6之正極極片61上,各負極極耳11”連結於蓋板6之負極極片62上;e.將該等正極片1’及該等負極片1”裝入殼體7內;以及f.結合殼體7及蓋板6,以成型鋰電池芯9。
其中,在步驟b之後,係以絕緣膠41塗佈於各正極片1’及負極片1”之周邊,以防止短路;在步驟c中,該等正極片1’及該等負極片1”係以耐高溫之自黏膠帶42包捆以使定位;在步驟d之後,係以一絕緣膠袋43套住各正、負極片(1’、1”);而在步驟f之後,則是在蓋板6上面貼上一絕緣片44,並在抽真空之後進行封口,以成型鋰電池芯9。
請參閱第7~10圖所示,其為具有上述電極片1之鋰電池芯9之成型方法之第二實施例,其係為捲繞製程,主要包括下列步驟:a.裁切已塗上固態分子聚電解質塗層(3、3’)的正極片1’及負極片1”,使正極片1’具有正極極耳11’,並使負極片1”具有負極極耳11”;b.交叉堆疊正極片1’及負極片1”之後,進行連續捲繞成一卷芯8並在卷芯8中間放絕緣片45; c.定位該等正極片1’及該等負極片1”,並連結該等正極片1’之正極極耳11’,連結該等負極片1”之負極極耳11”;d.將各正極極耳11’連結於蓋板6之正極極片61上,各負極極耳11”連結於蓋板6之負極極片62上;e.將該卷芯8裝入殼體7內;以及f.結合殼體7及蓋板6,以成型鋰電池芯9。
其中,在步驟b之後,係以耐高溫之自黏膠帶42包捆以固定卷芯8,並用絕緣膠41塗佈於卷芯8之底面,以防止短路;在步驟d之後,係以一絕緣膠袋43套住各正、負極片(1’、1”);而在步驟f之後,則是在蓋板6上面貼上一絕緣片44,並在抽真空之後進行封口,以成型鋰電池芯9。
因此,本發明具有以下之優點:
1、本發明係以固態分子聚電解質塗層直接塗佈並固著於電極片之兩側,以同時取代隔膜紙與電解液,因此,可以有效提高作業效率,以降低製造及組裝成本。
2、本發明係以固態分子聚電解質塗層直接塗佈並固著於電極片之兩側,以同時取代隔膜紙與電解液,因此,可以在高溫時防止產生氣脹、漏液的問題,以確保使用安全,並在低溫環境中仍能正常運作。
3、本發明之電極片可應用於方型硬殼或圓柱型等各種型體之鋰電池芯上,且可適用於堆疊方式或捲繞方式成型之鋰電池芯,因此,在使用上相當具有彈性。
綜上所述,依上文所揭示之內容,本發明確可達到發明之預 期目的,提供一種不但能消除電池應用環境的限制,減少電池氣脹、漏液的問題,並能讓電池的性能穩定,以確保使用安全之電極片、電極片之成型方法及具有該電極片之鋰電池芯成型方法,極具產業上利用之價值,爰依法提出發明專利申請。
1‧‧‧電極片
1’‧‧‧正極片
1”‧‧‧負極片
11’‧‧‧正極極耳
11”‧‧‧負極極耳
11‧‧‧正面
111‧‧‧第一極片塗層
12‧‧‧反面
121‧‧‧第二極片塗層
3、3’‧‧‧固態分子聚電解質塗層
4、4’、41‧‧‧絕緣膠
42‧‧‧自黏膠帶
43‧‧‧絕緣膠袋
44、45‧‧‧絕緣片
5‧‧‧鋰電池芯
6‧‧‧蓋板
61‧‧‧正極極片
62‧‧‧負極極片
7‧‧‧殼體
8‧‧‧卷芯
9‧‧‧鋰電池芯
第1、2圖係為本發明電極片之較佳實施例之立體剖面圖。
第3圖係為本發明之正、負極片交叉堆疊時之立體外觀圖。
第4圖係為本發明之正、負極片以自黏膠帶包捆定位時之立體外觀圖。
第5圖係為本發明之堆疊式鋰電池芯組裝前之元件分解圖。
第6圖係為本發明之堆疊式鋰電池芯組裝後之立體外觀圖。
第7圖係為本發明之正、負極片捲繞成一卷芯時之立體外觀圖。
第8圖係為本發明之正、負極片以自黏膠帶包捆定位時之立體外觀圖。
第9圖係為本發明之卷芯之底面塗佈絕緣膠時之立體外觀圖。
第10圖係為本發明之捲繞式鋰電池芯組裝前之元件分解圖。
1‧‧‧電極片
11‧‧‧正面
111‧‧‧第一極片塗層
3‧‧‧固態分子聚電解質塗層
4‧‧‧絕緣膠

Claims (10)

  1. 一種電極片,包括一正面及一反面,該電極片之正面之大部份區域結合一第一極片塗層,該電極片之反面之大部份區域結合一第二極片塗層,該第一、第二極片塗層分別對應於電極片之正、反面,其改良在於:一固態分子聚電解質塗層分別結合於第一極片塗層及第二極片塗層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電極片,其中,該固態分子聚電解質塗層係為高分子聚合物,其具有由以下通式I表示之重複單元E1 其中該重複單元E1具有兩個與該重複單元E1之四個N原子中之兩個鍵結的側基,L1及L2;L1及L2獨立地表示基團R1-SO3M,R1表示烴;M表示選自由Li+、Na+、H+及K+組成之群的陽離子;R3表示基團H或SO3M;且x表示大於10之整數。
  3. 一種製造如請求1所述的電極片之成型方法,包括:a.將固態分子聚電解質塗層分別塗佈於電極片正面之第一極片塗層及電極片反面之第二極片塗層上;以及b.烘乾固態分子聚電解質塗層之後,使固態分子聚電解質塗層 分別固著於第一極片塗層及第二極片塗層上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之成型方法,其中,該固態分子聚電解質塗層係為高分子聚合物,其具有由以下通式I表示之重複單元E1 其中該重複單元E1具有兩個與該重複單元E1之四個N原子中之兩個鍵結的側基,L1及L2;L1及L2獨立地表示基團R1-SO3M,R1表示烴;M表示選自由Li+、Na+、H+及K+組成之群的陽離子;R3表示基團H或SO3M;且x表示大於10之整數。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所述之成型方法,更包括一步驟,係分別於電極片之正、反面上塗上一絕緣膠,並使該絕緣膠分別位於電極片之正、反面之固態分子聚電解質塗層之一側邊。
  6. 一種具有如請求1所述的電極片之鋰電池芯成型方法,其中,該電極片做為正極片或負極片其中之一種,該鋰電池芯包括一殼體及一蓋板,該蓋板設有一正極極片及一負極極片,而該鋰電池芯成型方法係包括:a.裁切已塗上固態分子聚電解質塗層的正極片及負極片,使正極片具有一正極極耳,並使負極片具有一負極極耳;b.交叉堆疊正極片及負極片; c.定位該等正極片及該等負極片,並連結該等正極片之正極極耳,連結該等負極片之負極極耳;d.將各正極極耳連結於蓋板之正極極片上,各負極極耳連結於蓋板之負極極片上;e.將該等正極片及該等負極片裝入殼體內;以及f.結合殼體及蓋板,以成型鋰電池芯。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之鋰電池芯成型方法,更包括一步驟,係以絕緣膠塗佈於各正極片及負極片之周邊,用膠帶捆綁固定各正極片及負極片。
  8. 一種具有如請求1所述的電極片之鋰電池芯成型方法,其中,該電極片做為正極片或負極片其中之一種,該鋰電池芯包括一殼體及一蓋板,該蓋板設有一正極極片及一負極極片,而該鋰電池芯成型方法係包括:a.裁切已塗上固態分子聚電解質塗層的正極片及負極片,使正極片具有一正極極耳,並使負極片具有一負極極耳;b.交叉堆疊正極片及負極片之後,進行連續捲繞成一卷芯並在卷芯中間放一絕緣片;c.定位該等正極片及該等負極片,並連結該等正極片之正極極耳,連結該等負極片之負極極耳;d.將各正極極耳連結於蓋板之正極極片上,各負極極耳連結於蓋板之負極極片上;e.將該卷芯裝入殼體內;以及f.結合殼體及蓋板,以成型鋰電池芯。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之鋰電池芯成型方法,更包括一步驟,係以膠帶捆綁固定卷芯,並用絕緣膠塗佈於卷芯底面。
  10. 如申請專利範圍第6或8項所述之鋰電池芯成型方法,更包括下列步驟:以一絕緣膠袋套住各正、負極片;以及在蓋板上面貼上一絕緣片,並在抽真空之後進行封口。
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