TW201440294A - 具膠帶的電極組件及包含該電極組件的電化學裝置 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種用於防止當空邊電極被捲繞成捲繞體時，發生隔板被按壓及/或分開的現象的電極組件，以及包括該電極組件的電化學裝置。

Description

具膠帶的電極組件及包含該電極組件的電化學裝置

本揭露關於一種具有膠帶的電極組件及包括該電極組件的電化學裝置，且特別是關於用於防止當空邊電極被捲繞成捲繞體時，發生隔板被按壓及/或分開的現象的電極組件，以及包括該電極組件的電化學裝置。

本申請案主張於2012年12月7日在韓國申請之韓國專利申請第10-2012-0142021號，以及於2012年12月7日在韓國申請之韓國專利申請第10-2012-0142030號之優先權，其揭露內容在此藉由引用被併入。

同樣地，本申請案主張於2013年12月4日在韓國申請之韓國專利申請第10-2013-0150012號之優先權，其揭露內容在此藉由引用被併入。

近來，對電化學裝置領域中的能量儲存技術的興趣已與日俱增。由於能量儲存技術的應用領域已被擴展到手機、攝錄相機、膝上型電腦、甚至電動車，已經有越來越 多朝向電池的研究及開發的努力被作成。在此方面，電化學裝置已吸引到大部分的注意。可充電式二次電池的開發一直受到特別的關注。

參閱圖1，在傳統的二次電池中使用的電極之例示性實施例包括電極1，其具有電極活性材料層2、2’，其中，電極活性材料層2、2’係形成在具有長片體形狀之電流收集器3的兩個表面上，且未被電極活性材料層2、2’覆蓋的無活性材料部分a被形成在電流收集器3的端部。

當電極組件藉由堆疊電極和隔板被形成，且被捲繞成捲繞體時，可能發生隔板被電極的邊緣，更精確地，被捲繞已完成的電極之部分的邊緣所按壓的現象，且如上所述，具有無活性材料部分a的電極具有緩和或減少這種現象的優勢，其中，由於無活性材料部分a，隔板受到電極捲繞已完成的部分之邊緣的按壓，並從而減輕隔板的壓力，進而防止發生隔板分開的現象。

然而，在具有無活性材料部分a的電極1被使用的情況下，活性材料漿料在塗佈電極活性材料，特別是陰極活性材料的過程中，係在電流收集器的無活性材料部分上散開，且結果使活性材料島被形成，並且當電流收集器片體藉由捲繞體在高容量模型壽命測試或類似者中之收縮和擴張的重複而延伸時，這樣的島可能導致電池的內部短路。

據此，如圖2中所提出的，經由在電流收集器3的兩個表面上形成電極活性材料2、2’並藉由切除來消除無活性材料部分來製造的空邊電極1被提出。

在說明書中，“空邊電極”的詞語被理解為代表活性材料層極電流收集器在相同位置形成邊緣的電極，如圖2所提出的。

然而，因為圖2中所提出的空邊電極藉由活性材料的散開來避免了島被形成的問題，但卻由於電極活性材料層及電流收集器在相同的位置形成邊緣而引發了高密度步驟的問題，由電極的邊緣在將電極1的堆疊和隔板5捲繞成捲繞體被完成的部分所施加到隔板5的壓力係更高於當使用具有無活性材料部分的電極來捲繞成捲繞體時所施加的壓力，且因此，隔板被按壓及/或分開的問題更為惡化。

在本發明的例示性實施例中，係提供了包括空邊電極的電極組件，以減少或防止當被捲繞成捲繞體時，隔板被按壓及/或分開的現象。

又，在本發明的另一例示性實施例中，係提供了包括該電極組件的電化學裝置。

並且，在本發明的又一例示性實施例中，係提供了以較簡單的方式製造電極組件的方法。

根據本發明的一例示性實施例，其係提供了一種電極組件，包括電極活性材料層及電流收集器在相同的位置形 成邊緣的電極，其中絕緣膠帶被插入到電極的邊緣和隔板之間。

絕緣膠帶可具有與電極寬度相等的寬度。

電極的邊緣可與當電極組件被捲繞成捲繞體時，位在捲繞完成部分之邊緣相對應。

電極可包括陰極和陽極的任一者或兩者。

絕緣膠帶可被附接到隔板並堆疊於隔板上，且電極可被堆疊到絕緣膠帶上，使得電極的邊緣被設置在絕緣膠帶上。

絕緣膠帶或彈性材料可在不與在電極的邊緣中的隔板接觸的情況下，進一步地被附接到電極之位在電極捲繞完成部分的邊緣。

彈性材料可為苯乙烯-丁二烯橡膠。

在電極組件中，兩絕緣膠帶可被使用，兩絕緣膠帶之一可被附接到電極的下表面的端部，且絕緣膠帶的另一者可被附接到電極的上表面的端部，以及每一絕緣膠帶係可被緊密地附接到沿著電極之垂直於電極的下表面及電極的上表面的厚度方向的邊緣。

在電極組件中，一絕緣膠帶可被使用，且絕緣膠帶係可被連續地附接到電極的下表面的端部、沿著電極之垂直於電極的下表面的厚度方向的邊緣、以及電極的上表面的端部。

根據本發明的另一例示性實施例，其係提供了一種製造電極組件的方法，該方法包括將絕緣膠帶堆疊到隔板 上；以及將電極堆疊到絕緣膠帶上，使得電極捲繞完成部分的邊緣被設置在絕緣膠帶上。

該方法可進一步包括將絕緣膠帶或彈性材料漿料施加到電極之位在電極捲繞完成部分的邊緣，而不與在電極的邊緣中的隔板接觸。

根據本發明的又一例示性實施例，其係提供了一種製造電極組件的方法，該方法包括將絕緣膠帶附接到電極的上表面及下表面的每一者的端部上，將絕緣膠帶附接到沿著垂直於電極的上表面及電極的下表面之每一者的厚度方向之邊緣，以及將電極堆疊到隔板上。

根據本發明的又一例示性實施例，其係提供了一種電化學裝置，該電化學裝置包括如上述的捲繞體類型的電極組件。

電化學裝置可為鋰二次電池。

根據本發明的例示性實施例，其係藉由在隔板及電極的邊緣之間插入絕緣膠帶於電極捲繞被完成的部分，而提供了減少或防止隔板被按壓及/或分開的現象的效果。

同樣地，根據本發明的另一例示性實施例，其係藉由較為簡化的過程提供了將絕緣膠帶施加到電極之程序上的優勢。

1‧‧‧電極

2‧‧‧活性材料層

2’‧‧‧活性材料層

3‧‧‧電流收集器

4‧‧‧絕緣膠帶

4’‧‧‧絕緣膠帶

4”‧‧‧絕緣膠帶

4a‧‧‧長度

4b‧‧‧長度

5‧‧‧隔板

6‧‧‧彈性材料

a‧‧‧無活性材料部分

W1‧‧‧寬度

W4‧‧‧寬度

圖1為示意性地說明具有無活性材料部分的電極被堆疊到隔板上的例示性實施例的截面圖。

圖2為示意性地說明空邊電極被堆疊到隔板上的例示性實施例的截面圖。

圖3為說明本發明的例示性實施例的截面圖，其中絕緣膠帶被堆疊到隔板上，且空邊電極被堆疊到隔板及絕緣膠帶上。

圖4為圖3的俯視圖。

圖5為說明本發明的例示性實施例的截面圖，其中絕緣膠帶被堆疊到隔板上、空邊電極被堆疊到隔板及絕緣膠帶上、以及彈性材料在捲繞被完成的部分被施加到空邊電極的邊緣，而不與隔板相接觸。

圖6a為示意性地顯示例示性實施例的截面圖，其中絕緣膠帶被附接到空邊電極的上表面和下表面之每一者的端部，空邊電極包括空邊電極的捲繞被完成的部分。

圖6b為示意性地顯示例示性實施例的截面圖，其中圖6a之被附接到電極的上表面和下表面之每一者的端部的絕緣膠帶被附接到沿著電極之垂直於電極的上表面及下表面之每一者的厚度方向的邊緣。

圖6c為示意性地顯示例示性實施例的截面圖，其中具有圖6b之絕緣膠帶的空邊電極被堆疊到隔板上。

圖7為圖6c的俯視圖。

圖8為示意性地顯示例示性實施例的截面圖，其中絕緣膠帶在中央被彎曲並被附接到電極。

本發明將在以下作詳細的說明。在說明之前，應理解的是，被使用在說明書及所附申請專利範圍中的詞語不應該被理解為限於一般和詞典的含義，但在原則的基礎上根據對應到本發明的技術面向之含義和概念的解讀，允許發明人適當地定義用於最佳解釋的詞語。因此，在此所提出的說明只是僅為了顯示的目的之一較佳範例，並非意圖限制本發明的範疇，故應理解的是，在不偏離本發明的範疇和精神的情況下，其它的等效物及修改可從中被作成。

在本發明的例示性實施例中，其係提供了一種電極組件，電極組件包括空邊電極、隔板、以及被插入到空邊電極和隔板之間的絕緣膠帶。特別是，電極的邊緣較佳係對應到，當電極組件被捲繞成捲繞體時，在捲繞完成部分之隔板因空邊電極的存在而最容易受到壓力的邊緣。

為了更詳細的描述本發明，參照圖3所顯示之本發明的例示性實施例。

參照圖3，絕緣膠帶4被堆疊到隔板5上，且電極1被堆疊到絕緣膠帶4及隔板5上。特別是，電極的邊緣被堆疊到絕緣膠帶4上。

電極1可包括電流收集器3及形成在電流收集器3的至少一表面上的活性材料層2、2’，且對應到空邊電極1，其中電流收集器3及活性材料層2、2’係在相同的位置形成邊緣。

如自圖4所見，絕緣膠帶的寬度W4較佳係大於或等於電極寬度W1，以達成本發明的目的去防止隔板被按壓及/或分開。在本發明中，“等於”被理解為包括在本領域中可允許的誤差範圍。

在用於絕緣膠帶的材料上並沒有特別的限制，只要其具有絕緣特性及為不會在電解質溶液中反應即可。滿足這樣的特徵之用於絕緣膠帶之材料的非限制性範例可包括聚乙烯、聚丙烯、聚酯、尼龍、氯乙烯(vinyl chloride)、特氟隆^TM(Teflon^TM)、聚醯亞胺、聚亞醯胺膜^TM(Kapton^TM)、聚苯硫醚(polypheylene sulfide)及類似物。同樣地，絕緣膠帶可具有彈性。因被插入到電極及隔板之間的絕緣膠帶而出現在電極及隔板之間的間隙現象可藉由使用彈性絕緣膠帶來減少。

絕緣膠帶在厚度方面並未特別受到限制，只要其適合用於本發明的目的。亦即，在減少/防止隔板被按壓及/或分開的現象的同時，絕緣膠帶必須阻止電池體積不必要的增加。特別是，在電化學裝置係以將本發明的電極組件捲繞成捲繞體、將其接收於電池外殼中、以及注入液體電解質於其中的方式而被製造的情形下，隔板和電極不需被完美緊密接觸，以供電解質在隔板及電極之間移動。在本發明的例示性實施例中，絕緣膠帶的厚度可為落在10到20微米的範圍內。

參照圖3，對於被插入到電極1和隔板5之間的絕緣膠帶4的長度4a以及外露於隔板5的絕緣膠帶4的長度 4b沒有特別的限制，只要它們是適用於本發明的目的。例如，在本發明的例示性實施例中，被插入到電極和隔板之間的絕緣膠帶的長度4a可落在5到20毫米的範圍內，且外露於隔板5的絕緣膠帶的長度4b可落在5到10毫米的範圍內。

絕緣膠帶4可具有形成於其一表面上的黏合層。在此例子中，絕緣膠帶4被堆疊到隔板5上，使得黏合層被附接到隔板5。如果它可以溶解在電解質溶液中，並在電極和隔板之間提供預定水平的黏合強度，適用於此絕緣膠帶的黏合材料並不限於特定的類型。或者，絕緣膠帶可藉由熱封或熱熔而被附接到隔板。

電極可代表陰極和陽極的任一者或兩者。據此，例示性的實施例可包括絕緣膠帶被插入到陰極和隔板之間的實施例、絕緣膠帶被插入到陽極和隔板之間的實施例、以及絕緣膠帶被插入到陰極和隔板之間與陽極和隔板之間的實施例。

在本發明中，對用於電極的活性材料並無特別的限制。

可使用於本發明中的隔板並不限於特定的類型，且可使用任何可使用於先前技術的隔板，例如，多孔聚合物隔板、具有多孔塗層形成於多孔聚合物基材的至少一表面的複合隔板、基於工程塑料的隔板及類似者。在此例子中，“多孔聚合物基材”表示由大致像先前技術中所使用的隔板材料之材料所製成，例如，聚烯烴類化合物，且被理解為 包括薄膜基材及非織物基材。同樣地，“多孔塗層”包括無機顆粒與黏合劑聚合物的混合物，且表示當無機顆粒被封裝成彼此接觸時，無機顆粒藉由黏合劑聚合物被黏合於彼此的一種結構，其中在無機顆粒之間的間隙體積從而被形成，且這樣的間隙體積被定義作空白空間並形成多孔。

同樣地，參照圖5，根據本發明的另一例示性實施例，除了被插入到電極1和隔板5之間的絕緣膠帶4外，額外的絕緣膠帶或彈性材料6可在捲繞完成部分被進一步地施加到空邊電極的邊緣，而不與隔板接觸。

絕緣膠帶6可對應到與被插入到電極1和隔板5之間絕緣膠帶4相同材料或不同材料的絕緣膠帶。作為彈性材料6，具有彈性的非導電性材料，像是苯乙烯-丁二烯橡膠可被使用。

在絕緣膠帶或彈性材料6被施加到電極的某個時間點上並無特別的限制，且例如，絕緣膠帶或彈性材料6可在將電極1堆疊到隔板5上之前的任意時間點被施加，或在將電極1堆疊到隔板5上之後的任意時間點被施加。

當絕緣膠帶6被施加到電極時，絕緣膠帶的黏合表面被附接到電極的上表面及垂直於電極的上表面的部分。

當像是苯乙烯-丁二烯橡膠漿料的彈性材料被施加到電極時，可能在施加漿料到電極後，需要使其乾燥的一個後續過程。

本發明的另一例示性實施例被繪是在圖6a到6c中。

參照圖6a，兩絕緣膠帶4’、4”被準備，且絕緣膠帶 4’、4”的黏合表面被附接到電極1的上表面及下表面。兩絕緣膠帶4’、4”可具有相同的長度。

接著，參照圖6b，絕緣膠帶4’、4”的每一者係被緊密地附接到沿著電極垂直於電極的上表面之厚度方向的截面以及沿著電極垂直於電極的下表面之厚度方向的截面。若在如上所述的附接之後有殘留的絕緣膠帶，殘留的絕緣膠帶可能形成尾部，如圖6b所示。尾部可能有助於減少隔板被按壓及/或分開的現象。

接著，如圖6c所示，具有絕緣膠帶4’、4”於其上的電極1被堆疊到隔板5上。

製造例示性實施例的過程包括將兩絕緣膠帶4’、4”附接到電極的上表面及下表面的每一者的端部，並將絕緣膠帶4’、4”緊密地附接到沿著電極的厚度方向的邊緣，且因此具有容易及簡單過程的優勢。按照稍後將在圖8之例示性實施例中所描述之在中央彎曲絕緣膠帶所需的複雜的設備及過程的事實，此製造具有非常有利的過程優勢。同樣地，根據圖6a至6c的過程，其具有絕緣膠帶可被更緊密地附接到電極的優勢。

由於圖3至圖5的例示性實施例的描述在結合黏合膠帶的材料、厚度及寬度、以及被使用在絕緣膠帶中之黏合材料的方面可被相當地應用到在圖6a至圖6c中所使用的絕緣膠帶，對於圖3至圖5的描述之參照係被作成。

對於被附接到電極的上表面及下表面之每一者的端部的絕緣膠帶的長度並無特別的限制，只要它是適用於本發 明的目的。在本發明的例示性實施例中，被附接到電極的上表面及下表面之每一者的端部的絕緣膠帶的長度可落在5到20微米的範圍內，且尾部的長度可落在5到10微米的範圍內。

本發明的另一例示性實施例係被繪示於圖8中。

參照圖8，一絕緣膠帶4藉由彎曲中央而被準備，且絕緣膠帶4被附接到空邊電極。

當被捲繞成捲繞體時，在圖8中被製造之具有絕緣膠帶的電極同樣具有減少或防止隔板被按壓及/或分開的現象之效果。然而，在此例示性實施例中，如前面所描述的，用於彎曲絕緣膠帶4的中央的設備為必須的，且注意力應被放在將具有曲度的絕緣膠帶4緊密地附接到電極的上表面的端部、沿著垂直於上表面的厚度方向之邊緣、以及電極的下表面的端部。

電化學裝置可藉由將如同上面所描述的一般被製造的電極組件捲繞成捲繞體、將其接收於電池外殼內、以及將電解質溶液注入於其中而被製造出來，且可使用於本發明中的電化學裝置被描述如下。

若它們為可使用於先前技術中的，則對於可使用在本發明中的陰極活性材料、陽極活性材料、陰極電流收集器、以及陽極電流收集器並無特別的限制。

作為陰極活性材料，含鋰過度金屬氧化物或鋰硫屬合金複合物可被使用，且代表性的例子可包括，像是LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、LiMn₂O₄、或 LiNi_1-x-yCo_xM_yO₂(0x1,0y1,0x+y1,M代表像是鋁、鍶、鎂、和鑭的金屬)的金屬氧化物，但不限於此。

作為陽極活性材料，像是結晶碳、非晶碳、碳複合材料及碳纖維的碳材料、鋰金屬、以及鋰合金可被使用，然而，本發明不限於此。

作為陰極電流收集器，不鏽鋼、鎳、鋁、鈦、或其合金，以及被以碳、鎳、鈦和銀處理其表面的鋁或不鏽鋼可被使用。

作為陽極電流收集器，不鏽鋼、鎳、銅、鈦、或其合金，以及被以碳、鎳、鈦和銀處理其表面的銅或不鏽鋼可被使用。

可使用在本發明的例示性實施例中的電解質溶液可為例如A⁺B^-結構的鹽被溶解或解離於包括但不限於碳酸丙烯酯(propylene carbonate，PC)、碳酸伸乙酯(ethylene carbonate，EC)、碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)、碳酸二丙酯(dipropyl carbonate，DPC)、二甲基亞颯(dimethylsulfoxide)、乙腈(acetonitrile)、二甲氧乙烷(dimethoxyethane)、二乙氧乙烷(diethoxyethane)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、N-甲基-2吡咯啶酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)、碳酸甲乙酯(ethylmethylcarbonate，EMC)、加馬丁內酯(gamma butyrolactone)或其混合物之有機溶劑的電解質溶液，其中A⁺表示包括像是鋰⁺、鈉⁺及鉀⁺或其結合的 鹼金屬陽離子之離子，且B^-表示包括像是PF₆ ^-、BF₄ ^-、Cl^-、Br^-、I^-、ClO₄ ^-、AsF₆ ^-、CH₃CO₂ ^-、CF₃SO₃ ^-、N(CF₃SO₂)₂ ^-及C(CF₂SO₂)₃或其結合的陰離子之離子。

電解質溶液的注入可在電池製造過程中的適當步驟中被執行，電池製造過程係根據最終產品的製程及所需的物理特徵而定。亦即，電解質溶液的注入可被應用於電池組裝之前，或被應用在電池組裝的最終步驟中。

1‧‧‧電極

2‧‧‧活性材料層

2’‧‧‧活性材料層

3‧‧‧電流收集器

4‧‧‧絕緣膠帶

4a‧‧‧長度

4b‧‧‧長度

5‧‧‧隔板

Claims (14)

1. 一種電極組件，包括：電極，其中電極活性材料層及電流收集器在相同的位置形成邊緣，其中絕緣膠帶被插入到該電極的該邊緣及隔板之間。
2. 如申請專利範圍第1項之電極組件，其中該絕緣膠帶具有與電極寬度相等的寬度。
3. 如申請專利範圍第1項之電極組件，其中該電極的該邊緣係與當該電極組件被捲繞成捲繞體時，位在捲繞完成部分之邊緣相對應。
4. 如申請專利範圍第1項之電極組件，其中該電極包括陰極和陽極的任一者或兩者。
5. 如申請專利範圍第1項之電極組件，其中該絕緣膠帶被附接到該隔板並堆疊於該隔板上，且該電極被堆疊到該絕緣膠帶上，使得該電極的該邊緣被設置在該絕緣膠帶上。
6. 如申請專利範圍第5項之電極組件，其中絕緣膠帶或彈性材料更被附接到該電極之位在該電極捲繞完成部分的邊緣，而不與在該電極的該邊緣中的該隔板接觸。
7. 如申請專利範圍第6項之電極組件，其中該彈性材料為苯乙烯-丁二烯橡膠。
8. 如申請專利範圍第1項之電極組件，其中兩絕緣膠帶被使用，該兩絕緣膠帶之一被附接到該電極的下表面的端部，且該絕緣膠帶的另一者被附接到該電極的上表面 的端部，以及該絕緣膠帶的每一者係被緊密地附接到沿著該電極之垂直於該電極的該下表面及該電極的該上表面的厚度方向之邊緣。
9. 如申請專利範圍第1項之電極組件，其中一絕緣膠帶被使用，且該絕緣膠帶係被連續地附接到該電極的下表面的端部、沿著該電極之垂直於該電極的該下表面的厚度方向之邊緣、以及該電極的上表面的端部。
10. 一種製造如申請專利範圍第4項之電極組件的方法，該方法包括：將絕緣膠帶堆疊到隔板上；以及將該電極堆疊到該絕緣膠帶上，使得電極捲繞完成部分的邊緣被設置在該絕緣膠帶上。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，還包括：將絕緣膠帶或彈性材料漿料施加到該電極之位在該電極捲繞完成部分的邊緣，而不與在該電極的該邊緣中的該隔板接觸。
12. 一種製造如申請專利範圍第8項之電極組件的方法，該方法包括：將絕緣膠帶附接到電極的上表面及下表面的每一者的端部上；將該絕緣膠帶附接到沿著垂直於該電極的該上表面及該電極的該下表面之每一者的厚度方向之邊緣；以及將該電極堆疊到該隔板上。
13. 一種電化學裝置，其包括如申請專利範圍第1至 9項任一項的捲繞體類型的電極組件。
14. 如申請專利範圍第13項之電化學裝置，其中該電化學裝置係為鋰二次電池。