TW201508985A - 含有絕緣層於陰極耳上之陰極及含有該陰極之二次電池 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種含有陰極電流收集器、從該陰極電流收集器突出之陰極耳、及在該陰極耳上之塗覆有絕緣材料的絕緣層之陰極，及含有該陰極之二次電池。 由於本發明之陰極含有絕緣層於陰極耳上，本發明可防止當堆疊電極時會因電池變形或在電池製備程序中於電極裁切期間所形成的電極之銳利邊緣而發生的內部短路，或可防止因分隔件在高溫環境中收縮所導致之陰極與陽極之間的物理性短路。在該陰極用於鋰二次電池之情況下，安全性及電池性能之可靠度可顯著改善。

Description

含有絕緣層於陰極耳上之陰極及含有該陰極之二次電池
本發明關於一種含有陰極電流收集器、從該陰極電流收集器突出之陰極耳、及在該陰極耳上之塗覆有絕緣材料的絕緣層之陰極，及含有該陰極之二次電池。
二次電池作為能源之需求已隨著技術發展以及對於行動裝置之需求增加而迅速增加，因此已進行大量可符合各種要求的電池之研究。
通常，就電池形狀方面而言，對於具有可用於諸如行動電話等產品之薄輪廓的稜柱型電池及袋型之電池的需求高，而就材料方面而言，對於鋰二次電池(諸如具有優異能量密度、放電電壓及安全性之鋰鈷聚合物電池)的需求高。
二次電池之主要研究計畫之一係改善安全性。電池之安全性相關事件的主因係歸因於因陰極及陽極之間的短路所致而達到異常高溫狀態。即，在正常狀況 下，在陰極與陽極之間配置分隔件以維持電絕緣。然而，在異常誤用或濫用狀況下，例如發生電池過充電或過放電，或電極材料之樹枝狀生長，或因外來物質而發生內部短路，或是電池被銳利物體(諸如指甲及螺絲)刺穿，或電池因外力而過度變形，單獨使用一般分隔件時會有一些限制。
通常，主要使用由聚烯烴樹脂所形成之微孔膜作為分隔件。然而，因其耐熱性在約120℃至約160℃之範圍內，耐熱性質會不足。因此，當發生內部短路時，會達到分隔件因短路反應熱而收縮因而放大短路部分並產生更多反應熱的熱失控狀態。
又，如圖1所示，二次電池通常藉由將陰極及陽極切割成適當尺寸並堆疊數個薄片而製備成稜柱形。在此情況下，由於該陰極或該陽極之塗覆有聚合物電解質的邊緣可能包括不顯眼之微型針形的銳利部分，當堆疊電極時該等部分中可能發生微觀內部短路。因此，電池之性能會受到負面影響。特別是，由於當塗覆聚合物電解質時邊緣具有比內部更不規則之表面，該等邊緣未被均勻塗覆。如此，可能發生短路。又，當堆疊電極時該等電極之上層及下層即使稍微彼此未對準，陰極與陽極之間可能發生短路。
如此，已研究各種用以減少電池變形、外來衝擊或者陰極與陽極之間物理性短路的可能性之方法。
例如，為了防止因移動呈電池已完成以使電 極耳與電極裝配件之上端接觸狀態的電極裝配件所造成的短路，有一種方法係將預定尺寸之絕緣帶附著在該電極耳上接近電流收集器上端。通常，使用聚醯亞胺膜作為該絕緣帶，且通常建議該絕緣帶係從該電流收集器上端至該底部纏繞至稍微延伸長度。又，為了防止鬆脫，該絕緣帶通常係纏繞兩次或三次。
然而，此種絕緣帶之捲繞操作會是高度複雜的，且在該絕緣帶係從該電流收集器上端至該底部纏繞至稍微延伸長度的情況中，上述纏繞部分會造成該電極裝配件之厚度增加。此外，纏繞部分在電極耳彎曲期間會輕易鬆脫。
本發明提供一種含有陰極耳之陰極，其可最小化因高溫環境下電池變形或分隔件收縮所造成之陰極與陽極之間的物理性短路之可能性；以及含有該陰極之二次電池。
根據本發明態樣，提供一種陰極，其含有陰極電流收集器；從該陰極電流收集器突出之陰極耳；及在該陰極耳上之塗覆有絕緣材料的絕緣層。
根據其他態樣，提供一種二次電池，其含有 陰極；陽極；及配置於該陰極與該陽極之間的分隔件。
本發明可藉由在陰極耳上含有塗覆有絕緣材料之絕緣層而進一步減少因高溫環境下電池變形或分隔件收縮所造成之陰極與陽極之間的物理性短路之可能性。此外，安全性及電池性能之可靠度會顯著改善。
10‧‧‧陰極活性材料塗覆部分
20‧‧‧陰極耳
30‧‧‧陰極電流收集器
40‧‧‧絕緣層
60‧‧‧陽極電流收集器
70‧‧‧陽極活性材料塗覆部分
100‧‧‧陰極
200‧‧‧陽極
300‧‧‧分隔件
d‧‧‧非塗覆部分
l‧‧‧絕緣層之長度
L‧‧‧突出方向
w‧‧‧絕緣層之寬度
S‧‧‧傾斜長度
T‧‧‧絕緣層之厚度
附於本說明書之以下圖式以舉例方式圖示說明本發明的較佳實例，且連同以下之本發明詳細說明一起能使本發明之技術概念更為人暸解，因此本發明不應解釋為僅關於此等圖式中的標的。
圖1圖示二次電池中發生短路的典型實例；圖2為圖示含有從典型陰極電流收集器突出之陰極耳的陰極之平面圖(a)及斷面圖(b)；圖3為圖示根據本發明之實施態樣含有絕緣層於由非塗覆部分構成之陰極耳上的陰極之平面圖(a)及斷面圖(b)；圖4至6為分別圖示根據本發明之實施態樣的含有陰極活性材料之含有絕緣層於陰極耳上的陰極之斷面圖；及圖7為圖示根據本發明實施態樣之含有絕緣層的陰極耳之二次電池的示意圖。
下文中，將更詳細說明本發明以期更清楚暸解本發明。
將暸解本說明書及申請專利範圍所使用之文字或用語不應解釋為常用字典中所界定的意思。基於發明人可適當界定最佳地解釋本發明之文字或用語的原理，另外應暸解該等文字或用語具有與其在相關技術內容及本發明技術觀念中一致之意思。
根據本發明實施態樣之陰極可含有一種陰極電流收集器、從該陰極電流收集器突出之陰極耳、及在該陰極耳上之塗覆有絕緣材料的絕緣層。
根據本發明之實施態樣，由於含有絕緣層於陰極耳上之陰極可顯著減少電池之製備程序，該陰極最終可降低該電池的製備成本，且可藉由擴大絕緣區域而進一步改善該電池的安全性。此外，使用典型絕緣膜或帶時會發生的限制(即，於彎曲該陰極以供附接至對應部分期間剝離的可能性)會非常低，且可能不會誘發電極裝配件之厚度。
本發明實施態樣之陰極耳可形成該陰極耳至少一側塗覆有電絕緣材料(下文簡稱為「絕緣材料」)的結構。
根據本發明之實施態樣，絕緣材料可包括選自由以下所組成之群組的任一者：丙烯酸丁酯、苯乙烯、 丙烯酸、丙烯酸羥乙酯及苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)，或其二或多者之混合物。該絕緣材料可為該絕緣材料以10重量%至90重量%之量分散於水中的水溶液。
根據本發明之實施態樣，陰極耳及陰極電流收集器係形成單件，且該陰極耳可為選自鋁箔、鋁網或其等效物所組成之群組中的任一者。
圖2為圖示含有從典型陰極電流收集器突出之陰極耳的陰極之平面圖(a)及斷面圖(b)的實例。
尤其是，如圖2(a)及(b)所示，陰極含有陰極活性材料塗覆部分10於陰極電流收集器30之一側或二側上，而陰極耳20(作為不含有該陰極活性材料塗覆部分之非塗覆部分)可形成於該陰極電流收集器30一端。
根據本發明實施態樣之陰極耳可藉由使用模具以單位電極之間隔對連續陰極薄片(其中陰極電流收集器之一側或二側上經活性材料塗覆)衝出切口而形成。
根據本發明，在衝出切口之後所形成的陰極耳可形成作為如圖2及3中所示之不含陰極活性材料的非塗覆部分，且可含有如圖4至6所示之陰極活性材料塗覆部分的一部分。
根據本發明實施態樣之絕緣層的塗覆部分可根據各種因素(諸如電池之結構)而改變。然而，本發明不局限於此。茲參考圖3至6說明該塗覆部分之實例：首先，參考圖3，圖3為圖示根據本發明之實 施態樣含有由非塗覆部分構成的陰極耳之陰極的平面圖(a)及斷面圖(b)。
尤其是，參考圖3(a)及3(b)，陰極含有陰極活性材料塗覆部分10於陰極電流收集器30之一側或二側上，而形成於陰極電流收集器30一端作為不含該陰極活性材料塗覆部分之非塗覆部分的陰極耳20可含有在其一至或二至上塗覆有絕緣材料之絕緣層40。
根據本發明之實施態樣，於圖3(a)中，絕緣層40之塗覆量可為陰極耳20在突出方向L上之陰極耳20總長度(d+l)的10%至90%，例如，絕緣層之長度l可在1mm至10mm範圍內。絕緣層40可塗覆成具有與該陰極耳20寬度相同之寬度w，該寬度w係與陰極耳20之突出方向L垂直。然而，本發明不局限於此。
根據本發明其他實施態樣之陰極耳20可如圖4至6中所示含有陰極活性材料塗覆部分10之一部分。
參考圖4至6，根據本發明實施態樣之陰極可含有在陰極電流收集器30一側或二側上之陰極活性材料塗覆部分10，且從該電流收集器30突出之陰極耳20可含有陰極活性材料塗覆部分10之一部分。該陰極活性材料塗覆部分10可含有厚度沿該陰極耳20之突出方向變小的傾斜部分。
又，根據本發明之實施態樣，如圖6所示，於陰極耳上形成之陰極活性材料塗覆部分可另外含有介於該陰極電流收集器與該傾斜部分之間，例如介於在該陰極 電流收集器上形成之陰極活性材料塗覆部分與該傾斜部分之間的平坦部分。
根據本發明之實施態樣，絕緣層40可塗覆於陰極耳20上，同時含有陰極活性材料塗覆部分10。於陰極耳20上形成之陰極活性材料塗覆部分10可為延伸至陰極耳20上之於陰極電流收集器30上形成的陰極活性材料塗覆部分10之一部分。因此，於陰極耳20上形成之陰極活性材料塗覆部分10可具有與於陰極電流收集器30形成之陰極活性材料塗覆部分10相同材料。
絕緣層40可包含陰極活性材料塗覆部分10之傾斜部分一部分(見圖4及6)或全部(見圖5)的傾斜表面，且可藉由塗覆量為陰極耳20在突出方向上之陰極耳20總長度(d+l)的10%至90%來形成。例如，絕緣層之長度l可在1mm至10mm範圍內，且該絕緣層40可塗覆成具有與陰極耳20寬度相同之寬度，該寬度係與陰極耳20之突出方向垂直。然而，本發明不局限於此。
根據本發明之實施態樣如圖4及6所示，絕緣層40可從陰極耳20上之陰極活性材料塗覆部分10的傾斜部分之傾斜長度S的1/2起塗覆量為陰極耳在突出方向上之陰極耳總長度(d+l)的10%至90%。
又，如圖5所示，絕緣層40可塗覆量為陰極耳在突出方向上之陰極耳總長度(d+l)的10%至90%，同時包含陰極耳20上之陰極活性材料塗覆部分10的全部傾斜表面(全部傾斜長度S)。
絕緣層40之塗覆厚度T可為陰極耳20上的陰極活性材料塗覆部分10之厚度之50%至100%，例如，絕緣層40之厚度T可在1μm至100μm範圍內。在絕緣層之塗覆厚度T過薄的情況下，會難以獲得所需之電絕緣性質。反之，在絕緣層之塗覆厚度T過厚的情況下，因塗覆層之固化時間會增加或會誘發塗覆層厚度增加，故此會是不希望的狀況。
根據本發明之實施態樣，絕緣層40含有陰極活性材料塗覆部分10之一部分係為了防止發生陰極活性材料塗覆部分10與陰極耳20之間未形成該絕緣層的間隙。
在陰極耳之一側或二側上形成的絕緣層之塗覆方法亦可不同。例如，絕緣層可藉由將含有絕緣材料之水溶液噴霧塗覆在陰極耳上而形成。
根據本發明之實施態樣，絕緣材料塗覆在陰極耳上可在二次電池之製備程序的任一步驟中進行。然而，本發明不局限於此。
例如，以陰極活性材料塗覆陰極電流收集器之一側或二側，然後以絕緣材料塗覆該陰極電流收集器之非塗覆部分或非塗覆部分以及陰極活性材料塗覆部分的一部分而形成絕緣層。然後，可藉由使用模具對如此獲得之產物衝出切口成為所希望陰極耳形狀而獲得含有絕緣層之陰極耳。
作為本發明之其他實例，陰極耳係藉由使用 模具以單位電極之間隔對連續陰極薄片(其中陰極電流收集器的一側或二側經陰極活性材料塗覆)衝出該陰極耳所需之形狀的切口而形成，然後可藉由以絕緣材料塗覆如此形成之該陰極耳而獲得含有絕緣層之陰極耳。
經絕緣材料塗覆之陰極中的水分係藉由使用本技術中一般已知乾燥方法完全乾燥該塗層而予以去除。該乾燥可使用熱風法、直接加熱法及感應加熱法，在水分會完全蒸發之溫度下進行。然而，本發明不局限於此。
又，本發明可提供含有陰極、陽極及配置於該陰極與該陽極之間的分隔件之二次電池。
圖7為圖示根據本發明實施態樣之二次電池的示意圖。根據本發明之實施態樣的二次電池可包含：含有陰極活性材料塗覆部分10於陰極電流收集器30上之陰極100；含有陽極活性材料塗覆部分70於陽極電流收集器60上之陽極200；及配置於陰極100與陽極200之間的分隔件300，其中含有塗覆有絕緣材料之絕緣層40的陰極耳20在該陰極中延伸。
根據本發明之實施態樣，所使用之陰極活性材料可為選自由含鋰過渡金屬氧化物或其等效物所組成之群組中的任一者。尤其是，該陰極活性材料可例如含有以錳為底質之尖晶石活性材料、鋰金屬氧化物或其混合物。此外，鋰金屬氧化物可選自由以下所組成之群組：以鋰-錳為底質之氧化物、以鋰-鎳-錳為底質之氧化物、以鋰-錳-鈷為底質之氧化物、及以鋰-鎳-錳-鈷為底質之氧化物， 及例如可含有LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(其中0<a<1，0<b<1，0<c<1，且a+b+c=1)、LiNi1-YCoYO2、LiCo1-YMnYO2、LiNi1-YMnYO2(其中0Y<1)、Li(NiaCobMnc)O4(其中0<a<2，0<b<2，0<c<2，且a+b+c=2)、LiMn2-ZNiZO4及LiMn2-ZCoZO4(其中0<z<2)。
又，選自鋁箔、鋁網或其等效物所組成之群組中的任一者可用作陰極電流收集器。然而，本發明不局限於此。
銅可用作根據本發明實施態樣之陽極電流收集器。作為陽極活性材料，以碳為底質之陽極活性材料(諸如結晶碳、非晶形碳或碳複合物)可單獨使用或併用其二或多者。然而，本發明不局限於此。
陰極及陽極之厚度可在約10μm至100μm之範圍內，塗覆於電流收集器上之活性材料的厚度可在約50μm至200μm範圍內。然而，本發明不局限於此。
根據本發明之實施態樣，陽極可製備成大於陰極以防止該陰極與該陽極之間物理性短路。
又，可將分隔件插入陰極與陽極之間以防止該陰極與該陽極之間物理性短路。多孔聚合物膜，例如從以聚烯烴為底質之聚合物(諸如乙烯同元聚合物、丙烯同元聚合物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物及乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物)所製備的多孔聚合物膜可單獨使用或積層其二或多者作為分隔件。此外，可使用典型多孔不織 布，例如由高熔點玻璃纖維或聚對苯二甲酸乙二酯纖維所形成之不織布。然而，分隔件不局限於此。
容納本發明之二次電池的電池外殼之形狀無特別限制，例如該電池外殼可為使用罐之圓柱型、稜柱型或袋型。特別是，因絕緣膜黏著之故，本發明可用於具有顯著副作用之稜柱型電池。
根據本發明實施態樣之其上塗覆含有絕緣材料之絕緣層的陰極耳可防止當堆疊電極時會因電池變形或在電池製備程序中於電極裁切期間所形成的電極之銳利邊緣而發生的內部短路，或可防止因分隔件在高溫環境中收縮所導致之陰極與陽極之間的物理性短路。因此，可製備具有顯著改善之安全性及可靠度的電池，此外可促進二次電池的商業化。
工業應用性
由於由絕緣材料所形成之絕緣層係含於陰極耳上，本發明可減少因高溫環境下電池變形或分隔件收縮所造成之陰極與陽極之間的物理性短路之可能性。此外，安全性及電池性能之可靠度會顯著改善。
10‧‧‧陰極活性材料塗覆部分
20‧‧‧陰極耳
30‧‧‧陰極電流收集器

Claims (18)

  1. 一種陰極，其包含：陰極電流收集器；從該陰極電流收集器突出之陰極耳；及在該陰極耳上之塗覆有絕緣材料的絕緣層。
  2. 如申請專利範圍第1項之陰極，其中該絕緣材料包含選自由以下所組成之群組的任一者：丙烯酸丁酯、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸羥乙酯及苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)，或其二或多者之混合物。
  3. 如申請專利範圍第1項之陰極，其中該絕緣材料為該絕緣材料以10重量%至90重量%之量分散於水中的水溶液。
  4. 如申請專利範圍第1項之陰極，其中該陰極耳為不含陰極活性材料塗覆部分之非塗覆部分。
  5. 如申請專利範圍第4項之陰極，其中該絕緣層之塗覆量為該陰極耳在突出方向上之陰極耳總長度的10%至90%。
  6. 如申請專利範圍第4項之陰極，其中該絕緣層係塗覆成具有與該陰極耳寬度相同之寬度，該寬度係與該陰極耳之突出方向垂直。
  7. 如申請專利範圍第1項之陰極，其中該陰極耳包含一部分陰極活性材料塗覆部分。
  8. 如申請專利範圍第7項之陰極，其中該陰極活性材料塗覆部分包含厚度沿該陰極耳之突出方向變小的傾斜 部分。
  9. 如申請專利範圍第8項之陰極，其中該絕緣層包含該傾斜部分一部分或全部的傾斜表面，且塗覆量為該陰極耳在突出方向上之陰極耳總長度的10%至90%。
  10. 如申請專利範圍第8項之陰極，其中該絕緣層之塗覆量為從該傾斜部分的傾斜長度之1/2起該陰極耳在突出方向上陰極耳總長度之10%至90%。
  11. 如申請專利範圍第8項之陰極，其中該陰極活性材料塗覆部分另外包含介於該陰極電流收集器與該傾斜部分之間的平坦部分。
  12. 如申請專利範圍第7項之陰極，其中該絕緣層之塗覆厚度為在該陰極耳上的該陰極活性材料塗覆部分之厚度的50%至100%。
  13. 如申請專利範圍第1項之陰極，其中該絕緣層之長度在1mm至10mm範圍內。
  14. 如申請專利範圍第1項之陰極，其中該絕緣層之厚度在1μm至100μm範圍內。
  15. 如申請專利範圍第1項之陰極，其中該絕緣層係藉由噴霧塗覆方式塗覆在該陰極耳上。
  16. 一種二次電池，其包含：申請專利範圍第1項之陰極；陽極；及配置於該陰極與該陽極之間的分隔件。
  17. 如申請專利範圍第16項之二次電池，其中該陽 極大於該陰極。
  18. 如申請專利範圍第16項之二次電池，其中該二次電池為圓柱形、稜柱形或袋型之電池。
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