TW201724629A - 極板結構 - Google Patents

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Abstract

一種極板結構，其包括一集電體、一活物層與一安全防護層。集電體包括Al、Cu或不鏽鋼。活物層鄰接在集電體上，並包括石墨、矽碳或上述之組合。安全防護層包覆活物層的所有上表面及側表面，並包含通式為MxOy之一氧化物。其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述之組合。x是介於1~2。y是介於1~3。

Description

極板結構
本發明是有關於一種極板結構，且特別是有關於一種電池之極板結構。
在各種技術領域中，常需要一(上)材料層完全覆蓋另一(下)材料層之上表面與側表面的多層結構。然而，目前技術仍有需要改善的問題。例如凹版印刷只能進行全幅塗佈，無法達到基材的邊緣留白控制(edge control)。浸沾式塗佈僅能進行雙面同時塗佈，無法只在單一面進行塗佈，也無法達到邊緣留白控制，且塗膜厚度控制不易。一般狹縫式塗佈中，上材料層無法完全覆蓋下材料層。
當無法符合需求的結構應用至產品(例如電池的極板結構)時，會使得產品效能降低，甚至使用上會有安全疑慮。
本揭露係有關於一種極板結構。
本揭露之一實施例，提出一種極板結構，其包括一集電體、一活物層與一安全防護層。集電體包括Al、Cu或不鏽鋼。活物層鄰接在集電體上，並包括石墨、矽碳或上述之組合。 安全防護層包覆活物層的所有上表面及側表面，並包含通式為MxOy之一氧化物。其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述之組合。x是介於1~2。y是介於1~3。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
102‧‧‧基材
103‧‧‧材料層的上表面
104‧‧‧材料層
105A‧‧‧材料層的左側表面
105B‧‧‧材料層的右側表面
106‧‧‧輥輪
107A‧‧‧材料層的左上端點
107B‧‧‧材料層的右上端點
108‧‧‧塗佈模具
110‧‧‧凹槽
111A‧‧‧塗層的左底表面
111B‧‧‧塗層的右底表面
112‧‧‧狹縫
113‧‧‧材料層的下表面
114‧‧‧塗料
116‧‧‧塗層
A‧‧‧中間寬度值
D1、D2‧‧‧寬度值
h‧‧‧厚度值
w‧‧‧厚度值
X1‧‧‧左側表面投影在下表面之寬度值
X2‧‧‧右側表面投影在下表面之寬度值
Y1‧‧‧左寬度值
Y2‧‧‧右寬度值
θ1‧‧‧左側表面與下表面之間的夾角
θ2‧‧‧右側表面與下表面之間的夾角
λ1、λ2‧‧‧夾角
第1圖繪示根據一實施例之塗佈方法示意圖。
第2圖繪示根據一實施例之塗佈方法示意圖。
第3圖繪示根據一實施例之基材、材料層、塗層與塗佈模具。
第4圖繪示根據一比較例之塗佈結果示意圖。
第5圖繪示根據一比較例之塗佈結果示意圖。
在本揭露中，為求簡潔，相同的元件將以相同的符號表示。
請參照第1圖與第2圖，其繪示根據實施例之塗佈方法示意圖。可撓式的基材102上配置有材料層104，並可在塗佈機的輥輪106(或背膠輪)上移動。塗佈模具108可包括互相連通之凹槽110與狹縫112。被幫浦推入凹槽110中的塗料114往狹縫112流動，並從狹縫112排出而塗佈在基材102上的材料層104上以形成塗層116。
實施例中，塗佈模具108的狹縫112是根據配置在基材102上的材料層104做設計，藉此均勻排出塗料114在基材102上的材料層104上，並使得形成的塗層116能包覆材料層104的所有上表面及側表面，亦即塗層116能完全覆蓋材料層104的寬度範圍。塗層116亦能從材料層104連續延伸至外側的部分基材102上。
請參照第3圖，其繪示根據實施例之基材102、材料層104、塗層116與具有狹縫112的塗佈模具108。一實施例中，材料層104是以塗佈的方式配置在基材102上，然本揭露並不限於此，材料層104亦可以其他合適的方式配置在基材102上。
狹縫112的總寬度值Q包括中間寬度值A、左寬度值Y1與右寬度值Y2。中間寬度值A對應材料層104之上表面103的總寬度值。左寬度值Y1對應超出材料層104之左上端點107A的左部分寬度值。右寬度值Y2對應超出材料層104之右上端點107B的右部分寬度值。Q=A+Y1+Y2。
塗佈模具108的狹縫112符合以下關係式(I)、(II)：
上述關係式(I)、(II)中，h為材料層104之厚度值。舉例來說，當材料層104的厚度為40μm時，h厚度值以40表示。類似概念亦可應用至其他類似用語，將不再重複贅述。θ1為材料 層104之左側表面105A與下表面113之間的夾角。0°<θ1 90°。X1為材料層104的左側表面105A投影在下表面113之寬度值，等於。θ2為材料層104之右側表面105B與下表面113之間的夾角)。0°<θ 2 90°。X2為材料層104之右側表面105B投影在下表面113之寬度值，等於。w為塗層116之厚度值。一實施例中，完整且連續塗佈在材料層104之上表面103與側表面(左側表面105A、右側表面105B)上的塗層116具有均一的厚度。上述之寬度或厚度之數值單位可為微米(μm)。
一實施例中，40h100，30w50，50Y1-X1 1000，50Y2-X2 1000。一實施例中，w=30，40h100，100Y1-X1 500，100Y2-X2 500。一實施例中，w=30，h=40，100Y1-X1 500，100Y2-X2 500。一實施例中，w=30，h=70，150Y1-X1 450，150Y2-X2 450。一實施例中，w=30，h=100，200Y1-X1 400，200Y2-X2 400。一實施例中，w=50，40h100，50Y1-X1 1000，50Y2-X2 1000。一實施例中，w=50，h=40，50Y1-X1 800，50Y2-X2 800。一實施例中，w=50，h=70，75Y1-X1 900，75Y2-X2 900。一實施例中，w=50，h=100，100Y1-X1 1000，100Y2-X2 1000。
塗層116的總寬度值B等於塗層116之上表面103的寬度值A、材料層104之左側表面105A投影在下表面113之寬度值X1、材料層104之右側表面105B投影在下表面113之寬 度值X2、塗層116之左底表面111A的寬度值D1與塗層116之右底表面111B的寬度值D2的總和。實施例中，塗層116的總寬度值B是略小於狹縫112的總寬度值Q。
結構並不限於左右對稱的設計，亦可視產品實際需求使用非對稱的設計。舉例來說，在材料層左右不對稱的情況下，可適當地使用左右不對稱的塗佈模具狹縫設計，以得到塗層覆蓋材料層之所有上表面及側表面，且塗層具有均一的厚度，或塗層可更進一步從材料層連續延伸至外側的部分基材上。
根據本揭露使用狹縫式塗佈模具的塗佈方法可應用至單面塗佈或雙面塗佈。
一實施例中，是以根據實施例之方法製造極板結構，其中請參照第3圖，基材102即為集電體。鄰接在基材102上的材料層104即為活物層，可用作電池的極板。包覆材料層104的所有上表面103及側表面(左側表面105A、右側表面105B)的塗層116即為安全防護層，例如耐熱的絕緣層或介電質層。一實施例中，集電體的部分上表面可露出安全防護層，亦即，根據實施例之方法在材料層104上塗佈塗層116可留白基材102。
一實施例中，極板結構可應用在電池，例如鋰電池的負極板結構。
舉例來說，集電體(或基材102)可包括鋁(Al)、銅(Cu)或不鏽鋼，或其他導電性高的適合材料。一實施例中例如銅箔。
活物層(或材料層104)可包括石墨、矽碳或上述之組 合。一實施例中，活物層可為利用漿料形成的塗佈層，漿料可包括含有石墨、矽碳或上述之組合的填充物。漿料可進一步包括黏合劑，例如偏二氟乙烯等。漿料可進一步包括溶劑，例如N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP)。
舉例來說，安全防護層(或塗層116)可包含通式為MxOy之氧化物，其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述之組合，x是介於1~2，y是介於1~3。一實施例中，安全防護層包括氧化矽。一實施例中，舉例來說，安全防護層可更包含一樹脂，例如偏二氟乙烯(PVDF)、聚壓克力酸(polyacrylic acid)、丁苯橡膠(SBR,Styrene-Butadiene Rubber)、羧甲基纖維素(CMC,carboxymethyl cellulose)、聚醯亞胺(PI,Polyimide)等，可用作黏著劑。氧化物佔安全防護層0.1wt%~90wt%。安全防護層為介電質材料。
實施例中，安全防護層的厚度(可參照第3圖的符號w)可介於0.5μm~10μm。安全防護層超出活物層的寬度(可參照第3圖的符號D1、D2)是介於0.5μm~10mm，或10μm~10mm。安全防護層之外側表面與集電體之上表面之間具有夾角λ1、λ2，0°<λ 1 90°,0°<λ 2 90°。
根據本揭露之塗佈方法形成的極板結構中，安全防護層足夠地連續覆蓋活物層的所有側表面與上表面，不會影響後續極板結構之焊接導電柄製程，也能提供有效的保護作用，避免電池受外力穿刺與避免高溫受熱時因隔離膜收縮而發生正負極 相接觸的短路造成起火燃燒，達到安全效果。
本揭露的塗佈方法並不限於電池的極板結構，亦可應用在其它需要塗層完全覆蓋材料層之上表面與側表面的結構產品中。
為讓本揭露之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：極板結構的集電體(或基材102)為15μm銅箔。
極板結構的活物層(或材料層104)是使用負極漿料塗佈在集電體上形成。其中負極漿料包括填充物(filler)、黏合劑與溶劑。填充物使用石墨化介相瀝青粉末(meso-phase graphite powder(MGP-A)，中鋼碳素化學股份有限公司販售)及導電碳黑材料(conductive additive carbon black；Super-P，由TIMCAL公司製造)。黏合劑(binder)使用偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride；PVDF 9200，Kureha製造)。石墨化介相瀝青粉末：導電碳黑材料：偏二氟乙烯的重量比為94：1：5。有機溶劑使用N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP；台灣波律股份有限公司製造)。漿料的固含量約54wt%。漿料的黏度約800cPs。塗佈形成的活物層厚度為30μm~70μm。
安全防護層(或塗層116)為含矽(Si)成份之塗層。用以形成安全防護層的塗料包含黏著劑偏二氟乙烯(PVDF)、氧化矽粒子(clay)，其中黏著劑：氧化矽粒的重量比為60：40。塗料也包含溶劑二甲基乙醯胺(DMAc)。塗料的固含量為8wt%。塗料的黏 度約70cPs。塗佈濕膜厚為20~40μm。
一實施例中，在銅箔基材102上的材料層104厚度為70μm(即厚度值h為70)，材料層104之左側表面105A/右側表面105B投影在下表面113之寬度為200μm(即左側表面105A/右側表面105B投影在下表面113之寬度值X1/X2為200)，材料層104之左側表面105A/右側表面105B與下表面113之間的夾角θ1/θ2為20°。塗佈模具108的狹縫112的左寬度、右寬度為500μm(即左寬度值Y1、右寬度值Y2為500)。利用塗佈模具108在材料層104上形成的塗層116厚度為30μm(即厚度值w為30)。以上參數符合本揭露之關係式(I)及(II)。表1列示利用能量色散X-射線光譜(EDS)分析材料層104之上表面103與側表面(左側表面105A/右側表面105B)上附近，與靠近材料層104之基材102上附近的元素及(以重量百分比Wt%或原子量百分比Atomic%表示的)量，發現四個偵測點(表1中編號1-1、1-2、1-3、1-4)都含有Si元素，表示塗層116完全覆蓋材料層104。且實施例之負極板結構在進行針刺實驗後，電池並未發生起火燃燒，因此實施例之極板結構使用安全性高。
在一些比較例中，塗佈模具並不符合本揭露的關係式(I)及(II)，在利用塗佈模具進行塗佈之後，塗層116無法完全覆蓋材料層104(第4圖)，或是材料層104上的塗層116膜面不連續，或是基材102上的塗層116膜面不連續(第5圖)，因此在應用製造極板結構會造成產品結構製作失敗。
在一比較例中，材料層厚度為70μm，材料層之側表面投影在下表面之寬度為200μm，材料層之側表面與下表面之間的夾角為20°。使用之塗佈模具的狹縫的左/右寬度為0μm。形成的塗層厚度為30μm。以上參數不符合本揭露之關係式(I)及(II)。表2列示利用能量色散X-射線光譜分析材料層之上表面與側表面上附近，與靠近材料層之基材上附近的元素，發現一些偵測點(表2中編號2-6、2-7、2-8、2-9、2-11)僅含有C元素，而未含有Si元素，表示塗層未覆蓋材料層的所有上表面與側表面。且比較例得到的負極板結構在進行針刺實驗後，電池發生起火燃燒，因此比較例的極板結構在使用上並不安全。
根據以上，以符合本揭露之關係式(I)及(II)對配置在基材上的材料層進行塗佈，可使得形成的塗層連續且完整地覆蓋材料層的上表面與側表面。在應用至電池的極板結構中，安全防護層可完全覆蓋活物層，因此能提供有效的保護作用，使得電池在操作上的安全性高。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，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。
102‧‧‧基材
103‧‧‧材料層的上表面
104‧‧‧材料層
105A‧‧‧材料層的左側表面
105B‧‧‧材料層的右側表面
107A‧‧‧材料層的左上端點
107B‧‧‧材料層的右上端點
108‧‧‧塗佈模具
111A‧‧‧塗層的左底表面
111B‧‧‧塗層的右底表面
112‧‧‧狹縫
113‧‧‧材料層的下表面
116‧‧‧塗層
A‧‧‧中間寬度值
D1、D2‧‧‧寬度值
h‧‧‧厚度值
w‧‧‧厚度值
X1‧‧‧左側表面投影在下表面寬度值
X2‧‧‧右側表面投影在下表面之寬度值
Y1‧‧‧左寬度值
Y2‧‧‧右寬度值
θ1‧‧‧左側表面與下表面之間的夾角
θ2‧‧‧右側表面與下表面之間的夾角
λ1、λ2‧‧‧夾角

Claims (9)

  1. 一種極板結構，包括：一集電體，包括Al、Cu或不鏽鋼；一活物層，鄰接在該集電體上，並包括石墨、矽碳或上述之組合；及一安全防護層，包覆該活物層的所有上表面及側表面，並包含通式為MxOy之一氧化物，其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述之組合，x是介於1~2，y是介於1~3。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其中該安全防護層的厚度是介於0.5μm~10μm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其中該安全防護層超出該活物層的寬度是介於10μm~10mm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其中該安全防護層更包含一樹脂，該樹脂包括偏二氟乙烯(PVDF)、聚壓克力酸(polyacrylic acid)、丁苯橡膠(SBR,Styrene-Butadiene Rubber)、羧甲基纖維素(CMC,carboxymethyl cellulose)、聚醯亞胺(PI,Polyimide)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其中該氧化物佔該安全防護層0.1wt%~90wt%。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其中該安全防護層之外側表面與該集電體之上表面之間具有夾角λ，0°<λ 90°。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其中該集電體的部分上表面是露出該安全防護層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其是一電池之一負極板結構。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之極板結構，其是一鋰電池之極板結構。
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