TW472425B - Rechargeable battery structure and its manufacturing method - Google Patents

Description

472425 五、發明說明（1) 【發明之範圍】 本發明係有關於一種可充電式電池結構及其製作方法 ，且特別係一種採用S型折疊的捲繞方式所形成之電池堆 疊結構及其製作方法。 【發明之背景】 現今可充電式二次儲電裝置的發展已經漸趨成熟，無 論是在能量密度、功率密度與電池壽命等方面都有不錯的 表現，如裡離子二次電池（secondary battery)、高性 能鎳氫電池與超級電容器等皆是。而隨著電子技術元件微 小化的進步，相對地對電池的重量及體積便有縮小化的壓 力，但在輕薄化的過程中電池能量與壽命的需求卻是不減 反增，此外，安全性的考量仍屬第一，因此，對於新式可 移動式能源的需求仍然是存在的。 一般單元電池的種類方面可分為圓筒型與角型兩大類 ，而運用在3 C的電池模組外型仍以角型為主，此因在容積 率上以角型單元電池較佔優勢，但是傳統角型單元電池内 部構造都是以同心捲繞為主，因此在罐體内會產生多餘沒 有利用的空間（d i e vo 1 ume)(通常形成在四個角落處） ，此多餘的區域最後會被電解液所填充，因此不僅造成電 池能量密度的損失，還會造成電池循環壽命的降低，此外 ，更有引起安全上顧慮的考量。 【發明之目的與概述】 有鑑於此，本發明的目的之一便是在提供一種新式的 可充電式電池結構，其具有連續折疊式的電池堆疊結構，

472425 五、發明說明（2) 使電池的能量密度提昇，減少多餘沒有利用的空間。 根據上述本發明之目的，提供的可充電式電池結構其 包含複數層具撓曲性之電解電池的正極、負極及介於其間 之電解質，呈連續重疊的排列，其中正極和負極組成分別 包含於一集電板上塗佈一陰極和一陽極活性物質，其特徵 在於：（a)電解電池層係以一 S型折疊方式形成堆疊的電 池結構；以及（b)陰極和陽極活性物質係間隔對應塗佈於 集電板，且折疊處則無陰極及陽極活性物質的塗怖。 此外，本發明的另一目的之一在於提供一種可充電式 電池的製作方法，以製造出上述的電池堆疊結構。 根上述本發明之目的，提供的可充電式電池的製作方 法包括：（a)提供一具撓曲性之電解電池層，其包含複數 對可供電化學反應的正極、負極及介於其間的電解質，其 中正極和負極組成包含各別於兩集電板上間隔塗佈對應的 一陰極和一陽極活性物質；（b )以S型折疊方式自電解電 池層未塗佈陰極及陽極活性物質處么折電解電池層，以使 電解電池層形成連續重疊排列的堆疊電池結構；（c)擠壓 堆疊電池結構以置入一電池罐内；以及（d)灌入電解液並 封裝。 此新式電池結構因採用連續S型的折疊方式，發生不 當操作時如過充電或短路，電極板所產生的氣壓不會壓縮 在同心圓中，而是往極板兩端撑開，因此極板本身的結構 設計亦是安全裝置。此外，由於是採折疊方式，因此會大 幅提昇容積的使用率，不會有因多餘空間而灌入過量電解

第5頁 472425 五、發明說明（3) 液，所以此結構設計不僅會提昇電池的能量密度與充放電 循環壽命外，更大幅降低了因過多的電解液所造成安全上 的問題。在電池的厚度方面，目前鋰離子角型電池利用刀 片或菱形治具來捲繞可以做到較薄的電池，雖然理論上可 以達到3mm，但是目前的規格大約在45_8_之間，$而本 發明之新式電池的結構設計則可達2mm以下，而且不需特 殊治具便能完成。 而、 由於本發明電池結構採角型設計，因此在電池散熱機 制上佔很大優勢，因此在大型電池的應用如電動車，^機 構可以取代目前所使用的大型圓筒型車用電池。 目前鋰離子二次電池是

LiC〇〇2、LiMn2 04、LiNi02 墨、碳、MCMB、裡金屬等。 離膜將正負極隔開以免短路 隙的塑膠隔離膜當中，負責 解液為液體，因此必須採用 加工的問題無法太薄，並且 紹箔裝最便宜。所以，採用 電池勢必在厚度方面與成本 'τ尤整體而言，本發明新 電池更高的安全性、高能量 導性等特性。 以有機電解液搭配正極材料如 lC〇XNl(l-x)〇2，及負極碳材如石 另外在正負極之間必須要有隔 ，而有機電解液則含在具有孔 離子電荷的傳導工作。由於電 金屬罐以保安全，而金屬罐因 成本上以高分子電池所採用的 本發明新式電池結構的鋰離子 上佔有报大地優勢。 式連續折疊結構可以提供二次 密度、高循環壽命與高溫度傳 的、特徵、和優點能更明 ，並配合所附圖式，作詳 為讓本發明之上述和其他目 顯易懂，下文特舉一較佳實施例

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五、發明說明（4) 細說明如下。 【發明之說明】 请參照「第1圖」，其為本發明新式電池堆疊結 不意圖，「第2圖」則為構成「圖i」電池結構的正、备 極捲，此兩圖為求示意上能較為清楚，因此在比例上並去 一致，且各7L件間的比例也未按實際尺寸大小來繪製。 圖中的新式電池結構基本上包含正極18、負極19 19’以及電解質17， 17’。其中，正極18組成為陰極材料 (cathode material)層14，丨4’與集電板13，如銅、鈀 或鎳等的金屬箔（f 〇 i 1)、金屬網或金屬板，至於陰極材 料層14則包含活性物質如LiC〇〇2、LiMn 20 4、LiNi02、

Li Co χΝι ο—』2，混合助導電粉如石墨或乙炔黑及黏著劑 PVDF( P〇lyvinylidene fluoride)等所構成；負極 19 (或19 )組成為陽極材料（anode material)層12與集 電板11，如同樣為銅、鋁或鎳等的金屬箔、金屬網或金屬 板’至於陽極材料層則包含碳材如石墨、碳、MCMB (mesocarbon microbeads)混合黏著劑PVDF所構成〇而 電解質1 7， 1 7 ’則含高分子隔離膜與電解液。 正極極板的製作_： _ 較佳實施例中，採用的正（陰）極漿料為8 0〜9 5 %的 LiCo〇2( Nippon Chemical製造）、3〜15%的乙炔黑（商品 名ks6，Lonza製造）與3~10%的黏著劑PVDF( Kureha製造 )溶於 NMP( N-methyl-2-pyrrolidone) ( Mitsubishi

Chem i ca 1製造）溶劑所組成，所形成的墨水般聚料均勻塗

472425 五、發明說明（5) 佈在長3 0 0米，寬35公分，厚20# m的鋁箔捲（台灣曰礦製 造）的上下兩表面，塗佈採間隔對稱，即並非鋁箔的表面 全部皆塗佈，其形狀的橫切面如「圖2」所示，其中13為 在呂箔集電板，1 4, 1 4，分別為正極活性物質的混合物，即 陰極材料層，其長L 1為4 0mm，留白間距L2為4. 5mm，乾燥 後的正極捲需要碾壓以及分條，分條寬度（垂直紙面方向 )為68mm最後再以1丨0。〇真空乾燥4小時。 負極極板的jij作： 較佳實施例中，負（陽）極漿料則為直徑1// m〜3 0/z m 的MCMB ( Osaka Gas製造）粉體90%溶於1 0%的PVDF (Kureha， 1〇〇〇)與 nMP( Mitsubishi Chemical製造）所 、、且成的溶液，待攪拌均勻後，塗佈在長3 〇 〇米，寬3 5公 _第2圖」 ，所形成的負極捲經 同樣再以1 1 o°c真空 分，厚1 0" m的銅箔捲，塗佈形狀如「第2圖」，其中i丄 為銅箔，1 2為負極塗物即陽極材料層 /、 碾壓以及分條後，分條寬度為7 〇 乾燥4小時。 電池1复」 9， 1 9 ’取出分割成具 將製作完成的正、負電極1 8 連續五片陰極材料1 4， 1 4,、陽核从， 俜婉直*萨#私制Λ 材料1 2存在的型式，其 疋，置於乾燥的環境如 排列方式，取兩個上述製 」的Π， 17’為電解質，其中電解:Τ極極板I8。古「、圖2 s 離膜與填充於内部的電解液。而貝7， 1 7包3同刀子隔 母—負極極板1 9 (或1 9 ’ 你、、、工具二乾燥所製成的正、負極單 手套箱或乾燥室，並依「圖2 得的負極極板1 9， 1 9，中間夹著

472425 五、發明說明（6) )和正極極板1 8間將分別插入高分子電解質膜PVDF-HFP (S ο 1 v a y)或P E隔離膜（C e 1 g a r d)，經對位後黏合一 起。將此些元件（1 9， 1 7， 1 8， 1 7 ’， 1 9 ’）依次組裝完畢 後，依「第3圖」S型連續的折疊方式，於沒有陰 '陽極 材料1 4, 1 4 ’、1 2塗佈的留白處形成幺折，形成「圖1」 結構。「圖3」同樣是未依實際尺寸比例來繪製，所以實 際在製作時，此步驟中並不會明顯造成么折處的外圍形成 銳角，同時么折處的外弧與内弧的長度也不會差太多而需 特別的對位，不過，在結合「圖3」堆疊的電池結構時， 可在折疊處上形成高分子的黏膠2 0，例如為環氧樹脂類的 黏膠，且此黏膠係作為黏著之用，不參加電池充放電反應 行為。最後進行上下擠壓的動作，即可形成厚度4mm，長 度7 m m，寬度4 . 2 m m的電池的結構，再將此結構進行上下 1 5 0°C的熱壓5分鐘，成型後將此新式電池結構置於角型的 金屬或鋁箔包的電池罐中，最後灌液與封裝，例如將電池 裝入铭箔袋，進行抽真空灌液，加入Μ E X 2 (三井石化製造 )的電解液，最後進行鋁箔袋口的封口動作，即完成整個 新式結構電池的製作。其中「圖1」中，1 5為正極導電柄 鋁片，1 6， 1 6 ’則為負極導電柄鎳片。製作出的角型單元 電池經測試後，其充、放電性能圖如「第4圖」所示。 另一較佳實施例中，請參照「第5圖」，正極與負極 的位置可對調，即負極極板1 9在製作時形成雙面間隔塗佈 陽極材料層1 2置於中間，而有兩片正極極板1 8為單面間隔 塗佈陰極材料層1 4置於上下兩侧，且使陰極材料層1 4與陽

472425 五、發明說明（7) 極材料層1 2， 1 2 ’相對，同樣將兩電解質1 7， 1 7 ’分別插入 正極極板1 8與負極極板1 9之間，經折疊後得「圖5」堆疊 的電池結構。 又，另一較佳實施例中，請參照「第6圖」，可僅採 用單片正極與負極的結合方式，即不論正極極板1 8或負極 極板1 9皆為單面間隔塗佈，結合時，其陰極材料層1 4與陽 極材料層1 2相對，中間插入電解質1 7，經折疊後得「圖6 」堆疊的電池結構。 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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，例如因此本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

第10頁 472425 圖式簡單說明 【圖式說明】 第1圖繪示本發明一種經由連續折疊方式所形成之電 池堆疊結構的示意圖； 第2圖繪示用於折疊形成電池結構所包含的正、負電 極捲； 第3圖纟會不折豐圖2之材料的折豐方式， 第4圖繪示圖1中本發明電池的充、放電性能圖； 第5圖繪示根據本發明另一較佳實施例所形成之電池 堆疊結構的示意圖；以及 第6圖繪示根據本發明另一較佳實施例所形成之電池 堆疊結構的示意圖。 【標號說明】 11， 13 集 電 板 12, 12’ 陽 極 材 料 層 14, 14’ 陰 極 材 料 層 15 正 極 導 電 柄 16, 16' 負 極 導 電 柄 17, 17’ 電 解 質 18, 正 極 極 板 19, 19’ 負 極 極 板 20 黏 膠

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Claims (1)

1. 472425 89101299 日 六、申請專利範® ΙΓ_~、;".、「'—"— 電1電式電池含複數層具挽曲性之 的排;^丨/ 、正玉、負極及介於其間之電解質，呈連續重疊 奢佑匕其中該正極和該負極組成分別包含於-集電板上 塗布陰極和一陽極活性物質，其特徵在於： (:)㈣解電極層係以—s型折4彳式形成堆疊 池結構；以及 (b)該陰極和該陽極活性物質係間隔對應塗佈於該集 電板使折豐處無該陰極及該陽極活性物質的塗佈。’、 2、如申請專利範圍第1項所述之可充電式電池結構，其 中該電解電池層包含至少一對可供電化學反應的該正極和 該負極。 、如申請專利範圍第2項所述之可充電式電池結構，其 中該電解電池層包含於一第一集電板的雙面間隔塗佈該陰 極活性物質構成該正極，各別於兩第二集電板的單面間隔 塗佈該陽極活性物質構成該負極，置於該正極的兩側，且 使該陰極與該陽極活性物質能相對應，而兩電解質則分別 插入該陰極與該陽極活性物質之間作隔離。 4、 如申請專利範圍第2項所述之可充電式電池結構，其 中該電解電池層包含於一第一集電板的雙面間隔塗佈該陽 極活性物質構成該負極，各別於兩第二集電板的單面間隔 塗佈該陰極活性物質構成該正極，置於該負極的兩侧，且 使該陰極與該陽極活性物質能相對應’而兩電解質則分;別 插入S亥陰極與該陽極活性物質之間作隔離。 5、 如申請專利範圍第1項所述之可充電式電池結構，其

   第 12 頁 0O1_1O.O8.O12 ^S__891〇1299 修正 曰 六、申請專利範圍 __ LiC〇xNi(l-x)02所構成之族群 6、 如申請專利範圍第} 二 中該陽極活性物質係選自=所述之可充電式電池結構，其 microbeads )所構成之族群墨、碳及MCMB (MsocKbon 7、 如申請專利範圍第1 中該陰極活性物質係混合」=可充電式電池結構，其 該集電板上。 助導電粉及黏著劑，以塗佈在 8、如申請專利範圍第1 +而1 中核電解質句人d 所达之可充電式電池結構，其 f Λ Λ 隔離膜與填充於内部的電解液。 9 ?申明專利範圍第】項所述之可充電式電池結構，其 中該1%極活性物質係混合一黏著劑以塗佈在該集電板上。 10、如申請專利範圍第丨項所述之可充電式電池結構， 其中該電解電池層的折疊處塗有一黏膠’以將堆疊相接觸 部份黏著一起。 11、如申請專利範圍第1 0項所述之可充電式電池結構， 其中該黏膠為一高分子環氧樹脂。 1 2、一種可充電式電池的製作方法，至少包.括下列步 驟： 提供一具撓曲性之電解電池層，其包含複數對可供電 化學反應的正極、負極及介於其間的電解質，其中該正極 和該負極組成包含各別於兩集電板上間隔塗佈對應的一陰 極和一陽極活性物質； 以S型折疊方式自該電解電池層未塗佈該陰極及該陽 極活性物質處么折該電解電池層’以使該電解電池層形成 連續重疊排列的堆疊電池結構；

   第13頁 2001.10.08.013 472425 — -_案號89川丨9叫_年««-修正 __ 六、申請專利範圍 擠壓該堆疊電池結構以置入一電池罐内；以及 灌入電解液並封裝。 13、如申請專利範圍第丨2項所述之可充電式電池的製作 方法，其中形成該電解電池層梦驟更包含： 提供一第一集電板，其雙面間隔塗佈有該陰極活性物 質構成該正.極； 提供兩第二集電板，其單面間隔塗佈該陽極'活性物質 構成該負極’係置於該正極的兩側’且使該陰極與該陽極 活性物質能相鄰； 知_供兩電解質’分別.插入該陰極與該陽極活性物質之 間作隔離。 1 4、如申請專利範圍第丨2項所述之可充電式電池的製作 方法，其中形成該電解電池層步驟更包含： 提供一第一集電板’其雙面間隔塗佈有該陽極活性物 質構成該負極；. 提供兩第一集電板’其單面間隔塗佈.該陰極活性物質 構成該i£·極’係置於該負極的兩側，且使該陰極與該陽極 活性物質能相鄰； 提供兩電解質，分別插入該陰極與該陽極活性物質 間作隔離。 1 5、如申請專利範圍第1 2項所述之可充電式電池的製 方法，其中形成該電解電池層步驟更包含： 提供一第一集電板，其單面間隔塗佈該陰極活性物 構成該極； _ 提供一第二集電板，其單面間隔塗佈該陽極活性物質

   472425 ---案號；8910〗9〇γ|>_生月 日 修γρ__ 六、申請專繼® ^ ~ ~ 一 構成該負極，係置於該正極的兩側，且使該陰極與該陽極 活性物質能相鄰； 提供一電解質，插入該陰極與該陽極活性物質之間作 隔離。 1 6、如申請專利範圍第1 2項所述之可充電式電池的製作 方法，更包含於該幺疊該電解電池層後，在折疊處塗上一 黏膠’使該電解電層層堆疊相接觸部份能黏著—起。 1 7、如申請專利範圍第1 6項所述之可充電式電池的製作 方法’其中該黏膠為一高分子環氣樹脂。 1 8、如申請專利範圍第1 2項所述之可充電式電池的製作 方法’其中該陰極活性物質係選自LiCo02、LiMn2〇4、 LiNi02及LiCoxNi(l-x)〇2所構成之族群。 1 9、如申請專利範圍第丨2項所述之可充電式電池的製作 方法，其中該陽極活性物質係選自石墨、碳及Mcmb (mesocarbon microbeads )所構成之族群 °