TW488104B - Battery electrode and non-aqueous electrolyte battery equipped therewith - Google Patents

Description

488104 五、發明說明（1) 發明背景 本發明係關於 池電極。本發明 最近幾年可看 備，諸如含整合 。所獲得的成果 性能。此改進的 堵如電池，特別 此電池需要具 新型式電池之需 彎曲部分。 但是，常見的 因此它們幾乎無 或固體電解質之 們然法足夠地彎 器。 上述提及之薄 曲時會在彎曲部 電極間的平衡， 都會大大地降低 發明概述 本發明之提議 一種可任意地彎 發明之另一個目

一種具有好的彎曲性且 亦關於一種非水性電解其性能之電 見具多樣化外觀之可 的照相機之K于動攜二式電子機器及設 小的尺寸、較輕的重量及改進的 曰：：雨要具兩性能之可攜式能量來源， =:/也’其中鐘離子電池最引人注意。 ^ ^好的電性及良好的形狀。換句話說， ，：’、、可；曲及能適合電子機器之可移動或 電池^建構為將電池元件放置在金屬罐中 ^改變形狀。相較之下，使用膠質電解質 溥片電池可將形狀改變至某程度，但是它 曲因為它們使用形成電橋之金屬電流收集 池可用力彎曲改變其形狀。但是，彎 ^ ^成正及負電極彼此分離而破壞正及負 ° 1 味物質從電流收集器處分離。這些 電池的性能。 可、^决這些問題。本發明之目標為提供 曲而不會使活性物質剝落之電池電極。本 ^為提供一種可改變形狀且不會降低電池 第5頁 488104 五、發明說明（2) 性能的非水性電解質電池。 為了達成上述目標，根據本發明的第一個觀點，已提供 一種包含薄片金屬電流收集器及在其上面形成之活性物質 層的電池電極，其中至少金屬電流收集器具有割線以便彎 曲。 根據本發明的第二觀點，已提供一種包含正電極、負電 極及非水性電解質之非水性電解質電池，其中正電極及/ 或負電極之架構為於薄片金屬電流收集器上形成一活性物 質層及至少金屬電流收集器具有割線以便彎曲。 含膠質電解質之非水性電解質電池使用所謂的橋式結構 。換句話說，正及負電極具有各自的金屬電流收集器而在 二者之間插入一膠質電解質以隔離應力。 金屬電流收集器本身可彎曲，但是若使用橋式結構則幾 乎無法彎曲。其理由就如同金屬管不容易彎曲一般。 根據本發明之電池電極可容易地彎曲因為金屬電流收集 器具有割線。因此，就算使用橋式結構非水性電解質電池 亦可容易地彎曲。 · 圖形簡述 圖1為含膠質電解質之鋰離子蓄電池結構的平面圖； 圖2沿著圖1中之A-B線截取之截面圖； 圖3為電池如何沿著圓柱體捲繞之立體圖式； 圖4為具有割線的電流收集器之平面圖； 圖5為另一種具有割線的電流收集器之平面圖； 圖6為具有貫穿割線的電流收集器之平面圖；

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另一種電池如何沿著圓柱體捲繞之立體圖式； 2達成圖7中顯示之捲繞而製造的割線其平面圖 固9為另—種電池如何進一步沿著圓柱體捲繞之立體圖 圖10為欲達成圖9中 顯 之捲繞而製造的割線其平面 圆 圖11為電池如何沿著圓錐體捲繞之立體圖式；及 圖12為欲達成圖丨i中顯示之捲繞而製造的割線其平面圖

較佳的具體實施例之說明 電池將參考伴隨 根據本發明之電池電極及非水性電解質 的圖形更詳細地描述。 、 根據本發明之電池電極可使用於含膠質 蓄電池的正電極或負電極。 、貝〈鎧離子 首先先說明含膠質電解質（或固體電解質）之鋰離子蓄電 池，然後再說明其電極（正及負電極）。 …

含膝質電解質之鋰離子蓄電池1顯示於圖1。其由外部包 裝3及包含在其中的電池元件2製造而成。外部包裝3為三 邊密封之交疊的層壓薄片（劃線區域）。電池元件2包括含 導線4連接的負電極及含導線5連接的正電極。導線4及5 過絕緣密封6從外部包裝3向外延伸。 如圖2顯示’電池元件2由彼此堆疊的負電極板9及正電 極板1 2、插在中間之固體電解質或膠質電解質丨3組成。 負電極板9由負電極電流收集器7及塗佈在上面的負電極 488104 五、發明說明（4) 物質8組成。同樣地，正電極板12由正電極電流收集 為i 〇及塗佈在上面的正電極活性物質丨丨組成。 ” 負電極板g及正電極板丨2利用熱熔化、加壓黏接或鑄塑 ^與插在中間的膠質電解質或固體電解質丨3完整地接合 起〇 ^為使用上述提及之電池架構的電池電極（負電極板9 及正電極板1 2 )之說明。 負電極板9具有由銅、鎳、不鏽鋼或其類似物製得之 電流收集器7。同樣地，正電極板12具有由紹、錄、' 鏽鋼或其類似物製得之正電極電流收集器丨〇。 負電極電流收集器7及正電極電流收集器1〇可為任何形 。諸如箔狀、條狀、多孔全屬， 其類似物。 夕扎1屬板、衝孔金屬板、網狀或 極活性物質層8利用鑄塑或燒結固 收集器7上。同樣地，正恭托工以^ # 你貝电位弘机 么士固「』系八^ ι兒極活性物質層11利用鑄塑或燒 、、口固疋在正電極電流收集器j 〇上。 人疋 利用含聚合化合物及溶解 塑化劑）的電解質鹽溶液，ϋ或用於膠質電解質之 形成固體電解質。部分地固化=潰=成分而 電^:物質層11中形成之= = 正 很據本發明，電流收集器或包含雷勺%:貝13 任意的一些位置具有割 ^木斋之私極可於 。 尺所以可、考曲成任何想要的形狀

488104 五、發明說明（5) 基本上於電池表面製造割線，使得電池可與圓柱體接觸 或可沿著圓錐體捲繞。割線可具有一定的寬度。 例如，若欲彎曲非水性電解質電池1或沿著圓柱體A捲繞 ，如於圖3顯示，於負電極板9的金屬電流收集器7上製造 割線C，如圖4或5顯示。於橫向延伸割線至中間及於縱向 隔開一定的區間。 圖4實例為割線C從金屬電流收集器7的二邊交替地延伸 。圖5實例為割線C僅從金屬電流收集器7的一邊延伸。 割線C不必是連續的，它們可以是斷續的貫穿線如圖6顯 示 〇 於實例中，電池沿著圓柱體A橫向地捲繞如於圖7中顯示 ，於金屬電流收集器7中製造割線C，於縱向延伸至中間及 於橫向隔開一定的區間，如於圖8顯示。 圖9之實例為電池沿著圓枉體A歪斜地捲繞。於此實例 中，將割線C製成歪斜線如於圖1 0中顯示。 圖11之實例為電池沿著圓錐形B捲繞。於此實例中，將 割線C製成相繼改變斜率的線，如於圖1 2中顯示。 割線長度應該建立在合適的範圍内。 製得之割線只要表示成y的每條割線長度比表示成X之二 點間的距離短即可，而該二點之距離為割線延伸過電流收 集器7之二邊。）當割線長度（y )增加時，電流收集器可變 得更彎曲但是會減少導電度。相反地，當割線長度（y )減 少時，電流收集器具有足夠的導電度但是變得較不可彎曲/

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五、發明說明（6) 鑑於前述，想要的X及y間之關係滿足下列不等式。 〇. 2 ^y/x ^0. 9 於上述提及之實例中，於負電極板9的金屬電流收集器7 中製造割線C。當然，亦可於正電極板1 2的金屬電流收集 器1 0中製造割線。此外，亦可在二邊都製造割線。於此實 例中，將二個或多個負及正電極的組合放置在其它的上端 ，目的是在全部的金屬電流收集器上製造割線而非一個。 若多於一個的金屬電流收集器不具有割線，則產生的電池 會有上述提及之橋式結構。

於上述提及的實施例中、在金屬電流收集器7 (或金屬電 流收集器1 0 )上製造割線c後形成負電極活性物質層8 (或正 電極活性物質1 1 )。亦可在形成負電極活性物質層8 (或正 電極活性物質1 1 )後於電極上製造割線。

用於上述提及之非水性電解質電池的負電極活性物質7 k摻雜及去摻雜鋰之物質中形成。此物質之實例有難以^ 墨化的含碳物質或含碳物質諸如石墨。典型的實例包括養 分解碳、焦炭（瀝青焦炭、針狀焦炭及石油焦炭）、石黑 ，、玻璃石墨、從有機聚合化合物煅燒的成分（於足夠1 利用燃燒酚樹脂、呋喃樹脂等等獲得）、碳纖 f及，性奴。其它實例包括聚合的物質諸如聚乙 :物氧化物諸如Sn02、金屬鐘及能夠吸 的黏著劑混合以形成負電極活性 這些物質可與任何熟知 物質層。

第10頁 488104 五、發明說明（7) 根據欲使用的電池而從合適的物質中形成用於正電極之 活性物負，諸如金屬氧化物、金屬硫化物及聚合物。其包 括，例如，金屬氧化物及不含鋰之硫化物，諸如T i S2、 MoS2、NbSe2&V2 05及鋰化合物氧化物（諸如，其中μ 為至少一種過渡金屬及X為0.05-1. 1〇，依電池如何充電及 放電而定）。較佳的過渡金屬Μ之實例包括c〇、Ni及如。 典型的裡化合物氧化物實例有11(：〇〇2、LiNi〇2、 LiNiyCOi-yO〗（其中 0<y<1 )、UMn2〇4 及LiMp〇4(其中Μ 為至少 一，過渡金屬，諸如Fe)。這些鋰化合物氧化物產生能釋 放咼電>£及具彳反良的能量密度之正電極活性物質。亦可使 用眾多的活性物質做為正電極活性物質層。 上述提及之活性物質可與任何熟知的黏著劑混合以形成 正電極活性物質層。 〜2本發明中使用之非水性電解質為膠質電解質或固體電 解貝。基本上’它們由電解質鹽、溶解電解質之非水性溶 劑及保持非水性溶劑之聚合物基質組成。 非水性溶劑之實例包括碳酸次乙酯、碳酸丙二酯、碳酸 一甲s曰、石反酸甲乙酯及碳酸二乙酯。它們可單獨或彼此組 合著使用。 電解質鹽之實例包括此鋰化合物如LiPF6、LiBF4、

LiN(C2F5S02)2、LiN(CF3S02)2 及LiCF3S03 。至少使4 用其中 的一個物種。 "水合物基質之實例包括聚乙烯叉二氟、聚丙烯腈、聚環 氧乙烷、聚環氧丙烷及聚異丁烯腈。選自其中的物質可製

第11頁 488104 五、發明說明（8) 造出根據使用的膠質或固體。 實例 本發明之實例將根據實驗的結果在下列描述。 實例1 首先’如下形成負電極板。利用將9 〇 p b w之壓碎的石墨 粉末及10 pbw用作黏著劑之聚（乙烯叉二氟—共-六氟丙烯） 混合製備負電極之活性物質。將所得之混合物分散至N —甲 基- 2 - D比咯烧酮中以產生泥漿。將該泥漿塗佈至銅箔長條 之一側’ 1 5微米厚做為沒有割線之負電極電流收集器。在 乾無之後’利用親式璧制機壓過塗佈的銅箔長條。因此獲 得想要的負電極板。 然後’如下形成正電極板。將碳酸鋰及碳酸鈷以〇. 5 :工 的莫耳濃度比率混合在一起。將混合物在空氣中於9 〇 〇 下煆燒5小時以獲得用作活性物質之LiC〇〇2。利用將9〇 pbw如此獲得之LiC〇〇2、6 pbw做為傳導劑的石墨及4 pbw 的聚（乙烯叉二氟—共—六氟丙烯）混合來製備正電極之活性 物質。將產生的活性物質分散至N—甲基一2—吡咯烷酮中以 獲得一泥漿。將泥漿均勻地塗佈至鋁箔長條的一側，2 〇 微米厚做為具有割線之正電極電流收集器，如圖4所顯示 。在乾燥之後，利用輥式壓制機壓過塗佈的銅箔長條。因 此獲得想要的正電極板。 如下製備膠質電解質。從3〇 pbw的塑化劑、1 〇 pbw的聚 (乙稀又二氟—共—六氟丙烯）及60 pbw的碳酸二乙酯製備溶 液。此塑化劑由42. 5 pbw的碳酸次乙酯（EC)、42. 5 pbw

第12頁 488104 五、發明說明（9) 的奴酸丙二酯（Pc)及15 Pbw的LiPF6組成。將產生的溶液 句勻地k佈（利用浸潰）至負電極板及正電極板上。將塗佈 的電極板保持在室溫下8小時以便蒸發及移除碳酸二曱酯 。因此可獲得膠質電解質。 斤將負電極及正電極，二者皆塗佈上述提及的膠質電解 貝，將膠質電解質側彼此面對用壓力接合在一起。因此可 獲得平板的含膠質電解質之電池元件。 導線利用超音波溶接法黏接至負電極電池元件，及 線利用超音波熔接法黏接至正電極電池元件，如圖 1及圖2所顯示。 此方法獲得的電池元件放在三邊密封的層壓薄片之 裝中，如圖丨所顯示。正及負電極之導線則通過外 4包凌。因此獲得想要的電池。 電广沿著圓柱體捲繞且固定，如圖3所顯示。 貫例2至8 如於貫施例1中的相同程序以製備含非水性電解.質 ί:;電池，除了在製造割線的電流收集器中做改變外， 電池的彎曲形式如表1所顯示。 之：f t於貫鉍例1中的相同程序以製備含非水性電解質 評估 你电机收集态上不製造割線。 循每個實例中獲得的電池之彎曲能力、負載特徵及

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利用視覺檢驗彎曲 力0 電池的斷裂及其它缺 陷來評估彎曲能 以下列方法評估負載特徵。將每個 電流充電6小時至上限4.2 v，充電 於以定 池放電直到終止電壓到達"，放電速率為〇Uc母個電 定0.2C的放電容量為1〇〇計算％時的放電：量2。。及。假 咬：：：9方法:平估循環特徵。將每個電池於定電壓下以定 電流充電2小時至上限4."，充電速率為1C。將每個電： 放電直到、t止電壓到達3 V ’放電速率為1C。重覆此充電 ，放電循％2⑽次。在每5個循環之後，將電池反轉及再固 二至體上。假定放電容量在-次循環後為 1 0 0汁12 0 0 -人循環後的放電容量。 測試結果顯示於表1。 表1 有割線之 電流收集 器 -T- /=& 割線形 狀 y/x 電池的 彎曲形 彎曲能 力 於3C時 的容量 (%) 在200次 循環後的 容量Γ %、 貫Μ例1 正電極 圖4 0.6 圖3 可 87 87 貫Μ例2 宙"to //Xff 勹 正電極 圖5 0.6 圖3 可 88 86 貫万也例J & Λ 正電極 圖6 0.6 』3 可 86 87 貫施例4 .{rfeg -fcfe /TTri C 正電極 —Γ* -i-TC 圖8 0.6 圖7 可 87 88 貫ij也例3 正電極 L圖10 0.6 __圖9 可 85 86 Λ施例6 η^Ψ /ΟΓ n 正電極 圖12 0.6叫 圖1 1 可 88 87 ~ 貫也例7 r^SL /TCrf Ο 負電極 圖4 〇Τό^ 圖3 可 87 86 貫施例8 正及負電 極 圖4 0.6 ® 3 可 85 87 比較的 實施例1 圖3 無 87 52

488104 七具有割線之電流收集器的電池可 徵及循環特徵。 /則5式貫施例9至1 3中的電池，其與 觀察不同長度的割線如何影響電 變如表2所顯示。結果顯示於表2 五、發明說明（11) 從表1中可明顯的看 彎曲及具有好的負載特 割線長度之研究 以如上述相同的方法 實施例1為相同型式，Α 池性能。割線長度之改 〇 表2 _實施例9WWrnJo y施例了1WsWTl Ϊ施例

I線流器極極極極極 割電集電電電電電 有之收正正正I正j正I 割 狀線 形

圖圖圖圖圖 電池的 彎曲形 式 彎曲能 力 無 ~H3 —*—--—.—»-__ --------— 可 ---- 可 圖3 ——--- 可 —---—- 於3C時 的容量 (%) 在200循 環後的容 量（％) “’其割線短（y/x=：〇 l)，具有較差 〇 電池’其割線長（y / χ > 〇 · 9 )，具有 的負載特徵。丨亦注意實施例10至12 注意貫施例9中的電沖 的彎曲能力及循環特徵 亦注意實施例1 3中的 好的彎曲能力但是較差 中的電其吾j線疋適當的（y / χ = . H >， 能力、負載特徵及循環特徵。' ^ 合ΪΐΪ及，根據本發明之電池電極可自由地彎曲而不 建構割線。 ^金屬電Μ收集益中如此 488104

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Claims (1)

1. 488104 六、申請專利範圍 Λ、一種！極，其包括一金屬電流收集器及在其上面 开 性物質層，其中至少該金屬電流收集器具有割線 以便考曲。 2. 如申請專利範圍第1項之電池電極，其中"χ的 0. 2至G. 9，y為割線的總長度，及χ為二點間的 距離為割線延伸過電流收集器之二邊。 此 其中該割線於彎 其中該割線交替 〇 其中割線從金屬 其中割線為貫穿 3. 如申請專利範圍第1項之電池電極， 曲方向的二個或多個位置製得。 4·如申請專利範圍第1項之電池電極， 地從金屬電流收集器的二邊延伸至中間 5 ·如申請專利範圍第1項之電池電極， 電流收集器的一邊延伸至中間。 6 ·如申睛專利範圍第1項之電池電極， 線。 種非水性電解貝電池’其包含正電極、。 水性電解質，其中該正電極及/或負電極之、電極及非 質層於薄片電流收集器上形成，及至少霉為活性物 具有割線以便-曲。 /金屬電流收集器 8 ·如申請專利範圍第7項之非水性電解質電池 非水性電解質為膠質電解質或固體電解質。’ ’其中該 “ 如申崎專利範圍弟了項之非水性電解質電池 電極、負電極及#水性電解質密封在層壓薄膜的’其中正 中。 姨的外部包裝 1 0 ·如申請專利範圍第7項之非水性電解質電 、/ ，其中負

   第18頁 488104 六、申請專利範圍 電極包含至少一個物種為活性物質，該物種選自金屬裡、 經合金及可摻雜和去摻雜經的物質。 1 1.如申請專利範圍第1 0項之非水性電解質電池，其中 可摻雜及去摻雜鋰之物質為含碳物質。 1 2 ·如申請專利範圍第7項之非水性電解質電池，其中正 電極包含做為活性物質之鋰及過渡金屬化合物氧化物。 ❿

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