TWI569504B - 具有改良之偏向運動之電極以及包含該電極之二次電池 - Google Patents

具有改良之偏向運動之電極以及包含該電極之二次電池 Download PDF

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Description

具有改良之偏向運動之電極以及包含該電極之二次電池 【優先權聲明】
本申請案主張於2013年9月30日在韓國提出申請之韓國專利申請案第10-2013-0116939號以及於2014年9月30日在韓國提出申請之韓國專利申請案第10-2014-0131877號之優先權，該等韓國專利申請案以引用方式併入本文中。
本發明係關於一種具有改良之偏向運動之電極以及一種包含該電極之二次電池。
近來，可充電/可再充電二次電池作為一種能源而廣泛用於無線行動裝置。此外，二次電池作為一種用於電動汽車(electric vehicle；EV)、油電混合汽車(hybrid electric vehicle；HEV)，及插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle；plug-in HEV)之電源而引起廣泛關注，該等電動汽車被開發用以解決，例如由現有之使用化石燃料之汽油及柴油汽車所造成之空氣污染等問題。此種二次電池已以將一電極總成與一電解質溶液置於一電池殼體中之形式 來製備。
電極總成被劃分為堆疊(stack)型、折疊(folding)型、堆疊-折疊(stack-folding)型及果凍卷(jelly-roll)型。堆疊型電極總成或堆疊-折疊型電極總成所具有之一結構，係藉由在多個陰極單元與多個陽極單元之間夾置隔板(separator)，然後依序進行層壓而獲得。
同時，果凍卷型電極總成所具有之一結構，係藉由在一片材型陰極與一片材型陽極之間夾置一隔板，然後進行捲繞而獲得，該片材型陰極將一活性材料應用於一集電器(current collector)上，該片材型陽極將一活性材料應用於一集電器上，該陰極與該陽極係被預先製備。單位電極(unit electrode)(例如一陰極或一陽極)係經由如下製程來製備：例如以單位電極之一間隔對一電極集電器進行切口、施用一電極漿料、施用一塗佈劑等等。在製備一電池之此一整個製程中，對一電極片材重複進行捲繞或重繞。本文所用術語「片材(sheet)」係為通用術語，其表示上面施用有一活性材料之集電器以及上面不施用活性材料之集電器二者。在此種情形中，一電極之欲先供給至捲繞卷或重繞卷之部分係為一集電器之一前部。參見圖1，一集電器之前部對應於上面未形成有一電極活性材料層之一未塗佈區域2a，且更具體而言，該未塗佈區域之寬度方向端(W)首先開始供給至捲繞卷或重繞卷。具體而言，一陰極集電器2通常由一鋁箔製成，此可使前部在捲繞或重繞期間，因該集電器之低張力而造成捲曲。當一電極之前部出現捲曲時，該電極會發生偏向運動且電極總成不能層壓於預定位置處，此可使一陰極之未塗佈區域接觸一陽極活性材料，使一陽極之未塗佈區域接觸一陰極活性材料，或使陰極之未塗佈區域接觸陽極之未塗佈區域，進而造成內部短路。
本發明被設計用於解決上述問題，即因一電極集電器之前部之捲曲而出現並導致一電池發生內部短路之電極偏向運動。
根據本發明之一態樣，提供一種電極，包含一電極集電器及一活性材料層，該活性材料層形成於該電極集電器之至少一個表面上，其中用於增強張力之一加強材料應用至該電極集電器之前部。
該加強材料可應用至該電極集電器之該前部之寬度方向端。
該加強材料可應用至該電極集電器之該前部之二縱向方向端。
該加強材料可應用於該電極集電器之該前部之該寬度方向端處及該二縱向方向端處。
該加強材料可被應用成自該電極集電器之該前部延伸至該活性材料層之起始部。
該加強材料可應用至該電極集電器之該前部之二表面上。
該加強材料可具有10微米至100微米之一厚度。
該加強材料可薄於該活性材料層。
該加強材料可選自由下列組成之群組之任一種材料製成：聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚對苯二甲丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、醋酸酯樹脂、聚醯亞胺、玻璃布帶、聚酯、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯樹脂、不銹鋼及其混合物。
該電極集電器可由鋁製成。
該電極集電器之該前部可在該寬度方向端、該縱向方向端，或同時在該寬度方向端與該縱向方向端被一(1)片該加強材料環繞。
根據本發明之另一態樣，提供一種果凍卷型電極總成，該果凍卷型電極總成包含上述電極。
根據本發明之再一態樣，提供一種二次電池，該二次電池包含被密封於一電池殼體內之該果凍卷型電極總成。
根據本發明之又一態樣，提供一種電池組(battery pack)，包含二個或更多個單位電池(unit cell)，其中各該單位電池係為該二次電池。
該電池組可用作電動汽車、油電混合汽車、插電式混合動力汽車，或儲電裝置之一電源供應器。
根據本發明之又一態樣，提供一種用於製備包含一果凍卷型電極總成之二次電池之方法，該果凍卷型電極總成係由一陰極、一隔板及一陽極組成，該方法包含：應用一加強材料於一連續電極集電器片材之一段上，該段將被形成為一電極集電器之前部之寬度方向端及另一電極集電器之後部之寬度方向端；以及以單位電極之間隔切割該連續電極集電器片材，使該加強材料應用至一個電極集電器之該前部之該寬度方向端，及另一電極集電器之該後部之該寬度方向端處。
根據本發明，在製備一果凍卷型電極總成時，一電極可不使該電極之片材捲曲而被捲繞於預定位置處，進而防止該電極片材之偏向運動及內部短路問題。
1‧‧‧電極
2‧‧‧電極集電器
2a‧‧‧電極集電器之前部
2b‧‧‧電極集電器之後部
3‧‧‧電極活性材料層
5a‧‧‧加強材料
5b‧‧‧加強材料
5a’‧‧‧加強材料
L‧‧‧縱向方向端
W‧‧‧寬度方向端
附圖例示本發明之較佳實施例，並與前述揭露內容一起用於提供對本發明技術精神之進一步理解。然而，本發明不應被視為受限於該等附圖。
圖1示意性顯示捲繞之前之一傳統電極。
圖2示意性顯示捲繞之前之根據本發明一實施例之一電極。
圖3示意性顯示捲繞之前之根據本發明另一實施例之一電極。
圖4示意性顯示捲繞之前之根據本發明再一實施例之一電極。
圖5示意性顯示捲繞之前之根據本發明又一實施例之一電極。
圖6自側面顯示圖2所示電極之一實例，其中一片加強材料應用於一電極集電器之前部之一個表面上。
圖7自側面顯示圖2所示電極之一實例，其中兩片加強材料應用於一電極集電器之二表面其中之每一表面上。
圖8自側面顯示圖2所示電極之一實例，其中一片加強材料應用於一電極集電器之二表面上。
以下，將詳細闡述本發明。在說明之前，應理解說明書及隨附申請專利範圍中所用術語，不應被視為僅限於一般及字典上的意義，而是容許發明者恰當地定義術語，以進行最佳闡釋之原則，並基於與本發明技術態樣對應之意義及概念加以解釋。因此，本文所提出之實施例及附圖之構成，僅係為一用於例示目的之較佳實例，而非旨在限制本發明之範圍，因而應理解，在不背離本發明之精神及範圍之條件下，可對該等實施例及附圖作出其他等效變形及潤飾。
圖1示意性顯示捲繞前之一傳統電極，且圖2至圖5顯示根據本發明一實施例之捲繞前之一電極。
參照圖1至圖5，一活性材料層3形成於一集電器2之中心處。此外，一其中不形成一活性材料之區域位於活性材料層3之二側處(參見圖1至圖5)。本文所用術語「未塗佈區域(uncoated region)」係指其中未有一活性材料形成於一電極集電器上之區域。
用於本發明中之集電器2，為此項技術傳統上所使用之任一集電器，即，由此項技術中已知之傳統材料製成，且視需要藉由此項技術中已知之一傳統方法加工而成之任一集電器。舉例而言，可使用一多孔集電器。當因一集電器之原材料之性質及/或厚度而特別需要防止集電器捲曲時，本發明之效果可更為顯著。為此，本發明可應用至其中使用由鋁製成之集電器之電極。
活性材料層3可藉由塗佈一包含一活性材料、一導電材料及一黏結劑之漿料，然後進行乾燥來形成，該活性材料、該導電材料及該黏結劑其中之每一者，皆可係為此項技術中通常使用之材料。本發明中並不限制構成該活性材料及其組成物之成分。
參見圖1，一傳統電極1不包含用於加強一集電器2之張力之材料或工具。因此，當使用由一低張力材料(例如鋁)製成之集電器所製造之電極，被供給至一捲繞裝置時，電極集電器2之前部變為捲曲。本文所用術語「前部(fore part)」係指其中當沿核心方向供給一電極時該電極開始捲繞或重繞之區段，例如圖1所示之部分‘2a’。
本發明之特徵在於，應用一加強材料來增強向電極前部之預定位置之張力，藉此解決電極之前部被捲曲及由此產生之電極偏向運動問題。
本文所用術語「加強材料(reinforcing material)」係指任何可應 用至一電極之預定位置，藉此抑制或防止該電極之片材捲曲之組成。
本文所用術語「一電極之預定位置(predetermined position of an electrode)」係指電極之其中應用加強材料，來解決電極前部之捲曲現象及由此產生之偏向運動之任何位置。
舉例而言，參見顯示本發明一實施例之圖2，一加強材料5a可附著於電極集電器2之前部2a之寬度方向端(W)處。當加強材料5a應用至電極集電器2之前部2a時，加強材料5a之寬度可被確定成使得一電極活性材料之工作效果不會受到不利影響。如圖5所示，加強材料5a所具有之寬度可延伸至一活性材料層3之起始部，或延伸至使得加強材料5a部分地交疊活性材料層3。
此外，根據本發明另一實施例，加強材料5a可應用至電極集電器2之前部2a之縱向方向端(L)(參見圖3)，或可應用至電極集電器2之前部2a之縱向方向端(L)及寬度方向端(W)(參見圖4)。
如上所述，應用至電極集電器2之前部之加強材料5a可增強電極集電器2之張力。因此，電極1可不發生任何捲曲地被供給至一捲繞裝置以進行捲繞。加強材料5a應提供一充分之加強張力，使電極集電器2之前部2a不被容易地捲曲，且同時應不於集電器中形成一顯著之高度差異。
加強材料可具有10微米至100微米之一厚度。特別佳地，加強材料所具有之一厚度等於或薄於活性材料層之厚度。
可用於本發明中之加強材料不受限制，只要加強材料係為一種能夠增強集電器之張力，並對電解質溶液或鋰離子具有高穩定性，且具有高絕緣性能及優良熱穩定性之材料即可。
加強材料之非限制性實例可包含聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-全氟 烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、氟樹脂(例如聚偏二氟乙烯(PVDF))、聚對苯二甲丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、醋酸酯樹脂、聚醯亞胺、玻璃布帶、聚酯、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯樹脂及其混合物，該等加強材料可以一絕緣帶之形式應用至一電極集電器之預定位置。作為另一選擇，加強材料可為一種例如更能夠增強張力之不銹鋼(SUS)等金屬，且該加強材料可以一膜之形式，應用至電極集電器之預定位置。
加強材料可藉由應用於加強材料之表面上之黏著劑，而附著至電極集電器。在某些情形中，加強材料可藉由熱結合(thermal bonding)而附著至電極集電器。
加強材料可僅存在於電極集電器2之前部處，或在某些情形中，加強材料可同時存在於電極集電器2之後部以及前部中。舉例而言，加強材料可應用於一連續電極集電器片材之一段上，該段將形成一電極集電器之前部之寬度方向端，及另一電極集電器之後部之寬度方向端；並且以單位電極之一間隔切割該連續電極集電器片材，使該加強材料應用於一個電極集電器之前部之寬度方向端處，及另一電極集電器之後部之寬度方向端處。
一實施例顯示於圖2中。參見圖2，於電極電流總成之前部及後部中分別存在加強材料5a及加強材料5b。
參見顯示本發明另一實施例之圖5，加強材料5a被應用成自一陰極之前部延伸至陰極之未塗佈區域與活性材料層間之介面，藉此提供電絕緣性能並提高安全性。在此種情形中，加強材料可延伸至覆蓋電極集電器2與活性材料層3間之介面，藉此消除將一絕緣帶附著至電極集電器與活性材料層間之介面之必要性。較佳地，加強材料之延伸長度被確定成使得活性材料層之工作效果 不會受到不利之影響。
此外，根據本發明一實施例，可將一片加強材料5a應用於前部之一個表面上(參見圖6)，且加強材料亦可應用於前部之二表面上。在此種情形中，兩片加強材料5a、5a’可藉由層壓黏著而形成於電極集電器之二表面上(參見圖7)，或可應用一片加強材料5a來環繞電極集電器之二表面之前部(參見圖8)。亦即，電極集電器之前部可在寬度方向端、縱向方向端，或同時在該寬度方向端與該縱向方向端被一片加強材料環繞。當電極集電器之前部被一片加強材料環繞時，好處在於不會在加強材料與電極集電器之間發生剝離。
因此，可根據圖3至圖5以及圖2所示之實施例來應用加強材料。
此外，本發明提供一種包含上述電極總成之二次電池，該電極總成與一電解質溶液一起密封於一電池殼體內。
較佳地，該二次電池係為能量密度高、放電電壓及輸出穩定性優良之二次鋰電池。本發明之二次電池包含以下組件。
該二次鋰電池一般由一陰極、一陽極、一隔板，及一含有一鋰鹽之非水性電解質溶液(non-aqueous electrolyte solution)組成。
例如藉由應用一陰極活性材料、一導電材料與一黏結劑之一混合物於一陰極集電器上，然後進行乾燥來製備陰極。若有需要，陰極可更包含一填料。藉由應用一陽極材料於一陽極集電器上，然後進行乾燥來製備陽極。若有需要，陽極可更包含如上所述之其他組分。
隔板夾置於陰極與陽極之間，且可使用一具有高離子滲透性及優異機械強度之絕緣膜作為隔板。
含有一鋰鹽之非水性電解質溶液包含一非水性電解質及一鋰鹽。非水性電解質可係為一非水性液體電解質、一固體電解質、一無機固體電 解質等等。
集電器、電極活性材料、導電材料、黏結劑、填料、隔板、電解質溶液，及鋰鹽係為此項技術中所習知的，故在本發明中不再對其予以贅述。
可藉由此項技術中已知之傳統方法來製備本發明之二次電池，例如，藉由在一陰極與一陽極之間夾置一隔板，並於其中引入一電解質溶液來製備。
例如，藉由應用一包含上述鋰過渡金屬氧化物、一導電材料及一黏結劑之漿料於一集電器上，然後進行乾燥來製備陰極。類似地，藉由應用一包含上述碳材料、一導電材料及一黏結劑之漿料於一薄之集電器上，然後進行乾燥來製備陽極。
此外，本發明提供一種包含二個或更多個單位電池之電池組，其中各該單位電池係為所述二次電池。
慮及設備之效率及結構穩定性，本發明之電池組較佳可用於具有有限設備空間，並常常受到頻繁振動及強烈衝擊之電動汽車(EV)、油電混合汽車(HEV)、及插電式混合動力汽車(plug-in HEV)中。
1‧‧‧電極
2‧‧‧電極集電器
2a‧‧‧電極集電器之前部
2b‧‧‧電極集電器之後部
3‧‧‧電極活性材料層
5a‧‧‧加強材料
5b‧‧‧加強材料
L‧‧‧縱向方向端
W‧‧‧寬度方向端

Claims (7)

  1. 一種用於製備一包含一果凍卷型電極總成之二次電池之方法，該果凍卷型電極總成係由一陰極、一隔板(separator)及一陽極組成，該方法包含：將一加強材料附著於一連續電極集電器片材之一段上，該段將被形成為一電極集電器之前部之寬度方向端，及另一電極集電器之後部之寬度方向端；以及以單位電極(unit electrode)之一間隔切割該連續電極集電器片材，使該加強材料附著至一個電極集電器之該前部之該寬度方向端，及另一電極集電器之該後部之該寬度方向端，且該加強材料不附著於該前部之該寬度方向端以及該後部之該寬度方向端的切割側剖面上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該加強材料應用至該電極集電器之該前部之該寬度方向端及該二縱向方向端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該加強材料被應用成自該電極集電器之該前部延伸至該活性材料層之起始部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該加強材料具有10微米至100微米之一厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該加強材料薄於該活性材料層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該加強材料係選自由下列組成之群組之任一種材料製成：聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚對苯二甲丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、醋酸酯樹脂、聚醯亞胺、玻璃布帶、聚酯、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯樹脂、不銹鋼及其混合物。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該電極集電器係由鋁製成。
TW103134132A 2013-09-30 2014-09-30 具有改良之偏向運動之電極以及包含該電極之二次電池 TWI569504B (zh)

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