TWI622203B - Solid composite lithium battery core piece and lithium battery cell using the same - Google Patents

Solid composite lithium battery core piece and lithium battery cell using the same Download PDF

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Abstract

一種固態複合鋰電池芯極片係以第一陽極集電片之第一陽極集電部、第一陽極活性物質塗層、第一固態電解質隔層、第一陰極活性物質塗層、陰極集電片之陰極集電部、第二陰極塗層、第二固態電解質隔層、第二陽極活性物質塗層以及第二陽極集電片之第二陽極集電部依序層疊結合而成，而鋰電池芯則是在長條形之固態複合鋰電池芯極片之兩端分別結合絕緣膠層之後，再捲繞而成。藉此，不論是單片、堆疊或捲繞成型使用，皆能經由固態電解質塗層之特性，使在高、低溫的環境下正常運作，且能讓電池的性能穩定，以確保使用安全。

Description

固態複合鋰電池芯極片及使用該極片之鋰電池芯
本發明係有關於一種固態複合鋰電池芯極片及使用該極片之鋰電池芯，尤指一種可在高、低溫時的性能穩定，以確保使用安全者。
目前鋰離子電池芯由於具有重量輕，比鋼/鋁殼電池安全係數更高、不易爆炸等原因，因此在部分領域得到快速發展，但其實質上也是更換了包裝的液態鋰離子電池芯。其中，當電池芯處於充、放電狀態、短路或高溫環境下而使得電池液的溫度升高到達大約75~80℃以上的高溫時，電解質溶液內諸如碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)之類的有機溶劑及部份雜質將會產生諸如氫氣、氧氣及二氧化碳之類的氣體，而形成氣脹及漏液的現象，如此一來，不但會造成電池芯的性能下降，甚至於會產生爆炸現象，而有安全上的疑慮。
再者，一般鋰電池芯內的電極片之製程大致分為堆疊及捲繞兩種方式，二者方式皆是在陰極片及陽極片之間夾置隔膜紙之後，再重複堆疊或捲繞而成，並在放進殼體之後，注入電解液，最後打鋼珠封口以成型一鋰電池芯。然而，隔膜紙與電解液均不耐高、低溫，當電池液的溫度升高到達大約75~80℃以上的高溫時，不但會有氣脹爆炸的危險，且會有在 低溫下無法運作的問題。
有鑑於此，為了提供一種有別於習用技術之結構，並改善上述之缺點，發明人累積多年的經驗及不斷的研發改進，遂有本發明之產生。
本發明之一目的在提供一種固態複合鋰電池芯極片及使用該極片之鋰電池芯，係將固態電解質隔層與各塗層、片體依序層疊，或將層疊之後的結構捲繞成型，以藉由固態電解質隔層的導電性能穩定及耐高、低溫之特性，使在高溫時，能防止產生氣脹、漏液的問題，以確保使用安全，並在低溫環境中能正常運作。
為達上述之目的，本發明所設之固態複合鋰電池芯極片係包括一陰極集電片、一第一陰極活性物質塗層、一第一固態電解質隔層、一第一陽極活性物質塗層、一第一陽極集電片、一第二陰極活性物質塗層、一第二固態電解質隔層、一第二陽極活性物質塗層及一第二陽極集電片。其中，該陰極集電片係由一陰極極耳及一陰極集電部所組成，陰極集電部具有反向且相對應之第一面及第二面；第一陰極活性物質塗層之一面係結合於陰極集電部之第一面上，第一固態電解質隔層及第一陽極活性物質塗層依序層疊於第一陰極活性物質塗層之另一面上；該第一陽極集電片係由一第一陽極極耳及一第一陽極集電部所組成，第一陽極集電部之一面結合於第一陽極活性物質塗層之另一面上。而第二陰極活性物質塗層之一面係結合於陰極集電部之第二面上，第二固態電解質隔層及第二陽極活性物質塗層依序層疊於第二陰極活性物質塗層之另一面上；該第二陽極集電片係由一第二陽極極耳及一第二陽極集電部所組成，第二陽極集電部之一面係 結合於第二陽極活性物質塗層之另一面上。
實施時，陰極集電部之第一面及第二面分別呈長方形。
實施時，第一陽極極耳及第二陽極極耳共同組成一陽極極耳組，陽極極耳組與陰極極耳係位於反向之位置；陽極極耳組與陰極極耳亦可位於同向之位置。
實施時，本發明更包括一第一絕緣層及一第三絕緣層，第一絕緣層結合於陰極集電部之第一面上，第一絕緣層鄰接第一陰極活性物質塗層之一側；而第三絕緣層結合於陰極集電部之第二面上，第三絕緣層鄰接第二陰極塗層之一側。
實施時，本發明更包括一第二絕緣層及一第四絕緣層，第二絕緣層結合於陰極集電部之第一面上，第二絕緣層鄰接第一陰極活性物質塗層之另一側；而第四絕緣層結合於陰極集電部之第二面上，第四絕緣層鄰接第二陰極塗層之另一側。
本發明所設之鋰電池芯係以長條形之固態複合鋰電池芯極片由第一端朝向第二端之方向捲繞而成，其中，第一端之第一陽極集電部上結合一第一絕緣膠層，第一端之第二陽極集電部上結合一第二絕緣膠層，第二端之第一陽極集電部上結合一第三絕緣膠層，第二端之第二陽極集電部上結合一第四絕緣膠層。
為進一步了解本發明，以下舉較佳之實施例，配合圖式、圖號，將本發明之具體構成內容及其所達成的功效詳細說明如下。
1‧‧‧固態複合鋰電池芯極片
11‧‧‧陰極集電片
111‧‧‧陰極極耳
112‧‧‧陰極集電部
113‧‧‧第一面
114‧‧‧第二面
12‧‧‧第一陰極活性物質塗層
13‧‧‧第一絕緣層
14‧‧‧第二絕緣層
15‧‧‧第一固態電解質隔層
16‧‧‧第一陽極活性物質塗層
17‧‧‧第一陽極集電片
171‧‧‧第一陽極極耳
172‧‧‧第一陽極集電部
18‧‧‧第二陰極活性物質塗層
19‧‧‧第三絕緣層
20‧‧‧第四絕緣層
21‧‧‧第二固態電解質隔層
22‧‧‧第二陽極活性物質塗層
23‧‧‧第二陽極集電片
231‧‧‧第二陽極極耳
232‧‧‧第二陽極集電部
24‧‧‧陽極極耳組
3‧‧‧鋰電池芯
31‧‧‧第一端
32‧‧‧第二端
311‧‧‧第一絕緣膠層
312‧‧‧第二絕緣膠層
321‧‧‧第三絕緣膠層
322‧‧‧第四絕緣膠層
第1圖係為本發明固態複合鋰電池芯極片之較佳實施例之元件分解圖。
第2圖係為本發明固態複合鋰電池芯陰極片之較佳實施例之立體外觀示意圖。
第3圖係為第2圖之A-A’剖面示意圖。
第4圖係為本發明鋰電池芯之較佳實施例堆疊成型之後之立體外觀示意圖。
第5圖係為本發明鋰電池芯之較佳實施例展開時之立體外觀示意圖。
第6~8圖係為本發明鋰電池芯之較佳實施例捲繞成型之後之立體外觀示意圖。
請參閱第1~3圖所示，其為本發明固態複合鋰電池芯極片1之較佳實施例，係包括分別呈長條形片狀之一陰極集電片11、一第一陰極活性物質塗層12、一第一絕緣層13、一第二絕緣層14、一第一固態電解質隔層15、一第一陽極活性物質塗層16、一第一陽極集電片17、一第二陰極活性物質塗層18、一第三絕緣層19、一第四絕緣層20、一第二固態電解質隔層21、一第二陽極活性物質塗層22以及一第二陽極集電片23。
該陰極集電片11係為鋁箔片，陰極集電片11係由一長條形陰極極耳111及一陰極集電部112所組成，其中，陰極集電部112具有反向且相對應之第一面113及第二面114，第一面113及第二面114分別呈長方形。
第一陰極活性物質塗層12及第二陰極塗層18分別為鋰硫化合物塗層，亦可為LiMnO2、LiMn2O4、LiCoO2、Li2Cr2O7、Li2CrO4、LiNiO2、LiFeO2、LiNixCo1-xO2、LiFePO4、LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2、LiMc0.5Mn1.5O4、或上述之組合。
第一絕緣層13、第二絕緣層14、第三絕緣層19及第四絕緣層20分別為絕緣膠或絕緣漆，第一絕緣層13及第二絕緣層14分別結合於陰極集電部112之第一面113上，並分別鄰接第一陰極活性物質塗層12之兩側；第三絕緣層19及第四絕緣層20分別結合於陰極集電部112之第二面114上，並分別與第二陰極塗層18之兩側鄰接。
第一固態電解質隔層15及第二固態電解質隔層21分別為固態分子聚電解質塗層，而該固態分子聚電解質係為陶瓷氧化合物或氧化鋁、玻璃陶瓷，亦可為耐高、低溫之高分子聚合物，例如：具有由以下通式I表示之重複單元E1：
其中該重複單元E1具有兩個與該重複單元E1之四個N原子中之兩個鍵結的側基，L1及L2；L1及L2獨立地表示基團R1-SO3M，R1表示烴；M表示選自由Li+、Na+、H+及K+組成之群的陽離子；R3表示基團H或SO3M；且x表示大於10之整數。
第一陽極活性物質塗層16及第二陽極活性物質塗層22係為鋰金屬混合氧化物(lithium mixed metal oxide)塗層，亦可分別由商用矽粉末球磨後而成，且在矽材料表面包覆碳膜。而第一陽極集電片17及第二陽極集電片23分別為鋁箔片或銅箔片其中之一種，且第一陽極集電片17係由長條 形第一陽極極耳171及第一陽極集電部172所組成，第二陽極集電片23係由長條形第二陽極極耳231及第二陽極集電部232所組成。
上述第一陰極活性物質塗層12之一面係結合於陰極集電部112之第一面113上，第一固態電解質隔層15及第一陽極活性物質塗層16依序層疊於第一陰極活性物質塗層12之另一面，而第一陽極集電片17之第一陽極集電部172之一面係結合於第一陽極活性物質塗層16之另一面上。另，第二陰極塗層18之一面係結合於陰極集電部112之第二面114上，第二固態電解質隔層21及第二陽極活性物質塗層22依序層疊於第二陰極塗層18之另一面，而第二陽極集電片23之第二陽極集電部232之一面係結合於第二陽極活性物質塗層22之另一面上。
請參閱第4圖所示，本發明固態複合鋰電池芯極片1之各元件經上述順序層疊並輥壓之後，即可成型為一片體，並使第一陽極極耳171及第二陽極極耳231共同組成一陽極極耳組24，當陽極極耳組24與陰極極耳111位於同向之位置，並以複數個固態複合鋰電池芯極片1堆疊成一鋰電池芯3時，即可提供更大之電流容量。
如第5圖所示，當本發明鋰電池芯3之固態複合鋰電池芯極片1係呈長條形時，固態複合鋰電池芯極片1具有反向之第一端31及第二端32，其中，第一端31之第一陽極集電部172上結合一第一絕緣膠層311，第一端31之第二陽極集電部232上結合一第二絕緣膠層312，第二端32之第一陽極集電部172上結合一第三絕緣膠層321，第二端32之第二陽極集電部232上結合一第四絕緣膠層322。第一絕緣膠層311、第二絕緣膠層312、第三絕緣膠層321及第四絕緣膠層322分別為絕緣膠或絕緣漆。當長條形固態複合鋰電池芯極 片1由第一端31朝向第二端32之方向捲繞之後，即可成型如第6圖所示之鋰電池芯3。
而如第7、8圖所示，當陽極極耳組24與陰極極耳111位於反向之位置時，亦可在長條形固態複合鋰電池芯極片1捲繞之後，使鋰電池芯3呈軟包型、圓柱型或方型，並經由各個絕緣膠層之配置，以有效防止短路現象。
因此，本發明具有以下之優點：
1、本發明係將固態電解質隔層與各塗層、片體依序層疊，以同時取代習用之隔膜紙與電解液，因此，不但可以有效提高作業效率以降低製造及組裝成本、在高溫時防止產生氣脹、漏液的問題以確保使用安全，且可在低溫環境中能正常運作以提升效能。
2、本發明之極片可以單片、堆疊使用，或在輥壓成長片狀之後，再捲繞使呈軟包型、圓柱型或方型等各種型體之鋰電池芯，因此，在加工作業上相當簡便，而在使用上相當具有彈性。
綜上所述，依上文所揭示之內容，本發明確可達到預期之目的，提供一種不但能讓電池的性能穩定以確保使用安全，且可彈性加工以製成不同型體使用之固態複合鋰電池芯極片及使用該極片之鋰電池芯，極具產業上利用之價值，爰依法提出發明專利申請。

Claims (5)

  1. 一種固態複合鋰電池芯極片，係包括：一陰極集電片，係由一陰極極耳及一陰極集電部所組成，該陰極集電部具有反向且相對應之第一面及第二面；一第一陰極活性物質塗層，其一面係結合於該陰極集電部之第一面上；一第一絕緣層，係結合於該陰極集電部之第一面上，且該第一絕緣層鄰接該第一陰極活性物質塗層之一側；一第二絕緣層，係結合於該陰極集電部之第一面上，且該第二絕緣層鄰接該第一陰極活性物質塗層之另一側；一第一固態電解質隔層，其一面係結合於該第一陰極活性物質塗層之另一面；一第一陽極活性物質塗層，其一面係結合於該第一固態電解質隔層之另一面；一第一陽極集電片，係由一第一陽極極耳及一第一陽極集電部所組成，該第一陽極集電部之一面係結合於該第一陽極活性物質塗層之另一面；一第二陰極塗層，其一面係結合於該陰極集電部之第二面上；一第三絕緣層，係結合於該陰極集電部之第二面上，且該第三絕緣層鄰接該第二陰極塗層之一側；一第四絕緣層，係結合於該陰極集電部之第二面上，且該第四絕緣層鄰接該第二陰極塗層之另一側；一第二固態電解質隔層，其一面係結合於該第二陰極塗層之另一面；一第二陽極活性物質塗層，其一面係結合於該第二固態電解質隔層之 另一面；以及一第二陽極集電片，係由一第二陽極極耳及一第二陽極集電部所組成，該第二陽極集電部之一面係結合於該第二陽極活性物質塗層之另一面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之固態複合鋰電池芯極片，其中，該陰極集電部之第一面及第二面分別呈長方形。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之固態複合鋰電池芯極片，其中，該第一陽極極耳及該第二陽極極耳共同組成一陽極極耳組，該陽極極耳組與該陰極極耳係位於反向之位置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之固態複合鋰電池芯極片，其中，該第一陽極極耳及該第二陽極極耳共同組成一陽極極耳組，該陽極極耳組與該陰極極耳係位於同向之位置。
  5. 一種使用如請求項1所述之固態複合鋰電池芯極片之鋰電池芯，其中，該固態複合鋰電池芯極片係呈長條形，其具有反向之第一端及第二端，該鋰電池芯係由該固態複合鋰電池芯極片之第一端朝向第二端之方向捲繞而成，該第一端之第一陽極集電部上結合一第一絕緣膠層，該第一端之第二陽極集電部上結合一第二絕緣膠層，該第二端之第一陽極集電部上結合一第三絕緣膠層，該第二端之第二陽極集電部上結合一第四絕緣膠層。
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