TWI796927B

TWI796927B - 電極組件及其電池裝置

Info

Publication number: TWI796927B
Application number: TW111100917A
Authority: TW
Inventors: 楊思枬; 吳孟鴻; 費文昕; 趙星智
Original assignee: 輝能科技股份有限公司; 英屬開曼群島商輝能控股股份有限公司
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-03-21
Also published as: TW202239038A

Abstract

本發明提供一種電極組件及其電池裝置，其係利用第一帶狀集電層與第二帶狀集電層夾設複數個電化學系統，並配合膠框予以完整封圍，使電化學系統彼此間各自獨立僅有電荷轉移而無電化學反應，而位於兩相鄰電化學系統間的膠框以及膠框所黏著的第一帶狀集電層與第二帶狀集電層可一併彎折形成彎折部，使得電化學系統可以翻折堆疊至相鄰的電化學系統，完成Z軸的垂直堆疊，不僅易於量產，同時亦可減少串聯或並聯之極耳配置，進而降低空間配置的能量密度損耗。

Description

電極組件及其電池裝置

本發明係關於一種電極組件，尤指一種於Z軸方向彎折堆疊的電極組件及其電池裝置。

近年來隨著各種便攜式電子產品/電動汽車/儲能電站等領域的快速發展，延伸出對能量儲存密度較高與兼具環境保護之儲能裝置的高度要求，而離子二次電池成為首選，進而發展出如鋰離子二次電池、鎂離子二次電池、鈉離子二次電池等各種二次電池。因此，如何於有限空間內來盡可能提高能量密度，一直是整個相關產業的發展重點。

舉例來說，前案如CN103959540號申請案，請參閱第1A圖，利用單一個集電器11的兩側塗佈形成負極12和正極13，再藉由集電器11進行彎折，並將隔膜14設置於兩電極相鄰的界面處來構成Z字形電芯摺疊。另外，相同申請人之案件如CN110521045之Z字形電芯摺疊則是於集電器上形成有預定間隔圖案的多個負極圖案，在另一集電器上的形成有預定間隔圖案的多個正極圖案，間隔圖案區為未塗覆極層材料區域，正極圖案與負極圖案間再利用隔離膜分隔；然而，其仍舊屬於極層材料堆疊的範疇。再者，請參閱第1B圖，前案如TW94104832，是利用具有可撓性的隔離層15進行彎折，負極16、正極17僅是貼附於隔離膜15兩側，並利用隔離膜15絕緣進行垂直堆疊。然而，上述的各種技術都是採用正負極極層材料隔著隔離膜直接堆疊，在無緩衝元件的彎折應力作用下，容易導致正負極極層材料碎裂，再者因電解液共用的因素將衍生電壓受限或是電場分佈不均等問題。

有鑑於此，本發明係針對上述缺失，提出一種嶄新的電極組件及其電池裝置。

本發明之主要目的在於提供一種電極組件及其電池裝置，其電極組件是呈現Z字型翻折堆疊狀態，且折彎位置僅有帶狀集電層與膠框，而不造成極層碎裂的問題。

本發明之另一目的在於提供一種電極組件及其電池裝置，其電極組件Z字型翻折後進行堆疊電性連接，減少串聯或並聯之極耳配置，提高生產效率與電能需求組配上的彈性，降低生產難易度，降低空間配置的能量密度損耗。

本發明之另一目的在於提供一種電極組件及其電池裝置，其電極組件是於兩帶狀集電層直接夾設電化學系統與膠框來成型，因此可藉以批次大量製造，有助於量產與產品化的進行。

本發明提出一種電極組件，其主要係包含有一第一帶狀集電層、一第二帶狀集電層、一膠框、數個電化學系統、以及數個彎折部。第一帶狀集電層與第二帶狀集電層夾設複數個電化學系統，並配合膠框予以完整封圍，使電化學系統彼此間各自獨立且僅有電荷轉移而無電化學反應。兩相鄰之電化學系統間的膠框以及此處膠框所黏著的第一帶狀集電層與第二帶狀集電層將可一併彎折來形成該彎折部，以使電化學系統在同一軸向垂直堆疊。因此，藉由完整封圍之電化學系統，彼此之間各自獨立僅有電荷轉移而無電化學反應，除了可免除電解液共用所衍生的缺失外，且彎折部僅為膠框連同所黏著之帶狀集電層，因此可避免極層折彎碎裂的問題。

另一方面，本發明所提供之電池裝置，可藉由殼體來容置電極組件所構成，且電極組件與殼體之間可充填有散熱劑或阻燃劑，來提昇散熱效率以維持電池性能，並能提升電池裝置的安全性。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

11:集電器

12:負極

13:正極

14:隔膜

15:隔離層

16:負極

17:正極

30:電極組件

301:電化學系統

31:隔膜

32:第一帶狀集電層

321:應力加強材

33:第二帶狀集電層

331:應力加強材

34:第一活性材料層

35:第二活性材料層

36:膠框

361:開口槽

362:改質矽膠層

363:改質矽膠層

364:矽膠層

38:彎折部

41:散熱集電器

411:本體

412:延伸部

42:散熱集電器

421:本體

422:延伸部

51:鋁包

52:導電柄

53:導電柄

61:外殼

611:上殼

612:下殼

613:絕緣材料

614:絕緣塗層

615:導電匯流排

616:絕緣體

第1A、1B圖係為習知Z字形電芯摺疊的示意圖。

第2A圖係為本發明電極組件的立體示意圖。

第2B圖係為本發明電極組件的側視圖。

第2C圖係為本發明電極組件之未彎折前的元件分解示意圖。

第2D圖係為本發明電極組件之未彎折前的示意圖。

第2E圖係為本發明電極組件增設有應力加強材的示意圖。

第3圖係為本發明電極組件之另一實施例示意圖。

第4圖係為本發明電極組件的膠框之另一實施例示意圖。

第5A-5E圖係為本發明電極組件之折彎堆疊的動作示意圖。

第5F圖係為本發明電極組件增設有散熱集電件的示意圖。

第6A~6H圖係為本發明電極組件應用於鋁包外殼之電池裝置的示意圖。

第7A~7H圖係為本發明電極組件應用於鋁包外殼之電池裝置的另一實施態樣示意圖。

第8A圖係為本發明電極組件應用於類鈕扣電池外殼之電池裝置的示意圖。

第8B圖係為本發明電極組件應用於具有絕緣塗層的類鈕扣電池外殼之電池裝置的示意圖。

第8C圖係為本發明電極組件應用於具有絕緣塗層的類鈕扣電池外殼之電池裝置的另一示意圖。

為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易明確的了解，後續將以實施例並參照所述圖式進行詳述與討論。需聲明的是該些實施例僅為本發明代表性的實施例，並不以此侷限本發明之實施態樣與請求範疇僅能侷限於該些實施例態樣。提供該些實施例的目的僅是讓本發明的公開內容更加透徹與易於了解。

在本發明公開的各種實施例中使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，並非在限制本發明所公開的各種實施例。除非有清楚的另外指示，所使用的單數形式係也包含複數形式。除非另有限定，否則在本說明書中使用的所有術語(包含技術術語和科學術語)具有與本發明公開的各種實施例所屬領域普通技術人員通常理解的涵義相同的涵義。上述術語(諸如在一般使用辭典中限定的術語)將被解釋為具有與在相同技術領域中的語境涵義相同的涵義，並且將不被解釋為具有理想化的涵義或過於正式的涵義，除非在本發明公開的各種實施例中被清楚地限定。

在本說明書的描述中，參考術語”一實施例”、”一具體實施例”等地描述意指結合該實施例描述地具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何一個或多個實施例中以合適的方式結合。

在本發明的描述中，除非另有規定或限定，需要說明的是術語”耦接”、”連接”、”設置”應做廣義的理解，例如，可以是機械連接或電性連接，亦可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，亦可以通過中間媒介間相連，對於本領域通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體涵義。

請一併參閱第2A圖至第2D圖，係各為本發明所揭露之電極組件的立體圖、側視圖與未彎折前的元件分解示意圖、未彎折前的示意圖。本發明的電極組件30主要包含有第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33、複數個電化學系統301、膠框36以及彎折部38。第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33夾設複數個電化學系統301與膠框36，膠框36將任一電化學系統301的側邊周圍完整封圍並且頂端黏著第一帶狀集電層32，底端黏著第二帶狀集電層33，膠框36封圍後的數個電化學系統301將呈現彼此間各自獨立，也就是該些數個電化學系統301彼此間僅有電荷透過集電層32、33轉移而彼此間無進行電化學反應。而位於兩相鄰電化學系統301間的膠框36以及膠框36所黏著的第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33可一併彎折形成彎折部38。

僅在元件分解圖來看(見第2C圖)，膠框36具有數個連通上下表面的開口槽361，每一開口槽361就是一個電化學系統301設置的位置，並且電化學系統301的兩端分別與第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33接觸，每一電化學系統301被膠框36完整封圍，以使每一個電化學系統301彼此間各自獨立僅有電荷轉移而無電化學反應。當然膠框也可以視需求非呈現單一元件狀態，舉例來說而是數個各自獨立的膠框，如第3圖所示。

第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33之材料常見者為銅以及鋁，當然亦可是其他鎳、錫、銀、金等金屬或金屬合金，或是具有導電能力的高分子材料，舉例來說於高分子基底中混有導電材料所形成。因為其採用帶狀形式，可配合以下以圖案化塗覆的方式來大量批次製造，有助於量產的進行。

每一個電化學系統301包含有一第一活性材料層34與一第二活性材料層35，以及一夾設於第一活性材料層34與第二活性材料層35間的隔膜31。在製程上，第一活性材料層34係以一個預定間隔來圖案化塗覆於第一帶狀集電層32上，而第二活性材料層35係以相同預定間隔來圖案化塗覆於第二帶狀集電層33上，使得每一第二活性材料層35相對應於一個第一活性材料層34，而每一隔膜31夾設於其中之一第一活性材料層34與其對應之第二活性材料層35間，而堆疊形成一個電化學系統301。隔膜31的材料係可選自於高分子材料、陶瓷材料或玻璃纖維材料，其上具有微孔洞可供離子通過，微孔洞可為貫通孔或是蟻孔(非直線貫通的態樣)的型態，甚至是直接採用多孔性材料來達成，其中陶瓷材料選自於絕緣材料時，可以是微米級與奈米級的二氧化鈦(TiO₂)、三氧化二鋁(Al₂O₃)、二氧化矽(SiO₂)等材質或是烷基化的陶瓷顆粒所形成。陶瓷材料也可以選自氧化物固態電解質，例如鋰鑭鋯氧(lithium lanthanum zirconium oxide；Li₇La₃Zr₂O₁₂；LLZO)或者磷酸鈦鋁鋰(LATP)等。此外，陶瓷材料也可以是上述絕緣陶瓷材料與氧化物固態電解質所混合而成。當隔膜31具有陶瓷材料時，隔膜31更可以包含高分子黏著劑，例如聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)、壓克力酸膠(Acrylic Acid Glue)、環氧樹脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯睛(PAN)或聚亞醯胺(PI)等。

就此部份來說，第一活性材料層34與第二活性材料層35在塗覆時所預定的間隔，可依照需求來進行調整，且每一第一活性材料層34之間的大小與之間的預定間隔也不一定要求需要一致，對應之第二活性材料層35也是相同地，圖上繪示主要以相同大小、等間隔來顯示，但其主要僅為示意，並不特別予以限制。

膠框36設置於電化學系統301周圍且頂端黏著於第一帶狀集電層32、底端黏著於第二帶狀集電層33，並且膠框36能完整封圍每一個電化學系統301，電解質系統含浸/混合於第一活性材料層34與第二活性材料層35中，其可為液態、膠態、固態電解質、或是其任意組合之混合電解質；電化學系統301藉由其活性材料成份可將化學能轉成電能使用(供電)或將電能轉換成化學能儲存於系統之中(充電)，而能同時達成離子的導通與遷移，而所產生的電子則可直接由第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33向外導出。因此，藉由膠框36的完整封圍，使每一個電化學系統301彼此間各自獨立僅有電荷轉移而無電化學反應。膠框36的設置舉例來說可以採分別塗設於第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33上，隨後將第一帶狀集電層32 與第二帶狀集電層33加熱加壓使兩邊的膠框接合的方式，或者是僅設置在單一集電層(第一帶狀集電層32或第二帶狀集電層33)上再予以黏合等等。

膠框36之材質可為環氧樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、熱塑性聚亞胺、矽氧樹脂、壓克力樹脂、矽膠或紫外線硬化膠。而為了使膠框36之封裝效果更佳，當採用為矽膠材質時，可設計膠框36具有三層之結構，請參閱第4圖，上下兩層為改質矽膠層362、363，而中間為用以黏著上下兩層改質矽膠層362、363的矽膠層364，使得改質矽膠層362黏接於第一帶狀集電層32、改質矽膠層363黏接於第二帶狀集電層33，並將矽膠層364夾設於其間。兩側的改質矽膠層362、363為矽膠藉由調整加成型矽膠與縮合型矽膠之組成比例、或是添加添加物來予以改質，使其適合黏接異質性的材料(也就是第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33)，藉此設計則可使其介面間的接著力提高，同時，使得整體外觀的完整性更高，生產良率亦提高。

而所形成之電極組件，請參閱第2D圖，兩相鄰之電化學系統301間的膠框36以及此處膠框36所黏著的第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33將可一併彎折來形成彎折部38，以使電化學系統301相互同一軸向垂直堆疊(容後詳述)，形成如第2A-2B圖的Z字型型態；另一方面，為了更進一步確保第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33彎折後的完整性，可於至少其中之一第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33的部分外側表面更包含有應力加強材321、331，請參閱第2E圖，而其中第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33作為對外的電性連接的位置(例如做為後續所述之導電柄)則並未有應力加強材321、331。應力加強材321、331是用以提升第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33之結構應力，其中應力加強材321、331係選自聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚醯亞胺(polyimide)、尼龍(nylon)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、聚胺酯(polyurethane)、壓克力(acrylic)、環氧樹脂(epoxy)、矽膠(silicone)及上述之組合。

關於彎折的部份說明，請參閱第5A圖，利用最邊緣之電化學系統301，藉由其膠框36連同此位置的第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33所形成的彎折部38，來彎折至堆疊於相鄰之電化學系統301(見第5B圖)，然後再利用前述已經堆疊的電化學系統301進行反向翻折，相同地，折彎的部份也是位於其膠框36連同該位置的第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33，因此，在膠框的緩衝下，折彎過程中都不會影響到極層(也就是活性材料層)，然後依序正反彎折、同軸向垂直堆疊後，直到完成整個電極組件都堆疊完成(請依序參閱第5C-5E)，形成Z字形的垂直堆疊型態之電極組件30；堆疊後，因為第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33為共用，因此可使其形成數個電化學系統301(電池單元)並聯連接的型態。

同時，除了折彎處不涉及極層，可避免極層產生碎裂外；因為第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33多為金屬材料，具有一定的延展性，配合膠框36可以選用柔軟性較佳的材質(譬如矽膠)，可有助於折彎堆疊的順利進行。

另一方面，為了增強其散熱效果，請參閱第5F圖，可增設有散熱集電器41、42，其具有本體411、421以及由本體411、421延伸之複數個延伸部412、422，延伸部412、422設置於堆疊之電化學系統301之間，並與第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33接觸，因為其為大面積的接觸方式，配合其材料的選用，可以增加散熱面積，將電化學系統301所產生的熱能順利散逸，同時也可作為額外的電性接點。

實際應用上，可將前述的電極組件30以外殼進行容置、封裝來形成電池裝置，以最常見的例子而言，請參閱第6A、6B圖，外殼可以是藉由鋁塑膜所構成的鋁包51型態，配合導電柄52、53設置來將電力向外導引，就本圖所繪示的實施態樣來說，電極組件30由奇數個電化學系統所構成，而導電柄52、53係由電極組件側面的部份來向外延伸，特別說明，此部份的側面係指電極組件30之長軸延伸方向的側面或是垂直於電極組件30的彎折堆疊方向，並將導電柄52、53設置於相同側；另一方面，電極組件30也可以是藉由偶數個電化學系統所構成，請參閱第6C、6D圖，導電柄52、53同樣設置於相同側。再者，請參閱第6E、6F圖，以電極組件30藉由奇數個電化學系統所構成的態樣來說，導電柄52、53也可以設置於相對於電化學系統301的相異側來向外延伸；或是如第6G、6H圖，以電極組件30藉由偶數個電化學系統所構成的態樣，導電柄52、53同樣也可以設置於相對於電化學系統301的相異側來向外延伸。

再者，除了前述導電柄52、53以垂直於電極組件30的彎折方向來向外延伸之外，導電柄52、53也可以設計由電極組件30之端面、也就是平行於電極組件30的彎折方向來進行延伸，請參閱第7A、7B圖，以電極組件30藉由奇數個電化學系統所構成的態樣，導電柄52、53可由端面向相對的兩相異側(兩外側)予以延伸，或是相同側來進行延伸(見第7C、7D圖)。而以電極組件30藉由偶數個電化學系統所構成的態樣，請參閱第7E、7F圖，導電柄52、53可以由電極組件30的相異之兩末端拉出或是由相同的兩末段來拉出予以延伸出導電柄52、53(見第7G、7H圖)。由上述的各種實施例架構下，可知本發明中施行Z字型並聯堆疊的電極組件30可具有奇數個或者偶數個之複數個的電化學系統30，因此可提高電極組件30之生產效率，並提高電能需求組配上的彈性，降低生產難易度。

另一方面，如第7A圖所示，外殼也採用類鈕扣電池外殼61的型態，電極組件30之第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33可直接與類鈕扣電池外殼61上、下的輸出電極接觸來構成電性連接，其中需特別說明，就圖中所繪示，電極組件30配合類鈕扣電池外殼61的型態設計為不等長的電化學系統來使其電容量密度最大化，但並非限制僅能採用此不等長的設計，如考量量產一致性，亦可採用如第4E圖等長的型態、或是其他任何型態。而殼體(包含前述鋁包51型態、類鈕扣電池外殼61型態、或是其他任意型態)與電極組件30之間係充填有散熱劑或阻燃劑，來提昇散熱效率以維持電池性能，並能提升電池裝置的安全性。其中類鈕扣電池外殼61具有金屬之上殼611與金屬之下殼612，上殼611與下殼612間利用一絕緣材料613電性絕緣。此外，請參閱第8B圖，如考量第一帶狀集電層32與第二帶狀集電層33的外表面無設置絕緣材質的應力加強材或是其他絕緣結構時，上殼611或下殼612的部分內表面(其非屬於預設為電性連接位置)更可形成有一絕緣塗層614，以避免上殼611或下殼612的內表面與第一帶狀集電層32或第二帶狀集電層33間不當的電性傳遞。

前述第8B圖中，電極組件30係為藉由奇數個電化學系統所構成的態樣，如果以電極組件30為偶數個電化學系統所構成的態樣，請參閱第8C圖，因為電極組件30上下兩側為相同的極性，因此需要藉由導電匯流排615來將另一極性的電力導引至下殼612，同時，為了避免導電匯流排615產生短路，於適當位置上可以設置有絕緣體616來予以阻絕；而導電匯流排615亦可設計為前述散熱集電器的型態，其餘相同部份，則不再予以贅述。

綜上所述，本發明提出一種電極組件及其電池裝置，利用第一帶狀集電層與第二帶狀集電層夾設複數個電化學系統，並配合膠框予以完整封圍，使電化學系統彼此間各自獨立僅有電荷轉移而無電化學反應，而位於兩相鄰電化學系統間的膠框以及膠框所黏著的第一帶狀集電層與第二帶狀集電層可一併彎折形成彎折部，使得電化學系統可以翻折堆疊至相鄰的電化學系統，完成Z軸的垂直堆疊，不僅易於量產，同時亦可減少串聯或並聯之極耳配置，進而降低空間配置的能量密度損耗。同時，帶狀集電層的設計，也可供活性材料層、膠框等直接以圖案化塗覆的方式來進行批次大量的生產，有助於量產的進行。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。