專利名稱：非水電解質(zhì)二次電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非水電解質(zhì)二次電池及其制造方法，特別是涉及鋰離子電池例如具有凝膠型或塑化高分子電解質(zhì)層的鋰離子聚和物二次電池。
近年來(lái)，伴隨著手提式電子設(shè)備例如小巧、重量輕的移動(dòng)電話或手提電腦的流行，已大量研究和開(kāi)發(fā)具有體積小、輸出穩(wěn)定特點(diǎn)和通過(guò)多次充電可長(zhǎng)期使用的二次電池，例如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池，用作驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的電源。
在二次電池中，鋰離子電池盡管小巧、重量輕和體積小，但是它具有能輸出穩(wěn)定電流的特點(diǎn)，為用作可折疊二次電池的目的，通過(guò)采取尺寸小的適當(dāng)結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，而將其研究和開(kāi)發(fā)。為實(shí)現(xiàn)前述的體積更小或可折疊的形狀，有人建議使用含有塑化劑的凝膠型電解質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)柔韌性，并使用高分子固態(tài)電解質(zhì)，其中鋰離子溶解在高分子物質(zhì)中。
使用凝膠型電解質(zhì)或者高分子固態(tài)電解質(zhì)與使用液體電解質(zhì)的電池不同，具有優(yōu)異的性能即不泄漏。然而，正、負(fù)電極之間存在強(qiáng)烈電接觸的傾向，不能僅僅通過(guò)將正、負(fù)電極及其相應(yīng)的電解質(zhì)制成迭層而得到。這就是凝膠型的或者高分子固態(tài)電解質(zhì)不具有與液體電解質(zhì)相同的流動(dòng)性的原因，造成電極和電解質(zhì)之間不能緊密地接觸。
如果在電極與電解質(zhì)之間不能獲得良好的電接觸，就會(huì)增加電池內(nèi)的接觸電阻，從而加大電損失，這是不合要求的電池特性。如果在電解質(zhì)和電極之間不能得到足夠的接觸區(qū)域，在它們之間所要求的離子遷移就得不到增益，這就使鋰離子電池的容量比普通電池還低。因此，在使用凝膠型電解質(zhì)或者高分子固態(tài)電解質(zhì)作電解質(zhì)的鋰離子電池中，就要求電解質(zhì)層和電極的活性材料層緊密地接觸以實(shí)現(xiàn)良好的電接觸，將內(nèi)阻減少到最小，同時(shí)得到最佳的電池容量。
為了在電解質(zhì)層和電極活生材料層之間獲得最佳的電接觸，有人建議采用這樣一種技術(shù)，通過(guò)在電解質(zhì)層和電極活性材料層迭層時(shí)從外部施壓，以便在電池內(nèi)部形成包括各個(gè)成員的迭層結(jié)構(gòu)，將電解質(zhì)層和活性材料層不接觸的部件，或者電解質(zhì)層和活性材料層部分不接觸的部件，改變成實(shí)際上是合乎要求的接觸。
例如，在Laid Open JP.No.Hei 2(1990)-40867中，建議使用摻雜高分子固態(tài)電解質(zhì)的正電極活性材料是正性的混和材料。這一技術(shù)將正電極活性材料與部分高分子固態(tài)電解質(zhì)混合，改善了高分子固態(tài)電解質(zhì)和正電極活性材料之間的電接觸。然而在這種情況下，這一技術(shù)從化學(xué)角度上看是提高了電接觸，如果在電解質(zhì)層和電極之間沒(méi)有達(dá)到滿意的結(jié)構(gòu)接觸，它們之間的電接觸就趨于低劣，出于這個(gè)原因就要從外面對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力，以獲得足夠的結(jié)構(gòu)接觸。
近來(lái)，隨著移動(dòng)電話、手提電腦和掌上游戲機(jī)的逐漸流行，就適用于它們的電池而言，體積小的鋰離子電池逐漸引起人們的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)這種用途最合適的鋰離子電池，有人建議將電解質(zhì)制成薄膜類或箔狀電解質(zhì)迭層以便形成迭層結(jié)構(gòu)，以這種方式在電池內(nèi)部制成一種結(jié)構(gòu)，或者進(jìn)一步輥氧和壓結(jié)并經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)形成薄膜狀或者薄板狀等包裝部件。
然而，在上述方法中，當(dāng)電解質(zhì)層和電極被迭層和從外加壓時(shí)，在正或負(fù)電極任一個(gè)端部上，沒(méi)有被電解質(zhì)層覆蓋的朝向外部的那部分此時(shí)會(huì)受到壓力或者在壓力作用下產(chǎn)生折疊，與另一個(gè)電極相接觸，這樣就會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)電極間形成短路。
特別是在鋰離子電池中，當(dāng)使用者為了將電池放入電子設(shè)備中而對(duì)其施加強(qiáng)力時(shí)，或者電池跌落，或者電池受到壓力，壓力就會(huì)施加到電池內(nèi)的迭層結(jié)構(gòu)上，在這種情況下可折疊的薄電池由于受到壓力的作用，迭層結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生折疊。結(jié)果，特別是電極的沒(méi)有電解質(zhì)層覆蓋的朝向外側(cè)的端部，與另一個(gè)電極相接觸，在電極之間產(chǎn)生短路。
另外，在包含高流動(dòng)性和低強(qiáng)度的凝膠型電解質(zhì)的鋰離子電池中，在迭層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，當(dāng)外來(lái)的壓力施加到迭層結(jié)構(gòu)上時(shí)，凝膠型電解質(zhì)就會(huì)發(fā)生變形，使得一個(gè)電極的端部趨于接觸另一個(gè)電極。
由于要在大量生產(chǎn)中降低成本，正電極、負(fù)電極和引線電極都要用金屬模具模壓等等(一種切削過(guò)程)，然而，在切削的端部上就會(huì)產(chǎn)生例如象切削毛刺或者卷邊的突出部分，當(dāng)在一個(gè)電極內(nèi)出現(xiàn)這種突起的情況下，當(dāng)加工或者使用電池時(shí)，突出部分就會(huì)與另一個(gè)電極接觸而發(fā)生短路。
另一種情況，在電解質(zhì)或者電極內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)部壓力，由于隔離改變或者溫度的變化時(shí)電極端部的位置改變，因而在兩個(gè)電極間產(chǎn)生短路。
在兩個(gè)電極之間發(fā)生如前面所述的短路的情況下，電池的有效電動(dòng)勢(shì)或者電池的容量就會(huì)嚴(yán)重下降，甚至沒(méi)有電功率輸出。
本發(fā)明是在充分考慮到上述問(wèn)題后做出的，本發(fā)明的目的是提供一種鋰離子電池及其制造方法，當(dāng)制造或使用作為產(chǎn)品的該電池時(shí)，在兩個(gè)電極之間不會(huì)發(fā)生短路。
本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池包括一個(gè)迭層結(jié)構(gòu)，其中的凝膠型或者塑化電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極都被迭層；一個(gè)具有絕緣性能的覆蓋部件，在正或負(fù)電極至少之一的端部至少?gòu)牧硪粋€(gè)電極的電解質(zhì)層覆蓋與向外裸露的相反位置的一個(gè)電極。
本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池包括一個(gè)迭層結(jié)構(gòu)，其中的凝膠型或者塑料電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極都被迭層；一個(gè)具有絕緣性能和物理強(qiáng)度的覆蓋部件，盡管有外部壓力施加到迭層結(jié)構(gòu)上，用于覆蓋在正或負(fù)電極至少其中之一的端部至少?gòu)牧硪粋€(gè)電極的電解質(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)的一個(gè)電極。
上述的非水電解質(zhì)二次電池是一種固態(tài)電解質(zhì)或者凝膠型電解質(zhì)電池，在這種情況下可以用來(lái)作為高分子固態(tài)電解質(zhì)的高分子材料包括硅膠、丙烯酰基凝膠、丙烯腈凝膠、聚磷腈改性聚合物、聚環(huán)氧乙烷和聚環(huán)氧丙烷，以及上述材料的復(fù)合聚合物、上述材料的交聯(lián)聚合物和上述材料的改性聚合物也都能使用，另外含氟聚合物，例如聚偏氟乙烯，1,1-二氟乙烯-六氟丙烯共聚物，1,1二氟乙烯-四氟乙烯共聚物及其混和物也能使用。還能使用與上述物質(zhì)類似的物質(zhì)。
在正電極或者負(fù)電極活性層上將固態(tài)電解質(zhì)或凝膠型電解質(zhì)迭層時(shí)，下面方法使這些材料成為優(yōu)選。首先，包含高分子化合物、電解質(zhì)鹽和溶劑的溶液，被滲透到正電極的活性材料或者負(fù)電極的活性材料中，去除溶劑并固化。在正或負(fù)電極的活性材料層上被迭層的固態(tài)電解質(zhì)或凝膠型電解質(zhì)，將滲入到正電極的活性材料層或者負(fù)電極的活性材料層中并固化。如果是交聯(lián)物質(zhì)，在上述過(guò)程后，施加光照或者加熱來(lái)進(jìn)行交聯(lián)并固化。
凝膠型電解質(zhì)是由包括一種鋰鹽和高分子基質(zhì)的塑化劑組成，其重量范圍是大于或者等于2wt％、等于或小于3wt％。這里，酯類，醚類和碳酸酯類的物質(zhì)可以單獨(dú)使用，或者作為塑化劑的一個(gè)組分。
當(dāng)膠化上述的碳酸酯作為高分子基質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)凝膠型電解質(zhì)時(shí)，盡管有許多種高分子物質(zhì)可以用來(lái)作為凝膠型電解質(zhì)，但是，從氧化還原穩(wěn)定性的角度來(lái)看，優(yōu)選含氟高分子例如聚偏二氟乙烯，1,1-二氟乙烯-六氟丙烯共聚物。
高分子電解質(zhì)是由一種鋰鹽和高分子化合物組成，鋰鹽溶于其中。醚類高分子例如聚環(huán)氧乙烷和交聯(lián)聚環(huán)氧乙烷，聚甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸鹽，以及含氟高分子例如聚偏二氟乙烯或者1,1-二氟乙烯-六氟丙烯共聚物或者它們的混合物，都可以單獨(dú)用作高分子電解質(zhì)。從氧化還原穩(wěn)定性的角度來(lái)看，優(yōu)選含氟高分子例如聚偏二氟乙烯或者1,1-二氟乙烯-六氟乙烯共聚物。
說(shuō)到包含在凝膠型電解質(zhì)或者高分子固態(tài)電解質(zhì)中的鋰鹽，可以使用常規(guī)電池一般用于電解質(zhì)的鋰鹽。詳細(xì)地說(shuō)，可以考慮下述物質(zhì)氯化鋰，溴化鋰，碘化鋰，氯酸鋰，高氯酸鋰，溴酸鋰，碘酸鋰，硝酸鋰，四氟硼酸鋰，六氟磷酸鋰，乙酸鋰，雙(三氟甲磺酰)亞胺鋰，LiAsF6,LiCF3SO3,LiC(SO2CF3),LiAlCl4,LiSiF6。在凝膠型電解質(zhì)中，優(yōu)選鋰鹽在塑化劑中的溶解度為0.1至3.0摩爾之間，更優(yōu)選在0.5至2.0摩爾之間。另外，各種鋰鹽及其溶解度絕非限于上面所述的鋰鹽和溶解度的范圍。
在用于負(fù)電極的材料中，優(yōu)選能夠摻雜或去摻雜鋰的材料。在這些材料中，例如優(yōu)選使用非石墨化碳材料或者石墨材料。進(jìn)一步說(shuō)，可指使用熱解碳，焦炭(瀝青焦炭，針狀焦炭，石油焦炭)，石墨，玻璃化碳，煅燒有機(jī)高分子化合物材料(這一材料是指在適當(dāng)溫度下煅燒的酚醛樹(shù)脂、呋喃樹(shù)脂等)，碳纖維，例如活性炭的含碳材料。也可以使用的其他材料包括例如聚乙炔，聚吡咯的高分子物質(zhì)或者例如二氧化錫的氧化物。在利用這些材料作負(fù)電極時(shí)，可以使用公知的粘合劑。
另一方面，正電極由金屬氧化物、金屬硫化物或者根據(jù)待制備的電池用作正電極活性材料的一種特定高分子構(gòu)成。例如，在形成鋰離子電池的過(guò)程中，用于正電極活性材料可以使用過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔锢缃饘倭蚧铮蛘卟缓嚨慕饘傺趸锢缍蚧?、二硫化鉬、二硒化鈮，五氧化二釩，或者包括LixMO2的鋰混合氧化物等。作為形成鋰混合氧化物的過(guò)渡金屬M(fèi)優(yōu)選鈷、鎳和錳。認(rèn)為L(zhǎng)iCoO2、LiNiO2和LiNiyCo1-yO2等的化合物是鋰混合氧化物的特例。在前述的分子式中，M代表等于或多于一種的過(guò)渡金屬，X值應(yīng)滿足電池的放電狀態(tài)一般在0.05到1.10范圍之間，Y值應(yīng)滿足關(guān)系式0＜Y＜1。這些鋰混合氧化物能夠產(chǎn)生高電壓，用它制成正電極活性材料在能量密度上具有優(yōu)異性難。在使用正電極活性材料制造正電極時(shí)，能夠摻雜公知的導(dǎo)電劑或者粘合劑。
說(shuō)到電池的整體結(jié)構(gòu)，可以考慮下述一些類型疊層類型，是指正電極和負(fù)電極用固態(tài)電解質(zhì)依次迭層其間；輥軋型，是指用固態(tài)電解質(zhì)在正電極和負(fù)電極軋制迭層；折疊型，是指用固態(tài)電解質(zhì)在正電極和負(fù)電極之間迭層，然后依次折疊。可以任意選擇電池的類型。
本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池具有一迭層結(jié)構(gòu)，其中的凝膠型電解質(zhì)層或者塑化電解質(zhì)層，正電極和負(fù)電極都被迭層，同時(shí)還有一個(gè)具有絕緣性能和強(qiáng)度的覆蓋部件，在正電極或者負(fù)電極中至少一個(gè)的一個(gè)端部上，將在另一個(gè)電極上至少?gòu)碾娊赓|(zhì)層朝向外露出部分覆蓋。
本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池是一種包含一迭層結(jié)構(gòu)的非水電解質(zhì)二次電池，其中的凝膠型電解質(zhì)層或者塑化電解質(zhì)層，正電極和負(fù)電極都被迭層，它包含一覆蓋部件，用于覆蓋一個(gè)電極的一個(gè)位置，該位置在正電極或者負(fù)電極中至少一個(gè)的端部上，在另一個(gè)電極上至少?gòu)碾娊赓|(zhì)層向外露出，盡管有外部壓力施加到迭層結(jié)構(gòu)上，具有絕緣性能和強(qiáng)度的覆蓋部件，可以在兩電極之間形成絕緣。
本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池的制造方法包括覆蓋步驟，在從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力步驟之前，用一個(gè)具有絕緣性能和物理強(qiáng)度的即使對(duì)層迭結(jié)構(gòu)施加壓力也可以在兩電極之間形成電絕緣的覆蓋部件，覆蓋在正或者負(fù)電極至少其中之一的端部至少?gòu)牧硪粋€(gè)電極的電解質(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)的一個(gè)電極的一個(gè)位置。
本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池的制造方法包括覆蓋步驟，在從外部對(duì)層迭結(jié)構(gòu)施加壓力的步驟之前，覆蓋在正或負(fù)電極之一的端部至少?gòu)牧硪粋€(gè)電極的電解質(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)的一個(gè)電板上的一個(gè)位置。
在根據(jù)本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池及其制造方法中，具有絕緣性能的覆蓋部件覆蓋在一個(gè)電極上的一個(gè)位置上，該位置與在正電極或負(fù)電極的至少其中之一的端部上至少?gòu)牧硗庖粋€(gè)電極的電解質(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)。具有絕緣性能的覆蓋部件，在正或負(fù)電極之一的端部覆蓋至少?gòu)牧硪粋€(gè)電極的電解質(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)的一個(gè)電極上的一個(gè)位置。因此，盡管其中的任一個(gè)電極無(wú)論何種原因發(fā)生變形而接近另一個(gè)電極，覆蓋部件都能夠防止在兩個(gè)電極之間發(fā)生短路。
盡管外力施加在迭層結(jié)構(gòu)上，其中的電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極都被迭層，具有絕緣特性和物理強(qiáng)度的覆蓋部件可以在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電絕緣。因此，盡管在電池內(nèi)部的迭層結(jié)構(gòu)上施加很大的壓力，使一個(gè)電極的端部發(fā)生嚴(yán)重變形而接近另一個(gè)電極，覆蓋部件能夠防止在兩個(gè)電極之間發(fā)生短路。
本發(fā)明的其他的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)完全可在下面詳述中更加明了。
本發(fā)明的這些和其他的目的和特點(diǎn)，將通過(guò)下面參照附圖給出的優(yōu)選實(shí)施方案詳述而更加清楚。其中附

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的鋰離子聚合物二次電池的結(jié)構(gòu)圖；附圖2是表示在本發(fā)明實(shí)施例的鋰離子聚合物二次電池的內(nèi)部發(fā)生短路比率的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
下文參照附圖詳述本發(fā)明的實(shí)施方案。
附圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的鋰離子聚合物二次電池的結(jié)構(gòu)圖，在附圖1和基于附圖1的說(shuō)明中，為了簡(jiǎn)化說(shuō)明和繪圖，將特別選擇和說(shuō)明鋰離子聚合物二次電池的迭層結(jié)構(gòu)部件，其他結(jié)構(gòu)例如外包裝部件和覆蓋迭層結(jié)構(gòu)的薄膜狀或者平板狀部件將被省略。
鋰離子聚合物二次電池含有迭層結(jié)構(gòu)10，其中正電極1，正電極的凝膠型高分子固態(tài)電解質(zhì)層2，隔板3，凝膠型高分子固態(tài)電解質(zhì)層4和負(fù)電極5經(jīng)過(guò)多次輥軋被制成迭層狀并被擠壓從而占據(jù)較少的空間。另外，作為鋰離子聚合物二次電池內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)，正電極一側(cè)的引線電極6和負(fù)電極一側(cè)的引線電極7的周圍有覆蓋部件8a,8b,8c,8d,8e和8f。
為簡(jiǎn)化繪圖，盡管圖1說(shuō)明迭層結(jié)構(gòu)10是這樣一種情況，在正電極側(cè)的引線電極6和在負(fù)電極側(cè)的引線電極7之間以這些引線電極位于緊靠中心的方式圍繞中心位置卷繞兩次，實(shí)際上迭層結(jié)構(gòu)10可進(jìn)一步卷繞多次。
出于可優(yōu)選的性能考慮，例如作為電極優(yōu)異的導(dǎo)電性和化學(xué)特性，以及在卷繞工藝中優(yōu)異的可加工性，重量輕以及低成本等，正電極1是在箔狀的金屬上涂敷一層正電極活性材料而形成的，金屬箔是按照預(yù)先確定的邊線方向輥軋而成的鋁箔。出于考慮優(yōu)異的產(chǎn)量和質(zhì)量的原因，切割電極自身時(shí)，一般優(yōu)選使用金屬模具的機(jī)械切割方法，因此切制的端部會(huì)出現(xiàn)例如毛刺或者卷邊的突出部分。
由于考慮與正電極1相同的原因，負(fù)電極5也是按照預(yù)先確定的邊線方向在輥軋而成的銅箔上涂敷一層負(fù)電極活性材料而得到的。采用與正電極1相同的加工方法，負(fù)電極5在金屬模具中模壓成形，其端部就會(huì)出現(xiàn)例如毛刺或者卷邊的突出部分。
正電極一側(cè)的引線電極6和負(fù)電極一側(cè)的引線電極7在一起就會(huì)在迭層結(jié)構(gòu)10外側(cè)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。那些引線電極是由模壓的薄鋁合金板制成，具有良好的導(dǎo)電性能和使用壽命，因?yàn)樗c金屬模具在迭層結(jié)構(gòu)10內(nèi)部產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，采用與加工電極相同的機(jī)加工方法，因此其端部就會(huì)出現(xiàn)例如毛刺或者卷邊突出部分。
作為每一個(gè)電極的電解質(zhì)層，正電極一側(cè)的凝膠型高分子固態(tài)電解質(zhì)層2和負(fù)電極一側(cè)的高分子固態(tài)電解質(zhì)層4，都具有良好的電化學(xué)特性，同時(shí)在折疊和傾斜時(shí)不會(huì)發(fā)生象液體電解質(zhì)那樣的泄漏。作為滿足上述特性的材料，優(yōu)選在高分子基質(zhì)中均勻擴(kuò)散的電解質(zhì)材料。
隔板3用來(lái)隔離正電極一側(cè)的凝膠型高分子固態(tài)電解質(zhì)層2和負(fù)電極一側(cè)的高分子固態(tài)電解質(zhì)層4，以防止這兩種高分子電解質(zhì)相互混合。其材料應(yīng)當(dāng)適于在正電極和負(fù)電極之間使電子自由移動(dòng)，優(yōu)選例如多孔聚丙烯(薄膜)或者聚乙烯(薄膜)等材料。
位于在每一個(gè)位置上的覆蓋材料8a、8b、8c、8d、8e和8f，是由具有電絕緣性能的材料構(gòu)成，即使從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)10施加壓力使得一個(gè)電極靠近另一個(gè)電極時(shí)，也能使兩個(gè)電極絕緣。該材料還具有一定的厚度和機(jī)械強(qiáng)度，以致于當(dāng)一個(gè)電極發(fā)生變形而與另一個(gè)電極相接觸時(shí)，覆蓋部件也不撕裂或損壞，該部件是由給定比例的聚酰亞胺或者聚丙烯構(gòu)成的粘附帶制造的。
正電極1和負(fù)電極5是通過(guò)在它們的端部有比高分子固態(tài)電解質(zhì)層2稍長(zhǎng)的額外長(zhǎng)度而形成的，說(shuō)到原因，通過(guò)在每一個(gè)電極的主表面涂敷或者粘貼高分子固態(tài)電解質(zhì)層2和4形成迭層結(jié)構(gòu)10，固態(tài)高分子電解質(zhì)層2和4可以接觸電極。與此相關(guān)的是，電極內(nèi)這種裸露(突出)端部的量趨于加大，其原因是在形成迭層結(jié)構(gòu)后通過(guò)施加壓力進(jìn)行卷繞的過(guò)程時(shí)，每一個(gè)電極都會(huì)變換待安放位置。另外，由于凝膠型固態(tài)高分子化合物電解質(zhì)層2和4形狀是柔性的，當(dāng)電池在制造或者使用時(shí)如果從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)10施加壓力，在正電極1和負(fù)電極5端部的高分子固態(tài)電解質(zhì)層2和4的露出部分就會(huì)相互靠近。
盡管有上述說(shuō)法，由于覆蓋部件8a和8c被安置在正電極1和負(fù)電極5的端部，另外，覆蓋部件8b和8f,8d和8e分別被安置在一個(gè)電極的與另一個(gè)電極相對(duì)的部位上，在另一個(gè)電極處有覆蓋部件8a或者8c，因此，在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生的短路的每一個(gè)部位都有一個(gè)覆蓋部件。因此，盡管從外部施加壓力到迭層結(jié)構(gòu)10上，仍可以防止正電極1和負(fù)電極5之間發(fā)生短路。
而且，覆蓋部件并沒(méi)有被放置在與負(fù)電極5一側(cè)的引線電極7相接觸的端部。由于附圖1中所示的僅僅是負(fù)電極5被卷繞并相互面對(duì)的原因，短路發(fā)生在可以忽略的一個(gè)非常短的距離上，實(shí)質(zhì)上幾乎不能對(duì)電池的電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生破壞作用。
其次，敘述鋰離子聚合物二次電池的制造方法的概況，特別通過(guò)主要描述形成覆蓋部件和對(duì)迭層結(jié)構(gòu)10施加壓力來(lái)解釋。
如前所述，正電極1、正電極一側(cè)的高分子固態(tài)電解質(zhì)層2、隔板3、負(fù)電極一側(cè)的高分子固態(tài)電解質(zhì)層4和負(fù)電極5被迭層，正電極一側(cè)的引線電極6與正電極1相連接，同時(shí)，負(fù)電極一側(cè)的引線電極7與負(fù)電極5相連接，就形成了未被卷繞的平坦迭層結(jié)構(gòu)10。
在將迭層結(jié)構(gòu)10輥軋成螺旋形之前，覆蓋部件8a粘附在突出部分的周圍，在那里高分子固態(tài)電解質(zhì)層2覆蓋在正電極一側(cè)的引線電極6的表面上，而沒(méi)有被放置在正電極1的端部。覆蓋部件8a是由具有絕緣特性和物理強(qiáng)度的聚酰亞胺條帶制成。另一方面，由聚酰亞胺帶制成的覆蓋部件8c，粘附在負(fù)電極5上沒(méi)有高分子固態(tài)電解質(zhì)層4放置的部位上。
此時(shí)，當(dāng)由聚酰亞胺帶制成的覆蓋部件8b和8f，覆蓋在與正電極1的端部相對(duì)的負(fù)電極5上；由聚酰亞胺帶制成的覆蓋部件8d和8e，覆蓋在與負(fù)電極5的端部相對(duì)的正電極1上。在迭層結(jié)構(gòu)10被卷繞成螺旋形的同時(shí)在壓力下被處理成平板形狀，粘附在相對(duì)側(cè)電極上的一覆蓋部件8b、8e、8d和8f，被合乎要求地放置成予期的位置和尺寸，使得電極上的每一個(gè)端部都互相面對(duì)。也就是說(shuō)，在加工電極的過(guò)程中允許有位置或者尺寸上的變化或者容錯(cuò)量。
如前所述，在粘結(jié)每一個(gè)覆蓋部件8a、8b、8c、8d、8e和8f之后，當(dāng)?shù)鼘咏Y(jié)構(gòu)10被卷繞成稍平的螺旋形同時(shí)施加壓力使其在尺寸上進(jìn)一步被壓扁時(shí)，迭層結(jié)構(gòu)10的內(nèi)部被壓制成迭層的電極1和5之間和與電極1和5相對(duì)應(yīng)的高分子固態(tài)電解質(zhì)層2和4之間形成的電接通狀態(tài)變得進(jìn)一步穩(wěn)定。此時(shí)，盡管由于壓力的作用，使得正電極1的端部與負(fù)電極靠近或者負(fù)電極的端部與正電極靠近，覆蓋部件8a、8b、8c、8d、8e和8f中每一個(gè)都會(huì)防止由兩個(gè)電極相接觸產(chǎn)生的短路。
如前述的薄迭層結(jié)構(gòu)10放置在圖中沒(méi)有示出的外包裝部件中，該外包裝部件能夠制造與本發(fā)明實(shí)施方案的鋰離子聚合物二次電池的主要部分。
很明顯地是，根據(jù)上述的說(shuō)明本發(fā)明可以具有許多的改進(jìn)和變化。因此可以理解，在本發(fā)明后面所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明可以有比特別說(shuō)明更多的其他實(shí)施方式。
結(jié)果是，在級(jí)別1中發(fā)生的內(nèi)部短路的比率為70％，這表示內(nèi)部短路發(fā)生的可能性非常高。級(jí)別2中的比率為10％，這表示發(fā)生短路的比率大大降低。更進(jìn)一步，級(jí)別3中的比率為0.3％，級(jí)別4中的比率顯著地降低為0.1％，這表示內(nèi)部短路實(shí)際上幾乎不會(huì)發(fā)生。
而且在實(shí)驗(yàn)中，為了觀測(cè)涉及實(shí)施方案中對(duì)覆蓋部件8a、8b、8c、8d、8e和8f的作用，對(duì)它們施加了比在普通的制造方法和條件下大許多的壓力。在這種條件下來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)生內(nèi)部短路的比率。因此，在這種條件下獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，特別是在級(jí)別3和4時(shí)的安全比率相當(dāng)高。在實(shí)際制造階段或者在以產(chǎn)品使用電池時(shí)，可以認(rèn)為實(shí)質(zhì)上沒(méi)有內(nèi)部短路發(fā)生。另外，在級(jí)別2的情況下，在實(shí)際制造階段或者在以產(chǎn)品使用電池，發(fā)生內(nèi)部短路的比率可以被控制在百分之幾或者更低的范圍內(nèi)。
盡管在上述的實(shí)施方案中，同樣敘述的情況是，本發(fā)明的鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及其制造方法同樣可用于薄的鋰離子聚合物二次電池的主要部分的結(jié)構(gòu)及其制造方法，但是本發(fā)明并不局限于這種情況。例如除此之外可以使用任何材料，象除了高分子固態(tài)電解質(zhì)材料外制造電解質(zhì)層的其他材料，或者電解質(zhì)的基質(zhì)是凝膠型或者塑化的，具有優(yōu)異的彈性的制造電極的材料都可以使用。說(shuō)到正負(fù)電極材質(zhì)，用作引線電極等的金屬材料并不局限于前面所述的實(shí)施方案中舉例說(shuō)明的那些材料。
盡管在上述的實(shí)施方案中，聚酰亞胺(polymide)帶用作覆蓋部件，覆蓋部件也可以是這樣形成的，它通過(guò)以薄膜成為具有如前述的絕緣性能或者機(jī)械性能，將絕緣薄膜粘結(jié)在給定部位上的。上面所描述的技術(shù)可以用于制造通過(guò)輥軋迭層結(jié)構(gòu)并將其放置在圓柱形外包裝部件中的圓管形鋰離子電池中。這種類型的圓管形鋰離子電池，在其制造的步驟中要對(duì)迭層結(jié)構(gòu)經(jīng)常施加壓力。有人建議在電池的外部從它的邊上對(duì)電池的中心施加壓力，這樣能夠改良電池的電動(dòng)勢(shì)或者其持續(xù)輸出的性能。在這種情況下，當(dāng)制造或者使用管形鋰離子電池的時(shí)候，就要對(duì)其施加壓力。
還可以使用一種鋰離子電池，該電池保持不卷繞迭層結(jié)構(gòu)的平坦形狀，同時(shí)包括在每一個(gè)電極的端部不用電解質(zhì)層覆蓋的裸露部分。
盡管在上述的實(shí)施方案中，描述了本發(fā)明用于二次電池的實(shí)施例，但是本發(fā)明絕非僅限此。如果具有上述一般結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，甚至是不能進(jìn)行重新充電和放電的一次電池，也能使用。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池或者鋰離子電池的制造方法，具有電絕緣特性的覆蓋部件用于保護(hù)，或者在一個(gè)電極或者在電極上的上述相反位置從電解質(zhì)層向外覆蓋裸露位置。因此，當(dāng)加工或者使用電池時(shí)，由于長(zhǎng)期的充放電或者使用環(huán)境的變化的原因，甚至是由于與其他的電極相接觸造成電池端部發(fā)生變形，覆蓋部件能夠防止兩個(gè)電極間發(fā)生短路，因而就找到了解決例如電池的電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)重降低，或者由于在兩個(gè)電極間發(fā)生短路而沒(méi)有電流輸出這樣的問(wèn)題的方法。
根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池或者鋰離子電池的制造方法，覆蓋部件具有絕緣特性和強(qiáng)度，使得當(dāng)?shù)鼘咏Y(jié)構(gòu)受到壓力時(shí)，該迭層結(jié)構(gòu)中電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極被迭層，一個(gè)電極與另一個(gè)電極電絕緣，甚至當(dāng)一個(gè)電池的端部以接近其他電極的方式變形時(shí)，覆蓋部件能夠防止兩個(gè)電極間發(fā)生短路，因而就找到了解決例如電池的電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)重降低，或者由于在兩個(gè)電極間發(fā)生短路而沒(méi)有電流輸出這樣的問(wèn)題的方法。
用參照所選擇特殊實(shí)施方案以說(shuō)明目的的敘述本發(fā)明的同時(shí)，顯而易見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作大量改進(jìn)而并不背離本發(fā)明的基本精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種包括迭層結(jié)構(gòu)的非水電解質(zhì)二次電池，其中的凝膠型或者塑化的非水電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極制成迭層狀，包括具有絕緣特性的一個(gè)覆蓋部件，該覆蓋部件覆蓋在一個(gè)電極的一個(gè)位置上，該位置與正電極或負(fù)電極的至少其中之一的端部的另一個(gè)電極至少?gòu)碾娊赓|(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)。
2．一種包括迭層結(jié)構(gòu)的非水電解質(zhì)二次電池，其中的凝膠型或者塑料非水電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極制成迭層狀，包括一個(gè)覆蓋部件，其設(shè)置在一個(gè)電極的一個(gè)位置上，該位置與在正電極或負(fù)電極的任一個(gè)的端部的另一個(gè)電極至少?gòu)碾娊赓|(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)，該覆蓋部件具有絕緣特性和物理強(qiáng)度，即使對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力它也能在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電絕緣。
3．一種包括迭層結(jié)構(gòu)的非水電解質(zhì)二次電池，其中的凝膠型或者塑料非水電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極制成迭層狀，它包括具有絕緣特性的一覆蓋部件，在正或負(fù)電極之一的端部至少?gòu)碾娊赓|(zhì)層向外裸露的位置覆蓋。
4．包含一迭層結(jié)構(gòu)的非水電解質(zhì)二次電池，其中，凝膠型或者塑料非水電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極制成迭層狀，它包括具有絕緣特性的一覆蓋部件，在任一個(gè)正或負(fù)電極的一個(gè)端部，至少覆蓋從電解質(zhì)層向外裸露的部分，同時(shí)還具有絕緣特性和物理強(qiáng)度，即使對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力它能在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電絕緣。
5．如權(quán)利要求1所述的非水電解質(zhì)二次電池，其中，在正電極上，過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔镉米髌浠钚圆牧希辉谪?fù)電極上，能夠摻雜或者去摻雜鋰的材料用作其活性材料。
6．如權(quán)利要求1至4所述的非水電解質(zhì)二次電池，其中，用過(guò)渡金屬的硫化物、過(guò)渡金屬的氧化物或者鋰混合氧化物L(fēng)iMO2(過(guò)渡金屬M(fèi)是選自鈷、鎳和錳一族的元素)作為正電極活性材料；同時(shí)，用能夠摻雜或者去摻雜鋰的非石墨化碳材料或者石墨材料作為負(fù)電極活性材料。
7．如權(quán)利要求1至4所述的非水電解質(zhì)二次電池，其中，電解質(zhì)是固態(tài)電解質(zhì)或者含有鋰鹽的凝膠型電解質(zhì)。
8．如權(quán)利要求1至4所述的非水電解質(zhì)二次電池，其中，輥軋的電極是將正電極和負(fù)電極輥軋成平螺旋形，放置在包裝件中并將其端部密封而制成的。
9．如權(quán)利要求7所述的非水電解質(zhì)二次電池，其中，電解質(zhì)是凝膠型電解質(zhì)，由含有在非水溶劑和電解質(zhì)鹽中的聚偏二氟乙烯或者1,1-二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的高分子化合物組成。
10．一種非水電解質(zhì)二次電池的制造方法，包括形成迭層結(jié)構(gòu)的步驟，其中，凝膠型或者塑料類非水電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極制成迭層狀，從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力，它包括用一個(gè)具有絕緣特性和物理強(qiáng)度的覆蓋部件覆蓋一個(gè)電極上的一個(gè)位置的步驟，該位置與正電極或負(fù)電極的至少其中之一的端部的另一個(gè)電極至少?gòu)碾娊赓|(zhì)層向外裸露的一個(gè)位置相對(duì)，即使在從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力的步驟之前對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力，也能夠在兩個(gè)電極之間保持絕緣狀態(tài)。
11．一種非水電解質(zhì)二次電池的制造方法，包括形成迭層結(jié)構(gòu)的步驟，其中，凝膠型或者塑料類非水電解質(zhì)層、正電極和負(fù)電極制成迭層狀，從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力，它包括在正或負(fù)電極任一個(gè)的一個(gè)端部上，用覆蓋部件將至少?gòu)碾娊赓|(zhì)層向外裸露的部分覆蓋的步驟，該覆蓋部件具有絕緣特性和物理強(qiáng)度，即使在從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力的步驟之前對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力，也能使兩個(gè)電極電絕緣。
12．如權(quán)利要求1所述的非水電解質(zhì)二次電池，其中，對(duì)正電極，過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔镉米髌浠钚苑懒?；?duì)負(fù)電極，能夠摻雜或者去摻雜鋰的材料用作其活性材料。
13．如權(quán)利要求9或10所述的非水電解質(zhì)二次電池的制造方法，其中，用金屬硫化物、金屬氧化物或者鋰混合氧化物L(fēng)iMO2(過(guò)渡金屬M(fèi)是選自鈷、鎳和錳一族的元素)作為正電極活性材料；同時(shí)，用能夠摻雜或者去摻雜鋰的非石墨化碳材料或者石墨材料作為負(fù)電極活材料。
14．如權(quán)利要求1至4所述的非水電解質(zhì)二次電池的制造方法，其中，電解質(zhì)是固態(tài)電解質(zhì)或者凝膠型電解質(zhì)凝膠，由包含鋰的高分子固態(tài)電解質(zhì)組成。
15．如權(quán)利要求10或11所述的非水電解質(zhì)二次電池的制造方法，其中，輥軋的電極是將正電極和負(fù)電極輥軋成平螺旋形，放置在包裝件中并將其底部密封而制成的。
16．如權(quán)利要求14所述的非水電解質(zhì)二次電池的制造方法，其中，電解質(zhì)是凝膠型電解質(zhì)，由包括在非水溶劑和電解質(zhì)鹽中的聚偏二氟乙烯或者1,1-二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的高分子化合物組成。
全文摘要
一種含有一迭層結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，該迭層結(jié)構(gòu)中的正電極、正電極一側(cè)的凝膠型高分子固態(tài)電解質(zhì)層、隔板、負(fù)電極一側(cè)的凝膠型高分子電解質(zhì)層和負(fù)電極都被制成迭層狀。在正電極和負(fù)電極的底部有兩個(gè)覆蓋部件，在任一個(gè)正電極或者負(fù)電極的至少一個(gè)端部上與有兩個(gè)覆蓋部件的部位相對(duì)的位置上，還有兩對(duì)覆蓋部件。因此，能夠防止發(fā)生由于隔離變換或者從外部對(duì)迭層結(jié)構(gòu)施加壓力而產(chǎn)生的在正電極和負(fù)電極之間的短路。
文檔編號(hào)H01M10/40GK1316787SQ0111902
公開(kāi)日2001年10月10日 申請(qǐng)日期2001年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月23日
發(fā)明者君島崇啟, 杉山毅 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社