專利名稱：穿孔電極與使用該電極的可充電鋰電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電極穿孔和可充電的鋰電池再生的方法，進(jìn)一步解釋就是一穿孔過的電極能提高電池的循環(huán)使用壽命、容量和安全性能，可再充電的鋰再生電池也使用同一種方法。
背景技術(shù)：
最近，對(duì)移動(dòng)電子設(shè)備的爆炸性增長需求也使得對(duì)再生電池的需求快速增長，特別是，鋰再生電池的角色尤其顯得重要。另一方面，因?yàn)橐苿?dòng)電子設(shè)備越來越微型化，性能要求越來越高，相應(yīng)地，也要求電池高性能、微型化和形狀的可變化性。尤其是對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)而言，不同形狀的電池對(duì)減少個(gè)人電腦的厚度做了各種試驗(yàn)，因?yàn)殡姵氐拇笮?duì)一臺(tái)個(gè)人電腦的厚度有著一個(gè)特別重要的影響。另一方面，因?yàn)槌霈F(xiàn)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，對(duì)全球變暖的解決辦法也被不斷地提上議事日程。
針對(duì)這些問題的一個(gè)解決辦法，立法減少汽車汽油燃料的使用，它是引起全球變暖的主要因素，提出有義務(wù)使用較環(huán)保型的電動(dòng)運(yùn)輸工具，有些已將這些指導(dǎo)意見投入運(yùn)行。另外，為了解決污染問題，對(duì)電控運(yùn)輸工具(HEV，EV)的發(fā)展研究不斷地被完成，有一些這樣的電動(dòng)車現(xiàn)在已被普遍使用。正因如此，電池被要求具有大容量，提高熱穩(wěn)定性和安全性能的一個(gè)新的方法被提了出來。
為了滿足這些需求，增加電池的高度和寬度的試驗(yàn)做了出來。盡管這樣一個(gè)嘗試能提高電池的容量和簡(jiǎn)化了電池的形狀，但它還可能對(duì)電池的性能有一個(gè)障礙，因?yàn)楫?dāng)電極區(qū)域擴(kuò)大后，用電解質(zhì)均勻地潤濕的整個(gè)電極區(qū)域有一些困難，在充電和放電的循環(huán)過程中，會(huì)引起一整個(gè)電極區(qū)域均勻的電極反應(yīng)。所以，盡管電極條件是良好的，缺少電解質(zhì)可能會(huì)加速電極惡化，因此縮短電池的循環(huán)使用壽命。另一方面，如果一個(gè)電極嚴(yán)重不均勻，電極反應(yīng)將集中在局部，該處金屬鋰的沉淀可能會(huì)引起安全問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服先有技術(shù)的上述問題而提出了解決辦法，本發(fā)明的目的之一是為再生鋰電池提供一種電極，它能提高電池的均勻性和循環(huán)使用壽命，通過使得一種電解質(zhì)的平緩浸潤，和使電解質(zhì)在穿孔洞區(qū)域之間保持與整個(gè)電極區(qū)域相同的均勻潮濕度，甚至在很多次的充電與放電循環(huán)之后。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種由前面提到的電極組成的鋰再生電池。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明針對(duì)鋰再生電池提供了一種電極，該電極由一個(gè)陰極、一個(gè)陽極和一個(gè)分隔薄膜組成，其中該陰極是穿孔過的。
更進(jìn)一步說，本發(fā)明提供一種電極，電極上的陰極是穿孔過的，陰極和陽極都是穿孔過的，或陰極、陽極和隔離薄膜三者都穿孔過的電極。
本發(fā)明也提供一種由上述電極組成的鋰再生電池。


圖1是一個(gè)可再充電的鋰再生電池的結(jié)構(gòu)圖；圖2是一個(gè)電極的結(jié)構(gòu)性示意圖；圖3是實(shí)施例2的電極的結(jié)構(gòu)性示意圖；圖4是實(shí)施例3的電極的結(jié)構(gòu)性示意圖；圖5是電池的電解質(zhì)浸潤速度的對(duì)比結(jié)果圖，將應(yīng)用未穿孔的電極的電池(對(duì)比實(shí)施例1)與應(yīng)用穿孔過的電極的電池(實(shí)施例2和3)進(jìn)行比較。
圖6是電池的第10次循環(huán)放電曲線對(duì)比結(jié)果圖，將應(yīng)用未穿孔的電極的電池(對(duì)比實(shí)施例1)與應(yīng)用穿孔過的電極的電池(實(shí)施例2和3)進(jìn)行比較。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的解釋。
本發(fā)明涉及一種電極和一種可再充電的由該電極組成的鋰再生電池，該電極上的一個(gè)陰極、一個(gè)陽極和一個(gè)隔離薄膜都被一種特殊大小的洞打穿。這樣一種方法能增加電解質(zhì)的浸潤速度和使得浸潤程度均勻，以促進(jìn)電池的性能因素如循環(huán)使用壽命、容量和速率特性和防止鋰沉淀以促進(jìn)電池的安全性能。
通常地，一個(gè)可充電的鋰離子再生電池包括一個(gè)電極和一個(gè)薄鋁板壓的包裝紙外殼，該電極使用一種鋰鈷氧化物活性的材料作電極的陰極，碳活性材料作陽極。一個(gè)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)圖顯示在圖1中，圖中的電極有一堆疊形式(圖2)。對(duì)陰極而言，活性材料是涂在一鋁片上的，對(duì)陽極而言，反應(yīng)活躍的材料是涂在銅片上的。所以，電解質(zhì)不能被垂直地浸潤到電極表面，但是完全可以從電極的邊緣通過毛細(xì)管的效果浸潤。當(dāng)一個(gè)電極的面積很小時(shí)，這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)不會(huì)引起大的問題，但是當(dāng)電極面積很大時(shí)，這種結(jié)構(gòu)就會(huì)在一種電解質(zhì)的供應(yīng)和浸潤方面存在困難。另一方面，在現(xiàn)存的大容量的電池的情況下，當(dāng)一個(gè)電極的尺寸越來越大時(shí)，因?yàn)闊醾鬏敺矫娴牟町悓?dǎo)致電池內(nèi)溫度差異的發(fā)生，結(jié)果在電池性能上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)面的影響。
根據(jù)上述分析，為了解決這些問題，本發(fā)明在陰極上、陰極/陽極、或者陰極/陽極/分隔薄膜上用一種特殊大小的洞來穿孔，因此促進(jìn)電解質(zhì)供應(yīng)的平緩均勻以提高電池的性能。
具體地講，本發(fā)明在一電極上穿孔，能使電解質(zhì)在一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)垂直的到達(dá)電極表面，以提高電極濕化速度和提供電解質(zhì)均勻地通過整個(gè)電極區(qū)域，因此促進(jìn)了電池的運(yùn)行性能。
根據(jù)本發(fā)明，除了能夠提供電解質(zhì)均勻地通過整個(gè)電極區(qū)域之外，多余的電解質(zhì)同時(shí)保存在穿孔的位置上。這樣防止了電解質(zhì)在充電/放電周期中不均勻的分布，進(jìn)而阻止了通過電解質(zhì)在充放電周期運(yùn)行后進(jìn)行的不均勻電極反應(yīng)，因此本發(fā)明是通過阻止早期的電極惡化來實(shí)現(xiàn)增長電池的循環(huán)使用壽命。
另外，與現(xiàn)有的電池里的電極的熱傳輸相比，本發(fā)明提供的穿孔過的電極使得熱傳輸更平緩、更均勻，因此減少了溫度的負(fù)面影響，以使反應(yīng)能夠均勻地通過整個(gè)電極區(qū)域，進(jìn)而提高了電池運(yùn)行性能。以穿孔位置為基礎(chǔ)的堆疊電極使得電極制備也更為便利了。
根據(jù)本發(fā)明所述，陰極穿孔是在根據(jù)下列數(shù)學(xué)公式1所示的條件下引導(dǎo)出來的(數(shù)學(xué)公式1)A-B＞B式中A是陰極的總面積，B是陰極的穿孔部分的面積。
另一方面，陽極穿孔是在根據(jù)下列數(shù)學(xué)公式2所示的條件下引導(dǎo)出來的(數(shù)學(xué)公式2)C-D＞D式中C是陽極的總面積，D是陽極穿孔部分的面積。
分隔薄膜穿孔是在下列數(shù)學(xué)公式3所示的條件下引導(dǎo)出來的
數(shù)學(xué)公式3E-F＞F式中E代表分隔薄膜的總面積，F(xiàn)代表分隔薄膜穿孔部分的面積。
另外，陰極和陽極的穿孔，或者陰極、陽極和分隔薄膜的穿孔是對(duì)每個(gè)元素在相同位置上引導(dǎo)出來的。例如，圓形穿孔，每個(gè)洞的中心都在同一個(gè)位置上。
本發(fā)明提供了一種可充電的鋰再生電池，該電池包括一個(gè)電極，電極由上述條件下的一個(gè)穿孔陰極、一個(gè)陽極和一個(gè)分隔薄膜組成；一個(gè)陰極/陽極終端；和一片薄鋁板壓的包裝紙。
本發(fā)明也提供了一種可充電的鋰再生電池，該電池包括一個(gè)電極，電極由上述條件下的一個(gè)穿孔陰極、一個(gè)穿孔陽極和一個(gè)分隔薄膜組成；一個(gè)陰極/陽極終端；和一片薄鋁板壓的包裝紙。
另外，本發(fā)明還提供了一種可充電的鋰再生電池，該電池包括一個(gè)電極，電極由上述條件下的一個(gè)穿孔陰極、一個(gè)穿孔陽極和一個(gè)穿孔分隔薄膜組成；一個(gè)陰極/陽極終端；和一片薄鋁板壓的包裝紙。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明提供的使用穿孔電極的可充電的鋰再生電池具有更高的電解質(zhì)浸潤速度和比常規(guī)電池更均勻的浸潤，也具有更高的電池容量。
以下根據(jù)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的解釋，但本發(fā)明并非僅局限于以下實(shí)施例。
對(duì)比實(shí)施例1制備一種使用鋰鈷氧化物作陰極和碳活性材料作陽極的電極沒有穿孔，和一個(gè)用烯烴電解質(zhì)薄膜分隔的電極(圖2)。
實(shí)施例1在與對(duì)比實(shí)施例1中相似的一個(gè)陰極中，在一堆疊位置的中心線上在相同位置的相同中心穿過一個(gè)孔。在陰極上，穿一個(gè)直徑是2mm的洞。然后，一個(gè)電極通過與參照物1同樣的方法被制備好了。
實(shí)施例2在與對(duì)比實(shí)施例1相似的一個(gè)相同的陰極和陽極上，在一堆疊位置的中心線上在相同位置相同中心穿過多個(gè)孔(圖3)，陰極上有一個(gè)直徑是2mm的洞，陽極上有一個(gè)直徑是1mm的孔。然后一組電極用與對(duì)比實(shí)施例1同樣的方法被制備好了。
實(shí)施例3一個(gè)電極用與實(shí)施例2相同的辦法制備，除分隔薄膜外，在分隔薄膜上，用激光在相同位置相同中心點(diǎn)上打一個(gè)直徑是0.5mm的孔，如同穿孔電極上的孔一樣(圖4)。
實(shí)施例4在對(duì)比實(shí)施例1和實(shí)施例2和3中制備的電極，分別將它們放進(jìn)鋁包裝紙中(圖1至3)；由乙烯基碳酸鹽(EC)(ethylenecarbonate)、乙基甲基碳酸鹽(EMC)(ethylmethylcarbonate)和鋰鹽(LiPF6)組成的電解質(zhì)以相同的量同時(shí)注入其中；它們都用一包裝紙覆蓋起來；邊緣部分熱封起來后制成了鋰離子電池。制成的電池分別浸漬2小時(shí)、6小時(shí)、1天、2天和1周，然后分解這些電池，測(cè)量電極的重量，以確定滲入電解質(zhì)的數(shù)量，再進(jìn)行比較。
圖5顯示了每個(gè)電池的電解質(zhì)滲入的數(shù)量隨著時(shí)間的增加而變化的狀況?？梢钥吹诫娊赓|(zhì)的最大數(shù)量是實(shí)施例3中的電池以最高的速度浸潤，與使用普通電極的電池相比(對(duì)比實(shí)施例1)。特別是，圖5所示，浸潤的電解質(zhì)的數(shù)量依次為實(shí)施例3，實(shí)施例2和對(duì)比實(shí)施例1，隨著時(shí)間的增加，數(shù)量上的差異減少。從這點(diǎn)上可以得出結(jié)論，一個(gè)電池使用陰極/陽極/分隔薄膜三者都穿孔的電極將有最高的浸潤速度。另外，盡管隨著時(shí)間的增加，滲入的電解質(zhì)的數(shù)量差異減少，但是數(shù)量上還是有一些差異，甚至在1周以后，這就顯示出電解質(zhì)在實(shí)施例3中電池中的浸潤最均勻。
實(shí)施例5對(duì)比實(shí)施例1和實(shí)施例2和3中制成的可充電的鋰離子再生電池的充電/放電試驗(yàn)在充電/放電0.5C/1.0C條件下進(jìn)行，使用一充/放電測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，放電容量和AC阻抗被分別測(cè)量。然后，在重復(fù)了充電放電周期后，AC阻抗再次被測(cè)量，根據(jù)每個(gè)樣品的循環(huán)周期，比較放電容量的結(jié)果。
圖6是一個(gè)對(duì)比曲線圖，對(duì)比實(shí)施例1和實(shí)施例2和3的電池第10次放電曲線，在1C條件下的充電放電情況。如圖6所示，對(duì)比實(shí)施例1的AC阻抗大于實(shí)施例2和實(shí)施例3的阻抗，這被認(rèn)為是在整個(gè)電極上電解質(zhì)潤濕速度慢的原因，因此潤濕并沒有充分地傳導(dǎo)經(jīng)過整個(gè)電極。另外，還顯示了這樣一個(gè)結(jié)果，就是對(duì)比實(shí)施例1比實(shí)施例2和實(shí)施例3有一個(gè)較大的電壓降，與AC阻抗測(cè)量值相對(duì)應(yīng)。從這些結(jié)果上顯示出根據(jù)周期運(yùn)行過程，使用穿孔電極(實(shí)施例2和實(shí)施例3)的電池比使用普通電極的電池(對(duì)比實(shí)施例1)具有相對(duì)低的容量減少速度，在1C條件下的放電容量差異大于在0.5C條件下的差異，這樣就能確定對(duì)比實(shí)施例1中的電極潤濕是最不均勻的，因此高速率的放電容量是較小的。
根據(jù)本發(fā)明所述，組成可充電鋰再生電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種電極，該電極或是一陰極、或是一陰極/陽極、或是陰極/陽極/分隔薄膜等被穿孔，這樣增加了電解質(zhì)的浸潤速度和使得浸潤程度更加均勻，改進(jìn)了電池運(yùn)行性能的因素，如循環(huán)使用壽命、容量和速率特性，使電極反應(yīng)更均勻協(xié)調(diào)，因而防止鋰沉淀以改善電池的安全性能。
權(quán)利要求
1.一種電極由一個(gè)陰極、一個(gè)陽極、和一個(gè)分隔薄膜組成，其特征在于，該陰極是由若干個(gè)洞穿過孔的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，該陽極是由若干個(gè)洞穿過孔的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，陰極、陽極和分隔薄膜都被若干個(gè)洞穿過孔的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的任何一種電極，其特征在于，該陰極是在下列數(shù)學(xué)公式1所示的條件下穿孔的數(shù)學(xué)公式1A-B＞B式中A是該陰極的總面積，B是該陰極穿孔部分的面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電極，其特征在于，該陽極是在下列數(shù)學(xué)公式2所示的條件下穿孔的數(shù)學(xué)公式2C-D＞D式中C是該陽極的總面積，D是該陽極穿孔部分的面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電極，其特征在于，該分隔薄膜是在下列數(shù)學(xué)公式3所示的條件下穿孔的數(shù)學(xué)公式3E-F＞F式中E是該分隔薄膜的總面積，F(xiàn)是該分隔薄膜穿孔部分的面積。
7.一種鋰再生電池，其特征在于，該電池由權(quán)利要求1至3所述的任何一種電極組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一穿孔電極與使用該電極的可充電鋰電池，進(jìn)一步講就是一穿孔的電極與一再充電鋰電池使用相同方法能夠提高電池的循環(huán)使用壽命、容量和安全性能。本發(fā)明通過采用一較高水平的電解質(zhì)的浸漬比例和均勻控制浸漬程度來提高電池的循環(huán)壽命、容量和比率特性等性質(zhì)，它也能提高電池的安全特性，具體是通過在組成再生鋰電池內(nèi)部的一組電極的陽極一端、陽極/陰極一端、或者一陽極/陰極/分離器上穿一洞孔來阻止鋰的沉淀得到均勻的電極反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H01M4/02GK1457520SQ02800256
公開日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2002年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月6日
發(fā)明者金秀鈴, 金智浩, 變鎬慶, 金甬來 申請(qǐng)人:Lg化學(xué)株式會(huì)社