電極組件和包含其的電化學(xué)電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電極組件和包含其的電化學(xué)裝置，所述電極組件通過堆疊折疊法或堆疊法之外的第三種方法制得。所述電極組件包含至少一個基本單元。所述基本單元具有通過依次堆疊第一電極、第一隔膜、第二電極和第二隔膜而得到的四層結(jié)構(gòu)。
【專利說明】電極組件和包含其的電化學(xué)電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電極組件和包含其的電化學(xué)電池(electrochemical cell),所述電極組件是通過堆疊折疊法和堆疊法之外的第三種方法制造的。
【背景技術(shù)】
[0002]本申請要求在韓國知識產(chǎn)權(quán)局于2012年5月23日提交的韓國專利申請10-2012-0055073號和2013年5月23日提交的韓國專利申請10-2013-0058164號的優(yōu)先權(quán)，通過參考將其內(nèi)容并入本文中。
[0003]二次電池作為電動車輛(EV)、混合動力車輛(HEV)、并聯(lián)式混合動力車輛(PHEV)等的電源引起了關(guān)注，已經(jīng)建議將所述車輛作為解決由于通常使用的利用化石燃料的汽油車輛、柴油車輛等造成的諸如環(huán)境污染的缺陷的替代。在中型和大型裝置如汽車中，由于需要高功率和高容量而使用其中多個電池單元(battery cells)電連接而成的中型和大型電池模塊。
[0004]然而，由于需要以具有小尺寸和輕重量的方式制造中型和大型電池模塊，所以廣泛地將可以進(jìn)行高度堆疊并在與容量相比時重量輕的方形電池、袋形電池等用作中型和大型電池模塊的電池單元。
[0005]在電池單元的情況中，包括電極組件。通常，根據(jù)包含正極/隔膜/負(fù)極結(jié)構(gòu)的電極組件的結(jié)構(gòu)對電極組件進(jìn)行分類。 [0006]典型地，可將電極組件分為:卷狀(卷繞型)電極組件，其中將具有長片狀的正極和負(fù)極與插入的隔膜一起進(jìn)行卷繞；堆疊型(層壓型)電極組件，其中將多個正極和負(fù)極與插入的隔膜一起切割成特定尺寸的單元并依次堆疊；和堆疊/折疊型電極組件。
[0007]首先，對在由本 申請人:提交的韓國專利申請公布2001-0082058、2001-0082059和2001-0082060號中公開的堆疊/折疊型電極組件進(jìn)行說明。
[0008]參考圖1，堆疊/折疊結(jié)構(gòu)的電極組件I包含多個重疊的全電池(full cells)2、
3、4…(下文中，將稱作“全電池”)作為單元電池(unit cells)，其中依次布置正極/隔膜/負(fù)極。在各個重疊部分中，插入隔膜片5。隔膜片5具有可卷繞全電池的單位長度(unitlength)。從中心全電池Ib開始的隔膜片5向內(nèi)彎曲單位長度，同時將各個全電池連續(xù)卷繞到最外部的全電池4，從而使其插入全電池的重疊部分中。通過進(jìn)行熱焊接或使用粘合帶6進(jìn)行附著來完成隔膜片5的末端(distal)部分。通過例如將全電池2、3、4…設(shè)置在具有長長度的隔膜片5上并從隔膜片5的一個端部依次進(jìn)行卷繞，制造堆疊/折疊型電極組件。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，可能在中心部中的全電池la、lb和2與設(shè)置在外部的全電池3和4之間產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生不同的散熱效率。由此，當(dāng)長時間使用時，電極組件的壽命會縮短。
[0009]通過使用兩個層壓設(shè)備用于制造各個電極組件、并使用一個另外的折疊設(shè)備作為單獨(dú)的設(shè)備，實(shí)施電極組件的制造方法。因此，該制造方法的節(jié)拍時間(tack time)的縮短存在限制。特別地，在通過折疊完成堆疊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中，上下設(shè)置的電極組件的精準(zhǔn)對齊存在困難。由此，制造具有可靠品質(zhì)的組件非常困難。
[0010]S卩，對于使用折疊方法的電極組件的結(jié)構(gòu)，需要單獨(dú)的折疊設(shè)備。當(dāng)應(yīng)用雙電池(bicell)結(jié)構(gòu)時，制造并堆疊兩種類型的雙電池(即A型和C型)。在進(jìn)行折疊之前，一個雙電池距設(shè)置在長隔膜片上的另一個雙電池之間的距離的保持是非常困難的任務(wù)。即，上單元電池與下單元電池(全電池或雙電池)之間的精準(zhǔn)對齊變得困難。當(dāng)制造高容量電池時，需要大量時間以改變類型。
[0011]接下來，將對堆疊型電極組件進(jìn)行說明。由于堆疊型電極組件在本領(lǐng)域內(nèi)是廣泛已知的，所以僅對堆疊型電極組件的缺陷進(jìn)行簡要說明。
[0012]通常，在堆疊型電極組件中，隔膜的長度和寬度大于電極的長度和寬度。將隔膜堆疊在具有與隔膜長度和寬度相對應(yīng)的尺寸的料臺(magazine)或夾具上，并重復(fù)進(jìn)行電極在隔膜上的堆疊工序以制造堆疊型電極組件。
[0013]然而，當(dāng)通過上述方法制造堆疊型電極組件時，需要將電極和隔膜依次進(jìn)行堆疊。由此，工作時間增加從而明顯降低產(chǎn)率。另外，將所述多個隔膜通過長度和寬度進(jìn)行對齊是可能的。然而，由于將放置在隔膜上的電極精準(zhǔn)對齊的料臺或夾具是不存在的，所以設(shè)置在堆疊型電極組件中的所述多個電極可能不對齊而是可能發(fā)生位錯。
[0014]另外，由于橫過隔膜的正極和負(fù)極的面發(fā)生位錯，所以在涂布于正極和負(fù)極表面上的活性材料區(qū)域的一部分中可能不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。由此，電池單元的效率劣化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]技術(shù)問題
[0016]考慮上述缺陷，本發(fā)明的一方面提供一種電極組件和包含所述電極組件的電化學(xué)裝置，所述電極組件具有可通過簡單方法并在低成本下制造的結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明的另一方面提供一種電極組件和包含所述電極組件的電化學(xué)裝置，其中在其中心部與外部之間的溫度差不大，且裝置的壽命長。
[0018]本發(fā)明的另一方面提供一種電極組件和包含所述電極組件的電化學(xué)裝置，其中多個電極精準(zhǔn)對齊且所述裝置的效率高。
[0019]技術(shù)方案
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一方面,提供一種包含至少一個基本單元(radical unit)的電極組件。所述基本單元具有通過依次堆疊第一電極、第一隔膜、第二電極和第二隔膜而得到的四層結(jié)構(gòu)。
[0021 ] 另外，所述基本單元可通過將電極和隔膜相互附著而形成。
[0022]另外，通過對電極和隔膜加壓、或者通過在電極和隔膜上施加壓力和熱，可以進(jìn)行電極和隔膜的附著。
[0023]另外，所述隔膜可以涂布有具有膠粘性的涂布材料。
[0024]另外，所述涂布材料可以為無機(jī)粒子和粘合劑聚合物的混合物。
[0025]另外，第一隔膜的面向第一電極和第二電極的兩個側(cè)面可都涂布有所述涂布材料，且第二隔膜的面向第二電極的一個側(cè)面可涂布有所述涂布材料。
[0026]另外，第一隔膜的面向第一電極和第二電極的兩個側(cè)面可都涂布有所述涂布材料，且第二隔膜的面向第二電極的一個側(cè)面和其相反側(cè)面可涂布有所述涂布材料。所述電極組件可通過堆疊至少兩個基本單元而得到，且所述基本單元可以通過第二隔膜的涂布材料而相互附著。
[0027]另外，所述基本單元可通過重復(fù)堆疊所述四層結(jié)構(gòu)而得到。
[0028]另外，電極組件可以還包含堆疊在第一末端電極上的第一輔助單元(auxiliaryunit)。所述第一末端電極可以為設(shè)置在電極組件最上部或最下部處的第一電極。當(dāng)?shù)谝浑姌O為正極且第二電極為負(fù)極時，可通過從第一末端電極依次堆疊隔膜、負(fù)極、隔膜和正極而形成所述第一輔助單元。當(dāng)?shù)谝浑姌O為負(fù)極且第二電極為正極時，可通過從第一末端電極依次堆疊隔膜和正極而形成所述第一輔助單元。
[0029]另外，第一輔助單元的正極可以包含集電器和僅涂布在集電器的兩個側(cè)面中面向基本單元的一個側(cè)面上的正極活性材料。
[0030]另外，電極組件可還包含堆疊在第一末端電極上的第一輔助單元。所述第一末端電極可以為設(shè)置在電極組件最上部或最下部處的第一電極。當(dāng)?shù)谝浑姌O為正極且第二電極為負(fù)極時，可通過從第一末端電極依次堆疊隔膜、負(fù)極和隔膜而形成第一輔助單元。
[0031]另外，電極組件可還包含堆疊在第二末端隔膜上的第二輔助單元。所述第二末端隔膜可以為設(shè)置在電極組件最上部或最下部處的第二隔膜。當(dāng)?shù)谝浑姌O為正極且第二電極為負(fù)極時，可通過從第二末端隔膜依次堆疊負(fù)極、隔膜和正極而形成第二輔助單元。
[0032]另外，第二輔助單元的正極可以包含集電器和僅涂布在集電器的兩個側(cè)面中面向基本單元的一個側(cè)面上的正極活性材料。
[0033]另外，電極組件可以還包含堆疊在第二末端隔膜上的第二輔助單元。所述第二末端隔膜可以為設(shè)置在電極組件最上部或最下部處的第二隔膜。當(dāng)?shù)谝浑姌O為正極且第二電極為負(fù)極時，可通過從第二末端隔膜依次堆疊第一正極、隔膜、負(fù)極、隔膜和第二正極而形成第二輔助單元。第二輔助單元的第二正極可以包含集電器和正極活性材料。所述正極活性材料可以僅涂布在集電器的兩個側(cè)面中面向基本單元的一個側(cè)面上。
[0034]另外，電極組件可以還包含堆疊在第二末端隔膜上的第二輔助單元。所述第二末端隔膜可以為設(shè)置在電極組件最上部或最下部處的第二隔膜。當(dāng)?shù)谝浑姌O為負(fù)極且第二電極為正極時，可通過從第二末端隔膜依次堆疊負(fù)極、隔膜、正極、隔膜和負(fù)極而形成第二輔助單元。
[0035]另外，電極組件可以還包含固定部件以用于固定電極組件的側(cè)面部或前面部。
[0036]另外，所述固定部件可以包含聚合物帶以用于纏繞(taping)電極組件的側(cè)面部或前面部。
[0037]另外，第一電極和第二電極可以包含集電器和涂布在集電器兩個側(cè)面上的活性材料。
[0038]另外，所述隔膜可以選自:聚乙烯膜；聚丙烯膜；通過將聚乙烯膜和聚丙烯膜組合而得到的多層膜；以及聚偏二氟乙烯、聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物電解質(zhì)用聚合物膜。所述膜可以包含微孔。
[0039]另外，通過使用包含Li2MnO3和LiMO2的正極漿料可以形成正極活性材料。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種包含任意一種上述電極組件的電化學(xué)裝置。
[0041]另外，所述電化學(xué)裝置可以為二次電池、包含多個二次電池的電池模塊或包含多個電池模塊的電池組。[0042]有益效果
[0043]根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種電極組件和包含其的電化學(xué)裝置，所述電極組件具有可通過簡單方法并在低成本下制造的結(jié)構(gòu)。
[0044]另外，可以提供一種電極組件和包含其的電化學(xué)裝置，所述電極組件在其中心部和外部之間的溫度差不大且壽命長。
[0045]另外，可以提供一種電極組件和包含其的電化學(xué)裝置，在所述電極組件中多個電極精準(zhǔn)對齊且組裝效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的具有堆疊/折疊型結(jié)構(gòu)的電極組件的示意圖；
[0047]圖2是根據(jù)本發(fā)明的基本單元的第一結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0048]圖3是根據(jù)本發(fā)明的基本單元的第二結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0049]圖4顯示了制造根據(jù)本發(fā)明的基本單元的方法；
[0050]圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的電極組件的第一結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，所述電極組件包含基本單元和第一輔助單元；
[0051]圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的電極組件的第二結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，所述電極組件包含基本單元和第一輔助單元；
[0052]圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的電極組件的第三結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，所述電極組件包含基本單元和第二輔助單元；
[0053]圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明的電極組件的第四結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，所述電極組件包含基本單元和第二輔助單元；
[0054]圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明的電極組件的第五結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，所述電極組件包含基本單元、第一輔助單元和第二輔助單元；
[0055]圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明的電極組件的第六結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，所述電極組件包含基本單元和第一輔助單元；
[0056]圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明的電極組件的第七結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，所述電極組件包含基本單元和第二輔助單元；且
[0057]圖12是根據(jù)本發(fā)明的電極組件的固定結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058]現(xiàn)在將參考附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。然而，本發(fā)明不能約束為或限制為如下示例性實(shí)施方式。
[0059]電極組件(參見圖5中的100a)包含至少一個基本單元(參見圖2中的IIOa等)。BP,電極組件100包含一個基本單元110或至少兩個基本單元110。通過對基本單元110進(jìn)行堆疊來形成電極組件100。例如，通過將一個基本單元110堆疊在另一個基本單元110上可以形成電極組件100。如上所述，通過對作為單元的基本單元110進(jìn)行堆疊來形成電極組件100。即，預(yù)先形成基本單元110、然后依次堆疊以形成電極組件100。
[0060]如上所述，根據(jù)該例示性實(shí)施方式的電極組件100具有的基本特征在于對用于其制造的基本單元110進(jìn)行重復(fù)堆疊。通過上述方法制造電極組件100，可以實(shí)現(xiàn)其中基本單元110可以精密對齊且生產(chǎn)率可以提高的優(yōu)勢。
[0061]通過依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114形成基本單元110。如上所述，基本單元110基本包含四層結(jié)構(gòu)。更特別地，所述基本單元110可以通過如圖2中所示從上部到下部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114來形成，或可以通過如圖3中所示從下部到上部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114來形成。在此情況中，第一電極111和第二電極113具有彼此相反的電極。例如，當(dāng)?shù)谝浑姌O111為正極時，第二電極113為負(fù)極。當(dāng)然，也可以是相反的情況。
[0062]包含在基本單元110中的第一電極111包含集電器和活性材料層(活性材料)，且活性材料層涂布在集電器的兩個面上。類似地，包含在基本單元110中的第二電極113包含集電器和活性材料層(活性材料)。活性材料層涂布在集電器的兩個側(cè)面上。
[0063]同時，通過如下方法可以形成基本單元110 (參見圖4)。首先，準(zhǔn)備第一電極材料121、第一隔膜材料122、第二電極材料123和第二隔膜材料124。在此情況中，將電極材料121和123切割成特定尺寸以形成電極111和113，下文中將對其進(jìn)行說明。類似地，將隔膜材料122和124切割成特定尺寸。為了過程的自動控制，電極材料和隔膜材料可以優(yōu)選具有在輥上的卷繞形狀。在準(zhǔn)備材料之后，利用切割機(jī)C1將第一電極材料121切割成特定尺寸。然后，利用切割機(jī)C2將第二電極材料123也切割成特定尺寸。然后，將具有特定尺寸的第一電極材料121供應(yīng)到第一隔膜材料122上。將具有特定尺寸的第二電極材料123也供應(yīng)到第二隔膜材料124上。然后，將所有材料都供應(yīng)到層壓機(jī)L1和L2。
[0064]如上所述，通 過重復(fù)堆疊基本單元110形成電極組件100。然而，當(dāng)將構(gòu)成基本單元110的電極和隔膜相互分開時，基本單元110的重復(fù)堆疊可能會非常困難。因此，在形成基本單元110時可優(yōu)選將電極與隔膜進(jìn)行相互附著。將層壓機(jī)L1和L2用于將電極和隔膜相互附著。即，層壓機(jī)1^和1^2向材料施加壓力、或者施加熱和壓力以完成電極材料與隔膜材料的附著。利用層壓機(jī)L1和L2將電極材料和隔膜材料相互附著。通過附著，基本單元110可以更穩(wěn)定地保持自身形狀。
[0065]最后，通過使用切割機(jī)C3將第一隔膜材料122和第二隔膜材料124兩者都切割成特定尺寸。通過該切割，可以形成基本單元110。對于該基本單元110可以另外進(jìn)行各種檢查。例如，可以另外對厚度、外觀、短路等進(jìn)行檢查。
[0066]同時，可以利用具有膠粘性的涂布材料對隔膜(隔膜材料)的表面進(jìn)行涂布。在此情況中，涂布材料可以為無機(jī)粒子和粘合劑聚合物的混合物。無機(jī)粒子可以提高隔膜的熱穩(wěn)定性。即，無機(jī)粒子可以防止隔膜在高溫下收縮。另外，粘合劑聚合物可以固定無機(jī)粒子。因此，無機(jī)粒子可以包含特定的孔結(jié)構(gòu)。由于所述孔結(jié)構(gòu)，使得即使將無機(jī)粒子涂布在隔膜上，離子仍可平穩(wěn)地從正極移動到負(fù)極。另外，粘合劑聚合物可以將無機(jī)粒子穩(wěn)定地保持在隔膜上，以提高隔膜的機(jī)械穩(wěn)定性。此外，粘合劑聚合物可以將隔膜更穩(wěn)定地附著在電極上。作為參考，可以通過使用聚烯烴類隔膜基材形成所述隔膜。
[0067]然而，如圖2和3中所示，在第一隔膜112的兩個側(cè)面設(shè)置電極111和113。然而，僅將一個電極113設(shè)置在第二隔膜114的一個側(cè)面。因此，可以將涂布材料涂布在第一隔膜112的兩個側(cè)面上，同時可以將涂布材料涂布在第二隔膜114的一個側(cè)面上。即，可以利用涂布材料對第一隔膜112的面向第一電極111和第二電極113的兩個側(cè)面進(jìn)行涂布，并利用涂布材料對第二隔膜114的面向第二電極113的一個側(cè)面進(jìn)行涂布。
[0068]如上所述，當(dāng)在基本單元內(nèi)完成時，通過使用涂布材料而進(jìn)行附著就可足夠。因此，按上述僅對第二隔膜114的一個側(cè)面進(jìn)行涂布。只不過，由于可通過應(yīng)用諸如熱壓的方法來完成基本單元間的粘合，所以可以根據(jù)情況需要對第二隔膜114的兩個側(cè)面進(jìn)行涂布。即，可以將涂布材料涂布在第二隔膜114的面向第二電極113的一個側(cè)面上和其相反側(cè)面上。在此情況中，設(shè)置在上部處的基本單元和設(shè)置在其緊下方的基本單元可以通過在第二隔膜外表面上的涂布材料進(jìn)行附著。
[0069]作為參考，當(dāng)將具有膠粘性的涂布材料涂布在隔膜上時，不建議使用物體直接在隔膜上加壓。通常，隔膜從電極向外伸展。一種嘗試可以是，將第一隔膜112的末端部分和第二隔膜114的末端部分相互結(jié)合。例如，可嘗試?yán)贸暡ê附訉Φ谝桓裟?12的末端部分和第二隔膜114的末端部分進(jìn)行焊接。對于超聲波焊接，需要使用焊頭(horn)直接對目標(biāo)進(jìn)行加壓。然而，當(dāng)通過使用焊頭直接對隔膜的末端部分加壓時，焊頭可能會因具有膠粘性的涂布材料而附著至隔膜。在此情況中，設(shè)備會斷裂。因此，當(dāng)將具有膠粘性的涂布材料涂布在隔膜上時，通過使用物體直接在隔膜上施加壓力是不優(yōu)選的。
[0070]另外，基本單元110并不一定包含四層結(jié)構(gòu)。例如，基本單元110可以具有通過依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113、第二隔膜114、第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114而形成的八層結(jié)構(gòu)。即，基本單元110可以具有通過重復(fù)堆疊所述四層結(jié)構(gòu)而形成的結(jié)構(gòu)。如上所述，電極組件100可以通過重復(fù)堆疊基本單元110而形成。因此，電極組件100可以通過重復(fù)堆疊四層結(jié)構(gòu)而形成，或者電極組件100可以通過重復(fù)堆疊例如八層結(jié)構(gòu)而形成。
[0071]同時，電極組件100可以還包含第一輔助單元130和第二輔助單元140中的一種。首先，對第一輔助單元130進(jìn)行說明。通過從上部到下部或從下部到上部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114形成基本單元110。當(dāng)通過重復(fù)堆疊基本單元110形成電極組件100時，第一電極116 (下文中稱作“第一末端電極”)可以設(shè)置在電極組件100的最上部(參見圖2)或最下部(參見圖3)(所述第一末端電極可以為正極或負(fù)極)。第一輔助單元130可以另外堆疊在第一末端電極116上。
[0072]更特別地，如圖5中所示，當(dāng)?shù)谝浑姌O111為正極且第二電極113為負(fù)極時，可通過從第一末端電極116即從第一末端電極116到外部(到圖5中的上部)依次堆疊隔膜114、負(fù)極113、隔膜112和正極111而形成第一輔助單元130a。另外，如圖6中所示，當(dāng)?shù)谝浑姌O111為負(fù)極且第二電極113為正極時,可通過從第一末端電極116即從第一末端電極116到外部依次堆疊隔膜114和正極113而形成第一輔助單元130b。如圖5和6中所示，在電極組件100中，由于第一輔助單元130從而可將正極設(shè)置在第一末端電極116的最外部。
[0073]通常，電極包含集電器和活性材料層(活性材料)，且將活性材料層涂布在集電器的兩個側(cè)面上。由此，在圖5中在正極的活性材料層中設(shè)置在集電器下面的活性材料層與正極的活性材料層中設(shè)置在集電器上的活性材料層通過隔膜發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)通過制造相同的基本單元110并依次對其進(jìn)行堆疊來形成電極組件100時，設(shè)置在電極組件100最上部或最下部處的第一末端電極可以包含在集電器兩個側(cè)面上的活性材料層以作為另一第一電極。然而，當(dāng)?shù)谝荒┒穗姌O具有包含涂布在集電器兩個側(cè)面上的活性材料層的結(jié)構(gòu)時，在第一末端電極的活性材料層中設(shè)置在外部的活性材料層可以不與另一活性材料層反應(yīng)。由此，可能產(chǎn)生活性材料層的浪費(fèi)。
[0074]為了解決上述缺陷而提供了第一輔助單元130。即，所述第一輔助單元130由基本單元110單獨(dú)地形成。由此，第一輔助單元130可以包含如下正極，所述正極包含僅形成在集電器一個側(cè)面上的活性材料層。即，第一輔助單元130可以包含含有活性材料層的正極，所述活性材料層僅涂布在集電器的兩個側(cè)面中面向基本單元110的一個側(cè)面(圖5中面向下部的側(cè)面)上。因此，當(dāng)通過另外將第一輔助單元130堆疊在第一末端電極116上形成電極組件100時，可以設(shè)置僅在第一末端電極116的一個最外側(cè)面上包含涂層的正極。由此，浪費(fèi)活性材料層的缺陷得以解決。由于正極具有釋放例如鎳離子的構(gòu)造，所以當(dāng)考慮電池容量時優(yōu)選將正極設(shè)置在最外部。
[0075]然后，對第二輔助單元140進(jìn)行說明。第二輔助單元140基本顯示與第一輔助單元130相同的功能。更特別地，通過從上部到下部或從下部到上部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114形成基本單元110。當(dāng)通過重復(fù)堆疊基本單元110形成電極組件100時，第二隔膜117(下文中稱作“第二末端隔膜”)可以設(shè)置在電極組件100的最上部(參見圖3)或最下部(參見圖2)。第二輔助單元140可以另外堆疊在第二末端隔膜117上。
[0076]更特別地，如圖7中所示，當(dāng)?shù)谝浑姌O111為正極且第二電極113為負(fù)極時，可以形成第二輔助單元140a以作為正極111。另外，如圖8中所示，當(dāng)?shù)谝浑姌O111為負(fù)極且第二電極113為正極時，通過從第二末端隔膜117即從第二末端隔膜117到外部(到圖8中的下部)依次堆疊負(fù)極111、隔膜112和正極113可形成第二輔助單元140b。第二輔助單元140可以還包含含活性材料層的正極，所述活性材料層僅涂布在集電器的兩個側(cè)面中面向基本單元110的一個側(cè)面(圖8中面向上部的一個面)上，如同第一輔助單元130。當(dāng)通過另外將第二輔助單元140堆疊在第二末端隔膜117上來形成電極組件100時，可以將僅在一個側(cè)面上包含涂層的正極設(shè)置在第二末端隔膜117的最外部。
[0077]作為參考，在圖5和6以及7和8中，顯示了從上部到下部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114的堆疊結(jié)構(gòu)。相反，通過與上述相同的方式可以解釋從下部到上部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114的堆疊結(jié)構(gòu)。第一輔助單元130和第二輔助單元140還可以根據(jù)情況需要在最外部包含隔膜。例如，當(dāng)設(shè)置在最外部的正極需要與殼體電絕緣時，第一輔助單元130和第二輔助單元140可在正極的最外部還包含隔膜。鑒于這種原因，在暴露在與第二輔助單元140的堆疊部分相反側(cè)(圖7中的電極組件的最上部)的正極中可還包含隔膜。
[0078]同時，優(yōu)選按圖9?11中所示制造電極組件。首先，可形成如圖9中所示的電極組件100e。通過從下部到上部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114可形成基本單元110b。在此情況中，第一電極111可以為正極且第二電極113可以為負(fù)極。通過從第一末端電極116即如圖9中從上部到下部依次堆疊隔膜114、負(fù)極113、隔膜112和正極111可形成第一輔助單元130c。在此情況中，第一輔助單元130c的正極111可以包含僅形成在面向基本單元IlOb的一個側(cè)面上的活性材料層。
[0079]另外，通過從第二末端隔膜117并在圖9中從下部到上部依次堆疊正極111 (第一正極)、隔膜112、負(fù)極113、隔膜114和正極118(第二正極)可形成第二輔助單元140c。在此情況中，設(shè)置在第二輔助單元140c的最外部的正極118 (第二正極)可以包含僅形成在面向基本單元IlOb的一個側(cè)面上的活性材料層。作為參考，當(dāng)輔助單元包含隔膜時，可以容易地進(jìn)行電池的對齊。
[0080]然后，可以形成如圖10中所示的電極組件IOOf。通過從下部到上部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114可形成基本單元110b。在此情況中，第一電極111可以為正極且第二電極113可以為負(fù)極。通過從第一末端電極116依次堆疊隔膜114、負(fù)極113和隔膜112可形成第一輔助單元130d。在此情況中，可不提供第二輔助單元。作為參考，由于電位差而使得負(fù)極可能與電極殼體(例如袋)的鋁層反應(yīng)。因此，優(yōu)選利用隔膜使得負(fù)極與電極殼體絕緣開。
[0081]最后，形成如圖11中所示的電極組件100g。通過從上部到下部依次堆疊第一電極111、第一隔膜112、第二電極113和第二隔膜114可形成基本單元110c。在此情況中，第一電極111可以為負(fù)極且第二電極113可以為正極。通過從第二末端隔膜117依次堆疊負(fù)極
111、隔膜112、正極113、隔膜114和負(fù)極119可形成第二輔助單元140d。在此情況中，可不
提供第一輔助單元。
[0082]參考圖12，下面將對根據(jù)本發(fā)明的電極組件的固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
[0083]根據(jù)本發(fā)明的電極組件100可以還包含固定部件Tl以用于固定電極組件100的側(cè)面部或前面部，所述電極組件100包含基本單元110或具有基本單元110的堆疊結(jié)構(gòu)。
[0084]為了確保堆疊結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定性，可以在電極組件100的側(cè)面部使用單獨(dú)的構(gòu)件對其進(jìn)行固定。通過如圖12(a)中所示對堆疊的電極組件100的整個側(cè)面進(jìn)行纏繞或通過如圖12(b)中所示使用固定部件T2僅對電極組件100的側(cè)面部進(jìn)行固定，可以完成所述固定。另外，可以將聚合物帶用作圖12(a)和12(b)中的固定部件。
[0085]下文中，將對根據(jù)本發(fā)明的電極組件100的構(gòu)成要素的特定材料和構(gòu)造特征進(jìn)行說明。
[0086][正極結(jié)構(gòu)]
[0087]設(shè)置在基本單元中的電極分為正極和負(fù)極，并通過將正極和負(fù)極與插入其間的隔膜組合來制造基本單元。例如通過將正極活性材料、導(dǎo)電材料和粘合劑的混合物的漿料涂布在正極集電器上、干燥并壓制可以制造正極?？梢愿鶕?jù)情況需要將填料添加到混合物中。當(dāng)以安裝在輥上的片狀形式完成正極時，可以提高基本單元的制造速率。
[0088][正極集電器]
[0089]通常將正極集電器制成約3~500 μ m的厚度。關(guān)于正極集電器，可以使用不會誘發(fā)電池的化學(xué)變化并具有高電導(dǎo)率的材料而沒有限制。例如，可以使用如下物質(zhì):不銹鋼；鋁；鎳；鈦；燒結(jié)碳；經(jīng)碳、鎳、鈦、銀進(jìn)行表面處理的鋁或不銹鋼材料等。通過在正極集電器表面上形成細(xì)小的壓紋可以提高正極活性材料的膠粘性。正極集電器可以具有諸如膜、片、箔、網(wǎng)、多孔材料、泡沫材料和無紡材料等的各種形狀。
[0090][正極活性材料]
[0091]鋰二次電池用正極活性材料可以包含例如如下而無限制:鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)等的層狀化合物或者被一種或多種過渡金屬置換的所述化合物；鋰錳氧化物如Li1+xMn2_x04(其中X為O~0.33)、LiMnO3^ LiMn2O3以及LiMnO2等；鋰銅氧化物(Li2CuO2);釩氧化物如 LiV3O8, LiFe3O4' V2O5 和 Cu2V2O7 等；由化學(xué)式 LiNDxO2 (其中 M =Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga, x = 0.01~0.3)表示的Ni位點(diǎn)型鋰鎳氧化物；由化學(xué)式LiMn2_xMx02 (其中 M = Co、N1、Fe、Cr、Zn 或 Ta，x = 0.01 ~0.1)或 Li2Mn3MO8 (其中 M = Fe、Co、N1、Cu或Zn)表示的鋰錳復(fù)合氧化物；其中一部分Li被堿土金屬離子置換的LiMn2O4 ；二硫化合物；以及Fe2 (MoO4) 3等。
[0092]通常，基于混合物的總量，以I~50重量％的量將導(dǎo)電材料添加到包含正極活性材料的混合物中?？梢允褂镁哂袑?dǎo)電性而不會誘發(fā)電池的化學(xué)變化的任意導(dǎo)電材料而沒有限制。例如，可以使用石墨如天然石墨、合成石墨等；炭黑如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、爐黑、燈黑和熱裂法炭黑等；導(dǎo)電纖維如碳纖維和金屬纖維等；金屬粉末如氟化碳粉末、鋁粉末和鎳粉末等；導(dǎo)電晶須如鈦酸鉀等；導(dǎo)電金屬氧化物如二氧化鈦等；和導(dǎo)電材料如聚亞苯基衍生物等。
[0093]粘合劑是幫助活性材料與導(dǎo)電材料的結(jié)合以及與集電器的結(jié)合的組分，且基于包含正極活性材料的混合物的總量，通常以約I~50重量％的量包含所述粘合劑。粘合劑的實(shí)例可包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纖維素(CMC)、淀粉、羥丙基纖維素、再生纖維素、聚乙烯基吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯聚合物(EPDM)、磺化的EPDM、丁苯橡膠、氟橡膠、各種共聚物等。
[0094]填料是抑制正極膨脹的組分、并可選擇性地使用?？梢允褂貌粫T發(fā)電池的化學(xué)變化并具有纖維相的材料而沒有限制。例如，可使用烯烴類聚合物如聚乙烯、聚丙烯等；纖維相材料如玻璃纖維、碳纖維等。
[0095][負(fù)極結(jié)構(gòu)]
[0096]通過將負(fù)極活性材料涂布在負(fù)極集電器上、干燥并壓制可以制造負(fù)極?？梢愿鶕?jù)情況需要選擇性地包含導(dǎo) 電材料、粘合劑、填料等。當(dāng)以可能安裝在輥上的片狀形式形成負(fù)極時，可以提聞基本單兀的制造速率。
[0097][負(fù)極集電器]
[0098]通常將負(fù)極集電器制成約3~500 μ m的厚度。關(guān)于負(fù)極集電器，可以使用不會誘發(fā)電池的化學(xué)變化并具有高電導(dǎo)率的材料而沒有限制。例如，可以使用銅；不銹鋼；鋁；鎳；鈦；燒結(jié)碳；經(jīng)碳、鎳、鈦、銀進(jìn)行表面處理的銅或不銹鋼材料；以及鋁-鎘合金等。此外，如同正極集電器，通過在負(fù)極集電器表面上形成細(xì)小的壓紋可以提高負(fù)極活性材料的膠粘性。負(fù)極集電器可以具有諸如膜、片、箔、網(wǎng)、多孔材料、泡沫材料、無紡材料等的各種形狀。
[0099][負(fù)極活性材料]
[0100]負(fù)極活性材料可以包含例如:碳如非石墨化碳、石墨基碳等；金屬復(fù)合氧化物如LixFe2O3 (O ≤ X ≤ I)'LixWO2 (O ≤ x ≤ I)和 SnxMe1^xMeJ y0z (Me:Mn,Fe,Pb,Ge ;Me，:Al，B，P，Si，周期表中的I族、2族和3族中的元素、鹵素；0〈x≤1，1≤y≤3且I≤z≤8)等；鋰金屬；鋰合金；娃基合金；錫基合金；金屬氧化物如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4' Sb2O5' Ge。、GeO2, Bi2O3' Bi2O4' Bi2O5 等；導(dǎo)電聚合物如聚乙炔等；以及 L1-Co-Ni 基材料等。
[0101][隔膜]
[0102]隔膜通過進(jìn)行折疊工序或卷繞工序之外的簡單堆疊工序以完成簡單堆疊而形成基本單元。特別地，通過在層壓機(jī)中加壓(或通過加壓和加熱)可以完成隔膜與電極的附著。根據(jù)上述工序，使得電極與隔膜片之間的穩(wěn)定界面接觸成為可能。[0103]可以將顯示絕緣性并具有用于離子移動的多孔結(jié)構(gòu)的任意材料用于制造隔膜。例如，可以使用具有高離子透過率和機(jī)械強(qiáng)度的薄絕緣膜。隔膜或隔膜片的孔徑通常為約
0.01?10 μ m且其厚度通常為約5?300 μ m。
[0104]關(guān)于隔膜，例如可以使用烯烴類聚合物如耐化學(xué)性和疏水性的聚丙烯等；通過使用玻璃纖維、聚乙烯等制成的片或無紡布。當(dāng)使用諸如聚合物的固體電解質(zhì)作為電解質(zhì)時，所述固體電解質(zhì)可還充當(dāng)隔膜。優(yōu)選地，可以使用聚乙烯膜；聚丙烯膜；或通過將所述膜組合而得到的多層膜；或用于聚合物電解質(zhì)或膠凝型聚合物電解質(zhì)的聚合物膜如聚偏二氟乙烯、聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物。
[0105]下文中，將對其中可應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的電極組件100的電化學(xué)裝置進(jìn)行說明。
[0106]根據(jù)本發(fā)明的電極組件100可以應(yīng)用于通過正極與負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電力的電化學(xué)電池中。電化學(xué)電池的典型實(shí)例包括特級電容器、超級電容器、二次電池、燃料電池、所有類型的傳感器、電解用設(shè)備、電化學(xué)反應(yīng)器等。尤其優(yōu)選二次電池。
[0107]二次電池具有如下結(jié)構(gòu)，其中呈現(xiàn)浸潰有含離子的電解質(zhì)的狀態(tài)的可充電/可放電電極組件內(nèi)置入電池殼中。在優(yōu)選實(shí)施方式中，二次電池可以為鋰二次電池。
[0108]近來，鋰二次電池作為大型裝置和小型移動裝置的電源引起了極大關(guān)注。輕質(zhì)鋰二次電池可優(yōu)選用于這些領(lǐng)域中。作為降低二次電池的重量的一種方法，可以使用將電極組件包含在鋁層壓片的袋型殼體中的內(nèi)置結(jié)構(gòu)。由于鋰二次電池的特征在本領(lǐng)域內(nèi)是熟知的，所以省略關(guān)于鋰二次電池的說明。
[0109]另外，如上所述，當(dāng)將鋰二次電池用作中型和大型裝置的電源時，最大程度地抑制長時間運(yùn)行時性能的劣化、具有良好壽命性能并具有可以較低成本批量生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的二次電池可能是優(yōu)選的。從該點(diǎn)考慮，優(yōu)選將包含本發(fā)明電極組件的二次電池用作中型和大型電池模塊中的單元電池。
[0110]可以將包含含有多個二次電池的電池模塊的電池組用作選自如下的至少一種中型和大型裝置中的電源:電動工具；電動車輛，選自電動車輛(EV)、混合動力車輛(HEV)和插電式混合動力車輛(PHEV)；電動自行車；電動滑板車；電動高爾夫球車；電動卡車；以及電動商業(yè)車輛。
[0111]所述中型和大型電池模塊由多個以串聯(lián)體系或串聯(lián)/并聯(lián)體系連接以提供高輸出和高容量的單元電池構(gòu)成。關(guān)于這些特征的技術(shù)在本領(lǐng)域內(nèi)是熟知的。因此，在本申請中將省略對所述特征的說明。
[0112]盡管已經(jīng)結(jié)合例示性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了示出和說明，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，在不背離由附屬權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的主旨和范圍的條件下能夠完成變體和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種包含至少一個基本單元的電極組件，所述基本單元具有通過依次堆疊第一電極、第一隔膜、第二電極和第二隔膜而得到的四層結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述基本單元是通過將所述電極和所述隔膜相互附著而形成。
3.如權(quán)利要求2所述的電極組件，其中所述電極與所述隔膜的附著是通過對所述電極和所述隔膜加壓或者通過在所述電極和所述隔膜上施加壓力和熱而進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求2所述的電極組件，其中所述隔膜涂布有具有膠粘性的涂布材料。
5.如權(quán)利要求4所述的電極組件，其中所述涂布材料為無機(jī)粒子和粘合劑聚合物的混合物。
6.如權(quán)利要求4所述的電極組件，其中所述第一隔膜的面向所述第一電極和所述第二電極的兩個側(cè)面都涂布有所述涂布材料，且所述第二隔膜的面向所述第二電極的一個側(cè)面涂布有所述涂布材料。
7.如權(quán)利要求4所述的電極組件，其中所述第一隔膜的面向所述第一電極和所述第二電極的兩個側(cè)面都涂布有所述涂布材料，且所述第二隔膜的面向所述第二電極的一個側(cè)面和其相反側(cè)面涂布有所述涂布材料， 所述電極組件是通過堆疊至少兩個基本單元而得到的，且所述基本單元通過所述第二隔膜的涂布材料而相互附著。
8.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述基本單元是通過重復(fù)堆疊所述四層結(jié)構(gòu)而得到。
9.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件還包含堆疊在第一末端電極上的第一輔助單元，所述第一末端電極為設(shè)置在所述電極組件最上部或最下部處的第一電極， 當(dāng)所述第一電極為正極且所述第二電極為負(fù)極時，所述第一輔助單元是通過從所述第一末端電極依次堆疊隔膜、負(fù)極、隔膜和正極而形成， 當(dāng)所述第一電極為負(fù)極且所述第二電極為正極時，所述第一輔助單元是通過從所述第一末端電極依次堆疊隔膜和正極而形成。
10.如權(quán)利要求9所述的電極組件，其中所述第一輔助單元的正極包含: 集電器；和 僅涂布在所述集電器的兩個側(cè)面中面向所述基本單元的一個側(cè)面上的正極活性材料。
11.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件還包含堆疊在第一末端電極上的第一輔助單元，所述第一末端電極為設(shè)置在所述電極組件最上部或最下部處的第一電極， 當(dāng)所述第一電極為正極且所述第二電極為負(fù)極時，所述第一輔助單元是通過從所述第一末端電極依次堆疊隔膜、負(fù)極和隔膜而形成。
12.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件還包含堆疊在第二末端隔膜上的第二輔助單元，所述第二末端隔膜為設(shè)置在所述電極組件最上部或最下部處的第二隔膜， 當(dāng)所述第一電極為正極且所述第二電極為負(fù)極時，所述第二輔助單元是通過從所述第二末端隔膜依次堆疊負(fù)極、隔膜和正極而形成。
13.如權(quán)利要求12所述的電極組件，其中所述第二輔助單元的正極包含:集電器；和 僅涂布在所述集電器的兩個側(cè)面中面向所述基本單元的一個側(cè)面上的正極活性材料。
14.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件還包含堆疊在第二末端隔膜上的第二輔助單元，所述第二末端隔膜為設(shè)置在所述電極組件最上部或最下部處的第二隔膜， 當(dāng)所述第一電極為正極且所述第二電極為負(fù)極時，所述第二輔助單元是通過從所述第二末端隔膜依次堆疊第一正極、隔膜、負(fù)極、隔膜和第二正極而形成， 所述第二輔助單元的第二正極包含集電器和正極活性材料，所述正極活性材料僅涂布在所述集電器的兩個側(cè)面中面向所述基本單元的一個側(cè)面上。
15.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件還包含堆疊在第二末端隔膜上的第二輔助單元，所述第二末端隔膜為設(shè)置在所述電極組件最上部或最下部處的第二隔膜， 當(dāng)所述第一電極為負(fù)極且所述第二電極為正極時，所述第二輔助單元是通過從所述第二末端隔膜依次堆疊負(fù)極、隔膜、正極、隔膜和負(fù)極而形成。
16.如權(quán)利要求1所述的電極組件，還包含固定部件以用于固定所述電極組件的側(cè)面部或前面部。
17.如權(quán)利要求16所述的電極組件，其中所述固定部件包含聚合物帶以用于纏繞所述電極組件的側(cè)面部或前面部。
18.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述第一電極和所述第二電極包含: 集電器；和 涂布在所述集電器兩個側(cè)面上的活性材料。
19.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述隔膜選自:聚乙烯膜；聚丙烯膜；通過將所述聚乙烯膜和所述聚丙烯膜組合而得到的多層膜；以及聚偏二氟乙烯、聚環(huán)氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物電解質(zhì)用聚合物膜，所述膜包含微孔。
20.如權(quán)利要求10、13或14所述的電極組件，其中所述正極活性材料是通過使用包含Li2MnO3和LiMO2的正極漿料而形成。
21.一種電化學(xué)裝置，包含權(quán)利要求1~19中任一項(xiàng)的電極組件。
22.如權(quán)利要求21所述的電化學(xué)裝置，其中所述電化學(xué)裝置為二次電池、包含多個所述二次電池的電池模塊、或包含多個所述電池模塊的電池組。
【文檔編號】H01M10/04GK103959541SQ201380004026
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月23日
【發(fā)明者】樸志元, 劉承宰, 李香穆 申請人:株式會社Lg 化學(xué)