專利名稱：膠輥形電極組件、具有該組件的鋰二次電池以及用于制造鋰二次電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膠輥形電極組件、具有該電極組件的鋰二次電池以及用于制造該鋰二次電池的方法。尤其是，本發(fā)明關(guān)注具有防變形芯的膠輥形電極組件，該防變形芯簡化該鋰二次電池的制造并防止該電極組件變形。
背景技術(shù)：
最近，諸如便攜式電話、筆記本電腦和可攜式攝像機等輕質(zhì)、緊湊的電氣和電子設備(例如)的發(fā)展和生產(chǎn)很活躍。這些便攜式電氣和電子設備在沒有單獨的電源時都依靠電池組運行。每個電池組內(nèi)都包含至少一個用于驅(qū)動便攜式電氣或電子設備的電池。
由于經(jīng)濟原因，電池組通常包括可以充電和放電的二次電池。示例二次電池包括鎳鎘(Ni-Cd)電池、鎳氫(Ni-MH)電池、鋰(Li)電池和鋰離子(Li-ion)電池。
鋰二次電池運行在3.6V，該電壓是作為便攜式電子設備的電源而廣泛應用的鎳鎘電池或鎳氫電池的電壓的三倍。鋰二次電池的每單位重量還具有高能量密度。
鋰二次電池主要用氧化鋰作為正極活性物質(zhì)，用碳材料作為負極活性物質(zhì)。一般而言，鋰二次電池根據(jù)使用的電解質(zhì)分類，即鋰離子電池使用液體電解質(zhì)，鋰聚合物電池使用高分子量電解質(zhì)。鋰二次電池能采用各種形狀，包括圓柱形、正方形和袋形。
一種典型的鋰二次電池包括電極組件，該電極組件包括其上涂覆有正極活性物質(zhì)的正極板、其上涂覆有負極活性物質(zhì)的負極板以及位于該正極板和負極板之間的隔板。隔板防止短路并只允許鋰離子通過。該鋰離子二次電池進一步包括用于容納電池組件的電池殼體，以及使鋰離子能夠運動的電解液，電解液被注入到電池殼體中。
正極接片連接到涂覆有正極活性物質(zhì)的正極板上。負極接片連接到涂覆有負極活性物質(zhì)的負極板上。通過將帶有正極接片的正極板、帶有負極接片的負極板和隔板層疊起來，制造該電極組件。在層疊之后，將正負極板和隔板卷繞在一起，以形成該電池組件。
此后，將電極組件容納在電池殼體內(nèi)，將電解液注入到該電池殼體內(nèi)，然后密封電池殼體，以完成鋰二次電池。
根據(jù)另一種鋰二次電池，利用芯或心軸來卷繞正極板、負極板和隔板。在電極組件浸入電解液期間，由于在充電或放電中產(chǎn)生的熱量，體積發(fā)生變化并膨脹。芯或心軸的使用會增加體積的膨脹。
此外，由于充電或放電時產(chǎn)生的氣壓將力施加到電極組件上。隨著鋰離子逐漸附著到電極板上，更多的力被施加到電極組件上，使電極板膨脹。
另外，電極組件被限制在電池殼體內(nèi)。因此當電極組件變形時，它會受到損害。
除了變形之外，電池可以膨脹，即電池殼體可以變薄。當發(fā)生此種情況時，電池無法很好的操作，并且不能被輕松地安裝在所希望的電氣或電子設備上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明關(guān)注膠輥形電極組件、具有該電極組件的鋰二次電池以及制造該鋰二次電池的方法。該電極組件具有簡化該鋰二次電池的制造并防止該電極組件變形的防變形芯。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的膠輥形電極組件包括上面涂覆有正極活性物質(zhì)的正極板，上面涂覆有負極活性物質(zhì)的負極板以及位于該正極板和負極板之間的隔板，該隔板使正極板與負極板相互絕緣。該電極組件進一步包括位于該電極組件中心附近的防變形芯。該正負極板和該隔板環(huán)繞該防變形芯卷繞。
在一個實施例中，該防變形芯具有從包括棒和板的組中選擇的形狀。
該防變形芯包括金屬或絕緣材料。該絕緣材料可以包括從有聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇對苯二甲酸酯和聚酰亞胺的組中選擇的材料。
在一個實施例中，隔板的末端通過帶或粘合劑被固定到該防變形芯上。該固定帶可以包括從有聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龍樹脂的組中選擇的材料。該粘合劑可以包括從有聚偏氟乙稀(PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、聚(乙烯基乙腈)、聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、烷基化聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯醚、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、苯丁橡膠、硅及其混合物的組中選擇的材料。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鋰二次電池包括具有正極板、負極板和位于該正極板與負極板之間的隔板的膠輥形電極組件。該電池進一步包括位于該電極組件中心附近的防變形芯，容納該電極組件的電池殼體以及安裝到該殼體上以密封該殼體的蓋組件。該組件包括電連接到該電極組件上的端子。該電池殼體可包括具有開口端的圓柱形金屬殼體，具有開口端的金屬罐或者袋。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于制造鋰二次電池的方法包括首先將正極接片連接到正極板上并將負極接片連接到負極板上。然后隔板被定位在該正負極板之間，并且該正負極板以及該隔板被環(huán)繞防變形芯纏繞，以形成電極組件。該電極組件而后被容納在該電池殼體中。
該方法進一步包括用帶將隔板固定到防變形芯上。
當該電池殼體包括圓柱形金屬殼體時，該方法可進一步包括用該防變形芯將該電極組件的正或負極接頭壓制并焊接到該電池殼體的表面上。


當與附圖一起考慮時，通過參考下面的詳細說明，本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點將會更為清楚。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鋰二次電池的制造方法的示意圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鋰二次電池的透視圖；圖2B是圖2A中的電池沿線2B-2B的橫截面圖；圖2C是圖2A中的電池沿線2C-2C的橫截面圖；圖3A根據(jù)本發(fā)明的替代實施例的鋰二次電池的透視圖；圖3B是圖3A中的電池沿線3B-3B的橫截面圖。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的鋰二次電池的制造方法的示意圖。如圖1所示，該方法包括首先通過卷繞正極板110a、負極板120a、第一隔板130a和第二隔板140a形成電極組件150a。正極源110提供正極板110a，負極源提供負極板120a，第一隔板源130提供第一隔板130a，第二隔板源提供第二隔板140a。電極組件卷繞裝置150對電極組件150進行卷繞。
正極源110包括用于提供正極板110a的正極卷軸(reel)111以及用于將正極接片連接到正極板110a上的正極接片連接裝置115。
負極源120包括用于提供負極板120a的負極卷軸121以及用于將負極接片連接到負極板120a上的負極接片連接裝置125。
第一隔板130a和第二隔板140a防止正極板110a和負極板120a之間的短路。此外，隔板僅允許鋰離子通過。在卷繞電極組件150a期間，第一隔板源130和第二隔板源140將隔板130a和140a定位于正極板110a和負極板120a之間。第一隔板源130和第二隔板源140均包括各自的隔板被卷繞其上的卷軸。
電極組件卷繞裝置150通過環(huán)繞諸如能采用不同形狀的心軸的防變形芯155，卷繞正極板110a、負極板120a以及隔板130a和140a。在卷繞之后不取下防變形芯155。
在圓柱形鋰二次電池中，防變形芯包括具有基本為圓形橫截面并起中心銷作用的棒。在方形或袋形的鋰二次電池中，防變形芯155防止電極組件150a的變形。
制造裝置100可進一步包括密封帶源160。密封帶源160提供密封帶160a，該密封帶160a在卷繞之后貼在電極組件的外表面上，并防止電極組件150a松動。
根據(jù)這種用于制造鋰二次電池的電極組件的方法，正極板110a、負極板120a以及隔板130a和140a由電極組件卷繞裝置150環(huán)繞防變形芯155卷繞。但是，在卷繞之前，通過正極接片連接單元115將正極接片連接到正極板110a上，通過負極接片連接單元125將負極接片連接到負極板120a上。
在連接正負極接片之后，通過環(huán)繞防變形芯155，分別數(shù)次卷繞正負極板110a和120a以及隔板130a和140a，形成電極組件150a。
通過帶能夠?qū)⒏舭?30a和140a在它們的末端固定到防變形芯155上。合適的帶的非限制性示例包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龍樹脂。
可選地，通過粘合劑能夠?qū)⒏舭?30a和140a在它們的末端固定到防變形芯155上。合適的粘合劑的非限制性示例包括聚偏氟乙稀(PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、聚(乙烯基乙腈)、聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、烷基化聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯醚、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、苯丁橡膠、硅及其混合物。
在形成膠輥形電極組件150a之后，可將用于防止膠輥形電極組件松動的密封帶160a連接到該電極組件的外表面上。合適的密封帶160a的非限制性示例包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龍樹脂。
鋰二次電池通過如下步驟完成將密封帶160a連接到膠輥形電極組件150a上，將包括防變形芯的電極組件150a容納在電池殼體內(nèi)，并密封該電池殼體。
在圓柱形鋰二次電池中，防變形芯155充當中心銷。通過防變形芯向電極接片施加壓力，使電極接片與電池殼體接觸，從而將其連接到電池殼體上。
在方形或袋形鋰二次電池中，芯155防止膠輥形電極組件因壓力或受熱而變形。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明實施例的鋰二次電池的透視圖，并示出了一種圓柱形鋰二次電池。圖2B是圖2A中的電池沿線2B-2B的橫截面圖。圖2C是圖2A中的電池沿線2C-2C的橫截面圖。如圖2A到2C所示，圓柱形鋰二次電池200包括用于在充電或放電期間產(chǎn)生電壓差的電極組件300、用于容納電極組件300的殼體400以及用于密封電池殼體400的蓋組件500。將電解液注入到殼體400內(nèi)，使鋰離子運動。防變形芯700位于電極組件300的中心附近。
電極組件300包括上面涂覆有正極活性物質(zhì)的正極板310，上面涂覆有負極活性物質(zhì)的負極板320以及位于正負極板310和320之間的隔板330。隔板330防止正負極板310和320之間的短路，并只允許鋰離子通過。正負極板310和320以及隔板330被大體上卷繞成圓形，以形成電極組件300。卷繞電極組件300容納在電池殼體400中。將通常包括鋁并從電極組件300凸出的正極接片315結(jié)合在正極板310上。將通常包括鎳并從電極組件300凸出的負極接片325結(jié)合在負極板320上。應該理解，正負極接片315和325并不分別局限于鋁和鎳，而是能夠包括任何合適的材料。
第一絕緣層341位于電極組件300和蓋組件500之間，第二絕緣層345位于電極組件300和電池殼體400之間。絕緣層341和345防止電極組件300與蓋組件500和電池殼體400的直接接觸。
電池殼體400可以是具有用于容納電極組件300的開口的圓柱形金屬殼體。圓柱形電池殼體400包括側(cè)面410和用于封閉殼體400的底部的底面420。殼體400的頂面敞開，用于容納電極組件300。
在一個實施例中，電池殼體400被電連接到電極組件300的正極接片315和負極接片325中的一個上，并且電池殼體400本身充當正或負極。蓋組件500被電連接到未與電池殼體400電連接的電極接片上，并且蓋組件500可包括各種元件，例如安全帶、印刷電路板、正極過熱保護裝置(positive thermal device)、電極蓋、墊圈等。
電解液600充當鋰離子運動的介質(zhì)，鋰離子是在充電或放電期間由正負電極上的電和化學反應產(chǎn)生的。電解液可以是包括鋰鹽和高純度有機溶劑的混合物的無水有機電解液?？蛇x地，電解液600可以是高分子量電解液，例如聚合物。應該理解，可以使用任何合適的電解液，并且本發(fā)明并不局限于無水有機電解液和聚合物。
電極組件的防變形芯700可包括心軸，正負極板310和320以及隔板330被環(huán)繞該心軸卷繞。在一個實施例中，防變形芯700包括一個棒。防變形芯700充當圓柱形鋰二次電池中的中心銷，并防止電極組件300的變形。
尤其是，防變形芯700防止膠輥形電極組件松動，并且將負極接片325壓在圓柱形容器400的底面420上。另外，在充電或放電期間，防變形芯700可防止電極組件300因體積膨脹而導致的變形。
防變形芯700機械上足夠堅固以抵抗施加到電極組件上的力，從而防止電極組件300的變形。
防變形芯700包括金屬材料或絕緣材料，例如，聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇對苯二甲酸酯和聚酰亞胺。
在一個實施例中，用帶或粘合劑將隔板330在其一端固定到防變形芯700上。
電極組件300可以進一步包括連接到電極組件300的外表面上、用于防止電極組件300松動的密封帶。
圖3A為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的鋰二次電池的透視圖，并示出了用在方形或袋形鋰二次電池中的電極組件。圖3B是圖3A中的電池沿線3B-3B的橫截面圖。如圖3A和3B所示，鋰二次電池包括電極組件800。該電極組件被容納在電池殼體(未示出)中。電池殼體可以是具有開口端的金屬罐或者是袋。在包括金屬罐形電池殼體的鋰二次電池中，金屬罐的開口端由單獨的蓋組件密封。
電極組件800包括正極板810、負極板820以及位于正負極板810和820之間的隔板830。正極活性物質(zhì)涂覆在正極板810上，并且正極接片815連接到正極板810上。負極活性物質(zhì)涂覆在負極板820上，并且負極接片825連接到負極板上。通過環(huán)繞防變形芯900卷繞正負極板810和820以及隔板，形成電極組件。
防變形芯900在卷繞電極組件800之后不被取下，并防止電極組件800松動和變形。
防變形芯900能具有任何厚度，以便它抵抗施加到電極組件上的力，并防止電極組件800的變形。
防變形芯900可包括各種板形結(jié)構(gòu)，例如圖3A所示的矩形板結(jié)構(gòu)。防變形芯900通常包括金屬或絕緣材料。芯的適合材料的非限制性示例包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇對苯二甲酸酯和聚酰亞胺。
在一個實施例中，如圖3B所示，防變形芯900具有與電極組件800的內(nèi)圓周相接觸的尺寸。防變形芯元件900機械地支撐電極組件800的整個面積。在使用時，電極組件800的內(nèi)圓周為位于電極組件800的中心附近的電極組件800的內(nèi)表面。
可以用帶或粘合劑將隔板830固定到防變形芯900上。
電極組件800可進一步包括連接在電極組件800周圍的密封帶，用于防止電極組件800松動。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的鋰二次電池包括位于電極組件150a、300或800中心附近的防變形芯155、700或900。防變形芯155、700或900防止充電或者放電期間電極組件150a、300或800的變形。
在圓柱形鋰二次電池中，防變形芯155、700或900還充當中心銷，省略了單獨插入此種中心銷的需要。同樣，環(huán)繞心軸卷繞電極組件省略了單獨插入芯的需要。根據(jù)本發(fā)明的防變形芯能夠帶來鋰二次電池的制造的簡化。
僅僅出于解釋的目的說明了本發(fā)明的示例性實施例。熟悉本領(lǐng)域的人員將會理解，可以進行各種修改、添加和替換，而不超出所附的權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種卷繞電極組件，包括上面涂覆有正極活性物質(zhì)的正極板；上面涂覆有負極活性物質(zhì)的負極板；被置于該正負極板之間的隔板，其中該隔板使該正極板從該負極板絕緣；以及位于該卷繞電極組件的中心處或者附近的防變形芯，其中正負極板和該隔板被環(huán)繞該防變形芯卷繞。
2.如權(quán)利要求1所述的卷繞電極組件，其中該防變形芯包括絕緣材料，該絕緣材料從包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇對苯二甲酸酯和聚酰亞胺的組中選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的卷繞電極組件，其中該隔板被固定到該防變形芯的一端。
4.如權(quán)利要求3所述的卷繞電極組件，其中該隔板通過帶固定，該帶包括從包含聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龍樹脂的組中選擇的材料。
5.如權(quán)利要求1所述的卷繞電極組件，其中該隔板通過粘合劑固定，該粘合劑從包括聚偏氟乙稀(PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、聚(乙烯基乙腈)、聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、烷基化聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯醚、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、苯丁橡膠、硅及其混合物的組中選擇。
6.一種鋰二次電池，包括卷繞電極組件，具有正極板、負極板、被置于該正負極板之間的隔板和位于卷繞電極組件的中心處或附近的防變形芯；適于容納該電極組件的電池殼體；用于密封該電池殼體的蓋組件，其中該蓋組件包括電連接到該卷繞電極組件的端子。
7.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該防變形芯包括棒。
8.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該防變形芯包括板。
9.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該防變形芯包括金屬材料。
10.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該防變形芯包括絕緣材料。
11.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該隔板通過帶安裝到該防變形芯的一端。
12.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該隔板通過粘合劑安裝到該防變形芯的一端。
13.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該電池殼體包括具有開口端的圓柱形金屬殼體。
14.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該電池殼體包括具有開口端的長方形金屬罐。
15.如權(quán)利要求6所述的鋰二次電池，其中該電池殼體包括袋。
16.一種用于制造鋰二次電池的方法，包括將正極接片連接到正極板上；將負極接片連接到負極板上；將隔板定位在該正負極板之間；環(huán)繞防變形芯卷繞該正負極板和該隔板，以形成電極組件；并且將該電極組件容納在電池殼體中。
17.如權(quán)利要求16所述的用于制造鋰二次電池的方法，進一步包括將該隔板的一端連接到該防變形芯上。
18.如權(quán)利要求17所述的用于制造鋰二次電池的方法，其中該隔板用帶連接到該防變形芯上。
19.如權(quán)利要求17所述的用于制造鋰二次電池的方法，其中該隔板用粘合劑連接到該防變形芯上。
20.如權(quán)利要求16所述的用于制造鋰二次電池的方法，進一步包括用該防變形芯將該正極接片和該負極接片之一壓到該電池殼體的下表面上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種膠輥形電極組件、一種具有該電極組件的鋰二次電池以及用于制造鋰二次電池的方法。該電極組件包括簡化鋰二次電池的制造并防止該電極組件變形的防變形芯。該電極組件包括環(huán)繞防變形芯卷繞的正和負極板以及隔板。正極活性物質(zhì)被涂覆在該正極板上并且負極活性物質(zhì)被涂覆在該負極板上。該隔板將該正極板從該負極板絕緣。該防變形芯被置于該電極組件的中心附近。
文檔編號H01M10/38GK1747220SQ20051010241
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月6日
發(fā)明者金鐘九, 斎藤晶彥 申請人:三星Sdi株式會社