專利名稱：高功率鋰二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高功率鋰二次電池，更特別地，涉及包含復(fù)合多孔隔膜、正極和負(fù)極的高功率鋰二次電池，所述復(fù)合多孔隔膜包含涂覆有粘合劑聚合物或粘合劑聚合物/無機(jī)粒子的混合物的基材，所述正極和負(fù)極包含未涂覆活性材料并布置在電極組件的上部和下部中的至少一個中且不在電極組件卷繞末端中的未涂覆部，其中正極極耳(tab)和負(fù)極極耳連接至所述未涂覆部。僅有未涂覆部布置在果凍卷(jelly-roll)形狀的上部和下部中的至少一個中，由此基本上提供了其中將正極、隔膜和負(fù)極一體化形成的層壓結(jié)構(gòu)，這縮短了電流應(yīng)流過的距離，由此降低了電阻并提高了電池的輸出。
背景技術(shù)：
隨著近來人們對能量存儲技術(shù)的興趣的增加，對電池的研究和開發(fā)嘗試變得更加令人關(guān)注。在這些情況下，電化學(xué)裝置吸引了大部分注意力，且在這種裝置中，人們對可再充電的二次電池的開發(fā)的興趣最大。隨著對便攜式電子器件的需求的顯著增加，對二次電池的需求也顯著增加。在這種二次電池中，具有高能量密度、高放電電壓和優(yōu)異的輸出穩(wěn)定性的鋰二次電池取得了顯著的領(lǐng)先。高功能和微型化電子器件的制備導(dǎo)致要求二次電池也具有高性能、微型尺寸并可以以多種形式獲得。例如，由于筆記本計算機(jī)的厚度主要取決于其二次電池的尺寸，所以正在進(jìn)行多種研究嘗試以降低二次電池的厚度，提高其容量和性能、并改變其形狀。另外，隨著環(huán)境成為更嚴(yán)重的憂慮，加速了使用二次電池的電動車輛和混合電動車輛的開發(fā)，以解決全球變暖問題。鋰二次電池包含電解質(zhì)和浸入所述電解質(zhì)中的電極組件。所述電極組件包含涂覆有正極混合物的正極，所述正極混合物包含鋰過渡金屬氧化物作為活性材料；涂覆有負(fù)極混合物的負(fù)極，所述負(fù)極混合物包含碳類活性材料；和隔膜。由于鋰離子通過電解質(zhì)進(jìn)行遷移，所以如果電解質(zhì)發(fā)生泄漏，則鋰過渡金屬可能暴露在空氣中而造成電池爆炸。此外， 由電池過充電造成的化學(xué)反應(yīng)可能增加電池殼的內(nèi)壓，從而導(dǎo)致電池爆炸。為了解決這些問題，鋰離子電池需要一種保護(hù)電路。就這點而論，由于鋰離子電池具有爆炸的可能，所以以具有保護(hù)電路的包的形式提供商業(yè)化的鋰離子電池。安全性是使用非水電解質(zhì)的鋰或鋰離子電池的最重要因素。其中，特別重要的是阻止短路和過充電。根據(jù)用于這種二次電池的正極、負(fù)極和電解質(zhì)的材料，將這種二次電池分為鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池，根據(jù)其形狀，將電池進(jìn)一步分為圓柱形電池、 棱形電池和袋形電池。關(guān)于電池的形狀，棱形電池和袋形電池的需求量高，所述電池薄且能夠用于諸如移動式電話的產(chǎn)品中。在材料方面，具有高能量密度、高放電電壓和優(yōu)異安全性的鋰離子電池如鋰鈷聚合物電池是受歡迎的。
對二次電池的研究的主要領(lǐng)域是提高安全性。當(dāng)鋰二次電池在異常條件如內(nèi)部短路、在電流和電壓超過允許閥值的充電狀態(tài)中運行時，當(dāng)暴露在高溫下或經(jīng)受因降落而造成的碰撞時，電池的內(nèi)部溫度和壓力可能升高，從而導(dǎo)致電池爆炸。圖1是說明相關(guān)領(lǐng)域中典型構(gòu)造的袋形聚合物二次電池100的示意圖。參考圖 1，所述袋形聚合物二次電池100包含袋形電池殼10和電極組件50。所述殼10包含具有上片IOa和下片IOb的鋁層壓片。所述殼10用于容納電極組件50，所述電極組件50包含正極、負(fù)極和布置在其間的隔膜(未示出)，且將所述殼10密封，使得連接至電極組件50的正極極耳21和負(fù)極極耳31的電極導(dǎo)線22和32露在所述殼10的外部。在如圖1中所示的典型的袋形聚合物二次電池中，對正極、隔膜和負(fù)極進(jìn)行堆疊， 且各個正極和負(fù)極包含未涂覆部(極耳)。在這種情況下，將電極組件的各個層的正極極耳連接至正極導(dǎo)線，并將各個層的負(fù)極極耳連接至負(fù)極導(dǎo)線，由此降低電阻。圖2、3和4是說明相關(guān)領(lǐng)域中具有果凍卷形狀的棱形電池的示意圖。利用位于其間的隔膜40對正極20和負(fù)極30進(jìn)行卷繞。利用正極活性材料M對構(gòu)成正極20的正極集電極23的兩個表面中的至少一個表面進(jìn)行涂覆。所述正極集電極23的活性材料涂覆起始部和活性材料涂覆末端部中的至少一個部具有未涂覆正極活性材料M的未涂覆部25。 在圖2中，在活性材料涂覆起始部和活性材料涂覆末端部兩個部處都布置了未涂覆部25。構(gòu)成負(fù)極30的負(fù)極集電極33的兩個表面中的至少一個涂覆有負(fù)極活性材料34。 所述負(fù)極集電極33的活性材料涂覆起始部和活性材料涂覆末端部中的至少一個部具有未涂覆負(fù)極活性材料；34的未涂覆部35。在圖2中，在負(fù)極集電極33的活性材料涂覆起始部和活性材料涂覆末端部這兩個部處都布置了未涂覆部35。涂布到正極集電極23上的正極活性材料M和涂布到負(fù)極集電極33上的負(fù)極活性材料；34具有預(yù)定的寬度，并以果凍卷形狀對正極20和負(fù)極30進(jìn)行卷繞以形成電池。負(fù)極活性材料34的寬度可大于正極活性材料M的寬度。所述負(fù)極30和正極20具有外部連接的端子。如圖2中所示，將正極極耳22布置在未涂覆部25上，所述未涂覆部25是未涂覆正極活性材料M的起始部，并將負(fù)極極耳32 布置在未涂覆部35上，所述未涂覆部35是未涂覆負(fù)極活性材料34的末端部。由此，當(dāng)對正極20、負(fù)極30和布置在其間的隔膜40進(jìn)行卷繞時，在未涂覆正極活性材料M的卷的起始部處布置未涂覆部25，并在未涂覆負(fù)極活性材料34的卷的末端部處布置未涂覆部35。因此，將以果凍卷形狀卷繞的電極組件連接至作為外部端子的正極極耳 22和負(fù)極極耳32。如圖3中所示，將正極極耳22連接至果凍卷形狀最內(nèi)部的未涂覆部25， 并將負(fù)極極耳32連接至果凍卷形狀最外部的未涂覆部35。將按上述構(gòu)造的電極組件容納在如圖4中所示的棱形電池中。如上所述，由于將正極極耳22和負(fù)極極耳23分別布置在起始部和末端部中，所以電流應(yīng)流過的距離增大，由此電阻也增大。因此，按上述構(gòu)造的電池可能不適合用于要求高輸出功率的電動工具、電動車輛(EV)、混合電動車輛(HEV)和插電式混合電動車輛(PHEV)。此外，在典型的棱形電池中，未將包含正極、隔膜和負(fù)極的電極組件一體化。如果對典型的棱形電池的電極組件進(jìn)行一體化，則可有助于隨后的工藝如極耳焊接工藝和將電極組件插入到外部部件中的工藝，能夠抑制因充電和放電期間活性材料的收縮和膨脹所造成的電極組件的扭曲，并能夠阻止因外部震動而造成的短路，由此提高了電池的安全性。
因此，需要一種高功率二次電池，其包含具有通過隔膜而一體化的正極和負(fù)極的電極組件，且具有提高的加工性和安全性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的一個方面提供包含在電極的起始部或末端部之外的電極極耳的電極組件和高功率二次電池，其有助于在形成電極組件之后的后續(xù)工藝并可抵抗外部震動。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在電極的縱向上在電極的上部和下部中的至少一個中布置未涂覆部，而不是在正極或負(fù)極的集電極箔的起始或末端部上布置未涂覆部，并將活性材料涂布到所述未涂覆部之外。另外，將布置在電極上部和下部中的至少一個中的未涂覆部連接至電極極耳以縮短電流應(yīng)流過的距離，由此降低電阻并提高電池的輸出。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，復(fù)合多孔隔膜包含涂覆有粘合劑聚合物或粘合劑聚合物與無機(jī)粒子的混合物的基材。通過對正極、負(fù)極和布置在其間的復(fù)合多孔隔膜進(jìn)行卷繞而形成的電極組件具有通過壓制加工而形成的一體化層壓結(jié)構(gòu)，由此有助于后續(xù)工藝并提高電池對外部震動的安全性。由此，本發(fā)明的實施方案提供一種縮短了電流應(yīng)流過的距離、由此降低了電阻的電極組件；包含所述電極組件的高功率二次電池；和包含多個二次電池的中大型電池。有益效果根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在電極的縱向上在電極組件的上部和下部中的至少一個中布置未涂覆部，并將所述未涂覆部連接至電極極耳，這縮短了電流應(yīng)流過的距離，由此降低了電阻并提高了電池的輸出。根據(jù)本發(fā)明實施方案的隔膜是包含涂覆有粘合劑聚合物的基材的隔膜、或包含涂覆有粘合劑聚合物和無機(jī)粒子形成的有機(jī)/無機(jī)混合物的基材的復(fù)合隔膜，以提供其中將正極、隔膜和負(fù)極一體化形成的層壓結(jié)構(gòu)，由此有助于電池制造工藝并提高電池的性能和安全性。另外，由于通過熱壓制加工將包含復(fù)合多孔隔膜的果凍卷形電極組件一體化，所以能夠?qū)⑺鲭姌O組件應(yīng)用于袋形電池和棱形電池中。另外，由于根據(jù)本實施方案的電極組件具有其中通過隔膜將正極和負(fù)極一體化的層壓結(jié)構(gòu)，所以有助于制造二次電池的后續(xù)工藝并能夠制造具有提高的安全性的二次電池。另外，在根據(jù)本發(fā)明實施方案的二次電池中，將連接至電極極耳的未涂覆部連續(xù)布置在電極組件的上部和下部中的至少一個中，由此阻止了因卷繞圈數(shù)的增大而導(dǎo)致的電阻的增大。由此，將根據(jù)本發(fā)明實施方案的二次電池相互連接以用作如下設(shè)備用中大型電池需要高功率的由電動機(jī)提供功率的電動工具；包括混合電動車輛(HEV)和插電式混合電動車輛(PHEV)的電動車輛(EV)；包括電動自行車和電動滑板車的電動雙輪車輛；以及電動高爾夫球車，但不限于此。


為了進(jìn)一步理解本發(fā)明而提供了附圖，將所述附圖并入本說明書中且所述附圖構(gòu)成了本說明書的一部分。所述

了本發(fā)明的示例性實施方案，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1是說明相關(guān)領(lǐng)域中袋形電池的透視圖；圖2是說明相關(guān)領(lǐng)域中棱形電池的電極組件的示意圖；圖3是說明在以果凍卷形狀卷繞之后圖2的電極組件的透視圖；圖4是說明容納圖3的電極組件的棱形電池的透視圖；圖5 7是說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的電極組件的示意圖；圖8 11是說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的以果凍卷形狀卷繞的電極組件的透視圖；圖12是說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的在袋形外部部件中容納的電極組件的透視圖；圖13是說明電池阻抗的圖，所述電池包含根據(jù)實施例1和比較例1的果凍卷形電極組件；且圖14是顯示在根據(jù)實施例1和比較例2的熱壓制工藝和室溫壓制工藝前后的果凍卷形電極組件的表。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的實施方案，電極組件包含正極、負(fù)極和隔膜。所述正極包含正極未涂覆部，所述未涂覆部為正極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分。所述負(fù)極包含負(fù)極未涂覆部，所述未涂覆部為負(fù)極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分。將所述未涂覆部布置在電極的縱向上的電極組件的上部和下部中的至少一個中。將正極極耳和負(fù)極極耳連接至所述未涂覆部。所述隔膜為包含涂覆有粘合劑聚合物或由粘合劑聚合物和無機(jī)粒子形成的有機(jī)/無機(jī)混合物的基材的復(fù)合多孔隔膜。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，二次電池包含電極組件，且中大型電池包含所述二次電池。以多個的形式提供所述二次電池，并將所述二次電池相互連接以形成所述中大型電池?，F(xiàn)在，在下文中將參考附圖對示例性實施方案進(jìn)行更充分的說明；然而，可以以不同的形式實施本發(fā)明，且不能將本發(fā)明解釋為受限于本文中所述的實施方案。更確切地說， 提供這些實施方案從而使得本發(fā)明透徹并完整，并將本發(fā)明的范圍完全傳達(dá)給本領(lǐng)域中的技術(shù)人員。下文中，將參考附圖對實施方案進(jìn)行詳細(xì)說明。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，將正極和負(fù)極的未涂覆部布置在電極的縱向上的電極的上部和下部中的至少一個中。電極組件包含多孔隔膜或有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜，所述有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜包含涂覆有由無機(jī)粒子和粘合劑聚合物形成的活性層的基材。將包含正極、負(fù)極和布置在其間的隔膜的電極組件以果凍卷形狀進(jìn)行卷繞、并進(jìn)行壓制，從而具有一體化層壓結(jié)構(gòu)。參考圖5 7，將正極和負(fù)極的未涂覆部布置在電極縱向上的電極的上部和下部中的至少一個中。
參考圖5，將正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135布置在電極縱向上電極的上部中。參考圖6，將正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135布置在在電極縱向上的電極的下部中。如圖5和6中所示，當(dāng)將正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135兩者都布置在電極縱向上的電極的上部和下部中的一個部分中時，正極極耳可不與負(fù)極極耳重疊。參考圖7，將正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135布置在電極縱向上的電極的上部和下部中。具體地，參考圖7，從與正極集電極123的上端間隔預(yù)定距離的位置將包含正極活性材料、粘合劑和導(dǎo)電材料的正極活性材料漿體均勻地涂布到正極120的正極集電極 123的至少一個表面上，從而形成正極活性材料涂覆部124。由此，向下延伸至與正極集電極123的上端間隔預(yù)定距離的位置的區(qū)域，即未涂覆正極活性材料的部分是正極未涂覆部 125，并布置在正極集電極123的縱向上的正極集電極123的上部中。將布置在正極集電極123的上部中的正極未涂覆部125與上端隔開，使得能夠?qū)⒄龢O極耳焊接到正極未涂覆部125上。例如，正極未涂覆部125可與上端隔開約Imm 約 20mm的距離。從與負(fù)極集電極133的下端間隔預(yù)定距離的位置將包含負(fù)極活性材料、粘合劑和導(dǎo)電材料的負(fù)極活性材料漿體均勻地涂布到負(fù)極130的負(fù)極集電極133的至少一個表面上，從而形成負(fù)極活性材料涂覆部134。由此，將未涂覆負(fù)極活性材料的負(fù)極未涂覆部135 完全布置在負(fù)極集電極133的下部中。將布置在負(fù)極集電極133下部中的負(fù)極未涂覆部135與下端隔開，使得能夠?qū)⒇?fù)極極耳焊接到負(fù)極未涂覆部135上。例如，負(fù)極未涂覆部135可與下端隔開約Imm 約20mm 的距離。盡管在圖7中將正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135分別布置在電極組件的縱向上的電極組件的上部和下部中，但是可以將正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135分別布置在電極組件在縱向上的下部和上部中。即，當(dāng)以果凍卷形狀對電極組件進(jìn)行卷繞時，可以將正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135布置在電極組件的縱向上的電極組件的上部和下部中的至少一個中。由此，根據(jù)當(dāng)前的實施方案，根據(jù)正極未涂覆部125和負(fù)極未涂覆部135的位置， 可以將正極極耳和負(fù)極極耳布置在相同側(cè)或彼此相反的側(cè)上。由此，將正極和負(fù)極活性材料涂覆部IM和134布置在電極組件至少一個表面上的電極組件的上部和下部中的至少一個中，并與所述電極組件的上端或下端隔開正極和負(fù)極未涂覆部125和135的長度。隔膜140布置在正極120與負(fù)極130之間。盡管正極和負(fù)極未涂覆部125和135 的位置按上述變化，但是隔膜140的尺寸和位置與圖2、5、6和7中相同。即，即使當(dāng)將正極和負(fù)極未涂覆部125和135布置在電極組件的上部和下部中時，仍不必改變隔膜140，條件是隔膜140可覆蓋正極和負(fù)極活性材料涂覆部124和134。布置在正極120與負(fù)極130之間以使得正極120與負(fù)極130絕緣的隔膜140是一種復(fù)合多孔隔膜，其包含涂覆有粘合劑聚合物或粘合劑聚合物與無機(jī)粒子的混合物的基材。S卩，通過利用粘合劑聚合物對基材進(jìn)行涂覆、或者通過利用粘合劑聚合物與無機(jī)粒子的有機(jī)/無機(jī)混合物對基材進(jìn)行涂覆來形成所述復(fù)合多孔隔膜。在構(gòu)成基材時使用的粘合劑聚合物的實例包括聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚環(huán)氧乙烷、乙酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、乙酸丙酸纖維素、 氰乙基普魯蘭、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纖維素、氰乙基蔗糖、普魯蘭、羧甲基纖維素、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚酰亞胺及它們的混合物，但不限于此。此外，可使用任意材料或其混合物，條件是所述材料具有上述特性。所述有機(jī)/無機(jī)復(fù)合隔膜是有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜，其包含具有多孔部的基材；和利用多孔無機(jī)粒子和粘合劑聚合物的混合物對基材的表面和多孔部的一部分這兩者中的至少一個進(jìn)行涂覆而形成的活性層。將具有約50nm以上直徑的多個大孔布置在多孔無機(jī)粒子中以提供多孔結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前的實施方案中，使用多孔無機(jī)粒子來構(gòu)成所述有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜， 在所述多孔無機(jī)粒子中布置具有約50nm以上的均勻直徑和均勻形狀的多個大孔。在相關(guān)技術(shù)中，由于用作隔膜的成分和涂覆材料的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合層包含無機(jī)粒子，所以能夠確保電池的安全性。然而，由于無機(jī)粒子是無孔粒子，所以電池的重量增加。然而，在當(dāng)前的實施方案中，由于多孔無機(jī)粒子在其中具有多個大孔，所以能夠提高電池的安全性和性能，并能夠大大降低其重量。由于電池的重量下降，所以單位電池重量的能量密度增加。在根據(jù)當(dāng)前實施方案的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜中，在基材表面和多孔部的一部分中的至少一個上涂布的成分可以為本領(lǐng)域中任何熟知的無機(jī)粒子，條件是所述無機(jī)粒子具有使因電解質(zhì)分子而溶劑化的鋰離子可通過孔的孔徑大小。例如，所述孔可以為具有約 50nm以上直徑的大孔。所述大孔可單獨布置在粒子中、或者所述大孔可相互連接。所述無機(jī)粒子可包括選自如下的至少一種BaTi03、Pb (Zr，Ti) O3 (PZT)、 PbhLgtxZivyTiyO3(PLZT)、PBG\fe3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、二氧化鉿(HfO2)、SrTiO3> SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3> A1203、TiO2, SiC 及它們的混合物，但不限于此。所述無機(jī)粒子可具有約0. 1 μ m 約10 μ m的尺寸，但不限于此。如果所述無機(jī)粒子具有約0. 1 μ m以下的尺寸時，則由于分散性能下降，所以難以控制有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。如果所述無機(jī)粒子具有大于約10 μ m的尺寸，則使用相同含量的固體制造的所述有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜的厚度增大，從而使得機(jī)械性能下降。另外，過大的孔徑可能在電池的充電和放電期間提高短路的可能性。有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜的有機(jī)成分穩(wěn)定地固定無機(jī)粒子上以提高結(jié)構(gòu)安全性， 并提高離子傳導(dǎo)率和電解質(zhì)浸漬速率，從而提高電池的性能。為此，所述有機(jī)成分可以為不溶于電解質(zhì)且不會因電解質(zhì)的溶脹而凝膠化的粘合劑聚合物。所述粘合劑聚合物可包括聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚環(huán)氧乙烷、乙酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、乙酸丙酸纖維素、氰乙基普魯蘭、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纖維素、氰乙基蔗糖、普魯蘭、羧甲基纖維素、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚酰亞胺或其混合物，但不限于此。此外，可使用任意材料或其混合物，條件是所述材料具有上述特性。所述有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合層可包含典型的添加劑以及多孔無機(jī)粒子和粘合劑聚合物。由粘合劑聚合物或粘合劑聚合物/無機(jī)粒子形成的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜的基材可以為具有多孔部的任意多孔隔膜基材。例如，所述基材可以為聚烯烴類基材或耐熱性多孔基材，其為本領(lǐng)域中所典型使用的。特別地，所述耐熱性多孔基材阻止了因內(nèi)熱和外熱中的至少一種所造成的隔膜的收縮，由此確保了有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜的熱安全性。所述有機(jī)/無機(jī)復(fù)合多孔隔膜的基材可包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚酯、聚縮醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯、它們的混合物或耐熱性工程塑料，但不限于此?，F(xiàn)在，參考圖2 11，對根據(jù)本發(fā)明實施方案的電極的結(jié)構(gòu)和根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳細(xì)地說明。將活性材料涂布到正極集電極23和123以及負(fù)極集電極33 和133上，從而形成正極和負(fù)極。當(dāng)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)將未涂覆部25和35布置在電極的橫向上的起始部和末端部時， 從與所述起始部和末端部中的至少一個間隔與所述未涂覆部25和35相對應(yīng)的距離的位置處開始涂布活性材料。由此，當(dāng)將正極和負(fù)極中的一個電極的未涂覆部布置在電極的起始部處時，將所述未涂覆部布置在卷結(jié)構(gòu)的最內(nèi)部分中。當(dāng)將正極和負(fù)極中的一個電極的未涂覆部布置在電極的末端部處時，將未涂覆部布置在卷結(jié)構(gòu)的最外部分中。將所述未涂覆部布置在起始部或末端部處，并將所述未涂覆部連接至正極極耳和負(fù)極極耳。將按上述構(gòu)造的電極組件容納在如圖4中所示的棱形電池中。然而，參考圖5，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，將活性材料涂布到電極橫向上電極的起始部和末端部上而不形成未涂覆部。由于將正極和負(fù)極未涂覆部125和135布置在電極縱向上的電極組件的上部和下部中的至少一個中，所以將活性材料涂布到電極橫向上的起始部和末端部上而無未涂覆部，但未涂覆到電極組件的上部和下部中的至少一個上，從而使得活性材料與電極組件的上端和下端中的至少一個間隔剛好與正極和負(fù)極未涂覆部125 和135相對應(yīng)的距離。將這種結(jié)構(gòu)同樣應(yīng)用于圖5的情況、圖6的情況和圖7的情況中，在圖5中正極未涂覆部和負(fù)極未涂覆部兩者都布置在電極的上部，在圖6中正極未涂覆部和負(fù)極未涂覆部兩者都布置在電極的下部，在圖7中正極未涂覆部和負(fù)極未涂覆部布置在電極的上部和下部。如圖8中所示，以果凍卷形狀對按上述構(gòu)造的正極和負(fù)極以及布置在其間的隔膜進(jìn)行卷繞。在這種情況下，將正極和負(fù)極未涂覆部125和135分別布置在電極組件縱向上的電極組件的上部和下部中，這與相關(guān)領(lǐng)域不同，在相關(guān)領(lǐng)域中將未涂覆部25和35布置在電極橫向上的卷繞起始部和末端部中。如圖9中所示，將正極和負(fù)極未涂覆部125和135分別連接至極耳122和132。參考圖10和11，將正極和負(fù)極未涂覆部125和135兩者都布置在下部，并將其分別連接至極耳 122 和 132。將圖8和9中的電極組件容納在如圖12中所示的袋形外部部件中。結(jié)果，在根據(jù)本發(fā)明實施方案的二次電池中，將連接至極耳的未涂覆部連續(xù)布置在電極組件的上部和下部中的至少一個中，由此阻止了因卷繞圈數(shù)的增加而造成的電阻的增大。由此，可將根據(jù)本發(fā)明實施方案的二次電池相互連接以用作如下設(shè)備用中大型電池 需要高功率的由電動機(jī)提供功率的電動工具；包括混合電動車輛(HEV)和插電式混合電動車輛(PHEV)的電動車輛(EV)；包括電動自行車和電動滑板車的電動雙輪車輛；以及電動高爾夫球車。根據(jù)上述實施方案制造的電極組件具有其中通過壓制工藝而一體化形成正極、隔膜和負(fù)極的層壓結(jié)構(gòu)。所述壓制工藝可以為熱壓制工藝或熱壓縮壓制工藝，但不限于此，條件是在恒壓下能夠形成一體化層壓結(jié)構(gòu)。壓制工藝的壓制溫度、保持時間和壓力可以隨粘合劑以及果凍卷的形狀和厚度而變化。當(dāng)對正極、隔膜和負(fù)極進(jìn)行卷繞以制造卷繞型電極時，可以將隔膜與各個電極隔開以在其間形成波浪形狀。在這種情況下，可能難以將電極組件插入到諸如罐的外部部件中，并可能影響電池的安全性。此外，由于根據(jù)本實施方案的電極組件具有其中通過隔膜而將正極和負(fù)極一體化的層壓結(jié)構(gòu)，所以可有助于隨后的工藝如極耳焊接工藝和將電極組件插入到外部部件中的工藝，并能夠抑制因充電和放電期間活性材料的收縮和膨脹而造成的電極組件的扭曲，并能夠阻止因外部震動所造成的短路，由此提高了安全性。S卩，由于根據(jù)本實施方案的電極組件具有其中通過隔膜將正極和負(fù)極一體化的層壓結(jié)構(gòu)，所以有助于用于制造二次電池的后續(xù)工藝，并能夠制造具有提高的安全性的二次電池。此外，如果將形成層壓結(jié)構(gòu)的工藝除去，則能夠?qū)⒈景l(fā)明的實施方案應(yīng)用于圓柱形電池，其中在所述層壓結(jié)構(gòu)中通過熱壓制工藝而一體化形成正極、隔膜和負(fù)極。可以將根據(jù)本發(fā)明實施方案的正極活性材料與包含鋰嵌入材料作為主要成分的化合物混合。所述鋰嵌入材料可包括層狀化合物如鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物 (LiNiO2)、或利用至少一種過渡金屬取代的化合物；鋰錳氧化物如化學(xué)式Li1+xMn2_x04(其中 χ 為 0 0. 33)、LiMn03、LiMn2O3 和 LiMnO2 ；鋰銅氧化物(Li2CuO2)；釩氧化物如 LiV3O8, LiFe3O4J2O5 和 Cu2V2O7 ；由化學(xué)式 LiNi1JMxO2 (其中 M = Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B 或 Ga，且 χ =0. 01 0. 3)表示的鎳(nickelcite)鋰化的鎳氧化物；由化學(xué)式LiMn2_xMx02 (其中M = Co、Ni、Fe、Cr、Zn 或 Ta，且 χ = 0. 01 0. 1)或 Li2Mn3MO8(其中 M = Fe、Co、Ni、Cu 或 Zn) 表示的鋰錳復(fù)合氧化物；化學(xué)式的一部分鋰被堿土金屬離子取代的LiMn2O4 ；二硫化物化合物；或由F^(M0O4)3形成的復(fù)合氧化物或其組合。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明實施方案的隔膜為包含涂覆有粘合劑聚合物的基材的隔膜、或為包含涂覆有由粘合劑共聚物和無機(jī)粒子形成的有機(jī)/無機(jī)混合物的基材的復(fù)合隔膜時，所述粘合劑聚合物使得可以有助于層壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在所述層壓結(jié)構(gòu)中通過熱壓制工藝將正極、隔膜和負(fù)極一體化。由此，其中將正極、隔膜和負(fù)極一體化的層壓結(jié)構(gòu)使得可有助于電池制造工藝并可提高電池的性能和安全性。另外，由于將包含復(fù)合多孔隔膜的果凍卷形電極組件一體化，所以能夠?qū)⑺鲭姌O組件應(yīng)用于袋形電池以及棱形電池中。正極集電極具有約3 μ m 約500 μ m的厚度。所述正極集電極可以是任意集電極， 條件是所述集電極不會在電池中引起化學(xué)變化并具有高電導(dǎo)率。例如，所述正極集電極可由不銹鋼、鋁、鎳、鈦、焙燒碳、或利用碳、鎳、鈦或銀表面處理過的鋁或不銹鋼形成。所述正極集電極可具有不平坦的表面以提高與活性材料的粘合強(qiáng)度，且可包括膜、片、箔、網(wǎng)、多孔體、泡沫體或非織造體。含所述正極活性材料的混合物包含約1重量％ 約50重量％的導(dǎo)電材料。所述導(dǎo)電材料可以是任意材料，條件是所述導(dǎo)電材料不會在電池中引起化學(xué)變化并具有導(dǎo)電性。 例如，所述導(dǎo)電材料可包括石墨如天然石墨和人造石墨；炭黑如乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、 爐黑、燈黑和夏黑；導(dǎo)電纖維如碳纖維和金屬纖維；金屬粉末如碳氟、鋁和鎳粉；導(dǎo)電晶須如氧化鋅和鈦酸鉀；導(dǎo)電氧化物如二氧化鈦；或聚亞苯基衍生物。粘合劑對活性材料、導(dǎo)電材料和集電極進(jìn)行粘合。含正極活性材料的混合物包含約1重量％ 約50重量％的粘合劑。例如，所述粘合劑可包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、 羧甲基纖維素(CMC)、糊精、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-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化的EPDM、苯乙烯丁烯橡膠、氟橡膠和多種共聚物中的一種。填料可以為用于抑制正極溶脹的任意材料，條件是所述填料不會在電池中引起化學(xué)變化并具有纖維狀結(jié)構(gòu)。例如，所述填料可包括烯烴類共聚物如聚乙烯和聚丙烯；或纖維狀材料如玻璃纖維和碳纖維。通過將負(fù)極材料涂布到負(fù)極集電極上并對其進(jìn)行干燥來形成所述負(fù)極，且如果需要，所述負(fù)極可包含上述成分。負(fù)極集電極具有約3 μ m 約500 μ m的厚度。所述負(fù)極集電極可包含任意材料， 條件是所述集電極不會在電池中引起化學(xué)變化并具有導(dǎo)電性。例如，所述負(fù)極集電極可包含銅、不銹鋼、鋁、鎳、鈦、焙燒碳；或利用碳、鎳、鈦或銀表面處理過的銅或不銹鋼；或鋁-鎘合金。與正極集電極類似，所述負(fù)極集電極可具有不平坦的表面以提高與活性材料的粘合強(qiáng)度，且可包括膜、片、箔、網(wǎng)、多孔體、泡沫體或非織造體。負(fù)極活性材料包括無定形碳或結(jié)晶碳。具體地，負(fù)極材料可包括碳如硬碳和石墨類碳；復(fù)合金屬氧化物如LixFii203 (0 彡 χ 彡 l)、LixW02(0 彡 χ彡 1)和 SnxMe1JMe' y0z(Me :Mn、 佝、Pb或Ge ；Me' :Al、B、P、Si、I族、II族和III族元素、或鹵素；0<x彡1;1彡y彡3; 1 ^ ζ ^ 8)；鋰金屬；鋰合金；硅類合金；錫類合金；氧化物如SnO、SnO2, PbO、PbO2, Pb203、 Pb304、Sb203、Sb204、Sb205、Ge0、Ge02、Bi203、Bi2O4 和 Bi2O5 ；導(dǎo)電聚合物如聚乙炔；或 Li-Co-Ni 類材料。根據(jù)本發(fā)明實施方案的電解質(zhì)層包含非水電解質(zhì)和鋰鹽。所述非水電解質(zhì)可以為固體電解質(zhì)或無機(jī)固體電解質(zhì)。例如，所述非水電解質(zhì)可包含非質(zhì)子有機(jī)溶劑如N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸亞丙酯、碳酸亞乙酯、碳酸亞丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、Y-丁內(nèi)酯、1，2_ 二甲氧基乙烷、四羥基呋喃、2-甲基四氫呋喃、二甲亞砜、1，3_ 二氧戊環(huán)、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊環(huán)、 乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊環(huán)衍生物、環(huán)丁砜、 甲基環(huán)丁砜、1，3-二甲基-2-咪唑啉酮、碳酸亞丙酯衍生物、四氫呋喃衍生物、醚、丙酸甲酯和丙酸乙酯。例如，所述有機(jī)固體電解質(zhì)可包括包含聚乙烯衍生物、聚環(huán)氧乙烷衍生物、聚環(huán)氧丙烷衍生物、磷酸酯聚合物、poly agitation lysine、聚酯硫醚、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯或離子分解劑的共聚物。例如，所述無機(jī)固體電解質(zhì)包括Li類氮化物如Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、 LiSi04、LiSi04_LiI-Li0H、Li2SiS3、Li4Si04、Li4Si04-LiI-Li0H 和 Li3PO4-Li2S-SiS2 ；鹵化物； 或硫酸鹽。所述鋰鹽易溶于非水電解質(zhì)中。例如，所述鋰鹽可包括LiCl、LiBr, Lil、LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3S03、LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li、CF3SO3Li、 (CF3SO2) 2NLi、氯硼烷鋰、低級脂族羧酸鋰、四苯基硼酸鋰或酰亞胺。此外，為了提高放電和充電特性以及阻燃性，能夠向非水電解質(zhì)中添加下列化合物。實例包括吡啶、亞磷酸三乙酯、三乙醇胺、環(huán)醚、乙二胺、正甘醇二甲醚、六磷酸三酰胺 (hexaphosphoric triamide)、硝基苯衍生物、硫、醌亞胺染料、N-取代的嗯唑烷酮、N， N-取代的咪唑烷、乙二醇二烷基醚、銨鹽、吡咯、2-甲氧基乙醇和三氯化鋁。為了為電解質(zhì)提供不燃性，所述電解質(zhì)可還包含含鹵素的溶劑如四氯化碳和三氟乙烯。此外，為了提高高溫儲存特性，所述電解質(zhì)可包含二氧化碳?xì)怏w。根據(jù)本發(fā)明的鋰二次電池的應(yīng)用實例包括其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的所有裝置如初次和二次電池、燃料電池、太陽能電池和電容器。作為二次電池的鋰二次電池的實例包括鋰金屬二次電池、鋰離子二次電池、鋰聚合物二次電池和鋰離子聚合物二次電池。作為單元電池，可以以熟知的方法將按上述構(gòu)造的電池相互連接，以用作可應(yīng)用于需要高功率的電動工具、EV、HEV和PHEV的中大型電池。現(xiàn)在，根據(jù)下列實施例對根據(jù)本發(fā)明的鋰二次電池進(jìn)行更詳細(xì)地說明，但本發(fā)明不限于此。實施例1通過以果凍卷形狀對正極、負(fù)極和布置在其間的隔膜進(jìn)行卷繞，形成了電極組件。 所述正極包含具有未涂覆部的正極集電極，所述未涂覆部為未涂覆活性材料的部分。所述負(fù)極包含具有未涂覆部的負(fù)極集電極，所述未涂覆部為未涂覆活性材料的部分。如圖7中所示，所述未涂覆部布置在電極縱向上的電極的上部和下部中。將正極極耳和負(fù)極極耳連接至所述未涂覆部。所述隔膜為復(fù)合多孔隔膜，所述復(fù)合多孔隔膜包含涂覆有作為粘合劑聚合物的聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯的聚丙烯基材。對電極組件進(jìn)行設(shè)計，使得正極、隔膜和負(fù)極構(gòu)成如圖9中所示的層壓結(jié)構(gòu)，并制造了包含所述電極組件的電池。實施例2如圖5中所示，將正極和負(fù)極的未涂覆部布置在電極縱向上的電極組件的上部中。將正極極耳和負(fù)極極耳連接至所述未涂覆部。除了隔膜為包含涂覆有作為粘合劑聚合物的聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯和作為無機(jī)粒子的BaTiO3和Al2O3的混合物的聚丙烯基材的復(fù)合多孔隔膜之外，實施例2與實施例1相同。實施例3除了下列之外，實施例3與實施例1相同。如圖6中所示，將正極和負(fù)極的未涂覆部布置在電極縱向上的電極組件的下部中。將正極極耳和負(fù)極極耳連接至未涂覆部。比較例1與實施例1中將未涂覆部布置在電極縱向上的電極組件的上部和下部中不同， 按相關(guān)領(lǐng)域中將未涂覆部布置在電極組件的左部和右部中。將正極極耳和負(fù)極極耳連接至未涂覆部。隔膜是典型的烯烴類隔膜，并通過以典型的卷結(jié)構(gòu)代替層壓結(jié)構(gòu)對電極和隔膜進(jìn)行卷繞來形成電極組件，如圖3中所示。比較例2除了下列之外，比較例2與實施例1相同。隔膜是典型的烯烴類隔膜，并通過以典型的卷結(jié)構(gòu)代替層壓結(jié)構(gòu)對正極、負(fù)極和隔膜進(jìn)行卷繞來形成電極組件，如圖3中所示。根據(jù)C倍率，對根據(jù)實施例1 3以及比較例1和2制造的電池的放電容量進(jìn)行了測量，將其示于表1中。表權(quán)利要求
1.一種電極組件，其包含 正極；負(fù)極；和隔膜，其中所述正極包含正極未涂覆部，所述正極未涂覆部為正極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分，所述負(fù)極包含負(fù)極未涂覆部，所述負(fù)極未涂覆部為負(fù)極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分，所述未涂覆部布置在所述電極的縱向上的所述電極組件的上部和下部中的至少一個中，正極極耳和負(fù)極極耳連接至所述未涂覆部，且所述隔膜為復(fù)合多孔隔膜，其包含涂覆有粘合劑聚合物或由粘合劑聚合物和無機(jī)粒子形成的有機(jī)/無機(jī)混合物的基材。
2.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件包含所述正極、所述隔膜和所述負(fù)極的層壓結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的電極組件，其中所述層壓結(jié)構(gòu)通過對所述電極組件實施熱壓制工藝或熱壓縮壓制工藝而形成。
4.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述未涂覆部與所述電極組件的上端和下端中的至少一端間隔一段距離，以將所述電極極耳焊接到所述未涂覆部上。
5.如權(quán)利要求4所述的電極組件，其中所述未涂覆部與所述電極組件的上端和下端中的至少一端間隔約Imm 約20mm的距離。
6.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述正極極耳和所述負(fù)極極耳布置在彼此相反的側(cè)上。
7.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述正極極耳和所述負(fù)極極耳布置在相同側(cè)上。
8.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述隔膜覆蓋所述正極和負(fù)極的活性材料涂覆部。
9.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件以果凍卷形狀卷繞。
10.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述活性材料布置在所述未涂覆部之外，且涂布到所述電極組件的至少一個表面上。
11.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中構(gòu)成所述隔膜的所述粘合劑聚合物包含如下物質(zhì)中的至少一種聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚環(huán)氧乙烷、乙酸纖維素、乙酸丁酸纖維素、乙酸丙酸纖維素、氰乙基普魯蘭、氰乙基聚乙烯醇、 氰乙基纖維素、氰乙基蔗糖、普魯蘭、羧甲基纖維素、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚酰亞胺及它們的混合物。
12.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述無機(jī)粒子包含選自如下物質(zhì)中的至少一種BaTi03、Pb(Zr，Ti)03(PZT) ,Pb1_xLaxZr1_yTiy03 (PLZT),PB (Mg3Nb273) O3-PbTiO3 (PMN-PT)、二氧化鉿(HfO2)、SrTiO3> SnO2, CeO2, MgO、NiO、CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3> A1203、TiO2, SiC 及它們的混合物。
13.如權(quán)利要求12所述的電極組件，其中所述無機(jī)粒子包含多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)在其中具有直徑為約50nm以上的多個大孔。
14.如權(quán)利要求1所述的電極組件，其中所述基材包含選自如下物質(zhì)中的至少一種高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚酯、聚縮醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚醚醚酮、 聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯及它們的混合物。
15.一種包含電極組件的二次電池， 其中所述電極組件包含正極； 負(fù)極；和隔膜，其中所述正極包含正極未涂覆部，所述正極未涂覆部為正極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分，所述負(fù)極包含負(fù)極未涂覆部，所述負(fù)極未涂覆部為負(fù)極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分，所述未涂覆部布置在所述電極的縱向上的所述電極組件的上部和下部中的至少一個中，正極極耳和負(fù)極極耳連接至所述未涂覆部，且所述隔膜為復(fù)合多孔隔膜，其包含涂覆有粘合劑聚合物或由粘合劑聚合物和無機(jī)粒子形成的有機(jī)/無機(jī)混合物的基材。
16.如權(quán)利要求15所述的二次電池，其中所述二次電池是棱形電池和聚合物電池中的一種。
17.一種包含權(quán)利要求15的二次電池的中大型電池，其中具有多個所述二次電池，且所述二次電池相互連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包含電極組件的二次電池。所述電極組件包含正極、負(fù)極和隔膜。所述正極包含正極未涂覆部，所述正極未涂覆部為正極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分。所述負(fù)極包含負(fù)極未涂覆部，所述負(fù)極未涂覆部為負(fù)極集電極的一部分中未涂覆活性材料的部分。所述未涂覆部布置在所述電極縱向上的所述電極組件的上部和下部中的至少一個部分中。正極極耳和負(fù)極極耳連接至所述未涂覆部。所述隔膜為復(fù)合多孔隔膜，其包含涂覆有粘合劑聚合物或由粘合劑聚合物和無機(jī)粒子形成的有機(jī)/無機(jī)混合物的基材。本發(fā)明的電極組件具有通過隔膜將正極和負(fù)極集成到一起的層壓結(jié)構(gòu)。由此，電極組件在后續(xù)的制造二級電池的工藝中具有優(yōu)點，能制造安全性改善的二次電池。
文檔編號H01M2/16GK102334216SQ200980156695
公開日2012年1月25日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者李漢浩, 金鐘桓 申請人:株式會社Lg化學(xué)