本發(fā)明涉及一種極板結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種電池的極板結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

在各種技術(shù)領(lǐng)域中，常需要一(上)材料層完全覆蓋另一(下)材料層的上表面與側(cè)表面的多層結(jié)構(gòu)。然而，目前技術(shù)仍有需要改善的問題。例如凹版印刷只能進(jìn)行全幅涂布，無法達(dá)到基材的邊緣留白控制(edge control)。浸沾式涂布僅能進(jìn)行雙面同時涂布，無法只在單一面進(jìn)行涂布，也無法達(dá)到邊緣留白控制，且涂膜厚度控制不易。一般狹縫式涂布中，上材料層無法完全覆蓋下材料層。

當(dāng)無法符合需求的結(jié)構(gòu)應(yīng)用至產(chǎn)品(例如電池的極板結(jié)構(gòu))時，會使得產(chǎn)品效能降低，甚至使用上會有安全疑慮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種極板結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的一實(shí)施例，提出一種極板結(jié)構(gòu)，其包括一集電體、一活性層與一安全防護(hù)層。集電體包括Al、Cu或不銹鋼。活性層鄰接在集電體上，并包括石墨、硅碳或上述的組合。安全防護(hù)層包覆活性層的所有上表面及側(cè)表面，并包含通式為M_xO_y的一氧化物。其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的組合。x介于1～2。y介于1～3。

為了對本發(fā)明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下：

附圖說明

圖1繪示根據(jù)一實(shí)施例的涂布方法示意圖；

圖2繪示根據(jù)一實(shí)施例的涂布方法示意圖；

圖3繪示根據(jù)一實(shí)施例的基材、材料層、涂層與涂布模具；

圖4繪示根據(jù)一比較例的涂布結(jié)果示意圖；

圖5繪示根據(jù)一比較例的涂布結(jié)果示意圖。

【符號說明】

102： 基材

103： 材料層的上表面

104： 材料層

105A： 材料層的左側(cè)表面

105B： 材料層的右側(cè)表面

106： 輥輪

107A： 材料層的左上端點(diǎn)

107B： 材料層的右上端點(diǎn)

108： 涂布模具

110： 凹槽

111A： 涂層的左底表面

111B： 涂層的右底表面

112： 狹縫

113： 材料層的下表面

114： 涂料 116：涂層

A： 中間寬度值

D₁、D₂： 寬度值

h： 厚度值

w： 厚度值

X₁： 左側(cè)表面投影在下表面的寬度值

X₂： 右側(cè)表面投影在下表面的寬度值

Y₁： 左寬度值

Y₂： 右寬度值

θ₁： 左側(cè)表面與下表面之間的夾角

θ₂： 右側(cè)表面與下表面之間的夾角

λ₁、λ₂： 夾角

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明中，為求簡潔，相同的元件將以相同的符號表示。

請參照圖1與圖2，其繪示根據(jù)一實(shí)施例的涂布方法示意圖。柔性基材102上配置有材料層104，并可在涂布機(jī)的輥輪106(或背膠輪)上移動。涂布模具108可包括互相連通的凹槽110與狹縫112。被泵推入凹槽110中的涂料114往狹縫112流動，并從狹縫112排出而涂布在基材102上的材料層104上以形成涂層116。

實(shí)施例中，涂布模具108的狹縫112是根據(jù)配置在基材102上的材料層104做設(shè)計，由此均勻排出涂料114在基材102上的材料層104上，并使得形成的涂層116能包覆材料層104的所有上表面及側(cè)表面，亦即涂層116能完全覆蓋材料層104的寬度范圍。涂層116亦能從材料層104連續(xù)延伸至外側(cè)的部分基材102上。

請參照圖3，其繪示根據(jù)一實(shí)施例的基材102、材料層104、涂層116與具有狹縫112的涂布模具108。一實(shí)施例中，材料層104是以涂布的方式配置在基材102上，然而本發(fā)明并不限于此，材料層104亦可以其他合適的方式配置在基材102上。

狹縫112的總寬度值Q包括中間寬度值A(chǔ)、左寬度值Y₁與右寬度值Y₂。中間寬度值A(chǔ)對應(yīng)材料層104的上表面103的總寬度值。左寬度值Y₁對應(yīng)超出材料層104的左上端點(diǎn)107A的左部分寬度值。右寬度值Y₂對應(yīng)超出材料層104的右上端點(diǎn)107B的右部分寬度值。Q＝A+Y₁+Y₂。

涂布模具108的狹縫112符合以下關(guān)系式(I)、(II)：

上述關(guān)系式(I)、(II)中，h為材料層104的厚度值。舉例來說，當(dāng)材料層104的厚度為40μm時，h厚度值以40表示。類似概念亦可應(yīng)用至其他類似用語，將不再重復(fù)贅述。θ₁為材料層104的左側(cè)表面105A與下表面113之間的夾角。0°＜θ₁≤90°。X₁為材料層104的左側(cè)表面105A投影在下表面113的寬度值，等于θ₂為材料層104的右側(cè)表面105B與下表面113之間的夾角)。0°＜θ₂≤90°。X₂為材料層104的右側(cè)表面105B投影在下表面113的寬度值，等于w為涂層116的厚度值。一實(shí)施例中，完整且連續(xù)涂布在材料層104的上表面103與側(cè)表面(左側(cè)表面105A、右側(cè)表面105B)上的涂層116具有均一的厚度。上述的寬度或厚度的數(shù)值單位可為微米(μm)。

一實(shí)施例中，40≤h≤100，30≤w≤50，50≤Y₁-X₁≤1000，50≤Y₂-X₂≤1000。一實(shí)施例中，w＝30，40≤h≤100，100≤Y₁-X₁≤500，100≤Y₂-X₂≤500。一實(shí)施例中，w＝30，h＝40，100≤Y₁-X₁≤500，100≤Y₂-X₂≤500。一實(shí)施例中，w＝30，h＝70，150≤Y₁-X₁≤450，150≤Y₂-X₂≤450。一實(shí)施例中，w＝30，h＝100，200≤Y₁-X₁≤400，200≤Y₂-X₂≤400。一實(shí)施例中，w＝50，40≤h≤100，50≤Y₁-X₁≤1000，50≤Y₂-X₂≤1000。一實(shí)施例中，w＝50，h＝40，50≤Y₁-X₁≤800，50≤Y₂-X₂≤800。一實(shí)施例中，w＝50，h＝70，75≤Y₁-X₁≤900，75≤Y₂-X₂≤900。一實(shí)施例中，w＝50，h＝100，100≤Y₁-X₁≤1000，100≤Y₂-X₂≤1000。

涂層116的總寬度值B等于涂層116的上表面103的寬度值A(chǔ)、材料層104的左側(cè)表面105A投影在下表面113的寬度值X1、材料層104的右側(cè)表面105B投影在下表面113的寬度值X2、涂層116的左底表面111A的寬度值D₁與涂層116的右底表面111B的寬度值D₂的總和。實(shí)施例中，涂層116的總寬度值B是略小于狹縫112的總寬度值Q。

結(jié)構(gòu)并不限于左右對稱的設(shè)計，亦可視產(chǎn)品實(shí)際需求使用非對稱的設(shè)計。舉例來說，在材料層左右不對稱的情況下，可適當(dāng)?shù)厥褂米笥也粚ΨQ的涂布模具狹縫設(shè)計，以得到涂層覆蓋材料層的所有上表面及側(cè)表面，且涂層具有均一的厚度，或涂層可更進(jìn)一步從材料層連續(xù)延伸至外側(cè)的部分基材上。

根據(jù)本發(fā)明使用狹縫式涂布模具的涂布方法可應(yīng)用至單面涂布或雙面涂布。

一實(shí)施例中，是以根據(jù)一實(shí)施例的方法制造極板結(jié)構(gòu)，其中請參照圖3，基材102即為集電體。鄰接在基材102上的材料層104即為活性層，可用作電池的極板。包覆材料層104的所有上表面103及側(cè)表面(左側(cè)表面105A、右側(cè)表面105B)的涂層116即為安全防護(hù)層，例如耐熱的絕緣層或介電質(zhì)層。一實(shí)施例中，集電體的部分上表面可露出安全防護(hù)層，亦即，根據(jù)實(shí)施例的方法在材料層104上涂布涂層116可留白基材102。

一實(shí)施例中，極板結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在電池，例如鋰電池的負(fù)極板結(jié)構(gòu)。

舉例來說，集電體(或基材102)可包括鋁(Al)、銅(Cu)或不銹鋼，或其他導(dǎo)電性高的適合材料。一實(shí)施例中例如銅箔。

活性層(或材料層104)可包括石墨、硅碳或上述的組合。一實(shí)施例中，活性層可為利用漿料形成的涂布層，漿料可包括含有石墨、硅碳或上述的組合的填充物。漿料可進(jìn)一步包括粘合劑，例如偏二氟乙烯等。漿料可進(jìn)一步包括溶劑，例如N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP)。

舉例來說，安全防護(hù)層(或涂層116)可包含通式為M_xO_y的氧化物，其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的組合，x介于1～2，y介于1～3。一實(shí)施例中，安全防護(hù)層包括氧化硅。一實(shí)施例中，舉例來說，安全防護(hù)層還可以包含一樹脂，例如偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、丁苯橡膠(SBR，Styrene-Butadiene Rubber)、羧甲基纖維素(CMC，carboxymethyl cellulose)、聚酰亞胺(PI，Polyimide)等，可用作粘合劑。氧化物占安全防護(hù)層的0.1wt％～90wt％。安全防護(hù)層為介電材料。

實(shí)施例中，安全防護(hù)層的厚度(可參照圖3的符號w)可介于0.5μm～10μm。安全防護(hù)層超出活性層的寬度(可參照圖3的符號D₁、D₂)介于0.5μm～10mm，或10μm～10mm。安全防護(hù)層的外側(cè)表面與集電體的上表面之間具有夾角λ₁、λ₂，0°＜λ₁≤90°，0°＜λ₂≤90°。

根據(jù)本發(fā)明的涂布方法形成的極板結(jié)構(gòu)中，安全防護(hù)層足夠連續(xù)地覆蓋活性層的所有側(cè)表面與上表面，不會影響后續(xù)極板結(jié)構(gòu)的焊接導(dǎo)電柄工藝，也能提供有效的保護(hù)作用，避免電池受外力穿刺與避免高溫受熱時因隔離膜收縮而發(fā)生正負(fù)極相接觸的短路造成起火燃燒，達(dá)到安全效果。

本發(fā)明的涂布方法并不限于電池的極板結(jié)構(gòu)，亦可應(yīng)用在其它需要涂層完全覆蓋材料層的上表面與側(cè)表面的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中。

為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下：

極板結(jié)構(gòu)的集電體(或基材102)為15μm銅箔。

極板結(jié)構(gòu)的活性層(或材料層104)是使用負(fù)極漿料涂布在集電體上形成。其中負(fù)極漿料包括填充物(filler)、粘合劑與溶劑。填充物使用中間相石墨粉末(meso-phase graphite powder(MGP-A)，中鋼碳素化學(xué)股份有限公司出售)及導(dǎo)電碳黑材料(conductive additive carbon black；Super-P，由TIMCAL公司制造)。粘合劑(binder)使用偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride；PVDF 9200，Kureha制造)。中間相石墨粉末：導(dǎo)電碳黑材料：偏二氟乙烯的重量比為94∶1∶5。有機(jī)溶劑使用N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP；臺灣波律股份有限公司制造)。漿料的固含量約54wt％。漿料的粘度約800cPs。涂布形成的活性層厚度為30μm～70μm。

安全防護(hù)層(或涂層116)為含硅(Si)成份的涂層。用以形成安全防護(hù)層的涂料包含粘合劑偏二氟乙烯(PVDF)、氧化硅粒子(clay)，其中粘合劑：氧化硅粒的重量比為60∶40。涂料也包含溶劑二甲基乙酰胺(DMAc)。涂料的固含量為8wt％。涂料的粘度約70cPs。涂布濕膜厚為20～40μm。

一實(shí)施例中，在銅箔基材102上的材料層104厚度為70μm(即厚度值h為70)，材料層104的左側(cè)表面105A/右側(cè)表面105B投影在下表面113的寬度為200μm(即左側(cè)表面105A/右側(cè)表面105B投影在下表面113的寬度值X₁/X₂為200)，材料層104的左側(cè)表面105A/右側(cè)表面105B與下表面113之間的夾角θ₁/θ₂為20°。涂布模具108的狹縫112的左寬度、右寬度為500μm(即左寬度值Y₁、右寬度值Y₂為500)。利用涂布模具108在材料層104上形成的涂層116厚度為30μm(即厚度值w為30)。以上參數(shù)符合本發(fā)明的關(guān)系式(I)及(II)。表1列示利用能量色散X-射線光譜(EDS)分析材料層104的上表面103與側(cè)表面(左側(cè)表面105A/右側(cè)表面105B)上附近，與靠近材料層104的基材102上附近的元素及(以重量百分比Wt％或原子量百分比Atomic％表示的)量，發(fā)現(xiàn)四個檢測點(diǎn)(表1中編號1-1、1-2、1-3、1-4)都含有Si元素，表示涂層116完全覆蓋材料層104。且實(shí)施例的負(fù)極板結(jié)構(gòu)在進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)后，電池并未發(fā)生起火燃燒，因此實(shí)施例的極板結(jié)構(gòu)使用安全性高。

表1

在一些比較例中，涂布模具并不符合本發(fā)明的關(guān)系式(I)及(II)，在利用涂布模具進(jìn)行涂布之后，涂層116無法完全覆蓋材料層104(圖4)，或是材料層104上的涂層116膜面不連續(xù)，或是基材102上的涂層116膜面不連續(xù)(圖5)，因此在應(yīng)用制造極板結(jié)構(gòu)會造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制作失敗。

在一比較例中，材料層厚度為70μm，材料層的側(cè)表面投影在下表面的寬度為200μm，材料層的側(cè)表面與下表面之間的夾角為20°。使用的涂布模具的狹縫的左/右寬度為0μm。形成的涂層厚度為30μm。以上參數(shù)不符合本發(fā)明的關(guān)系式(I)及(II)。表2列示利用能量色散X-射線光譜分析材料層的上表面與側(cè)表面上附近，與靠近材料層的基材上附近的元素，發(fā)現(xiàn)一些檢測點(diǎn)(表2中編號2-6、2-7、2-8、2-9、2-11)僅含有C元素，而未含有Si元素，表示涂層未覆蓋材料層的所有上表面與側(cè)表面。且比較例得到的負(fù)極板結(jié)構(gòu)在進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)后，電池發(fā)生起火燃燒，因此比較例的極板結(jié)構(gòu)在使用上并不安全。

表2

根據(jù)以上，以符合本發(fā)明的關(guān)系式(I)及(II)對配置在基材上的材料層進(jìn)行涂布，可使得形成的涂層連續(xù)且完整地覆蓋材料層的上表面與側(cè)表面。在應(yīng)用至電池的極板結(jié)構(gòu)中，安全防護(hù)層可完全覆蓋活性層，因此能提供有效的保護(hù)作用，使得電池在操作上的安全性高。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。