具有改善的输出特性的二次电池
阅读：1021发布：2020-08-27
专利汇可以提供具有改善的输出特性的二次电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且披露了一种具有改善的输出特性的二次 电池 。根据本 发明 的二次电池将包括并联连接的多个电池的 电池组 件与 电解 质一起容纳在一个封装部中，其中设置在电池组件中央部的多个中央电池的正极具有比设置在侧部的多个侧电池的正极更高的 载荷 能量 密度 ，并且中央电池的正极具有在其表面处形成的 正极材料 涂层，所述正极材料涂层比在侧电池的正极表面处形成的涂层厚。优选地，侧电池的总 电阻 低于中央电池的总电阻。，下面是具有改善的输出特性的二次电池专利的具体信息内容。
1.一种二次电池，包括位于单个封装部内的电池组件和电解质，所述电池组件包括并联连接的多个电池，
其中相较于设置在侧部的多个侧电池的正极，设置在所述电池组件的中央部的多个中央电池的正极具有更大的载荷能量密度，并且
相较于所述侧电池的正极，所述中央电池的正极具有形成于正极表面上的更厚的正极材料涂层，
其中，所述多个中央电池中最外电池的最外电极包括电极板、朝向所述电池组件中央设置的内涂层、以及朝向所述侧电池设置的外涂层，所述内涂层与所述外涂层分别涂布在所述电极板的两个表面上，且所述内涂层比所述外涂层更厚，
其中所述多个中央电池中除所述多个中央电池中最外电池的最外电极以外的每一个电极的两侧具有相同的涂布厚度。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述侧电池的总电阻小于所述中央电池的总电阻。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述中央电池的正极具有3.9-4.1mAh/cm2的载荷能量密度，并且所述侧电池的正极具有1.6-1.8mAh/cm2的载荷能量密度。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中形成于所述中央电池正极上的第一正极材料涂层和形成于所述侧电池正极上的第二正极材料涂层包括具有相同化学组成和平均颗粒直径的正极材料颗粒。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中形成于所述中央电池正极上的第一正极材料涂层和形成于所述侧电池正极上的第二正极材料涂层包括相同重量比的导电材料。
6.根据权利要求1所述的二次电池，其中形成于所述中央电池正极上的第一正极材料涂层和形成于所述侧电池正极上的第二正极材料涂层包括具有彼此不同化学组成的正极材料颗粒。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述中央电池的正极包括含有第一正极材料颗粒和导电材料的第一正极材料涂层，
所述侧电池的正极包括含有第二正极材料颗粒和导电材料的第二正极材料涂层，并且所述第一正极材料颗粒的平均颗粒直径大于所述第二正极材料颗粒的平均颗粒直径。
8.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述中央电池的正极包括含有第一正极材料颗粒和导电材料的第一正极材料涂层，
所述侧电池的正极包括含有第二正极材料颗粒和导电材料的第二正极材料涂层，并且所述第二正极材料涂层比所述第一正极材料涂层含有更多重量比的导电材料。
9.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述中央电池包括正极、负极和插置其间的具有多孔性的第一隔板，
所述侧电池包括正极、负极和插置其间的具有多孔性的第二隔板，
并且所述第二隔板的电阻低于所述第一隔板的电阻。
10.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述最外电极为设置在所述中央电池最外处的负极。
11.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述最外电极为设置在所述中央电池最外处的正极。
12.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述封装部是袋封装部。
具有改善的输出特性的二次电池
技术领域
[0001] 本公开涉及一种二次电池，且更具体地，涉及一种具有改善的输出特性的二次电池，其中彼此具有不同电特性的异质电池(heterogeneous cell)并联连接并且被包含在单个封装部(package)中。
[0002] 本申请要求于2014年12月8日在韩国提交的韩国专利申请第10-2014-0175296号和于2014年12月8日在韩国提交的韩国专利申请第10-2014-0175288号的优先权，上述专利申请的公开以引用方式全部并入本文中。
背景技术
[0008] 然而，最近关于石油枯竭的担忧促使锂二次电池扩展应用于电驱动汽车领域。电驱动汽车或由电能驱动的汽车包括电动汽车(EV,Electric Vehicle)、混合电动汽车(HEV，Hybrid Electric Vehicle)、插电式混合电动汽车(PHEV，Plugin HEV)等等。
[0009] 为了适用于电驱动汽车，需要锂二次电池具有高输出和高能量密度。只有这样，电池才可以支持优异的运行性能，同时增加电驱动汽车的驾驶距离。
[0010] 锂二次电池的输出可通过增强正极活性材料来增强。
[0011] 例如，韩国专利公开第2014-0018542号披露了使用混合正极材料，所述混合正极材料包括在高SOC范围内具有良好输出的第一活性材料与在低SOC范围内具有良好输出的第二活性材料以颗粒级混合，使得锂二次电池的输出增加。
[0012] 然而，以颗粒级混合活性材料会因各种活性材料的物理特性的差异而劣化活性材料涂层的微观结构。
[0013] 例如，当形成混合正极材料的活性材料彼此具有不同的膨胀系数或机械强度时，会导致在将混合正极材料涂布到正极板上的工艺过程中颗粒出现裂缝，甚至颗粒粉碎。
[0014] 进一步地，为了通过利用混合正极材料而获得增加的输出效果，需要优化每一种活性材料颗粒的颗粒形状或尺寸分布，但是该过程耗费大量的时间和成本。
[0015] 同时，韩国专利公开第2014-0092554号披露了通过构建混合电池来改善电池组的输出，即通过将彼此具有不同电特性的异质电池并联连接，然后重复地串联连接该混合电池来构建电池组。
[0016] 这种混合电池具有两个独立封装的电池并联连接的结构。在这样的结构中，当其中一个电池具有相对较快的衰减时，电池组的服役寿命会迅速缩短。
[0017] 产生电池衰减的主要原因是由于包含在电解质中的锂离子由副反应所致的损失，或由于正极活性材料或负极活性材料的结构衰变。然而，当两个电池被独立地封装时，则难以在两个电池之间发生电化学反应以补偿任何一个电池的衰减。发明内容
[0018] 技术问题
[0019] 本公开旨在解决相关技术的问题，因此，本公开旨在通过以下方法提供一种具有改善的输出特性的二次电池：将具有经调整的载荷能量密度和面比电阻的正极的不同单元电池布置在最佳位置，将这些单元电池并联连接，并且将这些单元电池与电解质一起密封在单个封装部内。
[0020] 技术方案
[0021] 在本公开的一个方面中，提供一种具有改善的输出特性的二次电池，其将包括并联连接的多个电池的电池组件与电解质一起容纳在一个封装部中，其中设置在电池组件中央部的多个中央电池的正极具有比设置在侧部的多个侧电池的正极更高的载荷能量密度，并且中央电池的正极具有在其表面处形成的正极材料涂层，所述正极材料涂层比在侧电池的正极表面处形成的涂层更厚。
[0022] 优选地，侧电池的总电阻可小于中央电池的总电阻。
[0023] 优选地，中央电池的正极可具有3.9-4.1mAh/cm2的载荷能量密度，侧电池的正极可具有1.6-1.8mAh/cm2的载荷能量密度。
[0024] 根据一个方面，中央电池的正极和侧电池的正极可包括具有相同化学组成的正极材料涂层。
[0025] 优选地，中央电池的正极和侧电池的正极可分别包括正极材料涂层，并且包括在每一个正极材料涂层中的正极材料颗粒的化学组成和/或平均颗粒直径可实质相同。
[0026] 优选地，中央电池的正极和侧电池的正极可分别包括正极材料涂层，并且包括在每一个正极材料涂层中的导电材料的含量可实质相同。
[0027] 优选地，所述中央电池可包括正极、负极和插置其间的具有多孔性的第一电极隔板，所述侧电池可包括正极、负极和插置其间的具有多孔性的第二电极隔板，并且所述第一电极隔板和所述第二电极隔板可具有实质相同的电阻。
[0028] 根据另一方面，中央电池的正极和侧电池的正极可分别包括正极材料涂层，并且包括在每一个正极材料涂层中的正极材料颗粒的化学组成和/或平均颗粒直径可彼此不同。
[0029] 优选地，中央电池的正极可包括含有第一正极材料颗粒和导电材料的第一正极材料涂层，侧电池的正极可包括含有第二正极材料颗粒和导电材料的第二正极材料涂层，其中第一正极材料颗粒的平均颗粒直径可大于第二正极材料颗粒的平均颗粒直径。
[0030] 或者，中央电池的正极可包括含有第一正极材料颗粒和导电材料的第一正极材料涂层，侧电池的正极可包括含有第二正极材料颗粒和导电材料的第二正极材料涂层，其中第二正极材料涂层可包含比第一正极材料涂层更多的导电材料。
[0031] 或者，所述中央电池可包括正极、负极和插置其间的具有多孔性的第一隔板，所述侧电池可包括正极、负极和插置其间的具有多孔性的第二隔板，其中所述第二隔板可具有比所述第一隔板更低的电阻。
[0032] 优选地，中央电池之一的负极和侧电池之一的正极可分别设置在中央部与侧部之间的边界处，并且所述负极可包括负极板以及分别涂布在负极板的两个表面上的内涂层和外涂层，其中所述内涂层可朝向电池组件的中央设置并且可比所述外涂层更厚。
[0033] 或者，中央电池之一的正极和侧电池之一的负极可分别设置在中央部与侧部之间的边界处，并且所述正极可包括正极板以及分别涂布在正极板的两个表面上的内涂层和外涂层，其中所述内涂层可朝向电池组件的中央设置并且可比所述外涂层更厚。优选地，侧电池的数量可大于中央电池的数量。
[0034] 优选地，将电池组件和电解质一起密封的封装部可以是袋封装部。
[0035] 有益效果
[0036] 根据本公开，所述二次电池不仅可具有增加的每单位体积能量密度，而且具有减小的电阻以及由此改善的输出。
[0037] 进一步地，与其中两个独立封装的二次电池并联连接的传统产品相比，提供了更高的输出改善效果，因为设置在单个封装部中的单元电池的特性根据单元电池设置在中央部或侧部而进行不同的调整。
[0038] 进一步地，在具有不同特性的不同单元电池中实现了电化学相互作用，因为具有不同输出特性的单元电池被密封在单个封装部内并且彼此共享参与电化学反应的化学物种。
[0039] 因此，即使当单元电池之一附近的电解质降解或者当操作离子(诸如锂离子)的密度下降时，电解质降解和下降的操作离子密度可通过电解质和操作离子的扩散得到补偿，从而二次电池的输出特性能够得以保持并且二次电池的衰减能够得以减缓。附图说明
[0040] 附图图解本公开的优选实施方式，且与前述公开一起用以提供对本公开技术特征的进一步理解。然而，本公开不应被解读为局限于这些附图。
[0041] 图1是图解根据示例性实施方式的具有改善的输出特性的二次电池的示意性结构的分解透视图；
[0042] 图2是图1中沿B-B'线截取的截面图；
[0043] 图3是图解正极、电极隔板和负极按顺序堆叠的结构的透视图；
[0044] 图4是详细图解根据示例性实施方式的电池组件的结构的截面图；
[0045] 图5是图解用于构建图4的电池组件的方法的概念流程图；
[0046] 图6是部分地图解设置在中央电池块与侧电池块之间的边界处的电极的结构的局部截面图；
[0047] 图7是示出针对由本公开实施例1制备的单元电池测量正极的载荷能量密度和面比电阻的结果的曲线图；
[0048] 图8是示出针对由本公开实施例2制备的单元电池测量正极的载荷能量密度和面比电阻的结果的曲线图。
具体实施方式
[0049] 下文中，将参照附图详细地描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应理解的是，在说明书和所附权利要求书中所使用的术语不应解读为局限于一般和字典意义，而是应基于允许发明人为了最佳解释而适当地定义术语的原则根据对应于本公开的技术方面的意义和概念来解释。因此，本文提出的描述只是为了说明目的的优选实施例，并不意欲限制本公开的范围，所以应理解的是：在不背离本公开的精神和范围的情况下，可作出其他等同替换和改进。
[0050] 在本文描述的示例性实施方式中，二次电池指锂二次电池。锂二次电池概括性地指锂离子与涂布在正极和负极上的活性材料在充电或放电期间进行电化学反应的电池。
[0051] 然而，本领域的技术人员能够理解本公开适用于除锂二次电池之外的电池。
[0052] 图1是图解根据示例性实施方式的具有改善的输出特性的二次电池的示意性结构的分解透视图，图2是图1中沿B-B'线截取的截面图，图3是图解正极、电极隔板和负极按顺序堆叠的结构的透视图。
[0053] 参照图1和图2，根据示例性实施方式的二次电池10包括电池组件20以及将电池组件20和电解质一起密封的袋封装部40。
[0054] 电池组件20包括中央电池块20a和设置在中央电池块20a两侧的侧电池块20b。在该实施例中，中央电池块20a和侧电池块20b彼此并联连接。
[0055] 中央电池块20a包括彼此并联连接的多个中央电池30，侧电池块20b包括彼此并联连接的多个侧电池50。在一个实施例中，上侧或下侧的侧电池块20b中包括的侧电池50的数量可彼此相等或不同。
[0056] 袋封装部40是二次电池领域中普遍使用的袋封装部并且具有如下结构：其中薄柔性金属膜(例如Al膜)层叠在防水聚合物膜和热粘合性聚合物膜之间。由于袋封装部已经是众所周知的，因此将不对其进行详细描述。
[0057] 袋封装部40包括上盖和下盖。上盖和下盖的边缘通过密封工艺进行热密封。随后在密封进行的同时可将电解质注入袋封装部40中。上盖和下盖可彼此分隔开或者在一侧彼此连接。
[0058] 同时，本公开提供与电池组件20的结构相关的实质特性。因此，应当理解，袋封装部40仅仅是被提供以说明将电池组件20和电解质一起密封的封装部的实例。因此，袋封装部40可由本领域已知的其他封装部替代。
[0059] 参照图3，中央电池30和侧电池50至少包括正极31、负极32以及插置其间的电极隔板33。
[0060] 正极31具有如下结构：其中正极材料涂层35形成于由诸如Al等金属形成的正极板34的两个表面上。负极32具有如下结构：其中负极材料涂层37形成于由诸如Cu等金属形成的负极板36的两个表面上。或者，正极材料涂层35和负极材料涂层37可仅涂布在正极板34和负极板36的一个表面上。
[0062] 在一个实施例中，正极活性材料颗粒可以是锂金属氧化物的颗粒，诸如LiMnO2、LiCoO2、LiFePO4、LiNixCoyMnzO2(x+y+z＝1，x、y、z的至少一个不为0)，导电材料可以是炭黑，粘合剂可以是PVDF(聚偏二氟乙烯)聚合物。
[0063] 负极材料涂层37可包括允许锂离子嵌入或脱嵌的负极活性材料颗粒、导电材料和粘合剂。在一个实施例中，负极活性材料颗粒可以是石墨颗粒，导电材料可以是炭黑，粘合剂可以是PVDF聚合物。
[0064] 然而，本公开并不局限于形成正极活性材料、负极活性材料、导电材料和粘合剂的特定类型材料。
[0065] 电极隔板33可由聚烯烃膜之类的多孔聚合物膜组成。进一步地，可在电极隔板33的至少一个表面上设置无机颗粒的涂层。无机涂层具有如下结构：其中由于无机颗粒通过粘合剂结合，因此在无机颗粒之间形成间隙体积(interstitial volume)。
[0066] 对于这种结构的电极隔板33，参照PCT公开WO/2006/025662，其公开在此以引用方式全部并入本文中。
[0067] 所述无机颗粒可包括选自由Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)、PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、BaTiO3、氧化铪(HfO2)、SrTiO3、TiO2、Al2O3、ZrO2、SnO2、CeO2、MgO、CaO、ZnO和Y2O3所组成的群组中的至少一种材料。
[0068] 正极极耳38和负极极耳39可设置在正极板34和负极板36的上端上，分别延伸至突出预定长度。
[0069] 电池组件20具有如下结构：多个电池堆叠，设置在每个电池上的正极极耳38和负极极耳39可集合并焊接(参见图1中的参考标记A和B)。此外，集合并焊接的正极极耳38与导电金属材料的正极引线11再次焊接，集合并焊接的负极极耳39与导电金属材料的负极引线12再次焊接。当密封袋封装部40的上盖和下盖时，正极引线11和负极引线12可暴露在外部。
[0072] 接下来，在详细解释示例性实施方式之前，为了便于理解，一些术语进行如下定义。
[0073] [第一正极材料涂层、第二正极材料涂层]
[0074] 分别涂布在中央电池30和侧电池50的正极上的正极活性材料涂层被称为第一正极材料涂层和第二正极材料涂层。
[0075] [载荷能量密度]
[0076] “载荷能量密度”表示二次电池10的荷电状态从0变为100％时与锂离子反应(嵌入或脱嵌)的单位面积(1cm2)的正极中形成的活性材料涂层的容量，可由单位数字表示，即以mAh/cm2表示。
[0077] 当表述正极具有一定数量的载荷能量密度时，可解释为涂布在正极上的活性材料涂层具有相应的载荷能量密度。
[0078] [参比电池]
[0079] 当测量构成正极并且具有不同载荷能量密度的多个单元电池的面比电阻时，具有平均面比电阻的单元电池可被称为“参比电池”。
[0080] 正极的载荷能量密度可通过调整涂布在正极上的活性材料的厚度而改变。
[0081] 具体地说，可测量构成正极并且具有载荷能量密度在1.0mAh/cm2至4.0mAh/cm2的范围内变化的多个单元电池的面比电阻，从而确定平均面比电阻。然后可制备单元电池，使得正极具有对应于平均面比电阻的载荷能量密度值，所制备的单元电池可被定义为参比电池。在电池的SOC达到50％时测量面比电阻。
[0082] 确定参比电池的实验中使用的多个电池包括用于正极和负极的相同类型的活性材料，并且活性材料层彼此具有不同的厚度。例如，具有较高载荷能量密度的电池具有厚的活性材料涂层，而具有较低载荷能量密度的电池具有薄的活性材料涂层。
[0083] 下文中，将基于上述定义详细描述本公开的示例性实施方式。
[0084] 根据本公开，中央电池30中包括的正极的载荷能量密度高于参比电池的正极的载荷能量密度。进一步地，侧电池50中包括的正极的载荷能量密度低于参比电池的正极的载荷能量密度。
[0085] 也就是说，中央电池30的正极的载荷能量密度高于侧电池50的正极的载荷能量密度。
[0086] 中央电池30的正极可具有3.9-4.1mAh/cm2的载荷能量密度，但并不局限于此。侧电池50的正极可具有1.6-1.8mAh/cm2的载荷能量密度，但并不局限于此。进一步地，对于二次电池10作为整体，正极的平均载荷能量密度可为2.75-2.95mAh/cm2。
[0087] 一方面，涂布在中央电池30和侧电池50的正极上的正极材料涂层可包含具有相同化学组成和/或物理特性(平均颗粒直径等)的正极材料颗粒，以满足上述载荷能量密度条件，但涂层可具有不同的厚度。
[0088] 另一方面，涂布在中央电池30和侧电池50的正极上的正极材料涂层可包括实质相同含量的导电材料。优选地，涂布在侧电池50正极上的正极材料涂层可具有比涂布在中央电池30正极上的正极材料涂层更多含量的导电材料。
[0089] 另一方面，涂布在中央电池30和侧电池50的正极上的正极材料涂层可包括具有不同化学组成和/或物理特性(平均颗粒直径等)的正极材料颗粒，但涂层可具有不同的厚度。
[0090] 更优选地，形成于中央电池30正极上的第一正极材料涂层可比形成于侧电池50正极上的第二正极材料涂层更厚。
[0091] 当涂布在单位面积上的正极材料涂层厚时，载荷能量密度可以增加。
[0092] 同时，当正极活性材料具有相同成分时，正极的载荷能量密度与电池的面比电阻(Area Specific Impedance)彼此成反比。也就是说，当正极的载荷能量密度高时，面比电阻下降，而当正极的载荷能量密度下降时，面比电阻升高。
[0093] 中央电池30具有比参比电池更高的正极载荷能量密度。因此，中央电池30具有比参比电池更低的面比电阻。进一步地，侧电池50具有比参比电池更低的正极载荷能量密度。因此，侧电池50具有比参比电池更高的面比电阻。
[0094] 同时，当具有经调整的正极载荷能量密度的中央电池30和侧电池50并联连接时，电阻变得比两个参比电池并联连接时更低。
[0095] 例如，假设参比电池的电阻为2mΩ，中央电池30和侧电池50的电阻分别为1mΩ和3mΩ。
[0097] <公式1>
[0098]
[0099] (其中，R1和R2分别表示并联连接的电阻器的电阻值)。
[0100] 将公式1应用于上述假设，具有并联连接的两个参比电池的电路的电阻经计算为1mΩ(R1＝R2＝2mΩ)，具有并联连接的中央电池30和侧电池50的电路的电阻经计算为3/4mΩ(R1＝1mΩ,R2＝3mΩ)。
[0101] 由此，可以确定，当具有经调整的正极载荷能量密度的中央电池30和侧电池50并联连接时，电阻比两个参比电池并联连接时的电阻更低。
[0102] 同时，二次电池10的输出可通过改变涂布在侧电池50正极上的正极材料涂层的组成以及电极隔板(可选地)的组成而得到进一步改善，使得侧电池50的总电阻变得低于中央电池30的总电阻。
[0103] 相较于中央电池30的总电阻，为了减小侧电池50的总电阻，例如，侧电池50的总数量可大于中央电池30的总数量。
[0104] 相较于中央电池30的总电阻，为了减小侧电池50的总电阻，又例如，第二正极材料涂层可具有平均颗粒直径比第一正极材料涂层的正极材料颗粒的平均颗粒直径小10-30％的正极材料颗粒。
[0105] 当涂布在侧电池正极上的正极材料的平均颗粒直径相对较低时，颗粒之间的接触电阻减小，锂离子从正极材料脱嵌或嵌入正极材料中时的扩散距离减小。结果，侧电池50的总电阻减小。
[0106] 相较于中央电池30的总电阻，为了减小侧电池50的总电阻，又例如，第二正极材料涂层可具有比第一正极材料涂层高约10-30％的导电材料含量。当导电材料含量增加时，正极将具有增强的电导率。因此，相较于中央电池30的总电阻，侧电池50的总电阻将减小。
[0107] 相较于中央电池30的总电阻，为了减小侧电池50的总电阻，又例如，侧电池50中包括的电极隔板的电阻可比中央电池30中包括的电极隔板的电阻低约20-40％。由于锂离子的移动速度随着电极隔板的电阻减小而增加，因此相较于中央电池30的总电阻，侧电池50的总电阻减小。
[0108] 在一个实施例中，隔板的电阻可通过改变构建多孔基板的材料类型或者通过改变多孔基板的厚度、在基板表面上形成的无机涂层的厚度、无机颗粒的类型、无机颗粒的直径等来调整。
[0109] 在如上所述的侧电池50中，当正极材料颗粒的平均颗粒直径减小、或者导电材料含量增加、或者电极隔板的电阻减小时，锂离子的反应动力学将增加，侧电池50的总电阻将相应地减小。结果，二次电池10的输出能够得以改善。
[0110] 同时，根据本公开的二次电池10在设置于中央电池块20a和侧电池块20b之间的边界中的电极结构中还具有另一技术特征。
[0111] 图4是详细图解根据示例性实施方式的电池组件20结构的截面图，图5是图解用于构建图4电池组件20的方法的概念流程图，图6是部分地图解设置在中央电池块20a与侧电池块20b之间的边界处的电极结构的局部截面图。
[0112] 参照图4，所示的电池组件20具有构建中央电池块20a和侧电池块20b的多个双电池(bi-cell)。
[0113] 双电池具有如下结构：其中正极或负极位于中间，与在中间的电极极性相反的电极位于在中间的正极或负极的两侧。
[0114] 双电池被划分为正极型双电池(下文中，“C电池”)和负极型双电池(下文中，“A电池”)。前者具有如下结构：正极位于中间，负极位于正极的两侧。相反，后者具有如下结构：负极位于中间，正极位于负极的两侧。
[0115] 中央电池块20a中包括有三种双电池，其中中间电池④是具有正极/负极/正极结构的A电池，而位于中间电池④的左侧和右侧的电池③、⑤是具有负极/正极/负极的C电池。
[0116] 进一步地，侧电池块20b中包括有两种双电池，其中邻近于中央电池块20b的电池②、⑥是A电池，而设置在外侧的电池①、⑦是C电池。
[0117] 当电池组件20由双电池组成时，每一个双电池包括两片电极隔板80。进一步地，邻近的双电池被电池隔膜70隔开。
[0118] 类似于上述电极隔板80，电池隔膜70可由多孔聚合物膜组成，可选地，可在至少一侧的表面上设置无机涂层。优选地，电池隔膜70可具有与上述电极隔板33相同的规格。
[0119] 图4中所示的电池组件20可通过图5中所示的堆叠折叠工艺制备。也就是说，图4中所示的电池组件20可通过以下步骤制备：将具有双电池结构的电池①-⑦布置在沿一个方向延伸的条形电池隔膜70上，然后将电池隔膜70与各电池一起朝一个方向折叠。在附图中，垂直虚线表示电池隔膜70折叠的部分。
[0120] 同时，在电池组件20中，位于中央电池块20a最外侧上的最外电池的负极可具有与设置在中央电池块20a另一位置上的负极不同的结构特征。
[0121] 具体地说，形成电池组件20的电池的负极具有涂布在两侧上达实质相同厚度的负极材料涂层。然而，如图6中所示，最外电池的负极具有非对称涂布的负极材料涂层。
[0122] 也就是说，参照负极板36，当限定接近中央电池块20a的负极材料涂层为内涂层80以及接近侧电池块20b的负极材料涂层为外涂层90时，内涂层80比外涂层90厚。
[0123] 内涂层80与中央电池块20a最外电池中包括的正极进行电化学反应，外涂层90与侧电池块20b最外电池中包括的正极进行电化学反应。
[0124] 注意，在中央电池块20a最外电池中包括的正极上形成的活性材料涂层较厚，而在侧电池块20b最外电池中包括的正极上形成的活性材料涂层较薄。
[0125] 因此，通过如上所述非对称地调整内涂层80和外涂层90的厚度，可以设计对应于与涂层80、90中每一个相反的正极活性材料涂层厚度的电池结构。
[0126] 以上参照图6所述的结构特征类似地适用于当位于中央电池块20a最外侧上的电极为正极时。在这种情况下，在形成于正极板的两个表面上的正极材料涂层中，接近中央电池块20a中央的内正极材料涂层可比接近侧电池块20b的外正极材料涂层更厚。
[0127] 同时，根据本公开，电池隔膜70可不连续连接。也就是说，插在邻近的电池之间的电池隔膜可彼此分隔开，如同在电极隔板的情况中一样。在这种情况下，电池组件20可通过电池和电池隔膜的交替堆叠工艺来制备。
[0128] 进一步地，本公开并不局限于中央电池30和侧电池50仅具有双电池结构的实施例。因此，中央电池30和侧电池50具有全电池(full cell)结构的实施例也可落入本公开的范围中，其中具有相反极性的电极设置在电池的最外侧上，诸如“正极/隔板/负极”、“正极/隔板/负极/隔板/正极/隔板/负极”或类似者。
[0129] 实施例
[0130] 下文中，将披露以验证根据本公开的二次电池改善的能量密度和输出特性的效果而进行的实验的结果。
[0131] 提供以下实验结果仅仅用于举例说明本公开的效果，本领域技术人员将理解这些不是被解读为限制本公开的范围。
[0132] 1.实施例1
[0133] 1.1.比较例1-1：参比二次电池的制备
[0134] 首先，分别选择具有10μm的平均颗粒直径的LiNixCoyMnzO2粉末和具有10μm的平均颗粒直径的石墨粉末作为正极活性材料和负极活性材料。
[0135] 然后通过以下步骤来制备正极浆料：调整原材料的量，使得正极材料涂层中包括的正极活性材料、导电材料(炭黑)和粘合剂(PVDF)的含量为90：5：5(重量比)，正极通过将正极浆料涂布在Al正极板的两个表面上以及干燥和压制涂层来制备。此时，调整涂层的厚度，使得正极的载荷能量密度为2.4mAh/cm2。如上所述的载荷能量密度对应于PHEV用二次电池的规格(参见图7中的“A”)。进一步地，负极通过以下步骤来制备：将负极活性材料、导电材料(炭黑)和粘合剂(PVDF)混合来制备负极浆料，然后将所述负极浆料涂布在Cu负极板的两个表面上，随后干燥并压制。此时，将负极涂层的厚度适当地调整至对应于正极的载荷能量密度。
[0136] 然后，通过将由上述工艺制备的正极和负极堆叠成正极型双电池(C电池)结构和负极型双电池(A电池)结构而制备用作参比电池的11个C电池和10个A电池。
[0137] 双电池的制备中使用的电极隔板具有如下结构：利用粘合剂(PVDF)将具有5μm的平均颗粒直径的无机颗粒(Al2O3)涂布在16μm厚的PE(聚乙烯)多孔基板的两个表面上至5μm的厚度。
[0138] 然后，通过以下步骤完成电池组件：将11个C电池和10个A电池交替布置在与电极隔板具有相同规格并以条形延伸的电池隔膜上，将其堆叠折叠，然后进行电极极耳焊接和电极引线焊接。如上所述完成的电池组件包括21个单元电池。
[0139] 然后通过将所述电池组件夹在袋封装部的上盖和下盖之间并执行密封工艺和电解质注入工艺，制备如图1中所示结构的袋型二次电池。
[0140] 针对电解质注入工艺，使用添加有锂盐(LiPF6)、包括3:7体积比的碳酸乙烯酯(EC，EthyleneCarbonate)和碳酸甲乙酯(EMC，Ethyl Methyl Carbonate)的有机溶剂混合物的液体电解质。
[0141] 根据比较例1-1的二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为10.49mm和16129cm2，1个单元电池的面比电阻测量为20.3Ωcm2，二次电池的电阻测量为1.30mΩ，每单位体积的能量密度测量为347Wh/L。
[0142] 1.2.实施例1-1：具有高载荷能量密度的正极的二次电池的制备
[0143] 与比较例1-1类似，分别选择具有10μm的平均颗粒直径的LiNixCoyMnzO2粉末和具有10μm的平均颗粒直径的石墨粉末作为正极活性材料和负极活性材料。
[0144] 然后进行类似于比较例1-1的工艺，制备5个C电池和4个A电池。在各个电池的制备中也使用比较例1-1中使用的相同类型的电极隔板和电池隔膜。
[0145] 在实施例1-1中，当制备电池时，相较于比较例，正极涂层的厚度增加，使得正极的载荷能量密度为3.8mAh/cm2。如上所述的载荷能量密度对应于EV用二次电池的规格(参见图7中的“B”)。进一步地，相较于比较例1-1的负极涂层，负极涂层的厚度增加以对应于正极的载荷能量密度。
[0146] 实施例1-1中制备电池组件的工艺与比较例1-1的工艺相同，只是堆叠5个C电池和4个A电池，使得C电池和A电池以C/A/C/A/C/A/C/A/C模式交替堆叠且电池隔膜插置其间。如上所述堆叠的电池组件包括9个单元电池。
[0147] 根据实施例1-1的二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为6.54mm和2 2
6763.74cm，1个单元电池的面比电阻测量为18.2Ωcm，二次电池的电阻测量为2.69mΩ。
6763.74cm，1个单元电池的面比电阻测量为18.2Ωcm，二次电池的电阻测量为2.69mΩ。
[0148] 1.3.实施例2-1：具有低载荷能量密度的正极的二次电池的制备
[0149] 与实施例1-1类似，分别选择具有10μm的平均颗粒直径的LiNixCoyMnzO2粉末和具有10μm的平均颗粒直径的石墨粉末作为正极活性材料和负极活性材料。
[0150] 然后执行类似于比较例1-1的工艺，制备6个C电池和6个A电池。在电池的制备中也使用比较例1-1中使用的相同类型的电极隔板和电池隔膜。
[0151] 与比较例1-1不同的是，相较于比较例1-1中的正极涂层，正极涂层的厚度减小，使得正极的载荷能量密度为1.67mAh/cm2。如上所述的载荷能量密度对应于HEV用二次电池的规格(参见图7中的“C”)。进一步地，相较于比较例1-1的负极涂层，负极涂层的厚度减小以对应于正极的载荷能量密度。进一步地，相较于比较例1-1，正极的电阻通过相对地增加导电材料的含量而减小，即通过将正极涂层中正极活性材料、导电材料和粘合剂的含量从90：5：5(重量比)调整为88.5：8.5：3(重量比)。
[0152] 实施例2-1中制备电池组件的工艺与比较例1-1中的工艺相同，只是堆叠6个C电池和6个A电池，使得C电池和A电池以C/A/C/A/C/A/C/A/C/A/C/A模式交替堆叠且电池隔膜插置其间。如上所述堆叠的电池组件包括12个单元电池。
[0153] 根据实施例2-1的二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为3.95mm和9365.18cm2，1个单元电池的面比电阻测量为18.2Ωcm2，这与实施例1-1实质相同，二次电池的电阻测量为1.94mΩ。
[0154] 1.4.实施例3-1：根据本公开的二次电池的制备
[0155] 与实施例1-1类似，分别选择具有10μm的平均颗粒直径的LiNixCoyMnzO2粉末和具有10μm的平均颗粒直径的石墨粉末作为正极活性材料和负极活性材料。
[0156] 然后以与实施例1-1相同的规格制备待设置于中央电池块区域中的5个C1电池和4个A1电池。唯一的不同之处在于：设置在中央电池块的最左侧和最右侧的C1电池的最外负极涂层的厚度如图6中所示进行非对称地调整。然后以与实施例2-1相同的规格制备待设置于侧电池块中的6个C2电池和6个A2电池。在此使用的下标“1”和“2”表示相应的电池为分别以与实施例1-1和实施例2-1相同的规格制备的电池。
[0157] 实施例3-1中电池组件的制备工艺与比较例1-1相同，只是四种类型的电池以C2/A2/C2/A2/C2/A2/C'1/A1/C1/A1/C1/A1/C1/A1/C'1/A2/C2/A2/C2/A2/C2模式交替堆叠且电池隔膜插置其间。在此使用的“C'1”是指设置在中央电池块的最左侧和最右侧的C1电池，其中最外负极的负极涂层非对称地形成。与比较例1-1中的二次电池类似，根据实施例3-1制备的电池组件包括21个单元电池。
[0158] 根据实施例3-1的二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为10.49mm和16129cm2，这与根据比较例1-1的二次电池的厚度和单元电池的总面积实质相同。进一步地，实施例3-1的二次电池的体积实质对应于实施例1-1的二次电池的体积和实施例2-1的二次电池的体积之和。
[0159] 相比之下，实施例3-1的二次电池的电阻测量为1.13mΩ，其低于比较例约10.43％，二次电池的能量密度测量为354.2Wh/L，其高于比较例约1.97％。随着电阻如上所述地减小，二次电池的输出随电阻减小而成比例地增加。
[0160] 1.5.实施例1的评价
[0161] 在实施例3-1的电池组件中，中央电池正极的载荷能量密度大于侧电池正极的载荷能量密度。
[0162] 进一步地，侧电池与实施例2-1的二次电池中包括的电池相同，中央电池与实施例1-1的二次电池中包括的电池相同。
[0163] 因此，侧电池的总电阻与实施例2-1的二次电池的电阻值实质相同，即1.94mΩ。进一步地，中央电池的总电阻与实施例1-1的二次电池的电阻值实质相同，即2.69mΩ。
[0164] 实施例3-1中二次电池的电阻为1.13mΩ，其低于比较例中具有相同体积和厚度的二次电池的电阻。上述结果是通过相较于中央电池的总电阻而减小侧电池的总电阻以及将具有经调整的正极载荷能量密度的侧电池和中央电池并联连接实现的。
[0165] 上述实验结果表明，通过相较于设置在电池组件中央部的正极的载荷能量密度和电阻而降低设置在电池组件的侧部处的正极的载荷能量密度和电阻，可以降低二次电池的总电阻，从而改善二次电池的输出特性。
[0166] 2.实施例2
[0167] 2.1.比较例1-2：参比二次电池的制备
[0168] 通过与实施例1的比较例1-1实质相同的方法制备参比二次电池。电池组件包括11个C电池和10个A电池。通过调整涂层的厚度将正极的载荷能量密度设定为2.5mAh/cm2。
[0169] 参比二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为10.50mm和16129cm2，1个单元电池的面比电阻测量为22.5Ωcm2，二次电池的电阻测量为1.40mΩ，每单位体积的能量密度测量为347Wh/L。
[0170] 图8是示出针对由实施例2制备的单元电池随载荷能量密度变化的正极的面比电阻的测量结果的曲线图。比较例1-2中制备的单元电池的规格对应于图8中的点A并且适合用于PHEV。
[0171] 2.2.实施例1-2：具有高载荷能量密度的正极的二次电池的制备
[0172] 通过与实施例1-1相同的工艺制备根据实施例2-1的二次电池。通过将包括4个C电池和3个A电池在内的总计7个电池交替堆叠成C/A/C/A/C/A/C且电池隔膜插置其间来制备电池组件。
[0173] 与比较例1-2相比，正极涂层的厚度增加，使得各个电池中包括的正极的载荷能量密度为4.0mAh/cm2。进一步地，与比较例1-2相比，负极涂层的厚度增加，以对应于正极的载荷能量密度。
[0174] 根据实施例1-2的二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为5.135mm和5203cm2，1个单元电池的面比电阻测量为18.8Ωcm2，二次电池的电阻测量为3.62mΩ。
[0175] 实施例1-2中制备的单元电池的规格对应于图8中的点B并且适合用于EV。
[0176] 2.3.实施例2-2：具有低载荷能量密度的正极的二次电池的制备
[0177] 通过与实施例2-1相同的工艺制备根据实施例2-2的二次电池。电池组件通过将包括7个C电池和7个A电池在内的总计14个电池交替堆叠成C/A/C/A/C/A/C/A/C/A/C/A/C/A且电池隔膜插置其间来制备。形成正极涂层和负极涂层的化学物种的类型、平均颗粒直径、导电材料含量等与实施例1-2相同。这与正极涂层中包括的导电材料含量比实施例1-1增加的实施例2-1形成对比。
[0178] 与比较例2-2相比，正极涂层的厚度减小，使得各个电池中包括的正极的载荷能量2
密度为1.8mAh/cm。进一步地，与比较例2-2相比，负极涂层的厚度也减小，以对应于正极的载荷能量密度。
密度为1.8mAh/cm。进一步地，与比较例2-2相比，负极涂层的厚度也减小，以对应于正极的载荷能量密度。
[0179] 根据实施例2-2的二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为5.365mm和10926cm2，1个单元电池的面积比电阻测量为24.6Ωcm2，二次电池的电阻测量为2.25mΩ。
[0180] 实施例2-2中制备的单元电池的规格对应于图8中的点C并且适合用于HEV。
[0181] 2.4.实施例3-2：根据本公开的二次电池的制备
[0182] 根据与实施例2-1相同的规格，制备待设置于中央电池块区域中的4个C1电池和3个A1电池。唯一的不同之处在于：设置在中央电池块的最左侧和最右侧的C1电池的最外负极涂层的厚度如图6中所示进行非对称地调整。
[0183] 根据与实施例2-2相同的规格，制备待设置于侧电池块中的7个C2电池和7个A2电池。
[0184] 在描述四种类型的电池C1、C2、A1和A2电池时，在此使用的下标“1”和“2”表示相应的电池为分别以与实施例1-2和实施例2-2相同的规格制备的电池。
[0185] 通过将四种不同类型的总计21个电池以C2/A2/C2/A2/C2/A2/C2/A2/C'1/A1/C1/A1/C1/A1/C'1/A2/C2/A2/C2/A2/C2模式交替堆叠且电池隔膜插置其间来制备电池组件。在此使用的“C'1”是指设置在中央电池块的最左侧和最右侧的C1电池，其中最外负极的负极涂层非对称地形成。
[0186] 根据实施例3-2的二次电池的厚度和单元电池的总面积分别测量为10.50mm和16129cm2，这与根据比较例1-2的二次电池的厚度和单元电池的总面积实质相同。进一步地，实施例3-2的二次电池的体积实质对应于实施例1-2的二次电池的体积和实施例2-2的二次电池的体积之和。
[0187] 同时，实施例3-2的二次电池的电阻测量为1.39mΩ，其低于比较例1-2约-0.7％，二次电池的能量密度测量为349Wh/L，其大于比较例约0.5％。随着电阻如上所述地减小，二次电池的输出随电阻减小而成比例地增加。
[0188] 2.5.实施例2的评价
[0189] 在实施例3-2的电池组件中，中央电池正极的载荷能量密度大于侧电池正极的载荷能量密度。进一步地，侧电池与在实施例2-2的二次电池中包括的电池相同，且中央电池与在实施例1-2的二次电池中包括的电池相同。
[0190] 因此，侧电池的总电阻与实施例2-2的二次电池的电阻值实质相同，即2.25mΩ。进一步地，中央电池的总电阻与实施例1-2的二次电池的电阻值实质相同，即3.62mΩ。
[0191] 实施例3-2中二次电池的电阻为1.39mΩ，其低于比较例1-2中具有相同体积和厚度的二次电池的电阻。上述结果是通过相较于中央电池的总电阻而减小侧电池的总电阻以及将具有经调整的正极载荷能量密度的侧电池和中央电池并联连接实现的。
[0192] 实施例2表明，通过调整正极材料涂层的厚度，可以相较于设置在侧部的正极而增加设置在电池组件中央部的正极的载荷能量密度，同时，通过将侧电池的总电阻调整为低于中央电池的总电阻，可以减小二次电池的总电阻并因而改善二次电池的输出特性。
[0193] 如实施例2中观察到的二次电池的电阻下降和能量密度增加与实施例1相比相对较慢。然而，安装至电驱动汽车的高容量二次电池组包括数十个至数百个二次电池。考虑到这一点，能量密度和输出可在二次电池组水平上得到显著改善。
[0194] 同时，由于具有不同载荷能量密度的正极的电池能够在同一封装部中共享电解质，即使当全部电池中的某个电池或一些电池衰减时，其它电池能够维持二次电池的性能。
[0195] 进一步地，在根据本公开的二次电池中，锂离子的移动路径相对较短，因为侧部的正极相较于中央部的正极具有相同或更大的面比电阻，但是相较于中央部具有更薄的活性材料涂层厚度。因此，侧部相较于中央部具有活性更高的锂离子嵌入或脱嵌。在该实施例中，由于锂离子迅速地从具有更高能量密度的中央部补充到侧部，因此能够迅速地缓解二次电池内可能的锂离子浓度偏差，因此，所有电池能够表现出最佳性能。
[0196] 进一步地，即使当在二次电池中出现电解质性能衰减的区域时，邻近区域中的电解质将扩散至此处，从而补偿电解质的降解。因此，所有电池能够维持最佳性能，二次电池的衰减能够得以减缓。
[0197] 本公开已进行详细地描述。然而，应当理解的是，详细描述和具体实施例在表示本公开的优选实施方式的同时，仅仅是通过举例说明的方式而给出，且根据这些详细描述，对本领域的技术人员来说，本公开范围内的各种变化和改进将变得显而易见。
[0198] 工业实用性
[0199] 根据本公开，所述二次电池不仅可具有增加的每单位体积能量密度，而且可具有减小的电阻以及由此改善的输出。
[0200] 进一步地，与其中两个独立封装的二次电池并联连接的传统产品相比，提供了更高的输出改善效果，因为设置在单个封装部中的单元电池的特性根据单元电池设置在中央部或侧部而进行不同地调整。
[0201] 进一步地，在具有不同特性的不同单元电池中实现了电化学相互作用，因为具有不同输出特性的单元电池被密封在单个封装部内并且彼此共享参与电化学反应的化学物种。
[0202] 因此，即使当单元电池之一附近的电解质降解或者当操作离子(诸如锂离子)的密度下降时，电解质降解和下降的操作离子密度可通过电解质和操作离子的扩散得到补偿，从而二次电池的输出特性能够得以保持并且二次电池的衰减能够得以减缓。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 隔膜/电极复合结构及其制备方法、用途与超级电容器 | 2020-09-21 | 2 |
| 一种按压触动式狗脚部除尘装置 | 2020-11-30 | 0 |
| 包含具有核-壳结构的硫颗粒的二次电池 | 2022-02-25 | 2 |
| 一种磷酸铁锰锂-二硫化钨纳米片锂电池正极材料及制备方法 | 2020-08-30 | 2 |
| 一种空气过滤材料及其制备方法与用途 | 2020-10-07 | 0 |
| 一种镍氢电池的正极材料及制备方法 | 2023-05-31 | 2 |
| 一种基于物联网技术的夏季儿童被困车内紧急报警求救装置 | 2020-08-20 | 1 |
| 一种适用于电镀电源的触摸上电电路 | 2020-12-27 | 0 |
| 一种用于分离废旧锂电池电极片的装置 | 2022-11-09 | 1 |
| 一种汇流箱 | 2023-06-14 | 0 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈