使用顶部密封的隔膜的电池组件及包含其的二次电池
阅读：889发布：2023-01-22
专利汇可以提供使用顶部密封的隔膜的电池组件及包含其的二次电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种具有上端密封的隔膜的 电极 组件，以及一种包含此电极组件的二次 电池 。所述电极组件具有可充放电的 阴极 /隔膜/ 阳极 结构。突出所述电极上端之外的所述隔膜向一个方向弯曲， 热处理 所述隔膜使得所述隔膜的弯曲状态得以固定，并且在所述隔膜的弯曲表面形成绝缘 覆盖 层 。因此，防止外部物质导入所述电极组件，且因此，提升所述电极组件的安全性。，下面是使用顶部密封的隔膜的电池组件及包含其的二次电池专利的具体信息内容。
1.一种电极组件，其具有可充放电的阴极/隔膜/阳极结构，其中突出所述阴极和阳极的上端之外的隔膜向一个方向弯曲，热处理所述隔膜使得所述隔膜的弯曲状态得以固定，并且在所述隔膜的弯曲表面形成绝缘覆盖层。
2.如权利要求1所述的电极组件，其中所述隔膜自所述阴极和阳极的上端突出1.5mm至3mm的长度。
3.如权利要求2所述的电极组件，其中所述阳极的上端突出高于所述阴极的上端；以及所述隔膜自所述阳极的上端突出。
4.如权利要求1所述的电极组件，其中在隔膜材料的玻璃转变温度与所述隔膜材料的熔点之间的温度范围执行热处理固定操作。
5.如权利要求1所述的电极组件，其中通过在所述隔膜的弯曲上端施用熔融绝缘材料并凝固所述熔融绝缘材料，来形成所述绝缘覆盖层。
6.如权利要求5所述的电极组件，其中所述熔融绝缘材料为聚烯烃树脂，其是与用于所述隔膜的材料相同的聚合物树脂。
7.如权利要求1所述的电极组件，其中所述覆盖层的厚度为1mm至3mm。
8.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件为其中长条型电极和隔膜以环状断面的形式缠绕而构建的果酱卷型电极组件，或堆叠式电极组件。
9.一种二次电池，其包含如权利要求1至8任一项所述的电极组件。
10.如权利要求9所述的二次电池，其中所述二次电池没有附加的绝缘构件装设于所述电极组件的上端。
使用顶部密封的隔膜的电池组件及包含其的二次电池
技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有上端密封的隔膜的电极组件，以及一种包含所述电极组件的二次电池，且更具体地，涉及一种具有可充放电的阴极/隔膜/阳极结构的电极组件，其中突出所述电极上端之外的所述隔膜向一个方向弯曲，对所述隔膜作热处理使得所述隔膜的弯曲状态得以固定，并且在所述隔膜的弯曲表面形成绝缘覆盖层，藉此防止外部物质引入所述电极组件，因此提升所述电极组件的安全性，以及一种包含所述电极组件的二次电池。
背景技术
[0003] 锂二次电池主要使用锂基氧化物作为阴极活性材料以及含碳材料作为阳极活性材料。根据电解质溶液的种类，锂二次电池一般可分类为液态电解质电池或聚合电解质电池。根据所使用的电解质形式，锂二次电池亦可分类为锂离子电池、锂离子聚合物电池或锂聚合物电池。根据电池的外观，锂二次电池可分类为圆柱形电池、方形电池或袋形电池。
[0004] 构成二次电池的电极组件，是以隔膜装设于阴极与阳极间的结构构建的。典型电极组件的实例包括长条(long-sheet)型电极和隔膜以环状断面的形式缠绕构建的果酱卷型(jelly-roll type)电极组件，以及，以具有预设尺寸的电极和隔膜依序逐个堆叠构建的堆叠式电极组件。
[0005] 具有前述构筑的电极组件，虽然阴极和阳极彼此通过隔膜电绝缘，但由于导电的外部物质被导入电极组件或在阳极生成的枝晶而可能发生短路的问题。
[0006] 因此，通过热焊接使相邻隔膜的末端彼此附接的技术(日本未审查专利公开No.2000-090965及韩国未审查专利公开No.2004-0042373)以及在隔膜的周围形成厚度大于使用锂作为阳极材料的电池中电极厚度的1/2的绝缘材料的技术(日本未审查专利公开No.1993-109435)均已被提出以提升电池的安全性。然而，上述惯常技艺具有下列几个问题。
[0007] 第一，通过热焊接使邻接隔膜的末端彼此附接的技术通过使用热而完成，所述热足以引起这些隔膜至少部份溶化至电极的末端。因此，在使用高热以便完全密封这些隔膜时，电极活性材料可能被损坏。当为了防止电极活性材料损坏而以相对低的温度完成热焊接操作时，则难以达成隔膜间完整的密封性能。
[0008] 第二，在隔膜的周围形成厚度大于电池中电极厚度的1/2的绝缘材料的技术，其特征在于所述绝缘材料溶解于挥发性溶剂中，注入隔膜的末端，然后干燥。然而，必须重复执行此步骤，以便形成具有大于预设尺寸之密封部，且必须执行干燥流程。因此，该技术不被认为是经济的可用于实际大规模生产的技术。
[0009] 因此，急切需要提供一种解决上述习知技艺的问题并防止由于各种因素短路的技术。
发明内容
[0010] 技术问题
[0011] 因此，作出本发明以解决上述问题和其它尚未解决的技术问题。
[0012] 作为为解决上述问题的各种广泛和深入的研究和实验的结果，本发明的发明者发现，当构建电极组件，隔膜分别装设于阴极和阳极之间，高于所述阴极和阳极突出，突出的隔膜向一个方向弯曲，热处理所述隔膜使得所述隔膜的弯曲状态得以固定，并且在所述隔膜上端形成绝缘覆盖层，最小化对电极的热损坏，并且防止因外部物质导入电极组件而发生的短路情形。本发明是根据这些发现完成的。
[0013] 根据本发明的一方面，上述及其它目的可通过提供电极组件达成，所述电极组件具有可充放电的阴极/隔膜/阳极结构，其中突出超过所述电极上端的所述隔膜，向一个方向弯曲，热处理所述隔膜使得所述隔膜的弯曲状态得以固定，并且在所述隔膜的弯曲表面形成绝缘覆盖层。
[0014] 优选所述隔膜自所述电极的上端突出1.5mm至3mm的长度。当所述隔膜的突出长度太小时，所述隔膜不可能完全覆盖所述电极的上端，导致虽然所述隔膜已弯曲，热处理使得所述隔膜的弯曲状态固定，以及形成上述绝缘覆盖层，但仍难以达成密封性能。另一方面，当所述隔膜的突出长度太大时，增加的重叠区域导致电极组件的尺寸增加。
[0015] 优选所述阳极的上端高于所述阴极的上端突出，且所述隔膜在上述范围中自所述阳极的上端突出。
[0016] 所述隔膜的弯曲并无特别限制，只要所述隔膜可向一个方向弯曲以覆盖装设于这些隔膜间之电极的上端即可。
[0017] 热处理固定保持了所述隔膜的弯曲状态。优选在隔膜材料的玻璃转变温度以上的温度或在隔膜材料熔点以下的温度，执行该热处理固定操作。在惯常技艺中，隔膜的热焊接在足以造成隔膜至少部份熔融的高温下执行。因此，热处理的温度必须高于隔膜的熔点。另一方面，根据本发明，热处理固定操作在低于隔膜熔点的温度下执行。因此，有效防止由于使用高热所造成的活性材料的损坏。
[0018] 根据情况，可在短时间内以等于或高于隔膜之熔点的温度，执行热处理固定动作。
[0019] 所述绝缘覆盖层并无特别限制，只要该绝缘覆盖层以电绝缘材料形成，并可稳固地覆盖该隔膜的上端，同时该绝缘覆盖层不会影响电池的运作即可。举例来说，所述绝缘覆盖层可由各种绝缘材料形成，如PP、PE、PTFE和EPDM。这些绝缘材料可单独使用或由两种或更多组合使用。
[0020] 在一优选实施例中，通过在所述隔膜的弯曲上端施用熔融绝缘材料并凝固该熔融绝缘材料，以形成所述绝缘覆盖层。所述融化绝缘材料的添加及凝固不需任何溶剂，因此不需用于移除溶剂的干燥流程。因此，本发明更为经济。在这种情况下，特别优选的融化绝缘材料是与用于所述隔膜的材料同样的聚合物树脂。该聚合物树脂可为聚烯烃树脂如聚乙烯或聚丙烯。
[0021] 优选所述绝缘覆盖层的厚度为1mm至3mm。当所述绝缘覆盖层的厚度太小时，绝缘覆盖层与所述隔膜间的结合力降低。另一方面，当所述绝缘覆盖层的厚度太大时，电极组件的厚度会增加，且形成绝缘覆盖层所需的时间也会增加。
[0022] 根据本发明之电极组件可以各种结构构建。举例来说，该电极组件可为果酱卷型电极组件或堆叠式电极组件。
[0023] 根据本发明的隔膜上端弯曲且在特定条件下做热处理的结构是一种新的结构。因此，本发明还提供一种电极组件，其具有可充放电的阴极/隔膜/阳极结构，其中突出超过所述电极上端的所述隔膜，向一个方向弯曲，在隔膜材料的玻璃转变温度与隔膜材料的熔点之间的温度范围对所述隔膜作热处理，使得所述隔膜的弯曲状态得以固定。
[0024] 所述隔膜的构成及热处理条件系与上面描述的相同。
[0025] 根据本发明的另一方面，提供一种二次电池，其包含上述构成的电极组件。
[0026] 根据本发明的二次电池，不需要在一般二次电池中需要的组件装设于电极组件上端的附加绝缘构件。因此，具有这种结构的二次电池的制造流程得以简化，并且具有这种结构的二次电池的制造成本得以降低。
[0028] 本发明的上述及其它目的、特征与其余优势将会从以下结合附图的详细描述获得清楚认知，其中：
[0029] 图1至图4为根据本发明优选实施例的电极组件的制造方法的示意图。
[0030] 附图中主要参考标记的说明
[0031] 100电极组件
[0032] 110阴极
[0033] 120阳极
[0034] 130隔膜
[0035] 200绝缘覆盖层
具体实施方式
[0036] 现在，将结合附图详细描述本发明的优选实施例。这里必须注意本发明的范围并不仅限制于列举的实施例。
[0037] 图1至图4是根据本发明优选实施例制造电极组件的方法示意图。
[0038] 首先请参考图1，电极组件100是以分别装设于阴极110与阳极120间的多孔隔膜130的结构构建的，所述阴极110和阳极120是将活性材料施用到集流体上制备的。阴极110的高度小于阳极120，而隔膜130的高度大于阳极120。隔膜130的突出高度h大于阴极110与阳极120的宽度w。因此，如第二图所示，当电极组件100向一个方向按压，使得电极组件100弯曲时，阴极110及阳极120的上端会被完全覆盖。
[0039] 现在请参考图3，对包覆在阴极110和阳极120上端的隔膜130的弯曲部132执行热处理。热处理在隔膜材料的玻璃转变温度以上的温度或在隔膜材料熔点以下的温度于预设时间内执行，以固定弯曲部的弯曲状态。根据情况，在隔膜130的部份区域可进行热焊接。然而即使在这种情况下，这种热焊接也不被视为在隔膜130的整个区域做热焊接。
[0040] 最后请参考图4，熔融绝缘树脂施用于热固定隔膜130的上端表面，以便于在隔膜130的上端表面形成绝缘覆盖层200。绝缘覆盖层200完全覆盖阴极110及阳极120的上端，同时使隔膜130彼此连接，以防止外部物质导入阴极110和阳极120。另外，其可如盖板装设于电池壳体(未示出)的上开放端以维持电绝缘，而不需使用附加绝缘构件。
[0041] 此后，将详细描述证明根据本发明优选实施例的电极组件效果的实验。然而，应注意的是，本发明的范围并不限于所列举的实验。
[0042] [实例1]
[0043] 1-1.阴极的制造
[0044] 包含96重量百分比的LiCoC2，1.5重量百分比的Super-P(导电剂)，以及2.5重量百分比的PVDF(偶联剂)的混合物作为阴极活性材料，其添加至作为溶剂的NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)，以制造阴极混合浆。接着，将所述阴极混合浆施用于铝集流体，干燥并压制。以此方式，制造阴极。
[0045] 1-2.阳极的制造
[0046] 包含95.5重量百分比的人工石墨，1.5重量百分比的Super-P(导电剂)，以及3重量百分比的PVDF(偶联剂)的混合物作为阳极活性材料，其添加至作为溶剂的NMP，以制造阳极混合浆。接着，将所述阳极混合浆施用于铜集流体，干燥并压制。以此方式，制造阳极。
[0047] 1-3.电解质溶液的制造
[0048] 利用1M LiPF6和EC/PC/DMC-基溶液制造电解质溶液。
[0049] 1-4.绝缘覆盖层的形成及电池的制造
[0050] 如图2至图4所示，多孔隔膜分别装设于1-1节中所描述制造的阴极与1-2节中所描述制造的阳极之间，且向一个方向弯曲所述隔膜。接着，在约120℃的温度下热处理3秒以固定所述隔膜的弯曲状态。然后，将作为绝缘材料的熔融聚丙烯施用于所述隔膜的上端，以形成厚度约2mm的绝缘覆盖层。
[0051] 将如1-3节所描述制造的电解质溶液注入已制备的电极组件。以此方式，制造锂二次电池。
[0052] [对比例1]
[0053] 一种二次电池除了没有绝缘材料涂布于所述隔膜的上端之外，其余均依照如实例1同样的方式制造。
[0054] [实验例1]
[0055] 如实例1与对比例1所描述制造的电池分别从4英尺高处，将顶部、底部和侧部各落下15次，以测量是否有外部物质导入所述电极组件。这些测量结果示于表1中。
[0056] <表1>
[0057]
[0058] *碎片尺寸：≥500μm，粉末尺寸：44至150μm
[0059] 可从表1看到，当所述绝缘材料注入所述隔膜的突出上端，使得所述隔膜的突出上端覆盖所述绝缘材料时，避免了外部物质导入对应的电极组件，藉此提升了所对应电池的稳定性。
[0060] [实验例2]
[0061] 对于在实例1及对比例1中所描述制造的电池，在充电4.3V/0.5C/3V切断的条件下，完成10次的循环测试，以测量是否有外部物质导入所述电极组件。这些测量结果示于表2中。
[0062] <表2>
[0063]
[0064] 可从表2看到，当所述绝缘材料注入所述隔膜的突出上端，使得所述隔膜的突出上端覆盖所述绝缘材料时，避免了外部物质导入对应的电极组件，藉此提升了所对应电池的稳定性。
[0066] 产业实用性
[0067] 如上述所显示，本发明具有如下效果：防止外部物质导入电极组件，防止在电极组件中短路的发生，以及保护该电极组件免受外部持续作用的震动与碰撞，藉此提升包含该电极组件的电池的安全性。
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