CN104011929A - 具有阶梯式部分的电极组件和包括该电极组件的电池单元、电池组和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有一个或多个阶梯式部分的电极组件,包括一个或多个堆叠并折叠类型的层叠体,其中具有电极接片的多个电极单元被堆叠,并且它们被堆叠以通过使用片型隔离膜而彼此隔离,其中,通过堆叠具有与相邻的电极单元的不同面积的面积的电极单元来形成该层叠体。
Description
技术领域
本发明涉及电极组件,并且更具体地涉及具有阶梯式部分的电极组件,该阶梯式部分由具有不同大小的至少两个电极单元形成。
另外,本发明涉及包括电极组件的电池单元、电池组和装置以及制造包括电极组件的电池的方法。
背景技术
对于二次电池的需求已经随着移动装置的开发和越来越多的使用显著地增加,并且具体上,锂二次电池因为其高能量密度、高工作电压、易于储存的特性和长的预期使用期限而被广泛用作诸如移动装置的各种电子产品的电源。
通常,通过在电池壳体中布置电极组件和电解液并且密封电池壳体来形成锂二次电池。锂二次电池可以根据其形状被分类为成圆柱、棱柱,和袋状类型的,并且根据电解液的类型而被分类为锂离子电池、锂离子聚合物电池和锂聚合物电池。
随着移动装置的大小减小,对于薄棱柱或袋状电池的需求增大,并且具体地说,袋状类型的电池值得注意,因为袋状类型的电池轻巧。
在电池壳体中使用的所选择的数据可以被根据其结构被分类为包卷(缠绕)、堆叠与堆叠和折叠(组合)类型。
可以通过下述方式来形成包卷类型的电极组件:使用电极活性材 料来涂敷被用作集流体的金属箔,挤压金属箔,将金属箔切割为具有预定宽度和长度的带,使用隔离物膜将该带划分为正和负电极,并且螺旋地缠绕该隔离膜。可以通过垂直地堆叠负电极、隔离物和正电极来形成堆叠类型的电极组件。可以通过下述方式来形成组合类型的电极组件:在隔离膜片材上布置多个单元电池,每一个单元电池包括负电极/隔离物/正电极的堆叠,并且通过折叠隔离膜来堆叠单元电池。
因为通常通过堆叠具有相同大小的单元电池或电极来制造现有技术的电极组件。所以可能难以使用这样的电极组件来制造具有各种设计的电池。而且,如果改变电池的设计,则诸如电极制造过程、电极堆叠过程或电连接过程的过程可能变得复杂或难以执行。
因为近来的移动装置具有各种形状,所以必须制造具有各种形状的电池来用于这样的移动装置。因此,需要具有适合于制造具有各种形状或容易改变电池的形状的电池的结构的电极组件来遵循或满足在近来的(移动)装置上的设计要求。
发明内容
【技术问题】
本发明的一个方面提供了一种适合于提供各种电池设计的电极组件。
本发明的一个方面也提供了一种具有薄形状和满意的电容量特性的电极组件。
本发明的多个方面也提供了一种包括所述电极组件的电池单元、电池组和装置。
【技术解决方案】
根据本发明的一个方面,提供了一种电极组件,包括至少一个堆 叠并折叠类型的电极堆叠,在所述堆叠并折叠类型的电极堆叠中,具有电极接片的多个电极单元以所述电极单元被隔离膜片材隔离的状态被堆叠,其中,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠包括至少一个阶梯式部分,所述至少一个阶梯式部分由在其间布置有所述隔离膜片材的彼此堆叠并且具有不同面积的电极单元形成。
具有不同面积的所述电极单元的相互面对的电极可以具有不同的极性。
所述堆叠并折叠类型的电极堆叠可以是Z折叠类型的电极堆叠,并且在该情况下,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠可以包括一个或两个阶梯式部分。
具有不同面积的所述电极单元的相互面向的电极中的较大的一个可以是负电极。
所述电极单元的每一个可以包括选自由下述所组成的组中的一个:正电极、负电极和单元电池,所述单元电池的每一个具有在其间布置有隔离物的堆叠的至少一个正电极和至少一个负电极。
所述单元电池的每一个具有选自由下述所组成的组中的类型:包卷类型、堆叠类型、层叠并堆叠类型、以及堆叠并折叠类型。
在其间布置有隔离物的彼此堆叠并且具有不同面积的单元电池可以包括至少一个阶梯式部分。
所述隔离物可以是隔离膜片材,并且可以根据所述阶梯式部分的形状来弯曲或切割所述隔离膜。
所述堆叠并折叠类型的电极堆叠可以是下述电极堆叠:其中,通 过使用所述隔离膜,将Z折叠类型的电极堆叠被与包卷类型的电极堆叠、层叠并堆叠类型的电极堆叠、堆叠并折叠类型的电极堆叠、或其组合一起加以堆叠。
所述堆叠并折叠类型的电极堆叠可以是Z折叠类型的电极堆叠,并且所述电极组件可以进一步包括选自由下述所组成的组中的至少一种:堆叠类型的电极堆叠、包卷类型的电极堆叠、层叠并堆叠类型的电极堆叠、堆叠并折叠类型的电极堆叠、及其组合,并且所述堆叠类型的电极堆叠、所述包卷类型的电极堆叠、所述层叠并堆叠类型的电极堆叠、所述堆叠并折叠类型的电极堆叠、及其组合的至少一种可以包括阶梯式部分。
所述电极堆叠可以包括具有在形状上与其其他角不同的至少一个角的至少一个电极单元。
所述电极堆叠可以包括具有至少一个弧形角的至少一个电极单元。例如,所述电极堆叠可以包括两个或多个电极单元,每一个电极单元具有至少一个弧形角,并且所述两个或多个电极单元的至少一个可以具有在曲率上与其他电极单元的弧形角不同的弧形角。
所述电极单元可以以使得所述电极单元的面积在其堆叠方向上减小的方式在所述电极堆叠中堆叠。所述电极单元可以以使得所述电极单元的角以排成一线的方式在所述电极堆叠中堆叠。在其间布置有所述隔离膜的彼此邻接的电极堆叠的电极单元的至少一个可以被布置在其他电极单元的边界内。所述电极堆叠的电极单元的中心可以被彼此对齐。
所述电极单元可以具有相同的厚度或不同的厚度。
所述电极组件的最外电极可以是具有面朝向外部的未涂敷侧的单 侧涂敷的电极,并且所述电极组件的隔离膜或隔离物可以被暴露。所述单侧涂敷的电极可以是正电极。
所述电极组件的最外电极可以是负电极,并且所述电极组件的隔离膜或隔离物可以被暴露。
所述电极单元可以包括分别与电极对应的电极接片,并且所述电极接片具有相同的大小或不同的大小。
根据本发明的另一个方面,提供了一种电池单元,包括:所述电极组件;以及容纳所述电极组件的电池壳体,并且所述电池壳体可以是锂离子二次电池单元或锂离子聚合物二次电池单元。所述电池壳体可以是袋状类型的壳体。所述电池壳体可以是与所述电极组件的形状对应的阶梯式或倾斜式部分。
根据本发明的另一个方面,提供了一种包括如上所述的至少一个电池单元的装置。所述装置的***部件可以被布置在所述电池单元的剩余空间中。所述装置可以是蜂窝电话、便携计算机、智能电话、智能平板电脑、上网本、轻型电动车辆(LEV)、电动车辆、混合动力电动车辆、***式混合动力电动车辆或者蓄电装置。
【有益效果】
根据本发明的一个方面,可以通过Z折叠方法经由单个过程来制造具有阶梯式部分的电极组件,并且可以使用电极组件来提供各种电池设计。
根据本发明的另一个方面,可以通过简单过程使用简单排列的单元来制造电极组件。另外,可以使用其中装配了正和负电极的单元电池或使用单元电极而不必形成单元电池来制造电极组件。因此,可以进一步简化制造过程。
根据本发明的另一个方面,可以使用具有阶梯式部分的电极组件来制造电池,使得使用电池的装置可以具有较少的无效空间和高的空间效率。另外,可以增大电池的容量。
根据本发明的另一个方面,在电极组件中,不同类型的电极可以在具有不同大小的单元电池之间的界面区域中面向彼此。因此,电化学反应可以在界面区域中发生,以增大电池的输出功率。
本发明的效果不限于上述效果。本发明所属的领域内的技术人员容易明白,可以从下述的本发明获得各种其他效果。
附图说明
图1至4是图示根据本发明的实施例的用于形成具有阶梯式部分的电极组件的电极单元的展开视图;
图5至7是图示根据本发明的实施例的具有阶梯式部分的电极组件的堆叠结构的示意截面图;
图8至12是图示根据本发明的其他实施例的具有阶梯式部分的电极组件的堆叠结构的示意截面图;
图13至15是图示根据本发明的实施例的、被用作单元电池的示例性层叠并堆叠类型的单元电池的示意图;
图16是图示根据本发明的实施例的、其中每一个具有单个阶梯式部分的示例性电极组件的示意图;
图17是图示根据本发明的实施例的具有阶梯式部分的电极组件的示意截面图;
图18至24是图示根据本发明的实施例的具有阶梯式部分的电池单元的透视图;并且
图25是图示根据本发明的实施例的电极接片的堆叠结构的平面图(a)和前视图(b)。
具体实施方式
以下,将参考附图来详细描述本发明的实施例。附图被附加到此以有助于解释本发明的示例性实施例,并且本发明不限于该附图和实施例。在附图中,为了清楚或简洁,可能在大小上夸大、缩小或省略一些元件。
本发明的实施例提供了具有阶梯式部分的电极组件。在实施例中,可以通过堆叠和折叠方法来形成电极组件。例如,可以通过在隔离膜上布置电极单元并且在一个方向上折叠隔离膜来形成电极组件(缠绕类型的电极组件),或者,可以通过在隔离膜片材上布置电极单元并且以屏风的形式来折叠隔离膜来形成电极组件(曲折折叠(Z折叠)类型的电极组件)。在图1至4中示意地图示了Z折叠类型的电极组件的示例。以下,将详细描述根据本发明的实施例的Z折叠类型的电极组件。
在本发明的实施例中,可以通过组合具有不同的面积的电极单元来形成每一个电极组件。电极单元的每一个可以包括单元电池,该单元电池具有负电极、正电极与在负和正电极之间布置的隔离物。电极组件可以是这样的电极单元,或者可以通过组合这样的电极单元而被形成。在本发明的说明中,表达“不同面积”可以用于下述情况:其中,相互面向的电极单元具有不同的宽度或长度,并且因此,电极单元的相互面向的电极具有不同的面积。
电极单元的面积差不限于特定程度或范围,只要电极单元可以在电极组件上形成阶梯式部分。例如,相对较小的电极单元的宽度或长度可以是相对较大的电极单元的宽度或长度的20%至95%或30%至90%。具有不同面积的电极单元可以具有不同的宽度或长度,或者电极单元可以具有不同的宽度和长度。
例如,可以制备其中堆叠具有相同面积的一个或多个电极单元的 第一电极堆叠,并且可以在第一电极堆叠顶部上布置其中堆叠具有相对较小的面积的一个或多个电极单元的第二电极堆叠,以便形成电极组件。在第一和第二电极堆叠中堆叠的电极单元的数量不受限,并且第一和第二电极堆叠的高度不受限。另外,第一电极堆叠的电极单元的数量可以等于或不同于第二电极堆叠的电极单元的数量,并且第一和第二电极堆叠可以具有相同的高度或不同的高度。
在本发明的实施例中,电极组件的阶梯式部分的数量不受限。例如,可以通过堆叠具有三个不同面积的电极堆叠来形成具有两个阶梯式部分的电极组件。在另一个示例中,可以通过堆叠具有两个不同面积的电极堆叠来形成具有单个阶梯式部分的电极组件。在另一个示例中,可以形成具有三个或更多阶梯式部分的电极组件。在下面的说明中,将作为非限定性示例主要描述其中每一个具有两个阶梯式部分的电极组件。
另外,电极堆叠的电极单元(电极)或不同的电极堆叠可以具有相同的厚度或不同的厚度。例如,可以使用相对较大数量的活性材料来涂敷具有相对较小面积的电极单元的电极,以便补偿因为电极单元的小面积导致的电池容量的减小的量。然而,本发明不限于此。例如,具有相对较大面积的电极单元可能具有相对较大或较小的厚度。即,电极单元的厚度不受限。例如,本发明所属的领域内的技术人员可以在考虑根据电池将用于的装置的特性而确定的、诸如形状、高度和容量的电池的设计规格后选择电极单元的适当的厚度。
在本发明的实施例中,用于形成电极组件的正电极、负电极和隔离物的材料不限于特定材料。例如,可以使用在本发明所属的领域中通常使用的材料。
在本发明的实施例中,使用电极活性材料来涂敷单元电池的负和正电极的电极集电器。参见图5,在每一个电极单元中,负和正电极 20和30的电极集电器21和31具有相同的大小。负和正电极集电器21和31的整个表面可以被涂敷负荷正电极活性材料21和31,或者其边缘部分可以不被涂敷负荷和正电极活性材料。如果电极集电器的整个表面被涂敷电极活性材料,则负和正电极可以具有相同的大小。然而,在该情况下,在电池反应期间,锂可以从正活性材料沉淀而降低电池的性能。因此,在一些情况下,使用正电极活性材料涂敷的正电极的面积可以小于使用负电极活性材料涂敷的负电极的面积,以便防止锂从正活性材料沉淀。
在本发明的实施例中,负和正电极可以由在现有技术中通常用于形成负和正电极的任何材料形成。例如,可以通过下述方式来制造负电极:使用铜、镍、铝或其组合来制作负电极集电器,并且使用至少一个负电极活性材料涂敷负电极集电器的一侧或两侧,该负电极活性材料选自锂、锂合金、碳、石油焦、活性炭、石墨、硅化合物、锌化合物、钛化合物和合金或它们的组合。然而,本发明不限于此。可以通过下述方式来制造正电极:使用铝、镍或其合金或组合来制作正电极集电器,并且使用正电极活性材料涂敷正电极集电器的一侧或两侧,该正电极活性材料例如是锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂铁磷酸盐或它们的组合或复合氧化物。
此时,可以使用相同数量或不同数量的电极活性材料来涂敷电极的电极集电器,使得电极可以具有相同厚度或不同厚度。另外,电极集电器的两侧可以被涂敷不同数量的活性材料,或者,电极集电器的一侧或两侧可以不被涂敷活性材料。
另外,隔离物的每一个可以是由具有细孔的材料形成的多层膜,该材料例如是聚乙烯、聚丙烯或它们的组合。在另一示例中,隔离物的每一个可以是用于固体或凝胶型电解质的聚合物膜,例如聚偏氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯(polyvinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene)膜的聚合物膜。在本 发明的实施例中,可以使用由用于形成隔离物的相同材料形成的隔离膜片材。
图1至4是图示通过下述方式形成的上述电极堆叠的示例的展开视图:在隔离膜片材上布置电极单元,并且以曲折方式折叠隔离膜(Z折叠类型)。图1至4是图示可以用于形成具有阶梯式部分的电极组件的示例性电极堆叠的展开视图,并且本领域内的技术人员可以容易地修改示例性电极堆叠,以形成在本发明的范围和精神内的各种电极组件。虽然在图1至4中示出的示例中使用单片的隔离膜片材,但是对于本领域内的技术人员显然,可以使用两片或多片隔离膜片材来形成电极堆叠。例如,可以通过下述方式来形成电极堆叠(电极组件):平行地布置两片隔离膜片材,在该两片隔离膜片材之间在两片隔离膜片材的至少一个上布置电极单元,并且折叠隔离膜片材。
在本发明的实施例中,电极单元可以包括选自由下述部分构成的组的电极单元:负电极、正电极和单元电池,每一个单元电池具有在其间布置有隔离物的堆叠的负和正电极;并且电极堆叠可以是下述结构:其中,堆叠至少两个这样的电极单元,并且在其间布置有隔离物或隔离膜片材。替代地,电极堆叠可以是其中堆叠至少两个电极的一个单元电池或者可以是至少一个单元电池和至少一个电极的组合。即,在本发明的实施例中,可以相互交换地使用术语“单元电池”和“电极堆叠”。另外,电极组件可以由一个电极堆叠、至少两个电极堆叠或至少一个电极堆叠和至少一个单个电极的组合形成。因此,在下面的说明中,电极堆叠可以是形成电极组件的基本结构之一,或者,电极堆叠可以是电极组件。即,在电极组件中包括的电极堆叠的数量不受限。
参见图1,可以在隔离膜片材40上布置负电极20和正电极30,并且可以以曲折方式来折叠隔离膜40以形成具有阶梯式部分的电极堆叠。参见图1中(a),以下述方式在隔离膜片材40的一侧上布置其中 每一个包括负电极20和正电极30的电极单元:使得以固定间隔来交错地布置负和正电极20和30,并且以Z折叠方式来折叠隔离膜40。参见图1中(b),在隔离膜片材40的两侧上布置负电极20和正电极30以形成电极堆叠。详细而言,以固定间隔在隔离膜40的一侧上布置负电极20,并且以固定间隔在隔离膜40的另一侧上布置正电极30。然后,以Z折叠方式折叠隔离膜40,以形成电极堆叠。
另外,如图2至4中所示,可以使用单元电池60通过Z折叠方法来形成电极堆叠,在该单元电池60中,堆叠负电极20和正电极30,并且其间布置了隔离物50。详细而言,图2是用于图示通过下述方式形成电极组件的方法的展开视图:在隔离膜片材的一侧上布置具有不同面积的单元电池60,并且以Z折叠方式来折叠隔离膜。单元电池60的每一个可以是全电池,其中,堆叠负电极20和正电极30,并且在其间布置了隔离物50,或者,单元电池60的每一个可以是双电池,其中,交错地堆叠了负和正电极20和30,并且在其间布置了隔离物50。在这样的双电池的两侧上布置了具有相同极性的电极。在图3至4中图示了全电池和双电池的示例。
图3是图示在隔离膜片材40上布置的双电池(A型双电池和C型双电池)的展开视图。在每一个A类型的双电池中,在两个正电极30之间布置负电极20,并且在其间布置了隔离物50。在每一个C类型的双电池中,在两个负电极20之间布置正电极30,并且在其间布置了隔离物50。图3中(a)是用于通过在隔离膜片材40的一侧上布置电极单元(电池)并且以Z折叠方式来折叠隔离膜40而形成电极堆叠的展开视图,并且图3中(b)是用于通过在隔离膜片材40的两侧上布置电极单元(电池)并且以Z折叠方式来折叠隔离膜40而形成电极堆叠的展开视图。
图4是图示在隔离膜片材40上布置的双电池和全电池的展开视图。详细而言,图4中(a)是用于通过在隔离膜片材40的一侧上布置 电极单元(电池)并且以Z折叠方式来折叠隔离膜40而形成电极堆叠的展开视图,并且图4中(b)是用于通过在隔离膜片材40的两侧上布置电极单元(电池)并且以Z折叠方式来折叠隔离膜40而形成电极堆叠的展开视图。
参见在图2至4中所示的实施例,在隔离膜片材40上布置全电池和双电池。除此之外,也可以在隔离膜40上作为电极单元布置电极。而且,可以在隔离膜40上布置各种单元电池60,诸如下述单元电池:其中,堆叠至少两个负电极20和至少两个正电极30,并且在其间布置了隔离物50。即,可以以各种方式以及在图2至4中所示的方式来在隔离膜40上布置电极单元。
图5至7图示了通过如参考图1至4所述在隔离膜片材40上布置电极单元并且以Z折叠方式折叠隔离膜40而形成的电极组件1的示例性堆叠结构。详细而言,图5图示了通过如在图1中(b)中所示在隔离膜片材40的两侧上布置单个电极并且以Z折叠方式折叠隔离膜40而形成的、具有阶梯式部分的电极组件1(阶梯式电极组件)。图6图示了通过如图3中(a)或4中(a)中所示在隔离膜片材40的一侧上布置作为电极单元的、具有不同面积的全电池和双电池并且以Z折叠方式折叠隔离膜40而形成的阶梯式电极组件1。图7图示了通过在隔离膜片材40的一侧上布置具有不同面积的双电池并且以Z折叠方式折叠隔离膜40而形成的阶梯式电极组件1。
在本发明的实施例中,可以堆叠具有不同面积的电极单元以在其间形成阶梯式部分。此时,面向彼此并且在其间布置了隔离膜的电极单元的电极可以具有不同的极性。如果具有相同极性的电极面向彼此并且在其间布置了隔离膜,则可能不在相互面向的电极之间发生电池反应。然而,具有不同极性的电极面向彼此,可能在相互面向的电极之间发生电池反应,使得可以增大电池的反应面积和容量,而不增大其大小。
具体地说,当堆叠具有不同面积的电极单元时,该电极单元的相互面向的电极的较大的一个可以是负电极。详细而言,如果具有不同面积的电极组件的电极单元面向彼此并且在其间布置了隔离膜,则电极单元的相互面向的电极的较大的一个在较大电极被覆盖隔离膜的状态中部分地被暴露到外部。在该情况下,较大的电极可以是负电极。因为使用包括锂的正电极活性材料涂敷正电极,所以如果暴露正电极,则锂可能从正电极沉淀,从而降低电池的预期使用期限或稳定性。
因为相同的原因,如图1、3和4中所示,可以以下述方式在隔离膜上布置电极单元:使得可以在电极组件1的至少一侧上布置负电极20。参见图5至7,在电极组件1的一侧上布置负电极20,或者在电极组件1的两侧上布置负电极20。
在本发明的一些实施例中,如图5中所示,可以在电极组件1的一侧上布置正电极30。然而,在该情况下,正电极30可以是具有未被涂敷正电极活性材料32的外测的单侧涂敷的正电极33。参见图5,在电极组件1的底侧上布置正电极30,并且正电极30的底侧未被涂敷正电极活性材料。电极组件1的最外电极可以被覆盖隔离物或隔离膜片材,以防止最外电极直接暴露到外部。
在本发明的实施例中,单元电池或电极单元不限于特定结构或类型。例如,其中交错地堆叠负和正电极并且在其间布置了隔离物的单元电池可以用于形成堆叠类型的电极堆叠。
根据本发明的其他实施例,除了上述方法之外,其中每一个包括至少一个正电极和至少一个隔离物的层叠也可以形成为单元电池,并且该单元电池可以被堆叠以形成电极堆叠(该方法现在将被称为层叠并堆叠类型或层叠并堆叠方法)。即,在本发明的实施例中,可以通过上述方法或层叠并堆叠方法来制造电极堆叠或电极组件。
在通过层叠并堆叠方法来形成电极堆叠的情况下,电极堆叠的每一个单元电池的结构不限于特定结构,只要每一个单元电池包括至少一个正电极、至少一个负电极和至少一个隔离物。
然而,对于简单和经济的制造过程,通过层叠并堆叠方法形成的电极堆叠的每一个单元电池可以具有负电极/隔离物/正电极/隔离物或隔离物/负电极/隔离物/正电极的基本结构。在一些实施例中,每一个单元电池可以包括一个或多个基本结构。
而且,通过层叠并堆叠方法形成的电极堆叠可以仅包括具有上述的基本结构的电极单元,或者可以包括具有上述基本结构的电极单元和具有一个或多个不同结构的其他电极单元。
图13至15图示了通过层叠并堆叠方法形成的电极堆叠的各个示例。
图13图示了通过层叠并堆叠方法形成包括电极单元65的电极堆叠。电极单元65的每一个具有隔离物50/负电极20/隔离物50/正电极30的基本结构。取代在图13中所示的隔离物/负电极/隔离物/正电极的基本结构,电极单元65的每一个可以具有隔离物/正电极/隔离物/负电极(负和正电极的位置被改变)的基本结构。如果电极单元的基本结构是在图13中所示的隔离物/负电极/隔离物/正电极结构,则由这样的电极单元形成的电极堆叠的最外(最上)正电极可以不被隔离物覆盖,而是可以被暴露到外部。在该情况下,最外正电极可以是单侧被涂敷的正电极,其暴露侧不被幅度活性材料,以便优化电池的容量或电极单元的设计。虽然在图13中所示的电极单元65的每一个具有相同的基本结构,但是本发明不限于此。例如,其中每一个具有两个或多个相同或不同基本结构的电极单元可以被堆叠以形成电极堆叠。
图14图示了通过堆叠具有隔离物50/负电极20/隔离物50/正电极20的基本结构的电极单元66和具有隔离物50/负电极20/隔离物50的基本结构的电极单元形成的电极堆叠。在图14中,因为最外(最上)的电极单元具有隔离物50/负电极20/隔离物50的基本结构,所以可以不暴露正电极,并且可以增大电池的容量。类似地,在具有暴露的最上负电极的电极堆叠的情况下,可以在暴露的最上负电极上布置具有隔离物/正电极/隔离物的基本结构的电极单元,以最大地使用最上负电极的容量。
图15图示了通过堆叠具有负电极20/隔离物50/正电极30/隔离物50的基本结构的电极单元68和具有负电极20/隔离物50/正电极30/隔离物50/负电极20的基本结构的电极单元67而形成的电极堆叠。在图15中,因为最外(最上)的电极单元具有负电极20/隔离物50/正电极30/隔离物50/负电极20的基本结构,所以可以不暴露正电极,并且可以增大电池的容量。
如图14和15中所示,通过层叠并堆叠方法形成的电极堆叠包括具有上述基本结构的电极单元。除了电极单元之外,电极堆叠可以进一步包括单个电极、单个隔离物或具有不同布置和结构的单元电池。例如,在堆叠具有上述基本结构的电极单元后,可以在堆叠的电极单元的最外侧或两个最外侧上布置单个电极、单侧被涂敷的电极、隔离物或具有不同布置和结构的单元电池,以便覆盖暴露的正电极或增大电池的容量。在图14和15中所示的电极堆叠中,最上电极单元具有与其他电极单元的结构不同的结构。然而,本发明不限于此。例如,电极堆叠的最下电极单元可以具有与电极单元的其他电极单元的结构不同的结构,或者,电极堆叠的最上和最下电极单元可以具有与电极堆叠的其他电极单元的结构不同的结构。
在本发明的一些实施例中,电极堆叠可以是如下形成的堆叠并折叠类型的电极堆叠:在隔离膜片材上布置负和正电极,或者,在隔离 膜片材上布置电极堆叠,每一个电极堆叠包括至少一个负电极、至少一个正电极和在负和正电极之间布置的隔离物;并且折叠隔离膜。
堆叠并折叠类型的电极堆叠可以是通过在一个方向上折叠隔离膜而形成的缠绕类型的电极堆叠,或者可以是通过以曲折方式(Z折叠方式)折叠隔离膜而形成的Z折叠类型的电极堆叠。缠绕类型的电极堆叠的缠绕方向可以从顺时针改变为逆时针或从逆时针改变为顺时针。例如,可以象在图11中所示的包卷类型的单元电池73的缠绕方向那样改变缠绕类型的单元电池71的缠绕方向。在另一个示例中,可以象在图12中所示的包卷类型的单元电池73的缠绕方向那样来改变缠绕类型的单元电池的缠绕方向。
在本发明的一些实施例中,电极堆叠可以是通过下述方式形成的包卷类型的电极堆叠:以螺旋形式卷起至少一个矩形负电极片材、隔离膜片材和至少一个矩形正电极片材。在本发明的一些实施例中,可以通过下述方式来制造具有阶梯式部分的电极组件:形成Z折叠类型的电极堆叠,并且通过使用单片隔离膜片材来连续地形成包卷类型的电极堆叠或堆叠并折叠类型的电极堆叠。
在本发明的实施例中,电极组件可以是通过组合不同类型的电极堆叠或相同类型的电极堆叠而形成的Z折叠类型的电极组件。另外,可以连同这样的电极堆叠堆叠诸如单个电极的其他电极单元以形成电极组件。
例如,根据实施例,可以将Z折叠类型的电极组件形成如下:在隔离膜片材的一侧或两侧上作为单元电池布置堆叠类型的电极堆叠、层叠并堆叠类型的电极堆叠、堆叠并折叠类型的电极堆叠和包卷类型的电极堆叠的一个或多个;并且以Z折叠方式折叠隔离膜。此时,面向彼此并且在其间布置了隔离物的单元电池可以具有不同的面积以形成阶梯式部分。
在图8中图示了包括作为单元电池(电极单元)的这样的电极堆叠的示例性电极组件。参见图8,阶梯式电极组件1包括:作为大面积单元电池的包卷类型的单元电池73;作为中等面积单元电池的堆叠类型的电极堆叠74;以及作为小面积单元电池的堆叠并折叠类型的(Z折叠类型的)电极堆叠76和单个电极10。使用采用隔离膜片材40的Z折叠方法来堆叠单元电池。然而,可以形成具有与在图8中所示的结构不同的结构的电极组件。
在本发明的一些实施例中,可以使用隔离膜片材来缠绕电极组件的一些或全部电极单元。虽然在图8中未示出,但是用作单元电池的电极堆叠70可以具有阶梯式部分。
在本发明的一些实施例中,电极组件可以包括使用单片隔离膜片材形成的Z折叠类型的电极单元、缠绕类型的电极单元和包卷类型的电极单元。在图9中图示了电极组件的示例。参见图9,阶梯式电极组件1包括:作为大面积电极单元的堆叠并折叠类型的(缠绕类型的)电极堆叠72;作为中等面积电极单元的堆叠并折叠类型的(Z折叠类型的)电极堆叠71;以及使用单片隔离膜片材40形成的作为小面积电极单元的包卷类型的电极堆叠73。使用单片隔离膜片材40形成图9的阶梯式电极组件1。与此不同,可以使用串连的多片隔离膜片材40来形成电极组件1。
另外,参见图9,在电极组件1的顶侧上布置了其外侧被隔离物50覆盖的单个电极10(负电极20)。因为被隔离膜40覆盖的包卷类型的电极单元(单元电池)60的正电极30位于电极组件1的顶侧上,另外在电极组件1的顶侧上布置单个电极10(负电极20),使得最上电极是负电极。另外,在其底侧上具有未涂敷侧的单侧被涂敷的正电极33被布置在图9的电极组件1的底侧上。
在本发明的实施例中,电极组件可以包括作为电极单元的另一种类型的电极堆叠以及Z折叠类型的电极堆叠。例如,电极组件可以包括堆叠类型的电极堆叠、包卷类型的电极堆叠或堆叠并折叠类型的电极堆叠以及Z折叠类型的电极堆叠。此时,电极组件可以包括至少一种类型的电极堆叠。例如,电极组件可以包括相同类型的至少两个电极堆叠。上述电极堆叠的至少一个可以包括阶梯式部分,或者可以通过电极堆叠的组合来形成阶梯式部分。另外,电极组件可以进一步包括单个电极。如果必要,则可以堆叠电极组件的电极单元或单个电极,并且在其间布置了隔离物。
图10图示了上述电极组件的一个示例。参见图10,电极组件1包括:作为大面积电极单元的单个电极10;通过大面积电极单元和中等面积电极单元形成的具有阶梯式部分的Z折叠类型的电极堆叠71;以及作为中等面积电极单元的单个电极10和包卷类型的电极堆叠73的组合;以及作为小面积电极单元的Z折叠类型的电极堆叠71。
图11和12图示了具有由多个电极堆叠形成的阶梯式部分的示例性电极组件。在图11和12中所示的电极组件具有相同的结构,除了包卷类型的电极堆叠73的缠绕方向之外。参见图11,通过分别在顺时针和逆时针方向上卷起同一隔离膜片材来形成中等面积包卷类型的电极堆叠73和大面积包卷类型的电极堆叠73,并且堆叠包卷类型的电极堆叠(单元电池)73。参见图11和12,电极组件1的每一个包括:在大和中等面积之间的具有阶梯式部分的Z折叠类型的电极堆叠71;在中等和小面积之间的具有阶梯式部分的包卷类型的单元电池(电极堆叠)63;以及作为小面积电极单元的单个电极10。在图11和12中所示的包卷类型的单元电池可以被替换为以相同方式缠绕(卷起)的堆叠并折叠类型(缠绕类型)的单元电池。
在上面的说明中,参考附图描述其中每一个具有两个阶梯式部分的电极组件。然而,可以通过堆叠两个电极堆叠来形成具有阶梯式部 分的电极组件。在图16中图示了其示例。
在本发明的实施例中,电极组件可以具有各种堆叠结构。图16是图示电极组件的堆叠结构的示意截面图。如图17中所示,在电极组件中堆叠的电极单元的大小可以向上(图中a)或向下(图中b)减小。另外,电极单元的大小可以在堆叠方向上增大并且然后减小,或者可以在堆叠方向上减小并且然后增大(图中c)。在该情况下,可以对称地堆叠电极单元。在本发明的其他实施例中,可以任意改变堆叠的电极单元的大小。
另外,如图18至22中所示,可以将电极单元的角排成一线。此时,电极单元可以如图18和19中所示具有不同的面积但是相同的形状,或者可以如图20至22中所示具有不同的面积和形状。
例如,电极单元的至少一个可以具有弧形角,如图20和21中所示。在另一个示例中,电极单元的至少一个可以具有至少两个弧形角。电极单元的角可以具有不同的形状,并且这在下面的说明中相同。
如图20中所示,电极单元的角可以具有不同的弯曲度,并且如图21中所示,电极单元的角可以具有不同的形状。另外,如图22中所示,电极单元的一侧和两个相邻的角可以形成弧。
而且,可以以下述方式来堆叠电极单元:使得相对较小的电极单元在相对较大的电极单元的边界内。此时,可以以任意方式来堆叠电极单元。图23图示了堆叠的并且其中心彼此对齐的电极单元。
另外,如图24中所示,可以通过堆叠具有相同长度但是不同宽度的单元电池来形成在其宽度方向上具有阶梯式部分的电极组件1。在该情况下,可以在电极组件1的宽度方向上的一侧或两侧上形成阶梯式部分。在图25中所示的另一个实施例中,电极组件1可以在其长度方 向上具有阶梯式部分。
除了在附图中所示的结构之外,电极单元的角可以具有各种其他形状。如上所述,可以以下述方式来堆叠电极单元:使得相对较小的单元电池在相对较大的单元电池的边界内。然而,在其他实施例中,可以以下述方式来堆叠电极单元:使得两个相邻的单元电池部分地彼此接触,以形成例如十字(+)形状。
根据本发明的实施例,可以提供具有各种堆叠结构、电极单元形状和角形状的电极组件1,以形成具有各种设计的电池,并且改善在空间利用上的效率。
在本发明的实施例中,电极组件的电极单元包括负电极接片和/或正电极接片。如果电极单元是单元电池,则该电极单元可以具有负和正电极接片两者,并且如果电极单元是电极,则电极单元可以具有电极接片。在电池壳体中***单元电池后,相同极性的电极接片彼此电连接。
负和正电极接片可以附接到各种位置。例如,负和正电极接片可以附接到电极单元的相同侧,并且根据其极性叠加在彼此之上。例如,如图18至25中所示,电极接片25和35可以从电极组件1的每一个的一侧突出。在另一个示例中,电极接片25和35从电极组件1的两个横向侧突出,如图24中所示。
在该两个示例中,可以在彼此之上叠加相同极性的电极接片,使得相同极性的电极接片可以在被***电池壳体中后容易地电连接。
如果如图22或24中所示在电极组件1的阶梯式侧上形成电极接片25和35,则从相对小电极单元突出的电极接片25和35可以与相对大的电极单元的电极接触,使得电池的稳定性劣化。为了防止这一点, 可以使用绝缘树脂或绝缘带来涂敷电极接片25和35。
电极接片的形状和大小不受限。例如,电极接片可以具有相同的宽度和长度或不同的宽度和/或长度。在该情况下,通过将相对小的电极接片布置在相对大的电极接片上,可以在彼此之上容易地叠加电极接片。例如,如果电极接片具有不同的大小,则可以如图22中所示在彼此之上叠加具有相同极性的电极接片。
在使用至少一片隔离膜片材折叠一些或全部电极单元以形成电极组件的情况下,隔离膜可以在相对大电极单元的上边缘和相对小单元电池的上边缘之间具有倾斜部分。具体地说,当隔离膜用于形成具有阶梯式部分的堆叠并折叠类型的(缠绕类型的)电极组件或用于缠绕具有阶梯式部分的电极组件时,该隔离膜可以具有倾斜部分。
在该情况下,用于容纳电极组件的电极壳体可以具有与隔离膜的倾斜部分对应的倾斜部分。然而,这可以增大电极壳体的大小。为了防止这一点,可以根据电极组件的形状来确定隔离膜的形状,以增大电池的空间效率。例如,如果隔离膜的一部分与电极组件隔开,则可以通过根据电极组件的形状来加热或加压而拉伸隔离膜的部分。即,可以在电极组件的阶梯式部分处弯曲隔离膜。替代地,通过沿着电极组件的阶梯式部分切割隔离膜,可以根据电极组件的形状来确定隔离膜的形状。
接下来,将描述根据本发明的实施例的电池单元。图23图示了根据本发明的一个实施例的示例性电池单元100。参见图23,电池单元100包括电池壳体120和在电池壳体120中布置的电极组件1。电池壳体120可以是袋状类型的壳体。
袋状类型的壳体可以由层叠薄片形成,该层叠片材包括外树脂层、用于防止外来物质的渗透的阻挡金属层和内部密封树脂层。然而,袋 状类型的壳体不限于此。
可以在电池壳体的外表面上暴露用于连接电极组件的电极单元的电极端子(接片)的电极引线,并且绝缘膜(未示出)可以附接到电极引线的顶侧和底侧,以保护电极引线。
另外,电池壳体可以具有与电极组件的形状对应的形状。例如,电池壳体可以可变形为期望的形状。电池壳体的形状和大小可以不完全与电极组件的形状和大小相同,以便防止由电极组件在电池壳体中滑动导致的短路。然而,电池壳体的形状和大小不受限。即,电池壳体的形状和大小可以根据例如应用条件而变化。
例如,电池壳体可以根据电极组件的阶梯形状而具有阶梯形状,如图23中所示。另外,电池壳体可以在面向电极组件的阶梯式部分的位置处具有倾斜表面(未示出)。例如,电池壳体可以从电极组件的阶梯式部分的上边和角延伸的倾斜表面。电池壳体的倾斜表面可以包括弯曲部分,并且倾斜表面的斜率可以是2或更大。
电池单元可以是锂离子电池单元或锂离子聚合物电池单元。然而,电池单元不限于此。
可以单独地使用电池单元,或者可以在电池组中包括两个或多个这样的电池单元。根据本发明的实施例,这样的电池单元和/或电池组可以用在各种装置中,诸如蜂窝电话、便携计算机、智能电话、智能平板电脑、上网本、轻型电动车辆(LEV)、电动车辆、混合动力电动车辆、***式混合动力电动车辆和一般的蓄电装置。在本发明所属的领域中公知这样的装置的结构和构造方法,并且因此,将省略其说明。
当在这样的装置中布置电池单元或电池组时,可以在因为电池单元或电池组的结构而剩余的空间中布置装置的***部件。根据本发明 的实施例,电池单元或电池组包括具有阶梯式电极组件或具有不同大小的阶梯式电极组件,并且根据一个或多个电极组件的形状来确定电池单元或电池组的一个或多个电池壳体的形状。因此,与现有技术的使用棱柱或椭圆电池单元或电池组的装置的情况作比较,可以节省使用电池单元或电池组的装置的空间。
可以在节省的空间中布置装置的***部件。在该情况下,可以在装置中零活地布置***部件和电池单元或电池组,并且因此,可以有效地使用装置的空间。而且,可以减小装置的厚度或体积以使得该装置纤细。
1:电极组件
10:单个电极
20:阴极
21;阴极电极集流体
22:阴极电极活性材料
25:阴极电极接片
30:阳极
31:阳极电极集流体
32:阳极电极活性材料
33:单侧涂敷的正电极
35:阳极电极接片
40:隔离膜片材
50:隔离物
61、71:Z折叠类型的单元电池或电极堆叠
62、72:缠绕类型的单元电池或电极堆叠
63、73:包卷类型的单元电池或电极堆叠
64:堆叠类型的单元电池
65、66、67、68:层叠并堆叠类型的电极单元
80:角
90:阶梯式部分
100:电池单元
120:电池壳体 。
Claims (33)
1.一种电极组件,包括至少一个堆叠并折叠类型的电极堆叠,在所述堆叠并折叠类型的电极堆叠中,多个电极单元以所述电极单元被隔离膜片材隔离的状态被堆叠,
其中,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠包括至少一个阶梯式部分,所述至少一个阶梯式部分由在其间布置有所述隔离膜片材的彼此堆叠并且具有不同面积的电极单元形成。
2.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极单元被布置在所述隔离膜片材的一侧或两侧上。
3.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠是Z折叠类型的电极堆叠。
4.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠包括一个或两个阶梯式部分。
5.根据权利要求1所述的电极组件,其中,具有不同面积的所述电极单元的相互面向的电极具有不同的极性。
6.根据权利要求2所述的电极组件,其中,具有不同面积的所述电极单元的相互面向的电极中的较大的一个是负电极。
7.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极单元的每一个包括选自由下述所组成的组中的一个:正电极、负电极和单元电池,所述单元电池的每一个具有在其间布置有隔离物的堆叠的至少一个正电极和至少一个负电极。
8.根据权利要求7所述的电极组件,其中,所述单元电池的每一个具有选自由下述所组成的组中的类型:包卷类型、堆叠类型、层叠并堆叠类型、以及堆叠并折叠类型。
9.根据权利要求8所述的电极组件,其中,在其间布置有隔离物的彼此堆叠并且具有不同面积的单元电池包括至少一个阶梯式部分。
10.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠是下述电极堆叠:其中,通过使用所述隔离膜,Z折叠类型的电极堆叠被与包卷类型的电极堆叠、堆叠并折叠类型的电极堆叠、或其组合一起加以堆叠。
11.根据权利要求10所述的电极组件,其中,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠包括阶梯式部分。
12.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述堆叠并折叠类型的电极堆叠是Z折叠类型的电极堆叠,所述电极组件进一步包括选自由下述所组成的组中的一个:堆叠类型的电极堆叠、包卷类型的电极堆叠、堆叠并折叠类型的电极堆叠、及其组合。
13.根据权利要求12所述的电极组件,其中,所述堆叠类型的电极堆叠、所述包卷类型的电极堆叠、所述堆叠并折叠类型的电极堆叠、及其组合的至少一个包括阶梯式部分。
14.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极堆叠包括具有在形状上与其其他角不同的至少一个角的至少一个电极单元。
15.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极堆叠包括具有至少一个弧形角的至少一个电极单元。
16.根据权利要求15所述的电极组件,其中,所述电极堆叠包括两个或多个电极单元,每一个所述电极单元具有至少一个弧形角,并且所述两个或多个电极单元的至少一个具有在曲率上与其他电极单元的弧形角不同的弧形角。
17.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极单元被以使得所述电极单元的面积在其堆叠方向上减小的方式在所述电极堆叠中堆叠。
18.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极单元被以使得所述电极单元的角以排成一线的方式在所述电极堆叠中堆叠。
19.根据权利要求1所述的电极组件,其中,在其间布置有所述隔离膜的彼此邻接的电极堆叠的电极单元的至少一个被布置在其他电极单元的边界内。
20.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极堆叠的电极单元的中心被彼此对齐。
21.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极单元具有相同的厚度或不同的厚度。
22.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极组件的最外电极是具有面朝向外部的未涂敷侧的单侧涂敷的电极,并且所述电极组件的隔离膜或隔离物被暴露。
23.根据权利要求19所述的电极组件,其中,所述单侧涂敷的电极是正电极。
24.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极组件的最外电极是负电极,并且所述电极组件的隔离膜或隔离物被暴露。
25.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极单元包括分别与电极对应的电极接片,并且所述电极接片具有相同的大小或不同的大小。
26.根据权利要求1所述的电极组件,其中,所述电极接片被附接到所述电极单元的每一个的一侧或相对侧。
27.一种电池单元,包括:
根据权利要求1至26的任何一项所述的电极组件;以及
容纳所述电极组件的电池壳体。
28.根据权利要求27所述的电池单元,其中,所述电池壳体是袋状类型的壳体。
29.根据权利要求28所述的电池单元,其中,所述电池壳体具有与所述电极组件的形状对应的阶梯式或倾斜式部分。
30.根据权利要求27所述的电池单元,其中,所述电池单元是锂离子二次电池单元或锂离子聚合物二次电池单元。
31.一种装置,包括至少一个根据权利要求27所述的电池单元。
32.根据权利要求31所述的装置,其中,所述装置的***部件被布置在所述电池单元的剩余空间中。
33.根据权利要求31所述的装置,其中,所述装置是蜂窝电话、便携计算机、智能电话、智能平板电脑、上网本、LEV(轻型电动车辆)、电动车辆、混合动力电动车辆、***式混合动力电动车辆或者蓄电装置。
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