CN104094463B - 在厚度方向上具有增加的结构自由度的电极组件、包括该电极组件的二次电池和电池组以及装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种在其厚度方向上具有增加的结构自由度的电极组件。电极组件包括负电极和正电极，该负电极和正电极与在间隔件被***在其间的状态下被交替地堆叠，其中电极组件通过堆叠N个电极堆来形成，其中N是等于或者大于2的自然数，电极堆中的每一个包括具有相同面积并且在间隔件被***在其间的状态下被堆叠的电极，并且电极堆中的相邻的电极堆具有不同的电极面积，其中电极堆中的第一电极堆通过堆叠分别包括奇数个电极的单元电池来形成，并且堆叠在第一电极上的另一电极堆通过堆叠分别包括偶数个电极的单元电池来形成。

Description

在厚度方向上具有增加的结构自由度的电极组件、包括该电极组件的二次电池和电池组以及装置
技术领域
本公开涉及一种电极组件，并且更加具体地，涉及一种在其厚度方向上具有增加的结构自由度的电极组件。
另外，本公开涉及包括该电极组件的二次电池、电池组、以及装置。
背景技术
随着移动装置的发展和使用日益增加对于二次电池的需求已经显著地增加，并且特别地，具有高能量密度、高操作电压、易于存储特性、以及相对长的寿命的锂二次电池被广泛地用作诸如移动装置的各种电子产品中的电源。
通常，通过将电极组件和电解液布置在电池壳体中并且密封该电池壳体形成锂二次电池。在这样的电极组件中，负电极、多孔间隔件、以及正电极可以被垂直地堆叠以形成单元电池，并且多个这样的单元电池被堆叠以增加电池的容量。
对于具有各种结构的最新的装置要求新型的电池设计，并且从而有必要根据这样的变化的结构发展电池设计。
发明内容
技术问题
本公开的方面可以提供一种电极组件，该电极组件具有台阶部分和增加的结构的自由度。在电极组件中，至少两个电极堆被堆叠，并且具有不同的极性的电极被布置以在电极堆之间的界面处彼此相对，以使得增加电极组件的容量。另外，为了电极组件的稳定性，电极的较大电极被设置为负电极。
技术方案
根据本公开的方面，电极组件可以包括负电极和正电极，该负电极和正电极在间隔件被***在其间的状态下被交替地堆叠，其中，通过堆叠N个电极堆可以形成电极组件，其中N是等于或者大于2的自然数，电极堆中的每一个可以包括具有相同面积并且在间隔件被***在其间的状态下被堆叠的电极，并且电极堆中的相邻的电极堆可以具有不同的电极面积，其中，通过堆叠分别包括奇数个电极的单元电池可以形成电极堆的第一电极堆，并且通过堆叠分别包括偶数个电极的单元电池可以形成在第一电极堆上堆叠的另一电极堆。
具有不同极性的电极可以在间隔件被***在其间的状态下在电极堆之间的界面处相互面对，并且具有不同极性并且相互面对的电极的较大电极可以是负电极。
第一电极堆可以是最下面的或者最上面的电极堆。
第一电极堆可以具有最大的电极面积，并且第一电极堆的面对相邻的电极堆的电极可以是负电极。
第一电极堆的单元电池可以包括具有负电极/间隔件/正电极/间隔件/负电极结构和正电极/间隔件/负电极/间隔件/正电极结构的单元电池中的一个或者组合，并且单元电池中的每一个可以是堆叠型单元电池、堆叠并折叠型单元电池、或者层压并堆叠型单元电池。
包括偶数个的电极的单元电池可以具有负电极/间隔件/正电极结构，并且包括偶数个的电极的单元电池中的每一个可以是堆叠型单元电池、堆叠并折叠型单元电池、或者层压并堆叠型单元电池。
电极组件可以是堆叠型电极组件、堆叠并折叠型电极组件、或者其组合。
电极组件中的最外面的电极中的每一个可以独立地是负电极或者正电极，并且最外面的电极中的至少一个可以是一侧被涂覆的电极。
根据本公开的另一方面，二次电池可以包括所述电极组件。
电极组件可以被布置在电池壳体中，并且电池壳体可以是袋状壳体或者棱柱状壳体。
二次电池可以是锂离子二次电池或者锂离子聚合体二次电池。
根据本公开的另一方面，电池组可以包括至少两个这样的二次电池，并且根据本发明的另一方面，装置可以包括一个或者多个这样的二次电池。
装置可以是蜂窝电话、便携式计算机、智能电话、智能板、上网本、LEV(轻型电动车辆)、电动车辆、混合电动车辆、***式混合电动车辆、或者蓄电装置。
有益效果
根据本公开，电极组件可以包括由分别包括奇数个电极的单元电池组成的第一层电极堆和由分别包括偶数个电极的单元电池组成的下一层电极堆。因此，与包括由分别仅包括奇数个电极的单元电池组成的电极堆的电极组件相比较，可以在堆叠方向上自由地调节本公开的电极组件的厚度。
因此，根据应用条件可以自由地调节使用本发明的电极组件的电池的高度。
此外，因为在形成台阶部分所处的界面处发生电池反应，所以可以提高电池的容量和稳定性。
附图说明
图1是图示具有台阶部分的示例性的电极组件的截面图，该电极组件包括分别具有奇数个电极的第一和第二单元电池。
图2是图示具有台阶部分的另一示例性的电极组件的截面图，该电极组件包括分别具有奇数个电极的第一和第二单元电池。
图3是图示具有台阶部分的另一示例性的电极组件的截面图，该电极组件包括分别具有奇数个电极的第一和第二单元电池。
图4是图示包括分别具有奇数个电极的第一和第二单元电池和分别具有偶数个电极的第三单元电池的示例性的电极组件的截面图。
图5A和图5B是图示示例性的层压并堆叠型单元电池的视图。
图6A和图6B是图示固定构件被附接到的示例性的层压并堆叠型单元电池的视图。
具体实施方式
发明人已经重复性地研究在其厚度方向上具有增加的结构自由度并且具有被改善的稳定性和容量的电极组件。结果，发明人已经发现，通过适当地组合分别具有奇数个电极的单元电池和分别具有偶数个电极的单元电池，替代使用分别具有奇数个电极的单元电池，可以容易地形成在与装置的平面垂直的方向上具有各种厚度的电极组件。
在下文中，将会参考附图详细地描述本公开的实施例。图1至图4图示通过组装单元电池形成的示例性电极组件。
在本公开的实施例的电极组件100中，N个电极堆31和33(其中N是等于或者大于2的自然数)可以被堆叠，并且电极堆31和33中的每一个可以包括具有相同的面积并且在间隔件15被***在其间的状态下被堆叠的电极11和13。相邻的电极堆31和33的电极11和13可以具有不同的面积，并且通过堆叠分别具有奇数个电极11和13的单元电池21和23形成(第一)电极堆31。被布置在第一电极堆31上的(第二)电极堆33可以包括具有偶数个电极11和13的单元电池25。
在本公开的实施例的电极组件100中，(负和正)电极11和13在间隔件15被***在其间的状态下被交替地堆叠。虽然没有引用或者描述间隔件15，但是应理解的是，间隔件15被***在负和正电极11和13之间。
在本公开的实施例中，布置在电极组件100的最下侧上的第一电极堆31可以包括分别具有奇数个电极11和13的单元电池和被***在电极11和13之间的间隔件15。例如，第一电极堆31可以包括：第一单元电池21，该第一单元电池21分别包括负电极11和被布置在负电极11的两侧上的正电极13以形成负电极/间隔件/正电极/间隔件/负电极结构；和第二单元电池23，该第二单元电池23分别包括正电极13和被布置在正电极13的两侧上的负电极11以形成正电极/间隔件/负电极/间隔件/正电极结构。另外，仅包括单个单元电池的电极堆可以被使用。此外，可以使用其中以负和正电极11和13被交替地堆叠的方式堆叠第一和第二单元电池的电极堆。
在本公开的实施例中，电极组件100的最外面的电极可以是负电极11或者可以是正电极13。在图4中，负电极11是电极组件100的最外面的电极。这是非限制性的示例。例如，第一电极堆31可以包括负电极11或者正电极13作为电极组件100的最外面的电极中的一个，并且电极组件100可以包括负和正电极11和13作为最外面的电极。最外面的电极可以是具有被涂覆有电极活性材料的侧面和未被涂覆有电极活性材料的其他侧面的一侧被涂覆的电极。一侧被涂覆的电极的非涂覆的侧面可以是电极组件100的最外面的侧面。另外，间隔件15可以被布置在非涂覆的侧面上。
例如，第一电极堆31的第一和第二单元电池21和23可以是奇数编号。例如，可以按照第一单元电池21/第二单元电池23/第一单元电池21/…的顺序堆叠第一和第二单元电池21和23。在这样的情况下，第一电极堆31的最外面的电极可以是负电极11。如在图4中所示，因为负电极11被布置在第一电极堆31的侧面上，在其上布置第二电极堆33，所以可以防止锂从最外面的正电极13析出，并且从而不降低电池的稳定性。
可以按照第二单元电池21/第一单元电池23/第二单元电池21/…的顺序堆叠第一和第二电极单元21和23，使得将正电极13布置成第一电极堆31的最外面的电极。在这样的情况下，因为正电极13被布置在第一电极堆31的最外面的侧面上，在其上布置第二电极堆33，电池的稳定性可能被从正电极13析出的锂影响。因此，仅面对第二电极堆33的正电极13的区域可以被涂覆有正电极活性材料，并且不面对第二电极堆33的正电极13的另一区域不能被涂覆有正电极活性材料，以便防止锂的析出。
例如，第一电极堆31的第一和第二单元电池21和23可以是偶数编号。在这样的情况下，负电极11可以被布置在第一电极堆31的最外面的侧面中的一个上，并且正电极13可以被布置在第一电极堆31的最外面的侧面中的另一个上。在这样的情况下，被布置在第一电极堆31的最外面的侧面中的一个上的负电极11可以面对第二电极堆33。然而，如果被布置在第一电极堆31的最外面的侧面中的另一个上的正电极13面对第二电极堆33，则正电极13的一部分不能被涂覆有如上所述的正电极活性材料。被布置在第一电极堆31的最外面的侧面中的另一个上的最外面的正电极13可以是一侧被涂覆的正电极。如果负电极11被布置在第一电极堆31的最外面的侧面中的另一个上，则负电极11可以是双侧被涂覆或者一侧被涂覆的负电极。
第二电极堆33在第一电极堆31的一侧上被布置有被***在其间的间隔件，并且第三电极堆35在第二电极堆33上被布置有被***在其间的间隔件。以这样的方式，诸如第一至第三电极堆31、33、以及35的N个电极堆可以被堆叠在电极组件100(其中N是自然数)中。在这样的情况下，第M个电极堆(31或者33)中的相互面对的最外面的电极和与第M个电极堆相邻的第(M+1)个电极堆(35)可以具有不同的极性(其中M是小于N的自然数)。因此，在形成台阶部分所处的界面处可能发生电池反应，并且从而可以增加电池的容量。
例如，第M个电极堆(31或者33)和第(M+1)个电极堆的相互面对的电极中的较大的电极可以是负电极11。然而，可以防止锂从正电极13析出以保持电池的稳定性。
通过组合和堆叠第一和第二单元电池21和23可以形成电极组件100，通过在两侧处布置具有相同极性的电极并且在其间布置具有不同极性的电极均形成该第一和第二单元电池21和23。例如，当具有台阶部分的电极组件100被组装时，可以布置其中具有相同面积的第一和第二单元电池21和23被堆叠的第一电极堆31，并且可以在间隔件被***在在第一和第二电极堆31和33之间的状态下在第一电极堆31上布置其中包括小于第一电极堆31的电极并且具有相同面积的电极的第一和第二单元电池21和23被堆叠的第二电极堆33。在这样的情况下，电极组件100可以具有台阶部分和向上减少的截面面积。
然而，当电极组件100被组装以具有如上所述的台阶部分时，在相互邻接并且形成如在图1中所示的台阶部分的电极堆之间的界面处具有相同极性的电极可以相互面对。在这样的情况下，在该界面处不会发生电池的充电和放电反应，并且从而可能降低电池的容量。
在另一示例中，如在图2中所示，通过使用第一和第二单元电池21和23形成电极堆，并且堆叠电极堆，可以组装具有台阶部分的电极组件100。然而，在这样的情况下，被布置在形成台阶部分所在的电极组件100的电极堆之间的界面处的相对大的电极可以是正电极13。因此，锂可能在电池的充电和放电反应期间从正电极活性材料析出，并且可能降低电池的安全性。
例如，如在图3中所示，可以以被布置在电极堆之间的界面处的较大的电极可以是负电极的方式堆叠第一和第二单元电池21和23。然而，在这样的情况下，要求被堆叠在第一电极堆31上的电极堆33和35中的每一个具有偶数个单元电池。因此，电极组件100不可以被用于其中被布置在第一电极堆31上的电极堆33和35被要求具有奇数个单元电池的情况。即，可能降低电极组件100的结构自由度。
在本公开的实施例中，被放置在第一电极堆31上的第二至第N个电极堆33和35包括均由偶数个电极组成的单元电池。即，第二至第N个电极堆33或者35包括均通过负电极11和正电极13组成的第三单元电池25。因此，在电极组件100中，负电极11和正电极13可以在间隔件被***在其间的状态下被交替地堆叠，并且在将负电极11布置在形成台阶部分的界面处作为较大的电极的同时，可以增加电极组件100的结构自由度。
如上所述，通过使用均由奇数个电极组成的第一和第二单元电池可以容易地组装第一电极堆31，并且通过使用均由偶数个电极组成的第三单元电池，第二和下一个电极堆33和35可以被安装在第一电极堆31上。在这样的情况下，通过适当地选择第三单元电池25的数目根据装置的形状可以调节电极组件100的厚度。即，在电极组件100的厚度方向上可以增加电极组件100的设计自由度。
此外，根据本公开的实施例，因为使用均由奇数个电极组成的第一和第二单元电池21和23组装第一电极堆31并且使用均由偶数个电极组成的第三单元电池25组装第二和下一个电极堆33和35，所以当电极组件100被设计时负电极11可以作为较大的电极被容易地布置在形成台阶部分的界面处，从而确保用于增加电池的容量的在界面处的电池和电池反应的稳定性。
在本公开的实施例中，没有限制电池组件100的形状。例如，组成第一电极堆31的电极可以是电极组件100的最大的电极。即，如在图4中所示，在从底部向上的方向上可以减少组成电极堆的电极的面积。在另一示例中，在从底部向上的方向上可以增加组成电极堆的电极的面积。即，第N个电极堆的电极可以是电极组件100中的最大的电极。
在本公开的实施例中，组成电极堆31、33、以及35的第一至第三单元电池21、23以及25可以是堆叠型单元电池，其中电极在间隔件15被***在其间的状态下被顺序地堆叠。
在另一示例中，第一至第三单元电池21、23、以及25可以是层压并堆叠型单元电池。通过在电极之间和在电极的顶侧和底侧中的至少一个上布置间隔件，并且按压电极，层压并堆叠型单元电池可以是由多个电极和多个间隔件形成。例如，层压并堆叠型单元电池可以具有其中间隔件被布置在诸如间隔件/正电极/间隔件/负电极结构或者正电极/间隔件/负电极/间隔件结构的最外侧中的一个上的结构。在另一示例中，层压并堆叠型单元电池可以具有其中间隔件被布置在诸如间隔件/正电极/间隔件/负电极/间隔件结构的最外侧两者上的结构。与堆叠型单元电池相比较，层压并堆叠型单元电池可以具有更加稳定的电极堆结构，因为电极和间隔件被相互结合。
在图5A和图5B示出示例性的层压并堆叠型单元电池。图5A图示包括相同数目的电极和间隔件的层压并堆叠型单元电池，并且图5B图示包括在其两侧上的间隔件的层压并堆叠型单元电池。然而，被图示的层压并堆叠型单元电池是非限制的示例。即，电极和间隔件的数目可以根据应用条件被变化。
诸如带的固定构件可以被用于提高层压并堆叠型单元电池的稳定性。例如，如在图6A中所示，层压并堆叠型单元电池可以与诸如带的固定构件T1被整体地缠绕，或者如在图6B中所示，通过被附接到其横向侧面的固定构件T2可以固定层压并堆叠型单元电池。
可替选地，第一至第三单元电池21、23、以及25可以是通过将负电极和正电极设置在长矩形的间隔件上并且将间隔件与负和正电极一起折叠形成的层压并堆叠型单元电池(诸如在一个方向上折叠的缠绕型单元电池或者以Z字形方式折叠的Z折叠型单元电池)。上述类型的单元电池中的一个或者组合可以被使用。然而，第一至第三单元电池21、23、以及25不限于特定的类型。
如上所述，使用如下N个电极堆组装电极组件100：通过由分别包括奇数个电极的第一和第二单元电池21和23组成的电极堆(例如，第一电极31)被布置在最下侧上，并且通过分别包括偶数个电极的第三单元电池25组成的下一个电极堆(即，第二至第N个电极堆)被布置在第一电极堆31上。因此，在电极组件100的厚度方向上可以增加电极组件100的结构自由度，并且从而根据其中将使用电极组件100的装置的形状可以容易地使电极组件100成形。
另外，本公开的实施例的电极组件100可以是堆叠型电极组件，其中电极堆31、33以及35被顺序地堆叠在垂直方向上；或者堆叠并折叠型电极组件，其中电极堆31、33以及35被布置在矩形间隔件上并且与间隔件一起被折叠。然而，电极组件100不限于此。堆叠并折叠型电极组件可以是在一个方向上折叠的缠绕型电极组件或者以Z字形方向折叠的Z折叠型电极组件。
另外，组成电极堆31、33以及35的第一、第二、以及第三单元电池21、23、以及25可以被布置在矩形间隔件上并且可以与间隔件一起被折叠以形成具有台阶部分的电极组件100。
根据本公开的实施例，使用上述电极组件100可以制造锂离子二次电池或者锂离子聚合体二次电池。在这样的情况下，电极组件100可以被布置在电池壳体中，并且电池壳体可以是袋状或者棱柱状电池壳体。
另外，根据本公开的实施例，可以制造包括分别包括电极组件100的至少两个电池单体的电池组，并且可以包括一个或者多个这样的电池单体的装置可以被使用。装置的示例可以是蜂窝电话、便携式计算机、智能电话、智能板、上网本、LEV(轻型电动车辆)、电动车辆、混合电动车辆、***式混合电动车辆、以及蓄电装置。
100：电极组件
11：负电极13：正电极
15：间隔件
21：第一单元电池23：第二单元电池
25：第三单元电池
31：第一电极堆33：第二电极堆
35：第三电极堆
T1、T2：固定构件

Claims (15)

1.一种电极组件，所述电极组件包括负电极和正电极，所述负电极和正电极在间隔件被***在其间的状态下被交替地堆叠，
其中，所述电极组件通过堆叠N个电极堆来形成，其中N是等于或者大于2的自然数，所述电极堆中的每一个包括具有相同面积并且在间隔件被***在其间的状态下被堆叠的电极，并且所述电极堆中的相邻的电极堆具有不同的电极面积，
其中，所述电极堆中的第一电极堆通过堆叠分别包括奇数个电极的单元电池来形成，并且堆叠在所述第一电极堆上的另一电极堆通过堆叠分别包括偶数个电极的单元电池来形成，
其中，包括偶数个电极的所述单元电池具有负电极/间隔件/正电极结构。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中，具有不同极性的电极在间隔件被***在其间的状态下在所述电极堆之间的界面处相互面对，并且具有不同极性并且相互面对的所述电极的较大电极是负电极。
3.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一电极堆是最下面的或者最上面的电极堆。
4.根据权利要求3所述的电极组件，其中，所述第一电极堆具有最大的电极面积，并且所述第一电极堆的面对相邻的电极堆的电极是负电极。
5.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一电极堆的单元电池包括具有负电极/间隔件/正电极/间隔件/负电极结构和正电极/间隔件/负电极/间隔件/正电极结构的单元电池的一个或者组合。
6.根据权利要求5所述的电极组件，其中，所述单元电池中的每一个是堆叠型单元电池、堆叠并折叠型单元电池、或者层压并堆叠型单元电池。
7.根据权利要求1所述的电极组件，其中，包括偶数个的电极的所述单元电池中的每一个是堆叠型单元电池、堆叠并折叠型单元电池、或者层压并堆叠型单元电池。
8.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述电极组件是堆叠型电极组件、堆叠并折叠型电极组件、或者其组合。
9.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面的电极中的每一个独立地是负电极或者正电极。
10.根据权利要求9所述的电极组件，其中，所述最外面的电极中的至少一个是一侧被涂覆的电极。
11.一种二次电池，所述二次电池包括根据权利要求1至10中的任意一项所述的电极组件。
12.根据权利要求11所述的二次电池，其中，所述电极组件被布置在电池壳体中。
13.根据权利要求12所述的二次电池，其中，所述电池壳体是袋状壳体或者棱柱状壳体。
14.根据权利要求11所述的二次电池，其中，所述二次电池是锂离子二次电池或者锂离子聚合体二次电池。
15.一种电池组，所述电池组包括至少两个根据权利要求11所述的二次电池。
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