CN105324877B - 包含具有有间断的非涂覆区域的正极集电器的卷型电极组件的二次电池 - Google Patents

包含具有有间断的非涂覆区域的正极集电器的卷型电极组件的二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供二次电池，其包含：电极组件，其包含具有在正极集电器的至少一个表面上的正极活性材料涂覆区域的正极和具有在负极集电器的至少一个表面上的负极活性材料涂覆区域的负极，所述正极和负极被卷绕在卷型结构中，使得正极和负极彼此相对，且隔膜置于所述正极和负极之间；和分别电连接至正极集电器和负极集电器并且从所述电极组件伸出的正极极耳和负极极耳，其中正极集电器具有间断的未涂覆区域，在所述未涂覆区域中在正极被卷绕时在对应于曲面的区域的一部分处不具有正极活性材料涂覆区域。

Description

包含具有有间断的非涂覆区域的正极集电器的卷型电极组件 的二次电池
技术领域
本发明涉及二次电池，更具体地，涉及包含具有在正极集电器的一部分处形成的非涂覆区域的卷型电极组件的二次电池。
本申请要求在2013年10月31日在韩国提交的韩国专利申请号10-2013-0131180和在2014年10月28日在韩国提交的韩国专利申请号10-2014-0147663的优先权，其公开内容在本文中通过引用的方式并入。
背景技术
随着技术发展和对移动设备、电动车辆、混合动力车辆、储能***和不间断电源的日益增长的需求，对作为能源的电池的需求急剧增长，并且为了追随这种进展，对电池进行了许多研究以满足需求的多样性。
根据其中正极板、隔膜、负极板组合的类型将包含在二次电池中的电极组件分类，并且其中一种为卷型电极组件。卷型电极组件在本申请人的韩国专利公开号10-2008-0047165、10-2009-0129621、10-2010-0071941、10-2010-0109842和10-2013-0052410中具体地公开。
图1是示出一般卷型电极组件10的构造的横截面图。
参照图1，通过卷绕其间***隔膜的正极和负极制造卷型电极组件10，所述正极包含在正极集电器的一面或两面上的正极活性材料涂覆区域，并且所述负极包括在负极集电器的一面或两面上的负极活性材料涂覆区域。卷型电极组件10随着在电池充电时锂离子的运动体积膨胀，并且在电池放电时恢复其原始状态。也就是说，在充放电期间电池在总体积的小的百分比(％)内重复膨胀和收缩。
通过膨胀和收缩引起的卷型电极组件10的体积变化将张力转移至卷型电极组件10的内部和外部。特别地，在卷型电极组件的曲面11处产生的张力显示与其它部分的张力不同的方面，由此发生电极组件10的翘曲，导致二次电池寿命变短。
发明内容
技术问题
设计本发明以解决上述问题，因此本发明旨在提供包含卷型电极组件的二次电池，所述卷型电极组件具有防止在曲面上发生的正极活性材料的分离或消除的结构。
技术方案
为实现上述目的，根据本发明的二次电池包含：电极组件，其中具有在正极集电器的至少一个表面上的正极活性材料涂覆区域的正极和具有在负极集电器的至少一个表面上的负极活性材料涂覆区域的负极被卷绕在卷型结构中，使得正极和负极彼此相对，且隔膜置于所述正极和负极之间；和分别电连接至正极集电器和负极集电器并从电极组件突出的正极极耳和负极极耳，其中正极集电器具有间断的非涂覆区域，其中在卷绕时在对应于曲面的区域的一部分处不存在正极活性材料涂覆区域。
根据本发明的一个实施方案，间断的非涂覆区域可以在卷绕电极组件时在对应于从电极组件的内侧起电极组件的厚度的30％内的曲面的区域处形成。
根据本发明的一个实施方案，在电极组件被卷绕时，间断的非涂覆区域在对应于远离中心的曲面的非涂覆区域面积比靠近中心的曲面的非涂覆区域面积更大。优选地，间断的非涂覆区域可以以在卷绕的电极组件的各个曲面中心点处具有相同中心角的扇形形成。
有益效果
根据本发明的一个方面，在卷型电极组件的曲面上的正极活性材料的非涂覆可以防止正极活性材料的分离或消除。
根据本发明的另一个方面，在充电期间为负极活性材料的体积膨胀准备了额外的空间，从而抑制电极组件的翘曲。
根据本发明的又一个方面，建立在电池的充放电期间生成的气体可以运动的路径，从而降低电极组件的内压。
根据本发明的又一个方面，例如当由于二次电池的渗透发生短路事故时，可以分散由短路电流引起的热生成。
附图说明
附图示出本发明的优选实施方案，并且与前述公开一起，用于提供本发明的技术方面的进一步理解，因此，本发明不被解释为限于这些图。
图1是示出一般卷型电极组件的构造的横截面图。
图2是示出根据本发明的一个优选实施方案设置在二次电池中的电极组件的结构的示意图。
图3是示出根据本发明的一个优选实施方案设置在二次电池中的电极组件的构造的横截面图。
具体实施方式
图2是示出根据本发明的优选实施方案设置在二次电池中的电极组件100的结构的示意图。
根据图2，电极组件100由包含正极集电器110、隔膜120和负极集电器130的单元电池组成。
正极集电器110主要由铝制成。或者，正极集电器110可以由不锈钢、镍、钛、烧结碳或在表面上用碳、镍、钛或银处理过的铝或不锈钢制成。此外，正极集电器110不限于特定材料，只要其具有高导电性同时在二次电池中不引起化学变化即可。
正极极耳140设置在正极集电器110的某区域，并且从正极集电器110延伸。正极极耳140从电极组件突出。或者，可以通过例如通过焊接将导电材料的构件连接至正极集电器110的预定部分来形成正极极耳140。此外，可以通过在正极集电器110的某区域上涂覆正极材料并进行干燥的工艺形成正极极耳140。
对应于正极集电器110的负极集电器130主要从铜制成。或者，负极集电器130可以由不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或在表面上利用碳、镍、钛或银处理过的铜或不锈钢制成，也可以使用铝镉合金。
负极极耳150也设置在负极集电器130的某区域，并且按与上述的正极极耳140相同的方式，负极极耳150从负极集电器130延伸，并且负极极耳150可以通过例如通过焊接将导电材料的构件连接至负极集电器130的预定部分来形成，并且可以通过在负极集电器的外周面的某区域上涂覆负极材料并进行干燥的工艺形成。负极极耳150从电极组件突出。
将设置在正极集电器110上的正极极耳140电连接至正极引线(未示出)，并且将设置在负极集电器130上的负极极耳150电连接至负极引线(未示出)。正极引线和负极引线可以分别与多个正极极耳140和多个负极极耳150连接。
将正极活性材料160涂覆在正极集电器110的单面或双面上(在下文中称为“正极活性材料涂覆区域”)。此外，将负极活性材料170涂覆在正极集电器130的一面或两面上(在下文中称为“负极活性材料涂覆区域”)。例如，正极活性材料为锂系活性材料，并且作为典型实例，可以包括金属氧化物如LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4或Li1+zNi1-x- yCoxMyO2(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，0≤Z≤1，M表示金属如Al、Sr、Mg、La和Mn)。负极活性材料为碳系活性材料，并且可以包括碳材料如结晶碳、无定形碳、碳复合物和碳纤维，锂金属和锂合金。正极活性材料和负极活性材料的类型和化学组成可以基于二次电池的类型变化，应该理解上述特定实例仅为说明目的。
隔膜120不限于特定类型，只要其由多孔材料制成即可。隔膜120可以由如下形成：多孔聚合物膜如多孔聚烯烃膜，聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯，聚偏二氟乙烯-三氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙酸乙烯酯，乙烯乙酸乙烯酯共聚物，聚氧化乙烯，乙酸纤维素，乙酸丁酸纤维素，乙酸丙酸纤维素，氰乙基普鲁兰多糖，氰乙基聚乙烯醇，氰乙基纤维素，氰乙基蔗糖，普鲁兰多糖，羧甲基纤维素，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚酰亚胺，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚酯，聚缩醛，聚酰胺，聚醚醚酮，聚醚砜，聚苯醚，聚苯硫醚，聚乙烯萘，无纺膜，具有多孔网结构的膜，或它们的组合。可以将无机粒子粘结至隔膜120的单面或双面。
所述无机粒子优选为具有大于或等于5的高介电常数的无机粒子，并且更优选地，具有大于或等于10的高介电常数和低密度的无机粒子。这促进在电池中运动的锂离子的转移。具有大于或等于5的高介电常数的无机粒子的非限制性实例包括Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)、PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、BaTiO3、二氧化铪(HfO2)、SrTiO3、TiO2、Al2O3、ZrO2、SnO2、CeO2、MgO、CaO、ZnO、Y2O3或其混合物。
在本发明中提供的电级组件100为其中正极集电器110和负极集电器130以卷型结构卷绕且两者之间***有隔膜120的电极组件。特别地，根据本发明的电极组件100的正极集电器110包含间断的非涂覆区域160-1，其中在卷绕时在对应于曲面的区域的一部分处不存在正极活性材料涂覆区域160。
图3是示出根据本发明的一个优选实施方案设置在二次电池中的电极组件100的构造的横截面图。
参照图3，发现在电极组件100被卷绕时，在对应于在电极组件100的双面处形成的曲面的一部分区域处不存在正极活性材料涂覆区域160。如广为人知的，传统卷型电极组件容易发生正极活性材料涂覆区域通过折叠从在曲面上的正极集电器分离或消除。此外，在充电期间，通过沿着曲面与正极活性材料涂覆区域相对的负极活性材料涂覆区域的膨胀，在卷型电极组件中可能发生翘曲。因此，为解决例如以上问题，根据本发明的电极组件100具有间断的非涂覆区域160-1，其中当电极组件100被卷绕时在对应于曲面的区域不存在正极活性材料涂覆区域160。
根据本发明的一个优选实施方案，当卷绕电极组件100时，在对应于在从电极组件100的内侧起电极组件100的厚度T的30％的厚度TC内的曲面的区域形成间断的非涂覆区域160-1。距离卷绕的中心越近，旋转的半径越小，因此，弯曲程度越大，在曲面11处产生的张力越大，所以优选形成对应于接近中心的曲面的间断的非涂覆区域160-1。考虑到这一点，最有效的是，将间断的非涂覆区域160-1布置在厚度TC的范围内，所述厚度TC对应于关于电极组件100的内侧的厚度T的30％。当间断的非涂覆区域160-1在这个范围外时，电池的能量密度显著下降，导致其难以确保所需的电池容量。
当电极组件100被卷绕时，对应于远离中心的曲面的间断的非涂覆区域160-1的面积大于接近中心的曲面的面积。优选地，如在图3的实施方案中所示，可以以在卷绕电极组件100的各个曲面中心点180和190处具有相同中心角的扇形A和B的形状形成间断的非涂覆区域160-1。明显地，中心角的大小可以随着间断的非涂覆区域160-1的宽度变化而变化地设置。
具有上述根据本发明优选实施方案的构造的二次电池可以通过设置在卷型电极组件的曲面的间断的非涂覆区域160-1防止在曲面处发生的正极活性材料的分离和消除。因此，在充电期间为负极活性材料的体积膨胀准备了额外的空间，从而抑制电极组件的翘曲。此外，建立在电池的充放电期间生成的气体可以运动的路径，从而降低电极组件的内压。此外，例如当由于二次电池的渗透而发生短路事故时，可以分散由短路电流引起的热生成。
工业应用性
利用本发明，可以防止在电极组件的曲面处发生正极活性材料的分离和消除，从而提高二次电池的生产率。

Claims (1)

1.一种二次电池，其包含：
电极组件，其中将具有在正极集电器的至少一个表面上的正极活性材料涂覆区域的正极和具有在负极集电器的至少一个表面上的负极活性材料涂覆区域的负极以卷型结构卷绕，使得所述正极和所述负极彼此相对，且隔膜置于所述正极和负极之间；和
分别电连接至所述正极集电器和所述负极集电器，并且从所述电极组件突出的正极极耳和负极极耳，
其中所述正极集电器具有间断的非涂覆区域，其中在卷绕时在对应于曲面的一部分区域处不存在所述正极活性材料涂覆区域，
其中当卷绕所述电极组件时，在对应于在从所述电极组件的内侧起所述电极组件的厚度的30％内的曲面的区域处形成有所述间断的非涂覆区域，
其中当卷绕所述电极组件时，所述间断的非涂覆区域的对应于远离中心的曲面的非涂覆区域面积比对应于靠近所述中心的曲面的非涂覆区域面积更大，
其中所述间断的非涂覆区域以在卷绕的电极组件的各个曲面中心点处具有相同中心角的扇形形成。
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