CN109148797B - 电极组件以及包括该电极组件的锂二次电池 - Google Patents

电极组件以及包括该电极组件的锂二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电极组件以及包括该电极组件的锂二次电池。电极组件包括依次堆叠的正极集电器、正极活性材料层、隔板、负极活性材料层和负极集电器，其中多个通孔形成为穿过正极活性材料层、隔板和负极活性材料层，正极集电器包括第一片状集电器和多个第一柱状集电器，多个第一柱状集电器沿着电极组件的厚度方向从第一片状集电器延伸并且穿过一部分通孔，负极集电器包括第二片状集电器和多个第二柱状集电器，多个第二柱状集电器沿着电极组件的厚度方向从第二片状集电器延伸并且穿过除了所述一部分通孔之外的剩余通孔。

Description

电极组件以及包括该电极组件的锂二次电池
技术领域
本申请要求于2017年6月27日在韩国提交的韩国专利申请第10-2017-0081480号的优先权，通过引用将上述专利申请的公开内容结合在此。
本发明涉及一种电极组件以及包括该电极组件的锂二次电池。更具体地，本发明涉及一种包括以新颖形状堆叠的正极、隔板和负极的电极组件，以及包括该电极组件的锂二次电池。
背景技术
近来，储能技术已受到越来越多的关注。随着储能技术的应用已经延伸到用于手机、摄像机和笔记本电脑的能源，并且甚至延伸到用于电动汽车的能源，对于电化学装置的研究和开发的努力成果已经越来越多地得以实施。在这种情况下，电化学装置是最引人注目的。特别是，近来电子设备已被小型化和轻量化，作为适合小型化和轻量化且能够高容量地进行充电/放电的电池，二次电池的开发已经成为焦点。
通过使用电极活性材料，已经连续地开发了具有改善的性能，特别是输出性能的二次电池。在市售可得的二次电池中，20世纪90年代初开发的锂二次电池引人注目，因为与传统电池，例如镍氢电池，相比，它们具有更高的驱动电压和明显更高的能量密度。
这种锂二次电池包括正极、隔板、负极和电解质。在第一次充电时从正极活性材料脱嵌的锂离子***到诸如碳颗粒之类的负极活性材料中，然后在放电时从其中再次脱嵌。以这种方式，锂离子在两个电极之间往复运动的同时起到传递能量的功能，因此锂二次电池是可再充电的。
随着技术发展和对于移动设备的需求增加，对于作为能源的二次电池的需求已迅速增加。在这类二次电池中，具有高的能量密度和电压、长的循环寿命以及低的自放电率的锂二次电池已经商品化并广泛使用。此外，随着对环境问题的关注增加，使用高容量电池的***的市场已经增长，所述***例如是能够替代使用化石燃料的车辆的电动车辆和混合电动车辆，所述使用化石燃料的车辆包括汽油车辆和柴油车辆，这是造成空气污染的主要原因之一。此外，作为这种***的电源，需要设计用于制造具有高能量密度、高输出和高放电电压的锂二次电池的高容量电极。
同时，为了设计具有高容量的电极，已尝试通过增加电极活性材料的量而提供具有大电极厚度的高负载电极(负载量：约6mAh/cm2或更多)。然而，当实现这种高负载电极时，存在这样的问题：由于高负载而在涂层部处发生开裂，由于电极活性材料浆料的粘度而发生不均匀负载，以及在缠绕电极期间发生电极活性材料的分离。
发明内容
技术问题
设计本发明来解决相关技术的问题，因此本发明旨在提供一种具有能够防止开裂和电极活性材料层的分离的新颖形状的电极组件以及包括该电极组件的锂二次电池。
技术方案
在本发明的一个方面中，提供了一种电极组件，所述电极组件包括依次堆叠的正极集电器、正极活性材料层、隔板、负极活性材料层和负极集电器，其中多个通孔形成为穿过所述正极活性材料层、所述隔板和所述负极活性材料层，所述正极集电器包括第一片状集电器和多个第一柱状集电器，所述多个第一柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向从所述第一片状集电器延伸并且穿过一部分通孔，所述负极集电器包括第二片状集电器和多个第二柱状集电器，所述多个第二柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向从所述第二片状集电器延伸并且穿过除了所述一部分通孔之外的剩余通孔。
在此，所述第一柱状集电器可以以如下的方式形成：所述第一柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向延伸以到达所述第二片状集电器。
此外，所述第二柱状集电器可以以如下的方式形成：所述第二柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向延伸以到达所述第一片状集电器。
同时，所述第一柱状集电器可在与形成在所述正极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述正极活性材料层中的通孔，所述第二柱状集电器可在与形成在所述负极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述负极活性材料层中的通孔。
在此，所述第一柱状集电器可在与形成在所述负极活性材料层中的通孔的内周表面间隔开来的同时穿过形成在所述负极活性材料层中的通孔，所述第二柱状集电器可在与形成在所述正极活性材料层中的通孔的内周表面间隔开来的同时穿过形成在所述正极活性材料层中的通孔。
此外，所述第一柱状集电器可在与形成在所述负极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述负极活性材料层中的通孔，所述第二柱状集电器可在与形成在所述正极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述正极活性材料层中的通孔，所述第一柱状集电器包括在与所述负极活性材料层接触的部分的表面上所形成的第一绝缘层，所述第二柱状集电器包括在与所述正极活性材料层接触的部分的表面上所形成的第二绝缘层。
在此，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层中的每一个可独立地为清漆涂层、绝缘聚合物涂层或绝缘无机涂层。
同时，所述第一柱状集电器所穿过的所述一部分通孔和所述第二柱状集电器所穿过的所述剩余通孔可彼此交替地设置。
此外，其中形成有通孔的所述正极活性材料层可以是通过将正极活性材料浆料引入到具有多个柱的电极模具中，然后进行加热并压缩该正极活性材料浆料而获得的产品。
此外，其中形成有通孔的所述负极活性材料层可以是通过将负极活性材料浆料引入到具有多个柱的电极模具中，然后进行加热并压缩该负极活性材料浆料而获得的产品。
在本发明的另一方面中，还提供了一种包括根据本发明的电极组件的锂二次电池。
有益效果
根据本发明，柱状集电器穿过形成在电极活性材料层中的多个通孔以提供电极组件。因此，可制造出具有刚性块形状的电极组件。
此外，正极集电器、正极活性材料层、负极活性材料层和负极集电器以块状进行堆叠以制造电极组件。因此，可以降低加工成本。
另外，穿过电极活性材料层的柱状集电器与形成在电极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触。因此，可减小电极的内部电阻。
附图说明
附图图解了本发明的优选实施方式并且与前述公开内容一起用于提供对本发明的技术特征的进一步理解，因此，本发明不被解释为受限于这些附图。
图1是图解根据本发明实施方式的正极集电器和负极集电器的示意图；
图2是图解根据本发明实施方式的具有多个通孔的正极活性材料层、隔板和负极活性材料层的示意图；
图3是图解根据本发明实施方式获得的电极组件的示意图；
图4是图解根据本公开内容实施方式为形成电极活性材料层所构造的电极模具的示意图。
具体实施方式
下文中，参考所附附图将详细地描述本发明的优选实施方式。在描述之前，应当理解，在说明书和所附权利要求书中使用的术语不应被解释为限于普遍的含义和字典的含义，而是在允许发明人适当定义术语以获得最佳解释的原则的基础上，基于与本发明的技术方面对应的含义和概念进行解释。
因此，在此提出的描述仅是出于说明目的的优选的实例，而不是意图限制本发明的范围，因此应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，可对其做出其他等同替换和修改。
图1是图解根据本发明实施方式的正极集电器和负极集电器的示意图，图2是图解根据本发明实施方式的具有多个通孔的正极活性材料层、隔板和负极活性材料层的示意图，图3是图解根据本发明实施方式获得的电极组件的示意图。
参照图1到图3，根据本发明实施方式的电极组件100是包括依次堆叠的正极集电器110、正极活性材料层120、隔板130、负极活性材料层140和负极集电器150的电极组件100，其中多个通孔160形成为穿过正极活性材料层120、隔板130和负极活性材料层140，正极集电器110包括第一片状集电器111和多个第一柱状集电器112，所述多个第一柱状集电器112沿着电极组件100的厚度方向从第一片状集电器111延伸并且穿过一部分通孔160，负极集电器150包括第二片状集电器151和多个第二柱状集电器152，所述多个第二柱状集电器152沿着电极组件100的厚度方向从第二片状集电器151延伸并且穿过除了所述一部分通孔160之外的剩余通孔。
根据相关技术，电极组件通常包括在之间插置有片状隔板的情况下简单堆叠的正极和负极，正极具有片状正极集电器和形成于其上的正极活性材料层，负极包括片状负极集电器和形成于其上的负极活性材料层。
当为了设计高容量电极，通过增加电极活性材料的量而从传统电极组件来提供具有大电极厚度的高负载电极时，会不期望地发生一些问题，例如，由高负载所导致的涂层部处的开裂、由电极活性材料浆料的粘度所导致的不均匀负载、和在缠绕电极期间电极活性材料层的分离。
然而，根据本发明，柱状集电器112、152穿过形成在电极活性材料层120、140和隔板中的通孔160以提供电极组件。因此，可制造出一种刚性块形式的电极组件。
此外，可降低加工成本，因为预先形成的块状的正极集电器110、正极活性材料层120、隔板130、负极活性材料层140和负极集电器150的每一个依次地进行堆叠以制造电极组件100。
在此，第一柱状集电器112可以以如下的方式形成：第一柱状集电器112穿过通孔160，沿着电极组件100的厚度方向延伸并到达对向电极的第二片状集电器151。第二柱状集电器152可以以如下的方式形成：第二柱状集电器152穿过通孔160，沿着电极组件100的厚度方向延伸并到达对向电极的第一片状集电器111。
在这种情况下，为了防止两个电极之间的短路，绝缘层可形成在其中第一柱状集电器112与第二片状集电器151接触的部分处以及其中第二柱状集电器152与第一片状集电器111接触的部分处，以中断电连接。
同时，第一柱状集电器112可在与形成在正极活性材料层120中的通孔160的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在正极活性材料层120中的通孔160。此外，第二柱状集电器152可在与形成在负极活性材料层140中的通孔160的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在负极活性材料层140中的通孔160。因此，可增加每个电极集电器与每个电极活性材料层接触的面积，从而减小每个电极的内部电阻。
在此，为了防止两电极之间的短路，第一柱状集电器112可与形成在正极活性材料层120中的通孔160的内周表面紧密地接触，但是可在与形成在负极活性材料层140中的通孔160的内周表面间隔开来的同时穿过形成在负极活性材料层140中的通孔160。第二柱状集电器152可与形成在负极活性材料层140中的通孔160的内周表面紧密接触，但是可在与形成在正极活性材料层120中的通孔160的内周表面间隔开来的同时穿过形成在正极活性材料层120中的通孔160。
此外，第一柱状集电器112可在与形成在正极活性材料层120中的通孔160的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在正极活性材料层120中的通孔160，并且可在与形成在负极活性材料层140中的通孔160的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在负极活性材料层140中的通孔160。此外，第二柱状集电器152可在与形成在负极活性材料层140中的通孔160的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在负极活性材料层140中的通孔160，并且可在与形成在正极活性材料层120中的通孔160的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在正极活性材料层120中的通孔160。在此，为了防止两个电极之间的短路，第一柱状集电器112可包括在与负极活性材料层140接触的部分的表面上所形成的第一绝缘层，第二柱状集电器152可包括在与正极活性材料层120接触的部分的表面上所形成的第二绝缘层。
在此，第一绝缘层和第二绝缘层中的每一个可独立地包括清漆涂层、绝缘聚合物涂层或绝缘无机涂层。
同时，针对第一柱状集电器所穿过的一部分通孔的布置和第二柱状集电器所穿过的剩余通孔的布置，所述一部分通孔和所述剩余通孔可没有特别限制地设置，并且可在一个部分处独立地设置为单独的组。在一个变形中，所述一部分通孔和所述剩余通孔可以彼此交替地设置。以这种方式，力可均匀地施加到第一柱状集电器和第二柱状集电器。因此，可组装出更刚性的电极组件。
图4是图解根据本发明实施方式的为形成电极活性材料层所构造的电极模具的示意图。
参照图4，根据本发明的具有多个通孔的电极活性材料层可以是通过将电极活性材料浆料引入到具有多个柱的电极模具200中，然后进行加热并压缩该电极活性材料浆料而获得的产品。
当通过电极模具获得块状电极活性材料层时，其可仅通过堆叠进行存储而不用进行缠绕来存储。因此，可从根本上防止电极活性材料层的分离，否则当根据相关技术将电极片进行缠绕来存储时可能发生电极活性材料层的分离。
在此，根据本发明的正极活性材料浆料是通过将正极活性材料、导电材料、粘合剂和溶剂进行混合而制备的。
正极活性材料可包括含锂氧化物，且可优选地使用含锂过渡金属氧化物。例如，可使用选自由LixCoO2(0.5<x<1.3)、LixNiO2(0.5<x<1.3)、LixMnO2(0.5<x<1.3)、LixMn2O4(0.5<x<1.3)、Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3,0<a<1,0<b<1,0<c<1,a+b+c＝1)、LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3,0<y<1)、LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3,0≤y<1)、LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3,O≤y<1)、Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3,0<a<2,0<b<2,0<c<2,a+b+c＝2)、LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3,0<z<2)、LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3,0<z<2)、LixCoPO4(0.5<x<1.3)和LixFePO4(0.5<x<1.3)组成的群组中的任一种、或这些材料的两种或更多种的组合。含锂过渡金属氧化物可用诸如铝(Al)之类的金属、或金属氧化物进行涂布。除含锂过渡金属氧化物之外，也可使用硫化物、硒化物和卤化物。
导电材料不受特别限制，只要它是不在电化学装置中引起化学变化的导电材料即可。通常，可使用的导电材料包括炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、金属粉末、导电金属氧化物、无机导电材料、或类似物。市售可得的导电材料的具体实例包括乙炔黑系列(可从Chevron Chemical Company或Gulf Oil Company购得)、Ketjen Black EC系列(可从ArmakCompany购得)、Vulcan XC-72(可从Cabot Company购得)和Super P(可从MMM公司购得)。例如，可使用乙炔黑、炭黑、石墨、或类似物。
此外，根据本发明的负极活性材料浆料是通过将负极活性材料、导电材料、粘合剂和溶剂进行混合而制备的。
通常，负极活性材料可包括能够锂离子嵌入/脱嵌的锂金属、碳质材料、金属化合物或其组合。
碳质材料的具体实例可包括低结晶碳和高结晶碳。低结晶碳的典型实例包括软碳和硬碳，高结晶碳的典型实例包括天然石墨、Kish石墨、热解碳、中间相沥青基碳纤维、中位碳微珠、中间相沥青以及诸如石油或煤焦油沥青衍生的焦炭之类的高温焙烧碳。
金属化合物的具体实例包括包含诸如Si、Ge、Sn、Pb、P、Sb、Bi、Al、Ga、In、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Mg、Sr和Ba之类的金属元素中的至少一种的化合物。金属化合物可以任何形式使用，例如单质、合金、氧化物(TiO2、SnO2、或类似物)、氮化物、硫化物、硼化物或与锂的合金。然而，可将高容量赋予单质、合金、氧化物以及与锂的合金。其中，可含有选自Si、Ge和Sn中的至少一种元素且包括选自Si和Sn中的至少一种元素的金属化合物可提供具有更高容量的电池。
用于正极和负极的粘合剂起到将正极活性材料颗粒和负极活性材料颗粒彼此连接的功能。可使用常规的粘合剂而没有特别的限制。
例如，可使用各种类型的粘合剂，诸如，可以使用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-co-HFP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)。
同时，正极集电器和负极集电器的每一个可以是在相应电池的电压范围内不具有反应性的任何高导电性的金属。特别地，正极集电器的非限制性实例包括由铝、镍或其组合制成的箔。负极集电器的非限制性实例包括由铜、金、镍、铜合金或其组合制成的箔。此外，集电器可包括由这些材料制成的堆叠的基板。
此外，根据本发明的隔板可以是用于常规电化学装置的任何多孔聚合物基板。例如，隔板可包括聚烯烃基多孔聚合物膜或无纺布，但不限于此。
聚烯烃基多孔聚合物膜的具体实例包括由诸如聚乙烯(包括高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯)、聚丙烯、聚丁烯和聚戊烯之类的任一种聚烯烃聚合物、或它们的聚合物共混物形成的膜。
除了聚烯烃基无纺布之外，无纺布的具体实例包括由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、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚和聚萘二甲酸乙二醇酯中的任一种、或它们的聚合物共混物形成的无纺布。无纺布可具有包含长纤维的纺粘无纺布或者熔喷无纺布的结构。
对于多孔聚合物基板的厚度没有特别的限制，但多孔聚合物基板可具有5-50μm的厚度。尽管对于多孔聚合物基板存在的孔隙的孔径和孔隙率没有特别的限制，但孔径和孔隙率可分别为0.01-50μm和10-95％。
同时，根据本发明的电极组件可用于制造电化学装置。在此，电化学装置包括进行电化学反应的任何装置，电化学装置的具体实例包括所有类型的二次电池、燃料电池、太阳能电池或诸如超级电容器装置之类的电容器。特别是，在这些二次电池中，优选的是包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物离子电池在内的锂二次电池。
已详细地描述了本发明。然而，应该理解的是，尽管指出了本发明的优选实施方式，但是该详细描述和特定实例仅仅是以示例的方式给出的，因为由这一详细描述，在本发明的范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。
[附图标记说明]
100：电极组件
110：正极集电器
111：第一片状集电器
112：第一柱状集电器
120：正极活性材料层
130：隔板
140：负极活性材料层
150：负极集电器
151：第二片状集电器
152：第二柱状集电器
160：通孔
200：电极模具

Claims (8)

1.一种电极组件，所述电极组件包括依次堆叠的正极集电器、正极活性材料层、隔板、负极活性材料层和负极集电器，
其中多个通孔形成为穿过所述正极活性材料层、所述隔板和所述负极活性材料层，
所述正极集电器包括第一片状集电器和多个第一柱状集电器，所述多个第一柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向从所述第一片状集电器延伸并且穿过所述多个通孔中的一部分通孔，并且
所述负极集电器包括第二片状集电器和多个第二柱状集电器，所述多个第二柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向从所述第二片状集电器延伸并且穿过除了所述多个通孔中的所述一部分通孔之外的剩余通孔，
其中所述第一柱状集电器以如下的方式形成：所述第一柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向延伸以到达所述第二片状集电器，
其中所述第一柱状集电器在与形成在所述正极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述正极活性材料层中的通孔，并且
所述第二柱状集电器在与形成在所述负极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述负极活性材料层中的通孔，
其中所述第一柱状集电器在与形成在所述负极活性材料层中的通孔的内周表面间隔开来的同时穿过形成在所述负极活性材料层中的通孔，并且
所述第二柱状集电器在与形成在所述正极活性材料层中的通孔的内周表面间隔开来的同时穿过形成在所述正极活性材料层中的通孔。
2.一种电极组件，所述电极组件包括依次堆叠的正极集电器、正极活性材料层、隔板、负极活性材料层和负极集电器，
其中多个通孔形成为穿过所述正极活性材料层、所述隔板和所述负极活性材料层，
所述正极集电器包括第一片状集电器和多个第一柱状集电器，所述多个第一柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向从所述第一片状集电器延伸并且穿过所述多个通孔中的一部分通孔，并且
所述负极集电器包括第二片状集电器和多个第二柱状集电器，所述多个第二柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向从所述第二片状集电器延伸并且穿过除了所述多个通孔中的所述一部分通孔之外的剩余通孔，
其中所述第一柱状集电器以如下的方式形成：所述第一柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向延伸以到达所述第二片状集电器，
其中所述第一柱状集电器在与形成在所述正极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述正极活性材料层中的通孔，并且
所述第二柱状集电器在与形成在所述负极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述负极活性材料层中的通孔，
其中所述第一柱状集电器在与形成在所述负极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述负极活性材料层中的通孔，
所述第二柱状集电器在与形成在所述正极活性材料层中的通孔的内周表面紧密地接触的同时穿过形成在所述正极活性材料层中的通孔，
所述第一柱状集电器包括在与所述负极活性材料层接触的部分的表面上所形成的第一绝缘层，并且
所述第二柱状集电器包括在与所述正极活性材料层接触的部分的表面上所形成的第二绝缘层。
3.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中所述第二柱状集电器以如下的方式形成：所述第二柱状集电器沿着所述电极组件的厚度方向延伸以到达所述第一片状集电器。
4.根据权利要求2所述的电极组件，其中所述第一绝缘层和所述第二绝缘层中的每一个独立地为清漆涂层、绝缘聚合物涂层或绝缘无机涂层。
5.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中所述第一柱状集电器所穿过的所述一部分通孔和所述第二柱状集电器所穿过的所述剩余通孔彼此交替地设置。
6.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中形成有通孔的所述正极活性材料层是通过将正极活性材料浆料引入到具有多个柱的电极模具中，然后进行加热并压缩所述正极活性材料浆料而获得的产品。
7.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中形成有通孔的所述负极活性材料层是通过将负极活性材料浆料引入到具有多个柱的电极模具中，然后进行加热并压缩所述负极活性材料浆料而获得的产品。
8.一种锂二次电池，包括如权利要求1至7中任一项所限定的电极组件。
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