CN1274955A - 非水电解液二次电池 - Google Patents
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Abstract
在阳极片的前表面和后表面上的阳极活性材料层上提供达到端面的多个缝隙形间隔区,以便使电解液能够通过缝隙形间隔区容易地注入到非水电解液二次电池的卷绕体或胶状卷筒中。
Description
本发明涉及一种非水电解液二次电池，特别是一种锂离子二次电池的阳极结构。
与现有镍-镉(Ni-Cd)电池和镍金属氢化物(Ni-MH)电池相比，锂离子二次电池或Li-离子可充电电池有许多优点。
第一，Li-离子电池作为非水电解液二次电池具有高能量密度，因而它可以用现有高容量镍-镉Ni-Cd和Ni-MH电池的20％到50％的体积工作，尽管它只有这些电池大约一半的质量。
第二，Li-离子电池的平均电压数能够产生大约等于三倍的Ni-Cd和Ni-MH电池的电压数的高电压。
第三，不会发生所谓的记忆现象。
由于上述优点，Li-离子可充电电池主要广泛用作移动电话、手持笔记本计算机等的电源。
以下参考图1说明现有圆柱形锂离子二次电池。现有锂离子二次电池1包括一个容纳一个正极体或阳极片10的卷绕体或胶状卷筒和一个负极体或阴极片20的圆柱形容器2。一对隔离片30设置在阳极片10和阴极片20之间，从而使阳极片10与阴极片20电绝缘。设置在胶状卷筒中央的阳极片10的阳极引线(未示出)与容器2的阳极端3电连接，而焊接在阴极片20上的阴极引线与容器2的负极端(未示出)电连接。使用了一种聚乙烯微孔膜作为隔离片30。卷绕体(此后称为胶状卷筒)用溶解了LiPF6D的非质子有机溶剂的电解液浸渍。
参考图2A，阳极片10是由涂覆了阳极活性材料层12的铝箔制造的。铝箔用作集电体，活性材料层12由含锂的金属氧化物构成。活性材料涂覆在铝箔的前后表面。在阳极片10的一端形成有空白间隔111，以便焊接阳极引线11。阳极引线11与容器2的阳极端3电连接(见图1)。
现在参考图2B，阴极片20是由涂覆了阴极活性材料22的铜箔制造的。铜箔用作集电体。阴极活性材料包括一种可以掺杂或不掺杂锂离子的含碳材料。阴极活性材料层22形成在铜箔的前和后表面。在阴极片20的一端形成有用于固定阴极引线21的空白间隔211。阴极引线21与容器2的阴极端电连接。
在这样一种胶状卷筒的结构中，把电解液浸渍到胶状卷筒中的步骤是一个很费时的过程。这是因为胶状卷筒十分精密地放置在容器内，所以电解液不能均衡地渗透到胶状卷筒中。例如，使大约2m长和100mm宽的阳极和阴极片的胶状卷筒浸渍电解液过程的步骤需要不少于10小时的时间。
作为解决这一问题的一种方法，日本专利申请未决公开9-298057的说明书中提出了在芯箔上涂覆的阴极活性材料层的表面上提供多个电解液引导槽。在提出的这种结构中，用具有多个突条的辊体在阴极活性材料层表面上施加压力而形成槽，从而能够把电解液容易地引入到阴极活性材料的中心区。
但是，为了形成电解液引导槽而对阴极活性材料层施加压力，使得活性材料层密度不均匀，这可能破坏作为非水电解液二次电池的充电-放电循环特性。
因此，本发明的一个目的是要提供一种能够减少把电解液浸渍到胶状卷筒中所用注射时间而不会造成活性材料层的上述不均匀密度的非水电解液二次电池。在根据本发明的非水电解液二次电池中，胶状卷筒包括一个阳极片和一个阴极片，在它们中间夹着一对隔离片。阳极片涂覆有多个用沿阳极片宽度方向延伸的缝隙形间隔区隔离的阳极活性材料。阴极片涂覆有阴极活性材料。
把胶状卷筒***到一个具有分别与阳极和阴极片电连接的阳极和阴极端的电池壳或容器中。把有机非水电解液注射到容器内的胶状卷筒中，从而使电解液通过缝隙形状的间隔区浸渍阳极活性材料。
缝隙形间隔区的两端都达到阳极片的边缘，以增强浸渍处理。这些间隔区相互平行排列。
根据本发明的另一方面，用一个沿阳极片的长度方向延伸的附加缝隙形间隔区进一步分割多个阳极活性材料，以便通过相互连接多个缝隙形间隔区形成一种间隔网图形(space network pattern)。
对于间隔网图形，可以使用一种改进图形，在这种图形中每个缝隙形间隔区交叉成字母X形设置，并且用上述附加缝隙形间隔区连接。
每个缝隙形间隔区形状为每个缝隙形间隔区的中央部分比其两端部分宽。
此外，可以适当地设置每个缝隙形间隔区，使得向胶状卷筒中心相邻距离逐渐变窄，以便相等地加强胶状卷筒全部区中的浸渍过程。
当然，阳极片的两个表面上都形成有具有缝隙形间隔区的阳极活性材料的多个区。
缝隙形间隔区所占的全部面积最好小于阳极活性材料总面积的2％，并且不要小于0.5％。
也最好把每个缝隙形间隔区的宽度设定在阳极片宽度的0.1％至1.5％左右的范围。
通过下面结合附图的详细说明可以对本发明的上述和其它目的，特征和优点有更清楚的理解，其中：
图1是显示现有非水电解液二次电池构造的剖开形式的透视图；
图2A是显示现有非水电解液二次电池的阳极片结构的平面图；
图2B是显示现有非水电解液二次电池的阴极片结构的平面图；
图3A是显示有关本发明第一实施例的非水电解液二次电池的阳极片结构的平面图；
图3B是显示有关本发明第一实施例的非水电解液二次电池的阴极片结构的平面图；
图4A是显示有关本发明第二实施例的非水电解液二次电池的阳极片结构的平面图；
图4B是显示有关本发明第二实施例的非水电解液二次电池的阴极片结构的平面图；
图5A是显示有关本发明第三实施例的非水电解液二次电池的阳极片结构的平面图；
图5B是显示有关本发明第三实施例的非水电解液二次电池的阴极片结构的平面图；
图6是显示有关本发明的变型的非水电解液二次电池的阳极片的构造的平面图；
图7是显示有关本发明的变型的非水电解液二次电池的阳极片的构造的平面图。
参考图3A，阳极片10包括带状铝箔，其涂覆有被多个未涂覆部分或缝隙形间隔区101分割成多个区的阳极活性材料12。铝箔的后表面当然也涂覆了同样的阳极活性材料，并且带有相同的缝隙形间隔区。缝隙形间隔区101沿阳极片10的宽度方向延伸。在阳极片10的端部，有一个暴露出铝箔以便焊接阳极引线11的空白间隔区111。每个缝隙形间隔区101是一个暴露出铝箔的长形区域。在所示实例中，缝隙形间隔区101的数量是七，从而把活性材料相等地分割成八个区。每个缝隙形间隔区的两端延伸到铝箔的两侧边线，因而使得在卷绕后易于通过缝隙形间隔区浸渍电解液。
至于铝箔上多个阳极活性材料区的形成方法，可以使用一种通过用所谓的刮片(doctor blade)法把阳极活性材料的浆料间歇地刮到铝箔上的间歇法。也可以使用诸如剥离(liftoff)法之类的方法，在这类方法中，在活性材料浆料涂覆步骤之前，把多个掩模条固定在铝箔上，并在涂覆了活性材料后，从铝箔上剥离掩模条。此外，也可以使用像丝网印刷法这样的选择涂覆方法来形成由多个缝隙形间隔区间隔的多个阳极活性材料区。
根据本发明，由于没有用上述现有技术中的压力法形成缝隙形间隔区101，因此不会使充电-放电循环特性变差。
参考图3B，阴极片20具有如图2B中所示的现有技术阴极片的相同的结构。
通过螺旋地卷绕上述阳极片10，阴极片20和两个隔离片30形成了一个图1中所示的卷绕体或胶状卷筒。然后把胶状卷筒***到一个现有电池外壳或容器中，并且把电解液灌入容器，从而使胶状卷筒的活性材料浸渍上电解液。以与现有技术相同方法，把胶状卷筒的阳极和阴极引线分别电连接到圆柱形容器的阳极和阴极端。电解液是一种其中碳酸亚丙酯(此后称为PC)和碳酸二乙酯(此后称为DEC)以1∶1的体积比与作为支持氯化物的一摩尔LiPF6混合的溶剂。(实施例1)
现在参考图3A和图3B说明根据本发明的非水电解液二次电池的第一实施例。
首先，将作为阳极活性材料层12的主要组分的LiMn2O4和作为导电添加剂的炭黑用干混合法混合在一起。接下来，把混合物在N-甲基-2-吡咯烷酮(此后称为NMP)中分散均匀，其中溶解有作为LiMn2O4和炭黑的粘合剂的聚偏氟乙烯(此后称为PVDF)，从而产生了浆状阳极活性材料。
然后，用刮片法在提供有对应于直线形未涂覆部分区域或图3A中的缝隙形间隔区101的多个掩模条的铝箔上涂覆浆状阳极活性材料，并把NMP从阳极片10上蒸发掉。包含在所得阳极活性材料中的固体部分的重量比设定为：LiMn2O4∶导电添加剂∶PVDF＝8∶1∶1。此后，将阳极片前和后表面上的掩模条剥离，以便形成缝隙形间隔区101。由于缝隙形间隔区101的未涂覆部分的后表面的图形与其前表面中的相同，因此省略了阳极片10的后表面附图。在第一实施例中，如图3A中所示，缝隙形间隔区101的位置使得阳极活性材料层12在长度方向上被分割成八个部分。铝箔具有2m长，150mm宽和20μm厚的尺寸，并把阳极活性材料层12的涂覆部分的厚度设定为2mm。每个缝隙形间隔区具有2mm的宽度。
至于阴极片20，混合碳和PVDF使其具有碳∶PVDF＝9∶1的重量比，分散在NMP中以形成要涂覆在20μm厚的铜箔上的阴极活性材料22。可以在阴极活性材料中的碳中掺杂或不掺杂锂离子。
把阳极片10和阴极片20与一对25μm厚的聚乙烯多孔膜的隔离片30(见图1)叠层在一起，并卷绕，***到容器中，然后把电解液灌入容器，以产生非水电解液二次电池。选择隔离片的宽度宽于铜箔和铝箔的宽度。
电解液是作为一种其中PC和DEC以1∶1的体积比与作为支持氯化物的一摩尔的LiPF6混合在一起的溶剂而获得的。(对比例1)
第一对比例具有如图2中所示的阳极片10，其中没有提供缝隙形间隔区。其它制造条件与第一实施例相同。
将根据本对比例的电池和第一实施例的电池进行如下对比。
在把电解液灌入电池外壳之后三分钟内，拆开两个电池，以电极面积比较电解液的浸渍率，对比例的浸渍率是25％，而第一实施例的浸渍率是100％。(实施例2)
参考图4A和图4B，阳极片1阴极片和阴极片20是用与上述第一实施例的相同的材料和尺寸形成的。如图4A中所示，除了沿正电极体10宽度方向延伸的多个缝隙形间隔区101之外，在沿带状铝箔中央的长度方向上形成有一个单独的直线形间隔区102，以便通过把多个缝隙形间隔区相互结合形成一个间隔网图形。即，在第一实施例中，正电极体的一个表面上的活性材料层被平均分割成八个部分，但在第二实施例中，把该层平均分割成16部分。这个缝隙形间隔102区有2mm宽，并且两端延伸到阳极活性材料层12的边缘，从而容易注入电解液。缝隙形间隔区102延伸从而与多个宽度方向上的缝隙形间隔区101相交，因此从胶状卷筒两面浸渍的电解液可以迅速到到达阳极活性材料层中心区。
如图4B中所示，阴极片20具有与第一实施例相同的结构。
把阳极片10和阴极片20与两个隔离片以第一实施例中所述的相同方式叠层在一起，可以产生圆柱形电池。(对比例2)
将在本发明第二实施例中得到的非水电解液二次电池与上述对比例比较。
在注入电解液之后两分钟内，拆开两个电池，以电极面积比较电解液的浸渍率，对比例的浸渍率是20％，而本申请的第二实施例的浸渍率是100％。(实施例3)
参考图5A和5B，下面说明本发明的第三实施例。对于本实施例，除了缝隙形间隔区的图形形状之外，其它制造条件也与第一实施例相同。在本实施例中，如图5A中所示，在阳极片10长度方向的中央上具有2mm宽的一个缝隙形间隔区102，并且在阳极片10的前表面以及后表面上具有四个间隔40mm的宽度为2mm的X形缝隙间隔区103。因此，在本实施例中，把阳极片一个表面上的活性材料平均分割成18部分。对于阴极片20，使用了与第一实施例相同的结构。然后，通过把这两个片与一对隔离片一同使用，以与第一实施例相同的方式形成一个圆柱形电池。(对比例3)
把根据第三实施例的非水电解液二次电池与上述对比例相比较。
在注入电解液之后一分钟内，拆开两个电池，以电极面积比较电解液的浸渍率，对比例的浸渍率是15％，而本发明的第三实施例的浸渍率是100％。
在上述说明中，在阳极的前和后表面上提供了相同形状的缝隙形间隔区，但不用说，缝隙间隔区不必是相同的，而可以是不同的。
可以对上述实施例进行其它改变。例如，在图4A中所示的实施例中，缝隙形间隔区102的两端可以终止在阳极活性材料层12内，而不是到达两端，从而把它完全分隔离在上下区中。在这种情况下，由于相邻的缝隙形间隔区101相互连接，浸渍速度可以比第一实施例有所改善。
至于对图3A中的缝隙形间隔区101的改变，可以使其中间的宽度大于两端的宽度。图6中示出了这种结构，这种结构可以把电解液通过缝隙形间隔区104注射到电池中心，以完成快速浸渍。
图7中显示了另一种改进，其中缝隙形间隔区105的排列是越靠近卷绕中心位置的相邻间隔越密。根据这种结构，可以获得整个电池的电解液的均匀浸渍。
获得整个电池均匀浸渍的一个替代方式是，可以逐渐改变缝隙形间隔区的宽度，从而使靠近胶状卷筒的卷绕中心位置的间隔区的宽度大于位于其它部分的间隔区的宽度。
根据本发明，缝隙形间隔区的总面积选择为小于阳极活性材料层12的涂覆面积的2％，但不小于0.5％。
利用缝隙形间隔区占据的小于活性材料的2％的面积，可以使电解液有效地浸渍到阳极活性材料中，以改善放电-充电循环特性，而不引起容量减少之类的问题。但是，在比率小于0.5％时，电解液就不再能有效缩短浸渍步骤，因此最低比率最好不小于0.5％。
就缝隙形间隔区的宽度而论，最好把它的宽度设定在阳极片10的0.1％至1.5％左右的范围内，以防止浸渍速度减慢，和防止电池容量以及循环特性降低。
如上所述，根据本发明的非水电解液二次电池的构造可以比使用现有胶状卷筒的情况更快地把电解液浸渍到胶状卷筒中。此外，由于仅在阳极片上提供了缝隙形间隔区，因此可适用于现有的制造步骤。即，在保持在与现有技术相同的生产步骤的同时，可以缩短生产步骤的周期和提高生产率。另外，由于不用加压方法形成缝隙形间隔区，因而不会破坏充电-放电循环特性。
Claims (11)
1.一种非水电解液二次电池，包括：
卷绕体，其由阳极片和阴极片以及一对夹在它们中间的隔离片所构成，所述阳极片涂覆有由多个沿所述阳极片宽度方向延伸的缝隙形间隔区隔离的多个阳极活性材料，所述阴极涂覆有阴极活性材料；
容纳所述卷绕体的容器，该容器具有分别电连接于所述阳极和阴极片的阳极和阴极端；和
充填所述容器内的所述卷绕体的一种有机非水电解液，从而使所述电解液通过所述缝隙形间隔区浸渍所述阳极活性材料。
2.根据权利要求1所述的非水电解液二次电池，其特征在于每个所述缝隙形间隔区的两端到达所述阳极片的边缘。
3.根据权利要求2所述的非水电解液二次电池，其特征在于一个沿所述阳极片长度方向延伸的附加缝隙形间隔区进一步分割所述多个阳极活性材料，以便通过相互连接所述多个缝隙形间隔区形成一个间隔网图形。
4.根据权利要求2所述的非水电解液二次电池，其特征在于每个所述缝隙形间隔区相互平行设置。
5.根据权利要求3所述的非水电解液二次电池，其特征在于设置每个所述缝隙形间隔区以便交叉成字母X形，并且连接到所述附加缝隙形间隔区。
6.根据权利要求1所述的非水电解液二次电池，其特征在于每个所述缝隙形间隔区的中间部分比其两端部分宽。
7.根据权利要求1所述的非水电解液二次电池，其特征在于设置每个所述缝隙形间隔区使得相邻距离向所述卷绕体的中央方向逐渐变窄。
8.根据权利要求1所述的非水电解液二次电池，其特征在于所述多个阳极活性材料与所述缝隙形间隔区形成在所述阳极片的两个表面上。
9.根据权利要求1所述的非水电解液二次电池，其特征在于所述缝隙形间隔区占据的面积小于所述阳极活性材料总面积的2％，并且不小于0.5％。
10.根据权利要求1所述的非水电解液二次电池，其特征在于每个所述缝隙形间隔区的宽度设定在所述阳极片宽度的0.1％至1.5％左右的范围。
11.根据权利要求1所述的非水电解液二次电池，其特征在于阳极引线连接到所述阳极片以便电连接于所述阳极端，而阴极引线连接到所述阴极片以便电连接于所述阴极端。
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