CN1324756C - 包括盘绕式电极的电池 - Google Patents

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Abstract

一种电池，其包括具有螺旋盘绕式电极的单元电池，具有凹槽部分的外壳，阴极引线端子，及阳极引线端子。单元电池放置在凹槽部分，凹槽部分用部分外壳覆盖，阴极和阳极引线端子分别与盘绕式电极的相应外端相连，并放置在从凹槽部分的开口中露出的盘绕式电极的侧面，且从外壳中直线伸出。

Description

包括盘绕式电极的电池
                        技术领域
本发明涉及一种包括盘绕式电极的电池，特别是包括盘绕式电极的锂离子聚合物二次电池。包括盘绕式电极的电池，具有电解液层、阴极和阳极层合或轧制在一起的结构。
                        背景技术
近年来，移动电子产品如个人笔记本电脑、移动电话和个人数字助理(PDAS)被广泛地使用。因此，锂离子电池因具有效高的电压和电流密度并且重量轻而被广泛地做为这些产品的能源。
因为含电解质溶液的电池存在电解质溶液从电池中泄漏的问题，所以已经商业化的是包含如下组分的锂离子聚合物二次电池：固态电解液或用非水电解液浸渍的凝胶聚合物膜。
锂离子聚合物二次电池具有这样的电池结构，其中包括阴极、阳极和聚合物电解液的单元电池装在诸如铝薄板的外壳中，阴极和阳极分别与相应的引线相连。单元电池与其上配有电路部分的线路板，安装在由上下两部分构成的模制塑料壳中。
为了降低内阻，锂离子聚合物二次电池必须具有较大的反应面积。因此，根据电池厚度，通过螺旋盘绕多个电极的方式制备锂离子聚合物二次电池，由此使电池的反应面积增加。在本文中，将具有多个螺旋盘绕电极的电池称为包含盘绕式电极的电池。
图4示出了一种锂离子聚合物二次电池，其是已知的可应用于本发明的包含盘绕式电极的锂离子聚合物二次电池的实例。锂离子聚合物二次电池包括阴极、阳极和置于其间的电解液部分，这些组成部分被卷制，形成层状结构。阴极包括阴极集电体1及附着于其上的阴极活性物质层2。阳极包括阳极集电体7及附着于其上的阳极混合物层6。
电解液部分包括彼此被隔板4分隔的阴极电解液层3和阳极电解液层5。电池还包括阴极引线端子8，阳极引线端子9，及***(保护条)10a、10b、10c、10d、10e、10f和10g，并且这些组成部分形成电池内部的基本结构。
图5是图4所示锂离子聚合物二次电池之层状部分的放大图，附图标记11表示阴极，12表示阳极，13表示电解液部分。阴极集电体1包括含铝(Al)等的金属条。阴极活性物质层2包括含有诸如锂(Li)、钴(Co)、镁(Mg)、镍(Ni)、镉(Cd)或石墨等活性物质的膜，以及用于将阴极活性物质层2粘结在阴极集电体1上的粘合剂。
阳极集电体7包括含铜(Cu)的金属条，阳极混合物层6包括含有诸如碳质材料等活性物质的膜，以及用于将阳极混合物层6粘结在阳极集电体7上的粘合剂。
电解液部分13所包括的阴极电解液层3和阳极电解液层5，包含有良好电化学性能的凝胶聚合物。凝胶聚合物是可弯曲的和柔性的，并包含可防止泄露的电解液。为此，优选电解液均匀地分布于凝胶聚合物中。
隔板4包括能确保将阴极电解液层3与阳极电解液层5分隔开来，并且基本上允许离子在阴极11和阳极12之间的自由迁移的材料。这种材料的实例包括微孔聚丙烯。
***10a、10b、10c、10d、10e、10f和10g用于防止阴极11与阳极12因老化或由外部施加给电池的压力而彼此接触。
日本待审的专利申请公开第2001-266946号公开了一种锂离子电池，其包括阴极，阳极，电解液层，及绝缘的***。阴极和阳极之一的至少一端从电解液层中露出，另一端与露出端相对，并且覆有绝缘***。
参照图6，阴极引导电极和阳极引导电极与多个螺旋盘绕电极相连，且扁平状的单元电池41包覆于由铝薄板制成的外壳31中。外壳31具有通过冲压法形成的凹槽部分32和阶梯部分33。外壳31还包括未经处理的用于覆盖凹槽部分32的折叠部分(未示出)。单元电池41放置在凹槽部分32中，并用折叠部分将其覆盖，且通过热融合法将其末端固定在阶梯部分33上。
在已知的电池中，阴极引线端子8与盘绕的阴极集电体1的引导部分接合，所述引导部分没有覆盖阴极活性物质层2；阳极引线端子9与盘绕的阳极集电体7的引导部分接合，所述引导部分没有覆盖阳极活性物质层3。作为选择，阳极引线端子9在有些情况下可与阴极集电体7的尾部接合，所述尾部没有覆盖阳极活性物质层3。在这两种情况下，阴极引线端子8均从盘绕电极圈的中心向外延伸。
其中装有单元电池41的外壳31的凹槽部分32是密封的。因此，为了使阴极引线端子8和阳极引线端子9能从凹槽部分32中伸出，阴极引线端子8和阳极引线端子9必须在其邻近单元电池41之侧面42的部分弯曲成L形，如图6和图7所示，侧面42具有阴极和阳极引线端子从中伸出的部分。附图标记43表示置于凹槽部分32中的单元电池41的外表面，外表面与凹槽部分32的开口相对。
当单元电池41放置于凹槽部分32中时，按如上所述弯曲的引线端子(如阴极引线端子8)压在盘绕的电极上。因此，阴极引线端子8与盘绕电极接触，这在某些情况会导致阴极引线端子8与盘绕电极间发生短路。
为防止其间发生短路，将充当绝缘体的保护带51以这样的方式缠绕在阴极引线端子8上，使得保护带51的各部分彼此重叠(如图4所示)，其中所述阴极引线端子8与盘绕的阴极集电体1的引导部分接合(如图8A和8B所示)。作为选择，绝缘片52也可以如图8C所示，置于侧面42之上。
在具有上述结构的已知电池中，阴极引线端子8必须弯成L形，且保护带51的各部分必须彼此重叠。这导致单元电池41的厚度增加。因此，存在电池容量小的问题，因为当电池厚度有限时，必须减少盘绕电极的盘绕次数。而且，当使用绝缘片52时，除了弯曲成L形的阴极引线端子8所占据的空间之外，绝缘片52也需要占据空间。因此，所以存在电池容量小的问题，因为当电池的长度或宽度有限时，必须减小盘绕电极的宽度。
                        发明内容
因此，本发明的目的是提供一种包括盘绕电极的电池。防止电池容量因保护带或绝缘片而降低，所述保护带或绝缘片用于防止引导电极弯曲成L形或者防止引导电极与盘绕电极之间发生短路。
为了解决上述问题，本发明提供一种电池，其包括含有螺旋盘绕电极的单元电池，具有凹槽部分的外壳，阴极引线端子，及阳极引线端子。凹槽部分被外壳的一部分所覆盖。阴极和阳极引线端子分别与盘绕电极的相应外端相连，并放置在从凹槽部分的开口中露出的盘绕式电极的侧面，且从外壳中直线伸出。
在本发明中，尽管单元电池放置在外壳的凹槽部分中，但是引线端子并不弯曲，而是从外壳中直线伸出。因此，用于防止引线端子与盘绕电极间发生短路的绝缘片就不必沿引线端子的***缠绕，用于防止这种短路的绝缘条也不必置于单元电池的侧面。因而，本发明的电池具有高容量。
                        附图说明
图1是根据本发明实施方案的锂离子聚合物二次电池的示意图；
图2是具有引导电极从中伸出部分的电池的示意图；
图3是覆盖电池的外壳的示意图；
图4是可应用于本发明的公知锂离子聚合物二次电池的结构的示意图；
图5是图4所示锂离子聚合物二次电池的层合部分的放大图；
图6是覆盖具有常规结构的单元电池的外壳的示意图；
图7是具有引导电极从中伸出部分的公知单元电池的示意图；及
图8A-8C是具有引导电极从中伸出部分的公知单元电池的示意图。
                        具体实施方式
现将参照附图，描述根据本发明实施方案的包括盘绕电极的电池。此处的术语“包括盘绕电极的电池”或者“具有盘绕电极的电池”是指这样的电池，其包括阳极、阴极和用于分隔阴极与阳极的电解液部分，且这些组成部分轧制在一起。下面将以锂离子聚合物二次电池为例，说明所述包括盘绕式电极的电池。
图1示出了包括盘绕式电极的锂离子聚合物二次电池的实例。具体地，该锂离子聚合物二次电池包含阴极、阳极和用于分隔阴极与阳极的电解液部分，这些组成部分螺旋式地盘绕在一起。
阴极包括阴极集电体1及附着于其上的阴极活性物质层2。阴极活性物质层2包含一种或多种阴极活性物质(如用于贮存和释放锂离子的阴极材料)，并且可以根据需要进一步包含导电材料(如碳质材料等)和粘合剂(如聚偏二氟乙烯)。阴极材料的优选实例包括式LixMIO2所示的锂金属氧化物。这是因为锂金属氧化物能产生高电压并提供高能量密度。在式LixMIO2中，MI代表一种或多种过渡金属，优选为钴(Co)和镍(Ni)中的至少一种，x随电池的充电状态而变化，并满足0.05≤x≤1.10。具体地，锂金属氧化物的实例包括LiCoO2和LiNiO2。
阴极活性物质层2可按例如下面的方法制备。将0.5摩尔的碳酸锂(Li2CO3)和1摩尔的碳酸钴(CoCO3)混合。将该混合物在900℃的空气中焚烧5小时，由此得到作为阴极活性物质的锂钴氧化物(LiCoO2)。随后，将91质量份的锂钴氧化物、6质量份用作导电材料的石墨、3质量份用作粘合剂的聚偏二氟乙烯混合，由此制得阴极混合物-该阴极混合物分散于N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂中，由此得到阴极混合物浆料。将该阴极混合物浆料涂布在包括铝片的阴极集电体1上，干燥，然后压制成型，由此形成阴极活性物质层2。
阳极包括阳极集电体7和附着于其上的阳极混合物层6。该阳极混合物层6包含一种或者多种阳极活性物质(如碳质材料)，并且可以根据需要进一步包含粘合剂(如聚偏二氟乙烯)。优选碳质材料，因为它可以贮存和释放锂离子并且有良好的循环性能，而且其晶体结构在充放电过程中基本不变。碳质材料的实例包括石墨、不可石墨化的碳及可石墨化的碳。特别优选石墨，因其具有高电化学当量并提供高能量密度。
当使用石墨时，优选其真密度为2.10g/cm3或更大，且(002)面间距小于0.340nm；更优选真密度为2.18g/cm3或更大，且(002)面间距为0.335～0.337nm。如果使用不可石墨化的碳，优选其(002)面间距为0.37nm或更大，真密度小于1.70g/cm3，且当其在空气中进行差热分析(DTA)时，不存在700℃或更高温度下的放热峰。
碳质材料的实例包括热裂解烃，焦炭，石墨，玻璃碳，烘制的有机聚合物，碳纤维，活性碳，及碳黑。焦炭的实例包括沥青焦炭，针状焦炭，及石油焦炭。烘制的有机聚合物是指在适于碳化聚合物的温度下烘烤聚合物(如酚树脂或呋喃树脂)而得到的材料。
阳极混合物层6可按如下方法制作。准备平均颗粒直径为25μm的石墨粉，作为阳极活性物质，并将90份重量的石墨粉与10份重量用作粘合剂的聚偏二氟乙烯混合，由此得到阳极混合物。将该阳极混合物分散于N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂中，由此得到阳极混合物浆料。将该阳极混合物浆料涂布在包括铜片的阳极集电体7的两个表面上，干燥，然后用辊式压制机进行压制，由此形成阳极混合物层6。
电解液部分包含阴极电解液层3，阳极电解液层5，及分隔阴极电解液层3和阳极电解液层5的隔板4。阴极电解液层3和阳极电解液层5包含电解质溶液。
电解质溶液包含电解质盐和溶剂。
电解质盐的实例包括锂盐，如LiPF6，LiAsF6，LiBF4，LiClO4，LiB(C6H5)4，LiCH3SO3，LiCF3SO3，LiN(CF3SO2)2，LiN(C2F5SO2)2，LiN(C4F9SO2)LiN(CF3SO2)，LiC(CF3SO2)2，LiC4F9SO3，LiAlCl4，LiSiF6，LiCl，及LiBr。这些化合物可单独或混合使用。优选使用LiPF6，因为可以实现高电导率。
溶剂可以是聚碳酸亚丙酯和碳酸亚乙酯的混合物。溶剂的实例包括4-氟碳酸亚乙酯，碳酸亚乙烯酯，碳酸二乙酯，碳酸二甲酯，1，2-二甲氧基乙烷，1，2-二乙氧基乙烷，γ-丁内酯，γ-戊内酯，四氢呋喃，2-甲基四氢呋喃，1，3-二氧戊环，4-甲基-1，3-二氧戊环，二***，环丁砜，甲基环丁砜，乙腈，丙腈，苯甲醚，乙酸酯，丁酸酯，丙酸酯，及氟苯。这些化合物可单独或混合使用。
电解质溶液通常包含聚碳酸亚丙酯(PC)和碳酸亚乙酯的混合物，其中还溶解有1.0mol/L的LiPF6作为电解质盐。
包含电解质溶液的阴极电解液层3和阳极电解液层5，还包含用于保持电解质溶液的聚合物材料，因而呈凝胶状态。优选凝胶电解液的原因是其具有高电导率并能防止电解质溶液从电池中泄漏。聚合物材料的实例包括醚聚合物如聚环氧乙烷和含有聚环氧乙烷的交联聚合物，酯聚合物如聚甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯聚合物，及氟化亚乙烯基聚合物如聚六氟丙烯与聚氟化亚乙烯或氟化亚乙烯的共聚物。这些物质可单独或混合物使用。考虑到氧化-还原稳定性，特别优选氟聚合物如聚氟化亚乙烯。
阴极电解液层3和阳极电解液层5可按如下方法制作。令93质量份的聚偏二氟乙烯(PVDF)与7质量份的聚六氟丙烯(HFP)进行嵌段共聚，得到共聚物。制备由50％聚碳酸亚丙酯(PC)和50％碳酸亚乙酯(EC)构成的溶剂混合物，并将作为电解质盐的LiPF6溶解于该溶剂混合物中，由此制得LiPF6的含量为1.0mol/L的电解质溶液。使用所述聚合物和该电解质溶液，即可制得阴极电解液层3和阳极电解液层5。
锂离子聚合物二次电池还包括***(保护条)10a、10b、10c、10d、10e、10f和10g。
锂离子聚合物二次电池进一步包括阴极引线端子8和阳极引线端子9，二者都位于盘绕式电极端部区域的附近。阴极引线端子8通过焊接或其它方法固定在阴极集电体1的尾部，所述尾部从阴极活性物质层2中露出。阳极引线端子9通过焊接或其它方法固定在阳极集电体7的尾部，所述尾部从阳极混合物层6中露出。此处，术语“尾部”是指各盘绕电极的外端部。
阴极引线端子8和阳极引线端子9用于获取盘绕式电极间产生的电动势。阴极引线端子8和阳极引线端子9具有与已知锂离子聚合物二次电池的引线端子相同的结构，并且均包括由铝、铂(Pt)、金(Au)、铝合金、铂合金或金合金制成的相应的薄条。该薄条具有高电导率，并且抵抗盘绕式电极间所发生的化学反应。
由于阴极引线端子8和阳极引线端子9固定在盘绕电极的尾部，所以阴极引线端子8和阳极引线端子9并不从引线从中伸出的端面22的中部向外伸出，而是从端面22的末端区域向外延伸，如图2所示，所述末端区域的位置邻近侧面23。侧面23自外壳31的凹槽部分32的开口露出。
当包括多个螺旋盘绕式电极及与其相连的引线端子的扁平状单元电池21放置在外壳31的凹槽部分32中时，阴极引线端子8和阳极引线端子9并不需要弯曲，而可以从外壳31中直线延伸出来。因此，不需要下面所述的空间和绝缘体：阴极引线端子8和阳极引线端子9的弯曲部分所占据的空间，及用于防止盘绕式电极与阴极引线端子8和阳极引线端子9之间短路的绝缘体。因而，与已知的电池相比，该电池具有较大的单位体积能量密度。
众所周知，外壳31具有折叠部分(未示出)和阶梯部分33。折叠部分是外壳31的一部分，其从端面22的对面或侧面23中伸出来。凹槽部分32被折叠部分所覆盖，其端部通过热融法固定在阶梯部分33上。为了密封置于凹槽部分32中的单元电池21，可以使用外壳31的除了折叠部分之外的其它部分，并且可使用除热融法之外的其它接合技术。
外壳31包括由聚丙烯(PP)制成的胶粘剂层，铝制的金属层，及由尼龙或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)制成的表面保护层。胶粘剂层具有防止聚合物电解液退化的功能，并优选由铸造聚丙烯(CPP)等制成。金属层具有防止水分渗透的功能。表面保护层具有保护表面的功能。
本发明不仅限于上述实施例。在本发明的要点范围内可以做很多种的改进或变换。实施例公开的是带有螺旋盘绕式电极的片状电池，但本发明并不局限于此。本发明也适用于包含圆柱状盘绕式电极的圆柱状电池以及包含盘绕式电极的棱柱状电池。更进一步，本发明适用于带有与阴极或阳极相连的只一个引线端子从盘绕式电极的中心部分延伸出来的电池。
本发明的盘绕式电极电池以锂离子聚合物二次电池进行了说明，这是一种带有多个电极和胶状电解液的电池。但本发明并不限于锂离子聚合物二次电池，而且还可以应用于不能反复充电或放电的一次电池或包含液态电解液的锂离子二次电池。本发明还适用于除了采用固态聚合的电物质和易弯曲电极之外的任何包含胶状或塑性电解液的电池。在本发明中，用于阴阳极的材料和用于引线端子的金属材料并不只限于所例举的材料。

Claims (7)

1.一种电池，包括：
具有螺旋盘绕式电极的单元电池；
具有凹槽部分的外壳；
阴极引线端子；及
阳极引线端子，
其中所述单元电池放置在凹槽部分，所述凹槽部分用部分外壳覆盖，阴极和阳极引线端子分别与盘绕式电极的相应外端相连，并放置在从凹槽部分的开口中露出的盘绕式电极的侧面，且从外壳中直线伸出；及
其中所述外壳包括含有聚丙烯的胶粘剂层，含有铝的金属层，及含有尼龙或聚对苯二甲酸乙二酯的表面保护层。
2.根据权利要求1的电池，其中所述单元电池包括含有聚合物电解液的电解液部分。
3.根据权利要求2的电池，其中所述聚合物电解液是通过聚偏二氟乙烯与聚六氟丙烯的共聚而得到的共聚物。
4.根据权利要求1的电池，其中阴极包含阴极活性物质。
5.根据权利要求4的电池，其中阴极活性物质为锂钴氧化物。
6.根据权利要求1的电池，其中阳极包含阳极活性物质。
7.根据权利要求6的电池，其中阳极活性物质为石墨。
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