在厚度方向上具有增加的結構自由度的電極組件、包括該電極組件的二次電池和電池組...的製作方法

2023-10-06 23:30:34

在厚度方向上具有增加的結構自由度的電極組件、包括該電極組件的二次電池和電池組 ...的製作方法
【專利摘要】提供一種在其厚度方向上具有增加的結構自由度的電極組件。電極組件包括負電極和正電極，該負電極和正電極與在間隔件被插入在其間的狀態下被交替地堆疊，其中電極組件通過堆疊N個電極堆來形成，其中N是等於或者大於2的自然數，電極堆中的每一個包括具有相同面積並且在間隔件被插入在其間的狀態下被堆疊的電極，並且電極堆中的相鄰的電極堆具有不同的電極面積，其中電極堆中的第一電極堆通過堆疊分別包括奇數個電極的單元電池來形成，並且堆疊在第一電極上的另一電極堆通過堆疊分別包括偶數個電極的單元電池來形成。
【專利說明】在厚度方向上具有增加的結構自由度的電極組件、包括該 電極組件的二次電池和電池組以及裝置

【技術領域】
[0001] 本公開涉及一種電極組件，並且更加具體地，涉及一種在其厚度方向上具有增加 的結構自由度的電極組件。
[0002] 另外，本公開涉及包括該電極組件的二次電池、電池組、以及裝置。

【背景技術】
[0003] 隨著移動裝置的發展和使用日益增加對於二次電池的需求已經顯著地增加，並且 特別地，具有高能量密度、高操作電壓、易於存儲特性、以及相對長的壽命的鋰二次電池被 廣泛地用作諸如移動裝置的各種電子產品中的電源。
[0004] 通常，通過將電極組件和電解液布置在電池殼體中並且密封該電池殼體形成鋰二 次電池。在這樣的電極組件中，負電極、多孔間隔件、以及正電極可以被垂直地堆疊以形成 單元電池，並且多個這樣的單元電池被堆疊以增加電池的容量。
[0005] 對於具有各種結構的最新的裝置要求新型的電池設計，並且從而有必要根據這樣 的變化的結構發展電池設計。


【發明內容】

[0006] 技術問題
[0007] 本公開的方面可以提供一種電極組件，該電極組件具有臺階部分和增加的結構的 自由度。在電極組件中，至少兩個電極堆被堆疊，並且具有不同的極性的電極被布置以在 電極堆之間的界面處彼此相對，以使得增加電極組件的容量。另外，為了電極組件的穩定 性，電極的較大電極被設置為負電極。
[0008] 技術方案
[0009] 根據本公開的方面，電極組件可以包括負電極和正電極，該負電極和正電極在間 隔件被插入在其間的狀態下被交替地堆疊，其中，通過堆疊N個電極堆可以形成電極組件， 其中N是等於或者大於2的自然數，電極堆中的每一個可以包括具有相同面積並且在間隔 件被插入在其間的狀態下被堆疊的電極，並且電極堆中的相鄰的電極堆可以具有不同的電 極面積，其中，通過堆疊分別包括奇數個電極的單元電池可以形成電極堆的第一電極堆，並 且通過堆疊分別包括偶數個電極的單元電池可以形成在第一電極堆上堆疊的另一電極堆。 [0010] 具有不同極性的電極可以在間隔件被插入在其間的狀態下在電極堆之間的界面 處相互面對，並且具有不同極性並且相互面對的電極的較大電極可以是負電極。
[0011] 第一電極堆可以是最下面的或者最上面的電極堆。
[0012] 第一電極堆可以具有最大的電極面積，並且第一電極堆的面對相鄰的電極堆的電 極可以是負電極。
[0013] 第一電極堆的單元電池可以包括具有負電極/間隔件/正電極/間隔件/負電極 結構和正電極/間隔件/負電極/間隔件/正電極結構的單元電池中的一個或者組合，並 且單元電池中的每一個可以是堆疊型單元電池、堆疊並摺疊型單元電池、或者層壓並堆疊 型單元電池。
[0014] 包括偶數個的電極的單元電池可以具有負電極/間隔件/正電極結構，並且包括 偶數個的電極的單元電池中的每一個可以是堆疊型單元電池、堆疊並摺疊型單元電池、或 者層壓並堆疊型單元電池。
[0015] 電極組件可以是堆疊型電極組件、堆疊並摺疊型電極組件、或者其組合。
[0016] 電極組件中的最外面的電極中的每一個可以獨立地是負電極或者正電極，並且最 外面的電極中的至少一個可以是一側被塗覆的電極。
[0017] 根據本公開的另一方面，二次電池可以包括所述電極組件。
[0018] 電極組件可以被布置在電池殼體中，並且電池殼體可以是袋狀殼體或者稜柱狀殼 體。
[0019] 二次電池可以是鋰離子二次電池或者鋰離子聚合體二次電池。
[0020] 根據本公開的另一方面，電池組可以包括至少兩個這樣的二次電池，並且根據本 發明的另一方面，裝置可以包括一個或者多個這樣的二次電池。
[0021] 裝置可以是蜂窩電話、可攜式計算機、智慧型電話、智能板、上網本、LEV(輕型電動車 輛）、電動車輛、混合電動車輛、插入式混合電動車輛、或者蓄電裝置。
[0022] 有益效果
[0023] 根據本公開，電極組件可以包括由分別包括奇數個電極的單元電池組成的第一層 電極堆和由分別包括偶數個電極的單元電池組成的下一層電極堆。因此，與包括由分別僅 包括奇數個電極的單元電池組成的電極堆的電極組件相比較，可以在堆疊方向上自由地調 節本公開的電極組件的厚度。
[0024] 因此，根據應用條件可以自由地調節使用本發明的電極組件的電池的高度。
[0025] 此外，因為在形成臺階部分所處的界面處發生電池反應，所以可以提高電池的容 量和穩定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是圖示具有臺階部分的示例性的電極組件的截面圖，該電極組件包括分別具 有奇數個電極的第一和第二單元電池。
[0027] 圖2是圖示具有臺階部分的另一示例性的電極組件的截面圖，該電極組件包括分 別具有奇數個電極的第一和第二單元電池。
[0028] 圖3是圖示具有臺階部分的另一示例性的電極組件的截面圖，該電極組件包括分 別具有奇數個電極的第一和第二單元電池。
[0029] 圖4是圖示包括分別具有奇數個電極的第一和第二單元電池和分別具有偶數個 電極的第三單元電池的示例性的電極組件的截面圖。
[0030] 圖5A和圖5B是圖示示例性的層壓並堆疊型單元電池的視圖。
[0031] 圖6A和圖6B是圖示固定構件被附接到的示例性的層壓並堆疊型單元電池的視 圖。

【具體實施方式】
[0032] 發明人已經重複性地研究在其厚度方向上具有增加的結構自由度並且具有被改 善的穩定性和容量的電極組件。結果，發明人已經發現，通過適當地組合分別具有奇數個電 極的單元電池和分別具有偶數個電極的單元電池，替代使用分別具有奇數個電極的單元電 池，可以容易地形成在與裝置的平面垂直的方向上具有各種厚度的電極組件。
[0033] 在下文中，將會參考附圖詳細地描述本公開的實施例。圖1至圖4圖示通過組裝 單元電池形成的示例性電極組件。
[0034] 在本公開的實施例的電極組件100中，N個電極堆31和33 (其中N是等於或者大 於2的自然數）可以被堆疊，並且電極堆31和33中的每一個可以包括具有相同的面積並 且在間隔件15被插入在其間的狀態下被堆疊的電極11和13。相鄰的電極堆31和33的電 極11和13可以具有不同的面積，並且通過堆疊分別具有奇數個電極11和13的單元電池 21和23形成（第一）電極堆31。被布置在第一電極堆31上的（第二）電極堆33可以包 括具有偶數個電極11和13的單元電池25。
[0035] 在本公開的實施例的電極組件100中，（負和正）電極11和13在間隔件15被插 入在其間的狀態下被交替地堆疊。雖然沒有引用或者描述間隔件15,但是應理解的是，間隔 件15被插入在負和正電極11和13之間。
[0036] 在本公開的實施例中，布置在電極組件100的最下側上的第一電極堆31可以包括 分別具有奇數個電極11和13的單元電池和被插入在電極11和13之間的間隔件15。例 如，第一電極堆31可以包括：第一單元電池21，該第一單元電池21分別包括負電極11和 被布置在負電極11的兩側上的正電極13以形成負電極/間隔件/正電極/間隔件/負電 極結構；和第二單元電池23,該第二單元電池23分別包括正電極13和被布置在正電極13 的兩側上的負電極11以形成正電極/間隔件/負電極/間隔件/正電極結構。另外，僅包 括單個單元電池的電極堆可以被使用。此外，可以使用其中以負和正電極11和13被交替 地堆疊的方式堆疊第一和第二單元電池的電極堆。
[0037] 在本公開的實施例中，電極組件100的最外面的電極可以是負電極11或者可以是 正電極13。在圖4中，負電極11是電極組件100的最外面的電極。這是非限制性的示例。 例如，第一電極堆31可以包括負電極11或者正電極13作為電極組件100的最外面的電極 中的一個，並且電極組件100可以包括負和正電極11和13作為最外面的電極。最外面的 電極可以是具有被塗覆有電極活性材料的側面和未被塗覆有電極活性材料的其他側面的 一側被塗覆的電極。一側被塗覆的電極的非塗覆的側面可以是電極組件1〇〇的最外面的 側面。另外，間隔件15可以被布置在非塗覆的側面上。
[0038] 例如，第一電極堆31的第一和第二單元電池21和23可以是奇數編號。例如，可 以按照第一單元電池21/第二單元電池23/第一單元電池21/…的順序堆疊第一和第二單 元電池21和23。在這樣的情況下，第一電極堆31的最外面的電極可以是負電極11。如在 圖4中所示，因為負電極11被布置在第一電極堆31的側面上，在其上布置第二電極堆33， 所以可以防止鋰從最外面的正電極13析出，並且從而不降低電池的穩定性。
[0039] 可以按照第二單元電池21/第一單元電池23/第二單元電池21/…的順序堆疊第 一和第二電極單元21和23,使得將正電極13布置成第一電極堆31的最外面的電極。在這 樣的情況下，因為正電極13被布置在第一電極堆31的最外面的側面上，在其上布置第二電 極堆33,電池的穩定性可能被從正電極13析出的鋰影響。因此，僅面對第二電極堆33的正 電極13的區域可以被塗覆有正電極活性材料，並且不面對第二電極堆33的正電極13的另 一區域不能被塗覆有正電極活性材料，以便防止鋰的析出。
[0040] 例如，第一電極堆31的第一和第二單元電池21和23可以是偶數編號。在這樣的 情況下，負電極11可以被布置在第一電極堆31的最外面的側面中的一個上，並且正電極13 可以被布置在第一電極堆31的最外面的側面中的另一個上。在這樣的情況下，被布置在第 一電極堆31的最外面的側面中的一個上的負電極11可以面對第二電極堆33。然而，如果 被布置在第一電極堆31的最外面的側面中的另一個上的正電極13面對第二電極堆33,則 正電極13的一部分不能被塗覆有如上所述的正電極活性材料。被布置在第一電極堆31的 最外面的側面中的另一個上的最外面的正電極13可以是一側被塗覆的正電極。如果負電 極11被布置在第一電極堆31的最外面的側面中的另一個上，則負電極11可以是雙側被 塗覆或者一側被塗覆的負電極。
[0041] 第二電極堆33在第一電極堆31的一側上被布置有被插入在其間的間隔件，並且 第三電極堆35在第二電極堆33上被布置有被插入在其間的間隔件。以這樣的方式，諸如 第一至第三電極堆31、33、以及35的N個電極堆可以被堆疊在電極組件100 (其中N是自然 數）中。在這樣的情況下，第Μ個電極堆（31或者33)中的相互面對的最外面的電極和與 第Μ個電極堆相鄰的第（Μ+1)個電極堆（35)可以具有不同的極性（其中Μ是小於Ν的自 然數）。因此，在形成臺階部分所處的界面處可能發生電池反應，並且從而可以增加電池的 容量。
[0042] 例如，第Μ個電極堆（31或者33)和第（Μ+1)個電極堆的相互面對的電極中的較 大的電極可以是負電極11。然而，可以防止鋰從正電極13析出以保持電池的穩定性。
[0043] 通過組合和堆疊第一和第二單元電池21和23可以形成電極組件100,通過在兩側 處布置具有相同極性的電極並且在其間布置具有不同極性的電極均形成該第一和第二單 元電池21和23。例如，當具有臺階部分的電極組件100被組裝時，可以布置其中具有相同 面積的第一和第二單元電池21和23被堆疊的第一電極堆31，並且可以在間隔件被插入在 在第一和第二電極堆31和33之間的狀態下在第一電極堆31上布置其中包括小於第一電 極堆31的電極並且具有相同面積的電極的第一和第二單元電池21和23被堆疊的第二電 極堆33。在這樣的情況下，電極組件100可以具有臺階部分和向上減少的截面面積。
[0044] 然而，當電極組件100被組裝以具有如上所述的臺階部分時，在相互鄰接並且形 成如在圖1中所示的臺階部分的電極堆之間的界面處具有相同極性的電極可以相互面對。 在這樣的情況下，在該界面處不會發生電池的充電和放電反應，並且從而可能降低電池的 容量。
[0045] 在另一示例中，如在圖2中所示，通過使用第一和第二單元電池21和23形成電極 堆，並且堆疊電極堆，可以組裝具有臺階部分的電極組件100。然而，在這樣的情況下，被布 置在形成臺階部分所在的電極組件100的電極堆之間的界面處的相對大的電極可以是正 電極13。因此，鋰可能在電池的充電和放電反應期間從正電極活性材料析出，並且可能降低 電池的安全性。
[0046] 例如，如在圖3中所示，可以以被布置在電極堆之間的界面處的較大的電極可以 是負電極的方式堆疊第一和第二單元電池21和23。然而，在這樣的情況下，要求被堆疊在 第一電極堆31上的電極堆33和35中的每一個具有偶數個單元電池。因此，電極組件100 不可以被用於其中被布置在第一電極堆31上的電極堆33和35被要求具有奇數個單元電 池的情況。S卩，可能降低電極組件100的結構自由度。
[0047] 在本公開的實施例中，被放置在第一電極堆31上的第二至第N個電極堆33和35 包括均由偶數個電極組成的單元電池。即，第二至第N個電極堆33或者35包括均通過負 電極11和正電極13組成的第三單元電池25。因此，在電極組件100中，負電極11和正電 極13可以在間隔件被插入在其間的狀態下被交替地堆疊，並且在將負電極11布置在形成 臺階部分的界面處作為較大的電極的同時，可以增加電極組件100的結構自由度。
[0048] 如上所述，通過使用均由奇數個電極組成的第一和第二單元電池可以容易地組裝 第一電極堆31，並且通過使用均由偶數個電極組成的第三單元電池，第二和下一個電極堆 33和35可以被安裝在第一電極堆31上。在這樣的情況下，通過適當地選擇第三單元電池 25的數目根據裝置的形狀可以調節電極組件100的厚度。即，在電極組件100的厚度方向 上可以增加電極組件100的設計自由度。
[0049] 此外，根據本公開的實施例，因為使用均由奇數個電極組成的第一和第二單元電 池21和23組裝第一電極堆31並且使用均由偶數個電極組成的第三單元電池25組裝第二 和下一個電極堆33和35,所以當電極組件100被設計時負電極11可以作為較大的電極被 容易地布置在形成臺階部分的界面處，從而確保用於增加電池的容量的在界面處的電池和 電池反應的穩定性。
[0050] 在本公開的實施例中，沒有限制電池組件100的形狀。例如，組成第一電極堆31 的電極可以是電極組件100的最大的電極。即，如在圖4中所示，在從底部向上的方向上可 以減少組成電極堆的電極的面積。在另一示例中，在從底部向上的方向上可以增加組成電 極堆的電極的面積。即，第N個電極堆的電極可以是電極組件100中的最大的電極。
[0051] 在本公開的實施例中，組成電極堆31、33、以及35的第一至第三單元電池21、23以 及25可以是堆疊型單元電池，其中電極在間隔件15被插入在其間的狀態下被順序地堆疊。
[0052] 在另一示例中，第一至第三單元電池21、23、以及25可以是層壓並堆疊型單元電 池。通過在電極之間和在電極的頂側和底側中的至少一個上布置間隔件，並且按壓電極，層 壓並堆疊型單元電池可以是由多個電極和多個間隔件形成。例如，層壓並堆疊型單元電池 可以具有其中間隔件被布置在諸如間隔件/正電極/間隔件/負電極結構或者正電極/間 隔件/負電極/間隔件結構的最外側中的一個上的結構。在另一示例中，層壓並堆疊型單 元電池可以具有其中間隔件被布置在諸如間隔件/正電極/間隔件/負電極/間隔件結構 的最外側兩者上的結構。與堆疊型單元電池相比較，層壓並堆疊型單元電池可以具有更加 穩定的電極堆結構，因為電極和間隔件被相互結合。
[0053] 在圖5A和圖5B示出示例性的層壓並堆疊型單元電池。圖5A圖示包括相同數目 的電極和間隔件的層壓並堆疊型單元電池，並且圖5B圖示包括在其兩側上的間隔件的層 壓並堆疊型單元電池。然而，被圖示的層壓並堆疊型單元電池是非限制的示例。即，電極和 間隔件的數目可以根據應用條件被變化。
[0054] 諸如帶的固定構件可以被用於提高層壓並堆疊型單元電池的穩定性。例如，如在 圖6A中所示，層壓並堆疊型單元電池可以與諸如帶的固定構件?\被整體地纏繞，或者如在 圖6Β中所示，通過被附接到其橫向側面的固定構件Τ 2可以固定層壓並堆疊型單元電池。
[0055] 可替選地，第一至第三單元電池21、23、以及25可以是通過將負電極和正電極設 置在長矩形的間隔件上並且將間隔件與負和正電極一起摺疊形成的層壓並堆疊型單元電 池（諸如在一個方向上摺疊的纏繞型單元電池或者以Z字形方式摺疊的Z摺疊型單元電 池）。上述類型的單元電池中的一個或者組合可以被使用。然而，第一至第三單元電池21、 23、以及25不限於特定的類型。
[0056] 如上所述，使用如下N個電極堆組裝電極組件100 :通過由分別包括奇數個電極的 第一和第二單元電池21和23組成的電極堆（例如，第一電極31)被布置在最下側上，並且 通過分別包括偶數個電極的第三單元電池25組成的下一個電極堆（即，第二至第N個電極 堆）被布置在第一電極堆31上。因此，在電極組件100的厚度方向上可以增加電極組件100 的結構自由度，並且從而根據其中將使用電極組件100的裝置的形狀可以容易地使電極組 件100成形。
[0057] 另外，本公開的實施例的電極組件100可以是堆疊型電極組件，其中電極堆31、33 以及35被順序地堆疊在垂直方向上；或者堆疊並摺疊型電極組件，其中電極堆31、33以及 35被布置在矩形間隔件上並且與間隔件一起被摺疊。然而，電極組件100不限於此。堆疊 並摺疊型電極組件可以是在一個方向上摺疊的纏繞型電極組件或者以Z字形方向摺疊的Z 摺疊型電極組件。
[0058] 另外，組成電極堆31、33以及35的第一、第二、以及第三單元電池21、23、以及25 可以被布置在矩形間隔件上並且可以與間隔件一起被摺疊以形成具有臺階部分的電極組 件 100。
[0059] 根據本公開的實施例，使用上述電極組件100可以製造鋰離子二次電池或者鋰離 子聚合體二次電池。在這樣的情況下，電極組件100可以被布置在電池殼體中，並且電池殼 體可以是袋狀或者稜柱狀電池殼體。
[0060] 另外，根據本公開的實施例，可以製造包括分別包括電極組件100的至少兩個電 池單體的電池組，並且可以包括一個或者多個這樣的電池單體的裝置可以被使用。裝置的 示例可以是蜂窩電話、可攜式計算機、智慧型電話、智能板、上網本、LEV(輕型電動車輛）、電 動車輛、混合電動車輛、插入式混合電動車輛、以及蓄電裝置。
[0061] 100:電極組件
[0062] 11:負電極 13:正電極
[0063] 15:間隔件
[0064] 21 :第一單元電池 23 :第二單元電池
[0065] 25 :第三單元電池
[0066] 31 :第一電極堆 33 :第二電極堆
[0067] 35 :第三電極堆
[0068] T1、T2:固定構件
【權利要求】
1. 一種電極組件，所述電極組件包括負電極和正電極，所述負電極和正電極在間隔件 被插入在其間的狀態下被交替地堆疊， 其中，所述電極組件通過堆疊 N個電極堆來形成，其中N是等於或者大於2的自然數， 所述電極堆中的每一個包括具有相同面積並且在間隔件被插入在其間的狀態下被堆疊的 電極，並且所述電極堆中的相鄰的電極堆具有不同的電極面積， 其中，所述電極堆中的第一電極堆通過堆疊分別包括奇數個電極的單元電池來形成， 並且堆疊在所述第一電極堆上的另一電極堆通過堆疊分別包括偶數個電極的單元電池來 形成。
2. 根據權利要求1所述的電極組件，其中，具有不同極性的電極在間隔件被插入在其 間的狀態下在所述電極堆之間的界面處相互面對，並且具有不同極性並且相互面對的所述 電極的較大電極是負電極。
3. 根據權利要求1所述的電極組件，其中，所述第一電極堆是最下面的或者最上面的 電極堆。
4. 根據權利要求3所述的電極組件，其中，所述第一電極堆具有最大的電極面積，並且 所述第一電極堆的面對相鄰的電極堆的電極是負電極。
5. 根據權利要求1所述的電極組件，其中，所述第一電極堆的單元電池包括具有負電 極/間隔件/正電極/間隔件/負電極結構和正電極/間隔件/負電極/間隔件/正電極 結構的單元電池的一個或者組合。
6. 根據權利要求5所述的電極組件，其中，所述單元電池中的每一個是堆疊型單元電 池、堆疊並摺疊型單元電池、或者層壓並堆疊型單元電池。
7. 根據權利要求1所述的電極組件，其中，包括偶數個電極的所述單元電池具有負電 極/間隔件/正電極結構。
8. 根據權利要求7所述的電極組件，其中，包括偶數個的電極的所述單元電池中的每 一個是堆疊型單元電池、堆疊並摺疊型單元電池、或者層壓並堆疊型單元電池。
9. 根據權利要求1所述的電極組件，其中，所述電極組件是堆疊型電極組件、堆疊並折 疊型電極組件、或者其組合。
10. 根據權利要求1所述的電極組件，其中，所述電極組件的最外面的電極中的每一個 獨立地是負電極或者正電極。
11. 根據權利要求10所述的電極組件，其中，所述最外面的電極中的至少一個是一側 被塗覆的電極。
12. -種二次電池，所述二次電池包括根據權利要求1至11中的任意一項所述的電極 組件。
13. 根據權利要求12所述的二次電池，其中，所述電極組件被布置在電池殼體中。
14. 根據權利要求12所述的二次電池，其中，所述電池殼體是袋狀殼體或者稜柱狀殼 體。
15. 根據權利要求12所述的二次電池，其中，所述二次電池是鋰離子二次電池或者鋰 離子聚合體二次電池。
16. -種電池組，所述電池組包括至少兩個根據權利要求12所述的二次電池。
17. -種裝置，所述裝置包括至少一個根據權利要求12所述的二次電池。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中，所述裝置是蜂窩電話、可攜式計算機、智能電 話、智能板、上網本、LEV(輕型電動車輛）、電動車輛、混合電動車輛、插入式混合電動車輛、 或者蓄電裝置。
【文檔編號】H01M10/04GK104094463SQ201380003628
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2012年12月28日
【發明者】權盛振, 金基雄, 安諄昊, 金東明, 金永焄, 尹成漢, 柳勝民 申請人:Lg化學株式會社