用於鋰電池的隔離物以及使用該隔離物的鋰電池的製作方法
2023-09-20 12:54:45 1
專利名稱：用於鋰電池的隔離物以及使用該隔離物的鋰電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於鋰電池的隔離物以及使用該隔離物的鋰電池，特別涉及一種能夠抑制在充電期間由於電極板發生的膨脹導致的電極組件的變形的隔離物，以及使用該隔離物的鋰電池。
2.背景技術近年來，隨著高級電子裝置的發展，小型、輕型的電子設備得到了普及，其在可攜式電子裝置中的使用逐漸增加。因此，使用能量密度高和循環壽命長的電池給這種需求日益增加的可攜式電子裝置提供電源。在這些電池中，鋰電池受到廣泛的研究。
鋰電池，特別是，鋰二次電池，基本上包括陽極、陰極和位於兩者之間的隔離物。在按照陽極、隔離物和陰極這樣的順序設置的狀態下，纏繞產生的疊層或層合多個疊層，由此形成電極組件。
根據各種使用電池的情況不同，鋰二次電池製造成各種形狀，其實例包括圓柱形或矩形情況和袋型情況。
通常，在矩形鋰二次電池中使用的電極組件通過堆疊陽極板、隔離物和陰極板並且以膠凍卷(jelly roll)結構捲曲所得的疊層。陽極板具有陽極塗層部分和陽極非塗層部分，在陽極塗層部分將陽極活性材料塗覆在陽極電流收集器上，在陽極非塗層部分沒有給陽極電流收集器塗覆陽極活性材料。類似的，陰極板也具有陰塗層部分和陰極非塗層部分，在陰極塗層部分將陰極活性材料塗覆在陰極電流收集器上，在陰極非除層部分沒有給陰極電流收集器塗覆陰極活性材料。電極凸起連接於每一個陽極非塗層部分和陰極非塗層部分。
位於陽極板和陰極板之間的隔離物將陽極板和陰極板彼此隔離，且允許在兩者之間進行活性材料離子的交換，引起電化學反應。
在使用了前述電極組件的鋰二次電池中，電極板和/或隔離物在充電過程中由於電解液的浸泡會發生膨脹。在這種情況下，電極組件由於膨脹偏差會經歷結構變形，導致電池性能的惡化。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提供一種用於鋰電池的隔離物，其抑制由於電極板和/或隔離物的膨脹引起的電極組件的變形，並且提供一種使用該隔離物的鋰電池。
在本發明的一個方面中，具有用於鋰電池的隔離物，該隔離物具有2.0kgf/mm2或更小的彈性模量。
本發明的上述目的和優點將從參考附圖的本發明的優選實施例詳細描述中變的更加明顯，其中圖1是對三個隔離物進行抗拉強度試驗結果的圖表圖2圖示出根據本發明的實例1和2以及對比例1在鋰二次電池充電後膠凍卷型電極組件的照片圖3圖示出根據本發明的實例1和2以及對比例1在鋰二次電池充電後展開的電極組件的照片圖4分別圖示出在壓制和充電後膠凍卷型電極組件的照片具體實施方式
根據本發明的隔離物優選地具有2.0kgf/mm2或更小，更優選是0.1到2.0kgf/mm2的彈性模量。如果彈性模量大於2.0kgf/mm2，隔離物不能承受陽極和陰極板的伸長，從而不利地會導致陽極和陰極板的變形。
隔離物由聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)或它們的組合製成，且具有單層結構或兩層或三層的多層結構。特別地，優選隔離物包括PE單層或PP/PE/PP三層。
現在將參考附圖描述本發明的原理。
圖1顯示對分別具有0.2～1.2kgf/mm2，1.2～2.0kgf/mm2，和2.0～4.0kgf/mm2的彈性模量的隔離物A、B、C進行抗拉強度試驗的結果。
參考圖1的左圖，隔離物B具有最高的伸長特性但是具有差的抗拉強度。相反，隔離物A和C具有高的抗拉強度但是具有差的伸長特性。
在圖1中圓圈標記的區域是在充電過程中沒有因為電極板膨脹所施加的應力而在隔離物上產生應變的區域，而是彈性變形的區域，即隔離物顯示有1.0mm或更少的變形，如圖1右圖放大顯示的。為了減小電極板的變形，隔離物必須在這個區域具有低的彈性模量使得它能夠承受施加到電極板上的應力。
彈性模量是應力與應變的比率。從圖1的右圖看，彈性模量以按照隔離物C到隔離物B和到隔離物A的順序減少。由此，推斷在隔離物A中的變形抑制效果是最好的，隔離物A具有最低的彈性模量。
現在，將描述本發明鋰電池的製備方法。
首先，採用通常用於製造鋰電池相同的方法製造陰極和陽極。這裡，鋰金屬複合氧化物或硫化物可以用作陰極活性材料，且鋰金屬、含碳材料或石墨可以用作陽極活性材料。
具有2.0kgf/mm2或更少的彈性模量的隔離物位於如此製備的陰極和陽極之間，隨後纏繞成膠凍卷型，以形成電極組件。
隨後，將電極組件容納在電池殼體中。然後，將電解質溶液注入電池殼體中，由此完成鋰二次電池。
本發明的電解質溶液包括鋰鹽和有機溶劑。作為鋰鹽，任何在本領域中廣泛熟知的材料適於本發明的可以不受特殊限制地使用，且鋰鹽的含量是在典型的用於鋰電池產品的範圍。在本發明中有用的鋰鹽的實例包括LiPF6，LiBF4，LiAsF6，LiClO4，CF3SO3Li，LiC(CF3SO2)3，LiN(C2F5SO2)2，LiN(CF3SO2)2，LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4和類似物。作為有機溶劑，優選使用如碳酸亞乙酯或碳酸亞丙酯的環狀碳酸酯，如二甲基碳酸酯、碳酸二乙酯或二甲基乙基碳酸酯(EMC)的線性碳酸酯，氟苯(FB)，乙烯基碸(VS)和類似物。在電解質溶液中，添加有機溶劑使得鋰鹽的濃度在0.5-1.5M的範圍。
現在將通過下列實施例描述本發明。但是，本發明不能理解為局限於此。
實施例1
將94g LiCoO2，來自MMM有限公司的市售的3g SuperP導電碳，3g聚偏二氟乙烯(PVDF)溶解在500gN-甲基吡咯烷酮(NMP)中以製成陰極活性材料組合物。然後，將陰極活性材料組合物塗覆在鋁箔上並乾燥以製成陰極。
將89.8gmezocarbon纖維(來自Petoca有限公司的MCF)，0.2g草酸和10gPVDF溶解在500g NMP中以製成陽極活性材料組合物。然後，將陽極活性材料混合物塗覆在銅(Cu)箔上並乾燥以製成陽極。
具有0.1～1.2kgf/mm2彈性模量的聚乙烯隔離物位於陰極和陽極之間，且將得到的結構纏繞成膠凍卷型，壓制形成膠凍卷型電極組件。
然後將得到的電極組件容納在電池殼體中，隨後注入含有碳酸二乙酯、乙基甲基碳酸酯、二甲基碳酸酯和氟苯以重量比為3∶5∶1∶1混合的電解質溶液中，且以0.55％的乙烯基碸作為添加劑，由此完成鋰二次電池。
實施例2
用與實施例1相同的方式製成鋰二次電池，除了使用具有1.2～2.0kgf/mm2的彈性模量的聚乙烯隔離物。
對比例1
用與實施例1相同的方式製成鋰二次電池，除了使用具有2.0～4.0kgf/mm2的彈性模量的聚乙烯隔離物。
對由實施例1和2以及對比例1製造的鋰二次電池進行充電，且用肉眼觀察在彎曲和壓制之後的膠凍卷型的電極組件的形狀。觀察的結果示於圖2中。這裡，鋰電池在低於0.2C和4.2V下充電20分鐘，且然後在低於0.8C和4.2V繼續充電160分鐘。
參考圖2，根據實施例1和2的膠凍卷型電極組件比根據對比例1的膠凍卷型電池組件變形少，確認當彈性模量在大約0.1到2.0kgf/mm2的範圍和彈性模量相對低時，可以有效抑制在充電過程中發生的膠凍卷型電極組件的變形。
而且，在實施例1和2以及對比例1製造的鋰二次電池充電後，檢查在各個鋰電池中使用的膠凍卷型電極組件的膨脹程度。
圖3示出了在根據本發明的實施例1和2以及對比例1使用的在鋰二次電池中的展開型電極組件的照片，其中由1、2和3表示的照片分別代表本發明實施例1和2以及對比例1的展開性電極組件的陽極。
參考圖3，在實施例1和2的陽極中變形發生的頻率和程度以及由於變形產生的沉澱物的數量比在對比例1的陽極中少。
為了評價在本發明的實施例1和2以及對比例1中的電極組件的膨脹程度，在充電前和充電後測量每一個壓制的膠凍卷型的電池組件的厚度，如T1、T2標記的，其結果示於表1。
表1
在表1中，膨脹的程度等於充電之前的膠凍卷型電極組件的厚度(T1)和充電後的膠凍卷型電極組件的厚度(T2)的差。
從表1中可以理解，在本發明的實施例1和2以及對比例1製成的電極組件中顯示出比對比例1製成的電極組件更低的膨脹程度和更少的變形。
根據本發明的隔離物的使用抑制了電池組件由於在充電過程中電極板的膨脹產生的電極組件的變形，由此有效地防止了在充電後在電極組件厚度方面的增加。而且，可以減少由於在電極組件的變形部分過量鋰離子的插入產生的沉澱物，即金屬鋰的量。
權利要求
1.一種用於鋰電池的隔離物，該隔離物具有2.0kgf/mm2或更少的彈性模量。
2.根據權利要求1的隔離物，其中彈性模量的範圍在大約0.1到大約2.0kgf/mm2的範圍。
3.根據權利要求1的隔離物，由聚乙烯、聚丙烯或它們的複合物製成。
4.根據權利要求3的隔離物，由聚乙烯單層或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三層形成。
5.一種採用權利要求1的隔離物的鋰電池。
6.一種採用權利要求2的隔離物的鋰電池。
7.一種採用權利要求3的隔離物的鋰電池。
8.一種採用權利要求4的隔離物的鋰電池。
全文摘要
提供一種具有2.0kgf/mm
文檔編號H01M2/14GK1512608SQ20031012468
公開日2004年7月14日 申請日期2003年12月26日 優先權日2002年12月27日
發明者韓秀振, 金昌燮, 郭潤泰, 金柱衡, 孟壽蓮, 姜晙遠, 宋民鎬 申請人:三星Sdi株式會社