包括具有相同長度且不同寬度的電極單元的電極組件和包括該電極組件的電池單元和裝置製造方法

2023-10-06 23:33:39 5

包括具有相同長度且不同寬度的電極單元的電極組件和包括該電極組件的電池單元和裝置製造方法
【專利摘要】提供電極組件、包括該電極組件的電池單元、和包括該電極組件的裝置。該電極組件包括具有相同長度且不同寬度的兩個或更多個電極單元的組合，其中該電極單元被堆疊從而在電極單元之間形成階梯部分，並且具有不同極性的電極在電極單元之間的界面處彼此面對。
【專利說明】包括具有相同長度且不同寬度的電極單元的電極組件和包括該電極組件的電池單元和裝置

【技術領域】
[0001]本公開涉及一種具有階梯部分的電極組件，並且更加具體地涉及一種包括具有相同長度且不同寬度的電極單元的電極組件和一種包括該電極組件的電池，電極單元如此配置，使得具有不同極性的電極在電極單元之間的界面處彼此面對。
[0002]另外，本公開涉及包括該電極組件的一種電池單元、一種電池組和一種裝置。

【背景技術】
[0003]隨著移動裝置的發展和使用的正在增加，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、易於存儲特性和相對長的壽命的二次電池在各種電子產品諸如移動裝置中被廣泛用作電源。
[0004]通常，通過在電池外殼中置放電極組件和電解質並且密封電池外殼而形成二次電池諸如鋰二次電池。二次電池可以根據其形狀被分類成柱型、稜型和袋型電池，並且根據在其中使用的電解質類型被分類成鋰離子電池、鋰離子聚合物電池和鋰聚合物電池。因為移動裝置的尺寸已經降低，所以對於薄稜型或者袋型電池的需求已經增加，並且特別地，由於是相對輕重量的，袋型電池是值得注意的。
[0005]容納在電池外殼中的電極組件可以根據其結構被分類成果凍卷(纏繞)、堆疊和堆疊/摺疊(組合)類型。通常，可以通過利用電極活性材料塗覆用作集電器的金屬箔、擠壓金屬箔、將金屬箔切割成具有期望長度和寬度的帶、使用隔膜分離正和負電極並且將隔膜纏繞成螺旋形形狀而製造果凍卷型電極組件。可以通過豎直地堆疊負電極、間隔件和正電極製造堆疊型電極組件。可以通過在隔膜長片上置放具有單一電極或者負電極/間隔件/正電極的結構的各自的電極堆疊，並且摺疊隔膜而製造堆疊/摺疊型電極組件。
[0006]然而，在相關技術中，電極組件通常通過堆疊具有相同尺寸的單元電池或者電極製造並且因此具有受到限制的形狀。因此，在電池設計方面存在很多限制。為了解決這種限制，已經介紹了通過使用具有不同尺寸的電極或者單元電池製造具有階梯部分的電池的方法。然而，因為通過將正電極板和負電極板切割成不同的尺寸以形成具有不同尺寸的單元電池並且堆疊單元電池而製造具有階梯部分的這種電池，所以電池的層的厚度被限制為單元電池的厚度的倍數，並且因此電池的設計自由度是相對低的。
[0007]進而，相關技術的上述技術僅僅公開了一種通過將正和負電極切割成期望尺寸並且堆疊正和負電極而改變電池的設計的簡單思想。即，製造具有實際有用的電池特性的電池的具體方法未予公開。例如，雖然具有階梯部分的電池的單元電池無任何個體操作誤差，但是根據單元電池的堆疊結構，單元電池可以具有總體操作誤差，或者如與具有相同體積的電池的容量相比較，具有階梯部分的電池的電容量可以是非常低的。另外，隨著充電和放電循環重複，在具有階梯部分的電池的層之間的界面可以過度地隆起，從而降低電池的壽命並且使得難以實際地使用電池。然而，在相關技術中，未對於防止這種問題加以考慮地設計具有階梯部分的電池。
[0008]因此，需要能夠根據將在其中使用電極組件的裝置的形狀不同地設計的高容量、耐用電極組件和使用這種電極組件的電池的研發。


【發明內容】

[0009]技術問題
[0010]本公開的方面可以提供一種具有減小的厚度、改進的電容量特性和用於各種設計的適用性的電極組件和包括該電極組件的一種電池單元和一種裝置。
[0011]技術方案
[0012]根據本公開的方面，一種電極組件可以包括具有相同長度且不同寬度的兩個或更多個電極單元的組合，其中電極單元可以被堆疊從而在電極單元之間形成階梯部分，並且具有不同極性的電極可以在電極單元之間的界面處彼此面對。
[0013]在具有相同長度且不同寬度的該兩個或更多個電極單元之間的界面處，相對寬的電極單元的負電極可以面對相對窄的電極單元的正電極。
[0014]在25°C下的500次充電和放電循環之後，電極組件的電容量可以是在一次充電和放電循環之後測量的電容量的60%或者更大，並且與在一次充電和放電循環之後測量的總體厚度相比較，電極組件的總體厚度可以改變15%或者更低。為此，具有不同寬度的電極單元之間的界面處彼此面對的正和負電極可以得到平衡。
[0015]根據本公開的方面，電極組件可以包括具有不同寬度的η+1或者更多電極單元，並且1與？?的比率(Νη/ Ρη)可以不大於1與？?+1的比率(Νη/Ρη+1)，其中η表示等於或者大於I的整數，Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。換言之，電極組件可以滿足公式I。
[0016]公式1:Νη/Ρη ≤ Νη/Ρη+ι
[0017]如果電極組件包括具有不同寬度的η+2或者更多電極單元，則Nn與？?+1的比率(Νη/Ρη+1)可以不小於Nn與Pn的比率(Νη/Ρη)並且可以不大於Νη+1與Ρη+1的比率(Νη+1/Ρη+1)，其中Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，Νη+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且Ρη+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。另外，Νη+1與Ρη+1的比率(Νη+1/Ρη+1)可以不大於Νη+1與Ρη+2的比率(Νη+1/Ρη+2)。換言之，如果電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元，則電極組件可以滿足公式2。
[0018]公式2:Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2
[0019]如果包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元的電極組件以如此方式形成，使得第(η+2)最寬電極單元置放在第η最寬電極單元和第(η+1)最寬電極單元之間，則Νη+1與Ρη+2的比率(Νη+1/Ρη+2)可以不小於Nn與Ρη+2的比率(Νη/Ρη+2)。換言之，電極組件可以滿足公式3。
[0020]公式3:Νη/Ρη+2 ≤ Νη+1/Ρη+2
[0021]根據本公開的另一個方面，電極組件可以包括具有不同寬度的η+1或者更多電極單元，並且dNn與dPn的比率(dNn/dPn)可以不大於dNn與dPn+i的比率(dNn/dPn+1)，其中dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度，dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，並且dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度。換言之，電極組件可以滿足公式4。
[0022]公式4:dNn/dPn ( dNn/dPn+1
[0023]如果電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元，則dNn與dPn+i的比率(dNn/dPn+1)可以不小於dNn與dPn的比率(dNn/dPn)並且可以不大於dNn+i與dPn+i的比率(dNn+1/dPn+1)，其中dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度，dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，dNn+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的厚度，dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度，並且dPn+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的厚度。另外，dNn+1與dPn+i的比率(dNn+1/dPn+1)可以不大於dNn+i與dPn+2的比率(dNn+1/dPn+2)。換言之，電極組件可以滿足公式5。
[0024]公式5:dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2
[0025]如果包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元的電極組件被以如此方式形成，使得第(η+2)最寬電極單元置放在第η最寬電極單元和第(η+1)最寬電極單元之間，則dNn+1與dPn+2的比率(dNn+1/dPn+2)可以不小於dNn與dPn+2的比率(dNn/dPn+2)。換言之，電極組件可以滿足公式6。
[0026]公式6:dNn/dPn+2 ( dNn+1/dPn+2
[0027]優選地，在電極組件的電極單元之間的界面處彼此面對的正和負電極可以具有在大約0.5到大約2、大約0.6到大約1.9、大約0.8到大約1.5，或者大約1.0到大約1.5的範圍中的、負電極厚度與正電極厚度的比率，或者該比率可以是1.0、1.1、1.2、1.3，或者1.4。
[0028]負電極的每單位面積的可逆容量與在電極組件的、具有不同寬度的電極單元之間的界面處面對負電極的正電極的每單位面積的可逆容量的比率可以是大約I或者更高。例如，該比率的範圍可以從大約I到大約2、從大約I到大約1.5、從大約I到大約1.1、從大約I到大約1.09、從大約1.5到大約2、從大約1.02到大約1.09，或者從大約1.05到大約
1.09。具體地，該比率可以是1.05,1.06,1.07,1.08，或者1.09。
[0029]如果電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元，則負電極的每單位面積的可逆容量與在電極單元之間的界面處面對負電極的正電極的每單位面積的可逆容量的比率可以是I或者可以隨著在電極單元之間的接觸面積的降低而增加。
[0030]電極單元可以包括選自由單一電極；包括至少一個正電極、至少一個負電極和至少一個間隔件的至少一個單元電池；和其組合組成的組中的至少一個。單元電池可以形成為選自由果凍卷型、堆疊型、層疊並堆疊型和堆疊並摺疊型組成的組中的類型。置放在單元電池的兩個最外側上的電極可以具有相同極性或者不同極性。
[0031]電極單元的電極和單元電池可以部分地或者全部地被至少一個隔膜長片纏繞。
[0032]電極單元可以具有各種截面形狀諸如四邊形、具有至少一個彎曲角部的四邊形、菱形，或者具有至少一個彎曲邊的形狀。
[0033]電極組件的電極單元可以具有不同截面形狀或者相同截面形狀。
[0034]電極單元可以包括一個或者多個電極接片，並且相同極性的電極接片可以相互電連接。根據電極單元的面積，電極接片可以具有相同尺寸或者不同尺寸。
[0035]在電極組件中，具有相同長度且不同寬度的兩個或更多個電極單元可以被以各種方式堆疊。堆疊電極單元的方法不受限制。例如，電極單元可以按照反向寬度次序或者按照寬度次序沿著從電極組件的下側到上側的方向順序地堆疊，或者電極單元可以被以如此方式堆疊，使得最寬電極單元置放在電極組件的中部中。
[0036]在電極組件中，電極單元可以以如此方式堆疊，使得電極單元的平面中心點相互對準或者在其間帶有預定間隔地布置。可替代地，電極單元可以以如此方式布置，使得電極單元的縱向側相互對準。
[0037]根據本公開的另一個方面，電池單元可以包括電極組件和容納電極組件的電池外殼。電池外殼可以是袋型電池外殼。然而，電池外殼不限於此。電池外殼可以具有對應於電極組件的形狀的形狀。電池單元可以是鋰離子二次電池或者鋰離子聚合物二次電池。
[0038]根據本公開的另一個方面，一種裝置可以包括至少一個如上所述的電池單元。該裝置可以是蜂窩式電話、可攜式計算機、智慧型電話，智能平板、上網本、LEV(輕型電動車輛)、電動車輛、混合電動車輛、插接式混合電動車輛，或者儲能裝置。
[0039]根據本公開的方面，該裝置的系統構件可以置放在電池單元的剩餘空間中。
[0040]有益效果
[0041]根據本公開，因為電極組件包括具有不同寬度的兩種或更多種電極單元，所以電極組件可以被不同地設計並且可以具有在商業上要求的水平的電容量和耐久性。
[0042]另外，因為在具有不同寬度的電極單元的界面處彼此面對的正和負電極得以平衡，所以形成電極組件的層的電極單元的面積和厚度可以在維持電極組件的容量和耐久性特性的同時，相對自由地得到調節，並且因此電極組件的設計自由度可以得到改進。因此，因為電極組件的設計自由度是高的，所以使用該電極組件的裝置可以具有減小的無效空間和高空間效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1是示意根據本公開示例性實施例的電極組件的透視圖。
[0044]圖2是示意根據本公開第一實施例的電極組件的側視圖。
[0045]圖3是示意根據本公開第二實施例的電極組件的側視圖。
[0046]圖4是示意根據本公開第三實施例的電極組件的側視圖。
[0047]圖5是示意根據本公開第四實施例的電極組件的側視圖。
[0048]圖6是示意根據本公開第五實施例的電極組件的側視圖。
[0049]圖7是示意根據本公開示例性實施例的電極組件的展開視圖。
[0050]圖8是示意根據本公開示例性實施例的電極接片的視圖。
[0051]圖9是示意根據本公開實施例的電極單元的示例性堆疊結構的視圖。
[0052]圖10是示意根據本公開示例性實施例的電池單元的透視圖。
[0053]圖11是示意根據本公開另一個示例性實施例的電池單元的透視圖。
[0054]圖12是示意在根據本公開的示例I和2和對照示例I和2製造的電極組件的500次充電和放電循環期間測量的電容量和厚度變化的曲線圖。
[0055]圖13是示意關於在電極單元之間的界面處的負電極/正電極的可逆容量比率的能量密度變化的曲線圖。
[0056]圖14是示意關於在電極單元之間的界面處的負電極/正電極的厚度比率的能量密度變化的曲線圖。
[0057]圖15到17是示意層疊並堆疊型單元電池的示例的視圖。

【具體實施方式】
[0058]在下文中，將參考附圖詳細描述本公開的實施例。在這裡的附圖幫助解釋本公開的示例性實施例，並且本公開的實施例不限於附圖。在圖中，類似的附圖標記表示類似的元件，並且為了清楚或者簡潔起見，某些元件可能被誇大、減小尺寸或者省略。
[0059]圖1示意根據本公開示例性實施例的電極組件。參考圖1，當前實施例的電極組件包括具有相同長度(L)和不同寬度(W)的兩種或更多種電極單元110、120和130。電極單元110、120和130以如此方式堆疊，使得在其間形成階梯部分並且具有不同極性的電極在其間的界面處彼此面對。
[0060]在本公開中，術語「長度(L) 」指的是帶有兩對相同的相對側的、具有四側的電極組件的電極單元中的最大一個的兩個相對長側中的每一個的長度。術語「寬度(W) 」指的是除了電極單元的長側之外的、電極單元的兩側中的每一個的長度。
[0061]另外，術語「電極單元」指的是構成具有階梯部分的電極組件的層的基本單元，並且每一個電極單元可以包括:單一電極諸如負電極或者正電極；包括至少一個負電極、至少一個正電極和至少一個間隔件的至少一個單元電池；或其組合。
[0062]另外，「單元電池」是包括具有至少一個負電極、至少一個正電極和至少一個間隔件的電極堆疊的術語，並且堆疊負電極、正電極和間隔件以形成電極堆疊的方法不受限制。在本公開中，例如，術語「單元電池」可以指一種電極堆疊諸如:通過利用間隔件膜分離薄片型負電極和薄片型正電極並且以螺旋形形狀纏繞電極而製造的果凍卷型電極堆疊；通過順序地堆疊至少一個負電極、至少一個間隔件和至少一個正電極而製造的堆疊型電極堆疊；或者通過在長薄片型隔膜上置放分別地包括單一電極和/或至少一個正電極、至少一個間隔件和至少一個負電極的電極堆疊並且摺疊隔膜而製造的堆疊並摺疊型電極堆疊。
[0063]在本公開的實施例中，單元電池可以具有一種結構諸如正電極/間隔件/負電極/間隔件/正電極結構或者負電極/間隔件/正電極/間隔件/負電極結構從而具有相同極性的電極可以置放在單元電池的兩個最外側(最上和最下側)上，或者單元電池可以具有一種基本結構諸如正電極/間隔件/負電極結構或者正電極/間隔件/負電極/間隔件/正電極/間隔件/負電極從而具有不同極性的電極可以置放在電極單元的兩個最外側上。
[0064]在本公開中，可以利用傳統方法通過順序地堆疊正電極、間隔件和負電極製造，或者可以通過形成分別地包括至少一個正電極、至少一個負電極和至少一個間隔件的疊層(電極基本單元)，並且堆疊電極基本單元(這種方法現在將被稱作層疊並堆疊型電極堆疊或者層疊和堆疊方法)製造堆疊型電極堆疊。
[0065]在層疊並堆疊型電極堆疊中，每一個電極基本單元的結構不受限制，只要電極基本單元包括至少一個正電極、至少一個負電極和至少一個間隔件。
[0066]然而，依據過程簡潔和經濟方面，層疊並堆疊型電極堆疊的電極基本單元可以具有第一電極/間隔件/第二電極/間隔件或者間隔件/第一電極/間隔件/第二電極的基本結構。第一和第二電極可以具有不同的極性(例如，第一和第二電極可以是正電極和負電極)，並且層疊並堆疊型電極堆疊可以具有一個或者多個基本結構。
[0067]進而，層疊並堆疊型電極堆疊可以僅僅包括具有上述基本結構的電極基本單元或者可以包括具有上述基本結構的電極基本單元和具有不同的結構的電極結構。
[0068]圖15到17示意利用層疊和堆疊方法形成的電極堆疊的各種示例。
[0069]圖15示意包括具有間隔件60/負電極50/間隔件60/正電極40的基本結構的電極基本單元710的層疊並堆疊型電極堆疊。在圖15中，示意了間隔件/負電極/間隔件/正電極的基本結構。然而，可以使用間隔件/正電極/間隔件/負電極的基本結構。如果電極基本單元的基本結構是如在圖15中所示意的間隔件/負電極/間隔件/正電極結構，則由這種電極單元形成的電極堆疊的最外(最上)正電極可以不被間隔件覆蓋但是可以暴露於外側。在此情形中，最外正電極可以是其暴露側不利用活性材料塗覆從而優化電池容量的單側塗覆正電極。在圖15中，電極基本單元710具有相同的基本結構。然而，本公開的實施例不限於此。例如，電極基本單元可以具有重複地堆疊的兩個或更多個基本結構。
[0070]圖16示意包括具有間隔件60/負電極50/間隔件60/正電極40的基本結構的電極基本單元810和具有間隔件60/負電極50/間隔件60的結構的電極結構的電極堆疊。如在圖16中所示，因為最外(最上)電極結構具有間隔件60/負電極40/間隔件60的結構，所以正電極可以不被暴露並且因此電池的容量可以增加。在電極基本單元具有暴露的最上負電極的情形中，具有間隔件/正電極/間隔件的結構的電極結構可以置放在暴露的最上負電極上以最大化地使用最上負電極的容量。
[0071]圖17示意包括具有負電極50/間隔件60/正電極40/間隔件60的基本結構的電極基本單元810』和具有負電極50/間隔件60/正電極40/間隔件60/負電極50的結構的電極結構820』的電極堆疊。在圖17中，因為最外(最上)電極結構820』具有負電極50/間隔件60/正電極40/間隔件60/正電極50的基本結構，所以正電極可以不被暴露，並且因此電池的容量可以增加。
[0072]如在圖16和17中所示意地，利用層疊和堆疊方法形成的電極堆疊可以包括具有上述基本結構的電極基本單元。除了電極基本單元，電極堆疊可以進一步包括單一電極、單一間隔件，或者具有不同布置和結構的單元電池的組合。例如，在堆疊具有上述基本結構的電極基本單元之後，單一電極、單側塗覆電極、間隔件，或者具有不同布置和結構的單元電池可以置放在最外側或者堆疊的電極單元的兩個最外側的每一側上從而覆蓋暴露的正電極並且增加電池的容量。在圖16和17中的每一幅圖中，具有不同結構的電極結構置放在電極堆疊的上側上。然而，本公開的實施例不限於此。例如，具有不同結構的電極結構可以置放在電極堆疊的下側中，或者具有一個或多個不同結構的電極結構可以置放在電極堆疊的上側和下側上。
[0073]在本公開的實施例中，術語「堆疊和摺疊方法(堆疊並摺疊型)」指的是在隔膜長片上置放分別地包括至少一個正電極、至少一個間隔件和至少一個負電極的單一電極和/或電極堆疊，並且摺疊隔膜的方法。這裡，可以利用任何方法摺疊隔膜。摺疊方法的示例包括眾所周知的摺疊方法諸如摺疊隔膜的薄片的方法(被稱作Z摺疊或者摺疊屏風方法)、沿著一個方向摺疊在其上置放分別地包括至少一個負電極、至少一個正電極和在其間的至少一個間隔件的電極堆疊的隔膜的薄片的方法，或者在隔膜的薄片的兩側上交替地布置單一電極並且摺疊隔膜的方法。在本公開中，利用果凍卷方法製造的單元電池、利用堆疊方法製造的單元電池、利用堆疊和摺疊方法製造的單元電池分別地被稱作果凍卷型單元電池、堆疊型單元電池和堆疊並摺疊型單元電池。
[0074]本公開的實施例提供每一個通過堆疊具有相同長度(L)和不同寬度(W)的兩種或更多種電極單元以在電極組件上形成階梯部分而形成的電極組件，並且因此可以使用電極組件製造如與相關技術的那些相比具有不同的形狀的電池。在本公開的實施例中，電極單元的寬度(W)不受限制，只要當堆疊電極單元時形成階梯部分。即，可以根據電池的設計自由地選擇電極單元的寬度(W)。例如，在本公開的實施例中，如果兩個電極單元中的較寬的一個的寬度(W)是100%，則該兩個電極單元中的較窄的一個的寬度(W)範圍可以從20%到95 %，優選地，從30 %到90 % ο
[0075]在本公開的實施例中，電極組件的電極單元可以具有相同厚度或者不同厚度。即，電極單元的厚度不受限制。例如，在本公開的實施例中，具有相對寬的寬度(W)的電極單元可以比具有相對窄的寬度(W)的電極單元更薄或者更厚。
[0076]在本公開的實施例中，具有不同極性的電極在具有不同寬度(W)的電極單元之間的界面處彼此面對從而電力可以存儲在界面中以增加電池的電容量。表達「彼此面對」用於表示電極的彼此面對的布置，包括其中兩個電極形成相互接觸的狀態和其中另一個元件諸如間隔件和/或隔膜的薄片置放在彼此面對的兩個電極之間的其它狀態。
[0077]根據本公開的實施例，在包括具有相同長度(L)和不同寬度(W)的兩種或更多種電極單元的電極組件中，相對寬的電極單元的負電極可以在兩個電極單元之間的界面處面對相對窄的電極單元的正電極。如果具有不同寬度(W)的電極單元以如此方式布置，使得相對寬的電極單元的正電極置放在在電極單元之間的界面處，則鋰可以從正電極析出從而降低電池的壽命或者穩定性。
[0078]在本公開的實施例中，電極組件包括具有不同寬度的電極單元，並且如果有必要，則電極單元可以具有不同的厚度。因此，可以提供各種電池設計。然而，如果通過僅僅堆疊具有不同寬度的電極單元製造電極組件，則電極組件可能不具有在商業上要求的水平的容量和耐久性，並且因為電極單元的厚度限制為單元電池或者單元電極的厚度的倍數，所以沿著厚度方向的設計自由度可能受到限制。因此，本發明人已經對於製造具有顯著地改進的設計自由度，特別地，沿其厚度方向改進的設計自由度和在商業上要求的水平的輸出效率和結構穩定性的電極組件的方式執行了大量的研究。結果，本發明人發現能夠通過調節在具有不同寬度的電極單元之間的界面處的平衡製造具有改進的容量、耐久性和沿其厚度方向的自由度的電極組件。
[0079]表達「調節在具有不同寬度的電極單元之間的界面處的平衡」指的是最優地設計在電極單元之間的界面處彼此面對的正和負電極以在預定數目的循環期間獲得穩定的輸出效率並且維持電池的穩定性。例如，這可以通過調節接界的正和負電極的容量或者厚度而實現。更加詳細地，根據本公開的實施例在具有不同寬度的電極單元之間的界面處彼此面對的正和負電極可以如此設計，使得在25°C下的500次充電和放電循環之後，包括電極單元的電極組件可以具有在一次充電和放電循環之後測量的電容量的60 %或者更大的電容量，並且如與在一次充電和放電循環之後測量的總體厚度相比較，電極組件的總體厚度改變15%或者更低。
[0080]在以上，在以下充電條件⑷和放電條件⑶下測量電容量。另外,在充電和放電之間的間隔是10分鐘。
[0081]充電條件(A):在恆定電流模式中以IC速率充電至4.25V或者4.35V的電壓，並且然後在恆定電壓模式中充電直至充電電流達到最小電池容量的1/20。
[0082]放電條件⑶:在恆定電流模式中以IC速率放電至3V的電壓。
[0083]利用表達式:(在500次充電和放電循環之後電極組件的總體厚度/在一次充電和放電循環之後電極組件的總體厚度)X100測量電極組件的厚度變化。
[0084]通過長期的研究，本發明人已經發現能夠通過將在界面處彼此面對的負和正電極的可逆容量調節至特定條件而平衡在具有不同寬度的電極單元之間的界面。
[0085]詳細地，根據本公開的實施例，電極組件可以以如此方式由電極單元形成，使得Nn與Pn的比率(Nn/Pn)不大於Nn與Pn+1的比率(Nn/Pn+1)，其中Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Νη+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。即，電極組件可以滿足公式I。
[0086]公式1:Nn/Pn ( Νη/Ρη+1
[0087]其中η表示等於或者大於I的整數。
[0088]在公式I中，負電極的每單位面積的可逆容量被定義為每單位面積的負電極充電容量[mAh/cm2] X負電極效率[%]，其中每單位面積的負電極充電容量被定義為每單位面積的負電極活性材料加載量[g/cm2] X每單位重量的負電極充電容量[mAh/g]，並且負電極效率被定義為100X負電極放電容量與負電極充電容量的比率。另外，正電極的每單位面積的可逆容量被定義為:正電極活性材料加載量[g/cm2] X每單位重量的正電極充電容量[mAh/g] -負電極的每單位面積的不可逆容量[mAh]。
[0089]負電極活性材料加載量是在負電極集電器上塗覆的負電極活性材料每單位面積的重量，並且正電極活性材料加載量是在正電極集電器上塗覆的正電極活性材料每單位面積的重量。另外，可以如在以下描述地測量正和負電極的每單位面積的充電容量、放電容量和不可逆容量。
[0090]I)正電極的每單位重量的充電容量
[0091]製造正電極半電池，並且作為相對電極製備鋰電極。此後，正電極半電池在恆定電流模式中在0.1C速率下充電至4.25V的電極電壓，並且測量正電極半電池的電容量。通過將測量電容量除以正電極半電池的活性材料的重量獲得的值被確定為正電極的每單位重量的充電容量。
[0092]2)負電極的每單位重量的充電容量
[0093]製造負電極半電池，並且作為相對電極製備鋰電極。此後，負電極半電池在恆定電流模式中在0.1C速率下充電至1.6V的電極電壓，並且測量負電極半電池的電容量。通過將測量電容量除以負電極半電池的活性材料的重量獲得的值被確定為負電極的每單位重量的充電容量。
[0094]3)負電極的每單位重量的放電容量
[0095]製造負電極半電池，並且作為相對電極製備鋰電極。此後，負電極半電池在恆定電流模式中在0.1C速率下充電至1.6V的電極電壓，並且然後在恆定電流模式中在0.1C速率下放電至OV的電極電壓。然後，測量負電極半電池的電容量。通過將測量電容量除以負電極半電池的活性材料的重量獲得的值被確定為負電極的每單位重量的充電容量。
[0096]4)負電極的每單位重量的不可逆容量
[0097]在如上所述測量的負電極的充電和放電容量之間的差異除以負電極半電池的活性材料的重量被確定為負電極的每單位重量的不可逆容量。
[0098]根據本發明人執行的研究，雖然包括具有不同寬度的電極單元的電極組件設計成正確地操作電極單元，但是如果在其界面處電極單元的容量比率並不滿足公式1，則電極組件可能不具有在商業上要求的水平的容量和耐久性。這是未針對由傳統尺寸的電極單元形成的電極組件預測的結果。即，當使用具有不同寬度的電極單元製造電極組件時，未針對相關技術的電極組件考慮的、另外的因素可以得到考慮。另外，如果公式I得以滿足，則可以在公式I允許的範圍內自由地選擇電極單元的厚度，並且因此可以顯著地改進沿著厚度方向的設計自由度。
[0099]根據本公開的實施例，當考慮經濟方面和單位體積能量密度時，可能優選的是電極組件的Nypi^p Nn/Pn+1等於或者大於大約I，更加優選地，在大約I到大約1.2的範圍中。然而，本公開的實施例不限於此。換言之，根據本公開的其它實施例，電極組件可以滿足公式1_1，優選地公式1_2。
[0100]公式1-1:1 ≤ Nn/Pn ≤ Nn/Pn+1
[0101 ]公式 1-2:1 ≤ Nn/Pn ( Nn/Pn+1≤ 1.2
[0102]其中n、Nn、P^PPn+1與在公式I中定義的相同。
[0103]在本公開的實施例中，如果具有不同寬度並且在電極組件中包括的電極單元的數目是η+2或者更大(η是等於或者大於I的整數)，則Nn與Ρη+1的比率(Νη/Ρη+1)可以不小於Nn與Pn的比率(Νη/Ρη)並且可以不大於Νη+1與Ρη+1的比率(Νη+1/Ρη+1)，其中Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，Νη+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且Ρη+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。另外，Νη+1與Ρη+1的比率(Νη+1/Ρη+1)可以不大於Νη+1與Ρη+2的比率(Νη+1/Ρη+2)。換言之，如果本公開的實施例的電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元的組合，則電極組件可以滿足公式2。
[0104]公式2:Nn/Pn ≤ Nn/Pn+1 ≤ Nn+1/Pn+1 ≤ Nn+1/Pn+2
[0105]其中n表示等於或者大於I的整數。
[0106]在本公開的實施例中，當考慮經濟方面和單位體積能量密度時，可能優選的是電極組件的Νη/Ρη、Νη/Ρη+1、Νη+1/Ρη+1和Νη+1/Ρη+2等於或者大於大約1，更加優選地，在大約I到大約1.2的範圍中。即，本公開的實施例的電極組件可以滿足公式2-1。
[0107]公式2-1:1 ≤ Nn/Pn ≤ Nn/Pn+1 ≤ Nn+1/Pn+1≤ Nn+1/Pn+2
[0108]公式2-2:1≤ Nn/Pn ≤ Nn/Pn+1 ≤ Nn+1/Pn+1 ≤ Nn+1/Pn+2 ^ 1.2
[0109]其中與在以上說明中定義的相同。
[0110]在本公開的實施例中，如果以如此方式形成包括η+2或者更多具有不同寬度的電極單元的電極組件，使得第(η+2)最寬電極單元置放在第η最寬電極單元和第(η+1)最寬電極單元之間，則Νη+1與Ρη+2的比率(Νη+1/Ρη+2)可以不小於Nn與Ρη+2的比率(Νη/Ρη+2)。換言之，如果本公開的實施例的電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元的組合，則電極組件可以滿足以上公式2和公式3。
[0111]公式3:Nn/Pn+2 ≤ Νη+1/Ρη+2
[0112]其中η表示等於或者大於I的整數，Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Νη+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且Ρη+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。
[0113]根據由本發明人執行的研究，如果電極組件的正和負電極的可逆容量滿足上述條件，則電極組件可以具有改進的輸出效率和結構穩定性，但是電極單元的寬度和厚度被不同地改變。例如，在25°C下的500次充電和放電循環之後，電極組件的電容量可以是在一次充電和放電循環之後測量的電容量的60%或者更大，並且如與在一次充電和放電循環之後測量的總體厚度相比較，電極組件的總體厚度可以改變15%或者更低。
[0114]負電極的每單位面積的可逆容量與在電極組件的、具有不同寬度的電極單元之間的界面處面對負電極的正電極的每單位面積的可逆容量的比率可以是I或者更高，優選地，I 到 2、I 到 1.5、I 到 1.1、I 到 1.09、1.5 到 2、1.02 到 1.09、1.05 到 1.09、1.05、1.06、
1.07、1.08，或者1.09。根據由本發明人執行的研究，雖然如果負電極的每單位面積的可逆容量與在電極單元之間的界面處面對負電極的正電極的每單位面積的可逆容量的比率是I或者更高，則電極單元的面積或者厚度相對自由地改變，但是可以獲得在商業上要求的水平的電池容量和耐久性。然而，如果負和正電極的每單位面積的可逆容量的比率低於1，則由於隆起，電池的穩定性和效率可以顯著地減小。
[0115]在本公開的實施例中，如果電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元的組合，則負電極的每單位面積的可逆容量與正電極的每單位面積的可逆容量的比率可以在電極單元之間的界面處相等或者可以與在電極單元之間的接觸面積成反比地增加。例如，如果電極組件包括具有不同寬度的三個電極單元(從最寬一個到最窄一個地稱作第一到第三電極單元)，則置放在第二和第三電極單元之間的界面處的負和正電極的每單位面積的可逆容量比率可以等於或者大於置放在第一和第二電極單元之間的界面處的負和正電極的每單位面積的可逆容量比率。隨著具有不同寬度的電極單元的數目增加，在電極單元之間的界面的數目可以增加到兩個或更多個，並且如果該兩個或更多個界面未被平衡，貝IJ電池的穩定性和性能可以由於結構變形而降低。根據由本發明人執行的研究，當通過組合具有不同寬度的三種或更多種電極單元而形成電極組件時，如果在電極單元之間的界面處的負和正電極的每單位面積的可逆容量比率在上述範圍內，則由結構變形引起的電池的穩定性和性能的劣化可以被最小化。
[0116]作為平衡在具有不同寬度的電極單元之間的界面處的負和正電極的另一種方法，負和正電極的厚度比率可以被調節為在預定範圍內。例如，在本公開的電極組件中，在具有不同寬度的電極單元之間的界面處彼此面對的負和正電極的厚度比率(負電極厚度/正電極厚度)可以被調節為在大約0.5到大約2，優選地，大約0.7到大約1.8，更加優選地，大約1.0到大約1.4的範圍中。如果在電極單元之間的界面處彼此面對的負和正電極的厚度比率低於0.5，則鋰離子可以析出，因為負電極不足以從正電極接收鋰離子，並且因此電池的性能和容量可以低於設計預期水平。如果在電極單元之間的界面處彼此面對的負和正電極的厚度比率大於2，則因為能夠在初始充電期間接收鋰離子的負電極部位增加，所以不可逆容量可以增加，並且實際容量可以低於設計容量。另外，因為負電極過厚，所以電池的能量密度(電池的效率/密度的比率)可以降低，並且負電極活性材料可以由於低塗覆強度而被分離。
[0117]可以通過使用離子銑削裝置(截面拋光器(CP))切割電極組件並且使用SEM掃描電極組件的截面而測量電極組件的負和正電極的厚度。負和正電極的每一個的厚度包括電極集電器的厚度和電極活性材料層的厚度。例如，包括集電器和在集電器一側上形成的活性材料層的電極的厚度是集電器的厚度和活性材料層的厚度之和，並且包括集電器和在集電器兩側上形成的活性材料層的電極(即，具有活性材料層/集電器/活性材料層的結構的電極)的厚度是集電器的厚度和活性材料層的厚度之和。
[0118]具體地，在根據本公開實施例的電極組件中，dNn與dPn的比率(dNn/dPn)可以不大於dNn與dPn+1的比率(dNn/dPn+1)其中dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度，dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，並且dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度。換言之，本公開的實施例的電極組件可以滿足公式4。
[0119]公式4: dNn/dPn ( dNn/dPn+1
[0120]其中n表示等於或者大於I的整數。
[0121]在本公開的實施例中，當考慮經濟方面和單位體積能量密度時，電極組件的dNn/ClP1^P dNn/dPn+1範圍可以從大約0.5到大約2，優選地，從大約0.6到大約1.9，更加優選地，從大約1.0到大約1.5。即，本公開的實施例的電極組件可以滿足公式4-1、公式4-2，或者公式4_3。
[0122]公式4-1:0.5 ( dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( 2
[0123]公式4-2:0.6 ( dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ≤ 1.9
[0124]公式4-3:1.0 ≤ dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ≤ 1.5
[0125]在公式4-1、4-2和4-3中，dNn、dPn和dPn+i與在以上說明中定義的相同。
[0126]在本公開的實施例中，當電極組件包括具有不同寬度的η+2或者更多電極單元時，dNn與dPn+1的比率(dNn/dPn+1)可以不小於dNn與dPn的比率(dNn/dPn)並且可以不大於dNn+1與dPn+i的比率(dNn+1/dPn+1)，其中dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度，dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，dNn+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的厚度，dPn+i表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度，並且dPn+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的厚度。另外，dNn+1與dPn+i的比率(dNn+1/dPn+1)可以不大於dNn+i與dPn+2的比率(dNn+1/dPn+2)。換言之，如果本公開的實施例的電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元，則電極組件可以滿足公式5。
[0127]公式5:dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2
[0128]其中n表示等於或者大於I的整數。
[0129]在本公開的實施例中，當考慮經濟方面和單位體積能量密度時，電極組件的dNn/dPn、dNn/dPn+1、dNn+1/dPn+1和dNn+1/dPn+2的範圍可以從大約0.5到大約2，優選地，從大約0.6到大約1.9，更加優選地，從大約1.0到大約1.5。即，本公開的實施例的電極組件可以滿足公式5_1、公式5_2，或者公式5_3。
[0130]公式5-1:0.5 ( dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2 ( 2
[0131]公式5-2:0.6 ^ dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2 ≤ 1.9
[0132]公式5-3:1.0 ≤ dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2 ≤ 1.5
[0133]在公式5-1、5-2和5-3中，dNn、dNn+1、dPn和dPn+i與在公式5的說明中定義的相同。
[0134]進而，在本公開的實施例中，如果以如此方式形成包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元的電極組件，使得第(η+2)最寬電極單元置放在第η最寬電極單元和第(η+1)最寬電極單元之間，則dNn+1與dPn+2的比率(dNn+1/dPn+2)可以不小於dNn與dPn+2的比率(dNn/dPn+2)。即，本公開的實施例的電極組件可以滿足以上公式5和公式6。
[0135]公式6:dNn/dPn+2 ( dNn+1/dPn+2
[0136]其中η表示等於或者大於I的整數，dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度，dNn+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的厚度，dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度，並且dPn+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的厚度。
[0137]如與調節每單位面積的可逆容量比率的方法相比較，調節在電極單元之間的界面處的負和正電極的厚度的上述方法可以是簡單的。然而，根據電極的規格，僅通過調節電極的厚度不可以調節在電極之間的平衡。在此情形中，還可以當設計電極組件時調節在電極單元的界面處的正和負電極的可逆容量比率。然而，在其中用於電極單元的電極的規格相同和不同的這兩種情形中，如果負電極活性材料的充電容量是正電極活性材料的充電容量的大約1.5倍到大約3倍，優選地，大約1.8倍到2.5倍，則在電極單元之間的界面處的負和正電極的厚度可以被調節為在上述範圍內以容易地調節在界面之間的平衡。
[0138]在本公開的實施例中，在電極組件中包括的正電極和負電極的厚度、孔隙度、加載量不受限制，只要電極單元的界面得以平衡。
[0139]例如，可以根據諸如電極活性材料的種類和電池容量的因素適當地選擇電極組件的正和負電極的厚度。例如，在本公開實施例的電極組件中，正電極的厚度的範圍可以從大約50 μ m到大約150 μ m、從大約80 μ m到大約140 μ m,或者從大約100 μ m到大約150 μ m，並且負電極的厚度的範圍可以從大約80 μ m到大約200 μ m、從大約100 μ m到大約200 μ m,或者從大約100 μ m到大約150 μ m。
[0140]進而，在本公開的實施例中，電極組件的正和負電極的每單位面積的電極活性材料的塗覆量(加載量)不受限制，而是可以根據諸如電極活性材料的種類和電池容量的因素適當地選擇。例如，在本公開的實施例中，正電極的每單位面積的正電極活性材料的塗覆量的範圍可以從大約10mg/cm2到大約30mg/cm2、從大約10mg/cm2到大約25mg/cm2,或者從大約15mg/cm2到大約30mg/cm2，並且負電極的每單位面積的負電極活性材料的塗覆量的範圍可以從大約5mg/cm2到大約20mg/cm2、從大約5mg/cm2到大約15mg/cm2,或者從大約1mg/cm2 到大約 20mg/cm2。
[0141]另外，正和負電極的孔隙度不限於此而是可以根據電極活性材料和電池容量適當地選擇。例如，在本公開的實施例中，正電極的孔隙度的範圍可以從大約10%到大約30%、從大約15%到大約30%，或者從大約10%到大約25%，並且負電極的孔隙度的範圍可以從大約15%到大約50%、從大約20%到大約50%，或者從大約15%到大約40%。
[0142]根據由本發明人執行的研究，如果電極組件的正和負電極的厚度滿足上述條件，則電極組件可以具有改進的輸出效率和結構穩定性，儘管電極單元的寬度和厚度被不同地改變。例如，在25°C下的500次充電和放電循環之後，電極組件的電容量可以是在一次充電和放電循環之後測量的電極組件的電容量的60%或者更大，並且如與在一次充電和放電循環之後測量的電極組件的總體厚度相比較，電極組件的總體厚度可以改變15%或者更低。
[0143]在本公開的實施例中，電極組件的電極單元可以被不同地組合。在下文中，將參考附圖根據本公開的實施例更加詳細地描述電極單元的配置。圖2到5示意根據本公開示例性實施例的電極組件的電極單元的配置。
[0144]圖2是沿著圖1的線A-A』截取的截面視圖，其中電極組件的電極單元110、120和130由根據本公開實施例的堆疊型單元電池形成。參考圖2，本公開的實施例的電極組件可以包括具有不同寬度(W)的三種電極單元110、120和130，並且電極單元110、120和130可以包括分別地包括正電極40、負電極50和在其間置放的間隔件60的堆疊型單元電池。例如，電極單元130可以由一個單元電池105形成，並且單元電池110或者120可以由具有相同長度(L)和寬度(W)的兩個單元電池101和102或者103和104形成。在圖2中，電極單元的所有的單元電池都是堆疊型單元電池。然而，本公開的實施例不限於此。即，本公開的實施例中，電極單元可以包括堆疊型單元電池、果凍卷型單元電池、堆疊並摺疊型單元電池、這種單元電池和單一電極的組合，或者不同種類的單元電池的組合。
[0145]例如，圖3是示意包括通過組合果凍卷型單元電池和根據本公開實施例的單一電極形成的電極單元的電極組件的截面視圖。參考圖3，當前實施例的電極組件可以【包括】具有不同寬度(W)的兩種電極單元210和220。可以通過組合果凍卷型單元電池201和單一電極202形成較窄的電極單元210，並且較寬的電極單元220可以由果凍卷型單元電池203形成。可以通過纏繞負電極薄片50』、正電極薄片40』和在其間置放的間隔件60』形成果凍卷型單元電池201和203中的每一個。在此情形中，為了電穩定性，負電極薄片50』可以暴露於外側，並且單一電極202可以是正電極。然而，本公開的實施例不限於此。例如，果凍卷型單元電池的正電極薄片可以暴露於外側，並且正電極薄片的、暴露於外側的區域可以不利用正電極活性材料塗覆(即，正電極薄片的非塗覆部分可以暴露於外側)。
[0146]圖3示意由果凍卷型單元電池和單一電極的組合形成的電極單元和由果凍卷型單元電池形成的電極單元。然而，本公開的實施例不限於此。例如，可以通過組合堆疊型單元電池和/或堆疊並摺疊型單元電池與單一電極形成電極單元。在另一個示例中，可以通過組合兩種或更多種單元電池形成電極單元。
[0147]例如，圖4示意根據本公開實施例通過組合堆疊型單元電池和堆疊並摺疊型單元電池形成的電極組件。參考圖4，該實施例的電極組件可以包括具有不同寬度(W)的三種電極單元310、320和330。最窄的電極單元310和最寬的電極單元330可以由堆疊型單元電池形成，並且電極單元320可以由堆疊並摺疊型單元電池形成。最窄的電極單元310的堆疊型單元電池可以具有負電極50/間隔件60/正電極40/間隔件60/負電極50/間隔件60/正電極40的結構。最寬電極單元330的單元電池可以具有負電極50/間隔件60/正電極40/間隔件60/負電極50/間隔件60/正電極40/間隔件60/負電極50的結構。如上所述，在本公開的實施例中，置放在單元電池的最外側上的電極可以具有不同的極性或者相同的極性，並且可以在單元電池中包括至少一個正電極和/或至少一個負電極。電極單元320的堆疊和摺疊單元電池可以包括分別地包括負電極、正電極和間隔件並且置放在隔膜70的摺疊薄片上的電極堆疊。
[0148]圖5示意由根據本公開實施例的單一電極形成的電極單元。參考圖5，一種電極組件包括:由單一電極形成的電極單元420 ;和由一個或者多個單元電池401和402形成的電極單元410。
[0149]如上所述，根據本公開的實施例，電極組件的電極單元可以由單一電極、一個或者多個單元電池，或其組合形成。在相關技術中使用的各種單元電池諸如堆疊型單元電池、果凍卷型單元電池、堆疊並摺疊型單元電池及其組合可以無任何限制地被用作單元電池。除了圖2到5所示單元電池，可以使用各種其它類型的單元電池。即，在本公開的其它實施例中，可以使用其它類型的單元電池。
[0150]進而，根據本公開的其它實施例，電極組件的電極單元可以部分地或者全部地被至少一個隔膜的薄片纏繞。圖6示意根據本公開示例性實施例其中單一電極和電極單元的單元電池部分地或者全部地被隔膜的薄片纏繞的電極組件。參考圖6，電極單元510、520和530的單元電池501、502、503、504、505、506和507被隔膜70的薄片纏繞。在此情形中，電池的膨脹或者隆起可以受到隔膜70抑制以改進電池的穩定性。在圖6中，隔膜70的、由短劃線指示的部分可以是不必要的部分。
[0151]在圖6中，單元電池501、502、503、504、505、506和507以曲折的方式被隔膜70纏繞。然而，本公開的實施例不限於此。例如，隔膜的薄片可以圍繞單一電極和/或單元電池纏繞。
[0152]如在圖7中所示，根據本公開實施例，具有相同長度(L)和不同寬度(W)的單元電池601、602、603、604、605、606和607可以置放在隔膜670的薄片上，並且隔膜670可以被捲起以形成電極組件。
[0153]雖然在圖中沒有示出，但是正電極可以以預定間隔布置在隔膜的薄片的一側上，並且負電極可以布置在隔膜的另一側上。然後，隔膜可以被捲起以形成電極組件。在另一個示例中，負電極可以在隔膜的薄片上在其間帶有預定間隔地布置，並且正電極可以在隔膜的另一個薄片上在其間帶有預定間隔地布置。然後，隔膜的該兩個薄片可以被捲起以形成電極組件。除了上述方法，可以根據所要形成的電極組件的形狀通過其它方法部分地或者全部地利用隔膜纏繞電極單元。這種方法也可以是在本公開實施例的範圍內的。
[0154]在本公開的實施例中，用於電極組件的正電極、負電極和間隔件的材料不受限制。例如，可以使用在相關技術中被用於形成正電極、負電極和間隔件的材料。例如，可以通過使用銅、鎳、鋁或者包括銅、鎳和鋁中的至少一種的合金製成負電極集電器，並且利用負電極活性材料諸如鋰、鋰合金、碳、石油焦炭、活性碳、石墨、矽化合物、鋅化合物、鈦化合物，或者其合金塗覆負電極集電器而製造負電極。例如，可以通過使用鋁、鎳、銅，或者包括鋁、鎳和銅中的至少一種的合金製成正電極集電器，並且利用正電極活性材料諸如鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰鐵磷酸鹽，或者包括其至少一種的化合物或者混合物塗覆正電極集電器而製造正電極。此時，利用活性材料塗覆的同一單元電池的正和負電極的某些部分可以具有相同的面積或者不同的面積。例如，圖2的每一個單兀電池的負和正電極具有相同的活性材料塗覆面積，並且圖4的每一個單元電池的負和正電極具有不同的活性材料塗覆面積。電極活性材料可以在集電器的兩側上塗覆或者可以僅僅在集電器的一側上塗覆以形成非塗覆部分。
[0155]另外，每一個間隔件可以是由具有細小孔隙的材料諸如聚乙烯、聚丙烯，或其組合形成的多層膜。在另一個示例中，每一個間隔件可以是用於固體或者凝膠型聚合物電解質，諸如聚偏二氟乙烯、聚環氧乙烯、聚丙烯腈，或者聚偏二氟乙烯-共聚六氟丙烯膜的聚合物膜。
[0156]在本公開的實施例中，電極組件的電極單元可以包括至少一個電極接片。例如，由單一電極形成的電極單元(例如，圖5的電極單元520)可以包括單一電極接片，並且包括單元電池的電極單元可以包括負電極接片和正電極接片。在電極單元插入在電池外殼中之後，相同極性的電極接片可以相互電連接。在本公開的實施例中，電極接片的面積或者布置不受限制。然而，電極單元的電極接片可以在每一個電極單元的四個側面中的相同側面上形成。例如，電極接片可以在電極單元的縱向或者橫向端上形成。如果電極接片在電極單元的橫向端上形成，則電極接片可以布置在最窄電極單元的寬度內。
[0157]進而，在本公開的實施例中，電極接片可以在電極單元上不同地定位。例如，相同極性的電極接片可以部分地或者全部地相互重疊。在相關技術中，通常，相同極性的電極接片全部地相互重疊從而在電極組件插入電池外殼中之後容易地連接電極接片。然而，連接的電極接片可以具有大的厚度，如果很多電極被堆疊的話。在此情形中，電極接片可能未被可靠地連接。如果電極接片部分地重疊，則可以防止這個問題。
[0158]根據本公開的實施例，具有不同面積的電極接片可以部分地相互重疊以改進在電極接片之間的結合特性並且最大化電池的電容量。圖8示意根據本公開實施例的電極組件的示例性電極接片。參考圖8，電極組件包括根據電極單元而具有不同面積的電極接片10、20和30，並且電極接片10、20和30可以被以重疊的方式布置。
[0159]根據本公開的實施例，每一個電極單元可以包括兩個相同側面和另外兩個相同側面。例如，根據本公開實施例，電極單元可以具有四邊形形狀諸如長方形、正方形、平行四邊形和菱形。另外，每一個電極單元的至少一個角部可以被倒角或者圓化，並且每一個電極單元的至少一側可以具有彎曲形狀。另外，可以根據本公開其它實施例使用具有其它各種形狀的電極單元。
[0160]在本公開的實施例中，如在圖11中所示，電極組件可以包括具有相同形狀的電極單元或者可以包括具有不同形狀的電極單元。可以通過使用具有這種不同的形狀的電極單元提供具有不同的形狀的電池，並且如果使用這種電池，則可以有效地使用空間。
[0161]根據本公開的實施例，如在圖9的(a)到(d)中所示，具有相同長度(L)和不同寬度(W)的兩個或更多個電極單元可以被不同地布置以形成電極組件。堆疊電極單元的方法不受限制。例如，參考圖9的(a)，電極組件的電極單元被以如此方式堆疊，使得電極單元的寬度沿著從電極組件的下側到頂側的方向降低。參考圖9的(b)，電極組件的電極單元被以如此方式堆疊，使得電極單元的寬度沿著從電極組件的下側到頂側的方向增加。參考圖9的(c)，電極組件的電極單元被以如此方式堆疊，使得最寬電極單元置放在電極組件的中間層中。
[0162]在圖9的(a)所示實施例中，電極單元的平面中心點可以相互對準。在圖9的(d)所示實施例中，電極單元的平面中心點可以在其間帶有預定間隔地布置，並且電極單元的縱向側可以相互對準。
[0163]另外，根據本公開的其它實施例，電極單元可以被以各種方式布置。
[0164]接著，將根據本公開的實施例描述電池單元。圖10和11示意根據本公開實施例的電池單元900。參考圖10和11，通過在電池外殼910中置放電極組件100形成每一個電池單元900。
[0165]電池外殼910可以是具有對應於電極組件100的形狀的形狀的袋型外殼。然而，電池外殼910不限於此。
[0166]袋型外殼可以由包括外部樹脂層、用於防止異物滲透的阻擋金屬層和內部密封樹脂層的層壓板形成。然而，袋型外殼不限於此。
[0167]用於連接電極組件100的電極單元的電極端子的電極引線920和930可以在電池外殼910的外表面上暴露，並且絕緣膜(未示出)可以附接到電極引線920和930的頂側和底側以保護電極引線920和930。
[0168]電池外殼910可以具有對應於電極組件100的形狀的形狀。例如，電池外殼910可以變形成對應於電極組件100的形狀的形狀。電池外殼910可以不具有準確地與電極組件100的形狀和尺寸相同的形狀和尺寸。然而，電池外殼910可以具有適合於防止電極組件100滑動和電極組件100短路的形狀和尺寸。然而，電池外殼910的形狀和尺寸不限於此。即，電池外殼910的形狀和尺寸可以根據，例如，應用條件而改變。
[0169]電池單元900可以是鋰離子電池單元或者鋰離子聚合物電池單元。然而，電池單元900不限於此。
[0170]根據本公開的實施例，電池單元可以被各自地使用或者可以被以包括至少一個電池單元的電池組的形式使用。根據本公開的實施例，這種電池單元和/或電池組可以在各種裝置諸如蜂窩式電話、可攜式計算機、智慧型電話、智能平板、上網本、輕型電動車輛(LEV)、電動車輛、混合電動車輛、插接式混合電動車輛，或者通常的儲能裝置中使用。這種裝置的結構和構造方法在相關技術中是眾所周知的，並且因此，其說明將省略。
[0171]當電池單元或者電池組置放在這種裝置中時，該裝置的系統構件可以置放在由於電池單元或者電池組的結構而剩餘的空間中。根據本公開的實施例，電池單元或者電池組包括具有不同尺寸的一個或多個階梯電極組件，並且電池單元或者電池組的一個或多個電池外殼根據一個或多個電極組件的形狀成形。因此，如與其中使用相關技術的稜形或者橢圓形電池單元或者電池組的裝置的情形相比較，使用電池單元或者電池組的裝置的空間能夠得到節約。該裝置的系統構件可以置放在得到節約的空間中。在此情形中，系統構件和電池單元或者電池組可以靈活地置放在該裝置中，並且因此該裝置的空間能夠被有效地使用。進而，裝置的厚度或者體積能夠減小以使得該裝置是纖薄的。
[0172]本發明的模式
[0173]在下文中，將描述本公開的示例。以下示例僅僅用於示意性的意圖而非旨在限制本公開實施例的範圍。
[0174]製造示例1:正電極(A)
[0175]被用作正電極活性材料的LiCoO2和被用作粘結劑的聚偏二氟乙烯(PVDF)被混合併且在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中溶解以製備正電極膏劑。正電極膏劑施加到鋁箔集電器的兩側並且在150°C的烤箱中乾燥。然後，利用正電極膏劑塗覆的集電器被壓制以形成正電極㈧。正電極㈧具有10ym的厚度，21%的孔隙度和335mAh的可逆容量。
[0176]製造示例2:正電極(B)
[0177]除了正電極⑶具有110 μ m的厚度之外，以與在製造示例I中相同的方式製造正電極⑶。正電極⑶具有IlOym的厚度、21%的孔隙度和375mAh的可逆容量。
[0178]製造示例3:負電極(A)
[0179]天然石墨和人造石墨的混合物被用作負電極活性材料，並且苯乙烯-聚丁橡膠(SBR)和羧甲基纖維素(CMC)被用作粘結劑。負電極活性材料和粘結劑被混合併且在蒸餾水中溶解以製備負電極膏劑。負電極膏劑施加到銅箔集電器的兩側並且在100°c的烤箱中乾燥。然後，利用負電極膏劑塗覆的集電器被壓制以形成負電極(A)。負電極㈧具有105 μ m的厚度、27%的孔隙度和348mAh的可逆容量。
[0180]製造示例4:負電極(B)
[0181]除了負電極⑶具有108 μ m的厚度之外，以與在製造示例3中相同的方式製造負電極⑶。負電極⑶具有105 μ m的厚度、27%的孔隙度和359mAh的可逆容量。
[0182]製造示例5:負電極(C)
[0183]除了負電極(C)具有118.8μπι的厚度之外，以與在製造示例3中相同的方式製造負電極(C)。負電極(C)具有118.8μπι的厚度、27%的孔隙度和400mAh的可逆容量。
[0184]製造示例6:負電極(D)
[0185]除了負電極⑶具有90 μ m的厚度之外，以與在製造示例3中相同的方式製造負電極(D)。負電極(D)具有90 μ m的厚度、27%的孔隙度和294mAh的可逆容量。
[0186]製造示例7:負電極(E)
[0187]除了負電極(E)具有140 μ m的厚度之外，以與在製造示例3中相同的方式製造負電極(E)。負電極(E)具有140 μ m的厚度、27%的孔隙度和465mAh的可逆容量。
[0188]示例 I
[0189]正電極⑷和負電極⑷被切割成10mmX 150臟，並且利用在其間置入的間隔件被堆疊以形成電極單元。然後，通過將正電極(A)和負電極(A)切割成80mmX 150mm並且利用在其間置入的間隔件堆疊正和負電極(A)而形成相對小面積的電極單元。相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元被堆疊以形成電極組件。
[0190]示例 2
[0191]正電極⑷和負電極⑷被切割成10mmX 150臟，並且利用在其間置入的間隔件被堆疊以形成電極單元。然後，通過將正電極(A)和負電極(B)切割成80mmX 150mm並且利用在其間置入的間隔件堆疊正電極(A)和負電極(B)而形成相對小面積的電極單元。相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元被堆疊以形成電極組件。
[0192]對照示例I
[0193]正電極⑷和負電極⑶被切割成10mmX 150臟，並且利用在其間置入的間隔件被堆疊以形成電極單元。然後，通過將正電極(B)和負電極(C)切割成80mmX 150mm並且利用在其間置入的間隔件堆疊正電極(B)和負電極(C)而形成相對小面積的電極單元。相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元被堆疊以形成電極組件。
[0194]對照示例2
[0195]正電極(A)和負電極⑶被切割成10mmX 150mm,並且利用在其間置入的間隔件被堆疊以形成電極單元。然後，通過將正電極(A)和負電極(A)切割成80mmX 150mm並且利用在其間置入的間隔件堆疊正電極(A)和負電極(A)而形成相對小面積的電極單元。相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元被堆疊以形成電極組件。
[0196]在表格2和3與試驗示例I和3中，術語「大面積的電極單元」指的是具有相對寬的寬度的電極單元，並且術語「小面積的電極單元」指的是具有相對窄的寬度的電極單元。
[0197][表格I]
[0198]

【權利要求】
1.一種電極組件，包括具有相同長度且不同寬度的兩個或更多個電極單元的組合， 其中所述電極單元被堆疊從而在所述電極單元之間形成階梯部分， 正電極和負電極在所述電極單元之間的界面處彼此面對，並且 所述電極組件滿足公式1-1: 公式 1-1:1 ^Nn/Pn^Nn/Pn+1 其中η表示等於或者大於I的整數， Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量， Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且 Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。
2.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足公式1-2:
公式 1-1:1 ≤ Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( 1.2 其中η表示等於或者大於I的整數， Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量， Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且 Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。
3.根據權利要求1所述的電極組件，其中在具有相同長度且不同寬度的所述電極單元之間的所述界面處，相對寬的電極單元的負電極面對相對窄的電極單元的正電極。
4.根據權利要求1所述的電極組件，其中在充電條件㈧和放電條件⑶下在25°C下的500次充電和放電循環之後，所述電極組件具有在一次充電和放電循環之後測量的電容量的60%或者更大的電容量，並且與在一次充電和放電循環之後測量的總體厚度相比較，所述電極組件的總體厚度改變15%或者更低， 其中在所述充電條件(A)中，所述電極組件在恆定電流模式中以IC速率充電至4.2V或者4.35V的電壓，並且電流在恆定電壓模式中供應到所述電極組件直至所述電流達到電池最小容量的1/20，並且 在所述放電條件(B)中，所述電極組件在恆定電流模式中以IC速率放電至3V的電壓。
5.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足公式2:
公式 2:Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2 其中n表示等於或者大於I的整數， Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量， Νη+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量， Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量， Ρη+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且 Ρη+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。
6.根據權利要求5所述的電極組件，其中所述電極組件滿足公式2-1:
公式 2-1:1 ≤ Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2 其中n表示等於或者大於I的整數， Nn表示第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量， Νη+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量， Pn表示第η最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，Pn+1表示第(n+1)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量，並且 Ρη+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。
7.根據權利要求5所述的電極組件，其中第(η+2)最寬電極單元置放在第η最寬電極單元和第(η+1)最寬電極單元之間， 其中所述電極組件滿足公式3:
公式 3:Nn/Pn+2 ( Νη+1/Ρη+2 其中η表示等於或者大於I的整數， Nn表示 第η最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量， Νη+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的每單位面積的可逆容量，並且 Ρη+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的每單位面積的可逆容量。
8.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足公式4:
公式 4:dNn/dPn ( dNn/dPn+1 其中η表示等於或者大於I的整數， dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度， dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，並且 dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度。
9.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足公式4-1:
公式 4-1:0.5 ( dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( 2 其中η表示等於或者大於I的整數， dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度， dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，並且 dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度。
10.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足公式5:
公式 5:dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2 其中n表示等於或者大於I的整數， dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度， dNn+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的厚度， dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，並且 dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度，並且 dPn+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的厚度。
11.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足公式5-1:
公式 5-1:0.5 ( dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2 ( 2
其中 n表示等於或者大於I的整數， dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度， dNn+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的厚度， dPn表示第η最寬電極單元的正電極的厚度，並且 dPn+1表示第(η+1)最寬電極單元的正電極的厚度，並且 dPn+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的厚度。
12.根據權利要求10所述的電極組件，其中第(η+2)最寬電極單元置放在第η最寬電極單元和第(η+1)最寬電極單元之間， 其中所述電極組件滿足公式6:
公式 6:dNn/dPn+2 ( dNn+1/dPn+2 其中η表示等於或者大於I的整數， dNn表示第η最寬電極單元的負電極的厚度， dNn+1表示第(η+1)最寬電極單元的負電極的厚度，並且 dPn+2表示第(η+2)最寬電極單元的正電極的厚度。
13.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件包括具有不同寬度的三種或更多種電極單元， 其中負電極的每單位面積的可用容量與在所述電極單元之間的界面處面對所述負電極的正電極的每單位面積的可逆容量的比率是I或者隨著在所述電極單元之間的接觸面積減小而增加。
14.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元包括:單一電極；包括至少一個正電極、至少一個負電極和至少一個間隔件的至少一個單元電池；或其組合。
15.根據權利要求14所述的電極組件，其中所述單元電池具有選自由果凍卷型、堆疊型、層疊並堆疊型和堆疊並摺疊型組成的組的類型。
16.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元的電極和單元電池部分地或者全部地被至少一個隔膜長片纏繞。
17.根據權利要求14所述的電極組件，其中置放在所述單元電池的兩個最外側上的電極具有相同的極性。
18.根據權利要求14所述的電極組件，其中置放在所述單元電池的兩個最外側上的電極具有不同的極性。
19.根據權利要求1所述的電極組件，其中每一個所述電極單元具有矩形截面形狀、具有至少一個彎曲角部的矩形截面形狀、或者具有至少一個彎曲邊的截面形狀。
20.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元具有相同的截面形狀。
21.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元包括一個或者多個電極接片，並且 所述電極接片被以如此方式堆疊，使得具有相同極性的電極接片相互重疊。
22.根據權利要求21所述的電極組件，其中所述電極接片具有不同的尺寸。
23.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元被以如此方式布置，使得所述電極單元的寬度在從所述電極組件的下側到上側的方向上降低。
24.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元被以如此方式布置，使得所述電極單元的寬度在從所述電極組件的下側到上側的方向上增加。
25.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元的最寬電極單元置放在所述電極組件的中間層中。
26.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元被以如此方式布置，使得所述電極單元的平面中心點相互對準。
27.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元被以如此方式布置，使得所述電極單元的平面中心點在其間以預定間隔布置。
28.根據權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元被以如此方式布置，使得所述電極單元的縱向側相互對準。
29.—種電池單元,包括: 根據權利要求1所述的電極組件；以及 容納所述電極組件的電池外殼。
30.根據權利要求29所述的電池單元，其中所述電池外殼是袋型外殼。
31.根據權利要求29所述的電池單元，其中所述電池外殼具有對應於所述電極組件的形狀的形狀。
32.根據權利要求29所述的電池單元，其中所述電池單元是鋰離子二次電池或者鋰離子聚合物二次電池。
33.一種裝置，包括根據權利要求29所述的至少一個電池單元。
34.根據權利要求33所述的裝置，其中所述裝置的系統構件置放在所述電池單元的剩餘空間中。
35.根據權利要 求34所述的裝置，其中所述裝置是蜂窩式電話、可攜式計算機、智慧型電話、智能平板、上網本、LEV(輕型電動車輛)、電動車輛、混合電動車輛、插接式混合電動車輛，或者儲能裝置。
【文檔編號】H01M10/04GK104081575SQ201380003653
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年11月18日 優先權日:2012年11月22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