包含具有相同寬度和不同長度的電極單元的電極組件以及包含所述電極組件的電池單元...的製作方法

2023-10-06 23:28:19 2

包含具有相同寬度和不同長度的電極單元的電極組件以及包含所述電極組件的電池單元 ...的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種電極組件、包含所述電極組件的電池單元和包含所述電極組件的裝置。所述電極組件包含具有相同寬度和不同長度的兩個以上電極單元的組合，其中所述電極單元以在所述電極單元之間形成階梯部的方式堆疊，且具有不同極性的電極在所述電極單元之間的界面處相互面對。
【專利說明】包含具有相同寬度和不同長度的電極單元的電極組件以及包含所述電極組件的電池單元和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有階梯部的電極組件，更特別地，涉及包含具有相同寬度和不同長度的電極單元的電極組件和包含所述電極組件的電池，所述電極單元以在電極單元之間的界面處具有不同極性的電極相互面對的方式來構造。
[0002]另外，本發明涉及包含所述電極組件的電池單元、電池組和裝置。
【背景技術】
[0003]隨著移動裝置的開發和用途的日益增加，對二次電池的需求急劇增加，特別地，將具有高能量密度、高運行電壓、易於儲存的特性和相對長壽命的二次電池廣泛用作各種電子產品如移動裝置中的電源。
[0004]通常，通過將電極組件和電解質設置在電池殼中並對電池殼進行密封來形成諸如鋰二次電池的二次電池。二次電池，根據其形狀可以分為圓柱型、稜柱型和袋型電池，並根據用於其中的電解質的類型可以分為鋰離子電池、鋰離子聚合物電池和鋰聚合物電池。隨著移動裝置的尺寸減小，對薄的稜柱型或袋型電池的要求提高，特別地，袋型電池由於相對重量輕而值得關注。
[0005]容納在電池殼中的電極組件可以根據其結構而分為卷狀物(卷繞)型、堆疊型和堆疊/摺疊(組合)型。通常，可以通過如下製造卷狀物型電極組件:利用電極活性材料對用作集電器的金屬箔進行塗布；對所述金屬箔進行壓制；將所述金屬箔切割成具有期望寬度和長度的帶；使用隔離膜將正極和負極隔開；以及以螺旋形狀對所述隔離膜進行卷繞。通過將負極、隔膜和正極垂直堆疊可以製造堆疊型電極組件。通過將具有單個電極或負極/隔膜/正極結構的各電極堆放置在隔離膜的長片上，並對所述隔離膜進行摺疊，可以製造堆疊/摺疊型電極組件。
[0006]然而，在相關領域中，電極組件通常通過對具有相同尺寸的單元電池或電極進行堆疊來製造並由此具有受限的形狀。因此，在電池設計方面存在許多限制。為了克服這種限制，已經介紹了通過使用具有不同尺寸的電極或單元電池製造具有階梯部的電池的方法。然而，由於通過將正極板和負極板切割成不同尺寸以形成具有不同尺寸的單元電池並對所述單元電池進行堆疊來製造這種具有階梯部的電池，所以將電池的層的厚度限制為單元電池的厚度的倍數，由此電池的設計自由度相對低。
[0007]此外，相關領域的上述技術僅公開了通過將正極和負極切割成期望尺寸並對正極和負極進行堆疊來改變電池設計的簡單理念。即，未公開製造具有實際可用的電池特性的電池的具體方法。例如，儘管具有階梯部的電池的單元電池不存在單獨的操作誤差，但根據單元電池的堆疊結構，單元電池可能具有總的操作誤差，或者與具有相同體積的電池的容量相比，具有階梯部的電池的電容量可能非常低。另外，隨著充放電循環的重複，具有階梯部的電池的層之間的界面可能過度溶脹，從而降低電池的壽命並使得難以實際使用所述電池。然而，在相關領域中，未設計具有階梯部的電池以考慮防止這種問題。[0008]因此，需要高容量、耐用的電極組件以及使用這種電極組件的電池的開發，所述電極組件能夠根據其中使用電極組件的裝置的形狀而不同地設計。

【發明內容】

[0009]技術問題
[0010]本發明的方面可以提供一種電極組件和包含所述電極組件的電池單元和裝置，所述電極組件具有降低的厚度、提高的電容量特性和對於各種設計的適用性。
[0011]技術方案
[0012]根據本發明的一方面，電極組件可以包含具有相同寬度和不同長度的兩個以上電極單元的組合，其中所 述電極單元以在所述電極單元之間形成階梯部的方式堆疊，且具有不同極性的電極可以在所述電極單元之間的界面處相互面對。
[0013]在具有相同寬度和不同長度的兩個以上電極單元之間的界面處，相對長的電極單元的負極可以面對相對短的電極單元的正極。
[0014]在25°C下進行500個充放電循環之後，電極組件的電容量可以為在一個充放電循環之後測得的電容量的60%以上，且電極組件的總厚度與在一個充放電循環之後測得的總厚度相比可以變化15%以下。為此，在具有不同長度的電極單元之間的界面處相互面對的正極和負極可以平衡。
[0015]根據本發明的方面，電極組件可以包含n+1個以上的電極單元，且凡對？?之比(Nn/Pn)可以不大於Nn對Pn+1之比(Nn/Pn+1)，其中η表示等於或大於I的整數，Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，且Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。換言之，電極組件可以滿足式I。
[0016]式1:Νη/Ρη ≤ Νη/Ρη+ι
[0017]如果電極組件包含η+2個以上具有不同長度的電極單元，則NjiPn+1之比(Nn/Pn+1)可以不小於Nn對Pn之比(Nn/Pn)且可以不大於Nn+1對Plri之比(Nn+1/Pn+1)，其中Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，Νη+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量且Ρη+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。另外，Νη+1對Ρη+1之比(Νη+1/Ρη+1)可以不大於Νη+1對Ρη+2之比(Νη+1/Ρη+2)。換言之，如果電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元，則電極組件可以滿足式2。
[0018]式2:Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2
[0019]如果以使得將第(η+2)長的電極單元設置在第η長的電極單元與第(η+1)長的電極單元之間的方式形成包含三種以上具有不同長度的電極單元的電極組件，則Νη+1對Ρη+2之比(Νη+1/Ρη+2)可以不小於義對？^之比(Νη/Ρη+2)。換言之，電極組件可以滿足式3。
[0020]式3:Nn/Pn+2 ( Νη+1/Ρη+2
[0021]根據本發明的另一個方面，電極組件可以包含η+1個以上具有不同長度的電極單元，且(^對(^之比(dNn/dPn)可以不大於(^對dPn+1之比(dNn/dPn+1)，其中dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度，dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，且dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度。換言之，電極組件可以滿足式4。
[0022]式4:dNn/dPn ( dNn/dPn+1
[0023]如果電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元，則dNn對dPn+1之比(dNn/dPn+1)可以不小於(^對(^之比(dNn/dPn)且可以不大於dNn+i對dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)，其中dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度，dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，dNn+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的厚度，dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度且dPn+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的厚度。另外，dNn+1對dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)可以不大於dNn+i對dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)。換言之，電極組件可以滿足式5。
[0024]式5:dNn/dPn ≤ dNn/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+2
[0025]如果以使得將第(η+2)長的電極單元設置在第η長的電極單元與第(η+1)長的電極單元之間的方式形成包含三種以上具有不同長度的電極單元的電極組件，則dNn+1對dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)可以不小於(11對(^+2之比(dNn/dPn+2)。換言之，電極組件可以滿足式6。
[0026]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相互面對的正極和負極可以具有在約0.5~約2、約0.6~約1.9、約0.8~約1.5或約1.0~約1.5的範圍內的負極厚度對正極厚度之比，或所述比例可以為1.0、1.1、1.2、1.3或1.4。
[0028]在電極組件的具有不同長度的電極單元之間的界面處負極的單位面積的可逆容量對面對所述負極的正極的單位面積的可逆容量之比可以為約I以上。例如，所述比例可以為約I~約2,約I~約1.5,約I~約1.1，約I~約1.09,約1.5~約2,約1.02~約
1.09或約1.05~約1.09。具體地，所述比例可以為1.05、1.06、1.07、1.08或1.09。
[0029]如果電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元，在電極單元之間的界面處負極的單位面積的可逆容量對面對所述負極的正極的單位面積的可逆容量之比可以為I或可以隨電極單元之間的接觸面積減小而增大。
[0030]所述電極單元可以包含選自如下的至少一種:單個電極；包含至少一個正極、至少一個負極和至少一個隔膜的至少一個單元電池；及其組合。所述單元電池可以形成為選自如下的類型:卷狀物型、堆疊型、層壓堆疊型、以及堆疊摺疊型。設置在單元電池的兩個最外側上的電極可以具有相同的極性或不同的極性。
[0031]電極單元的電極和單元電池可以部分或全部被至少一個隔離膜的長片圍繞。
[0032]電極單元可以具有各種橫斷面形狀如四邊形、具有至少一個彎曲角的四邊形、菱形、或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的橫斷面形狀或相同的斷面形狀。
[0034]電極單元可以包含一個或多個電極極耳，且相同極性的電極極耳可以相互電連接。電極極耳可以隨電極單元的面積而具有相同的尺寸或不同的尺寸。
[0035]在電極組件中，可以以各種方式對具有相同寬度和不同長度的兩個以上的電極單元進行堆疊。對電極單元進行堆疊的方法沒有限制。例如，可以在從電極組件的下側到上側的方向上以長度的倒序或以長度的順序依次對電極單元進行堆疊，或可以以使得將最長電極單元設置在電極組件中間的方式對電極單元進行堆疊。
[0036] 在電極組件中，可以以使得電極單元的平面中心點相互對齊或在其間具有預定間隔的條件下布置的方式對電極單元進行堆疊。或者，可以以使得將電極單元的寬邊相互對齊的方式布置電極單元。
[0037]根據本發明的另一個方面，電池單元可以包含所述電極組件和容納所述電極組件的電池殼。所述電池殼可以為袋型電池殼。然而，電池殼不限於此。電池殼可以具有與電極組件的形狀相對應的形狀。電池單元可以為鋰離子二次電池或鋰離子聚合物二次電池。
[0038]根據本發明的另一個方面，裝置可以包含至少一個如上所述的這種電池單元。所述裝置可以為行動電話、可攜式計算機、智慧型手機、智能平板電腦、上網本、LEV(輕型電動車輛)、電動車輛、混合電動車輛、插電式混合電動車輛或電力儲存裝置。
[0039]根據本發明的方面，可以將裝置的系統部件設置在電池單元的剩餘空間中。
[0040]有益效果
[0041]根據本發明，由於電極組件包含兩種以上具有不同長度的電極單元，所以電極組件可以不同地設計並可以具有商業要求水平的電容量和耐久性。
[0042]另外，由於使在具有不同長度的電極單元的界面處相互面對的正極與負極平衡，所以可以在保持電極組件的容量和耐久性特性的同時相對自由地對形成電極組件的層的電極單元的面積和厚度進行調節，由此可以提高電極組件的設計自由度。因此，使用所述電極組件的裝置因電極組件的設計自由高而可具有減少的無效空間和高的空間效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1是顯示根據本發明示例性實施方案的電極組件的透視圖。
[0044]圖2是顯示根據本發明第一實施方案的電極組件的側視圖。
[0045]圖3是顯示根據本發明第二實施方案的電極組件的側視圖。
[0046]圖4是顯示根據本發明第三實施方案的電極組件的側視圖。
[0047]圖5是顯示根據本發明第四實施方案的電極組件的側視圖。
[0048]圖6是顯示根據本發明第五實施方案的電極組件的側視圖。
[0049]圖7是顯示根據本發明示例性實施方案的電極組件的展開圖。
[0050]圖8A和8B是顯示根據本發明示例性實施方案的電極極耳的圖。
[0051]圖9A?9D是顯示根據本發明實施方案的電極單元的示例性堆疊結構的圖。
[0052]圖10是顯示根據本發明示例性實施方案的電池單元的透視圖。
[0053]圖11是顯示根據本發明另一個示例性實施方案的電池單元的透視圖。
[0054]圖12是顯示根據本發明的實施例1和2以及比較例I和2製造的電極組件在500個充放電循環期間測量的電容量和厚度變化的圖。
[0055]圖13是顯示相對於電極單元之間的界面處的負極/正極的可逆容量比的能量密度變化的圖。
[0056]圖14是顯示需要電極單元之間的界面處的負極/正極的厚度比的能量密度變化的圖。
[0057]圖15?17是顯示層壓堆疊型單元電池的實例的視圖。
【具體實施方式】
[0058]下文中，將參考附圖對本發明的實施方案進行詳細說明。將附圖併入於此以幫助解釋本發明的示例性實施方案，且本發明的實施方案不限於所述附圖。在附圖中，相同的參考數字表示相同的元件，且某些元件可以放大、縮小尺寸或者出於清晰或簡潔而省略。
[0059]圖1顯示根據本發明示例性實施方案的電極組件。參考圖1，本實施方案的電極組件包含具有相同寬度(W)和不同長度(L)的兩種以上電極單元110、120和130。所述電極單元110、120和130以使得在其間形成階梯部且在其間的界面處具有不同極性的電極相互面對的方式堆疊。
[0060]在本發明中，術語「寬度(W) 」是指具有四個邊的電極組件的最大的一個電極單元的兩個相對短邊中各個邊的長度，所述四個邊為兩對相同的相對的邊。術語「長度(L) 」是指電極單元的寬度邊之外的電極單元的兩個邊中各個邊的長度。
[0061]另外，術語「電極單元」是指構成具有階梯部的電極組件的層的基本單元，且各個電極單元可以包含:單個電極如負極或正極；包含至少一個負極、至少一個正極和至少一個隔膜的至少一個單元電池；或其組合。
[0062]另外，「單元電池」是包含具有至少一個負極、至少一個正極和至少一個隔膜的電極堆的術語，且對負極、正極和隔膜進行堆疊以形成電極堆的方法沒有限制。在本發明中，例如，術語「單元電池」可以指電極堆如:通過利用隔離膜將片型負極和片型正極隔開並以螺旋形狀對所述電極進行卷繞而製造的卷狀物型電極堆；通過依次堆疊至少一個負極、至少一個隔膜和至少一個正極而製造的堆疊型電極堆；或者通過將各自包含單個電極和/或至少一個正極、至少一個隔膜和至少一個負極的電極堆放置在長片型隔離膜上，並對所述隔離膜進行摺疊而製造的堆疊摺疊型電極堆。
[0063]在本發明中，堆疊型電極堆可以利用常規方法通過依次堆疊正極、隔膜和負極而製得，或者可以通過形成各自包含至少一個正極、至少一個負極和至少一個隔膜的層壓物(電極基本單元)並對所述電極基本單元進行堆疊而製得(現在將該方法稱作層壓堆疊型電極堆或層壓堆疊法)。
[0064]在層壓堆疊型電極堆中，各個電極基本單元的結構沒有限制，只要電極基本單元包含至少一個正極、至少一個負極和至少一個隔膜即可。
[0065]然而，在工藝簡化方面和經濟方面，層壓堆疊型電極堆的電極基本單元可以具有第一電極/隔膜/第二電極/隔膜或隔膜/第一電極/隔膜/第二電極的基本結構。所述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為正極和負極)，且層壓堆疊型電極堆可以具有一個或多個基本結構。
[0066]此外，層壓堆疊型電極堆可以僅包含具有上述基本結構的電極基本單元或者可以包含具有上述基本結構的電極基本單元和具有不同結構的電極結構。
[0067]圖15?17顯示通過層壓堆疊法形成的電極堆的各種實例。
[0068]圖15顯示包含具有隔膜60/負極50/隔膜60/正極40的基本結構的電極基本單元710的層壓堆疊型電極堆。在圖15中，顯示了隔膜/負極/隔膜/正極的基本結構。然而，可以使用隔膜/正極/隔膜/負極的基本結構。如果電極基本單元的基本結構為如圖15中所示的隔膜/負極/隔膜/正極結構，則由這種電極單元形成的電極堆的最外面(最上面)的正極可以不被隔膜覆蓋，而是可露出至外部。在此情況中，最外面的正極可以為其露出的面未塗布活性材料以優化電池容量的單面塗布的正極。在圖15中，電極基本單元710具有相同的基本結構。然而，本發明的實施方案不限於此。例如，電極基本單元可以具有重複堆疊的兩個以上的基本結構。
[0069]圖16顯示包含具有隔膜60/負極50/隔膜60/正極40的基本結構的電極基本單元810和具有隔膜60/負極50/隔膜60結構的電極結構的電極堆。如圖16中所示，由於最外面(最上面)的電極結構具有隔膜60/負極40/隔膜50的結構，所以正極可以不露出並由此電池的容量可以提高。在電極基本單元具有露出的最上面的負極的情況中，可以將具有隔膜/正極/隔膜結構的電極結構設置在露出的最上面的負極上以最大化使用最上面的負極的容量。
[0070]圖17顯示包含具有負極50/隔膜60/正極40/隔膜60的基本結構的電極基本單元810』和具有負極50/隔膜60/正極40/隔膜60/負極50結構的電極結構820』的電極堆。在圖17中，由於最外面(最上面)的電極結構820』具有負極50/隔膜60/正極40/隔膜60/正極50的基本結構，所以正極可以不露出並由此電池的容量可以提高。
[0071]如圖16和17中所示，通過層壓堆疊法形成的電極堆可以包含具有上述基本結構的電極基本單元。除了電極基本單元之外，電極堆可以還包含單個電極、單個隔膜或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，可以將單個電極、單面塗布的電極、隔膜或具有不同布置和結構的單元電池設置在堆疊的電極單元的一個最外側上或兩個最外側中的每一側上，從而覆蓋露出的正極並提高電池的容量。在圖16和17中的各個圖中，將具有不同結構的電極結構設置在電極堆的上側上。然而，本發明的實施方案不限於此。例如，可以將具有不同結構的電極結構設置在電極堆的下側上，或可以將具有不同結構的電極結構設置在電極堆的上側和下側上。
[0072]在本發明的實施方案中，單元電池可以具有結構如正極/隔膜/負極/隔膜/正極結構或負極/隔膜/正極/隔膜/負極結構，從而可以將具有相同極性的電極設置在單元電池的兩個最外側(最上側和最下側)上，或單元電池可以具有基本結構如正極/隔膜/負極結構或正極/隔膜/負極/隔膜/正極/隔膜/負極隔膜，從而可以將具有不同極性的電極設置在電極單元的兩個最外側上。
[0073]在本發明的實施方案中，術語「堆疊摺疊法(堆疊摺疊型)」是指將單個電極和/或各自包含至少一個正極、至少一個隔膜和至少一個負極的電極堆放置在隔離膜的長片上，並對所述隔離膜進行摺疊的方法。此處，可以通過任意方法來摺疊隔離膜。摺疊方法的實例包括熟知的摺疊法如:對隔離膜的片進行摺疊的方法(稱作Z摺疊或摺疊屏風(foldingscreen)法)；對隔離膜的片進行摺疊的方法，在所述隔離膜上設置有各自包含至少一個負極、至少一個正極和在其間的至少一個隔膜的電極堆；或者在隔離膜的片的兩側上交替布置單個電極並對隔離膜進行摺疊的方法。在本發明中，通過卷狀物法製造的單元電池、通過堆疊法製造的單元電池、通過堆疊摺疊法製造的單元電池分別指卷狀物型單元電池、堆疊型單元電池和堆疊摺疊型單元電池。
[0074]本發明的實施方案提供各自通過對具有相同寬度(W)和不同長度(L)的兩種以上電極單元進行堆疊以在電極組件上形成階梯部而形成的電極組件，由此使用所述電極組件可以製造與相關領域相比具有多種形狀的電池。在本發明的實施方案中，電極單元的長度(L)沒有限制，只要在堆疊電極單元時形成階梯部即可。即，電極單元的長度(L)可以根據電池的設計而自由選擇。例如，在本發明的實施方案中，如果兩個電極單元中更長的長度為100%，則兩個電極單元中更短的長度(L)可以為20%?95%，優選30%?90%。[0075]在本發明的實施方案中，電極組件的電極單元可以具有相同的厚度或不同的厚度。即，電極單元的厚度沒有限制。例如，在本發明的實施方案中，具有相對長的長度(L)的電極單元可以比具有相對短的長度(L)的電極單元更薄或更厚。
[0076]在本發明的實施方案中，具有不同極性的電極在具有不同長度(L)的電極單元之間的界面處相互面對，從而可以將電力儲存在界面中以提高電池的電容量。表述「相互面對」用於表示電極的相互面對布置，包括其中兩個電極相互接觸的狀態和其中將另一個元件如隔膜和/或隔離膜的片設置在相互面對的兩個電極之間的其他狀態。
[0077]根據本發明的實施方案，在包含具有相同寬度(W)和不同長度(L)的兩種以上電極單元的電極組件中，相對長的電極單元的負極可以在兩個電極單元之間的界面處面對相對短的電極單元的正極。如果以使得將相對長的電極單元的正極設置在電極單元之間的界面處的方式布置具有不同長度(L)的電極單元，則鋰可能從正極沉澱而降低電池的壽命或穩定性。
[0078]在本發明的實施方案中，電極組件包含具有不同長度的電極單元，且如果需要，所述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，如果僅通過堆疊具有不同長度的電極單元來製造電極組件，則電極組件可能不具有商業要求水平的容量和耐久性，且由於將電極單元的厚度限制為單元電池或單元電極的厚度的倍數，所以在厚度方向上的設計自由度可能受到限制。由此，本發明人對製造具有明顯提高的設計自由度、特別是提高的在其厚度方向上的設計自由度以及商業要求水平的輸出效率和結構穩定性的電極組件的方式進行了大量研究。結果，本發明人發現，通過調節在具有不同長度的電極單元之間的界面處的平衡可以製造具有提高的容量、耐久性和在其厚度方向上的自由度的電極組件。
[0079]表述「調節在具有不同長度的電極單元之間的界面處的平衡」是指對在電極單元之間的界面處相互面對的正極和負極進行優化設計以在預定的循環次數期間獲得穩定的輸出效率並保持電池的穩定性。例如，通過調節界面正極和負極的容量或厚度可以實現該目的。更詳細地，根據本發明的實施方案，可以以如下方式對在具有不同長度的電極單元之間的界面處相互面對的正極和負極進行設計:在25°C下進行500個充放電循環之後，包含電極單元的電極組件的電容量可以為在一個充放電循環之後測得的電容量的60%以上，且電極組件的總厚度與在一個充放電循環之後測得的總厚度相比可以變化15%以下。
[0080]在上述中，在如下充電條件(A)和放電條件(B)下對電容量進行測量。另外，充電與放電之間的間隔為10分鐘。
[0081]充電條件(A):在IC倍率下以恆流模式充電至4.25V或4.35V的電壓，然後以恆壓模式充電，直至充電電流達到最小電池容量的1/20。
[0082]放電條件⑶:在IC倍率下以恆流模式放電至3V的電壓。
[0083]通過如下表達式來測量電極組件的厚度變化:(在500個充放電循環之後電極組件的總厚度/在一個充放電循環之後電極組件的總厚度)X100。
[0084]通過長期 研究，本發明人已經發現，通過將在界面處相互面對的負極與正極的可逆容量調節至特定條件能夠使得具有不同長度的電極單元之間的界面平衡。
[0085]詳細地，根據本發明的實施方案，可以以1對？?之比(Nn/Pn)不大於義對？…之比(Nn/Pn+1)的方式由電極單元形成電極組件，其中Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Nn+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，且Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。即，電極組件可以滿足式I。
[0086]式1:Nn/Pn ( Νη/Ρη+1
[0087]其中η表示等於或大於I的整數。
[0088]在式I中，將負極的單位面積的可逆容量定義為單位面積的負極充電容量[mAh/cm2] X負極效率[% ]，其中將單位面積的負極充電容量定義為單位面積的負極活性材料負載量[g/cm2] X單位重量的負極充電容量[mAh/g]，並將負極效率定義為100X負極放電容量對負極充電容量之比。另外，將正極的單位面積的可逆容量定義如下:正極活性材料的負載量[g/cm2] X單位重量的正極充電容量[mAh/g]-負極的單位面積的不可逆容量[mAh]。
[0089]負極活性材料負載量是塗布在負極集電器上的負極活性材料的單位面積的重量，且正極活性材料負載量是塗布在正極集電器上的正極活性材料的單位面積的重量。另外，正極和負極的單位面積的充電容量、放電容量和不可逆容量可以按下述來測量。
[0090]I)正極的單位重量的充電容量
[0091]製造了正極半電池，並製備了鋰電極以作為對電極。其後，在0.1C倍率下以恆流模式將正極半電池充電至4.25V的電極電壓，並測量了正極半電池的電容量。將通過將測得的電容量除以正極半電池的活性材料的重量而得到的值確定為正極的單位重量的充電容量。
[0092]2)負極的單位重量的充電容量
[0093]製造了負極半電池，並製備了鋰電極以作為對電極。其後，在0.1C倍率下以恆流模式將負極半電池充電至1.6V的電極電壓，並測量了負極半電池的電容量。將通過將測得的電容量除以負極半電池的活性材料的重量而得到的值確定為負極的單位重量的充電容量。
[0094]3)負極的單位重量的放電容量
[0095]製造了負極半電池，並製備了鋰電極以作為對電極。其後，在0.1C倍率下以恆流模式將負極半電池充電至1.6V的電極電壓，然後在0.1C倍率下以恆流模式放電至OV的電極電壓。然後，測量了負極半電池的電容量。將通過將測得的電容量除以負極半電池的活性材料的重量而得到的值確定為負極的單位重量的放電容量。
[0096]4)負極的單位重量的不可逆容量
[0097]將通過將按上述測得的負極的充電容量與放電容量之差除以負極半電池的活性材料的重量而得到的值確定為負極的單位重量的不可逆容量。
[0098]根據本發明人進行的研究，儘管對包含具有不同長度的電極單元的電極組件進行設計以適當運行電極單元，但是如果電極單元在其界面處的容量比不滿足式1，則電極組件可能不能具有商業要求水平的容量和耐久性。這是關於由常規尺寸的電極單元形成的電極組件未預測的結果。即，當使用具有不同長度的電極單元製造電極組件時，可以考慮相關領域的電極組件所未考慮的其他因素。另外，如果滿足式1，則在式I所允許的範圍內可以自由選擇電極單元的厚度，由此在厚度方向上的設計自由度可以明顯提高。
[0099]根據本發明的實施方案，當考慮經濟方面和單位體積的能量密度時，可優選的是，電極組件的Nn/Pn和Nn/Pn+1等於或大於約1，更優選在約I?約1.2的範圍內。然而，本發明的實施方案不限於此。換言之，根據本發明的其他實施方案，電極組件可以滿足式1-1，優選式1-2。
[0100]式1-1:1 ≤ Nn/Pn< Nn/Pn+1
[0101]式1-2:1 ≤ Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ^ 1.2
[0102]其中n、Nn、P^PPn+1與式I中所定義的相同。
[0103]在本發明的實施方案中，如果電極組件中所包含的具有不同寬度的電極單元的數目為η+2以上(η為等於或大於I的整數)，則義對？^之比(Νη/Ρη+1)可以不小於N1^iPn之比(Νη/Ρη)且可以不大於Νη+1對Ρη+1之比(Νη+1/Ρη+1)，其中Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，Νη+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量且Ρη+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。另外，Νη+1對Ρη+1之比(Νη+1 /Ρη+1)可以不大於Νη+1對Ρη+2之比(Νη+1/Ρη+2)。換言之，如果本發明實施方案的電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元的組合，則電極組件可以滿足式2。
[0104]式2:Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2
[0105]其中n表示等於或大於I的整數。
[0106]在本發明的實施方案中，當考慮經濟方面和單位體積的能量密度時，可優選的是，電極組件的Νη/Ρη、Νη/Ρη+1、Νη+1/Ρη+1和Νη+1/Ρη+2等於或大於約1，更優選在約I~約1.2的範圍內。即，本發明實施方案的電極組件可以滿足式2-1。
[0107]式2-1:1 ≤Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2
[0108]式2-2:1 ≤ Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2 ^ 1.2
[0109]其中n、Nn、Nn+1、Pn和Pn+1與上述說明中所定義的相同。
[0110]在本發明的實施方案中，如果以使得將第(η+2)長的電極單元設置在第η長的電極單元與第(η+1)長的電極單元之間的方式形成包含η+2個以上具有不同長度的電極單元的電極組件，則Νη+1對Ρη+2之比(Νη+1/Ρη+2)可以不小於Nj^Pn+2之比(Nn/Pn+2)。換言之，如果本發明實施方案的電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元的組合，則電極組件可以滿足上式2和式3。
[0111]式3:Nn/Pn+2 ≤ Nn+1/Pn+2
[0112]其中η表示等於或大於I的整數，Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Νη+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量且Ρη+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。
[0113]根據本發明人進行的研究，如果電極組件的正極和負極的可逆容量滿足上述條件，則儘管電極單元的長度和厚度不同地變化，但電極組件仍可具有提高的輸出效率和結構穩定性。例如，在25°C下進行500個充放電循環之後，電極組件的電容量可以為在一個充放電循環之後測得的電容量的60%以上，且電極組件的總厚度與在一個充放電循環之後測得的總厚度相比可以變化15%以下。
[0114]在電極組件的具有不同長度的電極單元之間的界面處負極的單位面積的可逆容量對面對所述負極的正極的單位面積的可逆容量之比可以為I以上，優選I~2、1~1.5、I~1.1、I ~1.09、1.5 ~2、1.02 ~1.09、1.05 ~1.09、1.05、1.06、1.07、1.08 或 1.09。根
據本發明人進行的研究，儘管如果在電極單元之間的界面處負極的單位面積的可逆容量對面對所述負極的正極的單位面積的可逆容量之比為I以上則電極單元的面積或厚度相對自由地變化，但是可以獲得商業要求水平的電池容量和耐久性。然而，如果負極與正極的單位面積的可逆容量之比小於1，則電池的穩定性和效率可能因溶脹而明顯降低。
[0115]在本發明的實施方案中，如果電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元的組合，則負極的單位面積的可逆容量對正極的單位面積的可逆容量之比在電極單元之間的界面處可以相等或者可以以與電極單元之間的接觸面積成反比的方式增大。例如，如果電極組件包含三個具有不同長度的電極單元(從最長一個到最短一個稱作第一到第三電極單元)，設置在第二與第三電極單元之間的界面處的負極與正極的單位面積的可逆容量比可以等於或大於設置在第一與第二電極單元之間的界面處的負極與正極的單位面積的可逆容量比。隨著具有不同長度的電極單元數目增大，電極單元之間的界面數增大至兩個以上，且如果兩個以上的界面不平衡，則電池的穩定性和性能可能因結構變形而降低。根據本發明人進行的研究，當通過對三種以上具有不同寬度的電極單元進行組合來形成電極組件時，如果在電極單元之間的界面處負極與正極的單位面積的可逆容量比在上述範圍內，則由結構變形造成的電池的穩定性和性能的劣化可以最小化。
[0116]作為對具有不同長度的電極單元之間界面處的負極和正極進行平衡的另一種方法，可以將負極與正極的厚度比調節在預定範圍內。例如，在本發明的電極組件中，可以將在具有不同長度的電極單元之間的界面處相互面對的負極與正極的厚度比(負極厚度/正極厚度)調節在約0. 5~約2、優選約0.7~約1.8、更優選約1.0~約1.4的範圍內。如果在電極單元之間的界面處相互面對的負極與正極的厚度比小於0.5，則鋰離子可能因負極不足以接收源自正極的鋰離子而沉澱，由此電池的性能和容量可能低於設計的預期水平。如果在電極單元之間的界面處相互面對的負極與正極的厚度比大於2，則因為在初始充電期間能夠接收鋰離子的負極位點增多，所以不可逆容量可能提高，且實際容量可能低於設計容量。另外，由於負極過厚，所以電池的能量密度(電池的效率/密度之比)可能降低，且負極活性材料可能因塗布強度低而分離。
[0117]通過使用離子研磨裝置(橫斷面研磨機(CP))對電極組件進行切割並使用SEM對電極組件的橫斷面進行掃描，可以測量電極組件的負極和正極的厚度。負極和正極各自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，包含集電器和形成在所述集電器一側上的活性材料層的電極的厚度是集電器的厚度與活性材料層的厚度之和，且包含集電器和形成在所述集電器兩側上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與活性材料層的厚度之和。
[0118]具體地，在根據本發明實施方案的電極組件中，dNj^dPn2K (dNn/dPn)可以不大於dNn對dPn+1之比(dNn/dPn+1)，其中dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度，dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，且dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度。換言之，本發明實施方案的電極組件可以滿足式4。
[0119]式4: dNn/dPn ( dNn/dPn+1
[0120]其中η表示等於或大於I的整數。
[0121]在本發明的實施方案中，當考慮經濟方面和單位體積的能量密度時，電極組件的dNn/dPjP dNn/dPn+1可以為約0.5~約2，優選約0.6~約1.9，更優選約1.0~約1.5。即，本發明實施方案的電極組件可以滿足式4-1、式4-2或式4-3。
[0122]式4-1:0.5 ≤ dNn/dPn ≤ dNn/dPn+1 ≤ 2
[0123]式4-2:0.6 ≤ dNn/dPn ≤ dNn/dPn+1 ≤ 1.9
[0124]式4-3:1.0 ≤ dNn/dPn ≤ dNn/dPn+1 ≤ 1.5
[0125]在式4-1、4_2和4-3中，dNn、dPn和dPn+1與上述說明中所定義的相同。
[0126]在本發明的實施方案中，當電極組件包含η+2個以上具有不同長度的電極單元時，dNn對dPn+1之比(dNn/dPn+1)可以不小於dNn對dPn之比(dNn/dPn)且可以不大於dNn+1對dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)，其中dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度，dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，dNn+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的厚度，dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度且dPn+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的厚度。另外，dNn+1對dPn+1之比(dNn+1/dPn+1)可以不大於dNn+1對dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)。換言之，如果本發明實施方案的電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元，則電極組件可以滿足式5。
[0127]式5:dNn/dPn ≤ dNn/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+2
[0128]其中n表示等於或大於I的整數。
[0129]在本發明的實施方案中，當考慮經濟方面和單位體積的能量密度時，電極組件的dNn/dPn、dNn/dPn+1、dNn+1/dPn+1 和 dNn+1/dPn+2 可以為約 0.5 ~約 2，優選約 0.6 ~約 1.9，更優選約1.0~約1.5。即，本發明實施方案的電極組件可以滿足式5-1、式5-2或式5-3。
[0130]式5-1:0.5 ≤ dNn/dPn ≤ dNn/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+2 ≤ 2
[0131]式5-2:0.6 ≤ dNn/dPn ≤dNn/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+2 ≤ 1.9
[0132]式5-3:1.0 ≤ dNn/dPn ≤ dNn/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+1 ≤ dNn+1/dPn+2 ≤ 1.5
[0133]在式5-l、5-2和5-3中，dNn、dNn+1、dPn和dPn+i與式5的說明中所定義的相同。
[0134]此外，在本發明的實施方案中，如果以使得將第(η+2)長的電極單元設置在第η長的電極單元與第(η+1)長的電極單元之間的方式形成包含三種以上具有不同長度的電極單元的電極組件，則dNn+1對dPn+2之比(dNn+1/dPn+2)可以不小於dNn對dPn+2之比(dNn/dPn+2)。即，本發明實施方案的電極組件滿足上式5並滿足式6。
[0135]式6: dNn/dPn+2 ≤ dNn+1/dPn+2
[0136]其中η表示等於或大於I的整數，dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度，dNn+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的厚度，dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度且dPn+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的厚度。
[0137]與調節單位面積的可逆容量比的方法相比，對在電極單元之間的界面處負極與正極的厚度進行調節的上述方法可以更簡單。然而，根據電極的規格，僅通過調節電極的厚度可能不能調節電極之間的平衡。在此情況中，當設計電極組件時，也可以調節在電極單元的界面處正極與負極的可逆容量比。然而，在電極單元的電極的規格相同和不同兩種情況中，如果負極活性材料的充電容量為正極活性材料的充電容量的約1.5倍~約3倍、優選約1.8倍~約2.5倍，則可以將在電極單元之間的界面處負極與正極的厚度調節在上述範圍內以容易地調節界面之間的平衡。
[0138]在本發明的實施方案中，對包含在電極組件中的正極與負極的厚度、孔隙率和負載量沒有限制，只要電極單元的界面平衡即可。[0139]例如，可以根據諸如電極活性材料種類和電池容量的因素適當選擇電極組件的正極和負極的厚度。例如，在本發明實施方案的電極組件中，正極的厚度可以為約50 μ m?約150 μ m、約80 μ m?約140 μ m或約100 μ m?約150 μ m,且負極的厚度可以為約80 μ m?約200 μ m、約 100 μ m ?約 200 μ m 或約 100 μ m ?約 150 μ m。
[0140]此外，在本發明的實施方案中，電極組件的正極和負極的單位面積的電極活性材料的塗布量(負載量)沒有限制，但可以根據諸如電極活性材料種類和電池容量的因素適當選擇。例如，在本發明的實施方案中，正極的單位面積的正極活性材料的塗布量可以為約IOmg/cm2 ?約 30mg/cm2、約 10mg/cm2 ?約 25mg/cm2 或約 15mg/cm2 ?約 30mg/cm2,且負極的單位面積的負極活性材料的塗布量可以為約5mg/cm2?約20mg/cm2、約5mg/cm2?約15mg/cm2 或約 10mg/cm2 ?約 20mg/cm2。
[0141]另外，正極和負極的孔隙率不限於此，但可以根據電極活性材料和電池容量來適當選擇。例如，在本發明的實施方案中，正極的孔隙率可以為約10%?約30%、約15%?約30%或約10%?約25%，且負極的孔隙率可以為約15%?約50%、約20%?約50%或約15%?約 40%。
[0142]根據本發明人進行的研究，如果電極組件的正極和負極的厚度滿足上述條件，則儘管電極單元的長度和厚度不同地變化，但電極組件仍可具有提高的輸出效率和結構穩定性。例如，在25°C下進行500個充放電循環之後，電極組件的電容量可以為在一個充放電循環之後測得的電極組件的電容量的60%以上，且電極組件的總厚度與在一個充放電循環之後測得的電極組件的總厚度相比可以變化15%以下。
[0143]在本發明的實施方案中，電極組件的電極單元可以不同地組合。下文中，將參考附圖根據本發明的實施方案對電極單元的構造進行更詳細地說明。圖2?5顯示根據本發明示例性實施方案的電極組件的電極單元的構造。
[0144]圖2是沿圖1的線A-A』截取的斷面圖，其中電極組件的電極單元110、120和130由根據本發明實施方案的堆疊型單元電池形成。參考圖2，本發明實施方案的電極組件可以包含三種具有不同長度(L)的電極單元110、120和130，且電極單元110、120和130可以包含各自包含正極40、負極50和設置在其間的隔膜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，且單元電池110或120可以由具有相同寬度(W)和長度(L)的兩個單元電池101和102或103和104形成。在圖2中，所有電極單元的單元電池都是堆疊型單元電池。然而，本發明的實施方案不限於此。即，在本發明的實施方案中，電極單元可以包含堆疊型單元電池、卷狀物型單元電池、堆疊摺疊型單元電池、這種單元電池和單個電極的組合、或不同種類的單元電池的組合。
[0145]例如，圖3是顯示根據本發明實施方案的電極組件的橫斷面圖，所述電極組件包含通過將卷狀物型單元電池與單個電極組合而形成的電極單元。參考圖3，本實施方案的電極組件可以包含兩種具有不同長度(L)的電極單元210和220。較短電極單元210可以通過將卷狀物型單元電池201和單個電極202組合來形成且較長電極單元220可以由卷狀物型單元電池203形成。可以通過對負極片50』、正極片40』和設置在其間的隔膜60』進行卷繞來形成各個卷狀物型單元電池201和203。在此情況中，為了電穩定性，負極片50』可以露出至外部，且單個電極202可以為正極。然而，本發明的實施方案不限於此。例如，卷狀物型單元電池的正極片可以露出至外部，且露出至外部的正極片的區域可以未塗布正極活性材料(即正極片的未塗布部分可以露出至外部)。
[0146]圖3顯示由卷狀物型單元電池和單個電極的組合形成的電極單元和由卷狀物型單元電池形成的電極單元。然而，本發明的實施方案不限於此。例如，通過將堆疊型單元電池和/或堆疊摺疊型單元電池與單個電極組合可以形成電極單元。在另一個實例中，通過將兩種以上的單元電池組合可以形成電極單元。
[0147]例如，圖4顯示根據本發明實施方案的通過將堆疊型單元電池與堆疊摺疊型單元電池組合而形成的電極組件。參考圖4，本實施方案的電極組件可以包含三種具有不同長度(L)的電極單元310、320和330。最短的電極單元310和最長的電極單元330可以由堆疊型單元電池形成，且電極單元320可以由堆疊摺疊型單元電池形成。最短的電極單元310的堆疊型單元電池可以具有負極50/隔膜60/正極40/隔膜60/負極50/隔膜60/正極40的結構。最長的電極單元330的單元電池可以具有負極50/隔膜60/正極40/隔膜60/負極50/隔膜60/正極40/隔膜60/負極50的結構。如上所述，在本發明的實施方案中，設置在單元電池最外側的電極可以具有不同的極性或相同的極性，且在單元電池中可以包含至少一個正極和/或至少一個負極。電極單元320的堆疊摺疊的單元電池可以包含各自包含負極、正極和隔膜且設置在隔離膜70的摺疊片上的電極堆。
[0148]圖5顯示根據本發明實施方案的由單個電極形成的電極單元。參考圖5，電極組件包含:由單個電極形成的電極單元420 ;和由一個或多個單元電池401和402形成的電極單元 410。
[0149]如上所述，根據本發明的實施方案，電極組件的電極單元可以由單個電極、一個或多個單元電池或其組合形成。可以將用於相關領域中的各種單元電池如堆疊型單元電池、卷狀物型單元電池、堆疊摺疊型單元電池及其組合用作單元電池而無任何限制。除了圖2?5中所示的單元電池之外，可以使用各種其他類型的單元電池。即，在本發明的其他實施方案中，可以使用其他類型的單元電池。
[0150]此外，根據本發明的其他實施方案，電極組件的電極單元可以部分或全部地被至少一個隔離膜的片圍繞。圖6顯示根據本發明示例性實施方案的電極組件，其中單個電極和電極單元的單元電池部分或全部地被隔離膜的片圍繞。參考圖6，電極單元610、620和630的單元電池601、602、603、604、605、606和607被隔離膜70的片圍繞。在此情況中，可以通過隔離膜70抑制電池的膨脹或溶脹而提高電池的穩定性。在圖6中，由虛線表示的隔離膜70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被隔離膜70以Z字形方式
圍繞。然而，本發明的實施方案不限於此。例如，隔離膜片可以繞單個電極和/或單元電池卷繞。
[0152]如圖7中所示，根據本發明的實施方案，具有相同寬度(W)和不同長度(L)的單元電池601、602、603、604、605、606和607可以放置在隔離膜670的片上，並可以對隔離膜670進行卷繞以形成電極組件。
[0153]儘管圖中未顯示，但是可以將正極在預定間隔下布置在隔離膜片的一側上，並且可以將負極布置在隔離膜的另一側上。然後，可以對隔離膜進行卷繞以形成電極組件。在另一個實例中，可以將負極以其間具有預定間隔的方式布置在隔離膜的一個片上，並且可以將正極以其間具有預定間隔的方式布置在隔離膜的另一個片上。然後，可以對隔離膜的兩個片進行卷繞以形成電極組件。除了上述方法之外，根據要形成的電極組件的形狀，可以通過其他方法使電極單元部分或全部地被隔離膜圍繞。這種方法也可以在本發明實施方案的範圍內。
[0154]在本發明的實施方案中，用於電極組件的正極、負極和隔膜的材料沒有限制。例如，可以使用相關領域中用於形成正極、負極和隔膜的材料。例如，通過使用銅，鎳，鋁或包含銅、鎳和鋁中至少一種的合金製備負極集電器，並利用負極活性材料如鋰、鋰合金、碳、石油焦、活性炭、石墨、矽化合物、鋅化合物、鈦化合物或其合金對負極集電器進行塗布，可以製造負極。例如，通過使用鋁，鎳，銅或包含鋁、鎳和銅中的至少一種的合金製備正極集電器，並利用正極活性材料如鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰鐵磷酸鹽、或者包含其至少一種的複合物或混合物對正極集電器進行塗布，可以製造正極。此時，塗布有活性材料的相同單元電池的正極和負極的部分可以具有相同的面積或不同的面積。例如，圖2的各單元電池的負極和正極具有相同的活性材料塗布面積，且圖4的各單元電池的負極和正極具有不同的活性材料塗布面積。電極活性材料可以塗布在集電器的兩側上或可以僅塗布在集電器的一側上以形成未塗布部分。
[0155]另外，各個隔膜可以為由具有細孔的材料如聚乙烯、聚丙烯或其組合形成的多層膜。在另一個實例中，各個隔膜可以為用於固體或凝膠型聚合物電解質的聚合物膜如聚偏二氟乙烯膜、聚環氧乙烷膜、聚丙烯腈膜或聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯膜。
[0156]在本發明的實施方案中，電極組件的電極單元可以包含至少一個電極極耳。例如，由單個電極形成的電極單元(例如圖5的電極單元520)可以包含單個電極極耳，且包含單元電池的電極單元可以包含負極極耳和正極極耳。在將電極單元插入電池殼中之後，相同極性的電極極耳可以相互電連接。在本發明的實施方案中，電極極耳的面積或布置沒有限制。然而，電極單元的電極極耳可以形成在各電極單元的四個邊的相同邊上。例如，電極極耳可以形成在電極單元的寬端或長端上。如果電極極耳形成在電極單元的長端上，則電極極耳可以布置在最短電極單元的長度內。
[0157]此外，在本發明的實施方案中，電極極耳可以不同地位於電極單元上。例如，相同極性的電極極耳可以部分或全部地相互重疊。在相關領域中，通常，相同極性的電極極耳相互完全重疊，從而在將電極組件插入電池殼中之後易於連接電極極耳。然而，如果堆疊多個電極，則連接的電極極耳可能具有大的厚度。在此情況中，電極極耳可能不能牢固地連接。如果電極極耳部分重疊，則可防止該問題。
[0158]根據本發明的實施方案，具有不同面積的電極極耳可以相互部分重疊以提高電極極耳之間的結合特性並最大化電池的電容量。圖8顯示根據本發明實施方案的電極組件的示例性電極極耳。參考圖8，電極組件包含隨電極單元而具有不同面積的電極極耳10、20和30，且電極極耳10、20和30可以以重疊方式布置。
[0159]根據本發明的實施方案，各電極單元可以包含兩個相同的邊和另外兩個相同的邊。例如，根據本發明的實施方案，電極單元可以具有四邊形形狀如矩形、正方形、平行四邊形和菱形。另外，可以對各電極單元的至少一個角進行倒角或圓化，且各電極單元的至少一個邊可以呈彎曲形狀。另外，根據本發明的其他實施方案可以使用具有其他各種形狀的電極單元。
[0160]在本發明的實施方案中，電極組件可以包含具有相同形狀的電極單元或可以如圖11中所示包含具有不同形狀的電極單元。通過使用具有這種各種形狀的電極單元可以提供具有各種形狀的電池，且如果使用這種電池則可以有效利用空間。
[0161]根據本發明的實施方案，如圖9A?9D中所示，具有相同寬度(W)和不同長度(L)的兩個以上的電極單元可以不同地布置而形成電極組件。對電極單元進行堆疊的方法沒有限制。例如，參考圖9A，以使得電極單元的長度在從電極組件的下側到頂側的方向上下降的方式對電極組件的電極單元進行堆疊。參考圖9B，以使得電極單元的長度在從電極組件的下側到頂側的方向上增大的方式對電極組件的電極單元進行堆疊。參考圖9C，以使得最長電極單元設置在電極組件的中間層中的方式對電極組件的電極單元進行堆疊。
[0162]在圖9A中所示的實施方案中，可以將電極單元的平面中心點相互對齊。在圖9D中所示的實施方案中，可以將電極單元的平面中心點在其間存在預定間隔的條件下布置，並可以將電極單元的寬邊相互對齊。
[0163]另外，可以根據本發明的其他實施方案以各種方式布置電極單元。
[0164]接下來，將根據本發明的實施方案對電池單元進行說明。圖10和11顯示根據本發明實施方案的電池單元900。參考圖10和11，通過將電極組件100設置在電池殼910中而形成各電池單元900。
[0165]電池殼910可以為具有與電極組件100的形狀相對應的形狀的袋型殼。然而，電池殼910不限於此。
[0166]袋型殼可以由包含外樹脂層、用於防止雜質透過的阻擋金屬層和內密封樹脂層的層壓片形成。然而，袋型殼不限於此。
[0167]用於連接電極組件100的電極單元的電極端子的電極弓丨線920和930可以露出在電池殼910的外表面上，並可以將絕緣膜(未示出)連接到電極引線920和930的頂側和底側以保護電極引線920和930。
[0168]電池殼910可以具有與電極組件100的形狀相對應的形狀。例如，電池殼910可以變形為與電極組件100的形狀相對應的形狀。電池殼910可以不具有與電極組件100的形狀和尺寸確切相同的形狀和尺寸。然而，電池殼910可以具有適用於防止電極組件100滑動並防止電極組件100短路的形狀和尺寸。然而，電池殼910的形狀和尺寸不限於此。SP，電池殼910的形狀和尺寸可以隨例如應用條件而變化。
[0169]電池單元900可以為鋰離子電池單元或鋰離子聚合物電池單元。然而，電池單元900不限於此。
[0170]根據本發明的實施方案，電池單元可以單獨使用或可以以包含至少一個電池單元的電池組的形式使用。根據本發明的實施方案，這種電池單元和/或電池組可以用於各種裝置如行動電話、可攜式計算機、智慧型手機、智能平板電腦、上網本、輕型電動車輛(LEV)、電動車輛、混合電動車輛、插電式混合電動車輛或電力儲存裝置中。這種裝置的結構和構造方法在本領域內是熟知的，由此省略其說明。
[0171]當將電池單元或電池組放置在這種裝置中時，可以將裝置的系統部件設置在由於電池單元或電池組的結構而剩餘的空間中。根據本發明的實施方案，電池單元或電池組包含一個階梯電極組件或具有不同尺寸的多個階梯電極組件，且根據一個電極組件或多個電極組件的形狀使電池單元或電池組的一個或多個電池殼成形。因此，與相關領域的使用稜柱形或橢圓形電池單元或電池組的裝置的情況相比，使用電池單元或電池組的裝置的空間能夠節省。可以將裝置的系統部件設置在節省的空間中。在此情況中，系統部件和電池單元或電池組可以柔性設置在裝置中，由此能夠有效使用裝置的空間。此外，裝置的厚度或體積可以降低以使得裝置變細。
[0172]實施例
[0173]下文中，將對本發明的實施例進行說明。如下實施例僅用於示例性目的且不用於限制本發明的實施方案的範圍。
[0174]製造例1:正極⑷
[0175]將用作正極活性材料的LiCoO2和用作粘合劑的聚偏二氟乙烯(PVDF)進行混合併溶於N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中以製備正極糊膏。將所述正極糊膏塗布到鋁箔集電器的兩側上並在150°C的烘箱中乾燥。然後，對塗布有正極糊膏的集電器進行壓制以形成正極(A)。正極(A)的厚度為100 μ m，孔隙率為21%，且可逆容量為335mAh。
[0176]製造例2:正極(B)
[0177]除了正極⑶的厚度為110 μ m之外，以與製造例I中相同的方式製造了正極⑶。正極(B)的厚度為110 μ m，孔隙率為21%，且可逆容量為375mAh。
[0178]製造例3:負極(A)
[0179]將天然石墨和人造石墨的共混物用作負極活性材料，並將丁苯橡膠(SBR)和羧甲基纖維素(CMC)用作粘合劑。將負極活性材料和粘合劑進行混合併溶於蒸餾水中以製備負極糊膏。將所述負極糊膏塗布到銅箔集電器的兩側上並在100°C的烘箱中乾燥。然後，對塗布有負極糊膏的集電器進行壓制以形成負極(A)。負極(A)的厚度為105 μ m，孔隙率為27%，且可逆容量為348mAh。
[0180]製造例4:負極(B)
[0181]除了負極⑶的厚度為108 μ m之外，以與製造例3中相同的方式製造了負極⑶。負極(B)的厚度為105 μ m，孔隙率為27%，且可逆容量為359mAh。
[0182]製造例5:負極(C)
[0183]除了負極(C)的厚度為118.8μπι之外，以與製造例3中相同的方式製造了負極(C)。負極(C)的厚度為118.8 μ m，孔隙率為27%，且可逆容量為400mAh。
[0184]製造例6:負極(D)
[0185]除了負極⑶的厚度為90 μ m之外，以與製造例3中相同的方式製造了負極(D)。負極(D)的厚度為90 μ m，孔隙率為27%，且可逆容量為294mAh。
[0186]製造例7:負極(E)
[0187]除了負極(E)的厚度為140 μ m之外，以與製造例3中相同的方式製造了負極(E)。負極(E)的厚度為140 μ m，孔隙率為27%，且可逆容量為465mAh。
[0188]實施例1
[0189]將正極(A)和負極㈧切割成IOOmmX 150mm,並在其間插入隔膜的條件下進行堆疊以形成電極單元。然後，通過將正極(A)和負極(A)切割成IOOmmX 120mm並在其間插入隔膜的條件下對正極和負極(A)進行堆疊，形成相對小面積的電極單元。對相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元進行堆疊以形成電極組件。
[0190]實施例2
[0191]將正極(A)和負極㈧切割成IOOmmX 150mm,並在其間插入隔膜的條件下進行堆疊以形成電極單元。然後，通過將正極(A)和負極(B)切割成IOOmmX 120mm並在其間插入隔膜的條件下對正極(A)和負極(B)進行堆疊，形成相對小面積的電極單元。對相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元進行堆疊以形成電極組件。
[0192]比較例I
[0193]將正極(A)和負極⑶切割成IOOmmX 150mm,並在其間插入隔膜的條件下進行堆疊以形成電極單元。然後，通過將正極(B)和負極(C)切割成IOOmmX 120mm並在其間插入隔膜的條件下對正極(B)和負極(C)進行堆疊，形成相對小面積的電極單元。對相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元進行堆疊以形成電極組件。
[0194]比較例2
[0195]將正極(A)和負極⑶切割成IOOmmX 150mm,並在其間插入隔膜的條件下進行堆疊以形成電極單元。然後，通過將正極(A)和負極(A)切割成IOOmmX 120mm並在其間插入隔膜的條件下對正極(A)和負極(A)進行堆疊，形成相對小面積的電極單元。對相對大面積的電極單元和相對小面積的電極單元進行堆疊以形成電極組件。
[0196]在表2和3以及實驗例I和3中，術語「大面積的電極單元」是指具有相對長長度的電極單元，且術語「小面積的電極單元」是指具有相對短長度的電極單元。
[0197][表1]
【權利要求】
1.一種電極組件，包含具有相同寬度和不同長度的兩個以上電極單元的組合， 其中所述電極單元以在所述電極單元之間形成階梯部的方式堆疊， 正極和負極在所述電極單元之間的界面處相互面對，且 所述電極組件滿足式1-1:
式 1-1:1 ^Nn/Pn^Nn/Pn+1
其中η表示等於或大於I的整數， Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量， Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，且 Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。
2.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足式1-2:
式 1-1:1 ≤ Νη/Ρη<Νη/Ρη+1 ≤ 1.2 其中η表示等於或大於I的整數， Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量， Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，且 Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。
3.如權利要求1所述的電極組件，其中在具有相同寬度和不同長度的所述電極單元之間的界面處，相對長的電極單元的負極面對相對短的電極單元的正極。
4.如權利要求1所述的電極組件，其中在充電條件(A)和放電條件(B)下在25°C下進行500個充放電循環之後，所述電極組件的電容量為在一個充放電循環之後測得的電容量的60%以上，且所述電極組件的總厚度與在一個充放電循環之後測得的總厚度相比變化15%以下， 其中在所述充電條件(A)中，在IC倍率下以恆流模式將所述電極組件充電至4.2V或4.35V的電壓，然後以恆壓模式向所述電極組件供應電流，直至所述電流達到電池最小容量的1/20，且 在所述放電條件(B)中，在IC倍率下以恆流模式將所述電極組件放電至3V的電壓。
5.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足式2:
式 2:Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2 其中n表示等於或大於I的整數， Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量， Νη+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量， Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量， Ρη+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，且 Ρη+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。
6.如權利要求5所述的電極組件，其中所述電極組件滿足式2-1:
式 2-1:1 < Nn/Pn ( Nn/Pn+1 ( Nn+1/Pn+1 ( Nn+1/Pn+2 其中n表示等於或大於I的整數， Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量， Νη+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量， Pn表示第η長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，Pn+1表示第(n+1)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量，且 Ρη+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。
7.如權利要求5所述的電極組件，其中將所述第(η+2)長的電極單元設置在所述第η長的電極單元與所述第(η+1)長的電極單元之間， 其中所述電極組件滿足式3:
式 3:Nn/Pn+2 ( Νη+1/Ρη+2 其中η表示等於或大於I的整數， Nn表示第η長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量， Νη+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的單位面積的可逆容量，且 Ρη+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的單位面積的可逆容量。
8.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足式4:
式 4:dNn/dPn ( dNn/dPn+1 其中η表示等於或大於I的整數， dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度， dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，且 dPn+1表示第(η+1)長 的電極單元的正極的厚度。
9.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足式4-1:
式 4-1:0.5 ( dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( 2 其中η表示等於或大於I的整數， dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度， dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，且 dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度。
10.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足式5:
式 5:dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/ dPn+2 其中n表示等於或大於I的整數， dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度， dNn+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的厚度， dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，且 dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度，且 dPn+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的厚度。
11.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件滿足式5-1:
式 5-1:0.5 ( dNn/dPn ( dNn/dPn+1 ( dNn+1/dPn+1 ( dNn+1/dPn+2 ( 2
其中 n表示等於或大於I的整數， dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度， dNn+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的厚度， dPn表示第η長的電極單元的正極的厚度，且 dPn+1表示第(η+1)長的電極單元的正極的厚度，且 dPn+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的厚度。
12.如權利要求10所述的電極組件，其中將所述第(η+2)長的電極單元設置在所述第η長的電極單元與所述第(η+1)長的電極單元之間， 其中所述電極組件滿足式6:
式 6:dNn/dPn+2 ( dNn+1/ dPn+2 其中η表示等於或大於I的整數， dNn表示第η長的電極單元的負極的厚度， dNn+1表示第(η+1)長的電極單元的負極的厚度，且 dPn+2表示第(η+2)長的電極單元的正極的厚度。
13.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極組件包含三種以上具有不同長度的電極單元， 其中在所述電極單元之間的界面處負極的單位面積的可逆容量對面對所述負極的正極的單位面積的可逆容量之比為I或隨所述電極單元之間的接觸面積減小而增大。
14.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元包含: 單個電極； 包含至少一個正極、至少一個負極和至少一個隔膜的至少一個單元電池；或 它們的組合。
15.如權利要求14所述的電極組件，其中所述單元電池具有選自如下的類型:卷狀物型、堆疊型、層壓堆疊型以及堆疊摺疊型。
16.如權利要求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全部地被至少一個隔離膜長片圍繞。
17.如權利要求14所述的電極組件，其中設置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.如權利要求14所述的電極組件，其中設置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.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元各自具有:矩形斷面形狀、具有至少一個彎曲角的矩形斷面形狀或具有至少一個彎曲邊的斷面形狀。
20.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元具有相同的斷面形狀。
21.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元包含一個或多個電極極耳，且 所述電極極耳以使得相同極性的電極極耳相互重疊的方式堆疊。
22.如權利要求21所述的電極組件，其中所述電極極耳具有不同的尺寸。
23.如權利要求1所述的電極組件，其中以使得在從所述電極組件的下側到上側的方向上所述電極單元的長度下降的方式布置所述電極單元。
24.如權利要求1所述的電極組件，其中以使得在從所述電極組件的下側到上側的方向上所述電極單元的長度增大的方式布置所述電極單元。
25.如權利要求1所述的電極組件，其中所述電極單元的最長電極單元設置在所述電極組件的中間層中。
26.如權利要求1所述的電極組件，其中以使得所述電極單元的平面中心點相互對齊的方式布置所述電極單元。
27.如權利要求1所述的電極組件，其中以使得在其間具有預定間隔的條件下布置所述電極單元的平面中心點的方式布置所述電極單元。
28.如權利要求1所述的電極組件，其中以使得所述電極單元的寬邊相互對齊的方式布置所述電極單元。
29.—種電池單元，包含: 權利要求1的電極組件；和 容納所述電極組件的電池殼。
30.如權利要求29所述的電池單元，其中所述電池殼為袋型電池殼。
31.如權利要求29所述的電池單元，其中所述電池殼具有與所述電極組件的形狀相對應的形狀。
32.如權利要求29所述的電池單元，其中所述電池單元為鋰離子二次電池或鋰離子聚合物二次電池。
33.一種裝置，包含至少一個如權利要求29所述的電池單元。
34.如權利要求3 3所述的裝置，其中所述裝置的系統部件設置在所述電池單元的剩餘空間中。
35.如權利要求34所述的裝置，其中所述裝置為行動電話、可攜式計算機、智慧型手機、智能平板電腦、上網本、LEV(輕型電動車輛)、電動車輛、混合電動車輛、插電式混合電動車輛或電力儲存裝置。
【文檔編號】H01M2/02GK103988356SQ201380003648
【公開日】2014年8月13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