極板結構的製作方法

2023-10-26 06:24:22

本發明涉及一種極板結構，尤其涉及一種電池的極板結構。

背景技術：

在各種技術領域中，常需要一(上)材料層完全覆蓋另一(下)材料層的上表面與側表面的多層結構。然而，目前技術仍有需要改善的問題。例如凹版印刷只能進行全幅塗布，無法達到基材的邊緣留白控制(edge control)。浸沾式塗布僅能進行雙面同時塗布，無法只在單一面進行塗布，也無法達到邊緣留白控制，且塗膜厚度控制不易。一般狹縫式塗布中，上材料層無法完全覆蓋下材料層。

當無法符合需求的結構應用至產品(例如電池的極板結構)時，會使得產品效能降低，甚至使用上會有安全疑慮。

技術實現要素：

本發明涉及一種極板結構。

作為本發明的一實施例，提出一種極板結構，其包括一集電體、一活性層與一安全防護層。集電體包括Al、Cu或不鏽鋼。活性層鄰接在集電體上，並包括石墨、矽碳或上述的組合。安全防護層包覆活性層的所有上表面及側表面，並包含通式為MxOy的一氧化物。其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的組合。x介於1～2。y介於1～3。

為了對本發明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下：

附圖說明

圖1繪示根據一實施例的塗布方法示意圖；

圖2繪示根據一實施例的塗布方法示意圖；

圖3繪示根據一實施例的基材、材料層、塗層與塗布模具；

圖4繪示根據一比較例的塗布結果示意圖；

圖5繪示根據一比較例的塗布結果示意圖。

【符號說明】

102： 基材

103： 材料層的上表面

104： 材料層

105A： 材料層的左側表面

105B： 材料層的右側表面

106： 輥輪

107A： 材料層的左上端點

107B： 材料層的右上端點

108： 塗布模具

110： 凹槽

111A： 塗層的左底表面

111B： 塗層的右底表面

112： 狹縫

113： 材料層的下表面

114： 塗料 116：塗層

A： 中間寬度值

D1、D2： 寬度值

h： 厚度值

w： 厚度值

X1： 左側表面投影在下表面的寬度值

X2： 右側表面投影在下表面的寬度值

Y1： 左寬度值

Y2： 右寬度值

θ1： 左側表面與下表面之間的夾角

θ2： 右側表面與下表面之間的夾角

λ1、λ2： 夾角

具體實施方式

在本發明中，為求簡潔，相同的元件將以相同的符號表示。

請參照圖1與圖2，其繪示根據一實施例的塗布方法示意圖。柔性基材102上配置有材料層104，並可在塗布機的輥輪106(或背膠輪)上移動。塗布模具108可包括互相連通的凹槽110與狹縫112。被泵推入凹槽110中的塗料114往狹縫112流動，並從狹縫112排出而塗布在基材102上的材料層104上以形成塗層116。

實施例中，塗布模具108的狹縫112是根據配置在基材102上的材料層104做設計，由此均勻排出塗料114在基材102上的材料層104上，並使得形成的塗層116能包覆材料層104的所有上表面及側表面，亦即塗層116能完全覆蓋材料層104的寬度範圍。塗層116亦能從材料層104連續延伸至外側的部分基材102上。

請參照圖3，其繪示根據一實施例的基材102、材料層104、塗層116與具有狹縫112的塗布模具108。一實施例中，材料層104是以塗布的方式配置在基材102上，然而本發明並不限於此，材料層104亦可以其他合適的方式配置在基材102上。

狹縫112的總寬度值Q包括中間寬度值A、左寬度值Y1與右寬度值Y2。中間寬度值A對應材料層104的上表面103的總寬度值。左寬度值Y1對應超出材料層104的左上端點107A的左部分寬度值。右寬度值Y2對應超出材料層104的右上端點107B的右部分寬度值。Q＝A+Y1+Y2。

塗布模具108的狹縫112符合以下關係式(I)、(II)：

上述關係式(I)、(II)中，h為材料層104的厚度值。舉例來說，當材料層104的厚度為40μm時，h厚度值以40表示。類似概念亦可應用至其他類似用語，將不再重複贅述。θ1為材料層104的左側表面105A與下表面113之間的夾角。0°＜θ1≤90°。X1為材料層104的左側表面105A投影在下表面113的寬度值，等於θ2為材料層104的右側表面105B與下表面113之間的夾角)。0°＜θ2≤90°。X2為材料層104的右側表面105B投影在下表面113的寬度值，等於w為塗層116的厚度值。一實施例中，完整且連續塗布在材料層104的上表面103與側表面(左側表面105A、右側表面105B)上的塗層116具有均一的厚度。上述的寬度或厚度的數值單位可為微米(μm)。

一實施例中，40≤h≤100，30≤w≤50，50≤Y1-X1≤1000，50≤Y2-X2≤1000。一實施例中，w＝30，40≤h≤100，100≤Y1-X1≤500，100≤Y2-X2≤500。一實施例中，w＝30，h＝40，100≤Y1-X1≤500，100≤Y2-X2≤500。一實施例中，w＝30，h＝70，150≤Y1-X1≤450，150≤Y2-X2≤450。一實施例中，w＝30，h＝100，200≤Y1-X1≤400，200≤Y2-X2≤400。一實施例中，w＝50，40≤h≤100，50≤Y1-X1≤1000，50≤Y2-X2≤1000。一實施例中，w＝50，h＝40，50≤Y1-X1≤800，50≤Y2-X2≤800。一實施例中，w＝50，h＝70，75≤Y1-X1≤900，75≤Y2-X2≤900。一實施例中，w＝50，h＝100，100≤Y1-X1≤1000，100≤Y2-X2≤1000。

塗層116的總寬度值B等於塗層116的上表面103的寬度值A、材料層104的左側表面105A投影在下表面113的寬度值X1、材料層104的右側表面105B投影在下表面113的寬度值X2、塗層116的左底表面111A的寬度值D1與塗層116的右底表面111B的寬度值D2的總和。實施例中，塗層116的總寬度值B是略小於狹縫112的總寬度值Q。

結構並不限於左右對稱的設計，亦可視產品實際需求使用非對稱的設計。舉例來說，在材料層左右不對稱的情況下，可適當地使用左右不對稱的塗布模具狹縫設計，以得到塗層覆蓋材料層的所有上表面及側表面，且塗層具有均一的厚度，或塗層可更進一步從材料層連續延伸至外側的部分基材上。

根據本發明使用狹縫式塗布模具的塗布方法可應用至單面塗布或雙面塗布。

一實施例中，是以根據一實施例的方法製造極板結構，其中請參照圖3，基材102即為集電體。鄰接在基材102上的材料層104即為活性層，可用作電池的極板。包覆材料層104的所有上表面103及側表面(左側表面105A、右側表面105B)的塗層116即為安全防護層，例如耐熱的絕緣層或介電質層。一實施例中，集電體的部分上表面可露出安全防護層，亦即，根據實施例的方法在材料層104上塗布塗層116可留白基材102。

一實施例中，極板結構可應用在電池，例如鋰電池的負極板結構。

舉例來說，集電體(或基材102)可包括鋁(Al)、銅(Cu)或不鏽鋼，或其他導電性高的適合材料。一實施例中例如銅箔。

活性層(或材料層104)可包括石墨、矽碳或上述的組合。一實施例中，活性層可為利用漿料形成的塗布層，漿料可包括含有石墨、矽碳或上述的組合的填充物。漿料可進一步包括粘合劑，例如偏二氟乙烯等。漿料可進一步包括溶劑，例如N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP)。

舉例來說，安全防護層(或塗層116)可包含通式為MxOy的氧化物，其中M為Si、Al、Zr、Ti、Mg、Zn、Li、La、Nb、Ta、Ge、Y、Se、B或上述的組合，x介於1～2，y介於1～3。一實施例中，安全防護層包括氧化矽。一實施例中，舉例來說，安全防護層還可以包含一樹脂，例如偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、丁苯橡膠(SBR，Styrene-Butadiene Rubber)、羧甲基纖維素(CMC，carboxymethyl cellulose)、聚醯亞胺(PI，Polyimide)等，可用作粘合劑。氧化物佔安全防護層的0.1wt％～90wt％。安全防護層為介電材料。

實施例中，安全防護層的厚度(可參照圖3的符號w)可介於0.5μm～10μm。安全防護層超出活性層的寬度(可參照圖3的符號D1、D2)介於0.5μm～10mm，或10μm～10mm。安全防護層的外側表面與集電體的上表面之間具有夾角λ1、λ2，0°＜λ1≤90°，0°＜λ2≤90°。

根據本發明的塗布方法形成的極板結構中，安全防護層足夠連續地覆蓋活性層的所有側表面與上表面，不會影響後續極板結構的焊接導電柄工藝，也能提供有效的保護作用，避免電池受外力穿刺與避免高溫受熱時因隔離膜收縮而發生正負極相接觸的短路造成起火燃燒，達到安全效果。

本發明的塗布方法並不限於電池的極板結構，亦可應用在其它需要塗層完全覆蓋材料層的上表面與側表面的結構產品中。

為讓本發明的上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下：

極板結構的集電體(或基材102)為15μm銅箔。

極板結構的活性層(或材料層104)是使用負極漿料塗布在集電體上形成。其中負極漿料包括填充物(filler)、粘合劑與溶劑。填充物使用中間相石墨粉末(meso-phase graphite powder(MGP-A)，中鋼碳素化學股份有限公司出售)及導電碳黑材料(conductive additive carbon black；Super-P，由TIMCAL公司製造)。粘合劑(binder)使用偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride；PVDF 9200，Kureha製造)。中間相石墨粉末：導電碳黑材料：偏二氟乙烯的重量比為94∶1∶5。有機溶劑使用N-甲基吡咯酮(N-methyl-2-pyrrolidone；NMP；臺灣波律股份有限公司製造)。漿料的固含量約54wt％。漿料的粘度約800cPs。塗布形成的活性層厚度為30μm～70μm。

安全防護層(或塗層116)為含矽(Si)成份的塗層。用以形成安全防護層的塗料包含粘合劑偏二氟乙烯(PVDF)、氧化矽粒子(clay)，其中粘合劑：氧化矽粒的重量比為60∶40。塗料也包含溶劑二甲基乙醯胺(DMAc)。塗料的固含量為8wt％。塗料的粘度約70cPs。塗布溼膜厚為20～40μm。

一實施例中，在銅箔基材102上的材料層104厚度為70μm(即厚度值h為70)，材料層104的左側表面105A/右側表面105B投影在下表面113的寬度為200μm(即左側表面105A/右側表面105B投影在下表面113的寬度值X1/X2為200)，材料層104的左側表面105A/右側表面105B與下表面113之間的夾角θ1/θ2為20°。塗布模具108的狹縫112的左寬度、右寬度為500μm(即左寬度值Y1、右寬度值Y2為500)。利用塗布模具108在材料層104上形成的塗層116厚度為30μm(即厚度值w為30)。以上參數符合本發明的關係式(I)及(II)。表1列示利用能量色散X-射線光譜(EDS)分析材料層104的上表面103與側表面(左側表面105A/右側表面105B)上附近，與靠近材料層104的基材102上附近的元素及(以重量百分比Wt％或原子量百分比Atomic％表示的)量，發現四個檢測點(表1中編號1-1、1-2、1-3、1-4)都含有Si元素，表示塗層116完全覆蓋材料層104。且實施例的負極板結構在進行針刺實驗後，電池並未發生起火燃燒，因此實施例的極板結構使用安全性高。

表1

在一些比較例中，塗布模具並不符合本發明的關係式(I)及(II)，在利用塗布模具進行塗布之後，塗層116無法完全覆蓋材料層104(圖4)，或是材料層104上的塗層116膜面不連續，或是基材102上的塗層116膜面不連續(圖5)，因此在應用製造極板結構會造成產品結構製作失敗。

在一比較例中，材料層厚度為70μm，材料層的側表面投影在下表面的寬度為200μm，材料層的側表面與下表面之間的夾角為20°。使用的塗布模具的狹縫的左/右寬度為0μm。形成的塗層厚度為30μm。以上參數不符合本發明的關係式(I)及(II)。表2列示利用能量色散X-射線光譜分析材料層的上表面與側表面上附近，與靠近材料層的基材上附近的元素，發現一些檢測點(表2中編號2-6、2-7、2-8、2-9、2-11)僅含有C元素，而未含有Si元素，表示塗層未覆蓋材料層的所有上表面與側表面。且比較例得到的負極板結構在進行針刺實驗後，電池發生起火燃燒，因此比較例的極板結構在使用上並不安全。

表2

根據以上，以符合本發明的關係式(I)及(II)對配置在基材上的材料層進行塗布，可使得形成的塗層連續且完整地覆蓋材料層的上表面與側表面。在應用至電池的極板結構中，安全防護層可完全覆蓋活性層，因此能提供有效的保護作用，使得電池在操作上的安全性高。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。