专利名称：：具有不同加载量的活性材料层的凝胶卷的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种包含具有不同加载量的活性材料的活性材料层的凝胶巻，并且更具体而言，涉及一种阴极/分隔板/阳极结构的凝胶巻型电极组件("凝胶巻，，)，其中所述凝胶巻被构造为如下结构，在该结构中，每个电极具有在板型集电器的相对的主表面上形成的活性材料层，在巻绕每个板时构成该每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量，小于在巻绕每个板时构成该每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的加载量，并且内部活性材料层的活性材料的加载量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域逐渐增加。
背景技术：
：随着移动设备的日益发展，以及对于这些移动设备的需求增加，对于作为移动设备的能量来源的电池的需求也急剧增加。此外，对于满足各种需求的二次电池已经进行了许多研究。二次电池被构造为这样的结构，在该结构中阴极/分隔板/阳极结构的可充电和可放电电极组件被安装在一电池壳内。所述电极组件的一个典型实例是凝胶巻型电极组件。通过以下方法制造凝胶巻型组件(或者"凝胶巻")将电极活性材料施加、干燥并压制至金属板的相对的主表面，所述金属板被用作集电器；将该金属板切割成具有预定宽度和长度的带状；并且巻绕该金属板，用作阳极和阴极，同时以螺旋形状将一分隔板布置在该阳极和阴极之间。然而，在凝胶巻的制造过程中，内部板的曲率半径在凝胶巻的中心区域较小，导致施加到凝胶巻的内部表面侧的活性材料被压缩，从而，在板的巻绕过程中，活性材料结块或者活性材料的密度极大地增加。由于活性材料的不均勻分布，导致每个集电器的内部和外部的活性材料具有不同的电化学反应量，从而出现凝胶巻扭曲，这减少了电池的使用寿命。在作为二次电池的一个典型实例的锂二次电池中，在二次电池的反复充电和放电过程中，一些包含锂盐的电解质通过副反应被分解，导致电解质的数量逐渐减少。例如，当电池以大约4.5V或者更大的电压被过充电时，阴极活性材料被分解，锂金属在阳极以枝状晶体的形状生长，并且电解质被分解。此时，产生热量，从而使上述分解过程和诸多副反应迅速进行，导致电解质被消耗。在电化学反应更加活跃处的凝胶巻的内侧活性材料层处，这种现象加速得更快。而且，电解质在凝胶巻的外侧区域和内侧区域处的不均匀消耗，导致凝胶巻扭曲。与此相关，韩国专利申请公开文本No.2004-089519/>开了一种这样的技术，该技术用于将在凝胶巻的阳极板内侧形成的活性材料层与在凝胶巻的阳极板外侧形成的活性材料层的容量比保持为0.6~0.8,以防止集电器被切断和折皱。根据所公开的技术，在凝胶巻的曲率半径小的中心区域处，该巻绕的凝胶巻的内表面上的活性材料数量小于其最外面区域处的活性材料数量，从而，可容易地巻绕板，并且防止折皱的效果卓越。然而，本发明的发明人已发现，由于曲率半径随着达到凝胶巻的最外面区域处而增加，通过活性材料层之间的容量比所获得的容易巻绕和防止了折皱的效果被降低；而且，由于巻绕型凝胶巻的外表面和内表面处的活性材料层的不平衡，降低了电池容量，缩短了电池的使用寿命。因此，非常需要一种能够从根本上解决上述问题的技术。
发明内容因此，为解决上述问题以及其他尚待解决的技术问题，做出了本发明。作为为了解决上述问题的广泛深入研究和实验的结果，本发明的发明人发现，当凝胶巻被改进为一种在下文中被详细描述的结构——凝胶巻具有将根据具体状况而具有不同活性材料加栽量的活性材料层的结构时，电池壳内的电解质被均匀地消耗，这进而防止发生凝胶巻扭曲，并且均匀地保持集电器外側的区域和集电器内侧的区域之间的活性材料的加载量之比，从而极大地提高了电池的容量和使用寿命。本发明即基于这些发现被完成。根据本发明的一方面，可通过提供一种这样的阴极/分隔板/阳极结构的凝胶巻型电极组件("凝胶巻")来实现上述和其他目标，其中所述凝胶巻被构造为如下结构在该结构中每个电极具有在板型集电器的相对的主表面上形成的活性材料层，在巻绕每个板时构成该每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量，小于在巻绕每量，并且内部活性材料层的活性材料的加载量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域逐渐增加。具体而言，在根据本发明的凝胶巻中，活性材料层形成在板型集电器的相对的主表面上，使得凝胶巻的内部活性材料层的活性材料的加载量小于凝胶巻的外部活性材料层的活性材料的加栽量，从而防止由于施加至在曲率半径小的凝胶巻的中心区域处的内部活性材料层的压力而引起的内部活性材料层的结块或者活性材料层的密度增加。而且，曲率半径随着达到凝胶巻的最外面区域而增加，导致其中压力或密度增加的上述现象逐渐减少。在其中内部活性材料层的活性材料的加载量从中心区域到最外面区域逐渐增加的结构中，如上所述，可容易地巻绕板，并且可均勻地保持外部区域和内部区域之间的活性材料的加栽量之比，从而极大地提高了电池的容量和使用寿命。此外，在电化学反应更加活跃处的内部活性材料层的活性材料的加载量相对较小，导致电解质由于内部活性材料层和外部活性材料层之间的均勻电化学反应而被大致相等地消耗，从而防止发生凝胶巻扭曲。在本发明中，术语"内部"表示朝向集电器的具有在其相对的主表面上形成的活性材料层的中心区域的侧面；术语"外部"表示朝向集电器的具有在其相对的主表面上形成的活性材料层的最外面区域的側面。此外，术语"中心区域"表示在集电器的巻绕开始处的一端，即，巻绕的集电器的中心；术语"最外面区域"表示在集电器的巻绕结束处的一端，即，巻绕的集电器的外周边。6因此，根据本发明，内部活性材料层的活性材料的加栽量小于外部活性材料层的活性材料的加载量，并且外部活性材料层的活性材料的加载量是均匀的，而内部活性材料层的活性材料的加载量从中心区域到最外面区域逐渐增加。然而，在活性材料的加载量最大的巻绕末端处，内部活性材料层的活性材料的加载量仍小于外部活性材料层的活性材料的加载量。在一优选实施方案中，内部活性材料层和外部活性材料层具有相同密度，并且内部活性材料层和外部活性材料层之间的活性材料的加载量的差异是基于该内部活性材料层和外部活性材料层之间的厚度差异来确定的。这是因为，当内部活性材料层和外部活性材料层具有不同密度时，制造过程复杂，并且在巻绕过程中，应力会集中于具有相对高密度的活性材料层上。内部活性材料层的活性材料的加载量可在外部活性材料层的活性材料的加载量的40~95%的范围内。这是因为，如果内部活性材料层的活性材料的加栽量太小，电化学反应就极大减少，另一方面，如果内部活性材料层的活性材料的加载量太大，根据本发明所实现的效果就变得没有意义。更优选地，内部活性材料层的活性材料的加载量为在外部活性材料层的活性材料的加栽量的50~85%的范围内。此外，内部活性材料层的活性材料的加载量可从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域增加，使得在每个板的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加栽量为在每个板的外部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量的30~80%。如果在每个板的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量太小的话，则电化学反应就极大减少，另一方面，如果在每个板的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加栽量太大的话，则根据本发明实现的效果就变得无关紧要。更优选的是，内部活性材料层的活性材料的加载量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域增加，使得在每个板的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量是在每个板的外部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量的40~75%。优选地通过以下方法制造凝胶巻将其上形成有活性材料层的阴极板和阳极板巻绕，同时将一分隔板以螺旋形形状布置在阴极板和阳极板之间，并且将巻绕板压缩成其中该巻绕板可被容纳在一棱形壳体中的形状。根据本发明的另一方面，提供了一种包括上述凝胶巻的二次电池。通常，所述凝胶巻适用于以下这样的圆柱形电池或者棱形电池，所述圆柱形电池通过将凝胶巻安装在一圆柱形容器内而制造，所述棱形电池壳内而制造。优选的是，所述二次电池是一种被构造为这样一种结构的棱形电池，在该结构中凝胶巻被安装在一棱形电池壳内。可通过以下方法制造棱形电池将凝胶巻安装在棱形电池壳内，将具有突出的阳极端子的顶盖结合至电池壳的开口上端，然后通过在所述顶盖处形成的电解质注射端口将电解质注入电池壳中。从下文结合附图的详细说明中，可以更加清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，在附图中图l是示出具有凝胶巻安装于其中的棱形电池的分解立体图2是示出根据本发明一优选实施方案，包括具有不同加栽量的活性材料的活性材料层的凝胶巻的典型视图；以及图3是示出在图2的凝胶巻被巻绕之前，其上形成有活性材料层的金属板的典型截面图。具体实施例方式现在，将参考附图详细描述本发明的优选实施方案。然而，应注意的是，本发明的范围不受所示出的实施方案限制。图1是典型示出具有凝胶巻安装于其中的棱形电池的分解立体图。参照图1，棱形电池50被构造为这样的结构，在该结构中凝胶巻型电极组件IO安装在一棱形金属壳20内，具有突出的电极端子(例如，阳极端子)32的顶盖30结合至壳20的开口上端。电极组件IO的阳极经由阳极极耳12电连接至顶盖30上的阳极端子32的下端。阳极端子32通过绝缘构件34与顶盖30绝缘。另一方面，电极组件10的另一电极(例如，阴极)经由阴极极耳14电连接至顶盖30,所述顶盖30由诸如铝或者不锈钢之类的导电材料制成。因此，阴极极耳14用作阴极端子。为了确保电极组件IO和顶盖30之间的电绝缘，除了电极极耳12和14之外，板型绝缘构件40被布置在棱形壳20和电极组件10之间，顶盖30被放到棱形壳20上，并且沿着顶盖30和棱形壳20之间的接触界面进行焊接，以将顶盖30和棱形壳20相互结合。接下来，通过电解质注射端口36将电解质注射到棱形壳20中，所述电解质注射端口36被焊接为密封状态，然后将环氧树脂施加至已焊接区域。从而，制造出一个电池。图2是示出根据本发明一优选实施方案，包括具有不同加载量的活性材料的活性材料层的凝胶巻的典型视图。参照图2,通过以下方法制造凝胶巻100:以螺旋形形状巻绕在其内表面和外表面上形成有活性材料层110和112的金属板120，将巻绕的金属板120压为扁平，即压为其中巻绕的金属板120可被容纳在一棱形壳20内的形状(参见图1)。活性材料层IIO和112形成在金属板120的相对的主表面上。构造两个活性材料层110和112,使得在巻绕在其相对的主表面上形成有活性材料层110和112的金属板120时所构成的金属板120的内表面的内部活性材料层110的活性材料的加载量，小于在巻绕在其相对的主表面上形成有活性材料层110和112的金属板120时所构成的金属板120的外表面的外部活性材料层112的活性材料的加栽量。因此，在金属板120的巻绕过程中，具有相对较小直径的内部活性材料层110的厚度小于外部活性材料层112的厚度。从而，可将由于在金属板120的巻绕过程中所施加至内部活性材料层110的压力而引起的内部活性材料层110的密度增加或者内部活性材料层110结块的现象最小化。而且，内部活性材料层110的活性材料的加栽量小，从而，减少了电解质消耗。因此，可以均匀地调整内部活性材料层110和外部活性材料层112之间的电解质消耗比。图3是示出在图2的凝胶巻被巻绕之前，其上形成有活性材料层的金属板的典型截面图。参照图3，活性材料被施加至金属板120的相对的主表面，使得内部活性材料层110和外部活性材料层112形成在金属板120的相对的主表面上。金属板120被构造为这样的结构，在该结构中，当巻绕金属板120时，内部活性材料层110的活性材料的加载量从巻绕板的中心区域A到该巻绕板的最外面区域B逐渐增加。这种结构实现了即使当压力由于小曲率半径而朝向巻绕的金属板的中心区域A施加时，也可容易地巻绕金属板120，并且从根本上防止活性材料结块或者活性材料的密度大大增加。在下文中，将更加详细地描述本发明的实施例。然而，应注意的是，本发明的范围不受所示出的实施例限制。通过向作为溶剂的N-曱基-2-吡咯烷酮(NMP)添加95重量百分比的LiCo02作为阴极活性材料，2.5重量百分比的Super-P作为导电剂，以及2.5重量百分比的PVdf作为粘合剂，来制备阴极混合物浆体。通过向作为溶剂的NMP添加94重量百分比的人工石墨作为阳极活性材料、1.5重量百分比的Super-P作为导电剂，以及4.5重量百分比的PVdf作为粘合剂，来制备阳极混合物浆体。将所述阴极混合物浆体和阳极混合物浆体分别涂覆到铝板和铜板上。接下来，将所述铝板和铜板干燥并压制。以这样的方式，制造出阴极和阳极。接下来，将所述阴极和阳极巻绕，同时将多孔分隔板(CellGuardTM)布置在所述阴极和阳极之间，以制造凝胶巻型电极组件。此时，将所述阴极混合物浆体和所述阳极混合物浆体分别涂覆、干燥并压制到所述铝板和所述铜板的相对的主表面上，使得在所述铝板和所述铜板的相对的主表面上形成活性材料层。所述凝胶巻型电极组件被制造为如下结构，在该结构中，在巻绕铝板和铜板时所构成的每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量，小于在巻绕的加载量。具体而言，构成每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量是构成每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的10加载量的大约80%。此外，内部活性材料层的活性材料的加栽量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域逐渐增加，使得在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的中心区域的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量，是每个巻绕板的在相应于该每个巻绕板的最外面区域的外部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量的大约65%。接下来，将所制造的凝胶巻型电极组件安装在一棱形电池壳中，将一顶盖结合至所述棱形电池壳，通过电解质注射端口将电解质注入电池壳内，然后密封所述电解质注射端口，从而最终完成一棱形二次电池。以与实施例1相同的方式制造一种棱形二次电池，除了构成每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量，是构成每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的加栽量的大约75%,并且内部活性材料层的活性材料的加载量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域逐渐增加，使得在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的中心区域的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量，是在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的最外面区域的外部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量的大约55%，以制造一凝胶巻型电极组件。以与实施例1相同的方式制造一种棱形二次电池，除了构成每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量完全相等于构成每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的加栽量，并且从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域，外部活性材料层和内部活性材料层的活性材料的加栽量是均匀的，使得在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的中心区域的内部末端处的外部活性材料层和内部活性材料层的活性材料的加载量，相等于在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的最外面区域的外部末端处的外部活性材料层和内部活性材料层的活性材料的加栽量，以制造一凝胶巻型电极组件。以与实施例1相同的方式制造棱形二次电池，除了构成每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量是构成每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的加载量的大约70%，并且从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域的外部活性材料层和内部活性材料层的活性材料的加载量是均匀的，使得在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的中心区域的内部末端处的外部活性材料层和内部活性材料层的活性材料的加载量，相等于在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的最外面区域的外部末端处的外部活性材料层和内'部活性材料层的活性材料的加栽量，以制造一凝胶巻型电极组件。以与实施例1相同的方式制造一种棱形二次电池，除了构成每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量完全等于构成每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的加载量，并且内部活性材料层的活性材料的加栽量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域逐渐增加，使得在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的中心区域的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加栽量，是在每个巻绕板的相应于该每个巻绕板的最外面区域的外部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量的大约50%,以制造一凝胶巻型电极组件。根据实施例l和2以及比较实例1~3制造30个电池。在50X:的温度下以3.0V~4.3V的电压范围将所述电池充电和放电一个循环，然后在3.4V~4.3V的电压范围将其重复充电和放电300次循环。以3.4V~4.3V的电压范围在第一次循环中对电池充电和放电时的电池的放电容量被设定为电池的初始容量，在第300次循环中对电池充电和放电时的电池的容量被设定为电池的剩余容量，并且计算剩余容量和初始容量之比的平均值。在完成实验之后，将电池分解以确认其中由于严重的凝胶巻扭曲而导致在凝胶巻与电池壳(棱形容器)之间或者电极引线之间发生短路的电池的数目。结果在下面的表1中示出。<表1><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>从以上的表1中可以看到，根据实施例1和2所制造的电池呈现出相比于根据比较实例1~3所制造的电池更高的安全性和循环特性。也可以看到，根据比较实例2和3所制造的电池呈现出相比于根据比较实例1所制造的电池更高的安全性和循环特性；然而，根据比较实例1和2所制造的电池的安全性和循环特性远远低于才艮据实施例1和2所制造的电池的安全性和循环特性。在完成实验之后，当电池被分解时，观察凝胶巻的状态，可确认的是，在根据比较实例1~3制造的电池中，对于许多电池而言，凝胶巻被扭曲，并且在巻绕板的中心区域处出现折皱。另一方面，可确认的是，对于根据实施例1和2制造的电池而言，发生凝胶巻扭曲和折皱相当地少。工业适用性正如从上述说明中显而易见的，根据本发明的包括具有不同加载因此，本发明具有防止出现凝胶巻扭曲的效果。而且，外部区域和内部区域之间的活性材料的加载量被均匀地保持。因此，本发明具有极大地提高电池容量和使用寿命的效果。尽管本发明的优选实施方案已出于示例性目的被公开，本领域的普通技术人员应理解到可以做出各种修改、添加和替代，而不偏离如所附权利要求中所公开的本发明的范围和主旨。权利要求1.一种阴极/分隔板/阳极结构的凝胶卷型电极组件(“凝胶卷”)，其中所述凝胶卷被构造为这样的结构，在该结构中，每个电极具有在板型集电器的相对的主表面上形成的活性材料层，在卷绕每个板时构成该每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量小于在卷绕每个板时构成该每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的加载量，并且内部活性材料层的活性材料的加载量从每个卷绕板的中心区域到该每个卷绕板的最外面区域逐渐增加。2.根据权利要求1所述的凝胶巻，其中所述内部活性材料层和外部活性材料层具有相同密度，并且内部活性材料层和外部活性材料层之间的活性材料的加载量的差异是基于该内部活性材料层和该外部活性材料层之间的厚度差异来确定的。3.根据权利要求1所述的凝胶巻，其中所述内部活性材料层的活性材料的加载量为在所述外部活性材料层的活性材料的加载量的40~95。/。的范围内。4.根据权利要求3所述的凝胶巻，其中所述内部活性材料层的活性材料的加载量为在所述外部活性材料层的活性材料的加载量的50~80%的范围内。5.根据权利要求1所述的凝胶巻，其中所述内部活性材料层的活性材料的加载量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域增加，使得在每个板的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量是在每个板的外部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量的30~80%。6.根据权利要求5所述的凝胶巻，其中所述内部活性材料层的活性材料的加载量从每个巻绕板的中心区域到该每个巻绕板的最外面区域增加，使得在每个板的内部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量是在每个板的外部末端处的内部活性材料层的活性材料的加载量的40~75%。7.根据权利要求1所述的凝胶巻，其中所述凝胶巻被巻绕为圆柱形形状，然后被压为棱形形状。8.—种包括根据权利要求1~7中任一权利要求所述的凝胶巻的二次电池。9.根据权利要求8所述的二次电池，其中所述二次电池被构造为其中所述凝胶巻被安装在一个棱形电池壳内的结构。全文摘要本发明公开了一种阴极/分隔板/阳极结构的凝胶卷型电极组件(“凝胶卷”)，其中所述凝胶卷被构造为这样的结构，在该结构中，每个电极具有在板型集电器的相对的主表面上形成的活性材料层，在卷绕每个板时构成该每个板的内表面的内部活性材料层的活性材料的加载量小于在卷绕每个板时构成该每个板的外表面的外部活性材料层的活性材料的加载量，并且内部活性材料层的活性材料的加载量从每个卷绕板的中心区域到该每个卷绕板的最外面区域逐渐增加。文档编号H01M10/04GK101652893SQ200880009668公开日2010年2月17日申请日期2008年3月24日优先权日2007年3月26日发明者尹星弼,尹贤国,成周桓,李道炫,秋承佑,金东明,金容呈,金钟僖申请人:株式会社Lg化学