电极组件和包含其的电化学电池的制作方法

电极组件和包含其的电化学电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电极组件和包含其的电化学装置，所述电极组件通过堆叠折叠法或堆叠法之外的第三种方法制得。所述电极组件包含至少一个基本单元。所述基本单元具有通过依次堆叠第一电极、第一隔膜、第二电极和第二隔膜而得到的四层结构。
【专利说明】电极组件和包含其的电化学电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电极组件和包含其的电化学电池(electrochemical cell),所述电极组件是通过堆叠折叠法和堆叠法之外的第三种方法制造的。
【背景技术】
[0002]本申请要求在韩国知识产权局于2012年5月23日提交的韩国专利申请10-2012-0055073号和2013年5月23日提交的韩国专利申请10-2013-0058164号的优先权，通过参考将其内容并入本文中。
[0003]二次电池作为电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)、并联式混合动力车辆(PHEV)等的电源引起了关注，已经建议将所述车辆作为解决由于通常使用的利用化石燃料的汽油车辆、柴油车辆等造成的诸如环境污染的缺陷的替代。在中型和大型装置如汽车中，由于需要高功率和高容量而使用其中多个电池单元(battery cells)电连接而成的中型和大型电池模块。
[0004]然而，由于需要以具有小尺寸和轻重量的方式制造中型和大型电池模块，所以广泛地将可以进行高度堆叠并在与容量相比时重量轻的方形电池、袋形电池等用作中型和大型电池模块的电池单元。
[0005]在电池单元的情况中，包括电极组件。通常，根据包含正极/隔膜/负极结构的电极组件的结构对电极组件进行分类。 [0006]典型地，可将电极组件分为:卷状(卷绕型)电极组件，其中将具有长片状的正极和负极与插入的隔膜一起进行卷绕；堆叠型(层压型)电极组件，其中将多个正极和负极与插入的隔膜一起切割成特定尺寸的单元并依次堆叠；和堆叠/折叠型电极组件。
[0007]首先，对在由本 申请人:提交的韩国专利申请公布2001-0082058、2001-0082059和2001-0082060号中公开的堆叠/折叠型电极组件进行说明。
[0008]参考图1，堆叠/折叠结构的电极组件I包含多个重叠的全电池(full cells)2、
3、4…(下文中，将称作“全电池”)作为单元电池(unit cells)，其中依次布置正极/隔膜/负极。在各个重叠部分中，插入隔膜片5。隔膜片5具有可卷绕全电池的单位长度(unitlength)。从中心全电池Ib开始的隔膜片5向内弯曲单位长度，同时将各个全电池连续卷绕到最外部的全电池4，从而使其插入全电池的重叠部分中。通过进行热焊接或使用粘合带6进行附着来完成隔膜片5的末端(distal)部分。通过例如将全电池2、3、4…设置在具有长长度的隔膜片5上并从隔膜片5的一个端部依次进行卷绕，制造堆叠/折叠型电极组件。然而，在这种结构中，可能在中心部中的全电池la、lb和2与设置在外部的全电池3和4之间产生温度梯度，从而产生不同的散热效率。由此，当长时间使用时，电极组件的寿命会缩短。
[0009]通过使用两个层压设备用于制造各个电极组件、并使用一个另外的折叠设备作为单独的设备，实施电极组件的制造方法。因此，该制造方法的节拍时间(tack time)的缩短存在限制。特别地，在通过折叠完成堆叠结构的结构中，上下设置的电极组件的精准对齐存在困难。由此，制造具有可靠品质的组件非常困难。
[0010]S卩，对于使用折叠方法的电极组件的结构，需要单独的折叠设备。当应用双电池(bicell)结构时，制造并堆叠两种类型的双电池(即A型和C型)。在进行折叠之前，一个双电池距设置在长隔膜片上的另一个双电池之间的距离的保持是非常困难的任务。即，上单元电池与下单元电池(全电池或双电池)之间的精准对齐变得困难。当制造高容量电池时，需要大量时间以改变类型。
[0011]接下来，将对堆叠型电极组件进行说明。由于堆叠型电极组件在本领域内是广泛已知的，所以仅对堆叠型电极组件的缺陷进行简要说明。
[0012]通常，在堆叠型电极组件中，隔膜的长度和宽度大于电极的长度和宽度。将隔膜堆叠在具有与隔膜长度和宽度相对应的尺寸的料台(magazine)或夹具上，并重复进行电极在隔膜上的堆叠工序以制造堆叠型电极组件。
[0013]然而，当通过上述方法制造堆叠型电极组件时，需要将电极和隔膜依次进行堆叠。由此，工作时间增加从而明显降低产率。另外，将所述多个隔膜通过长度和宽度进行对齐是可能的。然而，由于将放置在隔膜上的电极精准对齐的料台或夹具是不存在的，所以设置在堆叠型电极组件中的所述多个电极可能不对齐而是可能发生位错。
[0014]另外，由于横过隔膜的正极和负极的面发生位错，所以在涂布于正极和负极表面上的活性材料区域的一部分中可能不发生电化学反应。由此，电池单元的效率劣化。

【发明内容】

[0015]技术问题
[0016]考虑上述缺陷，本发明的一方面提供一种电极组件和包含所述电极组件的电化学装置，所述电极组件具有可通过简单方法并在低成本下制造的结构。
[0017]本发明的另一方面提供一种电极组件和包含所述电极组件的电化学装置，其中在其中心部与外部之间的温度差不大，且装置的寿命长。
[0018]本发明的另一方面提供一种电极组件和包含所述电极组件的电化学装置，其中多个电极精准对齐且所述装置的效率高。
[0019]技术方案
[0020]根据本发明的一方面,提供一种包含至少一个基本单元(radical unit)的电极组件。所述基本单元具有通过依次堆叠第一电极、第一隔膜、第二电极和第二隔膜而得到的四层结构。
[0021 ] 另外，所述基本单元可通过将电极和隔膜相互附着而形成。
[0022]另外，通过对电极和隔膜加压、或者通过在电极和隔膜上施加压力和热，可以进行电极和隔膜的附着。
[0023]另外，所述隔膜可以涂布有具有胶粘性的涂布材料。
[0024]另外，所述涂布材料可以为无机粒子和粘合剂聚合物的混合物。
[0025]另外，第一隔膜的面向第一电极和第二电极的两个侧面可都涂布有所述涂布材料，且第二隔膜的面向第二电极的一个侧面可涂布有所述涂布材料。
[0026]另外，第一隔膜的面向第一电极和第二电极的两个侧面可都涂布有所述涂布材料，且第二隔膜的面向第二电极的一个侧面和其相反侧面可涂布有所述涂布材料。所述电极组件可通过堆叠至少两个基本单元而得到，且所述基本单元可以通过第二隔膜的涂布材料而相互附着。
[0027]另外，所述基本单元可通过重复堆叠所述四层结构而得到。
[0028]另外，电极组件可以还包含堆叠在第一末端电极上的第一辅助单元(auxiliaryunit)。所述第一末端电极可以为设置在电极组件最上部或最下部处的第一电极。当第一电极为正极且第二电极为负极时，可通过从第一末端电极依次堆叠隔膜、负极、隔膜和正极而形成所述第一辅助单元。当第一电极为负极且第二电极为正极时，可通过从第一末端电极依次堆叠隔膜和正极而形成所述第一辅助单元。
[0029]另外，第一辅助单元的正极可以包含集电器和仅涂布在集电器的两个侧面中面向基本单元的一个侧面上的正极活性材料。
[0030]另外，电极组件可还包含堆叠在第一末端电极上的第一辅助单元。所述第一末端电极可以为设置在电极组件最上部或最下部处的第一电极。当第一电极为正极且第二电极为负极时，可通过从第一末端电极依次堆叠隔膜、负极和隔膜而形成第一辅助单元。
[0031]另外，电极组件可还包含堆叠在第二末端隔膜上的第二辅助单元。所述第二末端隔膜可以为设置在电极组件最上部或最下部处的第二隔膜。当第一电极为正极且第二电极为负极时，可通过从第二末端隔膜依次堆叠负极、隔膜和正极而形成第二辅助单元。
[0032]另外，第二辅助单元的正极可以包含集电器和仅涂布在集电器的两个侧面中面向基本单元的一个侧面上的正极活性材料。
[0033]另外，电极组件可以还包含堆叠在第二末端隔膜上的第二辅助单元。所述第二末端隔膜可以为设置在电极组件最上部或最下部处的第二隔膜。当第一电极为正极且第二电极为负极时，可通过从第二末端隔膜依次堆叠第一正极、隔膜、负极、隔膜和第二正极而形成第二辅助单元。第二辅助单元的第二正极可以包含集电器和正极活性材料。所述正极活性材料可以仅涂布在集电器的两个侧面中面向基本单元的一个侧面上。
[0034]另外，电极组件可以还包含堆叠在第二末端隔膜上的第二辅助单元。所述第二末端隔膜可以为设置在电极组件最上部或最下部处的第二隔膜。当第一电极为负极且第二电极为正极时，可通过从第二末端隔膜依次堆叠负极、隔膜、正极、隔膜和负极而形成第二辅助单元。
[0035]另外，电极组件可以还包含固定部件以用于固定电极组件的侧面部或前面部。
[0036]另外，所述固定部件可以包含聚合物带以用于缠绕(taping)电极组件的侧面部或前面部。
[0037]另外，第一电极和第二电极可以包含集电器和涂布在集电器两个侧面上的活性材料。
[0038]另外，所述隔膜可以选自:聚乙烯膜；聚丙烯膜；通过将聚乙烯膜和聚丙烯膜组合而得到的多层膜；以及聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物电解质用聚合物膜。所述膜可以包含微孔。
[0039]另外，通过使用包含Li2MnO3和LiMO2的正极浆料可以形成正极活性材料。
[0040]根据本发明的另一个方面，提供一种包含任意一种上述电极组件的电化学装置。
[0041]另外，所述电化学装置可以为二次电池、包含多个二次电池的电池模块或包含多个电池模块的电池组。[0042]有益效果
[0043]根据本发明，可以提供一种电极组件和包含其的电化学装置，所述电极组件具有可通过简单方法并在低成本下制造的结构。
[0044]另外，可以提供一种电极组件和包含其的电化学装置，所述电极组件在其中心部和外部之间的温度差不大且寿命长。
[0045]另外，可以提供一种电极组件和包含其的电化学装置，在所述电极组件中多个电极精准对齐且组装效率高。
【专利附图】

【附图说明】
[0046]图1是根据相关技术的具有堆叠/折叠型结构的电极组件的示意图；
[0047]图2是根据本发明的基本单元的第一结构的侧视图；
[0048]图3是根据本发明的基本单元的第二结构的侧视图；
[0049]图4显示了制造根据本发明的基本单元的方法；
[0050]图5是显示根据本发明的电极组件的第一结构的侧视图，所述电极组件包含基本单元和第一辅助单元；
[0051]图6是显示根据本发明的电极组件的第二结构的侧视图，所述电极组件包含基本单元和第一辅助单元；
[0052]图7是显示根据本发明的电极组件的第三结构的侧视图，所述电极组件包含基本单元和第二辅助单元；
[0053]图8是显示根据本发明的电极组件的第四结构的侧视图，所述电极组件包含基本单元和第二辅助单元；
[0054]图9是显示根据本发明的电极组件的第五结构的侧视图，所述电极组件包含基本单元、第一辅助单元和第二辅助单元；
[0055]图10是显示根据本发明的电极组件的第六结构的侧视图，所述电极组件包含基本单元和第一辅助单元；
[0056]图11是显示根据本发明的电极组件的第七结构的侧视图，所述电极组件包含基本单元和第二辅助单元；且
[0057]图12是根据本发明的电极组件的固定结构的示意图。
【具体实施方式】
[0058]现在将参考附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明。然而，本发明不能约束为或限制为如下示例性实施方式。
[0059]电极组件(参见图5中的100a)包含至少一个基本单元(参见图2中的IIOa等)。BP,电极组件100包含一个基本单元110或至少两个基本单元110。通过对基本单元110进行堆叠来形成电极组件100。例如，通过将一个基本单元110堆叠在另一个基本单元110上可以形成电极组件100。如上所述，通过对作为单元的基本单元110进行堆叠来形成电极组件100。即，预先形成基本单元110、然后依次堆叠以形成电极组件100。
[0060]如上所述，根据该例示性实施方式的电极组件100具有的基本特征在于对用于其制造的基本单元110进行重复堆叠。通过上述方法制造电极组件100，可以实现其中基本单元110可以精密对齐且生产率可以提高的优势。
[0061]通过依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114形成基本单元110。如上所述，基本单元110基本包含四层结构。更特别地，所述基本单元110可以通过如图2中所示从上部到下部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114来形成，或可以通过如图3中所示从下部到上部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114来形成。在此情况中，第一电极111和第二电极113具有彼此相反的电极。例如，当第一电极111为正极时，第二电极113为负极。当然，也可以是相反的情况。
[0062]包含在基本单元110中的第一电极111包含集电器和活性材料层(活性材料)，且活性材料层涂布在集电器的两个面上。类似地，包含在基本单元110中的第二电极113包含集电器和活性材料层(活性材料)。活性材料层涂布在集电器的两个侧面上。
[0063]同时，通过如下方法可以形成基本单元110 (参见图4)。首先，准备第一电极材料121、第一隔膜材料122、第二电极材料123和第二隔膜材料124。在此情况中，将电极材料121和123切割成特定尺寸以形成电极111和113，下文中将对其进行说明。类似地，将隔膜材料122和124切割成特定尺寸。为了过程的自动控制，电极材料和隔膜材料可以优选具有在辊上的卷绕形状。在准备材料之后，利用切割机C1将第一电极材料121切割成特定尺寸。然后，利用切割机C2将第二电极材料123也切割成特定尺寸。然后，将具有特定尺寸的第一电极材料121供应到第一隔膜材料122上。将具有特定尺寸的第二电极材料123也供应到第二隔膜材料124上。然后，将所有材料都供应到层压机L1和L2。
[0064]如上所述，通 过重复堆叠基本单元110形成电极组件100。然而，当将构成基本单元110的电极和隔膜相互分开时，基本单元110的重复堆叠可能会非常困难。因此，在形成基本单元110时可优选将电极与隔膜进行相互附着。将层压机L1和L2用于将电极和隔膜相互附着。即，层压机1^和1^2向材料施加压力、或者施加热和压力以完成电极材料与隔膜材料的附着。利用层压机L1和L2将电极材料和隔膜材料相互附着。通过附着，基本单元110可以更稳定地保持自身形状。
[0065]最后，通过使用切割机C3将第一隔膜材料122和第二隔膜材料124两者都切割成特定尺寸。通过该切割，可以形成基本单元110。对于该基本单元110可以另外进行各种检查。例如，可以另外对厚度、外观、短路等进行检查。
[0066]同时，可以利用具有胶粘性的涂布材料对隔膜(隔膜材料)的表面进行涂布。在此情况中，涂布材料可以为无机粒子和粘合剂聚合物的混合物。无机粒子可以提高隔膜的热稳定性。即，无机粒子可以防止隔膜在高温下收缩。另外，粘合剂聚合物可以固定无机粒子。因此，无机粒子可以包含特定的孔结构。由于所述孔结构，使得即使将无机粒子涂布在隔膜上，离子仍可平稳地从正极移动到负极。另外，粘合剂聚合物可以将无机粒子稳定地保持在隔膜上，以提高隔膜的机械稳定性。此外，粘合剂聚合物可以将隔膜更稳定地附着在电极上。作为参考，可以通过使用聚烯烃类隔膜基材形成所述隔膜。
[0067]然而，如图2和3中所示，在第一隔膜112的两个侧面设置电极111和113。然而，仅将一个电极113设置在第二隔膜114的一个侧面。因此，可以将涂布材料涂布在第一隔膜112的两个侧面上，同时可以将涂布材料涂布在第二隔膜114的一个侧面上。即，可以利用涂布材料对第一隔膜112的面向第一电极111和第二电极113的两个侧面进行涂布，并利用涂布材料对第二隔膜114的面向第二电极113的一个侧面进行涂布。
[0068]如上所述，当在基本单元内完成时，通过使用涂布材料而进行附着就可足够。因此，按上述仅对第二隔膜114的一个侧面进行涂布。只不过，由于可通过应用诸如热压的方法来完成基本单元间的粘合，所以可以根据情况需要对第二隔膜114的两个侧面进行涂布。即，可以将涂布材料涂布在第二隔膜114的面向第二电极113的一个侧面上和其相反侧面上。在此情况中，设置在上部处的基本单元和设置在其紧下方的基本单元可以通过在第二隔膜外表面上的涂布材料进行附着。
[0069]作为参考，当将具有胶粘性的涂布材料涂布在隔膜上时，不建议使用物体直接在隔膜上加压。通常，隔膜从电极向外伸展。一种尝试可以是，将第一隔膜112的末端部分和第二隔膜114的末端部分相互结合。例如，可尝试利用超声波焊接对第一隔膜112的末端部分和第二隔膜114的末端部分进行焊接。对于超声波焊接，需要使用焊头(horn)直接对目标进行加压。然而，当通过使用焊头直接对隔膜的末端部分加压时，焊头可能会因具有胶粘性的涂布材料而附着至隔膜。在此情况中，设备会断裂。因此，当将具有胶粘性的涂布材料涂布在隔膜上时，通过使用物体直接在隔膜上施加压力是不优选的。
[0070]另外，基本单元110并不一定包含四层结构。例如，基本单元110可以具有通过依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113、第二隔膜114、第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114而形成的八层结构。即，基本单元110可以具有通过重复堆叠所述四层结构而形成的结构。如上所述，电极组件100可以通过重复堆叠基本单元110而形成。因此，电极组件100可以通过重复堆叠四层结构而形成，或者电极组件100可以通过重复堆叠例如八层结构而形成。
[0071]同时，电极组件100可以还包含第一辅助单元130和第二辅助单元140中的一种。首先，对第一辅助单元130进行说明。通过从上部到下部或从下部到上部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114形成基本单元110。当通过重复堆叠基本单元110形成电极组件100时，第一电极116 (下文中称作“第一末端电极”)可以设置在电极组件100的最上部(参见图2)或最下部(参见图3)(所述第一末端电极可以为正极或负极)。第一辅助单元130可以另外堆叠在第一末端电极116上。
[0072]更特别地，如图5中所示，当第一电极111为正极且第二电极113为负极时，可通过从第一末端电极116即从第一末端电极116到外部(到图5中的上部)依次堆叠隔膜114、负极113、隔膜112和正极111而形成第一辅助单元130a。另外，如图6中所示，当第一电极111为负极且第二电极113为正极时,可通过从第一末端电极116即从第一末端电极116到外部依次堆叠隔膜114和正极113而形成第一辅助单元130b。如图5和6中所示，在电极组件100中，由于第一辅助单元130从而可将正极设置在第一末端电极116的最外部。
[0073]通常，电极包含集电器和活性材料层(活性材料)，且将活性材料层涂布在集电器的两个侧面上。由此，在图5中在正极的活性材料层中设置在集电器下面的活性材料层与正极的活性材料层中设置在集电器上的活性材料层通过隔膜发生反应。当通过制造相同的基本单元110并依次对其进行堆叠来形成电极组件100时，设置在电极组件100最上部或最下部处的第一末端电极可以包含在集电器两个侧面上的活性材料层以作为另一第一电极。然而，当第一末端电极具有包含涂布在集电器两个侧面上的活性材料层的结构时，在第一末端电极的活性材料层中设置在外部的活性材料层可以不与另一活性材料层反应。由此，可能产生活性材料层的浪费。
[0074]为了解决上述缺陷而提供了第一辅助单元130。即，所述第一辅助单元130由基本单元110单独地形成。由此，第一辅助单元130可以包含如下正极，所述正极包含仅形成在集电器一个侧面上的活性材料层。即，第一辅助单元130可以包含含有活性材料层的正极，所述活性材料层仅涂布在集电器的两个侧面中面向基本单元110的一个侧面(图5中面向下部的侧面)上。因此，当通过另外将第一辅助单元130堆叠在第一末端电极116上形成电极组件100时，可以设置仅在第一末端电极116的一个最外侧面上包含涂层的正极。由此，浪费活性材料层的缺陷得以解决。由于正极具有释放例如镍离子的构造，所以当考虑电池容量时优选将正极设置在最外部。
[0075]然后，对第二辅助单元140进行说明。第二辅助单元140基本显示与第一辅助单元130相同的功能。更特别地，通过从上部到下部或从下部到上部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114形成基本单元110。当通过重复堆叠基本单元110形成电极组件100时，第二隔膜117(下文中称作“第二末端隔膜”)可以设置在电极组件100的最上部(参见图3)或最下部(参见图2)。第二辅助单元140可以另外堆叠在第二末端隔膜117上。
[0076]更特别地，如图7中所示，当第一电极111为正极且第二电极113为负极时，可以形成第二辅助单元140a以作为正极111。另外，如图8中所示，当第一电极111为负极且第二电极113为正极时，通过从第二末端隔膜117即从第二末端隔膜117到外部(到图8中的下部)依次堆叠负极111、隔膜112和正极113可形成第二辅助单元140b。第二辅助单元140可以还包含含活性材料层的正极，所述活性材料层仅涂布在集电器的两个侧面中面向基本单元110的一个侧面(图8中面向上部的一个面)上，如同第一辅助单元130。当通过另外将第二辅助单元140堆叠在第二末端隔膜117上来形成电极组件100时，可以将仅在一个侧面上包含涂层的正极设置在第二末端隔膜117的最外部。
[0077]作为参考，在图5和6以及7和8中，显示了从上部到下部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114的堆叠结构。相反，通过与上述相同的方式可以解释从下部到上部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114的堆叠结构。第一辅助单元130和第二辅助单元140还可以根据情况需要在最外部包含隔膜。例如，当设置在最外部的正极需要与壳体电绝缘时，第一辅助单元130和第二辅助单元140可在正极的最外部还包含隔膜。鉴于这种原因，在暴露在与第二辅助单元140的堆叠部分相反侧(图7中的电极组件的最上部)的正极中可还包含隔膜。
[0078]同时，优选按图9?11中所示制造电极组件。首先，可形成如图9中所示的电极组件100e。通过从下部到上部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114可形成基本单元110b。在此情况中，第一电极111可以为正极且第二电极113可以为负极。通过从第一末端电极116即如图9中从上部到下部依次堆叠隔膜114、负极113、隔膜112和正极111可形成第一辅助单元130c。在此情况中，第一辅助单元130c的正极111可以包含仅形成在面向基本单元IlOb的一个侧面上的活性材料层。
[0079]另外，通过从第二末端隔膜117并在图9中从下部到上部依次堆叠正极111 (第一正极)、隔膜112、负极113、隔膜114和正极118(第二正极)可形成第二辅助单元140c。在此情况中，设置在第二辅助单元140c的最外部的正极118 (第二正极)可以包含仅形成在面向基本单元IlOb的一个侧面上的活性材料层。作为参考，当辅助单元包含隔膜时，可以容易地进行电池的对齐。
[0080]然后，可以形成如图10中所示的电极组件IOOf。通过从下部到上部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114可形成基本单元110b。在此情况中，第一电极111可以为正极且第二电极113可以为负极。通过从第一末端电极116依次堆叠隔膜114、负极113和隔膜112可形成第一辅助单元130d。在此情况中，可不提供第二辅助单元。作为参考，由于电位差而使得负极可能与电极壳体(例如袋)的铝层反应。因此，优选利用隔膜使得负极与电极壳体绝缘开。
[0081]最后，形成如图11中所示的电极组件100g。通过从上部到下部依次堆叠第一电极111、第一隔膜112、第二电极113和第二隔膜114可形成基本单元110c。在此情况中，第一电极111可以为负极且第二电极113可以为正极。通过从第二末端隔膜117依次堆叠负极
111、隔膜112、正极113、隔膜114和负极119可形成第二辅助单元140d。在此情况中，可不
提供第一辅助单元。
[0082]参考图12，下面将对根据本发明的电极组件的固定结构进行说明。
[0083]根据本发明的电极组件100可以还包含固定部件Tl以用于固定电极组件100的侧面部或前面部，所述电极组件100包含基本单元110或具有基本单元110的堆叠结构。
[0084]为了确保堆叠结 构的稳定性，可以在电极组件100的侧面部使用单独的构件对其进行固定。通过如图12(a)中所示对堆叠的电极组件100的整个侧面进行缠绕或通过如图12(b)中所示使用固定部件T2仅对电极组件100的侧面部进行固定，可以完成所述固定。另外，可以将聚合物带用作图12(a)和12(b)中的固定部件。
[0085]下文中，将对根据本发明的电极组件100的构成要素的特定材料和构造特征进行说明。
[0086][正极结构]
[0087]设置在基本单元中的电极分为正极和负极，并通过将正极和负极与插入其间的隔膜组合来制造基本单元。例如通过将正极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物的浆料涂布在正极集电器上、干燥并压制可以制造正极。可以根据情况需要将填料添加到混合物中。当以安装在辊上的片状形式完成正极时，可以提高基本单元的制造速率。
[0088][正极集电器]
[0089]通常将正极集电器制成约3~500 μ m的厚度。关于正极集电器，可以使用不会诱发电池的化学变化并具有高电导率的材料而没有限制。例如，可以使用如下物质:不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；经碳、镍、钛、银进行表面处理的铝或不锈钢材料等。通过在正极集电器表面上形成细小的压纹可以提高正极活性材料的胶粘性。正极集电器可以具有诸如膜、片、箔、网、多孔材料、泡沫材料和无纺材料等的各种形状。
[0090][正极活性材料]
[0091]锂二次电池用正极活性材料可以包含例如如下而无限制:锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)等的层状化合物或者被一种或多种过渡金属置换的所述化合物；锂锰氧化物如Li1+xMn2_x04(其中X为O~0.33)、LiMnO3^ LiMn2O3以及LiMnO2等；锂铜氧化物(Li2CuO2);钒氧化物如 LiV3O8, LiFe3O4' V2O5 和 Cu2V2O7 等；由化学式 LiNDxO2 (其中 M =Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga, x = 0.01~0.3)表示的Ni位点型锂镍氧化物；由化学式LiMn2_xMx02 (其中 M = Co、N1、Fe、Cr、Zn 或 Ta，x = 0.01 ~0.1)或 Li2Mn3MO8 (其中 M = Fe、Co、N1、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；其中一部分Li被碱土金属离子置换的LiMn2O4 ；二硫化合物；以及Fe2 (MoO4) 3等。
[0092]通常，基于混合物的总量，以I~50重量％的量将导电材料添加到包含正极活性材料的混合物中。可以使用具有导电性而不会诱发电池的化学变化的任意导电材料而没有限制。例如，可以使用石墨如天然石墨、合成石墨等；炭黑如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉黑、灯黑和热裂法炭黑等；导电纤维如碳纤维和金属纤维等；金属粉末如氟化碳粉末、铝粉末和镍粉末等；导电晶须如钛酸钾等；导电金属氧化物如二氧化钛等；和导电材料如聚亚苯基衍生物等。
[0093]粘合剂是帮助活性材料与导电材料的结合以及与集电器的结合的组分，且基于包含正极活性材料的混合物的总量，通常以约I~50重量％的量包含所述粘合剂。粘合剂的实例可包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯聚合物(EPDM)、磺化的EPDM、丁苯橡胶、氟橡胶、各种共聚物等。
[0094]填料是抑制正极膨胀的组分、并可选择性地使用。可以使用不会诱发电池的化学变化并具有纤维相的材料而没有限制。例如，可使用烯烃类聚合物如聚乙烯、聚丙烯等；纤维相材料如玻璃纤维、碳纤维等。
[0095][负极结构]
[0096]通过将负极活性材料涂布在负极集电器上、干燥并压制可以制造负极。可以根据情况需要选择性地包含导 电材料、粘合剂、填料等。当以可能安装在辊上的片状形式形成负极时，可以提闻基本单兀的制造速率。
[0097][负极集电器]
[0098]通常将负极集电器制成约3~500 μ m的厚度。关于负极集电器，可以使用不会诱发电池的化学变化并具有高电导率的材料而没有限制。例如，可以使用铜；不锈钢；铝；镍；钛；烧结碳；经碳、镍、钛、银进行表面处理的铜或不锈钢材料；以及铝-镉合金等。此外，如同正极集电器，通过在负极集电器表面上形成细小的压纹可以提高负极活性材料的胶粘性。负极集电器可以具有诸如膜、片、箔、网、多孔材料、泡沫材料、无纺材料等的各种形状。
[0099][负极活性材料]
[0100]负极活性材料可以包含例如:碳如非石墨化碳、石墨基碳等；金属复合氧化物如LixFe2O3 (O ≤ X ≤ I)'LixWO2 (O ≤ x ≤ I)和 SnxMe1^xMeJ y0z (Me:Mn,Fe,Pb,Ge ;Me，:Al，B，P，Si，周期表中的I族、2族和3族中的元素、卤素；0〈x≤1，1≤y≤3且I≤z≤8)等；锂金属；锂合金；娃基合金；锡基合金；金属氧化物如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4' Sb2O5' Ge。、GeO2, Bi2O3' Bi2O4' Bi2O5 等；导电聚合物如聚乙炔等；以及 L1-Co-Ni 基材料等。
[0101][隔膜]
[0102]隔膜通过进行折叠工序或卷绕工序之外的简单堆叠工序以完成简单堆叠而形成基本单元。特别地，通过在层压机中加压(或通过加压和加热)可以完成隔膜与电极的附着。根据上述工序，使得电极与隔膜片之间的稳定界面接触成为可能。[0103]可以将显示绝缘性并具有用于离子移动的多孔结构的任意材料用于制造隔膜。例如，可以使用具有高离子透过率和机械强度的薄绝缘膜。隔膜或隔膜片的孔径通常为约
0.01?10 μ m且其厚度通常为约5?300 μ m。
[0104]关于隔膜，例如可以使用烯烃类聚合物如耐化学性和疏水性的聚丙烯等；通过使用玻璃纤维、聚乙烯等制成的片或无纺布。当使用诸如聚合物的固体电解质作为电解质时，所述固体电解质可还充当隔膜。优选地，可以使用聚乙烯膜；聚丙烯膜；或通过将所述膜组合而得到的多层膜；或用于聚合物电解质或胶凝型聚合物电解质的聚合物膜如聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物。
[0105]下文中，将对其中可应用根据本发明的电极组件100的电化学装置进行说明。
[0106]根据本发明的电极组件100可以应用于通过正极与负极的电化学反应而产生电力的电化学电池中。电化学电池的典型实例包括特级电容器、超级电容器、二次电池、燃料电池、所有类型的传感器、电解用设备、电化学反应器等。尤其优选二次电池。
[0107]二次电池具有如下结构，其中呈现浸溃有含离子的电解质的状态的可充电/可放电电极组件内置入电池壳中。在优选实施方式中，二次电池可以为锂二次电池。
[0108]近来，锂二次电池作为大型装置和小型移动装置的电源引起了极大关注。轻质锂二次电池可优选用于这些领域中。作为降低二次电池的重量的一种方法，可以使用将电极组件包含在铝层压片的袋型壳体中的内置结构。由于锂二次电池的特征在本领域内是熟知的，所以省略关于锂二次电池的说明。
[0109]另外，如上所述，当将锂二次电池用作中型和大型装置的电源时，最大程度地抑制长时间运行时性能的劣化、具有良好寿命性能并具有可以较低成本批量生产的结构的二次电池可能是优选的。从该点考虑，优选将包含本发明电极组件的二次电池用作中型和大型电池模块中的单元电池。
[0110]可以将包含含有多个二次电池的电池模块的电池组用作选自如下的至少一种中型和大型装置中的电源:电动工具；电动车辆，选自电动车辆(EV)、混合动力车辆(HEV)和插电式混合动力车辆(PHEV)；电动自行车；电动滑板车；电动高尔夫球车；电动卡车；以及电动商业车辆。
[0111]所述中型和大型电池模块由多个以串联体系或串联/并联体系连接以提供高输出和高容量的单元电池构成。关于这些特征的技术在本领域内是熟知的。因此，在本申请中将省略对所述特征的说明。
[0112]尽管已经结合例示性实施方式对本发明进行了示出和说明，但对本领域技术人员明显的是，在不背离由附属权利要求书限定的本发明的主旨和范围的条件下能够完成变体和变化。
【权利要求】
1.一种包含至少一个基本单元的电极组件，所述基本单元具有通过依次堆叠第一电极、第一隔膜、第二电极和第二隔膜而得到的四层结构。
2.如权利要求1所述的电极组件，其中所述基本单元是通过将所述电极和所述隔膜相互附着而形成。
3.如权利要求2所述的电极组件，其中所述电极与所述隔膜的附着是通过对所述电极和所述隔膜加压或者通过在所述电极和所述隔膜上施加压力和热而进行。
4.如权利要求2所述的电极组件，其中所述隔膜涂布有具有胶粘性的涂布材料。
5.如权利要求4所述的电极组件，其中所述涂布材料为无机粒子和粘合剂聚合物的混合物。
6.如权利要求4所述的电极组件，其中所述第一隔膜的面向所述第一电极和所述第二电极的两个侧面都涂布有所述涂布材料，且所述第二隔膜的面向所述第二电极的一个侧面涂布有所述涂布材料。
7.如权利要求4所述的电极组件，其中所述第一隔膜的面向所述第一电极和所述第二电极的两个侧面都涂布有所述涂布材料，且所述第二隔膜的面向所述第二电极的一个侧面和其相反侧面涂布有所述涂布材料， 所述电极组件是通过堆叠至少两个基本单元而得到的，且所述基本单元通过所述第二隔膜的涂布材料而相互附着。
8.如权利要求1所述的电极组件，其中所述基本单元是通过重复堆叠所述四层结构而得到。
9.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件还包含堆叠在第一末端电极上的第一辅助单元，所述第一末端电极为设置在所述电极组件最上部或最下部处的第一电极， 当所述第一电极为正极且所述第二电极为负极时，所述第一辅助单元是通过从所述第一末端电极依次堆叠隔膜、负极、隔膜和正极而形成， 当所述第一电极为负极且所述第二电极为正极时，所述第一辅助单元是通过从所述第一末端电极依次堆叠隔膜和正极而形成。
10.如权利要求9所述的电极组件，其中所述第一辅助单元的正极包含: 集电器；和 仅涂布在所述集电器的两个侧面中面向所述基本单元的一个侧面上的正极活性材料。
11.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件还包含堆叠在第一末端电极上的第一辅助单元，所述第一末端电极为设置在所述电极组件最上部或最下部处的第一电极， 当所述第一电极为正极且所述第二电极为负极时，所述第一辅助单元是通过从所述第一末端电极依次堆叠隔膜、负极和隔膜而形成。
12.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件还包含堆叠在第二末端隔膜上的第二辅助单元，所述第二末端隔膜为设置在所述电极组件最上部或最下部处的第二隔膜， 当所述第一电极为正极且所述第二电极为负极时，所述第二辅助单元是通过从所述第二末端隔膜依次堆叠负极、隔膜和正极而形成。
13.如权利要求12所述的电极组件，其中所述第二辅助单元的正极包含:集电器；和 仅涂布在所述集电器的两个侧面中面向所述基本单元的一个侧面上的正极活性材料。
14.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件还包含堆叠在第二末端隔膜上的第二辅助单元，所述第二末端隔膜为设置在所述电极组件最上部或最下部处的第二隔膜， 当所述第一电极为正极且所述第二电极为负极时，所述第二辅助单元是通过从所述第二末端隔膜依次堆叠第一正极、隔膜、负极、隔膜和第二正极而形成， 所述第二辅助单元的第二正极包含集电器和正极活性材料，所述正极活性材料仅涂布在所述集电器的两个侧面中面向所述基本单元的一个侧面上。
15.如权利要求1所述的电极组件，其中所述电极组件还包含堆叠在第二末端隔膜上的第二辅助单元，所述第二末端隔膜为设置在所述电极组件最上部或最下部处的第二隔膜， 当所述第一电极为负极且所述第二电极为正极时，所述第二辅助单元是通过从所述第二末端隔膜依次堆叠负极、隔膜、正极、隔膜和负极而形成。
16.如权利要求1所述的电极组件，还包含固定部件以用于固定所述电极组件的侧面部或前面部。
17.如权利要求16所述的电极组件，其中所述固定部件包含聚合物带以用于缠绕所述电极组件的侧面部或前面部。
18.如权利要求1所述的电极组件，其中所述第一电极和所述第二电极包含: 集电器；和 涂布在所述集电器两个侧面上的活性材料。
19.如权利要求1所述的电极组件，其中所述隔膜选自:聚乙烯膜；聚丙烯膜；通过将所述聚乙烯膜和所述聚丙烯膜组合而得到的多层膜；以及聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物电解质用聚合物膜，所述膜包含微孔。
20.如权利要求10、13或14所述的电极组件，其中所述正极活性材料是通过使用包含Li2MnO3和LiMO2的正极浆料而形成。
21.一种电化学装置，包含权利要求1~19中任一项的电极组件。
22.如权利要求21所述的电化学装置，其中所述电化学装置为二次电池、包含多个所述二次电池的电池模块、或包含多个所述电池模块的电池组。
【文档编号】H01M10/04GK103959541SQ201380004026
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2012年5月23日
【发明者】朴志元, 刘承宰, 李香穆 申请人:株式会社Lg 化学