具有起火抑制结构的锂二次电池的制作方法

本发明涉及一种具有起火抑制结构的锂二次电池。更具体而言，本发明旨在提供一种具有能够通过调整能量密度不同的单元电芯的堆叠位置而抑制起火(ignition)的结构的锂二次电池。本申请要求2021年10月25日在韩国提交的韩国专利申请no.10-2021-0142601的优先权，所述韩国申请的公开内容通过引用全部并入本文。

背景技术：

1、锂二次电池通常由包含正极、负极、电解质和隔膜的电池电芯组成。在软包电芯(一种电池电芯的类型)的情况下，具有以下形式：电极组件(其中堆叠有多个由正极、负极和隔膜组成的单个单元电芯)与电解质一起装在软包状的电池外壳中。

2、电解质和隔膜是影响电池性能(例如电池输出和安全性)的重要材料，但是直接决定电池能量密度的是正极和负极的电极活性材料。特别地，正极活性材料对电池能量密度有更大的影响。虽然通过减小集流体(活性材料的支持物)的厚度或减小隔膜的厚度以增加电池能量密度是可行的，但这只是间接方法之一。

3、在现有的电池系统中，锂离子最初包含于正极。当电池充电时，正极中的锂以还原状态储存到用例如石墨等材料制成的负极中，并且正极被氧化，换言之，每逸出一个锂原子，正极就失去一个电子。如果这些变化不能得到缓冲，则会发生破坏性的变化，例如正极材料的分解或相变，且重复充放电变得不可能。因此，需要能够充当氧化还原过程的缓冲物而不引起破坏行为的元素，并且使用氧化数能够灵活变化的过渡金属元素作为正极的化学组分。另外，因为应当维持允许锂离子可逆地进出的晶体结构，所以还应当包含构成会维持此结构的框架的元素。因此，锂二次电池用正极材料包含三个部分：通过在正极和负极之间传输而决定充电容量的锂、能够实现可逆的氧化还原反应的过渡金属、以及充当维持晶体结构的框架的氧化物。

4、通常，在商用的电压范围内能量密度随着镍含量增加而增加，但可能在稳定性方面存在易于损坏的问题。

5、因为电池外壳充当隔绝物，所以可能存在电极组件内部产生的热量无法释放到外界的情况，此情况可能导致锂二次电池由于过热而起火。具体而言，随着在各个单元电芯中产生的热量叠加，电池电芯内部的温度会指数级上升，从而引起电池内部过热。

6、因为锂二次电池的能量密度近来正在增加，需要一种方法来抑制由于单元电芯中产生的上述热量叠加而导致的过热现象。

7、现有技术文献

8、韩国专利公开10-2019-0024709号。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明旨在提供一种具有能够解决从多个单元电芯中产生的热量叠加所导致的过热现象的构造的锂二次电池。

3、另外，本发明旨在提供一种具有优异的热稳定性同时在一定程度上保持能量密度的锂二次电池。

4、技术方案

5、为解决上述问题，本发明的具有起火抑制结构的锂二次电池包含：包含多个单元电芯的电极组件，和容纳电极组件的电池外壳；并且电极组件包含位于中间部分的低容量单元和位于低容量单元的上部和下部的高容量单元，低容量单元堆叠有低容量单元电芯，高容量单元堆叠有高容量单元电芯。

6、此外，低容量单元的能量密度可以低于高容量单元的能量密度。

7、另外，单元电芯可以包含负极、正极以及设置在负极和正极之间的隔膜。

8、在此，正极可以包含含镍的镍化合物，或者可以包含不含镍的非镍化合物。

9、具体而言，低容量单元由在正极中包含镍化合物的低容量单元电芯组成，基于所述镍化合物中的100摩尔％的过渡金属，低容量单元电芯中包含的镍化合物的镍含量少于60摩尔％；高容量单元由在正极中包含镍化合物的高容量单元电芯组成，基于所述镍化合物中的100摩尔％的过渡金属，高容量单元电芯中包含的镍化合物的镍含量为60摩尔％以上。

10、作为另一实例，低容量单元可以由在正极活性材料中包含非镍化合物的低容量单元电芯组成，而高容量单元可以由在正极活性材料中包含镍化合物的高容量单元电芯组成。

11、具体而言，基于镍化合物中100摩尔％的过渡金属，高容量单元电芯中包含的镍化合物的镍含量可以为60摩尔％以上。

12、或者，基于100摩尔％，高容量单元电芯中包含的镍化合物的镍含量可以为60摩尔％以下。

13、具体而言，镍化合物可以包括以下化学式1所示的氧化物。

14、[化学式1]

15、lix[niycozmnwav]o2

16、a是选自w、cu、fe、v、cr、ti、zr、zn、al、in、ta、y、la、sr、ga、sc、gd、sm、ca、ce、nb、mg、b和mo中的一种或多种元素，且x、y、z、w和v分别满足1.0≤x≤1.30，0<y<1，0<z≤0.6，0<w≤0.6，0≤v≤0.2。

17、例如，镍化合物可以由选自linio2、lini0.5co0.5o2、lini0.6co0.4o2、lini1/3co1/3al1/3o2、limno2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lini0.8co0.1mn0.1o2、lini0.5co0.3mn0.2o2和lini0.7co0.1mn0.1al0.1o2中的一种或多种化合物组成。

18、具体而言，非镍化合物可以是以下化学式2所示的氧化物，或者可以是以下化学式3所示的氧化物。

19、[化学式2]

20、lipco1-qdqo4

21、[化学式3]

22、liafe1-bebo4

23、在化学式2和化学式3中

24、x、y、z、w和v分别满足1.0≤x≤1.30，0≤y<1，0<z≤0.6，0<w≤0.6，0≤v≤0.2；d是选自w、cu、fe、v、cr、ti、zr、zn、al、in、ta、y、la、sr、ga、sc、gd、sm、ca、ce、nb、mg、b和mo中的一种或多种元素，且p和q分别满足5≤p≤7，0≤q≤0.2；e是选自p、al、mg、ni、co、mn、ti、ga、cu、v、nb、zr、ce、in、zn和y中的一种或多种元素，且a和b分别满足4≤a≤6，0≤b≤0.5。

25、例如，非镍化合物可以由选自lifepo4、li6coo4、li6co0.5zn0.5o4、li6co0.7zn0.3o4、li2fesio4、li5feo4和li6feo4中的一种或多种化合物组成。

26、另外，基于电极组件中单元电芯的总数，组成低容量单元的低容量单元电芯的数量的比例可以是20％至40％。

27、有利效果

28、根据本发明，即使从电池电芯内部的电极组件部分地产生高温热量，其仍然具有抑制锂电池过热和起火的效果。

技术特征：

1.一种具有起火抑制结构的锂二次电池，其包含：

2.如权利要求1所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述低容量单元的能量密度低于所述高容量单元的能量密度。

3.如权利要求1所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述单元电芯包含负极、正极和设置在正极与负极之间的隔膜。

4.如权利要求3所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述正极包含含镍的镍化合物，或者包含不含镍的非镍化合物。

5.如权利要求3所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述低容量单元由在正极中包含镍化合物的低容量单元电芯组成，并且基于所述镍化合物中的100摩尔％的过渡金属，所述低容量单元电芯中包含的镍化合物的镍含量少于60摩尔％；

6.如权利要求4所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述低容量单元由在正极活性材料中包含非镍化合物的低容量单元电芯组成，所述高容量单元由在正极活性材料中包含镍化合物的高容量单元电芯组成。

7.如权利要求6所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，基于所述高容量单元电芯中包含的镍化合物中的100摩尔％的过渡金属，所述镍化合物的镍含量为60摩尔％以上。

8.如权利要求6所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，基于100摩尔％，所述高容量单元电芯中包含的镍化合物的镍含量为60摩尔％以下。

9.如权利要求4所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述镍化合物包含以下化学式1所示的氧化物，

10.如权利要求4所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述镍化合物由选自linio2、lini0.5co0.5o2、lini0.6co0.4o2、lini1/3co1/3al1/3o2、limno2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lini0.8co0.1mn0.1o2、lini0.5co0.3mn0.2o2和lini0.7co0.1mn0.1al0.1o2中的一种或多种化合物组成。

11.如权利要求4所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述非镍化合物是以下化学式2所示的氧化物，或者是以下化学式3所示的氧化物，

12.如权利要求4所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，所述非镍化合物由选自lifepo4、li6coo4、li6co0.5zn0.5o4、li6co0.7zn0.3o4、li2fesio4、li5feo4和li6feo4中的一种或多种化合物组成。

13.如权利要求1所述的具有起火抑制结构的锂二次电池，其中，基于所述电极组件中单元电芯的总数，组成所述低容量单元的低容量单元电芯的数量的比例是20％至40％。

技术总结
本发明公开了一种具有起火抑制结构的锂二次电池以及制造该锂二次电池的方法。更具体而言，提供了一种通过将包含高容量单元电芯的能量密度高的高容量单元定位于包含低容量单元电芯的能量密度相对低的低容量单元的上部和下部来抑制锂二次电池起火的方法。

技术研发人员：崔舜炯
受保护的技术使用者：株式会社LG新能源
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15