CN102024917B - 可充电电池和用于可充电电池的电极组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可充电电池和用于可充电电池的电极组件，该可充电电池通过将电极组件的体积变化容纳在壳体中而可以使用具有高体积膨胀率的负极活性材料。根据本发明的可充电电池包括：i)电极组件，包括以凝胶卷形状卷绕的正极板、负极板和分隔件，从而具有平坦部分和设置在平坦部分两侧的弯曲部分；ii)壳体，用来容纳电极组件；以及iii)盖组件，与壳体结合来封闭和密封壳体并电连接到电极组件。当将与设置在平坦部分的分隔件的表面垂直的方向设置为第一方向时，沿第一方向测量的平坦部分的厚度小于沿第一方向测量的弯曲部分的最大厚度。

Description

可充电电池和用于可充电电池的电极组件
技术领域
本发明涉及一种可充电电池。更具体地讲，本发明涉及一种具有形状被改善了的电极组件的可充电电池。
背景技术
与不能再次充电的一次电池不同，可充电电池可被反复充放电。低容量可充电电池用于诸如移动电话、笔记本计算机和摄像机之类的紧凑电子设备，高容量可充电电池广泛地用作用于驱动混合动力汽车的发动机等的电源。
可充电电池包括具有正极板和负极板以及置于正极板和负极板之间的分隔件的电极组件。该可充电电池还包括将壳体封闭和密封并电连接到电极组件的盖组件。在棱柱形可充电电池的情况下，电极组件以凝胶卷(jelly roll)形状卷绕，以包括平坦部分和设置在平坦部分的两端的弯曲部分，平坦部分位于紧邻壳体的内壁处。
在上述可充电电池的充电/放电过程中，电极组件的体积变化。例如，在锂离子电池中，负极板的负极活性材料在充电过程中纳入锂离子使得负极活性材料的体积膨胀，在放电过程中排出锂离子使得体积缩小。如所描述的，当充电/放电循环重复时，电极组件重复膨胀和缩小。
然而，除袋型壳体以外的大多数壳体是由金属形成的刚性体，从而这样的壳体不能适应电极组件的体积膨胀。因此，已经提出包括降低电极组件的容量来匹配壳体的内部容量或改变电极组件的螺旋卷绕结构在内的各种方法来解决电极组件的体积膨胀。
然而，当电极组件的容量降低时，可充电电池的充电/放电容量也降低，从而可充电电池的性能劣化。此外，当电极组件的螺旋卷绕结构改变时，电极组件的形状和制造工艺复杂，从而可充电电池的产率变差。
发明内容
本发明致力于提供一种可充电电池，该可充电电池具有改善电极组件的形状来在壳体中容纳电极组件的体积膨胀以提高充电/放电容量和输出性能的优点。
根据本发明示例性实施例的可充电电池包括：i)电极组件，包括以凝胶卷形状卷绕的正极板、负极板和分隔件，从而具有平坦部分和设置在平坦部分两侧的弯曲部分；ii)壳体，用来容纳电极组件；以及iii)盖组件，与壳体结合来封闭和密封壳体并电连接到电极组件。
当将垂直于设置在平坦部分的分隔件的表面的方向设定为第一方向时，沿第一方向测量的平坦部分的厚度小于沿第一方向测量的弯曲部分的最大厚度。
弯曲部分可包括位于垂直于第一方向的第二方向的最外部分的第一最外弯曲部分，当将第一最外弯曲部分的曲率中心设定为第一中心点时，沿第二方向测量的平坦部分的宽度可以小于在一对第一中心点之间的距离之内的一对第一中心点的间隔。
弯曲部分还可包括连接第一最外弯曲部分和平坦部分的第二最外弯曲部分。第二最外弯曲部分的曲率可大于、等于、或者小于第一最外弯曲部分的曲率。
正极板可包括第一集流体和正极活性材料层，负极板可包括第二集流体和负极活性材料层。正极活性材料层和负极活性材料层可形成在平坦部分和弯曲部分上。
可选择地，正极活性材料层和负极活性材料层可交替地形成在电极组件中。正极活性材料层和负极活性材料层可形成在除弯曲部分之外的平坦部分中，或者可形成在平坦部分中以及平坦部分和第一中心点之间。
负极活性材料层可包括具有体积膨胀率高于10％的负极活性材料。负极活性材料可包括选自硅、氧化硅材料和硅-碳复合物中的至少一种。
平坦部分可设置为离开壳体的内壁一定距离。所述壳体可具有棱柱形形状。
在另一应用中，前述需求通过一种用于可充电池电池的电极组件得以满足，所述电极组件具有正极板、负极板及置于正极板和负极板之间的分隔件。在该应用中，卷绕正负极板和分隔件，使得得到的卷绕电极组件限定出具有第一弯曲部分、第二弯曲部分以及置于第一弯曲部分和第二弯曲部分之间的平坦部分的第一剖面形状。在该应用中，平坦部分具有小于第一弯曲部分和第二弯曲部分的宽度尺寸的宽度尺寸。
根据本发明的示例性实施例，用来容纳电极组件的体积膨胀的空间设置在壳体中，使得负极板可由具有高体积膨胀率和优异效率的负极活性材料制成。因此，可提高可充电电池的容量和能力密度，从而提高了输出效率。
附图说明
图1是根据本发明第一示例性实施例的可充电电池的分解透视图。
图2是示出图1的可充电电池的结合状态的剖视图。
图3是图1的可充电电池的电极组件的分解透视图，示出了处于展开状态的正极板、负极板和分隔件。
图4是图1的可充电电池的电极组件的侧视图。
图5是图1的电极组件和壳体的剖视图。
图6是根据本发明第二示例性实施例的可充电电池的电极组件的侧视图。
图7是根据本发明第三示例性实施例的可充电电池的电极组件的侧视图。
图8是根据本发明第四示例性实施例的可充电电池的电极组件的剖视图。
图9是根据本发明第五示例性实施例的可充电电池的电极组件的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。如本领域的技术人员将知晓的，在全部不脱离本发明的精神和范围的情况下，所描述的实施例可以以多种不同的方式进行修改。在整个说明书中，相同的标号始终表示相同的组成元件。
图1是根据本发明第一示例性实施例的可充电电池100的分解透视图，图2是示出图1的可充电电池100的结合状态的剖视图。
参照图1和图2，第一示例性实施例的可充电电池100包括电极组件10、其内安装电极组件10的壳体20和结合到壳体20来密封和封闭壳体20的盖组件30，其中，电极组件10由以凝胶卷形状卷绕的正极板11、负极板12和分隔件13形成。在第一示例性实施例中，可充电电池100的壳体20按棱柱形形状形成。
图3是图1的可充电电池100的电极组件的分解透视图，示出了处于展开状态的正极板11、负极板12和分隔件13。
参照图3，正极板11包括由薄金属箔形成的第一集流体111和形成在第一集流体111上的正极活性材料层112。正极活性材料层112在宽度上小于第一集流体111，正极未涂覆区域113沿正极板11的长度方向位于正极板11的一个侧端。正极未涂覆区域113是没有涂覆正极活性材料的区域。在此，正极活性材料层112包含锂，并且第一示例性实施例的可充电电池100是锂离子电池。
负极板12包括由薄金属箔形成的第二集流体121和形成在第二集流体121上的负极活性材料层122。负极活性材料层122形成得在宽度上小于第二集流体121，负极未涂覆区域123沿负极板12的长度方向位于负极板12的另一侧端。负极未涂覆区域123是没有涂覆负极活性材料的区域。
将正极板11和负极板12螺旋卷绕并插入作为绝缘体的分隔件13，从而形成电极组件10。在这种情况下，将分隔件13形成得在宽度上小于第一集流体111和第二集流体121，从而使正极未涂覆区域113暴露于以凝胶卷形状卷绕的电极组件10的一个侧端，并使负极未涂覆区域123暴露于电极组件10的另一侧端。
再次参照图1和图2，盖组件30包括由薄板形成的盖板31、正极端子32和负极端子33。正极端子32和负极端子33设置在盖板31中。
在盖板31中，设置电解质溶液通过其注入的电解质注入孔和密封并封闭电解质注入孔的密封盖34。正极端子32和负极端子33通过绝缘垫片与盖板31绝缘。此外，形成有凹槽的排气孔构件35形成在盖板31中，从而排气孔构件35可根据预定的内部压力水平而断裂。
正极引线接线片36和负极引线接线片37设置在壳体20中。正极引线接线片36内部地附于电极组件10的正极未涂覆区域113以电连接到正极板11和正极端子32，负极引线接线片37附于负极未涂覆区域123以电连接到负极板12和负极端子33。绝缘构件38设置在盖板31和正极引线接线片36之间以及盖板31和负极引线接线片37之间。
图4是图1的可充电电池100的电极组件10的侧视图，图5是图1的可充电电池100的电极组件10和壳体20的剖视图。
参照图4和图5，将处于卷绕状态的电极组件10沿一个方向压制平坦。具体来说，由于电极组件10的中心部分比其侧边部分被压制得多，所以电极组件10没有紧密地附于壳体20的内壁。
更具体地说，电极组件10包括具有恒定厚度的平坦部分14和形成在平坦部分14的两侧的弯曲部分15，弯曲部分15是正极板11、负极板12和分隔件13按圆形弯曲180度而沿相反的方向行进的部分。在这种情况下，将与位于平坦部分14中的分隔件13的一边垂直的方向设定为第一方向(图4的y轴方向)，沿第一方向测量的平坦部分14的厚度t1小于沿第一方向测量的弯曲部分15的最大厚度t2。
因此，电极组件10的侧边形成得像哑铃，处于挤压状态的平坦部分14距离壳体20的内壁有预定的间隙(参照图5中的g)，而不是紧密附于壳体20的内壁。
当锂离子电池充电时，负极活性材料层122纳入锂离子，从而发生体积膨胀。在这种情况下，由于平坦部分14比弯曲部分15具有更多量的负极活性材料，所以平坦部分14的体积膨胀率比弯曲部分15的体积膨胀率大。因此，平坦部分14和壳体20之间的空间容纳平坦部分14的体积膨胀。
也就是说，当可充电电池100充电时，平坦部分14膨胀同时填充平坦部分14和壳体20之间的空间，当可充电电池100放电时，平坦部分14缓慢收缩而回复到初始形状。如所描述的，将平坦部分14的厚度t1设定得小于弯曲部分15的最大厚度t2，使得平坦部分14的体积膨胀不受壳体20的干扰。
结果，第一示例性实施例的可充电电池100在体积膨胀率大于10％的高效负极活性材料的应用中是有利的。负极活性材料层122包括硅、氧化硅材料和硅-碳复合物中的至少一种负极活性材料。
上述负极活性材料比使用碳基材料的负极活性材料可纳入和排出更多的锂离子，因此可以制造出具有高容量和高能量密度的可充电电池。例如，已知纯硅具有4017mAh/g的高理论容量。然而，由于在充放电过程中上述负极活性材料的体积变化很大，所以难于对它们进行实际应用。
第一示例性实施例的可充电电池100的电极组件10的形状形成为容易容纳壳体20中的电极组件10的体积变化，从而可没有限制地使用上述负极活性材料。因此，根据第一示例性实施例的可充电电池100可通过具有优异效率的负极活性材料来实现高容量和高能量密度，并且可提高输出效率。
电极组件10的弯曲部分15包括位于垂直于第一方向(图4的y轴方向)的第二方向(图4的x轴方向)最外面的第一最外弯曲部分151。第一最外弯曲部分151可具有半圆形状。
如果第一最外弯曲部分151的曲率中心是第一中心点(在图4中标记为C)，则平坦部分14存在于一对第一中心点C之间的距离范围内。也就是说，沿第二方向(图4的x轴方向)测量的平坦部分14的宽度(参照图4中的A)小于这对第一中心点C的间距(参照图4中的B)。
如果不满足上述条件，则当通过压制电极组件10的中心部分来形成平坦部分14和弯曲部分15时，面对平坦部分14的弯曲部分15的内部部分会过度变形。因此，集流体会断裂或者活性材料会在该内部部分脱落。然而，通过平坦部分14的宽度设定，根据第一示例性实施例的可充电电池100的平坦部分14和弯曲部分15具有优异的形状稳定性。
此外，弯曲部分15包括连接第一最外弯曲部分151和平坦部分14的第二最外弯曲部分152。在第一示例性实施例中，第二最外弯曲部分152的曲率与第一最外弯曲部分151的曲率相同。通过控制压制电极组件10的压制构件(未示出)的宽度，可将第二最外弯曲部分152形成为具有与第一最外弯曲部分151的曲率相同的曲率、具有第一中心点C和压制构件之间的间隙以及具有压制构件的压制深度。
图6是根据本发明第二示例性实施例的可充电电池的电极组件101的侧视图。
参照图6，除了第二最外弯曲部分153的曲率大于第一最外弯曲部分151的曲率以外，根据第二示例性实施例的可充电电池按与本发明第一示例性实施例的可充电电池100的结构相同的结构形成。
在第二示例性实施例的可充电电池中，平坦部分14的沿第二方向(图6的x轴方向)的宽度A1大于第一示例性示例中的宽度A，因此，通过扩大围绕平坦部分14的壳体20的内部空间可更容易地容纳平坦部分14的体积变化。
图7是根据本发明第三示例性实施例的可充电电池的电极组件102的侧视图。
参照图7，除了第二最外弯曲部分154的曲率小于第一最外弯曲部分151的曲率以外，根据第三示例性实施例的可充电电池按与本发明第一示例性实施例的可充电电池100的结构相同的结构形成。
在第三示例性实施例的可充电电池中，平坦部分14的沿第二方向(图7的x轴方向)的宽度A2小于第一示例性示例中的宽度A，使得容纳平坦部分14的体积变化的壳体20的内部空间缩小，但是连接到平坦部分14的弯曲部分15的内部部分轻微弯曲，从而可有效抑制诸如对弯曲部分15的电极的损坏或活性材料脱落之类的缺陷。
在上述的第一至第三示例性实施例中，如图3所示，正极活性材料层112沿集流体111的长度方向具有与集流体111的长度相同的长度，负极活性材料层122沿集流体121的长度方向具有与集流体121的长度相同的长度，并且正极活性材料层112和负极活性材料层122设置在平坦部分14和弯曲部分15的整个区域中。可选择地，正极活性材料层112和负极活性材料层122可交替地形成在电极组件10中。
图8是根据本发明第四示例性实施例的可充电电池的电极组件103的剖视图。
参照图8，除了正极活性材料层112和负极活性材料层122仅设置在平坦部分14中以外，根据第四示例性实施例的可充电电池具有与上述第一至第三示例性实施例之一的可充电电池的结构相同的结构。图8示例性地示出了具有平坦部分14和弯曲部分15的电极组件，其中，平坦部分14和弯曲部分15具有与第一示例性实施例的平坦部分14和弯曲部分15的形状相同的形状。
正极活性材料层112和负极活性材料层122不设置在弯曲部分，所以可以抑制弯曲部分15的体积变化和由此引起的电极变形，从而可改善可充电电池的循环寿命特性。在此，“电极”在概念上包括正极板11和负极板12。
图9是根据本发明第五示例性实施例的可充电电池的电极组件104的剖视图。
参照图9，除了正极活性材料层112和负极活性材料层122设置在平坦部分14的范围内以及平坦部分14和第一中心点C之间以外，根据第五示例性实施例的可充电电池按与第四示例性实施例的可充电电池的结构相同的结构形成。在第五示例性实施例的可充电电池中，与第四示例性实施例相比，体积变化会发生在弯曲部分15中，但是可增大活性材料的体积，从而可以使可充电电池的容量和能力密度增加。
尽管已经结合目前被认为是实用的示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不局限于公开的实施例，而是与此相反，本发明意图覆盖包括在权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (19)

1.一种可充电电池，所述可充电电池包括：
电极组件，电极组件具有正极板、负极板以及置于正极板和负极板之间的分隔件，其中，卷绕电极组件从而限定出具有在电极组件的两个侧端部处的两个弯曲部分和置于两个弯曲部分之间的平坦部分的第一剖面形状，其中，平坦部分的厚度尺寸小于任一弯曲部分的厚度尺寸，其中，每个弯曲部分限定位于第二方向的最外部分中的第一最外弯曲部分和将第一最外弯曲部分互连到平坦部分的第二最外弯曲部分，所述第二方向平行于电极组件的平坦部分，其中，每个弯曲部分限定出一个中心点，该中心点限定第一最外弯曲部分的曲率中心，其中，第二最外弯曲部分的曲率大于第一最外弯曲部分的曲率；
壳体，具有用来容纳电极组件的内部；
盖组件，位于壳体上。
2.如权利要求1所述的可充电电池，其中，电极组件的平坦部分距离壳体的内壁比弯曲部分距离壳体的内壁远，以在电极组件的充电过程中容纳电极组件的平坦部分的膨胀。
3.如权利要求1所述的可充电电池，其中，平坦部分的厚度尺寸和弯曲部分的厚度尺寸是沿垂直于电极组件的平坦部分的第一方向测量的。
4.如权利要求3所述的电池，其中，所述两个弯曲部分沿垂直于第一方向的第二方向间隔开。
5.如权利要求4所述的可充电电池，其中，平坦部分具有的沿第二方向延伸的长度小于两个弯曲部分的中心点之间的距离。
6.如权利要求1所述的可充电电池，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，正极活性材料层和负极活性材料层形成在电极组件的平坦部分和弯曲部分上。
7.如权利要求1所述的可充电电池，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，正极活性材料层和负极活性材料层仅形成在电极组件的平坦部分中。
8.如权利要求1所述的可充电电池，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，并且正极活性材料层和负极活性材料层形成为穿过平坦部分在两个弯曲部分的两个中心点之间延伸。
9.如权利要求1所述的可充电电池，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，负极活性材料层包括在电极组件的充电过程中具有高于10％的体积膨胀率的材料。
10.如权利要求9所述的可充电电池，其中，所述负极活性材料包括选自于由硅、氧化硅材料和硅-碳复合物组成的组中的至少一种。
11.一种用于可充电电池的电极组件，所述电极组件具有正极板、负极板以及置于正极板和负极板之间的分隔件，其中，卷绕正负电极板和分隔件从而得到的卷绕的电极组件限定出具有第一弯曲部分、第二弯曲部分以及置于第一弯曲部分和第二弯曲部分之间的平坦部分的第一剖面形状，其中，平坦部分的厚度尺寸小于第一弯曲部分和第二弯曲部分的厚度尺寸，其中，第一弯曲部分和第二弯曲部分限定位于第二方向的最外部分中的第一最外弯曲部分和将第一最外弯曲部分互连到平坦部分的第二最外弯曲部分，所述第二方向平行于电极组件的平坦部分，其中，每个弯曲部分限定出一个中心点，每个中心点限定第一最外弯曲部分的曲率中心，其中，第二最外弯曲部分的曲率大于第一最外弯曲部分的曲率。
12.如权利要求11所述的电极组件，其中，平坦部分的厚度尺寸和弯曲部分的厚度尺寸是沿垂直于电极组件的平坦部分的第一方向测量的。
13.如权利要求12所述的电极组件，其中，第一和第二弯曲部分沿垂直于第一方向的第二方向间隔开。
14.如权利要求13所述的电极组件，其中，平坦部分具有的沿第二方向延伸的长度小于两个弯曲部分的中心点之间的距离。
15.如权利要求11所述的电极组件，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，正极活性材料层和负极活性材料层形成在电极组件的平坦部分和两个弯曲部分上。
16.如权利要求11所述的电极组件，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，正极活性材料层和负极活性材料层仅形成在电极组件的平坦部分中。
17.如权利要求11所述的电极组件，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，并且正极活性材料层和负极活性材料层形成为穿过平坦部分在两个弯曲部分的两个中心点之间延伸。
18.如权利要求11所述的电极组件，其中，正极板包括正极活性材料层，负极板包括负极活性材料层，负极活性材料层包含在电极组件的充电过程中具有高于10％的体积膨胀率的材料。
19.如权利要求18所述的电极组件，其中，所述负极活性材料包括选自于由硅、氧化硅材料和硅-碳复合物组成的组中的至少一种。
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