專利名稱：堆疊式電池的構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種堆疊式電池的構(gòu)造，特別是一種以堆疊式電池極板的方式所制成，且具有高能量密度，以及避免空間死角存在的堆疊式電池的構(gòu)造。
可充電式二次電池自近年推出以后，由于性能受到可攜式電子產(chǎn)品制造業(yè)者的肯定，應用產(chǎn)品的規(guī)格與數(shù)量均快速增加，加上近年來電子、信息與通訊等產(chǎn)品正朝向更輕薄、短小的實用設(shè)計邁進，而其所需求的電源-二次電池的特性與功能已成為決定無線通訊、筆記本電腦、其他可攜式電子產(chǎn)品與電動車輛等產(chǎn)品競爭優(yōu)勢的重要因素。
一般充電式電池的正/負極極板10a、10b的涂布方式與組裝方法為將正/負極活性物質(zhì)與高分子粘結(jié)劑(Binder)，助導劑等混合后成為正/負電極活性材料12a、12b，以涂布機于集電板11a、1b上進行涂布，涂布的模式如

圖1或圖2所示。
其中，圖1為單一材料間斷涂布方式，圖2則為單一材料連續(xù)涂布方式，涂布完成后的正/負極極板10a、10b經(jīng)碾壓、分條后，由高分子隔離膜將其隔開后，進行圓形卷繞與橢圓形電極卷繞等其他后序工作后，完成圓形與方形電池的制作。
由于現(xiàn)行的電子產(chǎn)品要求為輕薄短小，因此可充電式二次電池的設(shè)計即在電池重量、能量密度與空間利用上有了比以往更嚴苛的要求。以二次電池的發(fā)展來說，早期二次電池的構(gòu)造為圓形的構(gòu)造，如圖3所示，將上述正極極板/高分子隔離膜/負極極板進行圓形極板卷繞20放入圓形金屬外殼21內(nèi)，此種圓形構(gòu)造在工程技術(shù)上比較成熟，但是在空間利用上，則有顯著的空間死角22，存在有空間浪費的現(xiàn)象。
由于圓形電池有著上述空間浪費的問題，因此發(fā)展出了方形外殼的電池，如圖4所示，方形電池現(xiàn)階段廣泛用于鋰離子電池與鎳氫電池的設(shè)計當中。以方形外殼制作的電池由于在外型上的堆積排列比較沒有空間浪費的問題，但是其在正/負極極板卷繞20a方式為橢圓型卷繞再放入方形金屬外殼21a內(nèi)，在電池內(nèi)部還是有空間死角22a的存在。
基于上述原因，最近電池的組裝技術(shù)又朝向以堆疊壓合的方式進行，即所謂類似現(xiàn)階段高分子電池的電池堆疊方式，如圖5所示。理論上講，由疊壓極板30方式形成的電池，可以達到最密堆積，也就是其空間利用率最大，加上利用鋁箔外殼31包裝，可以降低總體的電池重量，理論上可以達到提高電池能量密度的目的。但是由于在現(xiàn)行電池的設(shè)計上，電極極板與高分子隔離膜(聚乙烯，聚丙烯或無紡布)之間沒有任何的粘結(jié)性，因此現(xiàn)行的充電電池(鎳氫電池、鋰離子電池)均無法以堆疊壓合的方式進行。而高分子電池則由于其高分子電解質(zhì)膜(類似隔離膜)具有較大的粘著性，因此可以進行堆疊壓合。但是由于極板需和高分子電解質(zhì)(膜)壓合堆疊，因此在正/負極極板上的高分子粘結(jié)劑(Binder)需增加，而使正/負極極板上的活性物質(zhì)比例降低，造成高分子電池的重量能量密度反而比不上鋰離子電池，而且由于在正/負極極板上的高分子粘結(jié)劑含量增加后，正/負極極板的電子導電率隨之降低，造成高分子電池大電池的充/放電不易進行。
因此，如何能夠在不需要增加正/負極極板的高分子粘結(jié)劑的前提下，以理論上最密的堆疊壓合方式進行正/負極極板與高分子隔離膜疊合，為當前所希望解決的重要問題。
本發(fā)明的主要的目的即是要提供一種堆疊式電池的構(gòu)造，其能夠避免傳統(tǒng)電池極板以卷繞方式所造成的空間死角問題，又能改善電池的重量能量密度，以克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述缺陷。
本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的一種堆疊式電池的構(gòu)造，其包括有一正極極板、一負極極板及一高分子隔離膜，該高分子隔離膜是介于該正/負極極板之間，且借由復數(shù)片的該正/負極極板彼此堆疊成一電池，其特征是任一該正/負極極板具有一集電板，在該集電板的任一表面具有一電極層，而位于該相鄰正/負極極板的鄰接面的局部表面還包含一粘膠層，用以使該正/負極極板與該高分子隔離膜彼此粘結(jié)密合。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是在該電極層的表面。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是在該電極層的周緣。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是在該電極層的對稱兩側(cè)邊緣。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是分布在該電極層表面的對角線處。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層形成的方式，是借由模具射出涂布(Die Coating)的方式所形成。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層形成的方式，是借由網(wǎng)板印刷(Screen Printing)的方式所形成。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該正/負極極板與該高分子隔離膜是以熱壓方式粘結(jié)密合。
本發(fā)明所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層的材質(zhì)是選自橡膠類粘著劑、硫類化合物、環(huán)氧樹脂類、聚酯(polyester)、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、低分子量聚乙烯(PE)、無規(guī)聚丙烯(PP)、聚丙烯酸酯(壓克力)類粘著劑、氰基丙烯酸酯粘著劑、芳香族聚亞胺粘著劑、硅酮粘著劑、聚苯并噻唑(Polyhenzimidazolespolyquinoxalines polyphenyl quinoxalines)和聚喹噁啉所構(gòu)成族群中的任意一種。
從上面的說明中可以看出，針對解決空間死角的問題，本發(fā)明利用堆疊的方式以避免傳統(tǒng)卷繞方式所造成的圓形或橢圓形的空間死角問題。
另外，針對改善電池的重量能量密度的問題，本發(fā)明所公開的堆疊式電池的構(gòu)造的技術(shù)特點為將粘膠與活性物質(zhì)分離，并且通過重新布置粘膠的位置的手段，使得依此方式制成的正/負極極板，可以在堆疊壓合的制作過程中借由粘膠與高分子隔離膜粘結(jié)，同時又不影響每單位重量中活性物質(zhì)所含的比例，且堆疊壓合的粘結(jié)作用完全與活性物質(zhì)無關(guān)。
在本發(fā)明的較佳實施例中，粘膠層是利用涂布法或是網(wǎng)印技術(shù)形成于電池極板的集電板的單一側(cè)表面。另外，在本發(fā)明的較佳實施例中，粘膠層是利用涂布法或是網(wǎng)印的技術(shù)形成于電池極板的集電板的兩側(cè)表面。
根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，粘膠層是形成在電極材料的周圍、或形成在電極材料的對稱兩側(cè)邊緣、或是分布在電極材料表面的對角線處，借此，則可使正/負極極板與高分子隔離膜彼此粘結(jié)密合。
下面結(jié)合實施例及其附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
圖1為公知的涂布模式示意圖；圖2為公知的涂布模式示意圖；圖3為公知圓形電池的構(gòu)造示意圖；圖4為公知方形電池的構(gòu)造示意圖；圖5為借由疊壓方式形成堆疊式電池的示意圖6A和圖6B為本發(fā)明堆疊式電池極板的斷面圖；圖7為本發(fā)明涂布模式方法一的示意圖；圖8為本發(fā)明涂布模式方法二的示意圖；圖9為本發(fā)明涂布模式方法三的示意圖；圖10為本發(fā)明涂布模式方法四的示意圖；圖11為本發(fā)明第一實施例的正極極板尺寸示意圖；圖12為本發(fā)明第一實施例的負極極板尺寸示意圖；圖13為本發(fā)明第一實施例的充/放電圖；圖14為本發(fā)明第二實施例的正極極板尺寸示意圖；圖15為本發(fā)明第二實施例的負極極板尺寸示意圖；圖16為本發(fā)明第二實施例的充/放電圖；圖17為本發(fā)明第三實施例的正極極板尺寸示意圖；圖18為本發(fā)明第三實施例的負極極板尺寸示意圖；以及圖19為本發(fā)明第三實施例的充/放電圖。
首先，請參閱圖6A和圖6B，其為本發(fā)明堆疊式電池極板10、10’的斷面圖，本發(fā)明的主要技術(shù)手段即將電池的活性物質(zhì)涂布在集電板11(基材)上的任一表面形成電極層13，而相鄰正/負極極板10、10’的電極層13鄰接面的局部表面再形成有一粘膠層14(如熱粘膠、環(huán)氧樹脂等物質(zhì))位于電極層13的任一或復數(shù)邊緣，或粘膠層14’位于電極層13表面的邊緣上方，并利用粘膠本身的粘合力再加上熱壓合的方式，即可以使電池中正/負極極板10與幾乎任何高分子隔離膜(圖中未示)可輕易的膠合，達到理論上最密堆疊壓合的方式，而且不會改變電池極板10活性物質(zhì)的配方。
本發(fā)明所使用到的加工方法可包括有(1)涂布法、(2)網(wǎng)印法，因此，本發(fā)明主要是在電池的極板10上涂布或網(wǎng)印粘膠使電池極板10容易與高分子隔離膜膠合。可能的涂布模式有以下數(shù)種方法一，如圖7所示，利用涂布或網(wǎng)印等方式所制成的極板10c，是將電極活性物質(zhì)與粘膠層14a單面或雙面涂在集電板11c上，電極材料為塊狀分散涂布形成電極層13a，而粘膠層14a則是涂在電極層13a的單邊或多邊上，如圖上為粘膠層14a在電極層13a的周圍。然后以沖壓、裁切等方式將正/負電極層13a與粘膠層14a涂物裁切下來，以熱壓合等方式將正極極板/高分子隔離膜/負極極板粘合。此高分子隔離膜可能包括了PP，PE與PP/PE復合層與無紡布等。由于本發(fā)明極板10c的特殊構(gòu)造，使得極板10c與高分子隔離膜的粘合能力取決于粘膠層14a與高分子隔離膜的粘合性，而不再與電極粘結(jié)劑(Binder)有關(guān)，因而使得粘膠層14a與高分子隔離膜的可選擇性增加非常多的機會，例如，粘膠層14a的物質(zhì)可以為橡膠類粘著劑、硫類化合物、環(huán)氧樹脂類、聚酯(polyester)、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、低分子量聚乙烯(PE，Polyethylene)、無規(guī)聚丙烯(PP，Polypropylene)、克拉通(Kraton，殼牌化學公司生產(chǎn))、聚丙烯酸酯(壓克力)類粘著劑、氰基丙烯酸酯粘著劑、芳香族聚亞胺粘著劑、硅酮粘著劑、聚苯并噻唑(polyhenzimidazoles polyquinoxalines polyphenyl quinoxalines)和聚喹噁啉等，均可適用。
方法二，如圖8所示，利用涂布或網(wǎng)印等方式所制成的極板10d，是將電極活性物質(zhì)與粘膠層14b單面或雙面涂在集電板11d上，電極材料形成的電極層13b與粘膠層14b橫向交錯涂布，然后以裁切或分條方式將正/負極極板10d裁切成片狀，使粘膠層14b位于電極層13b的對稱兩側(cè)邊，并以熱壓合等方式將正析極板/高分子隔離膜/負極極板粘合，而制作成可充/放電的電池。
方法三，如圖9所示，利用涂布或網(wǎng)印等方式所制成的極板10e，是將電極活性物質(zhì)與粘膠層14c單面或雙面涂在集電板11e上，電極材料形成的電極層13c與粘膠層14c縱向交錯涂布，使粘膠層14c位于電極層13c的對稱兩側(cè)邊，然后以裁切或分條方式將正/負極極板10e裁切成片狀或條狀，并以熱壓合等方式將正極極板/高分子隔離膜/負極極板粘合，而制作成可充/放電的電池。
方法四，如圖10所示，利用涂布或網(wǎng)印等方式所制成的極板10f，是將電極活性物質(zhì)與粘膠層14d單面或雙面涂在集電板11f上，其中，粘膠層14d是分布在電極材料形成的電極層13d表面的對角線處，然后以沖壓、裁切等方式將正/負極極板10f裁切下來，并以熱壓合等方式將正極極板/高分子隔離膜/負極極板粘合，而制作成可充/放電的電池。
由此，根據(jù)上述的四種方法所得的堆疊式電池結(jié)構(gòu)，可適用于鋰離子電池、鋰高分子電池、鎳氫電池和電容器等。
實施例首先，正極極板的涂布方式取85％的LiCoO2(鋰鈷氧化物)與助導劑KS6(商品名，成分為碳)10％與粘結(jié)劑PVdF(聚四氟乙烯)5％混合后，溶于以NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)為溶劑中的漿料中。粘膠的組成為PE(聚乙烯)或環(huán)氧樹脂，溶于NMP中，同樣也形成可涂布的漿料，并以模具射出涂布(Die Coating)或網(wǎng)板印刷(Screen Printing)等方式，同時或分段將上述正極材料與粘膠涂布成方法一、二、三所示。
接著，負極極板的涂布方式，取90％的MCMB(meso carbon micorbeads；商品名，是一種碳)粉體90％混合10％PVdF的粘結(jié)劑，并溶于NMP中形成漿料。粘膠的組成則為PE或環(huán)氧樹脂等，也溶于NMP中，同樣也形成可涂布的漿料，并以模具射出涂布或網(wǎng)印等方式，同時或分段將上述負極材料與粘膠涂布成如方法一、二、三所示。
實施例一將方法一完成的正極極板以壓膜或裁切方式切出極板含粘膠層14的寬×長(W1×L1)為(4.0+0.5)×(7.0+0.5)公分，其中正極電極層16的寬×長(W2×L2)為4.0×7.0公分，其余寬充為t＝0.25的面積則為粘膠層14，如圖11所示。
將方法一完成的負極極板以壓膜或裁切方式切出極板含粘膠層14的寬×長(W1’×L1’)為(4.1+0.5)×(7.1+0.5)公分，其中正極電極層17的寬×長(W2’×L2’)為4.1×7.1公分，其余寬度為t＝0.25的面積則為粘膠層14，如圖12所示。
將上述的正/負極極板與PE隔離膜(Celgard)，尺寸為4.7×7.7公分，進行140℃熱壓5分鐘，再焊上導電柄，置入鋁箔袋或金屬罐體中，進行真空灌液，加入MEX2(商品名，為一電解質(zhì)配方；三井石化)的電解液，最后進行鋁箔袋的封口工序，即完成單層結(jié)構(gòu)的電池，最后的充/放電圖則如圖13所示。
實施例二將方法二完成的正極極板以壓膜或裁切方式切出極板含粘膠層14的寬×長(W1×L1)為(4.0)×(7.0+0.5)公分，其中正極電極層16的寬×長(W1×L2)為4.0×7.0公分，其余寬度為t＝0.25的面積則為粘膠層14，如圖14所示。
將方法二完成的負極極板以壓膜或裁切方式切出極板含粘膠層的寬×長(W1’×L1’)為(4.1)×(7.1+0.5)公分，其中負極電極層17的寬×長(W1’×L2’)為4.1×7.1公分，其余寬度為t＝0.25的面積則為粘膠層14，如圖15所示。
將上述的正/負極極板與PE隔離膜(Celgard)，尺寸為4.7×7.7公分，進行140℃熱壓5分鐘，再焊上導電柄，置入鋁箔袋中，進行真空灌液，加入MEX2(三井石化)的電解液，最后進行鋁箔袋的封口工序，即完成單層結(jié)構(gòu)的電池，最后的充/放電圖則如圖16所示。
實施例三將方法三完成的正極極板以壓膜或裁切方式切出極板含粘膠層14的寬×長(W1×L1)為(4.0+0.5)×(7.0)公分，其中正極電極層16的寬×長(W2×L1)為4.0×7.0公分，其余寬度為t＝0.25的面積則為粘膠層14，如圖17所示。
將方法三完成的負極極板以壓膜或裁切方式切出極板含粘膠層的寬×長(W1’×L1’)為(4.1+0.5)×(7.1)公分，其中負極電極層17的寬×長(W2’×L1’)為4.1×7.1公分，其余寬度為t＝0.25的面積則為粘膠層14，如圖18所示。
將上述的正/負極極板與PE隔離膜(Celgard)，尺寸為4.7×7.7公分，進行140℃熱壓5分鐘，再焊上導電柄，置入鋁箔袋中，進行真空灌液，加入MEX2(三井石化)的電解液，最后進行鋁箔袋的封口工序，即完成單層結(jié)構(gòu)的電池，最后的充/放電圖則如圖19所示。
雖然上述的電池結(jié)構(gòu)由單一組電池單元(正極極板/高分子隔離膜/負極極板)由熱壓方式膠合組成，但也可借由多組電池疊壓(例如正極極板/高分子隔離膜/負極極板/高分子隔離膜/正極極板)的方式而組成堆疊式電池，也可形成相同堆疊式電池的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明所公開的堆疊式電池的構(gòu)造，其效果為1、在電池極板的集電板的表面形成一粘膠層，用以粘結(jié)正/負極極板與高分子隔離膜，因此，堆疊壓合的粘結(jié)作用完全與活性材料無關(guān)，使得粘膠層與高分子隔離膜的可選擇性增加非常多的機會；2、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可適用于鋰離子電池、鋰高分子電池、鎳氫電池和電容器等；3、借由堆疊電池極板的方式可增加電池的重量能量密度；以及
4、可避免傳統(tǒng)利用卷繞方式的電池所造成的空間死角的問題。
雖然本發(fā)明以上述的較桂實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍內(nèi)，當可作適當?shù)淖兏c潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當以權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種堆疊式電池的構(gòu)造，其包括有一正極極板、一負極極板及一高分子隔離膜，該高分子隔離膜是介于該正/負極極板之間，且借由復數(shù)片的該正/負極極板彼此堆疊成一電池，其特征是任一該正/負極極板具有一集電板，在該集電板的任一表面具有一電極層，而位于該相鄰正/負極極板的鄰接面的局部表面還包含一粘膠層，用以使該正/負極極板與該高分子隔離膜彼此粘結(jié)密合。
2.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是在該電極層的表面。
3.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是在該電極層的周緣。
4.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是在該電極層的對稱兩側(cè)邊緣。
5.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層是分布在該電極層表面的對角線處。
6.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層形成的方式，是借由模具射出涂布的方式所形成。
7.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層形成的方式，是借由網(wǎng)板印刷的方式所形成。
8.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該正/負極極板與該高分子隔離膜是以熱壓方式粘結(jié)密合。
9.如權(quán)利要求1所述的堆疊式電池的構(gòu)造，其特征是該粘膠層的材質(zhì)是選自橡膠類粘著劑、硫類化合物、環(huán)氧樹脂類、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、低分子量聚乙烯、無規(guī)聚丙烯、聚丙烯酸酯類粘著劑、氰基丙烯酸酯粘著劑、芳香族聚亞胺粘著劑、硅酮粘著劑、聚苯并噻唑和聚喹噁啉所構(gòu)成族群中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有高能量密度,以及避免空間死角存在的堆疊式電池的構(gòu)造,通過將粘膠與活性物質(zhì)分離,并且通過重新布置粘膠的位置的手段,使得依此方式制成的正/負極極板,可以在堆疊壓合的制作過程中借由粘膠與高分子隔離膜粘結(jié),同時又不影響每單位重量中活性物質(zhì)所含的比例,借此提供一種能夠避免傳統(tǒng)電池極板以卷繞方式所造成的空間死角問題,又能改善電池的重量能量密度的堆疊式電池的構(gòu)造。
文檔編號H01M4/62GK1357935SQ0013570
公開日2002年7月10日 申請日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者詹益松, 楊長榮, 潘金平, 朱文斌 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院