專利名稱：多層堆疊的電化學(xué)電池及其制備方法
背景技術(shù)：
(a)發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及電化學(xué)元件及其制備方法，特別是具有改良的能量密度的包括多層堆疊的電化學(xué)電池的電化學(xué)元件及其制備方法。
(b)相關(guān)技術(shù)描述人們對能量儲藏技術(shù)的興趣越來越大。隨著近來將電載體加入到便攜式電話，便攜式攝像機(jī)和筆記本電腦中，蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展至這一系列產(chǎn)品中。這種擴(kuò)展導(dǎo)致對具有可觀輸出量的蓄電池的研究和開發(fā)工作的增加。在這方面，對電化學(xué)元件的研究是引起很多關(guān)注的領(lǐng)域之一，其中可再充電蓄電池是最令人感興趣的。最近的開發(fā)工作已轉(zhuǎn)入設(shè)計(jì)新的蓄電池和電極以提高容量和單位能。
在已經(jīng)應(yīng)用的二次蓄電池中，開發(fā)于1990年代的鋰離子蓄電池越來越普及，因?yàn)榕c使用水溶液電解質(zhì)的Ni-MH，Ni-Cd和硫酸-鉛蓄電池相比，其具有更高的工作電壓和能量密度。但是，這些鋰離子蓄電池具有由于使用有機(jī)電解質(zhì)而產(chǎn)生的安全問題，該有機(jī)電解質(zhì)使蓄電池可燃和爆炸。還有，鋰離子具有難以制造加工的缺點(diǎn)。最近的鋰離子聚合物蓄電池克服了鋰離子蓄電池的這些缺點(diǎn)，并有望成為下一代蓄電池。但是，這些鋰離子聚合物蓄電池與鋰離子蓄電池相比，具有相當(dāng)?shù)偷娜萘?，并且在低溫下的具有特別不足的放電容量；因此需要對其加以改進(jìn)。
蓄電池的容量與電極活性物質(zhì)的量成比例。這樣，設(shè)計(jì)能夠在蓄電池包裝內(nèi)的有限空間內(nèi)填裝盡可能多的電極材料的電池結(jié)構(gòu)將是特別重要的。最廣為人知并使用的電池結(jié)構(gòu)類型是果醬卷形結(jié)構(gòu)，用于圓柱形或棱柱形蓄電池。這樣的結(jié)構(gòu)是采用如下方法制備的將電極活性材料涂布并碾平到用作為集電器的金屬箔上，然后將其切割成具有預(yù)定寬度和長度的帶形，用隔離膜將陰極和陽極隔開，然后將其卷成螺旋形。這樣的果醬卷形結(jié)構(gòu)廣泛用于制造圓柱形蓄電池。但是，該結(jié)構(gòu)在螺旋的中心部分的曲率半徑小，這經(jīng)常造成在電極的彎曲的表面有很大的應(yīng)力，從而經(jīng)常引起電極的脫落。這促進(jìn)了在蓄電池反復(fù)充電和放電過程中鋰金屬在電極中心部分的沉積，而這會縮短蓄電池的壽命，同時(shí)降低了蓄電池的安全性。
一般地，制造薄的棱柱形蓄電池的廣為人知并使用的方法，包括前述方法的將螺旋形果醬卷卷成橢圓形，并壓縮該橢圓形物，然后將其插入長方形容器內(nèi)。該方法沒有克服前述的降低壽命和安全性的問題，反而具有由于橢圓形而造成的曲率半徑降低所引起的更嚴(yán)重的問題。而且性能降低問題更大，因?yàn)橹圃煲环N緊密的螺旋結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上來說是不可能的。另外，果醬卷的橢圓形狀與容器的長方形的差異，降低了可利用的體積的比例。當(dāng)將容器考慮在內(nèi)時(shí)，已知這將降低約20％的重量能量密度和25％的體積能量密度。實(shí)際上據(jù)報(bào)道，棱柱形鋰離子蓄電池與圓柱形蓄電池相比，具有更低的容量密度和單位能。
最近，公開了各種專利和技術(shù)，這些專利和技術(shù)提出了解決螺旋形果醬卷型結(jié)構(gòu)的問題的方法，并提供了適合于棱柱形容器的電池結(jié)構(gòu)。然而，這些建議僅部分地解決了上述問題，或引起其它更難克服的問題，所以它們不是實(shí)用的解決方法。例如，U.S.P No.5,552,239公開了一種方法，首先在陰極和陽極間放置并層壓隔離層或聚合物電解質(zhì)，然后將其切割成具有預(yù)定長度和寬度的帶形，再然后逐漸將其折疊成正方形的具有陰極/隔離層/陽極層疊結(jié)構(gòu)的電池。本發(fā)明的發(fā)明人嘗試重復(fù)該方法，但是發(fā)現(xiàn)，難以制造如此使用的電池。層壓的電池如此之僵硬，以至于難以折疊，并且在采用外力使其折疊時(shí)，在折疊區(qū)出現(xiàn)問題，因?yàn)樵撾姵嘏c果醬卷型電池類似，也是易碎的。
在U.S.P.No.5,300,373公開的扇形折疊方法中，在突然折疊部分的內(nèi)層的壓力和應(yīng)力被轉(zhuǎn)移至外層并分散，以至于發(fā)生扭曲和伸展，最終造成“狗骨架”(dog bone)形電池。這樣，在果醬卷型結(jié)構(gòu)中遇到的脫落，破裂，破碎，或折斷問題，仍經(jīng)常發(fā)生。還有，采取這種結(jié)構(gòu)的電池本質(zhì)上容易折斷；因此，制造實(shí)際上可以使用的蓄電池的可能性是非常低的。
其間，U.S.P.No.5,498,489試圖解決和改善這類在折疊部分的問題。該專利通過在折疊部分省略電極，并通過僅使用集電器和隔離層或聚合物電解質(zhì)部分進(jìn)行連接，提供了一種避免電極脫落的基本方法。但是，在組成這樣一種電池時(shí)有困難。而且，使用了太多的集電器，并且該結(jié)構(gòu)浪費(fèi)了太多的電解質(zhì)。因此，該結(jié)構(gòu)不是非常實(shí)用的，因?yàn)槠渚哂性S多不足之處。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種電化學(xué)元件及其制備方法，該元件可以使活性電極材料的含量達(dá)到最大，并且容易制造。
通過一種包括多層堆疊的電化學(xué)電池的電化學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)這些和其它目的，所述電化學(xué)電池是通過堆疊作為基本單位的依次具有陰極，隔離層，和陽極的全電池，和置于每個堆疊的全電池間的隔離膜而形成，其中所述隔離膜具有能夠包覆電化學(xué)電池的單位長度，并從第一點(diǎn)的電化學(xué)電池開始，向外折疊每個單位長度，以呈Z形折疊每個電化學(xué)電池，連續(xù)地直至最后一點(diǎn)的電化學(xué)電池，而剩余的隔離膜將堆疊的電池的外部纏起來。
另外，本發(fā)明提供制備使用全電池的電化學(xué)元件的方法，包括如下步驟a)在隔離膜的上面和下面連續(xù)地或交替地放置全電池；b) 層壓a)步所放置的全電池和所述隔離膜；和c)向緊鄰第一個全電池的全電池，向外折疊b)步的所述層壓過的全電池和所述隔離膜，以呈Z形折疊起每個全電池，并卷起剩余的隔離膜，繞堆疊的全電池的外部至少一圈，從而堆疊起各全電池。
另外，本發(fā)明提供一種包括多層堆疊的電化學(xué)電池的電化學(xué)元件，所述電化學(xué)電池通過堆疊i) 作為基本單元的一種依次具有陰極，隔離層，陽極，另一個隔離層，和另一個陰極的雙電池；或ii) 作為基本單元的一種依次具有陽極，隔離層，陰極，另一個隔離層，和另一個陽極的雙電池；和置于每個堆疊的雙電池間的隔離膜而形成，其中所述隔離膜具有能夠包覆電化學(xué)電池的單位長度，并從第一點(diǎn)的電化學(xué)電池開始，向外折疊每個單位長度，以呈Z形折疊每個電化學(xué)電池，連續(xù)地直至最后一點(diǎn)的電化學(xué)電池，而剩余的隔離膜將堆疊的電池的外部纏起來。
還有，本發(fā)明提供制備使用雙電池的電化學(xué)元件的方法，包括如下步驟a) 在隔離膜的上面和下面連續(xù)地或交替地放置雙電池；b) 層壓a)步所放置的雙電池和所述隔離膜；和c) 向緊鄰第一個雙電池的雙電池，向外折疊b)步的所述層壓過的雙電池和所述隔離膜，以呈Z形折疊起每個雙電池，并卷起剩余的隔離膜，繞堆疊的雙電池的外部至少一圈，從而堆疊起各雙電池。
圖2顯示了一種電池的層狀結(jié)構(gòu)，其中堆疊了多個全電池，并且隔離膜置于堆疊的電池之間。
圖3顯示了一種包括多層堆疊的全電池的電池的層狀結(jié)構(gòu)，該電池的最外側(cè)的全電池的最外邊的電極，一側(cè)涂布而另一側(cè)為金屬箔，隔離膜置于全電池之間。
圖4a顯示了一種雙電池的層狀結(jié)構(gòu)，其中中間層是陽極，而外面兩側(cè)為陰極。
圖4b顯示了一種雙電池的層狀結(jié)構(gòu)，其中中間層是陰極，而外面兩側(cè)為陽極。
圖5顯示了一種電池的層狀結(jié)構(gòu)，其中兩種類型的雙電池交替堆疊，在雙電池之間插有隔離膜。
圖6顯示了一種電池的層狀結(jié)構(gòu)，包括最外側(cè)雙電池的最外邊電極的一側(cè)涂布而另一側(cè)為金屬箔的雙電池，并且兩種類型的雙電池交替堆疊，并有隔離膜置于雙電池之間。
圖7是一種蓄電池的展開圖，其中全電池相繼地放置在切割過的隔離膜上，然后層壓，使全電池精確的排列成一行以進(jìn)行堆疊。
圖8是一條曲線，顯示了本發(fā)明電化學(xué)元件的充電和放電特性。
圖9是一種蓄電池的展開圖，其中全電池相繼地放置在切割過的隔離膜上，然后層壓，使全電池精確的排列成一行以進(jìn)行堆疊。


圖10是一種蓄電池的展開圖，其中雙電池相繼地放置在切割過的隔離膜上，然后層壓，使雙電池精確的排列成一行以進(jìn)行堆疊。
圖11顯示了本發(fā)明電化學(xué)元件的循環(huán)特性。
圖12是一種蓄電池的展開圖，其中雙電池相繼地放置在切割過的隔離膜上，然后層壓，使雙電池精確的排列成一行以進(jìn)行堆疊。
本發(fā)明的電化學(xué)電池采用全電池或雙電池作為基本單元堆疊而成。
本發(fā)明的全電池具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中將層狀的構(gòu)成物陰極7，陽極8和隔離層15切割成規(guī)則的形狀和大小，然后如圖1所示堆疊。所有電極使用兩側(cè)涂布電極活性材料13和14的集電器11和12。這樣的結(jié)構(gòu)被看作是一個單元電池，堆疊該單元電池構(gòu)成蓄電池。為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，電極和隔離膜必須彼此固定。例如，在鋰可充電電池中，陰極材料14的主要成分是鋰嵌入材料，如鋰錳氧化物，鋰鈷氧化物，鋰鎳氧化物，或上述氧化物組合形成的復(fù)合氧化物，所述陰極材料涂布在陰極集電器12上形成陰極8，集電器12是由鋁，鎳，或其組合物制備的金屬箔。陽極材料13的主要成分是鋰金屬或鋰合金，和鋰嵌入材料，如碳，石油焦，活性炭，石墨，或其它碳，所述陽極材料13涂布在陽極集電器11上形成陽極7，集電器11是由銅，金，鎳，銅合金，或其組合物制備的金屬箔。
隔離層15包括微孔聚乙烯薄膜，微孔聚丙烯薄膜，或由其組合制備的多層薄膜，或用作固體聚合物電解質(zhì)或凝膠型聚合物電解質(zhì)的聚合物膜，如聚(1，1-二氟乙烯)，聚環(huán)氧乙烷，聚丙烯腈，或聚(1，1-二氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。另外，使用一種公開于韓國專利申請No.99-57312的，包括第一微孔聚合物層和聚(1，1-二氟乙烯-一氟三氯乙烯)共聚物的第二凝膠聚合物層的，用作聚合物電解質(zhì)的聚合物膜也是非常有效的。隔離層15需要具有的一個重要特征是層壓結(jié)合特性，以構(gòu)成單元電池，該單元電池是一種全電池。
圖1所示全電池17的單位結(jié)構(gòu)，依次由陰極，隔離層和陽極構(gòu)成。隔離層15自然地位于電池的中心?？梢愿鶕?jù)需要的數(shù)量，堆疊多個這樣的單元電池，以完成具有實(shí)用容量的蓄電池。例如，圖2顯示相繼堆疊5個全電池。對于隔離層15，如上所述，聚合物隔離層，或用作聚合物電解質(zhì)的具有微孔的聚合物隔離膜的插入方式是特別重要的，并且圖2顯示了本發(fā)明提供的一種方式。
通過從一個全電池開始，呈Z形折疊縱向切割的隔離膜19，使本發(fā)明的全電池17一個接一個地堆疊起來。這樣的結(jié)構(gòu)是非常高效的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谝粋€單元電池內(nèi)無用的外側(cè)活性涂布材料，與相鄰的另一個單元電池的相對電極的活性涂布材料共享。在完成折疊并繞全電池一周后，通過固定膠帶27來終止隔離膜19。另外，除膠帶外，也可以采用熱熔方法終止。即，通過熱封而使隔離膜本身固定和結(jié)合在一起，所述熱封是使熱封機(jī)，熱板等與隔離膜接觸而完成。堆疊的全電池的數(shù)量，可以根據(jù)最終的蓄電池需要的容量而確定。
在本發(fā)明中，圖2的結(jié)構(gòu)44具有另一種含義。根據(jù)本發(fā)明人的經(jīng)驗(yàn)，諸如用作聚合物電解質(zhì)膜的薄膜之類的隔離膜，或聚合物隔離層，與電極間的表面是重要的。當(dāng)注入液體電解質(zhì)并包裝后實(shí)際使用蓄電池時(shí)，蓄電池將經(jīng)歷多次充電和放電循環(huán)。當(dāng)表面的接觸不能恒定地保持并變得不穩(wěn)定時(shí)，蓄電池的性能將急劇地下降，并且蓄電池的實(shí)際容量將降低。根據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)，這種后果可能從開始即顯示出來，或者可能隨時(shí)間的流逝而暴露出來。因此，需要施加壓力以恒定地保持所述表面。本發(fā)明提供一種新的電池結(jié)構(gòu)及其裝配方法，作為保持壓力，同時(shí)基本上解決上述問題的方法。在這種范圍內(nèi)，圖2具有另一種意義。
如在圖2的結(jié)構(gòu)44中可以看到的那樣，堆疊作為單元電池的全電池，同時(shí)呈Z形折疊隔離膜19的方法，有效地利用了全電池間的電極。在折疊結(jié)束后繞全電池卷一周所產(chǎn)生的壓力，壓緊了所有電池所形成的用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜或聚合物隔離層與電極之間的面。最終采用膠帶27來終止，是恒定地保持這樣一種壓力的措施，它使表面間保持穩(wěn)定和恒定的接觸。
對于隔離層15和隔離膜19，可以使用不同材料或相同材料的聚合物隔離層或用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜。隔離層15必須具有層壓粘結(jié)特性，以構(gòu)成全電池單元電池，但是隔離膜19不需要具有這樣的特性，因?yàn)榭梢杂酶綦x膜19折疊起全電池17來進(jìn)行組裝。但是，對于如圖2的結(jié)構(gòu)44所示的，使用一種電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行的另一種類型的組裝來說，優(yōu)選使用具有粘結(jié)特性的隔離膜19。在這方面，最合適的是使用用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜作為本發(fā)明蓄電池的隔離膜19，該聚合物薄膜包括第一微孔聚合物層，和聚(1，1-二氟乙烯-一氯三氟乙烯)共聚物的第二凝膠聚合物層。當(dāng)使用新的聚合物薄膜作為隔離膜19時(shí)，圖2的結(jié)構(gòu)44的組裝方法可以有很大變化。即，每個全電池17粘結(jié)到隔離膜19上時(shí)有兩種可能的取向，即上面的取向和下面的取向。如果如圖2所示有5個全電池，則可以有25種組裝方式。在該方法中，在隔離膜19縱向展開后，全電池可以按照25種方式中的任意一種，布置在隔離膜19的上面或下面，然后層壓，接著簡單地呈Z形折疊，并卷一周。該方法的優(yōu)點(diǎn)是組裝過程的設(shè)計(jì)和布置都很容易。
圖3顯示的結(jié)構(gòu)45，省去了圖2的結(jié)構(gòu)44的無用的最外側(cè)活性電極材料，這樣該結(jié)構(gòu)具有最大的空間效率。當(dāng)將其中一個電極雙側(cè)涂布，而另一個電極單側(cè)涂布的全電池結(jié)構(gòu)定義為另一個全電池17’時(shí)，圖3的結(jié)構(gòu)45采用了這樣的全電池17’，使圖2的結(jié)構(gòu)44所示的無用的最外側(cè)活性電極材料僅剩下金屬箔。其結(jié)果是厚度的進(jìn)一步降低而未損失容量，使空間效率進(jìn)一步增加。但是，當(dāng)堆疊的電池?cái)?shù)量增加時(shí)，與圖2的結(jié)構(gòu)44相比，空間利用率沒有太大的差別。然而，在最近所討論的非常薄層的卡型蓄電池中，圖3的結(jié)構(gòu)45是有效的。
在本發(fā)明中，當(dāng)多個雙電池作為單元電池堆疊時(shí)，以與上述方法相同的方式，采用空間效率高的電池結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，分別定義如圖4a和圖4b所示的兩種類型的雙電池23和24，該兩種雙電池都使用雙側(cè)涂布的電極。雙電池23的陽極放置在中間，陰極放置在外邊兩側(cè)，而雙電池24的陰極放置在中間，陽極放置在外邊兩側(cè)?？梢允褂玫幕钚噪姌O材料和聚合物隔離層或用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜，如隔離層15，在細(xì)節(jié)上與上面在全電池中的討論相同。
圖5的結(jié)構(gòu)46顯示了使用兩種類型的雙電池作為基本單元電池構(gòu)建蓄電池的一種方式。當(dāng)交替堆疊雙電池23和24，并且將前述聚合物隔離層，或隔離膜19，如用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜以Z形折疊的方式插入到雙電池之間時(shí)，在一個雙電池中無用的外層活性涂布材料，自然地與相鄰的另一種雙電池的相反極性共享，形成一個新的全電池，這是一種非常高效的結(jié)構(gòu)。如在圖5的結(jié)構(gòu)46中可以看到的那樣，如果隔離膜19連續(xù)地放置在電池之間，并且雙電池交替地堆疊，則自然地形成蓄電池的極性而不會產(chǎn)生矛盾。蓄電池最外面堆疊的雙電池可以是雙電池23或雙電池24，唯一的差別是沒用的電極材料是陽極或是陰極。隨著堆疊數(shù)量的增加，這種沒用的電極的比例降低，并且其對具有實(shí)際厚度的電極僅有很小的影響。在其它的結(jié)構(gòu)46中，插入隔離膜19的方式和結(jié)構(gòu)，在各細(xì)節(jié)上與所述全電池的方式和結(jié)構(gòu)相同，并且在這種結(jié)構(gòu)下，隔離膜19和膠帶27起的作用也相同。
圖6顯示的結(jié)構(gòu)47，省去了圖5的結(jié)構(gòu)46的最外側(cè)的活性電極材料，這樣該結(jié)構(gòu)具有最大的空間效率。當(dāng)用底物(‘)(primes(‘))表示其中雙電池的兩個外面的電極中的僅一個僅剩下金屬箔的結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖6的結(jié)構(gòu)47所示，將雙電池23’作為蓄電池的最外邊的雙電池進(jìn)行堆疊的結(jié)構(gòu)(不論最外邊的雙電池是雙電池23’或雙電池24’)，使最外邊的活性電極材料的無用部分僅剩下金屬箔，這樣厚度進(jìn)一步降低而不會損失空間效率。這使得其優(yōu)點(diǎn)直接與空間效率相關(guān)。當(dāng)堆疊的雙電池層數(shù)增加時(shí)，與圖5的結(jié)構(gòu)46相比，空間效率沒有太大差別。但是，在薄層卡型蓄電池中，圖6的堆疊電池的結(jié)構(gòu)47是有效的。
對于棱柱形蓄電池，本發(fā)明提供的蓄電池結(jié)構(gòu)是非常高效的。一般地，在包裝時(shí)注進(jìn)液體電解質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，使用鋁棱柱形罐或鋁層壓薄片作為容器。所述液體電解質(zhì)是溶解或離解在有機(jī)溶劑中的A+B-鹽，其中A+包括堿金屬陽離子，例如Li+，Na+或K+，或其組合，B-包括陰離子PF6-，BF4-，Cl-，Br-，I-，ClO4-，ASF6-，CH3CO2-，CF3SO3-，N(CF3SO2)2-，C(CF2SO2)3-，或其組合，有機(jī)溶劑包括碳酸亞丙酯(PC)，碳酸亞乙酯(EC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸二丙酯(DPC)，二甲亞砜，乙腈，二甲氧基乙烷，二乙氧基乙烷，四氫呋喃，N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，碳酸甲基乙基酯(EMC)，或γ-丁內(nèi)酯，或其組合。不象鋰離子蓄電池的果醬卷，本發(fā)明蓄電池的構(gòu)成物的形狀與四邊形容器的形狀一致，以至于在容器內(nèi)不存在未利用的空間。因此，蓄電池的能量密度可以大大提高，以實(shí)現(xiàn)具有最大活性材料空間效率的高度整合的蓄電池。
本發(fā)明的電化學(xué)元件除鋰二次電池外，還可應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如高級電容器(supercapacitor)，超級電容器(ultracapacitor)，一次電池，二次電池，燃料電池，傳感器，電解裝置，電化學(xué)反應(yīng)器等。
下面參照實(shí)施例，更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。但是，無論如何不能將這些實(shí)施例理解為對本發(fā)明范圍的限制。[實(shí)施例]
將重量比為95∶2.5∶2.5的LiCoO2∶碳黑∶PVDF分散在NMP中，以制備漿液，然后將該漿液涂布到鋁箔上。在130℃充分干燥后，碾平制備出陰極。
通過將所述漿液涂布到鋁箔的雙側(cè)而制備全電池的陰極。即，該陰極上的陰極材料涂布在鋁陰極集電器的兩側(cè)。兩側(cè)涂布的陰極的厚度為140μm。(制備陽極)將重量比為93∶1∶6的石墨∶乙炔黑∶PVDF分散在NMP中，以制備漿液，然后將該漿液涂布到銅箔上。在130℃充分干燥后，碾平制備出陽極。
通過將所述漿液涂布到銅箔的雙側(cè)而制備全電池的陽極。即，該陽極上的陽極材料涂布在銅陽極集電器的兩側(cè)。兩側(cè)涂布的陽極的厚度為135μm。(制備隔離層；隔離膜；用作聚合物電解質(zhì)的聚合物膜)制備一種多層聚合物薄膜，其中具有微孔結(jié)構(gòu)，厚度為16μm的聚丙烯薄膜是第一聚合物隔離層，聚(1，1-二氟乙烯-一氯三氟乙烯)共聚物32008(Solvay)是第二凝膠聚合物層。將6g 32008加入到194g丙酮中，并在50℃攪拌。1小時(shí)后，通過浸涂方法，將該完全溶解的透明的32008溶液涂布到聚丙烯制成的第一聚合物隔離層上。32008的涂布厚度為1μm，最終的多層聚合物膜的厚度為18μm。在此，隔離層和隔離膜使用相同的材料。(制備全電池)將陰極材料涂布在陰極集電器兩側(cè)的陰極切割成除形成突舌的區(qū)域外(形成突舌的區(qū)域應(yīng)該沒有涂布電極材料)，大小為2.9cm×4.3cm的長方形，將陽極材料涂布在陽極集電器兩側(cè)的陽極切割成除形成突舌的區(qū)域外(形成突舌的區(qū)域應(yīng)該沒有涂布電極材料)，大小為3.0cm×4.4cm的長方形，將采用上述方法制備的多層聚合物薄膜切割成3.1cm×4.5cm的大小，將該薄膜置于陽極和陰極之間，并使其通過一個100℃的輥筒碾壓機(jī)，將各電極和隔離層層壓在一起，制備出7個圖1的全電池17。(堆疊全電池)
縱向切割如上制備的用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜19后，如圖7a所示，將7個全電池交替地放置在隔離膜19的上面和下面。圖7b是圖7a的側(cè)視圖。各電池間的縫隙是相等的，但是足以使電池可以堆疊并用隔離膜呈Z形分隔。如圖7a和圖7b所示布置突舌的極性，以使其與相鄰全電池的極性一致。即，放置在隔離膜19的上面和下面的第一全電池的電極的取向，是按照陰極，然后陽極的順序進(jìn)行放置，而第二個全電池和下一個全電池的電極的取向，是按照相反的順序，交替地放置在隔離膜的下面和上面。
使在其上放置了全電池的聚合物薄膜19通過一個輥筒碾壓機(jī)，以使全電池粘結(jié)在聚合物薄膜19的上面和下面。
粘結(jié)在第一點(diǎn)的全電池17被折疊成Z形。在折疊結(jié)束后，剩余的隔離膜19繞堆疊的全電池的外部纏一周，并用膠帶27緊緊地固定和保護(hù)。(制備蓄電池)將如上制備的全電池堆疊的蓄電池放置在鋁薄片包裝內(nèi)。然后注進(jìn)液體電解質(zhì)并包裝，所述液體電解質(zhì)包括1M LiPF6的EC/EMC(重量比為1∶2)溶液。(評價(jià))采用充電和放電試驗(yàn)，所述蓄電池的循環(huán)特性的評價(jià)結(jié)果示于圖8。參考數(shù)字102顯示了制備的蓄電池的循環(huán)特性，其中充電和放電量為0.2C。
如實(shí)施例1，使電極和隔離層通過一個100℃的輥筒碾壓機(jī)，將其層壓在一起，制備出8個圖1的全電池17。(堆疊全電池)縱向切割如上制備的用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜19后，如圖9a所示，將8個全電池放置在隔離膜19的上面或下面。圖9b是圖9a的側(cè)視圖。各電池間的縫隙是相等的，但是足以使電池可以堆疊并用隔離膜呈Z形分隔，其中的距離是全電池的寬度和厚度的和。如圖9a和圖9b所示布置突舌的極性，以使其與相鄰全電池的極性一致。即，放置在隔離膜19的上面和下面的第一全電池的電極的取向，是按照陰極，然后陽極的順序同樣地放置，而第二個全電池和下一個全電池的電極的取向，是按照相反的順序放置在隔離膜的下面和上面。
使在其上放置了全電池的聚合物薄膜19通過一個輥筒碾壓機(jī)，以使全電池粘結(jié)在聚合物薄膜19的上面和下面。
粘結(jié)在第一點(diǎn)的全電池17被折疊成Z形。在折疊結(jié)束后，剩余的隔離膜19繞堆疊的全電池的外部纏一周，并用膠帶27緊緊地固定和保護(hù)。(制備蓄電池)將如上制備的全電池堆疊的蓄電池放置在鋁薄片包裝內(nèi)。然后注進(jìn)液體電解質(zhì)并包裝，所述液體電解質(zhì)包括1M LiPF6的EC/EMC(重量比為1∶2)溶液。(評價(jià))采用充電和放電試驗(yàn)，所述蓄電池的循環(huán)特性的評價(jià)結(jié)果示于圖8。參考數(shù)字103顯示了制備的蓄電池的循環(huán)特性，其中充電和放電量為0.2C。
通過將所述漿液涂布到鋁箔的兩側(cè)而制備雙電池的陰極。即，該陰極上的陰極材料涂布在鋁陰極集電器的兩側(cè)。兩側(cè)涂布的陰極的厚度為140μm。(制備陽極)按照上述實(shí)施例1的同樣方法，制備各陽極。
通過將所述漿液涂布到銅箔的兩側(cè)而制備雙電池的陽極。即，該陽極上的陽極材料涂布在銅陽極集電器的兩側(cè)。兩側(cè)涂布的陽極的厚度為135μm。(制備隔離層；隔離膜；用作聚合物電解質(zhì)的聚合物膜)按照實(shí)施例1相同的方式，制備隔離層，隔離膜，和用作聚合物電解質(zhì)的聚合物膜。(制備雙電池)將前述陰極材料涂布在陰極集電器兩側(cè)的陰極切割成除形成突舌的區(qū)域外，大小為2.9cm×4.3cm的長方形。將陽極材料涂布在陽極集電器兩側(cè)的陽極切割成除形成突舌的區(qū)域外，大小為3.0cm×4.4cm的長方形。
將兩側(cè)涂布的陽極放置在中間，在其雙側(cè)外邊放置兩側(cè)涂布的陰極，將切割成3.1cm×4.5cm的大小的采用上述方法制備的多層聚合物薄膜置于各陽極和各陰極之間，使其通過一個100℃的輥筒碾壓機(jī)，使電極和隔離層熱熔在一起，制備出4個圖4a的雙電池23。將兩側(cè)涂布的陰極放置在中間，在其雙側(cè)外邊放置兩側(cè)涂布的陽極，將切割成3.1cm×4.5cm的大小的采用上述方法制備的多層聚合物薄膜置于各陽極和各陰極之間，使其通過一個100℃的輥筒碾壓機(jī)，將電極和隔離層層壓在一起，制備出其它的雙電池，即3個圖4b的雙電池24。(堆疊雙電池)縱向切割如上制備的用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜19后，將如上制備的4個雙電池23和3個雙電池24分別放置在隔離膜19的上面和下面。圖10b是圖10a的側(cè)視圖。各電池間的縫隙是相等的，但是足以使電池可以堆疊并用隔離膜呈Z形分隔。如圖10a和圖10b所示布置突舌的極性，以使其與相鄰雙電池的極性一致。即，放置在隔離膜19上面的第一個雙電池的電極的取向，是按照陰極，然后陽極的順序放置，而第二個雙電池和下一個雙電池的電極的取向，是按照相反的順序，交替地放置在隔離膜19的下面和上面。
使在其上放置了雙電池的聚合物薄膜19通過一個輥筒碾壓機(jī)，以使雙電池粘結(jié)在聚合物薄膜19的上面和下面。
粘結(jié)在第一點(diǎn)的雙電池23被折疊成Z形。在折疊結(jié)束后，剩余的隔離膜19繞堆疊的雙電池的外部纏一周，并用膠帶27緊緊地固定和保護(hù)。(制備蓄電池)將如上制備的堆疊的雙電池蓄電池放置在鋁薄片包裝內(nèi)。然后注進(jìn)液體電解質(zhì)并包裝，所述液體電解質(zhì)包括1M LiPF6的EC/EMC(重量比為1∶2)溶液。(評價(jià))采用充電和放電試驗(yàn)，所述蓄電池的循環(huán)特性的評價(jià)結(jié)果示于圖11。參考數(shù)字104顯示了制備的蓄電池的循環(huán)特性，其中在第一次和第二次，充電和放電量為0.2C，然后從第三次開始，充電0.5C/放電1C，從該次開始，結(jié)果圖示于曲線上。
使在其上放置了雙電池的聚合物薄膜19通過一個輥筒碾壓機(jī)，以使雙電池粘結(jié)在聚合物薄膜19的上面和下面。
粘結(jié)在第一點(diǎn)的雙電池23被折疊成Z形。在折疊結(jié)束后，剩余的隔離膜19繞堆疊的雙電池的外部纏一周，并用膠帶27緊緊地固定和保護(hù)。(制備蓄電池)將如上制備的堆疊的雙電池蓄電池放置在鋁薄片包裝內(nèi)。然后注進(jìn)液體電解質(zhì)并包裝，所述液體電解質(zhì)包括1M LiPF6的EC/EMC(重量比為1∶2)溶液。(評價(jià))采用充電和放電試驗(yàn)，所述蓄電池的循環(huán)特性的評價(jià)結(jié)果示于圖11。參考數(shù)字105顯示了制備的蓄電池的循環(huán)特性，其中在第一次和第二次，充電和放電量為0.2C，然后從第三次開始，充電0.5C/放電1C，從該次開始，結(jié)果圖示于曲線上。
本發(fā)明的采用全電池或雙電池作為單元電池多層堆疊的電化學(xué)元件容易制造，具有能夠有效利用可獲得的空間的結(jié)構(gòu)，并且可以特別使活性電極材料的含量最大化，從而可實(shí)現(xiàn)高度整合的蓄電池。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)元件，包括多層堆疊的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池是通過堆疊作為基本單位的依次具有陰極，隔離層，和陽極的全電池，和置于每個堆疊的全電池間的隔離膜而形成，其中所述隔離膜具有能夠包覆電化學(xué)電池的單位長度，并從第一點(diǎn)的電化學(xué)電池開始，向外折疊每個單位長度，以呈Z形折疊每個電化學(xué)電池，連續(xù)地直至最后一點(diǎn)的電化學(xué)電池，而剩余的隔離膜將堆疊的電池的外部纏起來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)元件，其中所述隔離膜的最外端用膠帶固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)元件，其中所述隔離膜的最外端用熱封固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)元件，其中所述隔離膜選自微孔聚乙烯薄膜，微孔聚丙烯薄膜，由其組合制備的多層薄膜，和用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜，所述聚合物包括聚(1，1-二氟乙烯)，聚環(huán)氧乙烷，聚丙烯腈，或聚(1，1-二氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電化學(xué)元件，其中所述用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜包括第一微孔聚合物層和聚(1，1-二氟乙烯-一氯三氟乙烯)共聚物的第二凝膠聚合物層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)元件，其中所述全電池的各陰極是陰極材料涂布在陰極集電器兩側(cè)的電極，而所述各陽極是陽極材料涂布在陽極集電器兩側(cè)的電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)元件，其中放置在所述電化學(xué)電池最外側(cè)的各全電池，包括一個陰極材料涂布在陰極集電器單側(cè)的陰極，或一個陽極材料涂布在陽極集電器單側(cè)的陽極，并且集電器金屬箔放置在最外側(cè)。
8.一種制備電化學(xué)元件的方法，該電化學(xué)元件包括多層堆疊并裝在蓄電池殼內(nèi)的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池是通過堆疊作為基本單位的依次具有陰極，隔離層，和陽極的全電池，和置于各堆疊的全電池之間的隔離膜而形成，所述隔離膜具有能夠包覆電化學(xué)電池的單位長度，并從第一點(diǎn)的電化學(xué)電池開始，向外折疊每個單位長度，以呈Z形折疊每個電化學(xué)電池，連續(xù)地直至最后一點(diǎn)的電化學(xué)電池，而剩余的隔離膜將堆疊的電池的外部纏起來，該方法包括如下步驟a) 在隔離膜的上面和下面連續(xù)地或交替地放置全電池；b) 層壓a)步所放置的全電池和所述隔離膜；和c) 向緊鄰第一個全電池的全電池，向外折疊b)步的所述層壓過的全電池和所述隔離膜，以呈Z形折疊起每個全電池，并卷起剩余的隔離膜，繞堆疊的全電池的外部至少一圈，從而堆疊起各全電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括步驟d)用膠帶固定所述隔離膜的末端。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括步驟e)用熱封方法固定所述隔離膜的末端，所述熱封是通過使熱封機(jī)，或熱板與隔離膜接觸來進(jìn)行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述a)步的各全電池放置在隔離膜的上面或下面。
12.一種電化學(xué)元件，包括多層堆疊的電化學(xué)電池，所述電化學(xué)電池通過堆疊i)作為基本單元的一種依次具有陰極，隔離層，陽極，另一個隔離層，和另一個陰極的雙電池；或ii)作為基本單元的一種依次具有陽極，隔離層，陰極，另一個隔離層，和另一個陽極的雙電池；和置于每個堆疊的雙電池間的隔離膜而形成，其中所述隔離膜具有能夠包覆電化學(xué)電池的單位長度，并從第一點(diǎn)的電化學(xué)電池開始，向外折疊每個單位長度，以呈Z形折疊每個電化學(xué)電池，連續(xù)地直至最后一點(diǎn)的電化學(xué)電池，而剩余的隔離膜將堆疊的電池的外部纏起來。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電化學(xué)元件，其中所述隔離膜的最外端用膠帶固定。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的電化學(xué)元件，其中所述隔離膜的最外端用熱封方法固定。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的電化學(xué)元件，其中所述隔離膜選自微孔聚乙烯薄膜，微孔聚丙烯薄膜，由其組合制備的多層薄膜，和用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜，所述聚合物包括聚(1，1-二氟乙烯)，聚環(huán)氧乙烷，聚丙烯腈，或聚(1，1-二氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電化學(xué)元件，其中所述用作聚合物電解質(zhì)的聚合物薄膜包括第一微孔聚合物層和聚(1，1-二氟乙烯-一氯三氟乙烯)共聚物的第二凝膠聚合物層。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的電化學(xué)元件，其中所述電化學(xué)電池是通過交替堆疊i)依次具有陰極，隔離層，陽極，另一個隔離層，和另一個陰極的雙電池；和ii)依次具有陽極，隔離層，陰極，另一個隔離層，和另一個陽極的雙電池而形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的電化學(xué)元件，其中所述雙電池的各陰極是陰極材料涂布在陰極集電器兩側(cè)的電極，并且所述各陽極是陽極材料涂布在陽極集電器兩側(cè)的電極。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的電化學(xué)元件，其中放置在所述電化學(xué)電池最外側(cè)的各雙電池，包括一個陰極材料涂布在陰極集電器單側(cè)的陰極，或一個陽極材料涂布在陽極集電器單側(cè)的陽極，并且集電器金屬箔放置在最外側(cè)。
20.一種制備包括多層堆疊的電化學(xué)電池的電化學(xué)元件的方法，所述電化學(xué)電池是通過交替堆疊i)作為基本單元的依次具有陰極，隔離層，陽極，另一個隔離層，和另一個陰極的雙電池；和ii)作為基本單元的依次具有陽極，隔離層，陰極，另一個隔離層，和另一個陽極的雙電池；和置于各堆疊的雙電池之間的隔離膜而形成，該隔離膜具有能夠包覆電化學(xué)電池的單位長度，并從第一點(diǎn)的電化學(xué)電池開始，向外折疊每個單位長度，以呈Z形折疊每個電化學(xué)電池，連續(xù)地直至最后一點(diǎn)的電化學(xué)電池，而剩余的隔離膜將堆疊的電池的外部纏起來，該方法包括如下步驟a) 在隔離膜的上面和下面連續(xù)地或交替地放置雙電池；b) 層壓a)步所放置的雙電池和所述隔離膜；和c) 向緊鄰第一個雙電池的雙電池，向外折疊b)步的所述層壓過的雙電池和所述隔離膜，以呈Z形折疊起每個雙電池，并卷起剩余的隔離膜，繞堆疊的雙電池的外部至少一圈，從而堆疊起各雙電池。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括步驟d)用膠帶固定所述隔離膜的末端。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括步驟e)用熱封方法固定所述隔離膜的末端，所述熱封是通過使熱封機(jī)，或熱板與隔離膜接觸來進(jìn)行的。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中a)步的所述各雙電池放置在隔離膜的上面或下面。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述電化學(xué)電池是通過交替堆疊i)依次具有陰極，隔離層，陽極，另一個隔離層，和另一個陰極的雙電池；和ii)依次具有陽極，隔離層，陰極，另一個隔離層，和另一個陽極的雙電池而形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及電化學(xué)元件,特別是具有改良的能量密度的包括多層堆疊的電化學(xué)電池的電化學(xué)元件。為實(shí)現(xiàn)這樣的目的,本發(fā)明提供一種電化學(xué)元件及其制備方法,所述電化學(xué)元件包括多層堆疊的電化學(xué)電池,所述的電化學(xué)電池是通過堆疊作為基本單位的依次具有陰極,隔離層,和陽極的全電池或雙電池,和置于各堆疊的電池之間的隔離膜而形成,其中所述隔離膜具有能夠包覆電化學(xué)電池的單位長度,并從第一點(diǎn)的電化學(xué)電池開始,向外折疊每個單位長度,以呈Z形折疊每個電化學(xué)電池,連續(xù)地直至最后一點(diǎn)的電化學(xué)電池,而剩余的隔離膜將堆疊的電池的外部纏起來。
文檔編號H01M10/04GK1363122SQ01800239
公開日2002年8月7日 申請日期2001年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月8日
發(fā)明者李香穆, 安諄昊, 金璟俊, 李在憲 申請人:Lg化學(xué)株式會社