專利名稱：用于鋰離子二次電池的凹穴式電極板、其生產(chǎn)方法以及使用了所述電極板的鋰離子二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子二次電池，尤其涉及一種用于鋰離子二次電池的凹穴式電極板、其生產(chǎn)方法和使用了所述電極板的鋰離子二次電池。
本發(fā)明在于革命性改進(jìn)了厚度為5mm或更小的薄鋰離子二次電池的生產(chǎn)率和能量密度。


圖1為在現(xiàn)有技術(shù)中所述的棱柱形鋰離子二次電池的生產(chǎn)工藝的示意圖。通過所謂的卷繞方法將棱柱形鋰離子二次電池的陽極和陰極結(jié)合成一個整體，其中陽極和陰極與位于它們之間的隔膜卷在一起，并且該整體電極被稱為凝膠卷。圖1顯示出通過將凝膠卷102插進(jìn)棱柱形筒104中隨后通過激光焊接用蓋子106密封頂部來生產(chǎn)鋰離子二次電池。通過將用于每個電極的聚合物粘合劑、導(dǎo)電粉末和活性材料的混合物分別覆蓋到銅和鋁的薄板上來生產(chǎn)出陽極和陰極。通常，無覆蓋部分保留用于附著電極接頭。由鎳和鋁制成的電極接頭分別附著在陽極和陰極的每個無覆蓋部分上，并且這兩個電極通過這些接頭與外面的端子連接。當(dāng)將凝膠卷102插進(jìn)筒104中時，附著在無覆蓋部分上的其中一個電極接頭粘接在筒104的底部或側(cè)面上，并且另一個電極接頭粘接在蓋子106上。該生產(chǎn)方法和結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)殛帢O和陽極通過在卷繞中施加在隔膜上的張力而在物理上相互均勻地連接并且它們還在物理上壓在筒104的壁上，所以在電池充電或放電時可以均勻地利用整個電極表面。因此，這樣制成的電池具有優(yōu)異的性能并且在長時期的充電和放電循環(huán)中保持高性能。具有高機(jī)械強(qiáng)度的金屬筒104的壁的額外優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)榭梢酝ㄟ^物理擠壓將凝膠卷102緊緊地裝填在筒104內(nèi)部并且可以使通過由內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的膨脹而引起的厚度變化最小化，所以它能夠極大地有助于提高成品電池的單位體積能量密度。另外，電池筒104和蓋子106的完全熔接使電池內(nèi)部與外部隔開并且可以防止電池內(nèi)部材料泄漏和外部雜質(zhì)滲入的危險。
但是，只要組成材料相同，則使用相同電極在上述裝配方法下制成的厚度小于5mm的薄棱柱形鋰離子二次電池的能量密度比普通的圓柱形電池降低大約30％。在厚度減小時能量密度將進(jìn)一步減小。另外，當(dāng)厚度減小時，大多數(shù)生產(chǎn)工藝?yán)缒z卷和電介質(zhì)裝填、絕緣、電極端子的分離以及使用激光進(jìn)行的熔接將更加困難，并且導(dǎo)致產(chǎn)出率降低以及生產(chǎn)成本增加。能量密度增加的原因總結(jié)如下。
首先，在現(xiàn)有技術(shù)中用于棱柱形電池的筒通常是通過低溫深沖壓制成的，當(dāng)由鋁制成時該筒的厚度大約為0.4mm，當(dāng)由鋼制成時厚度大約為0.3mm。圓柱形電池的包裝材料厚度大約為0.2mm，大約是鋁或鋼筒厚度的一半或2/3。尤其對于厚度為5mm或更小的電池而言隨著電池變得越來越薄，厚包裝材料的體積或重量份數(shù)變得越來越大，并且使用普通技術(shù)在生產(chǎn)高能量密度的薄棱柱形電池中具有很大的限制。
第二，通過卷繞制成的凝膠卷的形狀不是平的而是有點(diǎn)橢圓，并且不能夠緊緊地插入在棱柱形電池內(nèi)部，結(jié)果產(chǎn)生死區(qū)。通過未使用的內(nèi)部空間與整個內(nèi)部空間的體積份數(shù)來確定電池能量密度的損失，并且能量密度的損失對于內(nèi)部空間相對較小的薄棱柱形電池而言將是很嚴(yán)重的。當(dāng)使用相同的電極時，厚度小于4mm的棱柱形電池的能量密度通常比厚度在10mm左右的電池小30％。
第三，在棱柱形電池的卷繞工藝中，和圓柱形電池不一樣，電極必須平平地卷繞，由于在凝膠卷的端部處的曲率半徑較小所以導(dǎo)致電極折疊。為了防止在該過程中電極受到損壞，必須減小電極的厚度或者必須增加用來提高柔韌性和粘附性的非活性粘合劑量。當(dāng)卷繞幾個薄電極時，必須將更多隔膜裝進(jìn)電池中，并且電池的能量密度由于非活性材料與活性材料的比率增加而減小。相反，當(dāng)增加非活性粘合劑量時，由于非活性粘合劑量與活性電極材料相比增加了，所以電池的能量密度減小。
棱柱形電池的厚度越薄，則問題變得越糟糕，并且在厚度低于5mm的棱柱形電池中該問題變得非常嚴(yán)重。因此，棱柱形電池的普通裝配方法不能滿足超薄便攜式電子產(chǎn)品的要求。
通過交替地層疊現(xiàn)有的薄隔膜和電極可以防止由凝膠卷導(dǎo)致的能量密度的降低。但是，由于隔膜非常柔軟，所以即使在手工過程中將電極和隔膜交替層疊在一起也非常困難，并且考慮到生產(chǎn)率和產(chǎn)出率所以其應(yīng)用幾乎不可能。另外，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法，陰極邊緣與陽極邊緣的匹配很難，并且通過隔膜來防止陰極和陽極的短路非常困難。
因此，為了防止出現(xiàn)該問題，通過在電極和隔膜之間提供粘接，從而提出了一種裝配包含陰極、陽極和隔膜的層疊體的方法。通過將聚合電介質(zhì)(具有隔膜和離子傳導(dǎo)電介質(zhì)的雙重功能)熱壓到電極的表面上或者通過將粘性組分覆蓋在電極和隔膜之間的接觸表面處，從而可以實(shí)現(xiàn)該粘接。
在美國專利5296318和5478668中提出了一種通過在熱層壓之后將離子傳導(dǎo)膠凝聚合物涂覆到陽極、陰極和隔膜上從而無需外部壓力就能保持粘性的電池。這種電池被稱為鋰離子聚合物電池或簡單地被稱為聚合物電池。該電池采用低離子傳導(dǎo)凝膠型聚合物電介質(zhì)作為電極的離子導(dǎo)體和隔膜，因此與鋰離子電池相比其充電放電速度不夠并且在低溫下性能下降。另外，即使化學(xué)成分出現(xiàn)變化，鋰離子聚合物電池的電極也使用了過多的非活性聚合物，并且由于離子傳導(dǎo)隔膜的機(jī)械強(qiáng)度低所以隔膜厚度必須增加。因此，這種電池基本上不能在單位體積能量密度方面優(yōu)于棱柱形鋰離子電池。
另一方面，為了完全發(fā)揮現(xiàn)有鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)，美國專利5437692、5512389、5741609和WO9948162披露了通過不使用聚合物凝膠電介質(zhì)在隔膜和陽極之間以及在隔膜和陰極之間設(shè)置薄粘合劑層來增加兩個電極和隔膜之間的粘性的方法。在該結(jié)構(gòu)中，因?yàn)榕c凝膠型聚合物電介質(zhì)相比其離子傳導(dǎo)性降低并且可以大大減少非活性聚合物凝膠的量，所以可以增加能量密度并且期望得到穩(wěn)定的電池性能。但是，在這種技術(shù)中，由于覆蓋在整個活性電極表面上的粘性材料的傳導(dǎo)性降低，所以與現(xiàn)有的鋰離子電池相比其放電性能會降低。
因此，為了解決該問題，美國專利5981107披露了一種將粘合劑組分覆蓋在電極和隔膜的部分界面上并且另外形成用來增加電介質(zhì)的裝水容量的凹面和凸面的方法。另外，WO0004601披露了一種通過在部分陽極和陰極處形成孔之后用粘性聚合物填充該孔來將電極粘接在隔膜上的方法。但是，形成粘性部分的過程在該方法中很難。具體地說，美國專利5981107的問題在于，電池在覆蓋有粘性聚合物的部分和無覆蓋部分之間存在性能差異，而根據(jù)WO0004601的方法難以使形成在陽極和陰極中的孔精確對準(zhǔn)。
另外，在上述層疊體中，在沒有通過包裝材料施加壓力的情況下電極和電介質(zhì)層之間就存在粘性，并且提出了這樣一種方法，其中通過用比現(xiàn)有包裝材料更輕更薄的鋁層壓包裝材料來密封電池，從而生產(chǎn)出薄棱柱形鋰離子二次電池。該鋁層壓包裝材料包括能夠熱層壓密封的聚合物層、外部雜質(zhì)幾乎不能滲入的材料層以及絕緣蓋層。這種包裝材料的優(yōu)點(diǎn)在于，它比現(xiàn)有的技術(shù)包裝材料更輕更薄。因此，如果用它作為金屬包裝材料的替代品的話，則因?yàn)樵摻饘俨牧蠈Ρ‰姵氐暮穸群椭亓坑绊戯@著，所以可以降低電池的重量并且可以增加每單位厚度的能量密度。
另外，由于包裝材料是電絕緣的，所以容易插入多層電極疊和凝膠卷而不會有短路的危險。但是，盡管具有薄而輕的特征的優(yōu)點(diǎn)，但是包裝材料的機(jī)械強(qiáng)度降低，并且即使可以通過任意上述方法來控制電極和隔膜之間的粘性，也會出現(xiàn)由層疊包裝材料的機(jī)械弱點(diǎn)所產(chǎn)生的問題。尤其是，下面三個問題在電池的生產(chǎn)和使用中會是致命的。
首先，通過熱層壓鋁層壓包裝材料的最里面的聚合物層來密封電池，并且其密封強(qiáng)度低于施加在現(xiàn)有棱柱形電池上的激光密封的強(qiáng)度。尤其是，在電極接頭穿過包裝材料伸出的地方處的部分的密封由聚合物層和金屬層之間的粘性來決定，并且在金屬接頭的邊緣處總是有間隙。因此，該部分容易由于電介質(zhì)泄漏而出現(xiàn)故障。即使在正常使用過程中，包括金屬接頭和聚合物蓋層的密封部分會很容易由于由電極膨脹和氣體產(chǎn)生所導(dǎo)致的內(nèi)部壓力增加而破裂，并且存在電介質(zhì)泄漏或外部雜質(zhì)如水分滲入的危險。當(dāng)由于從電極和電極活性材料中發(fā)出的雜質(zhì)和在每次電池裝配步驟中滲入的雜質(zhì)而連續(xù)產(chǎn)生出氣體時，該問題變得越來越糟糕。因此在每個電池生產(chǎn)步驟中應(yīng)該嚴(yán)格控制雜質(zhì)的滲入，但是它也會增加加工成本。在由于在電池中的副反應(yīng)而產(chǎn)生氣體的可能增加并且在高溫觀察到的在粘合劑層處的粘性變松時，由于粘合劑層中的裂縫而導(dǎo)致的泄漏危險是嚴(yán)重的。當(dāng)存在泄漏時，這對電池性能而言將是致命的并且它會損壞安放該電池的昂貴電子產(chǎn)品的電子電路并且降低其壽命。
第二，現(xiàn)有的棱柱形電池采用了機(jī)械強(qiáng)度足夠的金屬筒，并且由于內(nèi)部壓力增加所以厚度沒有任何劇烈的增加，但是鋁層壓包裝材料不能承受內(nèi)部壓力并且電池厚度會增加。厚度的增加將改變電池組的外觀，從而使它不能正常地安放在電池組中，并且引起電池組不平。該問題在增加電池的表面區(qū)域以提高電池容量時變得更糟，這使得難以生產(chǎn)出厚度小于5mm的高容量電池。
第三，鋁層壓包裝材料的弱機(jī)械強(qiáng)度降低了電池的可靠性和穩(wěn)定性。電池的使用壽命從至少6個月到幾年，并且需要在大溫度范圍中以及在多種機(jī)械沖擊下具有優(yōu)異的耐久性。現(xiàn)有的棱柱形電池采用金屬筒作為包裝材料，并且由于外部壓力而出現(xiàn)的損壞危險或者由于尖銳端部例如釘子而導(dǎo)致的局部變化不是太大，但是鋁包裝材料與現(xiàn)有的金屬包裝材料相比其厚度和強(qiáng)度顯著減小，并且容易受到外部沖擊或火的傷害。穩(wěn)定性問題對于用于便攜式計(jì)算機(jī)的高容量電池或者對于用來組成薄電池組而無需外部塑料殼的電池來說是嚴(yán)格的。
上面的評論顯示出在生產(chǎn)具有高能量密度的耐久的穩(wěn)定薄電池和便于生產(chǎn)的步驟中的許多限制，總之，現(xiàn)有的棱柱形鋰離子電池具有由于凝膠卷型電極結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致大部分內(nèi)部空間沒有受到利用而出現(xiàn)的問題，并且由于在通過減小低溫深沖壓生產(chǎn)的金屬包裝材料的厚度上的技術(shù)限制，所以能量密度隨著整個電池厚度的減小而大大地減小。另一方面，通過用鋁層壓包裝材料來密封層疊電極本體而裝配出的鋰離子聚合物電池減小了由凝膠卷所導(dǎo)致的死區(qū)，但是因?yàn)樵陔姌O之間使用了過多的粘合劑來密封或者在電極和電介質(zhì)的分界面上涂覆有粘合劑層，所以能量密度減小并且電池性能降低。另外，該鋁包裝材料具有由于機(jī)械弱點(diǎn)并且在包括聚合物蓋層和金屬接頭的粘性表面處的粘性不夠而出現(xiàn)的耐久性和安全性的問題。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種使用了該凹穴式電極板的具有高能量密度的鋰離子二次電池。
本發(fā)明還有一個目的在于提供一種適用于鋰離子二次電池的批量生產(chǎn)的凹穴式電極板的生產(chǎn)方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于通過電極層疊方式生產(chǎn)出的鋰離子二次電池的凹穴式電極板，該凹穴式電極板包括電極板，它具有電極活性材料涂層和無涂覆凸起部分，所述電極活性材料能夠可逆地插入和析出鋰離子；
隔膜，它覆蓋在電極板的兩個側(cè)面上同時只暴露出無涂覆凸起部分；絕緣聚合物薄膜，它包含有粘合劑組分并且至少在電極板的部分外緣上設(shè)置在隔膜之間以便粘接并固定這些隔膜。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種具有層疊電極的鋰離子二次電池，該電池包括(a)多塊凹穴式陰極板，每個陰極電極板包括(a-1)電極板，它具有電極活性材料涂層和無涂覆凸起部分，所述電極活性材料能夠可逆地插入和析出鋰離子；(a-2)隔膜，它覆蓋在電極板的兩個側(cè)面上同時只暴露出無涂覆凸起部分；和(a-3)絕緣聚合物薄膜，它包含有粘合劑組分并且至少在電極板的部分外緣上設(shè)置在所述隔膜之間以便粘接并固定這些隔膜；和(b)多塊陽極板，每塊陽極板包含有能夠可逆地插入和析出鋰離子的材料；其中所述陰極和陽極板交替地層疊在一起。
優(yōu)選的是，凹穴式陰極板的尺寸不小于陽極板的尺寸，并且陽極板的面積大于陰極板的涂層面積。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)用于通過電極層疊方式生產(chǎn)出的鋰離子二次電池中的凹穴式電極板的方法，該方法包括以下步驟(a)提供多個具有相同形狀的電極板，每個電極板具有電極活性材料的涂層和無涂覆凸起部分，所述電極活性材料能夠可逆地插入和析出鋰離子；(b)提供其兩個側(cè)面都覆蓋有粘合劑組分的帶狀絕緣聚合物薄膜；(c)沖切下聚合物薄膜零件，從而使該聚合物薄膜可以具有其中電極板被排列并安裝成具有規(guī)定的間隔的空白區(qū)域；
(d)使電極板在所述空白區(qū)域內(nèi)排列成具有規(guī)定的間隔；(f)將帶狀隔膜設(shè)置在其中裝有電極板的聚合物薄膜的兩個側(cè)面上，以便覆蓋電極板同時只暴露出電極板的無涂覆凸起部分；(g)通過處于加熱狀態(tài)中的壓輥來擠壓覆蓋有隔膜的聚合物薄膜；(h)切割經(jīng)過擠壓的聚合物薄膜以形成多個凹穴式電極板；其中每個凹穴式電極板以隔膜/電極板/隔膜的順序?qū)盈B，并且其中通過至少位于電極板的部分外緣上的絕緣聚合物薄膜將隔膜粘接在一起。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明下面將參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行說明，并且對凹穴式電極板及其生產(chǎn)方法一起進(jìn)行說明，但是該凹穴式電極板在該實(shí)施例中只限于陰極板。
圖2A至2G為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的凹穴式電極板的生產(chǎn)過程的視圖。
圖2A的視圖顯示出用來生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的凹穴式電極板的絕緣聚合物薄膜的一個實(shí)施例的視圖。在圖2A中，在其兩個側(cè)面都覆蓋有粘合劑組分的聚合物薄膜的連續(xù)卷上存在有多個縱向貫通空間210。貫通空間210以相同的形狀等距離隔開，并且每個貫通空間210形成得比陰極板大以使陰極板以如下面所述的距離定位。在生產(chǎn)本發(fā)明的凹穴式電極板中，只有在陰極板裝在絕緣聚合物薄膜的空白區(qū)域中成規(guī)定的間隔并且聚合物薄膜圍繞著每個陰極板的至少邊緣部分的情況下，才可以選擇絕緣聚合物薄膜的貫通空間的不同形狀。因此，如果陰極板為矩形形狀并具有無涂覆凸起部分的話，則聚合物薄膜的貫通空間的所要求形狀是使得它包圍著陰極板的至少兩個側(cè)面。
圖2B為用來生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的凹穴式電極板的絕緣聚合物薄膜的另一個實(shí)施例。圖2B顯示出貫通空間210’其形狀在其兩個側(cè)面具有粘合劑組分的聚合物薄膜200的連續(xù)卷上周期性變化。
優(yōu)選的是，絕緣聚合物薄膜選自由聚烯烴薄膜、聚酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚酰亞胺薄膜、聚酰胺薄膜、氟碳樹脂薄膜、ABS薄膜、聚丙烯酸薄膜、乙縮醛薄膜和聚碳酸酯薄膜構(gòu)成的組。
另外，覆蓋在絕緣聚合物薄膜的兩個側(cè)面上的粘合劑組分優(yōu)選選自由乙烯醋酸乙烯酯、乙烯醋酸乙酯、乙烯丙烯酸型化合物、離子交聯(lián)聚合物型化合物、聚乙烯、聚醋酸乙烯酯和聚乙烯醇縮丁醛(polyvinylbutyral)組成的高溫熔融的粘合劑組。
圖2C為顯示出將陰極板和隔膜放置在圖2A的絕緣聚合物薄膜200的貫通空間內(nèi)的步驟。圖2C顯示出包含有鋰過渡金屬氧化物涂層、陰極活性材料和無涂覆凸起部分的陰極板以規(guī)定的間隔設(shè)置在每個貫通空間中。陰極板或貫通空間的尺寸受到控制以使陰極板的凸起部分周圍的間隔保持比在其它部分中的間隔更大。之后，將寬度為d的隔膜(未示出)放置在設(shè)有陰極板220的聚合物薄膜200的兩個側(cè)面上，但是只暴露出陰極板220上的無涂覆凸起部分，而陰極板的其它部分被覆蓋。在圖2C中，由隔膜占據(jù)的空間是在單點(diǎn)劃線之間的間隔。在圖2C中，虛線S內(nèi)的空間為在下述的加壓和粘附過程之后獲得每個凹穴式電極板的裁剪線。根據(jù)上述程序，可以獲得按照下隔膜/覆蓋有粘合劑組分的絕緣聚合物薄膜和位于聚合物薄膜的貫通空間處的陰極板/上隔膜的順序?qū)訅旱暮铣刹牧暇怼?br> 圖2D為顯示出將陰極板和隔膜安放在圖2B的絕緣聚合物薄膜200的貫通空間內(nèi)的步驟的視圖。圖2D顯示出寬度為d’的隔膜(未示出)位于設(shè)有陰極板200的聚合物薄膜200的兩個側(cè)面上。陰極板220的尺寸或貫通空間的尺寸的確定使得陰極板的無涂覆凸起部分伸到聚合物薄膜200的外面。在圖2D中，隔膜具有與聚合物薄膜相同的寬度并且沿著聚合物薄膜設(shè)置。在圖2C中，虛線S內(nèi)部的空間也是在下述的加壓和粘附過程之后獲得每個凹穴式電極板的裁剪線。
圖2E為顯示出圖2C所得材料的擠壓過程的視圖。在圖2E中，含有覆蓋有隔膜230的絕緣聚合物薄膜200/粘合劑組分和陰極板220/位于貫通空間處的隔膜230的所得材料在壓輥250的作用下被加熱并熔合成連續(xù)卷的形狀。在圖2E中，圖2C所得材料由縱向斷面表示。通過加壓熔合，絕緣聚合物薄膜的任何位置都能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘性，但是在陰極板220的地方?jīng)]有任何粘性或變形。
上述實(shí)施例所使用的合乎需要的隔膜為由空隙率為25-60％并且寬度為10-30微米的聚烯烴材料制成的多孔聚合物薄膜。另外，聚乙烯所要求的加熱熔合溫度低于120℃，而聚丙烯的加熱熔合溫度低于150℃。
圖2F為顯示出通過沿著圖2C的虛線沖切根據(jù)圖2E說明的經(jīng)擠壓的所得材料來生產(chǎn)凹穴式電極板的視圖。在圖2F中，陰極板220和絕緣聚合物薄膜200的粘合劑部分透視地被畫出以示清楚。在圖2F中，粘合劑部分圍繞著陰極板220的所有外部邊緣，并且只有陰極板220的無涂覆凸起部分暴露而沒有被隔膜230所覆蓋。
如果凹穴式電極板是使用在圖2D中所示的所得材料生產(chǎn)出的話，則粘合劑部分將只是圍繞著陰極板的上下外部邊緣。
如果凹穴式電極板是通過上述方法生產(chǎn)的話，則凹穴式電極板的批量生產(chǎn)是可能的。
圖2G為沿著圖2F的A-A’線剖開的剖視圖。如圖2G中所示，隔膜230/陰極板220/隔膜230的層疊部分的厚度與隔膜230/覆蓋有粘合劑組分的絕緣聚合物薄膜200/隔膜230的厚度之間的差異比現(xiàn)有技術(shù)的小，并且可以減小在根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的凹穴式電極板的隔膜中褶皺的產(chǎn)生。
圖2C為將凹穴式電極板和陽極的尺寸進(jìn)行比較的視圖。
當(dāng)通過電極板層疊方法生產(chǎn)鋰離子二次電池時，要求使穿孔凹穴式電極板的尺寸保持等于或大于陽極板的尺寸，并且陽極板的尺寸要大于陰極板的陰極活性材料覆蓋區(qū)域的尺寸以便防止陽極的活性板和陰極的邊緣不匹配并且保持光滑的層疊對準(zhǔn)。因此，如圖3中所示，如果陰極板和陽極板兩個都是具有無涂覆凸起部分的矩形，則要求陰極板的寬度B、用于形成凹穴的隔膜的寬度A以及陽極板的寬度C之間的關(guān)系要遵循等式1。
A≥C≥B+A-B2]]>更理想的是，如果除了每個凸起部分和邊緣陽極之外該凹穴式電極板做成恰好重合的話，則所有面對著陰極的板應(yīng)該被陽極覆蓋的條件自動地得到滿足。
在使層疊的凹穴式電極板和陽極板對準(zhǔn)之后，陽極板的無涂覆凸起部分相互熔接在一起并且陰極板的無涂覆凸起部分相互熔接在一起。然后它們中的每一個分別連接在陽極接頭和陰極接頭上。通過將它密封在金屬包裝材料內(nèi)部，從而生產(chǎn)出鋰離子二次電池。
根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)出的鋰離子二次電池的性能概括如下。
對于以厚度為2.4mm、短直徑為35mm并且長直徑為62mm生產(chǎn)出的具有彎曲拐角的棱柱形電池而言，可逆的容量為620mAh，該數(shù)值在轉(zhuǎn)換成單位體積能量密度時為440Wh/升。
對于以厚度為4.0mm、短直徑為35mm并且長直徑為62mm生產(chǎn)出的具有彎曲拐角的棱柱形電池而言，可逆的容量為1100mAh，該數(shù)值在轉(zhuǎn)換成單位體積能量密度時為470Wh/升。
根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)出的凹穴式電極板具有更高的粘接強(qiáng)度并且粘接面積減小，因此可以增加成品鋰離子二次電池的能量密度。另外，該凹穴式電極板可以在連續(xù)軋制工藝中生產(chǎn)出，并且很容易實(shí)現(xiàn)鋰離子二次電池的批量生產(chǎn)。
上面已經(jīng)參照優(yōu)選的實(shí)施方案對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但是在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下各種其它改進(jìn)和變化對于那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。該凹穴式電極板不限于在本發(fā)明的實(shí)施例中的陰極板，而是應(yīng)該理解的是，只要滿足在活性材料覆蓋區(qū)域上的限制條件可以使用陽極電極板作為凹穴式電極板。
權(quán)利要求
1.一種用于通過電極層疊方式生產(chǎn)出的鋰離子二次電池的凹穴式電極板，該凹穴式電極板包括電極板，它具有電極活性材料涂層和無涂覆凸起部分，所述電極活性材料能夠可逆地插入和析出鋰離子；隔膜，它覆蓋在電極板的兩個側(cè)面上同時只暴露出無涂覆凸起部分；絕緣聚合物薄膜，它包含有粘合劑組分并且至少在電極板的部分外緣上設(shè)置在隔膜之間以便粘接并固定這些隔膜。
2.如權(quán)利要求1所述的凹穴式電極板，其中所述絕緣聚合物薄膜選自由聚烯烴薄膜、聚酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚酰亞胺薄膜、聚酰胺薄膜、氟碳樹脂薄膜、ABS薄膜、聚丙烯酸薄膜、乙縮醛薄膜和聚碳酸酯薄膜構(gòu)成的組。
3.如權(quán)利要求2所述的凹穴式電極板，其中包含在絕緣聚合物薄膜中的粘合劑組分優(yōu)選選自由乙烯醋酸乙烯酯、乙烯醋酸乙酯、乙烯丙烯酸型化合物、離子交聯(lián)聚合物型化合物、聚乙烯、聚醋酸乙烯酯和聚乙烯醇縮丁醛組成的高溫熔融的粘合劑組。
4.如權(quán)利要求1所述的凹穴式電極板，其中通過隔膜形成凹穴的電極板為陰極板。
5.一種具有層疊電極的鋰離子二次電池，該電池包括(a)多塊凹穴式陰極板，每個陰極電極板包括(a-1)電極板，它具有電極活性材料涂層和無涂覆凸起部分，所述電極活性材料能夠可逆地插入和析出鋰離子；(a-2)隔膜，它覆蓋在電極板的兩個側(cè)面上同時只暴露出無涂覆凸起部分；和(a-3)絕緣聚合物薄膜，它包含有粘合劑組分并且至少在電極板的部分外緣上設(shè)置在所述隔膜之間以便粘接并固定這些隔膜；和(b)多塊陽極板，每塊陽極板包含有能夠可逆地插入和析出鋰離子的材料；其中所述陰極和陽極板交替地層疊在一起。
6.如權(quán)利要求5所述的鋰離子二次電池，其中凹穴式陰極板的尺寸不小于陽極板的尺寸，并且其中陽極板的面積大于陰極板的涂層面積。
7.一種生產(chǎn)用在通過電極層疊方式生產(chǎn)出的鋰離子二次電池中的凹穴式電極板的方法，該方法包括以下步驟(a)提供多個具有相同形狀的電極板，每個電極板具有電極活性材料的涂層和無涂覆凸起部分，所述電極活性材料能夠可逆地插入和析出鋰離子；(b)提供其兩個側(cè)面都覆蓋有粘合劑組分的帶狀絕緣聚合物薄膜；(c)沖切下聚合物薄膜零件，從而使該聚合物薄膜可以具有其中電極板被排列并安裝成具有規(guī)定的間隔的空白區(qū)域；(d)使電極板在所述空白區(qū)域內(nèi)排列成具有規(guī)定的間隔；(f)將帶狀隔膜設(shè)置在其中裝有電極板的聚合物薄膜的兩個側(cè)面上，以便覆蓋電極板同時只暴露出電極板的無涂覆凸起部分；(g)通過處于加熱狀態(tài)中的壓輥來擠壓覆蓋有隔膜的聚合物薄膜；(h)切割經(jīng)過擠壓的聚合物薄膜以形成多個凹穴式電極板；其中每個凹穴式電極板以隔膜/電極板/隔膜的順序?qū)盈B，并且其中通過至少位于電極板的部分外緣上的絕緣聚合物薄膜將隔膜粘接在一起。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中通過隔膜形成有凹穴的電極板為陰極板，并且沖切出的陰極板的尺寸不小于陽極板的尺寸，并且其中陽極板的面積大于陰極板涂層的面積。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述絕緣聚合物薄膜選自由聚烯烴薄膜、聚酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚酰亞胺薄膜、聚酰胺薄膜、氟碳樹脂薄膜、ABS薄膜、聚丙烯酸薄膜、乙縮醛薄膜和聚碳酸酯薄膜構(gòu)成的組。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中包含在絕緣聚合物薄膜中的粘合劑組分優(yōu)選選自由乙烯醋酸乙烯酯、乙烯醋酸乙酯、乙烯丙烯酸型化合物、離子交聯(lián)聚合物型化合物、聚乙烯、聚醋酸乙烯酯和聚乙烯醇縮丁醛組成的高溫熔融的粘合劑組。
全文摘要
一種用于鋰離子二次電池的凹穴式電極板、其生產(chǎn)方法和使用了所述電極板的鋰離子二次電池。本發(fā)明的凹穴式電極板包括電極板，它具有電極活性材料涂層和無涂覆凸起部分，所述電極活性材料能夠可逆地插入并析出鋰離子；隔膜，它覆蓋在電極板的兩個側(cè)面上同時只暴露出無涂覆凸起部分；絕緣聚合物薄膜，它包含有粘合劑組分并且至少在電極板的部分外緣上設(shè)置在隔膜之間以便粘接并固定這些隔膜?？梢酝ㄟ^壓輥來批量生產(chǎn)多個凹穴式電極板。這些凹穴式電極板用來生產(chǎn)超薄鋰離子二次電池。根據(jù)本發(fā)明，由于電池容器內(nèi)部的體積得到更好的利用，所以成品鋰離子二次電池的能量密度能夠顯著增加。
文檔編號H01M10/04GK1393041SQ01802876
公開日2003年1月22日 申請日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月25日
發(fā)明者趙樹靜, 鄭根昌, 黃善誘 申請人:韓國寶獅里電有限公司