具有增加的能量密度的袋状二次电池及其制造方法与流程

1.本技术要求于2020年6月4日提交的韩国专利申请第2020-0067950号的优先权的权益，该申请的全部公开内容据此通过引用而纳入本文中。
2.本发明涉及具有增加的能量密度的袋状二次电池及其制造方法，更具体地，涉及包括层叠型电极组件以及壳体的袋状二次电池，该层叠型电极组件包括两个或多个中间组件，每个中间组件配置成具有其中层叠有正极、隔膜和负极的结构，并且壳体配置成将层叠型电极组件接纳在其中，其中壳体配置成具有其中壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度的结构。


背景技术：

3.由于使用化石燃料造成的空气污染和能源耗尽，随着替代能源的近期发展，对能够储存产生的电能的二次电池的需求增加。能够充电和放电的二次电池在日常生活中得到了密切的使用。例如，二次电池被用于移动装置、电动车辆和混合动力电动车辆。
4.由于移动装置的使用增加、移动装置的复杂性增加以及电动车辆的发展，作为现代社会中不可避免地使用的各种电子装置的能源的二次电池的所需容量也在增加。为了满足用户的需求，设置了多个电池单元，或者在单个电池单元中提供多个正极、隔膜和负极，以便增加二次电池的容量。
5.在多个电池单元以相互连接的状态使用的情况下，或者在单个电池单元的容量大的情况下，电池单元中产生的热可能无法排出，由此可能发生诸如过载之类的问题。特别地，在单个电池单元的容量大的情况下，或者在多个电池单元相互连接的情况下，电池单元的温度可能会由于过载而增加，由此电池单元的异常可能会被放大。为了解决这些问题，包括多个相互连接的电池单元的电池模块或电池组具有能够降低电池的温度的冷却单元，由此提高电池的安全性。圆柱形二次电池配置成具有能够通过壳体或壳体的上部散热的结构。
6.图1是传统袋状二次电池的示意性侧视图。
7.如从图1可以看到的，传统袋状二次电池具有接纳在壳体20中的电极组件10，该电极组件包括：正极11，其具有正极集流体11(a)和应用于正极集流体11(a)的一个表面或相对的两个表面的正极活性材料层11(b)；负极12，其具有负极集流体12(a)和应用于负极集流体体12(a)的一个表面或相对的两个表面的负极活性材料层12(b)；以及隔膜13，其设置在正极和负极之间。
8.配置成接纳形成为具有相同尺寸的多个电极组件10的壳体20的接纳部分的形状形成为与电极组件10的尺寸相对应的矩形立方体。
9.然而，矩形立方体形状的壳体20难以有效地排出壳体20中产生的热。
10.在专利文档1中，宽度朝其中间部分逐渐增加的一叠电极组件被接纳在具有与之相应的形状的壳体中。然而，由于电极组件层叠并然后用隔膜卷绕，因此电极组件的电解液的浸透性降低，由此电池单元的容量减小。
11.(现有技术文档)
12.(专利文档1)韩国专利申请公开no.2014-0062445(2014.05.23)。


技术实现要素：

13.技术问题
14.鉴于上述问题而作出本发明，本发明的目的是提供一种袋状二次电池，该袋状二次电池配置成具有其中在没有隔膜的情况下将层叠型电极组件接纳在能够容易地排出壳体中产生的热的壳体中的结构，由此电解液的浸透性高，并且散热效果优异。
15.本发明的另一目的是提供一种构造，在这种构造中，即使在没有单独的隔膜的情况下接纳在壳体中的层叠型电极组件也不会变形。
16.技术方案
17.为了实现上述目的，根据本发明的一种袋状二次电池包括：层叠型电极组件，其包括两个或更多个中间组件，每个中间组件配置成具有其中第一电极、隔膜和第二电极层叠的结构；以及壳体，其配置成在其中接纳层叠型电极组件，其中壳体配置成具有其中壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度的结构。
18.此外，第一电极可以是第一电极活性材料仅应用到集流体的一个表面的单面电极，并且第二电极可以是第二电极活性材料应用到集流体的相对的两个表面的双面电极。
19.此外，每个中间组件可以配置成具有其中单面电极/隔膜/双面电极/隔膜/单面电极层叠的结构。
20.中间组件之间可以提供有绝缘膜。
21.此外，第一电极可以是第一电极活性材料应用于集流体的一个表面并且另一个表面涂覆有绝缘材料的绝缘涂层电极，并且第二电极可以是第二电极活性材料应用到集流体的相对的两个表面的双面电极。
22.此外，每个中间组件可以配置成具有其中第一电极的应用第一电极活性材料的表面面对第二电极的层叠结构。
23.每个中间组件可以配置成具有其中层叠有1-1电极/隔膜/第二电极/隔膜/1-2电极的结构，并且1-1电极和1-2电极中的每一者可以是绝缘涂层电极。
24.此外，每个中间组件可以配置成具有其中层叠有1-1电极/隔膜/第二电极/隔膜/1-2电极的结构，1-1电极可以是绝缘涂层电极，并且1-2电极可以是第一电极活性材料仅应用到第一电极集流体的一个表面的单面电极。
25.层叠型电极组件可以配置成使中间组件根据壳体的宽度而具有不同的尺寸。
26.一种根据本发明的制造袋状二次电池的方法，该方法包括：s1)形成中间组件，该中间组件配置成具有其中第一电极、隔膜和第二电极层叠的结构；s2)制备壳体，该壳体配置成具有其中壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度的结构；s3)将具有不同宽度的中间组件层叠成与壳体的宽度相对应，以形成层叠型电极组件；以及s4)将电极组件接纳在壳体中。
27.在根据本发明的制造袋状二次电池的方法中，第一电极可以是第一电极活性材料仅应用于集流体的一个表面的单面电极，并且第二电极可以是第二电极活性材料应用到集流体的相对的两个表面的双面电极。
28.此外，在根据本发明的制造袋状二次电池的方法的步骤s3)中，中间组件之间可以提供有绝缘膜。
29.此外，第一电极可以是第一电极活性材料应用于集流体的一个表面并且另一个表面涂覆有绝缘材料的绝缘涂层电极，并且第二电极可以是第二电极活性材料应用到集流体的相对的两个表面的双面电极。
30.此时，每个中间组件可以配置成具有其中第一电极的应用第一电极活性材料的表面面对第二电极的层叠结构。
31.此外，每个中间组件可以配置成具有其中层叠有1-1电极/隔膜/第二电极/隔膜/1-2电极的结构，并且1-1电极和1-2电极中的每一者可以是绝缘涂层电极。
32.此外，每个中间组件可以配置成具有其中层叠有1-1电极/隔膜/第二电极/隔膜/1-2电极的结构，1-1电极可以是绝缘涂层电极，并且1-2电极可以是第一电极活性材料仅应用到第一电极集流体的一个表面的单面电极。
33.本发明提供一种包括袋状二次电池的电池模块或电池组，该二次电池具有上述特征当中的一种或更多种互不冲突的构造，或者提供一种其中安装有袋状二次电池的装置。
34.在本发明中，可以从以上构造当中选择和组合一种或更多种互不冲突的构造。
附图说明
35.图1是传统袋状二次电池的示意性侧视图。
36.图2是根据本发明的袋状二次电池的示意性侧视图。
具体实施方式
37.现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，以便本发明的优选实施方式可以由本发明所属领域的普通技术人员容易地实施。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的操作原理时，如果对纳入本文的已知功能和配置的详细描述可能会掩盖本发明的主题，则将省略该详细描述。
38.此外，在整个附图中，将使用相同的附图标记来指代执行类似功能或操作的部件。在整个说明书中说一个部件与另一个部件连接的情况下，不仅一个部件可以直接与另一个部件连接，而且一个部件还可以经由其它部件间接与另一部件连接。此外，包括某个元素并不意味着排除其它元素，而是意指除非另有说明，否则可以进一步包括这些元素。
39.在以下描述中，第一电极被表述为负极，并且第二电极被表述为正极。因此，第一电极活性材料被表述为负极活性材料，第二电极活性材料被表述为负极活性材料，1-1电极被表述为第一电极，并且1-2电极被表述为第二负极。此外，单面电极被表述为单面负极，双面电极被表述为双面正极，并且绝缘涂层电极被表述为绝缘涂层负极。然而，这是为了便于描述，本发明不限于此。负极和正极可以互换。
40.图2是根据本发明的袋状二次电池的示意性侧视图。
41.根据本发明的袋状二次电池包括：层叠型电极组件100(b)，其包括两个或更多个中间组件100(a)，每个中间组件配置成具有其中层叠有正极110、隔膜130和负极120的结构；以及壳体200，其配置成在其中接纳层叠型电极组件100(b)，其中壳体配置成具有其中壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度的结构。
42.正极110包括应用于正极集流体111的至少一个表面的正极活性材料层112。然而，为了形成如本发明中的中间组件100(a)，根据本发明的正极110优选是具有提供在正极集流体111的相对的两个表面上的正极活性材料层112的双面正极。可以通过应用正极活性材料、导电剂和粘合剂的正极混合物来制造正极活性材料层112。根据需要，可以进一步向正极混合物添加填充料。
43.一般来说，正极集流体111制造成具有3微米至500微米的厚度。只要正极集流体表现出高导电性同时正极集流体在应用正极集流体的电池中不引起任何化学变化，那么正极集流体就没有特别的限制。例如，正极集流体可以由不锈钢、铝、镍或钛制成。另选地，正极集流体可以由铝或不锈钢制成，其表面用碳、镍、钛或银处理。具体地，可以使用铝。正极集流体111可以具有形成在其表面上的微尺度的不平整图案，以便增加对正极活性材料层112的粘附力。正极集流体可以配置成各种形式(诸如膜、片材、箔、网、多孔体、泡沫体或无纺布体)中的任何一种。
44.除了正极活性材料颗粒之外，正极活性材料可以由例如以下构成：层状化合物，例如镍酸锂(linio2)，或用一种或更多种过渡金属取代的化合物；由化学式li
1 x
mn
2-x
o4(其中x＝0至0.33)表示的锂锰氧化物或诸如limno3、limn2o3或limno2之类的锂锰氧化物；锂氧化铜(li2cuo2)；钒氧化物，例如liv3o8、life3o4、v2o5或cu
2v2
o7；由化学式lini
1-xmx
o2(其中m＝co、mn、al、cu、fe、mg、b或ga，且x＝0.01至0.3)表示的镍位锂氧化物；由化学式limn
2-xmx
o2(其中m＝co、ni、fe、cr、zn或ta，且x＝0.01至0.1)或化学式li2mn3mo8(其中m＝fe、co、ni、cu或zn)表示的锂锰复合氧化物；limn2o4，其中化学式中的部分li被碱土金属离子取代；二硫化合物；或fe2(moo4)3。然而，本发明并不限于此。
45.通常添加导电剂，使得基于包括正极活性材料的化合物的总重量，导电剂占0.1至30(重量百分比)。只要导电剂在应用该导电剂的电池中不引起任何化学变化而表现出高导电性，那么该导电剂就没有特别的限制。例如，以下可以用作导电剂：石墨(例如天然石墨或人造石墨)；碳黑，例如炭黑、乙炔黑、克氏黑、槽法炭黑、炉黑、灯黑或热黑；导电纤维，例如碳纤维或金属纤维；金属粉末，例如氟化碳粉末、铝粉末或镍粉末；导电晶须，例如氧化锌或钛酸钾；导电金属氧化物，例如氧化钛；或导电材料，例如聚苯衍生物。
46.包括在正极110中的粘合剂是一种有助于活性材料和导电剂之间的粘合以及与集流体的粘合的成分。基于包括正极活性材料的化合物的总重量，粘合剂的添加量一般为0.1至30(重量百分比)。作为粘合剂的实施例，可以使用聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(cmc)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(epdm)、磺化epdm、苯乙烯-丁二烯橡胶、氟橡胶和各种共聚物。
47.通过将负极活性材料只应用于负极集流体121的一个表面，并将其干燥，从而制造负极120，由此在负极的一个表面上提供负极活性材料层122。可以根据需要有选择地进一步包括上述成分。
48.由于负极120设置成负极活性材料层122仅提供在负极集流体121的一个表面上的单面负极，因此袋状二次电池中的由负极120占据的空间减少，由此增加了袋状二次电池的容量。
49.作为负极活性材料，例如可以使用：碳，例如非石墨化碳或石墨基碳；金属复合氧化物，例如li
x
fe2o3(0≤x≤1)、li
x
wo2(0≤x≤1)或sn
x
me
1-x
me'yoz(me：mn、fe、pb、ge；me'：al、
b、p、si、周期表的第一族元素、第二族元素、第三族元素、卤素；0《x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；金属锂；锂合金；硅基合金；锡基合金；金属氧化物，例如sno、sno2、pbo、pbo2、pb2o3、pb3o4、sb2o3、sb2o4、sb2o5、geo、geo2、bi2o3、bi2o4或bi2o5；导电聚合物，例如聚乙炔；或锂钴镍基材料。
50.隔膜130插置在正极110和负极120之间，并使用表现出高离子渗透性和机械强度的绝缘薄膜作为隔膜。隔膜130通常具有0.01微米至10微米的孔径和5微米至300微米的厚度。作为隔膜130的材料，例如，使用由诸如聚丙烯之类的烯烃基聚合物制成的表现出耐化学性和疏水性的片材或非织造布、玻璃纤维、或聚乙烯。在使用固态电解质(例如聚合物)作为电解质的情况下，固态电解质也可以用作隔膜130。
51.每个中间组件100(a)或层叠型电极组件100(b)可以是由单元电池构成的层叠型组件，每个单元电池配置成具有其中矩形正极110和矩形负极120在其间插置有隔膜130的状态下层叠的结构，或者每个中间组件100(a)或层叠型电极组件100(b)可以是层压/层叠型组件，该组件配置成具有其中单元电池层叠成在其间插置有隔膜130的状态下相互附接的结构，但本发明不限于此。然而，优选的是，每个中间组件100(a)或层叠型电极组件100(b)不是果冻卷型组件或层叠和折叠型组件，果冻卷型组件配置成具有其中长片型正极和长片型负极在其间插置有隔膜的状态下卷绕的结构，层叠和折叠型组件配置成具有其中使用长的隔膜卷绕单元电池的结构(这降低了电解液的浸透性)。
52.此时，每个中间组件100(a)可以具有其中单面负极120/隔膜130/双面正极110/隔膜130/单面负极120层叠的结构。
53.在每个中间组件100(a)中使用单面负极120的情况下，如上所述，中间组件100(a)的厚度减少，由此能够细微地调整中间组件100(a)的尺寸，这对维持层叠型电极组件100(b)的整体平衡是有利的。
54.每个中间组件100(a)中的正极110、负极120和隔膜130可以具有相同的尺寸，并且中间组件100(a)在层叠型电极组件100(b)中可以具有不同的尺寸。也就是说，每个中间组件100(a)的尺寸可以根据壳体200的宽度或形状来改变。
55.为了形成层叠型电极组件100(b)，中间组件100(a)之间可以提供有绝缘膜140。绝缘膜140设置在中间组件100(a)相互面对的位置，以便执行绝缘功能。
56.另选地，可以使用向负极集流体121的一个表面应用负极活性材料层122并且另一表面涂覆绝缘材料的绝缘涂层负极作为负极120，而不是使用绝缘膜140。
57.在这种情况下，在每个中间组件100(a)中，绝缘涂层负极(即，负极活性材料层122)的应用负极活性材料的表面可以设置成面对正极110。
58.也就是说，在中间组件100(a)中，第一负极/隔膜130/正极110/隔膜130/第二负极可以层叠，并且第一负极和第二负极两者可以是绝缘涂层负极。另选地，第一负极可以是绝缘涂层负极，而第二负极可以是单面负极。
59.在第一负极是绝缘涂层负极并且第二负极是单面负极的情况下，优选的是中间组件100(a)层叠成使得第一负极和第二负极具有相同的布置。
60.中间组件100(a)和层叠型电极组件100(b)被接纳在壳体200中，并且壳体200通常配置成具有内层/金属层/外层的层压片结构。内层布置成与电极组件直接接触，因此，内层必须表现出对电解质的高抗性和高绝缘性能。此外，内层必须表现出高密封性，以便从外部
密封壳体，即，内层之间的热结合密封部分必须表现出优异的热结合强度。内层可以由选自聚烯烃基树脂(例如聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯丙烯酸酯或聚丁烯)、聚氨酯树脂和聚酰亚胺树脂当中的材料制成，这些材料表现出优异的耐化学性和高密封性。然而，本发明并不局限于此，最优选的是使用聚丙烯，它表现出优异的机械物理性能，例如抗拉强度、刚性、表面硬度和抗冲击强度以及优异的耐化学性。
61.设置成邻接内层的金属层对应于屏障层，其配置成防止湿气或各种气体从外部渗透到电池中。轻且容易成形的铝制薄膜可以用作金属层的优选材料。
62.外层设置在金属层的另一表面。外层可以由耐热聚合物制成，该聚合物表现出优异的抗拉强度、抗湿气渗透和抗空气透过，从而使外层在保护电极组件的同时表现出高耐热性和耐化学性。作为示例，外层可以由尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。然而，本发明并不限于此。
63.根据本发明的壳体200可以配置成使得壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度。作为壳体200的示例，壳体可以是具有上壳体和下壳体的壳体，其中壳体可以具有梯形的形状，其中上壳体和下壳体的相互接触的表面最宽。
64.在这种情况下，上壳体的深度可以小于下壳体的深度。这样做的原因是，有必要使层叠型电极组件100(b)稳定地接纳在壳体200中而不倒塌。
65.此外，每个壳体相对于壳体200的底表面的倾斜度优选是120
°
至160
°
。在本发明中，壳体200的底表面是上壳体或下壳体的其中层叠有电极和隔膜的中间组件100(a)和层叠型电极组件100(b)的宽表面相互面对的壳体表面，而上壳体或下壳体的其中中间组件100(a)和层叠型电极组件100(b)的表面(不包括宽表面)相互面对的壳体表面是壳体200的侧表面。另外，在接纳中间组件100(a)和层叠型电极组件100(b)的壳体200中，每个壳体的倾斜度是指壳体200的底表面和壳体200的侧表面之间的角度，而壳体200的底表面和壳体200的与该底表面垂直定位的侧表面之间的直角被省略。
66.在每个壳体相对于壳体200的底表面的倾斜度等于或小于120
°
的情况下，壳体200的散热效果降低，并且接纳在其中的层叠型电极组件100(b)的容量增加效果也降低。另外，在每个壳体相对于壳体200的底表面的倾斜度等于或大于160
°
的情况下，壳体200中的中间组件100(a)之间的尺寸差异会增加，由此，层叠型电极组件100(b)可能会由于外部冲击等而变形。
67.本发明提供了一种制造袋状二次电池的方法，该方法包括：s1)形成中间组件的步骤，该中间组件配置成具有其中正极、隔膜和负极层叠的结构；s2)制备壳体的步骤，该壳体配置成具有其中壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度的结构；s3)将具有不同宽度的中间组件层叠成与壳体的宽度相对应以形成层叠型电极组件的步骤；以及s4)将电极组件接纳在壳体中的步骤。
68.在形成中间组件后，如上所述，具有不同宽度的另一个中间组件层叠在其上，以形成层叠型电极组件，由此能够形成具有统一重心的层叠型电极组件。此外，可以增加构成每个中间组件的正极、隔膜和负极之间的联接力，以提高根据本发明的层叠型电极组件的稳定性。
69.也就是说，即使在层叠型电极组件由于外部冲击而摇晃，从而使层叠型电极组件变形的情况下，具有较高联接力的每个中间组件通过联接而返回到其初始状态。因此，电池
的性能可以很少受到影响。
70.在对在电极和隔膜之间具有高联接力的中间组件施加外部冲击的情况下，与层叠型电极组件相比，中间组件的变形相对较小。因此，可以维持中间组件的初始状态，因而外部冲击对二次电池性能的影响可以是最小的。
71.此时，为了增加根据本发明的袋状二次电池的容量，同时使其尺寸最小化，可以使用具有仅施加在集流体的一个表面上的负极活性材料的单面负极作为负极，并且可以使用具有施加在集流体的相对的两个表面上的正极活性材料的双面正极作为正极。在本发明中，可以使用配置成具有其中单面负极/隔膜/双面正极/隔膜/单面负极层叠的结构的中间组件。
72.此外，可以在中间组件之间提供绝缘膜(如前所述)，或者可以使用绝缘涂层负极。
73.本发明可以提供一种包括具有上述特征中的至少一者的袋状二次电池的电池模块或电池组。
74.此外，本发明可以提供一种其中安装有袋状二次电池的装置。
75.该装置可以是包括大容量电池的电子装置，例如电动车辆、混合动力电动车辆或插电式混合动力电动车辆。
76.本发明所属领域的普通技术员将认识到，基于以上描述，在本发明的范畴内可以进行各种应用和变型。
77.(附图标记的说明)
78.10：电极组件
79.100(a)：中间组件
80.100(b)：层叠型电极组件
81.11、110：正极
82.11(a)、111：正极集流体
83.11(b)、112：正极活性材料层
84.12、120：负极
85.12(a)、121：负极集流体
86.12(b、122：负极活性材料层
87.13、130：隔膜
88.140：绝缘膜
89.20、200：壳体
90.工业实用性
91.如从以上描述可看出的，根据本发明的袋状二次电池包括：层叠型电极组件，其配置成不被隔膜卷绕，因此具有高的浸透性；配置成接纳层叠型电极组件的壳体，该壳体配置成使壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度，并基于壳体的尺寸执行电极组件的层叠，由此，根据本发明的袋状二次电池的容量大于传统袋状二次电池的容量。
92.此外，由于壳体的中央部分的宽度大于壳体的上表面和下表面中的每一者的宽度，因此散热效果也优异。
93.此外，本发明的优点在于，在形成并层叠中间组件的情况下，即使没有使用单独的
隔膜固定电极组件，也能维持电极组件的形状。