堆叠/折叠型电极组件及其制备方法

专利名称：堆叠/折叠型电极组件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造堆叠/折叠型电极组件的方法及其制造方法，并且具体 而言涉及以下述结构构造的电极组件，在所述结构中，作为基本单元的、由具有阴极/隔离 器/阳极结构的全电池形成的多个电化学电池重叠，并且在重叠的电化学电池之间设置了 连续的隔离器，其中，被隔离器片围绕的单元电极位于重叠的电化学电池的中间，其是绕组 起点，并且在单元电极上方和下方设置的全电池在全电池的电极的方向上相对于单元电极 彼此对称。
背景技术：
随着移动装置日益发展，并且对于这样的移动装置的需求也增加，对于作为移动 装置能源的电池的需求也迅速地增加。因此，对满足各种需要的电池作了许多研究。在电池的形状上，对于薄得足以适用于诸如移动电话的产品的菱形二次电池组或 袋状二次电池组的需求很高。在电池的材料上，对于具有高能量密度、高放电电压和高功率 稳定性的、诸如锂离子电池组和锂离子聚合物电池组的锂二次电池组的需求很高。此外，可以基于具有阴极/隔离器/阳极结构的电极组件的结构来对二次电池组 进行分类。例如，可以以果冻卷(缠绕)型结构或堆叠型结构来构造电极组件，在所述果冻 卷(缠绕)型结构中，长片型阴极和长片型阳极缠绕，同时在阴极和阳极之间分别设置了隔 离器，而在堆叠型结构中，具有预定尺寸的多个阴极和阳极被连续地堆叠，而在所述阴极和 阳极之间分别设置的隔离器。但是，传统的电极组件具有几个问题。首先，通过密集地缠绕长片型阴极和长片型阳极来制造果冻卷型电极组件，结果 是果冻卷型电极组件在截面上是圆形或椭圆的。结果，在电池的充电和放电期间电极的膨 胀和收缩引起的应力在电极组件中累积，并且当应力累积超过特定极限时，电极组件会变 形。电极组件的变形导致在电极之间的不均勻的间隙。结果，电池的性能突然变差，并且电 池的安全由于电池内部的短路而得不到保障。此外，在保持在阴极和阳极之间的间隙的同 时，难以迅速地缠绕长片型阴极和长片型阳极，结果是生产率降低。其次，通过依序堆叠多个单元阴极和多个单元阳极来制造堆叠型的电极组件。结 果，另外需要提供用于传送电极板的处理，所述电极板用于制造单元阴极和单元阳极。此 外，需要大量的时间和精力来执行顺序堆叠处理，结果是生产率降低。为了解决上述问题，开发了堆叠/折叠型电极组件，其是果冻卷型电极组件和堆 叠型电极组件的组合。以下述结构来构造堆叠/折叠型电极组件，在所述结构中，连续地堆 叠具有预定尺寸的多个阴极和阳极，同时在阴极与阳极之间分别设置隔离器，以构造二分 电池(bi-cell)或全电池(full cell)，然后缠绕多个二分电池或多个全电池，同时将二分 电池或全电池定位在长隔离器片上。在下文中公开了堆叠/折叠型电极组件的细节韩国 专利申请公布 No. 2001-0082058、No. 2001-0082059 和 No. 2001-0082060，它们已经以本专 利申请的申请人的名义被提交。
图1和2部分典型地图解了这样的堆叠/折叠型电极组件的示例性结构和用于制 造堆叠/折叠型电极组件的处理。参见这些附图，以其中依序设置阴极、隔离器和阳极的结构构造的、作为单元电池 的多个全电池10、11、12、13、14、...被重叠，使得在各个全电池之间设置隔离器片20。隔 离器片20具有足以围绕各个全电池的单元长度。隔离器片20在每个单元长度向内弯曲， 以从中心的全电池10向最外的全电池14连续地围绕各个全电池，使得隔离器片20设置在 重叠的全电池之间。隔离器片20的外端通过热熔接或粘合带25来完结。例如通过下述方式来制造堆叠/折叠型电极组件通过将全电池10、11、12、13、 14、...布置在长隔离器片20上，并且从隔离器片20的一端21依序缠绕全电池10、11、12、 13、14、…。当仔细观察作为单元电池的全电池的阵列组合时，第一全电池10和第二全电池 11彼此间隔等于与至少一个全电池相对应的宽度的距离。因此，在所述缠绕处理期间，第一 全电池10的外部完全地隔离器片20围绕，然后全电池10的底部电极面向第二全电池11 的顶部电极。在通过缠绕来依序堆叠第二全电池和随后的全电池11、12、13、14、…期间，隔离器 片20的围绕长度增大，并且因此，所述全电池被布置成使得在全电池之间的距离在缠绕方 向上逐渐增大。此外，在全电池的缠绕期间，要求在各个全电池之间的界面处全电池的阴极面向 相应的全电池的阳极。因此，第一全电池10和第二全电池11是其顶部电极是阴极的全电 池，第三全电池12是其顶部电极是阳极的全电池，第四全电池13是其顶部电极是阴极的全 电池，以及第五全电池14是其顶部电极是阳极的全电池。S卩，除了第一全电池10之外，交 替地布置其顶部电极是阴极的全电池和其顶部电极是阳极的全电池。因此，堆叠/折叠型电极组件相当大地弥补了果冻卷型电极组件和堆叠型电极组 件的缺陷。但是，为了堆叠作为单元电池的二分电池或全电池，使得二分电池或全电池在单 元电池之间的界面处具有相反的电极，要求基于二分电池或全电池的类型来分类二分电池 或全电池，并且根据预定规则在隔离器片上加载二分电池或全电池，结果是制造处理复杂 且麻烦，并因此生产率降低。此外，基于单元电池的类型来分类单元电池很复杂且麻烦。因 此，当在隔离器片上加载单元电池期间由于诸如疏忽或错误的各种原因导致省略或错误地 设置甚至任何一个单元电池时，具有相同极性的电极在单元电池之间的界面处彼此面对， 结果是电池的性能变差。总之，在电池的操作性能和安全方面，堆叠/折叠型电极组件是优选的。但是，在 电池的生产率的方面，如上所述堆叠/折叠型电极组件是不利的。因此，非常需要一种能够 提供电池的更高生产率和操作性能并且同时弥补上述缺陷的电极组件。具体上，需要大量的电池单元(单元电池)来制造大型的电池组模块，所述大型 的电池组模块用于中型或大型装置，诸如近些年来已经非常关注于电动车辆和混合电动车 辆。此外，大尺寸电池组模块需要长期使用期限的特性。因此，非常需要具有特定结构来解 决所有上述问题的电极组件。

发明内容
因此，做出本发明来解决上述问题和还要解决的其他技术问题。作为用于解决如上所述的问题的大量和集中的研究和实验的结果，本申请的发明 人开发了一种以下述结构构造的电极组件，在所述结构中，使用全电池来作为单元电池，并 且在重叠的单元电池之间设置了隔离器片，其中，由隔离器片围绕的单元电极位于重叠的 单元电池的中间，其是缠绕起点，并且本申请的发明人发现，可以以高生产率来制造具有上 述结构的电极组件，同时所述电极组件呈现出的性能和安全性等于传统的堆叠/折叠型电 极组件的性能和安全性，以及此外，根据本发明的电极组件即使在其长期使用后也显示出 良好的操作性能和安全性。已经基于这些发现而完成了本发明。根据本发明的一个方面，可以通过下述方式来完成上述和其他方面通过提供以 下述结构构造的电极组件，在所述结构中，作为基本单元的、由具有阴极/隔离器/阳极结构 的全电池形成的多个电化学电池被重叠，并且在重叠的电化学电池之间设置了连续的隔离器 片，其中，被隔离器片围绕的单元电极位于重叠的电化学电池的中间，其是绕组起点，并且在 单元电极上方和下方设置的全电池在全电池的电极的方向上相对于单元电极彼此对称。根据情况，下述电池可以位于作为缠绕起点的重叠的电化学电池的中间i) 二分 电池(“A型二分电池”)，其具有阴极/隔离器/阳极/隔离器/阴极结构，并且被隔离器 片围绕，或者ii) 二分电池(“C型二分电池”)，其具有阳极/隔离器/阴极/隔离器/阳 极结构，并且被隔离器片围绕，并且在所述二分电池上方和下方设置的全电池在全电池的 电极的方向上相对于二分电池彼此对称。具有上述结构的电极组件是能够有效地利用空间的堆叠/折叠型电极组件。具体 上，可以最大化电极活性材料的含量，由此实现高度集成的电池。此外，不必将单元电池布 置成使得通过单元电池的预定单元在交替方位上布置单元电池的电极，而是可以将所有的 单元电池布置在隔离器片上，使得单元电池具有相同的电极方位，并且缠绕单元电池，由此 简化制造处理，并且因此大大地改善生产效率。在一个示例性示例中，所述隔离器片可以具有足以围绕各个电化学电池的单元长 度，并且隔离器片可以在每单元长度向内弯曲，以从中心的单元电极或中心的二分电池向 最外的全电池连续地围绕单元电极或中心二分电池和全电池。在传统技术中，当由于电池 的重复充电和放电导致未保持电极与隔离器片之间的界面接触时，电池的容量和性能迅速 地变差。因此，需要压力来稳定地按压所述界面，使得可以连续地保持界面接触。在具有上 述结构的电极组件中，当堆叠全电池时，在各个全电池之间设置隔离器片，结果是可以有效 地使用在全电池之间的电极。此外，当缠绕隔离器片时产生的压力可以按压电池的电极与 隔离器片之间的所有界面，并因此，根据本发明的电极组件在电池的性能和容量方面很好。在本发明中，单元电极或二分电池位于重叠的电化学电池中间，其是缠绕的起点， 并且剩余的基本单元是全电池。单元电极表示阴极或阳极结构的电极。二分电池表示以下述结构构造的单元电池，在所述结构中，相同的电极位于其相 对侧，诸如阴极/隔离器/阳极/隔离器/阴极结构或阳极/隔离器/阴极/隔离器/阳 极结构。在图3中图解了二分电池的代表性示例。在本说明书中，阴极/隔离器/阳极/ 隔离器/阴极结构的电池，即以其中阴极位于其相对侧的结构构造的电池被称为“A型二分电池”，并且阳极/隔离器/阴极/隔离器/阳极结构的电池，即其中阳极位于其相对侧的 结构构造的电池被称为“C型二分电池”。构成二分电池的阴极、阳极和隔离器的数目不受 具体限制，只要位于电池的相对侧的电极具有相同的极性即可。作为基本单元的全电池不受具体限制，只要以其中全电池的顶部电极和底部电极 具有不同的极性的结构来构造全电池即可。例如，可以以i)阴极/隔离器/阳极堆叠结构 或者ii)阴极/隔离器/阳极/隔离器/阴极/隔离器/阳极堆叠结构来构造全电池。可 以基于各种因素来确定在全电池位于隔离器片上的同时缠绕的全电池的数目，所述因素是 诸如各个全电池的结构、所需要的最终制造的电池的容量等。优选的是，全电池的数目是6 至30。同时，电极组件被构造成使得当在其中全电池的阴极面向相应的全电池的阳极的 结构来堆叠多个全电池时，阳极占用尽可能大的区域。因此，例如，对于锂二次电池组，可以 最大地抑制在电池的充电和放电期间在阳极处的锂金属的树枝状生长。为此，在示例性示例中，位于重叠的电化学电池的中间的、作为缠绕的起点的单元 电极可以是阳极。另一方面，位于重叠的电化学电池的中间的、作为缠绕的起点的二分电池 可以是C型二分电池。在另一个示例性示例中，可以构造所述电极组件，使得阳极位于形成电极组件的 外表面的电极组件的最顶层和最底层。例如，当阴极或A型二分电池位于重叠的电化学电 池的中间一其是缠绕的起点一时，C型二分电池可以位于形成电极组件的外表面的电极 组件的最顶层和最底层。当全电池在位于长隔离器片上的同时被缠绕时，在重叠的全电池之间设置隔离器 片。因此，要求各个全电池被堆叠，使得阴极和相应的阳极彼此相对，并且同时隔离器片被 设置在各个全电池之间。隔离器片可以具有在缠绕后延伸围绕电极组件一次的长度，并且可以通过热熔接 或粘合带来固定隔离器片的最外端。例如，可以使热熔接装置或热板与隔离器片接触以被 完结，使得隔离器片本身由热来熔接，然后被固定。因此，连续地保持压力，并因此，实现在 电极与隔离器片之间的稳定的界面接触。在电池的阴极与阳极之间设置的隔离器片或隔离器的材料不受具有限制，只要隔 离器片和隔离器显示高绝缘，并且以其中离子可以移动的多孔结构构造隔离器片和隔离 器。隔离器片和隔离器可以由相同的材料或不同的材料制成。作为隔离器片或隔离器，例如，可以使用具有高离子渗透性和高机械强度的绝缘 薄膜。所述隔离器片或隔离器通常具有0. 01至10微米的孔直径以及5至300微米的厚 度。作为用于隔离器片或隔离器的材料，例如，使用由烯烃聚合物制成的片或无纺布，所述 烯烃聚合物是诸如聚丙烯、玻璃、纤维或聚乙烯，所述聚丙烯具有耐化学性和疏水性。当诸 如聚合物的固体电解质被用作电解质时，所述固定电解质也可以用作隔离器和电解质这两 者。优选的是，所述隔离器片或隔离器由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯膜和聚丙烯膜的组合 制造的多层膜或者诸如聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟乙烯六氟丙烯共 聚物的、用于聚合物电解质或凝胶型聚合物电解质的聚合物膜。隔离器优选地具有通过热熔接的粘合功能，以构造全电池或二分电池。另一方面， 隔离器片不必然具有这样的粘合功能；但是，优选的是，隔离器片具有所述粘合功能以容易执行缠绕处理。在示例性示例中，隔离器片和/或隔离器可以由用于聚合物电解质的聚合 物膜制成，所述聚合物电解质具有通过热熔接的粘合功能，并且包括微多孔的第一聚合物 层和通过凝胶化聚偏二氟乙烯氯三氟乙烯共聚物而获得的第二聚合物层，如以本申请的申 请人的名义提交的韩国专利申请No. 1999-57312中所公开的。每个单元电极被划分为阴极和阳极。通过将阴极和阳极彼此耦合并且同时在阴极 与阳极之间插入隔离器来制造每个全电池或每个二分电池。例如通过下述方式来制造每个 阴极通过向阴极电流收集器施加、干燥和按压阴极活性材料、导电剂和粘合剂的混合物来 制造每个阴极。根据情况，可以向混合物添加填充剂。—般，阴极电流收集器具有3至500微米的厚度。阴极电流收集器不受具体限制， 只要阴极电流收集器具有高传导率并且阴极电流收集器不在所涉及的电池组中引发任何 化学变化即可。例如，阴极电流收集器可以由不锈钢、铝、镍、钛或塑料碳制成。可替选地， 阴极电流收集器可以由铝或不锈钢制成，其表面使用碳、镍、钛或银处理。阴极电流收集器 可以具有在其表面上形成的微凸凹部分，以便提高阴极活性材料的附着力。可以以诸如膜、 片、箔、网、多孔体、泡沫体和无纺布的不同形式来构造阴极电流收集器。对于锂二次电池组，阴极活性材料可以是但是不限于诸如氧化锂钴(LiCo02) 或氧化锂镍(LiNi02)分层化合物或由一个或多个过渡金属所替换的化合物；由化学式 Li1+xMn2_x04 表示的氧化锂锰(其中，x = 0-0. 33)或诸如 LiMn03、LiMn203 或 LiMn02 的 氧化锂锰；氧化锂铜(Li2Cu02)；氧化钒，诸如LiV308、LiFe304、V205或Cu2V207 ；由化学式 LiNihMA (其中 M = (0、] 11、六1、01、？6、]\%、8或63，并且1 = 0. 01 至 0. 3)表示的镍位锂 镍氧化物；由化学式LiMn2_xMx02 (其中M = Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，并且x = 0. 01至0. 1) 或者化学式Li2Mn3M08 (其中M = Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；化学式中的 Li由碱土金属离子部分替换的LiMn204 ；二硫化物；或Fe2 (Mo04) 3。一般添加导电剂，使得导电剂具有基于包括阴极活性材料的化合物的总重量的1 至50重量百分比。导电剂不受具体限制，只要导电剂具有高传导率，同时导电剂不在所涉 及的电池组中引发任何化学变化。例如，下述材料可以用作导电剂石墨，诸如自然石墨或 人造石墨；炭黑，诸如炭黑、乙炔黑、科琴(Ketjen)黑、槽黑、炉黑、灯黑或热炭黑；导电纤 维，诸如碳纤维或金属纤维；金属粉末，诸如氟化碳粉末、铝粉末或镍粉末；导电晶须，诸如 氧化锌和钛酸钾；导电的金属氧化物，诸如氧化钛；或聚亚苯基衍生物。粘合剂是帮助在活性材料与导电剂之间的粘合以及与电流收集器的粘合的成分。 通常以包括阴极活性材料的化合物的总重量的1至50重量百分比的数量来添加粘合剂。作 为粘合剂的示例，可以使用聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤 维素、再生纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、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、丁苯橡胶、氟橡胶和各种共聚物。充填剂是可选的成分，用于抑制阴极的膨胀。对于充填剂没有特别的限制，只要它 不在所涉及的电池组中引起化学变化并且由含纤维的材料制成即可。作为充填剂的示例， 可以使用烯烃聚合物，诸如聚乙烯和聚丙烯；以及，含纤维的材料，诸如玻璃纤维和碳纤 维。另一方面，通过向阳极电流收集器施加、干燥和按压阳极活性材料来制造阳极。根 据情况，可以选择性地向阳极活性材料添加上述的导电剂、粘合剂和充填剂。
一般，阳极电流收集器具有3至500微米的厚度。阳极电流收集器不受具体限 制，只要阳极电流收集器具有高的传导率，同时阳极电流收集器不在所涉及的电池组中引 起化学变化即可。例如，阳极电流收集器可以由铜、不锈钢、铝、镍、钛或塑料碳(plastic carbon)制成。可替选地，阳极电流收集器可以由铜或不锈钢或铝镉合金制成，其中铜或不 锈钢表面使用碳、镍、钛或银来处理。像阴极电流收集器一样，阳极电流收集器可以具有在 其表面处形成的微凹凸部分，以便提高阳极活性材料的附着力。可以以诸如膜、片、箔、网、 多孔体、泡沫体和无纺布的不同形式来构造阳极电流收集器。作为阳极活性材料，例如，可以使用碳，诸如非石墨化碳或基于石墨的碳；金属 复合氧化物，诸如 LixFe203(0 彡 x 彡 l)、LixW02(0 彡 x 彡 l)、SnxMei_xMe，yOz(Me :Mn、Fe、Pb、Ge ； Me，Al、B、P、Si、周期表的一、二和三族元素、卤素；0彡x彡1 ;0彡y彡3 ;0彡z彡8)；锂 金属；锂合金；基于硅的合金；基于锡的合金；金属氧化物，诸如Sn0、Sn02、Pb0、Pb02、Pb203、 Pb304、Sb203、Sb204、Sb205、GeO、Ge02、Bi203、Bi204 或 Bi205 ；导电聚合物，诸如聚乙炔；或基于 Li-Co-Ni的材料。根据本发明的电极组件可以应用到电化学电池，所述电化学电池通过在阴极和阳 极之间的电化学反应来产生电。电化学电池的代表性示例包括超级电容器、超容量、二次电 池组、燃料电池、各种传感器、电解器、电化学反应器灯。优选的是，电化学电池是二次电池组。以下述结构来构造二次电池组，在所述结构中，在电池壳体中安装可充电和可放 电的电极组件，同时电极组件被注入有含离子的电解质。在示例性示例中，二次电池组可以 是锂二次电池组。近些年来，锂二次电池组作为用于大型装置以及小型移动装置的电源吸引了相当 大的关注。当根据本发明的锂二次电池组应用于这样的应用时，优选的是，锂二次电池组具 有小的重量。用于减少二次电池组的重量的一种方法的示例是以其中电极组件被安装在由 铝层压片制成的袋状壳体中的结构来构造二次电池组。锂二次电池组是本发明所属的领域 中公知的，因此，将不提供其相关的说明。此外，当二次电池组如上所述，被用作中型或大型装置的电源时，优选的是，以其 中即使在其长期使用后也最大地抑制二次电池组的操作性能的结构来构造二次电池组，二 次电池组的使用期限极好，并且二次电池组以低成本被大量生产。在这个方面，包括根据本 发明的电极组件的二次电池组优选地被用在包括作为单元电池的二次电池组的中型或大 型电池组模块中。以下述结构来构造中型或大型电池组模块，在所述结构中，多个单元电池彼此串 联或串联/并联，以提供高功率和大容量。中型或大型电池组模块在本发明所属的领域中 公知的，并因此，将不提供其相关的说明。根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造以下述结构构造的电极组件的方 法，在所述结构中，作为基本单元的、由具有阴极/隔离器/阳极结构的全电池形成的多 个电化学电池被重叠，并且在重叠的电化学电池之间设置隔离器片，所述方法包括1)堆 叠长阴极片和长阳极片，同时在阴极片与阳极片之间设置隔离器，并且将所述堆叠切割为 预定尺寸，以制造多个全电池；2)将作为阴极或阳极的单元电极放置在长隔离器片的第一 级，并且将由步骤1)制造的全电池(第一全电池、第二全电池和第三全电池...)放置在
10同一电极方位上与第二级相距预定间隔处；以及，3)使用隔离器片将所述单元电极缠绕一 次，并且从第一全电池向外部折叠所述隔离器片，其中，相邻的全电池被定位成使得各个全
电池重叠。根据情况，可以将A型二分电池或C型二分电池定位在隔离器片的第一级。在这 种情况下，所述方法可以包括1)堆叠长阴极片和长阳极片，同时在阴极片与阳极片之间 设置隔离器，以及将所述堆叠切割为预定尺寸，以制造多个全电池；2)将A型二分电池或C 型二分电池放置在长隔离器片的第一级，并且将由步骤1)制造的全电池(第一全电池、第 二全电池和第三全电池...)放置在同一电极方位上与第二级相距预定间隔处；以及，3)使 用隔离器片缠绕二分电池一次，并且从第一全电池向外部折叠隔离器片，其中，相邻的全电 池被定位成使得各个全电池重叠。当制造传统的堆叠/折叠型电池时，如上所述，根据其类型来分类单元电池，并且 在以预定间隔在交替的方位上布置单元电池的电极。结果，当在电池的制造期间由于意外 的错误导致单元电池的甚至任何一个被省略或错误地定位时，具有相同极性的电极在单元 电池之间的界面处彼此面对，结果是电池的性能变差。另一方面，根据如下所述的制造电极组件的方法，在同一电极方位上布置全电池， 使得在隔离器片的第二级之后定位的各个全电池的顶部电极具有与在隔离器片的第一级 处定位的单元电极或二分电池的底部电极相反的极性。因此，不必改变作为单元电池的全 电池的电极方位。即，可以以同一电极方位将全电池放置在隔离器片上，然后缠绕全电池， 由此简化了制造过程，并因此，改善了电池的生产率。此外，如上所述，可以解决在电池的制 造期间由于错误导致电池的性能变差的问题。在示例性示例中，所述方法可以还包括在缠绕之前，将在步骤2)放置的单元电 极或二分电池和全电池附着到隔离器片，由此容易实现在隔离器片上缠绕电池。优选的是， 通过热熔接来实现所述附着。例如，可以容易地在低玻璃转化温度(TG)处实现层压。通过 溶解诸如PVDF、HFD、PMMA、PE0或PMMA的聚合物而获得的溶液一它在预定溶剂中在0至 5V的电势范围处在电化学上是稳定的一被应用到隔离器，然后被干燥以制造被涂敷有耦 合剂的隔离器片。随后，单元电极和电池被放置在隔离器片上，然后向单元电极、电池和隔 离器片施加预定的压力和热。涂敷有耦合剂的隔离器片可以被用作每个电池的隔离器。涂 敷有耦合剂的隔离器片可以帮助在电极组件的制造期间通过其相对于电极的耦合力来保 持全电池的堆叠结构。在步骤2)将全电池定位在长隔离器片之后，缠绕全电池，使得隔离器片被设置在 重叠的全电池之间。因此，具有相反极性的电极在各个全电池之间的界面处彼此面对。为 此，在同一电极方位上布置各个全电池。具体上说，全电池可以被定位成使得全电池的顶部 电极具有与位于隔离器片的第一级的单元电池或二分电池的底部电极相反的极性。结果， 缠绕全电池，使得第一全电池具有的底部电极极性与第三全电池的顶部电极相反，第二全 电池具有的底部电极极性与第四全电池的顶部电极极性相反，并且第三全电池具有的底部 电极极性与第五全电池的顶部电极极性相反。在示例性示例中，在步骤2)处，单元电极或二分电池可以与开始缠绕的隔离器片 的端部间隔开，或者，第一全电池可以与单元电极或二分电池间隔开至少等同于单元电极 的宽度和厚度之和的距离，并且第二和随后的全电池以等同于每个全电池的厚度和通过缠绕增大的隔离器片的厚度之和的间隔来定位。因此，单元电极或二分电池与第一全电池重叠，同时单元电极或二分电池由隔离 器片以一次缠绕来围绕，并因此，隔离器片被设置在第一全电池的顶部电极与单元电极或 二分电池的顶部电极之间。为了最大地抑制树状生长，如上所述，优选的是，构造电极组件，使得阳极位于形 成电极组件的外表面的第n个电池的底部和第n-1个电池的底部，即电极组件的顶表面和 底表面。在示例性示例中，位于隔离器片的最后级的单元电池(第n个电池)和与第n个 电池相邻的第n-1个电池可以被构造成使得第n和n-1个电池的底部电极变为阳极。具体 上，当阴极或A型二分电池位于隔离器片的第一级时，第n和第n-1个电池可以是C型二分 电池。


通过下面结合附图进行的详细说明，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、 特征和其他优点，其中图1是传统的堆叠/折叠型电极组件的示例性结构的典型视图；图2是图解用于制造图1的堆叠/折叠型电极组件的处理中的单元电池的示例性 阵列组合的典型视图；图3是图解在根据本发明的电极组件中被用作二分电池的示例性C型二分电池和 示例性A型二分电池的典型视图；图4是图解根据本发明的第一实施例的电极组件的结构的典型视图；图5是图解根据本发明的第二实施例的电极组件的结构的典型视图；图6是图解根据本发明实施例的用于制造图4的电极组件的处理的典型视图；图7是图解根据本发明的另一个实施例的用于制造图4的电极组件的处理的典型 视图；图8是图解根据本发明的另一个实施例的用于制造图5的电极组件的处理的典型 视图；图9是图解根据本发明的第三实施例的用于制造电极组件的处理的典型视图；以 及图10是图解根据本发明的第四实施例的用于制造电极组件的处理的典型视图。
具体实施例方式现在，将参考附图来详细说明本发明的示例性实施例。但是，应当注意，所说明的 实施例不限制本发明的范围。图4和5是图解根据本发明的示例性实施例的电极组件的结构的典型视图。参见这些附图，由隔离器片100围绕的单元电极200、300或二分电池(未示出) 可以位于重叠的全电池的中间，其是缠绕起点101，并且作为单元电池的全电池以对称的结 构设置单元电极200、300或二分电池上方和下方。可以例如通过热熔接或粘合带105来完 结隔离器片100的端部。
首先，图4图解了根据本发明的第一实施例的电极组件的结构，其中，阳极200位 于作为缠绕起点101的电极组件的中间。在阳极200上方的全电池202和204与在阳极 200下方的全电池201和203以对称的结构布置。接着，图5图解了根据本发明的第二实施例的电极组件的结构，其中，阴极300位 于作为缠绕起点101的电极组件的中间。像在图4中那样，在阴极300上方的全电池302 和304与在阴极300下方的全电池301和303以对称的结构布置。形成电极组件的外表面 的最下电池303和最上电池304可以是以对称结构布置的全电池(未示出)。可替选地，最 下电池303和最上电池304可以由A型二分电池形成，其中，阳极占据大面积，以最大化地 抑制在阳极处的树状生长。图6至8分别是图解根据本发明的各个实施例的、用于使用单元电极和全电池来 制造电极组件的处理的典型视图。参见这些附图，隔离器片100是像每个全电池的隔离器一样以多孔结构构造的长 片型膜。隔离器片100具有足以在缠绕之后缠绕电极组件一次的长度。在隔离器片100的 长度方向上，单元电极或二分电池位于隔离器片100的第一级处，并且从隔离器100的第二 级来布置全电池。首先，图6典型地图解了用于制造图4的电极组件的处理。当仔细观察单元电极 200和全电池201、202、203、204、...的阵列时，单元电极200被布置在隔离器片100的一 个端部101，在此开始折叠。随后，第一全电池201被布置在下述位置，在这个位置，第一全 电池201与单元电极200间隔等同于单元电极200的宽度和厚度之和的长度L。在缠绕期 间，在单元电极200的外表面由隔离器片100通过一次缠绕而完全围绕后，在单元电极200 与第一全电池201之间的间隔区域L面向第一全电池201的顶部电极。通过缠绕，单元电 极200的底部位于第一全电池201的顶部，而隔离器片100设置在单元电极200与第一全 电池201之间，并且单元电极200的顶部面向第二全电池202的顶部电极(阴极)。参见图7，其图解了制造图4的电极组件的另一个示例，单元电极210被布置在其 中单元电极210与隔离器片100的一个端部101 (在此开始折叠)相隔等同于单元电极210 的宽度和厚度之和的长度L’的位置。在隔离器片100通过一次缠绕而完全围绕单元电极 210的外表面之后，在隔离器片100的端部101与单元电极210之间的间隔区域L’面向第 一全电池211的顶部电极。即，用于保持在单元电极200和210与全电池之间的电间隔的 间隔区域L和L’可以位于单元电极200和210之前或之后。返回参见图6，第一和随后的全电池201、202、203、204、...被依序布置，使得全电 池201、202、203、204、...被间隔等同于每个全电池的厚度和通过缠绕提高的隔离器片100 的厚度之和的长度。即，在通过缠绕的顺序堆叠期间，隔离器片100的围绕长度增加。因此， 全电池201、202、203、204、. . 被布置，使得在全电池201、202、203、204、. . 之间的距离在
缠绕方向上逐渐地增大。 在全电池的缠绕期间，要求全电池的阴极在各个全电池之间的界面处面向相应的 全电池的阳极。具体上说，第一全电池201的底部电极(阳极)面向第三全电池203的顶 部电极(阴极)，并且第二全电池202的底部电极(阳极)面向第四电极组件204的顶部 电极(阴极)，如此重复进行。因此，当单元电极200是阳极时，各个全电池201、202、203、 204、…被布置使得它们的阳极位于各个全电池201、202、203、204、...的底部。
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当在隔离器片上布置单元电极200和全电池201、202、203、204、...时，单元电极 200和全电池201、202、203、204、...可以附着到隔离器片的顶部以容易缠绕。可以例如通 过热熔接来实现所述附着。另一方面，参见图8，单元电极300是阴极，并且各个全电池301、302、...被布置 使得它们的阴极位于各个全电池301、302、...的底部。此时，最后的电池300n的底部电极 和与最后的电池300n相邻的电池300n-l的底部电极形成电极组件的外表面。因此，A型 二分电池而不是全电池可以被布置在隔离器片10的最后位置和与最后位置相邻的位置， 使得最后电池300n的底部电极和相邻的电池300n-l的底部电极变成阳极。图9和10分别是图解根据本发明的第三和第四实施例的、使用二分电池和全电池 来制造电极组件的处理的典型视图。参见这些附图，二分电池400、500被布置在隔离器片100的一个端部101，在此开 始折叠。随后，第一全电池401、501被布置在下述位置，在这个位置，第一全电池401、501 与二分电池400、500间隔等同于二分电池400、500的宽度和厚度之和的长度L。在缠绕期 间，在二分电池400、500的外表面由隔离器片100通过一次缠绕而完全围绕后，在二分电池 400,500与第一全电池401、501之间的间隔区域L面向第一全电池401、501的顶部电极。 在第一全电池之后的全电池顺序被堆叠，而没有与每个全电池的宽度相对应的间隔。当A 型二分电池400位于隔离器片100的第一级处时，各个全电池401、402、403、404、...被布 置使得它们的阳极位于各个全电池401、402、403、404、...的底部。另一方面，当C型二分 电池500位于隔离器片100的第一级时，各个全电池501、502、...被布置使得它们的阴极 位于各个全电池501、502、...的底部。在这种情况下，A型二分电池500n和500n_l而不 是全电池可以被布置在隔离器片10的最后位置和与最后位置相邻的位置。根据本发明，如图6至9所示，在作为基本单元的全电池位于隔离器片上使得各个 全电池的电极在同一方向上被定向的同时，执行缠绕，由此简化制造过程，并因此，改善电 池的生产率。产业上的应用从上述说明显然的是，以高的生产率制造根据本发明的电极组件，同时电极组件 示出的性能和安全性等于传统的堆叠/折叠型电极组件的性能和安全性。此外，根据本发 明的电极组件即使在其长期使用后也显示出极好的操作性能和安全性。虽然已经为了说明性的目的公开了本发明的示例性实施例，但是本领域内的技术 人员可以明白，在不偏离在附图中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、增加和 替代是可以的。
1权利要求
一种以下述结构构造的电极组件，在所述结构中，作为基本单元的、由具有阴极/隔离器/阳极结构的全电池形成的多个电化学电池被重叠，并且在重叠的电化学电池之间设置连续的隔离器片，其中，由所述隔离器片围绕的单元电极位于重叠的电化学电池的中间，其是绕组起点，并且在所述单元电极上方和下方设置的全电池在全电池的电极的方向上相对于单元电极彼此对称。
2.一种以下述结构构造的电极组件，在所述结构中，作为基本单元的、由具有阴极/隔 离器/阳极结构的全电池形成的多个电化学电池被重叠，并且在重叠的电化学电池之间设 置连续的隔离器片，其中，下述电池位于作为缠绕起点的重叠的电化学电池的中间i) 二分电池(“A型二分电 池”)，其具有阴极/隔离器/阳极/隔离器/阴极结构，被所述隔离器片围绕，或者ii) 二 分电池(“C型二分电池”)，其具有阳极/隔离器/阴极/隔离器/阳极结构，被所述隔离 器片围绕，并且在所述二分电池上方和下方设置的全电池在全电池的电极的方向上相对于 所述二分电池彼此对称。
3.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，所述隔离器片具有足以围绕各个电化学 电池的单元长度，并且所述隔离器片向内弯曲每个单元长度，以从中心的单元电极或中心 的二分电池向最外的全电池连续地围绕单元电极或中心的二分电池和全电池。
4.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，所述全电池具有i)阴极/隔离器/阳 极结构或者ii)阴极/隔离器/阳极/隔离器/阴极/隔离器/阳极结构。
5.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，位于作为缠绕的起点的、重叠的电化学 电池中间的所述单元电极或所述二分电池是阳极或C型二分电池。
6.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，所述电极组件被构造成使得阳极位于形 成所述电极组件的外表面的所述电极组件的最顶层和最底层。
7.根据权利要求6所述的电极组件，其中，当阴极或A型二分电池位于作为缠绕的起点 的、重叠的电化学电池的中间时，C型二分电池位于所述电极组件的最顶 >层和最底层。
8.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，通过热熔接或带来固定所述隔离器片的 最外端。
9.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，所述隔离器或隔离器片由选自如下组中 的一个制成，所述组由以下物质构成微多孔聚乙烯膜、聚丙烯膜、由所述聚乙烯膜和所述 聚丙烯膜的组合制造的多层膜以及诸如聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈或聚偏二氟 乙烯六氟丙烯共聚物的、用于聚合物电解质的聚合物膜。
10.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，所述阴极是通过使用阴极材料涂敷阴 极电流收集器的相对的主表面而制造的电极，以及所述阳极是通过使用阳极材料涂敷阳极 电流收集器的相对的主表面而制造的电极。
11.一种二次电池组，包括根据权利要求1或2所述的电极组件。
12.根据权利要求11所述的二次电池组，其中，所述二次电池组是锂二次电池组。
13.—种中型或大型电池组模块，包括作为单元电池的、根据权利要求12所述的二次 电池组。
14.一种用于制造以下述结构构造的电极组件的方法，在所述结构中，作为基本单元的、由具有阴极/隔离器/阳极结构的全电池形成的多个电化学电池被重叠，并且在重叠的 电化学电池之间设置隔离器片，所述方法包括1)堆叠长阴极片和长阳极片，同时在所述阴极片与所述阳极片之间设置隔离器，以及 将所述堆叠切割为预定尺寸，以制造多个全电池；2)将作为阴极或阳极的单元电极放置在长隔离器片的第一级，并且将由步骤1)制造 的全电池(第一全电池、第二全电池和第三全电池...)放置在同一电极方位上与第二级相 距预定间隔处；以及，3)使用隔离器片将所述单元电极缠绕一次，并且从第一全电池向外部折叠所述隔离器 片，其中，设置相邻的全电池使得各个全电池重叠。
15.一种用于制造以下述结构构造的电极组件的方法，在所述结构中，作为基本单元 的、由具有阴极/隔离器/阳极结构的全电池形成的多个电化学电池重叠，并且在重叠的电 化学电池之间设置隔离器片，所述方法包括1)堆叠长阴极片和长阳极片，同时在所述阴极片与所述阳极片之间设置隔离器，以及 将所述堆叠切割为预定尺寸，以制造多个全电池；2)将A型二分电池或C型二分电池放置在长隔离器片的第一级，以及将由步骤1)制造 的全电池(第一全电池、第二全电池和第三全电池...)放置在同一电极方位上与第二级相 距预定间隔处；以及，3)用隔离器片将所述二分电极缠绕一次，并且从第一全电池向外部折叠所述隔离器 片，其中，相邻的全电池被设置成使得各个全电池被重叠。
16.根据权利要求14或15所述的方法，还包括在缠绕之前，将在步骤2)处放置的单 元电极或二分电池和全电池附着到所述隔离器片。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，在步骤2)处，设置全电池使得全电池的 顶部电极具有与位于隔离器片的第一级处的单元电池或二分电池的底部电极的极性相反 的极性。
18.根据权利要求14或15所述的方法，其中，缠绕所述全电池使得所述第一全电池具 有的底部电极极性与所述第三全电池的顶部电极相反，所述第二全电池具有的底部电极极 性与所述第四全电池的顶部电极极性相反，以及所述第三全电池具有的底部电极极性与所 述第五全电池的顶部电极极性相反。
19.根据权利要求14或15所述的方法，其中，在步骤2)处，位于所述隔离器片的第一 级处的所述单元电极或所述二分电池与在其开始缠绕的隔离器片的端部间隔至少等同于 单元电极的宽度和厚度之和的距离，并且所述第二和随后的全电池以等同于每个全电池的 厚度与通过缠绕增大的隔离器片的厚度之和的间隔来设置。
20.根据权利要求14或15所述的方法，其中，在步骤2)处，所述第一全电池与位于所 述隔离器片的第一级处的所述单元电极或所述二分电池间隔至少等同于所述单元电极或 所述二分电池的宽度和厚度之和的距离，所述第二和随后的全电池以等同于每个全电池的 厚度与通过缠绕增大的隔离器片的厚度之和的间隔来设置。
21.根据权利要求14或15所述的方法，其中，构造位于所述隔离器片的最后级处的单 元电池(第η个电池)和与所述第η个电池相邻的第η-1个电池使得第η和η_1个电池的 底部电极变成阳极。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，当阴极或A型二分电池位于所述隔离器片的第 一级时，所述第η和第η-1个电池是C型二分电池。
全文摘要
在此公开了一种以下述结构构造的电极组件，在所述结构中，作为基本单元的、由具有阴极/隔离器/阳极结构的全电池形成的多个电化学电池被重叠，并且在重叠的电化学电池之间设置连续的隔离器片，其中，由所述隔离器片围绕的单元电极位于重叠的电化学电池的中间，其是绕组起点，并且在所述单元电极上方和下方设置的全电池在全电池的电极的方向上相对于单元电极彼此对称。所述电极组件被以高的生产率制造，同时电极组件显示与传统的堆叠/折叠型电极组件的性能和安全性相同的性能和安全。
文档编号H01M2/20GK101897058SQ200880120848
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月14日
发明者金旻修, 金起载 申请人:株式会社Lg化学