专利名称：电极组件及包括该电极组件的二次电池的制作方法
技术领域：
本发明的 各方面涉及一种电极组件及包括该电极组件的二次电池。
背景技术：
近来，随着通讯和计算机工业的快速发展，便携式电子装置的使用越来越多。 可充电的二次电池被广泛地用作便携式电子装置的电源。二次电池通常包括电极组件， 电极组件包括正极、负极以及设置在正极和负极之间并使正极和负极彼此绝缘的分隔 件。二次电池的一个重要的考虑是控制在高温下存储的过程中的膨胀的出现。具 体地说，当包含锂钛氧化物(LTO)作为负极活性材料时，在放电状态(0%荷电状态 (SOC))下的膨胀的程度大于在充电状态(100%荷电状态)下的膨胀的程度。二次电池 的密封会由于膨胀而被破坏，导致电解质的泄漏或湿气的侵入，从而极大地使电池性能 劣化。因此，控制二次电池的膨胀是需要考虑的重要问题。
发明内容
本发明的各方面提供一种电极组件，所述电极组件可以防止包括该电极组件的 二次电池膨胀，并且即使包含作为负极活性材料的锂钛氧化物(LTO)也表现出良好的膨 胀防止效果。本发明的各方面还提供具有良好的膨胀防止效果的二次电池。根据本发明的一个或多个实施例，提供一种电极组件，所述电极组件包括第一 电极、第二电极以及设置在第一电极和第二电极之间的分隔件。第一电极包括第一电极 集流体和形成在第一电极集流体的至少一个表面上的第一电极涂覆部分。第二电极包括 第二电极集流体和形成在第二电极集流体的至少一个表面上的第二电极涂覆部分。第二 电极涂覆部分与第一电极涂覆部分面对。第一电极涂覆部分的面积大于第二电极涂覆部 分的面积。第二电极涂覆部分包括锂钛氧化物。第一电极集流体的面积可大于第二电极集流体的面积。第二电极集流体的面积 可大于第一电极集流体的面积。第一电极集流体的面积与第二电极集流体的面积可以基 本相同。第一电极可以是正极，第二电极可以是负极。第二电极涂覆部分的面积与第一电极涂覆部分的面积之比可在大约1.01和大约 1.21之间。第二电极涂覆部分的面积与第一电极涂覆部分的面积之比可在大约1.01和大 约1.10之间。第一电极涂覆部分可覆盖第二电极涂覆部分。第一电极涂覆部分的容量与第二电极涂覆部分的容量之比可在大约1.0和大约 1.5之间。第一电极涂覆部分的容量与第二电极涂覆部分的容量之比可在大约1.0和大约 1.3之间。
第一电极涂覆部分可形成在第一电极集流体的与第二电极涂覆部分面对的表面 上，并可形成在第一集流体的背对第二电极涂覆部分的表面上。第二电极涂覆部分可形 成在第二电极集流体的与第一电极涂覆部分面对的表面上，并可形成在第二电极集流体 的背对第一电极涂覆部分的表面上。第一电极涂覆部分可以只形成在第一电极集流 体的与第二电极涂覆部分面对的 表面上。第二电极涂覆部分可以只形成在第二电极集流体的与第一电极涂覆部分面对的 表面上。根据本发明的另一方面，提供一种二次电池，所述二次电池包括电极组件、容 纳电极组件的壳体、保护电路板和填充在壳体中的电解质。电极组件包括第一电极、第 二电极和设置在第一电极和第二电极之间的分隔件。第一电极包括第一电极集流体和形 成在第一电极集流体的至少一个表面上的第一电极涂覆部分。第二电极包括第二电极集 流体和形成在第二电极集流体的至少一个表面上的第二电极涂覆部分。第二电极涂覆部 分与第一电极涂覆部分面对。第一电极涂覆部分的面积大于第二电极涂覆部分的面积。 第二电极涂覆部分包括锂钛氧化物。保护电路板结合到电极组件的第一电极和第二电 极。
随着通过参照下面结合附图考虑的详细描述，而使本发明变得更好地理解，本 发明的更完全的理解以及本发明的许多附加优点将容易理解，在附图中，相同的标号表 示相同或相似的组件，其中图1是根据本发明实施例的电极组件的透视图；图2是图1中示出的电极组件的分解透视图；图3是图1中示出的电极组件的局部剖开的透视图；图4是根据本发明另一实施例的电极组件的分解透视图；图5是包括根据本发明实施例的电极组件的二次电池的透视图。
具体实施例方式现在将在下文中参照附图更充分地描述示例实施例。在附图中示出了示例，其 中相同的标号始终表示相同的元件。在这方面，本发明实施例可具有不同的形式，并且 不应理解为局限于在此提到的描述。因此，仅在下面通过参照附图来描述实施例，以解 释本发明的各方面。图1是根据本发明实施例的电极组件的透视图，图2是图1中示出的电极组件的 分解透视图，图3是图1中示出的电极组件的局部剖开的透视图。参照图1至图3，电极组件100包括正极110、负极120以及设置在正极110和 负极120之间的分隔件130。正极110包括正极集流体111、正极涂覆部分112和正极接线片114，正极涂覆 部分112形成在正极集流体111的至少一个表面上。正极集流体111通常具有大约10 μ m 至大约500 μ m的厚度。正极集流体111的非限制性示例可包括高度导电同时不引起电池的化学变化的电子传导材料。例如，电子传导材料可以是不锈钢、铝、镍、钛、石墨碳或通过对铝或 不锈钢进行表面处理而涂敷了碳、镍、钛或银的材料。为了增大正极活性材料的附着力，还可在正极集流体111的表面上形成不平坦 部分。不特别限制正极集流体111的形状。例如，正极集流体111可以以膜、片、箔、 网、多孔材料、泡沫、无纺材料等的形状来使用。正极涂覆部分112形成在正极集流体111的至少一个表面上，并可通过在正极集 流体111上涂覆普通正极涂覆组合物来形成。正极涂覆组合物包括正极活性材料，并可 包括导电剂和粘合剂。正极涂覆部分112可形成在正极集流体111的一个表面上，然而 出于电池性能的考虑，正极涂覆部分112可形成在正极集流体111的两个表面上。正极活性材料的示例 可包括通常用于二次电池的正极的材料，例如，表现出 稳定的充电/放电特性、良好的电子传导率、高稳定性和平稳的放电电压曲线等的 LiCoO2。 另夕卜，通常用于二次电池的正极的Li[NixC0l_x_yMny]02 (O < χ < 0.5, O < y < 0.5)也可用作正极活性材料。导电剂的非限制性示例可包括在电池中化学稳定的电子传导材料。例如，能够 使用以下材料炭黑，例如乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉黑、灯黑和热裂法炭黑；导 电纤维，例如碳纤维和金属纤维；金属粉，例如铝粉和镍粉；导电晶须，例如氧化锌和 钛酸钾；导电金属氧化物，例如钛酸盐；有机导电材料，例如聚苯撑衍生物；氟化碳。 可以以本领域可允许使用的范围内的量来使用导电剂，具体地说，基于正极活性材料组 合物，按重量计为至10%。为了提高在正极涂覆部分112中的粘合强度，以本领域可允许使用的范围内的 量来使用粘合剂。粘合剂的非限制性示例可包括聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素、羟丙 基纤维素、联乙炔纤维素(diacetylene cellulose)、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚 四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯和聚丙烯。除了正极活性材料、导电剂和粘合剂之外，如果需要，还可将通常用于正极活 性材料涂覆组合物的添加剂添加到正极活性材料涂覆组合物。正极接线片114形成在正极集流体111的一侧处，并通过单独的正极引线端子电 连接到保护电路模块，这将在下面描述。同时，负极120包括负极集流体121、形成在负极集流体121上的负极涂覆部分 122和负极接线片124。负极集流体121通常具有大约10 μ m至大约500 μ m的厚度。负极集流体121的非限制性示例可包括高度导电同时不引起电池的化学变化的 电子传导材料。例如，电子传导材料可以是不锈钢、铝、镍、钛、石墨碳或通过对铝或 不锈钢进行表面处理而涂覆碳、镍、钛或银的材料。像正极集流体111 一样，为了增大负极活性材料的附着力，还可在负极集流体 121的表面上形成不平坦部分。不特别限制负极集流体121的形状。例如，负极集流体 121可以以膜、片、箔、网、多孔材料、泡沫、无纺材料等的形状来使用。负极涂覆部分122形成在负极集流体121的至少一个表面上，并可通过在负极集 流体121上涂覆普通负极涂覆组合物来形成。负极涂覆组合物包括负极活性材料，并可 包括导电剂和粘合剂。负极涂覆部分122可形成在负极集流体121的一个表面上，然而 出于电池性能的考虑，负极涂覆部分122可形成在负极集流体121的两个表面上。
负极活性材料可包括锂钛氧化物(LTO)。对于导电剂和粘合剂，可使用本领域常用的材料。例如，可使用与正极活性材 料组合物的导电剂和粘合剂相同的导电剂和粘合剂。负极活性材料、导电剂和粘合剂可以以常用的使用范围内的各种混合比例进行 混合。除了负极活性材料、导电剂和粘合剂之外，如果需要，还可将通常用于负极活性 材料涂覆组合物的添加剂添加到负极活性材料涂覆组合物。负极接线片124形成在负极集流体121的一侧处，并通过单独的负极引线端子电 连接到保护电路模块。分隔件130设置在正极110 和负极120之间，以使正极110与负极120绝缘。分 隔件130可包含例如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯腈和聚偏氟乙 烯_六氟丙烯中的至少一种材料。这里，分隔件130不仅可形成在正极110和负极120之间，而是可以形成在电极 组件100的最外侧的正极110外部或/和最外侧的负极120外部，以使电极组件100与容 纳电极组件100的壳体绝缘。如所公知的，利用石墨作为负极活性材料的电池在充电到100%荷电状态(SOC) 时比充电至0% SOC时经受更大的膨胀程度。在这种情况下，已经进行了减少膨胀程度 的各种尝试。在建议的方法中，锂钛氧化物(LTO)是负极活性材料。然而，在建议的 方法中，有一种方法，电池被充电至0% SOC比电池被充电至100% SOC时的膨胀程度 更大。为了控制在使用LTO作为负极活性材料的情况下的膨胀程度，在本发明的实施例 中，使正极涂覆部分112的面积比负极涂覆部分122的面积大。正极涂覆部分112的表 面与负极涂覆部分122的表面面对，同时分隔件130设置在正极涂覆部分112的所述表面 和负极涂覆部分122的所述表面之间。这里，正极涂覆部分112的面积和负极涂覆部分 122的面积表示彼此面对的正极涂覆部分112的表面和负极涂覆部分122的表面的面积。 正极和负极可分别被称作第一电极和第二电极，反之亦然。可将LTO的充电/放电操作表示如下反应方案1
Li4Ti5012+3Li+GLi7Ti5012如反应方案1表示的，LTO以在放电状态下具有尖晶石结构的Li4Ti5O1JH存在。 如果电池被设计为使得负极涂覆部分122的面积比正极涂覆部分112的面积大，则不参与 充电/放电操作的LTO材料会在负极涂覆部分保持Li4Ti5O12相。在这种情况下，负极的 剩余的LTO具有锂离子，从而在来自残留LTO的锂离子与添加剂和电解质之间持续出现 额外的反应，然后产生气体，从而使膨胀加剧。相反，如果电池被设计为使得负极涂覆 部分122的面积小于正极涂覆部分112的面积，则负极涂覆部分122中包含的全部LTO 材料都会参与充电/放电操作。也就是说，全部的LTO材料与添加剂和电解质反应，以 在负极的表面上形成膜，从而抑制由于LTO和电解质之间的额外反应而导致的气体的产 生，从而防止膨胀。这里，正极涂覆部分112与负极涂覆部分122的面积比可在大约1.01至大约1.21 的范围内，具体地说，在大约1.01至大约1.1的范围内。当正极涂覆部分112与负极涂覆部分122的面积比大于1.21时，电池容量会降低。当正极涂覆部分112与负极涂覆部 分122的面积比小于1.01时，会降低膨胀防止效果。可通过利用本领域常用的涂覆装置(例如，刮片)以在上述范围内的面积比涂覆 正极活性材料涂覆组合物或负极活性材料涂覆组合物来容易地形成正极涂覆部分112或 负极涂覆部分122。例如，如图2所示，可通过形成在集流体上的未涂覆部分的宽度来调 节负极涂覆部分122与正极涂覆部分112的面积比。分隔件130设置在正极110和负极120之间。这里，如图3所示，设置在正极 110中的正极涂覆部分112和设置在负极120中的负极涂覆部分122被反复地堆叠为彼此 相对并彼此面对，并且在正极涂覆部分112和负极涂覆部分122之间设置有分隔件130。 为了实现防止膨胀的最大效果，优选地，将正极涂覆部分112和负极涂覆部分122设置为 彼此面对，使得负极涂覆部分122的整个区域被正极涂覆部分112的区域覆盖。在这种 情况下，负极涂覆部分中包含的全部LTO材料参与充电/放电操作，从而有效地防止二 次电池膨胀。在一个实施例中，负极涂覆部分122的容量与正极涂覆部分112的容量的比例可 在大约1.0至大约1.5的范围内，具体地说，在大约1.0至大约1.3的范围内。在计算容 量比时，仅考虑正极涂覆部分和负极涂覆部分的参与充电/放电操作的容量。当容量比 在大约1.0至大约1.5的范围内时，膨胀防止效果最大化。这里，使用的术语“容量” 仅表示可逆容量，排除当利用IC倍率放电时电池的不可逆容量。通常将充电或放电电流 (以安培计)表示为比容量(ratio capacity)的倍数，称作C倍率。当容量比超过上述范 围时，即，当容量比小于1.0或大于1.5时，电池的总容量会不利地降低。根据本发明的 实施例，电极组件100可以是堆叠式电极组件，其中，正极110和 负极120重复地堆叠，并且在正极110和负极120之间设置有分隔件130。图4是根据本发明另一实施例的电极组件的分解透视图。参照图4，电极组件 100包括正极110和110a、负极120和120a以及分隔件130。正极110包括正极集流体111、形成在正极集流体111的至少一个表面上的正极 涂覆部分112和正极接线片114。正极集流体111通常具有大约10 μ m至大约500 μ m的厚度。与图1至图3中示出的在前实施例相似，电极组件100包括重复堆叠的正极 110、分隔件130和负极120。S卩，本实施例的堆叠式电极组件100具有与在前实施例的 构造基本相同的构造，并且将不给出详细的解释。然而，本实施例的电极组件100与在 前实施例的电极组件100在最外侧正极IlOa和最外侧负极120a的方面不同，现在将主要 对不同点进行详细解释。在电极组件100中，最外侧正极IlOa和最外侧负极120a均只在它们的内表面 (即，图4中的最外侧正极IlOa的底表面和最外侧负极120a的顶表面)上具有涂覆部 分，其它内部正极110和内部负极120中的每个在它们的两个表面(即，图4中的内部正 极110和内部负极120中的每个的顶表面和底表面)上具有涂覆部分。如果负极涂覆部 分122形成在每个最外侧负极120a的两个表面上，则最外侧的负极涂覆部分122中包含 的LTO不会参与充电/放电操作，使得不能有效地控制膨胀。然而，当仅在最外侧负极 120a的内表面上形成负极涂覆部分122时，负极涂覆部分中包含的全部LTO材料参与充电/放电操作，从而使膨胀防止效果最大化。图5是包括根据本发明实施例的电极组件的二次电池的透视图。参照图5，二 次电池包括电极组件100;壳体210，容纳电极组件100;保护电路模块220，通过引 线端子115和125电连接到电极组件100;电解质。这里，二次电池200为袋式二次电 池。电极组件100包括正极，在正极的至少一个表面上具有正极涂覆部分；负 极，在负极的至少一个表面上具有包含锂钛氧化物(LTO)的负极涂覆部分；分隔件，设 置在正极和负极之间。正极涂覆部分具有比负极涂覆部分的面积大的面积。由于上述电 极组件100与在前实施例的电极组件基本相同，所以将不给出详细解释。壳体210包括主体212和盖214。主体212包括容纳部分212a和密封部分212b。 容纳部分212a提供用于容纳电极组件100的空间，密封部分212b从容纳部分212a的入 口处延伸。盖214可以从主体212密封部分212b的预定边缘延伸。盖214覆盖主体212 的容纳部分212a，以随后与主体212的密封部分212b密封，从而提供与主体212的容纳 部分212a对应的覆盖区214a和与主体212的密封部分212b对应的密封区214b。因此，二次电池200被构 造为使电极组件100容纳在容纳部分212a中，并通过 例如热熔来将主体212的密封部分212b与盖214的密封区214b彼此密封。保护电路模块220通过引线端子115和125电连接到电极组件100。电极组件 100通过正极接线片114和负极接线片124电连接到引线端子115和125。保护电路模块220包括控制二次电池200的控制器件222。具体地说，保护电路 模块220控制二次电池200的充电/放电操作。保护电路模块220包括将二次电池200 连接到外部装置的外部端子224。当主体212的密封完成时，将电解质注入到主体212中。对于电解质，只要电 解质包含有机溶剂，可使用任何在本领域常用的非水电解质，优选地，使用其中溶解有 锂盐的有机溶剂，然而本发明不限于此。在下文中，将详细描述示例性实施例来提供对本发明的清楚和完整的理解。下 面的本发明的实施例仅仅是说明性的，本发明的范围不局限于这些实施例。示例1-4以及对比示例1-2正极的制备利用LiCoO2作为正极活性材料、聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘合剂、炭黑作为 导电剂来制备正极活性材料涂覆组合物。这里，制备的正极活性材料涂覆组合物包含以 94 3 3的比率混合的正极活性材料、粘合剂和导电剂。利用行星式德斯帕搅拌机 (planetary despa mixer)将活性材料涂覆组合物分散在N_甲基_2_吡咯烷酮中来制备浆 料，并利用刮片将浆料涂覆在20 μ m厚的铝(Al)箔上并干燥。表1总结了在各个示例 和对比示例中的浆料涂覆面积。然后，利用辊挤压机来执行挤压，然后从各个涂覆物去 除湿气，从而制备正极。负极的制备利用LTO作为负极活性材料、PVDF作为粘合剂、炭黑作为导电剂来制备负极 活性材料涂覆组合物。除了将由负极活性材料涂覆组合物制备的浆料涂覆在15 μ m厚的 铜(Cu)箔上之外，用与制备正极的方法基本相同的方法来制备负极。表1总结了在各个示例和对比示例中的浆料涂覆面积。二次电池的制造制造具有双芯电极结构的袋式二次电池。使用2.7g的混合有机溶剂作为电解 质，通过将UM的LiPF6溶解在以30 70的体积比混合的碳酸亚乙酯(EC) /碳酸甲乙 酯(EMC)中而不利用添加剂来制备混合有机溶剂。实验示例将制造的二次电池放置在60°C下并在10天后测量它们的厚度，并将测量的厚度 与电池在高温存储之前的初始厚度进行比较。结果在表1中示出。表 权利要求
1.一种电极组件，所述电极组件包括第一电极，包括第一电极集流体和形成在第一电极集流体的至少一个表面上的第一 电极涂覆部分；第二电极，包括第二电极集流体和形成在第二电极集流体的至少一个表面上的第二 电极涂覆部分，第二电极涂覆部分与第一电极涂覆部分面对，第一电极涂覆部分的面积 大于第二电极涂覆部分的面积，第二电极涂覆部分包括锂钛氧化物；分隔件，设置在第一电极和第二电极之间。
2.如权利要求1所述的电极组件，其中，第一电极集流体的面积大于第二电极集流体 的面积。
3.如权利要求1所述的电极组件，其中，第二电极集流体的面积大于第一电极集流体 的面积。
4.如权利要求1所述的电极组件，其中，第一电极集流体的面积与第二电极集流体的 面积相同。
5.如权利要求1所述的电极组件，其中，第一电极是正极，第二电极是负极。
6.如权利要求1所述的电极组件，其中，第一电极涂覆部分的面积与第二电极涂覆部 分的面积之比在1.01和1.21之间。
7.如权利要求6所述的电极组件，其中，第一电极涂覆部分的面积与第二电极涂覆部 分的面积之比在1.01和1.10之间。
8.如权利要求1所述的电极组件，其中，第一电极涂覆部分覆盖第二电极涂覆部分。
9.如权利要求1所述的电极组件，其中，第二电极涂覆部分的容量与第一电极涂覆部 分的容量之比在1.0和1.5之间。
10.如权利要求9所述的电极组件，其中，第二电极涂覆部分的容量与第一电极涂覆 部分的容量之比在1.0和1.3之间。
11.如权利要求1所述的电极组件，其中，第一电极涂覆部分形成在第一电极集流体 的与第二电极涂覆部分面对的表面上，并形成在第一集流体的背对第二电极涂覆部分的 表面上，其中，第二电极涂覆部分形成在第二电极集流体的与第一电极涂覆部分面对的 表面上，并形成在第二电极集流体的背对第一电极涂覆部分的表面上。
12.如权利要求1所述的电极组件，其中，第一电极涂覆部分只形成在第一电极集流 体的与第二电极涂覆部分面对的表面上，其中，第二电极涂覆部分只形成在第二电极集 流体的与第一电极涂覆部分面对的表面上。
13.—种二次电池，所述二次电池包括电极组件，所述电极组件包括第一电极，包括第一电极集流体和形成在第一电极 集流体的至少一个表面上的第一电极涂覆部分；第二电极，包括第二电极集流体和形成 在第二电极集流体的至少一个表面上的第二电极涂覆部分，第二电极涂覆部分与第一电 极涂覆部分面对，第一电极涂覆部分的面积大于第二电极涂覆部分的面积，第二电极涂 覆部分包括锂钛氧化物；分隔件，设置在第一电极和第二电极之间；壳体，容纳电极组件；保护电路板，结合到电极组件的第一电极和第二电极；电解质，填充在壳体中。
14.如权利要求13所述的二次电池，其中，第一电极集流体的面积大于第二电极集流 体的面积。
15.如权利要求13所述的二次电池，其中，第二电极集流体的面积大于第一电极集流 体的面积。
16.如权利要求13所述的二次电池，其中，第一电极集流体的面积与第二电极集流体 的面积相同。
17.如权利要求13所述的二次电池，其中，第一电极是正极，第二电极是负极。
18.如权利要求13所述的二次电池，其中，第一电极涂覆部分的面积与第二电极涂覆 部分的面积之比在1.01和1.21之间。
19.如权利要求13所述的二次电池，其中，第一电极涂覆部分覆盖第二电极涂覆部分。
20.如权利要求13所述的二次电池，其中，第一电极涂覆部分的容量与第二电极涂覆 部分的容量之比在1.0和1.5之间。
全文摘要
本发明提供了一种电极组件和包括该电极组件的二次电池。所述电极组件包括正极，具有正极涂覆部分；负极，具有负极涂覆部分；分隔件，设置在正极和负极之间。负极涂覆部分包括锂钛氧化物(LTO)。正极涂覆部分的面积大于负极涂覆部分的面积。因此，负极涂覆部分中包含的全部LTO材料参与充电/放电操作，使得可以抑制由于LTO与电解质之间发生的额外反应而导致的气体的产生，从而有效地防止二次电池膨胀。
文档编号H01M4/02GK102024934SQ20101028635
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月16日
发明者宋洙安 申请人:三星Sdi株式会社