专利名称：胶辊形电极组件、具有该组件的锂二次电池以及用于制造锂二次电池的方法
技术领域：
本发明涉及胶辊形电极组件、具有该电极组件的锂二次电池以及用于制造该锂二次电池的方法。尤其是，本发明关注具有防变形芯的胶辊形电极组件，该防变形芯简化该锂二次电池的制造并防止该电极组件变形。
背景技术：
最近，诸如便携式电话、笔记本电脑和可携式摄像机等轻质、紧凑的电气和电子设备(例如)的发展和生产很活跃。这些便携式电气和电子设备在没有单独的电源时都依靠电池组运行。每个电池组内都包含至少一个用于驱动便携式电气或电子设备的电池。
由于经济原因，电池组通常包括可以充电和放电的二次电池。示例二次电池包括镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池、锂(Li)电池和锂离子(Li-ion)电池。
锂二次电池运行在3.6V，该电压是作为便携式电子设备的电源而广泛应用的镍镉电池或镍氢电池的电压的三倍。锂二次电池的每单位重量还具有高能量密度。
锂二次电池主要用氧化锂作为正极活性物质，用碳材料作为负极活性物质。一般而言，锂二次电池根据使用的电解质分类，即锂离子电池使用液体电解质，锂聚合物电池使用高分子量电解质。锂二次电池能采用各种形状，包括圆柱形、正方形和袋形。
一种典型的锂二次电池包括电极组件，该电极组件包括其上涂覆有正极活性物质的正极板、其上涂覆有负极活性物质的负极板以及位于该正极板和负极板之间的隔板。隔板防止短路并只允许锂离子通过。该锂离子二次电池进一步包括用于容纳电池组件的电池壳体，以及使锂离子能够运动的电解液，电解液被注入到电池壳体中。
正极接片连接到涂覆有正极活性物质的正极板上。负极接片连接到涂覆有负极活性物质的负极板上。通过将带有正极接片的正极板、带有负极接片的负极板和隔板层叠起来，制造该电极组件。在层叠之后，将正负极板和隔板卷绕在一起，以形成该电池组件。
此后，将电极组件容纳在电池壳体内，将电解液注入到该电池壳体内，然后密封电池壳体，以完成锂二次电池。
根据另一种锂二次电池，利用芯或心轴来卷绕正极板、负极板和隔板。在电极组件浸入电解液期间，由于在充电或放电中产生的热量，体积发生变化并膨胀。芯或心轴的使用会增加体积的膨胀。
此外，由于充电或放电时产生的气压将力施加到电极组件上。随着锂离子逐渐附着到电极板上，更多的力被施加到电极组件上，使电极板膨胀。
另外，电极组件被限制在电池壳体内。因此当电极组件变形时，它会受到损害。
除了变形之外，电池可以膨胀，即电池壳体可以变薄。当发生此种情况时，电池无法很好的操作，并且不能被轻松地安装在所希望的电气或电子设备上。
发明内容
本发明关注胶辊形电极组件、具有该电极组件的锂二次电池以及制造该锂二次电池的方法。该电极组件具有简化该锂二次电池的制造并防止该电极组件变形的防变形芯。
根据本发明一个实施例的胶辊形电极组件包括上面涂覆有正极活性物质的正极板，上面涂覆有负极活性物质的负极板以及位于该正极板和负极板之间的隔板，该隔板使正极板与负极板相互绝缘。该电极组件进一步包括位于该电极组件中心附近的防变形芯。该正负极板和该隔板环绕该防变形芯卷绕。
在一个实施例中，该防变形芯具有从包括棒和板的组中选择的形状。
该防变形芯包括金属或绝缘材料。该绝缘材料可以包括从有聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇对苯二甲酸酯和聚酰亚胺的组中选择的材料。
在一个实施例中，隔板的末端通过带或粘合剂被固定到该防变形芯上。该固定带可以包括从有聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙树脂的组中选择的材料。该粘合剂可以包括从有聚偏氟乙稀(PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、聚(乙烯基乙腈)、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、烷基化聚环氧乙烷、聚乙烯醚、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、苯丁橡胶、硅及其混合物的组中选择的材料。
根据本发明一个实施例的锂二次电池包括具有正极板、负极板和位于该正极板与负极板之间的隔板的胶辊形电极组件。该电池进一步包括位于该电极组件中心附近的防变形芯，容纳该电极组件的电池壳体以及安装到该壳体上以密封该壳体的盖组件。该组件包括电连接到该电极组件上的端子。该电池壳体可包括具有开口端的圆柱形金属壳体，具有开口端的金属罐或者袋。
根据本发明一个实施例的用于制造锂二次电池的方法包括首先将正极接片连接到正极板上并将负极接片连接到负极板上。然后隔板被定位在该正负极板之间，并且该正负极板以及该隔板被环绕防变形芯缠绕，以形成电极组件。该电极组件而后被容纳在该电池壳体中。
该方法进一步包括用带将隔板固定到防变形芯上。
当该电池壳体包括圆柱形金属壳体时，该方法可进一步包括用该防变形芯将该电极组件的正或负极接头压制并焊接到该电池壳体的表面上。
当与附图一起考虑时，通过参考下面的详细说明，本发明的上述及其它特征和优点将会更为清楚。其中图1是根据本发明一个实施例的锂二次电池的制造方法的示意图；图2A是根据本发明一个实施例的锂二次电池的透视图；图2B是图2A中的电池沿线2B-2B的横截面图；图2C是图2A中的电池沿线2C-2C的横截面图；图3A根据本发明的替代实施例的锂二次电池的透视图；图3B是图3A中的电池沿线3B-3B的横截面图。
具体实施例方式
图1是根据本发明一个实施例的锂二次电池的制造方法的示意图。如图1所示，该方法包括首先通过卷绕正极板110a、负极板120a、第一隔板130a和第二隔板140a形成电极组件150a。正极源110提供正极板110a，负极源提供负极板120a，第一隔板源130提供第一隔板130a，第二隔板源提供第二隔板140a。电极组件卷绕装置150对电极组件150进行卷绕。
正极源110包括用于提供正极板110a的正极卷轴(reel)111以及用于将正极接片连接到正极板110a上的正极接片连接装置115。
负极源120包括用于提供负极板120a的负极卷轴121以及用于将负极接片连接到负极板120a上的负极接片连接装置125。
第一隔板130a和第二隔板140a防止正极板110a和负极板120a之间的短路。此外，隔板仅允许锂离子通过。在卷绕电极组件150a期间，第一隔板源130和第二隔板源140将隔板130a和140a定位于正极板110a和负极板120a之间。第一隔板源130和第二隔板源140均包括各自的隔板被卷绕其上的卷轴。
电极组件卷绕装置150通过环绕诸如能采用不同形状的心轴的防变形芯155，卷绕正极板110a、负极板120a以及隔板130a和140a。在卷绕之后不取下防变形芯155。
在圆柱形锂二次电池中，防变形芯包括具有基本为圆形横截面并起中心销作用的棒。在方形或袋形的锂二次电池中，防变形芯155防止电极组件150a的变形。
制造装置100可进一步包括密封带源160。密封带源160提供密封带160a，该密封带160a在卷绕之后贴在电极组件的外表面上，并防止电极组件150a松动。
根据这种用于制造锂二次电池的电极组件的方法，正极板110a、负极板120a以及隔板130a和140a由电极组件卷绕装置150环绕防变形芯155卷绕。但是，在卷绕之前，通过正极接片连接单元115将正极接片连接到正极板110a上，通过负极接片连接单元125将负极接片连接到负极板120a上。
在连接正负极接片之后，通过环绕防变形芯155，分别数次卷绕正负极板110a和120a以及隔板130a和140a，形成电极组件150a。
通过带能够将隔板130a和140a在它们的末端固定到防变形芯155上。合适的带的非限制性示例包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙树脂。
可选地，通过粘合剂能够将隔板130a和140a在它们的末端固定到防变形芯155上。合适的粘合剂的非限制性示例包括聚偏氟乙稀(PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、聚(乙烯基乙腈)、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、烷基化聚环氧乙烷、聚乙烯醚、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、苯丁橡胶、硅及其混合物。
在形成胶辊形电极组件150a之后，可将用于防止胶辊形电极组件松动的密封带160a连接到该电极组件的外表面上。合适的密封带160a的非限制性示例包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙树脂。
锂二次电池通过如下步骤完成将密封带160a连接到胶辊形电极组件150a上，将包括防变形芯的电极组件150a容纳在电池壳体内，并密封该电池壳体。
在圆柱形锂二次电池中，防变形芯155充当中心销。通过防变形芯向电极接片施加压力，使电极接片与电池壳体接触，从而将其连接到电池壳体上。
在方形或袋形锂二次电池中，芯155防止胶辊形电极组件因压力或受热而变形。
图2A是根据本发明实施例的锂二次电池的透视图，并示出了一种圆柱形锂二次电池。图2B是图2A中的电池沿线2B-2B的横截面图。图2C是图2A中的电池沿线2C-2C的横截面图。如图2A到2C所示，圆柱形锂二次电池200包括用于在充电或放电期间产生电压差的电极组件300、用于容纳电极组件300的壳体400以及用于密封电池壳体400的盖组件500。将电解液注入到壳体400内，使锂离子运动。防变形芯700位于电极组件300的中心附近。
电极组件300包括上面涂覆有正极活性物质的正极板310，上面涂覆有负极活性物质的负极板320以及位于正负极板310和320之间的隔板330。隔板330防止正负极板310和320之间的短路，并只允许锂离子通过。正负极板310和320以及隔板330被大体上卷绕成圆形，以形成电极组件300。卷绕电极组件300容纳在电池壳体400中。将通常包括铝并从电极组件300凸出的正极接片315结合在正极板310上。将通常包括镍并从电极组件300凸出的负极接片325结合在负极板320上。应该理解，正负极接片315和325并不分别局限于铝和镍，而是能够包括任何合适的材料。
第一绝缘层341位于电极组件300和盖组件500之间，第二绝缘层345位于电极组件300和电池壳体400之间。绝缘层341和345防止电极组件300与盖组件500和电池壳体400的直接接触。
电池壳体400可以是具有用于容纳电极组件300的开口的圆柱形金属壳体。圆柱形电池壳体400包括侧面410和用于封闭壳体400的底部的底面420。壳体400的顶面敞开，用于容纳电极组件300。
在一个实施例中，电池壳体400被电连接到电极组件300的正极接片315和负极接片325中的一个上，并且电池壳体400本身充当正或负极。盖组件500被电连接到未与电池壳体400电连接的电极接片上，并且盖组件500可包括各种元件，例如安全带、印刷电路板、正极过热保护装置(positive thermal device)、电极盖、垫圈等。
电解液600充当锂离子运动的介质，锂离子是在充电或放电期间由正负电极上的电和化学反应产生的。电解液可以是包括锂盐和高纯度有机溶剂的混合物的无水有机电解液。可选地，电解液600可以是高分子量电解液，例如聚合物。应该理解，可以使用任何合适的电解液，并且本发明并不局限于无水有机电解液和聚合物。
电极组件的防变形芯700可包括心轴，正负极板310和320以及隔板330被环绕该心轴卷绕。在一个实施例中，防变形芯700包括一个棒。防变形芯700充当圆柱形锂二次电池中的中心销，并防止电极组件300的变形。
尤其是，防变形芯700防止胶辊形电极组件松动，并且将负极接片325压在圆柱形容器400的底面420上。另外，在充电或放电期间，防变形芯700可防止电极组件300因体积膨胀而导致的变形。
防变形芯700机械上足够坚固以抵抗施加到电极组件上的力，从而防止电极组件300的变形。
防变形芯700包括金属材料或绝缘材料，例如，聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇对苯二甲酸酯和聚酰亚胺。
在一个实施例中，用带或粘合剂将隔板330在其一端固定到防变形芯700上。
电极组件300可以进一步包括连接到电极组件300的外表面上、用于防止电极组件300松动的密封带。
图3A为根据本发明的另一实施例的锂二次电池的透视图，并示出了用在方形或袋形锂二次电池中的电极组件。图3B是图3A中的电池沿线3B-3B的横截面图。如图3A和3B所示，锂二次电池包括电极组件800。该电极组件被容纳在电池壳体(未示出)中。电池壳体可以是具有开口端的金属罐或者是袋。在包括金属罐形电池壳体的锂二次电池中，金属罐的开口端由单独的盖组件密封。
电极组件800包括正极板810、负极板820以及位于正负极板810和820之间的隔板830。正极活性物质涂覆在正极板810上，并且正极接片815连接到正极板810上。负极活性物质涂覆在负极板820上，并且负极接片825连接到负极板上。通过环绕防变形芯900卷绕正负极板810和820以及隔板，形成电极组件。
防变形芯900在卷绕电极组件800之后不被取下，并防止电极组件800松动和变形。
防变形芯900能具有任何厚度，以便它抵抗施加到电极组件上的力，并防止电极组件800的变形。
防变形芯900可包括各种板形结构，例如图3A所示的矩形板结构。防变形芯900通常包括金属或绝缘材料。芯的适合材料的非限制性示例包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇对苯二甲酸酯和聚酰亚胺。
在一个实施例中，如图3B所示，防变形芯900具有与电极组件800的内圆周相接触的尺寸。防变形芯元件900机械地支撑电极组件800的整个面积。在使用时，电极组件800的内圆周为位于电极组件800的中心附近的电极组件800的内表面。
可以用带或粘合剂将隔板830固定到防变形芯900上。
电极组件800可进一步包括连接在电极组件800周围的密封带，用于防止电极组件800松动。
如上所述，根据本发明的锂二次电池包括位于电极组件150a、300或800中心附近的防变形芯155、700或900。防变形芯155、700或900防止充电或者放电期间电极组件150a、300或800的变形。
在圆柱形锂二次电池中，防变形芯155、700或900还充当中心销，省略了单独插入此种中心销的需要。同样，环绕心轴卷绕电极组件省略了单独插入芯的需要。根据本发明的防变形芯能够带来锂二次电池的制造的简化。
仅仅出于解释的目的说明了本发明的示例性实施例。熟悉本领域的人员将会理解，可以进行各种修改、添加和替换，而不超出所附的权利要求中公开的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种卷绕电极组件，包括上面涂覆有正极活性物质的正极板；上面涂覆有负极活性物质的负极板；被置于该正负极板之间的隔板，其中该隔板使该正极板从该负极板绝缘；以及位于该卷绕电极组件的中心处或者附近的防变形芯，其中正负极板和该隔板被环绕该防变形芯卷绕。
2.如权利要求1所述的卷绕电极组件，其中该防变形芯包括绝缘材料，该绝缘材料从包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇对苯二甲酸酯和聚酰亚胺的组中选择。
3.如权利要求1所述的卷绕电极组件，其中该隔板被固定到该防变形芯的一端。
4.如权利要求3所述的卷绕电极组件，其中该隔板通过带固定，该带包括从包含聚丙烯、聚乙烯、聚酯和尼龙树脂的组中选择的材料。
5.如权利要求1所述的卷绕电极组件，其中该隔板通过粘合剂固定，该粘合剂从包括聚偏氟乙稀(PVDF)、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、聚(乙烯基乙腈)、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、烷基化聚环氧乙烷、聚乙烯醚、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸乙酯)、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡啶、苯丁橡胶、硅及其混合物的组中选择。
6.一种锂二次电池，包括卷绕电极组件，具有正极板、负极板、被置于该正负极板之间的隔板和位于卷绕电极组件的中心处或附近的防变形芯；适于容纳该电极组件的电池壳体；用于密封该电池壳体的盖组件，其中该盖组件包括电连接到该卷绕电极组件的端子。
7.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该防变形芯包括棒。
8.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该防变形芯包括板。
9.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该防变形芯包括金属材料。
10.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该防变形芯包括绝缘材料。
11.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该隔板通过带安装到该防变形芯的一端。
12.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该隔板通过粘合剂安装到该防变形芯的一端。
13.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该电池壳体包括具有开口端的圆柱形金属壳体。
14.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该电池壳体包括具有开口端的长方形金属罐。
15.如权利要求6所述的锂二次电池，其中该电池壳体包括袋。
16.一种用于制造锂二次电池的方法，包括将正极接片连接到正极板上；将负极接片连接到负极板上；将隔板定位在该正负极板之间；环绕防变形芯卷绕该正负极板和该隔板，以形成电极组件；并且将该电极组件容纳在电池壳体中。
17.如权利要求16所述的用于制造锂二次电池的方法，进一步包括将该隔板的一端连接到该防变形芯上。
18.如权利要求17所述的用于制造锂二次电池的方法，其中该隔板用带连接到该防变形芯上。
19.如权利要求17所述的用于制造锂二次电池的方法，其中该隔板用粘合剂连接到该防变形芯上。
20.如权利要求16所述的用于制造锂二次电池的方法，进一步包括用该防变形芯将该正极接片和该负极接片之一压到该电池壳体的下表面上。
全文摘要
本发明提供一种胶辊形电极组件、一种具有该电极组件的锂二次电池以及用于制造锂二次电池的方法。该电极组件包括简化锂二次电池的制造并防止该电极组件变形的防变形芯。该电极组件包括环绕防变形芯卷绕的正和负极板以及隔板。正极活性物质被涂覆在该正极板上并且负极活性物质被涂覆在该负极板上。该隔板将该正极板从该负极板绝缘。该防变形芯被置于该电极组件的中心附近。
文档编号H01M10/38GK1747220SQ20051010241
公开日2006年3月15日 申请日期2005年9月6日 优先权日2004年9月6日
发明者金钟九, 斎藤晶彦 申请人:三星Sdi株式会社