制造防短路全固态电池的方法与流程

本公开涉及一种制造防短路全固态电池的方法。更具体地，涉及一种制造防短路全固态电池的方法，其中可以根本上防止在电极组件的边缘处产生的短路。

背景技术

通常，二次电池是通过化学反应如氧化和还原在化学能量和电能之间进行交互而反复充电和放电的电池类型，并且包括四个基本元件，即阴极，阳极，隔膜和电解质。

目前使用的锂二次电池使用液体电解质。由于这种液体电解质包含可燃有机溶剂，所以当对液体电解质或电池施加外部冲击时，会产生不可控制的电池环境，并且可能发生严重的安全问题。因此，除了电池单元的基本元件之外，还需要额外的材料来提高安全性，或者需要额外的安全装置。

全固态电池是包括固体电解质来替代常规锂二次电池中使用的液体电解质的电池，并且可以通过从根本上解决常规锂二次电池的安全问题来保证安全。因此，全固态电池的有利之处在于可以省略为改善常规锂二次电池的安全性而另外提供的电池安全装置，从而可以提高每个电池组的能量密度。

此外，全固态电池可以采用不适用于常规锂二次电池的下一代高性能电极，诸如锂阳极，诸如硫阴极的高电压阴极等以克服常规的锂二次电池的性能局限性，并且利用其中使用固体电解质的稳定性来串联堆叠阴极和阳极的双极电极来实现具有高能量密度的高电压电池。

在这种全固态电池中，固体电解质用作电极之间的物理分离的隔膜，来替代常规锂二次电池的液体电解质，并且为了防止锂析出，阳极活性材料的涂覆面积材料必须大于阴极活性材料的涂覆面积。这样的结构可能容易通过制造包括堆叠阴极和阳极的电极组件的工艺以及随后的加压电极组件的工艺而引起电极组件的变形，并且由于阴极与阳极之间的物理接触引起短路的可能性高。

现有技术文件

专利文件

韩国专利公开no.10-2016-0125703

技术实现要素：

本发明致力于解决与现有技术相关的上述问题，并且本发明的目的是提供一种制造防短路全固态电池的方法，其中预先涂覆到容纳有电极组件的袋型电极壳体的热固性绝缘树脂在电极组件的封装期间被强制填充到电极组件的边缘之间的空间，以填充电极组件的边缘处的电极之间的孔的空间并且因此可以防止电极之间的物理接触和碰撞并且从根本上防止由此引起的短路的产生。

一方面，本发明提供一种制造防短路全固态电池的方法，包括：将绝缘树脂涂覆到一对外部构件中的至少一个的内表面上；和将电极组件布置在所述一对外部构件之间并接合所述外部构件的边缘以密封所述电极组件，其中，当所述外部构件的边缘被接合时，被涂覆到所述一对外部构件中的至少一个的内表面上的绝缘树脂被强制填充到所述电极组件的边缘之间的空间。

在优选实施例中，将电极组件布置在所述一对外部构件之间并接合所述外部构件的边缘以密封所述电极组件可以包括：通过气密地接合所述一对外部构件的边缘的一次密封区域来一次密封电极组件，以形成收纳电极组件的电极壳体；和通过按压与在一次密封中接合的外部构件的一次密封区域相邻的区域来二次密封电极组件，其中，在二次密封中，涂覆到与至少一个外部构件的一次密封区域相邻的区域的绝缘树脂被强制填充所述电极组件的边缘之间的空间，以填充电极组件的边缘处的电极之间的空间。

在另一优选实施例中，所述绝缘树脂可以被涂覆到至少一个外部构件的整个内表面或被涂覆到至少一个外部构件的内表面的边缘。而且，所述绝缘树脂仅被涂覆到至少一个外部构件的内表面的指定区域，并且所述指定区域包括对应于所述至少一个外部构件的一次密封区域与电极组件的边缘之间的所述至少一个外部构件的二次密封区域。

在另一优选实施例中，所述方法还可以包括：在将电极组件布置在所述一对外部构件之间并接合所述外部构件的边缘之后，通过沿电极堆叠方向对所述电极组件施加压力来按压所述电极组件。

本发明还公开另一种制造防短路全固态电池的方法，包括：将绝缘树脂涂覆到一对外部构件中的至少一个的内表面上；在所述一对外部构件之间布置电极组件；气密地接合所述一对外部构件的边缘的一次密封区域；和按压与在一次密封中接合的外部构件的一次密封区域相邻的区域，使得涂覆到与至少一个外部构件的一次密封区域相邻的区域的绝缘树脂被强制填充到从电极组件的边缘突出的电极之间的空的空间，其中在按压与所述一次密封区域相邻的区域期间所述绝缘树脂同时硬化，使得硬化的绝缘树脂稳定地支撑从所述电极组件的边缘突出的电极。

按压与所述一次密封区域相邻的区域可以是通过包括金属密封条的高温密封装置的热熔融来执行的。

所述绝缘树脂可以包括热固性聚合物。所述热固性聚合物可以包括环氧树脂，环氧酚醛树脂，苯并恶嗪，聚酰亚胺，双马来酰亚胺，氰酸酯，聚氰脲酸酯，乙烯基酯，聚酯树脂，聚氨酯，聚脲/聚氨酯杂化物，硫化橡胶，电木，酚醛树脂，热固塑料，脲醛树脂，三聚氰胺树脂，邻苯二甲酸二烯丙酯(dap)，呋喃和硅树脂中的至少一个。所述热固性聚合物可以为包含增强纤维的复合物形式。所述增强纤维可以由电绝缘材料制成，例如玻璃纤维。

本发明还公开一种防短路全固态电池，包括：包括从电极组件的边缘突出的电极的电极组件；和覆盖电极组件的一对外部构件，具有一次密封区域和与一次密封区域相邻的区域，其中所述一次密封区域被气密地接合，并且与所述一次密封区域相邻的区域被按压以使涂覆到所述外部构件中的至少一个的内表面的绝缘树脂强制填充到从电极组件的边缘突出的电极之间的空的空间，其中在按压与所述一次密封区域相邻的区域期间所述绝缘树脂同时硬化，使得所述硬化的绝缘树脂稳定地支撑从所述电极组件的边缘突出的电极。

所述绝缘树脂可以仅被涂覆到至少一个外部构件的内表面的指定区域，并且所述指定区域包括对应于至少一个外部构件的一次密封区域与电极组件的边缘之间的区域的至少一个外部构件的第二密封区域。

所述绝缘树脂可以包括热固性聚合物。所述热固性聚合物可以包括环氧树脂，环氧酚醛树脂，苯并恶嗪，聚酰亚胺，双马来酰亚胺，氰酸酯，聚氰脲酸酯，乙烯基酯，聚酯树脂，聚氨酯，聚脲/聚氨酯杂化物，硫化橡胶，电木，酚醛树脂，热固塑料，脲醛树脂，三聚氰胺树脂，邻苯二甲酸二烯丙酯(dap)，呋喃和硅树脂中的至少一个。所述热固性聚合物可以为包含增强纤维的复合物形式。所述增强纤维可以由电绝缘材料制成，例如玻璃纤维。以下讨论本发明的其它方面和优选实施例。

以下讨论本发明的上述和其他特征。

附图说明

现在将参照附图中所示的某些示例性实施例来详细描述本发明的上述和其它特征，这些附图仅在下文中仅以示例的方式给出，并且因此不限制本发明，并且其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的全固态电池的横截面图；

图2示出了根据本发明实施例的全固态电池的电极组件的横截面图；

图3示出了根据本发明实施例的全固态电池的顶视图，示出了选择性地涂覆外部构件的绝缘树脂的涂覆区域；

图4示出了说明根据本发明的一个实施例的制造全固态电池的方法的示意性流程图；和

图5(a)～图5(c)是表示本发明的一个实施例的通过将外部构件接合而形成电极壳体的密封工序的图。

应当理解的是，附图不一定按比例绘制，从而呈现了说明本发明的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。这里公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体的尺寸，取向，位置和形状将部分由特定的预期应用和使用环境来确定。

在附图中，附图标记在附图的几个附图中指的是本发明的相同或等同的部分。

具体实施方式

在下文中，现在将详细参考本发明的各种实施例，其示例在附图中示出并在下面进行描述。虽然本发明将接合示例性实施例进行描述，但是应该理解的是，本描述并不旨在将本发明限制到示例性实施例。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施例，而且覆盖在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代，修改，等同和其他实施例。

图1示出了根据本发明的一个实施例的全固态电池的横截面图，图2示出了根据本发明的一个实施例的全固态电池的电极组件100的横截面图。

如图1中示例性示出的，根据本发明的一个实施例的全固态电池包括通过在一个方向即垂直方向上堆叠多个阴极110和多个阳极120而形成的电极组件100，以及容纳并密封电极组件100的袋型电极壳200。

电极组件100通过在每个阴极110和每个阳极120之间插入固体电解质层130的状态下顺序地堆叠阴极110和阳极120而形成，在这种情况下，具有指定尺寸的阴极110和具有指定尺寸的阳极120交替排列。这里，阴极110和阳极120的集电器112和122具有比固体电解质层130更大的表面积，并且为了防止锂析出，阳极120的电极材料(活性材料)的涂覆区域设定为大于阴极110的电极材料(活性材料)的涂敷面积。

因此，在电极组件100中，在电极组件100的四个方向的边缘部分处的电极110和120之间存在空的空间(更详细而言，集电器112和122之间的空的空间)。

此外，电极壳体200是可以收纳并密封电极组件100的袋型壳体。收纳电极组件100的电极壳体200被密封，从而防止室外空气的流入。

电极壳体200使用片状的外部构件210形成为闭合的袋型壳体，其中包含热固性聚合物的绝缘树脂p被涂覆到外部构件210的内表面上。绝缘树脂包括但不限于，环氧树脂，环氧酚醛树脂，苯并恶嗪，聚酰亚胺，双马来酰亚胺，氰酸酯，聚氰脲酸酯，乙烯基酯，聚酯树脂，聚氨酯，聚脲/聚氨酯杂化物，硫化橡胶，电木(bakelite)，酚醛树脂，热固塑料，脲醛树脂，三聚氰胺树脂，邻苯二甲酸二烯丙酯(dap)，呋喃和硅树脂中，以及任何热固性树脂与其它电绝缘增强纤维如玻璃纤维的复合物。在一些实施例中，绝缘树脂被涂覆到至少一个外部构件。在另一个实施例中，绝缘树脂被涂覆到至少一个外部构件的整个内表面。在另一个实施例中，绝缘树脂被涂覆到至少一个外部构件的内表面的边缘。例如，电极壳体200可以是通过气密地接合一对片状外部构件210的边缘而形成的用于收纳电极组件100的袋型壳体。

电极壳体200形成为通过在电极组件100介于外部构件210之间的条件下接合一对外部构件210的边缘而形成的袋型密封壳体，并且当外部构件210的边缘接合时，涂覆到外部构件210的内表面上的绝缘树脂p被强制填充到介于外部构件210之间的电极组件100的边缘之间的空间，并填充边缘处的电极110和210之间的空的空间并且同时被硬化，由此涂覆边缘的表面并且物理地支撑电极110和210以同时稳定地固定电极110和210的位置。

这里，在填充电极组件100的边缘处的空的空间的同时硬化的绝缘树脂p形成全固态电池的单电池的绝缘树脂部分220，并且绝缘树脂部分220用作绝缘层以防止在电极组件100的边缘处发生短路，并且同时用于吸收和缓冲涂覆到电极组件100的边缘的物理冲击。

因此，根据本发明的全固态电池可以根本上防止由于电极110和120之间的物理接触而在电极组件100的边缘处产生短路，并且为此目的，绝缘树脂p涂覆到外部构件210的内表面的至少指定区域(更详细而言，外部构件210的内表面的二次密封区域)(参照图3)。

常规的全固态电池是包括固体电解质来替代常规锂二次电池中使用的液体电解质的二次电池。在全固态电池中，由于在沿一个方向即垂直方向堆叠的具有不同极性的电极之间不设置隔膜。当通过堆叠多个电极制造电极组件时，电极组件的边缘涂覆有用于防止短路的绝缘层。绝缘层涂覆在电极组件的每个集电器或电极上，因此，全固态电池的制造工艺的前置时间(leadtime)可能延长并且可能导致制造工艺上的困难。

另一方面，如果省略绝缘层，则由于阴极与阳极之间的电极活性材料的涂覆区域差异和/或当制造电池单元时由压制过程引起的物理损坏所造成的短路的高风险，存在诸如在电极组件的边缘处形成阶梯等问题。

因此，在本发明中，当使用片状外部构件210密封电极组件100时，涂覆到外部构件210的内表面的绝缘树脂移动到电极组件100的边缘(由图2中虚线所示)，从而填充边缘处的电极110和120之间的空的空间，由此防止在电极组件100的边缘处产生短路(由图2中虚线表示)并固定电极110和120的位置，因此改善了工艺可操作性和电池耐久性。

也就是说，在本发明中，当在电极组件100的封装过程中使用外部构件210来密封电极组件100时，电极组件100的边缘的表面(由图2中的虚线表示)被涂覆有涂覆到外部构件210的内表面的绝缘树脂，因此可以省略用绝缘层220涂覆每个集电器112或122或电极110或120的常规工艺，并且可以通过诸如外部构件210的接合工艺的简单工艺来实现电极组件100的边缘的短路防止(由图2中的虚线表示)和电极固定。根据本发明的上述全固态电池被配置成使得具有电绝缘和物理支撑功能的绝缘树脂部分220在电极组件100的封装期间设置在电极组件100的边缘处以便从根本上防止短路的发生，并且为了在没有任何额外的涂覆工艺的情况下用绝缘树脂p(图3)涂覆电极组件100的边缘，根据本发明的全固态电池将如下制造。

首先，参考图4，根据本发明的一个实施例的制造全固态电池的方法包括：步骤s401，形成片状外部构件210；步骤s402，用热固性绝缘树脂p涂覆外部构件210的内表面(图3)；步骤s403，在一对外部构件210之间插入电极组件100；步骤s404，通过气密地接合外部构件210的边缘的一次密封区域，在真空状态下对电极组装体100进行一次密封(真空密封)；步骤s405，通过对与外部构件210的边缘的一次密封区域相邻的区域施加压力而按压这些区域，从而二次密封电极组件100；以及步骤s406，通过对电极组件100施加压力而按压电极组件100。

在形成外部构件210的步骤s401中，具有指定尺寸的片状外部构件210由诸如铝的柔性材料形成，并且在这种情况下，一对外部构件210形成为围绕电极组件100的上表面和下表面以密封电极组件100。

在用热固性绝缘树脂p涂覆外部构件210的内表面的步骤s402中，将包含热固性聚合物的绝缘树脂p涂覆到外部构件210的内表面。这里，热固性绝缘树脂p是涂覆在围绕电极组件100的一对外部构件210中的至少一个外部构件210的内表面上。此外，绝缘树脂p涂覆到外部构件210的整个内表面，或者仅涂覆到外部构件210的内表面的对应于密封区域的边缘。

之后，在步骤s403中，将电极组件100插入到一对外部构件210中，然后在步骤s404中通过气密地将边缘通过一次密封和二次密封操作接合外部构件210的边缘，密封电极组件100，并且同时形成袋型电极外壳200。

更详细地参考图5(a)至图5(c)，当电极组件100设置在一对外部构件210(图5(a))之间并且外部构件210的边缘被接合以密封电极组件100时，通过高温密封装置(金属密封条)10通过热熔融来按压外部构件210的边缘，从而其被接合以密封电极组件100。这里，电极组件100通过两阶段密封工艺密封。在图5(b)所示的步骤404的一次密封中，在插入电极组件100的一对外部构件210之间形成真空，并且在图5(c)所示的步骤s405的二次密封中，涂覆到外部构件210的绝缘树脂p被强制填充到电极组件100的边缘之间的空间，从而在电极组件100的边缘处涂覆电极110和120的表面，同时填充在电极组件100的边缘处的电极110和120之间的空的空间。

也就是说，在图5(b)所示的步骤s404的一次密封操作中，一对外部构件210的边缘被气密地接合以形成容纳电极组件100的电极壳体200，同时在电极壳体200的内部空间中形成真空，并且在图5(c)所示的步骤s405的二次密封操作中，通过以一定压力按压与外部构件210的边缘的一次密封区域相邻的区域(即，与一次密封区域相比靠近外部构件210的中心的二次密封区域)，在外部构件210的内表面的二次密封区域上涂覆的绝缘树脂p被强制进入电极壳体200的内部空间，从而填充电极组件100的边缘处的空的空间。这里，绝缘树脂p在填充电极组件100的边缘处的空的空间的同时硬化，因此在电极组件100的边缘处涂覆电极110和120的表面，并同时在电极组件100的边缘物理支撑电极110和120。

因此，当外部构件210的边缘被绝缘树脂p涂覆时，绝缘树脂p被涂覆到指定的选定区域，该区域至少包括外部构件210的内表面的二次密封区域。

也就是说，绝缘树脂p被涂覆在包括外部构件210的内表面的至少二次密封区域的指定区域上(参考图3)。

如在图3和图5(a)至5(c)示例性地示出的那样，二次密封区域是指外部构件210的边缘的一次密封区域与设置在一对外部构件210之间的电极组件100(即，容纳在电极壳体200中的电极组件100)的边缘之间的区域。

图3示出了根据本发明的实施例的选择性地涂覆外部构件210的绝缘树脂p的涂覆区域(即，二次密封区域)，图5(a)至图5(b)示出了使用外部构件210的全固体电池的密封过程，其中绝缘树脂p仅涂覆到外部构件210的内表面的边缘的二次密封区域。

更详细地参照图3和图5(a)至图5(c)，在一次密封操作(图5(b))中，与外部构件210的最外部分相对应的外部构件210的边缘的一次密封区域通过高温高压的熔融(fusion)来接合。这里，通过从内部空间去除空气，在容纳电极组件100的一对外部构件210之间的内部空间内形成真空。

例如，在一次密封操作(图5(b))中，在矩形片状外部构件210的四个方向的边缘部分之外，外部构件210的一个方向上的边缘部分通过熔融而接合，外部构件210的与上述边缘部分相邻的两个边缘部分通过熔融而接合，然后外部构件210的最后剩下的边缘部分通过熔融接合，由此在外部构件210之间的内部空间中形成真空。在一次密封之前，将电极组件100插入分开设置的一对外部构件210中，或者将其插入一个方向的边缘部分通过熔融彼此接合的一对外部构件210中。

在二次密封操作中(图5(c))，与外部构件210的一次密封区域内部的区域相对应的外部构件210的边缘的二次密封区域通过在高温高压下熔融按压而接合。这里，涂覆到二次密封区域的绝缘树脂p通过压力暂时软化并且因此被强制填充到电极组件100的边缘之间的空间。

在二次密封操作中(图5(c))，外部构件210在四个方向上的所有边缘部分可以同时接合，或者矩形片状外部构件210的沿选定方向的边缘部分可以首先被接合，然后可以接合外部构件210的剩余边缘部分。

如上所述，在通过外部构件210的一次密封防止绝缘树脂p的泄漏之后，通过执行外部构件210的二次密封，由密封装置100的压力推动的绝缘树脂p仅移动到位于外部构件210的边缘内的电极组件100的边缘。

这里，被强制填充到电极组件100的边缘之间的空间的绝缘树脂p涂覆电极110和120以及固体电解质层130的表面，同时填充电极组件100的边缘处的电极110和120之间的空的空间，并且同时通过来自密封装置10的压力和热量而硬化，从而物理地支撑电极110和120。

也就是说，填充电极组件100的边缘处的空的空间的绝缘树脂p涂覆电极组件100的边缘的表面并且同时固定电极110和120的位置，因此可以减少物理冲击。

参考图5(a)～图5(c)，外部构件210的密封加工用密封装置10是一种具有第一密封条11和第二密封条12的加压装置。在一次密封中，外部构件210的一次密封区域被第一密封条11按压，因此通过熔融而接合，并且在二次密封中，外部构件210的二次密封区域被第二密封条12按压，因此通过熔融而接合。

通过使用密封装置10依次执行外部构件210的一次密封操作和二次密封操作(图5(a)和5(b))，外部构件210的边缘被接合，并且同时，绝缘树脂p在二次密封区域中暂时变成半熔融的，并且因此利用由高温的第一密封条11和第二密封条12施加的热量和压力而被注入到电极组件100的边缘中。

此外，在通过对电极组件100施加压力而对电极组件100进行按压时，电极组件100在电极110和120的堆叠方向上被按压，因此电极110和120与固体电解质层130之间的接触效率增加。

电极组件100的按压操作的顺序和次数不受限制。然而，考虑到当绝缘树脂p被强制填充到电极组件100的边缘之间的空间并因此在外部构件210的二次密封中围绕电极组件100的边缘处的电极110和120的表面时，通过对电极组件100施加压力按压电极组件100而受到物理冲击，可在二次密封操作(图4中的s406)之后执行。

此外，在将电极组件100置于一对外部构件210之间之前，可以额外执行通过对电极组件100施加压力来对电极组件100进行按压的步骤。此外，通过施加对电极组件100施加压力进行的电极组件100的按压可以在外部构件210的一次密封操作后额外执行。

如果通过使用上述方法用绝缘树脂p涂覆电极组件100的边缘来制造全固态电池单元，则在对物理冲击最脆弱的电极组件100的边缘处产生短路的可能性被根本上消除，同时，与在电极组件的每个电极上形成绝缘涂层的常规技术相比，全固态电池单元可具有以下优点。

1.涂覆在电极组件100的边缘上的绝缘树脂p具有物理冲击吸收功能，因此可弥补由固体材料引起的全固态电池对物理冲击的脆弱性。

2.绝缘树脂p物理地固定电极组件100的边缘处的电极110和120，因此可以提高使用该电池单元制造全固态电池的工艺的可操作性。

3.防止了当发生外部构件210的密封缺陷时，室外气体流入电极组件100，从而防止了由于室外气体流入而产生硫酸气体等异常反应。

从以上描述可以明显看出，在制造防短路全固态电池的方法中，预先涂覆到外部构件的密封区域的热固性绝缘树脂被注入到电极组件的边缘处的空的空间中，并且在外部构件的二次密封期间同时硬化，并且因此硬化的绝缘树脂可以稳定地支撑从电极组件的边缘突出的电极，由此防止电极之间的物理接触和碰撞并且从根本上防止由此引起的短路。

已经参考其优选实施例详细描述了本发明。然而，本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。