圆筒形电池及包括它的电池组及汽车的制作方法

本发明涉及圆筒形电池、包括它的电池组及汽车。

背景技术：

1、在圆筒形电池中，为了集电效率的最大化而应用电池外壳沿着高度方向而上下分别延伸有阳极无涂层部及阴极无涂层部的凝胶卷。在应用具备这样的结构的凝胶卷的圆筒形电池中，作为用于将阳极无涂层部及阴极无涂层部分别与外部端子及电池外壳连接的中间介质而利用集电板。

2、在该情况下，例如，阳极集电板覆盖凝胶卷的一面而与阳极无涂层部结合，阴极集电板覆盖凝胶卷的另一面而与阴极无涂层部结合。另外，上述阳极集电板与外部端子电连接，阴极集电板与电池外壳电连接。

3、在具备如上述的结构的圆筒形电池中，在特别地阳极集电板与盖板之间形成比较大的空的空间。另外，在位于上述盖板的相反侧的电池外壳的底面与阴极集电板之间也形成空的空间。

4、这样的空的空间会成为凝胶卷在电池外壳的内部特别地在上下方向上即沿着圆筒形电池的高度方向而移动的原因。上述凝胶卷这样在上下方向上移动的情况下，可能在集电板与电极极耳之间的结合部位发生损坏，进而在集电板与电池外壳之间的结合部位、集电板与外部端子之间的结合部位等也会发生损坏。

5、因此，有必要尽量缩小这样的凝胶卷的游动空间。另外，为了缩小凝胶卷的游动空间而应用附加部件的情况下，工序上增加复杂性，制造费用也会上升，因此需要应用以往已经应用的部件而解决这样的问题。

6、另外，基于产品群的应用方便性高并且具有高能量密度等电特性且可进行反复的充电及放电的电池(二次电池)不仅应用于便携式设备，而且还广泛应用于通过电气驱动源驱动的电动汽车(ev，electric vehicle)或混合动力汽车(hev，hybrid ele ctricvehicle)等。

7、这样的电池不仅具有能够大幅减小化石燃料的使用的首要的优点，还具有完全不会随着使用能源而产生副产物的优点，因此作为环保及提高能源效率的新能源备受瞩目。

8、下面的说明的电池是指，可进行反复的充电及放电的二次电池。

9、当前广泛使用的电池的种类有锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等。单位电池的工作电压约为2.5v～4.5v。在需要比这更高的输出电压的情况下，将多个电池串联连接而构成电池组。另外，根据电池组所需的充放电容量，有时会将多个电池并联连接而构成电池组。因此，包括在上述电池组的电池的数量及电连接形态根据所需的输出电压及/或充放电容量而被设定为各种各样。

10、另一方面，作为单位电池的种类，具有圆筒形、棱柱形及包袋型电池。在圆筒形电池的情况下，在阳极与阴极之间夹着绝缘体即分离膜并将其卷取而形成凝胶卷形态的电极组件，将此插入到电池外壳的内部而构成电池。并且，上述阳极及阴极各自的无涂层部上连接有带状的电极极耳，电极极耳将电极组件和露出到外部的端子之间电连接。作为参考，阳极端子是将电池外壳的开放口密封的密封体的盖板，阴极端子为电池外壳。

11、但是，根据具备这样的结构的以往的圆筒形电池，电流集中到与阳极无涂层部及/或阴极无涂层部结合的带状的电极极耳，因此存在电阻大，发热多，集电效率不好的问题。

12、在具备1865或2170的形状系数的小型圆筒形电池中电阻和发热不构成大问题。但是，在为了将圆筒形电池应用于电动汽车而增加形状系数的情况下，在急速充电过程中在电极极耳周边发生较多的热，导致圆筒形电池起火的问题。

13、为了解决这样的问题，公开了具备如下结构的圆筒形电池(所谓无极耳(tab-less)圆筒形电池)：在凝胶卷类型的电极组件的上端及下端分别设置阳极无涂层部及阴极无涂层部，在这样的无涂层部焊接集电板而改善集电效率。

14、图1至图3是示出无极耳圆筒形电池的制造过程的图。图1示出电极的结构，图2示出电极的卷取工序，图3示出在无涂层部的弯折面焊接集电板的工序。

15、参照图1至图3，阳极10和阴极11具备在片状的集电体20涂布活性物质21的结构，沿着卷取方向x而在一侧的长边侧包括无涂层部22。

16、如图2所示，电极组件a是通过将阳极10和阴极11与2张分离膜12一起依次层叠之后向一个方向x卷取而制作的。此时，阳极10和阴极11的无涂层部向彼此相反的方向配置。

17、在卷取工序之后，阳极10的无涂层部10a和阴极11的无涂层部11a向芯部侧弯折。之后，在无涂层部10a、11a是分别焊接集电板30、31而进行结合。

18、阳极无涂层部10a和阴极无涂层部11a未结合有另外的电极极耳，集电板30、31与外部的电极端子连接，电流通道沿着电极组件a的卷取轴方向(参照箭头)而形成为较大的截面积，因此能够降低电池的电阻。因为电阻与流动电流的通道的截面积成反比。

19、在无极耳圆筒形电池中，为了提高无涂层部10a、11a和集电板30、31的焊接特性，向无涂层部10a、11a的焊接位置施加较强的压力而需要尽量以平坦的方式使无涂层部10a、11a弯折。

20、但是，在弯折无涂层部10a、11a的焊接位置时，无涂层部10a、11a的样子不规则地歪斜而变形。在该情况下，变形的部位与相反极性的电极接触而引起内部发生短路或在无涂层部10a、11a引起微细的裂痕。另外随着与电极组件a的芯部相邻的无涂层部32弯折，将位于电极组件a的芯部的空洞33全部闭塞或将相当一部分闭塞。在该情况下，电解液注入工序中引起问题。即，位于电极组件a的芯部的空洞33被用作注入电解液的通道。但是，当该通道被闭塞时，难以注入电解液。另外，在将电解液注入器插入到空洞33的过程中，与芯部周围的无涂层部32之间产生干扰，因此导致无涂层部32被撕破的问题。

21、另外，焊接集电板30、31的无涂层部10a、11a的弯折部位需要重叠成多层，并且不能存在空的空间(空隙)。只有这样，才能获得充分的焊接强度，即便使用激光焊接等最新技术，也能够防止激光渗透到电极组件a的内部而将分离膜或活性物质融化而蒸发的问题。

22、另外，以往的无极耳圆筒形电池在电极组件a的上部整体上形成有阳极无涂层部10a。因此，在将电池外壳上端的外周面向内部压入而形成卷边部时，电极组件a的上端边缘区域34会受到通过电池外壳施加的按压。这样的按压会导致电极组件a的部分变形，此时分离膜12被撕破而导致内部发生短路。在电池的内部发生短路时，引起电池的发热或爆炸。

23、另一方面，在应用包括以往的二次粒子的阳极活性物质而制造电极时，发生粒子(颗粒)破裂，在充放电时因内部裂痕而导致气体发生量增加，由此在电池稳定性上存在问题。

24、为了解决该问题，研发出了一次粒子的大小较大的单粒子或类似-单粒子形态的阳极活性物质，但在将上述单粒子或类似-单粒子形态的阳极活性物质应用于高负载(loading)电极而压延的情况下，电极空隙率未达到目标水平的状态下导致电极破裂的问题，存在锂二次电池的电阻特性和充放电效率不好的问题。

技术实现思路

1、发明要解决的课题

2、本发明是为了解决如上述的问题而研发的，本发明的目的在于防止因凝胶卷在电池外壳内移动而导致在电气性结合部位发生损坏的情况。

3、本发明的另一个技术课题在于，在圆筒形电池的制造中，应用以往应用的部件而防止凝胶卷的移动，从而防止因追加部件的应用而导致的制造工序的复杂化及制造费用的上升等。

4、本发明的又一个技术课题在于提供一种具备改善为如下的无涂层部结构的电极组件：在弯折露出于电极组件的两端的无涂层部时缓解施加到无涂层部的应力压力。

5、本发明的又一个技术课题在于提供一种即便弯折无涂层部也不会闭塞电解液注入通道的电极组件。

6、本发明的又一个技术课题在于提供一种在将电池外壳的上端卷边时防止电极组件的上端边缘和电池外壳的内面接触的结构的电极组件。

7、本发明的又一个技术课题在于提供一种提高能量密度并减小电阻的电极组件。

8、本发明的又一个技术课题在于提供一种包括改善的结构的电极组件的圆筒形电池和包括它的电池组、包括电池组的汽车。

9、本发明的又一个技术课题在于提供一种作为阳极活性物质而应用单粒子或类似-单粒子而体现优异的热稳定性并且导电性高且压延特性高的电气化学元件用电极及包括它的电气化学元件用电极组件。

10、本发明的又一个技术课题在于提供一种在阴极应用硅类阴极活性物质而改善能量密度的电极组件。

11、本发明的又一个技术课题在于提供一种无需担心析出锂而增加阳极活性物质部区间的电极组件。

12、本发明的又一个技术课题提供一种即便体积增加也能够体现出优异的热安全性的圆筒形电池。

13、但是，本发明要解决的技术课题不限于上述课题，本领域技术人员可从下面的
技术实现要素：
清楚地理解在此未提及的其他课题。

14、用于解决课题的手段

15、为了解决上述课题，本发明的一个实施例的圆筒形电池包括：电极组件，其为将第一电极及第二电极和夹在它们之间的分离膜以卷取轴为中心卷取而对芯部和外周面进行定义的电极组件。

16、上述第一电极及第二电极分别沿着卷取方向而包括未涂布活性物质层的第一无涂层部及第二无涂层部。

17、上述第一无涂层部及上述第二无涂层部中的至少一个无涂层部本身被定义为电极极耳，包括与上述电极组件的芯部相邻的芯部侧无涂层部、与上述电极组件的外周表面相邻的外周侧无涂层部、夹在上述芯部侧无涂层部及上述外周侧无涂层部之间的中间无涂层部，上述芯部侧无涂层部和上述外周侧无涂层部中的至少一个无涂层部与上述中间无涂层部相比卷取轴方向上的高度相对低。

18、上述圆筒形电池包括：电池外壳，其通过形成于下端的开放部而收纳上述电极组件；第一集电板，其与上述第一无涂层部结合并位于上述外壳内；盖板，其覆盖上述开放部；隔片，其配置在上述盖板与上述电极组件之间，以固定上述电极组件并密封上述电池外壳；及外部端子，其与上述第二无涂层部电连接。

19、上述隔片包括：游动防止部，其夹在上述第一集电板与上述盖板之间；密封部，其夹在上述电池外壳与上述盖板之间；及连接部，其将上述游动防止部与上述密封部之间连接。

20、上述游动防止部具备与上述第一集电板和上述盖板之间的距离对应的高度。

21、上述游动防止部位于上述电极组件的卷取轴方向上的端部的中心部。

22、上述游动防止部具备形成于与上述电极组件的卷取中心孔对应的位置的隔片孔。

23、上述密封部具备沿着上述电池外壳的内周面边围而延伸的形态。

24、上述电池外壳包括：卷边部，其通过将外周面边围压入而形成；及压接部，其在上述卷边部的下方对上述开放部进行定义的末端以包围上述盖板的边缘的方式延伸及弯折。

25、上述密封部沿着上述压接部而弯折并包围上述盖板的边缘而形成。

26、上述连接部包括从上述游动防止部以放射状、十字形状或它们的组合形状延伸的多个延长支架。

27、上述多个延长支架与上述盖板不接触。

28、上述第一集电板包括：支承部，其位于上述电极组件的卷取轴方向上的端部的中心部；无涂层部结合部，其从上述支承部延伸并与上述第一无涂层部结合；及外壳接触部，其从上述支承部延伸或从上述无涂层部结合部的端部延伸而夹在上述电池外壳与上述密封部之间。

29、上述外壳接触部接触到与上述盖板相对的上述卷边部的一面上。

30、上述密封部沿着上述压接部而弯折并包围上述盖板的边缘而将上述外壳接触部与上述盖板之间填充。

31、上述盖板不具有极性。

32、上述游动防止部覆盖上述支承部，以防止上述支承部露出到上述游动防止部的外侧。

33、上述连接部以沿着上述卷取轴方向而与上述外壳接触部不重叠的方式配置。

34、上述圆筒形电池还包括：第二集电板，其与上述第二无涂层部结合；及绝缘体，其夹在形成于上述电池外壳的上端的封闭部与上述第二集电板之间。

35、上述外部端子通过上述绝缘体而与上述第二无涂层部电连接。

36、上述外部端子是铆钉端子，该铆钉端子能够绝缘地设置在形成于上述封闭部的中央部的贯通孔，并且与上述第二无涂层部相对的端部的边缘朝向上述封闭部的内侧面而铆接。

37、上述外部端子的上述端部焊接到上述第二集电板。

38、上述中间无涂层部的至少一部分区间包括能够独立地弯折的多个截片。

39、上述多个截片的卷取轴方向上的高度及卷取方向上的宽度中的至少一个单独地或按照每个组而随着从芯部侧靠近外周侧而阶段性地增加。

40、上述多个截片随着从芯部侧靠近外周侧而形成多个截片组，属于相同的截片组的截片的卷取方向上的宽度、卷取轴方向上的高度及卷取方向上的隔开间距中的至少一个以上彼此相同。

41、属于相同的截片组的截片随着从芯部侧靠近外周侧而卷取方向上的宽度、卷取轴方向上的高度及卷取方向上的隔开间距中的至少一个阶段性地增加。

42、上述多个截片向芯部侧弯折并沿着上述卷取轴方向而重叠为多层。

43、上述芯部侧无涂层部的半径方向上的长度r和上述中间无涂层部的最内侧截片的弯折长度h满足关系式h≤r。

44、在上述截片的切割线的下端与上述活性物质层之间具备间隙。

45、在上述第一电极的有涂层部与无涂层部的边界区域包括活性物质层的厚度减小的第一滑坡(sliding)部，在上述第二电极的有涂层部与无涂层部的边界区域包括活性物质层的厚度减小的第二滑坡部，上述第一滑坡部和上述第二滑坡部在卷取轴方向上位于彼此相反的方向。

46、上述第一电极的有涂层部包括活性物质的负载量减少的负载减少部，上述负载减少部的位置对应于上述第二滑坡部的位置。

47、上述第一电极的活性物质层包括阳极活性物质，该阳极活性物质包括单粒子、类似-单粒子或它们的组合。

48、上述阳极活性物质的体积累积分布中所示的最小粒子大小dmin为1.0μm以上。

49、上述阳极活性物质的体积累积分布中体积累积量为50％时的粒子大小d50为5.0μm以下。

50、上述阳极活性物质的体积累积分布中所示的最大粒子大小dmax为12μm至17μm。

51、上述阳极活性物质具备在体积累积粒度分布曲线图中示出单一峰值(singlepeak)的单峰粒度分布，由下述式表示的粒度分布(psd，particle size distribution)为3以下。

52、式：粒度分布(psd)＝(dmax-dmin)/d50

53、以包括在上述第一电极的活性物质层中的阳极活性物质的总重量为基准，上述单粒子、类似-单粒子或它们的组合的含量为95wt％至100wt％。

54、上述阳极活性物质包括锂镍类氧化物，该锂镍类氧化物以转移金属的总摩尔数为基准，包括80摩尔％以上的ni。

55、上述第一电极的活性物质层的空隙率为15％至23％。

56、上述第一电极的活性物质层包括0.05wt％至5wt％的重量比率的鳞片状石墨。

57、上述第一电极的活性物质层还包括碳纳米管。

58、上述第二电极的活性物质层包括硅类阴极活性物质及碳类阴极活性物质。

59、上述硅类阴极活性物质及碳类阴极活性物质以1:99至20:80的重量比包括在上述第二电极的活性物质层。

60、本发明的电池组包括具备上述特征中的至少一个以上的特征的多个圆筒形电池及收纳它的电池组外壳。

61、本发明的汽车包括上述电池组。

62、发明效果

63、根据本发明的一个侧面，在电池外壳内将凝胶卷的移动最小化而防止在电气性结合部位发生损坏。

64、根据本发明的另一个侧面，代替追加应用用于防止凝胶卷的游动的部件而应用以往应用的部件，从而防止制造工序的复杂化及制造费用的上升。

65、根据本发明的另一个侧面，将在电极组件的上部及下部突出的无涂层部本身用作电极极耳，从而减小电池的内部电阻，增加能量密度。

66、根据本发明的又一个侧面，改善电极组件的无涂层部结构而在电池外壳的卷边部形成过程中防止电极组件和电池外壳的内周面发生干扰，从而能够防止由电极组件的部分变形导致的圆筒形电池内部的短路。

67、根据本发明的又一个侧面，改善电极组件的无涂层部结构而防止弯折无涂层部时无涂层部被撕破的现象，充分地增加无涂层部的重叠层数，从而提高焊接强度。

68、根据本发明的又一个侧面，改善与电极组件的芯部相邻的无涂层部结构而防止在弯折无涂层部时位于电极组件的芯部的空洞被闭塞，从而能够容易地进行电解液注入工序和电池外壳和集电板的焊接工序。

69、根据本发明的又一个侧面，提供一种具备内部电阻低，防止内部发生短路，提高集电板和无涂层部的焊接强度的结构的圆筒形电池、包括它的电池组及汽车。

70、根据本发明的又一个侧面，阳极包括dmin为1.0μm以上的阳极活性物质粉末，从而能够进一步改善电池的热安全性。根据本发明人的研究，作为阳极活性物质而应用单粒子及/或类似-单粒子的情况下，根据阳极活性物质粉末的粒度而压延之后抑制粒子破裂及改善热安全性的效果不同。特别地，阳极活性物质粉末内包括粒径小于1.0μm的粒子的情况下，在压延工序中线压增加而导致粒子的破裂增多，热稳定性下降，从而在应用大型圆筒形电池时无法充分地确保热安全性。因此，在本发明中使用将最小粒子大小dmin控制为1.0μm以上的阳极活性物质粉末，从而能够将热安全性改善效果最大化。

71、根据本发明的又一个侧面，阳极包括适当调节d50、dmax、及粒度分布psd的阳极活性物质粉末，从而能够将因应用单粒子而导致的电阻的增加最小化，从而能够体现优异的容量特性及输出特性。

72、根据本发明的又一个侧面，阳极包括涂布有导电性涂层的单粒子系阳极活性物质或作为导电材料而包含新型cnt，从而能够改善电极的导电性。

73、根据本发明的又一个侧面，在阳极活性物质层包括鳞片状石墨，因此在将阳极活性物质层压延的情况下，上述鳞片状石墨对上述阳极活性物质提供滑动效果而提高电极的压延特性，将电极空隙率降低到所目标的水平。由此，改善圆筒形电池的稳定性、初始电阻特性及充放电效率。

74、根据本发明的又一个侧面，在阴极包括容量大的硅类阴极活性物质，从而能够体现更高的能量密度。

75、根据本发明的又一个侧面，在阳极包括阳极活性物质的负载量少的负载减少部，因此无需担心锂的析出而能够增加阳极活性物质部的区间。

76、根据本发明的又一个侧面，与具备带状的电极极耳的以往的电池相比，能够有效地减小电池的内部发热，因此能够改善电池的热安全性。

77、此外，本发明具备各种其他效果，对此将在各个实施例中进行说明或关于本领域技术人员能够容易导出的效果等，省略该说明。