CN105359303A - 非水电解质二次电池用的电极、制造该电极的方法、以及非水电解质二次电池 - Google Patents

Abstract

用于在非水电解质二次电池中使用的电极（1）包括：集电箔（10）；电极混合物层（2），其形成在集电箔（10）的一部分上；以及氧化膜（6），其被提供在集电箔（10）上至少在从电极混合物层（2）的形成部分（3）和非形成部分（4）之间的边界（5）并且在非形成部分（4）的一部分之上延伸的区域中。

Description

非水电解质二次电池用的电极、制造该电极的方法、以及非水电解质二次电池

技术领域

本发明涉及用于在非水电解质二次电池中使用的电极（该电极在诸如锂离子二次电池之类的非水电解质二次电池中使用）、用于制造该电极的方法、以及非水电解质二次电池。

背景技术

诸如锂离子二次电池之类的非水电解质二次电池由正极和负极构成，所述正极和负极在隔膜（separator）介于其之间的情况下被层叠，或者替代地，所述正极和负极被层叠并卷绕（coil）在一起。非水电解质二次电池通常通过使隔膜介于两个电极之间来维持正极和负极之间的绝缘。然而，如果出于某种原因而隔膜将要收缩、隔膜的位置将要偏移、或者电池的内部将要变成被外来物质污染，则短路将由于在电极的端部处以及特别地在活性材料的未涂覆的部分处的电极之间的接触而发生的可能性上升。因此，在电极中的一个的端部部分上形成绝缘层以防止该缺陷。

例如，专利文献1公开了一种二次电池，其具有外涂层（overcoat）并且以正极、负极和隔膜作为其主要构造。这里，通过以活性材料涂覆金属箔来实现正极和负极，并且然后正极和负极在隔膜介于它们之间的情况下被层叠。外涂层是被提供于在其上未在正极上涂敷活性材料的表面的至少一部分上的覆盖物。外涂层通过使覆盖的部分与隔膜电且热隔离来防止隔膜由于电极的过热而熔融。作为用于外涂层的优选材料，聚酰亚胺（注册商标：Kapton）和诸如聚苯硫醚树脂（PPS）和聚丙烯（PP）之类的树脂材料是已知的材料。

为了在电极的端部部分上形成绝缘层，除外涂层之外还可以使用绝缘带。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利号2954147。

发明内容

发明要解决的问题

在电极的端部部分上形成绝缘层以防止在诸如上文描述的电池内发生的短路。然而，以防止短路的目标形成的绝缘层通常通过外涂层或者通过绝缘带来实现，从而导致在其中提供绝缘层的部分中的电极的厚度的增加。因此，绝缘层具有对电池单元的外观的影响，但是绝缘层的影响不止于外观，而且当多个电池单元被用于组装电池组时会引起体积效率的减少。另外，该类型的电池在厚度增加的电极的部分中具有较强的压力（pressure），而在不凸出的部分中具有较弱的压力。在电池内的电流的流动因此不均匀并且随之而来的过电压的发生会加速电池的结构部件的劣化并且减少电池寿命。

因此，本发明的目的是提供可以减少关于内部短路的发生的担忧并且可以使非水电解质二次电池的厚度均匀的用于在非水电解质二次电池中使用的电极。

用于解决问题的方法

根据本发明的用于在非水电解质二次电池中使用的电极，包括：集电箔；电极混合物层，其形成在集电箔的一部分上；以及氧化膜，其被提供在集电箔上至少在从电极混合物层的形成部分和非形成部分之间的边界并且在非形成部分的一部分之上延伸的区域中。

根据本发明的制造非水电解质二次电池的方法，包括：第一步骤，在集电箔上以与第一方向平行的条的形式涂敷电极混合物层，集电箔具有比与第一方向正交的第二方向上的长度长的第一方向上的长度，并且然后在集电箔上至少在从电极混合物层的形成部分和非形成部分之间的边界并且在非形成部分的一部分之上延伸的区域中提供氧化膜；第二步骤，在第一步骤之后，绕平行于第二方向的轴卷绕集电箔以形成电极卷；以及第三步骤，从电极卷以期望的大小切断电极。

根据本发明的非水电解质二次电池，包括：通过在隔膜介于其之间的情况下层叠正极和负极而实现的电池元件、以及容纳和密封电池元件的层压外壳。正极和负极中的至少一个是根据上文描述的本发明的用于在非水电解质二次电池中使用的电极。当从正极和负极的层叠方向观察时，提供在电极混合物层的非形成部分上的氧化膜部分地叠加于至少隔膜的端部区域。

发明效果

本发明可以减少对于内部短路的发生的担忧并且可以使非水电解质二次电池的厚度均匀。

附图说明

图1A是用于描述本发明的示例性实施例中的用于在非水电解质二次电池中使用的电极的示例的视图。

图1B是用于描述本发明的示例性实施例中的用于在非水电解质二次电池中使用的电极的示例的截面视图。

图2A示出了本发明的示例性实施例中的具有层叠构造的锂离子二次电池。

图2B示出了本发明的示例性实施例中的具有层叠构造的锂离子二次电池。

图2C是示出了本发明的示例性实施例中的具有层叠构造的锂离子二次电池的截面视图。

图3示出了第一示例性实施例中的卷绕构造的锂离子二次电池。

图4A示出了第一比较性实施例中的层叠构造的锂离子二次电池。

图4B示出了第一比较性实施例中的层叠构造的锂离子二次电池。

图5是示出了第三示例性实施例中的用于在锂离子二次电池中使用的电极卷（electroderoll）的透视图。

图6是示出了第三比较性实施例中的用于在锂离子二次电池中使用的电极卷的透视图。

具体实施方式

接着，参考附图描述本发明的示例性实施例。

图1是用于描述本发明的示例性实施例中的用于在非水电解质二次电池中使用的电极1的示例的视图。在图1A中示出平面视图，并且在图1B中示出沿着图1A中的线A-A’取得的截面视图。图2A和2B示出了本发明的示例性实施例中的层叠构造的锂离子二次电池。图2C是本发明的示例性实施例中的层叠构造的锂离子二次电池的截面视图。图3示出了第一示例性实施例中的卷绕构造的锂离子二次电池。

在当前的示例性实施例中，锂离子二次电池被描述为非水电解质二次电池的示例。如在图2A中示出的那样，通过在隔膜9介于其之间的情况下层叠正极7和负极8来形成电池元件11。如在图2B中示出的那样，电池元件11被容纳在铝层压外壳12中以制造锂离子二次电池13。在电池内注入非水电解质。除了上文描述的电池元件11之外，其中在隔膜24介于其之间的情况下层叠正极22和负极23并且然后以如在图3中示出的螺旋形式卷绕的电池元件25、或者其中以平坦形状形成以螺旋形式的卷绕体的电池元件可以被用作锂离子二次电池的电池元件11。以下解释主要涉及层叠构造的锂离子二次电池13，但是本发明不限于该形式。

当前的示例性实施例的电极由集电箔10、涂敷于集电箔10的电极混合物层2、以及接头片（tab）21形成。

集电箔10是被称为集电体的金属箔。铝箔主要被用作正极7。铜箔主要被用作负极9。

如下文将要描述的那样，电极混合物层2是包含活性材料的混合物。活性材料是促进在其中发出和接收电子的氧化/还原反应的材料，并且活性材料在电池反应中起核心作用。诸如锂钴氧化物之类的锂过渡金属氧化物被用于正极，并且碳被用于负极。

接头片21是用于电力的输入和输出的连接端子。在某些情况下，接头片被熔合到集电箔10的一个端部，并且在其他情况下，集电箔10的一个端部延伸以充当接头片。

作为非水电解质，使用例如诸如六氟磷酸锂之类的锂盐在诸如碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯之类的有机溶剂中的混合物。

隔膜9用于维持正极7和负极8之间的绝缘。在某些情况下，隔膜9具有被称为“关断（shutdown）特性”的特性。关断特性是隔膜9的熔丝功能。换言之，在其中例如短路发生的异常期间，大的短路电流在正极7和负极8之间流动，并且电池内的温度上升，隔膜9软化并熔融而阻塞隔膜9的孔，由此离子的渗透性降低，并且随着该离子渗透性的降低，短路电流也减小。因此，可以防止电池的内部温度上升为固定的温度以上，并且维持安全性。

诸如聚丙烯或聚乙烯之类的聚烯烃的膜通常被用作隔膜9。

通过将活性材料、分散剂、均化剂（levelingagent）、导电助剂以及粘合剂混合在一起来实现上文描述的电极混合物层2。分散剂用于分散和防止活性材料的凝集。均化剂使电极混合物层2与电解质更好地接触并且维持可湿性。导电助剂用于提升电极混合物层的导电性。粘合剂将固体颗粒粘合在一起。在某些情况下，均化剂和导电助剂不与粘合剂混合。

用于在当前的示例性实施例的非水电解质二次电池中使用的电极1具有集电箔10和形成在集电箔10的一部分上的电极混合物层2。集电箔10上的区域由形成部分3和非形成部分4构成，在所述形成部分3中形成有电极混合物层2，在所述非形成部分4中不形成电极混合物层2。氧化膜6至少被提供在从形成部分3和非形成部分4之间的边界5并且在非形成部分4的一部分之上延伸的区域上。

关于用于在当前的示例性实施例的非水电解质二次电池中使用的电极1中的氧化膜6，如果在正极和负极中的一个电极的两个表面上都形成氧化膜6，则可以在另一电极上形成或者不形成氧化膜6。当在正极和负极两者的仅一个表面上形成氧化膜时，在两个电极的相同的表面侧上提供氧化膜6。这是为了防止两个电极的没有氧化膜6的表面在层叠正极和负极时面对彼此。

第一示例性实施例

如在图1A中示出的那样，通过在集电箔10的一个端部上延伸集电箔10来形成用于电力的输入和输出的连接端子（接头片21）。在集电箔10上从处于用于在非水电解质二次电池中使用的电极1的在其上形成有接头片21的端部（折线A-A’的A侧）的相对侧（折线A-A’的A’侧）上的端部形成电极混合物层2。电极混合物层2从集电箔10的另一侧延伸远至边界5但不延伸远至接头片21的区域。另一方面，氧化膜6从包括边界5的区域延伸远至接头片21的区域的一部分。

第一示例性实施例中的氧化膜6通过仅使如在图1A中示出的相邻于边界5的一部分氧化来形成，但也可以通过使非形成部分4的全部氧化来形成。

借助于加热的形成方法被用作形成氧化膜6的方法，并且可以提供的加热方法的示例包括使用IH（InductionHeating，感应加热）的加热（IH加热）、使用加热器的加热、以及使用激光的加热。另外，形成氧化膜6的方法进一步包括其中应用诸如勃母石处理（boehmitetreatment）之类的化学过程的方法。形成氧化膜6的方法不限于这些形式。

氧化膜6可以被形成为足以使导电性低于在其中未形成氧化膜6的部分的厚度。

当制造层叠的锂离子二次电池时，通过使用加热器加热如在图1中示出的正极的非形成部分来在集电箔10上形成氧化膜6。通过使温度增加到集电箔10的表面的颜色改变的点来形成氧化膜6。另外，因为通过加热形成氧化膜6，所以热也传导到在其上涂敷电极混合物层2的区域（形成部分3）之下的部分。因此，类似于非形成部分4，在形成部分3的一部分上形成氧化膜，如在图1B中示出的那样。

图2A示出了通过使用图1中示出的正极7并且在隔膜9介于其之间的情况下层叠正极7和负极8而形成的电池元件11。图2B示出了通过在铝层压外壳12中容纳电池元件11而制造的锂离子二次电池13。在以此方式获得的锂离子二次电池13中，具有绝缘的部分仅为氧化膜6，并且因此正极7的厚度几乎不经受任何改变。因此，获得了其中对应于电池元件11的部分的外观平坦且光滑的锂离子二次电池13，如在图2B中示出的那样。因此，可以使通过层叠多个锂离子二次电池13而实现的电池单元的厚度均匀，由此使得能够实现电池单元的性能的改善、安全性的改善、以及体积效率（电池组的体积能量密度）的改善。

该影响在层压外壳（由其中层压金属层和树脂层的金属层压片材所形成的外壳）中特别突出。然而，本发明不限于层压外壳，并且还可以使用由树脂构成的膜外壳。

另外，当从电极的层叠方向观察时，被提供在非形成部分4上的氧化膜6至少部分地与隔膜9的端部区域重叠。换言之，氧化膜6在正极7的非形成部分4上被形成为使得在平行于电极的层叠方向的截面中部分地叠加于隔膜9的端部部分，如在图2C中示出的那样。通过在非形成部分4上提供氧化膜6，氧化膜6充当绝缘的保护膜。因此，万一发生隔膜9的收缩或偏移以及在电池内部被外来物质污染的情况下，可以防止由短路造成的热、烟以及火。可以获得该效果，因为即使充当绝缘膜的隔膜9收缩或者在位置方面偏移，与隔膜9的端部区域至少部分地重叠的氧化膜6仍然充当绝缘膜。

使用上文描述的锂离子电池单元13执行安全性测试。执行过度充电测试作为安全性测试的项目。在当前的示例性实施例中，电极的厚度是均匀的，并且均匀地层叠电池元件11，由此在过度充电时，热传递也是均匀的。作为当前的示例性实施例的过度充电测试的结果，还均匀地进行隔膜9的关断，电流受限，并且在不具有电池单元13的破裂或燃烧的情况下完成测试。

通过在隔膜9介于其之间的情况下层叠正极7和负极8来形成上文描述的电池元件11，但是不对电池元件11的构造设置限制。如在图3中示出的那样，即使当使用通过在隔膜24介于其之间的情况下层叠正极22和负极23并且然后以螺旋形式卷绕该组件而实现的电池元件25来制造锂离子二次电池时，也可以获得与上文描述的那些效果等同的效果。

第二示例性实施例

使用第一示例性实施例的十个锂离子电池单元13组装电池组。通过层叠和布置十个电池单元13来构造电池组。因为在第二示例性实施例中电池单元13中的每个的表面是平坦和光滑的，所以可以在不具有间隙的情况下层叠电池单元13。执行关于以此方式配置的第二示例性实施例的电池组的寿命的评价。在第二示例性实施例中，电池单元13中的每个的表面是平坦和光滑的，并且每个电池单元13经受均匀的压力，并且因此电池组展示优良的寿命性能。

第一比较性实施例

图4A和4B示出了第一比较性实施例中的层叠构造的锂离子二次电池。在制造层叠的锂离子二次电池时，将绝缘带14粘附到正极7的非形成部分4，如在图4B中示出的那样。使用以聚丙烯作为主要成分形成的绝缘带14。关于绝缘带14，两层的绝缘带14被粘附到一个正极，一层被粘附到正极的正面和背面中的每个。除了使用上文提及的正极之外，在与第一示例性实施例中相同的条件下制造锂离子二次电池15。在以此方式获得的电池中，绝缘层由绝缘带14构成，并且即便每个单独的绝缘带14是薄的，但是绝缘带14被层叠至正极的层叠层数的两倍的厚度。因此，如在图4B中示出的那样在其中粘附绝缘带14的部分中产生凸起16，并且因此构造了其中当从锂离子二次电池15的表面外观察时该凸起16是明显的锂离子二次电池15。

使用上文描述的锂离子二次电池15执行安全性测试。执行过度充电测试作为安全性测试的一个项目。在第一比较性实施例中，电极的厚度不均匀，并且因此不均匀地层叠电池元件，由此在过度充电期间，热不均匀地传递。作为第一比较性实施例中的过度充电测试的结果，即使当电池中的隔膜9的一部分关断时，隔膜9的其他部分也不关断，并且因此电流继续流动。因此，第一比较性实施例起火。

第二比较性实施例

在第二比较性实施例中，使用第一比较性实施例的十个锂离子电池单元15组装电池组。通过层叠和布置十个电池单元15来组装电池组。在第二比较性实施例中，其中贴有绝缘带14的每个电池单元15的表面的部分凸起，并且因此，当层叠电池单元15时，在电池单元15之间出现间隙，并且整个电池组的厚度增加。执行以此方式构造的第二比较性实施例的电池组的寿命的评价。作为寿命评价的结果，与第二示例性实施例的电池组的寿命相比，第二比较性实施例的电池组的寿命减少。在第二比较性实施例中，在其中贴有绝缘带的电池单元15的部分凸出，并且因此在凸起部分中的压力较强，并且在不凸起的部分中的压力较弱。因此，据信，在第二比较性实施例中，电池单元15的构成部件的劣化加速，这是由于例如由电池的内部电流的不均匀流动所产生的过电压的出现的影响。

第三示例性实施例

图5示出了第三示例性实施例中的锂离子二次电池的透视图。在第三示例性实施例中，在用于在锂离子二次电池中使用的正极的制造步骤中，如在图5中示出的那样，在带状集电箔上以在第一方向D1上平行的条的形式涂敷电极混合物层2（条状涂敷），关于所述带状集电箔，在第一方向D1上的长度远远长于在与第一方向D1正交的第二方向D2上的长度。在条状涂敷之后，通过在形成部分17和非形成部分18之间的边界部分的附近区域中执行IH加热来形成氧化膜19。此时，至少在从形成部分17和非形成部分18之间的边界延伸到非形成部分18的区域中形成氧化膜19。通过加热到铝箔改变颜色的点来形成氧化膜19。

通过绕平行于第二方向的轴来卷绕以此方式处理的集电箔而形成诸如在图5中示出的电极卷。尽管形成了氧化膜19，但电极的厚度实际上未改变，并且因此，即便当在执行卷绕操作中使用具有4000m的长度或更长的长集电箔时，电极卷的卷形实际上也未受影响，并且因此可以高效地制造电极卷。第三示例性实施例使得能够防止当卷绕集电箔时在电极卷的部分中凸起，第三示例性实施例允许较长的电极卷，并且第三示例性实施例使得能够实现生产率的改善。

通过从诸如在图5中示出的电极卷将电极切割成对应于期望的锂离子二次电池的大小来获得诸如在图1中示出的用于在锂离子二次电池中使用的电极。

第三比较性实施例

图6是第三比较性实施例中的锂离子二次电池的电极卷的透视图。在第三比较性实施例中，在制造用于在锂离子二次电池中使用的正极的步骤中，并且在对带状集电箔执行条状涂敷之后，绝缘带20被粘附到形成部分17和非形成部分18之间的边界部分。虽然每个绝缘带20是薄的，但是随着以卷形卷绕集电箔，绝缘带20的厚度累加，并且因此，在其中粘附绝缘带的部分凸出，如在图6中示出的那样。当集电箔进一步卷绕时，在凸起部分处在集电箔中发生断裂。因此，在第三比较性实施例中，将集电箔卷绕至1000m的长度或更长是成问题的。

虽然参考本发明的示例性实施例特别地示出和描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员将理解，可以在其中做出形式和细节方面的各种改变，而不脱离由权利要求书限定的本发明的精神和范围。

本申请基于在2013年7月1日提交的日本专利申请号2013-138358并且要求其优先权，通过引用并入所述申请的内容。

附图标记的说明

1非水电解质二次电池用的电极

2电极混合物层

3形成部分

4非形成部分

5边界

6氧化膜

7正极

8负极

9隔膜

10集电箔

11电池元件

12铝层压外壳

13锂离子二次电池。

Claims (6)

1.一种用于在非水电解质二次电池中使用的电极，包括：

集电箔；

电极混合物层，其形成在所述集电箔的一部分上；以及

氧化膜，其被提供在所述集电箔上的、至少从所述电极混合物层的形成部分和非形成部分之间的边界并且在所述非形成部分的一部分之上延伸的区域中。

2.根据权利要求1所述的用于在非水电解质二次电池中使用的电极，其中通过使所述集电箔的表面氧化来实现所述氧化膜。

3.一种制造用于在非水电解质二次电池中使用的电极的方法，包括：

第一步骤，在集电箔上以与第一方向平行的条的形式涂敷电极混合物层，所述集电箔具有比与所述第一方向正交的第二方向上的长度长的所述第一方向上的长度，并且然后在所述集电箔上至少在从所述电极混合物层的形成部分和非形成部分之间的边界并且在所述非形成部分的一部分之上延伸的区域中提供氧化膜；

第二步骤，在所述第一步骤之后，绕平行于所述第二方向的轴卷绕所述集电箔以形成电极卷；以及

第三步骤，从所述电极卷将电极切断为期望的大小。

4.根据权利要求3所述的制造用于在非水电解质二次电池中使用的电极的方法，其中在所述第一步骤中，通过使所述集电箔的表面氧化来形成所述氧化膜。

5.一种非水电解质二次电池，包括：通过在隔膜介于其之间的情况下层叠正极和负极而实现的电池元件、以及容纳和密封所述电池元件的所述层压外壳；其中：

所述正极和所述负极中的至少一个是根据权利要求1或权利要求2所述的用于在非水电解质二次电池中使用的电极；并且

当从所述正极和所述负极的层叠方向观察时，提供在所述电极混合物层的所述非形成部分上的所述氧化膜至少部分地与所述隔膜的端部区域重叠。

6.根据权利要求5所述的非水电解质二次电池，其中所述电池元件在以螺旋的形式的卷绕状态下被容纳在所述层压外壳中。