具有改进的稳定性的棱柱形二次电池

技术领域

本发明涉及通过防止由于外部冲击而导致电极组件的外隔膜损坏或电极组件爆炸来提高安全性的棱柱形二次电池。

本申请要求基于2022年4月5日提交的韩国专利申请No.10-2022-0042011的优先权的权益，并且该韩国专利申请的全部内容作为本说明书的一部分并入。

背景技术

与一次电池不同，二次电池是可再充电的，并且由于小型化和高容量应用的潜力，最近已得到广泛的研究和开发。随着技术进步和对移动装置的需求不断增加以及响应于环境问题方面担心电动车辆和储能系统日益突出，对作为能源的二次电池的需求正迅速地显著增加。

根据电池壳体的形状，二次电池被分类为硬币形电池、圆柱形电池、棱柱形电池和袋型电池。安装在二次电池中的电池壳体内部的电极组件是能够充电和放电的电力产生元件。它具有电极和隔膜的层压结构。

电极组件可以大致被分类为三种类型：啫喱卷型，其涉及缠绕涂覆有活性材料的片材的正极和负极，且隔膜介于正极和负极之间；堆叠型，其中多个正极和负极被顺序堆叠，且隔膜介于其间；以及堆叠和折叠型，其中堆叠型的单元电芯被用长的隔膜缠绕。

包括棱柱形壳体的棱柱形二次电池将完整的电极组件包围在具有开口侧的壳体内。在这样的过程中，壳体的边缘可以损坏电极组件的最外侧隔膜。另外，在使用棱柱形二次电池期间，电极组件的最外侧隔膜可能因撞击壳体、引起变形或通过用像钉子一样的东西穿透壳体而损坏。

如果电极组件的最外侧隔膜由于这些原因中的任一原因损坏，则这可能造成内部绝缘的失败。这会导致由于短路引起的过热损坏并且最终造成热失控，并且可能发生诸如着火或爆炸等的各种事故。

[现有技术文献]

(专利文献001)韩国专利公开No.10-2018-0085132(2018年7月26日公开)

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供具有改进安全性的棱柱形二次电池，该棱柱形二次电池能够防止由多个单元电芯堆叠成堆叠结构的电极组件的最外侧隔膜的损坏导致的诸如内部短路、爆炸等这样的各种风险。

然而，本发明将要解决的技术问题不限于上述问题，并且本领域的技术人员可以根据本发明的以下描述清楚地理解没有提到的其它问题。

技术方案

本发明涉及一种电极组件，其中，多个单元电芯堆叠成堆叠结构且隔膜介于正极和负极之间。作为示例，电极组件的最外侧部分包括正极箔和负极箔以及保护性堆叠层，其中，隔膜被分别堆叠在正极箔和负极箔之间以及外部上。

在本发明的一个实施方式中，在电极组件的最外侧电极是正极的情况下，保护性堆叠层具有按负极箔、隔膜、正极箔和隔膜的顺序层压的结构。

另选地，在电极组件的最外侧电极是正极的情况下，保护性堆叠层具有按正极箔、隔膜、负极箔和隔膜的顺序层压的结构。

保护性堆叠层可以被装配在电极组件的两个最外侧部分上。

此外，优选的是保护性堆叠层的大小等于或大于电极组件的最外侧单元电芯的大小。

另外，正极箔和负极箔分别装配有正极箔接头和负极箔接头，并且正极箔接头电连接到电极组件的正极接头，并且负极箔接头电连接到电极组件的负极接头。

因此，保护性堆叠层缓冲在电极组件中发生的内部短路。

此外，本发明提供了一种棱柱形二次电池，该棱柱形二次电池包括：壳体，在所述壳体中至少一个侧部形成开口；电极组件，所述电极组件包括层压成堆叠结构的多个单元电芯，且隔膜介于正极和负极之间，并且所述电极组件被储存在所述壳体内部；盖板，所述盖板包括与所述电极组件的正极接头和负极接头电连接的正极端子和负极端子，并且所述盖板被接合以密封所述壳体的所述开口；以及电解液，所述电解液被填充在所述壳体中，以浸渍所述电极组件，其中，在所述电极组件的最外侧部分上，设置正极箔和负极箔以及保护性堆叠层，在所述保护性堆叠成中，隔膜分别层压在所述正极箔和所述负极箔之间以及外部上，其中，所述正极箔和所述负极箔分别装配有正极箔接头和负极箔接头，并且所述正极箔接头电连接到所述电极组件的所述正极接头，并且所述负极箔接头电连接到所述电极组件的所述负极接头。

这里，在电极组件的最外侧电极是正极的情况下，保护性堆叠层具有按负极箔、隔膜、正极箔和隔膜的顺序堆叠的结构。

另选地，在电极组件的最外侧电极是负极的情况下，保护性堆叠层具有按正极箔、隔膜、负极箔和隔膜的顺序堆叠的结构。

另外，优选的是，保护性堆叠层的大小不小于电极组件的最外侧单元电芯的大小。

另外，保护性堆叠层缓冲在电极组件中发生的内部短路。

有益效果

根据本发明，装配在电极组件的最外侧部分上的保护性堆叠层中的正极箔、负极箔和隔膜的层压结构可以防止电极组件的物理损坏。因此，可以防止由针状刺穿、按压、冲击等引起的或者在将电极组件插入到壳体中的过程期间由最外侧隔膜引起的电极组件损坏。

另外，在本发明中，由于正极箔和负极箔在保护性堆叠层中形成一对并且电连接到盖板的正极端子和负极端子，因此当发生电短路时，与电极组件的涂覆有活性材料的正极和负极相比，保护性堆叠层首先反应，由此减轻了内部短路。因此，通过保护性堆叠层，本发明可以显著降低由内部短路引起的电极组件损坏的风险以及由于电极组件的热失控导致的着火或爆炸的风险。

然而，本发明的有益效果不限于以上提到的那些，并且本领域中的普通技术人员应该根据以下详细描述来清楚地理解其它未提到的有利效果。

附图说明

伴随本说明书的以下附图例示了本发明的优选示例性实施方式，并且旨在结合随后对本发明的详细描述用作对本发明的技术思路的进一步理解，由此本发明将不被解释为限于这些附图中描述的内容。

图1是例示了隔膜介于正极和负极之间的单元电芯的图。

图2是例示了图1的多个单元电芯被层压成堆叠结构的电极组件的图。

图3是例示了根据本发明的示例性实施方式的装配有保护性堆叠层的电极组件的图。

图4是例示了根据本发明的另一示例性实施方式的装配有保护性堆叠层的电极组件的图。

图5是例示了包括图3的电极组件的棱柱形二次电池的示例的图。

图6是例示了包括图4的电极组件的棱柱形二次电池的示例的图。

具体实施方式

本发明可以具有各种修改形式和各种示例，因此具体示例在附图中例示并且在说明书中详细地描述。

然而，应该理解，本发明不限于特定实施方式，并且包括在本发明的精神和技术范围内的所有修改形式、等同形式或替代形式。

本文中使用术语“包括”、“包含”和“具有”来指定说明书中描述的特性、数字、步骤、动作、组件或构件或其组合的存在，并且应该理解，预先不排除一个或更多个其它特性、数字、步骤、动作、组件、构件或其组合的存在或添加的可能性。

另外，当层、膜、区域或板的部分设置在另一部分上时，这不仅包括一个部分“直接”设置在另一部分“上”的情况，而且包括第三部分介于它们之间的情况。相比之下，当层、膜、区域或板的部分设置在另一部分“下方”时，这不仅包括该部分直接设置在另一部分“下方”的情况，而且包括第三部分介于它们之间的情况。另外，在本申请中，“在……上”不仅可以包括设置在上部部分上的情况，而且包括设置在下部部分上的情况。

本发明涉及这样一种电极组件，在该电极组件中，多个单元电芯层压成堆叠结构，且隔膜介于正极和负极之间，并且在一个示例中，电极组件的最外侧部分装配有正极箔和负极箔以及保护性堆叠层，在所述保护性堆叠层中，隔膜分别层压在正极箔和负极箔之间以及外部上。

因此，利用保护性堆叠层，本发明的电极组件可以防止在将其插入到壳体中的过程期间最外侧隔膜损坏，或者由于针状穿透、按压或冲击等导致的最外侧隔膜损坏而产生的内部短路以及由内部短路引起的诸如爆炸这样的各种风险。

此外，在本发明中，保护性堆叠层的正极箔和负极箔设置有正极箔接头和负极箔接头。正极箔接头可以电连接到电极组件的正极接头，并且负极箔接头可以电连接到电极组件的负极接头。

因此，本发明中的保护性堆叠层响应于多个单元电芯中电极组件中发生内部短路，并且缓冲电冲击。因此，本发明的电极组件表现出针对机械损伤和电损伤二者的坚固耐久性。

对优选实施方式的详细描述

以下描述参考附图提供了关于电极组件和包括其的棱柱形二次电池的具体实施方式的详细信息。应该注意，在以下描述中使用的指示前、后、上、下、左和右方向的相对位置是出于便于理解本发明的目的，并且除非另有定义，否则图中示出的方位被用作参考。

[第一实施方式]

图1是例示了单元电芯10的图，在单元电芯10中隔膜40介于正极20和负极30之间。图2是例示了图1的多个单元电芯10层压成堆叠结构的电极组件100的图。

参照图1，所描绘的单元电芯10表示隔膜40介于正极20和负极30之间的全电芯。

正极20包括正极集流体22和涂覆在正极集流体22的一个或两个侧部上的正极活性材料24。在正极集流体22的宽度方向上的一个端部处，存在没有涂覆正极活性材料24的未涂覆区域26。正极接头110是通过在未涂覆区域26上的开槽(冲孔)工艺形成的。

负极30包括负极集流体32和涂覆在负极集流体32的一个侧部或两个侧部上的负极活性材料34。在负极集流体32的宽度方向上的一个端部处，存在没有涂覆负极活性材料34的未涂覆区域36。以相同的方式，负极非涂覆区域36起到负极接头120的作用。

在本发明中，可以不受限制地使用涂覆在正极集流体22上的正极活性材料24和涂覆在负极集流体32上的负极活性材料34，只要它是本领域中通常已知的任何活性材料。

在给定示例中，正极活性材料24可以包括由通用化学式A[A

在另一示例中，正极活性材料24可以是在诸如US6,677,082和US6,680,143的专利中描述的碱金属化合物xLiM

在另一示例中，正极活性材料24可以由通用化学式Li

优选地，正极活性材料24可以包括原级粒子和/或原级粒子聚集而成的次级粒子。

在一个示例中，负极活性材料34可以包括碳质材料、锂金属或锂金属化合物、硅或硅化合物、锡或锡化合物等。电压小于2V的诸如TiO

作为介于正极20和负极30之间的隔膜40，由诸如乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物、乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物这样的聚烯烃类聚合物制成的多孔聚合物膜可以被独立地使用或者以堆叠构造使用。作为另一示例，隔膜40可以是由诸如具有高熔点的玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等这样的材料制成的常规多孔非织造纤维。

隔膜40可以在至少一个表面上包括无机颗粒的涂层。另外，隔膜40本身可以由无机颗粒制成的涂层构成。构成涂层的颗粒可以具有联接到粘结剂的结构，从而允许相邻颗粒之间存在间隙体积。

无机颗粒可以由介电常数为5或更大的无机材料构成。对于非限制示例，无机颗粒可以包括从选自由Pb(Zr,Ti)O

此外，其中浸没电极组件100的电解液(530)可以是具有A

电解质也可以被溶解在有机溶剂中。可以使用的有机溶剂的示例可以包括碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、二甲基亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸甲乙酯(EMC)、γ-丁内酯或其混合物。

图2例示电极组件100，在该电极组件100中，具有与以上提到的相同配置的多个单元电芯10层压成堆叠结构。图2的电极组件100是具有正极/隔膜/负极/隔膜/正极结构的双电芯，或者它也可以具有负极/隔膜/正极/隔膜/负极结构。通过以适当的数量层压双电芯，可以进一步扩大电极组件100的容量。

图3例示了根据本发明的示例性实施方式的装配有保护性堆叠层200的电极组件100。保护性堆叠层200是设置在电极组件100的最外侧部处的层压结构，其包括正极箔210、负极箔220和分别层压在正极箔210和负极箔220之间以及外部上的隔膜40。

这里，构成保护性堆叠层200的正极箔210是与没有涂覆正极活性材料24的正极集流体22对应的金属。正极箔210的材料可以与正极集流体22相同。例如，正极箔210和正极集流体22二者可以由铝材料制成。同样，负极箔220是与没有涂覆负极活性材料34的负极集流体32对应的金属。负极箔220的材料可以与负极集流体32相同。例如，负极箔220和负极集流体32二者可以由铜材料制成。

保护性堆叠层200中的正极箔210、负极箔220和隔膜40的层压结构用于防止电极组件100的最外侧部分的物理损伤。换句话说，保护性堆叠层200有助于防止电极组件100插入到壳体510中期间最外侧隔膜40损坏，或由于针状穿透、按压或冲击等而使最外侧隔膜40损坏。因此，优选的是保护性堆叠层200的大小不小于电极组件100的最外侧单元电芯10的大小。

在图3中，电极组件100表示最外侧电极是正极20的配置，其中，保护性堆叠层200具有按负极箔220、隔膜40、正极箔210和隔膜40的顺序层压的结构。此外，在图4中，电极组件100表示最外侧电极是负极30的配置，其中，保护性堆叠层具有按正极箔210、隔膜40、负极箔220和隔膜40的顺序层压的结构。如所例示的，保护性堆叠层200可以设置在电极组件100的两个侧部上。

如上所述，本发明中的保护性堆叠层200根据电极组件100中最外侧电极的极性而改变堆叠顺序。然而，正极箔210总是与负极箔220形成一对。这不仅是为了使保护性堆叠层200用作机械屏障，而且用作电气屏障。将在相关部分中对此进行进一步详细说明。

[第二实施方式]

图5例示了包括图3中的电极组件100的棱柱形二次电池500的示例。图6例示了包括图4中的电极组件100的棱柱形二次电池500的示例。

所例示的棱柱形二次电池500示出了应用上述电极组件100的示例。棱柱形二次电池500包括至少一个侧部形成开口的壳体510、上述的电极组件100、包括与电极组件100的正极接头110和负极接头120电连接的正极端子522和负极端子524并且被接合以密封壳体510的开口的盖板以及填充壳体510以浸渍电极组件100的电解液530。

电极组件100的详细组成与第一实施方式中描述的相同，由此将省略关于它的重复说明。从这里开始，侧重点将放在说明棱柱形二次电池500的配置。

电极组件100在其最外侧部分上设置有保护性堆叠层200。构成保护性堆叠层200的正极箔210和负极箔220分别设置有正极箔接头212和负极箔接头222。另外，正极箔接头212电连接到电极组件100的正极接头110，而负极箔接头222电连接到电极组件100的负极接头120。

换句话说，保护性堆叠层200的正极箔接头212和负极箔接头222连同电极组件100的正极接头110和负极接头120一起分别连接到盖板520的正极端子522和负极端子524。在所例示的实施方式中，正极箔接头212和正极接头110被一起焊接到正极引线523。负极箔接头222和负极接头120被一起焊接到负极引线525。

因此，保护性堆叠层200电连接到电极组件100，但在保护性堆叠层200的正极箔210和负极箔220上没有涂覆活性材料。结果，保护性堆叠层200不直接参与棱柱形二次电池500的充电和放电。

然而，在保护性堆叠层200中，正极箔210和负极箔220形成一对，并且电连接到盖板520的正极接头522和负极接头524。因此，倘若电极组件100内发生短路，则保护性堆叠层200在电极组件100的施加有活性材料的正极20和负极30之前响应，从而缓冲内部短路。

因此，与正极接头522和负极接头524电连接的保护性堆叠层200除了降低由于电极组件100的热失控而导致着火或爆炸的风险外，还显著降低了因内部短路而引起电极组件100损坏的风险。

以上，已通过附图和实施方式更详细地描述了本发明。然而，本说明书中的实施方式或附图中描述的配置仅仅是本发明的实施方式，并且不表示本发明的所有技术思路。因此，要理解，在提交本专利申请时可以存在替换它们的各种等同形式和变形形式。

[附图标记说明]

10:单元电芯20：正极

22:正极集流体24:正极活性材料

26:正极非涂覆区域30：负极

32:负极集流体34:负极活性材料

36:负极非涂覆区域40：隔膜

100:电极组件 110：正极接头

120:负极接头 200：保护性堆叠层

210:正极箔 212：正极箔接头

220:负极箔 222：负极箔接头

500:棱柱形二次电池 510：壳体

520:盖板 522:正极端子

523:正极引线 524：负极端子

525:负极引线 530：电解液

工业实用性

本发明是一种用于提高二次电池的安全性并且增强其性能的有用技术。