具有两种隔膜的电化学电池制造技术

本发明专利技术提供包括两种具有不同断裂能的隔膜的电化学装置，其中电极组件的最外部电极层包括未涂覆活性材料的正极、未涂覆活性材料的负极和布置在该正极和负极之间并与其它电极层中隔膜（第一隔膜）相比具有较低断裂能的隔膜（第二隔膜）。因此，在施加外部冲击时，可以通过诱发电池最外部电极层中的初级短路从而有利于电池的热散逸而显著提高电池的安全性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电化学装置，包括各自具有不同断裂能的两种隔膜，隔膜通过在施加外部冲击时主要引起电池最外部电极层中的短路而具有显著提高的安全性。
技术介绍
最近，大量注意力日益集中到能量存储技术上。尤其是这种能量存储技术的可应用领域已经扩展到便携式电子通讯器械如移动电话、可携式摄像机和笔记本电脑的电源，和还扩展到电动车辆(EV)和混合型电动车辆(HEV)的电源。同样，不断进行研究和开发能实现这种技术和电源的电池的努力和尝试。关于这一点，电化学装置领域正受到大量关注，尤其是众多注意力集中在可再充电二次电池的开发上。与向着这种电池开发的趋势一致，研究和开发已集中到能提高电荷密度和比能的新型电池和电极的设计上。在最近应用的二次电池中，于20世纪90年代早期开发的锂离子电池受到大量关注，因为与使用含水电解质的传统电池如Ni-MH、Ni-Cd和PbSO4电池相比，锂离子电池具有高的工作电压和能量密度。但是，这种锂离子电池由于使用有机电解质而受到与易燃性和爆炸性相关的安全问题的困扰，并且制造过程困难和复杂。当前工艺水平下的锂离子聚合物电池作为下一代电池已受到大量关注，其中这种锂离子电池所表现出来的缺点已减少。但是，目前的锂离子聚合物电池仍具有比现有锂离子电池低的充电量，尤其在低温下放电量不足，因而急需改进这种差的放电量。锂离子电池的工作机理不同于常规电池。在锂离子电池中分别用作正极和负极活性材料的LiCoO2和石墨具有其中带空穴的晶体结构。当电池充电和放电时，锂离子通过锂离子嵌入空穴和离开空穴而在电池内部迁移。电池的正极为用于收集电子的集电器，通常使用铝箔作为正极。活性材料LiCoO2被涂在铝箔上。但是，LiCoO2表现出低的电子传导率，因此加入碳以便增加电子传导率。负极为涂有石墨的铜箔，作为集电器。石墨具有优良的电子传导率，因此通常不向负极中加入电子导电材料。负极和正极用隔膜彼此隔开，至于电解质，使用通过向有机溶剂中加入锂盐制备的液体。在放电状态下制备二次电池。当充电时，LiCoO2晶体中存在的锂离子离开和迁移到负极，然后进入石墨晶体结构内。相反，当放电时，石墨中的锂离子离开并进入正极的晶体结构内。按照这种方式，当电池进行充电和放电时，锂离子在负极和正极之间交替，这种现象被称为“摇椅理论”，其对应于锂离子电池的工作原理。众多厂商生产这种电池，但生产的电池的安全特性从一个厂商到另一个会不同。但是，这种电池的安全评价和安全保护是非常重要的。最重要的考虑因素是要求电池在工作中当错误和出现故障时必须不能对使用者造成伤害。为此，安全标准严格规定电池的着火和发烟或冒烟。已考虑各种方法来实现安全性提高。关于这一点，已提交了与使用两种以上隔膜制造电池的技术有关的专利申请。日本专利公开No.Hei10-199502公开了通过在正极和负极之间层叠具有不同特性的两种隔膜而具有高拉伸强度和高容量保持性能的电池。在该专利中，第一和第二隔膜分别基于聚烯烃树脂和聚酰胺树脂。转让给Sony Corporation(索尼公司)的日本专利公开No.2000-82497使用彼此缠绕的两个相同的隔膜，以便改善电池的循环特性，但这表现出与其安全性无关的电池特性。转让给Shin-Kobe Electric Machinery Co.，Ltd.的日本专利申请公开No.2003-243037公开了通过使用两个熔点不同的隔膜而具有提高的安全性的锂离子电池。该专利中，当电池温度升高时，通过在不吸留/释放锂离子并由具有较低熔点的第二隔膜组成的第二电极区中诱发初级短路来提高电池的安全性。但是，在这种情况下，使电池可工作的实际范围限制到约90℃，因而当在低于这个温度范围下发生短路时，会发生电池性能的严重恶化，因此要求初级短路在90℃以上发生。但是，当在高于90℃的温度下发生内部短路时，与在室温下发生短路相比，实际电池可能暴露于更危险的情形下，这又可能导致电池安全性恶化。因此，这种方法不可能是好的解决方案。另外，使用具有不同熔点的聚合物隔膜只考虑了电池温度的升高，当因外部冲击如挤压、局部挤压等发生短路时对电池安全性没有作用。同样，本领域中急切需要开发一种在施加外部冲击如挤压、局部挤压等时用于提高电池安全性的电化学装置。
技术实现思路
作为为解决常规技术所表现出的问题的广泛调查和研究的结果，本专利技术的专利技术人发现，当使用断裂能差异大的两种不同类型的隔膜制造电池时，这种构造在响应包括断裂能较低的隔膜的最外部电极层中的外部冲击时导致初级短路的诱发，从而提高了电池的安全性，并基于该发现完成了本专利技术。因此，本专利技术的一个目的是提供电化学装置，其通过在施加外部冲击时诱发电池最外面部分中的短路从而有利于热散逸而具有提高的安全性。根据本专利技术的一个方面，通过提供包括电极组件的电化学装置实现上述和其它目的，电极组件包括正极、负极和布置在正极和负极之间的隔膜，其中电极组件的最外部电极层包括未涂覆活性材料的负极、未涂覆活性材料的正极和布置在该正极和负极之间并与其它电极层中隔膜相比具有较低断裂能的隔膜。通常，构成电化学装置的电极组件的正极和负极以分别涂有活性材料的形式彼此面对。插入在正极和负极之间的隔膜(下文中有时简单地称为“第一隔膜”)由具有高断裂能的材料例如聚烯烃聚合物如聚乙烯、聚丙烯等组成。还是在根据本专利技术的电化学装置中，除了最外部电极层外，其余电极层使用上述活性材料涂覆的正极和负极以及具有高断裂能的第一隔膜。因此，如上面所限定的根据本专利技术的电化学装置具有这样的结构特征，即电极组件的最外部电极层的结构不同于其它电极层的结构。也就是说，最外部电极层包括面对但各自未涂覆活性材料的正极和负极，和插入在它们之间的具有较低断裂能的隔膜(下文中有时简单地称为“第二隔膜”)。包括第二隔膜的最外部电极层可能是电极组件的最上部电极层，或最下部电极层，或最上部和最下部电极层两者。优选地，电化学装置的最外部电极层由其中电极组件的最上部和最下部电极层分别包括第二隔膜的本专利技术的最外部电极层组成。本文使用的术语“断裂能”是指当由于施加的外部冲击如挤压或钉入造成插入在正极和负极之间的隔膜断裂而诱发电极间短路时施加到隔膜材料上的能量大小。优选地，这种断裂能可为拉伸断裂强度(TSB)或拉伸断裂能(TEB)。附图说明从结合附图的以下详细描述中将更清楚地理解本专利技术的上述和其它目的、特征和其它优点，其中图1为显示拉伸断裂强度和拉伸能之间相互关系的总应力对应变曲线的图；图2和3分别为通过按照试验程序标准ASTM D822测量本专利技术的实施例中所用隔膜得到的总应力对应变曲线的图；图4为作为根据本专利技术的电化学装置的一种实施方案的锂离子聚合物二次电池的剖面示意图；图5至7分别为当对试验例1中使用的比较例1和2以及实施例1的电池进行局部挤压试验时显示电池温度和电压变化的图；和图8和9分别为当对试验例2中使用的比较例1和实施例1的电池进行钉入试验时显示电池温度和电压变化的图。优选实施方案详述现在将参考优选实施方案和附图详细地描述本专利技术。图1显示了拉伸断裂强度和拉伸断裂能之间相互关系的总应力-应变曲线。拉伸断裂强度是指引起应变突然变化的应力大小。而拉伸断裂能是指直到试验材料完全断裂时的能量。拉伸断裂能被定义为直到试验材料断裂发生时应力-应变曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
包括电极组件的电化学装置，电极组件包括正极、负极和布置在正极和负极之间的隔膜，其中电极组件的最外部电极层包括未涂覆活性材料的正极、未涂覆活性材料的负极和布置在该正极和负极之间并与其它电极层中隔膜（第一隔膜）相比具有较低断裂能的隔膜（第二隔膜）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：金帝映，朴必圭，安谆昊，李相英，金锡九，李镛台，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]