含有折疊的電極和隔膜的電化學(xué)電池，包含該電化學(xué)電池的電池組及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本申請(qǐng)要求2013年3月14日提交的美國專利申請(qǐng)第13/830,942號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)所公開的內(nèi)容以不與本發(fā)明公開的內(nèi)容相沖突的程度納入。
[0002]本發(fā)明一般涉及電化學(xué)電池和包含該電池的電池。更具體的，本發(fā)明涉及:含有一個(gè)或多個(gè)折疊的電極和折疊的隔膜的電化學(xué)電池;包含所述電化學(xué)電池的電池組；以及制備所述電化學(xué)電池和電池組的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]通常，電池組包括一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池來儲(chǔ)存電能。每個(gè)電化學(xué)電池包括陽極(電池放電過程中帶負(fù)電荷的電極)、陰極(電池放電過程中帶正電荷的電極)、陽極和陰極之間的電解質(zhì)，通常電化學(xué)電池還包括在陽極和陰極之間的隔膜等，以保持陽極和陰極不會(huì)相互接觸。
[0004]電化學(xué)電池能儲(chǔ)存的電荷量與電化學(xué)系統(tǒng)有關(guān)，所述電化學(xué)系統(tǒng)是反應(yīng)材料和非反應(yīng)材料、可用于電化學(xué)反應(yīng)的大量電極材料和/或電解質(zhì)材料的組合。通常，可用的電極和/或電解質(zhì)材料的量越大，電荷容量越大。此外，較大的電極表面積降低了電池的內(nèi)部電阻，且可改善擴(kuò)散過程，擴(kuò)散過程的改善可在相對(duì)大的電流下對(duì)電池放電和充電并改善電池的其它充放電性質(zhì)。提供帶有額外電極表面的電化學(xué)電池并由此改善了電池性能的技術(shù)包括:將電池的層卷繞成圓柱形以形成卷繞電池，并將電池的多個(gè)層一層一層疊加到另一層的上面以形成層疊電池。
[0005]卷繞的電化學(xué)電池通常通過以下步驟形成:將陽極層、隔膜層和陰極層相互相鄰分層放置，例如由各層的連續(xù)卷分層放置，隨后將這些層卷繞以形成圓柱形結(jié)構(gòu)。圓柱形結(jié)構(gòu)可以展平，形成扁平的緊實(shí)結(jié)構(gòu)(pack structure)，該結(jié)構(gòu)可以更好地符合使用包含所述電池的電池組的器件的構(gòu)造設(shè)計(jì)。由于卷繞電池可以通過材料的連續(xù)卷制得，因此制造卷繞電化學(xué)電池是相對(duì)便宜的制備具有相對(duì)高電荷容量和其它所需性質(zhì)的電化學(xué)電池的方法。不過，卷繞電化學(xué)電池和包含該電池的電池組可能會(huì)經(jīng)歷在電池的充放電過程中由電池部分的體積改變所引起的壓力和力的不均勻分布；當(dāng)將卷繞電池壓制成扁平緊實(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)尤其如此。壓力這樣改變可能會(huì)降低電池組的性能，電池組的安全性，和/或電池組的壽命O
[0006]通過以垂直層疊的方式放置多個(gè)結(jié)構(gòu)形成層疊的電池，每個(gè)結(jié)構(gòu)包括陽極層、隔膜層和陰極層。與卷繞電池相比，層疊的電池制造相對(duì)較貴，因?yàn)轭A(yù)切割或形成陽極層、隔膜層和陰極層的片材必須分別制備，隨后再一層一層疊加到另一層上，這需要耗時(shí)的層與層之間的精確對(duì)齊。此外，精確放置每層所需的設(shè)備也是相對(duì)昂貴的。不過，采用此技術(shù)制備的電池和電池組在電池的充放電過程中任何電池體積改變所引起的力分布相對(duì)均勻。因此，與采用卷繞電池技術(shù)制備的相似電池相比，這樣的電池可具有增強(qiáng)的性能、壽命和安全性。
[0007]另一種用于制備電化學(xué)電池的技術(shù)包括:采用z形折疊或手風(fēng)琴狀折疊電化學(xué)電池的一層或多層。采用z形折疊的技術(shù)與電池的卷繞層相比是有益的，因?yàn)檎郫B技術(shù)可在電池內(nèi)允許更均勻的壓力和力分布;不過，折疊電池層所需的設(shè)備和時(shí)間通常比卷繞電池層更多更長。折疊技術(shù)可優(yōu)于層疊方法，因?yàn)橹辽匐姵氐囊恍涌赏ㄟ^連續(xù)或半連續(xù)的片材得到，而層疊電池的所有層都是預(yù)切割的；不過，包括折疊層的電池中的壓力分布可能沒有層疊電池中的均勻。
[0008]2012年8月16日公布的，Schaefer等所著的美國專利公開第2012/0208066A1號(hào)，公開了一種用于制備電化學(xué)電池的電極堆疊的z形折疊技術(shù)。所公開的方法包括z形折疊的隔膜材料的連續(xù)層，以及插入在Z形折疊隔膜材料層之間的陰極板和陽極板。雖然在Schaefer等的專利中所公開的電化學(xué)電池相對(duì)于單純層疊的電化學(xué)電池而言具有一些優(yōu)勢，但Schaefer等的電池仍然需要對(duì)電池的陽極和陰極板進(jìn)行精確的成形和對(duì)齊。
[0009]2009年6月25日公開的，LG化學(xué)有限公司(LG CHEM.,LTD)的PCT公開第WO 2009/078632 A2號(hào)，公開了一種包括多個(gè)重疊的電化學(xué)電池的電池組，其中每個(gè)電池包括陰極、陽極和隔膜，在重疊的電化學(xué)電池之間放置有連續(xù)的隔膜片。雖然所公開的電池具有被隔膜材料的連續(xù)片包圍的優(yōu)勢，但所述電池仍然需要對(duì)在隔膜材料的連續(xù)片頂部的陰極板、隔膜板和陽極板精確成形和對(duì)齊。
[0010]1997年I月17日公開的，Kazuhiro所著的日本專利公開第09017441 A號(hào)，公開了一種具有z形折疊的陽極層和z形折疊的陰極層的方形電池，其中用隔膜材料的連續(xù)涂層直接涂覆陰極層。所述電池還包括垂直和水平延伸的集流體(current collector)以防止極性片位移。據(jù)稱所述集流體具有不需要電極上凸出部的優(yōu)勢。不過，Kazuhiro所公開的集流體顯著增加了電池的重量和體積。此外，所述涂覆的陰極和包含這樣的陰極的電池被認(rèn)為是相對(duì)難于制造的。
[0011]雖然已經(jīng)開發(fā)了用于電化學(xué)電池中多層的z形折疊或手風(fēng)琴狀折疊技術(shù)，該技術(shù)仍然包括額外的步驟，相對(duì)困難的制造步驟(即對(duì)齊多個(gè)板)，和/或額外增加電池的體積和重量。因此，需要改善的電化學(xué)電池和電池組以及制備所述電池和電池組的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明公開的內(nèi)容一般涉及電化學(xué)電池，包含該電池的電池組，以及制備所述電池和電池組的方法。更具體的，公開內(nèi)容的多個(gè)實(shí)施方式涉及包括第一電極(如陽極或陰極)、第二電極(如陰極或陽極)以及在第一電極和第二電極之間的隔膜的電化學(xué)電池，其中所述第一電極、第二電極和隔膜中的兩個(gè)或多個(gè)包括z形折疊或手風(fēng)琴狀折疊。例如，根據(jù)多個(gè)實(shí)施方式的示例性的電池包括以第一方向折疊的z形折疊的第一電極(陽極或陰極)，和以第二方向z形折疊的z形折疊的隔膜，所述第二方向與第一方向正交。或者，示例性的電池包括沿第一方向z形折疊的第一電極以及以第二方向z形折疊的第二電極和隔膜的組合，所述第二方向與第一方向正交。如下文更詳細(xì)的表述，本發(fā)明公開的電化學(xué)電池相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有優(yōu)勢，包括相對(duì)簡單和低成本的制造、高的能量密度和安全性。
[0013]根據(jù)本文公開的多個(gè)實(shí)施方式，電化學(xué)電池包括第一電極層、覆蓋所述第一電極層的隔膜層(所述隔膜層在其自身上以第一方向折疊返回，以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和兩部分之間的開口)、以及包含平板的第二電極(其中所述平板在第一隔膜部分和第二隔膜部分之間)。所述第一電極層以第二方向在所述隔膜層上方折疊，所述第二方向與第一方向正交，以形成在第一隔膜部分下面的第一個(gè)第一電極部分和在第二隔膜部分上面的第二個(gè)第一電極部分。根據(jù)這些實(shí)施方式的各個(gè)方面，電化學(xué)電池包括多個(gè)(例如大于2個(gè))第一電極部分、隔膜部分和平板，所述第一電極層和隔膜層各自形成z形折疊層。根據(jù)這些實(shí)施方式的其它方面，所述第一電極層包含活性陰極材料，該陰極材料可被修補(bǔ)涂覆(patch coated)到基材上。根據(jù)可選的方面，所述第一電極層含有活性陽極材料。根據(jù)其它方面，所述折疊的隔膜在所述平板與折疊的第一電極層部分重疊的區(qū)域中與所述平板部分重疊，以防止第一電極層和第二電極板之間短路。折疊層的使用使得以例如第一電極層材料和隔膜層材料的連續(xù)或半連續(xù)卷、帶或網(wǎng)的形式的原材料制備電池相對(duì)簡單和便宜，第二電極板的使用使得電池的形成具有相對(duì)均勻的壓力分布。
[0014]根據(jù)公開的其它實(shí)施方式，制備電化學(xué)電池的方法包括以下步驟:將隔膜層以與第一電極層正交的方向放置在第一電極層上;將該隔膜層在其自身上折疊返回以形成第一隔膜部分、第二隔膜部分和兩部分間的第一開口，將第二隔膜部分上方的第一電極層折疊以形成在第一隔膜部分下面的第一個(gè)第一電極部分和在第二隔膜部分上面的第二個(gè)第一電極部分，以及將第二電極材料的第一片材放置在所述開口中。這些步驟可重復(fù)用于所需數(shù)量的第一電極、第二電極和隔膜部分，以獲得所需的電化學(xué)電池或電池組性質(zhì)。根據(jù)這些實(shí)施方式的示例性的方面，放置第一片材的步驟發(fā)生在在第二隔膜部分上方折疊第一電極層的步驟之前。根據(jù)可選的方面，放置第一片材的步驟發(fā)生在在第二隔膜部分上方折疊第一電極層的步驟之后。根據(jù)其它方面，所述方法還包括在第一電極層的第一部分的下面或在電化學(xué)電池的底部提供隔膜部分的步驟。以及，根據(jù)其它方面，所述方法還包括在第一電極材料頂部的上面或在電化學(xué)電池的頂端提供隔膜部分。根據(jù)其它方面，所述方法還包括通過第一電極層的折疊部分與第一電極層形成接觸的步驟。根據(jù)其它方面，所述方法包括使用在第二電極板上的接觸區(qū)域或部位與第二電極形成接觸的步驟，所述第二電極板沒有被活性電極材料覆蓋。以及，根據(jù)這些實(shí)施方式的其它方面，所述方法包括將第一電極層的折疊部分切割以形成邊緣部分，并在邊緣部分處或附近與第一電極形成接觸的步驟。
[0015]根據(jù)公開內(nèi)容的其它實(shí)施方式，電化學(xué)電池包括含有第一個(gè)第一電極部分的第一電極層;在第一電極層上面的第二電極層，所述第二電極層包含含有活性材料的第一表面和第二表