包含絕緣層的電極結(jié)構(gòu)體、其制造方法及包含所述電極結(jié)構(gòu)體的電化學(xué)器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠改善電化學(xué)器件的性能和安全性的電極結(jié)構(gòu)體，更具體而言，涉及一種能夠代替隔膜的形成有涂層的電極結(jié)構(gòu)體及其制造方法，和包含所述電極結(jié)構(gòu)體的電化學(xué)器件。
[0002]本申請要求于2013年5月8日在韓國提交的第10-2013-0052077號韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容通過參引納入本說明書中。
【背景技術(shù)】
[0003]最近，人們對儲能技術(shù)的興趣不斷增加。由于儲能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已延伸至移動電話、攝像機、筆記本電腦，且甚至是電動汽車，對電化學(xué)器件的研宄和開發(fā)已做出越來越多的努力。在這方面，電化學(xué)器件已吸引了最多的注意力。其中，可充放電的二次電池的開發(fā)已成為關(guān)注的焦點。近些年，在對這種電池開發(fā)的過程中，廣泛研宄和開發(fā)已集中在設(shè)計新型的電極和電池上，以便改進(jìn)電池的容量密度和比能。
[0004]在目前使用的二次電池中，開發(fā)于20世紀(jì)90年代初的鋰離子二次電池受到大量的關(guān)注，這是由于其比常規(guī)的使用電解質(zhì)水溶液的電池(例如N1-MH電池、N1-Cd電池和H2SO4-Pb電池等)具有更高的工作電壓和高得多的能量密度的優(yōu)點。然而，所述鋰二次電池具有由使用有機電解質(zhì)溶液所引起的、與安全性相關(guān)的問題(例如，起火和爆炸等)和制造復(fù)雜的缺點。
[0005]所述電化學(xué)器件由許多公司生產(chǎn)，但其安全性特性各自顯示不同的現(xiàn)象。對電化學(xué)器件的安全性評估和安全性確保是很重要的。最重要的注意事項之一是電化學(xué)器件在誤操作時不應(yīng)對用戶造成傷害，為此，安全標(biāo)準(zhǔn)對電化學(xué)器件內(nèi)的起火和爆炸等施加嚴(yán)格的規(guī)章制度。在電化學(xué)器件的安全性特性方面，電化學(xué)器件在發(fā)生電化學(xué)器件過熱而發(fā)生熱逃逸時、或發(fā)生隔膜穿透時發(fā)生爆炸的風(fēng)險高。
[0006]特別地，通常用作電化學(xué)器件的隔膜的聚烯烴類隔膜在高溫下相對于初始尺寸具有熱收縮的缺點，這是由于隔膜材料的特性(例如，聚烯烴通常在等于或小于200°C的溫度下熔融的特性)，及加工特性(例如，通過拉伸(stretching)過程以調(diào)節(jié)孔徑和孔隙率的特性等)。因此，當(dāng)電池的溫度因內(nèi)部/外部的刺激而上升時，在正極(cathode)和負(fù)極(anode)之間因隔膜的收縮或熔融等而互相發(fā)生短路的可能性高，因此，所述電池由于電能的釋放等而發(fā)生爆炸等的風(fēng)險高。
[0007]因此，為了改善聚烯烴類隔膜的問題，需要技術(shù)開發(fā)一種起到隔膜的作用，同時能夠改善電化學(xué)器件的性能和安全性的材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]摶術(shù)問題
[0009]本發(fā)明的目的是解決上述問題，并在正極和負(fù)極中至少之一的表面上形成由無機顆粒和粘合劑制成的絕緣層。在這種情況下，在干燥用于絕緣層的漿料之后，將用于絕緣層的楽料轉(zhuǎn)印并熱壓(thermocompressing)到已干燥的用于電極活性材料層的楽料，由此制造電極結(jié)構(gòu)體，以便可以簡化電極結(jié)構(gòu)體的制造過程，同時可以解決電池的穩(wěn)定性問題，且本發(fā)明旨在提供一種用于制造所述電極結(jié)構(gòu)體的方法。
_0] 技術(shù)方案
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于制造電極結(jié)構(gòu)體的方法，其包括:(SI)在置于已加熱的底表面的電極集電器上涂布并干燥用于電極活性材料層的漿料的步驟；
(S2)在位于距所述底表面規(guī)定距離處的加熱輥(heated roller)上涂布并干燥包含無機顆粒、粘合劑和溶劑的用于絕緣層的漿料的步驟；以及(S3)將已干燥的用于絕緣層的漿料轉(zhuǎn)印到底表面上的、已干燥的用于電極活性材料層的漿料，并熱壓已干燥的用于絕緣層的漿料和已干燥的用于電極活性材料層的漿料，由此在電極表面形成絕緣層。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一實施方案，當(dāng)熱壓已干燥的用于絕緣層的漿料和已干燥的用于電極活性材料層的漿料時，可將多孔基底置于所述已干燥的用于絕緣層的漿料和所述已干燥的用于電極活性材料層的漿料之間。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述已加熱的底表面的溫度可為40至200°C，所述加熱輥的溫度可為40至200°C。另外，所述已加熱的底表面與加熱輥之間的距離可為0.01至10mm。并且，在進(jìn)行所述熱壓時的加壓條件可為I至500kgf/cm2。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述底表面可為連接于移動單元的帶(belt)的形狀。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述溶劑可為選自丙酮(acetone)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、二氯甲燒(methylene chloride)、氯仿(choloroform)、二甲基甲酰胺(dimethylformamide)、二甲基乙酰胺(dimethylacetamide)、六甲基磷酰三胺(hexamethyIphosphoamide)、乙腈(acetonitrile)、環(huán)己酉同(cyclohexanone)、N-甲基-2-卩比略燒酮(N-methyl_2pyrrolidone，NMP)、環(huán)己燒(cyclohexane)和水(蒸館?水)中的任意一種溶劑，或其兩種以上的混合物。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述粘合劑可為選自偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(polyvinylidene fluoride-co-hexafIuoropropyIene) > 偏二氟乙稀-三氯乙稀共聚物(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene)、聚甲基丙稀酸甲醋(polymethylmethacrylate)、聚丙稀酸丁酉旨(polybutylacrylate)、聚丙稀腈(polyacrylonitrile)、聚乙稀 R比略燒酮(polyvinylpyrrolidone) > 聚乙酸乙稀酉旨(polyvinyIacetate)、乙稀-乙酸乙稀醋共聚物(polyethylene-co-vinylacetate)、聚環(huán)氧乙燒(polyethylene oxide)、聚芳酉旨(polyarylate)、乙酸纖維素(celluloseacetate)、乙酸丁酸纖維素(cellulose acetate butyrate)、乙酸丙酸纖維素(cellulose acetate prop1nate)、氛乙基普魯蘭(cyanoethylpullulan)、氛乙基聚乙稀醇(cyanoethylpolyvinylalcohol)、氛乙基纖維素(cyanoethylcellulose)、氛乙基鹿糖(cyanoethylsucrose)、普魯蘭(pullulan)、羧甲基纖維素(carboxyl methyl cellulose，CMC)和丁苯橡膠(styrene-butadiene rubber, SBR)中的任意一種粘合劑聚合物，或其兩種以上的混合物。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，已熱壓的絕緣層的厚度可為I至100 μ m。
[0018]此外，無機顆粒的平均粒徑可為0.001至10 μ m，且無機顆粒與粘合劑聚合物的重量比可為50:50至99:1。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，已熱壓的電極活性材料層的厚度可為0.5至200 μπι。
[0020]此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種通過所述制造方法來制造的電極結(jié)構(gòu)體。在這種情況下，當(dāng)電極活性材料為正極活性材料時，所述電極結(jié)構(gòu)體為正極結(jié)構(gòu)體；而當(dāng)電極活性材料為負(fù)極活性材料時，所述電極結(jié)構(gòu)體為負(fù)極結(jié)構(gòu)體。
[0021]因此，所述電極結(jié)構(gòu)體可為如下一種電極結(jié)構(gòu)體，所述電極結(jié)構(gòu)體包括:電極集電器；置于所述電極集電器上的電極活性材料層；及絕緣層，其置于所述電極活性材料層上，并且由包含無機顆粒、粘合劑和溶劑的用于絕緣層的漿料形成，其中電極活性材料層和絕緣層之間的粘合力為0.5gf/mm至100gf/mm，且整體化形成電極活性材料層和絕緣層。
[0022]此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包含正極、負(fù)極和電解質(zhì)溶液的電化學(xué)器件，其中所述正極和負(fù)極至少之一是通過所述制造方法制造的電極結(jié)構(gòu)體，并且所述電化學(xué)器件可為鋰二次電池。
[0023]有益效果
[0024]根據(jù)本發(fā)明的制造方法，電極活性材料層和絕緣層的涂布、干燥和軋制不是分開進(jìn)行的，而是在干燥電極活性材料層和絕緣層后，同時進(jìn)行熱壓，因此可以簡化本發(fā)明的電極的成形過程。此外，形成電極活性材料層和絕緣層整體化連接的孔結(jié)構(gòu)，且可通過改善電極活性材料層和絕緣層的粘合而實現(xiàn)更強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且在等于或高于200°C的溫度下也可以實現(xiàn)高尺寸穩(wěn)定性。此外，電解質(zhì)溶液的潤濕性比常規(guī)的多孔聚烯烴類隔膜相比高得多，且可消除關(guān)于多孔烯烴隔膜的收縮和熔化的顧慮并可提高穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0025]所述附圖闡明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案并與上述公開內(nèi)容一起有助于本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)的進(jìn)一步理解。因此，本發(fā)明不應(yīng)解釋為局限于附圖。
[0026]圖1是示出對本發(fā)明的一實施方案的絕緣層進(jìn)行熱壓的方法的圖。
[0027]圖2是示出對本發(fā)明的另一實施方案的絕緣層進(jìn)行熱壓的方法的圖。
[0028]圖3是示意性示出將本發(fā)明的包括絕緣層的電極結(jié)構(gòu)體應(yīng)用于電池的情況的圖。
[0029]圖4是顯示本發(fā)明的包括絕緣層的電極結(jié)構(gòu)體的橫截面結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
[0030]圖5是顯示本發(fā)明的包括絕緣層的電極結(jié)構(gòu)體的表面的SHM圖像。
【具體實施方式】
[0031]在下文中，將會對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。在描述之前，應(yīng)理解，在本說明書和所附權(quán)利要求中所用的術(shù)語不應(yīng)解釋為局限于常規(guī)含義和詞典含義，而應(yīng)在允許發(fā)明人為進(jìn)行最佳解釋而對術(shù)語進(jìn)行適當(dāng)定義的原則基礎(chǔ)上，基于與本發(fā)明的技術(shù)現(xiàn)狀相符合的含義和概念進(jìn)行解釋。因此，本文中提出的實施方案僅僅只是為了闡述優(yōu)選實施例，而不旨在限制本發(fā)明范圍，因此應(yīng)理解的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對其做出其他等效方案和改變。
[0032]本發(fā)明涉及一種用于制造電極結(jié)