电极组件、电池以及电池组和包括该电池组的车辆的制作方法

本公开涉及一种电极组件、电池以及电池组和包括该电池组的车辆。本技术要求2022年7月20日在韩国提交的韩国专利申请号10-2022-0089945的优先权，这些专利申请的公开内容通过引用并入本文中。

背景技术：

1、容易适用于各种产品组并具有诸如高能量密度之类的电特性的二次电池不仅普遍应用于便携式装置，而且普遍应用于由电驱动源驱动的电动车辆(ev)或混合动力电动车辆(hev)。

2、因为这些二次电池具有可以显著减少化石燃料的使用的主要优点以及没有由能量的使用产生副产物的次要优点，所以它们作为一种用于改善生态友好性和能量效率的新能源而受到关注。

3、目前本领域中广泛使用的二次电池类型包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等。单元二次电池(即，单元电池)的操作电压约为2.5v至4.5v。因此，当需要更高的输出电压时，可以通过串联连接多个电池来配置电池组。此外，可以根据电池组所需的充/放电容量，并联连接多个电池来形成电池组。因此，可以根据所需的输出电压和/或充电/放电容量来不同地设定包括在电池组中的电池的数量和电连接的形式。

4、同时，作为一种单元二次电池，已知有圆柱形、矩形和袋型电池。在圆柱形电池的情况下，用作绝缘体的隔膜插设在正极和负极之间，并且它们卷绕以形成卷芯形式的电极组件，该电极组件插入到电池壳体中以配置电池。本领域中将电池壳体称为电池罐。此外，条形电极接头可以连接到正极和负极中的每一者的未涂覆部，并且电极接头电连接电极组件和暴露于外部的电极端子。作为参考，正极端子是密封电池壳体的开口的密封体的帽，并且负极端子是电池壳体。然而，根据具有这种结构的常规圆柱形电池，因为电流集中在联接到正极的未涂覆部和/或负极的未涂覆部的条形电极接头中，由于电阻大并且发热大，集流效率不好。

5、对于具有形状因子1865(直径：18mm，高度：65mm)或形状因子2170(直径：21mm，高度：70mm)的小圆柱形电池，电阻和热不是主要问题。然而，当形状因子增大以将圆柱形电池应用于电动车辆时，圆柱形电池可能起火，同时在快速充电过程期间电极接头周围产生大量热。

6、为了解决此问题，提供了一种圆柱形电池(所谓的无接头圆柱形电池)，其中正极的未涂覆部和负极的未涂覆部设计成分别定位在卷芯型电极组件的顶部和底部，并且集流体焊接到未涂覆部以改善集流效率。

7、图1至图3是示出制造无接头圆柱形电池的过程的图。图1示出了电极的结构，图2示出了卷绕电极的过程，并且图3示出了将集流体焊接到未涂覆部的弯折表面的过程。

8、参考图1至图3，正极10和负极11具有这样一种结构，在该结构中，片形集流体20涂覆有活性材料层21，并且包括沿卷绕方向x的一个长边处的未涂覆部22。长边是指在平行于x轴方向的方向上长度相对较长的边。

9、如图2中所示，通过将正极10和负极11与两片隔膜12顺序堆叠在一起，然后沿一个方向x将其卷绕来制造电极组件a。此时，正极10以及负极11的未涂覆部布置在相反方向上。

10、在卷绕过程之后，正极10的未涂覆部10a和负极11的未涂覆部11a朝芯弯折。此后，集流体30、31分别焊接并联接到未涂覆部10a、11a。

11、电极接头不单独联接到正极未涂覆部10a和负极未涂覆部11a，集流体30、31连接到外部电极端子，并且电流路径形成为沿电极组件a的卷绕轴线方向(参见箭头)具有大的横截面面积，这具有降低电池的电阻之优点。这是因为电阻与电流流过的路径的横截面面积成反比。

12、在无接头圆柱形电池中，为了改善未涂覆部10a、11a和集流体30、31的焊接特性，必须向未涂覆部10a、11a的焊接区施加强压力以使未涂覆部10a、11a弯折得尽可能平坦。

13、然而当弯折未涂覆部10a、11a的焊接区时，未涂覆部10a、11a的形状可能不规则地扭曲和变形。在这种情况下，变形部可能会与相反极性的电极接触，从而导致内部短路或导致未涂覆部10a、11a中的微细裂纹。此外，当未涂覆部10a、11a弯折时，由于邻近电极组件a的芯的未涂覆部32弯折时，电极组件a的芯中的腔33的全部或大部分被阻挡。此外，电极组件a的芯形状可能无法维持其原始形状并且可能塌陷。在这种情况下，在电解质注入过程中造成问题。即，电极组件a的芯中的腔33用作注入电解质的通道。然而，如果相应的通道被阻挡，则难以注入电解质。此外，当电解质注入器插入腔33中时，电解质注入器可能干涉芯附近的未涂覆部32，这可能导致将未涂覆部32撕裂。

14、此外，未涂覆部10a、11a的焊接集流体30、31的弯折部应当在多个层中交叠，并且不应当存在任何空白空间(间隙)。以此方式，可以获得足够的焊接强度，并且即使利用诸如激光焊接之类的最新技术，也可以防止激光穿透到电极组件a中并且熔化隔膜或活性材料。

15、同时，常规的无接头圆柱形电池的正极未涂覆部10a完全形成在电极组件a的上部分上。因此，当电池壳体的顶部的外周被向内按压以形成卷边部时，电极组件a的顶部边缘区域34会受到电池壳体的按压。这种压力可能会导致电极组件a局部变形，此时，隔膜12可能会撕裂，造成内部短路。如果电池内部发生短路，电池可能会发热或爆炸。

技术实现思路

1、技术问题

2、本公开旨在解决现有技术的问题，因此本公开涉及提供一种电极组件，该电极组件具有改善的未涂覆部结构，以减轻当弯折暴露在电极组件的两端的未涂覆部时施加到未涂覆部的应力。

3、本公开还旨在提供一种电极组件，在该电极组件中，即使在未涂覆部弯折时电解质注入通道也不会被阻挡。

4、本公开还旨在提供一种电极组件，该电极组件具有这样一种结构，当对电池壳体的顶部进行卷边时，该结构可以防止电极组件的顶部边缘与电池壳体的内表面接触。

5、本公开还旨在通过向电极的未涂覆部应用节段结构，并在用作焊接目标区的区域内优化节段的尺寸(宽度、高度和分离间距)以充分增大节段堆叠数量，从而提供改善了焊接区的性能的电极组件。

6、本公开还旨在提供一种电极组件，在该电极组件中，在通过在电极的未涂覆部中沿卷绕方向重复形成切割槽而形成多个节段时，通过优化切割槽的下部结构，提高切割槽的开槽质量。

7、本公开还旨在提供一种电极组件，在该电极组件中，在通过在电极的未涂覆部中沿卷绕方向重复形成切割槽而形成多个节段时，通过相对调整切割槽的底部处的未涂覆部的高度和与电极组件的芯相邻的区域的未涂覆部的高度，芯形状不会塌陷。

8、本公开还旨在通过应用将集流体焊接到通过弯折节段而形成的弯折表面区的宽广区域的结构，提供能量密度增大并且电阻降低的电极组件。

9、本公开还旨在提供一种电池，该电池具有改进的端子设计，使得电气布线可以在电池的上部分处执行。

10、本公开还旨在提供包括具有改善结构的电极组件的电池、包括该电池的电池组以及包括该电池组的车辆。

11、本公开所要解决的技术目的不限于此，本领域技术人员根据以下公开内容可以清楚地理解本文未提及的其它目的。

12、技术方案

13、在本公开的一个方面中，提供了一种电极组件，包括：第一电极；第二电极；以及插设在所述第一电极和所述第二电极之间的隔膜，所述第一电极、所述第二电极和所述隔膜绕卷绕轴线卷绕，从而限定所述电极组件的芯和外周，其中，所述第一电极包括沿卷绕方向涂覆有活性材料层的第一活性材料部以及未涂覆活性材料层并暴露在隔膜之外的第一未涂覆部，所述第一未涂覆部包括邻近所述电极组件的所述芯的第一部分、邻近所述电极组件的所述外周的第二部分以及所述第一部分和所述第二部分之间的第三部分，所述第三部分通过沿所述卷绕轴线方向形成多个切割槽而包括沿所述卷绕方向间隔开的多个节段，并且所述第一部分的高度相对低于所述切割槽的底部处的所述未涂覆部的高度。

14、在本公开中，高度差异为相对差异。可以任意选择用于高度测量的标准点。

15、一方面，高度测量标准点可以是活性材料层的端部。

16、绝缘涂覆层可以设置在第一未涂覆部与活性材料层之间的边界处。

17、另一方面，高度测量标准点可以是绝缘涂覆层的端部。

18、基于所述活性材料层或所述绝缘涂覆层的端部，所述第一部分的高度可以是位于所述切割槽的所述底部处的所述未涂覆部的高度的0％至95％。

19、基于所述活性材料层或所述绝缘涂覆层的端部，所述第一部分的高度可以是位于所述切割槽的所述底部处的所述未涂覆部的高度的37.5％至62.5％。

20、所述第二部分的高度可以相对低于位于所述切割槽的所述底部处的所述未涂覆部的高度。

21、基于所述活性材料层或所述绝缘涂覆层的端部，所述第二部分的高度可以是位于所述切割槽的所述底部处的所述未涂覆部的高度的0％至95％。

22、基于所述活性材料层或所述绝缘涂覆层的端部，所述第二部分的高度可以是位于所述切割槽的所述底部处的所述未涂覆部的高度的37.5％至62.5％。

23、所述第一电极的集流体可以比所述第二电极的集流体薄。

24、所述第一电极的所述集流体可以是铜箔，并且所述第二电极的所述集流体可以是铝箔。

25、所述第一电极可以是负极。

26、在本公开的另一方面中，还提供一种电池，所述电池包括：具有上述特征之一的电极组件；电池壳体，所述电池壳体具有开放端和与之相对的底部分，配置为在所述开放端和所述底部分之间的空间中容纳所述电极组件，并与所述第一电极和所述第二电极中的一者电连接以具有第一极性；密封体，所述密封体配置为密封所述电池壳体的所述开放端；以及端子，所述端子的表面暴露于外部，与所述第一电极和所述第二电极中的另一者电连接以具有第二极性。

27、所述密封体可以包括：帽板，所述帽板配置为密封所述电池壳体的所述开放端；以及垫圈，所述垫圈配置为围绕所述帽板的边缘并压接到所述电池壳体的所述开放端的垫圈，并且具有所述第二极性的所述端子可以是所述帽板。

28、所述的电池还可以包括：集流体，所述集流体与具有所述第一极性的所述第一电极的所述未涂覆部电连接，并且其边缘至少局部地与所述电池壳体的侧壁联接。在这种情况下，所述密封体可以包括帽板和垫圈，所述垫圈配置为围绕所述帽板的边缘并压接到所述电池壳体的所述开放端，并且所述电池壳体可以包括铆接端子，所述铆接端子安装成在底部分的中心中形成的穿孔中绝缘，并且与所述第二电极电连接以具有所述第二极性。

29、所述帽板可以没有极性。

30、在本公开的又一方面中，还提供一种包括多个上述电池的电池组，并且还提供包括所述电池组的车辆。

31、有益效果

32、根据本公开的一个方面，通过使用在电极组件的上部分和下部分上突出的未涂覆部自身作为电极接头，可以减小电池的内阻并且可以增大能量密度。

33、根据本公开的另一方面，通过改进电极组件的未涂覆部的结构，使电极组件和电池壳体的内周在形成电池壳体的卷边部的过程中不发生干涉，可以防止由于电极组件的局部变形而导致圆柱形电池内部发生短路。

34、根据本公开的又一方面，通过改进电极组件未涂覆部的结构，可以防止未涂覆部在弯折时被撕裂，并且可以通过充分增加未涂覆部的交叠层数来提高集流体的焊接强度。

35、根据本公开的又一方面，通过向电极的未涂覆部应用节段结构，并优化节段的尺寸(宽度、高度、分离间距)以充分增大用作焊接目标区的区域内的节段堆叠数量，可以改善焊接集流体的区域的物理性能。

36、根据本公开的又一方面，在通过在电极的未涂覆部中沿卷绕方向重复形成切割槽而形成多个节段时，通过优化切割槽的下部结构，可以提高切割槽的质量。

37、根据本公开的又一方面，在通过在电极的未涂覆部中沿卷绕方向重复形成切割槽而形成多个节段时，通过相对调整切割槽的底部处的未涂覆部的高度和与电极组件的芯相邻的区域的未涂覆部的高度，可以防止芯形状塌陷。

38、根据本公开的又一方面，通过应用将集流体焊接到通过弯折节段形成的弯折表面区的宽广区域的结构，可以提供具有增大的能量密度和减小的电阻的电极组件。

39、根据本公开的又一方面，可以提供一种圆柱形电池，该圆柱形电池具有改善的设计，使得可以在其上部分执行电气布线。

40、根据本公开的又一实施方式，由于改善了与电极组件的芯相邻的未涂覆部的结构，因此可以防止在未涂覆部弯折时阻挡电极组件的芯中的腔。因此可以容易地实施电解质注入过程和电池壳体(或端子)与集流体焊接的过程。

41、根据本公开的又一方面，可以提供一种圆柱形电池以及包括该圆柱形电池的电池组和车辆，该圆柱形电池具有内阻低、内部短路被防止并且集流体与未涂覆部之间的焊接强度改善的结构。

42、特别地，本公开可以提供直径与高度比为0.4以上并且电阻为4毫欧姆以下的圆柱形电池，并且可以提供包括该圆柱形电池的电池组和车辆。

43、此外，本公开可以具有若干其它效果，并且将在每个实施方式中描述这样的效果，或者对于本领域技术人员可以容易推断出的效果将省略任何描述。