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    • 专利摘要:
    本發明係揭露一種心軸，用於藉由陰極/間隔層/陽極之一長片狀堆疊結構以製造膠捲式電極組之捲繞程序中，其中心軸垂直心軸旋轉中心軸之截面為橢圓形，而心軸之長軸與短軸長度比為1.5以上，在垂直心軸旋轉中心軸之截面中，心軸之外側的傾斜度會自心軸短軸的端部至心軸長軸的端部持續改變，如此一來，當片狀堆疊結構之一端部貼合於心軸中心區域捲繞於心軸上時，心軸配置有橢圓結構以減少於心軸等速旋轉期間來自心軸長軸的端部施加在片狀堆疊結構之捲繞應力。
    公开号:TW201304238A
    申请号:TW101109079
    申请日:2012-03-16
    公开日:2013-01-16
    发明作者:Jae-Cheol Jeong；Hak-Kyun Kim；Dong-Myung Kim；Sun-Hwan Kim；Chang-Sin Yeo
    申请人:Lg Chemical Ltd；
    IPC主号:H01M10-00
    专利说明:
    製備膠捲式電極組之心軸
    本發明係有關於一種用於製造膠捲式電極組之心軸，特別是一種用於藉由陰極/間隔層/陽極之一長片狀堆疊結構以製造膠捲式電極組之捲繞程序中，其中心軸垂直心軸旋轉中心軸之截面為橢圓形，而心軸之長軸與短軸長度比為1.5以上，在垂直心軸旋轉中心軸之截面中，心軸之外側的傾斜度會自心軸短軸的端部至心軸長軸的端部持續改變，如此一來，當片狀堆疊結構之一端部貼合於心軸中心區域捲繞於心軸上時，心軸配置有橢圓結構以減少於心軸等速旋轉期間來自心軸長軸的端部施加在片狀堆疊結構之捲繞應力。
    隨著移動裝置已日益發展，對於這些移動裝置的需求亦日益增加，而作為這些移動裝置能源的二次電池(secondary battery)需求也急劇增加。這些二次電池中，鋰二次電池具有能量密度高及放電電壓高等優勢，因此已進行了大量研究，目前已被商業性且廣泛地使用。
    依照電池外殼形狀，二次電池可分為圓柱形電池，其具有安裝在圓柱形金屬容器的電極組；棱柱形電池，其具有安裝在棱柱形金屬容器的電極組；或袋狀電池，其具有安裝在以鋁層壓板形成的袋狀外殼的電極組。
    此外，安裝在電池外殼的電極組是電力產生元件，具有陰極/間隔層/陽極的堆疊結構，可進行充電和放電。電極組可分為膠捲式電極組，配置有長片型陰極和長片型陽極的結構，其係使用活性材料並在陰極和陽極之間裝設間隔層進行捲繞；堆疊式電極組，配置有具有預定尺寸的複數個陰極和複數個陽極，且各層之間分別夾設有間隔層並依序堆疊的結構；或堆/折疊式電極組，配置有具有預定數量的陰極和陽極，且各層之間分別夾設有間隔層並依序堆疊，以建構出單元電池(unit cell)的結構，例如二分電池(bi-cell)或全電池(full cell)，然後再用隔離膜纏繞單元電池。膠捲式電極組具有容易製造及每單位質量的能量密度高等優點。
    同時，用於製造電極組的傳統心軸是以六角形92或在垂直剖面圖呈斜橢圓形(angled oval)的方式形成，如圖1所示。另外，傳統心軸整體皆由單一種金屬製成。傳統心軸具有以下問題。
    第一，Y軸速率的變化比X軸速率的變化還大，意即片狀堆疊結構線性速度的變化，例如電極，是在心軸90旋轉期間纏繞在心軸90上的。
    此外，力會集中在與心軸90的長軸端部96接觸之片狀堆疊結構的折疊部，此處在心軸90旋轉時具有最大迴轉半徑，造成當片狀堆疊結構接觸心軸時，在片狀堆疊結構的折疊部之加速度會增加，據此施加在片狀堆疊結構的折疊部的衝擊量將會增加。
    另外，在片狀堆疊結構折疊部的線性速度變化、以及施加在片狀堆疊結構折疊部的衝擊量係會增加片狀堆疊結構的殘餘應力。當在隨後過程中，如壓縮膠捲式電極組的過程中，將進一步產生應力施加於片狀堆疊結構的折疊部，因此，片狀堆疊結構的折疊部破裂，使電池的安全性降低。
    因此，從根本解決上述問題之技術係具極高之必要性。
    據此，本發明已解決了上述問題和其他待解決的技術問題。
    由於各種有關解決上述問題廣泛且深入的研究及實驗，本申請案的發明人已經發展出一心軸結構，以使心軸垂直其上之旋轉中心軸的截面是呈橢圓形，且心軸的長軸短軸長度比是一預定值或以上，以及心軸具有平滑的橢圓形結構，其中，在垂直心軸旋轉中心軸之截面中，心軸之外側的傾斜度會自心軸短軸端部至心軸長軸端部持續改變。此外，本發明發現當片狀堆疊結構的端部貼合心軸中央區域時，在心軸等速旋轉期間，來自心軸長軸端部並施加在片狀堆疊結構之捲繞應力會大幅減弱。本發明是基於這些發現而完成的。
    依據本發明之一態樣，上述及其他目的可藉由提供一心軸以完成，該心軸係用於藉由陰極/間隔層/陽極之一長片狀堆疊結構以製造膠捲式電極組之捲繞程序中，其中心軸垂直心軸旋轉中心軸之截面為橢圓形，而心軸之長軸與短軸長度比為1.5以上，在垂直心軸旋轉中心軸之截面中，心軸之外側的傾斜度會自心軸短軸的端部至心軸長軸的端部持續改變，如此一來，當片狀堆疊結構之一端部貼合於心軸中心區域捲繞於心軸上時，心軸配置有橢圓結構以減少於心軸等速旋轉期間來自心軸長軸的端部施加在片狀堆疊結構之捲繞應力。
    根據本發明的心軸，於垂直心軸旋轉中心軸的截面處，形成一個具有平滑曲線的橢圓形。因此，心軸截面可透過一個藉由心軸旋轉中心軸的橢圓方程式繪製曲線來決定，也因此，當片狀堆疊結構捲繞於心軸上時，將線性速度變化量最小化，進而降低片狀堆疊結構產生的應力。
    在一具體實施例中，傳統心軸90於垂直心軸90旋轉中心軸94的截面處，形成一六角形92，如圖一所示。據此，當片狀堆疊結構捲繞於心軸上時所產生的直線運動係由無固定半徑之心軸轉動所控制，而由於同時減少加速度的產生造成力變化，片狀堆疊結構的應力並不均勻
    舉例而言，理論上計算關於用來補償在片狀堆疊結構之X-軸速度(Vx)變化量的尺寸的校正值，似乎係由具有180度週期的函數所表示。然而，事實上，具有不同的傾斜角度且存在於180度的點是不可能被微分的。將位移微分可得到速度，因此，產生一個速度瞬間改變的點意味著加速度突然改變會造成衝擊量增加。
    這被認為是心軸非以橢圓截面進行旋轉而是以六角形截面進行旋轉而產生的現象。也就是說，當片狀堆疊結構捲繞於心軸上時，片狀堆疊結構於X軸產生的速度VX理論上近似sin θ。然而，事實上當θ=90度時不出現最大值，而是出現在小於90度時，例如，在一個約80度的角θ。這被認為是最大值，因為最大值存在於與旋轉運動的圓之相切點。
    另一方面，根據本發明的心軸，於垂直心軸旋轉中心軸的截面處，形成一個具有平滑曲線的橢圓形。因此，即使在大幅變化的心軸長軸端部上，力的變化還是遠少於傳統心軸。所以，施加在片狀堆疊結構上的力減少，因此，可減少施加在片狀堆疊結構上的捲繞應力，並同時將施加在片狀堆疊結構上的整體捲繞應力均勻化。
    根據以上定義，以心軸旋轉中心軸為基礎，心軸長軸對短軸的長度比為1.5或以上。如果到心軸長軸對短軸的長度比小於1.5，那麼上述現象是微不足道的。因此，本發明適用於心軸短軸和長軸的相對長度範圍滿足上述條件的情況。較佳地，心軸長軸對短軸的長度比為1.5至4。
    在較佳的例子裡，心軸分為第一心軸部及第二心軸部，第一心軸部設置於心軸中心區域與片狀堆疊結構貼合之一側，而第二心軸部設置於心軸中心區域之另一側。。因此，可調整心軸第一心軸部和第二心軸部之間的距離，進而簡單地調整膠捲式電極組的大小。
    在上述結構中，第一心軸部與第二心軸部可各自包括主體部，主體部具有被片狀堆疊結構貼合並佔據的一區域、以及具有心軸長軸一端部的邊緣部。
    在上述結構的一個例子中，邊緣部可由具有彈性模量低於主體部彈性模量的材料形成。因此當片狀堆疊結構捲繞在心軸上時，有可能降低片狀堆疊結構與邊緣部接觸而產生的衝擊量，進而減少片狀堆疊結構的損壞以及片狀堆疊結構的殘餘應力。較佳地，邊緣部的彈性模量是等於主體部彈性模量的0.001至0.5倍。
    也就是說，邊緣部是由較低的彈性模量所形成，相較於由高彈性模量所形成的主體部，其表現出較低的強度及較高的彈性。
    例如，主體部的彈性模量較佳是190至210 GPa，邊緣部的彈性模量是0.4至3GPa。更佳地，邊緣部的彈性模量是1至3 GPa。
    在一較佳的例子中，主體部可以一種金屬材料形成，邊緣部可以塑料材料形成。
    代表性金屬材料可包括不銹鋼(SUS)和模具鋼(SKD)；然而，金屬材料並不在此限。
    可使用各種塑料材料。例如，可使用工程塑料材料，其基於自我潤滑性質而具有高耐磨性和高耐久性。舉例而言，工程塑料材料可以選自由：聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(MPPO)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚醚醚酮(PEEK)所組成之群組；然而，工程塑料材料並不在此限。
    若在主體部和邊緣部為一體成型的情況下，則可以減少製造心軸的程序數目。
    如前所述，心軸配置有平滑的橢圓形結構，其中，在垂直心軸旋轉中心軸之截面中，心軸之外側的傾斜度會自心軸短軸端部至心軸長軸端部持續改變。這也可以描述為從心軸短軸的端部至心軸長軸的端部之間不存在任何沒有傾斜變化的區域。因此，心軸形成為稍長的形狀，且包括與心軸旋轉中心軸垂直的長軸與短軸段，而心軸被配置成具有連續且平滑改變傾斜度之心軸外側的結構。
    在一例子中，心軸長軸端部的曲率半徑不得小於心軸短軸長度的1/3倍，而心軸短軸端部的曲率半徑不得小於心軸長軸長度的1.5倍。較佳地，心軸長軸端部的曲率半徑介於心軸短軸長度的1/3至1倍，而心軸短軸端部的曲率半徑介於心軸長軸長度的1.5至3倍。
    根據情況，基於心軸旋轉中心軸而彼此面對之第一心軸部的一側以及第二心軸部的相對側可被配置為具有一錐形結構，當心軸在片狀堆疊結構貼合於其上而旋轉時，心軸接觸片狀堆疊結構的一側也不致於破裂。錐形結構的角度並無特別限制。舉例而言，錐形結構的角度可為約10到60度。
    依照本發明的另一態樣，是提供一種棱柱形鋰二次電池，其包括利用上述結構的心軸所製成的膠捲式電極組。
    在陰極/間隔層/陽極的片狀堆疊結構捲繞於心軸上後，心軸會被移除。所製造出的膠捲式電極組被壓縮和組設在一個棱柱形金屬容器中。將鋰電解液注入電極組中，再將電極密封以製造出棱柱形鋰二次電池。
    根據本發明的棱柱形鋰二次電池，它可以在製作膠捲式電極組的捲繞程序中，減少從心軸長軸端部施加於片狀堆疊結構的捲繞應力。因此，在將所製造的膠捲式電極組壓縮並設置於棱柱形金屬容器的情況下，它可以解決部份電極組破裂的問題，同時可在電池使用期間使棱柱形鋰二次電池保持著良好的性能和電池的安全性。
    此外，藉由使用如上所述在垂直截面具有橢圓結構的心軸捲繞片狀堆疊結構所獲得的電極組，相較於使用在垂直截面具有環形結構的傳統心軸捲繞片狀堆疊結構而獲得的電極組相比，前者可在垂直截面保持適當的稜柱形。因此，本發明尤其適於製造稜柱形二次電池。
    與本發明有關的基於膠捲式電極組的電池之其他元件及其製造方法均為本領域中眾所周知，因而在此並不詳細說明之。
    如上所述，很明顯的，根據本發明的心軸於垂直本身中心旋轉軸的截面是橢圓形的，心軸長軸對短軸的長度比為一預定值以上，心軸配置有平滑的橢圓形結構，其中，在垂直心軸旋轉中心軸之截面中，心軸之外側的傾斜度會自心軸短軸端部至心軸長軸端部持續改變。因此，當片狀堆疊結構之一端部貼合於心軸中心區域捲繞於心軸上時，於心軸等速旋轉期間來自心軸長軸的端部並施加在片狀堆疊結構之捲繞應力將大幅降低，進而確保電池的安全性。
    現在，本發明的示範性實施例將詳述本發明並請參考附圖。然而，應先指出，本發明的範圍不以說明實施例為限。本發明上述及其他目標、特徵和其他優點從以上敘述結合附圖可更加清楚地了解。
    圖2及圖3是根據本發明一實施例典型顯示的心軸截面圖，而圖4是圖2所示心軸的右側視圖。
    參考這些圖示，心軸100於垂直心軸100之旋轉中央軸30的截面為橢圓形，且心軸100的長軸長度H是心軸100的短軸長度D的兩倍左右。
    此外，心軸100配置有平滑的橢圓形結構，其中，在垂直心軸100之旋轉中心軸30之截面中，心軸100之外側的傾斜度會自心軸100短軸端部52至心軸長軸端部54持續改變。當片狀堆疊結構(圖未示出)之一端部貼合位於心軸100中心區域的凹陷部40而捲繞於心軸100上時，於心軸100等速旋轉期間來自心軸100長軸的端部54施加在片狀堆疊結構之捲繞應力將被降低。
    凹陷部40係具有一個用來支撐或釋放片狀堆疊結構端部的結構。
    心軸100區分為位於心軸100中心區域右側的第一心軸部10，片狀堆疊結構的一端部係貼合於此，以及位於心軸100中心區域左側的第二心軸部20。
    第一心軸部10和第二心軸部20各包含主體部14，其具有被片狀堆疊結構貼合並佔據的一區域、以及具有心軸100長軸一端部54的邊緣部12。根據此情況，邊緣部12可能為應用層，具有一預定厚度，以覆蓋主體部14之部分。
    主體部14由金屬材料形成，邊緣部12由塑料材料形成並表現出比主體部14還低的彈性模量。
    此外，主體部14和邊緣部12一般為一體成型的。在與心軸100的旋轉中心軸30垂直的截面中，從心軸100短軸的端部52至心軸100長軸的端部54之間不存在任何沒有傾斜變化的區域。也就是說，從心軸100短軸的端部52至心軸100長軸的端部54曲線為連續形成的。
    心軸100長軸端部54的曲率半徑約為心軸100短軸長度D的一半，而心軸100短軸端部52的曲率半徑R約為心軸100長軸長度H的1.5倍。
    此外，基於心軸100旋轉中心軸30而彼此面對之第一心軸部10的一側以及第二心軸部20的相應側可被配置為具有一錐形結構16。當心軸100在片狀堆疊結構貼合於其上而旋轉時，心軸接觸片狀堆疊結構的一側也不致於破裂。
    同時，主體部14和邊緣部12都配置有一凸型和一凹型的鎖固結構。
    雖然本發明示範性實施例為求說明已揭露完畢，但本領域中具有通常知識者可在不超出本發明精神及申請專利範圍的情況下作合理的修改、補充及替換。
    10‧‧‧第一心軸部
    12‧‧‧邊緣部
    14‧‧‧主體部
    16‧‧‧錐形結構
    20‧‧‧第二心軸部
    22‧‧‧邊緣部
    24‧‧‧主體部
    30‧‧‧旋轉中心軸
    40‧‧‧凹陷部
    52‧‧‧短軸端部
    54‧‧‧長軸端部
    90‧‧‧傳統心軸
    92‧‧‧六角形
    94‧‧‧旋轉中心軸
    96‧‧‧長軸端部
    100‧‧‧本發明心軸
    D‧‧‧短軸長
    H‧‧‧長軸長
    R‧‧‧短軸端部曲率半徑
    圖1係傳統心軸之截面圖。
    圖2及圖3係根據本發明一實施例之心軸之截面圖。
    圖4係圖2所示心軸之右側面圖。
    10‧‧‧第一心軸部
    12‧‧‧邊緣部
    14‧‧‧主體部
    16‧‧‧錐形結構
    20‧‧‧第二心軸部
    22‧‧‧邊緣部
    24‧‧‧主體部
    30‧‧‧旋轉中心軸
    40‧‧‧凹陷部
    100‧‧‧本發明心軸
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] 一種心軸，係用於利用陰極/間隔層/陽極之一長片狀堆疊結構以製造膠捲式電極組之捲繞程序中；其中該心軸垂直該心軸旋轉中心軸之截面係為橢圓形，而該心軸之一長軸與一短軸之長度比係為1.5或以上；以及該心軸之一外側具有一傾斜度，於垂直該心軸旋轉中心軸之截面中，該傾斜度從該心軸之該短軸之一端部至該心軸之該長軸之一端部持續改變，使於該片狀堆疊結構以該片狀堆疊結構之一端部貼合於該心軸之一中心區域捲繞於該心軸上時，該心軸配置有一橢圓結構以減少於該心軸等速旋轉期間來自該心軸之該長軸之該端部施加在該片狀堆疊結構之捲繞應力。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之心軸，其中該心軸之該長軸與該短軸之長度比係為1.5至4之間。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之心軸，其中該心軸係分為一第一心軸部及一第二心軸部，該第一心軸部設置於該心軸之該中心區域並與該片狀堆疊結構貼合之一側，而該第二心軸部設置於該心軸之該中心區域之另一側。
    [4] 如申請專利範圍第3項所述之心軸，其中該第一心軸部與該第二心軸部各自包括一主體部，該主體部具有一區域及一邊緣部，其中該片狀堆疊結構貼合並佔據該區域，且該邊緣部包含該心軸之長軸之一端部。
    [5] 如申請專利範圍第4項所述之心軸，其中形成該邊緣部之材料之彈性模量係小於該主體部之材料之彈性模量。
    [6] 如申請專利範圍第4項所述之心軸，其中該主體部係由一金屬材料形成，該邊緣部係由一塑料材料形成。
    [7] 如申請專利範圍第6項所述之心軸，其中該邊緣部係以一工程塑料材料形成。
    [8] 如申請專利範圍第7項所述之心軸，其中該工程塑料材料係選自由：聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(MPPO)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚醚醚酮(PEEK)所組成之群組。
    [9] 如申請專利範圍第4項所述之心軸，其中該主體部與該邊緣部係為一體成形。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之心軸，其中在垂直該心軸旋轉中心軸之截面中，該心軸之該短軸之該端部至該心軸之該長軸之該端部之間係不具有無傾斜度改變之區域。
    [11] 如申請專利範圍第1項所述之心軸，其中該心軸之該長軸之該端部之一曲率半徑係不小於該心軸之該短軸長度之1/3倍，且該心軸之該短軸之該端部之一曲率半徑係不小於該心軸之該長軸長度之1.5倍。
    [12] 如申請專利範圍第3項所述之心軸，其中基於該心軸之該旋轉中心軸彼此互相面對之該第一心軸部之一側與該第二心軸部之一相對側係配置有一錐形結構，於該心軸在該片狀堆疊結構貼合該心軸而旋轉時，該心軸接觸該片狀堆疊結構之一側係不會破裂。
    [13] 一種稜柱形鋰二次電池，包括：利用如申請專利範圍第1項至第12項之任一項所述之心軸以製造之膠捲式電極組。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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