本公開涉及一種電極組件、圓柱形電池以及包括該圓柱形電池的電池組和車輛。本技術(shù)要求2023年9月27日在韓國提交的韓國專利申請(qǐng)no.10-2023-0130705和2024年9月27日在韓國提交的韓國專利申請(qǐng)no.10-2024-0131910的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

1、能夠易于應(yīng)用于各種產(chǎn)品組并且具有諸如高能量密度的電特性的二次電池不僅普遍應(yīng)用于便攜式設(shè)備，而且還普遍應(yīng)用于由電驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛(ev)或混合動(dòng)力車輛(hev)。

2、這些二次電池因?yàn)槠渚哂心軌蝻@著減少化石燃料的使用的主要優(yōu)點(diǎn)以及不會(huì)由于使用能量而產(chǎn)生副產(chǎn)物的次要優(yōu)點(diǎn)，而作為用于改善生態(tài)友好性和能源效率的新能源受到關(guān)注。

3、目前在本領(lǐng)域中廣泛使用的二次電池包括鋰離子電池、鋰聚合物電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鎳鋅電池等。二次電池具有約2.5v至4.5v的工作電壓。因此，當(dāng)需要更高的輸出電壓時(shí)，可以通過串聯(lián)連接多個(gè)二次電池來構(gòu)成電池組。此外，根據(jù)電池組所需的充電/放電容量，多個(gè)二次電池可以并聯(lián)連接以形成電池組。因此，電池組中包括的電池的數(shù)量和電連接的形式可以根據(jù)所需的輸出電壓和/或充電/放電容量進(jìn)行不同的設(shè)置。

4、與此同時(shí)，作為一種二次電池，已知圓柱形電池、矩形電池和袋型電池。在圓柱形電池的情況下，在正極與負(fù)極之間插設(shè)作為絕緣體的隔膜，并且將它們卷繞以形成蛋糕卷形式的電極組件，將電極組件插入電池殼體(罐)中以構(gòu)成電池。此外，條形電極接頭可以連接到正極和負(fù)極中的每一者的未涂覆部，并且電極接頭將電極組件與暴露在外部的電極端子電連接。供參考，正極端子是密封電池殼體的開口的密封體的蓋，并且負(fù)極端子是電池殼體。然而，根據(jù)具有這種結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)圓柱形電池，因?yàn)殡娏骷性诼?lián)接到正極的未涂覆部和/或負(fù)極的未涂覆部的條形電極接頭中，所以由于大的電阻和大的發(fā)熱量，集流效率不佳。

5、對(duì)于形狀因數(shù)為1865(直徑：18mm，高度：65mm)或形狀因數(shù)為2170(直徑：21mm，高度：70mm)的小型圓柱形電池，電阻和熱量并非主要問題。然而，當(dāng)增大形狀因數(shù)以將圓柱形電池應(yīng)用于電動(dòng)車輛時(shí)，在快速充電過程期間圓柱形電池可能在電極接頭周圍產(chǎn)生大量熱量的同時(shí)著火。

6、為了解決這個(gè)問題，提供一種圓柱形電池(所謂的無接頭圓柱形電池)，其中正極的未涂覆部和負(fù)極的未涂覆部被設(shè)計(jì)成分別位于蛋糕卷型電極組件的頂部和底部處，并且集流體被焊接到未涂覆部以提高集流效率。

7、圖1至圖3是示出制造無接頭圓柱形電池的過程的示意圖。圖1示出電極的結(jié)構(gòu)，圖2示出卷繞電極的過程，并且圖3示出將集流體焊接到未涂覆部的彎曲表面區(qū)域的過程。

8、參照?qǐng)D1至圖3，正極10和負(fù)極11包括具有一對(duì)短邊和一對(duì)長邊的片狀集流體20，以及由涂覆在集流體20的表面上的活性材料層形成的涂覆部21。此外，正極10和負(fù)極11在沿卷繞方向x的一條長邊上包括未涂覆部22。

9、如圖2所示，通過使正極10和負(fù)極11與兩片隔膜12一起依次層疊，并且然后沿一個(gè)方向x卷繞它們來制造電極組件a。正極10和負(fù)極11的層疊順序可以與圖中所示的順序相反。正極10和負(fù)極11的未涂覆部基于電極組件a的卷繞軸線方向沿相反方向布置，并且延伸并暴露于隔膜12的外部。

10、在卷繞過程之后，正極10的未涂覆部10a和負(fù)極11的未涂覆部11a朝芯部彎曲。為了順利折疊，可以將正極10的未涂覆部10a和負(fù)極11的未涂覆部11a劃分成多個(gè)可獨(dú)立折疊的節(jié)段。此后，集流體30、31通過焊接分別聯(lián)接到折疊的未涂覆部10a、11a。

11、未另外將電極接頭聯(lián)接到正極未涂覆部10a和負(fù)極未涂覆部11a，集流體30、31連接到外部電極端子，并且沿電極組件a的卷繞軸線方向(見箭頭)形成具有大的橫截面積的電流路徑，這具有降低電池的電阻的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)殡娮枧c電流流過的路徑的橫截面積成反比。

12、與此同時(shí)，用于電動(dòng)車輛的形狀因數(shù)為4680的圓柱形電池的開發(fā)正在積極進(jìn)行。圓柱形電池的直徑為46mm，并且高度為80mm。在電動(dòng)車輛市場上，需要增加電池的容量以增加行駛里程。因此，期望圓柱形電池的直徑和高度在未來進(jìn)一步增加。

13、隨著圓柱形電池的直徑的增加，電極組件a的直徑也相應(yīng)增加。鋰離子電池被設(shè)計(jì)為負(fù)極容量大于正極容量。因此，在電極組件a的卷繞方向上，負(fù)極11的長度長于正極10的長度。

14、考慮到電極之間的長度差異，當(dāng)卷繞電極組件a時(shí)，負(fù)極11的卷繞在正極10之前開始，并且負(fù)極11的卷繞在正極10之后完成。由于電極組件a的這種卷繞特性，如果電極組件a的直徑增大，就變得難以管理電極組件a的圓度(circularity)。這里，圓度是指當(dāng)電極組件a垂直于卷繞軸線方向被切割時(shí)的橫截面的圓度。

15、根據(jù)研究，電極組件a的圓度根據(jù)正極10和負(fù)極11的卷繞起點(diǎn)和卷繞終點(diǎn)的位置而變化。此外，電極組件a的圓度還受電極的蜿蜒(meandering)和卷繞設(shè)備的公差的影響。因此，隨著電極組件a的直徑增大，電極組件a的圓度變得更加難以管理。

16、在將電極組件a容納在電池殼體中的過程中，電極組件a圓度的降低會(huì)降低良品率。這是因?yàn)樵趯㈦姌O組件a容納在圓柱形殼體中的過程期間，當(dāng)電極組件a的外表面與圓柱形殼體的內(nèi)表面接觸時(shí)，圓度降低的電極組件a的表面可能損壞。

17、電極組件a的圓度的降低也會(huì)影響圓柱形電池的外觀。由于電池殼體較薄，如果電極組件a的圓度不佳，則電池殼體的形狀會(huì)因電極組件a而變形。特別地，隨著圓柱形電池的充電/放電循環(huán)的增加，電極組件a膨脹，因此電極組件a的圓度對(duì)圓柱形電池的圓度的影響變得更大。

18、使用組裝構(gòu)件將圓柱形電池組裝成電池組。組裝構(gòu)件具有能夠穩(wěn)定支撐圓柱形電池的外周的結(jié)構(gòu)。組裝構(gòu)件可以是插設(shè)在圓柱形電池的陣列之間的間隔件，或者插設(shè)在圓柱形電池的陣列之間的側(cè)面冷卻單元。組裝構(gòu)件可具有弧形結(jié)構(gòu)，以穩(wěn)定地支撐圓柱形電池的側(cè)表面。弧形結(jié)構(gòu)可具有對(duì)應(yīng)于圓柱形電池的側(cè)表面的曲率半徑。

19、如果圓柱形電池具有良好的圓度，則圓柱形電池可以很好地貼合到組件構(gòu)件的弧形結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，如果圓柱形電池的圓度較差，則圓柱形電池可能無法很好地貼合到組裝構(gòu)件的弧形結(jié)構(gòu)，并且可能導(dǎo)致超出組裝公差的間隙。

20、超出組裝公差的間隙可能降低電池組的組裝質(zhì)量并且影響冷卻效率。此外，超出組裝公差的間隙可能在電池組的特定部分中產(chǎn)生應(yīng)力，這不僅導(dǎo)致組裝構(gòu)件的變形或開裂，而且還使設(shè)置在應(yīng)力集中區(qū)域中的圓柱形電池的外觀變形。

21、因此，在本公開所屬的技術(shù)領(lǐng)域中，迫切需要一種電極組件的設(shè)計(jì)，其中即使在卷繞具有大直徑的電極組件a之后，電極組件a的橫截面的圓度仍然良好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、技術(shù)問題

2、本公開被設(shè)計(jì)為解決相關(guān)技術(shù)的問題，因此本公開旨在通過優(yōu)化在大直徑圓柱形電池中使用的蛋糕卷型電極組件中正極和負(fù)極的卷繞起始部和卷繞結(jié)束部的位置，來提供一種具有良好圓度的電極組件。

3、本公開還旨在提供一種包括該具有良好圓度的電極組件的圓柱形電池、一種包括該電池的電池組以及一種包括該電池組的車輛。

4、本公開所要解決的技術(shù)目標(biāo)不限于上述內(nèi)容，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將從以下公開內(nèi)容中清楚地理解本文未提及的其它目標(biāo)。

5、技術(shù)方案

6、在本公開的一個(gè)方面，提供一種電極組件，其中，第一電極、第二電極以及插設(shè)在第一電極和第二電極之間的隔膜圍繞卷繞軸線卷繞以限定芯部和外周，其中，第一電極的卷繞起始部定位成比第二電極的卷繞起始部更靠近芯部，并且在與卷繞方向相反的方向上延伸得更遠(yuǎn)，其中，第一電極的卷繞結(jié)束部定位成比第二電極的卷繞結(jié)束部更靠近外周，并且在卷繞方向上延伸得更遠(yuǎn)，并且其中，在垂直于卷繞軸線的電極組件的橫截面中，第二電極的卷繞結(jié)束部被包括在扇形區(qū)域中，扇形區(qū)域具有與第一電極的卷繞起始部和第二電極的卷繞起始部之間的卷繞方向的角度相對(duì)應(yīng)的圓周角。

7、在一個(gè)方面，當(dāng)扇形區(qū)域的圓周角為φ時(shí)，第二電極的卷繞結(jié)束部可以位于與沿卷繞方向的1/5φ至4/5φ的范圍相對(duì)應(yīng)的子扇形區(qū)域中。

8、在另一方面，當(dāng)扇形區(qū)域的圓周角為φ時(shí)，第二電極的卷繞結(jié)束部可以位于與沿卷繞方向的1/4φ至3/4φ的范圍相對(duì)應(yīng)的子扇形區(qū)域中。

9、在又一方面，當(dāng)扇形區(qū)域的圓周角為φ時(shí)，第二電極的卷繞結(jié)束部可以位于與沿卷繞方向的1/3φ至2/3φ的范圍相對(duì)應(yīng)的子扇形區(qū)域中。

10、在電極組件的橫截面中，第一電極的卷繞結(jié)束部可以沿卷繞方向與第二電極的卷繞結(jié)束部間隔開0度至60度，優(yōu)選30度至60度。

11、當(dāng)在沿卷繞軸線方向的多個(gè)點(diǎn)處處獲得針對(duì)電極組件的多個(gè)橫截面時(shí)，確定每個(gè)橫截面的最大外徑和最小外徑，并且將針對(duì)多個(gè)橫截面的最大外徑的最大值與最小外徑的最小值之差定義為電極組件的圓度(單位：mm)，圓度可以為0.30或更小、0.25或更小、0.24或更小、0.20或更小、0.18或更小或0.13或更小。

12、圓度可以為0.13或更大并且為0.25或更小。

13、隔膜可以包括從第一電極的卷繞起始部沿與卷繞方向相反的方向卷繞的延伸部，并且延伸部可以在芯部中形成多個(gè)卷繞匝。

14、第一電極可以包括其上涂覆有活性材料層的第一電極涂覆部，以及沿卷繞方向的第一電極未涂覆部，第一電極未涂覆部可以包括設(shè)置在第一電極的長邊端處并且通過沿卷繞方向形成的切割槽分開的多個(gè)節(jié)段，第一電極未涂覆部的多個(gè)節(jié)段可以沿遠(yuǎn)離第一電極涂覆部的軸向端的方向從隔膜的軸向端向外突出，并且第一電極未涂覆部的多個(gè)節(jié)段可以朝向芯部彎曲以形成第一彎曲表面區(qū)域。

15、第二電極可以包括其上涂覆有活性材料層的第二電極涂覆部，以及沿卷繞方向的第二電極未涂覆部，第二電極未涂覆部可以包括設(shè)置在第二電極的長邊端處并且通過沿卷繞方向形成的切割槽分開的多個(gè)節(jié)段，第二電極未涂覆部的多個(gè)節(jié)段可以從與第一電極涂覆部的軸向端相鄰的隔膜的軸向端向外突出，并且第二電極未涂覆部的多個(gè)節(jié)段可以朝向芯部彎曲以形成第二彎曲表面區(qū)域。

16、在本公開的另一方面，還提供一種圓柱形電池，該圓柱形電池包括：具有上述特征中的任一個(gè)的電極組件；電池殼體，其具有開口端和閉合端，并且被配置為通過開口端容納電極組件，電池殼體電連接到第一電極；密封體，其被配置為密封電池殼體的開口端；以及端子，其電連接到第二電極，并且具有暴露于電池殼體的外部的表面。

17、電極組件可以包括第一電極的沿卷繞軸線方向暴露于隔膜的外部的未涂覆部，并且圓柱形電池還可以包括被配置為將第一電極的未涂覆部與電池殼體的內(nèi)表面電連接的第一集流板。

18、密封體可以包括被配置為覆蓋電池殼體的開口端的蓋板，以及插設(shè)在蓋板的邊緣與開口端之間的墊圈。第一集流板的邊緣可以插設(shè)在墊圈與電池殼體的側(cè)壁之間。電池殼體可以包括在開口端附近朝向卷繞軸線向內(nèi)凹陷的卷邊部，并且第一集流板的邊緣可以與卷邊部的內(nèi)表面接觸。

19、第一集流板的邊緣可以朝向開口端彎曲，并且與電池殼體的側(cè)壁接觸，以電連接到電池殼體。

20、端子可以安裝在形成于電池殼體的閉合端中的穿孔中，以與電池殼體絕緣。端子可以包括通過閉合端的外表面暴露的端子暴露部，以及從端子暴露部延伸并且穿過穿孔插入電池殼體中的端子插入部。端子插入部的下邊緣可以朝向閉合端的內(nèi)表面鉚接。

21、電極組件可以包括第二電極的沿軸向方向暴露于隔膜的外部的未涂覆部。圓柱形電池還可以包括被配置為將第二電極的未涂覆部和端子插入部的下端電連接的第二集流板。

22、密封體可以包括密封電池殼體的開口端的蓋板，并且端子可以為蓋板。

23、密封體可以包括覆蓋電池殼體的開口端的蓋板，蓋板的邊緣可以聯(lián)接到開口端，并且第一集流板的至少一部分可以聯(lián)接到蓋板。

24、電池殼體的側(cè)壁可以從閉合端到開口端基本上沿直線延伸。蓋板的邊緣可以通過焊接直接聯(lián)接到開口端。

25、蓋板的至少部分區(qū)域可以通過與由第二電極的未涂覆部所形成的彎曲表面區(qū)域焊接而電連接到第二電極。

26、在本公開的又一方面，還提供一種電池組，該電池組包括多個(gè)上述圓柱形電池。

27、在本公開的又一方面，還提供了一種車輛，該車輛包括該電池組。

28、有益效果

29、根據(jù)本公開，控制第一電極和第二電極的卷繞起始部與卷繞結(jié)束部之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而可以將電極組件的圓度管理在期望水平。結(jié)果，在將電極組件插入電池殼體中以用于制造圓柱形電池的過程中，可以將良品率保持在期望水平。

30、此外，即使電極組件在圓柱形電池的重復(fù)的充電和放電過程期間膨脹，施加到電池殼體的應(yīng)力也在周向方向上均勻分布，防止了圓柱形電池的變形，從而將圓柱形電池的圓度保持在良好水平。

31、此外，在組裝成電池組的過程期間，具有良好管理的圓度的圓柱形電池不會(huì)與組裝構(gòu)件形成大于組裝公差的間隙，因此可以確保良好的組裝質(zhì)量。

32、此外，可以提供一種具有優(yōu)異組裝質(zhì)量的電池組和包括該電池組的車輛。

33、此外，本公開可以具有若干其它效果，并且這些效果將在各個(gè)實(shí)施方式中描述，或者對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易推斷的效果的任何描述將被省略。