CN100590927C - 一种锂离子电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种叠片式锂离子电池，包括依次层叠的正极片和负极片，正、负极片之间设有隔膜，所述正极片包括正极集流体，正极集流体的一端设有正极极耳，正极集流体上包括涂敷正极活性材料的涂敷区和未涂敷正极活性材料的空箔区，该空箔区位于设有正极极耳的正极集流体的一端，其特征在于：正极片集流体第一平面空箔区的长度为A，正极片集流体第一平面的反面即第二平面的空箔区的长度为电池涂布错位尺寸T加A；A为0.1-5mm，T为0.1-3.0mm；并提供了这种电池的制备方法，与现有技术相比，本发明的工艺方案简单、操作方便，电池制作成品率和生产效率高，制作的电池安全性能好。

Description

一种锂离子电池及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种锂离子电池及其制作方法，具体的说是涉及一种叠片式锂离子电池及其制制作方法。

【背景技术】

随着电动设备，如电动玩具、电动工具的广泛应用，人们对作为上述器件电源的二次电池的大电流放电性能要求越来越高。现有的方形锂离子电池主要包括正、负极片和隔膜的电芯和电池外壳。对于结构相对偏小、容量不高的锂离子电池，电芯普遍采用卷绕结构。此种结构的电芯制造工艺相对简便，但是由于其卷绕难度大，所以不适合超薄锂离子电池和高容量、高输出功率的大型锂离子电池的生产。叠片式锂离子电池由于极芯采用了叠层结构，因此具有大电流放电能力强、内阻小、放电平台高等优点，越来越受到使用者的青睐。

同时，由于锂金属比较活泼，目前，市场上对锂离子电池的安全性能要求越来越高。一般锂离子电池极芯的负极片涂敷区域必须大于对应的正极片涂敷区域，并且负极敷料略有剩余，这样有利于提高锂离子电池的安全性。如果正极片对应的区域的负极片没有敷料或者敷料不够，在锂离子电池充电过程中，多余的锂离子在充放电的过程中会在负极铜箔区域或者在负极敷料与铜箔交界区域析出产生锂枝晶，锂枝晶会刺破隔膜导致电池内部短路。因而，一般叠片式锂离子电池的极片敷料尺寸要求为锂离子电池极芯的负极片涂敷区域大于对应的正极片涂敷区域。

目前，叠片式锂离子电池极片一般采用较为先进的横向间歇宽幅涂布机进行涂布。

专利CN200420058327介绍了一种间歇式双面涂浆机，基轮和带轮可以相互接触和分离，实现对基带的间歇式涂浆。浆料就粘附在带轮上，带轮和基轮分开时，就可以产生空箔区，即间距，带轮和基轮相接处时，带轮上的浆料就涂布到基带上。这样的涂布方式自动化程度高，效率高，但存在如下问题：由于机器的稳定性，会使间距产生变化，在涂正面料对应的反面位置处，敷料无法完全准确的对位，从而导致正反面敷料错位，以上错位问题会随着制作流程带入后段裁片的操作过程中，从而导致裁出的正极片集流体根部会冒出1-2mm左右的敷料，通常采用刮掉正极集流体根部冒出的敷料或者用绝缘胶布贴住集流体根部冒出的敷料方式来处理。采用刮料方式的缺点是：工艺复杂化，且手工操作，极片容易掉料，掉料粉尘容易在电池内部造成微短路，安全隐患大；采用贴绝缘胶布贴住正极集流体根部冒出的敷料方式的缺点是：工艺复杂化，且正极集流体根部贴上绝缘胶布后，极片叠成极芯后，所有集中在一块的正极集流体根部区域厚度增加，不利于集流体点焊、套壳和封装等后段工序的操作，导致电池的制作成品率降低。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种锂离子电池极片制作方法，该方法能够解决由于极片涂布错位问题而引起的电池安全性不足和成品率低的问题，该方法能提高叠片式锂离子电池安全性能，且该工艺方案简单、操作方便，能有效提高叠片式电池的生产效率及成品率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一般间歇式拉浆机在拉叠片式电池的极片时，极片的正反面涂布错位尺寸T在T为0.1-3.0mm左右。

一种叠片式锂离子电池，包括依次层叠的正极片和负极片，正、负极片之间设有隔膜，所述正极片包括正极集流体，正极集流体的一端设有正极极耳，正极集流体上包括涂敷正极活性材料的涂敷区和未涂敷正极活性材料的空箔区，该空箔区位于设有正极极耳的正极集流体的一端，其特征在于：正极片集流体第一平面空箔区的长度为A，正极片集流体第一平面的反面即第二平面的空箔区的长度为电池涂布错位尺寸T加A，A为0.1-5mm，优选为0.5-1.5mm。

同时，负极片包括负极集流体，负极集流体的一端设有负极极耳，负极集流体上涂敷有负极活性物质，负极极耳根部涂敷有宽度为B的涂敷区，B为0.1mm-3mm，优选为0.5-1.5mm。

负极片在长度方向比正极片长C，C为0.5mm-1.5mm，优选为：1mm，负极片在宽度方向比正极片宽D，D为0.3mm-1mm，优选为：0.5mm。

上述电池的隔膜宽度方向比负极片长度方向长E，E为1mm-3mm，优选为：2mm。

上述电池的制备方法包括以下步骤：

(1)在正极集流体上间歇涂敷正极活性物质，在正极集流体沿涂敷方向依次形成涂敷区和空箔区；

(2)冲片机沿正极集流体涂敷方向连续冲裁出正极片集流体，使正极片集流体上第一平面空箔区的长度为A，正极片集流体第一平面的反面即第二平面的空箔区的长度为电池涂布错位尺寸T加A。

设定A是为了防止在叠层时，长度方向错位导致正极片高于负极片，从而导致正极片对应区域的负极片没有敷料或者敷料不够，在锂离子电池充电过程中，多余的锂离子在充电的过程中会在负极铜箔区域或者在负极敷料与铜箔交界区域析出产生锂枝晶，锂枝晶会刺破隔膜导致电池内部短路，造成安全问题。

设定B是为了在已设定了A情况下，即使在叠层时长度方向有错位导致正极片高于负极片问题，此时仍有部分富余的负极料盖住正极料，起到部分安全保护作用。

设定C和D是为了防止在叠层时，长度方向或宽度方向错位导致正极片超出负极片，从而导致正极片对应区域的负极片没有敷料或者敷料不够，在锂离子电池充电过程中，多余的锂离子在充放电的过程中会在负极铜箔区域或者在负极敷料与铜箔交界区域析出产生锂枝晶，锂枝晶会刺破隔膜导致电池内部短路，造成安全问题。

本发明的优点在于：控制正极片集流体第一平面空箔区的长度为A，正极片集流体第一平面的反面即第二平面的空箔区的长度为电池涂布错位尺寸T加A，负极极耳根部涂敷有宽度为B的涂敷区。以上方式能有效地解决由于极片涂布错位问题，而采用刮掉正极集流体根部冒出的敷料或者用绝缘胶布贴住正极集流体根部冒出的敷料方式处理导致的各种问题，且该方法有利于提高叠片式锂离子电池安全性能。此外，该工艺方案简单、操作方便，生产效率及成品率高。

【附图说明】

图1为本发明连续冲裁出的极片示意图

图2为极片连续冲裁出的理想尺寸示意图

图3为本发明正极片连续冲裁及裁出的正极片示意图

图4为本发明连续冲裁出的正极片A尺寸放大示意图

图5为本发明正极片连续冲裁出的尺寸A加尺寸T放大示意图

图6为本发明负极片连续冲裁出的负极片示意图

图7为本发明负极片连续冲裁出的尺寸B放大示意图

图8为本发明的极芯结构示意图

图9为比较例2的正极片连续冲裁及正极集流体根部冒出敷料贴绝缘胶布贴示意图

图10为图9的局部放大图

附图符号说明：

1-集流体    11-正极片集流体    12-负极片集流体

2-涂敷区    21-正极片涂敷区    22-负极片涂敷区

3-空箔区     4-极片              41-正极片

42-负极片    43-带富余料正极片   5-空箔区

6-富余料     7-隔膜纸            8-极芯

9-绝缘胶布  10-正极冒出的敷料

其中，箭头所示方向为涂敷方向。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，采用间歇涂敷方式涂敷出的本发明极片示意图，敷料2沿着纵向以空箔区3等间距分布在集流体1的正反表面，涂敷区2和空箔区3的尺寸依据不同型号电池的正负极片所要求的尺寸而设定。

如图2所示，图1所示的极片在连续冲片机中进行连续冲裁，若涂布机和冲片机精度足够高，根据极片设计的参数，冲出的理想极片4，如图中虚线所示，其集流体1尺寸完全在间距3以内，极片4的涂敷区2上边缘刚好与分切极片涂敷区2上边缘对齐，极片4的涂敷区2的左边缘、右边缘以及下边缘都分布在分切极片涂敷区2的范围内，因为冲片机精度有限，所以设计为涂敷区21离分切极片的左边缘、右边缘以及下边缘的距离至少2mm。

如图3所示，本发明正极片集流体41在连续冲裁过程中，控制裁出的正极片集流体41的第一平面空箔区5的长度为A，且正极片41的涂敷区21的左边缘、右边缘以及下边缘都分布在分切极片涂敷区的范围内，冲片机精度有限，所以设计为涂敷区21离分切极片的左边缘、右边缘以及下边缘的距离大于等于2mm，如图中虚线所示。

图4为本发明连续冲裁出的正极片A尺寸放大示意图

图5为本发明正极片的反面，连续冲裁出的尺寸A加尺寸T放大示意图

如图6所示，本发明负极片42在连续冲裁过程中，控制裁出的负极极耳根部涂敷有宽度为B的涂敷区，B为0.1mm-3mm，如图中冲出的负极小片，且负极片42的涂敷区22的四个边缘都分布在分切极片涂敷区2的范围内，且负极片42的左边缘、右边缘以及下边缘离分切极片的左边缘、右边缘以及下边缘的距离大于等于2mm，如图中虚线所示。

图7为本发明负极片连续冲裁出的尺寸B放大示意图。

如图8所示，本发明用该正极片和负极片的极芯8叠层完成后，正极集流体11集中在一起，负极集流体12集中在一起，正负极片之间用隔膜纸7隔开，极芯所用隔膜宽度方向比负极片长度方向大于等于2mm，且负极涂敷区22(图中斜方格线所示)完全包住正极涂敷区21(图中斜虚线所示)，正负极片极片等距分布在隔膜纸宽度方向上。

如图9所示，正极片4在连续冲裁过程中，若涂布机涂布错位严重，裁出的正极片43的集流体11根部有0.5-1.5mm的敷料10冒出涂敷区21，通常采用绝缘胶布9贴住正极集流体11根部冒出的敷料。

图10为图9的局部放大图。

叠片式锂离子电池由于采用较为先进的间歇涂布机涂布敷料，涂布辊与背辊接触和分开的频率高，在机器的稳定性有限情况下，会导致敷料无法完全准确的对位，从而导致正反面敷料错位问题，错位问题会随着制作流程带入后段裁片的操作过程中，而本发明采用在极片连续冲裁过程中，控制裁出正极片集流体第一平面空箔区的长度为A，正极片集流体第一平面的反面即第二平面的空箔区的长度为电池涂布错位尺寸T加A；负极极耳根部涂敷有宽度为B的涂敷区，可以避免制作的极片在叠层时负极料包不住正极料的情况带来的安全隐患问题，能提高电池的安全性能，而且同一般的采用刮掉正极集流体根部敷料或者用绝缘胶布贴住正极集流体根部冒出的敷料方式处理相比，本发明方案还有工艺简单、操作方便、效率高、成品率高等优点。

下面通过具体的实施例说明本发明的有益效果：

【实施例1】

1、正极片的制备

将1000克正极活性物质LiCoO₂、30克粘合剂PVDF、50克导电剂乙炔黑加入到600克溶剂NMP中，然后在真空搅拌机中搅拌，形成稳定、均一的分散上正极浆料。将该浆料均匀地间歇涂布在宽幅铝箔(宽度为450毫米、厚度为16微米)双面上，然后，120℃烘干，在辊轧机上辊轧成厚度为0.085-0.095毫米的极片，按图4在冲片机上冲裁出长39毫米、宽27毫米、厚85-95微米的空箔区A的宽度为1mm，T的宽度为1mm的正极片41。

2、负极片的制备

将1500克负极活性物质天然石墨、90克粘合剂PTFE加入到溶剂去离子水中，然后在真空搅拌机中搅拌形成稳定、均一的分散负极浆料。将该浆料均匀地间歇涂布在宽幅铜箔(宽度为400毫米、厚度为10微米)双面上，然后，120℃烘干，在辊轧机上辊轧成厚度为0.090-0.100毫米的薄片，按图5在冲片机上冲裁出长40毫米、宽27.5毫米、厚90-100微米的富余料冒出涂敷区B的宽度为1mm的负极片42。

将20微米厚的PE(聚乙烯)或者PP(聚丙烯)隔膜裁切成长42毫米，宽28毫米，厚0.02毫米的块状隔膜，制得本实施例用隔膜。

把隔膜、正极片和负极片按隔膜/负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片/隔膜的层叠方式制作长宽厚尺寸为42.0*28.0*5.0mm的极芯。

然后把由高分子薄膜和金属箔构成的具有NY尼龙/AL铝箔/CPP流涎聚丙烯多层结构的软包装复合膜冲压成带有5.0*28*42mm凹槽的外壳，将上述的芯体放入外壳中，热压封装后用UNI-T DT890万用表测试电池是否短路。然后注入由电解质盐LiPF₆(六氟磷酸锂)和非水溶剂EC(乙烯碳酸酯)、DEC(二乙基碳酸酯)和DMC(二甲基碳酸酯)构成的浓度为1M的非水电解液。最后经过化成、分容、二次封装等工序，得到外尺寸为5.5*30*48mm的叠片式软包装锂离子电池SL553048。

按上述方法生产SL553048电池500支，并计算采用该方法制作电池的成品率及生产效率，同时，从500支电池中随即抽取4支做过充测试。

【实施例2】

如实施例1相同的方法，区别在于：正极片41的长39毫米、宽27毫米、厚85-95微米的空箔区A的宽度为3.0mm，T的宽度为0.5mm。负极片42的长40毫米、宽27.5毫米、厚90-100微米的富余料冒出涂敷区B的宽度为0.5mm。隔膜的长42毫米，宽28毫米，厚0.02毫米的块状隔膜。把隔膜、正极片和负极片按隔膜/负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片/隔膜的层叠方式制作长宽厚尺寸为42.0*28.0*5.0mm的极芯。

【实施例3】

如实施例1相同的方法，区别在于：正极片41的长39毫米、宽27毫米、厚85-95微米的空箔区A的宽度为4.5mm，T的宽度为2.5mm。负极片42的长40毫米、宽27.5毫米、厚90-100微米的富余料冒出涂敷区B的宽度为1.5mm。隔膜的长42毫米，宽28毫米，厚0.02毫米的块状隔膜。把隔膜、正极片和负极片按隔膜/负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片/隔膜的层叠方式制作长宽厚尺寸为42.0*28.0*5.0mm的极芯。

【比较例1】

按照与实施例1相同的方法制作500支极芯，不同的是采用刮掉正极集流体根部冒出的敷料方式来处理正极片涂布敷料错位带来的问题。同实施例1的做法，计算采用该方法制作电池的成品率及生产效率。

【比较例2】

按照与实施例1相同的方法制作500支极芯，不同的是用绝缘胶布贴住正极集流体根部冒出的敷料方式来处理正极片涂布敷料错位带来的问题。同实施例1的做法，计算采用该方法制作电池的成品率及生产效率。

【比较例3】

按照与实施例1相同的方法制作500支极芯，不同的是层叠的正极片集流体根部冒出敷料，既没有采用刮掉的方式处理，也没有用绝缘胶布贴住正极集流体根部冒出的敷料。

电池容量分选出来之后，从实施例1、实施例2、实施例3以及比较例1、比较例2和比较例3中各随机抽取4支电池，并给这些电池编号，其中实施例1的电池编号为：A1、A2、A3、A4；实施例2的电池编号为：B1、B2、B3、B4；实施例3的电池编号为：C1、C2、C3、C4；比较例1的电池编号为：D1、D2、D3、D4；比较例2的电池编号为：E1、E2、E3、E4；比较例3的电池编号为：F1、F2、F3、F4，用恒流恒压源测试各电池耐过充性能。

测试条件和要求如下：

(1)环境温度：室温；(2)相对湿度：20-85％；(3)测试电池要求：表面清洁处理，先用1C恒流放电至3.0V；(4)过充测试要求：被测电池使用高温胶布将温度探头固定在电池表面中央，整个过程中记录电池表面温度、电流以及电压的变化情况，并且观察电池是否发生漏夜、裂口、冒烟、爆炸、起火、发鼓等现象，同时记录异常现象时的时间及电池表面最高温度，以恒流恒压源对电池先以3A的恒定电流充电，待电压升至4.6V时，转为以4.6V的恒定电压充电，恒压充电过程中电流慢慢下降，设定电流下降至0.02CmA为截止电流为过充条件，确保整个过程中恒流恒压；(5)标称容量：1C＝900mAh。

实施例1与比较例的电池成品率和生产效率如下表1：

表1

实施例与比较例各抽查的4支电池过充测试结果如下表2：

表2

从表1中可以看出实施例1相对于对比例1、对比例2的生产效率、电池的成品率都有大幅提高。

从表2中可以看出实施例1、实施例2和实施例3的过充温度比较低，主要是因为实施例1、实施例2以及实施例3的正极片对应的负极片都有充裕的负极料，即使叠层的极片在长度方向上错位导致正极片高于负极片，但由于正极片的第一面和第二面仍分别有A和T+A宽的不敷料空箔区预留，使得正极料不会超过负极料，因此在电池过充过程中，不会有锂离子在负极片上产生锂枝晶问题，从而不会有锂枝晶与电解液发生反应产生热量问题，故温度较低。而且，只要实施例中的参数A和T尺寸设置在所给范围内，则过充过程中各自的电池表面最高温度差别不大。

而比较例1的过充温度比较高，主要是因为叠层的极片在长度方向上错位导致正极片高于负极片，在电池过充过程中，多余的锂离子会在负极铜箔区域或者在负极敷料与铜箔交界区域析出产生少量锂枝晶，而锂金属非常活泼，少量的锂枝晶跟电解液发生反应产生热量，从而温度较高。

比较例2的过充温度比较高，主要是因为叠层的极片在长度方向上错位导致正极片高于负极片，从而导致正极片对应区域的负极片没有敷料或者敷料不够，在电池过充过程中，多余的锂离子会在负极铜箔区域或者在负极敷料与铜箔交界区域析出产生少量锂枝晶，而锂金属非常活泼，少量的锂枝晶跟电解液发生反应产生热量，从而温度较高。

比较例3的过充温度最高，主要是因为正极片集流体根部冒出的敷料对应区域的负极片没有敷料，在电池过充过程中，多余的锂离子会在负极铜箔区域或者在负极敷料与铜箔交界区域析出产生较多的锂枝晶，而锂金属非常活泼，较多的锂枝晶容易跟电解液发生反应产生巨大的热量，从而温度特别高。

综上所述，使用本发明锂离子电池极片制作方法制作的电池成品率更高，生产效率更高；在过充时电池表面温度更低，安全性能更好。

Claims (10)

1.一种叠片式锂离子电池，包括依次层叠的正极片和负极片，正、负极片之间设有隔膜，所述正极片包括正极集流体，正极集流体的一端设有正极极耳，正极集流体上包括涂敷正极活性材料的涂敷区和未涂敷正极活性材料的空箔区，该空箔区位于设有正极极耳的正极集流体的一端，其特征在于：正极片集流体第一平面空箔区的长度为A，正极片集流体第一平面的反面即第二平面的空箔区的长度为电池涂布错位尺寸T加A。

2.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：A为0.1-5mm，T为0.1-3.0mm。

3.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：A为0.5-1.5mm，T为0.1-3.0mm。

4.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述负极片包括负极集流体，负极集流体的一端设有负极极耳，负极集流体上涂敷有负极活性物质。

5.根据权利要求4所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：负极极耳根部涂敷有宽度为B的涂敷区，B为0.1mm-3mm。

6.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池极片，其特征在于：负极片在长度方向比正极片长C，C为0.5mm-1.5mm，负极片在宽度方向比正极片宽D，D为0.3mm-1mm。

7.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：隔膜在宽度方向比负极片长E，E为1mm-3mm。

8.根据权利要求1或2所述的电池的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在正极集流体上间歇涂敷正极活性物质，在正极集流体沿涂敷方向依次形成涂敷区和空箔区；

(2)冲片机沿正极集流体涂敷方向连续冲裁得到正极片集流体，使正极片集流体上第一平面空箔区的长度为A，正极片集流体第一平面的反面即第二平面的空箔区的长度为电池涂布错位尺寸T加A。

9.根据权利要求8所述的电池的制备方法，其特征在于：A为0.1-5mm，T为0.1-3.0mm。

10.根据权利要求8所述的电池的制备方法，其特征在于：A为0.5-1.5mm，T为0.1-3.0mm。

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