CN101582521B - 用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池，包括电池壳体、设置于壳体内的正极片、负极片以及电隔离正、负极片的隔膜，还包括设置于电池壳体内的卷针，正、负极片和隔膜卷绕在卷针上，卷针有电隔离地设置的电池的正、负电极。本发明同时公开了一种卷绕式锂离子二次电池的制造方法，包括：在正极片和负极片上分别涂敷正、负极活性材料；将正极片、负极片以及电隔离正、负极片的隔膜卷绕在卷针上以绕制成卷芯；将电池的正、负电极电隔离地设置在卷针上；将卷芯连同卷针安装在电池壳体内。本发明使电池生产装配操作更加简单，容易实现电池装配的重复一致性，提高装配效率，保证产品性能的稳定性并降低废品率，使产品性能更加优良。

Description

用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及电池，具体涉及一种卷绕式锂离子二次电池及其制造方法。

背景技术

电动设备如电动自行车、电动启程等需要用到各种容量的动力型锂离子二次电池。与现有产品化的铅酸、镍镉、镍氢等二次可充电电池相比较，锂离子二次电池的比能量、循环寿命等主要性能指标是最好的。但已有的锂离子电池存在大电流放电能力较差、生产过程废品率较高，微短路现象经常发生而导致荷电保持能力差等缺陷，这些缺陷至今困扰着大容量型锂离子电池的发展。

动力型锂离子电池制造工艺复杂繁多，最初的经典结构为：正、负极片采用铜箔、铝箔或铜网、铝网等作为集流体，把正极活性材料涂敷于铝箔两面(或铝网的内部和表面)，然后把相同尺寸的正、负极片和隔膜按照正极/隔膜/负极/隔膜层叠放置构成电芯，重叠的层数取决于极片面积和电池的设计容量。现有的锂离子电池由其结构所带来的缺点主要有：1)生成过程的装配效率极低；2)难以保证正、负极装配的准确对位，导致电池容量发挥的损失，由此也难以保证产品性能的一致性；3)层叠的极片边长过长，由于边缘毛刺的存在，过长的极片变长容易造成正负极之间的短路。因此，需要寻找一种新型的电池结构来促进锂离子动力电池的发展。

发明内容

本发明的主要目的就是提供一种用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池及其制造方法，能够有效解决现有技术的上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池，包括电池壳体、设置于所述壳体内的正极片、负极片以及电隔离所述正、负极片的隔膜，其特征在于，还包括设置于所述电池壳体内的卷针，所述正、负极片和隔膜卷绕在所述卷针上，所述卷针有电隔离地设置的电池的正、负电极。

优选地，

所述卷针中间为绝缘材料，所述正、负电极导电材料分别设置在所述卷针轴向的两个端点处。

所述正、负极片各包括涂料部和非涂料部，所述正、负极片的所述非涂料部分别位于所述正、负极片沿卷绕方向的两相对侧的边缘，并分别与所述正、负电极在多处形成电连接。

所述卷针为空心的。

所述卷针为圆筒状的。

所述卷针为绝缘材料制成。

一种用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、在正极片和负极片上分别涂敷正、负极活性材料；

B1、将所述正极片、负极片以及电隔离正、负极片的隔膜卷绕在卷针上以绕制成卷芯；

C1、将电池的正、负电极电隔离地设置在所述卷针上；

D1、将所述卷芯连同所述卷针安装在电池壳体内。

优选地，

所述步骤A1中，在所述正、负极片沿卷绕方向的两相对侧的边缘上分别留出空白的非涂料部，所述步骤C1中，在所述卷针轴向的两个端点处设置所述正、负电极，利用所述正、负极片的非涂料部形成多个正、负极耳并将其分别电连接至所述正、负电极。

本发明有益的技术效果是：

在本发明的卷绕式锂离子二次电池中，正极片、负极片以及正、负极片之间的隔膜卷绕在卷针上形成卷芯，对于每一个电池，卷针是与卷芯一同保留于电池壳体内的，与以往锂离子电池不带卷针的电芯结构相比，本发明的电池由于增设了作为固定物的卷针，易于实现生产过程中的自动工装，能保证电池正、负极装配时的准确对位，从而提高装配效率以及产品性能的一致性。

由于卷针的存在，可利用卷针电隔离地引出电池的正、负电极，如采用塑料卷针并将正、负电极设置在卷针轴向相对的两个端点上；进一步的，将正、负极片沿卷绕方向的两相对侧的边缘保留为空白的非涂料部，多层卷绕后，使利用正、负极片的非涂料部形成的多个极耳可以很方便地电连接至该卷针上的正、负电极，利用卷针巧妙设计的多极耳体系，提高了电流的通过能力，增强了大电流放电的可靠性。

如进一步采用如圆筒形的空心结构的卷针，相对增大了卷芯直径，能避免现有方案使用小卷针绕制时卷绕圈数过多带来的繁琐，并能避免传统卷绕式电池R角的产生，使活性材料容量得到充分地发挥，也拓宽了电池外形尺寸的自由度；卷芯直径增加后，能使极片的总边长相对于现有的层叠结构减少50％，从而使由于边缘毛刺所造成正负极之间短路的可能性降低50％；空心的卷芯还能使电池在遇到意外或产生高温时有充分的能量释放空间，提高了电池使用的安全性。

附图说明

图1为本发明锂离子二次电池一种实施例的结构示意图；

图2为本发明锂离子二次电池中正负极片的层叠示意图；

图3为本发明锂离子二次电池制造方法一种实施例的流程图。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

请参考图1和图2，锂离子二次电池包括卷针8、卷芯10、电池外壳9以及左、右端盖7，卷针8和卷芯10位于圆筒形的电池外壳9内，左、右端盖7合盖在电池外壳9的两端，卷针8有电隔离地设置的电池的正、负电极。卷芯10包括正极片1(即正集流体)、负极片11(即负集流体)以及位于正极片1和负极片11之间起电隔离作用的隔膜13，正极片1、负极片11和隔膜13卷绕在卷针8上。正极片1采用铜箔，负极片11采用铝箔，正、负极片均包括涂料部和非涂料部，正、负极片的涂料部上分别涂敷正极活性材料1a、负极活性材料1b，非涂料部保留为不涂料的空白区。正、负极片的非涂料部分别位于正、负极片沿卷绕方向的两相对侧的边缘，当在卷针8上安装时，以正、负极片的空白区为准，正、负极片沿卷针8轴向错位卷绕，且卷绕后正、负极片的空白区分别朝向卷芯10的两个端点方向(即卷针8轴向的两个相对端点的方向)。隔膜13可采用聚烯烃类单层或多层微孔膜。卷针8可采用塑料的空心圆筒状结构。电池的正、负电极分别设置在卷针8轴向的两个相对端点上。将正、负极片的非涂料部中的一部分去除后，剩下部分形成多个极耳，正、负极片的极耳可以分别通过焊接或铆接的方式连接至正、负电极。

进一步的，在卷针8和左、右端盖7之间、紧贴卷针8的两个端面还分别设置有集片套6。集片套6和端盖7由双向螺钉5固定。双向螺钉5的端部位于空心的卷针8内，其螺杆穿过集片套6和端盖7，螺母4从端盖7外侧向内拧在螺杆上以压紧端盖7。集片套6和端盖7之间的间隙由下密封垫3密封，端盖7和螺母4之间的间隙由上密封垫2密封，其中，上密封垫2的外径与螺母4平齐，下密封垫3的外径不超出卷针8的外径，在下密封垫3和电池外壳9之间的间隙内还填充有绝缘片12。上密封垫2和下密封垫3也可以是一体设置的。

本发明中，卷针8的内径、外径及极片等各个部件的尺寸可根据最终成品电池的型号来确定。

本发明还提供了一种锂离子二次电池制造方法，请参考图3，其具体可采用以下流程来实施：

步骤S1、涂敷铜箔、铝箔，制造如图2所示的正、负极片，在正、负极片沿卷绕方向的两相对侧的边缘上分别留出空白的非涂料区，且负极片的涂料区大于正极片的涂料区，以保证负极片能够完全包覆正极片。

步骤S2、将正、负极和隔膜用空心的塑料卷针卷绕成圆柱形卷芯，且正、负极片的非涂料区分别朝向卷针轴向的两端。

步骤S3、在卷针的两个端点上安装电极，选取合适的非涂料区作为多个极耳，去除其余的部分，然后将正、负极的多个极耳分别焊接或铆接在塑料卷针两端的电极处。

步骤S4、将卷绕后的电芯(卷针连同卷芯)贴胶完后装入壳体内。

步骤S5、注入适量的电解液并完成电池的封装。

根据本发明的锂离子二次电池，电池壳体可以是铝塑或金属外壳，电池可以采用常见的注液、真空封装、化成等工艺制备。

本发明具有以下显著的优点：

1、与以往锂离子电池不带卷针的电芯结构相比，本发明的锂离子二次电池由于增设了作为固定物的卷针，易于实现生产过程中的自动工装，能保证电池正、负极装配时的准确对位，容易实现电池装配的重复一致性，提高了装配效率，也保证了产品性能的一致稳定性。由于生产装配操作更加简单、容易，从而降低了废品率，使产品性能更加优良，还能降低设备的成本。

2、本发明可利用内置的卷针电隔离地引出电池的正、负电极，如将正、负电极设在卷针的端部，利用正、负极片多层卷绕后的非涂料部形成的多极耳可以很方便地电连接至卷针上的正、负电极，多极耳体系提高了电流的通过能力，增强了大电流放电的可靠性。

3、采用如圆筒形的空心结构的卷针，可相对增大卷芯直径，能避免现有方案使用小卷针绕制时卷绕圈数过多带来的繁琐，并能避免传统卷绕式电池R角的产生，使活性材料容量得到充分地发挥，也拓宽了电池外形尺寸的自由度；卷芯直径增加后，能使极片的总边长相对于现有的层叠结构减少50％，从而使由于边缘毛刺所造成正负极之间短路的可能性降低50％；空心的卷芯还能使电池在遇到意外或产生高温时有充分的能量释放空间，提高了电池使用的安全性。

通过测试实验可以看到采用本发明的产品的优越性。

所采用的测试方法如下：

先将电池恒流充电到4.2V，再转恒压充电100min左右，然后再恒流放电至2.75V截止电压。采用的对比测试对象为：铅酸电池、叠片式锂离子电池和本发明的锂离子电池。采用的测试参数为：容量发挥参数、循环寿命、电池充满电的荷电保持能力和相对生产效率。可测得三种锂离子电池的性能对比列表如下：

                            表1

测试项目	铅酸电池	叠片式锂离子二次电池	本发明	可靠性
					首次容量发挥	19.20Ah	20.15Ah	21Ah	一般
重量比容量	40Wh/kg	110Wh/kg	113Wh/kg	一般
					荷电保持率	＞70％	＞87％	＞91％	一般
循环寿命100％DOD	200	275	1000	优
					相对制造工效	70％	100％	130％	2000％

由以上测试数据可以看出，本发明的锂离子二次电池各项指标均优于其它电池，而且在电池生产过程中因提高效率和成品率，降低了电池成本，尤其适应于动力电池发面的应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池,包括电池壳体、设置于所述壳体内的正极片、负极片以及电隔离所述正、负极片的隔膜，其特征在于，还包括设置于所述电池壳体内的卷针，所述正、负极片和隔膜卷绕在所述卷针上，所述卷针有电隔离地设置的电池的正、负电极，所述正、负极片各包括涂料部和非涂料部，所述正、负极片的所述非涂料部分别位于所述正、负极片沿卷绕方向的两相对侧的边缘，并分别与所述正、负电极在多处形成电连接；

左、右端盖合盖在所述壳体的两端，在所述卷针和左、右端盖之间、紧贴所述卷针的两个端面还分别设置有集片套，所述集片套和端盖由双向螺钉固定，所述双向螺钉的端部位于空心的所述卷针内，所述双向螺钉的螺杆穿过所述集片套和所述端盖，所述双向螺钉的螺母从所述端盖外侧向内拧在所述螺杆以压紧所述端盖，所述集片套和所述端盖之间的间隙由下密封垫密封，所述端盖和所述螺母之间的间隙由上密封垫密封，其中，所述上密封垫的外径与所述螺母平齐，所述下密封垫的外径不超出所述卷针的外径，在所述下密封垫和所述壳体之间的间隙内还填充有绝缘片。

2.如权利要求1所述的用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池，其特征在于，所述卷针中间为绝缘材料，所述正、负电极导电材料分别设置在所述卷针轴向的两个端点处。

3.如权利要求1至2任意一项所述的用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池，其特征在于，所述卷针为空心的。

4.如权利要求3所述的用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池，其特征在于，所述卷针为圆筒状的。

5.一种用卷针作正负电极的卷绕式锂离子二次电池的制造方法,其特征在于，包括以下步骤：

A1、在正极片和负极片上分别涂敷正、负极活性材料；

B1、将所述正极片、负极片以及电隔离所述正、负极片的隔膜卷绕在卷针上以绕制成卷芯；

C1、将电池的正、负电极电隔离地设置在所述卷针上；

D1、将所述卷芯连同所述卷针安装在电池壳体内；

所述步骤A1中，在所述正、负极片沿卷绕方向的两相对侧的边缘上分别留出空白的非涂料部，所述步骤C1中，在所述卷针轴向的两个端点处设置所述正、负电极，利用所述正、负极片的非涂料部形成多个正、负极耳并将其分别电连接至所述正、负电极；

左、右端盖合盖在所述壳体的两端，在所述卷针和左、右端盖之间、紧贴所述卷针的两个端面还分别设置有集片套，所述集片套和端盖由双向螺钉固定，所述双向螺钉的端部位于空心的所述卷针内，所述双向螺钉的螺杆穿过所述集片套和所述端盖，所述双向螺钉的螺母从所述端盖外侧向内拧在所述螺杆以压紧所述端盖，所述集片套和所述端盖之间的间隙由下密封垫密封，所述端盖和所述螺母之间的间隙由上密封垫密封，其中，所述上密封垫的外径与所述螺母平齐，所述下密封垫的外径不超出所述卷针的外径，在所述下密封垫和所述壳体之间的间隙内还填充有绝缘片。

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