CN101771165A - 一种圆柱形锂离子动力电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种圆柱形锂离子动力电池，电池外形为圆饼状，其直径与高度的比值≥4，电池直径≥60mm。电池正极壳采用铝合金，负极壳采用铜合金或不锈钢。按常规方法配制正负极浆料，然后在集流体沿着宽度方向进行间隙式涂料，经干燥、轧膜、分切，得到在极片高度方向的一端漏出1-3mm集流体的极片，采用一组或多组正负极片与隔膜制作卷芯，将卷芯装入电池壳，加注电解液，封口，充放电活化后得到锂离子动力电池。本发明技术制作的锂离子动力电池具有很好的大电流放电性能，在组装成电池组时可以通过将圆饼状电池沿径向依次压在一起串联而成，联接简单、可靠，并且得到的电池组大电流充放电性能好。

Description

一种圆柱形锂离子动力电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池及其制造方法，属电化学领域。

背景技术

进入21世纪以来，随着全球经济的不断发展，对能源的需求和消耗也日益增加。同时地球环境问题日益严重，人们对环境保护，节能降耗的意识日益增强，并且高度重视绿色能源的研究和开发。

锂离子电池作为化学电源中一种能源形式，具有工作电压高、能量密度大、重量轻、体积小、安全性好、循环寿命好、绿色环保等优点，在移动电子电器、电动工具、大型贮能、电动交通动力电源等方面具有广阔的应用前景。

锂离子动力电池与小型锂离子电池基本原理相同，但其特殊的应用领域决定了对锂离子动力电池在结构与性能上的更高要求。动力领域应用的电池组必须满足优良的大电流充放电性能，电池单元之间简单、可靠的联接，电池组优良的散热性能等。因此，针对动力电源应用领域的要求，开发设计性能优良的动力电池具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆柱形锂离子动力电池，以提高其大电流充放电能力，实现电池单元之间的简单可靠联接，并且保证电池良好的散热性能。具体技方案如下：

(1)池外形为圆饼状，其直径与高度的比值≥4，电池直径≥60mm，电池高度优选为20-30mm；

(2)电池外壳包括一个正极壳与负极壳，电池正极壳与负极壳均呈圆盘形，或均为带中心孔的圆环形；正极壳采用铝合金，负极壳采用铜合金或不锈钢，负极壳的底为平面，正极壳的底为平面，或正极壳的底面冲出系列向外凸出、直径为1-3mm的圆点；

(3)按常规方法配制正极浆料，然后在集流体铝箔沿着宽度方向进行间隙式涂料，经干燥、轧膜、分切，得到在极片高度方向的一端漏出1-2mm集流体铝箔的正极片；

(4)按常规方法配制负极浆料，然后在集流体铜箔沿着宽度方向进行间隙式涂料，经干燥、轧膜、分切，得到在极片高度方向的一端漏出1-2mm集流体铜箔的负极片；

(5)将一条状隔膜沿宽度方向对折，将正极片放入两层隔膜中间，极片漏出集流体的一端为对折后的隔膜的开口端，负极片放在最下边或最上边，正极片与负极片漏出的集流体的方向相反，然后将正极片、负极片、隔膜经卷绕得到卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，控制极片的尺寸使最终得到的卷芯尺寸适合电池壳，上述制作过程中正极片与负极片的位置可调换；

或者采用多组正负极片与隔膜制作卷芯，将隔膜沿宽度方向以波浪形的方式折成多层，其层数等于正极片正极片数量之和，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反，将这多组正负极片与隔膜经卷绕得到卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，控制极片的尺寸使最终得到的卷芯尺寸适合电池壳；

(6)将卷芯装入电池负极壳，加注电解液，合上正极壳并压紧正极壳与负极壳，然后在正极壳与负极壳边沿的间隙中加入绝缘性的胶粘剂，固化后实现电池的密封；

按常规方法对电池进行充放电活化后得到锂离子动力电池产品。

(7)在采用带中心孔的电池进行电池组的组装时，将绝缘螺栓插入多只分选好的动力电池的中心孔，并使每个电池的负极分别与相邻电池的正极接触，通过螺栓拴紧后即得到锂离子动力电池组。

与现有技术比较，本发明具有以下优点：

采用本发明技术制作的锂离子动力电池具有很好的大电流放电性能，在组装成电池组时可以通过将圆饼状电池沿径向依次压在一起串联而成，联接简单、可靠，并且得到的电池组大电流充放电性能好，具体表现在以下几个方面：

(1)采用大的径/高比，使得串联联接时电池之间正极与负极的接触面大幅增大，提高了电池直接联接时的大电流充放电能力，可以实现动力电池的简单、可靠联接。如：以10Ah电池为例，当采用直径为100mm，高为20mm的圆饼形电池结构时，电池之间正极与负极的接触面积约为80cm²，而采用传统的圆柱电池时，如采用5只18650电池并联(容量可达10Ah)，然后再串联的话，5只18650电池正极端面面积之和为4cm²以下，因此，传统技术生产的电池在组装成电池组时，往往需要通过在电池之间焊接联接片或通过螺柱固定联接片，联接过程复杂，并且增加了电池组的空间，电池维护与更换不方便，增加了电池使用与维护成本，而且在使用过程中联接片可能会由于松动而引起电池组工作不理想甚至失效，电池组可靠性降低。而采用本发明技术时，在组装成电池组时可以通过将圆饼状电池沿径向依次压在一起串联而成，联接简单、可靠，并且由于电池之间的接触面积很大，从而使得电池之间不需焊接联接片或螺栓联接即可实现大电流充放电。

(2)传统技术中电池极片与电池的正极、负极的联接是通过在每一极片上焊一条金属带作为极耳，极耳宽度一般为2-10mm，而本发明中通过极片上未涂料部分的集流体直接接触正极壳或负极壳实现电极与电池正负极之间的电子传递，即以极片上未涂料部分的集流体作为极耳，极耳宽度等于极片长度。以10Ah电池为例，当采用直径为100mm，高为20mm的圆饼形电池时，电池中极耳宽度(正、负极未涂料部分集流体长度)达到20m左右，远远大于传统技术中极耳宽度。传统方法中由于极耳宽度窄，需要通过极片与极耳之间的焊接，极耳与电池正极或负极之间的焊接或螺栓联接，甚至更为复杂的多次联接才能实现极片与电池正极、负极的联接，其联接方式复杂，占用电池内部空间，工效低，增加了电池制造成本，焊接点不良时易引起电池性能衰退或失效，可靠性差，此外，电子在极片上的最大传递距离为极片的长度(18650电池极片长度约为1m)，使得动力电池中电子传递阻力引起的极化大，电池大电流充放电能力差。而本发明中通过极片上未涂料部分的集流体直接接触正极壳、负极壳即可保证电池与外电路之间电子的快速传递，并且电子在极片上的传递距离约等于电池极片的宽度(15～30mm)，因而电子在电池内部传递距离短，极化小，确保电池具有良好的大电流充放电能力。

(3)传统卷绕方法中每对极片采用两条隔膜或一条隔膜通过长度方向对折的方式，极片沿宽度方向稍有错位便会导致电池短路。而本发明通过将隔膜对折或折成波浪形，使得电池正极片或负极片被隔膜兜住，能够有效防止该极片宽度方向与对电极之间的短路，确保了电池正、负极片之间的隔离，提高了电池的可靠性与安全性。

(4)采用大的径/高比，使得电池表面的面积增大，有利于动力电池的散热。

(5)在上述方法的基础上，本发明还优选采用多组正、负极片与隔膜组装成一个卷芯，从而可以采用较短的极片卷绕得到大尺寸的卷芯，增加了操作的方便性，特别是在半自动或手工卷绕的情况下优势更为明显，同时，由于长极片对设备与工艺的要求更高，采用多组极片卷绕的方式有利于提高材料的利用率，降低生产成本。

(6)在上述方法的基础上，电池高度优选20-30mm，这样既可保证电池具有较大接触面积，良好的散热性能，又能保证电池有较好的空间利用率。

(7)在上述方法的基础上，电池壳优选采用带中心孔的结构，在电池组组装时，可以将绝缘螺栓插入动力电池的中心孔，并使每个电池的负极分别与相邻电池的正极接触，通过螺栓拴紧后即得到锂离子动力电池组，组装非常简单、方便、可靠。

(8)在上述方法的基础上，在电池正极壳的底面冲出系列向外凸出、直径为1-3mm的圆点，电池组装后可增强相邻电池间正、负极壳的接触，有利于提高电池组的大电流充放电能力。

附图说明

附图1圆盘形电池壳示意图；

附图2带中心孔的电池壳示意图；

附图3沿宽度方向间隙式涂布示意图；

附图4极片涂料区与漏出的集流体示意图；

附图5一组正负极片与隔膜一起卷绕前相对位置示意图；

附图6三组正负极片与隔膜一起卷绕前相对位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。本发明可以按发明内容的任一方式实施。这些实施例的给出决不是限制本发明。

实施例1

电池外形为圆饼状，电池高度为20mm，电池直径为100mm。电池正极壳与负极壳均为中心孔径为10mm的圆环形(如图2)，正极壳采用铝合金，负极壳采用铜合金，负极壳的底为平面，正极壳的底面冲出系列向外凸出、直径为1mm的圆点。

以磷酸铁锂为正极活性物质，按常规方法配制正极浆料，然后在403mm宽的集流体铝箔沿着宽度方向间隙式涂料(如图3)，沿宽度方向分10条区域涂敷，每个区域涂料宽度为37mm，涂料区域之间留3mm间隙不涂料，铝箔的两边均留3mm不涂料。然后经干燥、轧膜、分切，得到高度为20mm，并且极片高度方向的一端漏出1.5mm集流体铝箔的正极片(如图4)。以石墨为负极活性物质，按常规方法配制负极浆料，然后在413mm宽的集流体铜箔沿着宽度方向进行间隙式涂料，沿宽度方向分10条区域涂敷，每个区域涂料宽度为38mm，涂料区域之间留3mm间隙不涂料，铜箔的两边均留3mm不涂料。然后经干燥、轧膜、分切，得到高度为20.5mm，并且在极片高度方向的一端漏出1.5mm集流体铜箔的负极片。

采用2组正负极片与隔膜制作卷芯，正极片的长度为10m，负极长度为10.2m，将78mm宽的隔膜沿宽度方向以波浪形的方式折成4层，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反(如图6)，然后将这2组正负极片与隔膜经卷绕得到圆柱形卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，最终得到的卷芯高度、外径、内径分别约为19.5mm，99mm，11mm。

将卷芯装入负极壳，加注电解液，合上正极壳并压紧正极壳与负极壳，然后在正极壳与负极壳边缘的间隙中加入绝缘性的胶粘剂，固化后实现电池的密封，按常规方法对电池进行充放电活化后得到10Ah磷酸铁锂锂离子动力电池单体产品。按常规方法分选配组后，将绝缘螺栓插入10只分选好的动力电池的中心孔，并使每个电池的负极分别与相邻电池的正极接触，通过螺栓拴紧后即得到32V10Ah的磷酸铁锂锂离子动力电池组。经测试，该动力电池组30C放电容量与1C放电容量的比值＞92％。

实施例2

采用与实施例1相同的电池壳与正、负极片，采用5组正负极片与隔膜制作卷芯，正极片的长度为4m，负极长度为4.2m，将190mm宽的隔膜沿宽度方向对折成10层，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反，然后将这5组正负极片与隔膜经卷绕得到圆柱形卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，最终得到的卷芯高度、外径、内径分别约为19.5mm，99mm，11mm。

按照与实例1相同的方式将卷芯装入电池壳，加注电解液，电池密封，充放电活化，分选，电池组组装，得到10Ah磷酸铁锂锂离子动力电池单体产品及32V10Ah的磷酸铁锂锂离子动力电池组。经测试，该动力电池组30C放电容量与1C放电容量的比值＞92％。

实施例3

采用与实施例1相同的电池壳与正、负极片，采用1组正负极片与隔膜制作卷芯，正极片的长度为20m，负极长度为20.2m，将38mm宽的隔膜沿宽度方向对折成2层，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反(如图5)，然后将这组正负极片与隔膜经卷绕得到圆柱形卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，最终得到的卷芯高度、外径、内径分别约为19.5mm，99mm，11mm。

按照与实例1相同的方式将卷芯装入电池壳，加注电解液，电池密封，充放电活化，分选，电池组组装，得到10Ah磷酸铁锂锂离子动力电池单体产品及32V10Ah的磷酸铁锂锂离子动力电池组。经测试，该动力电池组30C放电容量与1C放电容量的比值＞92％。

实施例4

电池外形为圆饼状，电池高度为20mm，电池直径为140mm。电池正极壳与负极壳均为带中心孔为12mm的圆环形(如图1)，正极壳采用铝合金，负极壳采用不锈钢，负极壳的底为平面，正极壳的底面冲出系列直径为3mm的圆形(如图2)。

以磷酸铁锂为正极活性物质，石墨为负极活性物质，按实施例1相同的方式制备正、负极片。采用2组正负极片与隔膜制作卷芯，正极片的长度为20m，负极长度为20.3m，将78mm宽的隔膜沿宽度方向以波浪形的方式折成4层，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反，然后将这2组正负极片与隔膜经卷绕得到卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，最终得到的卷芯高度、外径、内径分别约为19.5mm，139mm，13mm。

按照与实例1相同的方式将卷芯装入电池壳，加注电解液，电池密封，充放电活化，分选，电池组组装，得到20Ah磷酸铁锂锂离子动力电池单体产品及32V20Ah的磷酸铁锂锂离子动力电池组。经测试，该动力电池组30C放电容量与1C放电容量的比值＞91％。

实施例5

电池外形为圆饼状，电池高度为30mm，电池直径为125mm。电池正极壳与负极壳均为带中心孔为12mm的圆环形(如图1)，正极壳采用铝合金，负极壳采用不锈钢，负极壳的底为平面，正极壳的底面冲出系列直径为2mm的圆形。

以磷酸铁锂为正极活性物质，按常规方法配制正极浆料，然后在363mm宽的集流体铝箔沿着宽度方向间隙式涂料，沿宽度方向分6条区域涂敷，每个区域涂料宽度为57mm，涂料区域之间留3mm间隙不涂料，铝箔的两边均留3mm不涂料。然后经干燥、轧膜、分切，得到高度为30mm，并且极片高度方向的一端漏出1.5mm集流体铝箔的正极片。以石墨为负极活性物质，按常规方法配制负极浆料，然后在373mm宽的集流体铜箔沿着宽度方向进行间隙式涂料，沿宽度方向分6条区域涂敷，每个区域涂料宽度为58mm，涂料区域之间留3mm间隙不涂料，铜箔的两边均留3mm不涂料。然后经干燥、轧膜、分切，得到高度为30.5mm，并且在极片高度方向的一端漏出1.5mm集流体铜箔的负极片。

采用3组正负极片与隔膜制作卷芯，正极片的长度为10m，负极长度为10.25m，将174mm宽的隔膜沿宽度方向以波浪形的方式折成6层，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反，然后将这3组正负极片与隔膜经卷绕得到卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，最终得到的卷芯高度、外径、内径分别约为29.5mm，124mm，13mm。

按照与实例1相同的方式将卷芯装入电池壳，加注电解液，电池密封，充放电活化，分选，电池组组装，得到20Ah磷酸铁锂锂离子动力电池单体产品及32V20Ah的磷酸铁锂锂离子动力电池组。经测试，该动力电池组30C放电容量与1C放电容量的比值＞90％。

实施例6

电池外形为圆饼状，电池高度为15mm，电池直径为75mm。电池正极壳与负极壳均为圆盘形(如图1)，正极壳采用铝合金，负极壳采用铜合金，正极壳的底面冲出系列直径为1mm的圆点。

以磷酸铁锂为正极活性物质，按常规方法配制正极浆料，然后在303mm宽的集流体铝箔沿着宽度方向间隙式涂料，沿宽度方向分10条区域涂敷，每个区域涂料宽度为27mm，涂料区域之间留3mm间隙不涂料，铝箔的两边均留3mm不涂料。然后经干燥、轧膜、分切，得到高度为15mm，并且极片高度方向的一端漏出1.5mm集流体铝箔的正极片。以石墨为负极活性物质，按常规方法配制负极浆料，然后在313mm宽的集流体铜箔沿着宽度方向进行间隙式涂料，沿宽度方向分10条区域涂敷，每个区域涂料宽度为28mm，涂料区域之间留3mm间隙不涂料，铜箔的两边均留3mm不涂料。然后经干燥、轧膜、分切，得到高度为15.5mm，并且在极片高度方向的一端漏出1.5mm集流体铜箔的负极片。

采用3组正负极片与隔膜制作卷芯，正极片的长度为3.7m，负极长度为3.85m，将84mm宽的隔膜沿宽度方向以波浪形的方式折成6层，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反，然后将这3组正负极片与隔膜经卷绕得到卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，最终得到的卷芯高度、外径分别约为14.5mm，74mm。

将卷芯装入负极壳，加注电解液，合上正极壳并压紧正极壳与负极壳，然后在正极壳与负极壳边沿的间隙中加入绝缘性的胶粘剂，固化后实现电池的密封，按常规方法对电池进行充放电活化后得到4Ah磷酸铁锂锂离子动力电池单体产品。经测试，该动力电池30C放电容量与1C放电容量的比值＞92％。

实施例7

以锰酸锂为正极活性物质，石墨为负极活性物质，采用与实施例6相同的电池壳与电池制作工艺，得到5Ah锰酸锂锂离子动力电池单体产品。经测试，该动力电池30C放电容量与1C放电容量的比值＞94％。

实施例8

以锂镍钴锰氧为正极活性物质，石墨为负极活性物质，采用与实施例6相同的电池壳与电池制作工艺，得到7Ah锰酸锂锂离子动力电池单体产品。经测试，该动力电池30C放电容量与1C放电容量的比值＞93％。

Claims (2)

1.一种圆柱锂离子动力电池，其特征在于：

(1)电池外形为圆饼状，其直径与高度的比值≥4，电池直径≥60mm，电池高度优选为20-30mm；

(2)电池外壳包括一个正极壳与负极壳，电池正极壳与负极壳均呈圆盘形，或均为带中心孔的圆环形；正极壳采用铝合金，负极壳采用铜合金或不锈钢，负极壳的底为平面，正极壳的底为平面，或正极壳的底面冲出系列向外凸出、直径为1-3mm的圆点。

2.一种圆柱锂离子动力电池制作方法，其特征在于包括以下步骤：

A按常规方法配制正极浆料，然后在集流体铝箔沿着宽度方向进行间隙式涂料，经干燥、轧膜、分切，得到在极片高度方向的一端漏出1-2mm集流体铝箔的正极片；按常规方法配制负极浆料，然后在集流体铜箔沿着宽度方向进行间隙式涂料，经干燥、轧膜、分切，得到在极片高度方向的一端漏出1-2mm集流体铜箔的负极片；

B将一条状隔膜沿宽度方向对折，正极片放入两层隔膜中间，极片漏出集流体的一端为对折后隔膜的开口端，负极片放在最下边或最上边，正极片与负极片漏出集流体的方向相反，然后将正极片、负极片、隔膜经卷绕得到圆柱形卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒，上述制作过程中正极片与负极片的位置可调换；

或者采用多组正负极片与隔膜制作卷芯，将隔膜沿宽度方向以波浪形的方式折成多层，其层数等于正极片与负极片数量之和，将正极片与负极片相间插入隔膜中，使得正极片与负极片之间均有隔膜隔离，正极片与负极片的未涂料集流体均伸出隔膜外，并且正极片与负极片漏出集流体的方向相反，然后将这多组正负极片与隔膜经卷绕得到圆柱形卷芯，卷芯高度方向的一端漏出铝箔，另一端漏出铜箔，然后将卷芯漏出的铝箔与铜箔向卷芯中心轴的方向按倒；

C将卷芯装入负极壳，加注电解液，合上正极壳并压紧正极壳与负极壳，然后在正极壳与负极壳边缘的间隙中加入绝缘性的胶粘剂，固化后实现电池的密封，按常规方法对电池进行充放电活化后得到锂离子动力电池产品；

D在采用带中心孔的电池进行电池组的组装时，将绝缘螺栓插入多只分选好的动力电池的中心孔，并使每个电池的负极分别与相邻电池的正极接触，通过螺栓拴紧后即得到锂离子动力电池组。

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