CN101789529A

CN101789529A - 锂离子电池及其电芯

Info

Publication number: CN101789529A
Application number: CN200910036930A
Authority: CN
Inventors: 邓尧平; 黄院军; 李新宏; 张介威; 陈卫; 周俊; 于瑜; 李娟娟
Original assignee: Dongguan Amperex Technology Ltd
Current assignee: Dongguan Amperex Technology Ltd
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-07-28

Abstract

本发明公开了一种锂离子电芯，其包括相互叠加卷绕成圆柱形的负极片、正极片和间隔于正负极片之间的隔离膜，负极片包括作为负极集流体的铜箔和涂布于铜箔两面的负极膜片，负极片上还设有负极引出端，负极引出端固定于负极膜片尾端的铜箔上，负极引出端上贴有胶带。本发明通过改变负极引出端的位置，减小铜箔易断裂处的应变力，使铜箔晶界在充电时不会被破坏，因此锂不能插入铜箔晶界，铜箔也不会断裂，从而使电池放电时的内阻大大降低，保证了电压和电流输出。本发明还公开了一种锂离子电池，其包括前述本发明锂离子电芯、包裹电芯的钢壳，以及冲入钢壳内的电解质。

Description

锂离子电池及其电芯

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池及其电芯，尤其是一种充电过程中不易发生极片断裂的圆柱型锂离子电池及其电芯。

背景技术

随着现代社会的发展，各种移动设备，如摄像机、笔记本电脑、便携式DVD、数码相机等，都有了越来越广泛的应用，从而对高能电池形成了越来越大的需求。由于圆柱型电池的能量密度最大，而锂离子电池具有重量轻、储能大、功率大、无污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛等许多突出的优点，因此圆柱型锂离子电池逐渐受到人们的青睐，成为移动设备的最佳电源。

请参阅图1和图2，为现有技术中锂离子电池正负极片的设计结构示意图。图1为正极片10，其包括作为正极集流体的铝箔12和涂布于铝箔12两面的正极膜片14，铝箔12的前端(即卷绕电芯时的开始端)设有正极引出端16，正极片10上贴有六块起绝缘、固定等作用的胶带18，其中四块贴在正极膜片14的端部、一块贴在正极引出端16上，还有一块贴在铝箔12上与正极引出端16相对的位置处。图2为负极片20，其包括作为负极集流体的铜箔22和涂布于铜箔22两面的负极膜片24、25，铜箔22的尾端(即卷绕电芯时的结束端)设有负极引出端26。其中，负极膜片24、25在铜箔22的两面上并非对齐涂布，A面的负极膜片24在靠近负极引出端26一侧的涂布长度大于B面负极膜片25的涂布长度。在铜箔22的尾端、与负极引出端26相对的位置处，贴有一块胶带28。在生产电池时，可以利用卷绕机或人工等方式，将上述正极片10、负极片20和极片间的隔离膜间隔叠加后卷绕成圆柱型锂离子电芯。

但是，在锂离子电池的充电过程中其电芯会膨胀和旋转。以上述正负极片10、20生产的锂离子电芯，在充电时经常会发生负极片20断裂，三种比较典型的负极片20断裂情况分别为：第一种，负极膜片24、25交错处(比如图2中的M点)断裂；第二种，A面负极膜片24收尾处(图2中的N点)断裂，卷绕成电芯时，负极膜片24收尾处与正极片10的铝箔12的尾端相对应；第三种，纯铜箔22(即靠近负极片20的尾端、AB两面均未涂布负极膜片24、25的铜箔，比如图2中的Q点)断裂，卷绕成电芯时，此处的铜箔22与正极片10尾端的胶带18收尾处相对应。由于极片断裂会导致锂离子电池的电芯无电压输出、不能放电，甚至出现安全事故。因此，有必要提供一种不易发生极片断裂的锂离子电池及其电芯。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种在充电过程中不易发生极片断裂的圆柱型锂离子电池及其电芯，以提高电池的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锂离子电芯，其包括相互叠加卷绕成圆柱形的负极片、正极片和间隔于正负极片之间的隔离膜，负极片包括作为负极集流体的铜箔和涂布于铜箔两面的负极膜片，负极片上还设有负极引出端，负极引出端是固定于负极膜片尾端的铜箔上，负极引出端上贴有胶带。

作为本发明锂离子电芯的一种改进，负极引出端可以固定于铜箔的任意一面上。

作为本发明锂离子电芯的一种改进，铜箔两侧的负极膜片尾端是非对齐涂布，负极引出端固定于尾端涂布长度较大的负极膜片尾端的铜箔上。

作为本发明锂离子电芯的一种改进，负极引出端是固定在尾端较短的负极膜片所在面的铜箔上，其位置与较长负极膜片的尾端相对应，较长负极膜片的尾端贴有胶带。

作为本发明锂离子电芯的一种改进，锂离子电芯的最外圈铜箔和正极片的正极集流体的长度都不超过负极引出端的位置。

作为本发明锂离子电芯的一种改进，负极膜片中的负极活性物质选自天然石墨、人造石墨、复合石墨、碳纤维、硬碳中的一种或多种。

作为本发明锂离子电芯的一种改进，负极片的铜箔采用的是延伸率低于1％的铜箔。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种锂离子电池，其包括电芯、包裹电芯的钢壳及充入钢壳内的电解质，所述电芯为以上段落中所述的电芯。

作为本发明锂离子电池的一种改进，电芯的外径d和钢壳的内径D的比值满足以下条件：0.978≤d/D≤0.989。

作为本发明锂离子电池的一种改进，钢壳的内径D为17.64毫米，电芯的外径d为17.25mm≤d≤17.45mm。

相对于现有技术，本发明通过改变负极引出端的位置，减小铜箔易断裂处的应变力，使铜箔晶界在充电时不会被破坏，因此锂不能插入铜箔晶界，铜箔也不会断裂，从而使电池放电时的内阻大大降低，保证电压和电流输出。

附图说明

下面结合附图和各个具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，其中：

图1为现有技术中锂离子电池正极片的结构示意图。

图2为现有技术中锂离子电池负极片的结构示意图。

图3为纯铜箔和涂布负极膜片的铜箔的应变和应力的对比图。

图4为断裂后的铜箔的晶格和晶界示意图。

图5为现有技术的锂离子电芯膨胀过程中，纯铜箔的A面和B面的SEM照片。

图6为本发明锂离子电芯的负极片的结构示意图。

图7为本发明锂离子电芯的结构示意图。

图8为本发明锂离子电池与现有技术锂离子电池的内阻分布比较。

具体实施方式

为了解决极片断裂的问题，首先需要分析负极片20断裂的原因。

在为锂离子电池充电时，其负极片20将发生膨胀，此时，圆柱型电芯的负极片20会发生旋转，使电芯直径增大，负极片20自然伸直而减小张力和压力，避免断裂。经测量，从3.0V充电至4.2V时，负极片20的膨胀率约为0.6％，裸电芯的直径从17.35毫米增大到17.45毫米。

请参阅图3至图4，根据Young’s modulus(杨氏模量)理论，铜箔22和负极膜片24、25组成的是一个刚体A1，因此能够很好的传递膨胀力，从而使极片伸直、避免断裂。但是，未涂布负极膜片24、25的纯铜箔A0则具有较好的应变力，不能传递膨胀，以致裸电芯的膨胀压力都集中在与胶带18收尾处相对应的铜箔上。

在电池充电过程中，随着负极片20的膨胀，胶带18收尾处对应的铜箔所受侧向压力越来越大。由于铜箔22发生弹性应变时，其晶格常数保持不变，因此铜箔晶界逐渐扩散，而锂的嵌入会使铜箔晶界变脆，变脆的铜箔晶界将形成裂缝。随着充电时间的增加，这些裂缝可能连通在一起，使铜箔22的截面积大大减小，铜箔22的拉力也随之大大减小，以致形成恶性循环，最终导致铜箔22破裂。

请参阅图5，为铜箔22破裂过程中A面和B面的SEM(Scanning ElectronicMicroscope，扫描电子显微镜)照片。可见，铜箔22的B面(也就是卷绕后的外侧面)能看到清晰的裂纹，而A面(也就是卷绕后的内侧面)则没有裂纹。

通过以上分析，明确了现有电芯中负极片20易于断裂的原因。针对这一原因，申请人设计出本发明的锂离子电芯，以解决充电时的极片断裂问题。

请参阅图6，为本发明锂离子电芯的负极片50，其包括作为负极集流体的铜箔52和涂布于铜箔52两面的负极膜片54、55。负极膜片54、55中的负极活性物质可以是天然石墨、人造石墨、复合石墨、碳纤维、硬碳中的一种或几种的混合物。负极膜片54、55在铜箔52的两面上并非对齐涂布，E面的负极膜片54的尾端涂布长度大于F面的负极膜片55的涂布长度。在铜箔52的F面上、与E面负极膜片54的尾端相对应处设置负极引出端56，如镍片等，可通过焊接等方式固定。同时，在负极膜片54的尾端及负极引出端56上各贴一块胶带58。

在生产电池时，可以利用卷绕机或人工等方式，将贴有胶带68的正极片60、本发明的负极片50和正负极片间的隔离膜70间隔叠加后，卷绕成圆柱型锂离子电芯。卷绕好的电芯如图7所示，其中，最外圈的铜箔52和正极集流体62的长度都不超过负极引出端56的位置，以短10毫米左右为宜。

以上的实施方式是将负极引出端56设置在较短负极膜片55所在的F面，在其他实施方式中，负极引出端56也可以设置于较长负极膜片54所在E面上的负极膜片54的尾端，并在负极引出端56上贴上胶带绝缘，这种情况下，F面的胶带58可以省略。

本发明通过改变负极引出端56的位置，减小铜箔52易断裂处的应变力，使铜箔晶界在充电时不会被破坏，因此锂不能插入铜箔晶界，铜箔52也不会断裂，从而使电池放电时的内阻大大降低，保证电压和电流输出。请参阅图8，为本发明锂离子电池与现有技术锂离子电池内阻的对比图。

另外，本发明的电芯采用延伸率＜1％的铜箔52作为负极集流体，以减小铜箔52的应变力，从而进一步更加减小负极片50断裂的可能性。

本发明圆柱型电芯的直径比现有技术的电芯直径大，因而电解液能更充分地进入极片。电解液是一种良好的滑润剂，在充电过程中，电解液能够减小负极片50和其他极片/膜层之间的摩擦，大大有利于负极片50的自然伸直，减小了铜箔52所受到的拉力，保证其不易断裂。如在使用内径为17.64毫米的钢壳时，电芯的外径d可以设计为17.25mm≤d≤17.45mm。也就是说，电芯的外径d和钢壳的内径D比值满足0.978≤d/D≤0.989，当使用其他规格的钢壳时，可以根据上述比值计算电芯的最佳外径范围。

为了验证改进效果，按照以上改进，做了200个外径大于17.25mm的电池，随机取了其中的100个作为样本，经过5次充放电后，拆开后发现0个电池极片断裂，可见，本发明确实能有效解决负极片断裂的问题。

需要说明的是，本发明是为了解决负极片断裂的问题，其对正极片的结构、活性物质、膜片涂布方式、胶带、正极引出端材料和位置等，或者对正负极片间的隔离膜、电解液等都没有特别要求，因此对这些地方进行的任何改进、替换等都不影响本发明的实施，也不脱离本发明的范围。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种锂离子电芯，其包括相互叠加卷绕成圆柱形的负极片、正极片和间隔于正负极片之间的隔离膜，负极片包括作为负极集流体的铜箔和涂布于铜箔两面的负极膜片，负极片上还设有负极引出端，其特征在于：所述负极引出端是固定于负极膜片尾端的铜箔上，负极引出端上贴有胶带。

2.根据权利要求1所述的锂离子电芯，其特征在于：所述负极引出端可以固定于铜箔的任意一面上。

3.根据权利要求2所述的锂离子电芯，其特征在于：所述铜箔两侧的负极膜片尾端是非对齐涂布，所述负极引出端是固定于尾端涂布长度较大的负极膜片尾端的铜箔上。

4.根据权利要求3所述的锂离子电芯，其特征在于：所述负极引出端固定在尾端较短的负极膜片所在面的铜箔上，其位置与较长负极膜片的尾端相对应，所述较长负极膜片的尾端贴有胶带。

5.根据权利要求1所述的锂离子电芯，其特征在于：所述锂离子电芯的最外圈铜箔和正极片的正极集流体的长度都不超过负极引出端的位置。

6.根据权利要求1所述的锂离子电芯，其特征在于：所述负极膜片中的负极活性物质选自天然石墨、人造石墨、复合石墨、碳纤维、硬碳中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的锂离子电芯，其特征在于：所述负极片的铜箔采用的是延伸率低于1％的铜箔。

8.一种锂离子电池，其包括电芯、包裹电芯的钢壳及充入钢壳内的电解质，其特征在于：所述电芯为权利要求1至7中任意一项所述的电芯。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于：所述电芯的外径d和钢壳的内径D的比值满足以下条件：0.978≤d/D≤0.989。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于：所述钢壳的内径D为17.64毫米，所述电芯的外径d为17.25mm≤d≤17.45mm。