CN101794915A - 一种锂离子电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池结构及其制备方法，其包括有电芯及其引出电极，所述电芯外包裹有至少一层包装膜，包装膜是铝塑复合膜或塑料复合膜，且引出电极延伸出包装膜外；此款锂离子电池及其制备方法，采用多层铝塑复合膜或塑料复合膜作为包装膜，经多次封口工序，制备成使用寿命长的锂离子电池，采用此结构的电池，可有效防止包装膜角处和其他部位破裂，防止包装膜封口处开裂，减少电池鼓气现象，提高包装膜的阻隔性能和密封性能，延长电池的使用寿命，特别适用于大功率长寿命动力电池。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是一种锂离子电池结构及其制备方法，属新能源领域。
背景技术
锂离子电池是近十年来发展起来的一种新型可充电电池，其比能量高，无记忆效应，绿色环保，放电电压是镍镉和镍氢电池的3倍，锂离子电池无疑是当今科技含量高用途广泛的新一代电池。具备了当前电池工业发展的三大优势，被人们称之为“最有前途的化学电源”，因而一经问世就受到了人们的广泛注意，发展非常迅速。目前日本和美国的产业化做的很好。我国是锂离子电池产业化开发最早的发展中国家。经过近几年的发展，特别是国家对电动汽车政策的推动下，国内锂离子电池取得了突飞猛进的成绩，产品的各种性能取得了相当大的进步，锂离子电池生产链日益完善，产业化程度日益提高，形成了与世界发达国家争先的态势。凭借丰富的自然资源和较低的劳动力成本，中国锂离子电池行业在国际性竞争中具有明显的优势。
锂离子电池常见有三种包装形式：一、以硬金属为外壳电池(主要为液态锂离子电池)；二、软包装锂离子电池和纽扣电池(应用于小容量电池)；三、钢外壳或铝外壳，可塑性不及聚合物锂离子电池，当电池内产生大量气体时，因外壳刚性较强不能施放内部气体，容易引起爆炸等安全事故。
最近几年的软包装锂离子电池发展迅速，其特点是，综合液态锂离子电池的基本电化学性能以及聚合物锂离子电池的外形包装上独特的优点，并采用与液态锂离子电池相似的液体电解液作为锂离子在正负极之间传输的介质，而外形包装上则采用多层塑料复合薄膜。软包装锂离子电池的突出优点是其制作过程简单，成本低，成品率高。
锂离子电池的研制成功，主要取决于三大技术难题的解决，即：制膜技术、层压技术和软包装技术。这里的软包装技术指的是聚合物锂离子电池芯内包装(成型)材料的设计制造工艺技术和该材料的应用工艺技术，软包装技术是聚合物锂离子电池这一顶尖的高新技术行业中要解决的三大技术难题之一，它被放在如此重要的地位，说明该产品有较高的技术含量。国内关于软包装锂离子电池工艺研究也较突出；如：中国专利号为02149399.5和02285476.2，公开了一种软包装液态锂离子蓄电池。而专利号：01130156.2，则公开了一种软包装锂离子电池，专利号：200510126420.5，200410027061.3，200680053738.8和200420006976.1，介绍了动力电池电芯和电池组的制备方法。200720098264.0开发了圆柱形软包装锂离子电池。
软包装膜需要具有较高的阻隔性(如水分、氧气)和较长的使用寿命；包装膜隔离电解质和外界环境。产品的寿命周期，实际上就是包装逐渐失效的过程，当包装失效，产品随之报废。产品的使用过程(不断地充放电过程)，是一个动态的电化学反应过程，软包装材料本身要能有效抵制内部电解液对它的溶胀、溶解、渗透、吸收及电化学反应。电池内的电解液是由多种有机溶剂和遇水分能迅速产生强腐蚀性氢氟酸的锂盐存在。多种有机溶剂通常会溶胀，溶解、吸收软包装材料，尤其是它们是通用复合材料用胶粘剂的良好溶剂，会破坏复合层间粘结效果，改变电解液中各组份的浓度，进而影响电池的电性能。而强腐蚀性氢氟酸的存在，将严重腐蚀铝箔，使内膜与铝箔分离，进而把铝箔腐蚀穿孔，从而破坏了整个包装。软包装材料内膜必须耐电池电芯周边毛刺的穿刺及高温和压力作用下热封时金属电极与软包装材料中铝箔的绝缘性。聚合物锂离子电池芯周边有铜网和铝网的毛刺，在抽真空收缩时，毛刺会猛刺内膜，可能会刺穿内膜直至铝箔，那么电芯内的氢氟酸将直通铝箔造成点状腐蚀，加速电化学腐蚀，改变电解液的组成，严重时将铝箔腐蚀穿而漏液，同时也会造成短路，导致电池报废。因包装膜引起的电池性能问题越来越得到人们的重视，专利200720156392.6在包装膜外加一层保护膜，保护铝塑膜，可一定程度上保护包装膜受外界作用引起的破裂，但没有优化包装膜的密封性能和阻隔性能。本发明则解决了以上问题，有效防止包装膜角处和其他部位破裂，防止包装膜封口处开裂，减少电池鼓气现象，提高包装膜的阻隔性能和密封性能，延长电池的使用寿命。对于硬壳电池来说，采用此技术外加一层包装膜，可有效防止电液泄流和水分的渗入。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的存在的不足，而提供一种结构简单、合理，可提高锂离子电池的使用寿命，有效防止包装膜角处或其他部位的破裂而引起的电池性能下降和报废，以提高电池的成品率的锂离子电池结构。
本发明的另一目的还在于提供一种工艺简易、快捷的锂离子电池制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种锂离子电池结构，包括有电芯及其引出电极，所述电芯外包裹有至少一层包装膜，包装膜是铝塑复合膜或塑料复合膜，且引出电极延伸出包装膜外。此款锂离子电池，采用多层铝塑复合膜或塑料复合膜作为包装膜，经多次封口工序，制备成使用寿命长的锂离子电池，采用此结构的电池，可有效防止包装膜角处和其他部位破裂，防止包装膜封口处开裂，减少电池鼓气现象，提高包装膜的阻隔性能和密封性能，延长电池的使用寿命，特别适用于大功率长寿命动力电池。
所述电芯外设置有经冷冲压成型的双层包装膜，包装膜由热压机或脉冲封口机进行热封；或在电芯外设置有经制袋工艺成型的双层包装膜，包装膜由超声波粘结热封。
所述电芯可以系硬质钢壳，电芯外套有包装膜，包装膜是由塑料复合成膜、并通过热压板封口。
所述电池可以是包括有多个电芯，且它们叠放在一起、各电极之间相互电性连接，所述多个电芯置于包装膜内，包装膜是铝塑复合膜或塑料复合膜、且热封封口。
本发明的另一个目的是，还提供一种制备上述锂离子电池结构的方法，它包括以下步骤：
一、按照规格要求制成所需电芯，备用；
二、利用冷冲成型或制袋工艺把铝塑复合膜或塑料复合膜制成所需形状、以及数量的包装膜，备用；
三、在电芯外包裹有至少一层上述的包装膜，然后对包装膜进行封口处理，制成所需锂离子电池结构。
上述锂离子电池结构的制备方法，其工艺简易、快捷，既可提高锂离子电池的使用寿命，又能够有效地防止包装膜角处或其他部位的破裂。
所述电芯是由隔膜为0.005mm至0.05mm厚的聚丙烯微孔膜卷绕而成，包装膜选取一种或几种铝塑复合膜或塑料复合膜，经过冷冲成型或制袋工艺把铝塑膜制成需要的形状，把制备好的电芯放入包装膜内，进行初次封口，添加液态或固态的电解质，然后进行开口或闭口化成，抽真空排出气体进行二次封口，再在电池外套一层或多层包装膜，进行热封；或把多层包装膜同时套上，一次性热封。
在制备上述电池包装袋时，为了排出化成时产生的气体，会在包装袋上留有出气室，注液完毕封口化成，再用真空封口机抽出冗余气室里的气体，二次封口，最后去除气室，折边修饰；在电芯外部再套一层或多层包装袋，包装袋封口采用热板粘结、或脉冲粘结、或红外粘结、或超声波粘结、或热空气粘结，其中，热板粘结热封时，温度控制在115度至295度之间，压强在0至20MPa之间，热封时间为1秒至90秒之间；而且，热封边缘时，外层包装膜可比内层包装膜长出一定距离，为减小体积，外层一般比内层长出0至5mm之间。
所述电池是硬质钢壳电池，其电极通过超声焊接极耳引出而构成引出电极，在硬壳电池外加一层或多层包装膜，以防止电解液泄露和水分进入。
所述电池由多个电芯组合，且它们叠放在一起，各电极之间相互电性连接，再把多个经一次封装的电芯叠放在一起用一个外包装膜二次封装
其中，所述极耳为经过处理的铝带(正极)和镍带或铜镍复合带(负极)，在极耳与包装复合膜接触部位粘有高熔融强度的聚丙烯和改型聚乙烯共混材料，保证了极耳与包装复合膜的有效粘合，同时，两层包装膜热封区之间也可以添加此材料；此技术适用于多种电池形状和型号，适用于方形，圆柱形或其他异性，因软包装电池可塑性强，所以外形设计灵活，可根据需要调整形状和尺寸。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的锂离子电池结构，能有效防止包装膜角处或其他部位的破裂，而引起电池性能下降和报废的问题，从而提高电池的成品率；再有，由于双层或多层包装膜可承受更大的外界作用力，有效防止包装膜破裂，以及防止电池电芯周边毛刺的穿刺等不足；
(2)锂离子采用多层包装膜结构，其阻隔性能更好，气密性更佳；优良的气密性也有助于电池电解质的保存，随时间变化减少较慢；而且，申请人对单层包装膜和双层包装膜做了对比实验，数据如图3所示，这些将有助于电池保持更好的性能，减缓电池衰减速度，延长电池使用寿电池产品的使用过程(不断地充放电过程)，是一个动态的电化学反应过程，软包装材料承受电解液对它的溶胀、溶解、渗透、吸收及电化学反应；另，多层包装膜，也会使包装膜承受电化学反应的时间更久，提高电池的使用寿命；
(3)此技术应用在硬壳电池时，可有效地防止电池电解质的泄露和水分的进入。
附图说明
图1是软包装锂离子电池结构示意图；
图2是图1的剖视图；
图3是多层软包装锂离子电池的分解图；
图4是硬壳电池外加包装膜的分拆示意图；
图5是单层铝塑膜和双层铝塑膜性能对比图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，一种锂离子电池结构，包括有电芯1及其引出电极2，所述电芯1外包裹有至少一层包装膜3，包装膜3是铝塑复合膜或塑料复合膜，且引出电极2延伸出包装膜3外；电芯1是由聚丙烯微孔膜卷绕而成，电解液可以是1mol/L LiAsF6/EMP-BF4；所述电芯1外设置有经冷冲压成型的双层包装膜3，包装膜3由热压机或脉冲封口机进行热封；或在电芯1外设置有经制袋工艺成型的双层包装膜，包装膜3由超声波粘结热封。
所述电芯1为硬质钢壳，电芯1外套有包装膜3，包装膜3是由塑料复合成膜、并通过热压板封口。
所述电池包括有多个电芯1，且它们叠放在一起、各电极2之间相互电性连接，所述多个电芯1置于包装膜3内，包装膜3是铝塑复合膜或塑料复合膜、且热封封口。
现依照图1至图3所示，详细列举以下三个实施方式：
实施例1：将正极活性物质LiCoO2、导电炭黑和导电石墨按不同的比例混合后，以PVDF作为粘结剂，配制成浆料；将负极活性材料MCMB、导电炭黑、分散剂和粘结剂按质量比90∶2∶4.5∶3.5混合后，配制成浆料。用涂布机将正极浆料均匀涂覆于铝箔上，负极浆料均匀涂覆于铜箔上，在80℃下真空干燥8h后，辊压，制成正、负极片，即：引出电极2；隔膜为0.020mm厚的聚丙烯微孔膜，经卷绕成电芯1，包装膜3为铝塑复合膜，经冷冲压成型，套上双层包装膜，即：外层包装膜31和内层包装膜32，在热压机上进行热封，热封温度200℃，压强为1Mpa，热压3秒钟，采用电解液为1mol/L在LiTFSI/PP13-TFSI。在真空活化柜开口活化。在热压机上预封口，修剪毛边；见图2所示，热封区4设置在壳体5外。
实施例2：将正极活性物质磷酸铁锂、导电炭黑和导电石墨按不同的比例混合后，以PVDF作为粘结剂，配制成浆料；将负极活性材料人工石墨、导电炭黑SP、分散剂SBR和粘结剂CMC按质量比91∶1.5∶4.5∶3混合后，配制成浆料。用涂布机将正极浆料均匀涂覆于铝箔上，负极浆料均匀涂覆于铜箔上，在80℃下真空干燥8h后，辊压，制成正、负极片，即：制成引出电极2；隔膜为0.030mm厚的聚丙烯微孔膜，经卷绕成电芯1。包装膜3为铝塑膜，先预留出储气室，采用脉冲封口机封口；注入电解液1mol/L LiPF6/Ec+Dec+Emc，闭口活化。减去储气室抽真空，预封口后修剪毛边，套外层包装膜进行热封。
实施例3：将正极活性物质三元材料、导电炭黑和导电石墨按不同的比例混合后，以PVDF作为粘结剂，配制成浆料；将负极活性材料人工石墨、导电炭黑、分散剂和粘结剂按质量比90∶2∶4.5∶3.5混合后，配制成浆料；用涂布机将正极浆料均匀涂覆于铝箔上，负极浆料均匀涂覆于铜箔上，在80℃下真空干燥8h后，辊压，制成正、负极片。隔膜为聚丙烯微孔膜，经卷绕成电芯1。包装膜3为铝塑膜，采用制袋工艺成型，进行超声波粘结热封。电解液为1mol/LLiAsF6/EMP-BF4。在真空活化柜开口活化。在超声波封口机上预封口，修剪毛边。再套双层包装膜，进行超声波粘结热封。
如图4所示，为实施例4：为硬质钢壳电池，其电极通过超声焊接极耳引出，构成引出电极2，电池芯1外套塑料复合膜，用热压板封口工艺封口，封口温度是180℃，封口时间为5s；热封区设置在外层包装膜31与硬质电芯1之间。
实施例5(附图略)：把三个同型号已一次封口好的电芯1，叠放在一起，把极耳焊接在一起，采用塑料塑料复合膜按一定尺寸制袋，把三个电芯1放入电池外套塑料复合膜，热封封口，封口温度是180℃，封口时间为5s。
如图5所示，是单层铝塑膜和双层铝塑膜的性能对比图。
Claims (9)
1.一种锂离子电池结构，包括有电芯(1)及其引出电极(2)，其特征是，所述电芯(1)外包裹有至少一层包装膜(3)，包装膜(3)是铝塑复合膜或塑料复合膜，且引出电极(2)延伸出包装膜(3)外。
2.根据权利要求1所述锂离子电池结构，其特征是，所述电芯(1)外设置有经冷冲压成型的双层包装膜(3)，包装膜(3)由热压机或脉冲封口机进行热封；或在电芯(1)外设置有经制袋工艺成型的双层包装膜，包装膜(3)由超声波粘结热封。
3.根据权利要求1所述锂离子电池结构，其特征是，所述电芯(1)为硬质钢壳，电芯(1)外套有包装膜(3)，包装膜(3)是由塑料复合成膜、并通过热压板封口。
4.根据权利要求1所述锂离子电池结构，其特征是，所述电池包括有多个电芯(1)，且它们叠放在一起、各电极(2)之间相互电性连接，所述多个电芯(1)置于包装膜(3)内，包装膜(3)是铝塑复合膜或塑料复合膜、且热封封口。
5.一种制备权利要求1所述锂离子电池结构的方法，其特征是，包括以下步骤：
一、按照规格要求制成所需电芯(1)，备用；
二、利用冷冲成型或制袋工艺把铝塑复合膜或塑料复合膜制成所需形状、以及数量的包装膜(3)，备用；
三、在电芯(1)外包裹有至少一层上述的包装膜(3)，然后对包装膜(3)进行封口处理，制成所需锂离子电池结构。
6.根据权利要求5所述制备锂离子电池结构的方法，其特征是，所述电芯(1)是由隔膜为0.005mm-0.05mm厚的聚丙烯微孔膜卷绕而成，包装膜(3)选取一种或几种铝塑复合膜或塑料复合膜，经过冷冲成型或制袋工艺把铝塑膜制成需要的形状，把制备好的电芯(1)放入包装膜(3)内，进行初次封口，添加液态或固态的电解质，然后进行开口或闭口化成，抽真空排出气体进行二次封口，再在电芯(1)外套一层或多层包装膜(3)，进行热封；或把多层包装膜(3)同时套上，一次性热封。
7.根据权利要求6所述制备锂离子电池结构的方法，其特征是，在制备电池包装袋时，为了排出化成时产生的气体，会在包装袋上留有出气室，注液完毕封口化成，再用真空封口机抽出冗余气室里的气体，二次封口，最后去除气室，折边修饰；在电芯(1)外部再套一层或多层包装袋(3)，包装袋(3)封口采用热板粘结、或脉冲粘结、或红外粘结、或超声波粘结、或热空气粘结，其中，热板粘结热封时，温度控制在115度至295度之间，压强在0至20MPa之间，热封时间为1秒至90秒之间。
8.根据权利要求5所述制备锂离子电池结构的方法，其特征是，所述电芯(1)是硬质钢壳电池，其电极(2)通过超声焊接极耳引出而构成引出电极，在硬壳电池外加一层或多层包装膜(3)，以防止电解液泄露和水分进入。
9.根据权利要求5所述制备锂离子电池结构的方法，其特征是，所述电池由多个电芯(1)组合，且它们叠放在一起，各电极(2)之间相互电性连接，再把多个经一次封装的电芯(1)叠放在一起用一个外包装膜(3)二次封装。
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