CN102157752B

CN102157752B - 具有散热性能的动力型锂离子电池

Info

Publication number: CN102157752B
Application number: CN201110063335.4A
Authority: CN
Inventors: 夏恒涛; 王岳利; 魏建良; 陈小波; 何智峰
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102157752A; US20120237811A1

Abstract

本发明公开了一种具有散热性能的动力型锂离子电池，其电芯包括正、负电极极片和隔离膜，所述电极极片包括集流体和涂布于集流体上的活性物质膜片，所述集流体在其宽度方向上延伸设置有多个延伸部，当正、负电极极片和隔离膜卷绕形成电芯后，正、负极极集流体上设置的延伸部分别组合在一起，形成正、负极极耳，在制备延伸部前，对压实后的电极极片进行烘烤使其厚度达到快速均匀反弹。本发明通过电极极片烘烤控制，让压实后的电极极片快速反弹和均匀反弹，既解决或改善了电极延伸部错位的问题，又能满足快速干燥和组装电池的工艺要求。

Description

具有散热性能的动力型锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，尤其是一种具有散热性能的动力型锂离子电池。

背景技术

目前，很多低内阻﹑高功率的锂离子电池都采用叠片或多个卷绕结构的电芯并联的结构方式。这些结构的缺点是：叠片结构从很大程度上降低了电池的内阻，但是正、负极电极极片间的对位十分困难，整体散热差；若采用卷绕方式，并在正、负极电极极片上均焊接多个极耳，再将多个极耳并联在一起，则只能从一定程度上改善电池的内阻，其高功率性能仍然比较差，而且对每个卷绕电芯的一致性要求很高，以致加工效率很低。

为了解决以上问题，设计出一种具有散热性能的动力型锂离子电池，其电芯集流体的宽度方向上延伸设置有多个延伸部，正、负极集流体上设置的各延伸部分别组合在一起而形成正、负极极耳。上述电池的正、负极极耳分别与电池正、负极极板连接固定后，正、负极电极极片上的大部分点到正、负电池极板都具有很近的垂直距离，因而大大降低了电池的内阻，提高了电池的输出电流；同时，由于所有的集流体都可以参与动力型锂离子电池的散热，并且每个极片的集流体本身都是一个整体，可以很好的传递热量，因此电池自身的散热会比较快速和均匀。

但是，在上述结构电池的制备过程中，设置于正、负极集流体宽度方向上的多个延伸部之间的错位控制是一个很大的难点，这是由于电极极片在压实后，会缓慢释放应力而发生厚度反弹，而厚度反弹的不一致性，会使得电极延伸部的位置设置十分困难：如果设置延伸部位置前电极极片没有充分反弹，而采用没有反弹完全的电极极片厚度来设定延伸部的位置，电极极片厚度反弹在时间上的不一致性会导致电极极片卷绕后延伸部的错位明显，无法满足组装要求；如果让电极极片长时间静置反弹，之后再进行延伸部的设置，又无法满足实际生产对效率的要求，现实意义很差。

另外，在电芯制备过程中，极片需要通过传动辊等设备，这可能会使上述多个延伸部发生折皱或破损，以致影响电池加工的品质和效率，如何保持延伸部在组装过程中的完整性，也是具有这种结构的电池实际应用时的难点。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种延伸部错位较小的具有散热性能的动力型锂离子电池。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有散热性能的动力型锂离子电池，其电芯包括正、负电极极片和隔离膜，所述电极极片包括集流体和涂布于集流体上的活性物质膜片，所述集流体在其宽度方向上延伸设置有多个延伸部，当正、负电极极片和隔离膜卷绕形成电芯后，正、负极极集流体上设置的延伸部分别组合在一起，形成正、负极极耳，在制备延伸部前，对压实后的电极极片进行烘烤使其厚度达到快速均匀反弹。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，所述电极烘烤的温度为110~150℃，时间为大于或等于3分钟。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，对电极极片进行同步厚度测量，根据测得的厚度变化平均值对多个同极延伸部之间的间距进行调整，再制备延伸部。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，所述延伸部的形状为等腰梯形，所述梯形的底角角度为75～90度。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，所述梯形的底角角度优选为80～84度。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，所述延伸部的形状为具有圆形倒角的等腰梯形，所述具有圆形倒角的梯形的底角圆弧度为75～90度。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，所述具有圆形倒角的梯形的底角圆弧度优选为80～84度。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，所述正、负极极耳形成于电池的同一端。

作为本发明具有散热性能的动力型锂离子电池的一种改进，所述正、负极极耳分别形成于电池的两端。

本发明的优点是：

通过电极极片烘烤控制，让压实后的电极极片快速反弹和均匀反弹，既解决或改善了电极延伸部错位的问题，又能满足快速干燥和组装电池的工艺要求；

通过对电极极片进行同步厚度测量对延伸部的间距进行调整，避免了由于平均厚度选取错误而导致的实际错位值大的问题；

在控制电极极片的快速反弹后，采用具有等腰梯形或圆形倒角等腰梯形的延伸部结构，降低了延伸部被碰撞的几率，解决或改善了多个延伸部在加工的过程中通过传动辊等设备发生折皱或破损的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，本发明并不局限于所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保护范围内。

图1所示为本发明卷绕后电芯的结构示意图。

图2所示为本发明的负极电极极片的一面结构示意图。

图3所示为图2中负极电极极片的另一面结构示意图。

图4所示为本发明的正极电极极片的结构示意图。

图5所示为本发明第一实施方式的卷绕后电芯的结构示意图。

图6所示为本发明第二实施方式的卷绕后电芯的结构示意图。

图7所示为本发明第一实施方式的卷绕后电芯的极耳错位统计图。

图8为本发明的电极极耳延伸部的结构图。

图9为本发明的电极极耳延伸部的另一结构图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明具有散热性能的动力型锂离子的电芯包括相互卷绕的负极电极极片12、隔离膜14和正极电极极片16，其中，隔离膜14间隔于相邻的负极电极极片12和正极电极极片16之间，以将两种电极极片绝缘并保持电解液。负极电极极片12包括负极集流体122和附着在负极集流体122上、含有负极活性物质的负极膜片124，正极电极极片16包括正极集流体162和附着在正极集流体162上、含有正极活性物质的正极膜片164。隔离膜14则为采用塑化、萃取等工艺制成的微孔薄膜，这样的结构有利于隔离膜14对含有锂盐的有机溶剂电解液的保持。

请参阅图2至图4，负极电极极片12在负极集流体122的宽度方向上延伸设置有多个负极延伸部126，正极电极极片16在其正极集流体162的宽度方向上延伸设置有多个正极延伸部166。

请参阅图5，在第一实施方式中，当正、负极电极极片16、12和隔离膜14卷绕形成电芯7后，分别将正、负极集流体162、122上设置的延伸部166、126组合在一起，从而分别形成正极极耳6和负极极耳5，所述正、负极极耳6、5形成于电池的同一端。电芯7便通过正、负极极耳6、5与外电路电性连接。

请参阅图6，在本发明具有散热性能的动力用锂离子电池的第二实施方式中，其正极极耳9、负极极耳8形成于电芯10的两端，其它结构如正、负电极极片、延伸部等基本结构与具体实施方式一相同，只是极片尺寸不同，此处不再赘述。

本发明在电极极片的集流体宽度方向上延伸设置有多个延伸部，并将延伸部组合在一起分别形成正、负极极耳，当正、负极极耳与电池正、负极极板连接固定后，正、负极电极极片上的大部分点到正、负电池极板都具有很近的垂直距离，从而大大降低了电池的内阻，提高了电池的放电电压平台和放电电流，降低了电池的充放电温度，改善了电池的电化学性能，增大了输出功率，因此可满足动力型和高功率型电池的要求。

本发明由于所有的集流体都可以参与动力型锂离子电池的散热，并且每个电极极片的集流体本身是一个整体，因此可以很好的传递热量，使电池自身的散热快速且均匀。

请参阅图8，为了避免电芯制备时传动辊等设备对延伸部126、166造成损坏，可将延伸部126、166制成等腰梯形，其底角角度为75～90度，优选为80～84度。

请参阅图9，为了进一步保护延伸部126、166，还可以将其制成具有圆形倒角的等腰梯形，所述底角的圆弧度为75～90度，优选为80～84度。

为了有效控制同极延伸部之间的错位，本发明首先对方形卷绕电池延伸部的错位量进行推导计算如下：

首先，假设：

电芯第1圈的卷绕半径为r1，电极厚度发生变化后第1圈的卷绕半径为R1；

电芯第2圈的卷绕半径为r2，电极厚度发生变化后第2圈的卷绕半径为R2；

电芯第3圈的卷绕半径为r3，电极厚度发生变化后第3圈的卷绕半径为R3；

……

依此类推：电芯第n圈的卷绕半径为rn，电极厚度发生变化后第n圈的卷绕半径为Rn；

最内圈长度为L0，电极厚度发生变化后最内圈长度为L0'，显然L0'=L0；

第1圈长度为L1，电极厚度发生变化后第1圈长度为L1'；

第2圈长度为L2，电极厚度发生变化后第2圈长度为L2'；

第3圈长度为L3，电极厚度发生变化后第3圈长度为L3'；

……

依此类推：第n圈长度为Ln，电极厚度发生变化后第n圈长度为Ln'。

这样，标准卷绕模型每圈长度如下：

第1圈长度L1=2π*r1+2L0，r1=△T=Tc+Ta+2Ts，Tc为双层正极电极极片厚度，Ta为双层负极电极极片厚度，Ts为双层隔离膜厚度；

第2圈长度L2=2π*r2+2L0，r2=2△T；

第3圈长度L3=2π*r3+2L0，r2=3△T；

……

第n圈长度Ln=2π*r3+2L0，rn=n△T；

电极厚度发生变化后，如果变化量为△t（△t是正极、负极、隔离膜变化的总和），则电极厚度发生变化后，每圈长度如下：

L1'=2π*R1+2L0'，R1=r1+△t=△T+△t；

L2'=2π*R2+2L0'，R2=R1+△T+△t=r1+△T+2△t=2△T+2△t=r2+2△t；

L3'=2π*R3+2L0'，R3=R2+△T+△t=r2+2△t+△T+△t=r3+3△t；

Ln'=2π*Rn+2L0'，Rn=R(n-1)+△T+△t=r(n-1)+(n-1)△t+△t+△t=rn+n△t。

那么，各圈引起的实际极耳位置和标准位置的差异计算如下：

第1圈△L1=L1'-L1=2π*R1+2L0'-2π*r1-2L0=2π*(R1-r1)=2π*△t；

第2圈△L2=L2'-L2=2π*R2+2L0'-2π*r2-2L0=2π*(R2-r2)=2π*2△t；

第3圈△L3=L3'-L3=2π*R3+2L0'-2π*r3-2L0=2π*(R3-r3)=2π*3△t；

第n圈△Ln=Ln'-Ln=2π*Rn+2L0'-2π*rn-2L0=2π*(Rn-rn)=2π*n△t。

故第n圈极耳和第一圈极耳的错位值为：

total=2π*△t+2π*2△t+2π*3△t+…+2π*n△t

=2π*(△t+2△t+3△t+…+n△t)

=2π*△t*(1+n)*n/2。

从推导得出的计算公式可以看出，电极的厚度变化和电极层数是延伸部错位的影响因素：

1)在相同层数条件下，电极的厚度变化越小，极耳延伸部的错位量越小；

2)在相同的电极厚度变化条件下，电极层数越少，极耳延伸部的错位量越小。

因此，只要对电极的厚度变化和电极层数进行有效控制，即可减小延伸部的错位量。由于电极层数也是实际工程考虑的主要参数，而极片厚度的反弹是引起正极、负极、隔离膜变化总和△t变化的关键因素，因此本发明通过对极片厚度反弹进行控制，来减小延伸部的错位现象。

为了实现电极厚度的均匀快速反弹，本发明在电极极片12、16压实后、延伸部126、166制备前，对电极极片12、16进行烘烤，烘烤温度为110~150℃，烘烤时间为大于或等于3分钟。

在控制电极厚度的快速反弹后，可以通过自动测试厚度设备对电极极片进行同步厚度测试，得到同一卷电极厚度变化分布和平均值，以此厚度变化平均值通过计算机数据处理得出电极的延伸部间距设定位置，从而利用电极加工设备加工得到错位尽可能小的重叠延伸部，通过上述方法，本发明能够将延伸部的实际错位量控制在小于或等于6.0毫米，一般情况下都小于等于4.0毫米。

举例来说，采用图5所示的第一实施方式设计的一种电池，其电芯的理论设计容量为10Ah、设计层数为22层，采用Li₄Ti₅O₁₂做为负极活性材料，负极活性材料与导电剂、粘接剂等按照一定的比例制成负极浆料，涂布于负极集流体而制得负极片；正极活性材料采用复合金属氧化物，如LiNiCoMnO₂、LiMn₂O₄等，正极活性材料与粘接剂、导电剂等按照一定的比例制成正极浆料，涂布于正极集流体而制得正极片；正、负极电极极片间的隔离膜采用的是由PP、PE或PP制成的聚合物隔膜纸；电解液采用含有EC、PC环状酯和EMC、DEC、DMC链状酯组成的溶剂体系，主体锂盐则是LiPF₆。对压实的电极极片进行烘烤后，通过自动测试厚度设备测得△t=0.0038mm，由此可计算出按照标准卷绕模型进行卷绕时各圈的延伸部错位值，如最外圈（n=22）延伸部和第一圈延伸部的最大理论错位值为6.04mm。可见，即使不对延伸部间距进行修正，采用本发明上述烘烤步骤的电芯，其延伸部的错位值也仅为6毫米左右，远小于不经烘烤的电芯延伸部的错位值。但是，为了进一步缩小延伸部错位量，本发明依据自动测试厚度设备测得电极厚度变化值△t，计算出标准卷绕模型中各个延伸部的错位值，并对其进行相应调整，如将最外圈的延伸部位置向外调整6.04mm，从而使实际生产出的电芯的延伸部错位值很小。由图7所示的错位统计结果可见，延伸部的平均错位值都小于4.0mm。

上述电池由于采用多延伸部分流和散热，因此具有特别优异的功率特性、循环特性和安全特性，电池具有较小的内阻，其大小为3.0毫欧姆。上述单体电芯在10C倍率放电的情况下，其容量可以达到90%以上；在2C/2C100%SOC下循环1000周后，容量保持率维持在80%以上，能够满足高功率要求；电池在6C循环时温升小于10度，说明上述电池具有很好的散热性能。

又如采用图6所示的第二实施方式设计的一种电池，其电芯的理论设计容量为3.5Ah、设计层数为26层，采用Li₄Ti₅O₁₂做为负极活性材料，负极活性材料与导电剂、粘接剂等按照一定的比例制成负极浆料，涂布于负极集流体而制得负极片；电芯的正极活性材料采用复合金属氧化物，如LiMn₂O₄、LiNiCoMnO₂等，正极活性材料与粘接剂、导电剂等按照一定的比例制成正极浆料，涂布于正极集流体而制得正极片；正负极片间的隔离膜采用的是由PP、PE或PP制成的聚合物隔膜纸；电解液采用含有EC、PC环状酯和EMC、DEC、DMC链状酯组成的溶剂体系，主体锂盐则是LiPF₆。对压实的电极极片进行烘烤后，通过自动测试厚度设备测得△t=0.0027mm，由此可计算出按照标准卷绕模型进行卷绕时各圈的延伸部错位值，如最外圈（n=26）延伸部和第一圈延伸部的最大理论错位值为5.95mm。可见，即使不对延伸部间距进行修正，采用本发明上述烘烤步骤的电芯，其延伸部的错位值也小于6.0mm，远小于不经烘烤的电芯延伸部的错位值。之后通过计算机数据处理得出电极的延伸部间距设定位置，从而使实际生产出的电芯的延伸部错位值更小。

上述电池由于采用多延伸部分流和散热，因此具有特别优异的功率特性、循环特性和安全特性，电池具有较小的内阻，其大小为1.4毫欧姆。上述单体电芯在20C倍率充电的情况下，其容量可以达到90%，20C倍率放电容量可以达到95%以上；在5C/5C100%SOC下循环4000周后，容量保持率维持在80%以上。此外，在安全性能实验中，钉刺没有明显温升、1C/10V的过充最高温度才73度、200degC的热箱实验没有出现爆炸、冒烟或泄漏现象，说明上述电池单体的安全性能也相对优异。

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

1.一种具有散热性能的动力型锂离子电池，其电芯包括正、负电极极片和隔离膜，所述电极极片包括集流体和涂布于集流体上的活性物质膜片，所述集流体在其宽度方向上延伸设置有多个延伸部，当正、负电极极片和隔离膜卷绕形成电芯后，正、负极极集流体上设置的延伸部分别组合在一起，形成正、负极极耳，其特征在于：在制备延伸部前，对压实后的电极极片进行烘烤使其厚度达到快速均匀反弹，烘烤的温度为110～150℃，时间为3分钟。

2.根据权利要求1所述的具有散热性能的动力型锂离子电池，其特征在于：对电极极片进行同步厚度测量，根据测得的厚度变化平均值对多个同极延伸部之间的间距进行调整，再制备延伸部。

3.根据权利要求1所述的具有散热性能的动力型锂离子电池，其特征在于：所述延伸部的形状为等腰梯形，所述等腰梯形的底角角度为75～90度。

4.根据权利要求3所述的具有散热性能的动力型锂离子电池，其特征在于：所述等腰梯形的底角角度为80～84度。

5.根据权利要求1所述的具有散热性能的动力型锂离子电池，其特征在于：所述延伸部的形状为具有圆形倒角的等腰梯形，所述具有圆形倒角的等腰梯形的底角圆弧度为75～90度。

6.根据权利要求5所述的具有散热性能的动力型锂离子电池，其特征在于：所述具有圆形倒角的等腰梯形的底角圆弧度为80～84度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的具有散热性能的动力型锂离子电池，其特征在于：所述正、负极极耳形成于电池的同一端。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的具有散热性能的动力型锂离子电池，其特征在于：所述正、负极极耳分别形成于电池的两端。