CN102195096A - 卷绕方形锂离子电池及其阳极片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷绕方形锂离子电池，其包括叠加卷绕的阳极片和阴极片，阳极片包括阳极集流体和涂布在阳极集流体两面的阳极膜片，卷绕时位于内侧的阳极膜片的厚度d2小于卷绕时位于外侧的阳极膜片的厚度d1。相对于现有技术，本发明卷绕方形锂离子电池通过对两层阳极膜片的厚度进行差异化设计，减少了阳极膜片的冗余厚度，因此实现了在不影响电芯安全性能和容量的前提下，有效减小电芯厚度和体积，提高卷绕方形锂离子电池的能量密度。

Description

卷绕方形锂离子电池及其阳极片

技术领域

本发明涉及一种卷绕锂离子电池，尤其是一种高能量密度的卷绕方形锂离子电池。

背景技术

锂离子电池自上世纪九十年代开发问世以来，因具有能量密度更高和循环寿命好等优点，在短短十几年内得到了非常迅速的发展。

卷绕方形锂离子电池的电芯，是将阳极片、阴极片和隔离膜通过叠片卷绕而成。设计锂离子电池时，其阳极片涂膜厚度与阴极片涂膜厚度要达到一定的比值才能保证电池的安全，这个比值称为电量平衡值。现有的锂离子电池对其阴阳极片均采用双面等厚涂膜，并通过规定阳极膜片厚度和阴极膜片厚度的比值来保证电芯设计的安全。

但是，上述设计方法并没有考虑阴阳极片卷绕时因双面膜片变形不同而造成的阴阳极膜片厚度比值的变化，以致设计的电芯要么因阴阳极膜片厚度比值不达标而安全性不佳，要么因出现阴阳极膜片冗余厚度而能量密度不高。

发明内容

本发明的目的在于：在不影响电芯安全性能和容量的前提下，提供一种高能量密度的卷绕方形锂离子电池及其阳极片。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种卷绕方形锂离子电池，其包括叠加卷绕的阳极片和阴极片，所述阳极片包括阳极集流体和涂布在阳极集流体两面的阳极膜片，卷绕时位于内侧的阳极膜片的厚度d2小于卷绕时位于外侧的阳极膜片的厚度d1。

作为本发明卷绕方形锂离子电池的一种改进，所述阴极片包括阴极集流体和涂布在阴极集流体两面的阴极膜片，卷绕时位于外侧的阴极膜片厚度为a，所述内侧阳极膜片的厚度d2与外侧阴极膜片的厚度a满足以下条件：d2/a不小于电池安全设计所需要达到的电量平衡值。

作为本发明卷绕方形锂离子电池的一种改进，卷绕时位于内侧的阴极膜片的厚度与外侧阴极膜片厚度相同。

作为本发明卷绕方形锂离子电池的一种改进，阴阳极片卷绕后，卷绕处的外侧阳极膜片厚度变为R1，与外侧阳极膜片相邻的内侧阴极膜片的厚度变为r2’，二者的比值R1/r2’ 不小于电池安全设计所需要达到的电量平衡值。

为了实现上述发明目的，本发明还提供一种卷绕方形锂离子电池阳极片，其包括阳极集流体和分别涂布在阳极集流体两面且具有不同厚度的阳极膜片。

相对于现有技术，本发明卷绕方形锂离子电池通过对两层阳极膜片的厚度进行差异化设计，减少了阳极膜片的冗余厚度，因此实现了在不影响电芯安全性能和容量的前提下，有效减小电芯的厚度和体积，提高卷绕方形锂离子电池的能量密度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明。

图1为现有卷绕方形锂离子电池的阳极膜片示意图。

图2为现有卷绕方形锂离子电池的电芯卷绕示意图。

图3为本发明卷绕方形锂离子电池的电芯卷绕示意图。

具体实施方式

为了解决现有卷绕方形锂离子电池存在的问题，本申请的发明人首先对其极片和极片的卷绕进行了深入研究。

请参阅图1，现有卷绕方形锂离子电池的阳极片是在其阳极集流体20的两面进行等厚涂膜，因此阳极膜片22、24的厚度都为d。

请参阅图2，图1中的阳极片卷绕为方形锂离子电池的电芯时，未卷绕部分（图2下部的平直部分）的阳极集流体20和阳极膜片22、24均未发生形变，厚度与未卷绕前相同，而卷绕部分（图2左端的弯曲部分）却因为两面的阳极膜片22、24受力不同而有所变形，具体来说，内侧阳极膜片24受挤压而厚度增加，外侧阳极膜片22受拉伸而厚度减薄，因此，R2>d>R1。类似的变化同样发生在阴极片（阴极集流体为40，其两面的阴极膜片42、44卷绕前厚度都为a）上。阳极膜片22、24和阴极膜片42、44的厚度变化会导致他们的厚度比值发生变化，在卷绕处，R2/r1>d/a>R1/r2’。为了保证锂离子电池的安全性，最薄弱的R1/r2’位置也要满足设计安全要求，达到安全电量平衡值，这就导致其余位置的阳极膜片会出现不同程度的设计冗余厚度。

分析上述卷绕方式可知，内侧阳极膜片24和外侧阴极膜片42对应，外侧阳极膜片22和内侧阴极膜片44对应，只要保证了阳极外侧卷绕处的设计安全，阳极外侧未卷绕处、阳极内侧未卷绕处、阳极内侧卷绕处的阳极阴极膜片厚度比值均大于阳极外侧卷绕处的比值。因此，如果减薄内侧阳极膜片的厚度，只要仍保证阳极内侧未卷绕处的膜片厚度比值达到设计安全要求，就能保证电芯的安全性。

请参阅图3，根据以上分析，为了解决现有设计存在的问题，本发明将阳极集流体20两侧的阳极膜片22、24设计成不同的厚度，使内侧阳极膜片24的厚度小于外侧阳极膜片22的厚度，即d2<d1。这样的阳极片和阴极片（阴极集流体为40，其两面的膜片42、44卷绕前厚度都为a）叠加卷绕后，要求所有的部分R2/r1、d1/a、d2/a、R1/r2’都达到安全电量平衡值，才能保证电池安全。仔细分析，以上四个值中，显然d1/a> R1/r2’、R2/r1> d2/a，也就是说，只要保证R1/r2’和d2/a都达到安全所需的电量平衡值，即可保证电池的安全性。由于现有技术中对R1/r2’已有要求，因此本发明在现有技术的基础上，通过减薄内侧阳极膜片24的厚度d2来减少电芯厚度时，只要d2不过小，能够保证d2/a的值不小于R1/r2’，即可保证电池的安全性能。

下面我们以数据来说明本发明的有益效果：

如前所述，卷绕方形锂离子电池，卷绕处膜片的内外侧因受压受拉而发生厚度变化，为简化计算，卷绕处以半径为2.0mm弧度进行计算。按照质量守恒原则，平面膜片在卷绕圆弧处，内侧面受压，长度变短，单位长度内物质增加，外侧面受拉，单位长度内物质减少。

若阳极片采用双面等厚设计，平面处d/a的电量平衡值为CB1，

卷绕处内圈R2/r1的电量平衡值CB2为未卷绕处d/a的104.4%，即CB2=1.044CB1；

而卷绕处外圈R1/r2’的电量平衡值CB3为未卷绕处d/a的95.2%，即CB3=0.952CB1。

为了保证安全，设计阴阳极膜片厚度时，必须保证实际电量平衡值最小处CB3>安全电量平衡值CB，若设计要求安全电量平衡值CB≥1.05，则必须保证CB3>1.05，那么：

内圈平面处d/a的电量平衡值CB1>1.10；

外圈平面处d/a的电量平衡值CB1>1.10；

卷绕处内圈R2/r1的电量平衡值CB2>1.15，可见，此处实际电量平衡值富余。

采用本发明的阳极膜片厚度优化设计后，按照内侧阳极片厚度减薄4%计算，平面外圈处d1/a的电量平衡值为CB0’；

平面处内圈d2/a的电量平衡值CB1’为平面处外圈d1/a的电量平衡值CB0’的96%，即CB1’=0.96CB0’；

卷绕处内圈R2/r1的电量平衡值CB2’为内圈平面处d2/a电量平衡值CB1’的104.4%，即CB2’=1.044CB1’=1.002CB0’；

卷绕处外圈R1/r2’的电量平衡值CB3’为外圈平面处d1/a电量平衡值CB0’的95.2%，即CB3’=0.952CB0’。

可见，R1/r2’处的电量平衡值CB3’仍是实际电量平衡值最小处。只要保证CB3’>安全电量平衡值CB，即可保证电池设计安全。若设计要求电量平衡值CB≥1.05，则必须保证CB3’ >1.05，此时：

平面处外圈d1/a的电量平衡值CB0’ >1.10；

平面处内圈d2/a的电量平衡值CB1’ =0.96CB0’ >1.06；

卷绕处内圈R2/r1的电量平衡值CB2’=1.002CB0’ >1.10。

可见本发明设计保证了所有部分的电量平衡值均大于安全电量平衡值，同时减少了阳极极片单面厚度4%。

实施例1：对于厚度方向为10层的卷绕方形电池，采用本发明的阳极膜片厚度优化设计后，外侧阳极膜片厚度不变，将内侧阳极膜片厚度降低到外侧膜片厚度的96%，每层膜片减少厚度4%，按照单面膜片厚度0.070 mm计算，10层将减少设计厚度10*0.070*4%=0.028 mm，为电芯厚度方向争取了宝贵的空间。

实施例2：对于厚度方向为20层的卷绕方形电池，采用本发明的阳极膜片厚度优化设计后，外侧阳极膜片厚度不变，将内侧阳极膜片厚度降低到外侧膜片厚度的96%，每层膜片减少厚度4%，按照单面膜片厚度0.075mm计算，20层将减少设计厚度20*0.075*4%=0.060 mm，为电芯厚度方向争取了宝贵的空间。

综上所述，本发明卷绕方形锂离子电池通过减薄内侧阳极膜片厚度的方式，减少了阳极膜片的冗余厚度，实现在不影响电芯安全性能和容量的前提下，有效减小了电芯厚度和体积，提高了卷绕方形锂离子电池的能量密度。

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 (5)

1.一种卷绕方形锂离子电池，其包括叠加卷绕的阳极片和阴极片，所述阳极片包括阳极集流体和涂布在阳极集流体两面的阳极膜片，其特征在于：卷绕时位于内侧的阳极膜片的厚度d2小于卷绕时位于外侧的阳极膜片的厚度d1。

2.根据权利要求1所述的卷绕方形锂离子电池，其特征在于：所述阴极片包括阴极集流体和涂布在阴极集流体两面的阴极膜片，卷绕时位于外侧的阴极膜片厚度为a，内侧阳极膜片的厚度d2与外侧阴极膜片的厚度a之间满足以下条件：d2/a不小于电池安全设计所需要达到的电量平衡值。

3.根据权利要求2所述的卷绕方形锂离子电池，其特征在于：卷绕时位于内侧的阴极膜片的厚度与外侧阴极膜片厚度相同。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的卷绕方形锂离子电池，其特征在于：阴阳极片卷绕后，卷绕处的外侧阳极膜片厚度变为R1，与外侧阳极膜片相邻的内侧阴极膜片的厚度变为r2’，二者的比值R1/r2’ 不小于电池安全设计所需要达到的电量平衡值。

5.一种卷绕方形锂离子电池阳极片，包括阳极集流体和分别涂布在阳极集流体两面的阳极膜片，其特征在于：所述分别涂布在阳极集流体两面的阳极膜片具有不同的厚度。

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