CN102332614A - 一种锂离子电池的卷绕结构及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及软包装锂离子二次电池,尤其是一种锂离子电池的卷绕结构,所述电芯由正极极片,负极极片,隔离膜卷绕而成,所述正极极片的内圈焊有铝极耳,所述负极极片的内圈焊有镍极耳,所述隔离膜内圈设有卷芯,解决了软包装锂离子电池的变形及安全问题,所述卷芯由聚合物制成,能与电解液发生溶胀作用后并溶解,但是不影响电芯性能。本发明还提供一种锂离子电池的卷绕结构的制备工艺。

Description

一种锂离子电池的卷绕结构及其制备工艺
技术领域
本发明涉及软包装锂离子二次电池,尤其是一种锂离子电池的卷绕结构及其制备工艺。
背景技术
锂离子电池是目前世界上最先进的商品化二次电池,随着各种电子产品的发展,对锂离子电池的需求量呈现迅速增长态势。锂离子电池电芯卷绕是锂离子电池制作的关键环节之一,卷绕过程中,卷芯是一个非常关键的工具,卷芯的形状会直接影响到成品电芯的平整度,特别是对于厚电芯,容易出现变形;有两个原因导致变形:一是常规的卷芯都是上下两片卷针复合而成,完成卷绕后,需要抽走其中一片卷针才能取下电芯,在这个过程中,内圈极片受到外圈极片挤压,同时又失去卷芯这个外力的支撑,电芯张力失衡,极片发生坍塌造成变形;二是电芯的卷绕结构的两端为闭环,电池在充放电过程中,电极的膨胀在电池的两端会受到束缚,而在厚度方向可以自由膨胀,从而造成电池内部应力不均,最终产生在电池方向的变形。如果能够在电池结构的两端,极片层与层之间预留足够的空间,就可以改善变形,但是目前大多数厂家采用的都是菱形卷芯,并未考虑给电芯两端预留空间。为了改善变形,有的厂家采用加厚的菱形卷芯,增加了电芯两端的空间,但是加厚的卷芯抽针非常困难,抽针的过程中容易抽走隔离膜,内圈隔离膜打皱,正负极基材可能直接接触,导致内部短路,存在安全隐患。
有鉴于此,开发一种新型的卷芯对于改善软包装锂离子二次电池,特别是厚电池的变形及安全问题非常关键。
发明内容
本发明的目的在于:提供一种锂离子二次电池的卷芯,能够改善卷绕式软包装电芯,特别是厚电芯的变形及安全问题。
为了实现上述发明目的,本发明提供技术方案如下:
一种软包装锂离子电池的卷绕结构,所述电芯由正极片,负极片和隔离膜卷绕而成,所述正极极片的内圈焊有铝极耳,所述负极极片的内圈焊有镍极耳,所述隔离膜内圈设有卷芯。本发明无需抽针既能提高生产效率,也可以避免由于抽针导致电芯张力失衡,电芯张力失衡,内圈无卷芯支撑,裸电芯极片向内挤压,导致电芯塌陷,应力集中,后续的循环过程极片反复膨胀,加剧应力不均,最终导致电芯在宽度方向的变形,将卷芯留在裸电芯内圈,可以支撑外圈极片的压力,消除应力,裸电芯应力均匀,整形的时候再将卷芯溶解,可以继续保持裸电芯内部应力的平衡,解决变形这个难题。
所述卷芯的形状为跑道形卷芯,一方面,跑道形卷针的拐角处圆弧角比菱形卷芯大,利于电芯拐角处极片层与层之间距离不过紧,能给电芯两端预留足够的空间,用于循环时极片的反弹;另一方面,跑道形卷芯能减少卷绕过程中张力波动幅度和线速度波动幅度;
所述卷芯为单体结构,区别于常规的两片卷针构成的复合结构卷芯,降低成本;
所述卷芯的厚度为C,0.5≤C≤2mm,卷芯厚度过薄,拐角比较尖锐,容易刺穿隔离膜,且加工成本高,卷芯厚度过厚,电芯无法放进包装铝箔,不能封装。卷芯两端的圆角R为C/2,可以形成跑道形卷芯;卷芯的长度B为正极片的宽度,不会影响封装;
卷芯为聚合物制成,包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的至少一种,以上聚合物能在常温下与电解液发生溶胀作用,在高温下能溶解,不影响电芯性能;
软包装锂离子电池的卷绕结构制备工艺,由以下步骤完成:
a、将正极、隔离膜、负极叠加卷绕,卷绕完成后卷芯留在电芯内部,直接封装,
b、将封装后的电芯真空烘烤,然后进行注液,真空封装;
c、常温静置0.5~2小时,促进电解液渗透,卷芯与电解液开始发生溶胀作用;
d、将电芯放置夹具中,施以压力,在高温炉子里烘烤,将卷芯完全溶解。
相对现有工艺而言:
本发明将卷芯留电芯内部直接封装,不需要抽卷芯,提高了生产效率,在成形前支撑极片的压力,消除极片反弹的应力,使得裸电芯应力均匀。并在一定的条件下,将卷芯溶解,不会影响电芯性能;
所述步骤b中烘烤温度为60~90℃,高温加速去除裸电芯的水分;
所述步骤b中真空度小于-97KPa,降低水分沸点,促使裸电芯中水分更易挥发;
所述步骤d中压力为0.5~2.3MPa/m2,保证裸电芯定型和电芯厚度,当压力小于0.5时,整形力度不够会使电芯超厚,当压力超过2.3MPa/m2时,自放电率加大。
所述步骤d中高温炉子里烘烤温度为60~90℃,既能促使卷芯溶解,又能使裸电芯定型,无需卷芯支撑。
附图说明
图1是本发明软包装锂离子二次电池的卷芯侧视结构示意图;
图2是本发明软包装锂离子二次电池的卷芯主视结构示意图;
图3是本发明软包装锂离子二次电池的电芯结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图,对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种软包装锂离子二次电池的电芯结构,所述电芯由正极极片4,负极极片3,隔离膜6,卷芯5构成,正极极片4上焊有铝极耳2,负极极片3上焊有镍极耳1,所述隔离膜6内圈设有卷芯5,所述卷芯5为聚合物PVDF制成,跑道形卷芯,单体结构,厚度为0.5mm,两端圆角为0.25mm,见图1,卷芯的长度B为正极极片4的宽度79mm,卷芯的宽度A为32mm,见图2,本实施例以半自动卷绕式软包装锂离子电池904589(厚9.0mm,宽45.0mm,长89.0mm)为例。如图1所示,按照以下步骤完成:a、将正极极片4,负极极片3,隔离膜6,卷芯5一起卷绕成型,卷绕完成后卷芯留在电芯内部,见图3,然后直接封装;b、将封装后的电芯在-97Kpa,75℃下真空烘烤8H,然后进行注液,真空封装;c、常温静置0.5~2小时,促进电解液渗透,卷芯与电解液开始发生溶胀作用;d、将电芯放置夹具中,施以1.0MPa/m2压力,在85℃高温炉子里烘烤8H,将卷芯完全溶解。然后通过化成,抽气,容量生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例2:
一种软包装锂离子二次电池的电芯结构,所述电芯由正极极片4,负极极片3,隔离膜6,卷芯5构成,正极极片4上焊有铝极耳2,负极极片3上焊有镍极耳1,所述隔离膜6内圈设有卷芯5,所述卷芯5为聚合物PEO制成,跑道形卷芯,单体结构,厚度为0.5mm,两端圆角为0.25mm,见图1,卷芯的长度B为正极极片4的宽度79mm,卷芯的宽度A为32mm,见图2,本实施例以半自动卷绕式软包装锂离子电池904589(厚9.0mm,宽45.0mm,长89.0mm)为例。按照以下步骤完成:a、将正极极片4,负极极片3,隔离膜6,卷芯5一起卷绕成型,卷绕完成后卷芯留在电芯内部,见图3,然后直接封装;b、将封装后的电芯在-97Kpa,75℃下真空烘烤8H,然后进行注液,真空封装;c、常温静置0.5~2小时,促进电解液渗透,卷芯与电解液开始发生溶胀作用;d、将电芯放置夹具中,施以1.0MPa/m2压力,在85℃高温炉子里烘烤8H,将卷芯完全溶解。然后通过化成,抽气,容量生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例3:
一种软包装锂离子二次电池的电芯结构,所述电芯由正极极片4,负极极片3,隔离膜6,卷芯5构成,正极极片4上焊有铝极耳2,负极极片3上焊有镍极耳1,所述隔离膜6内圈设有卷芯5,所述卷芯5为聚合物PMMA制成,跑道形卷芯,单体结构,厚度为0.5mm,两端圆角为0.25mm,见图1,卷芯的长度B为正极极片4的宽度79mm,卷芯的宽度A为32mm,见图2,本实施例以半自动卷绕式软包装锂离子电池904589(厚9.0mm,宽45.0mm,长89.0mm)为例。按照以下步骤完成:a、将正极极片4,负极极片3,隔离膜6,卷芯5一起卷绕成型,卷绕完成后卷芯留在电芯内部,见图3,然后直接封装;b、将封装后的电芯在-97Kpa,75℃下真空烘烤8H,然后进行注液,真空封装;c、常温静置0.5~2小时,促进电解液渗透,卷芯与电解液开始发生溶胀作用;d、将电芯放置夹具中,施以1.0MPa/m2压力,在85℃高温炉子里烘烤8H,将卷芯完全溶解。然后通过化成,抽气,容量生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例4
与实施例1不同的是卷芯的5的厚度为2.0mm,生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例5:
与实施例2不同的是卷芯的5的厚度为2.0mm,生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例6:
与实施例3不同的是卷芯的5的厚度为2.0mm,生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例7:
与实施例5不同的是卷芯为PVDF和PEO以1∶1的比例组成,生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例8:
与实施例5不同的是卷芯PVDF和PMMA以1∶1的比例组成,生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
实施例9:
与实施例5不同的是卷芯PEO和PMMA以1∶1的比例组成,生产100只电池,通过激光扫描观察其变形情况,容量测试后无变形,取50只电池做循环测试,800循环后也无发生变形情况,如表1。
对比例1:
一种软包装锂离子二次电池的电芯结构,所述电芯由正极极片4,负极极片3,隔离膜6卷绕而成,所用卷芯为常规的复合式菱形卷芯,卷芯的厚度为2.0mm,本实施例以半自动卷绕式软包装锂离子电池904589(厚9.0mm,宽45.0mm,长89.0mm)为例,,将正、负极极片,隔离膜,一起卷绕成型,卷绕完成后抽针取出电芯,生产100只裸电芯,观察内圈隔离膜打皱的有15只电芯,然后封装,真空烘烤,注液,真空封装,静置,整形,化成,抽气,容量等工序,生产100只电芯,容量测试后40只电芯变形,取50只电池做循环测试,800循环后全部发生变形,如表1。
卷芯为跑道形单体卷芯,一方面,跑道形卷针的拐角处圆弧角比菱形卷芯大,利于电芯拐角处极片层与层之间距离不过紧,能给电芯两端预留足够的空间,用于循环时极片的反弹;另一方面,跑道形卷芯能减少卷绕过程中张力波动幅度和线速度波动幅度。所述卷芯留在电芯内部,无需抽针,卷芯能起到支撑极片的作用,防止电芯坍塌,无需抽卷针也能防止由于抽针导致隔离膜起皱,发生内短路,对安全有改善。所述卷芯为聚合物,易溶于电解液,不损失能量密度,而且对电化学性能无影响。
表1
  实施例   容量后变形比例  800循环后变形比例   电芯内圈隔离膜打皱比例
  实施例1-9   0%   0%   0%
  对比例1   40%   100%   15%
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 (10)

1.一种软包装锂离子电池的卷绕结构,所述电芯由正极片,负极片和隔离膜卷绕而成,所述正极极片的内圈焊有铝极耳,所述负极极片的内圈焊有镍极耳,其特征在于:所述隔离膜内圈设有卷芯。
2.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的卷绕结构,其特征在于,所述卷芯的形状为跑道形卷芯。
3.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的卷绕结构,其特征在于,所述卷芯为单体结构。
4.根据权利要求2所述的软包装锂离子电池的卷绕结构,其特征在于,所述卷芯的厚度为C,0.5≤C≤2mm,卷芯两端的圆角R为C/2,卷芯的长度B为正极片的宽度。
5.根据权利要求1所述的软包装锂离子电池的卷绕结构,其特征在于,卷芯为聚合物制成,包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的至少一种。
6.软包装锂离子电池的卷绕结构制备工艺,其特征在于,由以下步骤完成:
a、将正极、隔离膜、负极叠加卷绕,卷绕完成后卷芯留在电芯内部,直接封装;
b、将封装后的电芯真空烘烤,然后进行注液,真空封装;
c、常温静置0.5~2小时,促进电解液渗透,卷芯与电解液开始发生溶胀作用;
d、将电芯放置夹具中,施以压力,在高温炉子里烘烤,将卷芯完全溶解。
7.根据权利要求6所述的软包装锂离子电池的卷绕结构制备工艺,其特征在于,所述步骤b中烘烤温度为60~90℃。
8.根据权利要求6所述的软包装锂离子电池的卷绕结构制备工艺,其特征在于,所述步骤b中真空度小于-97KPa。
9.根据权利要求6所述的软包装锂离子电池的卷绕结构制备工艺,其特征在于,所述步骤d中压力为0.5~2.3MPa/m2
10.根据权利要求6所述的软包装锂离子电池的卷绕结构制备工艺,其特征在于,所述步骤d中高温炉子里烘烤温度为60~90℃。
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