CN102447093A - 一种锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池，包括有中空的壳体（7），所述壳体（7）顶部开口，所述壳体（7）的顶部设置有上盖（4），所述壳体（7）内部设置有极组（2）；所述极组（2）包括有正极片（21）和负极片（22），所述正极片（21）和负极片（22）之间设置有隔膜（23）；所述正极片（21）包括正极集流体（210）和正极耳（211），所述负极片（22）包括有负极集流体（220）和负极耳（221）。本发明公开的一种锂离子电池，其可以在满足高功率充放电的同时，还具有很好的安全性能、循环性能以及低温放电性能，让用户长时间安全使用，有利于扩大锂离子电池厂家的市场占有率，具有重大的生产实践意义。

Description

一种锂离子电池

技术领域

 本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池。

背景技术

近年来，随着石油资源的不断减少和环境污染的日益加重，当今汽车工业面临新的技术挑战。为减少石油资源的消耗和降低环境污染，世界各大汽车制造企业在积极地开展混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）的研究二作。动力电池技术一直都是制约混合动力汽车和电动汽车产业发展的关键，其中应用于EV和HEV的锂动力电池研究得到更多的关注。

目前，锂离子电池具有比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上如移动电话、数码摄像机和手提电脑得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面。

但是，对于目前的锂离子电池，其充电速度、循环使用寿命、安全性能、持续高功率放电能力、低温性能等性能参数，是目前急待解决的技术问题，只有很好的解决这些技术问题，才能将锂离子电池应用于HEV和EV产业，推动产业发展。

对于其中传统的圆柱型锂离子电池，其制作工艺为：正极片和负极片均采用铜箔做集流体，然后通过在正极片和负极片上分别焊接上一个正极耳和负极耳，从而将由正极片和负极片卷绕形成的极组的两端分别与电池壳体的上下两端相连接。这时，电池壳体与极组上的正极耳和负极耳在连接时的接触面积较小，从而单位面积电荷承载大，不利于电池功率的提高，同时由于正极片和负极片均采用铜箔做负极集流体，因此材料成本高，使得电池的生产成本较高，严重增加了电池生产厂家的经济支出，降低了生产效益。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种锂离子电池，其具有的正极片和负极片均采用铝箔作为集流体，并且分别采用金属氧化物作为正极集流体和负极集流体上涂覆的浆料，同时在正极片和负极片上分别设置有没有涂覆浆料的箔片部分作为正极耳和负极耳，从而扩大电池壳体与极组之间的连接部分接触面积，因此，可以在满足高功率充放电的同时，还具有很好的安全性能、循环性能以及低温放电性能，让用户长时间安全使用，有利于扩大锂离子电池厂家的市场占有率，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种锂离子电池，包括有中空的壳体7，所述壳体7顶部开口，所述壳体7的顶部设置有上盖4，所述壳体7内部设置有极组2；

所述极组2包括有正极片21和负极片22，所述正极片21和负极片22之间设置有隔膜23；

所述正极片21包括正极集流体210和正极耳211，所述负极片22包括有负极集流体220和负极耳221。

其中，所述极组2顶面通过所述负极耳221与一个上集流体6相焊接，所述极组2底面通过所述正极耳211与一个下集流体9相焊接；

所述上集流体6位于所述上盖4的下方，所述上盖4底面与所述上集流体6顶面相焊接，所述上盖4的四周边缘与所述壳体7的顶部开口相密封焊接；

所述下集流体9与壳体7内底面相焊接。

其中，所述上盖4上设置有一个注液孔，所述注液孔从上到下依次塞入有密封塞5和密封销钉3，所述密封销钉3和上盖4顶面相密封焊接。

其中，所述壳体7上部外侧壁上开有一条环形的滚槽10，所述滚槽10的底面与所述极组2顶面挤压相接。

其中，所述正极耳211形成于所述正极片21的底部，所述正极耳211位于所述正极集流体210的底部，所述正极集流体210和正极耳211为一体形成，所述正极集流体210和正极耳211均为铝箔，所述正极集流体210为涂覆有正极浆料的铝箔，所述正极耳211为没有涂覆正极浆料的空白铝箔。

其中，所述正极浆料包括有主料、导电剂、粘结剂和溶剂，所述正极浆料的主料、导电剂和粘结剂之间的重量比为：（90~94）：（1~5）：（1~5）；

所述正极浆料的主料包括有钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂和镍钴锰酸锂中的至少一种；所述正极浆料的导电剂包括有碳纳米管、乙炔黑和导电石墨中的至少一种；所述正极浆料的粘结剂包括有聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述正极浆料的溶剂包括有N-甲基吡咯烷酮溶剂。

其中，所述负极耳221形成于所述负极片22的顶部，所述负极耳221位于所述负极集流体220的顶部，所述负极集流体220和负极耳221为一体形成，所述负极集流体220和负极耳221均为铝箔，所述负极集流体220为涂覆有正极浆料的铝箔，所述负极耳221为没有涂覆正极浆料的空白铝箔。

其中，所述负极浆料包括有主料、导电剂、粘结剂和溶剂，所述负极浆料的主料、导电剂和粘结剂之间的重量比为：（90~94）：（1~5）：（1~5）；

所述负极浆料的主料包括有二氧化钛和钛酸锂中的至少一种；所述负极浆料的导电剂包括有碳纳米管、乙炔黑、导电石墨和石墨烯中的至少一种；所述负极浆料的粘结剂包括有聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述负极浆料的溶剂包括有N-甲基吡咯烷酮溶剂。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种锂离子电池，其具有的正极片和负极片均采用铝箔作为集流体，并且分别采用金属氧化物作为正极集流体和负极集流体上涂覆的浆料，同时在正极片和负极片上分别设置有没有涂覆浆料的箔片部分作为正极耳和负极耳，从而扩大电池壳体与极组之间的连接部分接触面积，因此，可以在满足高功率充放电的同时，还具有很好的安全性能、循环性能以及低温放电性能，让用户长时间安全使用，有利于扩大锂离子电池厂家的市场占有率，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种锂离子电池的剖面结构示意图；

图2为本发明提供的一种锂离子电池中极组的结构示意图；

图3为本发明提供的一种锂离子电池中正极片的结构示意图；

图4为本发明提供的一种锂离子电池中负极片的结构示意图；

图5为本发明提供的一种锂离子电池在常温（25±2℃）下以5C倍率的放电至1.5V，以及以60mA的截止电流充电至3.0V时的充放循环曲线示意图；

图6为本发明提供的一种锂离子电池在常温（25±2℃）下在放电至1.5V后，以60mA的截止电流充电至3V电压的不同倍率充电曲线示意图；

图7为本发明提供的一种锂离子电池在温度60℃下的短路数据曲线示意图；

图8为本发明提供的一种锂离子电池在常温（25±2℃）下进行充电电流为1A、充电截止电压为12V的过充电测试的数据曲线示意图；

图9为本发明提供的一种锂离子电池在低温（-18℃、-30℃和-40℃）下的放电数据曲线示意图，具体为在-18℃的温度下静置7小时，然后以10C倍率放电至1.5V，或者在-30℃的温度下静置7小时，然后以7C倍率放电至1.44V，或者在-40℃的温度下静置7小时，然后以5C倍率放电至1.2V的示意图；

图中，2为极组，3为密封销钉，4为上盖，5为密封塞，6为上集流体，7为壳体，9为下集流体，10为滚槽，210为正极集流体，220为负极集流体，211为正极耳，221为负极耳，21为正极片，22为负极片，23为隔膜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1、图2，本发明提供了一种锂离子电池，其为圆柱形锂离子电池，包括有中空的圆柱形壳体7，所述壳体7顶部开口，所述壳体7的顶部设置有上盖4，所述壳体7内部设置有中空的圆柱形的极组2。

参见图2，所述极组2包括正极片21和负极片22，所述正极片21和负极片22之间设置有隔膜23，所述极组2通过将正极片21、负极片22和隔膜卷绕在一起形成，如图2所示，每层正极片和负极片之间均间隔设置有一层隔膜23。

在本发明中，参见图2，所述极组2的顶面和底面分别具有负极耳221和正极耳211，所述极组2是通过整形后得到，极组2上下两端的负极耳221和正极耳211分别向卷芯方向弯曲并集中。

在本发明中，所述隔膜23为用纸质材料或者绝缘有机材料制成的隔膜。

参见图1，在本发明中，所述极组2顶面通过负极耳221与一个上集流体6相焊接，所述极组2底面通过正极耳211与一个下集流体9相焊接。需要说明但是，所述焊接方法包括氩弧焊、超声焊、激光焊或电阻焊等。

在本发明中，所述下集流体9与壳体7内底面相接触，具体为所述下集流体9与壳体7内底面相焊接。需要说明的是，所述焊接方法包括氩弧焊、超声焊、激光焊或电阻焊等。

在本发明中，所述上集流体6位于所述上盖4的下方，所述上盖4底面与所述上集流体6顶面相焊接，所述上盖4的四周边缘与所述壳体7的顶部开口相密封焊接。

在本发明中，所述上盖4上设置有一个注液孔，所述注液孔从上到下依次塞入有密封塞5和密封销钉3，所述密封销钉3和上盖4顶面相密封焊接，从而实现了将所述注液孔进行双重密封，减少了壳体7内液体从注液孔中泄漏的隐患。

需要说明的是，所述注液孔具有两重密封的效果，一是通过压入密封塞5密封，其材质可以是过氟烷基化物PFA、乙烯丙烯橡胶EPDM或苯乙烯丁二烯SBR等；而是通过压入密封销钉3，然后与上盖4焊接达到密封效果，其材质可以是Fe、Al、Cu等金属，其焊接方法包括氩弧焊、超声焊、激光焊、电阻焊等。这样就实现了将所述注液孔进行双重密封，大大减少了壳体7内液体从注液孔中泄露的隐患。

在本发明中，所述壳体7上部外侧壁上开有一条环形的滚槽10，所述滚槽10的底面与所述极组2顶面挤压相接，卡紧所述极组2，对极组2进行固定，防止极组2的垂直方向晃动，从而消除了电容器产品多次震动或跌落后，内部连接失效的隐患。具体实现上，所述滚槽10的位置距壳体顶部开口的距离为1mm~20mm，所述滚槽10的深度优选为1mm~10mm。

需要说明的是，在本发明中，所述极组2经过了特殊工艺整形，通过下集流体9与之固定连接；极组2通过上集流体6与上盖4进行固定连接；上盖4与壳体7连接；上盖4上的注液孔经过密封销钉3和密封塞5进行两重密封；极组2通过对壳体7外壁进行滚槽的方法加以固定。

在本发明中，参见图2、图3，所述正极片21包括正极集流体210和正极耳211，所述正极耳211形成于所述正极片21的底部，所述正极耳211位于所述正极集流体210的底部，所述正极集流体210和正极耳211为一体形成，所述正极集流体210和正极耳211均为铝箔。其中，所述正极集流体210为涂覆有正极浆料的铝箔，所述正极耳211为没有涂覆正极浆料的空白铝箔（即无浆箔）。

在本发明中，所述正极浆料包括有主料、导电剂、粘结剂和溶剂，所述正极浆料的主料、导电剂和粘结剂之间的重量比为：（90~94）：（1~5）：（1~5）。

在本发明中，具体实现上，所述正极浆料的主料包括有钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂和镍钴锰酸锂中的至少一种；所述正极浆料的导电剂包括有碳纳米管、乙炔黑和导电石墨中的至少一种；所述正极浆料的粘结剂包括有聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述正极浆料的溶剂包括有N-甲基吡咯烷酮溶剂。

具体实现上，为了制备获得正极片，将正极浆料包括的主料、导电剂和粘结剂按照上述重量比，提前溶于N-甲基吡咯烷酮溶剂中，然后搅拌均匀成糊状的正极浆料，然后均匀涂覆在铝箔上，涂覆有正极浆料的铝箔部分形成正极集流体210，没有涂覆有正极浆料的铝箔部分形成正极耳211，在涂覆时，铝箔正反两面对边缘对齐度有严格要求，经碾压、剪切等工序制备成如图3中所示正极片21。

参见图3所示，所述正极片21的长度为1000~4000mm，所述正极片21的宽度为30~80mm，正极集流体210的宽度（即正极浆料的涂覆宽度）为可以为10μm~40μm，所述正极片21底部边缘没有涂覆浆料的空白铝箔（即正极耳211）的宽度为1~20mm。

参见图2、图4，所述负极片22包括有负极集流体220和负极耳221，所述负极耳221形成于所述负极片22的顶部，所述负极耳221位于所述负极集流体220的顶部，所述负极集流体220和负极耳221为一体形成，所述负极集流体220和负极耳221均为铝箔。其中，所述负极集流体220为涂覆有正极浆料的铝箔，所述负极耳221为没有涂覆正极浆料的空白铝箔（即无浆箔）。

在本发明中，所述负极浆料包括有主料、导电剂、粘结剂和溶剂，所述负极浆料的主料、导电剂和粘结剂之间的重量比为：（90~94）：（1~5）：（1~5）。

在本发明中，具体实现上，所述负极浆料的主料为嵌锂电压大于1V以上的金属氧化物，包括有二氧化钛和钛酸锂中的至少一种；所述负极浆料的导电剂包括有碳纳米管、乙炔黑、导电石墨和石墨烯中的至少一种；所述负极浆料的粘结剂包括有聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述负极浆料的溶剂包括有N-甲基吡咯烷酮溶剂。

具体实现上，为了制备获得负极片，将负极浆料包含的主料、导电剂和粘结剂按照上述重量比，提前溶于N-甲基吡咯烷酮溶剂中，然后搅拌均匀成糊状的负极浆料，然后均匀涂覆在铝箔上，涂覆有负极浆料的部分形成有负极集流体，没有涂覆有负极浆料的铝箔部分形成负极耳221，在涂覆时，铝箔正反两面对边缘对齐度有严格要求，经碾压、剪切等工序制备成如图4中所示负极片22。

参见图3所示，所述负极片22的长度为1000~4000mm，所述负极片22的宽度为30~80mm，负极集流体220的宽度（即负极浆料的涂覆宽度）为可以为10μm~40μm，所述负极片22底部边缘没有涂覆浆料的空白铝箔（即负极耳221）的宽度为1~20mm。

对于上述本发明提供的锂离子电池，其主要工艺过程如下：

步骤一、将搅拌均匀成糊状的正极浆料均匀涂覆在铝箔上，涂覆有正极浆料的铝箔部分形成正极集流体210，没有涂覆有正极浆料的铝箔部分形成正极耳211，在涂覆时，铝箔正反两面对边缘对齐度有严格要求，经碾压、剪切等工序制备成如图3中所示正极片21； 

步骤二、将搅拌均匀成糊状的负极浆料均匀涂覆在铝箔上，涂覆有负极浆料的部分形成有负极集流体，没有涂覆有负极浆料的铝箔部分形成负极耳221，在涂覆时，铝箔正反两面对边缘对齐度有严格要求，经碾压、剪切等工序制备成如图4中所示负极片22；

步骤三、在正极片21和负极片22中间隔一层隔膜23，然后卷绕在一起成圆柱型的极组2，如图2所示，每层正极片和负极片之间均间隔设置有一层隔膜23，所述正极片21和负极片22上没有涂覆浆料的空白铝箔（分别作为正极耳和负极耳）宽度为1~20mm；将极组通过整形使上下两端的负极耳221和正极耳211（都是没有涂覆浆料的无浆箔）弯曲并集中；

步骤四、将极组2通过负极片22上的负极耳221与下集流体9进行激光焊接，将焊好下集流体9的极组2放入壳体7中，从壳体7底部外侧将壳体7的内底面与下集流体9通过焊接的方法焊接在一起；

步骤五、将上盖4底部与上集流体6顶部焊接，将上集流体6底部通过焊接的方式与极组2中正极片21上的正极耳211连接在一起；

步骤六、将上盖4压入壳体7顶部的开口中，然后用焊接方式将上盖4与壳体7顶部开口进行密封焊接；

步骤七、在80℃~180℃的真空环境下，进行6~48小时烘干，除去壳体7内部的水分；

步骤八、通过上盖4上的注液孔，注入电解液，并用密封塞5封住，将密封销钉3压入注液孔中，通过焊接方式将密封销钉与上盖4密封焊接，实现双重密封；

步骤九、在壳体7上部外侧壁上进行滚槽，形成滚槽10，滚槽10与极组2的顶部相挤压，从而使极组2固定。

需要说明的是，对于本发明，与现有锂离子电池技术相比较，其负极片上采用的负极浆料（负极活性物质）为嵌锂电压大于1V以上的金属氧化物，如二氧化钛、钛酸锂等，区别于传统碳材料负极，采用铝箔作负极集流体，并采用以整个极片空箔做极耳，参见图5至图9，提升了电池大电流的输入和输出特性，而且该电池的使用温度比常规锂离子电池的使用范围更宽更广，可从常规锂离子电池的-20度~60度拓展到-40度~80度，本发明的电池在-40度仍然可以大电流放电，并且电池具有非常好的使用寿命。

此外，对于本发明，与现有技术相比较，极组2的正极片和负极片分别采用自身具有的部分没有涂覆浆料的空白铝箔作为正极耳和负极耳，整形后使其集中，然后分别与下集流体9和上集流体6直接相焊接，无需如现有技术那样要另外焊接极耳，因此可以有效保证焊接面积及强度，缩短了导电路径，降低了内部阻抗，也省略了传统圆柱型锂离子电池正极耳和负极耳与相应的正极片和负极片焊接的工艺，特别适用于需要提供高功率释放和快速充电的设备，以及需要超低温大电流放电的特殊领域。

此外，下集流体9与壳体7底部之间不仅仅是接触，而是在外部将壳体7内底面和下集流体9焊接到一起，降低了内部阻抗。本发明采用上集流体6、下集流体9与极组2直接焊接的方式，及壳体7底部与下集流体9焊接工艺不仅大幅降低了内部阻抗，而且简化了工艺，特别适用于需要提供高功率释放和快速充电的设备。

本发明通过设置在所述注液孔从上到下依次塞入有密封塞5和密封销钉3，并将密封销钉3与上盖4顶面进行焊接，从而达到了对注液孔双重密封的工艺，极大减少了电解液泄漏的隐患。

另外，本发明还通过采用对壳体设置滚槽的方式，固定了壳体7内部的极组2，将其压紧，使之固定避免松动，消除了产品经多次震动或跌落后内部连接失效的隐患。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种锂离子电池，其具有的正极片和负极片均采用铝箔作为集流体，并且分别采用金属氧化物作为正极集流体和负极集流体上涂覆的浆料，同时在正极片和负极片上分别设置有没有涂覆浆料的箔片部分作为正极耳和负极耳，从而扩大电池壳体与极组之间的连接部分接触面积，因此，可以在满足高功率充放电的同时，还具有很好的安全性能、循环性能以及低温放电性能，让用户长时间安全使用，有利于扩大锂离子电池厂家的市场占有率，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括有中空的壳体（7），所述壳体（7）顶部开口，所述壳体（7）的顶部设置有上盖（4），所述壳体（7）内部设置有极组（2）；

所述极组（2）包括有正极片（21）和负极片（22），所述正极片（21）和负极片（22）之间设置有隔膜（23）；

所述正极片（21）包括正极集流体（210）和正极耳（211），所述负极片（22）包括有负极集流体（220）和负极耳（221）。

2.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述极组（2）顶面通过所述负极耳（221）与一个上集流体（6）相焊接，所述极组（2）底面通过所述正极耳（211）与一个下集流体（9）相焊接；

所述上集流体（6）位于所述上盖（4）的下方，所述上盖（4）底面与所述上集流体（6）顶面相焊接，所述上盖（4）的四周边缘与所述壳体（7）的顶部开口相密封焊接；

所述下集流体（9）与壳体（7）内底面相焊接。

3.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述上盖（4）上设置有一个注液孔，所述注液孔从上到下依次塞入有密封塞（5）和密封销钉（3），所述密封销钉（3）和上盖（4）顶面相密封焊接。

4.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述壳体（7）上部外侧壁上开有一条环形的滚槽（10），所述滚槽（10）的底面与所述极组（2）顶面挤压相接。

5.如权利要求1至4中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极耳（211）形成于所述正极片（21）的底部，所述正极耳（211）位于所述正极集流体（210）的底部，所述正极集流体（210）和正极耳（211）为一体形成，所述正极集流体（210）和正极耳（211）均为铝箔，所述正极集流体（210）为涂覆有正极浆料的铝箔，所述正极耳（211）为没有涂覆正极浆料的空白铝箔。

6.如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极浆料包括有主料、导电剂、粘结剂和溶剂，所述正极浆料的主料、导电剂和粘结剂之间的重量比为：（90~94）：（1~5）：（1~5）；

所述正极浆料的主料包括有钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂和镍钴锰酸锂中的至少一种；所述正极浆料的导电剂包括有碳纳米管、乙炔黑和导电石墨中的至少一种；所述正极浆料的粘结剂包括有聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述正极浆料的溶剂包括有N-甲基吡咯烷酮溶剂。

7.如权利要求1至4中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极耳（221）形成于所述负极片（22）的顶部，所述负极耳（221）位于所述负极集流体（220）的顶部，所述负极集流体（220）和负极耳（221）为一体形成，所述负极集流体（220）和负极耳（221）均为铝箔，所述负极集流体（220）为涂覆有正极浆料的铝箔，所述负极耳（221）为没有涂覆正极浆料的空白铝箔。

8.如权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极浆料包括有主料、导电剂、粘结剂和溶剂，所述负极浆料的主料、导电剂和粘结剂之间的重量比为：（90~94）：（1~5）：（1~5）；

所述负极浆料的主料包括有二氧化钛和钛酸锂中的至少一种；所述负极浆料的导电剂包括有碳纳米管、乙炔黑、导电石墨和石墨烯中的至少一种；所述负极浆料的粘结剂包括有聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述负极浆料的溶剂包括有N-甲基吡咯烷酮溶剂。

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