CN102800870B - 一种圆柱型锂离子动力电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆柱型锂离子动力电池，包括带有正极柱和负极柱的圆柱形外壳以及圆柱形电芯，圆柱形电芯由正极片、隔膜和负极片卷绕成圆柱形而成，正极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的一端伸出并分割焊接形成正极集流体连接端，负极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的另一端伸出并分割焊接形成负极集流体连接端，正极集流体连接端与正极柱相连，负极集流体连接端与所述负极柱相连，通过改进圆柱形电芯的结构，以提高圆柱型锂离子动力电池的高倍率充放电性能和循环性能。本发明还公开了一种圆柱型锂离子动力电池的制备方法，简化了生产工艺，其工艺易于工业化高效率生产，制备的圆柱型锂离子动力电池具有较优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池及其制备领域，具体涉及一种圆柱型锂离子动力电池及其制备方法。
背景技术
随着世界能源与环保形势日趋紧张，锂离子电池作为新能源越来越受到人们的亲睐。锂离子电池由于其能量密度高，体积轻，重量小，环保无污染，成为新能源发展的主要方向。随着电动汽车、空间技术、国防工业以及电力储能系统等的迅猛发展，对锂离子电池的比容量、循环寿命和安全性等方面提出了更高的要求，改进和提高锂离子电池的电化学性能可从电极材料和改进大容量电池的内部结构等方面入手。
纯电动汽车等交通工具的发展需要动力型锂离子电池具有大容量、高能量密度、高功率密度和高安全性等性能。但由于目前锂离子动力电池的制造工艺基本是沿袭LiCoO2/C电池的生产工艺流程，导致大容量锂离子电池不能在能量密度和功率密度方面同时兼顾，特别是大容量锂离子电池功率密度一般较低。因此，改善大容量电池的内部结构设计，尤其是正极和负极集流体的结构设计，提高集流体连接的可靠性，可以在电池能量密度保证的前提下，显著降低电极反应过程中的极化和提高电化学反应动力学，从而改善电池的高功率充放电特性、循环性能和安全性能。
申请公布号为CN 102299271A的中国发明专利申请公开了一种圆柱型锂离子动力电池，包括圆柱形外壳、正极盖板、负极盖板、正极极柱、负极极柱、中心管及电芯，所述正极盖板和所述负极盖板分别固定安装在所述外壳的两端，所述正极极柱和所述负极极柱分别设于该正极盖板和负极盖板上，所述中心管位于外壳内，外壳两端分别与所述正极极柱和所述负极极柱连接，所述电芯包括正极片、隔离膜和负极片，该正极片、该隔离膜和该负极片依次卷绕在所述中心管上，且该正极片和该负极片分别经正极极耳和负极极耳与所述正极极柱和所述负极极柱连接，在所述负极盖板上设有通孔，并在该通孔内密封焊接有负极陶瓷环，所述负极极柱穿设于该负极陶瓷环的中心孔内并与负极陶瓷环密封焊接。该技术方案通过采用陶瓷环代替塑料密封件，避免漏液的技术问题，并且耐高温、耐老化，延长了使用时间，但是该技术方案采用传统的正、负极耳引出连接至正、负极极柱制备锂离子动力电池，正、负极耳连接的可靠性较低，并且电极反应过程中容易极化，循环次数超过1000次以后，其容量保持率下降很快，一般为50%~60%之间，其充放电特性、循环性能和安全性能都有待进一步提高。
授权公告号为CN 202333058U的实用新型专利公开了一种高生产效率的方形动力锂离子电池，包括卷绕的电池芯，所述电池芯由正极片、负极片及隔膜卷绕而成，正极片包括正极集流体和制作在正极集流体上的正极活性材料涂层，负极片包括负极集流体和制作在负极集流体上的负极活性材料涂层，所述电池芯的两端部分分别露出正极集流体和负极集流体，电池的正极引出端直接和电池芯一端的正极集流体连接，电池的负极引出端直接和电池芯一端的负极集流体连接。该技术方案通过简化动力锂离子电池生产流程和结构设计，提高可靠性和安全性，但是其未对电池芯的结构以及对电池内的电池芯的排布进行改进，从而导致其充放电特性、循环性能和安全性能不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆柱型锂离子动力电池，通过改进圆柱形电芯的结构，以提高圆柱型锂离子动力电池的高倍率充放电性能和循环性能。
一种圆柱型锂离子动力电池，包括带有正极柱和负极柱的圆柱形外壳以及置于所述圆柱形外壳内的圆柱形电芯，所述圆柱形电芯由正极片、隔膜和负极片卷绕成圆柱形而成，所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极活性材料涂层，所述负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极活性材料涂层，所述正极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的一端伸出并分割焊接形成正极集流体连接端，所述负极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的另一端伸出并分割焊接形成负极集流体连接端，所述正极集流体连接端与所述正极柱相连，所述负极集流体连接端与所述负极柱相连。
本发明通过改善大容量电池的内部结构设计，即改进圆柱形电芯的结构，特别是正极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的一端伸出并分割焊接形成正极集流体连接端，负极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的另一端伸出并分割焊接形成负极集流体连接端，经分割焊接后圆柱形电芯的正极集流体连接端和负极集流体连接端可形成多个集流接触面，并可以提高集流体连接的可靠性，可以在电池能量密度保证的前提下，显著降低电极反应过程中的极化和提高电化学反应动力学，从而改善电池的高功率充放电特性、循环性能和安全性能。
考虑到圆柱形电芯的结构，作为优选，所述正极集流体连接端包括沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并焊接形成的两个正极集流接触面，所述负极集流体连接端包括沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并焊接形成的两个负极集流接触面，从而进一步使得集流接触面均匀密集并且连接可靠，可以保证在电极反应过程中电流均匀分布，降低电化学反应极化和提高电化学反应动力学，从而提高大容量电池的高功率特性，电池循环性能稳定。
进一步优选，所述正极片、隔膜和负极片卷绕的层数至少为两层，卷绕的层数是指正极片、隔膜和负极片合在一起绕卷绕轴线一圈为一层，每一个正极集流接触面均与所有层正极片相连；每一个负极集流接触面均与所有层负极片相连。
进一步优选，所述正极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度为9~18mm，宽度为6~15mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，可不做严格要求；所述负极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度为9~18mm，宽度为6~15mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，可不做严格要求，能够保证均匀密集和连接可靠，从而进一步提高电极反应过程中电流均匀分布，提高本发明圆柱型锂离子动力电池的电学性能。
作为优选，所述圆柱形电芯沿卷绕的轴向的最大长度为100~300mm，所述圆柱形电芯的外径为25~70mm，上述的圆柱形电芯的个数和圆柱形电芯的尺寸，能够保证本发明圆柱型锂离子动力电池具有较好的充放电特性、循环性能和安全性能。
作为优选，所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔，有利于降低电极反应过程中的极化和提高电化学反应动力学，从而改善电池的高功率充放电特性、循环性能和安全性能。
作为优选，所述正极集流体连接端与所述正极柱焊接，所述负极集流体连接端与所述负极柱焊接，进一步提高了连接的可靠性，进一步改善电池的高功率充放电特性、循环性能和安全性能。
作为优选，所述圆柱形外壳包括圆柱型铝合金壳体以及设置在所述圆柱型铝合金壳体两端的带有正极柱的正极端盖和带有负极柱的负极端盖，所述圆柱型铝合金壳体的内径为30~60mm，所述圆柱型铝合金壳体的壳体厚度为1~3mm，一方面可保持结构的紧凑性，方便使用和携带，另一方面，可保证电池使用的稳定性。
作为优选，所述的隔膜为多孔聚丙烯（PP）隔膜或多孔聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）/聚乙烯（PE）多层复合隔膜。
本发明还提供一种圆柱型锂离子动力电池的制备方法，简化了生产工艺，其工艺易于工业化高效率生产，通过该制备方法制备的圆柱型锂离子动力电池具有较优异性能。
一种圆柱型锂离子动力电池的制备方法，包括加工圆柱形电芯以及对该圆柱形电芯封装，所述加工圆柱形电芯的步骤如下：
1）将单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片、隔膜和单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片一同卷绕成圆柱形，其中正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边分别处在卷绕轴向的两端；
2）将卷绕后的正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边经分割、超声波焊接形成正极集流体连接端，将卷绕后的负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边经分割、超声波焊接形成负极集流体连接端，得到圆柱形电芯。
该圆柱形电芯封装的步骤如下：
3）将步骤2）中的圆柱形电芯放入圆柱型铝合金壳体内，将正极集流体连接端与正极端盖上的正极柱焊接，将负极集流体连接端与负极端盖上的负极柱焊接，再将正极端盖和负极端盖与圆柱型铝合金壳体激光焊接，注入电解液后密封，制成圆柱型锂离子电池。
步骤1）中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片的制备包括：
a）正极活性材料的制备：将锂盐、镍盐、锰盐和钴盐溶于乙醇，形成金属盐乙醇溶液，将金属盐乙醇溶液在空气或氧气气氛下400℃~600℃点燃，点燃后反应5min～15min，之后冷却，再在700℃~900℃退火后得到正极活性材料aLi2MnO3·(1-a)LiMO2，其中，0.4≤a≤0.6，M=MnxNiyCoz，1/3≤x≤0.4，1/3≤y≤0.4，且4x+2y+3z=3；
b）按质量百分比含量称取90%~92%步骤a）中的正极活性材料aLi2MnO3·(1-a)LiMO2、4%~6%导电剂和3%~5%粘结剂，得到混合料，加入1-甲基2-吡咯烷酮溶剂真空搅拌均匀后，连续双面涂布于正极集流体上并在正极集流体同侧正反二面单边留有未涂覆正极活性材料涂层的部分，烘干去除1-甲基2-吡咯烷酮溶剂后连续辊压，分切后制得单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片。
步骤a）中，锂盐、镍盐、锰盐和钴盐的量主要按所需要层状结构锂离子电池正极材料中的各元素的化学计量比加入，一般锂盐要过量1%~6%，从而抵消高温下锂的流失。所述的锂盐为LiNO3或LiCH3COO·2H2O。所述的镍盐为Ni(NO3)2·6H2O或Ni(CH3COO)2·4H2O。所述的锰盐为Mn(NO3)2·6H2O或Mn(CH3COO)2·4H2O。所述的钴盐为Co(CH3COO)2·4H2O。该正极活性材料的制备采用乙醇阻燃法制备，不涉及中间溶胶-凝胶的过程，制备过程简单，制备的正极活性材料为均匀分布的细小一次颗粒并具有很好的结晶性，有利于首次充电时Li2MnO3区域的活化，提供了一个可观的电解液与活性物质的接触面积，缩短了锂离子在材料固相中的扩散距离，从而有效提高了材料的倍率性能。
步骤1）中，将卷绕后的正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并超声波焊接形成包含两个正极集流接触面的正极集流体连接端，将卷绕后的负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并超声波焊接形成包含两个负极集流接触面的负极集流体连接端，各设置两个集流接触面有利于提高本发明圆柱型锂离子动力电池性能的同时，使其工艺也较为简单，易于操作和实施。
该制备方法简化了生产流程，有利于工业化生产，并且采用不同的焊接工艺有利于保证各连接点的连接牢固度，特别是经分割、超声波焊接形成的圆柱形电芯的正极集流体连接端以及经分割、超声波焊接形成的负极集流体连接端均形成2个集流接触面，其结构上的设计还有利于减小电池内阻，从而大大提高了制备的圆柱型锂离子动力电池的性能，从而大大改善电池的高功率充放电特性、循环性能和安全性能。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明圆柱型锂离子动力电池，改进圆柱形电芯的结构，特别是经分割焊接后圆柱形电芯的正极集流体连接端和负极集流体连接端可形成多个集流接触面，优选方案中，各自形成两个集流接触面，使得本发明圆柱型锂离子动力电池中的正负极集流体均匀密集分布，正极集流体连接端和负极集流体连接端分别与正极柱和负极柱连接可靠，可以保证在电极反应过程中电流均匀分布，降低电化学反应极化和提高电化学反应动力学，从而提高大容量电池的高功率特性，电池循环性能稳定，安全可靠性好，可用于电动汽车等交通工具。
本发明圆柱型锂离子动力电池的制备方法简化了生产流程，有利于工业化生产，并且采用焊接工艺有利于保证各连接点的连接牢固度以及电池密封性，防止电解液漏出，其结构上的设计还有利于减小电池内阻，大大提高了制备的圆柱型锂离子动力电池的性能，从而大大改善电池的高功率充放电特性、循环性能和安全性能。
附图说明
图1为本发明中单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片的结构示意图；
图2为本发明中单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片的结构示意图；
图3为本发明中正极片、隔膜和负极片卷绕成圆柱形的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明圆柱形电芯的结构示意图；
图6为本发明圆柱型锂离子动力电池中正极集流体连接端与正极柱连接的内部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明圆柱型锂离子动力电池做进一步说明。
如图5、图6所示，本发明圆柱型锂离子动力电池，包括圆柱形外壳（未画出）、设置在圆柱形外壳上的正极柱6、负极柱（未画出）以及置于圆柱形外壳内的圆柱形电芯，圆柱形电芯由正极片、隔膜和负极片卷绕成圆柱形而成。
如图1所示，正极片包括正极集流体8和涂覆在正极集流体8上的正极活性材料涂层7，正极片上单边留有未涂覆正极活性材料涂层7部分，正极集流体8的总宽度为c+S，其中，c为单边留有未涂覆正极活性材料涂层7部分的宽度，S为涂覆在正极集流体8上的正极活性材料涂层7的宽度。
如图2所示，负极片包括负极集流体10和涂覆在负极集流体10上的正极活性材料涂层9，负极片上单边留有未涂覆负极活性材料涂层9部分，负极集流体10的总宽度为b+T，其中，b为单边留有未涂覆负极活性材料涂层9部分的宽度，T为涂覆在负极集流体10上的负极活性材料涂层9的宽度。
如图3、图4和图5所示，正极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的一端伸出并分割焊接形成正极集流体连接端2，负极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的另一端伸出并分割焊接形成负极集流体连接端3，正极集流体连接端2包括沿圆柱形电芯1卷绕的轴向分割并焊接形成的两个正极集流接触面，图5中，两个正极集流接触面前后设置，故从图5中只能看到一个正极集流接触面，图6中，旋转一定角度后，可见两个正极集流接触面。负极集流体连接端4包括沿圆柱形电芯1卷绕的轴向分割并焊接形成的两个负极集流接触面，两个负极集流接触面前后设置，故从图5中只能看见一个。正极片、隔膜和负极片卷绕的层数至少为两层，卷绕的层数是指正极片、隔膜和负极片合在一起绕卷绕轴线一圈为一层，每一个正极集流接触面均与所有层正极片相连；每一个负极集流接触面均与所有层负极片相连。
如图4所示，卷绕形成的圆柱形电芯的中心设置有中心孔，d为中心孔的直径，D为圆柱形电芯的外径。
如图6所示，正极集流体连接端2与正极柱6相连，负极集流体连接端3与负极柱相连。
如图5、图6所示，圆柱形电芯为1个。圆柱形电芯沿卷绕的轴向的最大长度（H+m+n）为100~300mm，圆柱形电芯的外径D为25~70mm。正极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度m为9~18mm，宽度W为6~15mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可；负极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度n为9~18mm，宽度V为6~15mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可。圆柱形外壳的内径为30~60mm，圆柱形外壳的壳体厚度为1~3mm。正极集流体8为铝箔，负极集流体10为铜箔。正极集流体连接端2与正极柱6焊接，负极集流体连接端3与负极柱焊接。隔膜为多孔聚丙烯隔膜或多孔聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯多层复合膜。
制备例1
1）正极活性材料的制备：按1.236:0.56:0.16:0.08的摩尔比将原材料LiNO3、Mn(CH3COO)2·4H2O、Ni(CH3COO)2·6H2O和Co(CH3COO)2·4H2O溶于无水乙醇（其中加入了过量3%的锂盐，用于抵消高温下锂的流失），形成金属盐乙醇溶液，金属盐乙醇溶液中锂盐、镍盐、锰盐和钴盐的总浓度为1mol/L。
取10mL金属盐乙醇溶液放入100mL的刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到预先加热至500℃的箱式炉内，点燃，在空气中剧烈反应10分钟，冷却到室温25℃，得到的初步产物，将初步产物研磨后再次放入到箱式炉中，在800℃高温下进行退火处理16h后随炉冷却到室温25℃，得到正极活性材料。
将制备的正极活性材料通过ICP-AES[Inductively Coupled PlasmaAtomic Emission Spectrometry(ICP，IRIS Intrepid II)电感耦合等离子体发射光谱]测试，根据ICP-AES测出各元素的含量，通过归一处理，确定其化学式为Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2，从X射线衍射图中可知，表明Li2MnO3有序结构微区的存在，即也可写成0.5Li2MnO3·0.5Li Mn0.4Ni0.4Co0.2O2。从扫描电镜照片可知，本实施例制备的正极活性材料Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2为均匀分布的细小一次颗粒，尺寸大小为50nm~150nm，并具有很好的结晶性。
2）单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片的制备：按质量百分比含量称取92%步骤1）制备的正极活性材料0.5Li2MnO3·0.5LiMn0.4Ni0.4Co0.2O2、5%导电剂（卡博特Cabot50导电碳黑）和3%粘结剂（聚偏二氟乙烯，工业级，上海东氟化工科技有限公司，型号为FR901），得到混合料，加入相对于混合料重量的40%的1-甲基2-吡咯烷酮（NMP）溶剂真空搅拌均匀后，连续双面涂布于铝箔上并在铝箔同侧正反二面单边留有未涂覆正极活性材料涂层的部分，烘干去除NMP溶剂后连续辊压，分切后制得单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片。
制备例2
1）正极活性材料的制备：按1.236:0.54:0.13:0.13的摩尔比将原材料LiNO3、Mn(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O和Co(CH3COO)2·4H2O溶于无水乙醇（其中加入了过量3%的锂盐，用于抵消高温下锂的流失），形成金属盐乙醇溶液，金属盐乙醇溶液中锂盐、镍盐、锰盐和钴盐的总浓度为2mol/L。
取10mL金属盐乙醇溶液放入100mL的刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入到预先加热至500℃的箱式炉内，点燃，在空气中剧烈反应10分钟，冷却到室温25℃，得到的初步产物，将初步产物研磨后再次放入到箱式炉中，在800℃高温下进行退火处理16h后随炉冷却到室温25℃，得到正极活性材料。
将制备的正极活性材料通过ICP-AES[Inductively Coupled PlasmaAtomic Emission Spectrometry(ICP，IRIS Intrepid II)电感耦合等离子体发射光谱]测试，根据ICP-AES测出各元素的含量，通过归一处理，确定其化学式为Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2，从X射线衍射图中可知，表明Li2MnO3有序结构微区的存在，即也可写成0.5Li2MnO3·0.5Li Mn1/3Ni1/3Co1/3O2。从扫描电镜照片可知，本实施例制备的正极活性材料Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2为均匀分布的细小一次颗粒，尺寸大小为50nm~150nm，并具有很好的结晶性。
2）单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片的制备：按质量百分比含量称取92%步骤1）制备的正极活性材料0.5Li2MnO3·0.5LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2、5%导电剂（卡博特Cabot50导电碳黑）和3%粘结剂（聚偏二氟乙烯，工业级，上海东氟化工科技有限公司，型号为FR901），得到混合料，加入相对于混合料重量的40%的1-甲基2-吡咯烷酮（NMP）溶剂真空搅拌均匀后，连续双面涂布于铝箔上并在铝箔同侧正反二面单边留有未涂覆正极活性材料涂层的部分，烘干去除NMP溶剂后连续辊压，分切后制得单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片。
制备例3
单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片的制备：按质量百分比含量称取93%改性天然石墨（深圳贝特瑞电子材料有限公司，型号为CG-8）、3%导电剂（卡博特Cabot50导电碳黑）和4%水性粘结剂（羧甲基纤维素纳：丁苯橡胶（SBR-1500）的体积比为1:1），得到混合料，加入相对于混合料重量的60%的去离子水真空搅拌均匀后，连续双面涂布于铜箔上并在铜箔同侧正反二面单边留有未涂覆负极活性材料涂层的部分，烘干去离子水后连续辊压；分切后制得单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片。
实施例1
1）将制备例1制备的单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片（正极集流体8的总宽度c+S为92mm，其中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层7部分的宽度c为12mm，涂覆在正极集流体8上的正极活性材料涂层7的宽度S为80mm）、隔膜（宽度为90mm）和制备例3制备的单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片（负极集流体10的总宽度b+T为96mm，其中，单边留有未涂覆负极活性材料涂层9部分的宽度b为12mm，涂覆在负极集流体10上的负极活性材料涂层9的宽度T为84mm）一同卷绕成圆柱形，其中正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边分别处在卷绕轴向的两端；
2）再将卷绕后的正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个正极集流接触面的正极集流体连接端2，正极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度m为9mm，宽度W为6mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，将卷绕后的负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个负极集流接触面的负极集流体连接端3，负极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度n为9mm，宽度V为6mm，得到圆柱形电芯1，圆柱形电芯1的外径D为30.2mm，圆柱形电芯1中的中心孔的直径d为5mm。圆柱形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度（H+m+n）为108mm；
3）圆柱形电芯1为1个，将步骤1）中的圆柱形电芯1放入圆柱型铝合金壳体（长度为110mm，外径为32mm，内径为30.6mm）内，将正极集流体连接端2与正极端盖上的正极柱6焊接，即将两个正极集流接触面与正极端盖内侧的正极柱6侧面焊接，正极端盖与正极柱6之间设有铆接密封橡胶环5，将负极集流体连接端3与负极端盖上的负极柱焊接，具体可参照正极集流体连接端2的连接，即将两个负极集流接触面与负极端盖内侧的负极柱侧面焊接，负极端盖与负极柱之间设有铆接密封橡胶环，再将正极端盖和负极端盖与圆柱型铝合金壳体激光焊接，注入LiPF6电解液[以体积比1：1碳酸二乙酯（DEC）与碳酸乙烯酯（EC）作为溶剂，将LiPF6溶于溶剂中，制得电解液，电解液中LiPF6的浓度为1mol/L]后密封，制成设计容量为5.5Ah的32110型圆柱型锂离子动力电池。
本发明32110型圆柱型锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（0.55A）充电到4.3V，搁置10min，0.1C放电至3.0V化成后，反复循环测量本发明圆柱型锂离子动力电池的充放电性能与循环稳定性的变化。
实施例2
1）将制备例2制备的单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片（正极集流体8的总宽度c+S为115mm，其中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层7部分的宽度c为15mm，涂覆在正极集流体8上的正极活性材料涂层7的宽度S为100mm）、隔膜（宽度为110mm）和制备例3制备的单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片（负极集流体10的总宽度b+T为119mm，其中，单边留有未涂覆负极活性材料涂层9部分的宽度b为15mm，涂覆在负极集流体10上的负极活性材料涂层9的宽度T为104mm）一同卷绕成圆柱形，其中正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边分别处在卷绕轴向的两端；
2）再将卷绕后的正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个正极集流接触面的正极集流体连接端2，正极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度m为12mm，宽度W为8mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，将卷绕后的负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个负极集流接触面的负极集流体连接端3，负极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度n为12mm，宽度V为8mm，得到圆柱形电芯1，圆柱形电芯1的外径D为36mm，圆柱形电芯1中的中心孔的直径d为6mm，圆柱形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度（H+m+n）为134mm；
3）圆柱形电芯1为1个，将步骤1）中的圆柱形电芯1放入圆柱型铝合金壳体（长度为136mm，外径为38mm，内径为36.4mm）内，将正极集流体连接端2与正极端盖上的正极柱6焊接，即将两个正极集流接触面与正极端盖内侧的正极柱6侧面焊接，正极端盖与正极柱6之间设有铆接密封橡胶环5，将负极集流体连接端3与负极端盖上的负极柱焊接，具体可参照正极集流体连接端2的连接，即将两个负极集流接触面与负极端盖内侧的负极柱侧面焊接，负极端盖与负极柱之间设有铆接密封橡胶环，再将正极端盖和负极端盖与圆柱型铝合金壳体激光焊接，注入LiPF6电解液[以体积比1：1碳酸二乙酯（DEC）与碳酸乙烯酯（EC）作为溶剂，将LiPF6溶于溶剂中，制得电解液，电解液中LiPF6的浓度为1mol/L]后密封，制成设计容量为10Ah的38130型圆柱型锂离子动力电池。
本发明38130型圆柱型锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（1A）充电到4.3V，搁置10min，0.1C放电至2.5V化成后，反复循环测量本发明圆柱型锂离子动力电池的充放电性能与循环稳定性的变化。
实施例3
1）将制备例1制备的单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片（正极集流体8的总宽度c+S为148mm，其中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层7部分的宽度c为18mm，涂覆在正极集流体8上的正极活性材料涂层7的宽度S为130mm）、隔膜（宽度为140mm）和制备例3制备的单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片（负极集流体10的总宽度b+T为152mm，其中，单边留有未涂覆负极活性材料涂层9部分的宽度b为18mm，涂覆在负极集流体10上的负极活性材料涂层9的宽度T为134mm）一同卷绕成圆柱形，其中正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边分别处在卷绕轴向的两端；
2）再将卷绕后的正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个正极集流接触面的正极集流体连接端2，正极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度m为15mm，宽度W为10mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，将卷绕后的负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个负极集流接触面的负极集流体连接端3，负极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度n为15mm，宽度V为10mm，得到圆柱形电芯1，圆柱形电芯1的外径D为43.4mm，圆柱形电芯1中的中心孔的直径d为7mm，圆柱形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度（H+m+n）为170mm；
3）圆柱形电芯1为1个，将步骤1）中的圆柱形电芯1放入圆柱型铝合金壳体（长度为172mm，外径为46mm，内径为44mm）内，将正极集流体连接端2与正极端盖上的正极柱6焊接，即将两个正极集流接触面与正极端盖内侧的正极柱6侧面焊接，正极端盖与正极柱6之间设有铆接密封橡胶环5，将负极集流体连接端3与负极端盖上的负极柱焊接，具体可参照正极集流体连接端2的连接，即将两个负极集流接触面与负极端盖内侧的负极柱侧面焊接，负极端盖与负极柱之间设有铆接密封橡胶环，再将正极端盖和负极端盖与圆柱型铝合金壳体激光焊接，注入LiPF6电解液[以体积比1：1碳酸二乙酯（DEC）与碳酸乙烯酯（EC）作为溶剂，将LiPF6溶于溶剂中，制得电解液，电解液中LiPF6的浓度为1mol/L]后密封，制成设计容量为20Ah的46160型圆柱型锂离子动力电池。
本发明46160型圆柱型锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（2A）充电到3.65V，搁置10min，0.1C放电至2.5V化成后，反复循环测量本发明圆柱型锂离子动力电池的充放电性能与循环稳定性的变化。
实施例4
1）将制备例1制备的单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片（正极集流体8的总宽度c+S为262mm，其中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层7部分的宽度c为22mm，涂覆在正极集流体8上的正极活性材料涂层7的宽度S为240mm）、多孔聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）/聚乙烯（PE）多层复合隔膜（宽度为254mm）和制备例3制备的单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片（负极集流体10的总宽度b+T为268mm，其中，单边留有未涂覆负极活性材料涂层9部分的宽度b为22mm，涂覆在负极集流体10上的负极活性材料涂层9的宽度T为246mm）一同卷绕成圆柱形，其中正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边分别处在卷绕轴向的两端；
2）再将卷绕后的正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个正极集流接触面的正极集流体连接端2，正极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度m为18mm，宽度W为15mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，将卷绕后的负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割（以中心孔为界，对半切开）并超声波焊接形成包含两个负极集流接触面的负极集流体连接端3，负极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度n为18mm，宽度V为15mm，得到圆柱形电芯1，圆柱形电芯1的外径D为56.8mm，圆柱形电芯1中的中心孔的直径d为8mm，圆柱形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度（H+m+n）为290mm；
3）圆柱形电芯1为1个，将步骤1）中的圆柱形电芯1放入圆柱型铝合金壳体（长度为294mm，外径为60mm，内径为57.6mm）内，将正极集流体连接端2与正极端盖上的正极柱6焊接，即将两个正极集流接触面与正极端盖内侧的正极柱6侧面焊接，正极端盖与正极柱6之间设有铆接密封橡胶环5，将负极集流体连接端3与负极端盖上的负极柱焊接，具体可参照正极集流体连接端2的连接，即将两个负极集流接触面与负极端盖内侧的负极柱侧面焊接，负极端盖与负极柱之间设有铆接密封橡胶环，再将正极端盖和负极端盖与圆柱型铝合金壳体激光焊接，注入LiPF6电解液[以体积比1：1碳酸二乙酯（DEC）与碳酸乙烯酯（EC）作为溶剂，将LiPF6溶于溶剂中，制得电解液，电解液中LiPF6的浓度为1mol/L]后密封，制成设计容量为60Ah的60280型圆柱型锂离子动力电池。
本发明60280型圆柱型锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（6A）充电到3.65V，搁置10min，0.1C放电至3.0V化成后，反复循环测量本发明圆柱型锂离子动力电池的充放电性能与循环稳定性的变化。
对实施例1~4制备的圆柱型锂离子动力电池性能测试结果总结如下：
1、比功率高，高倍率放电性能优异。本发明实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备的圆柱型锂离子动力电池的质量比功率密度分别为≥3000W/Kg、≥2000W/Kg、≥2000W/Kg和≥1100W/Kg，可分别在30C、20C、15C和8C下连续稳定放电。
2、能量密度高，循环寿命好。本发明实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4制备的圆柱型锂离子动力电池的质量比能量密度分别为104Wh/Kg、107Wh/Kg和136Wh/Kg和139Wh/Kg。实施例1、实施例2制备的圆柱型锂离子动力电池在1C条件下循环充放电（充电到4.3V，搁置10min，放电至3.0V）的循环寿命达到1500次以上（容量保持初始容量的80%）。实施例3和实施例4制备的圆柱型锂离子动力电池在1C条件下循环充放电（充电到3.65V，搁置10min，放电至2.5V）循环寿命达到2000次以上（容量保持初始容量的80%）。表1为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4锂离子电池在1C充放电循环条件（100%充放电程度DOD）下的容量保持率。
表1
| 循环次数 | 100 | 300 | 500 | 1000 | 1500 | 2000 |
| 实施例1 | 98.9% | 96.4% | 93.7% | 89.2% | 85.5% | |
| 实施例2 | 99.0% | 97.3% | 94.5% | 90.1% | 86.6% | |
| 实施例3 | 99.4% | 98.1% | 95.8% | 91.9% | 88.9% | 85.3% |
| 实施例4 | 99.2% | 97.8% | 95.5% | 91.8% | 88.4% | 84.7% |
3、安全性好、可靠性高。本发明实施例1和实施例2制备的圆柱型锂离子动力电池经过充电电压到5V，实施例3和实施例4制备的圆柱型锂离子动力电池经过充电电压到10V试验，无爆炸、漏液和起火现象；本发明圆柱型锂离子动力电池经过针刺和挤压无爆炸和起火现象；本发明圆柱型锂离子动力电池经过70℃加热和130℃热冲击试验无爆炸、漏液和起火现象。实施例1、实施例2、实施例3和实施例4经过7G加速度和高低频振动试验，无短路和低电压现象。
本发明圆柱型锂离子动力电池高倍率放电性能优异，循环性能稳定，使用寿命长，可应用于电动汽车等交通工具领域。
Claims (6)
1.一种圆柱型锂离子动力电池的制备方法，包括加工圆柱形电芯以及对该圆柱形电芯封装，其特征在于，所述加工圆柱形电芯的步骤如下：
1)将单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片、隔膜和单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极片一同卷绕成圆柱形，其中正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边分别处在卷绕轴向的两端；步骤1)中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片的制备包括：
a)正极活性材料的制备：将锂盐、镍盐、锰盐和钴盐溶于乙醇，形成金属盐乙醇溶液，将金属盐乙醇溶液在空气或氧气气氛下400℃～600℃点燃，点燃后反应5min～15min，之后冷却，再在700℃～900℃退火后得到正极活性材料aLi2MnO3·(1-a)LiMO2，其中，0.4≤a≤0.6，M＝MnxNiyCoz，1/3≤x≤0.4，1/3≤y≤0.4，且4x+2y+3z＝3；
b)按质量百分比含量称取90％～92％步骤a)中的正极活性材料aLi2MnO3·(1-a)LiMO2、4％～6％导电剂和3％～5％粘结剂，得到混合料，加入1-甲基2-吡咯烷酮溶剂真空搅拌均匀后，连续双面涂布于正极集流体上并在正极集流体同侧正反二面单边留有未涂覆正极活性材料涂层的部分，烘干去除1-甲基2-吡咯烷酮溶剂后连续辊压，分切后制得单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极片；
2)将卷绕后的正极片上未涂覆正极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并超声波焊接形成包含两个正极集流接触面的正极集流体连接端，将卷绕后的负极片上未涂覆负极活性材料涂层的单边经沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并超声波焊接形成包含两个负极集流接触面的负极集流体连接端，得到圆柱形电芯；所述的圆柱型锂离子动力电池，包括带有正极柱和负极柱的圆柱形外壳以及置于所述圆柱形外壳内的圆柱形电芯，所述圆柱形电芯由正极片、隔膜和负极片卷绕成圆柱形而成，所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极活性材料涂层，所述负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极活性材料涂层，所述正极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的一端伸出并分割焊接形成正极集流体连接端，所述负极集流体从卷绕形成的圆柱形电芯轴向的另一端伸出并分割焊接形成负极集流体连接端，所述正极集流体连接端与所述正极柱相连，所述负极集流体连接端与所述负极柱相连；
所述正极集流体连接端包括沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并焊接形成的两个正极集流接触面，所述负极集流体连接端包括沿圆柱形电芯卷绕的轴向分割并焊接形成的两个负极集流接触面。
2.根据权利要求1所述的圆柱型锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述正极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度为9～18mm，宽度为6～15mm；
所述负极集流接触面沿圆柱形电芯卷绕的轴向的长度为9～18mm，宽度为6～15mm。
3.根据权利要求1所述的圆柱型锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述圆柱形电芯沿卷绕的轴向的长度为100～300mm，所述圆柱形电芯的外径为25～70mm。
4.根据权利要求1所述的圆柱型锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔。
5.根据权利要求1所述的圆柱型锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述正极集流体连接端与所述正极柱焊接，所述负极集流体连接端与所述负极柱焊接。
6.根据权利要求1所述的圆柱型锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述圆柱形外壳包括圆柱型铝合金壳体以及设置在所述圆柱型铝合金壳体两端的带有正极柱的正极端盖和带有负极柱的负极端盖，所述圆柱型铝合金壳体的内径为30～60mm，所述圆柱型铝合金壳体的壳体厚度为1～3mm。
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