CN102800895A - 一种方形锂离子动力电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大容量方形锂离子动力电池，包括方形外壳以及若干个方形电芯，方形电芯由正极板、隔膜和负极板卷绕成方形而成，正极板中的正极集流体从卷绕形成的方形电芯伸出并切割焊接形成正极集流体连接端，负极板中的负极集流体从卷绕形成的方形电芯伸出并切割焊接形成负极集流体连接端，若干个方形电芯上的正极集流体连接端通过正极汇流片与正极柱相连，若干个方形电芯上的负极集流体连接端通过负极汇流片与负极柱相连，从而提高方形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方形锂离子动力电池的制备方法，简化了生产工艺，易于工业化高效率生产，并且制备的方形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，具体涉及一种方形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。
公开号为CN 1588688A的中国发明专利申请公开了一种锂离子动力电池，包括带有正、负极柱的外壳，还包括多组能量单元，所述能量单元设置在外壳内，并沿外壳的最大侧表面的长度方向排列，所述能量单元为正、负极片通过隔膜间隔卷绕多圈而成的卷芯，所述卷芯的正、负极片上分别连接有正、负极耳，所有能量单元的正、负极耳分别连接至外壳的正、负极柱。该技术方案采用传统的正、负极耳引出连接至外壳的正、负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300次时，循环性能（容量保持率）为90%，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，所述电池芯由正极板、负极板及隔膜卷绕而成，正极板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，负极板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大容量方形锂离子动力电池，通过改进方形电芯的结构和若干个方形电芯的排列结构，以提高方形锂离子动力电池的高倍率充放电性能和循环性能。
一种方形锂离子动力电池，包括带有正极柱和负极柱的方形外壳以及置于所述方形外壳内层状排列的若干个方形电芯，所述方形电芯由正极板、隔膜和负极板卷绕成方形而成，所述正极板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，所述负极板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方形电芯轴向的一端伸出并切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方形电芯轴向的另一端伸出并切割焊接形成负极集流体连接端，所述若干个方形电芯上的正极集流体连接端通过正极汇流片与所述正极柱相连，所述若干个方形电芯上的负极集流体连接端通过负极汇流片与所述负极柱相连。
本发明通过改善大容量电池的内部结构设计，即改进方形电芯的结构和方形电芯的排列结构，特别是正极集流体从卷绕形成的方形电芯伸出并切割焊接形成正极集流体连接端，负极集流体从卷绕形成的方形电芯伸出并切割焊接形成负极集流体连接端，经切割焊接后每个方形电芯的正极集流体连接端与各卷绕层的正极板相连，经切割焊接后每个方形电芯的负极集流体连接端与各卷绕层的负极板相连，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。
作为优选，所述正极板、隔膜和负极板卷绕的层数至少为两层，卷绕的层数是指正极板、隔膜和负极板合在一起绕卷绕轴线一圈为一层，所述正极集流体连接端均与所有层正极板相连，所述负极集流体连接端均与所有层负极板相连。
方形电芯可以电池容量、电池充放电特性等各方面需要进行选择，作为优选，所述方形电芯为8~20个。所述方形电芯沿卷绕的轴向的最大长度为112mm~212mm，所述方形电芯的宽度为40mm~60mm，所述方形电芯的厚度为8mm~10mm，上述的方形电芯的个数和方形电芯的尺寸，能够保证本发明方形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，所述正极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度为8mm~12mm，所述正极集流体连接端的宽度为8mm~20mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，可不做严格要求。所述负极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度为8mm~12mm，所述负极集流体连接端的宽度为8mm~20mm，其厚度以焊接后自然形成的厚度即可，可不做严格要求。作为优选，所述正极汇流片的宽度12mm~30mm，厚度0.6mm~1.2mm，所述负极汇流片的宽度12mm~30mm，厚度0.3mm~0.5mm，正极汇流片和负极汇流片的长度根据需要连接方形电芯的个数、方形电芯排列的紧密程度以及方形外壳尺寸具体确定。上述设置可以进一步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，所述带有正极柱和负极柱的方形外壳包括方形铝合金壳体以及带有正极柱和负极柱的铝合金端盖，所述方形铝合金壳体的尺寸（不含正负极柱）为（43~63）mm×（98~286）mm×（108~206）mm，所述方形外壳内的若干个方形电芯呈层状紧密排列，从而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，所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔，所述正极汇流片为铝带，所述负极集流体为铜带，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）多层复合膜。
作为优选，所述若干个方形电芯上的正极集流体连接端与所述正极汇流片焊接，所述正极汇流片与所述正极柱焊接或铆接；所述若干个方形电芯上的负极集流体连接端与所述负极汇流片焊接，所述负极汇流片与所述负极柱焊接或铆接。上述设置可以进一步提高正极集流体连接端与正极汇流片、正极汇流片与正极柱以及负极集流体连接端与负极汇流片、负极汇流片与负极柱之间连接的可靠性，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。
本发明还提供一种方形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方形锂离子动力电池具有较优异性能。
一种方形锂离子动力电池的制备方法，包括加工方形电芯以及对该方形电芯封装，所述加工方形电芯的步骤如下：
1）将单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极板、隔膜和单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极板一同卷绕成方形，其中正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极板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）将卷绕后的正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边经切割、超声波焊接形成正极集流体连接端；将卷绕后的负极板上未涂覆负极活性材料涂层的单边经切割、储能电阻焊焊接形成负极集流体连接端，得到方形电芯。
对该方形电芯封装的步骤如下：
3）将若干个方形电芯紧密层状排列，并将每个方形电芯上的正极集流体连接端和每个方形电芯上的负极集流体连接端分别焊接在正极汇流片和负极汇流片上，再将正极汇流片和负极汇流片分别焊接或铆接在铝合金端盖上的正极柱和负极柱上，放入方形铝合金壳体中，正极汇流片和负极汇流片与方形铝合金壳体内壁间放置聚乙烯绝缘片，铝合金端盖与方形铝合金壳体激光焊接，注入电解液后制成方形锂离子动力电池。
步骤1）中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极板的制备包括：
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板。
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助燃法，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。
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，特别是经切割、超声波焊接形成的方形电芯的正极集流体连接端以及经切割、储能电阻焊焊接形成的负极集流体连接端均与各卷绕层的正极板和负极板相连，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方形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：
本发明方形锂离子动力电池，改进方形电芯的结构和方形电芯的排列结构，特别是经切割焊接后每个方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点，使得本发明方形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与汇流带连接可靠，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。
本发明方形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，并且采用不同的焊接工艺有利于保证各连接点的连接牢固度，其结构上的设计还有利于减小电池内阻，大大提高了制备的方形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为本发明中正极板、隔膜和负极板卷绕成方形的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为经切割焊接形成正极集流体连接端和负极集流体连接端后的方形电芯的结构示意图；
图4为本发明方形锂离子动力电池中若干个方形电芯组装的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方形锂离子动力电池做进一步说明。
如图4所示，本发明方形锂离子动力电池，包括带有正极柱和负极柱的方形外壳（未画出）以及置于方形外壳内层状排列的若干个方形电芯1，如图1、图2和图3所示，方形电芯1由正极板、隔膜和负极板卷绕成方形而成，正极板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，负极板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，正极集流体从卷绕形成的方形电芯轴向的一端伸出并切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方形电芯轴向的另一端并切割焊接形成负极集流体连接端3。正极板、隔膜和负极板卷绕的层数至少为两层，卷绕的层数是指正极板、隔膜和负极板合在一起绕卷绕轴线一圈为一层，正极集流体连接端2均与所有层正极板相连，负极集流体连接端3均与所有层负极板相连。如图4所示，若干个方形电芯上的正极集流体连接端2通过正极汇流片4与正极柱相连，若干个方形电芯上的负极集流体连接端3通过负极汇流片5与负极柱相连。
方形电芯1为8~20个。方形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度H为112mm~212mm，方形电芯的宽度W为40mm~60mm，方形电芯的厚度T为8mm~10mm。正极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度m为8mm～12mm，正极集流体连接端的宽度R为8mm~20mm，负极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度n为8mm～12mm，负极集流体连接端的宽度S为8mm~20mm，隔膜的宽度h为96mm~274mm。正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔，正极汇流片4为铝带，负极集流体5为铜带，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板的制备：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板。
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板的制备：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板。
制备例3
单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极板的制备：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板。
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板（宽度C为99mm，单边留有未涂覆正极活性材料涂层部分13mm）、多孔聚丙烯隔膜（宽度h为96mm）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板（宽度A为101mm，单边留有未涂覆负极活性材料涂层部分11mm）一同卷绕成方形，其中正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极板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）再将卷绕后的正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边（铝箔）经切割、超声波焊接形成正极集流体连接端2，将卷绕后的负极板上未涂覆负极活性材料涂层的单边（铜箔）经切割、储能电阻焊焊接形成负极集流体连接端3，得到方形电芯1；
方形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度H为112mm，方形电芯的宽度W为49mm，方形电芯的厚度T为9.2mm。正极集流体连接端2沿方形电芯卷绕的轴向的长度m为8mm，正极集流体连接端2的宽度R为8mm，负极集流体连接端3沿方形电芯卷绕的轴向的长度n为8mm，负极集流体连接端3的宽度S为8mm；
3）方形电芯1为10个，将10个方形电芯1紧密层状排列，即依次上下叠放压紧，将每个方形电芯1上的正极集流体连接端2焊接在正极汇流片4（铝带，宽度12mm，厚度0.6mm）上，将每个方形电芯1上的负极集流体连接端3焊接在负极汇流片5（铜带，宽度12mm，厚度0.3mm）上，再将正极汇流片4和负极汇流片5分别焊接在铝合金端盖内测的正极柱和负极柱上，放入尺寸为52mm×98mm×108mm的方形铝合金壳体中，正极汇流片4和负极汇流片5与方形铝合金壳体内壁间放置聚乙烯绝缘片，铝合金端盖与方形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]后制成设计容量为50Ah的方形锂离子动力电池。
本发明方形锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（5A）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方形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板（宽度C为189mm，单边留有未涂覆正极活性材料涂层部分17mm）、多孔聚丙烯隔膜（宽度h为186mm）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板（宽度A为192mm，单边留有未涂覆负极活性材料涂层部分14mm）一同卷绕成方形，其中正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极板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）再将卷绕后的正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边（铝箔）经切割、超声波焊接形成正极集流体连接端2，将卷绕后的负极板上未涂覆负极活性材料涂层的单边（铜箔）经切割、储能电阻焊焊接形成负极集流体连接端3，得到方形电芯1；
方形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度H为206mm，方形电芯的宽度W为49mm，方形电芯的厚度T为9.2mm。正极集流体连接端2沿方形电芯卷绕的轴向的长度m为10mm，正极集流体连接端2的宽度R为15mm，负极集流体连接端3沿方形电芯卷绕的轴向的长度n为10mm，负极集流体连接端3的宽度S为15mm；
3）方形电芯1为10个，将10个方形电芯1紧密层状排列，即依次上下叠放压紧，将每个方形电芯1上的正极集流体连接端2焊接在正极汇流片4（铝带，宽度20mm，厚度0.8mm）上，将每个方形电芯1上的负极集流体连接端3焊接在负极汇流片5（铜带，宽度20mm，厚度0.4mm）上，再将正极汇流片4和负极汇流片5分别焊接在铝合金端盖内测的正极柱和负极柱上，放入尺寸为52mm×196mm×108mm的方形铝合金壳体中，正极汇流片4和负极汇流片5与方形铝合金壳体内壁间放置聚乙烯绝缘片，铝合金端盖与方形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]后制成设计容量为10Ah的方形锂离子动力电池。
本发明方形锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（10A）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方形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板（宽度C为278mm，单边留有未涂覆正极活性材料涂层部分20mm）、多孔聚丙烯隔膜（宽度h为274mm）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板（宽度A为281mm，单边留有未涂覆负极活性材料涂层部分17mm）一同卷绕成方形，其中正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极板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）再将卷绕后的正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边（铝箔）经切割、超声波焊接形成正极集流体连接端2，将卷绕后的负极板上未涂覆负极活性材料涂层的单边（铜箔）经切割、储能电阻焊焊接形成负极集流体连接端3，得到方形电芯1；
方形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度H为298mm，方形电芯的宽度W为49mm，方形电芯的厚度T为9.2mm。正极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度m为12mm，正极集流体连接端的宽度R为20mm，负极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度n为8mm，负极集流体连接端的宽度S为20mm；
3）方形电芯1为10个，将10个方形电芯1紧密层状排列，即依次上下叠放压紧，将每个方形电芯1上的正极集流体连接端2焊接在正极汇流片4（铝带，宽度30mm，厚度1.0mm）上，将每个方形电芯1上的负极集流体连接端3焊接在负极汇流片5（铜带，宽度30mm，厚度0.5mm）上，再将正极汇流片4和负极汇流片5分别焊接在铝合金端盖内测的正极柱和负极柱上，放入尺寸为54mm×286mm×108mm的方形铝合金壳体中，正极汇流片4和负极汇流片5与方形铝合金壳体内壁间放置聚乙烯绝缘片，铝合金端盖与方形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]后制成设计容量为150Ah的方形锂离子动力电池。
本发明方形锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（5A）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方形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2制备的单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极板（宽度C为189mm，单边留有未涂覆正极活性材料涂层部分17mm）、多孔聚丙烯隔膜（宽度h为186mm）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板（宽度A为192mm，单边留有未涂覆负极活性材料涂层部分14mm）一同卷绕成方形，其中正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极板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）再将卷绕后的正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边（即铝箔）经切割、超声波焊接形成正极集流体连接端2，将卷绕后的负极板上未涂覆负极活性材料涂层的单边（铜箔）经切割、储能电阻焊焊接形成负极集流体连接端3，得到方形电芯1；
方形电芯1沿卷绕的轴向的最大长度H为206mm，方形电芯的宽度W为49mm，方形电芯的厚度T为9.2mm。正极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度m为10mm，正极集流体连接端的宽度R为15mm，负极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度n为10mm，负极集流体连接端的宽度S为15mm；
3）方形电芯1为20个，将20个方形电芯1紧密层状排列，即依次上下叠放压紧，将每个方形电芯1上的正极集流体连接端2焊接在正极汇流片4（铝带，宽度20mm，厚度1.2mm）上，将每个方形电芯1上的负极集流体连接端3焊接在负极汇流片5（铜带，宽度20mm，厚度0.5mm）上，再将正极汇流片4和负极汇流片5分别焊接在铝合金端盖内测的正极柱和负极柱上，放入尺寸为54mm×196mm×206mm的方形铝合金壳体中，正极汇流片4和负极汇流片5与方形铝合金壳体内壁间放置聚乙烯绝缘片，铝合金端盖与方形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]后制成设计容量为200Ah的方形锂离子动力电池。
本发明方形锂离子动力电池经在25±2℃环境中以0.1C（5A）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方形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制备的方形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。采用实施例1、实施例2、实施例3和实施例4方形锂离子动力电池的质量比功率密度分别为≥1000W/Kg、≥800W/Kg、≥700W/Kg和≥600W/Kg，可分别在10C、8C、6C和5C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和实施例4的方形锂离子动力电池比能量密度分别为108Wh/Kg、112Wh/Kg和121Wh/Kg和126Wh/Kg。在1C条件下循环充放电（充电到3.65V，搁置10min，放电至2.5V），实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的锂离子电池的循环寿命达到1500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 | 98.8% | 97.4% | 95.7% | 91.9% | 87.5% | 83.6% |
| 实施例2 | 98.9% | 97.3% | 95.5% | 91.2% | 87.5% | 83.2% |
| 实施例3 | 99.1% | 97.3% | 95.4% | 91.1% | 86.6% | 82.3% |
| 实施例4 | 98.7% | 97.1% | 95.2% | 90.8% | 86.2% | 81.9% |
3、安全可靠性高。本发明实施例1、实施例2、实施例3和实施例4方形锂离子动力电池经过7G加速度和不同频率振动，无短路现象，电池内阻变化范围在±3%之间。充电（充电电压到5V）试验，无爆炸、漏液和起火现象；方形锂离子动力电池经过针刺和挤压无爆炸和起火现象；方形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。
本发明的大容量方形锂离子电池高倍率放电性能优异，循环性能稳定，使用寿命长，可应用于纯电动汽车、电动船舶等交通工具领域。
Claims (10)
1.一种方形锂离子动力电池，包括带有正极柱和负极柱的方形外壳以及置于所述方形外壳内层状排列的若干个方形电芯，所述方形电芯由正极板、隔膜和负极板卷绕成方形而成，所述正极板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，所述负极板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，其特征在于，所述正极集流体从卷绕形成的方形电芯轴向的一端伸出并切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方形电芯轴向的另一端伸出并切割焊接形成负极集流体连接端，所述若干个方形电芯上的正极集流体连接端通过正极汇流片与所述正极柱相连，所述若干个方形电芯上的负极集流体连接端通过负极汇流片与所述负极柱相连。
2.根据权利要求1所述的方形锂离子动力电池，其特征在于，所述正极板、隔膜和负极板卷绕的层数至少为两层，所述正极集流体连接端均与所有层正极板相连，所述负极集流体连接端均与所有层负极板相连。
3.根据权利要求1所述的方形锂离子动力电池，其特征在于，所述方形电芯为8~20个。
4.根据权利要求1所述的方形锂离子动力电池，其特征在于，所述方形电芯沿卷绕的轴向的最大长度为112~212mm，所述方形电芯的宽度为40~60mm，所述方形电芯的厚度为8~10mm；
所述正极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度为8~12mm，所述正极集流体连接端的宽度为8~20mm；
所述负极集流体连接端沿方形电芯卷绕的轴向的长度为8~12mm，所述负极集流体连接端的宽度为8~20mm。
5.根据权利要求1所述的方形锂离子动力电池，其特征在于，所述正极汇流片的宽度12~30mm，厚度0.6~1.2mm；
所述负极汇流片的宽度12~30mm，厚度0.3~0.5mm。
6.根据权利要求1所述的方形锂离子动力电池，其特征在于，所述带有正极柱和负极柱的方形外壳包括方形铝合金壳体以及带有正极柱和负极柱的铝合金端盖，所述方形铝合金壳体的尺寸为（43~63）mm×（98~286）mm×（108~206）mm。
7.根据权利要求1所述的方形锂离子动力电池，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，所述正极汇流片为铝带，所述负极集流体为铜带。
8.根据权利要求1所述的方形锂离子动力电池，其特征在于，所述若干个方形电芯上的正极集流体连接端与所述正极汇流片焊接，所述正极汇流片与所述正极柱焊接或铆接；
所述若干个方形电芯上的负极集流体连接端与所述负极汇流片焊接，所述负极汇流片与所述负极柱焊接或铆接。
9.根据权利要求1~8任一项所述的方形锂离子动力电池的制备方法，包括加工方形电芯以及对该方形电芯封装，其特征在于，所述加工方形电芯的步骤如下：
1）将单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极板、隔膜和单边留有未涂覆负极活性材料涂层的负极板一同卷绕成方形，其中正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边以及负极板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）将卷绕后的正极板上未涂覆正极活性材料涂层的单边经切割、超声波焊接形成正极集流体连接端；将卷绕后的负极板上未涂覆负极活性材料涂层的单边经切割、储能电阻焊焊接形成负极集流体连接端，得到方形电芯。
10.根据权利要求9所述的方形锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，步骤1）中，单边留有未涂覆正极活性材料涂层的正极板的制备包括：
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板。
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