CN103259051A - 一种卷绕式锂电池及其电芯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有高温安全性的锂电池及其电芯，所述卷绕式锂电池的电芯的内层的正极与负极之间设置有第一隔膜，所述电芯的最外圈的正极与负极之间设置有第二隔膜；所述第一隔膜的热熔温度为260℃以上，所述第二隔膜的热熔温度为130～180℃。由于本发明的第一个隔膜与第二隔膜不是重叠设置的方法，在电芯的最外圈设置了热熔温度低的隔膜，两种隔膜重叠面积较小，从而对锂电池的内阻与能量密度的影响较小。

Description

一种卷绕式锂电池及其电芯

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种卷绕式锂电池及其电芯。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点，在各类电子产品中已得到广泛应用。锂离子电池的结构主要有叠片式和卷绕式。目前卷绕式锂电池的电芯包括依次叠置并卷绕的正极片、隔膜和负极片，正极片的卷绕末端一体形成有正极耳，负极的卷绕末端一体形成有负极耳。

近年来，锂离子电池爆炸伤人的事件已屡见不鲜，大部分是由于电池热失控引起的。热失控是电池系统产生的热量大于释放的热量而导致热量累积，温度迅速升高的过程，主要是由电极材料与电解液间反应引起的。当电池热失控发生后，电解液中的易燃溶剂可能会导致电池的起火、爆炸。因此，锂离子电池的安全问题越来越受到人们的关注。

针对高温安全性能电池的开发，有些公司采用两层隔膜隔开正、负极的方法，一层为传统的聚丙烯复合隔膜，另一层为带有微米级孔隙的多孔、耐高温的绝缘隔膜。耐高温隔膜在140～300℃范围内不发生急剧收缩，正、负极片不会出现大面积短路，避免了电池起火和爆炸，但是该方案对电池的电性能影响很大。例如公开号为CN1438719A的中国专利中的锂电池采用PP/PE/PP隔膜与多孔聚酰亚胺隔膜制成，其中多孔聚酰亚胺隔膜空隙率为50%～70%，孔径为5～15微米，厚度为25～35微米，该专利的锂电池虽然具有较高的高温安全性，但是双层隔膜的设计将大大增加电池的内阻。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供了一种卷绕式锂电池及其电芯，所述卷绕式锂电池内阻较低，并且具有较高的高温安全性。

有鉴于此，本发明提供了一种卷绕式锂电池的电芯，所述电芯的内部的正极与负极之间设置有第一隔膜，所述电芯的最外圈的正极与负极之间设置有第二隔膜，所述第一隔膜的尾端与所述第二隔膜的首端相连接；所述第一隔膜的热熔温度为260℃以上，所述第二隔膜的热熔温度为130～180℃。

优选的，所述第一隔膜是由聚酰胺合成的隔膜，所述第二隔膜是由聚乙烯或聚丙烯合成的薄膜。

优选的，所述第一隔膜与所述第二隔膜的连接方式为第一隔膜尾端打孔后采用胶水连接第二隔膜的首端。

优选的，所述第一隔膜与所述第二隔膜的连接方式为第一隔膜的尾端与第二隔膜的首端通过胶水连接。

优选的，所述正极包括正极活性物质与集流体；所述正极活性物质为钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和磷酸钒锂中的一种或多种与导电碳、聚偏二氟乙烯的混合体，所述集流体为铝箔。

优选的，所述负极包括负极活性物质与集流体；所述负极活性物质为石墨、硬碳、石墨烯和钛酸锂中的一种或多种与羧甲基纤维素钠、导电碳、丁苯橡胶的混合体，所述集流体为铜箔。

本发明还提供了一种卷绕式锂电池，所述锂电池的电芯为上述方案所述的电芯。

本发明提供了一种卷绕式锂电池的电芯，所述电芯的内部的正极与负极之间设置有第一隔膜，所述电芯的最外圈的正极与负极之间设置有第二隔膜，所述第一隔膜的尾端与所述第二隔膜的首端相连接；所述第一隔膜的热熔温度为260℃以上，所述第二隔膜的温度为130～180℃。本发明的锂电池电芯的正极与负极之间设置的热熔温度高的第一隔膜具有隔离正极与负极的作用，而热熔温度低的第二隔膜设置在电芯最外圈的正极与负极之间，在升温过程中，第二隔膜先收缩，使正极与负极进行大内阻短路，释放出部分能量，进而降低热量产生速率、延缓热失控时间，从而提高高温环境下的安全性能；由于本发明的第一个隔膜第二隔膜不是重叠设置的方法，两种隔膜重叠面积较小，从而对锂电池的内阻与能量密度的影响较小。

附图说明

图1为本发明的卷绕式锂电池的电芯结构示意图；

图2为本发明卷绕式锂电池的结构示意图；

图3为本发明实施例2卷绕式锂电池的电芯结构示意图；

图4为本发明实施例3卷绕式锂电池的电芯结构示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种卷绕式锂电池的电芯，图1为本发明卷芯的结构示意图，所述电芯的内部的正极3与负极4之间设置有第一隔膜1，所述电芯的最外圈的正极3与负极4之间设置有第二隔膜2，所述第一隔膜1的尾端与所述第二隔膜2的首端相连接；所述第一隔膜1的热熔温度为260℃以上，所述第二隔膜2的热熔温度为130～180℃。所述第一隔膜1的热熔温度优选为260～280℃

按照本发明，所述第一隔膜1优选为由聚酰胺合成的隔膜，所述第二隔膜2优选为由聚乙烯或聚丙烯合成的隔膜。所述第一隔膜1与所述第二隔膜2的热熔温度不同，从而在锂电池升温过程中，热熔温度低的隔膜先收缩，使正极与负极进行大内阻短路，从而释放出部分能量，进而降低热量产生速率、延缓热失控时间，从而提高高温环境下的安全性能。所述第一隔膜1与所述第二隔膜2是接续在一起的，接续方式可以是第一隔膜1尾端表面打孔后采用胶水接续第二隔膜2的首端，也可以是第一隔膜1的尾端与第二隔膜2的首端直接用胶水接续，对于第一隔膜1与第二隔膜2的接续方式本发明没有特别的限制，但是需要保证第一隔膜1与第二隔膜2重叠的面积较小。

本发明中所述电芯的正极3包括正极活性物质与集流体；所述正极活性物质优选为镍酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和磷酸钒锂中的一种或多种与导电碳、聚偏二氟乙烯的混合体。所述负极4包括负极活性物质与集流体，所述负极活性物质优选为石墨、硬碳、石墨烯和钛酸锂中的一种或多种与羧甲基纤维素钠、导电碳、丁苯橡胶的混合体。所述正极3的集流体优选为厚度为8～50μm的铝箔；所述负极4的集流体优选为厚度为5～50μm的铜箔。

本领域技术人员熟知的，锂电池电芯在充放电过程中，内部的短路方式分为四种：负极的集流体铜箔与正极的集流体、负极的集流体铜箔与正极膏面、负极膏面与正极的集流体铝箔、负极膏面与正极膏面；电导率大小顺序为铜箔>铝箔>负极膏面>正极膏面，在电芯充放电过程中，电芯中部若铝箔与负极膏面直接短路，由于两者的电导率都较高，瞬间放出的热量很容易使负极燃烧，造成热失控；若正极膏面与负极膏面相对电阻率较低，两者短路释放出的热量较少，不会造成热失控，因此，本发明在电芯的最外圈正极3与负极4之间设置第二隔膜2，在锂电池升温过程中，第二隔膜收缩，延缓热失控时间，从而提高了高温环境下的安全性能。

本发明还公开了一种卷绕式锂电池，如图2所示，图2为锂电池结构示意图，所述锂电池外部包括包装膜21，绝缘片22，锂电池的电芯为上述方案中公开的电芯，包括依次叠置并卷绕的正极片25、隔膜26和负极片27，正极片25的卷绕末端一体形成有正极耳23，负极的卷绕末端一体形成有负极耳24。所述包装膜21为本领域人员熟知的，本发明没有特别的限制，优选为由一层聚丙烯膜，一层铝箔，一层尼龙膜或高温膜，三层膜合成的包装膜。本发明所述卷绕式锂电池的制备方法本发明没有特别的限制，为本领域技术人员常用的制备方法即可。

本发明的锂电池电芯的正极与负极之间设置的热熔温度高的第一隔膜具有隔离正极与负极的作用，而热熔温度低的第二隔膜设置在电芯最外圈的正极与负极之间，在升温过程中，第二隔膜先收缩，使正极与负极先进行大内阻短路，从而释放出部分能量，进而降低热量产生速率、延缓热失控时间，从而提高高温环境下的安全性能；由于本发明的第一隔膜与第二隔膜不是重叠设置的方法，两种隔膜重叠面积较小，从而对锂电池的内阻与能量密度的影响较小。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的卷绕式锂电池进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

正极极片的制备：将正极活性材料钴酸锂与导电碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为98：1：1，混合溶解在氮甲基吡咯烷酮溶液中形成浆料，并将该浆料涂敷在铝集流体上，烘干后辊压到135±3μm并焊接极耳形成正极极片；

负极极片的制备：将负极活性材料、导电碳与羧甲基纤维素纳溶解在水中，再与丁苯橡胶粘接剂混合成浆料，涂敷在铜集流体上，所述负极活性材料、导电碳、羧甲基纤维素与丁苯橡胶的质量比为97：1：1：1，烘干后辊压到145±3μm并焊接极耳形成负极片。

将正极片、负极片与隔膜间隔放置，卷绕形成裸电芯，卷芯结构如图1所示，卷芯的尾部采用负极敷料收尾，内部隔膜采用热熔温度较高的第一隔膜1，尾部隔膜采用热熔温度较低的第二隔膜2加贴。

将裸电芯置于冲好坑的包装膜中，经注液、封装、化成、分容等工序组装成642328型锂电池如图2所示。

对实施例1制备的锂电池进行250℃热盘测试，如表1所示，表1为实施例1制备的锂电池的安全性能测试数据表，结果表明实施例1制备的锂电池在250℃热盘测试中不冒火星、不起火、不爆炸，由此说明按照本发明的卷绕方式制备的锂电池可以有效缓解或避免250℃热平板引发的热失控，从而极大提高了锂电池的热安全性。对实施例1制备的锂电池的内阻进行了测试，测试结果如表2所示。

实施例2

正极极片的制备：将正极活性材料钴酸锂与导电碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为98:1:1，混合溶解在氮甲基吡咯烷酮溶液中形成浆料，并将该浆料涂敷在铝集流体上，烘干后辊压到135±3μm并焊接极耳形成正极极片；

负极极片的制备：将负极活性材料、导电碳与羧甲基纤维素纳溶解在水中，再与丁苯橡胶粘接剂混合成浆料，涂敷在铜集流体上，所述负极活性材料、导电碳、羧甲基纤维素与丁苯橡胶的质量比为97:1:1:1，烘干后辊压到145±3μm并焊接极耳形成负极片。

将正极片、负极片与隔膜间隔放置，卷绕形成裸电芯，卷芯结构如图3所示，卷芯的尾部采用负极敷料收尾，内部隔膜采用热熔温度较高的第一隔膜1，尾部隔膜采用热熔温度较低的第二隔膜2加贴。

将裸电芯置于冲好坑的包装膜中，经注液、封装、化成、分容等工序组装成642328型锂电池。

对实施例2制备的锂电池进行250℃热盘测试，如表1所示，表1为实施例2制备的锂电池的安全性能测试数据表，结果表明实施例2制备的锂电池具有较好的高温安全性。

实施例3

正极极片的制备：将正极活性材料钴酸锂与导电碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为98:1:1，混合溶解在氮甲基吡咯烷酮溶液中形成浆料，并将该浆料涂敷在铝集流体上，烘干后辊压到135±3μm并焊接极耳形成正极极片；

负极极片的制备：将负极活性材料、导电碳与羧甲基纤维素纳溶解在水中，再与丁苯橡胶粘接剂混合成浆料，涂敷在铜集流体上，所述负极活性材料、导电碳、羧甲基纤维素与丁苯橡胶的质量比为97:1:1:1，烘干后辊压到145±3μm并焊接极耳形成负极片。

将正极片、负极片与隔膜间隔放置，卷绕形成裸电芯，卷芯结构如图4所示，卷芯的尾部采用负极敷料收尾，内部隔膜采用热熔温度较高的第一隔膜1，尾部隔膜采用热熔温度较低的第二隔膜2加贴。

将裸电芯置于冲好坑的包装膜中，经注液、封装、化成、分容等工序组装成642328型锂电池。对实施例1制备的锂电池进行250℃热盘测试，如表1所示，表1为实施例3制备的锂电池的安全性能测试表，结果表明实施例3制备的锂电池具有较好的高温安全性。

对比例1

正极极片与负极级片的制备方法与实施例1相同，在卷绕锂电池电芯的过程中，将隔膜在正极极片与负极极片之间放置，并且隔膜为双层隔膜，其中双层隔膜为热熔温度较高的隔膜与热熔温度较低的隔膜重叠放置，将正极极片、负极极片与隔膜卷绕形成裸电芯。

将裸电芯置于冲好坑的包装膜中，经注液、封装、化成、分容等工序组装成642328型锂电池。

对对比例1制备的锂电池进行250℃热盘测试，如表1所示，表1为对比例1制备的锂电池的安全性能测试数据表。对对比例1制备的锂电池的内阻进行了测试，测试结果如表2所示。

表1实施例与对比例制备的锂电池的安全性能测试表

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种卷绕式锂电池的电芯，其特征在于，所述电芯的内部的正极与负极之间设置有第一隔膜，所述电芯的最外圈的正极与负极之间设置有第二隔膜，所述第一隔膜的尾端与所述第二隔膜的首端相连接；所述第一隔膜的热熔温度为260℃以上，所述第二隔膜的热熔温度为130～180℃。

2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一隔膜是由聚酰胺合成的隔膜，所述第二隔膜是由聚乙烯或聚丙烯合成的薄膜。

3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一隔膜与所述第二隔膜的连接方式为第一隔膜尾端打孔后采用胶水连接第二隔膜的首端。

4.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一隔膜与所述第二隔膜的连接方式为第一隔膜的尾端与第二隔膜的首端通过胶水连接。

5.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述正极包括正极活性物质与集流体；所述正极活性物质为钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和磷酸钒锂中的一种或多种与导电碳、聚偏二氟乙烯的混合体，所述集流体为铝箔。

6.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述负极包括负极活性物质与集流体；所述负极活性物质为石墨、硬碳、石墨烯和钛酸锂中的一种或多种与羧甲基纤维素钠、导电碳、丁苯橡胶的混合体，所述集流体为铜箔。

7.一种卷绕式锂电池，其特征在于，所述锂电池的电芯为权利要求1～6任一项所述的电芯。

Images