CN103296315B - 卷绕锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卷绕锂离子电池。其包括：卷芯，所述卷芯由层叠的正极片、负极片以及隔膜由内而外卷绕而成；所述隔膜间隔所述正极片与负极片之间，在所述正极片的表面涂覆有正极活性材料，沿所述卷芯由内到外，所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度逐渐由低变高；在所述负极片上涂覆有负极活性材料，沿所述卷芯由内到外，所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆密度逐渐由低变高。应用该技术方案有利于提高电池的散热性，从而提高安全性。

Description

卷绕锂离子电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及卷绕锂离子电池。

背景技术

目前市面上电池的种类很多，锂离子电池由于具有高能量密度、高输出电压、高输出功率等优点而被广泛应用于电子、交通、能源等领域。

近年来随着电动工具、电动玩具、模型飞机、电动车的快速发展，传统的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池灯动力能源已经由于重量重、不环保等问题而不能适应这些设备对动力能源的要求。

而锂离子电池时目前广泛推广应用的绿色可循环利用的能源，对于电动工具、电动玩具、模型飞机、电动车应用而言，这些设备具有瞬时连续大电流放电的工作要求，有的甚至要求30摄氏度、35摄氏度放电，并且随着科技的发展，将来还会要求更高的放电倍率。

有多个单体电池串联或者并联构成的高倍率锂离子电池组由于具有容量大、重量轻、体积小、无记忆效应、自放电小、循环寿命长等特点，其正足部取代传统的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池灯动力能源而防范应用于上述的于电动工具、电动玩具、模型飞机、电动车领域。

在进行本实用新型研究过程中，发明人发现现有技术至少存在如下问题：现有的动力锂离子电池存在散热不及时的安全隐患。

发明内容

本发明实施例第一目的在于提供卷绕锂离子电池，应用该技术方案有利于提高电池的散热性，从而提高安全性。

本发明实施例提供的一种卷绕锂离子电池，包括：卷芯，

所述卷芯由层叠的正极片、负极片以及隔膜由内而外卷绕而成；

所述隔膜间隔在所述正极片与负极片之间，

在所述正极片的表面涂覆有正极活性材料，沿所述卷芯由内到外，所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度逐渐由低变高；

在所述负极片上涂覆有负极活性材料，沿所述卷芯由内到外，所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆密度逐渐由低变高。

可选地，所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆厚度沿所述卷芯由内到外逐渐变厚；

在所述负极片上涂覆有负极活性材料，所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆厚度沿所述卷芯由内到外逐渐变厚。

可选地，所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度为：Y1＝A1*X1，

所述Y1为所述正极活性材料的涂覆密度，

所述A1为预定的系数，

所述X1为所述正极片上任一点到所述正极片位于所述卷芯最内端的长度；

所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述负极活性材料在所述正极片上的涂覆密度为：Y2＝A2*X2，

所述Y2为所述负极活性材料的涂覆密度，

所述A2为预定的系数，

所述X2为所述负极片上任一点到所述正极片位于所述卷芯最内端的长度。

可选地，在所述隔膜上的至少一表面还设置有聚偏氟乙烯层。

可选地，在所述隔膜上的至少一表面还设置有氧化铝层。

可选地，在所述隔膜上紧贴所述正极片的表面还设置有氧化铝层；

在所述隔膜上紧贴所述负极片的表面还设置有聚偏氟乙烯层。

可选地，固定在所述正极片上的正极耳为至少两个，所有所述正极耳伸出在所述卷芯的第一端部外，伸出在所述第一端部的至少两正极耳相互分立；

所有所述正极耳均与固定在所述第一端部的正极柱固定连接；

固定在所述负极片上的负极耳为至少两个，所有所述负极耳伸出在所述卷芯的第二端部外，伸出在所述第二端部的至少两负极耳相互分立，

所有所述负极耳均与固定在所述第二端部的负极柱固定连接；

可选地，所有所述正极耳均与固定在所述第一端部的正极柱固定连接，具体是：

在所述正极柱的内端部设置有第一环形凹槽，所有所述正极耳的端部均限位在所述第一环形凹槽内，在所述第一环形凹槽内还套有第一环形金属圈，所有所述正极耳伸进固定在所述第一环形凹槽与所述第一环形金属圈之间；

所有所述负极耳均与固定在所述第二端部的负极柱固定连接，具体是：

在所述负极柱的内端部设置有第二环形凹槽，所有所述负极耳的端部均限位在所述第二环形凹槽内，在所述第二环形凹槽内还套有第二环形金属圈，所有所述负极耳伸进固定在所述第二环形凹槽与所述第二金属圈之间。

可选地，所述第一环形金属圈的首端以及尾部贯穿伸出在所述正极柱外，

在所述第一环形金属圈的首端以及尾端分别设置有相互匹配的固定部，通过所述固定部匹配连接而连接所述第一环形金属圈的首端与尾端，调整所述第一环形金属圈的大小；

所述第二环形金属圈的首端以及尾部贯穿伸出在所述负极柱外，

在所述第二环形金属圈的首端以及尾端分别设置有相互匹配的固定部，通过所述固定部匹配连接而连接所述第二环形金属圈的首端与尾端，调整所述第二环形金属圈的大小。

可选地，所述正极柱为铜块，和/或，

所述负极柱为铝块。

由上可见，应用本实施例技术方案，由于本实施例的卷绕锂离子电池中正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度沿卷芯由内到外而由低到高变化，即使位于卷芯内层的正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度较低，位于卷芯外层的正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度较高。从而使在卷芯外层相对于卷芯内层的电极材料活性反应相对较大，在卷芯内层的发热量相对较低，在卷芯外层的发热量相对较高，有利于缓解现有技术中热量堆积在卷芯内部而无法散发出去的问题，有利于提高锂离子电池的散热效果，提高锂离子电池的安全稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本实施例1提供的正极片、负极片(极耳未画出)的结构示意图；

图2为本实施例3提供的正极片的正极耳分布的结构示意图；

图3为本实施例3提供的负极片的负极耳分布的结构示意图；

图4为本实施例3提供的层叠片的正极耳、负极耳分布的结构示意图；

图5为本实施例3提供的层叠片卷绕时的正极耳、负极耳分布的结构示意图；

图6为本实施例3提供的卷绕锂离子电池卷绕后的结构示意图。

附图标记：

101：正极片；102：正极耳；201：负极片；202：负极耳；

301：正极柱；302：负极柱；401：层叠片；501：卷芯。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例提供了一种卷绕锂离子电池，其主要包括卷芯501。该卷芯501由层叠的正极片、负极片以及隔膜层叠组成层叠片401(参见图4-5)，然后采用卷针(可以但不限于采用卷绕设备或者人工卷绕)，将该层叠片401由内到外沿卷针卷绕，得到卷绕体。

在层叠片401中，隔膜间隔在正极片与负极片之间，从而使在卷芯501中，在任意层正极片与负极片之间均间隔有隔膜层。

在正极片101的表面涂覆有正极活性材料，在负极片201负极片上涂覆有负极活性材料。在本实施例中，正极片101上的正极活性材料的密度呈非均匀分布，而使正极活性材料在正极片101上的涂覆密度沿卷芯501由内到外而由低到高变化。

作为本实施例的一种示意，在各处的正极活性材料相同的基础上，可以使正极活性材料在正极片101上的涂覆厚度沿卷芯501由内到外逐渐变厚，从而实现使正极活性材料在正极片101上的涂覆密度沿卷芯501由内到外而由低到高变化。

参见图1所示，作为本实施例的另一种示意，还可以使正极活性材料在正极片101上的涂覆密度按照以下函数式变化：Y1＝A1*X1。其中，Y1为正极活性材料的涂覆密度，A1为预定的系数，X1为正极片101上任一点到正极片101位于负极片201卷芯501最内端的长度。

同理，参见图1所示，在本实施例中，负极片上的负极活性材料的密度亦呈非均匀分布，而使负极活性材料在负极片上的涂覆密度沿卷芯501由内到外而由低到高变化。

作为本实施例的一种示意，在各处的负极活性材料相同的基础上，可以使负极活性材料在负极片上的涂覆厚度沿卷芯501由内到外逐渐变厚，从而实现使负极活性材料在负极片上的涂覆密度沿卷芯501由内到外而由低到高变化。

作为本实施例的一种另示意，还可以使负极活性材料在负极片上的涂覆密度按照以下函数式变化：Y2＝A2*X2。其中，Y2为负极活性材料的涂覆密度，A2为预定的系数，X2为负极片上任一点到负极片位于卷芯501最内端的长度。

其中，上述的涂覆密度具体是：在单位涂覆表面上的活性材料质量。

由上可见，应用本实施例技术方案，由于本实施例的卷绕锂离子电池中正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度沿卷芯501由内到外而由低到高变化，即使位于卷芯501内层的正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度较低，位于卷芯501外层的正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度较高。从而使在卷芯501外层相对于卷芯501内层的电极材料活性反应相对较大，在卷芯501内层的发热量相对较低，在卷芯501外层的发热量相对较高，有利于缓解现有技术中热量堆积在卷芯501内部而无法散发出去的问题，有利于提高锂离子电池的散热效果，提高锂离子电池的安全稳定性。

试验数据分析：

为了进一步说明本实施例相对于现有技术的效果，以下分别对本实施例卷绕锂离子电池以及现有技术的卷绕锂离子电池进行对比试验：

实施例1：采用52个容量为10Ah卷绕锂离子电池单体进行并联组成锂离子电池组，正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度不均匀，而沿卷芯501由内到外而由低到高变化。

对比例1：采用52个容量为10Ah卷绕锂离子电池进行并联组成锂离子电池组，与实施例1的不同点仅在于：正极片101、负极片上的正极活性材料、负极活性材料的涂覆密度均匀。

分别对实施例1、对比例1的卷绕锂离子电池组在2C倍率下进行持续放电20分钟，然后10C倍率100秒脉冲放电，分别室温下，在放电过程中不同的时间点(以放电开始时间点为原点)分别用红外温度检测仪，测得该卷绕锂离子电池表面的温度(相对测试点选定为卷芯501侧面的确定一点)，得到以下表一的试验数据。

表一：卷绕锂离子电池表面的温度对比表

由上可见，应用本实施例技术方案有利于大大提高锂离子电池组的散热效果，解决锂离子电池热量堆积而无法有效散热的问题。

实施例2：

本实施例提供了一种卷绕锂离子电池，其与实施例1的电池的主要不同点主要在于：

在本实施例的隔膜上紧贴负极片的至少一表面还设置有聚偏氟乙烯(又称PVDF)层。

本发明人在本发明的研究过程中发现，在隔膜层上涂覆有PVDF层，由于PVDF材料在较高温度下具有较强的粘结性，能够加强隔膜与极片的粘结效果，从而提高卷绕电芯在锂离子电池中吸收电解液的能力，有利于降低内阻，提高锂离子电池的循环性能。

作为本实施例的一可选示意，或者，可以但不限于在隔膜上紧贴正极片101的表面还设置有氧化铝(Al₂O₃)层。

本发明人在本发明的研究过程中发现，在隔膜层上涂覆Al₂O₃层，由于Al₂O₃材料在较高温度下可以有效缓解隔膜的热收缩性，防止电池变形，有利于提高电池的安全性。

作为本实施例的另一可选示意，可以但不限于在隔膜的一表面还设置有聚偏氟乙烯(又称PVDF)层，并且在隔膜上另一表面还设置有氧化铝(Al₂O₃)层。则既可以提高电池的保液能力又有利于提高电池的安全性。

实施例3：

参见图2、3、4、5、6所示，本实施例提供了一种卷绕锂离子电池，与实施例1所不同之处主要在于：

在本实施例中，固定在负极片201正极片101上的正极耳102为至少两个(如图2中的9个)，所有正极耳102伸出在负极片201卷芯501的第一端部外，伸出在第一端部的至少两正极耳102相互分立(如图4、5所示)。所有正极耳102均与固定在第一端部的正极柱固定连接。如图6所示作为本实施例的一种示意，可以采用螺栓贯穿本段的所有正极耳102而将所有正极耳102固定在正极柱上，对外作为电池的正极。

固定在负极片201负极片201上的负极耳202为至少两个(如图3中的9个)，所有负极片201负极耳202伸出在负极片201卷芯501的第二端部外，伸出在负极片201第二端部的至少两负极耳202相互分立(如图4、5所示)。所有负极耳202均与固定在第二端部的负极柱固定连接。如图6所示作为本实施例的一种示意，可以采用螺栓贯穿本段的所有负极耳202而将所有负极耳202固定在负极柱上，对外作为电池的负极。

在本实施例中，正、负极片201极耳的个数a(a＝1,2,3…)可以根据电池容量的大小和放电电流的需求来决定，

正、负极卷绕后分立的极耳个数b(b＝1,2,3…)也可以根据电池容量的大小和产生热量的多少来决定。

由上可见，由于在本实施例中，正极片101、负极片201上分别设置有多个正极耳102、负极耳202，且卷绕后正极耳102、负极耳202分别位于独立卷芯501的两端部且至少两个极耳分立，而非重叠在一起，有利于提高极耳的散热面积，有利于加速电池在放电过程中的快速散热。

试验数据分析：

为了进一步说明本实施例相对于现有技术的效果，以下分别对本实施例卷绕锂离子电池以及现有技术的卷绕锂离子电池进行对比试验：

实施例3：采用52个容量为10Ah卷绕锂离子电池单体进行并联组成锂离子电池组，其结构如本实施例负极片201。

对比例3：采用52个容量为10Ah卷绕锂离子电池进行并联组成锂离子电池组，其结构与实施例3的区别主要在于极耳的设计以及极耳的固定方式，具体如图7所示，且其极片的活性物质密度均匀。

分别对实施例3、对比例3的卷绕锂离子电池组在2C倍率下进行持续放电20分钟，然后10C倍率100秒脉冲放电，分别室温下，在放电过程中不同的时间点(以放电开始时间点为原点)分别用红外温度检测仪，测得该卷绕锂离子电池表面的温度(相对测试点选定为卷芯501侧面的确定一点)，得到以下表二的试验数据。

表二：卷绕锂离子电池表面的温度对比表

由上可见，应用本实施例技术方案有利于大大提高锂离子电池组的散热效果，解决锂离子电池热量堆积而无法有效散热的问题。

另外，作为本实施例的一种示意，还可以采用以下的锂离子电池的多分立极耳的固定技术方案：

在正极柱301的内端部设置有第一环形凹槽，所有正极耳102的端部均限位在第一环形凹槽内，在第一环形凹槽内还套有第一环形金属圈，所有正极耳102伸进固定在第一环形凹槽与负极片201第一环形金属圈之间，即在使所有正极耳102深入在第一环形凹槽内后，套入第一环形金属圈，使第一环形金属圈牢牢地将伸入的所有正极耳102压住而避免脱落。

同理，在负极片201负极柱302的内端部设置有第二环形凹槽，所有负极片201负极耳202的端部均限位在负极片201第二环形凹槽内，在负极片201第二环形凹槽内还套有第二环形金属圈，所有负极片201负极耳202伸进固定在负极片201第二环形凹槽与负极片201第二金属圈之间。即在使所有负极耳202深入在第二环形凹槽内后，套入第二环形金属圈，使第二环形金属圈牢牢地将伸入的所有负极耳202压住而避免脱落。

采用上述的技术方案，可以采用易于实施和装配的结构而牢牢地将沿卷芯501分立的两个甚至多个或者一圈极耳定在极柱上，并且有利于避免极耳在固定过程中由于弯折而折断的问题，且容易装配。

另外，作为本实施例的另一可选示意，第一环形金属圈、第二环形金属环的固定方式可以但不限于采用以下：

第一环形金属圈的首端以及尾部贯穿分别伸出在正极柱301外(可以但不限于从其顶部端部伸出或者侧面外周伸出)，在第一环形金属圈的首端以及尾端分别设置有相互匹配的固定部，当套上第一环形金属圈后，可以通过固定部匹配连接而连接第一环形金属圈的首端与尾端，使其组成一个封闭的环形，并且调整第一环形金属圈的环形大小，使其牢牢地压住正极耳102。

相应地，第二环形金属圈的首端以及尾部贯穿分别伸出在负极柱302外(可以但不限于从其顶部端部伸出或者侧面外周伸出)，在第二环形金属圈的首端以及尾端分别设置有相互匹配的固定部，当套上第二环形金属圈后，可以通过固定部匹配连接而连接第二环形金属圈的首端与尾端，使其组成一个封闭的环形，并且调整第二环形金属圈的环形大小，使其牢牢地压住负极耳202。

采用上述的技术方案，有利于进一步改善了正极耳102、负极耳202的装配固定方式，使其更加容易操作。

在本实施例中可以但不限于采用铜块作为正极柱301。可以但不限于选用铝块作为负极柱302。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种卷绕锂离子电池，其特征是，包括：卷芯，

所述卷芯由层叠的正极片、负极片以及隔膜由内而外卷绕而成；

所述隔膜间隔在所述正极片与负极片之间，

在所述正极片的表面涂覆有正极活性材料，沿所述卷芯由内到外，所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度逐渐由低变高；

在所述负极片上涂覆有负极活性材料，沿所述卷芯由内到外，所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆密度逐渐由低变高。

2.根据权利要求1所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆厚度沿所述卷芯由内到外逐渐变厚；

在所述负极片上涂覆有负极活性材料，所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆厚度沿所述卷芯由内到外逐渐变厚。

3.根据权利要求1或2所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述正极活性材料在所述正极片上的涂覆密度为：Y1＝A1*X1，

所述Y1为所述正极活性材料的涂覆密度，

所述A1为预定的系数，

所述X1为所述正极片上任一点到所述正极片位于所述卷芯最内端的长度；

所述负极活性材料在所述负极片上的涂覆密度沿所述卷芯由内到外逐渐由低变高，具体是：

所述负极活性材料在所述正极片上的涂覆密度为：Y2＝A2*X2，

所述Y2为所述负极活性材料的涂覆密度，

所述A2为预定的系数，

所述X2为所述负极片上任一点到所述正极片位于所述卷芯最内端的长度。

4.根据权利要求1或2所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

在所述隔膜上的至少一表面还设置有聚偏氟乙烯层。

5.根据权利要求1或2所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

在所述隔膜上的至少一表面还设置有氧化铝层。

6.根据权利要求1或2所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

在所述隔膜上紧贴所述正极片的表面还设置有氧化铝层；

在所述隔膜上紧贴所述负极片的表面还设置有聚偏氟乙烯层。

7.根据权利要求1或2所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

固定在所述正极片上的正极耳为至少两个，所有所述正极耳伸出在所述卷芯的第一端部外，伸出在所述第一端部的至少两正极耳相互分立；

所有所述正极耳均与固定在所述第一端部的正极柱固定连接；

固定在所述负极片上的负极耳为至少两个，所有所述负极耳伸出在所述卷芯的第二端部外，伸出在所述第二端部的至少两负极耳相互分立，

所有所述负极耳均与固定在所述第二端部的负极柱固定连接。

8.根据权利要求7所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

所有所述正极耳均与固定在所述第一端部的正极柱固定连接，具体是：

在所述正极柱的内端部设置有第一环形凹槽，所有所述正极耳的端部均限位在所述第一环形凹槽内，在所述第一环形凹槽内还套有第一环形金属圈，所有所述正极耳伸进固定在所述第一环形凹槽与所述第一环形金属圈之间；

所有所述负极耳均与固定在所述第二端部的负极柱固定连接，具体是：

在所述负极柱的内端部设置有第二环形凹槽，所有所述负极耳的端部均限位在所述第二环形凹槽内，在所述第二环形凹槽内还套有第二环形金属圈，所有所述负极耳伸进固定在所述第二环形凹槽与所述第二金属圈之间。

9.根据权利要求8所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

所述第一环形金属圈的首端以及尾部贯穿伸出在所述正极柱外，

在所述第一环形金属圈的首端以及尾端分别设置有相互匹配的固定部，通过所述固定部匹配连接而连接所述第一环形金属圈的首端与尾端，调整所述第一环形金属圈的大小；

所述第二环形金属圈的首端以及尾部贯穿伸出在所述负极柱外，

在所述第二环形金属圈的首端以及尾端分别设置有相互匹配的固定部，通过所述固定部匹配连接而连接所述第二环形金属圈的首端与尾端，调整所述第二环形金属圈的大小。

10.根据权利要求7所述的卷绕锂离子电池，其特征是，

所述正极柱为铜块，和/或，

所述负极柱为铝块。