CN103545559A - 一种叠片式锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种叠片式锂离子电池，包括包装袋、容纳于包装袋内的电芯和灌注于包装袋内电解液，电芯包括相互叠加的正极极片、负极极片和设置于正极极片与负极极片之间的隔离膜，正极极片的边缘和/或负极极片的边缘涂覆有保护层，隔离膜包括主体部和边缘部，边缘部的厚度大于主体部的厚度。本发明减少电池的内短路行为，显著的提高电池的电化学性能，因为边缘部的厚度大于主体部的厚度，所以减少了因极片边缘毛刺或边缘敷料脱落刺穿隔离膜而导致的内短路或微短路问题。与现有技术相比，降低了电池的内短路或微短路风险，而且也降低了工序的复杂性，更易于量产；同时也提高了电池长循环或高温条件下运行的稳定性。

Description

一种叠片式锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种叠片式锂离子电池。
背景技术
随着电子信息产业的快速发展，市场竞争的日趋激烈，人们对安全无毒、高比能量的能源材料的需求越来越大。锂离子电池，以其比能量大、工作电压高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、安全无污染且能快速充放电等优点，被广泛的应用于移动电话、摄像机、笔记本电脑、便携式测量仪等设备。
目前，在电子信息消费市场上，由于叠片式锂离子电池具有设计尺寸灵活；极片容易检查或挑选；倍率性能好；内阻小等优点，在市场上具有广泛的应用。但是该类电池在极片冲切过程中，会产生较多的断面，出现较多的毛刺，易导致隔膜被刺穿，易造成电芯内部微短路，易产生副反应。由于以上问题的存在，大大降低了叠片式锂离子电池的应用范围。中国专利公开号为CN103178233A的《一种具有安全性修饰极耳的锂电池》提出了一种在电池内短路时阻止电池热失控的锂电池，但并未彻底解决因毛刺可能导致的电池微短路或内短路问题。中国专利申请号为200520129852.7的《一种叠片式锂离子二次电池的正极片和极芯及其电池》提出了在正极边缘贴有绝缘胶布，以改善电池的内短路，但是该种措施会使绝缘胶布覆盖部分活性物质，而这部分活性物质在电池的使用过程中无法发挥其容量，损失了电池的体积密度，提高了工艺的复杂性，极大的延缓了生产效率，而且通常能够起到绝缘效果的胶布都比较厚，当贴附的绝缘胶布层重叠在一起时，会使电池产生变形风险。同时在电池长期循环使用过程中，胶布的粘结性能会逐渐下降，导致脱落或移位，从而影响电池的安全、循环等性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种叠片式锂离子电池，该电池降低了电池的内短路或微短路风险，而且也降低了工序的复杂性，更易于量产；同时也提高了电池长循环或高温条件下运行的稳定性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种叠片式锂离子电池，包括包装袋、容纳于所述包装袋内的电芯和灌注于所述包装袋内电解液，所述电芯包括相互叠加的正极极片、负极极片和设置于所述正极极片与所述负极极片之间的隔离膜，所述正极极片的边缘和/或所述负极极片的边缘涂覆有保护层，所述隔离膜包括主体部和边缘部，所述边缘部的厚度大于所述主体部的厚度。
所述边缘部的厚度与所述主体部的厚度的比值为1.001~1.6。
优选的，所述边缘部的厚度与所述主体部的厚度的比值为1.04~1.2。
所述保护层包括粘接剂和陶瓷材料，所述粘接剂的材料为聚偏氟乙烯、乙基纤维素、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠中的至少一种，所述陶瓷材料为氧化铝、氧化锆、氧化镁、钇硅氧和锆酸钡中的至少一种，所述粘接剂和所述陶瓷材料的质量比例为5～15:85～95。
所述保护层的厚度为0.1~10μm，所述保护层位于所述正极极片的边缘和/或所述负极极片的边缘的0~5mm范围，保护层从所述正极极片的边缘和/或所述负极极片的边缘延伸出的宽度为0.01~0.1mm。由于边缘横向毛刺的存在，保护层需要覆盖正极极片的边缘和/或负极极片的边缘，并在所述边缘延伸出部分宽度。
所述隔离膜的四周边缘比所述负极极片的四周边缘宽1~3mm，所述隔离膜的四周边缘比所述正极极片的四周边缘宽1.5~5mm，所述负极极片的四周边缘宽于所述正极极片的四周边缘。
所述边缘部的宽度与所述主体部的宽度的比值为0.001~0.2。
优选的，所述边缘部的宽度与所述主体部的宽度的比值为0.04~0.1。
本发明的有益效果在于：本发明的正极极片的边缘和/或负极极片的边缘涂覆有保护层，同时对极片边缘处的隔离膜进行了加厚，使得边缘部的厚度大于主体部的厚度，这样减少电池的内短路行为，显著的提高电池的电化学性能，而且减少了因极片边缘毛刺或边缘敷料脱落刺穿隔离膜而导致的内短路或微短路问题。与现有技术相比，不仅更大程度的降低了电池的内短路或微短路风险，而且也降低了工序的复杂性，更易于量产；更重要的是本发明所采取技术方案不会影响电池的容量，并且保护层的厚度远低于现有技术中绝缘胶带的厚度，可以避免因绝缘胶带厚度过大而导致的电池使用过程中的变形。同时由于陶瓷材料的稳定性，不易与电池内部物质发生副反应，提高了电池长循环或高温条件下运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图。
图2为本发明的实施例1自放电率的频率示意图。
图3为本发明的对比例1的自放电率频率示意图。
图4为本发明的对比例2的自放电率频率示意图。
图5为本发明的实施例3的结构示意图。
图6为本发明的实施例4的结构示意图。
图7为本发明的实施例2和对比例2的45℃循环测试示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明及其有益效果进行详细说明，但本发明的实施例不限于此。
实施例1，如图1所示，一种叠片式锂离子电池，包括包装袋、容纳于包装袋内的电芯和灌注于包装袋内电解液，电芯包括相互叠加的正极极片1、负极极片2和设置于正极极片1与负极极片2之间的隔离膜3，正极极片1的边缘涂覆有保护层4，隔离膜3包括主体部5和边缘部6，边缘部6的厚度大于主体部5的厚度，这样减少了因极片边缘毛刺或边缘敷料脱落刺穿隔离膜3而导致的内短路或微短路问题。一般的，隔离膜3的主体部5的厚度为10μm，主体部5的宽度为70 mm，边缘部6的厚度为10.01μm，边缘部6的宽度为0.07mm。
其中，保护层4包括粘接剂和陶瓷材料，粘接剂的材料为聚偏氟乙烯，陶瓷材料为质量比例为50:50的氧化铝和氧化锆的混合物，将粘接剂和陶瓷材料按质量比例为5:95进行混合，然后溶入松油醇溶剂中经干燥处理后制得保护层4，接着将保护层4涂覆于正极极片1上。保护层4的厚度为2μm，保护层4位于正极极片1的边缘3mm（即图1中A区域的宽度）范围，保护层从正极极片1的边缘延伸出的宽度（即图1中B区域的宽度）为0.05mm。
隔离膜3的四周边缘比正极极片1的四周边缘宽1.5mm，隔离膜3的四周边缘比负极极片2的四周边缘宽1mm，因此，正极极片1的四周边缘小于负极极片2的四周边缘宽度。将上述正极极片1、隔离膜3和负极极片2依次叠放呈层状结构形成裸电芯，随后经过封装、注液、化成等工序制成叠片式锂离子电池。
实施例2，与实施例1的不同的是：本实施例的隔离膜3的边缘部6的厚度为10.4μm，边缘部6的宽度为2.8mm，隔离膜3的四周边缘比正极极片1的四周边缘宽5mm，隔离膜3的四周边缘比负极极片2的四周边缘宽3mm，粘接剂为质量比例是40:60的乙基纤维素和丁苯橡胶的混合材料，陶瓷材料为质量比例是50:50的氧化镁和钇硅氧的混合材料；将粘接剂和陶瓷材料按质量比例为15:85进行混合，然后溶入松油醇溶剂中经干燥处理后制得保护层4，接着将保护层4涂覆于正极极片1上。
其它的与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例3，如图5所示，与实施例1的不同的是：本实施例的负极极片2的边缘涂覆有保护层4，保护层4的厚度为2μm，保护层4位于负极极片2的边缘的宽度为1mm（即图5中A区域的宽度）范围，保护层4从负极极片2的边缘延伸出的宽度（即图5中B区域的宽度）为0.01mm，而正极极片1的边缘没有涂覆有保护层4，其中，隔离膜3的边缘部6的厚度为12μm，边缘部6的宽度为7mm。粘接剂的材料为质量比例为25:25:50的乙基纤维素、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠的混合物，陶瓷材料为质量比例为40:40:20的氧化镁、钇硅氧和锆酸钡的混合物，将粘接剂和陶瓷材料的按质量比例为10:90进行混合，然后溶入松油醇溶剂中经干燥处理后制得保护层4，接着将保护层4涂覆于负极极片2上。
其它的与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例4，如图6所示，与实施例1的不同的是：本实施例的正极极片1的边缘和负极极片2的边缘均涂覆有保护层4，保护层4的厚度为5μm，保护层4位于正极极片1和负极极片2的边缘5mm（即图6中A区域的宽度）范围，保护层4从正极极片1和负极极片2的边缘延伸出的宽度（即图6中B区域的宽度）为0.1mm。隔离膜3的边缘部6的厚度为16μm，边缘部6的宽度为14mm，这时的边缘部6的厚度和宽度达到最大，如果再加大边缘部6的厚度和宽度，就会造成电池的能量密度的降低。
其它的与实施例1相同，这里不再赘述。
对比例1，按照实施例1的方法制备极片，隔膜和锂离子电池。与实施例1不同的是正极极片和负极极片在制备时极片边缘均未涂覆保护层物质，隔离膜边缘并未加厚，其余制作方法同实施例1，这里不再赘述。
对比例2，按照对比例1的方法制备极片，隔膜和锂离子电池。与对比例1不同的是：本对比例的正极极片边缘贴有宽度为3mm，厚度为10μm的绝缘聚丙烯胶布，其余制作方法同对比例1，这里不再赘述。 
下面对实施例1~4的锂离子电池和对比例1、2的锂离子电池进行性能测试：实施例1~4对应的锂离子电池编号为S1~S4，对比例1、2对应的锂离子电池编号为D1、D2。
自放电率测试：自放电率又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。自放电是衡量电池性能的一个重要参数，稳定的锂离子电池需要有具有相对较低的自放电率。将实施例1~4的锂离子电池和对比例1、2的锂离子电池各100颗电池样品均充电至60%SOC，48小时后测试电池的电压OCV1，再过72小时后测试电池的电压OCV2，则电池的自放电率K=(OCV2-OCV1)/72。将100颗电池其自放电率计算平均值见表1，将S1，D1，D2组电池的自放电率和频率作图见图2~ 4，在实验过程中，本发明的叠片式锂离子电池的S1组其自放电率较低，大部分电芯的自放电率在0.021mV/h左右；经过绝缘胶带处理后的对比例2的D2组中50%以上的锂离子电池的自放电率在0.044mV/h左右，相对于S1组较为明显，由于绝缘胶带在组装过程中以及后续充放电过程中，可能出现脱落或移位，使得电芯的电压降较高，而未作任何处理的对比例1对应的D1组电池由于极片边缘毛刺导致局部微短路增多，故D1组电池具有更为明显的自放电率，大部分集中在0.123mV/h附近。所以本发明的叠片式锂离子电池自放电率明显低于现有技术的叠片式锂离子电池自放电率。
循环测试：将实施例1~4和对比例1、2的锂离子电池各4颗电池样品进行45℃循环测试，循环前纪录平均初始容量，循环650周后纪录平均循环后容量，容量保持率=平均循环后容量/平均初始容量*100%，所得数据见表1。将实施例2和对比例2的锂离子电池所得循环数据绘制成图，如图7显示的循环曲线，S2组为正极极片边缘上涂覆有保护层，并且具有安全保护性隔离膜的叠片式锂离子电池，D3组为作为对照组的具有绝缘聚丙烯胶布保护层的叠片式锂离子电池。对于相同尺寸大小的实施例2中的锂离子电池S2组和对比例2中的锂离子电池D3组，由于D3中的阴极极片边缘的绝缘聚丙烯胶布覆盖了部分活性物质，降低了电芯的容量，而在实施例2中的锂离子电池S2中，保护层对电芯容量的影响相对较小，这在图7上，二者的起始容量对比可看出。另外，根据图7的曲线趋势，也明显看出，本发明的叠片式锂离子电池的S2组具有良好的高温循环性能；而作为对照组的具有绝缘聚丙烯胶布保护层的叠片式锂离子电池的D3组的容量下降比较明显，这是由于具有绝缘聚丙烯胶布保护涂层的叠片式锂离子电池D3组中的胶布本身较窄，在高温循环过程中绝缘胶布的粘结力的下降，胶布易在电池内的蠕动，损害了电池的容量，同时也增添了电池的变形风险。在本实验中，具有绝缘聚丙烯胶布保护层的叠片式锂离子电池D3组电芯在循环650次后，有3颗电池的上下表面均出现了“船形”变形，即电芯循环过程中因形变而导致四周翘起，使得电芯变形成为“船形”，1颗电池的上表面出现“船形”变形。但本发明的叠片式锂离子电池的S2组的4颗电池表现正常。根据测定的结果明显看出，本发明的叠片式锂离子电池具有良好的高温循环性能。
从表1的数据可以看出，随着隔离膜边缘部厚度的增大，电池的自放电率逐渐减小，容量保持率提高；正极极片保护层对电池自放电率和循环容量保持率的影响要高于负极，这主要是因为负极极片长度要大于正极极片，即便负极极片刺穿了隔膜，也不会直接接触到正极，因此保护层对正极处处理要比对负极处处理要好，会更好的避免电池内部的微短路。使自放电率降低。电池具有较好的容量保持率；扩大极片保护层的区域，将保护层设置在正负极，提高隔膜边缘区厚度和宽度，可以大大提高电池的性能，但处理过多，会造成电池能力密度下降，且使电池具有变形风险。
 表1、实施例1~4和对比例1~2的电池性能测试结果：
Figure 2013104615157100002DEST_PATH_IMAGE001
。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种叠片式锂离子电池，包括包装袋、容纳于所述包装袋内的电芯和灌注于所述包装袋内电解液，所述电芯包括相互叠加的正极极片、负极极片和设置于所述正极极片与所述负极极片之间的隔离膜，其特征在于：所述正极极片的边缘和/或所述负极极片的边缘涂覆有保护层，所述隔离膜包括主体部和边缘部，所述边缘部的厚度大于所述主体部的厚度。
2.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述边缘部的厚度与所述主体部的厚度的比值为1.001~1.6。
3.根据权利要求2所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述边缘部的厚度与所述主体部的厚度的比值为1.04~1.2。
4.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述保护层包括粘接剂和陶瓷材料，所述粘接剂的材料为聚偏氟乙烯、乙基纤维素、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠中的至少一种，所述陶瓷材料为氧化铝、氧化锆、氧化镁、钇硅氧和锆酸钡中的至少一种，所述粘接剂和所述陶瓷材料的质量比例为5～15:85～95。
5.根据权利要求4所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述保护层的厚度为0.1~10μm，所述保护层位于所述正极极片的边缘和/或所述负极极片的边缘的0~5mm范围，所述保护层从所述正极极片的边缘和/或所述负极极片的边缘延伸出的宽度为0.01~0.1mm。
6.根据权利要求1所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述隔离膜的四周边缘比所述负极极片的四周边缘宽1~3mm，所述隔离膜的四周边缘比所述正极极片的四周边缘宽1.5~5mm，所述负极极片的四周边缘宽于所述正极极片的四周边缘。
7.根据权利要求3所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述边缘部的宽度与所述主体部的宽度的比值为0.001~0.2。
8.根据权利要求7所述的叠片式锂离子电池，其特征在于：所述边缘部的宽度与所述主体部的宽度的比值为0.04~0.1。
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