CN103579666A - 一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺 - Google Patents

一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺 Download PDF

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Abstract

本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺，电芯内部包括至少两个卷绕单体电芯，各卷绕单体电芯都分别设置有正负极耳，其中所述单体电芯极性相同的极耳通过超声波焊接的方式焊接为一体形成复合电芯，每个单体电芯的正、负极片极耳设置在中间。其能够在保证电池容量不变的情况下有效降低电池内阻，改善电池的倍率性能，提高其安全性。

Description

一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种降低锂离子电池内阻及提高安全性的具有极耳中置极片结构的低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺。 
背景技术
锂离子电池因具有输出电压高，能量密度高、放电电压平稳，循环寿命长的优点，被广泛应用于各类3C产品。同时，凭借输出功率大，使用寿命长的优势，锂离子电池的应用也从通讯行业延伸到电动工具、大型储能及动力电池领域。动力型电池是锂离子电池的主要发展方向之一，这就要求其具有较好的倍率性能和较高的功率能量密度。同时，为满足市场对于大容量动力电池的要求，在严格控制极片面密度的情况下需要通过增加极片长度来实现。对于采用卷绕工艺的锂离子电池来讲，过长的极片会给制程带来不必要的麻烦，使得产品不良率上升，且采用长极片的电池内阻大，不利于电池的大电流充放电，严重阻碍电池朝着大容量高功率方向发展。而现有的卷绕式锂离子电池极片采用极耳设在极片一端的结构，由于极耳一般设置在电芯内部，内阻大散热情况差，会导致电池内部温度急剧上升，该种状况下电池存在一定的安全隐患。
要改善电池的倍率性能提高其功率能量密度和安全性，就需要降低电池内阻。这是由于当工作电压相同时，电池的内阻越低，放电电流会越大，电池的功率能量密度也会越高；同时由于欧姆内阻低，电池的产热量也会降低，电池的安全性得到保障。 
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺，电芯内部包括至少两个卷绕单体电芯，各卷绕单体电芯都分别设置有正负极耳，其中所述单体电芯极性相同的极耳通过超声波焊接的方式焊接为一体形成复合电芯，每个单体电芯的正、负极片极耳设置在中间。其能够在保证电池容量不变的情况下有效降低电池内阻，改善电池的倍率性能，提高其安全性。
本发明的一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺技术方案为，该电芯内部包括至少两个卷绕单体电芯，单体电芯包括正极片、负极片和隔膜，极片由极片带、极耳和隔膜组成，其中极片带展开时，极耳位于极片带中间部位，其中单体电芯之间极性相同的极耳焊接为一体形成复合电芯。
极片带上焊接极耳的位置为空白箔区，空白箔区之外的极片带两面涂覆有极片活性物质。
极耳宽度为5-15mm，厚度为0.1-0.2mm，极耳外露长度为10-20mm，空白箔区宽度比极耳宽度宽1-3mm。
正极片的极片带上空白箔区粘贴有绿色聚酯PET绝缘胶带，胶带厚度为0.02-0.04mm，绝缘胶带上边缘比极片上边缘长2.5-6.5mm。
负极片的极片带上空白箔区粘贴有黄色聚酰亚胺亚克力绝缘胶带，胶带厚度为0.055-0.065mm，绝缘胶带上边缘比极片上边缘长1.5-5.5mm。
极耳外露部分设置有极耳胶，极耳胶距离极片带边缘2±0.5mm。
正极片的极片带为铝箔，负极片的极片带为铜箔。
极性相同的极耳通过超声波焊接为一体。
所述的一种低内阻复合锂离子电芯制作工艺， 包括以下步骤：
①配料：按照工艺参数要求，经高速真空搅拌均匀后，制成浆状的正负极活性物质；
②涂布：将制成的浆料按工艺要求厚度均匀地涂覆在金属箔的表面，经烘干，分别制成正负极极片；
涂布时正极单面面密度范围：190-230mg/cm2
涂布时负极单面面密度范围：7-11 mg/cm2
③制片：将涂布工序出来的合格极片，辊压、分切、制成规定尺寸的小片；
④卷绕：按负极片—隔膜—正极片—隔膜的顺序卷绕，并贴上终止胶带，卷芯最外层为隔膜；
⑤点焊正负极耳：将卷绕好的2个以上电芯并联，使用绝缘胶带先将其固定，点焊好正负极耳； 
⑥封装：将点焊好极耳的合格电芯封装，用以制备电池。
其中，步骤②涂布具体为：
正极片结构：在极片带上涂覆活性物质，其中，极片带的中间部位设置一段未涂覆活性物质的空白箔区，用来焊接极耳，在空白箔区的正反面都用聚酯PET绝缘胶带粘贴，在极耳的右侧25-32mm处设置一段无涂覆活性物质区，无涂覆活性物质区与极耳处于极片带的同一面。
负极片结构：在极片带上涂覆活性物质，其中，极片带的中间段设置一段未涂布负极活性物质的空白箔区，用来焊接极耳，在空白箔区的正反面用聚酰亚胺亚克力绝缘胶带粘贴，在极片带的右端，与极耳相背的一面设置一段宽度为135-138mm的无涂覆活性物质区。
本发明的有益效果为：本发明的一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺，电芯内部包括至少两个卷绕单体电芯，各卷绕单体电芯都分别设置有正负极耳，其中所述单体电芯极性相同的极耳通过超声波焊接的方式焊接为一体形成复合电芯，每个单体电芯的正、负极片极耳设置在中间。
在正极极耳的右侧25-32mm处设置一段无涂覆活性物质区，无涂覆活性物质区与极耳处于极片带的同一面，卷绕时对应于负极极耳，将其包裹，避免正极活性物质正对负极极耳胶，产生析锂。
由于本发明所述的复合电芯为多个单体电芯通过极性相同的极耳焊接并联而成，因而在保证动力电池容量不变的基础上，有效降低电池内阻，进而降低电池放电时的产热量，改善电池的倍率性能，提高其安全性。
附图说明：
图1所示为本发明正极片展开时的剖面示意图；
图2所示为本发明负极片展开时的剖面示意图；
图3所示为复合锂离子卷芯立体结构示意图；
图4所示为双电芯并联后所制10Ah电池的倍率放电曲线。
图1中，11-极片带，12-活性物质，13-极耳，14-空白箔区，15-无涂覆活性物质区；
图2中，21-极片带，22-活性物质，23-极耳，24-空白箔区，25-无涂覆活性物质区；
图3中，31-电芯，32-绝缘胶带，33-正极耳，35-极耳胶，36-焊接部位， 43-负极耳。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
本发明的一种低内阻复合锂离子电芯及其制作工艺，电芯内部包括至少两个卷绕单体电芯，单体电芯包括正极片、负极片和隔膜，极片由极片带、极耳和隔膜组成，其中极片带展开时，极耳位于极片带中间部位，其中单体电芯之间极性相同的极耳焊接为一体形成复合电芯。
极片带上焊接极耳的位置为空白箔区，空白箔区之外的极片带两面涂覆有极片活性物质。
极耳宽度为5-15mm，厚度为0.1-0.2mm，极耳外露长度为10-20mm，空白箔区宽度比极耳宽度宽1-3mm。
正极片的极片带11上空白箔区14粘贴有绿色聚酯PET绝缘胶带，胶带厚度为0.02-0.04mm，绝缘胶带上边缘比极片上边缘长2.5-6.5mm。
负极片的极片带21上空白箔区24粘贴有黄色聚酰亚胺亚克力绝缘胶带，胶带厚度为0.055-0.065mm，绝缘胶带上边缘比极片上边缘长1.5-5.5mm
极耳外露部分设置有极耳胶，极耳胶距离极片带边缘2±0.5mm。
正极片的极片带11为铝箔，负极片的极片带21为铜箔。
极性相同的极耳通过超声波焊接为一体。
所述的一种低内阻复合锂离子电芯制作工艺， 包括以下步骤：
①配料：按照工艺参数要求，经高速真空搅拌均匀后，制成浆状的正负极活性物质；
②涂布：将制成的浆料按工艺要求厚度均匀地涂覆在金属箔的表面，经烘干，分别制成正负极极片；
涂布时正极单面面密度范围：190-230mg/cm2
涂布时负极单面面密度范围：7-11 mg/cm2
③制片：将涂布工序出来的合格极片，辊压、分切、制成规定尺寸的小片；
④卷绕：按负极片—隔膜—正极片—隔膜的顺序卷绕，并贴上终止胶带，卷芯最外层为飞、隔膜；
⑤点焊正负极耳：将卷绕好的2个以上电芯并联，使用绝缘胶带先将其固定，点焊好正负极耳。 
⑥封装：将点焊好极耳的合格电芯封装，用以制备电池。
其中，步骤②涂布具体为：
正极片结构：在极片带11上涂覆活性物质12，其中，极片带11的中间部位设置一段未涂覆活性物质的空白箔区14，用来焊接极耳13，在空白箔区14的正反面都用聚酯PET绝缘胶带粘贴，在极耳13的右侧25-32mm处设置一段无涂覆活性物质区15，无涂覆活性物质区15与极耳13处于极片带11的同一面。
负极片结构：在极片带21上涂覆活性物质22，其中，极片带21的中间段设置一段未涂布负极活性物质的空白箔区24，用来焊接极耳23，在空白箔区24的正反面用聚酰亚胺亚克力绝缘胶带粘贴，在极片带21的右端，与极耳23相背的一面设置一段宽度为135-138mm的无涂覆活性物质区25。
实施例1 
下面结合附图以单体为5Ah，双电芯并联后为10Ah的电芯为例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，一种5Ah锂离子电池卷芯所用正极片，其包括极片带11、正极活性物质12、极耳12。在极片带11的中间部位设置一段宽12mm未涂覆活性物质12的空白箔区14，用来焊接极耳13。极耳13的宽度为10mm，厚度为0.2mm，顶端没有包极耳胶35。极耳13外露20mm，在空白箔区14的正反面都用厚度为0.03mm的聚酯PET绝缘胶带粘贴，绝缘胶带长度高出极片带11上端2.5±0.5mm。在极耳13的右边28mm处设置一段宽29mm的无涂覆活性物质区15，所述无涂覆活性物质区15与极耳13处于同一面。
图2为负极片结构，包括极片带21、负极活性物质22、极耳23。在极片带21的中间段设置一段未涂布负极活性物质22的空白箔区24，用来焊接极耳23。极耳23的宽度为10mm,厚度为0.2mm，顶端没有包极耳胶35。在空白箔区24的正反面用厚度为0.060mm的聚酰亚胺亚克力绝缘胶带粘贴。绝缘胶带长度高出极片带21 1.5±0.5mm。在极片带21的右端，与极耳23相反的一面设置一段不涂覆活性物质宽度为135-138mm的无涂覆活性物质区25。
卷绕时，极片带11和极片带21都以焊接有极耳的一面朝上放置卷绕成卷芯。正极在最内层，以负极收尾。卷绕结束后，露在卷芯的最外层为隔膜。
 如图3所示，一种复合锂离子电芯立体结构示意图。复合电芯包括至少两个单体电芯31。每个电芯31分别设置有一个正极耳33和一个负极耳43。两只电芯31并联时按照极耳“左正右负”的顺序放置，为保证电池的安全性，放置在前端的电芯31正极空白箔区14所贴绝缘胶带长出极片带11的宽度6.5mm，负极空白箔区24所贴绝缘胶带长出极片带21的宽度5.5mm；电芯31按照上述图1、图2的结构和尺寸制作，用绝缘胶带32将两只电芯31固定好后再进行后续操作。两只电芯31极性相同的极耳叠在一起，正极耳与一个带极耳胶的极耳33通过超声波焊接的方式并联在一起，所述极耳材质为铝转镍；负极耳与一个带极耳胶的极耳43通过超声波焊接的方式并联在一起，所述极耳材质为纯镍。其中极耳33宽度为12mm，厚度为0.2mm，极耳33外露部分长10-20mm；所述极耳43宽度为12mm，厚度为0.2mm，极耳43外露部分长10-20mm。
焊接时极耳33和43头部朝下放置，极耳胶35上边缘距隔膜上边缘1±0.5mm。极耳并联焊接结束后，将极耳33和43朝上翻折，用剪刀修剪焊接部位36，将多余的极耳减掉，使焊接部位36正好与最外端的电芯31边缘平齐。焊接部位36下端贴绝缘胶带32，绝缘胶带32比焊接部位36宽1-2mm，并用绝缘胶带32将焊接部位固定在卷芯上端。
将并联好的卷芯装入铝塑膜袋中，按照顶侧封→真空烘烤→注液→化成→热冷压→二封→分容的工序制作成了一种具有极耳中置极片结构的双电芯复合锂离子电池。
表1为采用不同极耳焊接位置的单体5Ah电池电性能对比
 表1
Figure 2013105366908100002DEST_PATH_IMAGE001
。
通过数据对比说明，采用极耳置于中间的结构设计，5Ah单体电池的内阻大大降低，电池的容量、放电平台时间和首次放电效率都要高于极耳置于顶端的方式。而双电芯并联后电芯内阻仅有5.7mΩ，与5Ah单体电芯相比，10Ah电池的内阻几乎降低一半。图4所示为双电芯并联后所制10Ah电池的倍率放电曲线。通过倍率放电曲线可以看出按照本发明所描述的方法所制备的10Ah动力电池其进行3A大电流放电时，放电容量能够达到10A放电容量的91.73％，倍率性能优良。

Claims (10)

1.一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，电芯内部包括至少两个卷绕单体电芯，单体电芯包括正极片、负极片和隔膜，极片由极片带、极耳和隔膜组成，其中极片带展开时，极耳位于极片带中间部位，其中单体电芯之间极性相同的极耳焊接为一体形成复合电芯。
2. 根据权利要求1所述的一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，极片带上焊接极耳的位置为空白箔区，空白箔区之外的极片带两面涂覆有极片活性物质。
3. 根据权利要求2所述的一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，极耳宽度为5-15mm，厚度为0.1-0.2mm，极耳外露长度为10-20mm，空白箔区宽度比极耳宽度宽1-3mm。
4. 根据权利要求3所述的一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，正极片的极片带上空白箔区粘贴有绿色聚酯PET绝缘胶带，胶带厚度为0.02-0.04mm，绝缘胶带上边缘比极片上边缘长2.5-6.5mm。
5. 根据权利要求4所述的一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，负极片的极片带上空白箔区粘贴有黄色聚酰亚胺亚克力绝缘胶带，胶带厚度为0.055-0.065mm，绝缘胶带上边缘比极片上边缘长1.5-5.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，极耳外露部分设置有极耳胶，极耳胶距离极片带边缘2±0.5mm。
7. 根据权利要求6所述的一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，正极片的极片带为铝箔，负极片的极片带为铜箔。
8. 根据权利要求7所述的一种低内阻复合锂离子电芯，其特征在于，极性相同的极耳通过超声波焊接为一体。
9. 如权利要求8所述的一种低内阻复合锂离子电芯制作工艺，其特征在于, 包括以下步骤：
①配料：按照工艺参数要求，经高速真空搅拌均匀后，制成浆状的正负极活性物质；
②涂布：将制成的浆料按工艺要求厚度均匀地涂覆在金属箔的表面，经烘干，分别制成正负极极片；
涂布时正极单面面密度范围：190-230mg/cm2
涂布时负极单面面密度范围：7-11 mg/cm2
③制片：将涂布工序出来的合格极片，辊压、分切、制成规定尺寸的小片；
④卷绕：按负极片—隔膜—正极片—隔膜的顺序卷绕，并贴上终止胶带，卷芯最外层为隔膜；
⑤点焊正负极耳：将卷绕好的2个以上电芯并联，使用绝缘胶带先将其固定，点焊好正负极耳；
⑥封装：将点焊好极耳的合格电芯封装，用以制备电池。
10. 根据权利要求9所述的一种低内阻复合锂离子电芯制作工艺，其特征在于, 步骤②涂布具体为：
正极片结构：在极片带上涂覆活性物质，其中，极片带的中间部位设置一段未涂覆活性物质的空白箔区，用来焊接极耳，在空白箔区的正反面都用聚酯PET绝缘胶带粘贴，在极耳的右侧25-32mm处设置一段无涂覆活性物质区，无涂覆活性物质区与极耳处于极片带的同一面；
负极片结构：在极片带上涂覆活性物质，其中，极片带的中间段设置一段未涂布负极活性物质的空白箔区，用来焊接极耳，在空白箔区的正反面用聚酰亚胺亚克力绝缘胶带粘贴，在极片带的右端，与极耳相背的一面设置一段宽度为135-138mm的无涂覆活性物质区。
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