CN104269579B - 一种电芯的制备方法和圆柱形电池 - Google Patents

Abstract

一种电芯的制备方法和圆柱形电池，该电芯为由极片卷绕形成的卷绕式电芯，在构成卷绕式电芯内的每张极片上均设置有极耳。方法步骤包括对极耳的位置进行精确定位，定位的步骤包括：设计极耳的设计位A；采用周长公式计算第n圈终止位所卷绕的极片总长度S_n；当S_k≤A<S_k+1时，则极耳处于卷绕极片的第k+1圈上，设计定位常数，根据定位常数计算极耳的精确定位位置A′；其中，A、A′为距极片卷绕起始位的距离，A、A′≥0，即极耳的位置可以位于极片卷绕的起始位；n为整数且n≥1；k为整数且k≥0，当k等于0时，即极耳位于第1圈的极片上。本发明电池结构优化，性能优良。

Description

一种电芯的制备方法和圆柱形电池

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种电芯的制备方法和圆柱形电池。

背景技术

近年来，锂离子电池作为高比容量的化学电源已经广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、摄像机、照相机、便携式仪器仪表等领域，也是各国大力研究的电动汽车、空间电源的首选配套电源，成为可替代能源的首选。

现有普遍使用的电池一般为卷绕电池，即将正极片、负极片及正极片与负极片之间的隔膜层叠后卷绕形成，有圆柱形、方形等，根据实际需求进行选择。圆柱型电池因其结构简单，易于规模化生产，自动化程度高，应用范围广，在化学电源领域拥有非常广阔的应用市场空间，圆柱电池最常见的规格型号有18650、26650、32650、14500等规格，其中以18650应用范围最为广泛。

同时由于倍率性能、发热等，极片一般均采用多极耳引出电流，特别是电动车等大型设备的大倍率放电，极耳更错综复杂。

现有电池的生产自动化程度较高，很多工装夹具、设备基本都已 经是半标准化、模块化设备，这些设备对尺寸的要求较高，例如极片的尺寸、电芯的大小、极耳的位置等，极片的尺寸、电芯的大小都可以通过前序的自动化设备进行控制，而极耳的定位却比较困难，同时极耳的错综复杂，也对极耳定位提出了较高的要求。

目前现行的方法只能通过实验加经验的方式对极耳位置不停做出微调，才能保证极耳在特定给的需求位置，并且存在更换设计参数后原参数不能二次使用的弊端，需要在实际生产过程中不断的试机，调整，浪费大量的人力、物力以及财力。极耳的定位不准，为后续的生成等造成麻烦，例如后续的极耳焊接，可能存在虚焊等，严重影响电池的性能和品质。

发明内容

本发明为克服现有电芯的制备方法中没有对极耳的位置进行精确定位，不仅影响电池的性能和品质，而且在生产中浪费大量的人力、物力以及财力的技术问题，提供一种更实用的，可以有效缩短试验周期，降低实验成本，对电池的性能、以及结构优化起到积极作用的电芯的制备方法和包含该制备方法制备的电芯的圆柱形电池。

本发明的第一个目的是提供一种电芯的制备方法，电芯为由极片卷绕形成的卷绕式电芯，在构成卷绕式电芯内的每张极片上均设置有极耳，其中，步骤包括对极片上的极耳的位置进行精确定位，所述精确定位的步骤包括：S1，设计极耳的设计位A；S2，采用周长公式计算第n圈终止位所卷绕的极片总长度S_n；S3，当S_k≤A<S_k+1时，则 极耳处于卷绕极片的第k+1圈上，设计定位常数，根据定位常数计算极耳的精确定位位置A′；其中，A、A′为距极片卷绕起始位的距离，A、A′≥0；n为整数且n≥1；k为整数且k≥0。

本发明的第二个目的是提供一种圆柱形电池，电池包括壳体、电芯和电解液；电芯和电解液密封容纳在所述壳体内，其中，电芯为上述电芯的制备方法制得的电芯。

本发明通过对极耳的位置进行精确定位，可以对电池的性能、以及结构优化起到积极作用。同时本发明通过设计一个定位常数，高效简洁的计算方法、可以快速定位出极耳的精确位置，可以有效缩短试验周期，降低实验成本。同时本发明的精确定位方法可以根据实际需求，对极耳的位置等工艺参数实现自由调整，例如可根据结构设计需要，自由定位极耳位置，具备较高的实用性，可以有效解决复杂极耳定位的问题，适用于所有圆柱形卷绕电池，各种外壳材质例如铝壳、钢壳等，各种电池化学体系例如镍氢电池、锂离子电池等。

附图说明

图1是本发明的实施例1的焊接有正极耳的正极片的预设计结构示意图。

图2是本发明的实施例1的焊接有负极耳的负极片的预设计结构示意图。

图3为本发明的实施例1的卷绕电芯的俯视示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种电芯的制备方法，电芯为极片卷绕形成的卷绕电芯，在构成卷绕电芯内的每张极片上均设置有极耳，其中，步骤包括对极片上的极耳的位置进行精确定位，所述精确定位的步骤包括：S1，设计极耳的设计位A；S2，采用周长公式计算第n圈终止位所卷绕的极片总长度S_n；S3，当S_k≤A<S_k+1时，则极耳处于卷绕极片的第k+1圈上，设计定位常数，根据定位常数计算极耳的精确定位位置A′；其中，A、A′为距极片卷绕起始位的距离，A、A′≥0，即极耳的位置可以位于极片卷绕的起始位；n为整数且n≥1；k为整数且k≥0，当k等于0时，即极耳位于第1圈的极片上，方法更实用，可以有效缩短试验周期，降低实验成本，对电池的性能、以及结构优化起到积极作用。

其中，极耳的设计位是指根据实际需要例如导流导热等设计的大致位置，其仍然没有满足精密仪器的精度。

其中，第k+1圈上包括第k+1圈的极片卷绕起始位。

其中，定位常数是指根据需要设计的一个固定的值，极耳均参照此固定值计算其精确定位位置，保证符合后续焊接等仪器的精度等，其中，不同的极耳可以采用不同的定位常数，根据实际需要进行设计，其为一个精确的值。

优选，定位常数为圆心角α，根据弧长公式可以计算极耳在第k+1圈极片上的位置L，极耳的精确定位位置为A′＝S_k+L；所述α为在卷绕电芯中精确定位的极耳的位置和卷绕电芯的中心点连线与第一层极片卷绕终止位和卷绕电芯的中心点连线之间的夹角，0≤α＜360°；L为距第k圈极片终止位的距离，0≤L＜S_k+1-S_k。计算方法高效简洁，可以快速定位出极耳的精确位置。

其中，α可以根据实际需要进行设定。

极片上的极耳可以为一个，也可以为多个，极耳的个数和位置根据实际需要例如电池的实际输出倍率需求等进行设定，例如可以采用多个极耳在过卷绕电芯的中心点的直线上即圆柱形电池的直径上，便于生产，便于将多个极耳焊接为一体结构引出电流，也可以呈圆周分布，将电流从不同位引出，便于散热等。当有多个极耳在过卷绕电芯的中心点的直线上时，这些极耳的定位常数圆心角α相同或相差180°，能保证这些极耳能更好的无公差的焊接在一起，降低虚焊等不良率。

其中，上述极片可以为正极片，极耳为正极耳，一般正极片上正极耳精确定位位置为未敷料区，即此部分不进行敷料。本发明的极耳精确定位还能进一步保证未敷料区的准确性，不浪费敷料区，进一步提高电池的容量。

优选，极片的卷绕方法步骤包括：

A.将隔膜绕过卷针重叠成两层；

B.在两层隔膜间嵌入一张负极片；

C.将步骤B得到的层叠极片卷一定长度后，在隔膜表面插入正极片；

D.将步骤C得到的层叠极片进行卷绕，卷绕完成后取出卷针得到卷绕电芯。

即负极片先卷，进一步防止了电池析锂，采用预卷的方式将正极片完全包覆在负极片的范围内，即负极片的敷料部分完全覆盖正极片的敷料部分，此时一般铜基负极收尾。当然也存在电池可能会采用铝箔收尾工艺，即会存在铝基正极片包裹铜基负极片，一般仍可保证负极敷料部分完全包覆正极敷料部分，此种电池也可以采用本发明的电芯制备方法，对极耳的位置进行精确定位。

本发明优选，一定长度是指将步骤B得到的层叠极片相对卷针卷一圈，即优选负极片预卷1圈，当然也可以预卷1.5或2圈等，本发明没有限制。

当负极片预卷1圈时，正极片的计算的周长公式为：

R₁’＝1/2T₁+2T₂+T₃+T₄，C₁’＝2πR₁’；

R_n’＝R_n-1’+d＝R₁’+(n-1)(2T₂+T₄+T₃)，C_n’＝2πR_n’；

其中，R₁’为第一层正极片卷绕半径，C₁’为第一层正极片长度；R_n’为第n层正极片卷绕半径，C_n’为第n层正极片长度，n为正极片卷绕的层数，n为整数且n≥1；S_n’为每层正极片周长之和；

弧长公式为：

$L^{\&prime;}=\frac{{{\mathrm{\&alpha;\&pi;r}}_{(n+1)}}^{\&prime;}}{180}=\frac{{{\mathrm{\&alpha;\&pi;d}}_{(n+1)}}^{\&prime;}}{360};$

其中，d_n+1’为正极片第n+1圈的直径；

其中，T₁为卷针直径，T₂为隔膜厚度，T₃为正极片厚度，T₄为负极片厚度。

上述极片也可以为负极片，极耳为负极耳，负极片上负极耳精确定位位置为未敷料区，即此部分不进行敷料。本发明的极耳精确定位还能进一步保证未敷料区的准确性，不浪费敷料区，进一步提高电池的容量。

优选，极片的卷绕方法步骤包括：

A.将隔膜绕过卷针重叠成两层；

B.在两层隔膜间嵌入一张负极片；

C.将步骤B得到的层叠极片卷一定长度后，在隔膜表面插入正极片；

D.将步骤C得到的层叠极片进行卷绕，卷绕完成后取出卷针得到卷绕电芯。

即负极片先卷，进一步防止了电池析锂，采用预卷的方式将正极片完全包覆在负极片的范围内，即负极片的敷料部分完全覆盖正极片的敷料部分。

本发明优选，一定长度是指将步骤B得到的层叠极片相对卷针卷一圈，即优选负极片预卷1圈，当然也可以预卷1.5或2圈等，本发明没有限制。

当负极片预卷1圈时，负极片的计算的周长公式为：

R₁＝1/2T₁+2T₂+T₄，C₁＝2πR₁；

R_n＝R_n-1+d＝R₁+(n-1)(2T₂+T₄+T₃)，C_n＝2πR_n；

其中，R₁为第一层负极片卷绕半径，C₁为第一层负极片长度；R_n为第n层负极片卷绕半径，C_n为第n层负极片长度，n为负极片卷绕的层数，n为整数且n≥1；S_n为每层负极片周长之和；

弧长公式为：

$L=\frac{{\mathrm{\&alpha;\&pi;r}}_{(n+1)}}{180}=\frac{{\mathrm{\&alpha;\&pi;d}}_{(n+1)}}{360};$

其中，d_n+1为负极片第n+1圈的直径；

其中，T₁为卷针直径，T₂为隔膜厚度，T₃为正极极片厚度，T₄为负极片厚度。

本发明的发明点在极耳的精确定位，电芯的其他制备步骤及工艺本发明没有限制，可以采用现有技术，在此不再赘述。同时本发明是对极耳的位置进行精确定位，极耳的焊接方法及工艺本发明也没有限制，例如可以在卷绕后焊接。

本发明同时提供了一种电池，该电池包括壳体、电芯和电解液；所述电芯和所述电解液密封容纳在所述壳体内，所述电芯为上述电芯的制备方法制得的电芯。

其中，电池的结构及制备方法本发明也没有限制，可以采用现有技术，在此不再赘述。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详述。

实施例1

1、极耳的精确定位

电芯制备选取卷绕设备的卷针直径T₁为3.5mm，电芯采用的隔膜厚度T₂为20μm，正极片厚度(含铝箔)T₃为136μm，正极片长为784mm，负极片厚度(含铜箔)T₄为85μm，负极片长为838mm，卷绕电芯的最大外径为17.08mm，设计定位常数圆心角α为60°，如附图3所示，极耳所在直线OP、OQ、OM、ON与卷绕起始位所在直线OA、OB、OC、OD之间的夹角。

其中，设计电芯含有两个正极耳，两个正极耳的设计位分别为B₁、B₂，正极采用电芯中间出双极耳的结构，即先将正极片的长度分成四等分，其中第一正极耳的设计位B₁位于一等分处，第二正极耳的设计位B₂位于三等分处，具体如附图1所示。

则B₁＝784/4＝196mm，B₂＝196*3＝588mm，

当n＝9时， n＝10时， 172.75<196<200.144，

可确定第一正极耳的位置在卷芯第10圈上，

d_n+1＝d₁+n(2T₂+T₄+T₃)＝8.72mm，

第10圈上第一正极耳的位置对应的弧长

则第一正极耳的精确定位位置为B₁′＝S₉+L₁＝172.75+4.56＝177.31 mm；

当n＝20时， n＝21时， 564.28<588<609.71，

可确定第二正极耳的位置在卷芯第21圈上，

d_n+1＝d₁+n(2T₂+T₄+T₃)＝7.23mm，

第21圈上第二正极耳的位置对应的弧长

则第二正极耳的精确定位位置为B₂′＝S₂₀+L₂＝564.28+3.78＝568.06mm。

其中，设计电芯含有两个负极耳，两个负极耳的设计位分别为A₁、A₂，负极采用电芯中间出双极耳的结构，即先将负极片的长度分成四等分，其中第一负极耳的设计位A₁位于一等分处，第二负极耳的设计位A₂位于三等分处，具体如附图2所示。

则A₁＝838/4≈210mm，A₂＝210*3＝630mm

当n＝10时， n＝11时， 191<210<219，

可确定第一负极耳的位置在卷芯第11圈上，

d_n+1＝d₁+n(2T₂+T₄+T₃)＝8.96mm，

第11圈上第一负极耳的位置对应的弧长

则第一负极耳的精确定位位置为A₁′＝S₁₀+L₃＝191+4.69≈196mm；

当n＝21时， n＝22时，

591<630<637，

可确定第二负极耳的位置在卷芯第22圈上，

d_n+1＝d₁+n(2T₂+T₄+T₃)＝14.69mm，

第22圈上第二负极耳的位置对应的弧长

则第二负极耳的精确定位位置为A₂′＝S₂₁+L₄＝591+7.69＝598.69mm。

分别在正极片的正极耳精确定位位置、负极片的负极耳精确定位位置焊接正极耳、负极耳。

2、卷绕极片

A.将隔膜绕过卷针重叠成两层；

B.在两层隔膜间嵌入一张负极片；

C.将上述层叠极片卷一圈后，在隔膜表面插入正极片；

D.将上述层叠极片进行卷绕，卷绕完成后取出卷针得到卷绕电芯18650圆柱形锂离子电池的电芯样品，电芯样品为隔膜/负极片/膈膜/正极片/膈膜的层叠卷绕方式,俯视示意图如图3所示，引出第一正极耳的位置为P点，引出第二正极耳的位置为M点，引出第一负极耳的位置为Q点，引出第二负极耳的位置为N点。

3、电池装配

将制得的卷绕电芯套入电池外壳中并分别将焊接为一体的正极耳、焊接为一体的负极耳连接在外壳的上端和下端。装配好电池后，将LiPF6按1mol/dm³的浓度溶解在EC(碳酸乙烯酯)/DMC(碳酸二甲酯)＝1:1的混合溶剂中形成的电解液注入电池壳内，密封，制成圆柱形锂离子二次电池18650。

本发明通过对极耳的位置进行精确定位，可以对电池的性能、以及结构优化起到积极作用。同时本发明通过设计一个定位常数，高效简洁的计算方法、可以快速定位出极耳的精确位置，可以有效缩短试验周期，降低实验成本。同时本发明的精确定位方法可以根据实际需求，对极耳的位置等工艺参数实现自由调整，例如可根据结构设计需要，自由定位极耳位置，具备较高的实用性，可以有效解决复杂极耳定位的问题，适用于所有圆柱形卷绕电池。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电芯的制备方法，所述电芯为由极片卷绕形成的卷绕式电芯，在构成卷绕式电芯内的每张极片上均设置有极耳，其特征在于，步骤包括对极片上的极耳的位置进行精确定位，所述精确定位的步骤包括：S1，设计极耳的设计位A；S2，采用周长公式计算第n圈终止位所卷绕的极片总长度S_n；S3，当S_k≤A<S_k+1时，则极耳处于卷绕极片的第k+1圈上，设计定位常数，根据定位常数计算极耳的精确定位位置A′；其中，A、A′为距极片卷绕起始位的距离，A、A′≥0；n为整数且n≥1；k为整数且k≥0；

所述定位常数为圆心角α，根据弧长公式计算极耳在第k+1圈极片上的位置L，极耳的精确定位位置为A′＝S_k+L；所述α为在卷绕电芯中精确定位的极耳的位置和卷绕电芯的中心点连线与第一层极片卷绕终止位和卷绕电芯的中心点连线之间的夹角，0≤α＜360°；L为距第k圈极片终止位的距离，0≤L＜S_k+1-S_k。

2.根据权利要求1所述的电芯的制备方法，其特征在于，所述极耳为多个，至少部分所述极耳在过卷绕电芯的中心点的直线上，在过卷绕电芯的中心点的直线上的极耳的定位常数圆心角α相同或相差180°。

3.根据权利要求1所述的电芯的制备方法，其特征在于，所述极片为正极片，所述极耳为正极耳，所述正极片上正极耳精确定位位置为未敷料区。

4.根据权利要求3所述的电芯的制备方法，其特征在于，所述极片的卷绕方法步骤包括：

A.将隔膜绕过卷针重叠成两层；

B.在两层隔膜间嵌入一张负极片；

C.将步骤B得到的层叠极片相对卷针卷一圈后，在隔膜表面插入正极片；

D.将步骤C得到的层叠极片进行卷绕，卷绕完成后取出卷针得到卷绕电芯。

5.根据权利要求4所述的电芯的制备方法，其特征在于，所述正极片的计算的周长公式为：

R₁’＝1/2T₁+2T₂+T₃+T₄，C₁’＝2πR₁’；

R_n’＝R_n-1’+d＝R₁’+(n-1)(2T₂+T₄+T₃)，C_n’＝2πR_n’；

其中，R₁’为第一层正极片卷绕半径，C₁’为第一层正极片长度；R_n’为第n层正极片卷绕半径，C_n’为第n层正极片长度，n为正极片卷绕的层数，n为整数且n≥1；S_n为每层正极片周长之和；

弧长公式为：

$L=\frac{{{\mathrm{\&alpha;\&pi;r}}_{(n+1)}}^{\&prime;}}{180}=\frac{{{\mathrm{\&alpha;\&pi;d}}_{(n+1)}}^{\&prime;}}{360};$

其中，d_n+1’为正极片第n+1圈的直径；

其中，T₁为卷针直径，T₂为隔膜厚度，T₃为正极片厚度，T₄为负极片厚度。

6.根据权利要求1所述的电芯的制备方法，其特征在于，所述极片为负极片，所述极耳为负极耳，所述负极片上负极耳精确定位位置为未敷料区。

7.根据权利要求6所述的电芯的制备方法，其特征在于，所述极片的卷绕方法步骤包括：

A.将隔膜绕过卷针重叠成两层；

B.在两层隔膜间嵌入一张负极片；

C.将步骤B得到的层叠极片相对卷针卷一圈后，在隔膜表面插入正极片；

D.将步骤C得到的层叠极片进行卷绕，卷绕完成后取出卷针得到卷绕电芯。

8.根据权利要求7所述的电芯的制备方法，其特征在于，所述负极片的计算的周长公式为：

R₁＝1/2T₁+2T₂+T₄，C₁＝2πR₁；

R_n＝R_n-1+d＝R₁+(n-1)(2T₂+T₄+T₃)，C_n＝2πR_n；

其中，R₁为第一层负极片卷绕半径，C₁为第一层负极片长度；R_n为第n层负极片卷绕半径，C_n为第n层负极片长度，n为负极片卷绕的层数，n为整数且n≥1；S_n为每层负极片周长之和；

弧长公式为：

$L=\frac{{\mathrm{\&alpha;\&pi;r}}_{(n+1)}}{180}=\frac{{\mathrm{\&alpha;\&pi;d}}_{(n+1)}}{360};$

其中，d_n+1为负极片第n+1圈的直径；

其中，T₁为卷针直径，T₂为隔膜厚度，T₃为正极极片厚度，T₄为负极片厚度。