CN104966852B

CN104966852B - 一种方型锂离子电池卷绕电芯及其制作方法

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Publication number: CN104966852B
Application number: CN201510393507.2A
Authority: CN
Inventors: 李震祺; 刘立君; 宋翠环
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: CN104966852A

Abstract

本发明提供了一种方型锂离子电池卷绕电芯及其制作方法，所述方型锂离子电池卷绕电芯包括正极片、隔膜和负极片，所述正极片设有正极极耳，所述负极片设有负极极耳，所述方型锂离子电池卷绕电芯的中心设有内部支撑架。采用此发明的技术方案，改善了传统方型卷绕电芯在充放电循环中的极片易变形问题以及极片弯曲的半圆形状位置上材料易脱落的问题，最大限度保持了方型锂离子电池在静态以及充放电循环动态下的一致性，提高了卷绕电芯的生产合格率、方型锂离子电池的安全性，为方型卷绕电芯可靠地应用在动力电池领域创造了条件。

Description

一种方型锂离子电池卷绕电芯及其制作方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种方型锂离子电池卷绕电芯及其制作方法。

背景技术

锂离子电池具有能量高、体积小、无污染等优点，是国家大力发展的清洁能源。方型锂离子电池由于容量大、使用方便等优点而广泛用于动力电池。动力电池是以串联形式使用的电池系列，为保证动力电池的实用性、安全性等，对串联使用的单体电芯间的一致性提出了更高要求，不仅要求静态容量、电压的一致性，而且要求充放电过程中的升压率、降压率时刻保持一致。

在锂离子电池的生产过程中，最关键的就是锂离子电池电芯的生产环节，电芯的质量直接影响锂离子电池的安全性、一致性和使用寿命。目前，大容量方型锂离子电池的电芯采用的制作方法有卷绕式、叠片式两种。叠片电池有着更好的循环特性、安全特性和能量密度，但是生产过程繁琐，大批量生产时质量控制难实现。卷绕电芯生产技术成熟，大规模生产过程容易控制，但卷绕电芯存在多处弯折和厚度变化区域，尤其是靠近卷芯中部的小角度弯折区域和集流体焊接区域，由于充放电过程中极片、隔膜不同的收缩张力，而引起极片打皱变形，正负极不能有效接触，造成反应死区，电池能量下降，严重时会产生锂枝晶发生内短路，威胁电池使用的安全性。而且在卷绕过程中，随着卷芯外径的不断增加，卷针被缠绕挤压，造成卷绕完成后拔针困难，甚至带出内层隔膜，破坏卷芯的对齐度，以致影响电芯的生产合格率。

专利CN200510109540.4通过在方型电芯极片弯曲的半圆形状位置上使用间隙设计以及此位置上正极内圈、负极外圈不涂活性材料，解决方型电芯循环时电解液分布不均和极片在弯曲处易掉粉的问题，虽然此方案在降低电池能量的前提下解决了极片半圆区域的掉粉问题，但对极片非半圆区的膨胀收缩带来的极片变形并无改善。专利CN200820138752.4中通过将正、负极片的卷绕终止端设计在电芯弧形位置上，来减少极片褶皱问题。但在实际操作中，圆弧区域的极片收缩膨胀不均一程度更严重，在弧形区收尾会加剧极片贴合的不紧密性。方型卷绕电芯在充放电过程中易引起极片打皱变形，进而存在内短路的安全隐患，已受到更多专业人士的关注。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种方型锂离子电池卷绕电芯及其制作方法，解决了现有工艺生产的方型卷绕电芯极片，在使用中易打皱变形以及极片弯曲处易掉粉的问题，并避免了极片的变形问题。

对此，本发明所采用的技术方案为：

一种方型锂离子电池卷绕电芯，包括正极片、隔膜和负极片，所述正极片设有正极极耳，所述负极片设有负极极耳，所述方型锂离子电池卷绕电芯的中心设有内部支撑架。

作为本发明的进一步改进，所述内部支撑架为绝缘卷针或空心支架中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述内部支撑架为绝缘卷针，所述绝缘卷针的厚度为5～10mm。采用此技术方案，根据电池尺寸选择合适尺寸的绝缘材质卷针，将正极片、隔膜、负极片按顺序排列成三明治形式，通过导向滚轮卷绕在卷针上，卷绕完成后连同卷针一起放入方壳内，封装、注液、化成、分容。在对卷芯厚度影响最小的前提下，选择的绝缘材质卷针的厚5～10mm，长宽尺寸以成品电芯尺寸而定。卷针与卷芯接触的边缘呈圆弧状，以更好分散卷芯极片与卷针之间的应力，解决极片在使用过程中的变形问题，以及极片弯曲部位易掉粉的问题。所述绝缘卷针优选为实心的，也可以为空心的绝缘卷针。

所述绝缘卷针的宽度不大于所述方型卷绕电芯的宽度。进一步优选的，所述内部支撑架的宽度与方型卷绕电芯的宽度相同。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘卷针两侧壁的外表面的横截面为半圆弧形。优选的，所述绝缘卷针的外表面为圆弧形。为采用此技术方案，所述绝缘卷针与卷芯接触的边缘呈圆弧状，以更好分散卷芯极片与卷针之间的应力，更好的解决极片在使用过程中的变形问题，以及极片弯曲部位易掉粉的问题。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘卷针的材料为PTFE、PP、PE、PFA、PPO、PSF、PSU、PES或PASF中任意一种。

作为本发明的进一步改进，所述内部支撑架为空心支架，所述空心支架为极片卷绕时粘接形成；其中，所述极片为正极片或/和负极片。

作为本发明的进一步改进，所述极片卷绕时粘接部位为材料空白区。采用此技术方案，先根据锂离子电池尺寸设计极片材料空白区，将含有设计材料空白区的正极片、隔膜、含有设计材料空白区的负极片按顺序排列成三明治形式，通过导向滚轮卷绕在卷针上，卷绕过程中在极片材料空白区涂胶使极片与隔膜相互粘接在一起，完成后拔出卷针放入方壳内，然后进行封装、注液、化成和分容。所述材料空白区为不涂覆正极或负极活性物质的区域。

作为本发明的进一步改进，所述极片卷绕的弯曲部位为材料空白区。采用此技术方案，卷绕过程中所采用的涂胶方式为极片整个弯曲半圆弧涂胶，使弯曲半圆弧的各极片间粘合为一体，卷芯内部形成空心支架，从而分散卷芯极片间充放电过程中的应力变化，解决极片在使用过程中的变形问题，以及易掉粉的问题。

作为本发明的进一步改进，所述正极极耳和负极极耳位于所述内部支撑架的同侧。采用此技术方案，具有统一的极片收缩膨胀趋势，减弱了极耳处厚度不均引起的极片变形。

本发明还提供了一种如上所述的方型锂离子电池卷绕电芯的制作方法，所述内部支撑架为绝缘卷针，所述方型锂离子电池卷绕电芯的制作方法包括以下步骤：所述正极片、隔膜和负极片以三明治形式排布，卷绕时隔膜先对折卷绕一圈后，在隔膜中间放入负极片，再卷绕一圈，在隔膜上侧放入正极片卷绕而成，使正极极耳和负极极耳位于绝缘卷针的同侧。采用此技术方案，正、负极极耳在所述绝缘卷针的同侧，具有统一的极片收缩膨胀趋势，减弱了极耳处厚度不均引起的极片变形。

本发明还提供了一种如上所述的方型锂离子电池卷绕电芯的制作方法，所述内部支撑架为空心支架，所述方型锂离子电池卷绕电芯的制作方法包括以下步骤：先根据电池尺寸设计正极片、负极片的材料空白区，并在其他区域涂覆上活性物质，将含有材料空白区的正极片、隔膜、含有材料空白区的负极片按顺序排列成三明治形式，隔膜先对折卷绕一圈后，在隔膜中间放入所述含有材料空白区的负极片，通过导向滚轮卷绕在卷针上，卷绕一圈后，在隔膜上侧放入所述含有材料空白区的正极片，再卷绕而成，卷绕过程中在正极片或负极片的材料空白区涂覆胶粘剂，使得正极片、负极片分别与隔膜相互粘接，完成后拔出卷针；再将卷芯放入方壳内，封装、注液、化成、分容。

作为本发明的进一步改进，所述材料空白区为卷绕电芯的正极片和/或负极片的弯曲部位，卷绕过程中所采用的涂胶方式为极片整个弯曲半圆弧区域涂胶。采用此技术方案，使正极片和/或负极片与隔膜相互间粘合为一体，卷芯内部形成空心支架分散卷芯极片间充放电过程中的应力变化，解决了极片在使用过程中的变形以及容易掉粉的问题。

作为本发明的进一步改进，正极片和负极片的涂布设计如下：所述正极片和负极片的涂布设计如下：卷针厚度为d₁，双面涂覆料正极片、隔膜和双面涂覆料负极片总厚度为d₂，卷针宽度为w，电芯厚度为T，正极片和/或负极片卷绕的每一层都依次分为第一涂覆区域、第一材料空白区、第二涂覆区域和第二材料空白区，所述涂覆区域和材料空白区交错设计；这样，正极片和/或负极片设计的第一涂覆区域、第一材料空白区、第二涂覆区域和第二材料空白区的宽度从最内层到最外层依次为：

第一层：W、πd₁/2、W、πd₁/2；

第二层：W+2d₂、π(d₁/2+d₂)、W+2d₂、π(d₁/2+d₂);

第三层：W+4d₂、π(d₁/2+2d₂)、W+4d₂、π(d₁/2+2d₂);

……;

第n层：W+2(n-1)d₂、π[d₁/2+(n-1)d₂]、W+2(n-1)d₂、π[d₁/2+(n-1)d₂];

n的取值由设计的成品电芯的厚度T决定，T/2=d₁/2+(n-1)d₂。

作为本发明的进一步改进，所述胶粘剂为PVDF或PTFE中的一种。所述PVDF或PTFE为锂离子电池电极片制作中的常用的胶粘剂，具有更好的安全性和稳定性。

本发明的技术方案，针对传统工艺生产的方型卷绕电芯极片在使用中易打皱变形、以及极片弯曲处易掉粉的问题，改变了传统制作思路，引入了方形卷绕电芯内部支撑架构。在电池循环充放电过程中电芯内部支撑架构分散了充放电过程中电芯极片收缩膨胀的应力变化，避免了极片的变形问题；同时，将正极极耳和负极极耳分布在卷针的同侧，进一步减弱局部厚度变化引起的极片变形打皱。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，改善了传统方型卷绕电芯在充放电循环中的极片易变形问题以及极片弯曲的半圆形状位置上材料易脱落的问题。

第二，最大限度保持了方型锂离子电池在静态以及充放电循环动态下的一致性。

第三，提高了卷绕电芯的生产合格率、方型锂离子电池的安全性，为方型卷绕电芯可靠地应用在动力电池领域创造了条件。

附图说明

图1是本发明实施例1正极片、隔膜和负极片的层叠三明治结构示意图。

图2是本发明实施例1的方型卷针的结构示意图。

图3是本发明实施例1的带卷针方型卷绕电芯的结构示意图。

图4是本发明实施例1的20个100Ah、3.2V带绝缘卷针方型卷绕电芯串联使用时，0.2C放电电压动态变化曲线。

图5是发明实施例2的16个45Ah、3.2V带绝缘卷针方型卷绕电芯串联使用时，0.3C放电电压动态变化曲线。

图6是本发明实施例3的空心支撑架构的方形卷绕电芯的结构示意图。

图7是本发明对比实施例1的20个100Ah、3.2V无内部支撑架构方型卷绕电芯串联使用时，0.2C放电电压动态变化曲线。

图中标记为： 1-正极片；2-隔膜；3-负极片；4-绝缘卷针；5-空心支架；6-收尾胶带；7-涂胶位置；11-正极极耳；31-负极极耳。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1~图3所示，一种方型锂离子电池卷绕电芯，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述正极片1设有正极极耳11，所述负极片3设有负极极耳32，所述方型锂离子电池卷绕电芯的中心设有内部支撑架，所述内部支撑架为绝缘卷针4，所述绝缘卷针4的尺寸为：厚度T1为10mm，长度W1为280mm，宽度H1为230 mm，如图2所示；成品电芯的尺寸为：电芯厚度T2为40mm，电芯长度W2为310mm，电芯宽度H2为230mm；所述绝缘卷针4左右两侧壁的外表面的横截面为半圆弧形；所述绝缘卷针4的材料为PTFE；所述正极极耳11和负极极耳31位于所述绝缘卷针4的同侧。

成品电芯设计容量为100Ah、3.2V，正极片1为磷酸铁锂，负极片3为石墨，极片以三明治结构排布，如图1所示。卷绕时隔膜2先对折卷绕一圈后，在隔膜2中间放入负极片3，再卷绕一圈，在隔膜2上侧放入正极片1卷绕而成，卷绕到最后采用收尾胶带5进行固定。这样，使正极极耳在11和负极极耳31在所述绝缘卷针4的同侧，具有统一的极片收缩膨胀趋势，减弱了极耳处厚度不均引起的极片变形。

如图4所示，采用20个这样的单体电芯串联使用时，0.2C放电电压动态变化一致性良好：50%DOD，△V约为5.6mV；80%DOD，△V约为7.4mV；90%DOD，△V约为10.2mV。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图1~图3所示，一种方型锂离子电池卷绕电芯，本例中所述绝缘卷针4的材料为PP，所述绝缘卷针4的尺寸为：厚度T1为5mm，长度W1为215mm，宽度H1为210 mm，如图2所示；成品电芯的尺寸为：电芯厚度T2为20mm，电芯长度W2为230mm，电芯宽度H2为210mm；所述绝缘卷针4左右两侧壁的外表面的横截面为半圆弧形；所述正极极耳11和负极极耳31位于所述绝缘卷针4的同侧。

成品电芯设计容量为45Ah、3.2V，正极片1为磷酸铁锂，负极片3为石墨，极片以三明治结构排布。

如图5所示，16个电芯串联使用时，0.3C放电电压动态变化一致性良好：50%DOD，△V约为5.2mV；80%DOD，△V约为6.3mV；90%DOD，△V约为9.6mV。

实施案例3：

如图1和图6所示，一种方型锂离子电池卷绕电芯，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述正极片1设有正极极耳11，所述负极片3设有负极极耳32，所述方型锂离子电池卷绕电芯的中心设有内部支撑架，所述内部支撑架为空心支架5，所述空心支架5为采用极片卷绕粘接形成；所述正极极耳11和负极极耳31位于所述空心支架5的同侧。

所述空心支架5为在极片卷绕过程中向极片弯曲的半圆形状位置上涂胶，使各极片间粘合为一体，而形成的支架结构。所述极片卷绕粘接部位为材料空白区，先根据锂离子电池尺寸设计正极片1和负极片3的材料空白区，将含有材料空白区的正极1、隔膜、含有材料空白区的负极片3按顺序排列成三明治形式，通过导向滚轮卷绕在卷针上，卷绕过程中在在正极片1、负极片3的材料空白区涂覆胶粘剂，使得正极片1、负极片3分别与隔膜2相互粘接，完成后拔出卷针，原先正极片1、负极片3分别与隔膜2粘接在一起形成空心支架5，将电芯放入方壳内，然后进行封装、注液、化成和分容。所述胶粘剂为PVDF。

所述卷针的尺寸为：厚度d1为5mm，长度W为215mm，宽度H为210 mm；

成品电芯的尺寸为：电芯厚度T3为20mm，电芯长度W3为230mm，电芯宽度H3为210mm；正极片1为磷酸铁锂，负极片3为石墨，极片以三明治结构排布，如图1所示。

成品电芯设计容量为45Ah、3.2V，正极片1和负极片3卷绕的每一层都依次分为第一涂覆区域、第一材料空白区、第二涂覆区域和第二材料空白区，所述涂覆区域和材料空白区交错设计；这样，正极片1和负极片3设计的第一涂覆区域、第一材料空白区、第二涂覆区域和第二材料空白区的宽度从最内层到最外层依次为：

第一层：215、π5/2、215、π5/2；

第二层：215+2*0.33、π(5/2+0.33)、215+20.33、π(5/2+0.33)；

……. ；

第n层：215+2(n-1)*0.33、π[5/2+(n-1)*0.33]、215+2（n-1）*0.33、 π[5/2+(n-1)*0.33];

n为24。

16个单体电芯串联使用时，0.3C放电电压动态变化一致性良好：50%DOD，△V约为5.8mV；80%DOD，△V约为7.6mV；90%DOD，△V约为13.4mV。

对比实施例1：

常规成品电芯设计容量为100Ah、3.2V，成品电芯尺寸电芯厚度T2×电芯长度W2×电芯宽度H2为30mm×310mm×230mmm。正极片为磷酸铁锂，负极片为石墨，极片以三明治结构对齐，常规卷绕，卷绕完成后，拔出卷针，封装成常规方型电芯。

如图7所示，20个单体电芯串联使用时，电压动态变化一致性差别较大：50%DOD，△V约为8.2mV；80%DOD，△V约为27.1mV；90%DOD，△V约为63.6mV。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种方型锂离子电池卷绕电芯，其特征在于：包括正极片、隔膜和负极片，所述正极片设有正极极耳，所述负极片设有负极极耳，所述方型锂离子电池卷绕电芯的中心设有内部支撑架；所述正极片和负极片的涂布设计如下：所述内部支撑架的厚度为d₁，双面涂覆料正极片、隔膜和双面涂覆料负极片总厚度为d₂，内部支撑架宽度为w，电芯厚度为T，正极片和/或负极片卷绕的每一层都依次分为第一涂覆区域、第一材料空白区、第二涂覆区域和第二材料空白区，所述涂覆区域和材料空白区交错设计；这样，正极片和/或负极片设计的第一涂覆区域、第一材料空白区、第二涂覆区域和第二材料空白区的宽度从最内层到最外层依次为：

第一层：W、πd₁/2、W、πd₁/2；

第二层：W+2d₂、π(d₁/2+d₂)、W+2d₂、π(d₁/2+d₂);

第三层：W+4d₂、π(d₁/2+2d₂)、W+4d₂、π(d₁/2+2d₂);

……;

n的取值由设计的成品电芯的厚度T决定，T/2=d₁/2+(n-1)d₂；

所述内部支撑架为空心支架，所述空心支架为极片卷绕时粘接形成；其中，所述极片为正极片或/和负极片；所述极片卷绕时粘接部位为材料空白区，所述材料空白区在位于极片卷绕的弯曲部位。

2.根据权利要求1所述的方型锂离子电池卷绕电芯，其特征在于：所述正极极耳和负极极耳位于所述内部支撑架的同侧。

3.一种如权利要求1所述的方型锂离子电池卷绕电芯的制作方法，其特征在于：所述内部支撑架为空心支架，所述方型锂离子电池卷绕电芯的制作方法包括以下步骤：先根据电池尺寸设计正极片、负极片的材料空白区，并在其他区域涂覆上活性物质，将含有材料空白区的正极片、隔膜、含有材料空白区的负极片按顺序排列成三明治形式，隔膜先对折卷绕一圈后，在隔膜中间放入所述含有材料空白区的负极片，通过导向滚轮卷绕在卷针上，卷绕一圈后，在隔膜上侧放入所述含有材料空白区的正极片，再卷绕而成，卷绕过程中在正极片或负极片的材料空白区涂覆胶粘剂，使得正极片、负极片分别与隔膜相互粘接，完成后拔出卷针。

4.根据权利要求3所述的方型锂离子电池卷绕电芯的制作方法，其特征在于：所述材料空白区为卷绕电芯的正极片和/或负极片的弯曲部位，卷绕过程中所采用的涂胶方式为极片整个弯曲半圆弧区域涂胶，所述胶粘剂为PVDF或PTFE中的一种。