CN105024095A - 卷绕式电芯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卷绕式电芯的制备方法，卷绕式电芯包括第一极片和第二极片及隔离膜；包括步骤：将隔离膜沿宽度方向对折，形成双层的隔离膜，双层的隔离膜在宽度方向上形成相对的一个对折侧和一个自由侧、在长度方向上形成两个相对的自由侧；将第一极片放置在双层的隔离膜之间，使双层的隔离膜覆盖第一极片；在宽度方向上的一个自由侧及隔离膜在长度方向上的两个自由侧处将双层的隔离膜全部或部分地粘接，以使双层的隔离膜包覆第一极片；将第二极片贴覆在包覆第一极片的双层的隔离膜的一个外表面上，使第一极片与第二极片沿长度方向的边缘对齐；插入卷针，由电机驱动卷针对第一极片、第二极片、及包覆第一极片的双层的隔离膜沿长度方向进行卷绕。

Description

卷绕式电芯的制备方法

技术领域

本发明涉及储能器件领域，尤其涉及一种卷绕式电芯的制备方法。

背景技术

随着锂离子电池的应用领域不断扩大，如微型化便携式电子产品及锂离子电池的超长使用时间等，对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的要求。对于现在的锂离子电池卷绕方式一般均为阳极极片宽度(阳极极片边缘保护区域方向)要大于阴极极片宽度，而且隔离膜宽度要大于阳极极片宽度，以保证阴极极片和阳极极片不会发生错位带来短路的风险，该卷绕方式制得的电芯不仅浪费资源而且体积能量密度偏低。如果我们将阳极极片边缘保护区域降低，同时将阴阳极极片容易错位短路的区域用热处理的隔离膜包裹并分离开，这样就能避免短路的风险，同时这样制得的电芯会因为阳极极片与隔离膜减小而提升一定的体积能量密度。

提高安全性的一种方法可以通过改进卷绕方式，降低阴阳极发生接触的风险，为此一些新的卷绕方法被应用并取得了一些进展。

于2011年2月9日公布的中国专利申请公开号CN101969140A公开了一种锂离子电池极组的新型卷绕方法，其采用将阳极片用胶带居中固定在水平放置的隔离膜上；将卷针放置在阳极片的尾部(极耳侧为头部)边缘，将隔离膜沿着位于阳极片尾部边缘的卷针进行对折形成双层的隔离膜，同时使得阳极片保持居中固定在对折后形成的双层的隔离膜之间；将对折后形成的双层的隔离膜围绕卷针卷绕一圈；将阴极片居中放置在对折后形成的双层的隔离膜上表面，然后围绕着卷针进行卷绕，最终得到锂离子电池极组。该方法与传统的头部开始卷绕类似，从尾部开始卷绕，同时因为有胶带固定阴极极片和阳极极片可以较少发生错位，在一定范围内可以降低电芯的安全风险，但是在卷绕过程中并没有完全的降低风险，同时双层的隔离膜首先要绕一圈，从而增加了电池的厚度，降低了电池的能量密度。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种卷绕式电芯的制备方法，其能提升卷绕式电芯的安全性能。

本发明的另一目的在于提供一种卷绕式电芯的制备方法，其能提升卷绕式电芯的体积能量密度。

本发明的再一目的在于提供一种卷绕式电芯的制备方法，其能提高卷绕式电芯的生产效率。

为了实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种卷绕式电芯的制备方法，所述卷绕式电芯包括极性相反的第一极片和第二极片以及设置于第一极片和第二极片之间的隔离膜，第一极片为阳极极片或阴极极片，第二极片相应地为阴极极片或阳极极片，第一极片与第二极片分别沿宽度方向设置有第一极耳与第二极耳；其中，所述卷绕式电芯的制备方法包括步骤：将隔离膜沿宽度方向对折，形成双层的隔离膜，双层的隔离膜在宽度方向上形成相对的一个对折侧和一个自由侧，双层的隔离膜在长度方向上形成两个相对的自由侧；将第一极片放置在双层的隔离膜之间，使双层的隔离膜覆盖第一极片；在宽度方向上的一个自由侧及隔离膜在长度方向上的两个自由侧处将双层的隔离膜全部或部分地粘接，以使双层的隔离膜包覆第一极片；将第二极片贴覆在包覆第一极片的双层的隔离膜的一个外表面上，使第一极片与第二极片沿长度方向的边缘对齐；以及插入卷针，由电机驱动卷针对第一极片、第二极片、及包覆第一极片的双层的隔离膜沿长度方向进行卷绕。

本发明的有益效果如下：

隔离膜包覆第一极片杜绝了第一极片、第二极片在卷绕过程或者使用过程中穿过隔离膜保护区域直接接触造成短路带来的安全风险，使制得的卷绕式电芯的安全性能提升。

当第一极片为阳极极片时，通过该方法处理的第一极片的边缘保护区域减小并可除去，不仅减少了第一极片的用量，而且由于减小了隔离膜的边缘保护区域使隔离膜的用量减少，由此制得的电芯体积减小，在容量不变的状况下，降低卷绕式电芯的成本、提升卷绕式电芯的体积能量密度。

避免了分步骤插入第二极片、第一极片和隔离膜，因此提高了卷绕式电芯的生产效率、易于工业化生产。

附图说明

图1为未对折的隔离膜的示意图；

图2为对折形成双层的隔离膜的示意图；

图3为将第一极片放置到双层的隔离膜中的示意图；

图4为将双层的隔离膜在自由侧处进行粘接的示意图；

图5为将第二极片放置到包覆第一极片的双层的隔离膜的一个表面上的示意图，其中a表示第一极片为阳极极片的宽度而b表示第二极片为阴极极片的宽度；以及

图6为插入卷针准备卷取的示意图，其中a表示第一极片为阳极极片的宽度而b表示第二极片为阴极极片的宽度。

其中，附图标记说明如下：

1第一极片             4卷针

2第二极片             5电机

3隔离膜               6挡条

W宽度方向             7第一极耳

L长度方向             8第二极耳

B对折侧               9第一极耳定位孔

F自由侧               10第二极耳定位孔

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的卷绕式电芯的制备方法。

参照图1至图6，卷绕式电芯包括极性相反的第一极片1和第二极片2以及设置于第一极片1和第二极片2之间的隔离膜3，第一极片1为阳极极片或阴极极片，第二极片2相应地为阴极极片或阳极极片，第一极片1与第二极片2分别沿宽度方向W设置有第一极耳7与第二极耳8。根据本发明的卷绕式电芯的制备方法包括步骤：将隔离膜3沿宽度方向W对折(参照图1)，形成双层的隔离膜3(参照图2，双层的隔离膜3在图中以粗实线表示)，双层的隔离膜3在宽度方向W上形成相对的一个对折侧B和一个自由侧F，双层的隔离膜3在长度方向L上形成两个相对的自由侧F；将第一极片1放置在双层的隔离膜3之间(参照图3)，使双层的隔离膜3覆盖第一极片1；在宽度方向W上的一个自由侧F及隔离膜3在长度方向L上的两个自由侧F处对双层的隔离膜3进行全部或部分地粘接，以使双层的隔离膜3包覆第一极片1(参照图4)；将第二极片2贴覆在包覆第一极片1的双层的隔离膜3的一个外表面上，使第一极片1与第二极片2沿长度方向L的边缘(即图5中的下边缘)对齐(参照图5)；以及插入卷针4，由电机5驱动卷针4对第一极片1、第二极片2、及包覆第一极片1的双层的隔离膜3沿长度方向L进行卷绕(参照图6)。

与现有技术相比，本发明的卷绕式电芯的制备方法具有如下优点：(1)本发明中，隔离膜3包覆第一极片1，杜绝了第一极片1、第二极片2在卷绕过程或者使用过程中穿过隔离膜3保护区域直接接触造成短路带来的安全风险，使制得的卷绕式电芯的安全性能提升。(2)现有技术中，为了使阴极极片和阳极极片对齐不发生错位，阳极极片相比阴极极片需要加宽且相应地隔离膜也要进一步加宽；而本发明中，由于采用双层隔离膜包覆第一极片，通过对折侧B可以容易且可靠地与第二极片在侧边上(即对折侧B处的侧边)对齐，当第一极片1为阳极极片时，通过本发明所述的卷绕式电芯的制备方法处理的第一极片1的边缘保护区域(即在宽度上阳极极片超出阴极极片的部分)减小并可除去，不仅减少了第一极片1(阳极极片)的用量，而且由于减小了隔离膜3的边缘保护区域使隔离膜3的用量减少，由此制得的电芯体积减小，在容量不变的状况下，降低卷绕式电芯的成本、提升卷绕式电芯的体积能量密度，当第一极片1为阴极极片时，由于实际生产以及使用过程中的要求，阴极极片的宽度要求小于或等于阳极极片的宽度，此时可以达到与第一极片为阳极极片时包裹在隔离膜中相同的技术效果。

(3)现有技术中，需要先卷隔离膜，再插入阳极极片卷绕半圈，之后再插入阴极极片卷绕至结束；而本发明可以使第二极片2与包覆的第一极片1一同放入卷针4进行卷绕，避免了分步骤插入第二极片2、第一极片1和隔离膜3，因此提高了卷绕式电芯的生产效率、易于工业化生产。此外，取消了现有技术需要多余的先卷用的隔离膜，进一步节省了隔离膜的使用。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，参照图5，阳极极片的宽度a与阴极极片的宽度b的关系为：b≤a≤b+2.0，单位为mm，具体地，在图1-6所示的例子中，第一极片1为阳极极片，第二极片2相应地为阴极极片。在一实施例中，阳极极片的宽度a与阴极极片的宽度b的关系为：b≤a≤b+1.0，单位为mm。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，阳极极片的宽度a与阴极极片的宽度b的关系为：a＝b，单位为mm。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，参照图5，对折后的隔离膜3的宽度c与阳极极片的宽度a的关系为：a＜c≤a+1.0，单位为mm

在隔离膜3的一实施例中，隔离膜3可为PE、PP或复合材质中的一种。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，所述粘接可采用激光热处理、或恒温热源热处理方式。在一实施例中，隔离膜3的热处理温度可为90℃～220℃。在另一实施例中，隔离膜3的热处理温度可为120℃～180℃。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，所述激光热处理、或恒温热源热处理可为点接触式加热隔离膜(参照图4)、或连续接触式加热隔离膜。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，所述粘接可为采用粘接剂直接粘接。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，所述粘接可为：首先对双层的隔离膜3在宽度方向W上的一个自由侧F及双层的隔离膜3在长度方向L上的两个自由侧F涂覆粘接剂，之后对涂覆粘接剂的部分进行热压。在一实施例中，粘接剂可为聚偏氟乙烯(PVDF)、苯乙烯丁二烯共聚物(SBR)、聚酰亚胺(PI)以及其他可用在锂离子电池内部中的粘接剂。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，所述粘接可为：隔离膜3可掺杂有或表面设置有粘接剂，对双层的隔离膜3在宽度方向W上的一个自由侧F及双层的隔离膜3在长度方向L上的两个自由侧F处的双层的隔离膜3进行热压，以实现所述粘接。在一实施例中，粘接剂可为PVDF、或参杂有PVDF的物质。

在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，参照图6，双层的隔离膜3在宽度方向W上的对折侧B可设置有沿长度方向L的挡条6，使第一极片1与第二极片2紧贴挡条6，以保证第一极片1与第二极片2沿长度方向L的边缘对齐。在根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的一实施例中，参照图6第一极耳7与第二极耳8通过设置于卷针4处的第一极耳定位孔9与第二极耳定位孔10定位，卷绕时以挡条6作为对齐基准。卷绕时以挡条6作为对齐基准，保证了第一极片1和第二极片2的侧边(即在对折侧B处的边)对齐(即极片上的涂膜区相对应)，第一极片1和第二极片2可以一同放入卷针4进行卷绕，电芯不会发生因为隔离膜3打折或者第一极片1和第二极片2错位导致的安全风险。此外，也无需像现有技术一样需要额外的方法、尤其是需要额外的昂贵的检测设备(如X射线透射)来检查。

接下来举例说明根据本发明与现有技术的对比。

假设设计容量为X(单位：mAh)的已经涂膜好的阴极极片和阳极极片经过冷压、分条。涂膜区长度为e mm(理论有效长度)，阳极极片的宽度为a(单位：mm)，阴极极片宽度为b(单位：mm)，分条后焊接相应极耳，裁切隔离膜宽度为2c(单位：mm)。

将上述阳极极片或者阴极极片放在相对于极片宽度W方向对折的隔离膜中间，用热方法或者粘接方法对隔离膜进行加热处理，使得对折的隔离膜在加热处粘接，制得被隔离膜包覆的极片。

将被隔离膜包覆的极片与其相对应的阴极极片或者阳极极片一同插入卷针并让它们紧贴对齐在挡条处(隔离膜的对折侧紧贴挡条)，保证了阴极极片和阳极极片沿长度方向对齐，然后一同进行卷绕制得电芯的长度为c、宽度为d(单位：mm)，电芯厚度为l(单位：mm)。

电芯体积能量密度为：X/(c×d×l)(单位：mAh/mm³)

其中阴阳极片尺寸关系：b≤a≤b+2.0，a＜c≤a+1.0，单位为mm

与常规方式相比(常规方式中，为了保证阳极极片和阴极极片之间对齐而不发生错位，阳极极片的宽度为b+2.0，隔离膜的宽度为a+1.0)，此时本发明的最大节省材料：阳极极片(b+2.0-a)×e(单位：mm²)，隔离膜(a+1.0-c)×(e+f)(单位：mm²)，f为以隔离膜收尾长度。

接下来举例说明根据本发明的卷绕式电芯的制备方法的理论实施例、理论对比例的分析过程和结果。

实施例1

将设计容量为1500mAh的已经涂膜好的阴极极片和阳极极片经过冷压、分条。阴阳极极片的涂膜区长度为e(单位：mm)，阳极极片的宽度为a(单位：mm)，阴极极片的宽度为b(单位：mm)，且a＝b，分条后焊接相应极耳，裁切隔离膜宽度为2b+0.5(单位：mm)，长度为e+d/2+5(单位：mm)，其中d/2+5对应隔离膜收尾长度。

将上述阳极极片或者阴极极片放在相对于极片沿宽度方向对折的PE材质的隔离膜中间，用激光热源对隔离膜进行加热处理，加热温度为120℃，使得对折的隔离膜在加热处粘接，隔离膜粘接处尺寸为0.25mm，制得被隔离膜包覆的极片。

将被隔离膜包覆的极片与其相对应的阴极极片或者阳极极片一同插入卷针并让它们紧贴对齐在挡条处(隔离膜的对折侧紧贴挡条)，保证了阴极极片和阳极极片沿长度方向对齐，然后一同进行卷绕制得电芯的长度为b+0.25(单位：mm)、宽度为d(单位：mm)，厚度为l(单位：mm)。

对比例1

将设计容量为1500mAh的已经涂膜好的阴极极片和阳极极片经过冷压、分条。阴阳极极片的涂膜区长度为e(单位：mm)，阳极极片的宽度为a(单位：mm)，阴极极片的宽度为b(单位：mm)，且a＝b+2.0(单位：mm)，分条后焊接相应极耳，裁切隔离膜宽度为b+6.0(单位：mm)，长度为2e+d+10(单位：mm，d+10为隔离膜起始卷绕和收尾成需要的长度)

将上述阴极极片、阳极极片，隔离膜按照常规方法卷绕。首先，将隔离膜放入卷针，沿宽度方向对折，然后将阳极极片插入卷针居中于隔离膜后卷绕半圈，再插入阴极极片相应的对齐并保证阳极极片有保护区露出，卷绕得到电芯。制得电芯的长度为b+3(单位：mm)、宽度为d(单位：mm)，厚度为l(单位：mm)。

下面比较上述卷绕得到的电芯的安全风险。

实施例1的电芯因为阳极极片或者阴极极片被经过热处理的隔离膜包覆于其中，卷绕时是以固定挡条作为对齐基准，保证了阴极极片和阳极极片涂膜区的对应，阴极极片和阳极极片可以一同放入卷针进行卷绕，电芯不会发生因为隔离膜打折或者极片错位导致的安全风险。

对比例1通过加宽阳极极片与隔离膜保证一定的安全性，但是无法杜绝隔膜打折及极片错位导致的安全风险，需要进行额外方法如X射线透射来检查。

比较实施例1、与对比例1上述卷绕得到的电芯体积能量密度：

实施例1得到的体积能量密度为：1500/[(b+0.25)×d×l](单位：mAh/mm³)。

对比例1得到的体积能量密度为：1500/[(b+3)×d×l](单位：mAh/mm³)。

相对于对比例1，实施例1的单个电芯节省：

阳极极片用量[(b+2)-b]×e＝2×e(单位：mm²)；

节省隔离膜用量(b+6)×(2e+d+10)-(2b+0.5)×(e+d/2+5)＝57.5+5.75d+11.5e(单位：mm²)；

而且卷绕时一起卷绕，省去了先卷隔离膜、再插入阳极极片卷绕半圈、之后再插入阴极极片卷绕至结束的复杂工序，减省时间，提高效率。

综上所述，采用本发明的卷绕式电芯的制备方法制备的电芯不仅安全性能提高，而且电芯的体积能量密度提高，原料成本降低，而且卷绕方法简单，尤其是相对于常规发卷绕方法，优势极其明显，工业化可行性度高。

Claims (10)

1.一种卷绕式电芯的制备方法，所述卷绕式电芯包括极性相反的第一极片(1)和第二极片(2)以及设置于第一极片(1)和第二极片(2)之间的隔离膜(3)，第一极片(1)为阳极极片或阴极极片，第二极片(2)相应地为阴极极片或阳极极片，第一极片(1)与第二极片(2)分别沿宽度方向(W)设置有第一极耳(7)与第二极耳(8)；其特征在于，所述卷绕式电芯的制备方法包括步骤：

将隔离膜(3)沿宽度方向(W)对折，形成双层的隔离膜(3)，双层的隔离膜(3)在宽度方向(W)上形成相对的一个对折侧(B)和一个自由侧(F)，双层的隔离膜(3)在长度方向(L)上形成两个相对的自由侧(F)；

将第一极片(1)放置在双层的隔离膜(3)之间，使双层的隔离膜(3)覆盖第一极片(1)；

在宽度方向(W)上的一个自由侧(F)及隔离膜(3)在长度方向(L)上的两个自由侧(F)处将双层的隔离膜(3)全部或部分地粘接，以使双层的隔离膜(3)包覆第一极片(1)；

将第二极片(2)贴覆在包覆第一极片(1)的双层的隔离膜(3)的一个外表面上，使第一极片(1)与第二极片(2)沿长度方向(L)的边缘对齐；以及

插入卷针(4)，由电机(5)驱动卷针(4)对第一极片(1)、第二极片(2)、及包覆第一极片(1)的双层的隔离膜(3)沿长度方向(L)进行卷绕。

2.根据权利要求1所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，阳极极片的宽度a与阴极极片的宽度b的关系为：b≤a≤b+2.0，单位为mm。

3.根据权利要求2所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，阳极极片的宽度a与阴极极片的宽度b的关系为：b≤a≤b+1.0，单位为mm。

4.根据权利要求1所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，阳极极片的宽度a与阴极极片的宽度b的关系为：a＝b，单位为mm。

5.根据权利要求1所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，对折后的隔离膜(3)的宽度c与阳极极片的宽度a的关系为：a＜c≤a+1.0，单位为mm。

6.根据权利要求1所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，所述粘接采用激光热处理或恒温热源热处理方式。

7.根据权利要求1所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，所述粘接为采用粘接剂直接粘接。

8.根据权利要求7所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，

所述粘接为：首先对双层的隔离膜(3)在宽度方向(W)上的一个自由侧(F)及双层的隔离膜(3)在长度方向(L)上的两个自由侧(F)涂覆粘接剂，之后对涂覆粘接剂的部分进行热压；或者

所述粘接为：隔离膜(3)掺杂有或表面设置有粘接剂，对双层的隔离膜(3)在宽度方向(W)上的一个自由侧(F)及双层的隔离膜(3)在长度方向(L)上的两个自由侧(F)处的双层的隔离膜(3)进行热压，以实现所述粘接。

9.根据权利要求1所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，双层的隔离膜(3)在宽度方向(W)上的对折侧(B)设置有沿长度方向(L)的挡条(6)，使第一极片(1)与第二极片(2)紧贴挡条(6)，以保证第一极片(1)与第二极片(2)沿长度方向(L)的边缘对齐。

10.根据权利要求9所述的卷绕式电芯的制备方法，其特征在于，第一极耳(7)与第二极耳(8)通过设置于卷针(4)处的第一极耳定位孔(9)与第二极耳定位孔(10)定位，卷绕时第一极片(1)与第二极片(2)以挡条(6)作为对齐基准。