CN105244506A - 一种锂离子电池材料和锂离子电池结构及其制作方法 - Google Patents

一种锂离子电池材料和锂离子电池结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高倍率锂离子电池材料、一种圆柱型软包装锂离子电池结构及其制作方法。锂离子电池材料的正极材料和负极材料中分别添加石墨烯材料做为导电剂，正极材料中添加比例为0.4-1.5%，负极材料中添加比例为0.3-2.5%；可以有效提升锂离子电池的比能量，同时锂离子电池内阻比添加传统导电剂的锂离子电池内阻低。电池的制备方法为将正极材料及负极材料分别搅拌均匀后涂布、辊压制得极片，然后在极片上切割出多个极耳；然后对极片进行段切、卷绕、测短路；将铝带或镍带分别与极耳焊接；然后按照后续正常工序进行生产；本发明无需在极片内部焊接极耳，可以有效缩小卷绕电池直径，便于成型。

Description

一种锂离子电池材料和锂离子电池结构及其制作方法
技术领域
本发明属于锂离子电池材料设计及锂离子电池制作技术领域，特别是涉及一种高倍率锂离子电池材料、一种圆柱型软包装锂离子电池结构及其制作方法。
背景技术
随着数码产品的需求急剧增长，锂离子电池也发展迅猛，已成为国际电化学研究的热点领域之一，软包装锂离子电池的电化学性能、安全性能、比能量等优势明显，且外形和容量可任意定制，更换型号成本低；圆柱型电池具有生产效率高、成品率高等优点，金属外壳比较重，变型号不灵活，而圆柱型软包装锂离子电池则结合上述两者的优点，将圆柱型电池外壳改为软包装，因此比能量、安全性、变型号经济性均得到改善，因此在数码、航模、军工、电动车等领域应用日益扩大；
随着数码产品的日益改进，市场对圆柱型软包装锂离子电池的倍率性能提出越来越高的要求，但是传统型的锂离子电池只能将极耳从极片两端改到极片中间位置、增加一定的导电剂比例、适当降低正负极材料的压实密度等方式来改变，圆柱型软包装锂离子电池的内阻和极耳尺寸很难做较大改动，产品制作难度大，生产效率低，因此倍率性能很难达到市场需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高倍率圆柱型软包装锂离子电池材料及其制作方法，解决圆柱型软包装锂离子电池倍率性能低、制作困难的缺点。
本发明的一种高倍率锂离子电池材料，是在锂离子电池的正极材料和负极材料中分别添加石墨烯材料做为导电剂，正极材料中石墨烯导电剂的添加比例为0.7-1.5％，负极材料中石墨烯导电剂的添加比例为0.3-2.5％。
进一步的，所述正极材料中主材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合，或者选用磷酸铁锂；当正极主材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合时石墨烯添加比例比正极主材料为磷酸铁锂时添加比例少0.5-1.0％。所述负极材料中主材料为中间相炭微球。
本发明的一种圆柱型软包装锂离子电池的制备方法，是使用权利要求1所述的高倍率锂离子电池材料，步骤如下：
1)将正极材料搅拌均匀后在铝箔上涂布、辊压制得正极极片，然后在正极极片铝箔空位上切割出多个铝箔极耳并段切；同样的将负极材料搅拌均匀后在铜箔上涂布、辊压制得负极极片，然后在负极极片铜箔空位上切割出多个铜箔极耳并段切；
2)段切后对正极极片、隔膜、负极极片进行卷绕形成圆柱电芯，测短路；
3)测试合格后，将带极耳胶的铝带与铝箔极耳焊接，将带极耳胶的镍带与铜箔极耳焊接；将焊接区沿着圆柱电芯内缘弯折并与圆柱电芯固定；
4)然后将圆柱电芯放于铝塑膜内进行封装，测试电芯是否短路，未发生短路电芯依次进入圆柱型软包装锂离子电池正常工序进行生产。
进一步的，所述极片上切割的的极耳间距根据圆柱电池设计直径进行计算，确保极耳内层与外层重叠。
进一步的，所述极耳的切割方式采用模切或激光切割。
进一步的，所述焊接过程是将镍带与铜箔极耳平整叠加、铝带与铝箔极耳平整叠加；焊接完成后，将镍带与铜箔极耳焊接区以外部分、铝带与铝箔极耳焊接区以外部分裁切整齐，用高温胶带包裹。
本发明的一种圆柱型软包装锂离子电池，其特征在于，包括圆柱电芯及铝塑膜，所述圆柱电芯是由正极极片与负极极片通过隔膜隔开卷绕而成；所述正极极片上切割有多个铝箔极耳，负极极片上切割有多个铜箔极耳，极耳间距根据圆柱电池设计直径进行计算，使得极片卷绕过程中极耳内层与外层重叠；所述铝箔极耳与铝带连接，所述铜箔极耳与镍带连接，外围分别设置高温胶带，并分别沿圆柱电芯内缘弯折并与圆柱电芯固定连接；所述铝塑膜包裹于圆柱电芯和极耳的外围。
进一步的，所述铝箔极耳柱与铝带采用焊接连接，所述铜箔极耳柱与镍带采用焊接连接，焊接连接区以外部分裁切整齐。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：(1)本发明提供了一种高倍率的锂离子电池材料，只需添加石墨烯做为导电剂即可满足锂离子电池导电效果，其添加量明显小于传统导电剂，因此正负极主材料的添加比例上升，材料压实密度有所提高，极片较为柔软，便于卷绕，上述优点有效提升了锂离子电池的比能量，同时锂离子电池内阻比添加传统导电剂的同型号锂离子电池内阻低20％左右。
(2)本发明还提供了一种圆柱型软包装锂离子电池的制备方法，采用本发明的高倍率的锂离子电池材料，采用多极耳切割或模切的方式，无需在极片内部焊接极耳，可以有效缩小卷绕电池直径，便于成型；多极耳卷绕结构可有效降低锂离子电池内阻，便于极耳与铝塑膜的封装。
附图说明
图1本发明的多极耳极片结构示意图；
图2本发明的卷绕电芯双侧出极耳结构图；
图3本发明的卷绕电芯双侧极耳焊接图；
图4本发明的卷绕电芯双侧极耳与铝塑膜封装图。
图中标注：1、极片，2、极耳，21、铜箔极耳，22、铝箔极耳，3、圆柱电芯，41、镍带，42、铝带，5、铝塑膜。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
本发明所采用的技术方案是：
本发明首先提出了一种高倍率锂离子电池材料，是在锂离子电池的正极材料和负极材料中分别添加石墨烯材料做为导电剂，正极材料中石墨烯导电剂的添加比例为0.4-1.5％，负极材料中石墨烯导电剂的添加比例为0.3-2.5％。
其中正极主材料选用钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合，或者选用磷酸铁锂；当正极主材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合时石墨烯添加比例比正极主材料为磷酸铁锂时添加比例要少0.5-1.0％。其中高倍率锂离子电池负极主材料优选为中间相炭微球。
本发明的高倍率锂离子电池材料通过实验证明降低了导电剂的添加量，使得正负极主材料的添加比例上升，材料压实密度有所提高，制得的极片较为柔软，便于卷绕，有利于提升锂离子电池的比能量，同时锂离子电池内阻比添加传统导电剂的锂离子电池内阻低20％左右。
由于上述锂离子电池材料可以制备成较为柔软的极片，便于卷绕，因此本发明还提供了一种使用上述电池材料用于制备高倍率圆柱型软包装锂离子电池的方法，步骤如下：
1)将正极材料搅拌均匀后在铝箔上涂布、辊压制得正极极片，然后在正极极片铝箔空位上切割出多个铝箔极耳22并段切；同样的将负极材料搅拌均匀后在铜箔上涂布、辊压制得负极极片，然后在负极极片铜箔空位上切割出多个铜箔极耳21并段切。极片上的极耳间距及数量可根据圆柱电池设计直径进行计算，确保极耳内层与外层重叠，以方便极耳与镍带或铝带焊接。所述极耳的切割方式采用模切或激光切割，优选为激光切割；本发明采用多极耳切割或模切的方式，无需在极片内部焊接极耳，可以有效缩小卷绕电池直径，便于成型。
2)段切后对正极片、隔膜、负极片进行卷绕形成圆柱电芯3，测短路。
3)测试合格后，将带极耳胶的铝带与铝箔极耳焊接，将带极耳胶的镍带与铜箔极耳焊接。所述焊接过程需将镍带41与铜箔极耳21平整叠加、铝带42与铝箔极耳22平整叠加，然后再进行焊接，优选采用超声焊接；焊接完成后，需将镍带41与铜箔极耳21焊接区以外部分、铝带42与铝箔极耳22焊接区以外部分裁切整齐，用高温胶带分别固定镍带41与铜箔极耳21的焊接区以及铝带42与铝箔极耳22的焊接区于圆柱电芯3上，如图3所示，上述焊接区均沿着圆柱电芯3内缘弯折并用高温胶带固定，以防焊接区扎伤铝塑膜5。
4)然后将圆柱电芯3放置于铝塑膜5内进行铝塑膜与极耳胶的封装，封装完成后测试电芯是否短路，未发生短路电芯依次进入圆柱型软包装锂离子电池正常工序进行生产。
本发明的锂离子电池的制备过程中，对铝塑膜壳体设计，需充分考虑极耳焊接位弯折后的空间尺寸；对镍带和铝带横截面积的设计，需符合放电倍率要求，镍带和铝带上的极耳胶宽度不能大于顶封处铝塑膜的宽度；对电解液及隔膜材料的选择需与正负极材料体系相匹配，同时满足放电倍率和安全要求。
本发明的锂离子电池的制备方法简单，采用多极耳切割或模切的方式，无需在极片内部焊接极耳，可以有效缩小卷绕电池直径，便于成型；多极耳卷绕结构可有效降低锂离子电池内阻，便于极耳与铝塑膜的封装。本发明在不增加锂离子电池生产成本上有效提高了锂离子电池的放电倍率，适于大规模推广应用。
经上述制备方法得到了一种高倍率圆柱型软包装锂离子电池，其结构包括圆柱电芯及铝塑膜，所述圆柱电芯是由正极极片与负极极片通过隔膜隔开卷绕而成；所述正极极片上切割有多个铝箔极耳，负极极片上切割有多个铜箔极耳，极耳间距根据圆柱电池设计直径进行计算，使得极片卷绕过程中极耳内层与外层重叠；所述铝箔极耳与铝带焊接连接，所述铜箔极耳与镍带焊接连接，焊接连接区以外部分裁切整齐，焊接区外围分别设置高温胶带，并分别沿圆柱电芯内缘弯折并与圆柱电芯固定连接；所述铝塑膜包裹于圆柱电芯和极耳的外围。
实施例1
在正极主材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合材料中添加石墨烯，添加比例为石墨烯：PVDF(761A)：正极主材料＝0.4:1.8:97.8，负极主材料选用人造鳞片石墨，负极配比为石墨烯：CMC：SBR：人造鳞片石墨＝0.3:1.6:2.4:95.7，上述材料搅拌均匀后进行涂布、辊压，采用传统圆柱型软包装锂离子电池进行制作，隔膜及电解液采用市场成熟高倍率型产品，所做锂离子电池容量可达350mAh，电池内阻小于5mΩ，最大可做10C放电，1C充电4C放电循环次数可达400次以上。
实施例2
在正极主材料为磷酸铁锂中添加石墨烯，添加比例为石墨烯：PVDF(HSV900)：磷酸铁锂＝1:4:95，负极主材料选用人造鳞片石墨，负极配比为石墨烯：CMC：SBR：人造鳞片石墨＝0.3:1.6:2.4:95.7，上述材料搅拌均匀后进行涂布、辊压，采用传统圆柱型软包装锂离子电池进行制作，隔膜及电解液采用市场成熟高倍率型产品，所做锂离子电池容量可达250mAh，电池内阻小于5mΩ，最大可做10C放电，1C充电5C放电循环次数可达2000次以上。
实施例3
在正极主材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合材料中添加石墨烯，添加比例为石墨烯：PVDF(761A)：正极主材料＝0.7:1.8:97.5，负极主材料选用中间相炭微球，负极配比为石墨烯：CMC：SBR：中间相炭微球＝0.5:1.6:2.4:95.5，上述材料搅拌均匀后进行涂布、辊压，按照80570(直径8mm，长度57mm)工艺激光切割宽度为4-5mm极耳并段切，卷绕成型后进行绝缘测试，合格电芯进行超焊，铝带和镍带分别采用0.1*4mm(厚*宽)，后续工序采用传统圆柱型软包装锂离子电池进行制作，隔膜及电解液采用市场成熟高倍率型产品，所做锂离子电池容量可达300mAh，电池内阻小于5mΩ，最大可做15C放电，1C充电15C放电循环次数可达300次以上。
实施例4
在正极主材料为磷酸铁锂中添加石墨烯，添加比例为石墨烯：PVDF(HSV900)：磷酸铁锂＝1.5:4:94.5，负极主材料选用中间相炭微球，负极配比为石墨烯：CMC：SBR：中间相炭微球＝0.5:1.6:2.4:95.5，上述材料搅拌均匀后进行涂布、辊压，按照80570(直径8mm，长度57mm)工艺激光切割宽度为4-5mm极耳并段切，卷绕成型后进行绝缘测试，合格电芯进行超焊，铝带和镍带分别采用0.1*4mm(厚*宽)，后续工序采用传统圆柱型软包装锂离子电池进行制作，隔膜及电解液采用市场成熟高倍率型产品，所做锂离子电池容量可达200mAh，电池内阻小于5mΩ，最大可做25C放电，1C充电25C放电循环次数可达1000次以上。
上述实施例中PVDF(聚偏氟乙烯)在正极材料中起到粘结剂的作用；CMC(羧甲基纤维素钠盐)在负极材料中起到增稠剂的作用；SBR(丁苯橡胶)在负极材料中起到粘结剂的作用。
以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高倍率锂离子电池材料，其特征在于，在锂离子电池的正极材料和负极材料中分别添加石墨烯材料做为导电剂，正极材料中石墨烯导电剂的添加比例为0.7-1.5%，负极材料中石墨烯导电剂的添加比例为0.3-2.5%。
2.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池材料，其特征在于，所述正极材料中主材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合，或者选用磷酸铁锂；当正极主材料为钴酸锂、锰酸锂、三元材料中一种或两两混合时石墨烯添加比例比正极主材料为磷酸铁锂时添加比例少0.5-1.0%。
3.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池材料，其特征在于，所述负极材料中主材料为中间相炭微球。
4.一种圆柱型软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于，使用权利要求1所述的高倍率锂离子电池材料，步骤如下：
1）将正极材料搅拌均匀后在铝箔上涂布、辊压制得正极极片，然后在正极极片铝箔空位上切割出多个铝箔极耳并段切；同样的将负极材料搅拌均匀后在铜箔上涂布、辊压制得负极极片，然后在负极极片铜箔空位上切割出多个铜箔极耳并段切；
2）段切后对正极极片、隔膜、负极极片进行卷绕形成圆柱电芯，测短路；
3）测试合格后，将带极耳胶的铝带与铝箔极耳焊接，将带极耳胶的镍带与铜箔极耳焊接；将焊接区沿着圆柱电芯内缘弯折并与圆柱电芯固定；
4）然后将圆柱电芯放于铝塑膜内进行封装，测试电芯是否短路，未发生短路电芯依次进入圆柱型软包装锂离子电池正常工序进行生产。
5.根据权利要求4所述的一种圆柱型软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述极片上切割的的极耳间距根据圆柱电池设计直径进行计算，确保极耳内层与外层重叠。
6.根据权利要求4所述的一种圆柱型软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述极耳的切割方式采用模切或激光切割。
7.根据权利要求4所述的一种圆柱型软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述焊接过程是将镍带与铜箔极耳平整叠加、铝带与铝箔极耳平整叠加；焊接完成后，将镍带与铜箔极耳焊接区以外部分、铝带与铝箔极耳焊接区以外部分裁切整齐，用高温胶带包裹。
8.一种圆柱型软包装锂离子电池，其特征在于，包括圆柱电芯及铝塑膜，所述圆柱电芯是由正极极片与负极极片通过隔膜隔开卷绕而成；所述正极极片上切割有多个铝箔极耳，负极极片上切割有多个铜箔极耳，极耳间距根据圆柱电池设计直径进行计算，使得极片卷绕过程中极耳内层与外层重叠；所述铝箔极耳与铝带连接，所述铜箔极耳与镍带连接，外围分别设置高温胶带，并分别沿圆柱电芯内缘弯折并与圆柱电芯固定连接；所述铝塑膜包裹于圆柱电芯和极耳的外围。
9.根据权利要求8所述的一种圆柱型软包装锂离子电池，其特征在于，所述铝箔极耳柱与铝带采用焊接连接，所述铜箔极耳柱与镍带采用焊接连接，焊接连接区以外部分裁切整齐。
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