CN105355992A - 一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法 - Google Patents

一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，该方法无需对卷芯组件(例如正极片、负极片和隔膜)进行烘烤预处理、且无需对卷芯进行后续处理。本发明所述的方法无需对卷芯组件(例如正极片、负极片和隔膜)进行烘烤预处理以及后续处理，降低能耗，且避免了新的不良现象产生；充分考虑了导致电池变形的因素：隔离膜收缩以及烘烤、注液、充电等制作工序引起正、负极片厚度膨胀，从源头上(即卷绕工序)对电池变形进行了有效的预防，避免产生“S”型变形；该方法操作步骤简单，操作方便，成本低廉。

Description

一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法
技术领域
本发明涉及一种锂电池技术领域，尤其是一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法。
背景技术
随着数码类产品技术的日新月异，对锂离子电池的容量需求越来越高。数码产品用锂离子电池大多为软包装卷绕式结构，卷芯厚度增加带来的电池出现“S”型变形的概率也相应升高。“S”型变形的原因包括：(1)卷绕机在卷绕过程中，为确保正极片、隔膜、负极片之间的对齐度，必须沿走带方向对极片和隔膜施加较大的拉力。卷绕过程中的拉力会使极片和隔膜被拉长，而卷绕结束后由于拉力的释放，极片和隔膜又会产生一定的收缩。正、负极片在卷绕前后长度变化很小，而隔膜长度收缩量较大，会严重挤压极片，导致卷绕后的卷芯在静置过程中发生“S”型变形；(2)卷绕结束后，电池还会经过烘烤(目的是去除水分)、注液、充电等制作工序，而这些工序均会引起正、负极片厚度膨胀，卷芯贴有收尾胶带，故宽度方向的厚度膨胀受到抑制；卷芯在厚度方向因极片厚度膨胀而受到拉扯，卷芯在宽度方向和厚度方向受力不均衡而引起卷芯“S”型变形。
申请公布号CN102683736A公开了一种改善电芯变形的卷绕方法，通过对卷绕前正、负极片加热使极片应力释放，实现卷绕结束后极片随隔膜一同收缩，从而改善电芯变形。该方法的不足之处在于：(1)该方法只对正、负极片进行加热，未对隔膜加热，隔膜拉伸后的明显收缩仍会对极片造成挤压，从而导致电芯变形；(2)该方法采取边卷绕边加热，不能使正、负极片充分膨胀，使得卷绕后的极片还有膨胀的余地而导致电芯变形；(3)卷绕后的注液、充电等制作工序仍会致使极片膨胀而导致电芯变形。申请公布号CN103165942A提供了一种解决电芯变形的方法，即卷绕前分别对正极片、负极片、隔离膜进行烘烤，然后依次进行卷绕、封装、注液等制作工序，得到软包装锂离子电池。将电池充电至3.9-4.1V后，用夹具夹紧进行烘烤定形。该方法能大幅度降低电芯变形比例，但烘烤过程能耗较高、耗时较长，且采用夹具夹紧会导致电芯出现划痕、凹点、漏液等不良后果，影响电芯品质。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有解决卷芯变形的技术能耗高、耗时长、对卷芯有破坏的缺点，提供一种无需对卷芯组件(例如正极片、负极片和隔膜)进行烘烤预处理、且无需对卷芯进行后续处理的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，该锂离子电池的卷芯包括正极片、负极片、内外层隔离膜、正极耳、负极耳以及收尾胶带，所述正极片和负极片之间通过外层隔离膜和内层隔离膜进行分隔，所述正极耳固定在正极片头部，所述负极耳固定在负极片头部，所述正极片的尾部通过收尾胶带进行固定，所述方法包括如下步骤：
A.测量卷芯中相邻两圈外层隔离膜长度，并计算实际相邻两圈外层隔离膜长度的差值；
B.调整卷绕机参数，使相邻两圈外层隔离膜长度的差值满足以下公式：
La-Lb≥ΔL(1)
ΔL＝正极片厚度+外层隔离膜厚度+负极片厚度+内层隔离膜厚度+(满电态卷芯厚度-卷绕工序卷芯厚度)/卷绕圈数+外层隔离膜的长度×隔离膜受热收缩率/卷绕圈数(2)
式中：
La是指外圈外层隔离膜的长度；
Lb是指内圈外层隔离膜的长度；
ΔL是指两圈外层隔离膜长度差值的理论值；
正极片厚度是指正极集流体和双面料层的总厚度；
负极片厚度是指负极集流体和双面料层的总厚度；
满电态卷芯厚度是指满电态电池不含铝塑包装膜的厚度；
C.按照步骤A复测相邻两圈外层隔离膜长度差值La-Lb。
进一步的，所述相邻两圈外层隔离膜为最外两圈外层隔离膜。
进一步的，所述步骤A中测量最外侧两圈外层隔离膜的长度包括如下步骤：
a1.将钢针垂直扎入卷芯外表面，所述钢针刺破由外向内至少5层内外隔离膜，在外层隔离膜上得到至少3个针孔；
a2.取出外层隔离膜平铺，使用测量工具测量由外向内第一个针孔与第二个针孔相邻两边缘之间的水平距离即La，测量第二个针孔与第三个针孔相邻两边缘之间的水平距离即Lb，并计算差值；
优选的，所述步骤a1钢针垂直扎入卷芯的位置为卷芯外表面的平面部分。
优选的，所述步骤a1中钢针的直径小于0.5mm。
优选的，所述步骤a2中测量工具的测量精度小于0.5mm。
优选的，所述收尾胶带的宽度为10-20mm。
相对于现有技术，本发明所述的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法具有以下优势：
(1)本发明所述的方法无需对卷芯组件(例如正极片、负极片和隔膜)进行烘烤预处理以及后续处理，降低能耗，且避免了产生不良现象，如电芯出现划痕、凹点、漏液；
(2)本发明所述方法充分考虑了导致电池变形的因素：隔离膜收缩以及烘烤、注液、充电等制作工序引起正、负极片厚度膨胀，从源头上(即卷绕工序)对电池变形进行了有效的预防；
(3)操作步骤简单，操作方便，成本低廉。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的卷芯的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的步骤A中测量过程中卷芯的结构示意图。
附图标记说明：
1-正极片，2-正极耳，3-负极片，4-负极耳，5-外层隔离膜，6-内层隔离膜，7-收尾胶带，8-钢针，9-第一针孔，10-第二针孔，11-第三针孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种软包装卷绕式锂离子电池的卷芯结构，包括：正极片1、正极耳2、负极片3、负极耳4、外层隔离膜5、内层隔离膜6和收尾胶带7。其中，正极耳2固定于正极片1的头部，负极耳4固定于负极片3的头部；正极片1处于卷芯最外层；正极片1和负极片3之间通过外层隔离膜5和内层隔离膜6进行分隔；正极片1的尾部通过收尾胶带7进行粘贴、固定，收尾胶带7的宽度为15mm。
一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，包括如下步骤：
A.测量卷芯中相邻两圈外层隔离膜长度，并计算实际相邻两圈外层隔离膜长度的差值，具体步骤如下：
a1.将图1所示的卷芯按收尾胶带7朝下摆放，用一根直径0.5mm的钢针8由上往下垂直扎入卷芯，扎入的位置应避开卷芯左、右两边的转角处(即扎入卷芯的平面部分)，扎入的深度以刺破由外向内至少5层内外隔离膜为准(但不可刺破负极耳4所在的负极片3头部)。
扎刺完成后，揭开收尾胶带7并将卷芯按图2所示的方式展开，即由上至下依次为正极片1、外层隔离膜5、负极片3、内层隔离膜6；正极片1头部(即正极耳2所在端)、外层隔离膜5头部、负极片3头部(即负极耳4所在端)、内层隔离膜6头部位于左侧；正极片1尾部、外层隔离膜5尾部、负极片3尾部、内层隔离膜6尾部位于右侧。
a2.取出外层隔离膜5，按照头部在左、尾部在右的方式平铺，使用最小刻度为0.5mm测量工具(如直尺或千分尺等)测量由右向左三个针孔(即第一针孔9、第二针孔10和第三针孔11)之间的距离(测量过程中必须保证外层隔离膜5保持平整)。为避免针孔直径的影响，将第一针孔9的左边缘与第二针孔10的右边缘之间的距离作为最外圈外层隔离膜的长度La(即最外圈外层隔离膜的长度)；将第二针孔10的左边缘与第三针孔11的右边缘之间的距离作为由外向内的第二圈外层隔离膜的长度Lb(即内圈外层隔离膜的长度)，并计算二者的差值，即La-Lb。
B.调整卷绕机参数，使最外两圈外层隔离膜长度的差值La-Lb满足以下公式：
La-Lb≥ΔL(1)
ΔL＝正极片厚度+外层隔离膜厚度+负极片厚度+内层隔离膜厚度+(满电态卷芯厚度-卷绕工序卷芯厚度)/卷绕圈数+外层隔离膜的长度×隔离膜受热收缩率/卷绕圈数(2)
式中：
ΔL是指最外两圈外层隔离膜长度差值的理论值；
正极片厚度是指正极集流体和双面料层的总厚度；
负极片厚度是指负极集流体和双面料层的总厚度；
满电态卷芯厚度是指满电态电池不含铝塑包装膜的厚度。
考虑到卷绕之后的制作工序会引起隔膜受热收缩以及正、负极片厚度膨胀，且电池充满电时极片厚度最大，因此La与Lb的长度差值需满足上述公式，以保证成品电池不发生“S”型变形。
C.按照步骤A复测实际最外两圈隔离膜长度差值La-Lb。
本发明以型号为W-W3P150B全自动卷绕机为例，通过调整隔离膜张力和收尾辊气压来改变卷芯最外两圈外层隔离膜长度。若满足上述公式，则可进行后续制作工序；若不满足，则调整自动卷绕机参数进行纠正。原则上，La与Lb的长度差值越大改善电池变形的效果越好，但应避免图1中的卷芯宽度过宽而影响卷芯放入铝塑膜包装袋(即卷芯入坑困难)。
将正极片厚度0.135mm、外层隔离膜厚度0.020mm、负极片厚度0.151mm、内层隔离膜厚度0.020mm、满电态卷芯厚度6.95mm、卷绕工序卷芯厚度6.25mm、外层隔离膜长度1297.5mm、卷绕圈数8.5、隔离膜受热收缩率1.2％代入公式(2)中计算得到最外两圈外层隔离膜长度差值的理论值ΔL＝2.24mm。
对比例
设定自动卷绕机参数为：隔离膜张力300g，收尾辊气压0.06MPa；按照上述方法测得卷芯最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.0mm，自动卷绕机的参数不变；卷芯化成后变形比例为30.5％。
实施例1
设定自动卷绕机参数为：隔离膜张力300g，收尾辊气压0.06MPa；按照上述方法测得卷芯最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.0mm。
调整自动卷绕机参数为：隔离膜张力300g，收尾辊气压0.05MPa。
重复测量最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.3mm；卷芯化成变形比例为20.3％。
实施例2
设定自动卷绕机参数为：隔离膜张力300g，收尾辊气压0.06MPa；按照上述方法测得卷芯最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.0mm。
调整卷绕机参数为：隔离膜张力280g，收尾辊气压0.05MPa。
重复测量最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.5mm；卷芯化成后变形比例为7.4％。
实施例3
设定自动卷绕机参数为：隔离膜张力300g，收尾辊气压0.06MPa；按照上述方法测得卷芯最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.0mm。
调整卷绕机参数为：隔离膜张力280g，收尾辊气压0.04MPa。
重复测量最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.5mm；卷芯化成后变形比例为2.7％。
实施例4
设定自动卷绕机参数为：隔离膜张力300g，收尾辊气压0.06MPa；按照上述方法测得卷芯最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为2.0mm。
调整卷绕机参数为：隔离膜张力250g，收尾辊气压0.04MPa。
重复测量最外两圈隔离膜长度实测差值La-Lb为3.0mm；卷芯化成后无变形现象。
将对比例以及实施例1-4的实验结果进行对比，见下表：
从上表的对比结果可以看出，本发明所述方法能有效防止卷芯在制作过程中出现变形，且相邻两侧隔离膜的长度差值越大，化成后的变形比例越小，无需对卷芯组件和卷芯进行额外处理。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，其特征在于：该锂离子电池的卷芯包括正极片、负极片、内外层隔离膜、正极耳、负极耳以及收尾胶带，所述正极片和负极片之间通过外层隔离膜和内层隔离膜进行分隔，所述正极耳固定在正极片头部，所述负极耳固定在负极片头部，所述正极片的尾部通过收尾胶带进行固定，所述方法包括如下步骤：
A.测量卷芯中相邻两圈外层隔离膜长度，并计算实际相邻两圈外层隔离膜长度的差值；
B.调整卷绕机参数，使相邻两圈外层隔离膜长度的差值满足以下公式：
La-Lb≥ΔL(1)
ΔL＝正极片厚度+外层隔离膜厚度+负极片厚度+内层隔离膜厚度+(满电态卷芯厚度-卷绕工序卷芯厚度)/卷绕圈数+外层隔离膜的长度×隔离膜受热收缩率/卷绕圈数(2)
式中：
La是指外圈外层隔离膜的长度；
Lb是指内圈外层隔离膜的长度；
ΔL是指两圈外层隔离膜长度差值的理论值；
正极片厚度是指正极集流体和双面料层的总厚度；
负极片厚度是指负极集流体和双面料层的总厚度；
满电态卷芯厚度是指满电态电池不含铝塑包装膜的厚度；
C.按照步骤A复测相邻两圈外层隔离膜长度差值La-Lb。
2.根据权利要求1所述的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，其特征在于：所述相邻两圈外层隔离膜为最外两圈外层隔离膜。
3.根据权利要求2所述的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，其特征在于：所述步骤A包括如下步骤：
a1.将钢针垂直扎入卷芯外表面，所述钢针至少刺破由外向内至少5层内外隔离膜，在外层隔离膜上得到至少3个针孔；
a2.取出外层隔离膜平铺，使用测量工具测量由外向内第一个针孔与第二个针孔相邻两边缘之间的水平距离即La，测量第二个针孔与第三个针孔相邻两边缘之间的水平距离即Lb，并计算差值。
4.根据权利要求3所述的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，其特征在于：所述步骤a1钢针垂直扎入卷芯的位置为卷芯外表面的平面部分。
5.根据权利要求3或4所述的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，其特征在于：所述步骤a1中钢针的直径小于0.5mm。
6.根据权利要求5所述的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，其特征在于：所述步骤a2中测量工具的测量精度小于0.5mm。
7.根据权利要求5所述的预防软包装卷绕式锂离子电池变形的方法，其特征在于：所述收尾胶带的宽度为10-20mm。
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