CN107248595A - 锂离子电池 - Google Patents

Abstract

锂离子电池，涉及电池储能技术领域，其包括金属外壳、盖板以及设于金属外壳内的柱状卷芯，柱状卷芯包括正极极片、负极极片及隔离膜，正极极片包括正极浆料涂覆区和正极集流体外露；负极极片包括负极浆料涂覆区和负极集流体外露区；正极极片与负极极片重叠的部分通过隔离膜分隔开，隔离膜的宽度小于柱状卷芯的高度；盖板下方设有正极汇流盘以及绝缘的汇流盘固定架，汇流盘固定架包括套在正极汇流盘和裸露的正极集流体外侧的侧缘绝缘件；锂离子电池封装后，各部件依靠挤压力紧紧抵靠在一起，通过非焊接方式实现物理导通。该锂离子电池不含传统电池中的极耳，电芯内部无焊点，电池一致性高，可获得良好的大倍率充放电性能及电池能量密度。

Description

锂离子电池

技术领域

本发明涉及电池储能技术领域，特别涉及一种锂离子电池。

背景技术

随着移动用电设备及储能产品发展，二次锂电池作为高能量密度电池代表逐渐为市场认可，锂离子电池的常见外形主要有圆柱形和方形。

传统圆柱二次锂电池内部构造为：首先制作卷芯，通过一层正极极片、一层隔离膜、一层负极极片、一层隔离膜卷绕形成卷芯，正极极片和负极极片均包括导电材料制成的集流体（正极极片的集流体称为正极集流体，负极极片的集流体称为负极集流体）以及涂覆在集流体表面含正、负极活性材料的浆料，极耳焊接于集流体并引出至卷芯两端外部，正、负极耳的数量从1个至若干不等；卷芯入壳后，正极极耳再通过焊接方式与盖板连接，负极极耳通过焊接方式与外部金属外壳连接。

随着对电池功率密度要求的提高，传统的二次锂电池在制作工艺上受到一些限制，主要表现为：

1、传统电池极片制作过程中需要考虑极耳与极片之间焊接位置预留，要求在集流体上进行间歇式涂布，极片间歇涂布会降低涂布速度，不利于产能释放；此外，连涂后刮片方式也面临生产效率偏低、极片二次污染及极耳绝缘问题。

2、间歇涂布会造成涂布面密度的波动，增加电池容量差异化的风险。

3、多极耳焊接存在稳定性不足风险，容易造成电池内阻波动。

而正、负极单一极耳设计不利于实现电池大功率输出或输入；多极耳设计存在极耳难以对位，极耳绝缘困难等问题，并且多极耳电池卷芯有椭圆化趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种全新结构的圆柱形锂离子电池，该锂离子电池无极耳和焊接点，可有力保障电池一致性和大倍率充放电性能以及电池能量密度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种锂离子电池，包括金属外壳、盖板以及设于金属外壳内的柱状卷芯，所述柱状卷芯包括正极极片、负极极片及隔离膜，其特征在于：

所述正极极片包括沿其长度方向并排设置的正极浆料涂覆区和正极集流体外露区，所述正极浆料涂覆区的正极集流体双面涂覆正极浆料，所述正极集流体外露区的正极集流体双面裸露，所述正极集流体外露区位于正极浆料涂覆区上侧；

所述负极极片包括沿其长度方向并排设置的负极浆料涂覆区和负极集流体外露区，所述负极浆料涂覆区的负极集流体双面涂覆负极浆料，所述负极集流体外露区的负极集流体双面裸露，所述负极集流体外露区位于负极浆料涂覆区下侧；

所述正极集流体外露区中裸露的正极集流体位于柱状卷芯的上端，所述负极集流体外露区中裸露的负极集流体位于柱状卷芯的下端，所述正极极片与负极极片重叠的部分通过隔离膜分隔开，所述隔离膜的宽度小于柱状卷芯的高度，所述裸露的正极集流体之间以及所述裸露的负极集流体之间均存在未被隔离膜隔开的重叠部分；

所述盖板下方设有正极汇流盘以及绝缘的汇流盘固定架，所述汇流盘固定架包括套在正极汇流盘和所述裸露的正极集流体外侧的侧缘绝缘件；

所述锂离子电池封装后，所述盖板往下紧压住正极汇流盘，所述正极汇流盘往下紧压住柱状卷芯上端裸露的正极集流体，从而使得所述正极极片与盖板连通；所述柱状卷芯下端裸露的负极集流体往下紧压住金属外壳的壳底或者在所述柱状卷芯与金属外壳的壳底之间设有负极汇流盘，所述裸露的负极集流体往下将负极汇流盘紧压在金属外壳的壳底上，从而使得所述金属外壳与负极极片连通。

其中，所述正极汇流盘为多孔结构或者其与柱状卷芯上端裸露的正极集流体相接触的面凹凸不平。

其中，所述金属外壳顶部开口端的内径大于底部封闭端的内径。

进一步，所述金属外壳的内径从顶部开口端往底部封闭端逐渐变小，所述金属外壳顶部开口端的内径比底部封闭端的内径大0.05-0.5mm mm。

优选的，所述锂离子电池封装前，所述柱状卷芯上端裸露的正极集流体以及下端裸露的负极集流体高度均为0.5-5mm，所述锂离子电池封装后，所述柱状卷芯上端裸露的正极集流体以及下端裸露的负极集流体受压力作用产生变形，导致所述裸露的正极集流体和裸露的负极集流体高度值均减少20%-80%。

进一步，所述汇流盘固定架包括一中间开孔的绝缘支撑件，所述侧缘绝缘件垂直于绝缘支撑件并与其连接，所述正极汇流盘的顶端从绝缘支撑件中间开设的孔中往上伸出并紧紧抵靠住盖板，所述侧缘绝缘件与金属外壳紧配，使得所述汇流盘固定架被卡在金属外壳内不能移动。

其中，所述正极汇流盘呈圆形或近圆形，所述正极汇流盘的厚度为0.2-2mm。

其中，所述金属外壳壁厚为0.1-1mm、直径为10-100mm、高度为30-300mm。

其中，所述正极集流体及负极集流体的厚度为6-60μm, 所述正极集流体双面涂覆正极浆料后的厚度为40-400μm，所述负极集流体双面涂覆负极浆料后的厚度为40-400μm。

其中，所述隔离膜的厚度为8-80μm，所述隔离膜的孔隙率为20%-80%。

本发明通过在正极极片上设置正极浆料涂覆区和正极集流体外露区、在负极极片上设置负极浆料涂覆区和负极集流体外露区，正极浆料涂覆区及负极浆料涂覆区涂覆浆料时采用连续涂布方式生产即可，不存在间歇式涂布所带来的密度波动的问题，保证了电池容量的一致性。

在本发明中，正极集流体外露区和负极集流体外露区中的集流体表面不涂覆导电浆料，电池封装后，各连接部件间依靠挤压力紧紧抵靠在一起，裸露的正极集流体通过正极汇流盘与盖板连通，而裸露的负极集流体则通过负极汇流盘与金属壳底连通（或者裸露的负极集流体与金属壳底直连），这样的设计省略了传统锂离子电池中的极耳，实现了正、负极导通电流面积最大化以及电流路径最短化，从而有力保障了电池的大倍率充放电性能。在正、负极活性材料涂覆厚度相同的情况下，本发明所涉锂电池的内阻相比传统锂离子电池要小得多，也就是说，在保证与传统锂离子电池相同内阻的前提下，本发明所涉锂离子电池可以在集流体上涂覆更厚的活性材料，从而提高电池的能量密度（活性材料占比越高，电池的能量密度越高）。

更加重要的是，本发明整个电池内部电路无焊接点，省略了传统工艺中极耳与集流体、极耳与壳底及盖板焊接的工序，可以大幅提高生产线的产能，同时还避免了因焊接差异导致电池内阻波动的问题。此外，由于不含极耳，整个电芯的圆度比多极耳电芯更好，电芯入壳更容易，电池安全性更高、使用寿命更长（电池充电过程中电芯会膨胀变大，椭圆形的电芯入壳后，电芯周围与金属外壳的间隙宽度不一致，充电膨胀时有可能会出现局部挤压金属外壳的情况，长时间反复挤压则可能导致该部位的隔离膜失效，出现短路烧毁电池的情况）。

附图说明

图1为本发明中封装后的锂离子电池整体结构示意图；

图2为本发明中封装后的锂离子电池内部结构示意图；

图3为本发明中正极汇流盘与汇流盘固定架的纵剖结构示意图；

图4为本发明中正极汇流盘与汇流盘固定架的俯视结构示意图；

图5为本发明中负极汇流盘的纵剖结构示意图；

图6为本发明中负极汇流盘的俯视结构示意图；

图7为本发明中柱状卷芯展开后的极片排列结构示意图；

图8为本发明中金属外壳的纵剖结构示意图；

图9为图2中A部位的局部放大图；

图10为图2中B部位的局部放大图；

图中：

1——金属外壳 2——盖板

3——柱状卷芯 4——正极汇流盘

5——汇流盘固定架 6——负极汇流盘

3a——正极极片 3b——负极极片

3c——隔离膜 5a——侧缘绝缘件

5b——绝缘支撑件 3a1——正极浆料涂覆区

3a2——正极集流体外露区 3b1——负极浆料涂覆区

3b2——负极集流体外露区。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、 “顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合具体实施例和附图来对本发明作更进一步的说明。

图1-10示出了本发明所涉锂离子电池的具体结构，总的来说，见图1、2、7所示，该锂离子电池包括金属外壳1、盖板2以及设于金属外壳内的柱状卷芯3，柱状卷芯3包括正极极片3a、负极极片3b及隔离膜3c；

正极极片3a包括沿其长度方向并排设置的正极浆料涂覆区3a1和正极集流体外露区3a2，正极浆料涂覆区3a1的正极集流体双面涂覆正极浆料，正极集流体外露区3a2的正极集流体双面裸露，正极集流体外露区3a2位于正极浆料涂覆区3a1上侧；

负极极片3b包括沿其长度方向并排设置的负极浆料涂覆区3b1和负极集流体外露区3b2，负极浆料涂覆区3b1的负极集流体双面涂覆负极浆料，负极集流体外露区3b2的负极集流体双面裸露，负极集流体外露区3b2位于负极浆料涂覆区3b1下侧；

正极集流体外露区3a2中裸露的正极集流体位于柱状卷芯3的上端，负极集流体外露区3b2中裸露的负极集流体位于柱状卷芯3的下端，正极极片3a与负极极片3b重叠的部分通过隔离膜3c分隔开，隔离膜3c的宽度小于柱状卷芯3的高度，上述裸露的正极集流体之间以及裸露的负极集流体之间均存在未被隔离膜3隔开的重叠部分（该重叠部分是指柱状卷芯3中裸露的正极集流体之间相互重叠以及裸露的负极集流体之间相互重叠）；

见图2-4所示，盖板2下方设有正极汇流盘4以及绝缘的汇流盘固定架5，汇流盘固定架5包括套在正极汇流盘4和所述裸露的正极集流体外侧的侧缘绝缘件5a；

该锂离子电池封装后，见图1和2所示，盖板2往下紧压住正极汇流盘4，正极汇流盘4往下紧压住柱状卷芯3上端裸露的正极集流体，从而使得正极极片3a与盖板2连通；柱状卷芯3下端裸露的负极集流体往下紧压住金属外壳1的壳底（为简化表述，附图中未示出裸露的负极集流体直接压住金属外壳1壳底的情形）或者在柱状卷芯3与金属外壳1的壳底之间设有负极汇流盘6，上述裸露的负极集流体往下将该负极汇流盘6紧压在金属外壳1的壳底上，从而使得金属外壳1与负极极片3b连通。

首先，上述实施例通过在正极极片3a上设置正极浆料涂覆区3a1和正极集流体外露区3a2、在负极极片3b上设置负极浆料涂覆区3b1和负极集流体外露区3b2，正极浆料涂覆区3a1及负极浆料涂覆区3b1涂覆浆料时采用连续涂布方式生产即可，不存在间歇式涂布所带来的密度波动的问题，保证了电池容量的一致性。

其次，在上述实施例中，正极集流体外露区3a2和负极集流体外露区3b2中的集流体表面不涂覆导电浆料，电池封装后，各连接部件间依靠挤压力紧紧抵靠在一起，裸露的正极集流体通过正极汇流盘4与盖板2连通，而裸露的负极集流体则通过负极汇流盘6与金属壳底连通（或者裸露的负极集流体与金属壳底直连），这样的设计省略了传统锂离子电池中的极耳，实现了正、负极导通电流面积最大化。在正、负极活性材料涂覆厚度相同的情况下，上述实施例所涉锂电池的内阻相比传统锂离子电池要小得多，也就是说，在保证与传统锂离子电池相同内阻的前提下，上述锂离子电池可以在集流体上涂覆更厚的活性材料，从而提高电池的能量密度（活性材料占比越高，电池的能量密度越高）。

更加重要的是，上述锂离子电池内部电路无焊接点，省略了传统工艺中极耳与集流体、极耳与壳底及盖板焊接的工序，可以大幅提高生产线的产能，同时还避免了因焊接差异导致电池内阻波动的问题。此外，由于不含极耳，整个电芯的圆度比多极耳电芯更好，电芯入壳更容易，电池安全性更高、使用寿命更长（电池充电过程中电芯会膨胀变大，椭圆形的电芯入壳后，电芯周围与金属外壳的间隙宽度不一致，充电膨胀时有可能会出现局部挤压金属外壳的情况，长时间反复挤压则可能导致该部位的隔离膜失效，出现短路烧毁电池的情况）。

在上述实施例提供的锂离子电池中，正极汇流盘4为多孔结构或者其与柱状卷芯3上端裸露的正极集流体接触的面凹凸不平。例如多孔结构的正极汇流盘4可以采用泡沫金属材料制成，上述多孔结构的正极汇流盘4与裸露的正极集流体抵接后，在压力作用下，正极集流体顶端产生变形被挤入正极汇流盘4的孔中，这样设计的目的是为了让正极汇流盘4与柱状卷芯3上端裸露的正极集流体接触面更大。

为了让柱状卷芯入壳更容易，见图8所示，金属外壳1顶部开口端的内径大于底部封闭端的内径。具体来说，金属外壳1的内径从顶部开口端往底部封闭端逐渐变小，其中，金属外壳1顶部开口端的内径比底部封闭端的内径大0.05-0.5mm。需要说明的是，金属外壳1的内径并非必须是渐变式的缩小，也可以是分段突变式的变径。

其中，上述实施例的锂离子电池封装前，柱状卷芯3上端裸露的正极集流体以及下端裸露的负极集流体高度均为0.5-5mm，当锂离子电池封装后，柱状卷芯3上端裸露的正极集流体以及下端裸露的负极集流体受压力作用产生变形，导致其高度值均减少20%-80%。

在前述内径从顶部开口端往底部封闭端逐渐变小金属外壳1中，见图3和4所示，汇流盘固定架5包括一中间开孔的绝缘支撑件5b，侧缘绝缘件5a垂直于绝缘支撑件5b并与其连接，正极汇流盘4的顶端从绝缘支撑件5b中间开设的孔中往上伸出并紧紧抵靠住盖板2，侧缘绝缘件5a与金属外壳1紧配，使得所述汇流盘固定架5被卡在金属外壳1内不能移动。首先，内径从顶部开口端往底部封闭端逐渐变小的结构可以便于汇流盘固定架5入壳，由于金属外壳1内径逐渐变小，当到达内径小于侧缘绝缘件5a外径的部位时，侧缘绝缘件5a与金属外壳1紧配，此时汇流盘固定架5被卡在金属外壳1中位置固定，不能再移动，这样设计的好处是在封装盖板2之前可以通过汇流盘固定架5固定正极汇流盘4的位置，使得后续封装盖板2更容易操作。

优选的，在本发明所有实施例中，正极汇流盘4呈圆形或近圆形，正极汇流盘4的厚度为0.2-2mm。同样的，负极汇流盘6也可以做成与正极汇流盘4基本一样的结构，整体圆形或近圆形，厚度控制在0.2-2mm。

其中，金属外壳1壁厚为0.1-1mm、直径为10-100mm、高度为30-300mm。正极集流体及负极集流体的厚度为6-60μm,正极集流体双面涂覆正极浆料后的厚度为40-400μm，负极集流体双面涂覆负极浆料后的厚度为40-400μm。隔离膜3c的厚度为8-80μm，隔离膜3c的孔隙率为20%-80%。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (10)

1.锂离子电池，包括金属外壳（1）、盖板（2）以及设于金属外壳内的柱状卷芯（3），所述柱状卷芯（3）包括正极极片（3a）、负极极片（3b）及隔离膜（3c），其特征在于：

所述正极极片（3a）包括沿其长度方向并排设置的正极浆料涂覆区（3a1）和正极集流体外露区（3a2），所述正极浆料涂覆区（3a1）的正极集流体双面涂覆正极浆料，所述正极集流体外露区（3a2）的正极集流体双面裸露，所述正极集流体外露区（3a2）位于正极浆料涂覆区（3a1）上侧；

所述负极极片（3b）包括沿其长度方向并排设置的负极浆料涂覆区（3b1）和负极集流体外露区（3b2），所述负极浆料涂覆区（3b1）的负极集流体双面涂覆负极浆料，所述负极集流体外露区（3b2）的负极集流体双面裸露，所述负极集流体外露区（3b2）位于负极浆料涂覆区（3b1）下侧；

所述正极集流体外露区（3a2）中裸露的正极集流体位于柱状卷芯（3）的上端，所述负极集流体外露区（3b2）中裸露的负极集流体位于柱状卷芯（3）的下端，所述正极极片（3a）与负极极片（3b）重叠的部分通过隔离膜（3c）分隔开，所述隔离膜（3c）的宽度小于柱状卷芯（3）的高度，所述裸露的正极集流体之间以及所述裸露的负极集流体之间均存在未被隔离膜（3）隔开的重叠部分；

所述盖板（2）下方设有正极汇流盘（4）以及绝缘的汇流盘固定架（5），所述汇流盘固定架（5）包括套在正极汇流盘（4）和所述裸露的正极集流体外侧的侧缘绝缘件（5a）；

所述锂离子电池封装后，所述盖板（2）往下紧压住正极汇流盘（4），所述正极汇流盘（4）往下紧压住柱状卷芯（3）上端裸露的正极集流体，从而使得所述正极极片（3a）与盖板（2）连通；所述柱状卷芯（3）下端裸露的负极集流体往下紧压住金属外壳（1）的壳底或者在所述柱状卷芯（3）与金属外壳（1）的壳底之间设有负极汇流盘（6），所述裸露的负极集流体往下将负极汇流盘（6）紧压在金属外壳（1）的壳底上，从而使得所述金属外壳（1）与负极极片（3b）连通。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极汇流盘（4）为多孔结构或者其与柱状卷芯（3）上端裸露的正极集流体相接触的面凹凸不平。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述金属外壳（1）顶部开口端的内径大于底部封闭端的内径。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于：所述金属外壳（1）的内径从顶部开口端往底部封闭端逐渐变小，所述金属外壳（1）顶部开口端的内径比底部封闭端的内径大0.05-0.5mm。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池封装前，所述柱状卷芯（3）上端裸露的正极集流体以及下端裸露的负极集流体高度均为0.5-5mm，所述锂离子电池封装后，所述柱状卷芯（3）上端裸露的正极集流体以及下端裸露的负极集流体受压力作用产生变形，导致所述裸露的正极集流体和裸露的负极集流体高度值均减少20%-80%。

6.根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于：所述汇流盘固定架（5）包括一中间开孔的绝缘支撑件（5b），所述侧缘绝缘件（5a）垂直于绝缘支撑件（5b）并与其连接，所述正极汇流盘（4）的顶端从绝缘支撑件（5b）中间开设的孔中往上伸出并紧紧抵靠住盖板（2），所述侧缘绝缘件（5a）与金属外壳（1）紧配，使得所述汇流盘固定架（5）被卡在金属外壳（1）内不能移动。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极汇流盘（4）呈圆形或近圆形，所述正极汇流盘（4）的厚度为0.2-2mm。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述金属外壳（1）壁厚为0.1-1mm、直径为10-100mm、高度为30-300mm。

9.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极集流体及负极集流体的厚度为6-60μm, 所述正极集流体双面涂覆正极浆料后的厚度为40-400μm，所述负极集流体双面涂覆负极浆料后的厚度为40-400μm。

10.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述隔离膜（3c）的厚度为8-80μm，所述隔离膜（3c）的孔隙率为20%-80%。