CN107528014A - 动力电池电芯、包含该电芯的锂电池及锂电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力电池电芯，设于动力电池壳体内，所述动力电池电芯外部包裹电池隔膜。本发明的动力电池电芯采用的是无Mylar结构，利用电池隔膜取代Mylar薄膜来对动力电池电芯进行包裹以及防护。同时，本发明中还提供了一种包含有上述动力电池电芯的锂电池，并提供了该锂电池的制备方法。本发明中的锂电池在现有电池的加工产线上无需添加任何多余步骤即可进行制备，制备方法简单易行，且制备出的锂电池内电芯结构稳定、绝缘性好，缓解了电芯内部液体泄漏的隐患。
Description
技术领域
本发明属于动力电池制造技术领域，具体涉及一种动力电池电芯、包含有该电芯的锂电池及锂电池制备方法。
背景技术
纯电动汽车是新能源汽车未来发展的必然趋势，其优点是能源高、无污染，动力电池则被称为纯电动汽车的心脏，其安全性和续航里程是现阶段影响动力电池快速发展的两大瓶颈，尤其是安全性能关系到电动车在车辆市场上的生死存亡。
随着锂离子电池技术的日益成熟，锂离子电池广泛作为动力电池应用于电动汽车领域中。锂离子电池作为动力电池使用时，其生产工艺控制是最为关键的因素，关系着电池的安全性和可持续使用性。现有技术中作为动力电池的锂离子电池一般包括电池外壳和设于外壳内的电池电芯，电池电芯上含有将正负极引出的金属导电体，即正极耳和负极耳，电池外壳则包括容纳支撑电池的外部结构件。锂电池电芯在叠片或者卷绕完成以后，在电芯运转和入壳时容易使正、负极片与极片隔膜之间产生错位，而且极易刮伤电芯表面，从而导致电池内部发生短路，对电池的整体安全性埋下严重的隐患。
现有技术中为了解决上述问题采用了入壳之前对电池电芯进行紧固的方法，使其表面受到一定保护，使用的材料为Mylar薄膜。Mylar薄膜是一种坚韧的聚酯类高分子材料，具有良好的表面平整性透明度和机械柔韧性，广泛应用于包装行业。在动力电池制备工艺中，Mylar薄膜被热封焊接于绝缘片上形成Mylar包装片，从而包裹整个电芯外表面，以达到防止电芯入壳时表面被刮破以及紧固的作用。
在实际的锂离子动力电池制备的过程中却发现，使用Mylar薄膜对电池电芯进行封装尽管能够在一定程度上发挥作用，却同时存在以下问题：
1、Mylar薄膜包裹以后，电池电芯在厚度方向会发生一定量的膨胀，使最终入壳的电芯厚度与设计尺寸存在出入，当批量化进行生产时，总会存在受到厚度尺寸的影响无法正常入壳的电池电芯，从而影响了批量生产的效率。
2、由于受到其本身性质和厚度的影响，一个电芯外部往往只能包裹一层Mylar薄膜，在装配的过程中只要刮破了这一层薄膜，电池电芯就会暴露，存在内部短路的风险。
3、现有的技术中，壳体一般采用铝壳或者是钢壳，电解液如果流到壳体上就会腐蚀壳体，增加电解池泄漏的危险，Mylar的耐腐蚀能力和机械强度对于一些要求较高的动力电池来说无法达到使用要求。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种新型的动力电池电芯。本发明的动力电池电芯采用的是无Mylar结构，利用电池隔膜在电池电芯外部进行包裹防护。同时，本发明中还提供了一种包含有上述动力电池电芯的锂电池，并提供了该锂电池的制备方法。本发明中的锂电池在现有电池的加工产线上无需添加任何多余步骤即可进行制备，制备方法简单易行，且制备出的锂电池内电芯结构稳定、绝缘性好，缓解了电芯内部液体泄漏的隐患。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中提供的一种动力电池电芯，设于动力电池壳体内，所述动力电池电芯外部包裹电池隔膜。
进一步地，所述电池隔膜的包裹层数为4-8层。
现有技术中的电池电芯采用的是正极/电池隔膜/负极/电池隔膜的结构，电池电芯的制备过程中将正负极与分隔两者的电池隔膜进行卷绕，形成圆柱状的结构，也被称为裸电芯。电池隔膜作为绝缘分隔材料将正极与负极材料隔离开，防止内部短路。裸电芯卷制完毕后，在裸电芯外部包裹一层Mylar薄膜用以固定及保护。
本发明中动力电池电芯与现有技术中不同，采用无Mylar结构，利用电池隔膜包裹电芯外部。电池隔膜是具有多孔结构的电绝缘性薄膜，现有技术中是锂离子电池关键的内层组件，主要作用是将电池的正负两极分隔开来，防止两极直接接触发生短路，并且具有使电解质离子通过的功能，在电池过热时通过闭孔功能来阻隔电池中的电流传导，故电池隔膜往往具有高的离子通过率、良好的机械性能和耐溶剂性能，为安全性考虑，一些电池隔膜还具有较低的闭孔温度和较高的熔断温度。本发明中即主要利用了电池隔膜的上述特性，将电池隔膜应用于电池电芯的外部包裹固定。考虑到实际应用和制备过程，电池隔膜的包裹层数优选为4-8层，该层数与目前使用的动力电池电芯的尺寸有关，在目前动力电池尺寸以及封装结构的条件下，4-8层是最优化的选择。对于目前电动汽车中动力电池的应用，选择4-6层即可满足需求，不仅成本合理而且能够提升电池的安全性。
所述电池隔膜可使用聚烯烃隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或者复合电池隔膜中的一种。进一步地，所述电池隔膜包括基础隔膜层和保护膜层，所述保护膜层位于基础隔膜层的至少一侧；所述基础隔膜层为聚烯烃隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或者复合电池隔膜中的一种；所述保护膜层为阻燃纤维素隔膜或者陶瓷层；所述保护膜层至少为1层。使用具有保护膜层或者耐高温膜层的隔膜可进一步增加电池电芯的安全性。
进一步地，所述阻燃纤维素隔膜厚度为5-8μm，孔隙率为50-80%，电解液吸收率为150-300%，拉伸强度为140-180Mpa，且在150-180℃范围内尺寸收缩率均小于0.05%。进一步地，所述陶瓷层为氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化铪中的一种或者多种；所述陶瓷层厚度为1-2μm。
优选上述阻燃纤维素隔膜或者包含有陶瓷层的隔膜可有效保护隔膜外侧，尤其是针对动力电池这一类高安全性、高使用性要求的产品，一旦某个或者数个电芯发生泄漏或者内部短路，外部隔膜可有效将其隔离，在一定时间内避免对整体电池pack产生影响。
进一步地，所述动力电池电芯包括正极极片、正极耳、负极极片、负极耳和电池隔膜，所述正极极片上设有正极耳，所述负极极片上设有负极耳，所述正极耳和负极耳分别通过极耳转接片连接正极柱和负极柱。
本发明中还提供一种包含有上述电池电芯的锂电池。
进一步地，所述锂电池包括：
适配组装的壳体和顶盖；
电极，包括设置于所述壳体上的正极和负极，所述正极包括正极柱，所述负极包括负极柱；
电池电芯，装设于壳体内部，所述正极耳和负极耳分别通过极耳转接片连接正极柱和负极柱。
本发明中还提供一种上述锂电池的制备方法：在所述锂电池的电池电芯进行Hi-pot测试之前，待电池电芯绕卷收尾后，在电池电芯外部包裹电池隔膜，除了将正极极耳和负极极耳拉出分别通过极耳转接片连接正极柱和负极柱以外，电池隔膜对电池电芯进行全包裹，包裹完毕后进行后续生产工艺。在制备过程中，由于采用的是直接利用电池隔膜进行包裹，故可以省去现有技术中的顶部支架，在电池极耳和极耳转接片连接以后，折叠极耳和极耳转接片时只需在其对应位置贴上绝缘塑胶即可，这样就可以减轻电池的重量，提升电池电芯的能量密度。
进一步地优化上述制备方法，可在待电池电芯绕卷收尾时直接利用分隔正极极片和负极极片的电池隔膜对电芯外部进行包裹。一方面，直接利用电芯内部隔膜材料充当包裹的隔膜材料可以节省工序步骤， 减少收尾后切断原隔膜材料，再换取另一种隔膜材料进行包裹这一工艺步骤；另一方面，直接利用电芯内部隔膜材料充当包裹的隔膜材料材料时，由于结构上的设定，可在一定程度上节省所需的包裹隔膜材料，利用相同尺寸的隔膜材料可以进行更大面积的包裹，节省包裹所需的隔膜材料。
本发明具有以下优点：
1、本发明中的动力电池电芯采用无Mylar结构，利用电池隔膜取代Mylar薄膜来对动力电池电芯进行包裹以及防护。
2、在制备工艺上，减少了现有技术中Mylar薄膜与电芯底部托盘以及顶部支架之间的热熔焊接工艺步骤，简化了整体制备工艺，提升了电池电芯的加工效率。
3、在电池结构上，由于采用的是直接利用电池隔膜进行包裹，故可以省略顶部支架，在电池极耳和极耳转接片连接以后，折叠极耳和极耳转接片时只需在其对应位置贴上绝缘塑胶即可，这样就可以减轻电池的重量，提升电池电芯的能量密度。
4、由于采用的是电池隔膜进行最外部的包裹，电池隔膜是具有多孔结构的电绝缘性薄膜，其物理力学性能和绝缘性远远优于Mylar薄膜。最重要的，外部包裹的电池隔膜在电芯收尾区域可吸收电解液，增加了电池电芯整体的吸收量，使电芯内极片得到充分浸润，利于活性物质充分发挥效能。
5、采用电池隔膜进行最外部的包裹可有效提升安全性能，若电池电芯内部发生破裂损坏，外部隔膜可有效地缓解电解液腐蚀金属壳体，造成电池pack整体失效。
附图说明
图1为本发明中锂电池的结构图；
图2为本发明中锂电池的装配剖面图；
图3为本发明中动力电池电芯的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
本实施例中提供的动力电池电芯以及包含该电芯的锂电池的结构如附图1-3所示。
Mylar薄膜包裹电池电芯外部的工艺由来已久，广泛应用于各种动力电池的结构中，在现有技术中动力电池的制备工艺中，将极片卷绕好以后即利用Mylar薄膜进行全包裹，包裹完毕后将电芯入壳，封装后制备得到完整的动力电池。由于Mylar薄膜本身材质的限制，使用其包裹的电芯在厚度方向会发生一定量的膨胀，影响最终入壳的电芯厚度尺寸，批量化生产时，会产生一定比例的不良。同时，由于Mylar薄膜只是普通的高分子聚合物薄膜，在装配过程中强度、耐刮擦性和耐腐蚀性一般，一旦装配过程中发生剐蹭或者电芯内部液体渗出，Mylar薄膜立即失效，电池整体立即发生短路，造成严重危害。在制备工艺方面，Mylar与电芯底部托盘以及顶部支架之间需利用热熔焊接工艺进行固定，工艺繁琐且不能保证良率，降低了电池整体的装配效率。尤其是随着电动汽车行业的发展，对动力电池的要求也越来越高，在保证安全性的同时还需要提升动力电池的能量密度和可加工性能，这样看来，Mylar薄膜及其加工工艺已经无法满足需求。
本实施例中动力电池电芯与现有技术中不同，采用无Mylar结构，利用电池隔膜包裹电芯外部。电池隔膜是具有多孔结构的电绝缘性薄膜，现有技术中是锂离子电池关键的内层组件，主要作用是将电池的正负两极分隔开来，防止两极直接接触发生短路，并且具有使电解质离子通过的功能，在电池过热时通过闭孔功能来阻隔电池中的电流传导，故电池隔膜往往具有高的离子通过率、良好的机械性能和耐溶剂性能，为安全性考虑，一些电池隔膜还具有较低的闭孔温度和较高的熔断温度。本发明中即主要利用了电池隔膜的上述特性，将电池隔膜应用于电池电芯的外部包裹起到对电芯的防护作用。
应用上述结构的动力电池电芯的结构如附图3所示，电池电芯位于内部，标号201、202为两极耳，电芯外部包裹有多层电池隔膜。考虑到实际应用和制备过程，电池隔膜的包裹层数优选为4-8层，该层数与目前使用的动力电池电芯的尺寸有关，在目前动力电池尺寸以及封装结构的条件下，4-8层是最优化的选择。对于目前电动汽车中动力电池的应用，选择4-6层即可满足需求，不仅成本合理而且能够提升电池的安全性。在此需知，一旦动力电池的要求发生改变，电池隔膜包裹层数可根据需求进行调整，该层数并非是一成不变的。
进行优化选择，本发明中的电池隔膜可选为聚烯烃隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或者复合电池隔膜中的一种。
在电池隔膜本身的基础上，本发明的发明人考虑到进一步提升电池电芯的安全性和扩充电池电芯的能量密度，可进一步优化所选择使用的电池隔膜材料。如本实施例中所使用的电池隔膜包括基础隔膜层和保护膜层，所述保护膜层位于基础隔膜层的至少一侧；所述基础隔膜层为聚烯烃隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或者复合电池隔膜中的一种；所述保护膜层为阻燃纤维素隔膜或者陶瓷层；所述保护膜层至少为1层。
所使用的阻燃纤维素隔膜厚度为5-8μm，孔隙率为50-80%，电解液吸收率为150-300%，拉伸强度为140-180Mpa，且在150-180℃范围内尺寸收缩率均小于0.05%。所使用的陶瓷层为氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化铪中的一种或者多种；所述陶瓷层厚度为1-2μm。阻燃纤维素隔膜具有良好的电解液浸润性，且具有较高的拉伸强度、优异的阻燃性能和耐高温性能。陶瓷层则具有阻燃、高强度的特点，作为保护电池电芯内部结构以及防止电芯被划伤或者刮破具有非常显著的性能。在实践使用过程中，应用上述1层阻燃纤维素隔膜或者陶瓷层与基础隔膜层复合所制成的电池隔膜可完全避免在电芯入壳过程中所产生的不良，而且外部包裹的电池隔膜在电芯收尾区域可吸收电解液，增加了电池电芯整体的吸收量，使电芯内极片得到充分浸润，利于活性物质充分发挥效能。在进行安全试验时，利用本发明中的电池电芯的锂电池内部一旦发生破损，电芯内部液体会锁紧于包裹的电池隔膜内，不会发生泄漏，有效地缓解电解液腐蚀金属壳体，检修到此处时，更换该电池即可，而使用Mylar结构的锂电池，一旦内部电芯破损，则会发生较大面积的泄露，影响整个电池pack结构。
本实施例中动力电池电芯如附图2所示，包括正极极片（未标示）、正极耳201、负极极片（未标示）、负极耳202和电池隔膜（未标示），正极极片上设有正极极耳转接片104，负极极片上设有负极极耳转接片107，正极极耳转接片和负极极耳转接片分别连接正极耳和负极耳。在电池结构上，由于采用的是直接利用电池隔膜进行包裹，故可以省略现有锂电池结构中的顶部支架，在电池极耳和极耳转接片连接以后，折叠极耳和极耳转接片时只需在其对应位置贴上绝缘塑胶即可，这样就可以减轻电池的重量，提升电池电芯的能量密度。
本实施例中提供的锂电池如附图1，包括适配组装的壳体30和顶盖10。还包括设置于壳体上的正极和负极，正极包括正极柱103，负极包括负极柱106，两极柱分别连接正极导电块102和负极导电块105。锂电池还包括装置与壳体内部的电池电芯20，正极耳201和负极耳202分别通过正极极耳转接片和负极极耳转接片连接正极柱和负极柱。
制备本实施例中锂电池的工艺步骤与现有技术中大体相同，除了：在所述锂电池的电池电芯进行Hi-pot测试之前，待电池电芯绕卷收尾后，在电池电芯外部包裹电池隔膜，除了将正极极耳和负极极耳拉出分别通过极耳转接片连接正极柱和负极柱以外，电池隔膜对电池电芯进行全包裹，包裹完毕后进行后续生产工艺。所述后续生产工艺指现有技术中的注液、负压化成、He检验等生产工艺。进一步地优化上述制备方法，可在待电池电芯绕卷收尾时直接利用分隔正极极片和负极极片的电池隔膜对电芯外部进行包裹，即包裹电芯外部的电池隔膜由分隔正极片和负极片的电池隔膜延伸包裹。一方面，直接利用电芯内部隔膜材料充当包裹的隔膜材料可以节省工序步骤， 节省收尾后切断原隔膜材料，再换取另一种隔膜材料进行包裹这一工艺步骤；另一方面，直接利用电芯内部隔膜材料充当包裹的隔膜材料时，由于结构上的设定，可在一定程度上节省所需的包裹隔膜材料，利用相同尺寸的隔膜材料可以进行更大面积的包裹，节省包裹所需的隔膜材料。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种动力电池电芯，设于动力电池壳体内，其特征在于：所述动力电池电芯外部包裹电池隔膜。
2.如权利要求1所述动力电池电芯，其特征在于：所述电池隔膜的包裹层数为4-8层。
3.如权利要求1所述动力电池电芯，其特征在于：所述电池隔膜包括基础隔膜层和保护膜层，所述保护膜层位于基础隔膜层的至少一侧；所述基础隔膜层为聚烯烃隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或者复合电池隔膜中的一种；所述保护膜层为阻燃纤维素隔膜或者陶瓷层；所述保护膜层至少为1层。
4.如权利要求3所述动力电池电芯，其特征在于：所述阻燃纤维素隔膜厚度为5-8μm，孔隙率为50-80%，电解液吸收率为150-300%，拉伸强度为140-180Mpa，且在150-180℃范围内尺寸收缩率均小于0.05%。
5.如权利要求3所述动力电池电芯，其特征在于：所述陶瓷层为氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化铪中的一种或者多种；所述陶瓷层厚度为1-2μm。
6.如权利要求1-5任一所述动力电池电芯，其特征在于：所述动力电池电芯包括正极极片、正极耳、负极极片、负极耳和电池隔膜，所述正极极片上设有正极耳，所述负极极片上设有负极耳，所述正极耳和负极耳分别通过极耳转接片连接正极柱和负极柱。
7.一种锂电池，其电池电芯为如权利要求1-6任一所述。
8.如权利要求7所述锂电池，其特征在于，包括：
适配组装的壳体和顶盖；
电极，包括设置于所述壳体上的正极和负极，所述正极包括正极柱，所述负极包括负极柱；
电池电芯，装设于壳体内部，所述正极耳和负极耳通过极耳转接片分别连接正极柱和负极柱。
9.一种制备如权利要求8所述锂电池的方法，其特征在于：在所述锂电池的电池电芯进行Hi-pot测试之前，待电池电芯绕卷收尾后，在电池电芯外部包裹电池隔膜，除了将正极极耳和负极极耳拉出分别通过极耳转接片连接正极柱和负极柱以外，电池隔膜对电池电芯进行全包裹，包裹完毕后进行后续生产工艺。
10.如权利要求9所述锂电池制备方法，其特征在于：待电池电芯绕卷收尾时直接利用分隔正极极片和负极极片的电池隔膜对电芯外部进行包裹。
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