CN107607873A - 圆柱电池原位三电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：提供圆柱壳体，对所述圆柱壳体进行打孔处理，形成孔洞；将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷过程中植入微米金属丝，其中，所述微米金属丝设置在所述正极和所述负极之间，且分别通过隔膜与所述正极、所述负极隔开，所述微米金属丝为不与锂离子发生反应的微米金属丝；将所述电芯置于所述圆柱壳体中，并将所述微米金属丝从所述孔洞引出，形成参比电极；采用密封胶将所述孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

Description

圆柱电池原位三电极及其制备方法

技术领域

本发明属于圆柱电池制备技术领域，尤其涉及一种圆柱电池原位三电极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种能量存储装置广泛应用于日常生活中，为我们的生活提供便捷的移动服务，如移动电话中的储能电池。目前，动力电池处于大范围推广阶段，但其能量密度和耐久性还需要进行进一步的提升才能满足人们日常生活的需求。在储能领域，锂离子电池作为能量的存储装置为零星的能量提供能量转换功能。

锂离子电池的应用为人们的日常生活带来了极大的便利，但是，目前市场上基于氧化物正极、石墨/硅基负极体系的锂离子电池，仍然存在一定的技术难题需要攻克，随着能量密度提升，体系循环性能、功率特性和安全性都需要系统研究，而三电极技术是一种能原位地测试电池电压工作区间的手段，能分析电池正负极工作电位、电极极化情况。

在软包电池技术上，三电极已经有相应的应用。但是鉴于圆柱电池特殊结构，目前，通过先制备三电极、然后通过切割在圆柱下部开口的方法制备圆柱电池原位三电极。但是，切割过程中导致电芯内部的松紧度、电池内部填充物含量受到影响，由此得到的圆柱电池三电极，其电池性能受到影响，准确性较差，且不能实现原位测试。目前为止，还没有科学的方法来进行圆柱电池原位三电极技术的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆柱电池原位三电极及其制备方法，旨在解决现有圆柱电池三电极需要进行切割处理，影响电池性能，导致测试准确性较差的问题。

本发明是这样实现的，一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：

S01.提供圆柱壳体，对所述圆柱壳体进行打孔处理，形成孔洞；

S02.将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷过程中植入微米金属丝，其中，所述微米金属丝设置在所述正极和所述负极之间，且分别通过隔膜与所述正极、所述负极隔开，所述微米金属丝为不与锂离子发生反应的微米金属丝；

S03.将所述电芯置于所述圆柱壳体中，并将所述微米金属丝从所述孔洞引出，形成参比电极；

S04.采用密封胶将所述孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

本发明所述原位三电极为实时在线测试工作电极电位的电极。本发明提供的圆柱电池原位三电极的制备方法，在圆柱体系结构的基础上，采用微米金属丝作为参比电极，在绕卷过程中直接植入电芯中。由于所述微米金属丝尺寸较小，和隔膜尺度相当，在绕卷过程中直接植入，不会影响电芯内部结构，具体的，对电芯内部的松紧度、电池内部填充物的含量都不会产生影响，这和传统的圆柱下部开口的圆柱电池三电极存在本质的差别，由此制备的圆柱电池原位三电极能原位的表征电池内部的真实信息，准确地测试电池的正负极电极电位与内阻，为圆柱电池电极电位、内部机理研究与体系优化提供了基础与依据。此外，有别于圆柱下部开口的三电极方式，采用本发明方法制备的圆柱电池原位三电极，使得电芯内部的三电极同时进行原位测量，进一步提高了测试的准确性。

具体的，上述步骤S01中，所述圆柱壳体为常规的圆柱电池用壳体，在所述圆柱壳体进行打孔处理，从而为参比电极的外部链接提供通道。

优选的，所述打孔处理为激光打孔。有别于常规的钻孔或打孔方式，通过激光打孔，可以避免形成的孔洞周围形成毛刺，特别是所述壳体的内壁留下毛刺，可以防止电池的隔膜等外部束缚物被破坏，影响电池三电极的性能。此外，所述激光打孔的方式更为灵活可控，不需要依赖于特定的工具或模具，即可对所述孔洞的大小进行控制。采用激光开孔后的圆柱壳体结构如图1所示。

本发明中，所述孔洞的大小只需满足下述步骤所述微米金属丝能够穿行即可，即所述孔洞的大小大于所述微米金属丝的大小，没有严格的限制，原则上，越小越好。

上述步骤S02中，将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，可以采用常规的方式实现，但与常规不同的是，本发明在绕卷过程中植入微米金属丝，所述微米金属丝作为圆柱电池原位三电极的参比电极材料。优选的，所述绕卷过程中，在绕卷电芯最外层时植入微米金属丝，从而可以在保证圆柱电池原位三电极结构的前提下，避免植入的微米金属丝的卷绕次数过多影响电芯内部的松紧度、电池内部填充物的含量，进而对测试准确性造成影响。绕卷结束后，应保留合适长度的微米金属丝用于(穿过孔洞)与外部连接。

需要说明的是，所述微米金属丝的直径为微米级别，从而在植入时不影响电芯内部结构，具体的，对电芯内部的松紧度、电池内部填充物的含量都不会产生影响。进一步优选的，所述微米金属丝的直径为10-50μm。直径在此范围的所述微米金属丝，能够更好地保证上述效果的实现，从而可以更准确地表征电池内部的真实信息，准确地测试电池的正负极电极电位与内阻。具体的，所述微米金属丝的直径可以为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm等具体数值。

本发明中，所述微米金属丝为不与锂离子发生反应的微米金属丝，从而保证其作为参比电极的作用。具体优选的，所述微米金属丝为微米铜丝、微米铂丝、微米镍丝中的一种，当然，应当理解，其它能够满足上述要求的微米金属丝也在本发明的保护范围内。本发明更优选为价格较低、来源广泛、且效果更佳的微米铜丝。

具体的，在绕卷过程中植入微米金属丝，所述微米金属丝设置在所述正极和所述负极之间，且分别通过隔膜与所述正极、所述负极隔开(即负极和微米金属丝之间、正极和微米金属丝之间采用隔膜隔离)，由此实现电子绝缘。

本发明中，所述微米金属丝在所述电芯中的水平位置，优选与所述孔洞在所述电池壳体的水平位置相同，从而有利于所述微米金属丝从所述孔洞引出，形成参比电极。倘若所述微米金属丝在所述电芯中的水平位置与所述孔洞在所述电池壳体的水平位置有偏差，则可以采用绝缘材料如隔膜包覆所述电芯与所述孔洞中间的微米金属丝部分，实现电子绝缘。

本发明中，优选的，在植入微米金属丝之前，还包括对所述微米金属丝进行预处理，去除表面绝缘层，避免表面绝缘层对圆柱电池原位三电极性能的影响。作为一种具体优选方式，所述预处理的方法为：将所述微米金属丝在浓硫酸中浸泡15-60min后，进行清洗处理。当然，预处理的方法不限于此。进一步的，清洗处理采用分析纯级别的有机溶液，更优选为温和的醇液，如分析纯乙醇。

上述步骤S03中，将所述电芯置于所述圆柱壳体中，即入壳处理。所述入壳处理可以参照常规的方法实现。进一步的，在入壳后，将所述微米金属丝从所述孔洞引出，形成参比电极。入壳处理后的圆柱电池三电极结构如图2所示。

上述步骤S04中，对圆柱电池进行封口处理，此外，本发明需要采用密封胶将所述孔洞进行封固处理，以形成圆柱电池原位三电极。当然，封口和封固处理没有严格的先后顺序。由于锂离子电池电解液存在较大的腐蚀性，而形成的圆柱电池原位三电极还需要进行进一步的化成和后续工作，化成和后续工作过程中存在较大的内部压力，若封装不好则会影响圆柱电池原位三电极的结构。优选的，本发明所述密封胶为紫外胶。所述紫外胶具有优异的耐腐蚀特性和高强度特性，采用所述紫外胶进行封装，能较好的保证圆柱电池原位三电极的结构稳定性和三电极的可靠性。

作为本发明一种优选情形，一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：

提供圆柱壳体，对所述圆柱壳体进行激光打孔，形成孔洞；

将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷电芯最外层时植入微米铜丝，其中，所述微米铜丝设置在所述正极和所述负极之间，且分别通过隔膜与所述正极、所述负极隔开；

将所述电芯置于所述圆柱壳体中，并将所述微米铜丝从所述孔洞引出，形成参比电极；

采用紫外胶将所述孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

本发明提供的优选情形，在圆柱壳体上制备了原位三电极测试装置，在测试过程中，可以准确的测试电池正极、负极的电极电位，分析正极和负极的电位工作区间。在测试电池电压同时，能对正极和负极进行交流阻抗与直流阻抗测试，测试正极和负极的内阻信息，为电池的优化设计、失效分析提供准确的测试数据，提供理论支撑。

本发明还提供了一种圆柱电池原位三电极，包括圆柱壳体以及套设于所述圆柱壳体内的电芯，其中，所述圆柱壳体开设有孔洞，所述电芯设置参比电极，所述参比电极为微米金属丝，所述微米金属丝通过所述孔洞外延，且所述微米金属丝设置在所述电芯的正极和负极之间，并分别通过隔膜与所述正极、所述负极隔开；所述孔洞处设置有用于封固的密封胶。

优选的，所述微米金属丝绕设于所述电芯的最外层。

本发明中，所述圆柱电池原位三电极优选为上述方法制备得到的圆柱电池原位三电极。

本发明提供的圆柱电池原位三电极，在测试过程中，可以准确的测试电池正极、负极的电极电位，分析正极和负极的电位工作区间。在测试电池电压同时，能对正极和负极进行交流阻抗与直流阻抗测试，测试正极和负极的内阻信息，准确性高。

附图说明

图1是本发明提供的采用激光开孔后的圆柱壳体结构示意图；

图2是本发明提供的入壳处理后的圆柱电池三电极结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的圆柱电池原位三电极电位图；

图4是本发明实施例1提供的圆柱电池原位三电极的交流阻抗测试结果图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：

S11.提供圆柱壳体，对圆柱壳体进行激光打孔处理，形成孔洞；

S12.提供微米铜丝进行处理，采用浓硫酸(质量分数为98％)处理，清洗除掉表面的绝缘层。将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷电芯最外层时植入微米铜丝，其中，微米铜丝设置在正极和负极之间，且分别通过隔膜与正极、负极隔开；

S13.将电芯置于圆柱壳体中，并将微米铜丝从孔洞引出，形成参比电极；

S14.采用紫外胶将孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

S15.对植入圆柱电池中的超微参比电极进行镀锂，测试正极和参比、负极和参比电位，当正极/参比和负极/参比电位稳定时停止镀锂，进行后续的电压监测测试与三电极阻抗测试。

将本发明实施例制备得到的圆柱电池原位三电极进行测试，具体的，将圆柱电池原位三电极进行充电过程中的正极电位、负极电位和全电池测试电压，测试结果如图3所示，由图可见，其正极和负极都能准确的测试相应的材料相变过程，说明圆柱电池原位三电极对正负极的电位有较好的表征结果，因此发明装置能准确的表征电池的正负极电位。将圆柱电池原位三电极进行交流阻抗测试，测试结果如图4所示，其中，Z’表示阻抗实部，Z”表示阻抗虚部。由图可见，本发明通过原位的方式，能准确的测试电池正极和负极的交流阻抗结果，分别测试正极和负极的欧姆内阻、成膜情况和电化学反应情况，为电池优化提供了准确的机理信息。

实施例2

一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：

S21.提供圆柱壳体，对圆柱壳体进行打孔处理，形成孔洞；

S22.提供微米铂丝进行预处理，去除表面的绝缘层。将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷电芯最外层时植入微米铂丝，其中，微米铂丝设置在正极和负极之间，且分别通过隔膜与正极、负极隔开，微米铂丝的直径为10μm；

S23.将电芯置于圆柱壳体中，并将微米铂丝从孔洞引出，形成参比电极；

S24.采用紫外胶将孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

实施例3

一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：

S31.提供圆柱壳体，对圆柱壳体进行激光打孔处理，形成孔洞；

S32.提供微米镍丝进行预处理，去除表面的绝缘层。将将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷电芯最外层时植入微米镍丝，其中，微米镍丝设置在正极和负极之间，且分别通过隔膜与正极、负极隔开，微米镍丝的直径为20μm；

S33.将电芯置于圆柱壳体中，并将微米镍丝从孔洞引出，形成参比电极；

S34.采用密封胶将孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

实施例4

一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：

S41.提供圆柱壳体，对圆柱壳体进行激光打孔处理，形成孔洞；

S42.提供微米铜丝进行处理，采用浓硫酸(质量分数为98％)处理30min，分析纯乙醇清洗除掉表面的绝缘层。将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷电芯最外层时植入微米铜丝，其中，微米铜丝设置在正极和负极之间，且分别通过隔膜与正极、负极隔开，微米铜丝的直径为30μm；

S43.将电芯置于圆柱壳体中，并将微米铜丝从孔洞引出，形成参比电极；

S44.采用紫外胶将孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

实施例5

一种圆柱电池原位三电极的制备方法，包括以下步骤：

S51.提供圆柱壳体，对圆柱壳体进行激光打孔处理，形成孔洞；

S52.提供微米铜丝进行预处理，去除表面的绝缘层。将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷电芯最外层时植入微米铜丝，其中，微米铜丝设置在正极和负极之间，且分别通过隔膜与正极、负极隔开，微米铜丝的直径为40μm；

S53.将电芯置于圆柱壳体中，并将微米铜丝从孔洞引出，形成参比电极；

S54.采用紫外胶将孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

实施例6

一种圆柱电池原位三电极，包括圆柱壳体以及套设于圆柱壳体内的电芯，其中，圆柱壳体开设有孔洞，电芯设置参比电极，参比电极为微米金属丝，微米金属丝绕设于电芯的最外层、并通过所述孔洞外延，且微米金属丝设置在所述电芯的正极和负极之间，并分别通过隔膜与正极、负极隔开；孔洞处设置有用于封固的密封胶。

以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供圆柱壳体，对所述圆柱壳体进行打孔处理，形成孔洞；

将正极、负极和隔膜绕卷形成电芯，且在绕卷过程中植入微米金属丝，其中，所述微米金属丝设置在所述正极和所述负极之间，且分别通过隔膜与所述正极、所述负极隔开，所述微米金属丝为不与锂离子发生反应的微米金属丝；

将所述电芯置于所述圆柱壳体中，并将所述微米金属丝从所述孔洞引出，形成参比电极；

采用密封胶将所述孔洞进行封固处理，制备圆柱电池原位三电极。

2.如权利要求1所述的圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，所述绕卷过程中，在绕卷电芯最外层时植入微米金属丝。

3.如权利要求1所述的圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，所述打孔处理为激光打孔。

4.如权利要求1所述的圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，所述密封胶为紫外胶。

5.如权利要求1-4任一项所述的圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，所述微米金属丝的直径为10-50μm。

6.如权利要求1-4任一项所述的圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，所述微米金属丝为微米铜丝、微米铂丝、微米镍丝中的一种。

7.如权利要求1-4任一项所述的圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，在植入微米金属丝之前，还包括对所述微米金属丝进行预处理，去除表面绝缘层。

8.如权利要求7所述的圆柱电池原位三电极的制备方法，其特征在于，所述预处理的方法为：将所述微米金属丝在浓硫酸中浸泡15-60min后，进行清洗处理。

9.一种圆柱电池原位三电极，其特征在于，包括圆柱壳体以及套设于所述圆柱壳体内的电芯，其中，所述圆柱壳体开设有孔洞，所述电芯设置参比电极，所述参比电极为微米金属丝，所述微米金属丝通过所述孔洞外延，且所述微米金属丝设置在所述电芯的正极和负极之间，并分别通过隔膜与所述正极、所述负极隔开；所述孔洞处设置有用于封固的密封胶。

10.如权利要求9所述的圆柱电池原位三电极，其特征在于，所述微米金属丝绕设于所述电芯的最外层。