一种具有高安全性极片的锂离子电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域,具体涉及一种具有高安全性极片的锂离子电池及其制造方法。
背景技术
随着世界各国对节能、环保的要求不断提高,可充电的锂离子电池必将替代传统的镍氢电池、铅酸电池等,成为化学电源的主角,并广泛应用于便携式电子产品、电动汽车、储能电站等领域。当前,锂离子电池能量密度越做越高,在使用过程中,锂离子电池在遭受高温、跌落等过程中隔离膜翻折导致阴阳极接触短路等产生热失控的风险也会越高。在大倍率充放电时,锂离子电池的温升较高,特别是极耳处,存在局部过热、隔离膜收缩导致阴阳极接触的风险。为了赢得消费者的信赖,确保消费者的生命和财产安全,提高安全性能是发展锂离子电池的重中之重。
为了提升锂离子电池的安全性能,现有技术往往是在电解液中添加阻燃剂、过充添加剂等,但此种做法会损害电芯的电化学性能,不能从根本上解决问题。
公开号为“CN 206250283”的专利文件公开了“一种阴极极片及电芯”,公开号为“CN206250284”的专利文件公开了“一种阴极极片和阳极极片”,在阴极或阳极极片和/或阴极或阳极极耳上设置绝缘层,防止高温气氛下因隔离膜收缩引起的阴阳极短路,从而提高电芯的安全性能。但是在隔离膜收缩严重的情况下,因绝缘层的宽度有限,不能起到绝缘作用。
鉴于此,有必要提供一种具有高安全性极片的锂离子电池及其制造方法,同时又不影响电芯的电化学性能。
在锂电池领域中,所说极片的高度都不包括极耳的高度,极片分为阳极极片和阴极极片,相对应的阳极极片的极耳为阳极极耳,阴极极片上的极耳为阴极极耳,集流体分为阴极集流体和阳极集流体。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有高安全性极片的锂离子电池及其制造方法,能够提高锂离子电池的安全性能。
为实现上述目的,本发明提出一种具有高安全性极片的锂离子电池,包括壳体,所述壳体内设有裸电芯,所述裸电芯包括阴极极片和阳极极片,所述阴极极片和阳极极片交错叠放设置或卷绕设置,所述阳极极片和阴极极片之间设有隔离膜,所述阳极极片或阴极极片设有极耳的一端的两面以及与极耳相对的一端的两面设有若干胶条,所述胶条和相邻的隔离膜粘贴相连。
进一步改进的,所述阴极极片包括阴极集流体,所述阴极集流体两面均设有阴极活性物质涂条,两阴极活性物质涂条重合;所述阳极极片包括阳极集流体,所述阳极集流体两面均设有阳极活性物质涂条,两阳极活性物质涂条重合;所述胶条设在阴极活性物质涂条的两侧或阳极活性物质涂条的两侧。
进一步改进的,所述胶条相互平行且间隔相等。
进一步改进的,所述胶条垂直于阴极活性物质涂条或阳极活性物质涂条。
本发明还公开了一种上述高安全性极片的锂离子电池的制造方法,其采用的技术方案如下:
一种上述高安全性极片的锂离子电池的制造方法,包括以下步骤:
包括制取阴极极片和制取阳极极片;
制取阴极极片包括以下步骤:
A1:制取阴极浆料;
A2:制取阴极极片,将步骤A制得的阴极浆料在阴极集流体一面上涂覆若干平行的阴极活性物质涂条,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后再在阴极集流体的另一面涂覆若干平行的阴极活性物质涂条,不同面的阴极活性物质涂条一一对应且重合,然后进入烤箱烘烤,烘干后制得阴极膜片;在阴极活性物质涂条两侧分别涂胶条,并在每条阴极活性物质涂条任意一侧的胶条远离阴极活性物质涂条的一侧留出一截空白的阴极集流体;然后依次进行辊压、分条和模切或裁切制成阴极极片;
将制成的阴极极片、阳极极片和隔离膜组装成裸电芯,再依次将裸电芯进行顶侧封、注液、浸润、化成,在化成时将胶条与隔离膜粘贴相连,最后通过二封、分容等工序后制成成品电芯。
进一步改进的,在步骤A中的阴极极片不涂胶条,而将胶条涂在阳极极片上,则制取阳极极片包括以下步骤:
B1:制取阳极浆料;
B2:制取阳极极片,将步骤B制得的阳极浆料在阳极集流体一面上涂覆若干平行的阳极活性物质涂条,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后再在阳极集流体的另外一面涂覆若干平行的阳极活性物质涂条,不同面的阳极活性物质涂条一一对应且重合,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后制得阳极膜片;在阳极活性物质涂条两侧分别涂胶条,并在每条阳极活性物质涂条任意一侧的胶条远离阳极活性物质涂条的一侧留出一截空白的阳极集流体;然后通过辊压、分条和模切或裁切制成阳极极片。
进一步改进的,所述胶条材料为热熔胶,所述胶条长度为2mm~6mm,相邻胶条的间距为1mm~6mm,胶条的宽度为2mm~5mm。
进一步改进的,模切后阴极极片活性物质涂条高度比模切后阳极极片活性物质涂条高度至少小2mm;将阴极极片、阳极极片和隔离膜按照卷绕或叠片的方式组装成裸电芯,当采用叠片工艺时,模切后阴极极片的宽度比阳极极片的宽度至少小2mm。
进一步改进的,所述胶条的厚度小于阴极活性物质涂条或阳极活性物质涂条的厚度。
进一步改进的,所述胶条与阴极活性物质涂条或阳极活性物质涂条垂直,所述阴极活性物质涂条或阳极活性物质涂条同一侧的胶条相互平行且等距设置。
进一步改进的,制取阳极浆料包括以下步骤:称取石墨、导电剂、CMC和SBR,质量百分比依次为95%、1.5%、1.2%和2.3%,溶剂为去离子水。在双行星式真空搅拌机中将上述材料进行搅拌,制成均匀稳定的阳极浆料。
进一步改进的,制取阴极浆料包括以下步骤:称取镍钴锰酸锂、SP、KS-6和PVDF,质量百分比依次为94.5%、2.0%、1.5%和2.0%,溶剂为NMP。在双行星式真空搅拌机中将上述材料进行搅拌,制成均匀稳定的阴极浆料。
与现有技术相比,本发明技术方案的有益效果:
1.本发明在阳极极片或阴极极片设有极耳的一端的两面以及与极耳相对的一端的两面设有若干胶条,胶条在室温下可快速凝固,在高温夹具化成时可熔融,并在压力的作用下与隔离膜粘结。隔离膜粘结可防止高温下隔离膜收缩导致阴阳极接触短路,从而提高电芯安全性能。
2.本发明将胶条涂在阴极极片上,且阴极极片高度与阳极极片高度相等的情况下不会降低电芯能量密度。
3.由于极耳端部与胶条相连,胶条具有一定的延展,因此可降低辊压时因极耳与阴极活性物质涂条或阳极活性物质涂条延展不一致造成的极耳打皱。
4.胶条厚度小于阴极活性物质涂条或阳极活性物质涂条厚度,不会引起极片收卷时鼓边从而造成的极片断裂的情况。
5.由于胶条具有连接阴极活性物质涂条与阴极极耳或阳极活性物质涂条与阳极极耳的作用,本发明可降低叠片电芯极耳断裂的风险。
6.本发明的胶条在化成前不与隔离膜粘结,因此不会影响电解液浸润;化成后在高温和压力的作用下胶条可与隔离膜粘结,同时保留有电解液扩散的通道,不影响电芯的电化学性能。
7.本发明的方法简单易行,提高安全性能的效果显著,便于批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1阴极膜片俯视图(未涂胶条);
图2为实施例1阴极膜片主视截面图(未涂胶条);
图3为实施例1阴极膜片俯视图(已涂胶条);
图4为实施例1阴极膜片主视截面图(已涂胶条,该截面为胶条位置的截面);
图5为实施例1阳极膜片俯视图;
图6为实施例1阳极膜片主视截面图;
图7为实施例1阴极极片模切后主视图;
图8为实施例1阳极极片模切后主视图;
图9为实施例1化成前电芯的剖面图(非极耳位置;示意图中极片层数不代表实际层数);
图10为实施例1化成后电芯的剖面图(非极耳位置;示意图中极片层数不代表实际层数);
图11为对比例1阴极膜片俯视图;
图12为对比例1阴极膜片主视截面图;
图13为对比例1化成前和化成后电芯示意图(非极耳位置;示意图中极片层数不代表实际层数)。
上述附图中,1为阴极活性物质涂条,2为阴极集流体,5为分条切割线,6为胶条,7为阳极活性物质涂条,8为阳极集流体,14为壳体,15为隔离膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个以上,例如三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义理解,例如,“固定”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外,本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
请参照图1至图13,本发明的实施例及对比例中,阴极集流体2为铝箔,阳极集流体8为铜箔,裸电芯以叠片工艺制备。本发明的实施例的试验数据都是以阴极极片上设置胶条6而做出的,本发明的附图都是以在阴极极片上设置胶条6而绘制的,在阳极极片上设置胶条6的示意图在本发明附图中并未显示。
实施例1
一种具有高安全性极片的锂离子电池,包括壳体14,壳体14由铝塑膜制成。壳体14内设有裸电芯,裸电芯包括阴极极片和阳极极片,阴极极片和阳极极片交错叠放设置或卷绕设置,阳极极片和阴极极片之间设有隔离膜15,阳极极片或阴极极片设有极耳的一端的两面以及与极耳相对的一端的两面设有若干胶条6,胶条6和相邻的隔离膜15粘贴相连。阴极极片包括阴极集流体2,阴极集流体2两面均设有阴极活性物质涂条1,两阴极活性物质涂条1重合;阳极极片包括阳极集流体8,阳极集流体8两面均设有阳极活性物质涂条7,两阳极活性物质涂条7重合;胶条6设在阴极活性物质涂条1的两侧或阳极活性物质涂条7的两侧。胶条6相互平行且间隔相等。胶条6垂直于阴极活性物质涂条1或阳极活性物质涂条7。阴极极片或阳极极片上的胶条6只能择其一设置,优选的方案是在阴极极片上设胶条6。
本实施例还公开了一种具有上述高安全性极片的锂离子电池的制造方法,其采用的技术方案如下:
一种上述高安全性极片的锂离子电池的制造方法,包括以下步骤:
S1:包括制取阴极极片和制取阳极极片;
制取阴极极片包括以下步骤:
A1:制取阴极浆料,称取镍钴锰酸锂、SP、KS-6和PVDF,质量百分比依次为94.5%、2.0%、1.5%和2.0%,溶剂为NMP。在双行星式真空搅拌机中将上述材料进行搅拌,制成均匀稳定的阴极浆料;上述材料中,SP是导电炭黑的简称,KS-6是导电石墨的简称,PVDF是聚偏二氟乙烯的简称,NMP是N-甲基吡咯烷酮的简称。
A2:制取阴极膜片,将步骤A1制得的阴极浆料在阴极集流体2一面上涂覆若干平行的阴极活性物质涂条1,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后再在阴极集流体2的另一面涂覆若干平行的阴极活性物质涂条1,不同面的阴极活性物质涂条1一一对应且重合,然后进入烤箱烘烤,烘干后制得阴极膜片,在阴极活性物质涂条1两侧分别涂胶条6,并在阴极活性物质涂条1任意一侧的胶条6远离阴极活性物质1的一侧留出一截空白的阴极集流体2,该空白的阴极集流体2用于模切时冲切出阴极极耳。
阴极膜片上阴极活性物质涂条1的宽度为93mm,如图1至图2所示,其中两空白的阴极集流体2位于两阴极活性物质涂条1相互远离的一端,留出一截空白的阴极集流体2的宽度为a,a为17mm,两阴极活性物质涂条1的间距为b,b为7mm,间距b是在除去两条胶条6的宽度后,还预留了两倍模切余量。因为两条胶条6宽度为2mm*2=4mm,对称分条后各留1.5mm多余的边方便模切,模切时需要切掉这1.5mm。在实际的生产中,可以根据阴极集流体2的宽度,在阴极集流体2上选择涂覆合适数量的阴极活性物质涂条1。在完成上述步骤之后依次进行辊压、分条和模切或裁切制成阴极极片;
当在阴极极片上涂胶条6而阳极极片则不需要涂胶条6,则制取阳极极片包括以下步骤:
B1:制取阳极浆料,称取石墨、导电剂、CMC和SBR,质量百分比依次为95%、1.5%、1.2%和2.3%,溶剂为去离子水。在双行星式真空搅拌机中将上述材料进行搅拌,制成均匀稳定的阳极浆料。上述材料中,CMC是羧甲基纤维素的简称,SBR是丁苯橡胶乳液的简称。
B2:制取阳极膜片,将步骤B1制得的阳极浆料在阳极集流体8一面上涂覆若干平行的阳极活性物质涂条7,并在每条阳极活性物质涂条7的两侧均留出一截空白的阳极集流体8,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后再在阳极集流体8的另外一面涂覆若干平行的阳极活性物质涂条7,不同面的阳极活性物质涂条7一一对应且重合,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后制得阳极膜片;在阳极活性物质涂条7的两侧均留出一截空白的阳极集流体8,该空白的阳极集流体8用于模切时冲切出阳极极耳。阳极活性物质涂条7的宽度为197mm,如图5和图6所示,通过将阳极活性物质涂条7沿中线切开,切开后的每条阳极活性物质涂条7加上留出的一截空白的阳极集流体8经模切后制成阳极极片。每块阳极极片的模切余量为1.5mm,即模切后阳极极片的高度为197/2-1.5=97mm。留出一截空白的阳极集流体8的宽度为c,c为13mm。在完成上述步骤之后依次进行辊压、分条和模切制成阳极极片,在其他实施例中也可将步骤B2加工后的阳极膜片进行辊压、分条和裁切制成阳极极片。模切后阳极极片的高度为97mm。
S2:电芯组装,将阴极极片、阳极极片和隔离膜15按照叠片的方式组装成裸电芯;
S3:将步骤S2制得的电芯进行顶侧封;
S4:将步骤S3加工后的电芯先后进行注液、浸润,将步骤S3后的电芯进行注液,并在高温下浸润16小时;
S5:将步骤S4加工后的电芯进行高温夹具化成;在高温高压的条件下,将胶条6和隔离膜15粘接。同时保留有电解液扩散的通道,不影响电芯的电化学性能。化成前和化成后电芯剖面示意图分别如图9和图10所示。
S6:将步骤S5加工后的电芯先后进行二封、分容等工序后制成成品电芯。具体的,二封是把化成产生的气体抽出,将气袋裁掉并进行封装;分容是检测电芯的容量并进行分档。
如图7所示,阴极活性物质涂条1的宽度为e,本实施例中,阴极活性物质涂条1的宽度e即为模切后阴极极片活性物质涂条高度。胶条6的宽度为d,阴极极耳的高度为f,阴极极片的高度为g,阴极极片的宽度为h。
如图8所示,阳极极片的高度为i,在本实施例中,阳极极片的高度i即为模切后阳极极片活性物质涂条高度。阳极极片的宽度为k,阳极极耳的高度为j,阴极极片高度与阳极极片高度的关系为2d+e=g=i。
模切后阴极极片活性物质涂条高度比模切后阳极极片活性物质涂条高度至少小2mm,目的是防止析锂。在此前提下,模切后阴极极片上阴极活性物质涂条1的高度加上其两侧各一条胶条6的宽度可以大于、等于或小于模切后阳极极片的高度,优选的,模切后阴极极片的高度等于模切后阳极极片的高度。此外,本实施例中,阴极活性物质涂条1的宽度比模切后阳极极片的高度至少小2mm,且模切后阴极极片的宽度h比阳极极片的宽度k小2mm,目的是防止析锂。
在本实施例中,当阴极极片上不涂胶条6,则需要在阳极极片上涂胶条6,则制取阳极极片包括以下步骤:
B1:制取阳极浆料;称取石墨、导电剂、CMC和SBR,质量百分比依次为95%、1.5%、1.2%和2.3%,溶剂为去离子水。在双行星式真空搅拌机中将上述材料进行搅拌,制成均匀稳定的阳极浆料。上述材料中,CMC是羧甲基纤维素的简称,SBR是丁苯橡胶乳液的简称。
B2:制取阳极极片,将步骤B1制得的阳极浆料在阳极集流体8一面上涂覆若干平行的阳极活性物质涂条7,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后再在阳极集流体8的另外一面涂覆若干平行的阳极活性物质涂条7,不同面的阳极活性物质涂条7一一对应且重合,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后制得阳极膜片;在阳极活性物质涂条7两侧分别涂胶条6,并在每条阳极活性物质涂条7任意一侧的胶条6远离阳极活性物质涂条7的一侧留出一截空白的阳极集流体8;然后通过辊压、分条和模切或裁切制成阳极极片。
当阴极极片上不涂胶条6,制取阴极极片包括以下步骤:
A1:制取阴极浆料;称取镍钴锰酸锂、SP、KS-6和PVDF,质量百分比依次为94.5%、2.0%、1.5%和2.0%,溶剂为NMP。在双行星式真空搅拌机中将上述材料进行搅拌,制成均匀稳定的阴极浆料;上述材料中,SP是导电炭黑的简称,KS-6是导电石墨的简称,PVDF是聚偏二氟乙烯的简称,NMP是N-甲基吡咯烷酮的简称。
A2:制取阴极极片,将步骤A1制得的阴极浆料在阴极集流体2一面上涂覆若干平行的阴极活性物质涂条1,然后进入烤箱进行烘烤,烘干后再在阴极集流体2的另一面涂覆若干平行的阴极活性物质涂条1,不同面的阴极活性物质涂条1一一对应且重合,然后进入烤箱烘烤,烘干后制得阴极膜片;在每条阴极活性物质涂条1的两侧留出一截空白的阴极集流体2,通过将阴极活性物质涂条1沿中线切开,切开后的每条阴极活性物质涂条1加上留出的一截空白的阴极集流体2经模切后制成阴极极片;然后依次进行辊压、分条和模切或裁切制成阴极极片。
在本实施例中,阴极极片和阳极极片只能择其一涂胶条6,优选的方案是在阴极极片上涂胶条6。胶条6的厚度小于阴极活性物质涂条1或阳极活性物质涂条7的厚度。胶条6材料为热熔胶,具体的,为聚乙烯热熔胶。胶条6长度为2mm~6mm,相邻胶条6的间距为1mm~6mm,胶条6的宽度为2mm~5mm。优选的,胶条6的长度为2mm,胶条6的宽度为2mm,相邻胶条6的间距为1mm。
胶条6与阴极活性物质涂条1或阳极活性物质涂条7垂直,阴极活性物质涂条1或阳极活性物质涂条7同一侧的胶条6相互平行且等距设置。
实施例2
与实施例1不同之处在于,胶条6长度为4mm,胶条6长度方向与阴极活性物质涂条1长度方向相同,相邻胶条6间距为2mm。
实施例3
与实施例1不同之处在于,胶条6长度为6mm,相邻胶条6间距为3mm。
实施例4
与实施例1不同之处在于,a的数值为20mm,b的数值为13mm,胶条6宽度为5mm,胶条6的宽度方向是指垂直于阴极活性物质涂条1的方向,长度为2mm,相邻胶条6的间距为6mm。阴极极片总高度为103mm,包括阴极活性物质涂条1的宽度为93mm和两侧胶条6的宽度各为5mm。所用隔离膜15的宽度为106mm。
对比例1
与实施例1不同之处在于阴极集流体2上没有涂胶条6的间距b,且辊压前不涂胶条6,具体如示意图11和图12所示。阴极极片模切后高度为93mm。化成前与化成后电芯剖面如示意图13所示。
将实施例1~4所述成品电芯和对比例1所述成品电芯各100个,分别统计相同条件下的容量、能量密度以及内阻、K值均值,结果如表1所示,由此表明,实施例1~3电芯的基本性能与对比例1的电芯基本在同一个水平。由于实施例4的胶条6宽度达到5mm,阴极极片总高度相比实施例1~3高出6mm,隔离膜15宽度大5.5mm,因此电芯的能量密度有明显下降,内阻增加也比较明显。鉴于此,本发明优选阴极极片高度与阳极极片高度相同的方案。
表1
组别 |
容量(Ah) |
能量密度(Wh/kg) |
内阻(mohm) |
k值(mV/天) |
实施例1 |
33.15 |
214.8 |
0.75 |
0.045 |
实施例2 |
33.12 |
214.9 |
0.78 |
0.039 |
实施例3 |
33.18 |
214.5 |
0.77 |
0.043 |
实施例4 |
33.09 |
211.3 |
0.91 |
0.040 |
对比例1 |
33.11 |
216.0 |
0.72 |
0.041 |
热箱测试
将实施例1~4所述成品电芯和对比例1所述成品电芯各5个,相同条件下满充后进行140℃热箱测试,测试结果如表2所示。由此表明,相比与对比例1,本发明的方案可以大大提高电芯的安全性能。
表2
组别 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
实施例4 |
对比例1 |
通过率 |
5/5 |
5/5 |
5/5 |
5/5 |
2/5 |
循环测试
将实施例1~4所述成品电芯和对比例1所述成品电芯,以1C充电(恒压充电截止电流为0.05C)和1C放电的充放电制度进行45℃高温循环,并记录每次循环的放电容量,将每个循环的放电容量与第一放电容量相比即得容量保持率。由此可见,实施例1~4与对比例1的高温循环性能在同一个水平,循环至580次,容量保持率接近98%,说明本发明方法不会影响电芯性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。