CN109817875A - 楔形多孔的轻量化电芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种楔形多孔的轻量化电芯及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。该电芯包括电池本体，及位于电池本体一端的多层正极耳和多层负极耳，电池本体包括极片本体，多层正极耳或多层负极耳包括单极耳，单极耳为楔形体，每个单极耳的表面均开有孔，每相邻两个单极耳上的开孔在卷绕重叠时呈错位布置。该电芯采用呈楔形体的多层极耳，并且在极耳表面开有通孔，保证每相邻两个单极耳上的开孔在卷绕重叠时呈错位布置，本发明设计的电芯在减轻电池重量的基础上，提高了极耳的稳定性。

Description

楔形多孔的轻量化电芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及电极片，属于锂离子电池技术领域，具体地涉及一种楔形多孔的轻量化电芯及其制备方法。

背景技术

目前的电动汽车产业为达到更高的续航里程电动车会选择装容量更高的动力电池组，以此提高其续航里程，但其携带的动力电池组在整车质量中占了很大的比重，相当于占整车的1/4，要想续航里程足够长，在动力电池组上能做改善的有两点：1、塞进去更多的电池，但空间有限，所以在保证电量的前提下电池体积要尽可能小，2、保证电量的前提下把电池组做轻，实现整车轻量化，使车跑的更远，因此使电池轻量化具有非常重要的意义。

在电池内部，极耳起到传导电流作用，一般的小电池中电芯一端会分别引出一层正极极耳和一层负极极耳作为导流用，称为单极耳，但动力电池为了满足大电流充放电采用的是多极耳或者全极耳，极片在涂布时会将顶部区域预留作为极耳裸露其外，然后根据尺寸要求通过激光将极耳模切成需要的大小形状，以满足快速充放电使用，而多层极耳无论从体积、面积和重量都会相应增大，且多层极耳在卷绕时，因极耳厚度在10μm左右非常容易出现弯折和变形，甚至直接折弯到电芯内部，在后续测试使用中造成电池微短路、短路、甚至起火爆炸的安全风险，因此无论是减轻重量还是杜绝卷绕翻折都需做进一步改善。

中国实用新型专利(授权公告号：CN206163592U，授权公告日：2017-5-10)公开了一种防止极耳翻褶的锂电池极片，该专利通过将极耳模切成等腰梯形结构，极耳的腰边与电极极片本体边缘成特殊的弧形角，以此提高极耳的稳定性，从而解决了传统极耳在模切后卷绕时容易弯折打皱的问题。但是动力电池正负极耳多在20～60层左右，通过此方式电池极耳由矩形变为梯形其占有面积、体积、重量都会增大。

中国实用新型专利(授权公告号：CN206806433U，授权公告日：2017-12-26)公开了一种防止极耳翻褶的锂电池极片，该专利在原梯形结构极耳上再次进行了改进，在极耳沿高度方向设有至少3条加强压痕，所述加强压痕沿极耳宽度方向等距分布，最外侧加强压痕与极耳上端顶点的间隙为1～3mm，所述加强压痕的一端位于极耳的上端，另一端距极耳与极片本体连接处2～4mm，加强压痕的宽度为0.2～1mm，所述加强压痕采用压花结构加工而成。本实用新型通过在极耳上设加强压痕来增加极耳的强度，从而防止极耳翻褶，因每层极耳之间都不呈平面，而正极极耳和负极极耳需要通过焊接的方式将其焊在盖板或电路板焊盘上形成闭合回路从而使用，而在焊接时因极耳层与层之间有压痕不平整激光或超声波能量无法有效传递，造成焊接后虚焊、脱焊等不良现象，虚焊在电池充放电过程中会导致焊接点电阻增大发热，从而影响整个电池的电性能，而脱焊则无法形成闭合电路导致电池无法正常使用，所以存在极大的安全风险。

因此，现有电芯极耳的面积大，空间利用率低，造成整个电池重量增加，并且极耳在模切成梯形时，激光模切效率低，而极耳在增加压痕后激光焊接不良率高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种楔形多孔的轻量化电芯及其制备方法，该电芯采用呈楔形体的多层极耳，并且在极耳表面开有错位布置的通孔，在减轻电池重量的基础上，提高了极耳的稳定性。

为实现上述目的，本发明公开了一种楔形多孔的轻量化电芯，它包括电池本体，及位于所述电池本体一端的多层正极耳和多层负极耳，电池本体包括极片本体，多层正极耳或多层负极耳包括单极耳，所述单极耳为楔形体，每个单极耳的表面均开有孔，每相邻两个单极耳上的开孔在卷绕重叠时呈错位布置。

进一步地，所述单极耳的上下底面均为方形。相比于原有的梯形设计，可以很大程度上节省极片材料，并且减轻电池重量；

进一步地，所述单极耳沿厚度方向的倾斜角为0.001～0.2°。

优选的，所述单极耳的一端厚度为7～11微米，另一端厚度为3～6微米。即通过轧辊将极耳辊压成楔形，使得极耳的抗弯刚度提高、内应力增加，提高极耳稳定性，解决了极耳在生产中无论是模切或卷绕在经过大量过辊轮时翻折的问题；同时，极耳在辊压成楔形后不再采用原梯形压花结构，可将其模切成矩形，原梯形结构所占面积材料可以减掉，减轻了单体电池重量。

进一步地，每相邻两个单极耳上的开孔形状不一致。在卷绕重叠时不会发生相邻两层单极耳上通孔相通的情况。

进一步地，每相邻两个单极耳上的开孔形状一致，但开孔位置不一致。在卷绕重叠时相邻两层单极耳上通孔发生错位布置。目的均是保障载流面积不变，同时，裁掉的冲孔极耳材料，也减轻了单体电池重量。

为了更好的实现本发明的技术目的，本发明还公开了上述楔形多孔的轻量化电芯的制备方法，包括涂覆、辊压、模切、冲孔、卷绕及裁切组成电芯，所述辊压为采用圆台形的上下轧辊进行轧制，得到一端厚度大于另一端厚度的极片边料，再采用激光焊沿极片边料的长度方向裁切成1个以上并列分布的上下底面均为方形的楔形体，在每个楔形体的表面采用刀模开孔，保证每相邻两个楔形体极耳上的开孔在卷绕重叠时呈错位布置，再焊接得多层极耳。

进一步地，所述冲孔的具体过程如下：

移动极片本体将第一个楔形体置于刀模下方，竖直方向气缸带动刀模向下运动，完成对第一个楔形体冲孔后竖直方向气缸抬起复位，移动极片本体再将第二个楔形体置于刀模下方，竖直方向气缸再次带动刀模向下运动完成冲孔，重复操作至所有楔形体均完成冲孔，且每完成两个楔形体冲孔后，控制水平方向气缸与前一次移动方向不一致。

例如，前一次不移动，每完成两个楔形体冲孔后，下次水平方向气缸沿水平向左或向右或向前或向后移动0.1～2mm，再复位，再偏移，重复操作。

优选的，第一组楔形体的水平方向气缸沿水平向左移动0.1mm，第二组楔形体的水平方向气缸沿水平向右移动0.1mm完成复位。

进一步地，所述刀模包括沿竖直方向设置的第一刀具和第二刀具，所述第一刀具上设有1个以上的凸起，所述第二刀具上设有分别与第一刀具上的凸起相对应的凹槽。

进一步地，所述凸起为圆柱形凸起，其直径为10～500微米。

优选的，圆柱形凸起的直径为50～300微米。

优选的，圆柱形凸起的直径为100～200微米。

进一步地，还包括对焊接后多层极耳的延展部分进行裁切，以保证极耳尺寸的一致性，同时所裁切掉的部分材料，减轻了单体电池重量。

本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：

1、本发明设计的电芯通过改善后极耳辊压成楔形，解决了传统极耳梯形、压花方案的不足，提高多层极耳焊接良品率；

2、本发明设计的电芯中的极耳模切成矩形，相比于原有的梯形设计，可以很大程度上节省极片材料，并且减轻电池重量；

3、本发明设计的每层极耳不裁切梯形圆弧角，激光不走弧线走直线，可以有效的提高激光模切效率，极耳模切良品率高；

4、本发明设计的极耳模切成矩形、极耳表面开孔、极耳延展区裁切等多方面的改善，减轻了单体电池重量，使电池组更加轻量化，提升了电池的质量能量密度。

附图说明

图1为本发明实施例设计的电芯结构示意图；

图2为图1中极片的结构示意图；

图3为图1中单极耳的结构示意图；

图4为极片材料涂覆后结构示意图；

图5为图4中极片材料辊压及模切的工艺图；

图6为图4中极片材料冲孔的工艺图；

图7为图6的局部放大结构示意图；

图8为图6中刀模的结构示意图；

图9为裁切前的结构示意图；

图10为裁切后的结构示意图；

其中，上述附图中各标号如下：

电池本体1、多层正极耳2、多层负极耳3、极片本体4、单极耳5、上轧辊6、下轧辊7、大楔形体8、小楔形体9(其中：第一组小楔形体9.1、第二组小楔形体9.2)、激光焊10、刀模11(其中：第一刀具11.1、第二刀具11.2、凸起11.3、凹槽11.4)、收料卷12。

具体实施方式

本发明公开了一种楔形多孔的轻量化电芯，如图1所示，它包括电池本体1，及位于所述电池本体1一端的多层正极耳2和多层负极耳3，其中整个电芯均是由图2所示的电极极片经多次卷绕得到，所述电极极片包括极片本体4及位于极片本体4一端的1个以上单极耳5，每个所述单极耳5焊接构成多极耳，如图1中的多层正极耳2和多层负极耳3，如图3所示，所述单极耳5为楔形体，具体的，该楔形体的上下底面均为方形，所述单极耳5沿厚度方向的倾斜角为0.001°～0.2°，具体角度需要根据不同极耳宽度和厚度设计；本发明还优选单极耳楔形体一端的厚度为7～11微米，另一端的厚度为3～6微米。本发明设计的单极耳楔形体解决了模切或卷绕时容易翻折的问题，同时还使得极耳的抗弯刚度提高、内应力增加，有利于保证极耳的稳定性，相比于现有技术中的梯形设计，在相同设计高度的基础上，本发明的极耳楔形体在原料面积上减少了一部分，有利于减轻单体电池重量；

为进一步地减轻电池重量，在每个极耳楔形体上还设有通孔，同时，为保证多层正极耳2或多层负极耳3的载流面积不变，每相邻两层极耳之间的通孔互不贯通，为实现该目的的设计有很多种，如每相邻两个极耳5上的开孔形状不一致或一致，当开孔形状不一致时，例如一个极耳上开设规则孔，相邻的另一个极耳上开设不规则孔，在卷绕重叠时，规则孔与不规则孔发生错位布置，能保证截流面积不变即可，又如一个极耳上开设规则的方形孔，相邻的另一个极耳上开设规则的圆孔，规则的方形孔与规则的圆孔发生错位布置即可；当开孔形状一致时，如相邻的两个极耳上均开设圆孔，则要保证两极耳上的开口位置呈现错位布置。对于具体的开孔形状、开孔尺寸及开孔个数，本发明不作特殊的限定要求，需要根据电池的具体型号尺寸进行优化设计。

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明上述电芯的制备方法。但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

本实施例公开了楔形多孔的轻量化电芯的制备方法，它包括如下步骤：

1)极片涂覆：选取长×宽×高＝2000mm×200mm×12μm的铝箔涂覆正极活性材料如磷酸亚铁锂或长×宽×高＝2000mm×200mm×8μm铜箔涂覆负极活性材料如石墨，在铝箔或铜箔的沿宽度一侧预留宽度为20mm左右的极片边料用于制备极耳，如图4所示；

2)辊压及模切：将步骤1)所得涂覆后极片置于图5所示的设备中，极片材料的长度由收料卷12控制，在圆台形的上轧辊6、下轧辊7的轧制下极片边料得大楔形体8，控制上下轧辊的最低点间隙为3～6微米，得到大楔形体8一端的厚度为7～11微米，另一端厚度为3～6微米，继续采用激光焊10沿大楔形体8的长度方向裁切成1个以上并列分布的上下底面均为方形的小楔形体9，且控制小楔形体9的长×宽＝50mm×30mm。

3)冲孔：采用图6所示的设备对步骤2)得到的小楔形体进行冲孔，具体过程是移动极片本体4将第一个小楔形体9.1置于刀模10下方，竖直方向气缸带动刀模11向下运动，完成对第一组小楔形体9.1冲孔后竖直方向气缸抬起复位，水平方向气缸沿水平向左移动0.1mm，移动极片本体4再将第二组小楔形体9.2置于刀模10下方，竖直方向气缸再次带动刀模10向下运动完成冲孔，重复操作至所有小楔形体9均完成冲孔，且每相邻两次的水平方向气缸移动方向不一致，得到极耳5；其中，每组小楔形体的个数为两个。

本实施例描述的竖直方向气缸和水平方向气缸均连接刀模10用于带动刀模10运动，对于其具体形状属于本领域技术人员公知的，图6未作记载，但并不代表其没有。且图7展示了开孔为圆形通孔。

对于刀模11的形状，如图8所示，本实施例优选它包括沿竖直方向设置的第一刀具11.1和第二刀具11.2，所述第一刀具11.1上设有1个以上的凸起11.3，所述第二刀具11.2上设有分别与第一刀具11.1上的凸起11.3相对应的凹槽11.4。本实施例还优选凸起11.3与凹槽11.4均为直径为250～300微米的圆柱形。

4)卷绕及裁切：将步骤3)所得产品进行卷绕，保证所有的极耳5焊接在一起但表面通孔呈错位布置的多层极耳，对多层极耳的延展部分进行裁切，结合图9及图10可知，以保证极耳尺寸的一致性，同时所裁切掉的部分材料，减轻了单体电池重量。使电池串并联后整个电池组进一步的实现轻量化。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种楔形多孔的轻量化电芯，它包括电池本体(1)，及位于所述电池本体(1)一端的多层正极耳(2)和多层负极耳(3)，所述电池本体(1)包括极片本体(4)，所述多层正极耳(2)或多层负极耳(3)包括单极耳(5)，其特征在于：所述单极耳(5)为楔形体，每个单极耳(5)的表面均开有孔，每相邻两个单极耳(5)上的开孔在卷绕重叠时呈错位布置。

2.根据权利要求1所述楔形多孔的轻量化电芯，其特征在于：所述单极耳(5)的上下底面均为方形。

3.根据权利要求1或2所述楔形多孔的轻量化电芯，其特征在于：所述单极耳(5)沿厚度方向的倾斜角为0.001～0.2°。

4.根据权利要求1或2所述楔形多孔的轻量化电芯，其特征在于：每相邻两个单极耳(5)上的开孔形状不一致。

5.根据权利要求1或2所述楔形多孔的轻量化电芯，其特征在于：每相邻两个单极耳(5)上的开孔形状一致，但开孔位置不一致。

6.一种权利要求1所述楔形多孔的轻量化电芯的制备方法，包括涂覆、辊压、模切、冲孔、卷绕及裁切组成电芯，所述辊压为采用圆台形的上下轧辊进行轧制，得到一端厚度大于另一端厚度的极片边料，再采用激光焊沿极片边料的长度方向裁切成1个以上并列分布的上下底面均为方形的楔形体，在每个楔形体的表面采用刀模开孔，保证每相邻两个楔形体单极耳上的开孔在卷绕重叠时呈错位布置，再焊接得多层极耳。

7.根据权利要求6所述楔形多孔的轻量化电芯的制备方法，其特征在于：所述冲孔的具体过程如下：

移动极片本体将第一个楔形体置于刀模下方，竖直方向气缸带动刀模向下运动，完成对第一个楔形体冲孔后竖直方向气缸抬起复位，移动极片本体再将第二个楔形体置于刀模下方，竖直方向气缸再次带动刀模向下运动完成冲孔，重复操作至所有楔形体均完成冲孔，且每完成两个楔形体冲孔后，控制水平方向气缸与前一次移动方向不一致。

8.根据权利要求6或7所述楔形多孔的轻量化电芯的制备方法，其特征在于：所述刀模包括沿竖直方向设置的第一刀具和第二刀具，所述第一刀具上设有1个以上的凸起，所述第二刀具上设有分别与第一刀具上的凸起相对应的凹槽。

9.根据权利要求8所述楔形多孔的轻量化电芯的制备方法，其特征在于：所述凸起为圆柱形凸起，其直径为10～500微米。

10.根据权利要求6所述楔形多孔的轻量化电芯的制备方法，其特征在于：还包括对焊接后多层极耳的延展部分进行裁切，以保证极耳尺寸的一致性。