CN109980230A - 卷绕式电芯及电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卷绕式电芯及电化学装置。本发明的卷绕式电芯为含有负极极片，负极极片包括负极集流体和负极活性物质层，且负极极片由负极集流体的两侧表面同时涂覆有负极活性物质层而形成的负极活性物质层的双面区以及负极极流体的表面未涂覆负极活性物质层的空箔区组成。本发明的卷绕式电芯及电化学装置的负极极片不存在负极活性物质层的单面区，能够克服现有技术中电芯的负极集流体打皱脱模、负极极片变形的技术问题，进而防止电芯的整体变形，有利于提高电芯循环后的能量密度。

Description

卷绕式电芯及电化学装置

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种卷绕式电芯及采用该卷绕式电芯的电化学装置。

背景技术

随着电池的卷绕式电芯商业化的发展，市场对其能量密度要求越来越高，提高电池的卷绕式电芯能量密度的方法有减小集流体、极耳、隔离膜等的厚度，提高正负极材料的容量和压实等。

现有的卷绕式电芯由负极极片、隔离膜、正极极片叠置并卷绕而成的扁平状的电芯。负极极片的起始段为空箔区且连接有极耳，正极极片的起始段为空箔区且连接有极耳。在现有技术中，负极极片在扁平状的电芯的内部存在大致一周的负极活性物质层的单面区。即，仅在负极极片的负极集流体的外侧表面涂覆有负极活性物质层，而负极集流体的内表面没有涂覆负极活性物质层。在充电过程中，由于负极活性物质层自身结构的原因，例如锂离子等的离子嵌入时，会引起负极极片单侧膨胀，使得负极极片由涂覆有负极活性物质层的一侧向没有涂覆负极活性物质层的一侧弯曲。

负极极片的单向弯曲变形会导致电芯的变形恶化，而随着负极压实密度的提高，电芯的变形更加明显，电芯在充电过程中的循环膨胀也明显恶化。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种改进的卷绕式电芯及电化学装置，其负极极片不存在负极活性物质层的单面区，能够克服现有技术中电芯负极极片变形的技术问题。

本发明提供一种卷绕式电芯，所述卷绕式电芯含有负极极片，所述负极极片包括负极集流体和负极活性物质层，且所述负极极片由所述负极集流体的两侧表面同时涂覆有所述负极活性物质层而形成的负极活性物质层的双面区以及所述负极集流体的表面未涂覆所述负极活性物质层的空箔区组成。

本发明还提供一种电化学装置，所述电化学装置具有根据本发明所述的卷绕式电芯。

本发明的卷绕式电芯的负极集流体的两侧表面同时涂覆有负极活性物质层，形成负极极片的负极活性物质层的双面区，能够克服现有技术中由于电芯内部存在负极极片的负极活性物质层的单面区而引起的负极极片变形的技术问题。

附图说明

图1为本发明的第一实施方式的卷绕式电芯的示意图；

图2为本发明的第二实施方式的卷绕式电芯的示意图；

图3为本发明的第三实施方式的卷绕式电芯的示意图；

图4为本发明的第四实施方式的卷绕式电芯的示意图；

图5为本发明的第五实施方式的卷绕式电芯的示意图；

图6为本发明的第六实施方式的卷绕式电芯的示意图；

图7为本发明的第七实施方式的卷绕式电芯的示意图。

附图标记说明

10-第一隔离膜；20-第二隔离膜；30-正极极片；31-正极集流体；32-正极活性物质层；40-负极极片；41-负极集流体；42-负极活性物质层；50-第一极耳；60-第二极耳；70-胶体；B-上水平部；B1-第一卷绕层的上水平部；B2-第二卷绕层的上水平部；B3-第三卷绕层的上水平部；B4-第四卷绕层的上水平部；D-左弯折部；D1-第一卷绕层的左弯折部；D2-第二卷绕层的左弯折部；D3-第三卷绕层的左弯折部；D4-第四卷绕层的左弯折部；C-下水平部；C1-第一卷绕层的下水平部；C2-第二卷绕层的下水平部；C3-第三卷绕层的下水平部；C4-第四卷绕层的下水平部；E-右弯折部；E1-第一卷绕层的右弯折部；E2-第二卷绕层的右弯折部；E3-第三卷绕层的右弯折部；W-宽度方向；H-厚度方向。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的卷绕式电芯进行详细说明。需要说明的是，虽然为了便于说明本发明的技术方案而在以下各实施方式中说明了卷绕式电芯具有两条隔离膜，但是本发明不限于此，可以采用仅一条隔离膜或更多条隔离膜。

(第一实施方式)

参考图1，本发明的卷绕式电芯为由第一隔离膜10、正极极片30、第二隔离膜20、负极极片40由内向外依次叠置并卷绕而成的扁平状的电芯。其中，正极极片30具有正极集流体31和涂覆在正极集流体31表面的正极活性物质层32；负极极片40具有负极集流体41和涂覆在负极集流体41表面的负极活性物质层42。正极极片30的起始段为空箔区且连接有第一极耳50，负极极片40的起始段为空箔区且连接有第二极耳60。

在本发明中，“空箔区”是指极片没有涂覆活性物质层的区域，即极片只具有集流体的区域。“扁平状的电芯”是指截面为长圆形的电芯。正极极片的“起始段”为正极极片开始卷绕且位于电芯内部的未涂覆正极活性物质层的部分，负极极片的“起始段”为负极极片开始卷绕且位于电芯内部的未涂覆负极活性物质层的部分。以负极极片的起始段为例，在图1中点状虚线所包围的部分表示负极极片的起始段。

扁平状的电芯包括沿宽度方向W延伸的上水平部B和下水平部C以及位于上水平部B和下水平部C之间的左弯折部D和右弯折部E。扁平状的电芯在宽度方向W上的中线为电芯竖直中线，扁平状的电芯在厚度方向H上的中线为电芯水平中线。

以下对本实施方式的卷绕式电芯的卷绕方式和过程进行描述。应当理解，以下描述的是一种优选的卷绕方式和过程，本发明的卷绕式电芯的卷绕方式和过程不限于此。

由内向外依次为第一隔离膜10、正极极片30、第二隔离膜20、负极极片40，然后从内向外沿逆时针方向卷绕而形成本发明的卷绕式电芯。其中，第一隔离膜10和第二隔离膜20的起始段的起始端对齐，并超出正极极片30的起始段的起始端，负极极片40的起始段的起始端超出第一隔离膜10和第二隔离膜20的起始段的起始端。同时，第一极耳50和第二极耳60位于第一隔离膜10和第二隔离膜20的上述起始端在宽度方向W上的两侧。因此，第一极耳50和第二极耳60不会在电芯的厚度方向H上重合，从而避免了增加电芯的厚度。注意，在卷绕开始时，由于正极极片30和负极极片40的起始段为空箔区，因此刚开始参与卷绕的是第一隔离膜10、正极集流体31、第二隔离膜20和负极集流体41。

开始卷绕时，首先形成电芯最内层的由第一隔离膜10、正极极片30的正极集流体31、第二隔离膜20、负极极片40的负极集流体41组成的第一卷绕层的上水平部B1和第一卷绕层的左弯折部D1。

然后，在第一卷绕层的左弯折部D1的末端：正极集流体31的外侧表面涂覆有正极活性物质层32，而负极集流体41的内外两侧表面均涂覆有负极活性物质层42，沿着逆时针方向继续卷绕一周，依次卷绕形成第一卷绕层的下水平部C1、第一卷绕层的右弯折部E1、第二卷绕层的上水平部B2、第二卷绕层的左弯折部D2。

从第二卷绕层的左弯折部D2的末端开始，正极集流体31的内侧表面也涂覆正极活性物质层32，沿着逆时针方向继续卷绕，依次形成第二卷绕层的下水平部C2、第二卷绕层的右弯折部E2、第三卷绕层的上水平部B3。

在第三卷绕层的上水平部B3的末端，负极极片40结束卷绕，第二隔离膜20也结束卷绕。正极集流体31的外侧表面不涂覆正极活性物质层32，正极极片30和第一隔离膜10继续沿逆时针卷绕，形成第三卷绕层的左弯折部D3、第三卷绕层的下水平部C3、第三卷绕层的右弯折部E3和第四卷绕层的上水平部B4，正极集流体31内侧的正极活性物质层32和第一隔离膜10在第四卷绕层的上水平部B4末端结束。

正极集流体31继续沿逆时针方向卷绕形成第四左弯折部D4和第四卷绕层的下水平部C4，第四卷绕层的下水平部C4的末端通过胶体粘接于第三卷绕层的下水平部C3。从而形成如图1所示的卷绕式电芯。

可以看出，该卷绕式电芯的负极极片40的负极集流体41的两侧表面同时涂覆有负极活性物质层42，形成负极极片40的负极活性物质层42的双面区，在整个卷绕层中不存在负极极片40的负极活性物质层42的单面区。因此本实施方式的卷绕式电芯克服了现有技术中的以下缺陷：由于负极极片40存在负极活性物质层42的单面区，即负极集流体41的一侧涂覆有负极活性物质层42，另一侧空置，因此两侧应力不同而容易引起集流体41的打皱脱模的缺陷以及在充电过程中负极极片40单侧膨胀而引起负极极片40变形的缺陷。

此外，从图1可以看出，本实施方式的卷绕式电芯的最内部为两层隔离膜，与现有技术的四层隔离膜相比，本发明的卷绕式电芯的能量密度更高。

另外，上水平部B中的负极活性物质层42的双面区的层数和下水平部C中的负极活性物质层42的双面区的层数相同，均为两层；并且，在沿着宽度方向W延伸且与厚度方向H正交的假想平面上，所有负极活性物质层42的双面区在该假想平面上的投影彼此重叠。优选地，该卷绕式电芯的上水平部B和下水平部C的负极极片40相对于电芯水平中线相互对称。这样，克服了现有技术中在充电过程中电芯由负极极片层数多的一侧向负极极片层数少的一侧弯曲变形的缺陷。同时，由于该卷绕式电芯的相对于电芯水平中线对称的结构，其两侧受到的膨胀的力有一部分会相互抵消和弱化，因此，也可以抑制部分膨胀，从而有利于提高电芯循环后的能量密度。另外，在本实施方式中，为了保证上述效果，进一步使上水平部B中的正极活性物质层31的双面区的层数和下水平部C中的正极活性物质层31的双面区的层数相同并且在上述假想平面上的投影彼此重叠，并且上水平部B中的正极活性物质层32的单面区的层数和下水平部C中的正极活性物质层32的单面区的数量相同且所有正极活性物质层32的单面区在上述假想平面上的投影彼此重叠。

虽然在该实施方式中，沿电芯竖直中线的两侧的负极极片并不对称，但是由于锂离子电芯普遍厚度小，并且锂离子电芯越来越向超薄的方向发展，因此克服或者减小电芯水平面的变形对于电芯超薄化的发展有更大的作用。由于电芯薄，在充电过程中，电芯在宽度方向W上的两端嵌入锂离子数量少，引起的膨胀很小，因此可以不考虑。

正极活性物质层32具体可以为钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂中的至少一种。负极活性物质层42具体可以为石墨、硬碳和硅中的至少一种。

(第二实施方式)

参考图2，在第一实施方式的基础上，负极极片40的负极集流体41的起始段具有向内回折形成的回折段401(如图2中的点状虚线框所包围的部分)，该回折段401的设置能够方便卷绕设备的夹持。同时，该回折段401可保证负极极片40在裁片时有足够的空间，不会裁到极耳胶。具体地，该回折段401可以形成为在负极集流体41的起始段沿顺时针方向弯折180度。优选地，该回折段401在厚度方向H上不与第一极耳50重叠，从而避免了增加电芯的厚度。同样地，正极极片30的正极集流体31的起始段也可以具有向内回折形成的回折段(图中未示出)。本实施方式其他特征与第一实施方式完全相同。

(第三实施方式)

参考图3，在第二实施方式的基础上，第一隔离膜10在第四卷绕层的上水平部B4的末端、第二隔离膜20在第三卷绕层的上水平部B3的末端继续卷绕直到超出第四卷绕层的下水平部C4的末端一段。这样裸电芯的外侧面与包装袋之间由原来的集流体表面与包装袋接触变为集流体表面和部分隔离膜同时与包装袋接触。由于隔离膜与包装袋的接触增加了电芯和包装袋之间的摩擦力，可以防止电芯在跌落或者撞击过程中从包装袋中滑落或者错位，进而可防止电芯在二次跌落或者撞击时引起电芯内部的正负极错位等现象的发生。因此，延长的隔离膜有利于改善电芯的抗跌落性能。本实施方式的其他特征与第二实施方式完全相同。

(第四实施方式)

参考图4，在第三实施方式的基础上，第一隔离膜10和第二隔离膜20绕裸电芯外侧卷绕一周，从而最大限度的增加了裸电芯和包装袋之间的摩擦力，能够进一步改善电芯的抗跌落性能。本实施方式的其他特征与第三实施方式完全相同。

(第五实施方式)

参考图5，为了提高电芯滥用性能，在第三实施方式的基础上，电芯最外层的正极集流体31(铝箔)和负极集流体(铜箔)41再绕裸电芯卷绕一周，从而在电芯厚度方向H的两侧形成保护层(也可以称为外马甲)。在电芯的滥用情况下或者在电芯的滥用性能试验中，当电芯受到外力或者外来物件的破坏而造成电芯的外层发生外短路时，保护层优先发生短路。保护层短路时，由于短路点没有活性物质，不会引起燃烧，同时，由于短路发生在电芯的最外侧，短路产生的热量能够沿着导热性好的集流体向外散发，可以避免着火和爆炸。因此本实施方式能够提高电芯安全性能。本实施方式的其他特征与第三实施方式完全相同。

另外，需要说明的是，上述保护层可以不设置于最外层，也不需要卷绕一周，而是可以根据需要设置于电芯的其它位置并且具有适当的卷绕长度。

(第六实施方式)

参考图6，在第六实施方式的基础上，可以通过改变第一极耳50和第二极耳60的相对位置，而改变电芯正负极的位置，便于本发明的卷绕式电芯安装在不同便携式设备上。例如可以将第一极耳50和第二极耳60在宽度方向W上的位置相互对调，从而满足与常规设备的正负极方向相反的便携式设备。本实施方式的其他特征与第三实施方式完全相同。

(第七实施方式)

参考图7，在第一实施方式的基础上，本实施方式的卷绕式电芯的内部的第一隔离膜10和第二隔离膜20也可以如现有技术那样空卷为四层结构。本实施方式的其他特征与第一实施方式完全相同。在本发明中，“空卷”是指隔离膜10、20不起对正极极片30和负极极片40的隔离作用而进行的卷绕。

在实际应用中，第一极耳50具体可以设置在正极集流体31的任意位置；第二极耳60具体可以设置负极集流体41的任意位置，可以根据电芯的具体使用场合和使用位置进行灵活的设置。

虽然在上述实施方式中，电芯的卷绕是以沿逆时针方向的卷绕为例进行说明的，但是本发明对卷绕式电芯的卷绕方式不做限定，只要该电芯的负极极片40的两侧同时涂覆有负极活性物质层42，形成负极活性物质层的双面区即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种卷绕式电芯，所述卷绕式电芯含有负极极片，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体和负极活性物质层，且所述负极极片由所述负极集流体的两侧表面同时涂覆有所述负极活性物质层而形成的负极活性物质层的双面区以及所述负极集流体的表面未涂覆所述负极活性物质层的空箔区组成。

2.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述卷绕式电芯具有沿宽度方向延伸的上水平部、下水平部和位于上水平部和下水平部之间的弯折部，

所述上水平部中的所述负极活性物质层的双面区的层数和所述下水平部中的所述负极活性物质层的双面区的层数相同，并且

在沿着所述卷绕式电芯的宽度方向延伸且与所述卷绕式电芯的厚度方向正交的假想平面上，所有所述负极活性物质层的双面区在该假想平面上的投影彼此重叠。

3.根据权利要求2所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述卷绕式电芯还含有正极极片，所述正极极片包括正极集流体和正极活性物质层，

所述正极极片由所述正极集流体的仅一侧表面涂覆有所述正极活性物质层而形成的正极活性物质层的单面区和所述正极集流体的表面未涂覆所述正极活性物质层的空箔区组成，

所述上水平部中的所述正极活性物质层的单面区的层数和所述下水平部中的所述正极活性物质层的单面区的层数相同且所有所述正极活性物质层的单面区在所述假想平面上的投影彼此重叠。

4.根据权利要求2所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述卷绕式电芯还含有正极极片，所述正极极片包括正极集流体和正极活性物质层，

所述正极极片由所述正极集流体的两侧表面同时涂覆有所述正极活性物质层而形成的正极活性物质层的双面区和所述正极集流体的表面未涂覆所述正极活性物质层的空箔区组成，

所述上水平部中的所述正极活性物质层的双面区的层数和所述下水平部中的所述正极活性物质层的双面区的层数相同且所有所述正极活性物质层的双面区在所述假想平面上的投影彼此重叠。

5.根据权利要求2所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述卷绕式电芯还含有正极极片，所述正极极片包括正极集流体和正极活性物质层，

所述正极极片由所述正极集流体的仅一侧表面涂覆有所述正极活性物质层而形成的正极活性物质层的单面区、所述正极集流体的两侧表面同时涂覆有所述正极活性物质层而形成的正极活性物质层的双面区和所述正极集流体的表面未涂覆所述正极活性物质层的空箔区组成，

所述上水平部中的所述正极活性物质层的双面区的层数和所述下水平部中的所述正极活性物质层的双面区的层数相同且所有所述正极活性物质层的双面区在所述假想平面上的投影彼此重叠，并且

所述上水平部中的所述正极活性物质层的单面区的层数和所述下水平部中的所述正极活性物质层的单面区的层数相同且所有所述正极活性物质层的单面区在所述假想平面上的投影彼此重叠地配置。

6.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述负极极片的空箔区的起始段具有回折段。

7.根据权利要求3所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述正极极片的空箔区的起始段具有回折段。

8.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述卷绕式电芯还含有隔离膜，所述隔离膜的卷绕末端超出所述负极极片的卷绕末端并卷绕于所述卷绕式电芯的外侧，所述隔离膜的卷绕末端超出所述负极极片的卷绕末端至少一周。

9.根据权利要求3所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述卷绕式电芯还含有隔离膜，所述隔离膜的卷绕末端超出所述正极极片的卷绕末端并卷绕于所述卷绕式电芯的外侧，所述隔离膜的卷绕末端超出所述正极极片的卷绕末端至少一周。

10.根据权利要求3所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述正极极片的空箔区在所述卷绕式电芯的最外层绕所述卷绕式电芯卷绕预定长度。

11.根据权利要求3所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述正极极片的空箔区的任意位置连接有第一极耳，所述负极极片的空箔区的任意位置连接有第二极耳，所述第一极耳和所述第二极耳在所述卷绕式电芯的厚度方向上不重叠。

12.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述卷绕式电芯还含有隔离膜，在所述卷绕式电芯的内部，所述隔离膜空卷的层数小于4。

13.一种电化学装置，其特征在于，所述电化学装置包括根据权利要求1所述的卷绕式电芯。