CN110048036B - 加强筋片及其制备方法、电芯及其制备方法和软包电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加强筋片及其制备方法、电芯及其制备方法和软包电池，所述加强筋片由包括5wt％～30wt％纤维和70wt％～95wt％热塑性聚合物的原料复合而成；所述纤维的长度为0.01mm～0.1mm，比模量为29GPa～114GPa；所述热塑性聚合物的冲击强度为8KJ/m2～54KJ/m2，邵氏硬度为40D～72D。该加强筋片具有适度的刚度和软化温度，从而易于后续与铝塑膜冲压成型，且成型精度高，冲压成型后可以与铝塑膜紧密贴合，抵抗封装抽真空时负压导致的角位褶皱甚至是棱角的形成，从而降低角位破损风险，提高电芯的品质。

Description

加强筋片及其制备方法、电芯及其制备方法和软包电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种加强筋片及其制备方法、电芯及制备方法和软包电池。
背景技术
近几年，我国新能源汽车产业发展迅猛，而动力电池系统是新能源汽车的核心部件，对产业至关重要。由于尺寸变化灵活、能量密度高、内阻小等优点，软包工艺备受动力锂电池行业的关注。但目前动力锂电池行业作为动力电池系统的核心行业仍然存在一些问题，动力电池产品性能、质量和成本仍难以满足新能源汽车推广普及需求，尤其在生产工艺、生产成本方面有较大的改善空间。
相比于消费类锂离子电池，软包动力电池厚度大，铝塑膜冲坑的深度深。由于叠芯与铝塑膜四个角位很容易发生褶皱，严重时产生尖锐的棱角。在生产及后续使用过程中，很难避免不碰到电芯的角位，因此会增加角位破损的风险，产生严重的品质问题。另外，动力电池的使用寿命长达5～6年，在常年的电解液浸泡及充放电条件下，角位褶皱特别是棱角处由于应力较大，发生腐蚀的风险大大增加，严重威胁电芯品质。
为了解决此问题，目前常用的方法有两种，一是减少冲坑的深度，但是此方法并不能完全解决角位褶皱的问题，同时还会增加长期循环电芯膨胀引起铝塑膜胀裂的风险，另一种方法是减少叠芯与铝塑膜凹槽的间隙，但是此方法会增加封装不良的风险，进而增加腐蚀风险，降低电芯品质。
发明内容
基于此，有必要提供一种加强筋片，该加强筋片能够改善软包电池电芯角位褶皱的问题，提高电芯的品质。
一种加强筋片，由包括5wt％～30wt％纤维和70wt％～95wt％热塑性聚合物的原料复合成；
所述纤维的长度为0.01mm～0.1mm，比模量为29GPa～114GPa；
所述热塑性聚合物的冲击强度为8KJ/m2～54KJ/m2，邵氏硬度为40D～72D。
在其中一个实施例中，所述纤维选自凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维和玻璃纤维中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述热塑性聚合物选自聚丙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚酰亚胺和聚氯乙烯中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述加强筋片的软化温度为95℃～145℃。
在其中一个实施例中，所述纤维的用量为10wt％～30wt％，所述热塑性聚合物的用量为70wt％～90wt％。
在其中一个实施例中，所述加强筋片上具有孔隙，所述孔隙的直径为0.01mm～0.08mm，所述孔隙的分布密度为(50～150)个/mm2。
可以理解地，上述孔隙为贯穿加强筋片的通孔，从而有利于后续电解液的浸润。
在其中一个实施例中，所述加强筋片的厚度为0.04mm～0.1mm。
本发明还提供一种加强筋片的制备方法，包括以下步骤：
提供原料，所述原料包括5wt％～30wt％纤维和70wt％～95wt％热塑性聚合物，其中，所述纤维的长度为0.01mm～0.1mm，比模量为29GPa～114GPa；所述热塑性聚合物的冲击强度为8KJ/m2～54KJ/m2，邵氏硬度为40D～72D；
将所述热塑性聚合物熔化后，加入所述纤维，进行捏合、辊压。
在其中一个实施例中，所述辊压所用的压辊的表面带有凸刺，将所述压辊对捏合、熔化后的纤维热塑性聚合物进行辊压，通过所述凸刺作用使得所述加强筋片形成孔隙。
在其中一个实施例中，所述捏合的温度为170℃～180℃，时间为30min～150min。
在其中一个实施例中，所述辊压的温度为100℃～150℃。
本发明还提供一种电芯，所述电芯包括软包膜、叠芯和设于所述叠芯与所述软包膜之间的加强筋片，且所述加强筋片的两相对侧表面分别与所述叠芯和所述软包膜贴合，所述加强筋片至少包覆所述叠芯的一条楞边；所述加强筋片为上述的加强筋片或采用上述制备方法制备得到的加强筋片。
可以理解的，叠芯为长方体，具有六条楞边，加强筋片可以包覆其中两条椤边，也可以是三条、四条或五条，甚至是包覆六条楞边。
在其中一个实施例中，所述加强筋片为两个，两个所述加强筋片分别包覆所述叠芯的一个表面及该表面的相对两条楞边，两个所述加强筋片包覆的四条楞边位于相对的两个表面，相对的两个表面均与所述叠芯凸出有极耳的表面相邻，且两个所述加强筋片之间在该相对两个表面上均留有不大于0.5mm的间隙。
可以理解，叠芯具有极耳，且极耳凸出于叠芯的一个表面。
在其中一个实施例中，所述软包膜为铝塑膜。
本发明还提供一种电芯的制备方法，包括以下步骤：
将上述的加强筋片或采用上述的制备方法制备得到的加强筋片和软包膜贴合后，在所述加强筋片和软包膜贴合的位置共同冲压形成凹槽，所述凹槽的至少一条楞边被所述加强筋片覆盖；
将叠芯放入所述软包膜的凹槽中，所述叠芯与所述加强筋片相贴合，然后进行封装。
具体地，将所述加强筋置于所述软包膜上，用冲头对所述加强筋片和所述软包膜共同冲压形成凹槽。
在其中一个实施例中，将两个加强筋片分别与同一软包膜贴合，分别在各所述加强筋片和软包膜贴合的位置共同冲压形成两个所述凹槽，将所述叠芯放入所述软包膜的一个凹槽中后，将所述加强筋片和软包膜对折，以使所述叠芯位于两个所述凹槽配合形成的空间内，进行封装；
或者，将一个所述加强筋片与所述软包膜贴合，在所述加强筋片和软包膜贴合的位置共同冲压形成一所述凹槽，所述软包膜的其他部分不设置所述凹槽，将所述叠芯放入所述凹槽中后，将另一所述加强筋片覆盖在所述叠芯上，然后将所述软包膜未设有所述凹槽的其他部分对折覆盖在所述叠芯上，进行封装。
在其中一个实施例中，所述冲压成型的温度为100℃～150℃、压力为0.08MPa～0.12MPa。
本发明还提供一种软包电池，所述软包电池包含上述电芯或采用上述电芯的制备方法制备得到的电芯。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明上述加强筋片以特定模量的短纤维和特定冲击强度、邵氏硬度的热塑性聚合物为原料复合而成，并按照特定比例搭配，使得加强筋片具有良好的热塑性变形能力和适宜的刚度，一方面，能够在冲头的压力和高于热塑性聚合物软化点的温度条件下成型，易于后续冲压成型，且成型精度高，使得成型后的加强筋片能够与软包膜紧密贴合；另一方面，短纤维的增强作用使得加强筋片在常温下具有适度的刚度，从而可以抵抗封装抽真空时负压导致的角位褶皱甚至是棱角的形成，从而降低角位破损风险，提高电芯的品质。
3)本发明上述加强筋片为表面多孔结构，该多孔结构能够提高电解液对电芯内的电池极片的浸润。
3)本发明上述电芯的制备方法采用加强筋与软包电池用的软包膜共同冲压的整体成型方法，使加强筋片与软包膜能够紧密贴合，从而可以避免在加强筋片与软包膜角位处产生间隙，提高加强筋片对软包电芯角位的保护效果。
4)本发明上述软包电池，通过在软包膜和叠芯之间设置由两片加强筋片组成的加强筋套，且加强筋套的内、外侧壁分别与叠芯和软包膜贴合，具有适度刚度的加强筋套减少了软包电池的角位褶皱，还避免了叠芯的角位直接与软包膜接触，进一步降低了角位腐蚀的风险。
5)本发明上述加强筋片和电芯的制备方法的工艺简单易于实现，基本不需要对现有设备进行改造调整，适于产业化推广。
附图说明
图1为本发明一实施例加强筋片的结构示意图；
图2为本发明一实施例加强筋片与铝塑膜冲坑成型后的结构示意图；
图3为本发明一实施例电芯的横截面剖示图；
图4为一对比例电芯的横截面剖示图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
1、加强筋片的制备
1.1原材料及原材料捏合
原材料：85wt％聚丙烯+15wt％凯夫拉纤维粉
将捏合机预热至170℃～180℃后，加入聚丙烯颗粒，待聚丙烯颗粒完全熔化后，加入凯夫拉纤维粉，于该温度下继续保温捏合120min，得到聚丙烯与凯夫拉纤维的混合物。
1.2压片
将捏合后的混合物置于平板压片机上，在140℃～150℃下，用表面带凸刺的压辊对混合物进行辊压，得到如图1所示的多孔加强筋压片，其厚度为0.08mm±0.01mm，其上的孔隙直径为0.05mm，孔隙分布密度为135个/mm2。
2、电池组装
2.1加强筋片的裁切
将上述制得的加强筋的压片进行裁切，裁切的尺寸由叠芯的尺寸决定，具体为：加强筋片的长度等于叠芯的长度，加强筋片的宽度为叠芯的宽度+1/2叠芯厚度-0.5mm～叠芯的宽度+1/2叠芯厚度。
2.1冲坑
铝塑膜采用双坑设计，将两片裁切好的加强筋片分别置于铝塑膜的待冲坑区域，在温度140℃～150℃，压力0.1MPa，保压时间2s的条件下整体冲坑成型，如图2所示，使铝塑膜10形成两个方形的凹槽，变形后的加强筋20贴合在铝塑镆的凹槽中，制得加强筋与凹槽紧密贴合的铝塑膜。铝塑膜的冲坑深度L为后续待封装的叠芯的厚度的一半。
整体冲压成型是将加强筋置于待冲坑铝塑膜上方，当冲坑压头下压时加强筋与铝塑膜同时受力产生塑性变形，冲坑完成后，变形的加强筋贴合在变形后的铝塑膜的凹槽中。
2.3叠芯封装
将带负极耳和正极耳的叠芯置于铝塑膜双坑中的一个凹槽内，使加强筋与叠芯紧密贴合，然后以双坑中心连线中点的垂线为轴翻转铝塑膜，使叠芯的另一面与翻转过来加强筋贴合，最后按正常流程将铝塑膜热封，至此电池内部的叠芯已被加强筋完全包裹。
封装完后，再经过注液、化成、分容等工序，得到电芯。
请看图3，该电芯包括铝塑膜10、叠芯30和设于铝塑膜10和叠芯30之间的加强筋片20，加强筋片20的数量为两片，且加强筋片20的两相对侧表面分别与铝塑膜10和叠芯30紧密贴合。
其中，叠芯30具有正极耳31和负极耳32，正极耳31和负极耳32凸出于叠芯30的同一个表面。两片加强筋片20分别包覆叠芯30相对的两个表面，且该相对的两个表面均与凸出有正极耳31和负极耳32的表面相邻。两片加强筋片中的一个加强筋片20包覆叠芯30的一个表面及该表面的相对两条楞边，另一个加强筋片20包覆叠芯30的另一个相对的表面及该表面的相对两条楞边，且两个加强筋片之间在该相对的两个表面上均留有不大于0.5mm的间隙。
将所得电芯配上保护电路，并进行外壳包装，得到软包锂离子电池。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于实施例2的加强筋中凯夫拉纤维的质量百分比为10％，聚丙烯的质量百分比为90％。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于实施例3的加强筋中凯夫拉纤维的质量百分比为30％，聚丙烯的质量百分比为70％。
实施例4
实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于实施例4加强筋进行压片时使用的压辊表面没有刺头，得到的加强筋不具有多孔结构。
对比例1
对比例1的电池与实施例1基本相同，不同之处在于，对比例1电池内部没有加强筋。
对比例2
对比例2的电池与实施例1基本相同，不同之处在于，加强筋片与铝塑膜均分别单独成型，即按照事先计算的冲坑深度，分别对加强筋片与铝塑膜进行冲坑成型，然后再将加强筋安装入铝塑膜。需要注意的是，本对比例其他工序与参数与实施例1相同。
对比例3
对比例3与实施例1不同之处在于，如图4所示，对比例3电芯内无加强筋，但在冲坑后采用滴胶工艺，在铝塑膜内坑里四个R角滴聚酰胺热熔胶；待热熔胶固化后，将叠芯放入铝塑膜内坑中进行封装。后续工序与实施例1相同。
角位褶皱检测试验
将上述实施例1～4和对比例1～3制成的电芯各100只，随机叠放在流拉盒中，然后放在85℃环境下，以真空度-0.9Kpa保持16小时，并随后检查角位褶皱的情况。注液封装和二次封装后再次检查角位褶皱情况。
角位产生褶皱但是没有产生棱角的标记为褶皱，角位褶皱产生棱角的标记为棱角。检测结果如表1所示。
表1
从表1中可知，实施例1～4出现褶皱的比例我出现棱角的比例相较于对比例1～2有了显著降低，说明采用本发明的方法可以有效降低真空后角位褶皱及棱角的问题。
进一步，通过对比实施例1～4和对比例1～2可知，采用加强筋片与铝塑膜整体成型的方法可以显著提高本发明的有益效果，而采用加强筋片、铝塑膜分别单独冲压成型的方法则效果较差，这是因为铝塑膜与加强筋片的材料体系的差异，两者的塑性变形能力有一定差别，因此冲压后的弹性恢复程度不同，若分别单独冲压成型再将两者进行组装，尺寸上易出现不匹配的现象，尤其是角位等变形程度大的位置，而采用整体成型工艺，加强筋片一方面可以防止铝塑膜变形，提高冲坑的尺寸稳定性，另一方面，在冲坑压头的压力下，铝塑膜与加强筋片能紧密贴合，防止不匹配的情况发生。
失液量检测试验
将上述实施例1、实施例4和对比例1制成的电芯，各100只，在二封时统计每个电芯的失液率，失液率＝失液体积/注液体积*100％，统计结果如表2所示。
表2
组别 二封失液率
实施例1 5.9％
实施例4 10.2％
对比例1 5.8％
由统计结果可知，本发明实施例1的失液率与对比例1正常电芯相当，说明本发明不会影响电池极片对电解液的吸收，而实施例4由于加强筋表面不具有多孔结构，阻碍了电解液在电池内部的浸润，所以游离电解液较多，其失液率较大。
跌落和跌落后K值比较
按照GB/T 31485-2015标准对各组电芯进行跌落测试，每种测试每组电芯的测试样品数量为100只，测试结束后，统计每组电芯的实验通过率。
对各组电芯的初始K值(K0)进行测试和记录，并在跌落测试后将各组样品通过测试的电芯进行K值的跟踪测试，每次测试间隔三天，测试结果取平均值，统计结果如表3所示。
表3
注：K值的单位为mV/day；K0为电芯制作完成后测试，即电芯的初始K值；K1为跌落或挤压实验后第三天测试；K2为K1测试完成后第三天测试；K3为K2测试完成后第三天测试，以上每组数据均为对应组别的测试平均值。
由上表实施例1～4和对比例1～2测试结果可知，本发明的方法可以大幅度提高电芯的跌落测试通过率，这与加强筋对电池内部的保护作用有关。由实施例1和对比例3可知，虽然，滴胶工艺可以改善电池在制作过程中的角位褶皱问题，但其对于电芯跌落测试通过率是不具备增益效果的，而本发明中的加强筋可对电芯内部进行加强，起到提高电芯抵抗外力侵蚀的作用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电芯，其特征在于，所述电芯包括软包膜、叠芯和设于所述叠芯与所述软包膜之间的加强筋片，且所述加强筋片的两相对侧表面分别与所述叠芯和所述软包膜贴合，所述软包膜与所述加强筋片相互贴合并被共同冲压形成凹槽，所述软包膜的凹槽的至少一条楞边被所述加强筋片覆盖，所述叠芯设于所述软包膜的凹槽中，且所述加强筋片至少包覆所述叠芯的一条楞边；所述加强筋片由包括5wt%~30wt%纤维和70wt%~95wt%热塑性聚合物的原料复合而成，所述加强筋片通过将所述纤维加入至熔化后的所述热塑性聚合物中捏合、辊压制得；所述纤维的长度为0.01mm~0.1mm，比模量为29 GPa ~ 114 GPa；所述热塑性聚合物的冲击强度为8 KJ/m2 ~ 54KJ/m2，邵氏硬度为40D ~ 72D。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述加强筋片为两个，两个所述加强筋片分别与同一所述软包膜互贴合，并分别在所述软包膜和各所述加强筋片贴合的位置共同冲压形成两个所述凹槽，所述叠芯位于两个所述凹槽配合形成的空间内，两个所述加强筋片分别包覆所述叠芯的一个表面及该表面的相对两条楞边，两个所述加强筋片包覆的四条楞边位于相对的两个表面，相对的两个表面均与所述叠芯凸出有极耳的表面相邻，且两个所述加强筋片之间在该相对的两个表面上均留有不大于0.5mm的间隙。
3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述纤维选自凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维和玻璃纤维中的至少一种；或者所述热塑性聚合物选自聚丙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚酰亚胺和聚氯乙烯中的至少一种。
4.根据权利要求1或3所述的电芯，其特征在于，所述加强筋片的软化温度为95℃~145℃。
5.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述加强筋片的厚度为0.04mm~0.1mm。
6.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述加强筋片上具有孔隙，所述孔隙的直径为0.01mm~0.08mm，所述孔隙的分布密度为50~150个/mm2。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的电芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述加强筋片和软包膜贴合后，在所述加强筋片和软包膜贴合的位置共同冲压形成凹槽，所述软包膜的凹槽的至少一条楞边被所述加强筋片覆盖；
将叠芯放入所述软包膜的凹槽中，所述叠芯与所述加强筋片相贴合，然后进行封装。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
将两个加强筋片分别与同一软包膜贴合，分别在各所述加强筋片和软包膜贴合的位置共同冲压形成两个所述凹槽，将所述叠芯放入所述软包膜的一个凹槽中后，将所述加强筋片和软包膜对折，以使所述叠芯位于两个所述凹槽配合形成的空间内，进行封装。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
将一个所述加强筋片与所述软包膜贴合，在所述加强筋片和软包膜贴合的位置共同冲压形成一所述凹槽，所述软包膜的其他部分不设置所述凹槽，将所述叠芯放入所述凹槽中后，将另一所述加强筋片覆盖在所述叠芯上，然后将所述软包膜未设有所述凹槽的其他部分对折覆盖在所述叠芯上，进行封装。
10.一种软包电池，其特征在于，所述软包电池包括权利要求1~6任一项所述的电芯。
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