CN110224098A - 一种锂离子电池卷芯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池卷芯，包括正极片及负极片，正极片与负极片相互卷绕，形成圆柱状的卷绕结构，卷绕结构中部形成中心孔；正极片与负极片相互卷绕，复合隔膜位于正极片与负极片之间，正极耳卷绕后位于卷绕结构两端，正极耳位于中心孔与卷绕结构两端的周缘之间，负极耳位于卷绕结构另两端的周缘上。本发明通过将正极耳设于中心孔与卷绕结构两端的周缘之间，远离了同样温度较高的中心孔区域，避免了中心孔区域的高温对正极耳的影响，有利于正极耳的散热，有效保护正极片及负极片，延长锂离子电池卷芯的使用寿命；同时，采用的复合隔膜不仅能够提高其热稳定性和浸润性，并且复合隔膜与锂电极具有较好的匹配性，进而提高卷芯的综合性能。

Description

一种锂离子电池卷芯
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体地，涉及一种锂离子电池卷芯。
背景技术
圆柱型锂离子电池具有能量密度大、循环性能好等优点，被广泛应用于手机、平板电脑、可穿戴设备、移动电源、电子烟、各种数码产品、电动工具、动力、储能等领域。传统的圆柱型锂离子电池采用卷绕结构，正负极片相卷绕形成卷芯。对于卷芯而言，其一旦温度过高，就会对正负极片产生不可逆的影响对于传统的锂离子电池，其卷芯内部散热能力较差，导致电池循环寿命变差。
同时，目前锂离子电池隔膜的主流材料是以聚丙烯(PP)微孔膜和聚乙烯(PE)微孔膜为代表的聚烯烃微孔隔膜，虽然聚烯烃微孔隔膜的制造成本低廉，且具有较高的孔隙率和较低的电阻，以及较好的抗酸碱能力和抗撕裂强度，但是其在热稳定性和浸润性等性能上的表现较差，从而影响卷芯的性能，降低锂电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池卷芯，通过将正极耳设于中心孔与卷绕结构两端的周缘之间，远离了同样温度较高的中心孔区域，避免了中心孔区域的高温对正极耳的影响，有利于正极耳的散热，有效保护正极片及负极片，延长了锂离子电池卷芯的使用寿命；同时，采用的复合隔膜不仅能够提高其热稳定性和浸润性，并且复合隔膜与锂电极(正极片、负极片)具有较好的匹配性，进而提高卷芯的综合性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种锂离子电池卷芯，包括正极片及负极片；
正极片包括带状的正极基体及正极耳，正极耳贴附于正极基体上，正极片还包括正极材料层，正极材料层附于正极基体上；
负极片包括带状的负极基体及负极耳，负极耳贴附于负极基体的两端；负极片还包括负极材料层，负极材料层附于负极基体上；
正极片与负极片相互卷绕，以形成圆柱状的卷绕结构，卷绕结构中部形成中心孔；锂离子电池卷芯还包括复合隔膜，复合隔膜为带状结构，正极片与负极片相互卷绕，复合隔膜位于正极片与负极片之间，正极耳卷绕后位于卷绕结构两端，且正极耳位于中心孔与卷绕结构两端的周缘之间，负极耳位于卷绕结构另两端的周缘上。
进一步地，以在正极基体形成正极空白区及附有正极材料层的正极材料层区，正极耳贴附于正极空白区。
进一步地，以在负极基体形成负极空白区及附有负极材料层的负极材料层区，负极耳贴附于负极空白区，负极空白区位于负极基体的两端。
进一步地，所述复合隔膜由如下方法制备：
步骤S1、将聚芳醚砜酮溶解于N，N-二甲基乙酰胺中配制成质量分数为20％的聚芳醚砜酮溶液，于60℃下充分搅拌10h，然后转移至注射器中静止，待气泡消除，溶液稳定后进行纺丝；
步骤S2、将电纺制备好的隔膜置于60℃真空箱中干燥12h，待溶剂完全挥发后，得到纤维膜基体；
步骤S3、将聚偏氟乙烯和纳米SiO2加入到丙酮中，超声50-60min，得到浆料；
其中，聚偏氟乙烯、纳米SiO2和丙酮的用量之比为4g:1g:100mL；
步骤S4、采用浸涂的方法，将浆料涂覆在纤维膜基体表面，自然晾干，将其置于40℃真空干燥箱中过夜；
步骤S5、对干燥后的薄膜进行热压处理，热压温度为80℃，压力为50MPa，得到所述复合隔膜。
进一步地，步骤S1中纺丝参数：纺丝温度控制在36-45℃，湿度30％-37％，固定接收间隔20cm，采用22kV的电压和1.5μL/min的推液速率，纺丝的厚度控制在30-40μm。
本发明的有益效果：
本发明的锂离子电池卷芯中，由于正极耳位于中心孔与卷绕结构两端的周缘之间，远离了同样温度较高的中心孔区域，避免了中心孔区域的高温对正极耳的影响，有利于正极耳的散热，有效保护正极片及负极片，延长了锂离子电池卷芯的使用寿命；
此外，在使用上述锂离子电池卷芯的锂离子电池中，其形成了正极耳到电池外壳的热量扩散梯度以及正极耳到中心孔的热量扩散梯度，并且在增加了热量扩散梯度的同时缩短了热量扩散路径，有利于锂离子电池卷芯内部热量的快速扩散；
本发明的卷芯材料复合隔膜，复合隔膜以聚芳醚砜酮纤维膜作为基体，在其表面浸涂一层涂覆浆料；聚芳醚砜酮具有良好的力学性能，且耐热性很好，将其作为纤维膜纺丝原料，不仅能提高纤维膜基体的耐热性，还能提高其力学强度；经测试，纤维膜基体的力学强度达到13.5MPa；涂覆浆料均匀地覆盖于纤维膜基体表面，并且纳米二氧化硅粒子相互堆积形成了大小合适、分布均匀的三维粒间孔隙(<1μm)，与普通隔膜狭长的通孔结构相比，复合隔膜中这种较为弯曲的三维多孔结构能够促进隔膜吸收和储存较多的电解液；同时，涂覆浆料中聚偏氟乙烯与SiO2粒子相对较高的极性以及复合隔膜高度连续的孔洞结构，二者可以促进电解液毛细浸入隔膜微孔结构中并快速扩散，使得复合隔膜对电解液具有良好的润湿性，对电解液良好的润湿性和吸收储存性使得复合隔膜能够有效提升卷芯的电学性能；纤维膜基体具有良好的热稳定性，并且，涂覆浆料中纳米SiO2的引入也可以进一步改善复合隔膜的耐热性，复合隔膜这种优良的热稳定性能够提高卷芯的使用安全性；再者，由于聚合物电解质聚偏氟乙烯与电解液之间具有良好的溶胀行为，可以在电极/隔膜界面间形成凝胶层，从而增强界面间的粘合力，并促进锂离子的迁移，使得复合隔膜与锂电极(正极片、负极片)具有较好的匹配性，增强卷芯的性能。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种锂离子电池卷芯的结构示意图；
图2为本发明一种锂离子电池卷芯的正极片的结构示意图；
图3为本发明一种锂离子电池卷芯的负极片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3所示，一种锂离子电池卷芯，如图1所示，锂离子电池卷芯，包括正极片110及负极片130；
如图2所示，正极片110包括带状的正极基体112及正极耳114，正极耳114贴附于正极基体112上，正极片110还包括正极材料层116，正极材料层116附于正极基体112上，以在正极基体112形成正极空白区及附有正极材料层116的正极材料层区，正极耳114贴附于正极空白区，正极空白区位于正极基体112上的靠近中部的位置；
如图3所示，负极片130包括带状的负极基体132及负极耳134，负极耳134贴附于负极基体132的两端；负极片130还包括负极材料层136，负极材料层136附于负极基体132上，以在负极基体132形成负极空白区及附有负极材料层136的负极材料层136区，负极耳134贴附于负极空白区，负极空白区位于负极基体132的两端；
正极片110与负极片130相互卷绕，以形成圆柱状的卷绕结构150，卷绕结构150中部形成中心孔152；锂离子电池卷芯还包括复合隔膜(图未示)，复合隔膜为带状结构，正极片110与负极片130相互卷绕，复合隔膜位于正极片110与负极片130之间，以使正极片110与负极片130相隔离，正极耳114卷绕后位于卷绕结构150两端，且正极耳114位于中心孔152与卷绕结构150两端的周缘之间，负极耳134位于卷绕结构150另两端的周缘上；
锂离子电池卷芯中，由于正极耳114位于中心孔152与卷绕结构150两端的周缘之间，远离了同样温度较高的中心孔152区域，避免了中心孔152区域的高温对正极耳114的影响，有利于正极耳114的散热，有效保护正极片110及负极片130，延长了锂离子电池卷芯的使用寿命；
此外，在使用上述锂离子电池卷芯的锂离子电池中，其形成了正极耳114到电池外壳的热量扩散梯度以及正极耳114到中心孔152的热量扩散梯度，并且在增加了热量扩散梯度的同时缩短了热量扩散路径，有利于锂离子电池卷芯内部热量的快速扩散；
其中，复合隔膜由如下方法制备：
步骤S1、将聚芳醚砜酮溶解于N，N-二甲基乙酰胺中配制成质量分数为20％的聚芳醚砜酮溶液，于60℃下充分搅拌10h，然后转移至注射器中静止，待气泡消除，溶液稳定后进行纺丝；
纺丝参数：纺丝温度控制在36-45℃，湿度30％-37％，固定接收间隔20cm，采用22kV的电压和1.5μL/min的推液速率，纺丝的厚度控制在30-40μm；
步骤S2、将电纺制备好的隔膜置于60℃真空箱中干燥12h，待溶剂完全挥发后，得到纤维膜基体；
步骤S3、将聚偏氟乙烯和纳米SiO2加入到丙酮中，超声50-60min，得到浆料；
其中，聚偏氟乙烯、纳米SiO2和丙酮的用量之比为4g:1g:100mL；
步骤S4、采用浸涂的方法，将浆料涂覆在纤维膜基体表面，自然晾干，将其置于40℃真空干燥箱中过夜；
步骤S5、对干燥后的薄膜进行热压处理，热压温度为80℃，压力为50MPa，得到所述复合隔膜；
聚芳醚砜酮具有良好的力学性能，且耐热性很好，将其作为纤维膜纺丝原料，不仅能提高纤维膜基体的耐热性，还能提高其力学强度；经测试，纤维膜基体的力学强度达到13.5MPa；
涂覆浆料均匀地覆盖于纤维膜基体表面，并且纳米二氧化硅粒子相互堆积形成了大小合适、分布均匀的三维粒间孔隙(<1μm)，与普通隔膜狭长的通孔结构相比，复合隔膜中这种较为弯曲的三维多孔结构能够促进隔膜吸收和储存较多的电解液；同时，涂覆浆料中聚偏氟乙烯与SiO2粒子相对较高的极性以及复合隔膜高度连续的孔洞结构，二者可以促进电解液毛细浸入隔膜微孔结构中并快速扩散，使得复合隔膜对电解液具有良好的润湿性，对电解液良好的润湿性和吸收储存性使得复合隔膜能够有效提升卷芯的电学性能；纤维膜基体具有良好的热稳定性，并且，涂覆浆料中纳米SiO2的引入也可以进一步改善复合隔膜的耐热性，复合隔膜这种优良的热稳定性能够提高卷芯的使用安全性；再者，由于聚合物电解质聚偏氟乙烯与电解液之间具有良好的溶胀行为，可以在电极/隔膜界面间形成凝胶层，从而增强界面间的粘合力，并促进锂离子的迁移，使得复合隔膜与锂电极(正极片、负极片)具有较好的匹配性，增强卷芯的性能。
实施例1
复合隔膜由如下方法制备：
步骤S1、将聚芳醚砜酮溶解于N，N-二甲基乙酰胺中配制成质量分数为20％的聚芳醚砜酮溶液，于60℃下充分搅拌10h，然后转移至注射器中静止，待气泡消除，溶液稳定后进行纺丝；
纺丝参数：纺丝温度控制在36℃，湿度30％，固定接收间隔20cm，采用22kV的电压和1.5μL/min的推液速率，纺丝的厚度控制在30μm；
步骤S2、将电纺制备好的隔膜置于60℃真空箱中干燥12h，待溶剂完全挥发后，得到纤维膜基体；
步骤S3、将聚偏氟乙烯和纳米SiO2加入到丙酮中，超声50min，得到浆料；其中，聚偏氟乙烯、纳米SiO2和丙酮的用量之比为4g:1g:100mL；
步骤S4、采用浸涂的方法，将浆料涂覆在纤维膜基体表面，自然晾干，将其置于40℃真空干燥箱中过夜；
步骤S5、对干燥后的薄膜进行热压处理，热压温度为80℃，压力为50MPa，得到所述复合隔膜。
实施例2
复合隔膜由如下方法制备：
步骤S1、将聚芳醚砜酮溶解于N，N-二甲基乙酰胺中配制成质量分数为20％的聚芳醚砜酮溶液，于60℃下充分搅拌10h，然后转移至注射器中静止，待气泡消除，溶液稳定后进行纺丝；
纺丝参数：纺丝温度控制在42℃，湿度34％，固定接收间隔20cm，采用22kV的电压和1.5μL/min的推液速率，纺丝的厚度控制在35μm；
步骤S2、将电纺制备好的隔膜置于60℃真空箱中干燥12h，待溶剂完全挥发后，得到纤维膜基体；
步骤S3、将聚偏氟乙烯和纳米SiO2加入到丙酮中，超声55min，得到浆料；其中，聚偏氟乙烯、纳米SiO2和丙酮的用量之比为4g:1g:100mL；
步骤S4、采用浸涂的方法，将浆料涂覆在纤维膜基体表面，自然晾干，将其置于40℃真空干燥箱中过夜；
步骤S5、对干燥后的薄膜进行热压处理，热压温度为80℃，压力为50MPa，得到所述复合隔膜。
实施例3
复合隔膜由如下方法制备：
步骤S1、将聚芳醚砜酮溶解于N，N-二甲基乙酰胺中配制成质量分数为20％的聚芳醚砜酮溶液，于60℃下充分搅拌10h，然后转移至注射器中静止，待气泡消除，溶液稳定后进行纺丝；
纺丝参数：纺丝温度控制在45℃，湿度37％，固定接收间隔20cm，采用22kV的电压和1.5μL/min的推液速率，纺丝的厚度控制在40μm；
步骤S2、将电纺制备好的隔膜置于60℃真空箱中干燥12h，待溶剂完全挥发后，得到纤维膜基体；
步骤S3、将聚偏氟乙烯和纳米SiO2加入到丙酮中，超声60min，得到浆料；其中，聚偏氟乙烯、纳米SiO2和丙酮的用量之比为4g:1g:100mL；
步骤S4、采用浸涂的方法，将浆料涂覆在纤维膜基体表面，自然晾干，将其置于40℃真空干燥箱中过夜；
步骤S5、对干燥后的薄膜进行热压处理，热压温度为80℃，压力为50MPa，得到所述复合隔膜。
对比例
普通聚烯烃隔膜。
对实施例1-3制得的和对比例的隔膜做如下性能测试：测量隔膜的孔隙率；利用接触角测试仪检测复合隔膜对电解液的润湿能力；利用称量法表征隔膜的吸液率；
耐热性测试：分别在150℃、200℃、250℃对隔膜进行了热处理，热处理时间为1h，观察热处理后的隔膜形态；
测试结果如下表：
可知，实施例1-3制得的复合隔膜的孔隙率为56.2-57.3％，电解液与复合隔膜的接触角为15.7-16.5°，复合隔膜的吸液率为120.8-121.6％，说明本发明制得的复合隔膜具有对电解液良好的润湿性和吸收储存性，能够有效提升卷芯的电学性能；复合隔膜在250℃下热处理1h，基本无变化，说明本发明制得的复合隔膜的耐热性能强，能够提高锂离子电池卷芯的使用安全性。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种锂离子电池卷芯，其特征在于，包括正极片(110)及负极片(130)；
正极片(110)包括带状的正极基体(112)及正极耳(114)，正极耳(114)贴附于正极基体(112)上，正极片(110)还包括正极材料层(116)，正极材料层(116)附于正极基体(112)上；
负极片(130)包括带状的负极基体(132)及负极耳(134)，负极耳(134)贴附于负极基体(132)的两端；负极片(130)还包括负极材料层(136)，负极材料层(136)附于负极基体(132)上；
正极片(110)与负极片(130)相互卷绕，以形成圆柱状的卷绕结构(150)，卷绕结构(150)中部形成中心孔(152)；锂离子电池卷芯还包括复合隔膜，复合隔膜为带状结构，正极片(110)与负极片(130)相互卷绕，复合隔膜位于正极片(110)与负极片(130)之间，正极耳(114)卷绕后位于卷绕结构(150)两端，且正极耳(114)位于中心孔(152)与卷绕结构(150)两端的周缘之间，负极耳(134)位于卷绕结构(150)另两端的周缘上。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池卷芯，其特征在于，以在正极基体(112)形成正极空白区及附有正极材料层(116)的正极材料层区，正极耳(114)贴附于正极空白区。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池卷芯，其特征在于，以在负极基体(132)形成负极空白区及附有负极材料层(136)的负极材料层(136)区，负极耳(134)贴附于负极空白区，负极空白区位于负极基体(132)的两端。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池卷芯，其特征在于，所述复合隔膜由如下方法制备：
步骤S1、将聚芳醚砜酮溶解于N，N-二甲基乙酰胺中配制成质量分数为20％的聚芳醚砜酮溶液，于60℃下充分搅拌10h，然后转移至注射器中静止，待气泡消除，溶液稳定后进行纺丝；
步骤S2、将电纺制备好的隔膜置于60℃真空箱中干燥12h，待溶剂完全挥发后，得到纤维膜基体；
步骤S3、将聚偏氟乙烯和纳米SiO2加入到丙酮中，超声50-60min，得到浆料；
其中，聚偏氟乙烯、纳米SiO2和丙酮的用量之比为4g:1g:100mL；
步骤S4、采用浸涂的方法，将浆料涂覆在纤维膜基体表面，自然晾干，将其置于40℃真空干燥箱中过夜；
步骤S5、对干燥后的薄膜进行热压处理，热压温度为80℃，压力为50MPa，得到所述复合隔膜。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池卷芯，其特征在于，步骤S1中纺丝参数：纺丝温度控制在36-45℃，湿度30％-37％，固定接收间隔20cm，采用22kV的电压和1.5μL/min的推液速率，纺丝的厚度控制在30-40μm。
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