CN110400959B - 一种卷绕式双芯包、卷绕式双芯包制造方法及锂离子电池 - Google Patents

一种卷绕式双芯包、卷绕式双芯包制造方法及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种卷绕式双芯包、卷绕式双芯包制造方法及锂离子电池。双芯包包括第一极片、第二极片和隔膜；第一极片包括第一空箔区，和位于第一空箔区两侧的敷料区；第二极片包括位于第二极片一端的第二敷料区，和位于第二极片另一端的第二空箔区；第一极片的两个第一敷料区上侧均叠放一个第二极片，第二极片的空箔区朝向第一极片的外侧设置；第一极片和第二极片之间设置有隔膜；第一极片、第二极片和隔膜卷绕形成一体芯包，一体芯包沿第一空箔区对折构成双芯包，且第一空箔区和第二空箔区形成双芯包的两个极耳。此芯包一方面提高了电池的体积能量密度，另一方面具有制造工艺简单，生产效率高的优点。

Description

一种卷绕式双芯包、卷绕式双芯包制造方法及锂离子电池
技术领域
本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种卷绕式双芯包、卷绕式双芯包制造方法及锂离子电池。
背景技术
目前主流的二次电池，按芯包最终形态可分类为：圆柱卷绕式、方形叠片式、方形卷绕式。单个芯包相同容量和配比的前提下，一般圆柱卷绕式成型速度最快、方形卷绕式次之、方形叠片式最慢。因此为提高芯包成型速度进而提高电池生产效率，采用卷绕式成为优先选择。又考虑到大型二次电池散热和能量密度问题，方形卷绕式芯包更具优势。
传统的方形卷绕式电芯一般采用两芯包并联方式，一种是：为提高空间利用率和能量密度采用正、负极耳单侧上出的方式。正、负极片分别切割出连续差异间距的极耳，再卷绕成芯包：单芯包成型状态为正、负极耳在卷芯的同一方向、同一侧面，两个芯包分别与转接片焊接后，弯折极耳或转接片，使两芯包的无极耳侧面相贴合。该并联方式一般适用于中低倍率、高容量电池应用场景，如储能系统(ESS)、纯电动汽车(EV)、插电混合动力汽车(PHEV)等。其缺点是极耳或转接片载流能力有限，不适合高倍率大电流充放电，且制程中极片报废多、卷绕和装配工序工艺繁琐。
另一种并联方式是：为降低制程难度、提高良率，采用全极耳两边侧出的方式。正、负极耳分别位于芯包两侧，两芯包的两正、两负极耳分别与正、负转接片焊接。该并联方式适用于中高倍率电池，应用场景主要有储能系统(ESS)、混合动力汽车(HEV)、48V混动汽车(M-HEV)等。该方法缺点是：两侧都需极耳和转接片焊接占用空间而降低了体积能量密度；而且，制程中需两个芯包先后分别与两侧转接片焊接，工序繁琐。
基于上述内容可以得出，在现有技术中双芯包并联的二次电池，一般的制造工艺是先分别制造两个芯包，再将两个芯包焊接在一起，形成双芯包并联的结构，此种结构存在制造工艺复杂，生产效率低的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在空间利用率低、制造工艺复杂，生产效率低的技术问题，本发明提供一种卷绕式双芯包，卷绕式双芯包制造方法及锂离子电池
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种卷绕式双芯包，其包括第一极片、第二极片和隔膜；
第一极片包括第一空箔区，和位于第一空箔区两侧的敷料区；
第二极片包括位于第二极片一端的第二敷料区，和位于第二极片另一端的第二空箔区；
第一极片的两个第一敷料区上侧均叠放一个第二极片，第二极片的空箔区朝向第一极片的外侧设置；
第一极片和第二极片之间设置有隔膜；
第一极片、第二极片和隔膜卷绕形成一体芯包，一体芯包沿第一空箔区对折构成双芯包，且第一空箔区和第二空箔区形成双芯包的两个极耳。
优选的，第一敷料区和第二敷料区之间设置有隔膜；
第一敷料区和第二敷料区的宽度均小于隔膜的宽度，第一敷料区和第二敷料区完全包覆在隔膜内，第一空箔区和第二空箔区的至少部分位于隔膜的外侧。
优选的，设置在第一极片上侧的两个第二极片间隔设置，两个第二极片上第二敷料区均与第一极片上的一个第一敷料区相对设置。
优选的，第一极片具有相对设置的第一极片第一面和第一极片第二面，第二极片具有相对设置的第二极片第一面和第二极片第二面；
第一极片和第二极片之间包括第一极片第一面和第二极片第一面之间，第一极片第二面和第二极片第二面之间；
第一极片第一面和第二极片第一面之间的隔膜为第一隔膜；
第一极片第二面和第二极片第二面之间的隔膜为第二隔膜。
优选的，沿芯包的卷绕方向，第二极片的收尾端位于第一极片收尾端和隔膜收尾端的中间，且第一极片收尾端不超过隔膜收尾端。
优选的，双芯包位于第一空箔区处设置有通孔。
优选的，通孔的截面呈直槽口形、圆形、椭圆形或矩形。
优选的，双芯包暴露在隔膜外侧的第一敷料区和第二敷料区分别形成第一极耳和第二极耳，第一极耳和第二极耳上均设置有转接片。
一种锂离子电池，其包括如以上所述的卷绕式双芯包。
一种卷绕式双芯包的制造方法，其包括：
第一极片和第二极片之间设置有隔膜；
卷绕第一极片、第二极片和隔膜形成一体芯包，沿一体芯包的中心线对折形成双芯包。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的双芯包，通过第一极片、第二极片和隔膜卷绕形成一体芯包，一体芯包沿第一空箔区对折构成双芯包，在双芯包中，第一空箔区与第二空箔区位于相互垂直或交叉的两个平面，且第一空箔区构成的极耳贴合于芯包主体，节省了空间，从而提高了电池的体积能量密度；另一方面，相对于现有技术的单独设置两个芯包，然后通过焊接形成双芯包的制造方式，具有制造工艺简单，生产效率高的优点。
附图说明
图1为实例一第一极片示意图(图中左侧、右侧均为第一敷料区，中间为第一空箔区)；
图2为实例一第二极片示意图(图中左侧为第二空箔区，右侧为第二敷料区)；
图3为实例一一体芯包卷绕示意图；
图4为实例一一体芯包拆解示意图；
图5为实例一一体芯包各部件尺寸和距离示意图；
图6为实例一卷绕完成的一体芯包示意图；
图7为实例一第一、第二极耳超声波预焊后的一体芯包示意图；
图8为实例一第一转接片；
图9为实例一第二转接片；
图10为实例一芯包第一极耳与第一转接片焊接成型示意图(与第一转接片相连接的电池盖板和其上的第二转接片省略未画出)；
图11为实例一一体芯包对折后的并联芯包示意图(与第一转接片相连接的电池盖板和其上的第二转接片省略未画出)；
图12为实例一第二转接片与并联芯包超声波焊接成型示意图(与第一、第二转接片相连接的电池顶盖省略未画出)；
图13为实例二芯包第一极耳与第一转接片设置位置示意图；
图14为实例二芯包第一极耳与第一转接片焊接成型示意图(与第一转接片相连接的电池顶盖和其上的第一转接片省略未画出)；
图15为实例二一体芯包对折后第二转接片与并联芯包超声波焊接成型示意图(与第一、第二极转接片相连接的电池顶盖省略未画出)。
【附图标记说明】
1：卷针；2：第一右隔膜；3：第一左隔膜；4：第二右隔膜；5：第二左隔膜；6：第一极片；7、第二右极片；8、第二左极片；9：第一焊印；10：第二焊印；11：第三焊印；12：第一转接片；13：第二转接片；14：第四焊印；
600：通孔；601：第一敷料区；602：第一空箔区；701：第二敷料区；702：第二空箔区；
11'：第三焊印；12'：第一转接片；13'：第二转接片。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本实施方式中，提供了一种卷绕式双芯包，其包括第一极片6、第二极片和隔膜。
参照图1，第一极片6包括第一空箔区602，和位于第一空箔区602两侧的第一敷料区601。
参照图2，第二极片包括位于第二极片一端的第二敷料区701，和位于第二极片另一端的第二空箔区702。
参照图2、图3，第一极片6的两个第一敷料区601上侧均叠放一个第二极片，第二极片的空箔区朝向第一极片的外侧设置。两第二极片分别为第二右极片7和第二左极片8，左右没有具体限定作用，只是为了区分两个第二极片。
第一极片6的下侧，第一极片6和第二极片之间设置有隔膜。该隔膜用于隔离第一极片6和第二极片，防止两者之间出现短路。
第一极片6、第二极片和隔膜卷绕形成一体芯包，一体芯包沿中心线对折构成双芯包，且第一空箔区602和第二空箔区702形成双芯包的两个极耳。
在本实施方式中，通过第一极片6、第二极片和隔膜卷绕形成一体芯包，一体芯包沿第一空箔区对折构成双芯包，在双芯包中，第一空箔区与第二空箔区位于相互垂直或交叉的两个平面，且第一空箔区构成的极耳贴合于芯包主体，节省了空间，从而提高了电池的体积能量密度；另一方面，相对于现有技术的单独设置两个芯包，然后通过焊接形成双芯包的制造方式，具有制造工艺简单，生产效率高的优点。
在本实施方式中，第一极片6为阳极片或阴极片，相对应的，第二极片为阴极片或阳极片。阴极片的制造方式是在铝箔上涂敷正极材料。阳极片的制造方式是铜箔上涂敷负极材料。
第一极片6为长条形结构，第一空箔区602和第一敷料区601沿第一极片6的长度方向设置。在第一极片6的宽度方向上，第一空箔区602位于第一极片6的中间位置，两个第一敷料区602分别位于第一空箔区602的两侧。需要进一步说明的是：第一极片6的上下两个面均设置有第一敷料区601和第一空箔区602，并且两个面上敷料区和空箔区镜像设置。
第二极片为长条形结构，第二空箔区702和第二敷料区701沿第二极片的长度方向设置。在第二极片的宽度方向上，第二敷料区701位于负极片的一端，第二空箔区702位于负极片的另一端。需要进一步说明的是：第二极片的上下两个面均设置有的第二敷料区701和第二空箔区702，并且两个面上敷料区和空箔区镜像设置。
第一极片6、第二极片和隔膜具体的设置方式如以下所示：
第一敷料区601和第二敷料区701之间设置有隔膜。第一敷料区601和第二敷料区701的宽度均小于隔膜的宽度，第一敷料区601和第二敷料区701完全包覆在隔膜内，第一空箔区602和第二空箔区702的至少部分位于隔膜的外侧。此种隔膜与第一极片6和第二极片的配合方式，能够隔离第一敷料区601和第二敷料区702，以防止出现短路的问题，另外，第一空箔区602和第二空箔区702暴露在隔膜的外侧以形成极耳。
进一步的，设置在第一极片6上侧两个第二极片间隔设置，两个第二极片上第二敷料区701均与第一极片上的一个第一敷料区601相对设置。
如图3、图4所示，第一极片6具有相对设置的第一极片第一面和第一极片第二面，第二极片具有相对设置的第二极片第一面和第二极片第二面。第一极片6和第二极片之间包括第一极片第一面和第二极片第一面之间，第一极片第二面和第二极片第二面之间。
位于第一极片6第一面和第二极片第一面之间的隔膜为第一隔膜，每个第二极片第一面和第一极片第一面之间均设置有一片第一隔膜，两第一隔膜间隔设置。两个第一隔膜分别为第一右隔膜2和第一左隔膜3。第一极片和第二极片卷绕后，第一极片的第一面和第二极片的第一面相对设置。
位于第一极片6第二面和第二极片第二面之间设置有第二隔膜，每个第二极片第二面和第一极片第二面之间均设置有一片第二隔膜，两第二隔膜间隔设置。两个的二隔膜分别是第二右隔膜4，第二左隔膜5。第一极片和第二极片卷绕后，第一极片的第二面和第二极片的第二面相对设置。
另外，沿芯包的卷绕方向，第二极片的收尾端位于第一极片收尾端和隔膜收尾端的中间，且第一极片收尾端不超过隔膜收尾端。此种，第一极片、第二极片和隔膜收尾段的设置形式，可以将第一极片和第二极片完全隔离开，保证电池在正常运行下不发生短路的问题。
为了对第一极片、第二极片和隔膜的设置形式进行进一步的说明，本实施方式还提供了三者的卷绕过程：
第一隔膜和第二隔膜的宽幅相同，卷绕式双芯包包括两张第一隔膜和两张第二隔膜，将其中一张第一隔膜和一张第二隔膜分成一组，另外，一张第一隔膜和另外一张第二隔膜分成一组。每组的2片隔膜上下重叠且起始端对齐，两组隔膜在卷针上相距适当距离并同时同步卷绕1～2圈使其自紧固。再将第一极片在上下两片隔膜(第一隔膜和第二隔膜)之间卷绕入片0.5或1圈，并使第一敷料区中心线与单片(卷)隔膜中心线对齐。然后将第二极片在第一隔膜上面或第二隔膜下面位置卷绕入片(使第一极片、第二极片位于隔膜两侧且将二者敷料区阻隔)；再连续卷绕，第一极片收尾完全包裹住第二极片敷料区，隔膜收尾完全包裹住第一极片敷料区。
如图5所示，为保证电池正常运行不发生短路等异常，本专利所述的芯包各部件尺寸和距离有如下定义和基本要求：四卷隔膜(两卷第一隔膜，两卷第二隔膜)宽幅为s，第二极片敷料区宽度为cm、第二空箔区宽度为ce，第一极片的第一敷料区宽度为am、第一空箔区宽度为ae；卷绕为一体芯包后，两组隔膜横向间距均为sd，两第二极片的第二敷料区横向间距为cd，两第二极片的第二空箔区超出两侧隔膜尺寸均为d。对其基本要求为：s>am>cm，cd>ae>sd，ce>d。
双芯包位于第一空箔区处设置有通孔。通孔的截面呈直槽口形、圆形、椭圆形或矩形。在第一空箔区上设置通孔的目的是便于后工序电解液充分浸润极片。
通孔形成方式包括两种方法：一种是在极片制程中，采用激光切割或刀模冲切形成，即在极片上设置多个间隔分布的孔，在卷绕过程中，各个孔依次重叠形成一体芯包上的通孔；另一种是在卷绕成为一体芯包后，由刀模在两圆弧端冲切形成。
双芯包暴露在隔膜外侧的第一空箔区和第二空箔区分别形成第一极耳和第二极耳，第一极耳和第二极耳上均设置有转接片。两转接片分别为第一转接片和第二转接片。
转接片主体本是长条金属板状，经90度弯折和切削加工，其侧视为倒“L”形状。
如图8所示，第一转接片12的材质与第一极片箔材相同，第一转接片顶端部分与对应极柱连接，下端部分与第一极片的极耳通过超声波焊接相连。第一转接片下端部分位于芯包和电池的端侧面，与第一极片的极耳相贴合，第一转接片12与第一空箔区形成的极耳相贴合，提高了电池的的空间利用率，提高了电池的体积能量密度。
如图9所示，第二转接片13，其材质与第二极片箔材相同。第二转接片顶端部分与对应极耳连接，下端形成的两侧翼，后序分别与弯折成型的双芯包上第二极片的极耳焊接。第二转接片下端部分平面与第二极片极耳相平行。
两芯包并联的具体方式，按所述一体卷绕方式制成芯包后，将第一极片的极耳与第一转接片超声波焊接成一体。因第一转接片具有方向性，二者焊接面可以是第一转接片内侧，也可以是第一转接片外侧。然后沿第一转接片边缘弯折芯包，使两个第二极片的极耳空箔区面平行且两端面相齐。弯折后两第二极片的极耳空箔区面刚好与第二转接片侧面重合，最后分别进行超声波焊接。
在本实施方式中，还提供了一种锂离子电池，其包括如以上所述的卷绕式双芯包。
在本实施方式中，还提供了一种卷绕式双芯包的制造方法，其用于如以上所述卷绕式双芯包的制造，包括以下步骤：
在第一极片的下侧，第一极片和第二极片之间设置有隔膜；
卷绕第一极片、第二极片和隔膜形成一体芯包，沿一体芯包的中心线对折形成双芯包。
为了对上述方法进行进一步的说明，本实施方式，还提供了上述方法具体的实施步骤：
如图1至图12所示，实例一是一种方形铝壳电池的双芯包一体卷绕方法。其中第一极片为铜箔上涂敷负极材料，第二极片为铝箔上涂敷正极材料；第一转接片为铜材质，第二转接片为铝材质。
首先，经涂布、辊压后的第一极片，包括两端的第一敷料区601，第一空箔区602，和极片成型过程中激光切割的不等间距的直槽口形通孔600。与其对应的第二极片，其中一张是第二空箔区702和另一端第二敷料区701组成的极片。
其次，一体芯包卷绕方式如下：四卷同幅宽的隔膜，第一右隔膜2、第二右隔膜4为一组，第一左隔膜3、第二左隔膜5为一组，分别使两组隔膜起始端对齐且起始端重叠，同时同步在卷针1上卷绕两圈使其紧固；再将第一极片6在第二右隔膜4、第二左隔膜5下端与卷针1之间入片卷绕一圈，使第一极片6两第一敷料区601中心线分别与隔膜第二右隔膜4、第二左隔膜5的中心线重合；然后，将第二右极片7、第二左极片8分别在第一右隔膜2、第二右隔膜4和第一左隔膜3、第二左隔膜5之间入片，连续卷绕；最后，第一极片6比第二右极片7、第二左极片8多卷绕一圈使第一极片6完全包裹住第二极片，然后四卷第一右隔膜2、第二右隔膜4和第一左隔膜3、第二左隔膜5比第一极片6多卷绕一圈收尾，最终卷绕形成一体芯包。其上下两圆弧端分别形成两个通孔600。
其中，芯包各部件尺寸和距离为：s＝110，am＝104，cm＝98，cd＝32，ae＝26，sd＝20，ce＝20，d＝14(单位为mm)；
然后，进行极耳超声波预焊接和第一转接片的焊接。分别在第一空箔区602和第二空箔区702处进行超声波焊接，分别形成两个第一焊印9和两个第二焊印10。将一体芯包的第一空箔区602放置于铜材质的第一转接片12下端平面之上(第一转接片12上端向上垂直放置)。此时焊机焊座位于第一转接片12之下，焊头位于第一空箔区602之上，焊头下压焊接后将二者固定成为一体并形成两个第三焊印11。
之后，弯折一体芯包成内并联双芯包，并焊接第二转接片。沿第一空箔区602与隔膜交界处向第一转接片12上端所指方向对折两侧芯包，使第二焊印10所在的两侧第二空箔区702平行并对齐。此时两第二空箔区搭接在第二转接片13下端两侧翼上。将焊机的焊座插入第二转接片13两侧翼之间，焊头分别在两第二转接片13上下压焊接后将芯包与第二转接片13固定成为一体并形成四个第四焊印14；即一体卷绕芯包弯折成为内并联方式的电芯；
最后，将电芯装入电池壳中，执行后序通用工艺即可。
如图13至图15所示，实例二是一种方形塑壳电池的双芯包一体卷绕方式。其中第一极片为铝箔上涂敷正极材料，第二极片为铜箔上涂敷负极材料；第一转接片12'为铝材质，第二转接片13'为铜材质。
装配上实例二与实例一不同之处在于，其第一转接片12'与第一极片第一空箔区相对位置。将一体芯包的第一空箔区放置于铝材质的第一转接片12'下端平面之上(第一转接片上端向下垂直放置)。此时焊机焊座位于第一转接片12'之下，焊头位于第一极片第一空箔区之上，焊头下压焊接后将二者固定成为一体并形成两个第三焊印11'。
其他工序、工艺与实例一相似。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种卷绕式双芯包，其特征在于：包括第一极片、第二极片和隔膜；
第一极片包括第一空箔区，和位于第一空箔区两侧的敷料区；
第二极片包括位于第二极片一端的第二敷料区，和位于第二极片另一端的第二空箔区；
第一极片的两个第一敷料区上侧均叠放一个第二极片，第二极片的空箔区朝向第一极片的外侧设置；
第一极片和第二极片之间设置有隔膜；
第一极片、第二极片和隔膜卷绕形成一体芯包，一体芯包沿第一空箔区对折构成双芯包，且第一空箔区和第二空箔区形成双芯包的两个极耳，双芯包暴露在隔膜外侧的第一空箔区和第二空箔区分别形成第一极耳和第二极耳，第一极耳和第二极耳上均设置有转接片。
2.根据权利要求1所述的卷绕式双芯包，其特征在于，第一敷料区和第二敷料区之间的设置有隔膜；
第一敷料区和第二敷料区的宽度均小于隔膜的宽度，第一敷料区和第二敷料区完全包覆在隔膜内，第一空箔区和第二空箔区的至少部分位于隔膜的外侧。
3.根据权利要求1或2所述的卷绕式双芯包，其特征在于，
设置在第一极片上侧两个第二极片间隔设置，两个第二极片上第二敷料区均与第一极片上的一个第一敷料区相对设置。
4.根据权利要求1或2所述的卷绕式双芯包，其特征在于，
第一极片具有相对设置的第一极片第一面和第一极片第二面，第二极片具有相对设置的第二极片第一面和第二极片第二面；
第一极片和第二极片之间包括第一极片第一面和第二极片第一面之间，第一极片第二面和第二极片第二面之间；
第一极片第一面和第二极片第一面之间的隔膜为第一隔膜；
第一极片第二面和第二极片第二面之间的隔膜为第二隔膜。
5.根据权利要求1所述的卷绕式双芯包，其特征在于，沿芯包的卷绕方向，第二极片的收尾端位于第一极片收尾端和隔膜收尾端的中间，且第一极片收尾端不超过隔膜收尾端。
6.根据权利要求1所述的卷绕式双芯包，其特征在于，双芯包位于第一空箔区处设置有通孔。
7.根据权利要求6所述的卷绕式双芯包，其特征在于，通孔的截面呈直槽口形、圆形、椭圆形或矩形。
8.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的卷绕式双芯包。
9.一种权利要求1～7任一所述卷绕式双芯包的制造方法，其特征在于，
在第一极片和第二极片之间设置有隔膜；
卷绕第一极片、第二极片和隔膜形成一体芯包，沿一体芯包的第一空箔区对折形成双芯包。
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