CN110739437A - 一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池，包括正极极片和负极极片，所述正极极片与负极极片之间设置有陶瓷隔膜，正极极片的表面设置有正极涂层，负极极片的表面设置有负极涂层，所述正极极片上设置有铝箔，负极极片上设置有铜箔，所述正极涂层和负极涂层的外侧表面均设置有高温绝缘胶带，高温绝缘胶带表面设置有高分子胶。本发明通过将聚集的多重极耳通过与平面金属薄片集流体焊接在一起形成全极耳，大大降低了内阻，提高了电池的大电流充放电能力。干电芯经注入电解液，封装，化成和分容，由此组装成高倍率且安全的锂离子电池，制作工艺简便，尤其适合电动车和大型储能等新能源应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及二次电池技术领域，具体为一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池及其制造方法。
背景技术
锂离子电池具有比能量高，电压平台高，循环寿命长，无记忆效应和对环境危害小等突出特点而得到了广泛使用。随着绿色能源环保、能源储存利用等方面的需求日益急增，锂离子电池成为解决新能源发展的瓶颈。
目前用于大规模制造锂离子电池的过程主要包括以下工序：配制电极浆料，涂布及干燥，制片，极片烘烤，正负极片与隔膜组合卷绕或叠片组装成电芯，电芯烘烤注液，化成和分容。其中制片工序中所涉及的极片辊压，裁切和分条步骤中不可避免地出现毛刺并带来严重的电池安全隐患，虽然可以采取某些额外的手段如进行毛刺监控和扫除粉尘等方法试图解决这些问题，但还是不能完全消除裁切极片和分条后残留的毛刺和硬强度活性物颗粒带来的隔膜被刺穿和电芯内短路问题。尤其是在制造大容量动力及储能电池中，随着单体电芯的容量大幅增加，正负极板冲切边缘的周长明显加长，导致了制片和装配过程中出现毛刺和掉粉的机会加剧，引发电池内部短路的机会成倍上升，产品合格率低，电池工作过程中极易因内部短路引起起火甚至爆炸，因此对其所使用的周围环境造成的安全隐患非常大。同时，国内圆柱锂离子电池大多采用单极耳或双极耳的方法来引出电流，致使电池的内阻过大，大电流充放电能力较差，在大电流的充放电过程中容易引起高温而导致安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池，包括正极极片和负极极片，所述正极极片与负极极片之间设置有陶瓷隔膜，正极极片的表面设置有正极涂层，负极极片的表面设置有负极涂层，所述正极极片上设置有铝箔，负极极片上设置有铜箔，所述正极涂层和负极涂层的外侧表面均设置有高温绝缘胶带，高温绝缘胶带表面设置有高分子胶。
优选的，所述正极极片的制作方法为：将85%~98%重量的正极活性物质，1%~10%的导电剂和含1%~15%有机粘结剂的溶液混合制成正极浆料均匀涂布于10~45µm厚的集流体覆碳铝箔的上下两面，其中上下两面涂层的一侧与覆碳铝箔对齐，另一侧则比覆碳铝箔稍短，将涂层与箔片对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹，取出干燥；在卷绕正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合的过程中用高温绝缘胶带U型包裹正极片涂布的起始端和末端。比活性物质正极涂层稍长多余出来的集流体铝箔片部分在后续经过卷绕而聚集在一起形成多重正极极耳。
优选的，所述负极极片的制作方法为：将85%~98%重量的负极活性物质，1%~5%的导电剂和1%~5%粘结剂的溶液混合制成负极浆料均匀涂布于5~25µm厚的集流体覆碳铜箔上下两面，涂布宽度要比正极稍长，其中上下两面涂层的一侧与覆碳铜箔对齐，另一侧则比覆碳铜箔稍短，将涂层与箔片对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹，取出干燥；在卷绕正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合的过程中用高温绝缘胶带U型包裹负极片涂布的起始端和末端，比活性物质负极涂层稍长多余出来的集流体铜箔片部分在后续经过卷绕而聚集在一起形成多重负极极耳。
优选的，所述高温绝缘胶带至少含有基材和胶层两层结构，基材为选自聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)和聚醚酮(PPEK)中的至少一种，胶层为硅胶，整体厚度在10~60µm, 其热稳定性至少在200oC以上；所述高分子胶选自PVDF、PAN中的至少一种。
优选的，所述采用机械强度高、热稳定性强的陶瓷隔膜，隔膜制作方法为静电纺丝法，厚度在10~45μm之间。当然不排除其它方法所制作的陶瓷隔膜。另外，所述隔膜比负极片中的涂层面积大。
优选的，所述正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合经卷绕形成干电芯，比活性物质正负极涂层稍长多余出来的集流体金属箔片部分会聚集在一起形成多重极耳，将聚集的多重极耳通过与平面金属薄片集流体焊接在一起形成全极耳，干电芯经入壳，在真空条件下在60~80℃烘烤24~120小时，注入电解液，化成，封口，分容后得到权利要求1所述的圆柱型电池。
优选的，所述正负极极片用导电剂为选自KS6、碳纳米管、VGCF、石墨烯、Super-P中的至少一种。
优选的，所述电解液采用高纯锂盐和多元碳酸酯组成的溶液，其中所述锂盐为六氟磷酸锂（LiPF6），双草酸硼酸锂(LiBOB)，四氟硼酸锂中(LiBF4)的一种或几种；所述碳酸酯包括碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸丁烯酯（BC）、单氟代碳酸乙烯酯（FEC）、γ-丁内酯（GBL）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸甲丙酯（MPC）中的至少两种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）通过使用高分子胶和高温绝缘胶带包裹正负极片涂布层的边缘，避免了裁切极片上残留的毛刺穿破隔膜的风险，避免了电池内部短路；另外，除在正负极片和隔膜组合在卷绕后需对极片的末端有少量裁切，无其它裁切和分条步骤，因此可以大大减少了极片硬强度活性物质颗粒掉粉和毛刺的发生。同时，在本发明方法中，正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合经卷绕之后，比活性物质正负极涂层稍长多余出来的集流体金属箔片部分会聚集在一起形成多重极耳，将聚集的多重极耳通过与平面金属薄片集流体焊接在一起形成全极耳，全极耳直接引出电流，从而减小了电池内阻提高电池的大电流充放电能力，安全性及循环寿命；
（2）与目前传统的锂离子电池生产技术相比，本发明减少了通常使用的极片裁切分条工序以及将单独的金属极耳焊接到集流体箔片的工序。其采取的方法是用高分子胶包覆正负极片中涂布层与集流体金属箔片对齐的一侧，用高温绝缘胶带U型在干电芯的卷绕过程中粘接正负极片涂布层的起始端和末端，完全避免了裁切极片上残留的毛刺穿破隔膜的风险，避免了电池内部短路。同时，在极片制作过程中仅保留了将涂布极片最末端进行裁切的步骤，大大减少了裁切分条的动作，且已用高温绝缘胶带U型包裹,进一步提高了电池的安全性。另外，正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合经卷绕之后，比活性物质正负极涂层稍长多余出来的集流体金属箔片部分会聚集在一起形成多重极耳，将聚集的多重极耳通过与平面金属薄片集流体焊接在一起形成全极耳，全极耳直接引出电流，从而减小了电池内阻提高倍率性能。本发明工艺过程简便，生产成本低，尤其适合大型储能和电动车等应用领域。
附图说明
图1为本发明的正负极片涂布构造，高温绝缘胶带以及陶瓷隔膜的相对分布位置示意图；
图2为本发明的根据图1的极片涂布的方向显示正负极活性物质涂层的横截面图；
图3为本发明的将图1所示的正负极片和陶瓷隔膜组合卷绕在一起之后将正极箔片端和负极箔片端聚集在一起形成多重极耳之后焊接平面金属薄片集流体形成全极耳的干电芯示意图；
图4为本发明的LFP-C电芯4C/4C充放电循环曲线。
图中：1、正极涂层；2、陶瓷隔膜；3、高温绝缘胶带；4、铜箔；5、负极涂层；6、高分子胶；7、铝箔；8、负极极片；9、正极极片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
实施例1
步骤1：正极极片制作：将93%重量的纳米级磷酸铁锂，2.5%的碳纳米管导电剂1和1.5%的碳粉导电剂2和3.0%的PVDF粘结剂溶于N-甲基吡咯烷酮中制作正极浆料，以20µm厚的覆碳铝箔作为集流体，将正极浆料按图1所示涂覆在集流体上并干燥，经辊压后，将涂层与覆碳铝箔片对齐的一侧浅浸在高分子胶PVDF中，取出干燥；所述PVDF粘结剂为分子量100万以上的聚偏氟乙烯高聚物。
步骤2：负极极片制作：将相对于正极活性材料过量10%的石墨负极材料，1.5%的导电石墨和3.5%的粘结剂溶于去离子水中制作负极浆料，以12µm厚的覆碳铜箔作为集流体，将负极浆料按图1所示涂覆到铜箔上（涂布宽度比正极稍宽）并干燥，经辊压后，将涂层与覆碳铜箔片对齐的一侧浅浸在高分子胶PVDF中，取出干燥；所述粘结剂为羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶的混合物。
步骤3：将正极极片，负极极片以及陶瓷隔膜按照图1所示组合在一起卷绕成电芯，在卷绕的过程中用高温绝缘胶带U型包裹正负极片涂布的起始端和末端。
步骤4：将正极极片，负极极片以及陶瓷隔膜按照图1所示组合在一起卷绕成干电芯。比活性物质正负极涂层稍长多余出来的集流体金属箔片部分聚集在一起形成多重正极极耳。将聚集的多重极耳通过与平面金属薄片集流体焊接在一起形成全极耳，如图3所示。将电芯放入壳内在真空条件下85oC烘烤24小时，注入电解液，进行电池组装，化成，分容后形成本发明所述电池。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池，包括正极极片（9）和负极极片（8），其特征在于，所述正极极片（9）与负极极片（8）之间设置有陶瓷隔膜（2），正极极片（9）的表面设置有正极涂层（1），负极极片（8）的表面设置有负极涂层（5），所述正极极片（9）上设置有铝箔（7），负极极片（8）上设置有铜箔（4），所述正极涂层（1）和负极涂层（5）的外侧表面均设置有高温绝缘胶带（3），高温绝缘胶带（3）表面设置有高分子胶（6）。
2.一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述正极极片的制作方法为：将85%~98%重量的正极活性物质，1%~10%的导电剂和含1%~15%有机粘结剂的溶液混合制成正极浆料均匀涂布于10~45µm厚的集流体覆碳铝箔的上下两面，其中上下两面涂层的一侧与覆碳铝箔对齐，另一侧则比覆碳铝箔稍短，将涂层与箔片对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹，取出干燥；在卷绕正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合的过程中用高温绝缘胶带U型包裹正极片涂布的起始端和末端。比活性物质正极涂层稍长多余出来的集流体铝箔片部分在后续经过卷绕而聚集在一起形成多重正极极耳。
3.根据权利要求2所述的一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述负极极片的制作方法为：将85%~98%重量的负极活性物质，1%~5%的导电剂和1%~5%粘结剂的溶液混合制成负极浆料均匀涂布于5~25µm厚的集流体覆碳铜箔上下两面，涂布宽度要比正极稍长，其中上下两面涂层的一侧与覆碳铜箔对齐，另一侧则比覆碳铜箔稍短，将涂层与箔片对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹，取出干燥；在卷绕正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合的过程中用高温绝缘胶带U型包裹负极片涂布的起始端和末端，比活性物质负极涂层稍长多余出来的集流体铜箔片部分在后续经过卷绕而聚集在一起形成多重负极极耳。
4.根据权利要求2所述的一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述高温绝缘胶带至少含有基材和胶层两层结构，基材为选自聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)和聚醚酮(PPEK)中的至少一种，胶层为硅胶，整体厚度在10~60µm,其热稳定性至少在200oC以上；所述高分子胶选自PVDF、PAN中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述采用机械强度高、热稳定性强的陶瓷隔膜，隔膜制作方法为静电纺丝法，厚度在10~45μm之间。当然不排除其它方法所制作的陶瓷隔膜。另外，所述隔膜比负极片中的涂层面积大。
6.根据权利要求2所述的一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜组合经卷绕形成干电芯，比活性物质正负极涂层稍长多余出来的集流体金属箔片部分会聚集在一起形成多重极耳，将聚集的多重极耳通过与平面金属薄片集流体焊接在一起形成全极耳，干电芯经入壳，在真空条件下在60~80℃烘烤24~120小时，注入电解液，化成，封口，分容后得到权利要求1所述的圆柱型电池。
7.根据权利要求2所述的一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述正负极极片用导电剂为选自KS6、碳纳米管、VGCF、石墨烯、Super-P中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的一种高倍率且安全圆柱型锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述电解液采用高纯锂盐和多元碳酸酯组成的溶液，其中所述锂盐为六氟磷酸锂（LiPF6），双草酸硼酸锂(LiBOB)，四氟硼酸锂中(LiBF4)的一种或几种；所述碳酸酯包括碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸丁烯酯（BC）、单氟代碳酸乙烯酯（FEC）、γ-丁内酯（GBL）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸甲丙酯（MPC）中的至少两种。
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