CN111244372A - 改进能量密度和功率密度的圆柱形电池 - Google Patents

改进能量密度和功率密度的圆柱形电池 Download PDF

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Abstract

本公开提供了圆柱形电池的各种实施例。圆柱形电池设有阳极电极组件。圆柱形电池设有阴极电极组件，阴极电极组件包括两个隔膜层、两个阴极层和一个阴极集流器。作为阴极电极组件的一部分的每一层的宽度可以相同，也可以小于阳极电极组件的宽度。

Description

改进能量密度和功率密度的圆柱形电池
背景技术
“卷芯”式的圆柱形电池通常是通过卷绕阳极层、隔膜层和阴极层来组装的。隔膜用于允许离子，例如锂离子，在阳极层和阴极层间通过和防止阳极层和阴极层间发生短路。在制造期间，确保阳极层和阴极层没有卷绕在一起而发生两层直接相互接触是非常重要的。如果发生接触，就会发生短路，可能导致过热或电池损坏。
为了确保阳极层和阴极层不发生意外接触，阳极层和阴极层之间的隔膜具有比阳极层和阴极层的宽度都要大的宽度。隔膜层的更大宽度有助于确保阳极和阴极间不发生意外短路，然而，更大的隔膜层宽度可以作为电池内的阳极和阴极材料存在数量的限制因子。因此，与不具备更大宽度隔膜的电池芯相比，宽度更大的隔膜可以使得制造的电池有降低的能量密度，降低的功率密度，或同时具有降低的能量密度和功率密度。
发明内容
本发明描述了与电池相关的各种实施例。在某些描述电池的实施例中，。设备包括具有第一宽度的阳极层。设备可以包括第一隔膜层，第一隔膜层具有可以比第一宽度小的第二宽度。第一隔膜层可以接触阳极层。设备可包括具有第二宽度的第一阴极层。第一阴极层可接触第一隔膜层。设备可包括具有第二宽度的阴极集流器。阴极集流器的第一侧面接触第一阴极层。
这种设备的实施例可包括一个或多个下列特征：电池可包括具有第二宽度的第二阴极层。第二阴极层可接触阴极集流器的第二侧面。设备可包括具有第二宽度的第二隔膜层。第二隔膜层可接触第二阴极层。设备可包括阳极电极组件，阳极电极组件包括阳极层。设备可包括阴极电极组件，阴极电极组件包含第一隔膜层、第一阴极层、阴极集流器、第二阴极层和第二隔膜层。阳极电极组件和阴极电极组件可卷绕在一起，使得阳极层可以直接接触第一隔膜层和第二隔膜层。设备进一步包括圆柱形壳体，圆柱形壳体内安置和阴极电极组件可卷绕在一起的阳极电极组件。设备进一步包括液体电解质。第一阴极层、第二阴极层、第一隔膜层、第二隔膜层和阳极层可吸收液体电解质。阳极层设有沿着第一边缘布置的第一多个凸起。阴极集流器设有沿着第二边缘布置的第二多个凸起。阳极层的第一边缘和阴极集流器的第二边缘为相对的边缘。
在一些实施例中，描述的是一种制造圆柱形电池的方法。方法包括将第一阴极层和第二阴极层层叠在阴极集流器层的第一侧面和第二侧面上。方法包括在第一阴极层上层叠第一隔膜层。方法包括在第二阴极层上层叠第二隔膜层。阴极集流器层、第一阴极层、第二阴极层、第一隔膜层和第二隔膜层形成阴极电极组件。方法包括用阳极电极组件卷绕阴极电极组件。方法包括将卷绕的阴极电极组件和阳极电极组件安置在圆柱形壳体中。方法包括将电解质溶液添加到卷绕的阴极电极组件和阳极电极组件。
这种方法的实施例包括一个或多个下列特征：第一阴极层、第二阴极层和阴极集流器层分别具有第一宽度。第一阴极层、第二阴极层、阴极集流器层、第一隔膜层和第二隔膜层分别具有第一宽度。阳极电极组件具有大于第一宽度的第二宽度。阴极集流器层设有沿第一边缘布置的第一多个凸起，并且阳极电极组件设有沿第二边缘布置的第二多个凸起。用阳极电极组件卷绕阴极电极组件，使得阴极集流器层的第一边缘与阳极电极组件的第二边缘彼此相对。
在一些实施例中，描述的是一种制造圆柱形电池的方法。方法包括将第一阳极层和第二阳极层层叠在阳极集流器层的第一侧面和第二侧面上。方法包括在第一阳极层上层叠第一隔膜层。方法包括在第二阳极层上层叠第二隔膜层。阳极集流器层、第一阳极层、第二阳极层、第一隔膜层和第二隔膜层形成阳极电极组件。方法包括用阴极电极组件卷绕阳极电极组件。方法包括将卷绕的阴极电极组件和阳极电极组件安置在圆柱形壳体中。方法包括将电解质溶液添加到卷绕的阴极电极组件和阳极电极组件。
这种方法的实施例包括一个或多个以下特征：第一阳极层、第二阳极层和阳极集流器层分别具有第一宽度。第一阳极层、第二阳极层、阳极集流器层、第一隔膜层和第二隔膜层分别具有第一宽度。阴极电极组件具有大于第一宽度的第二宽度。阳极集流器层设有沿着第一边缘布置的第一多个凸起，并且阴极电极组件设有沿着第二边缘布置的第二多个凸起。用阳极电极组件卷绕阴极电极组件，使得阳极集流器层的第一边缘和阴极电极组件的第二边缘彼此相对。
附图说明
通过参考以下附图可以进一步理解各种实施例的本质和优点。在附图中，类似的部件或特征具有相同的参考标记。进一步地，相同类型的各种组件通过在参考标记之后加上破折号和区分类似组件的第二标记来区分。如果在说明书中仅使用第一参考标记，则描述适用于任何一个具有相同第一参考标记的类似部件，而与第二参考标号无关。
图1示出了圆柱形电池层的实施例。
图2示出了层叠有阴极电极组件的阳极电极组件的实施例。
图3示出了阴极电极组件的实施例。
图4示出了阳极电极组件和阴极电极组件被卷绕成卷芯式电池并安置在圆柱形壳体中的实施例。
图5示出了用于制造圆柱形电池的方法的实施例。
具体实施方式
电池内的阳极材料的量和阴极材料的量是决定电池的能量密度和功率密度的因素之一。一般而言，越大的阳极和阴极，电池的能量密度、功率密度或两者就越大。
然而，如果要制造电池，就必须考虑电池的可制造性。在制造过程中，期望制造大量没有缺陷的电池。在电池制造过程中可能发生的缺陷是阳极和阴极之间的短路。通常，阴极直接接触阳极时会发生所述短路。在卷芯式圆柱形电池中，电池的部件通常被组装成材料片或材料层，然后被一起卷绕成圆柱形形状。如果在卷绕过程中，阳极层、阴极层或隔膜层(将阳极与阴极分开)未对准，则卷绕的电池可能导致阳极层接触阴极层并发生短路。
为了减少发生这种短路的频率，隔膜层、阳极层和阴极层的宽度是不同的。通过改变层的宽度，将误差裕度引入到电池，来允许层发生轻微程度的未对准，电池仍然正常工作。
然而，引入这种误差裕度意味着减小阳极层、阴极层或两者的尺寸。因此，通过改善卷芯式电池的可制造性，可以降低能量密度、功率密度或同时降低能量密度、功率密度。图1示出了这种布置的一个例子。图1所示为圆柱形电池层100在被卷绕之前的实施例。层100包括隔膜层110(110-1、110-2)、阳极层120和阴极层130。
如层100所示，层的宽度各不相同。隔膜层110由不反应的材料制成，不反应的材料允许离子，例如锂离子，在阳极层120和阴极层130之间通过。隔膜层110-1在阳极层120上方，隔膜层110-2在阳极层120下方。阳极层120具有宽度121，宽度121小于隔膜层110的宽度111。因此，即使阳极层120不位于隔膜层110中心或不平行于隔膜层110，存在的误差裕度也使得阳极层120不从隔膜层110突出。作为示例，在阳极层120的任一端上设有一毫米的间隙，因此宽度121比宽度111小至少两毫米。
隔膜层110-2位于阴极层130上方。当层100卷绕在一起，阴极层130的表面可以接触隔膜层110-1的表面。阴极层130具有比宽度121和宽度111小的宽度131。与阳极层120相比，阴极层130在每一端设有额外的毫米级间隙。因此，宽度131比宽度111小至少四毫米。类似地，即使阴极层130不以隔膜层110为中心或不平行于隔膜层110，存在的误差裕度也使得阴极层130不从隔膜层110突出。在其它实施例中，阴极层130具有与阳极层120相同的宽度。在其它实施例中，阴极层用于代替阳极层120，并且阳极层用于代替阴极层130；因此，阴极层具有比阳极层更大的宽度。
除了有助于防止短路之外，阳极层120和隔膜层110之间的宽度差以及阴极层130和隔膜层110之间的宽度差可以被理解为，对电池的能量密度或功率密度没有积极贡献的无用空间。因此，期望的是一种卷芯式电池设计，电池中的阳极层、阴极层或两者都可以增大，而不对可制造性产生显著负面影响。
为了改进阳极层、阴极层或两者的尺寸，卷芯式电池的层可以被构造成不同的结构。在一些实施例中，构造阳极电极组件，并且单独构造阴极电极组件。然后这两种电极组件被卷绕在一起。尽管图3和图4关注阳极电极组件和阴极电极组件，在其它实施例中阳极和阴极却可以反过来。即，图2的阳极电极组件可构造为一个阴极电极组件，且图3的阴极电极组件可构造为一个阳极电极组件。
图2示出了其上层叠有阴极电极组件的阳极电极组件的实施例200。阳极电极组件205由可以被卷绕的柔性片材制成。阳极电极组件205包括阳极层220和阳极凸起225。在一些实施方案中，设有额外的阳极集流器层。阳极层220具有宽度222。宽度222不包括阳极凸起225。阳极凸起225，例如阳极凸起225-1和阳极凸起225-2，沿着阳极层220的顶部边缘或底部边缘重复设置。阳极凸起225可以与阳极层220的各种位置形成电连接。例如，阳极电极与阳极凸起225中的一些或全部连接。所述阳极电极也与电池的负极接线柱连接。在一些实施例中，阳极凸起225设于阳极集流器层上，而不是直接设于阳极层220的一部分上。
在一些实施例中，阳极层220包括碳基材料，例如石墨或石墨烯。阳极层220包括铜箔，碳基材料沉积在铜箔上。阳极层220也用作阳极集流器。阳极电极组件205由沉积有石墨或石墨烯粉末的铜箔形成。在一些实施例中，额外使用粘合材料。在一些实施例中，阳极材料作为浆料沉积在箔上，然后干燥。阳极层220初步从箔(例如铜箔)中切割，使得具有阳极凸起225。在一些实施例中，阳极凸起225涂覆有阳极材料；在其它实施例中，阳极凸起225可以是未涂覆的金属(例如，铜)箔。
阴极电极组件300可以包括多个层。如实施例200所示，阴极电极组件300的隔膜层210-1接触阳极电极组件205。阴极电极组件300的宽度301小于阳极电极组件205的宽度222。与宽度222相比，阴极电极组件300在各端上均设有一毫米的间隙；因此，宽度222比宽度301大两毫米。
图3示出了阴极电极组件300的实施例。阴极电极组件300可以包括：隔膜层210(210-1、210-2)；阴极层(310-1、310-2)和阴极集流器层320。这些层中的每一层具有相同宽度301。阴极电极层依次包括：隔膜层210-1、阴极层310-1、阴极集流器层320；阴极层310-2；和隔膜层210-1。
阴极集流器层320为导电金属膜，例如铝箔。与阳极层220类似，阴极凸起321(例如321-1、321-2)设于阴极集电器层320上。阴极凸起321沿阴极集流器层320的顶部边缘或底部边缘间歇性地隔开。阴极凸起321置于对边上，在所述对边阳极层220上设有阳极凸起225。为了形成阴极集流器层320，可将铝箔片切割至具有阴极凸起321的宽度301，其中阴极凸起321可延伸超过宽度301。阴极凸起321可以与阴极集流器层320的不同位置形成电连接。例如，阴极电极与阴极凸起321中的一些或全部连接。这种阴极电极也可以与电池壳体的正极接线柱连接。
阴极层310(310-1、310-2)设于阴极集流器层320任何一侧面上。阴极层310具有与阴极集流器层320相同的宽度301。阴极层310由锂钴氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂、锂镍锰钴氧化物(NMC)、锂镍钴铝氧化物(NCA)或一些其它材料制成。
在阴极层310-1不与阴极集流器层320接触的侧面上，设有隔膜层210-1。类似地，在阴极层310-2不与阴极集流器层320接触的侧面上，设有隔膜层210-2。隔膜层210也具有宽度301。隔膜层210由柔性材料制成，所述柔性材料制成允许离子(例如，锂离子)在阴极层310和阳极层220之间通过。隔膜层210可由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或允许离子通过的某种其它材料制成，隔膜层是柔性的，并且隔膜层可以防止阳极和阴极之间的短路。当阴极电极组件300与阳极电极组件205一起卷绕时，阳极层220可以接触阴极电极组件300的两个外侧面；因此，需要设有两个隔膜层210-1和210-2。进一步地，由于阳极层220接触两个隔膜层210。离子交换通过两个隔膜层210与两个阴极层310发生。
阴极电极组件300可以在引入阳极电极组件205之前组装在一起。阴极电极组件300的每层可以是相同的(在一些实施例中，一个或多个阴极层和/或阴极电极组件300具有小于301的宽度)。因此，阴极电极组件300初步与阳极电极组件205分开制造，然后将分开的组件层叠并卷绕在一起。
图2和图3示出了具有不同长度的层。这种长度上的差异仅用于说明目的，使得示出不同的层。在实际的实施例中，隔膜层210具有比阴极层310和阴极集流器层320稍长的长度(例如，长几毫米)，以防止短路。
图4示出了阳极电极组件和阴极电极组件的实施例400，阳极电极组件和阴极电极组件被卷绕成卷芯式电池并安置在圆柱形壳体中。在实施例400中，阳极电极组件205被层叠在阴极电极组件300的顶部上并居中设置。在其它实施例中，阴极电极组件300可以层叠在阳极电极组件205的顶部上。阴极电极组件300和阳极电极组件205被卷绕在一起以形成卷芯式电池。由于整个阴极被隔膜覆盖，因此不存在阳极电极组件205与阴极层310之间短路的可能。卷绕的电池安装在电池壳体410内。阳极电极组件205上的凸起与电池壳体410的负极接线柱电连接；阴极集流器层上的凸起与电池壳体410的正极接线柱连接。
如图4所示，阳极层220的宽度222大于阴极电极组件300的宽度301。通过设置更大量的阳极材料，额外的阳极材料用于储存锂(或一些其他离子)。所述额外的阳极材料降低了锂枝晶沉积的可能性、可能的相关危险和电池退化。
将电解质添加到电池壳体410。电解质420可以帮助离子(例如锂离子)在阳极层220和阴极层310之间移动。电解质420为有机溶液中的锂盐。使用的一种或多种化合物包括：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二(甲基磺酰)亚胺锂(LiN(SO2F)2)、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2)、LiN(SO2CF2CF3)2、氟化锂(LiF)、碘化锂(LiI)、氯化锂(LiCl)，溶解在单一或混合的有机溶剂中，有机溶剂例如碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸氟代亚丙酯、二甲氧基乙烷、丙酸甲酯或丙酸乙酯。电解质渗透阳极层、阴极层和隔膜层。
比较图1和图4可知，尽管图1中的阴极层130、阳极层120和隔膜层110之间的宽度存在差异；图4所示的实施例仅在阴极电极组件300和阳极电极组件205之间设置了间隙空间。因此，可以设置更大量的阳极材料和阴极材料，从而增加电池的能量密度、功率密度或同时增加电池的能量密度、功率密度。
图2-4所示的各种方法可用于制造电池。图5示出了用于制造圆柱形电池的方法500的实施例。如下面所详述，在框505和510处构造阴极电极组件，并且在框515处引入阳极电极组件。在其它实施例中，这些步骤用于构造阳极电极组件，并且在框515处引入阴极电极组件。
在框505处，阴极集流器的两侧面都可以层叠有阴极材料。两个阴极层中的每一层和阴极集流器层均具有相同的宽度。阴极集流器为金属箔，例如铝箔。一个或多个凸起可以从阴极集流器延伸超过宽度，以和电池正极接线柱连接。
在框510处，每个阴极层与具有相同宽度的隔膜层层叠。因此，在框510之后，阴极电极组件总共设有五层，每层具有相同的宽度(阴极集流器凸起延伸超过宽度的除外)。
在框515处，五层阴极电极组件仅层叠阳极电极组件。阳极电极组件具有更大的宽度。阴极电极组件设于阳极电极组件的中心。在框520处，阴极电极组件和阳极电极组件被卷绕在一起，以形成卷芯式电池。另外，在框520处，阳极凸起和阴极集流器凸起分别与电池负极接线柱和正极接线柱连接。
在框525处，卷绕的组件插入或安置在圆柱形壳体内。在圆柱形壳体内，电解质溶液添加至框530。在一些实施例中，不是使用液体电解质，而是将固态电解质注入到隔膜中。这种实施例可以产生固态卷芯式电池。在添加电解质之后密封电池。
以上讨论的方法和系统是示例。适当地省略和替换了不同的配置、酌情增加了不同的流程或组件。例如，在替代配置中，以与所描述的顺序不同的顺序来执行方法，和/或添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些配置描述的特征以其他各种配置组合。配置的不同方面和元件以类似的方式组合。而且，技术在发展，并且许多元件是示例，因此不限制本公开或权利要求的范围。
说明书中给出了具体细节以提供对示例配置(包括实施)的透彻理解。然而，可在没有这些具体细节的情况下实施配置。本说明书仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围、适用性和配置。更确切地说，配置的前述描述为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，对元件的功能和设置进行各种改变。
此外，配置可被描述为一个概述为流程图或框图的过程。尽管每个操作可以被描述为有序的过程，但是许多操作可以并行或同时执行。此外，操作的顺序可以重新排列。过程可以设有未包括在图中的附加步骤。已经描述了若干示例性配置，在不背离本公开精神的情况下，可以使用各种修改、替代构造和等效物。例如，上述元件可以是较大系统的组件，其中其它规则可以优先于本发明的应用或以其它方式修改本发明的应用。而且，在考虑上述元件之前、期间或之后可以采取多个步骤。

Claims (20)

1.一种电池，包括：
具有第一宽度的阳极层；
第一隔膜层，所述第一隔膜层具有小于所述第一宽度的第二宽度，其中，所述第一隔膜层接触阳极层；
具有所述第二宽度的第一阴极层，其中，所述第一阴极层接触所述第一隔膜层；以及
具有所述第二宽度的阴极集流器，其中，所述阴极集流器的第一侧面接触所述第一阴极层。
2.如权利要求1所述的电池，还包括：
具有所述第二宽度的第二阴极层，其中所述第二阴极层接触所述阴极集流器的第二侧面；以及
具有所述第二宽度的第二隔膜层，其中所述第二隔膜层接触所述第二阴极层。
3.如权利要求2所述的电池，还包括：
阳极电极组件，所述阳极电极组件包括所述阳极层；以及
阴极电极组件，所述阴极电极组件包括所述第一隔膜层、所述第一阴极层、所述阴极集流器、所述第二阴极层和所述第二隔膜层。
4.如权利要求3所述的电池，其中，所述阳极电极组件和所述阴极电极组件卷绕在一起，使得所述阳极层接触所述第一隔膜层和所述第二隔膜层。
5.如权利要求4所述的电池，还包括圆柱形壳体，所述圆柱形壳体安置与阴极电极组件一起卷绕的阳极电极组件。
6.如权利要求5所述的电池，还包含液体电解质，其中，所述第一阴极层、所述第二阴极层、所述第一隔膜层、所述第二隔膜层和所述阳极层吸收所述液体电解质。
7.如权利要求1所述的电池，其中，所述阳极层设有沿第一边缘布置的第一多个凸起。
8.如权利要求7所述的电池，其中，所述阴极集流器层设有沿第二边缘布置的第二多个凸起。
9.如权利要求8所述的电池，其中，所述阳极层的所述第一边缘和所述阴极集流器的所述第二边缘是相对的边缘。
10.一种制造圆柱形电池的方法，所述方法包括：
将第一阴极层和第二阴极层层叠在阴极集流器层的第一侧面和第二侧面；
在所述第一阴极层上层叠第一隔膜层；
在所述第二阴极层上层叠第二隔膜层，由此所述阴极集流器层、所述第一阴极层、所述第二阴极层、所述第一隔膜层和所述第二隔膜层形成阴极电极组件；
将阳极电极组件卷绕所述阴极电极组件；
将卷绕的所述阴极电极组件和所述阳极电极组件安置在圆柱形壳体内；以及
将电解质溶液添加到所述卷绕的阴极电极组件和阳极电极组件。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一阴极层、所述第二阴极层以及所述阴极集流器层分别具有第一宽度。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一阴极层、所述第二阴极层、所述阴极集流器层、所述第一隔膜层和所述第二隔膜层分别具有所述第一宽度。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述阳极电极组件具有大于所述第一宽度的第二宽度。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述阴极集流器层设有沿着第一边缘布置的第一多个凸起，并且所述阳极电极组件设有沿着第二边缘布置的第二多个凸起。
15.如权利要求14所述的方法，其中，将所述阳极电极组件卷绕所述阴极电极组件，使得所述阴极集流器层的所述第一边缘和所述阳极电极组件的所述第二边缘彼此相对。
16.一种制造圆柱形电池的方法，所述方法包括：
将第一阳极层和第二阳极层层叠在阳极集流器层的第一侧面和第二侧面；
在所述第一阳极层上层叠第一隔膜层；
在所述第二阳极层上层叠第二隔膜层，由此所述阳极集流器层、所述第一阳极层、所述第二阳极层、所述第一隔膜层和所述第二隔膜层形成阳极电极组件；
将阴极电极组件卷绕所述阳极电极组件；
将所述卷绕的阴极电极组件和所述阳极电极组件安置在圆柱形壳体内；以及
将电解质溶液添加到所述卷绕的阴极电极组件和所述阳极电极组件。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述第一阳极层、所述第二阳极层和所述阳极集流器层分别具有第一宽度。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一阳极层、所述第二阳极层、所述阳极集流器层、所述第一隔膜层和所述第二隔膜层分别具有所述第一宽度。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述阴极电极组件具有大于所述第一宽度的第二宽度。
20.如权利要求19所述的方法，其中：
所述阳极集流器层设有沿第一边缘布置的第一多个凸起，并且所述阴极电极组件设有沿第二边缘布置的第二多个凸起；以及
将所述阳极电极组件卷绕所述阴极电极组件，使得所述阳极集流器层的所述第一边缘与所述阴极电极组件的所述第二边缘彼此相对。
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