CN111341984B - 一种高能量密度纽扣锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高能量密度纽扣锂离子电池，设计锂离子电池领域，包括电池壳体，下壳体以及上壳盖，电池密封胶圈，所述上壳盖下方设有扣电卷芯，所述扣电卷芯包括负极隔膜带、正极极片带，所述正极极片带包括圆形正极极片、正极连接片以及尾部铝箔片，所述上壳盖、所述下壳体分别设有负极耳、正极耳。本发明提供一种高能量密度纽扣锂离子电池，安全系数高、生产效率高以及电池空间利用率高以达到高能量密度。

Description

一种高能量密度纽扣锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造领域，具体涉及一种高能量密度纽扣锂离子电池。
背景技术
鉴于锂离子电池高的能量密度和较高的质量密度，近年来，便携式电子产品、穿戴式产品等产品的能源系统也逐渐使用锂离子电池，另外，由于小型锂离子电池加工和制作的难度要远高于普通的3C电池，因此，小型锂离子电池的市场也出现了供不应求的现象。因此，对于小型锂离子来说，在确保高能量密度的前提下，如何提高电池的制作效率及制程的合格率是锂离子电池制造领域中的技术难题。现有技术中采用的叠片式的电池制作方式，生产效率低，产品的合格率低，另一种方形极片卷绕式的电池制作方式，提高了电池的生产效率，但是电池的空间利用率很低，无法制作高能量密度的电池，现有技术中不能保证生产的电池能量密度高的同时，其生产效率高以及安全系数高的要求。
专利文献(申请号：201710550297.2)公开了一种新型卷绕式纽扣电池及其制造方法，该专利技术的电池采用了卷绕式结构制造电池，使得电池的生产效率有效地提高，但是由于该专利技术的电池极片采用的是方形极片，使得电池的空间利用率比较低，无法制作高能量密度的电池。
专利文献(申请号：201611086886.1)公开了一种新型卷绕式纽扣电池，该专利技术的电池采用了卷绕式的结构扣电卷芯以及正极片尾部设有铝箔和负极片尾部设有铜箔，从而提高电池生产效率，提高电池的内阻稳定性，该专利技术无法提高电池的空间利用率，制造高能量密度电池。
发明内容
本发明提供一种高能量密度纽扣锂离子电池，它安全系数高、生产效率高以及电池空间利用率高以达到高能量密度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高能量密度纽扣锂离子电池，包括电池壳体，所述电池壳体包括下壳体以及上壳盖，所述所述上壳盖设于所述下壳体上方，所述上壳盖与所述下壳体之间设有电池密封胶圈，所述电池密封胶圈一侧与所述上壳盖连接，另一侧连接于所述下壳体，所述上壳盖下方设有扣电卷芯，所述扣电卷芯包括负极隔膜带、正极极片带，所述负极隔膜带和所述正极极片交替设置，所述负极隔膜带包括一条负极极片带以及两条隔膜带，两条所述隔膜带完全包覆一条所述负极极片带，所述正极极片带包括圆形正极极片、正极连接片以及尾部铝箔片，所述尾部铝箔片连接电池的正极耳，所述圆形正极极片由所述正极连接片连接，所述负极极片带包括圆形负极极片、负极连接片以及尾部铜箔片，所述尾部铜箔片连接电池的负极耳，所述圆形负极极片由所述负极连接片连接，所述隔膜带包括圆形隔膜以及隔膜片连接片，所述圆形隔膜由所述隔膜连接片连接，所述上壳盖、所述下壳体分别设有负极耳、正极耳。
优选地，所述正极极片带、所述负极极片带以及所述隔膜带均呈葫芦状，所述正极耳与所述尾部铝箔片连接，所述负极耳与所述尾部铜箔片连接。
优选地，所述下壳体底端外表面设有环形凹槽，所述电池密封胶圈内壁中部设有环形凸槽。
优选地，所述环形凸槽上部的所述电池密封胶圈外径小于所述环形凸槽下部的所述电池密封胶圈外径。
优选地，所述电池密封胶圈下部开口处设有内翻折边，所述内翻折边的宽度大于所述上壳盖侧壁厚。
优选地，所述圆形正极极片与所述正极连接片、所述圆形正极极片与所述尾部铝箔片、所述圆形隔膜与所述隔膜连接片、所述圆形负极极片与所述负极连接片、所述圆形负极极片与所述尾部铜箔片的连接均为平弧过度。
优选地，所述圆形隔膜直径大于所述圆形负极极片，所述负极极片直径大于所述正极极片直径。
优选地，所述隔膜连接片宽度大于所述负极连接片宽度，所述负极连接片宽度大于所述正极连接片宽度。
优选地，所述的扣电卷芯必须按负极、隔膜、正极、隔膜、负极的方式进行卷绕，层数为1～100层，且层数和标识由内到外。
优选地，所述的尾部铝箔片和尾部铜箔片不能有重叠的部分，且分别设于电芯的两端，所述尾部铜箔片和所述尾部铝箔片均长出隔膜。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案优点体现在：
(1)本发明采用葫芦式电池极片带结构，结合了叠片电池较高的空间填充率以及卷绕式电池高效率的特性，以提高电池的空间利用率，增加电池的能量密度。
(2)本发明设计的电池卷绕的制作方式，相对于现有的叠片式电池制作方式，生产的难度大大降低，提高电池的生产效率，产品合格率高，生产成本较低。
(3)本发明设计的负极隔膜带有效地将负极极片带与正极极片带绝缘隔离，避免电池内部短路，大大地提高电池的安全性能。
附图说明
图1是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的结构剖视图；
图2是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的上壳盖立体图；
图3是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的下壳体剖视图；
图4是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的电池密封圈剖视图；
图5是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的正极极片带结构示意图；
图6是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的负极极片带结构示意图；
图7是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的隔膜带结构示意图；
图8是本发明的一种高能量密度纽扣锂离子电池的电池卷芯示意图。
附图标记说明：下壳体1；电池密封圈2；上壳盖3；负极耳4；负极极片带5；隔膜带6；正极极片带7；尾部铝箔8；正极耳9；电池密封圈凸槽10；下壳密封槽11；尾部铜箔片12；圆形正极极片13；正极极片连接连接片14；圆形负极极片16；负极极片连接片17；圆形隔膜片19；隔膜连接片20。
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。
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
需要说明的是，当部件/零件被称为“设置在”另一个部件/零件上，它可以直接设置在另一个部件/零件上或者也可以存在居中的部件/零件。当部件/零件被称为“连接/联接”至另一个部件/零件，它可以是直接连接/联接至另一个部件/零件或者可能同时存在居中部件/零件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或部件/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。
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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
一种高能量密度纽扣锂离子电池，包括壳体，壳体包括上壳盖3以及下壳体1。上壳盖3以及下壳体1均采用sus304不锈钢材料制成，可以防止腐蚀，提高电池寿命，下壳体1的内径大于上壳盖3外径，壳体呈圆柱形，体积较小，适用于部分电子元件，上壳盖3顶部外角边作倒圆处理，便于人们分辨正负极，上壳盖3与下壳体1之间设有电池密封胶圈2，电池密封胶圈2内侧与上壳盖3连接，外侧与下壳体1连接，有效地起到密封作用的同时，利用胶圈绝缘的性质隔离正极与负极，避免电池因短路而损毁，电池密封胶圈2内侧壁上设有凸槽，当上壳盖3与电池密封胶圈2组合时，能稳定上壳盖3的位置，避免上壳盖3松动滑落，电池密封胶圈2下端开口处设有内翻折边，固定上壳盖3的位置，防止上壳盖3穿过电池密封胶圈2与下壳体1接触，导致电池短路。下壳体1的外底面设有环形凹槽，以便于人们分辨正负极。下壳体1的上端开口外径大于下壳体1下端密封口的外径，下壳体1侧壁靠近下端密封口的位置作了两次倒圆处理，使得倒圆处的上部分内径大于倒圆处下部分内径，更便于电池密封胶圈与上壳盖3装入下壳体1，所述正极耳9与所述尾部铝箔片8连接，所述负极耳4与所述尾部铜箔片12连接，尾部铝箔片8和尾部铜箔片12不能有重叠的部分，且分别设于扣电卷芯的两端，尾部铝箔片8和尾部铜箔片12均要长出隔膜。
上壳盖下方设有扣电卷芯，扣电卷芯包括负极隔膜带以及正极极片带7，负极隔膜带包括两条隔膜带6以及一条负极极片带5，一条负极极片带5完全包覆于两条隔膜带6之间，有效地避免了负极极片带5与正极极片带7接触，防止电池内部短路。正极极片带7包括圆形正极极片13、正极极片连接片14以及尾部铝箔片8。负极极片带5包括圆形负极极片16、负极极片连接片17以及尾部铜箔片12。隔膜带6包括圆形隔膜片19和隔膜连接片20。其中圆形隔膜片19的直径大于圆形负极片16，圆形负极极片16的直径大于圆形正极极片13。隔膜连接片20的宽度大于负极极片连接片的宽度，负极极片连接片17的宽度大于正极极片连接片14的宽度。扣电卷芯中，隔膜带6的层数不少于2倍的负极极片带5的层数，负极极片带5的层数大于正极极片带7的层数。上述的参数设计，保证了负极极片带5与正极极片带7能完全被隔膜带6绝缘隔离，防止电池短路。圆形负极极片16之间由负极极片连接片17连接，负极极片带5最后的圆形负极极片16还连接有尾部铜箔片12，圆形正极极片13之间由正极极片连接片14连接，正极极片带最后的圆形正极极片13还连接有尾部铝箔片8，圆形隔膜片19之间由隔膜连接片20连接，上述的正极极片带、负极极片带以及隔膜带的连接方式均为平滑弧型过度连接，所述弧线对应圆心角为0-90度。负极隔膜带以及正极极片带7均呈葫芦形，负极隔膜带与正极极片带7交替设置一整体组合带，第一圆形组合极片沿连接片的方向卷绕并叠在第二圆形组合极片上，完成后，已卷绕折叠的组合极片继续向第三圆形组合极片卷绕折叠，卷绕折叠至最后一块圆形组合极片为止，完成后组成一完整扣电卷芯，扣电卷芯平放设于壳体内。
正极极片连接片14、负极极片连接片17以及隔膜连接片20的长度的计算公式：
an＝a(n-1)+(4*d隔膜+2*d正极+2*d负极)*3.14/2；
bn＝b(n-1)+(4*d隔膜+2*d正极+2*d负极)*3.14/2；
cn＝c(n-1)+(4*d隔膜+2*d正极+2*d负极)*3.14/2，
公式说明：an表示第n层正极极片连接片13长度、bn表示第n层负极极片连接片17长度、cn表示第n层隔膜连接片20长度、d隔膜表示隔膜厚度、d正极表示正极片厚度、d负极表示负极片厚度。
在半径为2mm，内部空间为0.2mm的纽扣电池，极片层数为5mm，电芯内部的高度方向的预留空间为0.05mm；
使用传统方形设计时，当卷芯与壳子内切时，电池的容量最大，即此时纽扣内部的空间利用率为:[2/sin(∏/2)*2/sin(∏/2)]/(2*2*3.14)＝64％，总体利用率＝64％*(0.2-0.05)/0.2＝47.7％
使用该发明方法设计空间利用率为＝1-0.05/0.2＝75％；
相比于传统设计：电池的空间利用率提高了75％/47.7％-1＝57％
实施例：
正极圆形极片的半径为3mm，正极连接片的宽度为1mm；
负极圆形极片的半径为4mm，正极连接片的宽度为2mm；
隔膜圆形极片的半径为6mm，正极连接片的宽度为3mm；
正极尾部铝箔的长度为6mm；
负极尾部铜箔的长度为5mm；
隔膜厚度为0.025mm，正极片厚度为0.150mm，负极片的厚度为0.150mm；
第一层正极连接片长度a1＝0；第一层负极连接片长度b1＝0；第一层隔膜连接片长度C1＝0
则在第5层处:
正极连接片的长度an＝(4*0.025+0.15*2+0.15*2)*3.14/2*4mm＝4.4mm
负极连接片的长度an＝(4*0.025+0.15*2+0.15*2)*3.14/2*4mm＝4.4m
隔膜连接片的长度an＝(4*0.025+0.15*2+0.15*2)*3.14/2*4mm＝4.4mm
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高能量密度纽扣锂离子电池，包括电池壳体，所述电池壳体包括下壳体以及上壳盖，所述上壳盖设于所述下壳体上方，所述上壳盖、所述下壳体分别设有负极耳、正极耳，其特征在于：所述上壳盖与所述下壳体之间设有电池密封胶圈，所述电池密封胶圈一侧与所述上壳盖连接，另一侧连接于所述下壳体，所述上壳盖下方设有扣电卷芯，
所述扣电卷芯包括负极隔膜带、正极极片带，所述负极隔膜带和所述正极极片交替设置，所述负极隔膜带包括一条负极极片带以及两条隔膜带，两条所述隔膜带完全包覆一条所述负极极片带，所述正极极片带包括n个圆形正极极片、n-1个正极连接片以及尾部铝箔片，所述尾部铝箔片连接电池的所述正极耳，n个所述圆形正极极片由n-1个所述正极连接片连接，所述负极极片带包括n个圆形负极极片、n-1个负极连接片以及尾部铜箔片，所述尾部铜箔片连接电池的所述负极耳，n个所述圆形负极极片由n-1个所述负极连接片连接，n为整数，所述隔膜带包括圆形隔膜以及隔膜连接片，所述圆形隔膜由所述隔膜连接片连接，
所述正极连接片长度的计算公式为：
ai=a(i-1)+(4*d隔膜+2*d正极+2*d负极)*3.14/2；
所述负极连接片长度的计算公式为：
bi=b(i-1)+(4*d隔膜+2*d正极+2*d负极)*3.14/2；
所述隔膜连接片长度的计算公式为：
ci=c(i-1)+(4*d隔膜+2*d正极+2*d负极)*3.14/2；
其中，ai表示第i层正极连接片长度、bi表示第i层负极连接片长度、ci表示第i层隔膜连接片长度、d隔膜表示圆形隔膜厚度、d正极表示圆形正极极片厚度、d负极表示圆形负极极片厚度，
所述正极极片带、所述负极极片带以及所述隔膜带均呈葫芦状，所述正极耳与所述尾部铝箔片连接，所述负极耳与所述尾部铜箔片连接，
所述下壳体底端外表面设有环形凹槽，所述电池密封胶圈内壁中部设有环形凸槽，所述环形凸槽上部的所述电池密封胶圈外径小于所述环形凸槽下部的所述电池密封胶圈外径，
下壳体的上端开口外径大于下壳体下端密封口的外径，下壳体侧壁靠近下端密封口的位置设有两次倒圆处理，使得二次倒圆处理的上部分内径大于二次倒圆处理的下部分内径。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度纽扣锂离子电池，其特征在于：所述电池密封胶圈下部开口处设有内翻折边，所述内翻折边的宽度大于所述上壳盖侧壁厚。
3.根据权利要求1所述的一种高能量密度纽扣锂离子电池，其特征在于：所述圆形正极极片与所述正极连接片、所述圆形正极极片与所述尾部铝箔片、所述圆形隔膜与所述隔膜连接片、所述圆形负极极片与所述负极连接片、所述圆形负极极片与所述尾部铜箔片的连接均为平弧过度，所有弧线对应圆心角为0-90度。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度纽扣锂离子电池，其特征在于：所述圆形隔膜直径大于所述圆形负极极片，所述负极极片直径大于所述正极极片直径。
5.根据权利要求1所述的一种高能量密度纽扣锂离子电池，其特征在于：所述隔膜连接片宽度大于所述负极连接片宽度，所述负极连接片宽度大于所述正极连接片宽度。
6.根据权利要求1所述的一种高能量密度纽扣锂离子电池，其特征在于：所述的扣电卷芯按负极、隔膜、正极、隔膜、负极的方式进行卷绕，层数为1-100层。
7.根据权利要求1所述的一种高能量密度纽扣锂离子电池，其特征在于：所述的尾部铝箔片和所述尾部铜箔片不能有重叠的部分，且分别设于电芯的两端，所述尾部铜箔片和所述尾部铝箔片均长出隔膜。
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