CN111370644B - 极片及其加工方法、电芯结构、电池 - Google Patents

极片及其加工方法、电芯结构、电池 Download PDF

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Abstract

本公开涉及锂电池技术领域，具体提供了一种极片及其加工方法、电芯结构、电池。其中，极片包括集流体，所述集流体在第一方向上的一端设有极耳，所述方法包括：在所述集流体上涂布电极活性物质，且在所述第一方向上，由靠近所述极耳的一端至远离所述极耳的一端，所述活性物质的涂布重量逐渐减小。通过设置梯度的活性物质涂布，使得极耳远端电流较小的位置活性物质少，而极耳近端电流较大的位置活性物质更多，避免了近端充满而远端欠充的问题，大大提高电池的充电速度。

Description

极片及其加工方法、电芯结构、电池
技术领域
本公开涉及锂电池技术领域，具体涉及一种极片及其加工方法、电芯结构、电池。
背景技术
锂离子电池作为可循环充放电的储能器件，目前被广泛应用于电子产品、新能源汽车等领域，锂离子电池的快速充电技术一直是各大厂商的重点研究方向。以智能手机、手表等电子设备为例，快充技术已经成为电子设备最重要的卖点之一。因此，如何提高锂离子电池的充电速度成为亟待解决的问题。
发明内容
为提高锂离子电池的充电速度技术问题，本公开实施方式提供了一种极片加工方法、极片、电芯结构及电池。
第一方面，本公开实施方式提供了一种极片加工方法，所述极片包括集流体，所述集流体在第一方向上的一端设有极耳，所述方法包括：
在所述集流体上涂布电极活性物质，且在所述第一方向上，由靠近所述极耳的一端至远离所述极耳的一端，所述活性物质的涂布重量逐渐减小。
在一些实施方式中，所述的方法，还包括：
对涂布后的所述活性物质进行烘干固化；
对烘干固化后的所述活性物质进行辊压，使得不同区域的所述活性物质在厚度方向上厚度相同。
在一些实施方式中，在所述第一方向上，第一区域的所述活性物质的涂布重量为第一重量，不同于第一区域的第二区域的所述活性物质的涂布重量为第二重量；
所述第一重量与所述第二重量的比值，等于所述第一区域和所述第二区域处的电阻值的反比。
第二方面，本公开实施方式提供了一种极片，包括：
集流体，在第一方向上的一端设有极耳；和
电极活性物质，涂布在所述集流体至少一侧，且在所述第一方向上，由靠近所述极耳的一端至远离所述极耳的一端，所述活性物质的涂布重量逐渐减小。
在一些实施方式中，不同区域的所述活性物质在厚度方向上厚度相同。
在一些实施方式中，在所述第一方向上，第一区域的所述活性物质的涂布重量为第一重量，不同于第一区域的第二区域的所述活性物质的涂布重量为第二重量；
所述第一重量与所述第二重量的比值，等于所述第一区域和所述第二区域处的电阻值的反比。
第三方面，本公开实施方式提供了一种电芯结构，包括：
正极片和负极片，由第一方面任一实施方式中所述的方法制成；
其中，在所述第一方向上不同区域处，所述正极片的活性物质的涂布重量与所述负极片的活性物质的涂布重量的比值相同。
在一些实施方式中，所述正极片与负极片之间设置有隔膜。
在一些实施方式中，所述电芯结构为叠片式结构或卷绕式结构。
第四方面，本公开实施方式提供了一种电池，包括第三方面任一实施方式所述的电芯结构。
本公开实施方式提供的极片加工方法，极片包括集流体，集流体在第一方向上的一端设有极耳，加工方法包括在集流体上涂布电极活性物质，且在第一方向上，由靠近极耳的一端至远离极耳的一端，活性物质的涂布重量逐渐减小。通过设置梯度的活性物质涂布，使得极耳远端电流较小的位置活性物质少，而极耳近端电流较大的位置活性物质更多，避免了近端充满而远端欠充的问题，大大提高电池的充电速度。
本公开实施方式提供的极片加工方法，还包括对烘干固化后的活性物质进行辊压，使得不同区域的活性物质在厚度方向上厚度相同。通过辊压，使不同位置的活性物质的压实密度不同，从而实现活性物质处处厚度相同但是涂布重量呈梯度分布，保证极片的平整，不影响极片的电性能。
本公开实施方式提供的极片加工方法，在第一方向上，第一区域的活性物质涂布重量与第二区域的活性物质涂布重量的比值，等于第一区域和第二区域处的电阻值的反比，根据电流调整涂布重量，使得第一区域和第二区域在充电时可以同时充满，最大程度保证充电速度的提升。
本公开实施方式提供的极片、电芯结构和电池，其极片采用上述的加工方法制成，因此具有上述所有有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a至1b是电芯充电原理图。
图2是根据本公开一些实施方式中极片和电芯结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本公开实施方式提供的极片及其加工方法，适用于锂离子电池电极片。锂离子电池应用广泛，例如最常见的智能手机、手表、平板电脑等电子设备。随着移动设备能够实现的功能越来越多，人们对移动设备的依赖程度也越来越高，移动设备的快速充电的能力也成为了一个至关重要的性能指标。
相关技术中，为了满足锂离子电池的快速充电的需求，通常会选用可支持大倍率充电的石墨等负极材料，通过提高电池的动力学来提升充电速度。也有通过优化充电方法，例如不同恒流充电之间增加恒压充电等来提升充电速度。
而在本公开中，提供一种完全区别于上述相关技术发明构思的技术方案，旨在解决相关技术中由于极片结构导致的充电时间被延长的缺陷，从而在相同的工况下，有效减少电池的充电时间，下面进行详细说明。
本案发明人通过研究发现，锂离子电池一般由正负极片组成，正负极片之间通过隔膜隔开，正负极活性物质均匀涂布在极片上，极片一端设置有极耳，从而连接外部电源。如图1a所示，当电池进行充电时，电流由外部电路流入正极极耳，经过正极片、电解液和负极片后，由负极极耳流出，可以看到，电流分布在整个正负极集流体上。
如图1b所示，电池在进行充电时，整个电池电路可以等效为多个小电池单元的串并联结构，电池单元由正负极、隔膜组成，因此具有一定的内阻。随着离极耳的距离越远，电流回路中串联的内阻越多，因而电流越小。参见图1b可知，越远离左侧极耳的支路内阻值越大，从而电流就越小；而越靠近左侧极耳的支路内阻值越小，从而电流就越大，这样就造成充电电流密度分布不均匀。而电池容量（mah）等于充电电流与充电时间的乘积，电流密度分布不均匀，就会导致相同时间内距离极耳越远的一端充入的容量越少。
相关技术中，极片的活性物质为均匀涂布，这就导致当距离极耳较近的位置电量充满时，远端位置处于欠充状态，一直需要等到远端充满之后，电池才达到充满状态，导致整个充电时间被拉长。
正是基于相关技术中存在的此缺陷，本公开实施方式提供了一种极片及其加工方法，使得极耳近端和远端的位置可以同步充电，解决远端位置的欠充问题，进而提高电池的充电速度。
第一方面中，本公开提供了一种极片加工方法，适用于锂离子电池的极片加工。极片包括集流体，集流体在第一方向上的一端设有极耳。在一些实施方式中，本公开的极片加工方法包括：
在集流体上涂布电极活性物质，且在第一方向上，由靠近极耳的一端至远离极耳的一端，活性物质的涂布重量逐渐减小。
具体而言，本步骤中，首先在集流体上涂布活性物质的浆料，活性物质是指电极材料，可根据正负极的不同相应涂布对应的正负极材料。例如正极材料可以是钴酸锂LiCoO2、锰酸锂LiMn2O4、磷酸铁锂LiFePO4等；负极材料可以是石墨、钛酸锂Li2TiO3等。本公开对此不作限制。
在活性物质涂布时，需要遵循一个原则：在距离极耳由近至远的方向上，活性物质的涂布重量逐渐减小。即，距离极耳最近的位置涂布重量最大，随着距离变远，涂布重量呈梯度式下降。例如图2中所示，正极片10的极耳30位于左端，因此活性物质的涂布重量从左到右依次减少，区域A涂布重量最大，区域B涂布重量最小。
通过上述可知，本公开实施方式中的极片加工方法，对于极片上活性物质的涂布并非均匀涂布，而是根据距离极耳的远近进行梯度下降式涂布。结合图1b可知，由于远端活性物质涂布重量低，其含有的活性物质更少，从而减少远端的充电时长，避免近端充满而远端欠充的问题，相同电池容量下，缩短了电池整体的充电时长，提高充电速度。
在一些实施方式中，在上述活性物质涂布时，其涂布的为液态的浆料，因此在涂布完成后需要对浆料进行烘干固化和辊压的操作。具体来说，本公开的加工方法还包括：
对涂布后的活性物质进行烘干固化；
对烘干固化后的活性物质进行辊压，使得不同区域的活性物质在厚度方向上厚度相同。
具体而言，通过烘干工艺，将液态浆料中的溶剂挥发掉，使活性物质固化形成电极。一般烘干温度可以为100℃~150℃。在固化之后，对活性物质进行辊压。
值得说明的是，在辊压时，由于在第一方向上不同位置的活性物质重量不同，因此在辊压时可同样采用梯度递减的压力。具体来说，由于靠近极耳的一侧活性物质重量较大，可采用较大的压实力，而远端活性物质重量较小，采用较小的压实力。即，沿近端至远端辊压力梯度较小，从而使得虽然活性物质的质量不同，但是通过不同的压实密度，使得活性物质的厚度处处相同，保持极片表面的平整度，提高极片电性能。
通过上述可知，位于极耳近端的电流较大，而远端的位置电流较小，因此本公开方案将电池容量梯度分布，使得极耳近端的容量更高，而远端的容量更低，从而减少远端补充电的时长。可以理解的是，为了最大程度的缩短充电时间，应当保证极片在第一方向的各个同时充满，即近端与远端容量同时充满，无需补充电时间。
因此在一些实施方式中，在第一方向上，以极耳位置为基准位置，可将极片划分为若干个区域，定义距离极耳L区域处的电路内阻值为R，R表示阻碍电子和锂离子传递的阻抗，该区域的活性物质涂布重量为G。当正负极耳的外接电压为U，则通过该区域的电流I可表示为I=U/R。
以图2为例，为了保证区域A和区域B同时充满，则要保证GA/GB=IA/IB，由于两区域电压相等，则可以表示为GA/GB=RB/RA，即两区域的涂布重量的比值等于两区域电阻值的反比。在下文中对电阻值R的计算进行详细说明，在此暂且不表。
通过上述可知，在本实施方式中，设置不同区域涂布重量的比值等于电阻值的反比，使得在充电时间相同的情况下，两个区域的不同电池容量（电流乘以时间）可以同时充满，从而最大程度的保证电池的充电效率，缩短了电池整体的充电时间。
下面结合图2对本公开实施方式的效果进行定性说明。
在传统的均匀涂布的极片中，负极片20上各个区域的涂布重量相同，在进行充电时，区域C处由于电流较大，相同时间内能充入更多的容量（电流乘以时间）。当区域C充满时刻，区域D由于电流较小，其充入的容量势必比区域C小，因此区域D此时处于欠充状态。电池soc需要一直等到区域D充满后，整个电池才会完成充电。而在等到区域D补充电的过程中，区域C则一直处于饱和状态。由此可以看到，电池整体的充电效率很低，充电时长被远端的区域D拉长。
而在本公开实施方式中，正负极片采用活性物质重量梯度涂布的方式（采用不同的压实密度，因此图2所示厚度相同），在进行充电时，区域C处电流较大，但是相应的容量较大；而区域D处电流较小，但是同样的容量也小，因此区域C和区域D可以同时充满。不存在对区域D补充电的过程，相同电池容量下，大大缩短了充电时间。
具体来说，为了实现极片各区域容量同时充满，在对活性物质进行涂布时，可按照下述关系实现。
首先，根据电池采用的材料体系特性、质量守恒、电荷守恒以及Butler-Volmer方程可以得出R与L以及涂布重量G的关系表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，α、β、γ、δ表示与电池材料选型及设计参数相关的常数和关系因子，本领域技术人员可根据电池的材料以及设计要求计算得到。举例来说，针对某一特定电池体系，阻值R可根据如下关系得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为箔材电导率，S为箔材横截面积，F为法拉第常数，R0为通用气体常数，T 为热力学温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为电池固相和液相电导率，t+为锂离子在体系中的迁移率，A、B、C为 常数。
当然，本领域技术人员还可以根据其他的材料体系和设计要求，得到其他的阻值R的关系表达，但是其均符合式（1）所示关系，即R随L和G的增大而增大。
其次，结合前式可以得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
简化式（3）之后，得到涂布重量G与距离L的关系表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（4）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示与电池材料选型及设计参数相关的常数和关系因子，本领域 技术人员可根据电池的材料以及设计要求计算得到。举例来说，针对上述同一示例的电池 体系，可计算得到涂布重量G与距离L表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（5）
式中，D、E、H为和箔材电导率、横截面积、法拉第常数、热力学温度、电池电导率、锂离子迁移率相关的关系式。当然，本领域技术人员还可以根据其他的材料体系和设计要求，得到其他形式的G与L的关系形式，但是其均符合：涂布重量G随距离L的增大而减小。
通过上述关系，本领域技术人员即可根据距离极耳的长度L，来实现对活性物质的涂布，使得集流体上活性物质呈梯度式分布，从而当电池充电时，在第一方向上各个区域可以同时充满。使得相同电池容量下，充电效率更高，缩短电池充电时间。
第二方面中，本公开实施方式提供了一种电芯结构。如图2中所示，在一些实施方式中，电芯结构包括正极片10和负极片20，正负极片之间设置有隔膜，并且正极片10和负极片20均采用第一方面的极片加工方法制成。即，正负极片上的活性物质均采用梯度涂布。
在本实施方式中，正负极片的活性物质的涂布方式完全相同，即在第一方向上不同区域处，正负极片的活性物质涂布重量的比值相同。举例来说，如图2中所示，按照设计要求，例如负极片的涂布重量与正极片的涂布重量的比值为1.05，则区域C与区域A的涂布重量比值为1.05，同样区域D与区域B的涂布重量比值也为1.05，从而保证正负极片的电性能。
在本实施方式中，电芯结构可以是叠片式结构也可以是卷绕式结构。叠片式电芯是指将特定结构的正负极片进行连续的堆叠，并通过隔膜将正负极片隔开。而卷绕式电芯是指将连续的正极片的负极片通过隔膜隔开，然后进行连续的卷绕。
无论叠片式结构还是卷绕式结构，极片的活性物质涂布均可以按照本公开方法实现，从而实现充电时距离极耳近端和远端同时充满，提高充电效率，缩短充电时间。本领域技术人员应当理解，本公开的电芯结构还可以是其他任何适于实施的形式，本公开对此不作限制。
第三方面，本公开实施方式还提供了一种电池，该电池为锂离子电池，其包括上述的电芯结构，其有益效果参见上述即可，不再赘述。
显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本公开创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种极片加工方法，其特征在于，所述极片包括集流体，所述集流体在第一方向上的一端设有极耳，所述第一方向垂直于所述极片的厚度方向，所述方法包括：
在所述集流体上涂布电极活性物质，且在所述第一方向上，由靠近所述极耳的一端至远离所述极耳的一端，所述活性物质的涂布重量逐渐减小；
所述方法还包括：
对涂布后的所述活性物质进行烘干固化；
对烘干固化后的所述活性物质进行辊压，使得不同区域的所述活性物质在厚度方向上厚度相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述第一方向上，第一区域的所述活性物质的涂布重量为第一重量，不同于第一区域的第二区域的所述活性物质的涂布重量为第二重量；
所述第一重量与所述第二重量的比值，等于所述第一区域和所述第二区域处的电阻值的反比。
3.一种极片，其特征在于，包括：
集流体，在第一方向上的一端设有极耳，所述第一方向垂直于所述极片的厚度方向；和
电极活性物质，涂布在所述集流体至少一侧，且在所述第一方向上，由靠近所述极耳的一端至远离所述极耳的一端，所述活性物质的涂布重量逐渐减小；不同区域的所述活性物质在厚度方向上厚度相同。
4.根据权利要求3所述的极片，其特征在于，
在所述第一方向上，第一区域的所述活性物质的涂布重量为第一重量，不同于第一区域的第二区域的所述活性物质的涂布重量为第二重量；
所述第一重量与所述第二重量的比值，等于所述第一区域和所述第二区域处的电阻值的反比。
5.一种电芯结构，其特征在于，包括：
正极片和负极片，由根据权利要求1或2所述的方法制成；
其中，在所述第一方向上不同区域处，所述正极片的活性物质的涂布重量与所述负极片的活性物质的涂布重量的比值相同。
6.根据权利要求5所述的电芯结构，其特征在于，
所述正极片与负极片之间设置有隔膜。
7.根据权利要求5所述的电芯结构，其特征在于，
所述电芯结构为叠片式结构或卷绕式结构。
8.一种电池，其特征在于，包括根据权利要求5至7任一项所述的电芯结构。
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