CN111600037A - 聚合物锂离子电池及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种聚合物锂离子电池及装置，所述锂离子电池包括间隔设置为叠层结构的多个正极极片和多个负极极片，其中，当形成叠层结构时，至少有部分相邻的正极极片上设置有一个以上中轴线重合的第一通孔，该第一通孔的相邻正极极片上，对应区域的第一通孔之间满足：沿厚度方向自中部朝两侧延伸，靠近中部的正极极片上的第一通孔沿中轴线方向的投影能覆盖其外侧相邻正极极片上的第一通孔；该叠层结构最外侧为未设置通孔的负极极片。本发明的聚合物锂离子电池，可以保证在对聚合物软包锂离子电池进行封装抽真空时，将电解液保留在通孔结构中，起到了锁液的效果，在保证长循环寿命且高能量密度前提下，也解决了由通孔造成的电池外部凹陷的问题。

Description

聚合物锂离子电池及装置
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种聚合物锂离子电池及装置。
背景技术
锂离子电池在手机、相机、笔记本电脑等数码产品中应用广泛，同时在汽车、人工智能等领域也得到了进一步推广和使用。随着锂离子电池的广泛应用，市场对锂离子电池的需求也不断提高，不仅对能量密度、安全性能提出了更高的要求，对锂离子电池的循环寿命也提出了更高地需求。
目前，动力锂离子电池的外壳包括金属材料的圆柱或方形外壳、聚合物软包等。由于聚合物软包锂离子电池可以通过增加电池尺寸提高能量密度，使其备受关注。但是由于聚合物软包装外部约束力较低，在使用过程中，电极会不断膨胀变形，从而造成单位面积电解液不足，同时大尺寸的聚合物软包锂离子电池在不断循环过程中也会导致电解液的消耗，尤其是电池中部的极片产热多且散热慢，电解液消耗更快，严重影响了聚合物软包锂离子电池的长期循环性能。
目前，已经研发出通过在锂离子电池的正负极极片上设置通孔来提高聚合物锂离子电池的残液量，从而在循环过程中给予电解液的补充，避免循环后期因电解液的不足而导致的循环失效，从而实现长循环高能量密度的聚合物锂离子电池。但是，由于锂离子电池在制备完成后进行封装前，需要经过抽真空操作，在对锂离子电池抽真空时，很容易将通孔中的电解液抽出，从而又减少了游离电解液的含量，由于聚合物软包装铝塑膜刚性差，通孔区域会因为抽真空导致的内外压强差产生凹陷，从而影响了锂离子电池的外观。
因此，亟待研发一种聚合物软包锂离子电池，可以在保证长循环寿命且高能量密度前提下，避免在抽真空时将部分电解液抽出从而减少游离电解液的含量，同时防止在聚合物软包上产生凹陷的问题。
发明内容
本发明提供了一种聚合物锂离子电池，可以在保证长循环寿命且高能量密度前提下，避免在对聚合物软包锂离子电池进行封装抽真空时将游离电解液抽出，也解决了现有技术中由于通孔造成的电池外部凹陷的问题。
本发明还提供了一种装置，所述装置包括本申请的聚合物锂离子电池，所述锂离子电池为所述装置的驱动电源。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是：
本发明提出一种聚合物锂离子电池，所述锂离子电池包括间隔设置为叠层结构的多个正极极片和多个负极极片，其中，当形成所述叠层结构时，
至少有部分相邻的正极极片上设置有一个以上的第一通孔，各正极极片上对应区域的第一通孔的中轴线重合；
所述设置有一个以上第一通孔的相邻正极极片上，对应区域的第一通孔之间满足：沿厚度方向自中部朝两侧延伸，靠近中部的正极极片上的第一通孔沿中轴线方向的投影能覆盖其外侧相邻正极极片上的第一通孔；
该叠层结构最外侧为未设置通孔的负极极片。
在制备电池时，聚合物软包电池一般通过卷绕或层叠的方式进行加工，卷绕后出现的正负极极片的层叠结构，也涵盖在本发明的范围内。
本发明中，通过在部分相邻正极极片上设置通孔，同时在最外层设置无通孔的极片结构，可以保证在对聚合物软包锂离子电池进行封装抽真空时，将电解液保留在通孔结构中，避免将游离电解液抽出，起到了锁液的效果，在保证长循环寿命且高能量密度前提下，也解决了现有技术中由于通孔造成的电池外部凹陷的问题。
在本发明的具体实施方式中，所述叠层结构中，所有所述负极极片上不设置通孔。通过正极开孔，负极不开孔的设计增加锂离子电池中的游离电解液的含量，同时避免析锂问题。
作为本发明的另一种具体实施方式，位于设置有一个以上第一通孔的正极极片之间的负极极片上对应区域设置有第二通孔，且满足：该第二通孔与所对应的第一通孔具有相重合的中轴线；所述第二通孔的面积不大于与之相邻且对应区域的第一通孔的面积；沿中轴线方向，每个第一通孔向相邻负极极片上的投影均能覆盖相邻的第二通孔。从而可以保证在充/放电过程中，从正极脱出的锂离子，都能够嵌入到负极极片的空位中，在减轻锂离子电池重量的同时，还避免了析锂问题。另外，还可以使对应的第一通孔和第二通孔形成一个空腔，容纳更多游离电解液，进一步延长了循环寿命。
作为本发明的具体实施方式，位于中间位置的所述正极极片上的第一通孔的面积向两侧的所述第一通孔的面积逐渐减小。进一步地，所述正极极片对应区域的第一通孔在垂直于叠层结构厚度方向的正投影轮廓呈基本封闭的弧形或阶梯状。中间位置两侧的所述第一通孔的面积不大于靠近中间位置的所述第一通孔的面积，可以是位于设置有第一通孔的最内层(在本发明中，“内”、“外”所指示的方位或者位置关系为基于附图的方位和位置关系)的正极极片上的第一通孔面积和与其相邻的几个第一通孔的面积一样，然后再设置面积逐渐减小的通孔；也可以是由内而外呈阶梯形递减。通过两侧第一通孔的面积比中间第一通孔的面积小的结构设计，最终形成一个闭合的锁液空腔结构，既可以减轻电芯的重量，避免损失过多正极极片的能量密度，又可以避免由于设置通孔而导致的电池凹陷的问题。
在本发明的一种具体实施方式中，所述第二通孔的面积为与之相邻的所述第一通孔面积的1-99％，例如85-99％，从而可以进一步在保证增加游离电解液含量的前提下，既避免了析锂问题，又减轻了电池的重量，同时，由于负极设置了足够的通孔容纳了更多的电解液，可以在正极少设置一些通孔，可以降低由于正极设置过多通孔而导致的正极极片能量密度的损失。
本发明对每个正极极片上的第一通孔的数量不做具体限定，可以为一个，也可以为多个。当每个设置有第一通孔的正极极片上的第一通孔为一个时，该第一通孔位于所述正极极片中间位置；当每个设置有第一通孔的正极极片上的第一通孔为二个以上时，所述第一通孔阵列分布或随机分布在所述正极极片上。
同时，为了进一步保证单位面积上的正极极片的能量密度，当每个设置有第一通孔的正极极片上的第一通孔为二个以上，且所述第一通孔阵列分布或随机分布在所述正极极片上时，相邻的所述第一通孔的间距不小于10mm。
每个所述第一通孔和第二通孔的形状独立地选自圆形、椭圆形、规则多边形和不规则多边形中的一种。第一通孔的形状可以相同，例如都采用圆形，也可以不同，例如可以分别为圆形、正方形、长方形、三角形等。
由于通孔面积过大有可能会降低正极极片的能量密度，同时避免通孔面积过小导致游离电解液的含量减少，从而影响锂离子电池的长期循环性能，发明人对第一通孔的面积之和做了限定。当每个所述正极极片上的第一通孔的孔面积之和为每个所述正极极片的面积的0.01-10％，例如1-5％时，可以在保证拥有足够的游离电解液含量的前提下，降低由于正极开孔面积过大对正极极片的能量密度的影响。
对应区域上设置有第一通孔的相邻的所述正极极片为多组，多组所述正极极片的第一通孔的中轴线重合或不重合。例如，可以设置三组正极极片，每一组正极极片上均设置有第一通孔，三组正极极片的第一通孔的中轴线可以完全重合，也可以有两组正极极片的第一通孔的中轴线重合，另外一组正极极片的第一通孔的中轴线不与之重合，或者三组均不重合。
本发明第二方面提供了一种装置，所述装置包括所述的聚合物锂离子电池，所述锂离子电池为所述装置的驱动电源。
对聚合物软包锂离子电池进行封装抽真空时，通过在部分相邻正极极片上设置通孔，同时在最外层设置无通孔的极片结构，可以保证在对聚合物软包锂离子电池进行封装抽真空时，将电解液保留在通孔结构中，避免将游离电解液抽出，起到了锁液的效果，在保证长循环寿命且高能量密度前提下，也解决了现有技术中由于通孔造成的电池外部凹陷的问题。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为实施例1的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图2为实施例1的正、负极极片的结构示意图；
图3为实施例2的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图4为实施例2的正、负极极片的结构示意图；
图5为实施例3的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图6为实施例3的相邻的均设置有通孔的正负极极片的结构示意图；
图7为实施例4的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图8为实施例4一相邻的均设置有通孔的正负极极片的结构示意图；
图9为实施例4一相邻的均设置有通孔的正负极极片的结构示意图；
图10为实施例5的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图11为实施例6的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图12为实施例7的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图13为实施例8的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图；
图14为对比例2的聚合物锂离子电池的侧面结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明中锂离子电池的制备采用本领域常规技术手段，本发明对此不作限定。为了清楚表示，以下实施例和对比例的锂离子电池均采用以下方法制备。
1)将正极活性物质三元镍钴锰NCM、粘结剂PVDF、导电炭黑依次按照质量分数为97.2wt％、1.3wt％、1.5wt％混合。混合物使用NMP(N-甲基吡咯烷酮)作为溶剂制成正极活性物质浆料，浆料中固体含量为75wt％。将该浆料均匀地涂在铝箔两面，经过干燥、辊压机压实，得到没有通孔的正极极片。
然后使用带圆角矩形的冲切刀模的模切设备在中心区域进行冲孔，得到具有N个通孔的正极极片。
2)将负极活性物质人造石墨、粘结剂SBR、分散剂CMC和导电炭黑依次按照质量分数95wt％、1.5wt％、1.5wt％和2.0wt％混合，经高速搅拌使其分散均匀，然后制成含有负极活性物质的混合物。使用水做溶剂，制成负极活性物质浆料，浆料中固含量为42wt％。将该浆料均匀地涂敷在铜箔两面，经过干燥、辊压机压实，得到没有通孔的负极极片。
然后使用带圆角矩形的冲切刀模的模切设备在中心区域进行冲孔，得到具有N个通孔的负极极片。
3)利用34层上述正极极片和35层上述负极极片通过叠加的方式间隔设置，且在每一层相邻的正负极之间都设置有隔膜(图中未示出)制备成裸电芯，然后转出铝极耳和铜镀镍极耳，再将裸电芯置于85℃高温真空烘烤24h，再用铝塑膜封装。其中，电解液采用含有1mol/L的六氟磷酸锂电解液，溶剂为按照碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和1,2-丙二醇碳酸酯的体积比为1:1:1混合，注入初步封装后的电芯中，称重得到m1，再对电池进行化成、老化二封并称重得到m2，得到长宽厚为300mm×100mm×11mm的方形软包电池。
以下实施例和对比例均采用如下方式进行测试，结果见表1：
1)残液量＝(m2-m1)/m1×100％；
2)析锂检测：电池在25℃、1C/1C、2.8-4.3V条件下循环20次，拆解满电电芯观察确认析锂状况；
3)质量能量密度的测量：25℃温度下，以0.33C从4.3V放电到2.8V的放电能量与电芯重量的比值。
下面详细描述本发明：
实施例1
实施例1提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池110。
参考图1-图2，在正极极片11上设置有圆形第一通孔111，负极极片12上没有通孔。
最内层正极极片上的通孔半径10mm，与之相邻的两侧的正极极片上设置有半径为9mm的通孔，同理，由中心到两侧的正极极片上的通孔半径按照1mm依次衰减，直至衰减为0，则外侧的正极极片上不再设置通孔。
实施例2
实施例2提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池210。
参考图3-图4，在正极极片21上设置有两种圆形第一通孔211和212，负极极片22上设置有与分别与第一通孔211和212对应的第二通孔221和222。
最内层正极极片上的第一通孔211和212半径分别为10mm和10mm，两个第一通孔之间的距离为30mm，与之相邻的两侧的负极极片上设置有半径分别为7mm和7mm的第二通孔，同理，由中心到两侧的正极极片上的通孔半径按照2mm依次衰减，最外侧的极片上不再设置通孔。
实施例3
实施例3提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池310。
参考图5-图6，在正极极片31(或31’)上设置圆形第一通孔311(或31’1)，负极极片32上设置有与分别与第一通孔311和31’1对应的第二通孔321。
最内层正极极片上的第一通孔311和与之相邻的第一通孔31’1半径分别为10mm和8mm，两个第一通孔之间的第二通孔321的半径为7mm，同理，由中心到两侧的正极极片上的通孔半径按照2mm依次衰减，同时，中心到两侧的负极极片上的通孔半径按照2mm依次衰减，最外侧的极片上不再设置通孔。
实施例4
实施例4提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池410。
参考图7-图9，中间10个正极极片上设置有边长为16mm的第一通孔411，与之相邻的负极片上设置有边长为10mm的圆角矩形的第二通孔421(如图8所示)；两侧各5个正极极片上设置有孔径为12mm的圆形第一通孔41”1，与之相邻的负极极片上设置有边长为8mm的圆角矩形第二通孔42’1(如图9所示)。
最外侧的极片上不再设置通孔。
实施例5
实施例5提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池510。
参考图10，实施例5与实施例2的区别仅在于，在一部分正负极极片上分别设置有一个第一通孔和一个第二通孔，另一部分正负极极片上分别设置有两个第一通孔和两个第二通孔。孔的参数设置与实施例2均相同。
整个软包电池最外侧的极片上不再设置通孔。
实施例6
实施例6提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池610。
参考图11，实施例6上的含有三组相邻的均设置有第一通孔正极极片，三组正极极片中，一组正极极片间的负极极片上均设置有比其两侧的第一通孔面积小的第二通孔；另一组正极极片间的负极极片上均不设置第二通孔；还有一组正极极片间的负极极片上或设置第二通孔或不设置通孔。
整个软包电池最外侧的极片上不再设置通孔。
实施例7
实施例7提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池710。
参考图12，实施例7与实施例6的区别仅在于，实施例7中设置有第一通孔的正极极片之间的负极极片也都设置有通孔，其余设置均相同。
实施例8
实施例8提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池810。
参考图13，实施例8与实施例3的区别仅在于，实施例8的第一通孔大小一样，均为半径为10mm的圆形，设置此第一通孔的正极极片有10个，负极极片的第二通孔大小一样，均为半径为8mm的圆形，设置此第二通孔的负极极片有10个，最外侧的极片上不再设置通孔。
对比例1
对比例1提供一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池。
对比例1的正极极片和负极极片均不设置通孔。
对比例2
对比例2提出一种方形软包三元镍钴锰锂离子电池910。
参考图14，对比例2的所有正极极片和所有负极极片上对应位置处设置大小相等的半径为10mm的圆形通孔。
表1各实施例和对比例的三元镍钴锰锂离子电池的性能测试结果
Figure BDA0002522097840000091
Figure BDA0002522097840000101
从表1可以看出，采用本发明实施例设计的锂离子电池的结构在保证长循环寿命且高能量密度前提下，还可以提高残液量，同时能够避免析锂。
综上，本发明的聚合物锂离子电池，通过在多个正极极片上设置由中间位置的正极极片向两侧的正极极片面积变小的通孔，同时在最外层设置无通孔的极片结构，可以保证在对聚合物软包锂离子电池进行封装抽真空时，将电解液保留在通孔结构中，避免将游离电解液抽出，起到了锁液的效果，在保证长循环寿命且高能量密度前提下，也解决了现有技术中由于通孔造成的电池外部凹陷的问题。
在本发明中，“内”、“外”所指示的方位或者位置关系为基于附图的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“若干个”、“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种聚合物锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括间隔设置为叠层结构的多个正极极片和多个负极极片，其中，当形成所述叠层结构时，
至少有部分相邻的正极极片上设置有一个以上的第一通孔，各正极极片上对应区域的第一通孔的中轴线重合；
所述设置有一个以上第一通孔的相邻正极极片上，对应区域的第一通孔之间满足：沿厚度方向自中部朝两侧延伸，靠近中部的正极极片上的第一通孔沿中轴线方向的投影能覆盖其外侧相邻正极极片上的第一通孔；
该叠层结构最外侧为未设置通孔的负极极片。
2.根据权利要求1所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，
所述叠层结构中，所有所述负极极片上不设置通孔，或，
位于设置有一个以上第一通孔的正极极片之间的负极极片上对应区域设置有第二通孔，且满足：
该第二通孔与所对应的第一通孔具有相重合的中轴线；
所述第二通孔的面积不大于与之相邻且对应区域的第一通孔的面积；
沿中轴线方向，每个第一通孔向相邻负极极片上的投影均能覆盖相邻的第二通孔。
3.根据权利要求1或2所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，位于中间位置的所述正极极片上的第一通孔的面积向两侧的所述第一通孔的面积逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，所述正极极片对应区域的第一通孔在垂直于叠层结构厚度方向的正投影轮廓呈基本封闭的弧形或阶梯状。
5.根据权利要求1所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，所述第二通孔的面积为与之相邻的所述第一通孔面积的1-99％；可选地，所述第二通孔的面积为与之相邻的所述第一通孔面积的85-99％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，当每个设置有第一通孔的正极极片上的第一通孔为一个时，该第一通孔位于所述正极极片中间位置；当每个设置有第一通孔的正极极片上的第一通孔为二个以上时，所述第一通孔阵列分布或随机分布在所述正极极片上，且相邻的所述第一通孔的间距不小于10mm。
7.根据权利要求6所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，每个所述正极极片上的第一通孔的孔面积之和为每个所述正极极片的面积的0.01-10％。
8.根据权利要求6所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，每个所述第一通孔和每个所述第二通孔的形状独立地选自圆形、椭圆形、规则多边形和不规则多边形中的一种。
9.根据权利要求1所述的聚合物锂离子电池，其特征在于，对应区域上设置有第一通孔的相邻的所述正极极片为多组，多组所述正极极片的第一通孔的中轴线重合或不重合。
10.一种装置，所述装置包括权利要求1-9任一项所述的聚合物锂离子电池，所述锂离子电池为所述装置的驱动电源。
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