CN111916660A - 一种锂离子电池极组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池极组。具体地，所述极组为圆柱形，且所述极组从内向外依次包含：卷绕结构、浸泡失效胶带和壳体，其中，所述卷绕结构由从内向外的如下层结构卷绕而成：a1)第一隔膜层；a2)第一电极极片层；a3)第二隔膜层；a4)膨胀胶带层；a5)第二电极极片层；所述第一电极极片层与所述第二电极极片层不同，且分别选自下组：正极极片层、负极极片层。所述极组兼具低阻抗和抗振性好等优点。

Description

一种锂离子电池极组
技术领域
本发明涉及电池领域，具体地涉及一种锂离子电池极组。
背景技术
近年来，新能源汽车在国家的扶植下得到了快速发展。锂离子电池作为储能器件，其需求量也出现了井喷式增长。圆柱形锂离子电池因能量密度高，一致性好，尺寸统一，技术成熟等优势已经在数码产品、电动工具、电动汽车及储能领域得到了广泛应用。
相对于数码产品、电动工具及储能领域，电动汽车对电池性能提出了更高的要求。首先，汽车在启停时的功率要求，需要电池能够以高功率输出、输入电能。为保证电流从正、负极极片与外部之间快速传输并减少阻抗的能量损失，电池内部正、负极极耳的数量将越来越多。极耳数量的增多大大增加了极耳与壳体底焊接的难度，并且很难保证焊点的强度。其次，电池需要抵抗汽车行驶于凹凸不平的路面时产生的震动而不受影响。但是，电池的装配过程中，为便于极组进入封装壳体，极组直径要小于壳体内径。极组直径与壳体内径的差异，必然导致极组在壳体内的晃动。长期使用过程中，极组的晃动必将导致正负极极耳的断裂或焊点脱落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的锂离子电池极组，所述极组兼具低的阻抗和优异的抗振性，非常适合应用于电动汽车。
本发明的第一方面，提供了一种锂离子电池极组，所述极组为圆柱形，且所述极组从内向外依次包含：卷绕结构、浸泡失效胶带和壳体，其中，所述卷绕结构由从内向外的如下层结构卷绕而成：
a1)第一隔膜层；
a2)第一电极极片层；
a3)第二隔膜层；
a4)膨胀胶带层；
a5)第二电极极片层；
所述第一电极极片层与所述第二电极极片层不同，且分别选自下组：正极极片层、负极极片层。
在另一优选例中，所述浸泡失效胶带包含第一基材层和粘合于所述第一基材层一表面的第一胶粘层，所述第一胶粘层用于将所述浸泡失效胶带粘合缠绕于所述卷绕结构外围。
在另一优选例中，所述第一基材层由选自下组的材料形成：丁腈橡胶、OPS、或其组合；
所述第一胶粘层由选自下组的材料形成：亚克力胶、橡胶、硅胶或其组合。
在另一优选例中，所述浸泡失效胶带的长度为极组周长πDi的30％-110％、50％-100％或70％-90％。
在另一优选例中，所述膨胀胶带层包含第二基材层和粘合于所述第二基材层一表面的第二胶粘层，所述膨胀胶带层通过所述第二胶粘层沿卷绕方向粘合于所述第二电极极片层的终端。
在另一优选例中，所述第二基材层由选自下组的材料形成：TPU、聚异戊二烯、聚丁二烯、或其组合；
所述第二胶粘层由选自下组的材料形成：亚克力胶、橡胶、硅胶或其组合。
在另一优选例中，所述膨胀胶带的长度为壳体内周长πDi的30-100％、40-95％或50-90％。
在另一优选例中，所述第一隔膜层的长度为所述第一电极极片层的长度的101-120％、103-115％或105-110％。
在另一优选例中，所述第二隔膜层的长度为所述第二电极极片层的长度的101-120％、103-115％或104-110％。
在另一优选例中，所述第一电极极片层为正极极片，所述第二电极极片层为负极极片。
在另一优选例中，所述第一电极极片层不含极耳。
在另一优选例中，所述第二电极极片层不含极耳。
在另一优选例中，所述壳体选自下组：钢壳、铝壳。
在另一优选例中，所述壳体的内径Di选自下组：5-100mm、10-80mm、15-60mm。
在另一优选例中，所述壳体的壁厚为100～500μm，较佳地150-300μm。
在另一优选例中，所述壳体的高度H壳体选自下组：30-300mm、40-250mm、50-230mm。
在另一优选例中，所述第一基材层的厚度选自下组：5-80um、10-60um、15-40um。
在另一优选例中，所述第一基材层的宽度与所述第一胶粘层的宽度相同且选自下组：5-30mm、8-20mm、10-15mm。
在另一优选例中，所述浸泡失效胶带粘合缠绕所述卷绕结构后所得产品的最大外径D1略小于或等于壳体内径Di(如D1＝Di-150um或D1＝Di-(150um±150um))。
在另一优选例中，所述第一基材层的长度与所述第一胶粘层的长度相同，为极组周长πDi的30％-110％、50％-100％或70％-90％。
在另一优选例中，所述第一胶粘层的厚度选自下组：3-50μm、5-40μm、8-30μm。
在另一优选例中，所述浸泡失效胶带粘合缠绕于所述卷绕结构的外围的上端和下端。
在另一优选例中，所述上端的浸泡失效胶带与所述下端的浸泡失效胶带的最远边距(即上端的浸泡失效胶带的上边缘至下端的浸泡失效胶带的下边缘)为第二电极极片宽度的70-100％、80-99％、85-96％或88-94％。
在另一优选例中，所述第一电极极片层为正极极片。
在另一优选例中，所述第一电极极片层的厚度选自下组：40-200um、60-160um、90-150um。
在另一优选例中，所述第一电极极片层的长度选自下组：100mm-10m、500mm-8m、800mm-5m。
在另一优选例中，所述第二电极极片层为负极极片。
在另一优选例中，所述第二电极极片的厚度选自下组：40-200um、45-160um、90-150um。
在另一优选例中，所述第二电极极片的长度＝所述第一电极极片的长度+n*πDi，其中，n＝0.5～2。
在本发明中，极片的宽度原则：负极要比正极宽1.5～5mm，隔膜比负极宽1.5～5mm。
应理解，在本发明中，所述正极材料和所述负极材料的组成没有特别限制，可使用本领域锂离子电池常见的正极材料和负极材料。
在另一优选例中，组成所述第一隔膜层的材料与组成所述第二隔膜层的材料相同或不同，且独立地选自下组：PP、PP/PE/PP、PP/PE、或其陶瓷涂覆改性膜。
在另一优选例中，所述第一隔膜层的厚度与所述第二隔膜层的厚度相同或不同，且独立地选自下组：5-40um、7-30um、10-25um。
在另一优选例中，所述第一隔膜层的长度为所述第一电极极片层的长度的101-120％、103-115％或104-110％。
在另一优选例中，所述第二隔膜层的长度为所述第二电极极片层的长度的101-120％、103-115％或104-110％。
在另一优选例中，所述第一隔膜层的宽度与所述第二隔膜层的宽度相同，为所述负极极片层的宽度+(1.5～5mm)。
在另一优选例中，所述第二基材层和所述第二胶粘层的长度相同，为极组周长πDi的30-100％、40-95％或50-90％。
在另一优选例中，所述第二基材层和所述第二胶粘层的宽度相同，为所述第二电极极片的宽度。
在另一优选例中，所述第二基材层的厚度选自下组：10-150um、20-100um、30-80um。
在另一优选例中，所述第二胶粘层的厚度选自下组：5-50um、7-40um、9-20um。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是现有的电池极组的结构示意图。
图2是现有的电池极组与壳体组装的结构示意图。
图3是本发明电池极组的部分结构的示意图。
图4是本发明电池极组的电流传输示意图。
图5是本发明实施例1中卷绕结构卷绕前的结构示意图，其中箭头方向1为从外到内，箭头方向2为卷绕方向。
图6是本发明实施例3中卷绕结构卷绕前的结构示意图，其中箭头方向1为从外到内，箭头方向2为卷绕方向。
图7实施例1所得极组1化成所得电池的阻抗正态分布。
图8对比例1所得极组C1化成所得电池的阻抗正态分布。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，通过在电池极组外围设置浸泡失效胶带并在电池极组的外侧电极的终端与隔膜之间设置膨胀胶带，得到一种阻抗低、抗振性好的锂离子电池极组。在此基础上，发明人完成了本发明。
锂离子电池极组
本发明提供一种新型电解液浸泡后可以失效的胶带(浸泡失效胶带)以及与膨胀胶带联合使用的新型锂离子电池极组。
如图1和图2所示，常规电池极组100由正极极片110、负极极片120、隔膜130\140、终止胶带150组成。正极极片110与负极极片120上有正极耳111、负极极耳121，极耳通过焊接分别与盖帽、壳体接触。
该浸泡失效胶带作为终止胶带150用于锂离子电池组100，浸泡失效胶带在电池注液前用于保持电池极组在卷绕完毕至入壳之前的卷绕状态，该胶带受电解液浸泡后，将不再具有粘结和拉伸强度，电池极组直径将不再受该胶带的束缚。
具体地，浸泡失效胶带主要由丁腈橡胶、OPS(定向聚苯乙烯)等作为基材，并涂覆亚克力或硅胶作为粘结成分。丁腈橡胶、OPS为低聚合的小分子物质，在常态下具有一定的机械强度，以保证对极组的约束。该类物质受电解液浸泡后可以快速软化或溶解，从而解除对极组的束缚，便于膨胀胶带的膨胀，使得极片与壳体紧密接触。
膨胀胶带作为终止胶带在锂离子电池中的使用量越来越多，其目的是在受电解液浸泡后可以膨胀，减小极组100与壳体200的间隙，提高电池抗振性。在本新型锂离子电池极组中，极组以正极极片110或负极极片120收尾(正负极极片的收尾方式如下：若圆柱电池的外壳是钢壳，则电池极组以负极收尾；若是铝壳，极组则以正极收尾)，以保证极片与壳体可以直接接触。膨胀胶带160贴于与外壳接触的极片(正极极片或负极极片)的内侧(见图3)，其使用长度取决于电芯的设计及胶带的膨胀率，一般其长度为占据最外侧极片周长的1/5～4/5(D为极组直径)；其宽度与极片宽度相同。在实际生产中，该膨胀胶带与极片的贴合过程可设计于辊压与分切工序之间。
具体地，膨胀胶带主要以TPU(热塑性聚氨酯)、聚异戊二烯、聚丁二烯膨胀材料作为基材，并涂覆亚力克或硅胶等胶水作为粘结材料。基材的特殊特性是在受锂电池电解液浸润后可以快速膨胀，并且该膨胀在后期的体积不会减小，该基材的膨胀率要大于300％以保证对极片的有效挤压。
电池注入电解液后，浸泡失效胶带机械性能失效以解除对极组的束缚，膨胀胶带发生膨胀挤压极片。两种胶带共同使用的结果，贴有膨胀胶带的极片被挤压与壳体紧密接触。其意义在于：1，减小极组与壳体间隙，具有更好的抗振效果。2，如图4所示，极片与壳体紧密接触，有利于电流的传输，大幅度减小电池的阻抗，提高电池的大功率输出能力，或者减少该极片上的极耳数量，甚至可以取消该极耳的设计。3，若取消该极片上的极耳，将带来如下优势：a，减少极片上空白位置，既能简化涂布工艺又能增加电芯能量密度；b，可省去极耳及其保护胶带，并取消制片过程，既能节省材料又能降低过程成本；c，取消底焊焊接，简化装配过程，又能避免底焊时对外壳的损害及焊渣的形成；d，电流流过时产生的热量可以在电池侧面快速散发，避免了在底部的热量累积。
应理解，在本发明中，长度方向为极组卷绕方向，宽度方向为极组轴心方向。
在本发明中，圆柱电池主要是18650(直径18mm，高度65mm)，21700(直径21mm，高度70mm)和26650(直径26mm，高度65mm)三种规格。但本发明可以用于非标准尺寸的圆柱电池，如63225(直径63mm，高度225mm)，43176(直径43mm，高度176mm)，38120(直径38mm，高度120mm)。
在本发明中，膨胀胶带只粘贴在极片的最外圈部分，长度最长为3.14*电池直径；而极片和隔膜的长度相当，为几百毫米至几米。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1电池极组1
圆柱形电池极组1由内向外依次为如下层结构：
隔膜1：材质为PP/PE复合膜并具有陶瓷涂覆层，长度1050mm，宽度60mm，厚度为20um；
正极极片，包括铝箔(长1000mm，宽56mm，厚10um)和涂覆于其表面的正极材料(正极活性材料为LiCoO2、导电剂为炭黑、粘结剂为PVDF，三者的用量比为93：6：1，单面涂层厚度为60um，铝箔两面涂覆厚度相同)，所述正极极片含正极耳；
隔膜1’：材质为PP/PE复合膜并具有陶瓷涂覆层，长度1080mm，宽度60mm，厚度为20um；
膨胀胶带1：长度50mm，宽度58mm，厚度60um，贴合于负极极片上且位于隔膜1’和负极极片之间，包括与隔膜相邻的基材(材质为TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)，长度50mm，宽度58mm，厚度为50um)和贴合于基材和负极极片上的胶粘层1(材质为丙烯酸胶，长度50mm，宽度58mm，厚度为10um)，所述膨胀胶带1沿卷绕方向位于负极极片的终端；
负极极片，包括铜箔(长1060mm，宽58mm，厚8um)和涂覆于其表面的负极材料(负极活性材料为石墨、导电剂为炭黑、粘结剂为CMC/SBR，三者的用量比为96：3.5：0.5，单面涂层厚度为61um，铜箔两面涂覆厚度相同)，负极材料与胶粘层1相邻，所述负极极片不含负极耳；
将上述结构(如图5所示意)卷绕，以浸泡失效胶带1(基材材质为OPS且胶粘层材质为橡胶，对基材，长度50mm，宽度10mm，厚度为30um；对胶粘层，长度50mm，宽度10mm，厚度为15um)缠绕于如上所得卷绕结构的上端和下端(上端浸泡失效胶带与下端浸泡失效胶带的最远边距为50mm)；
接着，将所得结构装入封装壳体(高度65mm，内径为18mm，外径为18.3mm，材质为钢壳)，得到电池极组1。
实施例2电池极组2
同实施例1，区别在于：负极极片采用极耳设计。
实施例3电池极组3
圆柱形电池极组3由内向外依次为如下层结构：
隔膜3：材质为PE/PP复合隔膜，长度1550mm，宽度67mm，厚度为18um，隔膜3与负极材料相邻；
负极极片，包括铜箔(长1500mm，宽65mm，厚6um)和涂覆于其表面的负极材料(负极活性材料为石墨、导电剂为Super P、粘结剂为CMC/SBR，三者的用量比为95：4：1，单面涂层厚度为60um，铜箔两面涂覆厚度相同)，所述负极极片含负极耳；
隔膜3’：材质为PE/PP复合隔膜，长度1580mm，宽度67mm，厚度为18um，隔膜3’与负极材料相邻；
膨胀胶带3：长度60mm，宽度63mm，厚度80um，贴合于正极极片上且位于隔膜3’和正极极片之间，包括与隔膜相邻的基材(材质为TPU，长度60mm，宽度63mm，厚度为70um)和贴合于基材和正极极片上的胶粘层3(材质为橡胶，长度60mm，宽度63mm，厚度为10um)，所述膨胀胶带3沿卷绕方向位于正极极片的终端；
正极极片，包括铝箔(长1560mm，宽63mm，厚12um)和涂覆于其表面的正极材料(正极活性材料为NMC、导电剂为导电炭黑、粘结剂为PVDF，三者的用量比为93：6：1，单面涂层厚度为58um，铝箔两面涂覆厚度相同)，正极材料与胶粘层3相邻，所述正极极片不含正极耳；
将上述结构(如图6所示意)卷绕，以浸泡失效胶带3(基材材质为OPS且胶粘层材质为橡胶，对基材，长度56mm，宽度10mm，厚度为30um；对胶粘层，长56mm，宽度10mm，厚度为10um)缠绕于如上所得卷绕结构的上端和下端(上端浸泡失效胶带与下端浸泡失效胶带的最远边距为53mm)；
接着，将所得结构装入封装壳体(高度70mm，内径为21mm，外径为21.4mm，材质为铝壳)，得到电池极组3。
实施例4电池极组4
同实施例3，区别在于：正极极片采用极耳设计
对比例1电池极组C1
同实施例1：区别在于：不使用膨胀胶带1。
对比例2电池极组C2
同实施例3：区别在于：不使用膨胀胶带3。
性能测试
分别对电池极组1和对比例C1进行阻抗及振动测试：
阻抗测试：
化成电池后，取256只电池进行对比测试。将电池充电至30％SOC，静置1h后，使用HIOKI BT4560测试电池的交流阻抗，测试频率1KHz。
从图7和图8中可以看出，本发明极组不仅降低了电池的阻抗(阻抗均值从15.2降低到12.9)，且电池的阻抗分布更加集中，电池的一致性更佳。
振动测试：
取化成后的电池32只进行对比测试抗振性能。参照GB/T 31467.3-2015测试标准，使用东菱ES-6-230对电池进行振动测试。
通过测试发现，使用膨胀胶带的电池都能通过振动测试。而未使用膨胀胶带的电池，虽然能通过振动测试，该设计对卷绕工艺要求更为苛刻。为了进一步验证膨胀胶带的作用，我们采用多次振动测试的方法来对比实施例1和对比1。经过三次振动测试后，使用膨胀胶带的电池损坏率为12.5％(有四只电池失效)，而未使用膨胀胶带的电池损坏率为21.8％(有七只电池失效)。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池极组，其特征在于，所述极组为圆柱形，且所述极组从内向外依次包含：卷绕结构、浸泡失效胶带和壳体，其中，所述卷绕结构由从内向外的如下层结构卷绕而成：
a1)第一隔膜层；
a2)第一电极极片层；
a3)第二隔膜层；
a4)膨胀胶带层；
a5)第二电极极片层；
所述第一电极极片层与所述第二电极极片层不同，且分别选自下组：正极极片层、负极极片层。
2.如权利要求1所述的极组，其特征在于，所述浸泡失效胶带包含第一基材层和粘合于所述第一基材层一表面的第一胶粘层，所述第一胶粘层用于将所述浸泡失效胶带粘合缠绕于所述卷绕结构外围。
3.如权利要求2所述的极组，其特征在于，所述第一基材层由选自下组的材料形成：丁腈橡胶、OPS、或其组合；
所述第一胶粘层由选自下组的材料形成：亚克力胶、橡胶、硅胶或其组合。
4.如权利要求1所述的极组，其特征在于，所述浸泡失效胶带的长度为极组周长πDi的30％-110％、50％-100％或70％-90％。
5.如权利要求1所述的极组，其特征在于，所述膨胀胶带层包含第二基材层和粘合于所述第二基材层一表面的第二胶粘层，所述膨胀胶带层通过所述第二胶粘层沿卷绕方向粘合于所述第二电极极片层的终端。
6.如权利要求5所述的极组，其特征在于，所述第二基材层由选自下组的材料形成：TPU、聚异戊二烯、聚丁二烯、或其组合；
所述第二胶粘层由选自下组的材料形成：亚克力胶、橡胶、硅胶或其组合。
7.如权利要求1所述的极组，其特征在于，所述膨胀胶带的长度为壳体内周长πDi的30-100％、40-95％或50-90％。
8.如权利要求1所述的极组，其特征在于，所述第一隔膜层的长度为所述第一电极极片层的长度的101-120％、103-115％或105-110％。
9.如权利要求1所述的极组，其特征在于，所述第二隔膜层的长度为所述第二电极极片层的长度的101-120％、103-115％或104-110％。
10.如权利要求1所述的极组，其特征在于，所述第一电极极片层为正极极片，所述第二电极极片层为负极极片。
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