CN111952680A - 一种圆柱型锂离子电池卷芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱型锂离子电池卷芯，属于锂离子电池技术领域。圆柱型锂离子电池卷芯包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片和负极片通过相互卷绕形成卷芯，相邻所述正极片与负极片之间设置有隔膜，所述正极片入位处内侧设置有负极耳。通过卷芯的结构设计，能够有效解决现有圆柱型锂离子电池卷芯易发生中心塌陷的问题。

Description

一种圆柱型锂离子电池卷芯

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，涉及一种圆柱型锂离子电池卷芯。

背景技术

21700圆柱型车载电芯一般负极使用双极耳结构(负极片内外各一个极耳)，正极使用单极耳(极耳位置一般位于内侧三分之一处)；21700圆柱型锂离子电池负极材料一般为石墨或硅碳，而石墨和硅碳在充放电过程中会发生膨胀。圆柱型锂离子电池为了提高能量密度，现在取消了卷芯中心钢芯的使用。而对于圆柱型锂离子电池，在充电过程中，负极材料会发生膨胀，膨胀的负极材料会带动电池卷芯发生膨胀，而电池卷芯的外部为电池钢壳，膨胀受限，而内部为了能量密度取消了钢芯，留下了中心孔。在圆柱型锂离子电池充电过程中，负极材料膨胀带动卷芯膨胀，卷芯向外膨胀受阻，则会向中心孔处膨胀。而不断的充电过程则加剧了这一进程，不断的向中心孔处膨胀，使得电池卷芯向中心孔处发生塌陷。塌陷后的卷芯伴随着充电与非充电状态的膨胀和收缩过程，会增加正极裁切面刺破隔膜的危险，导致电芯的自放电增加出现低电压现象，严重时会引起电芯的短路起火爆炸，严重影响圆柱型锂离子电池的使用安全。上述问题亟待解决，现有技术也缺少相应解决方案的记载。

中国专利申请号为：201520582514.2，公告日为：2015-12-23的“一种圆柱型锂离子电池极耳与使用该极耳的锂离子电池”，该极耳包括本体，本体包括用于与锂离子电池外壳或盖帽焊接的集流部和用于与电池极片焊接的连接部，连接部沿宽度方向卷曲，呈弧瓦状结构。极耳的连接部卷曲成弧瓦状，电池极片与连接部焊接后卷绕成电芯，连接部既可起到电芯中心管的支撑作用，避免电芯制造过程和使用过程中向中心塌陷，又可以起到极耳的作用，通过与电池极片焊接固定，形成电流连接通路。焊接固定的方式避免了连接部摩擦隔膜而导致隔膜破损，从而避免电池短路；通过特殊极耳的制作一定程度上解决了电芯向中心处塌陷的问题。

中国专利申请号为：201910497779.5，公开日为：2019-09-10的“一种锂离子电池卷芯”，其包括正极片及负极片，正极片与负极片相互卷绕，形成圆柱状的卷绕结构，卷绕结构中部形成中心孔；正极片与负极片相互卷绕，复合隔膜位于正极片与负极片之间，正极耳卷绕后位于卷绕结构两端，正极耳位于中心孔与卷绕结构两端的周缘之间，负极耳位于卷绕结构另两端的周缘上。本发明通过将正极耳设于中心孔与卷绕结构两端的周缘之间，远离了同样温度较高的中心孔区域，避免了中心孔区域的高温对正极耳的影响，有利于正极耳的散热，有效保护正极片及负极片，延长锂离子电池卷芯的使用寿命；同时，采用的复合隔膜不仅能够提高其热稳定性和浸润性，并且复合隔膜与锂电极具有较好的匹配性，进而提高卷芯的综合性能；其主要解决的是中心孔高温散热的问题，复合隔膜一定程度上能够提高锂离子电池在使用过程中的安全性能，但依然会出现中心孔塌陷的问题。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有圆柱型锂离子电池卷芯易发生中心塌陷的问题，本发明提供一种圆柱型锂离子电池卷芯，通过卷芯的结构设计，能够有效解决现有圆柱型锂离子电池卷芯易发生中心塌陷的问题。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种圆柱型锂离子电池卷芯，所述卷芯包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片和负极片通过相互卷绕形成卷芯，相邻所述正极片与负极片之间设置有隔膜，所述正极片入位处内侧设置有负极耳。正极片入位处即为正极片卷入卷芯的位置，出于圆柱型锂离子电池的使用性能考虑，需要在正极片卷入卷芯前先进行隔膜的卷绕，而后逐渐对负极片以及正极片进行卷绕。

作为本发明的进一步可能的实施方案，所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜，所述正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜按照顺序叠加卷绕成卷芯，所述第一隔膜和第二隔膜的长度均大于正极片和负极片的长度。通过将第一隔膜和第二隔膜进行长度限定确保正极片与负极片不相接触，确保圆柱型锂离子电池卷芯的安全性能。

作为本发明的进一步可能的实施方案，所述负极片包括负极基体及负极材料，所述负极材料包覆在负极基体上，所述负极耳焊接在负极基体上。负极基体一般为负极箔片，通过在负极箔片上涂覆负极材料，并在负极箔片上焊接负极耳形成负极片。

作为本发明的进一步可能的实施方案，所述负极片的负极基体一端设置有内层空箔区域，所述内层空箔区域上连接负极耳，所述负极耳为内极耳。内层空箔区域有利于内极耳散热，将内极耳连接在内层空箔区域上，有利于提高内极耳使用过程的稳定性能。

作为本发明的进一步可能的实施方案，设负极片内层空箔长度为L2，内极耳宽度为L3，内极耳定位长度为L4，则需满足L2＝L3+L4+m，所述m的取值范围为1-3mm。内极耳连接在负极片内层空箔上，需要确保其连接位置与负极材料有一定距离，以确保其散热良好以及便于与负极基体之间连接，具体体现为内极耳定位长度L4，在确定内极耳宽度L3和内极耳定位长度L4的情况下，内极耳与负极基体的连接位置以及负极基体上空箔长度需要进行确定。为节约空箔的长度，同时负极耳与负极片内层空箔之间能够形成良好的连接关系，需要确保L2＝L3+L4+m，m的取值范围为1-3mm。

作为本发明的进一步可能的实施方案，所述正极片、负极片以及隔膜通过卷针卷绕成卷芯，设卷针直径为L6，负极片入位长度为L1，则需满足L1＝n×L6×π，所述n＞1。负极入位即为负极片卷入卷芯的位置，负极片未卷入卷芯前，卷针需要对隔膜进行卷绕，以确保负极片卷绕的安全和稳定性能，当通过卷针进行卷绕时，卷针的直径已知，为确保负极片卷绕的稳定，隔膜需要至少先在卷针上卷绕一圈，负极片再卷入卷芯中，可根据实际生产的情况确定负极入位前薄膜卷绕的圈数和层数，由于隔膜的厚度一般为微米级别，在进行缠绕时可利用卷针直径进行隔膜预留长度的计算和实际的预留。

作为本发明的进一步可能的实施方案，设负极片超正极片长度为L5，卷芯正极入位与内极耳之间的平均直径为d，则L4+L5＝(k×d)±L3，k取值为正整数。在充电状态下，内极耳对正极片入位处形成顶压，卷芯造成的膨胀向内有内极耳形成顶靠，如要确保卷芯正极入位处与内极耳的位置形成对应，则需要根据卷芯正极入位处与内极耳处的直径，以及内极耳与卷芯正极入位处的相隔的卷绕圈数确定，由于内极耳具有一定宽度，在内极耳的宽度范围内可有一定的误差范围。

作为本发明的进一步可能的实施方案，所述k的取值为1。由于内极耳与卷芯正极片之间有隔膜间隔，不必考虑其位置的安全性位置，但为了卷芯的能量密度等相应性能得到很好的发挥，需要内极耳设置在卷芯正极入位相邻的内圈上。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种圆柱型锂离子电池卷芯，正极片入位处即为正极片卷入卷芯的位置，出于圆柱型锂离子电池的使用性能考虑，需要在正极片卷入卷芯前先进行隔膜的卷绕，而后逐渐对负极片以及正极片进行卷绕，利用正极片入位处设置负极耳，对充电状态的卷芯膨胀产生的力形成顶压的作用，避免电池卷芯发生中心塌陷的问题；

(2)本发明一种圆柱型锂离子电池卷芯，内极耳连接在负极片内层空箔上，需要确保其连接位置与负极材料有一定距离，以确保其散热良好以及便于与负极基体之间连接，具体体现为内极耳定位长度L4，在确定内极耳宽度L3和内极耳定位长度L4的情况下，内极耳与负极基体的连接位置以及负极基体上空箔长度需要进行确定。为节约空箔的长度，同时负极耳与负极片内层空箔之间能够形成良好的连接关系，需要确保L2＝L3+L4+m，m的取值范围为1-3mm；

(3)本发明一种圆柱型锂离子电池卷芯，负极入位即为负极片卷入卷芯的位置，负极片未卷入卷芯前，卷针需要对隔膜进行卷绕，以确保负极片卷绕的安全和稳定性能，当通过卷针进行卷绕时，卷针的直径已知，为确保负极片卷绕的稳定，隔膜需要至少先在卷针上卷绕一圈，负极片再卷入卷芯中，可根据实际生产的情况确定负极入位前薄膜卷绕的圈数和层数，由于隔膜的厚度一般为微米级别，在进行缠绕时可利用卷针直径进行隔膜预留长度的计算和实际的预留；

(4)本发明一种圆柱型锂离子电池卷芯，在充电状态下，内极耳对正极片入位处形成顶压，卷芯造成的膨胀向内有内极耳形成顶靠，如要确保卷芯正极入位处与内极耳的位置形成对应，则需要根据卷芯正极入位处与内极耳处的直径，以及内极耳与卷芯正极入位处的相隔的卷绕圈数确定，由于内极耳具有一定宽度，在内极耳的宽度范围内可有一定的误差范围；

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明一种圆柱型锂离子电池卷芯的基本结构示意图；

图2为本发明一种圆柱型锂离子电池卷芯不同于图1卷绕圈数的结构示意图；

图3为本发明一种圆柱型锂离子电池卷芯卷绕过程中各种距离的简要示意图。

附图中：10、正极片；20、负极片；31、第一隔膜；32、第二隔膜；40、负极耳。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

中心孔坍塌问题：在正极入位的地方存在一个充放电过程负极膨胀与未膨胀的边界线，且边界线两侧受到的力最为不均匀，因此随着充放电次数增加，到循环后期，这个边界线处会发生变形，因卷芯外层极片存在压力，中心孔处不存在钢芯，且中心孔处有较大空间，所以卷芯内层负极超正极的边界线处会发生向中心孔处的坍塌。

正极入位的位置不佳，负极充放电膨胀收缩时不能受到由中心孔向外的支撑力，导致随着循环的进行正极入位处向中心孔坍塌；正极入位端的位置会影响中心孔的塌陷程度。为了减小中心孔塌陷的可能，需要减小正极入位端向中心孔的作用力；而对于中心孔来说，只有负极耳40与极片接触的一个弧面与中心孔处其它不同，因极耳材质的特性，负极耳40较硬，且负极耳40固定在钢壳上，有一定力的支撑，因此设计卷芯内部结构时需要将正极入位处调整到负极耳40背面，使负极耳40在充放电过程中对入位处有一定支撑。下面就具体实施方案进行说明。

实施例1

本实施例仅就其实现方式进行说明，如图1和图3所示，本实施例的一种圆柱型锂离子电池卷芯包括正极片10、负极片20和隔膜，正极片10和负极片20通过相互卷绕形成卷芯，相邻正极片10与负极片20之间设置有隔膜，正极片10入位处内侧设置有负极耳40。正极片10入位处即为正极片10卷入卷芯的位置，出于圆柱型锂离子电池的使用性能考虑，需要在正极片10卷入卷芯前先进行隔膜的卷绕，而后逐渐对负极片20以及正极片10进行卷绕。如图1所示卷芯的卷绕圈数仅为了表示清晰，不代表实际的卷绕圈数，具体需要根据实际需要进行确定。

隔膜包括第一隔膜31和第二隔膜32，正极片10、第一隔膜31、负极片20和第二隔膜32按照顺序叠加卷绕成卷芯，第一隔膜31和第二隔膜32的长度均大于正极片10和负极片20的长度。通过将第一隔膜31和第二隔膜32进行长度限定确保正极片10与负极片20不相接触，确保圆柱型锂离子电池卷芯的安全性能。

负极片20包括负极基体及负极材料，负极材料包覆在负极基体上，负极耳40焊接在负极基体上。负极基体一般为负极箔片，通过在负极箔片上涂覆负极材料，并在负极箔片上焊接负极耳40形成负极片20。

负极片20的负极基体一端设置有内层空箔区域，内层空箔区域上连接负极耳40，负极耳40为内极耳。内层空箔区域有利于内极耳散热，将内极耳连接在内层空箔区域上，有利于提高内极耳使用过程的稳定性能。

如图3所示，设负极片20内层空箔长度为L2，内极耳宽度为L3，内极耳定位长度为L4，则需满足L2＝L3+L4+m，m的取值范围为1-3mm，m的实际取值为1、1.5、2、2.5或3mm。内极耳连接在负极片20内层空箔上，需要确保其连接位置与负极材料有一定距离，以确保其散热良好以及便于与负极基体之间连接，具体体现为内极耳定位长度L4，在确定内极耳宽度L3和内极耳定位长度L4的情况下，内极耳与负极基体的连接位置以及负极基体上空箔长度需要进行确定。为节约空箔的长度，同时负极耳40与负极片20内层空箔之间能够形成良好的连接关系，需要确保L2＝L3+L4+m，m的取值范围为1-3mm。

正极片10、负极片20以及隔膜通过卷针卷绕成卷芯，设卷针直径为L6，负极片20入位长度为L1，则需满足L1＝n×L6×π，n＞1。如图1所示，本实施例的n取值为1-2之间，但不包括1。负极入位即为负极片20卷入卷芯的位置，负极片20未卷入卷芯前，卷针需要对隔膜进行卷绕，以确保负极片20卷绕的安全和稳定性能，当通过卷针进行卷绕时，卷针的直径已知，为确保负极片20卷绕的稳定，隔膜需要至少先在卷针上卷绕一圈，负极片20再卷入卷芯中，可根据实际生产的情况确定负极入位前薄膜卷绕的圈数和层数，由于隔膜的厚度一般为微米级别，在进行缠绕时可利用卷针直径进行隔膜预留长度的计算和实际的预留。

设负极片20超正极片10长度为L5，卷芯正极入位与内极耳之间的平均直径为d，则L4+L5＝(k×d)±L3，k取值为正整数。在充电状态下，内极耳对正极片10入位处形成顶压，卷芯造成的膨胀向内有内极耳形成顶靠，如要确保卷芯正极入位处与内极耳的位置形成对应，则需要根据卷芯正极入位处与内极耳处的直径，以及内极耳与卷芯正极入位处的相隔的卷绕圈数确定，由于内极耳具有一定宽度，在内极耳的宽度范围内可有一定的误差范围。如图1所示本实施例的k取值为1，由于内极耳与卷芯正极片10之间有隔膜间隔，不必考虑其位置的安全性位置，但为了卷芯的能量密度等相应性能得到很好的发挥，需要内极耳设置在卷芯正极入位相邻的内圈上。

实施例2

本实施例的一种圆柱型锂离子电池卷芯在实施例1说明的基础上进行进一步阐述。以现行的现场生产工艺为基础，对实施例1的相应内容进行补充性说明。

如图3所示，L1为负极片20入位长度，小于35mm，固定为33mm，卷针直径L6为3.8mm，计算可得隔膜预卷约三圈负极进入，隔膜厚度16μm预卷三圈，当负极入位时，中心直径为3.9mm；

L2为负极片20内层空箔长度，长度为23±1mm；

L3为内极耳宽度4mm；

L4为内极耳定位长度，长度为17±1mm；

L5为负极片20超正极片10长度，长度为25±5mm；

上述L1-L6还满足：L2＝L3+L4+m，m的取值范围为1-3mm；

L1＝n×L6×π，n＞1；

L4+L5＝(k×d)±L3，k取值为正整数

上述进行L1-L6的详细举例说明，在上述内容满足实施例1中描述的相关条件的基础上可进行相应数据的更改，或结合实际生产或使用过程中的数据进行合理设置。

实施例3

本实施例与实施例1的结构基本相同，其不同之处在于卷芯卷绕的圈数如图2所示。

实施例4

本实施例的一种圆柱型锂离子电池包括实施例1-3任一项所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯和壳体，负极耳40连接在壳体上。通过将负极耳40连接(可采用焊接的方式)在壳体上，负极耳40与壳体之间位置相对固定，充电状态下，卷芯内极耳承受由于膨胀产生的力，并与壳体连接，将膨胀产生的力转移至壳体，确保内极耳的稳定使用。

Claims (8)

1.一种圆柱型锂离子电池卷芯，所述卷芯包括正极片(10)、负极片(20)和隔膜，其特征在于：所述正极片(10)和负极片(20)通过相互卷绕形成卷芯，相邻所述正极片(10)与负极片(20)之间设置有隔膜，所述正极片(10)入位处内侧设置有负极耳(40)。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯，其特征在于：所述隔膜包括第一隔膜(31)和第二隔膜(32)，所述正极片(10)、第一隔膜(31)、负极片(20)和第二隔膜(32)按照顺序叠加卷绕成卷芯，所述第一隔膜(31)和第二隔膜(32)的长度均大于正极片(10)和负极片(20)的长度。

3.根据权利要求1所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯，其特征在于：所述负极片(20)包括负极基体及负极材料，所述负极材料包覆在负极基体上，所述负极耳(40)焊接在负极基体上。

4.根据权利要求3所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯，其特征在于：所述负极片(20)的负极基体一端设置有内层空箔区域，所述内层空箔区域上连接负极耳(40)，所述负极耳(40)为内极耳。

5.根据权利要求4所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯，其特征在于：设负极片(20)内层空箔长度为L2，内极耳宽度为L3，内极耳定位长度为L4，则需满足L2＝L3+L4+m，所述m的取值范围为1-3mm。

6.根据权利要求4或5所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯，其特征在于：所述正极片(10)、负极片(20)以及隔膜通过卷针卷绕成卷芯，设卷针直径为L6，负极片(20)入位长度为L1，则需满足L1＝n×L6×π，所述n＞1。

7.根据权利要求6所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯，其特征在于：设负极片(20)超正极片(10)长度为L5，卷芯正极入位与内极耳之间的平均直径为d，则L4+L5＝(k×d)±L3，k取值为正整数。

8.根据权利要求7所述的一种圆柱型锂离子电池卷芯，其特征在于：所述k的取值为1。

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