CN112234247A - 一种锂离子电池 - Google Patents

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彭冲
李俊义
徐延铭
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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括连接有第一正极耳和第一负极耳的第一叠芯，以及连接有第二正极耳和第二负极耳的第二叠芯；其中，所述第一叠芯包括交错层叠设置的第一正极片和第一负极片，且所述第一正极片和第一负极片的总个数X≥2；所述第二叠芯包括交错层叠设置的第二正极片和第二负极片，且所述第二正极片和第二负极片的总个数Y≥2；所述第一负极片的电极密度大于所述第二负极片的电极密度；所述第二负极片中锂离子的扩散速度大于所述第一负极片中锂离子的扩散速度。本发明提供的锂离子电池可同时具备高能量密度和快充性能。

Description

一种锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，涉及电化学装置技术领域。
背景技术
随着智能手机、笔记本电脑等电子产品的不断发展，锂离子电池作为电子类产品常用的储能元件，其发展也迎来了巨大的市场机遇。随着人们对消费电子产品待机时间和充电速度提出的要求越来越高，对锂离子电池的能量密度和快充性能也提出了越来越高的要求。
但是，现有的锂离子电池无法同时具备高能量密度和快充性能，即便在锂离子电池极片表面涂布不同的活性层材料，但两种活性层材料的性能发挥受限，使得锂离子电池无法同时具备高能量密度和快充性能。因此，如何提供一种同时具备高能量密度和快充性能的锂离子电池受到了越来越多的关注。
发明内容
本发明提供一种锂离子电池，用于解决现有的锂离子电池无法同时具备高能量密度和快充性能的问题。
本发明第一方面提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括连接有第一正极耳和第一负极耳的第一叠芯，以及连接有第二正极耳和第二负极耳的第二叠芯；
其中，所述第一叠芯包括交错层叠设置的第一正极片和第一负极片，且所述第一正极片和第一负极片的总个数X≥2；
所述第二叠芯包括交错层叠设置的第二正极片和第二负极片，且所述第二正极片和第二负极片的总个数Y≥2；
所述第一负极片的电极密度大于所述第二负极片的电极密度；
所述第二负极片中锂离子的扩散速度大于所述第一负极片中锂离子的扩散速度。
本发明提供了一种锂离子电池，该锂离子电池包括第一叠芯和第二叠芯，其中，所述第一叠芯包括交错层叠设置的第一正极片和第一负极片，且所述第一正极片和第一负极片的总个数X≥2；所述第二叠芯包括交错层叠设置的第二正极片和第二负极片，且所述第二正极片和第二负极片的总个数Y≥2，正极片和负极片交错层叠设置，正极片和负极片之间设置有隔膜，并且第一叠芯和第二叠芯分别连接一对正负极耳，即第一叠芯上连接有第一正极耳和第一负极耳，第二叠芯上连接有第二正极耳和第二负极耳；为了使锂离子电池同时具备高能量密度和快充性能，第一叠芯和第二叠芯中的负极片具备不同的性能，其中，第一负极片的电极密度大于第二负极片的电极密度，即第一叠芯具备高能量密度，第二负极片中锂离子的扩散速度大于第一负极片中锂离子的扩散速度，即第二叠芯具备快充性能。图1为本发明一实施例提供的锂离子电池的整体结构示意图，如图1所示，锂离子电池包括第一叠芯100和第二叠芯200，第一叠芯100位于锂离子电池的上方，第二叠芯200位于锂离子电池的下方，其中，第一叠芯100具有高能量密度，第二叠芯200具有快充性能，并且第一正极耳300和第一负极耳400与第一叠芯100连接，第二正极耳500和第二负极耳600与第二叠芯200连接，当使用该锂离子电池时，可分别将第一正负极耳、第二正负极耳与外界连通，具体地，当第一正极耳和第一负极耳与外部连通用作锂离子电池时，可以用倍率＜1C的电流充电，此时锂离子电池具有高能量密度，充满电后可以提供足够多的电量，确保电子产品具有较长的待机时间，当第二正极耳和第二负极耳与外部连通用作锂离子电池时，可以用倍率＞2C的电流充电，此时锂离子电池具有快充性能，可以在较短时间内完成充电，确保电子设备在短时间内即可正常工作。本发明提供的锂离子电池，在包括两种不同性能的叠芯的基础上，分别连接一对正负极耳，可充分发挥不同性能叠芯的作用，使得该种锂离子电池可以同时具备高能量密度和快充性能。
本发明提供的锂离子电池对正极片和负极片的排列方式并不做进一步限制，具体地，所述第一叠芯中最靠近第二叠芯的极片和所述第二叠芯中最靠近第一叠芯的极片的极性可以相同或相反，例如，在图1所示的结构中，当第一叠芯和第二叠芯中的极片按照“正极片-负极片-…-正极片-负极片”的顺序层叠放置时，第一叠芯中最靠近第二叠芯的极片为正极片，第二叠芯中最靠近第一叠芯的的极片为负极片，二者极性相反；当第一叠芯和第二叠芯中的极片按照“正极片-负极片-…-正极片-负极片-正极片”的顺序层叠放置时，第一叠芯中最靠近第二叠芯的极片为正极片，第二叠芯中最靠近第一叠芯的极片为正极片，二者极性相同。
本领域技术人员知晓，极片包括集流体和设置在集流体上表面和下表面的活性层，在充电过程中，锂离子从正极运动到负极，因此，为了提高锂离子电池的活性层利用率，第一叠芯和第二叠芯中最近的两个极片的相对表面可以不设置活性层，即所述第一叠芯中最靠近第二叠芯的极片包括集流体和设置在集流体远离第二叠芯表面的活性层；所述第二叠芯中最靠近第一叠芯的极片包括集流体和设置在集流体远离第一叠芯表面的活性层。
此外，为了进一步提高活性层的利用率，本领域技术人员可依据常规技术手段，将锂离子电池最外层极片的外表面也不设置活性层，即第一叠芯中最远离第二叠芯的极片包括集流体和设置在集流体靠近第二叠芯表面的活性层，第二叠芯中最远离第一叠芯的极片包括集流体和设置在集流体靠近第一叠芯表面的活性层。
进一步地，由于负极片单面涂布活性层存在极片打卷的问题，为了便于极片的制备，第一叠芯和第二叠芯均按照“正极片-负极片-…-正极片-负极片-正极片”的顺序层叠放置，即所述第一叠芯包括(M+1)个第一正极片和M个第一负极片，M≥1；所述第二叠芯包括(N+1)个第二正极片和N个第二负极片，N≥1。
图2为本发明一实施例提供的第一叠芯和第二叠芯的具体结构示意图，如图2所示，第一叠芯100包括(M+1)个第一正极片101和M个第一负极片102，第二叠芯200包括(N+1)个第二正极片201和N个第二负极片202，其中，第一叠芯100中，最靠近第二叠芯200的为第一个第一正极片，最远离第二叠芯200的为第(M+1)个第一正极片，第一个第一正极片包括集流体和设置在集流体上表面的活性层，第(M+1)个第一正极片包括集流体和设置在集流体下表面的活性层；第二叠芯200中，最靠近第一叠芯100的为第(N+1)个第二正极片，最远离第一叠芯100的为第一个第二正极片，第(N+1)个第二正极片包括集流体和设置在集流体下表面的活性层，第一个第二正极片包括集流体和设置在集流体上表面的活性层；而第一叠芯100和第二叠芯200中其他的正极片均包括集流体和集流体上表面和下表面的活性层。
可以理解的是，正极片和负极片之间还包括隔膜，继续参考图2，第一正极片101和第一负极片102中间设置有隔膜700，第二正极片201和第二负极片202中间也设置有隔膜700，为了进一步提高锂离子电池的安全性，第一叠芯和第二叠芯中间也设置有隔膜700。
当第一叠芯和第二叠芯中间设置隔膜时，所述第一叠芯中最靠近第二叠芯的极片中集流体与隔膜700直接接触，第二叠芯中最靠近第一叠芯的极片中的集流体与隔膜700直接接触。
此外，锂离子电池还包括外壳，第一叠芯和第二叠芯位于同一外壳内。
锂离子电池中极片、极耳的材料均可依据现有技术进行选择，具体地：
第一正极片和第二正极片中包括集流体和活性层，集流体可以为铝箔，活性层包括正极活性物质、粘接剂和导电剂，例如，正极活性物质为钴酸锂，导电剂选自炭黑、碳纳米管中的一种或两种，粘接剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
第一负极片和第二负极片中包括集流体和活性层，集流体可以为铜箔，活性层包括负极活性物质、粘接剂和导电剂，为了使锂离子电池同时具备高能量密度和快充性能，第一负极片和第二负极片中活性物质不同，例如，所述第一负极片的压实密度大于1.75g/cm3，使得包括该负极片的第一叠芯具备高能量密度；所述第二负极片中活性层包括石墨，所述石墨表面包覆有硬碳或软碳，用于提高锂离子的扩散速度，使得包括该负极片的第二叠芯具备快充性能。
第一正极耳、第一负极耳以及第二正极耳和第二负极耳分别作为第一叠芯和第二叠芯的外接极耳，其可依据现有技术进行选择，具体地，所述第一正极耳和第二正极耳为铝带；所述第一负极耳和第二负极耳为镍带。
同时，第一正极片和第二正极片上的极耳也可以为铝带，第一负极片和第二负极片上的极耳也可以为镍带，并将第一正极片上的极耳焊接于第一正极耳上，第一负极片上的极耳焊接于第一负极耳上即可。
隔膜可以包括基材和涂覆层，其中基材选自聚乙烯(polythene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯复合膜中的一种，涂覆层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛和二氧化锆中的一种或两种。
综上，本发明提供了一种锂离子电池，在包括两种不同性能的叠芯的基础上，分别连接一对正负极耳，可充分发挥不同性能叠芯的作用，使得该种锂离子电池可以同时具备高能量密度和快充性能。
本发明第二方面提供了一种锂离子电池的制备方法，在上述结构的基础上，本领域技术人员可依据常规技术手段进行制备。在一种具体实施方式中，首先，选择第一正极片活性层所需材料制备得到第一正极片活性层浆料，并将其涂布在集流体的表面，连接极耳后得到第一正极片；选择具有高能量密度的负极活性物质并制备得到第一负极片活性层浆料，并将其涂布在集流体的表面，连接极耳后得到第一负极片，按照“第一正极片-隔膜-第一负极片”的顺序叠放得到第一叠芯；其次，选择第二正极片活性层所需材料制备得到第二正极片活性层浆料，并将其涂布在集流体的表面，连接极耳后得到第二正极片；选择具有快充性能的负极活性物质并制备得到第二负极片活性层浆料，并将其涂布在集流体的表面，连接极耳后得到第二负极片，按照“第二正极片-隔膜-第二负极片”的顺序叠放得到第二叠芯；最后，将第一正极片上的极耳外接于第一正极耳上，第一负极片上的极耳外接于第一负极耳上，第二正极片上的极耳外接于第二正极耳上，第二负极片上的极耳外接于第二负极耳上，将第一叠芯和第二叠芯密封于铝塑膜中，注入电解液并结合常规技术手段得到锂离子电池。
本发明第三方面提供了一种使用上述锂离子电池的装置，包括上述任一所述的锂离子电池。
当本发明提供的锂离子电池作为储能元件时，由于其同时具备高能量密度和快充性能，能够满足包括上述锂离子电池的装置的不同需求。
本发明的实施，至少具有以下优势：
1、本发明提供了一种锂离子电池，在包括两种不同性能的叠芯的基础上，分别连接一对正负极耳，可充分发挥不同性能叠芯的作用，使得该种锂离子电池可以同时具备高能量密度和快充性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的锂离子电池的整体结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的第一叠芯和第二叠芯的结构示意图；
图3为实施例1以及对比例1-2提供的锂离子电池的能量密度测试结果；
图4为实施例1提供的第一叠芯和第二叠芯以及对比例1-2提供的锂离子电池分别在0.5C条件下的充电速度曲线；
图5为实施例1提供的第一叠芯和对比例1提供的锂离子电池在1C条件下以及实施例1提供的第二叠芯和对比例2提供的锂离子电池在3C条件下的充电速度曲线。
附图标记说明：
100-第一叠芯；
200-第二叠芯；
300-第一正极耳；
400-第一负极耳；
500-第二正极耳；
600-第二负极耳；
101-第一正极片；
102-第一负极片；
201-第二正极片；
202-第二负极片；
700-隔膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
实施例1
本实施例提供的锂离子电池包括第一叠芯和第二叠芯，其中，第一叠芯和第二叠芯具有图2所示的结构，第一叠芯包括11个第一正极片和10个第一负极片，第二叠芯包括5个第二正极片和4个第二负极片，第一正极耳铝带和第一负极耳镍带与第一叠芯连接，第二正极耳铝带和第二负极耳镍带与第二叠芯连接；
第一正极片和第二正极片包括铜箔和正极活性层，正极活性层包括钴酸锂、炭黑以及聚偏氟乙烯。
第一负极片和第二负极片包括铝箔和负极活性层，其中，第一负极片的压实密度为1.73g/cm3，首次充电效率为93％，负极活性层中包括石墨，石墨的容量为360mAh/g；第二负极片的压实密度为1.6g/cm3，首次充电效率为90％，负极活性层中包括石墨，石墨表面包覆有硬碳，石墨的容量为355mAh/g。
第一叠芯和第二叠芯中间设置有隔膜，隔膜包括基材和涂覆层，基材为聚乙烯，涂覆层包括聚偏氟乙烯和氧化铝；
本实施例提供的锂离子电池的制备方法包括如下步骤：
1、将1000g钴酸锂、21g炭黑、12g聚偏氟乙烯(PVDF)及345g氮甲基吡咯烷酮(NMP)加入搅拌罐中，经搅拌分散之后得到第一正极片活性层浆料；按照图2所示结构将第一正极片活性层浆料涂覆在铝箔表面(位于铝箔一面的活性层的面密度为14.7mg/cm2)，经烘干、辊压、模切、制备得到第一正极片，其中，第一正极片的宽度为93mm，长度为51mm。
2、将500g石墨、5.0g炭黑、7.0g羧甲基纤维素钠、17.0g固含为40％的丁苯橡胶加入搅拌罐中，经搅拌分散之后得到第一负极片活性层浆料；将第一负极片活性层浆料涂覆于铜箔的上表面和下表面(活性物质面密度为7.8mg/cm2)，经烘干、辊压、模切、制备得到第一负极片，其中，第一负极片的宽度为94mm，长度为52mm。
将500g石墨(表面包覆有硬碳)、5.0g炭黑、7g羧甲基纤维素钠、17.0g固含为40％的丁苯橡胶加入搅拌罐中，经搅拌分散之后得到第二负极片活性层浆料；将第二负极片活性层浆料涂覆于铜箔的上表面和下表面(活性物质面密度为8.1mg/cm2)，经烘干、辊压、模切、制备得到第二负极片，其中，第二负极片的宽度为94mm，长度为52mm。
3、将11个第一正极片、10个第一负极片、20个隔膜，按照“正极片-隔膜-负极片”的顺序叠放得到第一叠芯，在第一叠芯的基础上，将5个第二正极片、4个第二负极片、9个隔膜按照“隔膜-第二正极片-隔膜-第二负极片”的顺序叠放得到第二叠芯，在第一叠芯、第二叠芯的基础上分别连接第一正极耳、第一负极耳以及第二正极耳，第二负极耳，并密封于铝塑膜中，注入电解液(含1M的六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯/1,2丙二醇碳酸酯-1:1:1(体积比)的混合溶剂)后，经封口、化成制备得到锂离子电池。
对比例1
本对比例提供的锂离子电池包括交错层叠设置的15个正极片、14个负极片和隔膜，其中，位于最外层的第1个正极片和第15个正极片包括单面活性层，15个正极片与正极耳铝带连接，14个负极片与负极耳镍带连接，正极片与实施例1提供的正极片相同，负极片与实施例1提供的第一负极片相同，即对比例1提供的锂离子电池具有高能量密度。
对比例2
本对比例提供的锂离子电池包括交错层叠设置的15个正极片、14个负极片和隔膜，其中，位于最外层的第1个正极片和第15个正极片包括单面活性层，15个正极片与正极耳铝带连接，14个负极片与负极耳镍带连接，正极片与实施例1提供的正极片相同，负极片与实施例1提供的第二负极片相同，即对比例2提供的锂离子电池具有快充性能。
本发明进一步对实施例1以及对比例1-2提供的锂离子电池的能量密度和充电性能进行测试，具体地：
能量密度的测试方法为：将实施例和对比例提供的锂离子电池，采用0.5C充电、0.2C放电，测试得到锂离子电池的放电能量；进一步测试得到锂离子电池的长度、高度及厚度；根据能量密度＝放电能量/长度/高度/厚度，计算得到锂离子电池的能量密度。
图3为实施例1以及对比例1-2提供的锂离子电池的能量密度测试结果，如图3所示，实施例1提供的锂离子电池由于包括第一叠芯和第二叠芯，相比于对比例1提供的高能量密度电池，其能量密度略有下降，但相比于对比例2提供的快充电池能量密度显著提升，可以满足使用需求。
充电性能测试：将实施例1提供的第一叠芯和第二叠芯以及对比例1-2提供的锂离子电池分别在0.5C条件下充电，测试不同充电时间内锂离子电池的荷电态，图4为实施例1提供的第一叠芯和第二叠芯以及对比例1-2提供的锂离子电池分别在0.5C条件下的充电速度曲线，如图4所示，在低倍率充电条件下，实施例1提供的第一叠芯、第二叠芯以及对比例1-2提供的锂离子电池的充电速度无太大差别；
进一步地，对实施例1提供的第一叠芯以及对比例1提供的锂离子电池在1C条件下充电，对实施例1提供的第二叠芯以及对比例2提供的锂离子电池在3C条件下充电，测试不同充电时间内锂离子电池的荷电态，图5为实施例1提供的第一叠芯和对比例1提供的锂离子电池在1C条件下以及实施例1提供的第二叠芯和对比例2提供的锂离子电池在3C条件下的充电速度曲线，如图5所示，本发明提供的锂离子电池的充电速度与常规快充电池的充电时间相同，可以满足使用需求。
综上，本申请提供的锂离子电池同时具备高能量密度和快充性能，当第一正极耳和第一负极耳与外界连通时，可使用倍率低于1C的电流进行充电，充满电后的锂离子电池具备高能量密度，确保包括该锂离子电池的装置具有较长的待机时间，当第二正极耳和第二负极耳与外界连通时，可使用倍率大于2C的电流进行充电，提高锂离子电池的充电速度，确保包括该锂离子电池的装置在短时间内完成充电，因此，本发明提供的锂离子电池同时具备高能量密度和快充性能，当使用本发明提供的锂离子电池用于装置电源时，能够同时满足不同的使用需求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括连接有第一正极耳和第一负极耳的第一叠芯，以及连接有第二正极耳和第二负极耳的第二叠芯；
其中，所述第一叠芯包括交错层叠设置的第一正极片和第一负极片，且所述第一正极片和第一负极片的总个数X≥2；
所述第二叠芯包括交错层叠设置的第二正极片和第二负极片，且所述第二正极片和第二负极片的总个数Y≥2；
所述第一负极片的电极密度大于所述第二负极片的电极密度；
所述第二负极片中锂离子的扩散速度大于所述第一负极片中锂离子的扩散速度。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一叠芯中最靠近第二叠芯的极片和所述第二叠芯中最靠近第一叠芯的极片的极性相同或相反。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一叠芯中最靠近第二叠芯的极片包括集流体和设置在集流体远离第二叠芯表面的活性层；所述第二叠芯中最靠近第一叠芯的极片包括集流体和设置在集流体远离第一叠芯表面的活性层。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一叠芯包括(M+1)个第一正极片和M个第一负极片，M≥1；所述第二叠芯包括(N+1)个第二正极片和N个第二负极片，N≥1。
5.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一叠芯和第二叠芯中间设置有隔膜。
6.根据权利要求1-5任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池还包括外壳，所述第一叠芯和所述第二叠芯位于所述外壳内。
7.根据权利要求1-6任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极片的压实密度大于1.70g/cm3。
8.根据权利要求1-6任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第二负极片中活性层包括石墨，所述石墨表面包覆有硬碳或软碳。
9.根据权利要求1-8任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一正极耳和第二正极耳为铝带。
10.根据权利要求1-8任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极耳和第二负极耳为镍带。
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