CN112467230A - 电芯及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电芯及锂离子电池，包括正极片、负极片和隔膜；所述隔膜包括至少一个用于间隔正极片和负极片的折叠单元，所述折叠单元包括第一侧部、第二侧部、连接第一侧部和第二侧部的第一弯折部；所述正极片或负极片位于由第一侧部、第一弯折部和第二侧部形成的第一区域内且不超出该区域的开口；所述正极片和负极片之间为至少一层所述第一侧部或第二侧部；所述卷绕式电芯的卷绕轴线与所述第一弯折部垂直。本发明提供的电芯，具有良好的安全性，可有效避免电芯内部隔膜受热收缩导致的短路等现象，进而提高电池的安全性能品质。

Description

电芯及锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种电芯及锂离子电池。
背景技术
伴随着电子时代的到来，可移动电源已经应用于生活的各个方面，为了满足人们的生活需求，对于移动电源的电芯充电速度和能量密度的要求越来越高，为追求高能量密度，电芯内使用的隔膜厚度越来越薄。
其中，聚合物锂离子电池广泛应用于手机、电脑、运动手表、蓝牙耳机等电子产品。然而，这些产品一旦使用不当，将出现短路、过充、热冲击等异常情况，导致电池内部温度过高，从而引起隔膜受热收缩，隔膜越薄其热收缩越大，锂离子电池/电芯的内部发生短路的风险也随之增大，锂离子电池内短路后会造成电芯内部温度急剧升高，引发热失控，甚至会造成起火或爆炸等安全事故。
发明内容
本发明提供一种电芯，具有良好的安全性，可有效避免电芯内部隔膜受热收缩导致的短路等现象，进而提高电池的安全性能质。
本发明还提供一种锂离子电池，采用上述电芯，具有良好的安全性能。
本发明的一方面，提供一种卷绕式电芯，包括：
正极片、负极片和隔膜；隔膜，包括至少一个用于间隔正极片和负极片的折叠单元，该折叠单元包括第一侧部、第二侧部、连接第一侧部和第二侧部的第一弯折部；正极片和负极片中的一个位于由第一侧部、第一弯折部和第二侧部形成的第一区域内且不超出该区域的开口；正极片和负极片之间为至少一层第一侧部或第二侧部；此卷绕式电芯的卷绕轴线与第一弯折部垂直。
根据本发明的一实施方式，上述正极片的极耳和上述负极片的极耳中的一个从上述第一弯折部伸出。
根据本发明的一实施方式，位于上述第一区域内的极片的长度方向与第一侧部和第二侧部的长度方向相同，该极片的极耳伸出方向与极片的长度方向垂直，该极片为正极片和负极片中的一个。
根据本发明的一实施方式，上述第一侧部、第二侧部的长度比位于第一区域内的极片的长度长20～50mm。
根据本发明的一实施方式，上述隔膜还包括第二弯折部和第三侧部，此第二弯折部连接上述第二侧部和第三侧部，上述正极片和负极片中的另一个位于由第二侧部、第二弯折部、第三侧部形成的第二区域内且不超出该区域的开口。
根据本发明的一实施方式，上述负极片位于上述第二区域内，第三侧部远离第二弯折部的一侧与负极片远离第二弯折部的一侧在平行于负极片表面方向上的距离为0.5～1.5mm。
根据本发明的一实施方式，上述正极片位于上述第一区域内，第一侧部远离第一弯折部的一侧与正极片远离第一弯折部的一侧在平行于正极片表面方向上的距离为1～2mm。
本发明的另一方面，还提供一种电芯，包括：正极片、负极片和隔膜；其中，隔膜包括至少一个用于间隔正极片和负极片的折叠单元，该折叠单元包括第一侧部、第二侧部、连接第一侧部和第二侧部的第一弯折部；正极片和负极片中的一个位于由第一侧部、第一弯折部和第二侧部形成的第一区域内且不超出该区域的开口；正极片和负极片之间为至少一层上述第一侧部或第二侧部；正极片的极耳和负极片的极耳中的一个从上述第一弯折部伸出。
根据本发明的一实施方式，上述正极片的极耳和上述负极片的极耳从上述电芯的同一侧伸出。
根据本发明的一实施方式，上述隔膜还包括第二弯折部和第三侧部，该第二弯折部连接上述第二侧部和第三侧部，正极片和负极片中的另一个位于由第二侧部、第二弯折部、第三侧部形成的第二区域内且不超出该区域的开口。
根据本发明的一实施方式，上述正极片的极耳和上述负极片的极耳中的另一个从上述第二弯折部伸出。
本发明的再一方面，还提供一种锂离子电池，包括上述电芯。
本发明的实施，至少具有如下有益效果：
本发明提供的电芯，通过特殊的结构设计，能够有效避免电池短路、过充、热冲击等异常情况，进而避免电芯隔膜受热收缩后正负极片直接接触引起的起火或爆炸等安全事故，对于实际产业化应用具有重要意义；本发明提供的锂离子电池，采用上述电芯，具有良好的安全性、倍率性能以及较高的能量密度等品质。
附图说明
图1为本发明一实施方式的一个折叠单元的剖面示意图；
图2为本发明一实施方式的一个折叠单元折叠前的隔膜结构示意图，以及被隔开的正极片和负极片的结构示意图；
图3为本发明一实施方式的隔膜的剖面示意图；
图4为本发明一实施方式的卷绕式电芯的剖面示意图；
附图标记说明：1：正极片；2：第一侧部；3：缺口；4：正极耳；5：第一弯折部；6：第二侧部；7：第二弯折部；8：负极耳；9：负极片；10：第三侧部；11：隔膜；L1：正极片宽度；L2：正极耳到卷绕头部的长度；L3：负极片宽度；L4：隔膜宽度；L5：隔膜上缺口到隔膜卷绕头部的长度；L6：缺口距隔膜边缘的宽度。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图对发明作进一步地详细说明。
本发明的一方面，提供一种卷绕式电芯，如图1所示，该电芯包括：
正极片1、负极片9和隔膜11；隔膜11，包括至少一个用于间隔正极片和负极片的折叠单元，该折叠单元包括第一侧部2、第二侧部6、连接第一侧部2和第二侧部6的第一弯折部5；正极片和负极片中的一个位于由第一侧部2、第一弯折部5和第二侧部6形成的第一区域内且不超出该区域的开口；正极片和负极片之间为至少一层第一侧部2或第二侧部6；此卷绕式电芯的卷绕轴线与第一弯折部5垂直。
当锂离子电池发生短路、过充、热冲击等异常情况时，本发明提供的电芯，能够有效解决电芯隔膜受热收缩导致的内短路等问题。使用此电芯，能够有效避免隔膜较薄时，和/或，隔膜与正负极片粘结不够紧密时的隔膜受热收缩导致的安全隐患问题，进而能提高锂离子电池的安全性、较高的能量密度、使用寿命长等品质。
上述正极片的极耳和上述负极片的极耳中的一个从上述第一弯折部5伸出。
具体地，位于上述第一区域内的极片的长度方向与第一侧部2和第二侧部6的长度方向相同，该极片的极耳伸出方向与极片的长度方向垂直，该极片为正极片和负极片中的一个。该条件能够在提高电芯安全性的同时，使得第一区域更为充分地被极片占据，从而进一步提高电芯的能量密度等性能。
进一步地，第一侧部2、第二侧部6的长度比位于第一区域内的极片的长度长20～50mm，可进一步避免隔膜受热收缩导致的短路以及隔膜过长导致的体积占用等问题。
具体实施时，上述隔膜还包括第二弯折部7和第三侧部10，如图1所示，此第二弯折部7连接上述第二侧部6和第三侧部10，上述正极片和负极片中的另一个位于由第二侧部6、第二弯折部7、第三侧部10形成的第二区域内且不超出该区域的开口。
具体地，位于上述第二区域内的极片的长度方向与第二侧部6和第三侧部10的长度方向相同，该极片的极耳伸出方向与极片的长度方向垂直。该条件能够在提高电芯安全性的同时，使得第二区域更为充分地被极片占据，从而进一步提高电芯的能量密度等性能。
进一步地，第二侧部6、第三侧部10的长度比位于第二区域内的极片的长度长20～50mm，可进一步避免隔膜受热收缩导致的短路以及隔膜过长导致的体积占用等问题。
具体地，上述负极片9位于上述第二区域内，第三侧部10远离第二弯折部7的一侧与负极片9远离第二弯折部7的一侧在平行于负极片9表面方向上的距离H2为0.5～1.5mm，如图1所示。
具体地，上述正极片1位于上述第一区域内，第一侧部2远离第一弯折部5的一侧与正极片1远离第一弯折部5的一侧在平行于正极片1表面方向上的距离H1为1～2mm，如图1所示。
正极片的极耳和负极片的极耳可以在同一侧或不同侧，在本发明的具体实施方式中，正极片的极耳和负极片的极耳在同一侧时，正极片的极耳可以从第一弯折部5伸出，负极片的极耳从第二区域的开口伸出，或者，负极片的极耳可以从第一弯折部5伸出，正极片的极耳从第二区域的开口伸出；正极片的极耳和负极片的极耳在不同侧时，正极片的极耳可以从第一弯折部5伸出，负极片的极耳从第二弯折部7伸出，或者，负极片的极耳可以从第一弯折部5伸出，正极片的极耳从第二弯折部7伸出。
一般情况下，负极片9的尺寸大于正极片1的尺寸，具体地，负极片的长度大于正极片的长度，负极片的宽度大于正极片的宽度，更利于电池的充放电，如图2所示，正极片1的宽度为L1，负极片9宽度为L3，L3＞L1。
在本发明的一实施方式中，折叠单元由隔膜从宽度方向上折叠而成，具体地，如图2所示，隔膜在折叠前的宽度为L4，L4和负极片9的宽度L3的关系满足：L4＞3*L3；隔膜上的缺口3距隔膜A侧的距离为L6，缺口3到隔膜B侧的距离为L5，B侧为第一侧部2远离第一弯折部5的一侧，L2为正极耳4到卷绕头部的长度，三者满足：L6＝1/3*L4，L5＞L2；缺口3用于卷绕时正极耳4从该处伸出；使得折叠的隔膜能很好地将正极片和负极片隔开，避免隔膜受热收缩导致的短路问题。
本发明的另一方面，还提供一种电芯，如图1所示，包括：正极片1、负极片9和隔膜11；其中，隔膜11包括至少一个用于间隔正极片和负极片的折叠单元，该折叠单元包括第一侧部2、第二侧部6、连接第一侧部2和第二侧部6的第一弯折部5；正极片和负极片中的一个位于由第一侧部2、第一弯折部5和第二侧部6形成的第一区域内且不超出该区域的开口；正极片和负极片之间为至少一层上述第一侧部2或第二侧部6；正极片的极耳和负极片的极耳中的一个从上述第一弯折部伸出。
上述正极片1的极耳和上述负极片9的极耳从上述电芯的同一侧伸出。
具体实施时，上述隔膜还包括第二弯折部7和第三侧部10，该第二弯折部7连接上述第二侧部6和第三侧部10，正极片和负极片中的另一个位于由第二侧部6、第二弯折部7、第三侧部10形成的第二区域内且不超出该区域的开口。
进一步地，上述正极片的极耳和上述负极片的极耳中的另一个从上述第二弯折部7伸出。在本发明的具体实施方式中，正极片的极耳可以从第一弯折部5伸出，负极片的极耳从第二弯折部7伸出，或者，负极片的极耳可以从第一弯折部5伸出，正极片的极耳从第二弯折部7伸出。
本发明的再一方面，还提供一种锂离子电池，包括上述电芯。
本发明的锂离子电池可以按照本领域常规方法制备，具体实施时，可以将正极片、负极片与上述隔膜配合卷绕，形成上述卷绕电芯(卷绕时，隔膜采用如图1和图3所示的方式卷绕/折叠，形成的卷绕式电芯如图4所示)，再经过封装、烘烤注液、化成、二封、分选等常规工序制成锂离子电池，制成的电池可以是极耳中置结构等常规结构，对此不做限制。
本发明中，上述锂离子电池的正极片可以是本领域常规正极片，其具体可以包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极功能层，正极功能层的原料可以包括正极活性材料、导电剂和粘结剂，其中，正极活性材料的质量含量可以是80～99％，导电剂的质量含量可以是0.5～10％，粘结剂的质量含量可以是0.5～10％。具体地，正极活性材料可以是钴酸锂等常规正极活性材料，导电剂可以是导电炭黑等常规导电剂，粘结剂可以是聚偏氟乙烯(PVDF)等常规粘结剂，正极集流体可以是铝箔等本领域常规正极集流体。
具体实施时，可以将上述正极功能层的原料置于溶剂中形成浆料，将该浆料涂覆在正极集流体的至少一表面上，并经干燥、辊压后，在正极集流体的表面形成正极功能层，制得正极片；其中，所用溶剂可以是N-甲基吡咯烷酮(NMP)等本领域常规溶剂，上述浆料的固含量可以为70wt％～75wt％。
本发明中，上述锂离子电池的负极片可以是本领域常规负极片，其具体可以包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极功能层，负极功能层的原料可以包括负极活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂，其中，负极活性材料的质量含量可以是85～99％，导电剂的质量含量可以是0～5％，粘结剂的质量含量可以是0.5～5％，分散剂的质量含量可以是0.5～5％。具体地，负极活性材料可以是石墨等常规负极活性材料，导电剂可以是导电炭黑等常规导电剂，粘结剂可以是丁苯橡胶(SBR)等常规粘结剂，分散剂可以是羧甲基纤维素钠(CMC)等常规分散剂，负极集流体可以是铜箔等本领域常规负极集流体。
具体实施时，可以将上述负极功能层的原料置于溶剂中形成浆料，将该浆料涂覆在负极集流体的至少一表面上，并经干燥、辊压后，在负极集流体的表面形成负极功能层，制得负极片；其中，所用溶剂可以是去离子水等本领域常规溶剂，上述浆料的固含量可以为40wt％～45wt％。
本发明中，正极片、负极片制备过程中所涉及的涂覆、干燥、辊压等工序均可以是本领域的常规工序，不再赘述。
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。
实施例1
本实施例提供的电芯，包括：
正极片1、负极片9和隔膜11；隔膜11，包括1个用于间隔正极片1和负极片9的折叠单元，该折叠单元包括第一侧部2、第二侧部6、连接第一侧部2和第二侧部6的第一弯折部5；正极片1位于由第一侧部2、第一弯折部5和第二侧部6形成的第一区域内且不超出该区域的开口，正极片1的极耳4从上述第一弯折部5上的缺口3伸出，隔膜11还包括第二弯折部7和第三侧部10，第二弯折部7连接第二侧部6和第三侧部10，负极片9位于由第二侧部6、第二弯折部7、第三侧部10形成的第二区域内且不超出该区域的开口，负极片9的极耳8从第二区域的开口伸出。
其中，正极片1的宽度L1为76.4mm，负极片9的宽度L3为77.9mm。
第一侧部2、第二侧部6的长度比正极片1的长度长30mm，第一侧部2远离第一弯折部5的一侧与正极片1远离第一弯折部5的一侧在平行于正极片1表面方向上的距离H1为1.6mm，第二侧部6、第三侧部10的长度比负极片9的长度长25mm，第三侧部10远离第二弯折部7的一侧与负极片9远离第二弯折部7的一侧在平行于负极片9表面方向上的距离H2为0.7mm。
本实施例提供的正极片以及采用该正极片形成的锂离子电池具体按照如下过程制得：
(1)正极片的制备
将钴酸锂、导电炭黑和PVDF按照97.2:1.5:1.3的质量比加入到搅拌罐中，然后加入NMP溶剂，充分搅拌均匀后，过200目的筛网，得到正极浆料(浆料中的固含量为73％)，将该浆料通过涂布机均匀涂覆在铝箔的两个表面上，然后在120℃温度下烘干，再通过辊压机压实，随后将得到的卷料分切成符合预设正极片形状、大小等参数的小条，在小条上焊接正极耳，得到正极片；
(2)负极片的制备
将石墨、导电炭黑、SBR和CMC按照96.9:0.5:1.3:1.3的质量比加入到搅拌罐中，然后加入去离子水，进行充分搅拌，过200目的筛网，配成负极浆料(浆料中的固含量为42％)；将该浆料通过涂布机均匀涂覆在铜箔的两个表面上，然后在120℃温度下烘干，再通过辊压机压实，随后将得到的卷料分切成符合预设负极片形状、大小等参数的小条，在小条上焊接负极耳，得到负极片；
(3)锂离子电池的制备
将上述正极片、负极片和隔膜配合卷绕，形成上述卷绕电芯，再经过封装、烘烤注液、化成、二封、分选等工序后得到锂离子电池。
对比例1
该对比例与实施例1的区别在于，正极片、常规隔膜、负极片层叠设置(隔膜未有上述折叠结构，仅是放置在正极片和负极片之间)，该隔膜的宽度比负极片的宽度宽2mm，其余条件均与实施例1相同。
对实施例1与对比例1的锂离子电池进行热冲击测试，测试方法如下：
测试1：25℃±5℃环境下，先以0.2C将锂离子电池放电至下限电压，静置10min，再以0.7C充电至上限电压，截止电流0.02C，最后将满电的锂离子电池置于烤箱中，以5±2℃/min升温速率进行升温，当箱内温度达到130℃±2℃后恒温，并持续恒温60min。
测试2：25℃±5℃环境下，先以0.2C将锂离子电池放电至下限电压，静置10min，再以0.7C充电至上限电压，截止电流0.02C，最后将满电的锂离子电池置于烤箱中，以5±2℃/min升温速率进行升温，当箱内温度达到140℃±2℃后恒温，并持续恒温60min。
测试3：25℃±5℃环境下，先以0.2C将锂离子电池放电至下限电压，静置10min，再以0.7C充电至一定电压(该电压＝上限电压+30mV电压，即超过上限电压)，截止电流0.02C，最后将满电的锂离子电池置于烤箱中，以5±2℃/min升温速率进行升温，当箱内温度达到130℃±2℃后恒温，并持续恒温60min。
对于各项测试方法，各取实施例1和对比例1的10个电池进行测试，测试中，一旦电池发生内部短路导致电池着火，即表明电池没有通过测试，各项测试中电池的通过数量如表1所示。
表1实施例1和对比例1的锂离子电池热冲击测试结果
测试1 测试2 测试3
实施例1电池测试通过数量 10 10 10
对比例1电池测试通过数量 10 3 4
从表1可以看到，对比例1和实施例1的锂离子电池均能通过测试1(热冲击130℃，恒温1小时)，但当热冲击温度升高到140℃(测试2)或电压超过上限电压(测试)时，实施例1电池的热冲击性能远优于对比例1电池，说明采用本发明的电芯，能够有效改善隔膜受热收缩导致的短路等现象，进而能够提高电池的安全性。

Claims (12)

1.一种卷绕式电芯，包括：正极片、负极片和隔膜；其特征在于，
所述隔膜，包括至少一个用于间隔正极片和负极片的折叠单元，所述折叠单元包括第一侧部、第二侧部、连接第一侧部和第二侧部的第一弯折部；
所述正极片和负极片中的一个位于由第一侧部、第一弯折部和第二侧部形成的第一区域内且不超出该区域的开口；
所述正极片和负极片之间为至少一层所述第一侧部或第二侧部；
所述卷绕式电芯的卷绕轴线与所述第一弯折部垂直。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述正极片的极耳和所述负极片的极耳中的一个从所述第一弯折部伸出。
3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，位于所述第一区域内的极片的长度方向与第一侧部和第二侧部的长度方向相同，所述极片的极耳伸出方向与极片的长度方向垂直，所述极片为正极片和负极片中的一个。
4.根据权利要求3所述的电芯，其特征在于，所述第一侧部、所述第二侧部的长度比位于第一区域内的极片的长度长20～50mm。
5.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述隔膜还包括第二弯折部和第三侧部，所述第二弯折部连接所述第二侧部和第三侧部，所述正极片和负极片中的另一个位于由第二侧部、第二弯折部、第三侧部形成的第二区域内且不超出该区域的开口。
6.根据权利要求5所述的电芯，其特征在于，所述负极片位于所述第二区域内，所述第三侧部远离第二弯折部的一侧与负极片远离第二弯折部的一侧在平行于负极片表面方向上的距离为0.5～1.5mm。
7.根据权利要求1或6所述的电芯，其特征在于，所述正极片位于所述第一区域内，所述第一侧部远离第一弯折部的一侧与正极片远离第一弯折部的一侧在平行于正极片表面方向上的距离为1～2mm。
8.一种电芯，其特征在于，包括：正极片、负极片和隔膜；其中，
所述隔膜包括至少一个用于间隔正极片和负极片的折叠单元，所述折叠单元包括第一侧部、第二侧部、连接第一侧部和第二侧部的第一弯折部；
所述正极片和所述负极片中的一个位于由第一侧部、第一弯折部和第二侧部形成的第一区域内且不超出该区域的开口；
所述正极片和负极片之间为至少一层所述第一侧部或第二侧部；
所述正极片的极耳和所述负极片的极耳中的一个从所述第一弯折部伸出。
9.根据权利要求8所述的电芯，其特征在于，所述正极片的极耳和所述负极片的极耳从所述电芯的同一侧伸出。
10.根据权利要求8所述的电芯，其特征在于，所述隔膜还包括第二弯折部和第三侧部，所述第二弯折部连接所述第二侧部和第三侧部，所述正极片和负极片中的另一个位于由第二侧部、第二弯折部、第三侧部形成的第二区域内且不超出该区域的开口。
11.根据权利要求10所述的电芯，其特征在于，所述正极片的极耳和所述负极片的极耳中的另一个从所述第二弯折部伸出。
12.一种锂离子电池，包括权利要求1-11任一项所述的电芯。
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