CN113036078A - 叠片电芯的端部极片、叠片型电芯及相应制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种叠片电芯的端部极片、叠片型电芯及相应制备方法，通过在电芯首尾两端的单面极片的非涂膏面涂设陶瓷涂层，使极片辊压时两面延展尽量一致，可以正常进行单面模切、极片CCD定位和单面制袋及最终叠片，有效改善了模切后极片卷曲弯折的问题，保证设备可以正常生产运行；此外，消除端部极片卷曲弯折的缺陷后，电芯形态更规则，而且陶瓷面在最外层还可以起到绝缘的作用，一定程度上提升电芯安全性能。

Description

叠片电芯的端部极片、叠片型电芯及相应制备方法

技术领域

本发明涉及电芯配件、电芯结构及其生产工艺的技术领域，具体涉及适用于叠片电芯的端部极片、叠片型电芯及相应的制备方法。

背景技术

目前层叠型二次锂电池的构造及装配工艺有以下几种：

(1)Z字形结构，如图1所示，其工艺步骤是，先从料盒中取出某一极性(正极或负极)的极片10，并放置在隔膜11上，然后将隔膜180度折弯，再放上另一极性的极片10，通过机械如此往复的进行Z字形运动，快速形成正极、隔离膜及负极相间层叠的结构；在重复一定次数、达到预定层叠层数后，将隔膜11切断，收尾、贴胶下料。

(2)卷绕式叠片结构，如图2所示，卷绕式叠片工艺方法是利用夹具或机械手将正负极片10压在隔膜11上，利用卷绕装置再进行一体翻转，通过控制或辅助功能完成层叠工作，当完成预定层数层叠后裁断即可。

(3)制袋式叠片结构，又称袋装隔离膜式，制袋式叠片的工作原理是：根据需要将正极极片或负极极片或两种极片10进行隔膜11的袋式保护，然后进行层叠。正负极片均制袋后层叠的结构示意图如图3所述。

其中，制袋式叠片中又存在一种特殊的结构，即叠片结构中的首尾极片采用内侧的单面制袋，而中间的极片则采用完整的制袋方式。这样的结构中，叠片结构中的首尾极片均采用单面极片(即极片仅于内侧涂膏(活性材料))，也就是单面极片的箔材在叠片结构的最外层。然而，单面极片在辊压时，由于涂膏延展大于非涂膏面，导致极片模切成小片时，极片会瞬间向非涂膏侧卷曲弯折，导致单面正极不能连续模切，且叠片时CCD不能定位，无法完成叠片。

针对上述问题，目前一些厂商是采用降低单面正极活性材料的压实密度，以此降低延展不一致问题，改善单面正极模切卷曲的问题，从而来完成模切和CCD定位制袋进行叠片，但这种方式牺牲了部分单面正极片的性能。

发明内容

本发明第一目的是提供一种适用于叠片电芯的端部极片及制备方法，改善端部极片采用单面活性材料时，模切产生的卷曲弯折问题。本发明第一目的由以下技术方案实现：

一种叠片电芯的端部极片，包括箔材及涂设与箔材内表面的活性材料层；其特征在于，还包括涂设于箔材外表面的陶瓷涂层。

作为具体的技术方案，所述陶瓷涂层孔隙率≥12％。

作为具体的技术方案，所述陶瓷涂层的厚度H＝A*T±B；T为箔材的厚度，单位为μm；A为加权系数，取0.5-1.3；B为调整系数，取10.7，单位为μm。

作为具体的技术方案，所述陶瓷涂层包含勃姆石。

作为具体的技术方案，所述陶瓷涂层包含勃姆石粉和粘结剂粉末。

作为具体的技术方案，所述粘结剂粉末为聚偏氟乙烯粉末。

作为具体的技术方案，所述勃母石粉的粒径分布满足：D10：≥0.2um，D50：0.3-2.3um，D90：≤3um，D99：≤4um。

作为具体的技术方案，所述勃姆石粉和聚偏氟乙烯粉末所占比重分别为88±11％和12±11％。

一种叠片电芯的端部极片的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将上述的勃姆石粉和聚偏氟乙烯粉末加入NMP溶剂中，勃姆石粉、聚偏氟乙烯粉末组成的固形物与NMP溶剂所占比重分别为37±0.5％和63±0.5％，制备勃姆石浆料；

(2)同时在箔材的内表面和外表面分别涂设活性材料和所述勃母石浆料；或者，在内表面已经涂设活性材料的箔材的外表面涂设所述勃母石浆料；或者，先在箔材的外表面涂设所述勃母石浆料后，再于箔材的内表面涂设活性材料；之后进行烘干处理；

(3)进行辊压操作，制得内表面和外表面分别为活性材料和陶瓷涂层的极片；

(4)进行模切操作，制得若干单片的适用于叠片结构的端部极片。

本发明第二目是提供一种叠片型电芯，旨在改善叠片型电芯中端部极片采用单面活性材料时，产生加工过程中的卷曲弯折问题。本发明第二目的由以下技术方案实现：

一种叠片型电芯，包括首极片、尾极片、中间极片及隔膜，中间极片层叠设置于首极片和尾极片之间，首极片、中间极片和尾极片按正负极性交错地层叠设置，各极片间设置有隔膜；其特征在于：所述中间极片均采用双面活性材料的极片，所述首极片和或尾极片采用同极性的上述端部极片。

本发明通过在电芯首尾两端的单面极片的非涂膏面涂设陶瓷，产生的益效果在于：1、使极片辊压时两面延展尽量一致，保证极片达到压实密度工艺需求的情况下，可以正常进行单面模切、极片CCD定位和单面制袋，最终叠片，有效改善了模切后极片卷曲弯折的问题，保证设备可以正常生产运行；2、消除端部极片卷曲弯折的缺陷后，电芯形态更规则，而且陶瓷面在最外层还可以起到绝缘的作用，一定程度上提升电芯安全性能。

附图说明

图1为现有Z字形结构的电芯的示意图。

图2为现有卷绕式叠片结构的电芯的示意图。

图3为现有制袋式叠片结构的电芯的示意图。

图4为本发明实施例一提供的叠片电芯的端部极片涂设陶瓷涂层后的构造示意图。

图5为本发明实施例一提供的叠片电芯的端部极片进行辊压时的示意图。

图6为本发明实施例二提供的叠片型电芯的构造示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，为了便于说明，本申请中可能会使用到上、下、左、右、内、外等方位的用语，但这些方位的定义仅仅为了便于清楚地描述相对的方位关系，并不用于对产品在生产、使用、销售等过程中实际方位的限制。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例一

本实施例提供一种叠片电芯的端部极片，所述端部极片是指叠片电芯的层叠方向上、位于首部或尾部的首极片或尾极片，或者说电芯层叠方向上、位于底部或顶部的极片。本实施例以端部极片采用正极极片时为例进行说明，可以理解的是，端部极片也可以是负极极片。

参见图4所示，本实施例提供的端部极片20包括箔材21(作为集流体的铝箔或铜箔等)、正极活性材料层22及陶瓷涂层23，正极活性材料层22涂设于箔材21的内表面，陶瓷涂层23涂设于箔材21的外表面，所述内表面是指朝向电芯中心的表面，所述外表面是指朝向电芯外部的表面。具体制作电芯时，首极片作为最底层的极片，其陶瓷涂层23朝下，正极活性材料层22朝上；而尾极片作为最顶层的极片，其陶瓷涂层23朝上，正极活性材料层22朝下；即陶瓷涂层23始终是朝向电芯外部的。

上述首、尾极片的制备方法如下：

一、勃姆石来料控制：陶瓷涂层23的主要用料是勃母石，分子式为γ-ALO(OH),其特性是硬度低、便于辊压、不伤辊、分散均一稳定、便于涂布。

采用的勃母石粉的粒径分布满足：D10：≥0.2um，D50：0.3-2.3um，D90：≤3um，D99：≤4um；同时，要求勃母石的水分含量≤1500ppm，杂质含量满足：Fe含量≤75ppm，Na含量≤425ppm，K含量≤75ppm，Ca含量≤425ppm；此外，比表面积为4.0-7.0m2/g。杂质超标会影响勃姆石本身的特性，例如，这些杂质含量过高会使得勃姆石来料硬度变高，绝缘性变低，分散不均一，不便于涂布。

二、制浆：将勃姆石粉和HSV-900粉末组成的固形物添加于NMP溶剂中，进行制浆。HSV-900粉末作为粘结剂，是一种粉末状的聚偏氟乙烯(PVDF)产品，与其他牌号的PVDF相比，HSV-900是一种具有高介电常数的均聚物材料，在一定的溶剂中具有较高的粘度与粘结性，易于成膜；当然，也不排除使用其他类似的粘结剂。其中，勃姆石粉和HSV-900粉末组成的固形物中，勃姆石粉和HSV-900粉末所占比重分别为88±11％和12±11％。勃姆石粉和HSV-900粉末设置为这样的配比，保证粘结效果的同时，有利于HSV-900粉末的分散，有利于浆料的流变性，保证后续浆料涂布时面密度的一致性。此外，勃姆石浆料中，固形物和NMP溶剂所占比重分别为37±0.5％和63±0.5％。制浆后，勃母石浆料固含量控制在30-36％，较佳为33％。粘度控制为：3000～5000mPa.s(测试条件为25±2℃)。

三、涂布：根据设计需求，在箔材上涂布相应涂宽和涂厚的勃姆石浆料，过烘箱烘干，温度控制在120℃以内。

具体地，涂布的几种情形如下：

a)箔材厚度为10um时，陶瓷涂层23涂层厚度28um时最佳；

b)箔材厚度为15um时，陶瓷涂层23涂层厚度38um时最佳；

c)箔材厚度为20um时，陶瓷涂层23涂层厚度48um时最佳；

如上总结当箔材厚度是T，则涂布的陶瓷涂层23较佳的涂层厚度W＝2*T±16，单位取um。

四、辊压：如图5所示，涂设陶瓷涂层，并经烘干处理后，还需进行辊压处理。

辊压制片时的管控参数具体为：主缸压力：110～160T(保证陶瓷涂层辊压厚度及压实密度)；辊压速度：20～40M/min；消隙压力：50T；除皱张力：300～400N(低于300N不能有效改善模切后极片卷曲，大于400N空箔区拉伸形变大，模切极耳区域卷曲)。

其中，压实比控制在1.5-3.8，辊压后陶瓷涂层的厚度H＝A*T±B，A为加权系数，B为调整系数，T为箔材的厚度(单位为μm)；且基于上文所述的涂布时的涂层厚度W及压实比，那么A为0.5-1.3，B为10.7(单位为μm)。具体地：根据正极活性材料不同，辊压压实比的要求有所不同，如果所述活性材料为磷酸铁锂体系，则压实比控制在1.5～2.2；如果所述活性材料为三元体系，则压实比控制在2.8～3.8。

此外，辊压后进行收卷，收卷时满足以下条件：所述陶瓷涂层收卷在外侧，活性材料层收卷在内侧，有助于改善模切后极片卷曲；同时，收卷张力辊收卷张力相比双面活性材料层的极片的收卷张力更大，因为此时极片还是会因为陶瓷涂层23侧辊压延展小于活性材料层22侧，有向陶瓷涂层23侧释放应力的微弱趋势，所以需要大张力将陶瓷涂层23收卷在外层，收卷后于85±5℃静置24±2H即可使用。此外，辊压后陶瓷涂层孔隙率控制为≥12％，孔隙率过低不利于电解液吸收，起不到提升残液量的目的，为长循环提供更多的保障。

五、模切：将上述制得的极片卷放卷，并模切为适合制作叠片电芯的预定尺寸的首、尾极片。

实施例二

结合图6所示，实施例二提供一种叠片型电芯，包括首极片20a、尾极片20b、中间极片及隔膜50，中间极片层叠设置于首极片20a和尾极片20b之间，首极片、中间极片和尾极片按正负极性交错地层叠设置，各极片间设置有隔膜50。其中，中间极片采用双面活性材料的负极极片30和正极极片40，首极片20a和尾极片20b采用同极性的如实施例一所述的首、尾极片。

本实施例中，首极片20a和尾极片20b各自的内表面采用单面隔膜制袋的结构，中间极片中的正极极片40或负极极片30或两种极片采用全面隔膜制袋的结构。

上述叠片型电芯的制备方法如下：

1)通过实施例一所述的制备方法，制得首极片20a和尾极片20b；同时提供双面活性材料的若干中间极片；

2)将首极片、中间极片和尾极片按正负极性交错地层叠设置，层叠设置时各极片间设置隔膜。

其中，首极片和尾极片各自的内表面进行单面隔膜制袋，中间极片中的正极极片或负极极片或两种极片进行全面隔膜制袋；然后进行层叠设置。

由于经过图5所示的辊压过程处理过后，模切时可能仍然会有微弱的向陶瓷涂层23侧卷曲的情形，此时虽然可以满足模切要求，但是进行单面隔膜制袋时，采用CCD配合预定位底板对首极片或尾极片进行定位，因此还要解决翘边引起的CCD定位不准、导致无法单面制袋的问题，此时，需要CCD预定位底板加大吸真空，同时CCD定位底板要根据极片尺寸设计真空孔的具体位置，保证极片不翘边，定位准确可以进行单面制袋，经过上述过程后，首极片和尾极片便可以如同双面活性材料的极片一样叠片，保证正负极片的覆盖准确，顺利产出良品叠芯。

以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、无需经过创造性劳动即可等到的等效技术特征的替换，应当视为本发明揭露的范围。

Claims (10)

1.一种叠片电芯的端部极片，包括箔材及涂设与箔材内表面的活性材料层；其特征在于，还包括涂设于箔材外表面的陶瓷涂层。

2.根据权利要求1所述的叠片电芯的端部极片，其特征在于，所述陶瓷涂层孔隙率≥12％。

3.根据权利要求1所述的叠片电芯的端部极片，其特征在于，所述陶瓷涂层的厚度H＝A*T±B；T为箔材的厚度，单位为μm；A为加权系数，取0.5-1.3；B为调整系数，取10.7，单位为μm。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的叠片电芯的端部极片，其特征在于，所述陶瓷涂层包含勃姆石。

5.根据权利要求4所述的叠片电芯的端部极片，其特征在于，所述陶瓷涂层包含勃姆石粉和粘结剂粉末。

6.根据权利要求4所述的叠片电芯的端部极片，其特征在于，所述粘结剂粉末为聚偏氟乙烯粉末。

7.根据权利要求5所述的叠片电芯的端部极片，其特征在于，所述勃母石粉的粒径分布满足：D10：≥0.2um，D50：0.3-2.3um，D90：≤3um，D99：≤4um。

8.根据权利要求6所述的叠片电芯的端部极片，其特征在于，所述勃姆石粉和聚偏氟乙烯粉末所占比重分别为88±11％和12±11％。

9.一种叠片电芯的端部极片的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将权利要求7所述的勃姆石粉和聚偏氟乙烯粉末加入NMP溶剂中，勃姆石粉、聚偏氟乙烯粉末组成的固形物与NMP溶剂所占比重分别为37±0.5％和63±0.5％，制备勃姆石浆料；

(2)同时在箔材的内表面和外表面分别涂设活性材料和所述勃母石浆料；或者，在内表面已经涂设活性材料的箔材的外表面涂设所述勃母石浆料；或者，先在箔材的外表面涂设所述勃母石浆料后，再于箔材的内表面涂设活性材料；之后进行烘干处理；

(3)进行辊压操作，制得内表面和外表面分别为活性材料和陶瓷涂层的极片；

(4)进行模切操作，制得若干单片的适用于叠片结构的端部极片。

10.一种叠片型电芯，包括首极片、尾极片、中间极片及隔膜，中间极片层叠设置于首极片和尾极片之间，首极片、中间极片和尾极片按正负极性交错地层叠设置，各极片间设置有隔膜；其特征在于：所述中间极片均采用双面活性材料的极片，所述首极片和或尾极片采用同极性的、权利要求9制备的所述端部极片。

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