CN113381131B - 一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法 - Google Patents

一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，针对电池模组在工况条件下箔材易断裂的问题，提供一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，包括以下步骤：S1将正极箔材、隔膜、负极箔材依次堆叠，正极箔材和负极箔材统称极片箔材，把每个极片箔材外伸的极耳箔材堆叠，电芯端面垂直向下压平；S2将极耳箔材预焊接，再通过主焊接将极耳固定在极耳箔材上；S3把极耳焊接后的电芯放入已冲坑电池外包装铝塑膜中，封装成电池。本发明改善极耳箔材主要受力位置，从而解决模组装配工艺和工况条件下对极耳箔材的损伤。

Description

一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其是涉及一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法。
背景技术
极耳由金属片和pp层组成，可与电极上箔材连接，具有传输电子功能。极耳箔材是正负极箔材外伸出的每个极耳。随着锂离子动力电池的能量密度的要求不断提升，减少正极或负极箔材厚度，留给活性物质更多的物理空间提升电池能量密度的成为普遍做法。当前，正极铝箔厚度一般为8～16μm，负极铜箔厚度一般为6～12μm，越来越薄的箔材厚度不仅对电芯极耳的焊接工艺要求更高，而且模组装配和应用对电池内部极耳箔材损伤、断裂的风险更大。
单边冲坑的软包叠片式锂离子电池极耳焊接，工艺上一般先把极耳箔材压紧，压紧后的紧邻电芯的极耳箔材呈等三角形分布，然后对压紧位置先预焊，再通过主焊把极耳焊接在预焊后的极耳箔材上。现有的电池极耳箔材焊接工艺当2P或3P的电池单元组装成模组，从支撑面板上的共用的一个定位孔插入、极耳弯折和滚极耳等工序，电池内部极耳箔材断箔长边、短边等受力不一致，特别是工况条件下易在主预焊交接区、极耳下沿和非焊接区产生裂纹或断裂。装配后的模组在工况条件下振动或冲击后会尤为严重，甚至会导致电动汽车起火、爆炸。
中国专利公开号CN105977441A，公开了一种电池极耳及极耳整理装置，包括极耳及极耳整理装置，所述极耳为厚度不均匀形极耳，极耳下部厚度小于上部厚度；所述极耳整理装置包括压板、整理板及导向轴，压板的两端分别贯穿式安装有导向轴，导向轴两端经弹簧及螺母固定在整理板上，整体构成工装。该发明为一种可自动熔断的极耳以及整理该极耳的工装装置，但是该极耳厚度不均匀，加工难度大，不能从根本上解决箔材极耳容易断裂的技术难题。据此需要一种理想的解决方法。
发明内容
本发明为了克服电池模组在工况条件下箔材易断裂问题，提供一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，改善极耳箔材主要受力位置，从而解决模组装配工艺对极耳箔材的损伤。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，包括以下步骤：
S1将正极箔材、隔膜、负极箔材依次堆叠，正极箔材和负极箔材统称极片箔材，把每个极片箔材外伸的极耳箔材堆叠，电芯端面垂直向下压平；
S2将极耳箔材预焊接，再通过主焊接将极耳固定在极耳箔材上；
S3把极耳焊接后的电芯放入已冲坑电池外包装铝塑膜中，封装成电池。
本发明改变现有技术中极耳弯折、工况条件下极耳箔材的主要受力位置。现有技术中S1压平时沿底面方向上压平，每条极耳箔材分别受力，极易断裂；改善后垂直向下压平，极耳箔材堆叠层整体受力，从而解决模组装配工艺对极耳箔材的损伤，特别是解决了模组在工况条件下的电池内部箔材产生裂纹或断裂的问题。
作为优选，极耳布置在极耳箔材的短边侧，S2主焊接时焊机底模在极耳箔材短边下方，焊头沿长边方向下压极耳和极耳箔材进行焊接。可减少对极耳箔材焊接的损伤，减少极耳弯折时极耳下沿对电池内部极耳箔材的损伤。作为进一步优选，采用超声波焊接。超声波焊接速度快，且焊接材料不熔融，不会导致金属特性变脆弱，还能保证焊接后金属间的导电性能。
作为优选，S2中预焊区宽度为3.5～4.0mm，主焊区宽度为2.5～3.0mm，主焊区到预焊区距离为1～1.5mm。先预焊，再主焊，预焊宽度大于主焊。
作为优选，焊接区用胶带覆盖黏贴，胶带包裹住极耳边缘，胶带宽度比焊接区宽2.0～3.0mm。焊接区包括预焊区和主焊区，用胶带包裹住极耳边缘焊接区，对极耳做物理隔离，起保护作用。
作为优选，外包装材料铝塑膜封装时把堆叠的极耳箔材和主焊区、预焊区两侧嵌固在封装区。
作为优选，极耳箔材最外侧覆有聚酰亚胺层。聚酰亚胺具有优良的机械性能，可以提高极耳箔材的强度，防止其断裂。
作为进一步优选，所述聚酰亚胺层的制备过程为：
1)将碳酸钙粉体和水玻璃按质量比100:(0.2-1)，分散在酸性水溶液中，陈化1～3h，除去溶剂后加入柠檬酸分散2-3h，过滤、干燥、研磨、过筛得粒径200-300nm的改性碳酸钙粉体；
2)将聚酰亚胺分散体涂料和改性碳酸钙粉体按质量比8:(1-2)混合，220-300℃下螺杆挤出，流延、成膜。
聚酰亚胺层的存在一定程度上会影响散热，为此对其进行处理。利用碳酸钙高温高压会分解出CO2，在聚酰亚胺层中形成气孔，增加聚酰亚胺层的散热性。碳酸钙的粒径和用量很有讲究。碳酸钙用量过多或粒径过大，会影响聚酰亚胺的强度，反之，散热程度变化不大，所以需要控制在合理范围才能达到最优效果。另外，实验发现，直接使用碳酸钙，和聚酰亚胺分散体涂料难以混合均匀，会导致气孔分布不均，从而造成聚酰亚胺层散热不均。因此利用水玻璃和甘油对碳酸钙进行改性，先通过沉淀法在碳酸钙表面包覆上二氧化硅，利用二氧化硅表面的羟基与柠檬酸反应进行有机改性，提高碳酸钙与聚酰亚胺分散体涂料的分散性。
因此，本发明的有益效果为：(1)改变原有方案极耳弯折、工况条件下极耳箔材主要受力位置；改善后极耳箔材堆叠层整体受力，从而解决模组装配工艺对极耳箔材的损伤，特别是减少极耳弯折时极耳下沿对电池内部极耳箔材的损伤，解决了模组在工况条件下的电池内部箔材产生裂纹或断裂的问题；(2)极耳布置在极耳箔材的短边侧，且主/预焊焊头自极耳箔材短边向底模方向(箔材长边)压紧、焊接，可减少对极耳箔材焊接的损伤。
附图说明
图1是3P8S模组示意图；
图2是对比例中的一种锂离子电池极耳焊接工艺示意图；
图3是本发明的一种3P8S模组内部电池极耳偏转角度示意图；
图4是本发明的锂离子电池极耳焊接工艺示意图。
图中，1、正极耳，2、负极耳，21、极耳胶，22、极耳弯折处3、极耳支撑架，31、极耳支撑架定位孔，4、正极箔材，41、极耳箔材，5、隔膜，6、负极箔材，7、外包装铝塑膜，71、长边，72、短边，8、预焊区，9、主焊区，10、极耳箔材弯折处，11、整形设备。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，包括以下步骤：
S1：如图4所示，将正极箔材4、隔膜5、负极箔材6依次堆叠，正极箔材4和负极箔材6统称极片箔材，把每个极片箔材外伸的极耳箔材41堆叠，放置在整形设备11中整形，涂胶固定，电芯端面垂直向下压平，箔材压紧处距预焊区8有4.0mm的距离；
S2：沿箔材长边71方向通过超声波预焊，预焊区8宽度为4.0mm，主焊区9宽度为2.5mm，主焊区9到预焊区8的距离为1.5mm，焊机底模在极耳箔材41短边72下方，焊头沿长边71方向下压负极耳2和极耳箔材41进行焊接(以负极耳为例，正极耳步骤相同)；
S3：焊接区(包括主焊区和预焊区)用胶带覆盖黏贴，宽度大于焊接区2.5mm；
S4：把正极耳1和负极耳2焊接后的电芯放入已冲坑电池外包装铝塑膜7中，通过高温把极耳胶21熔融并同外包装铝塑膜7内部PP层粘结封装成电池；外包装铝塑膜7封装时把堆叠的极耳箔材41和主焊区9、预焊区8两侧固定住，使模组在装配过程中插入极耳支撑架3上的极耳支撑架定位孔31，再将极耳弯折形成极耳弯折处22和极耳箔材弯折处10，然后经过滚极耳等常规工序制得3P8S模组。
极耳箔材弯折处10从受力较薄弱的极耳下沿转移电芯端面垂直向下压紧处，使极耳箔材堆叠层整体受力，从而解决模组装配工艺对极耳箔材41的损伤，特别是解决了模组在工况条件下的电池内部箔材产生裂纹或断裂的问题。
对比例1
本对比例为现有技术中的锂离子电池极耳箔材焊接工艺，包括以下步骤：
S1：如图3所示，将正极箔材4、隔膜5、负极箔材6依次堆叠，把每个极片箔材外伸的极耳箔材堆叠，涂胶固定，并在沿底面方向上压平，极耳箔材长边51、短边52均保持拉伸状态；
S2：沿箔材长边方向通过超声波预焊，预焊区宽度为4.0mm，预焊区到箔材料区4.5mm；主焊区宽度为2.5mm；主焊区到预焊区距离为1.5mm；焊机底模在极耳箔材短边下方，焊头沿长边上方向下压极耳和极耳箔材进行焊接；
S3：焊接区长边、短边焊接区用胶带覆盖黏贴，宽度大于焊接区2.5mm；
S4：把极耳焊接后的电芯放入已冲坑电池外包装材料铝塑膜中，通过高温把极耳胶熔融并同铝塑膜内部PP层粘结封装成电池；外包装材料铝塑膜封装时把堆叠的极耳箔材、主预焊区两侧嵌固在封装区，采用常规方法制得3P8S模组。
如图1所示，对实施例1和对比例1制得的3P8S模组进行GB38301-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》8.2.1的振动试验，试验后拆解电池观察内部极耳箔材断裂情况，拆解发现：实施例1中无一个电池极耳箔材有裂纹或断裂，对比例1电池拆解结果如下表，表中“程度”表示断裂程度。如图2所示，电池极耳在模组中会沿电池长度方向上分别有左右偏移角度α、β，从表中可以看出，对比例1在偏转过程中极耳对箔材损伤造成断裂，主预焊对箔材损伤也尤为严重，容易在主预焊交接区断裂。上述对比表明，现有焊接工艺模组装配和工况条件下，电池内部每根极耳箔材单独受力，极耳箔材松散，且长、短边受力不同(受力位置如图2中灰色方框所示)；而本发明改善极耳焊接工艺和方法后，极耳箔材紧贴在一起整体受力(受力位置如图4中灰色方框所示)可有效改善极耳箔材断裂问题。
Figure BDA0003087535990000051
实施例2
与实施例1的区别在于位于最外侧的极耳箔材外侧覆有聚酰亚胺层，聚酰亚胺层制备方法为：
1)将碳酸钙粉体和水玻璃按质量比100:0.5，分散在酸性水溶液中，陈化2h，除去溶剂后加入柠檬酸分散2h，过滤、干燥、研磨、过筛得平均粒径280nm的改性碳酸钙粉体；
2)将聚酰亚胺分散体涂料(参照专利CN101139501的方法制备，下图)和改性碳酸钙粉体按质量比8:1.5混合，250℃下螺杆挤出，流延、成膜，通过常规方法将膜复合到箔材表面。
实施例3
与实施例2的区别在于聚酰亚胺层制备方法为：
1)将碳酸钙粉体和水玻璃按质量比100:0.2，分散在酸性水溶液中，陈化1h，除去溶剂后加入柠檬酸分散2h，过滤、干燥、研磨、过筛得平均粒径200nm的改性碳酸钙粉体；
2)将聚酰亚胺分散体涂料和改性碳酸钙粉体按质量比8:1混合，220℃下螺杆挤出，流延、成膜，通过常规方法将膜复合到箔材表面。
实施例4
与实施例2的区别在于聚酰亚胺层制备方法为：
1)将碳酸钙粉体和水玻璃按质量比100:1，分散在酸性水溶液中，陈化3h，除去溶剂后加入柠檬酸分散3h，过滤、干燥、研磨、过筛得平均粒径300nm的改性碳酸钙粉体；
2)将聚酰亚胺分散体涂料和改性碳酸钙粉体按质量比8:2混合，300℃下螺杆挤出，流延、成膜，通过常规方法将膜复合到箔材表面。
实施例5
与实施例2的区别在于直接使用聚酰亚胺分散体涂料进行成膜。
对比例2
与实施例2的区别在于聚酰亚胺层制备方法的步骤1)中改性碳酸钙粉体平均粒径为400nm。
对比例3
与实施例2的区别在于聚酰亚胺层制备方法的步骤2)中聚酰亚胺分散体涂料和改性碳酸钙粉体按质量比8:4混合。
对比例4
与实施例2的区别在于聚酰亚胺层制备方法的步骤2)中聚酰亚胺分散体涂料和改性碳酸钙粉体按质量比8:0.5混合。
性能测试
对实施例2-4、对比例2-5的聚酰亚胺膜进行机械性能和散热性能测试。拉伸强度的检测标准参照GB/T 13022-1991，断裂伸长率的检测标准参照GB/T 10403-2006，散热性的检测标准参照GB/T 13022-1991。
拉伸强度MPa 断裂伸长率％ 导热系数W/mK
实施例2 115 4.2 0.52
实施例3 113 4.1 0.53
实施例4 114 4.3 0.51
实施例5 125 5.5 0.23
对比例2 101 3.6 0.67
对比例3 100 3.4 0.62
对比例4 121 5.3 0.31
与实施例5相比，实施例2-4因为有孔，机械强度有所下降，不过对箔材仍有保护作用，而且散热性有了很大提高。对比例2-3中分别存在碳酸钙粒径过大、用量过多的问题，机械强度比实施例2下降过多，对箔材的保护性能大幅下降。对比例4中碳酸钙用量较少，导热系数提高有限。所以碳酸钙的粒径和用量对聚酰亚胺层有重要影响，需要控制在合理范围内才能取得较优效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将正极箔材、隔膜、负极箔材依次堆叠，正极箔材和负极箔材统称极片箔材，把每个极片箔材外伸的极耳箔材堆叠，电芯端面垂直向下压平；
S2将极耳箔材预焊接，再通过主焊接将极耳固定在极耳箔材上；
S3把极耳焊接后的电芯放入已冲坑电池外包装铝塑膜中，封装成电池；
所述极耳箔材最外侧覆有聚酰亚胺层，所述聚酰亚胺层的制备过程为：
1）将碳酸钙粉体和水玻璃按质量比100:(0.2-1)，分散在酸性水溶液中，陈化1~3 h，除去溶剂后加入柠檬酸分散2-3 h，过滤、干燥、研磨、过筛得粒径200-300 nm的改性碳酸钙粉体；
2）将聚酰亚胺分散体涂料和改性碳酸钙粉体按质量比8:(1-2)混合，220-300 ℃下螺杆挤出，流延、成膜。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，其特征在于，极耳布置在极耳箔材的短边侧，S2主焊接时焊机底模在极耳箔材短边下方，焊头沿长边方向下压极耳和极耳箔材进行焊接。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，其特征在于，S2中预焊区宽度为3.5~4.0 mm，主焊区宽度为2.5~3.0 mm。
4.根据权利要求1或3所述的一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，其特征在于，焊接区用胶带覆盖黏贴，胶带包裹住极耳边缘，胶带宽度比焊接区宽2.0~3.0 mm。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池极耳箔材断裂改善方法，其特征在于，外包装材料铝塑膜封装时把堆叠的极耳箔材和主焊区、预焊区两侧嵌固在封装区。
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