CN113540400A - 一种大尺寸圆柱锂离子二次电池及其正负极极片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺寸圆柱锂离子二次电池及其正负极极片。所述大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片包括正极极片和负极极片，所述正极极片和负极极片在长度方向的两侧预留空箔的两面涂覆有金属。本发明通过在极组两端面正、负极极片之间空隙内填充金属，所得端面平整，利于后续集流盘焊接，提高成品率，且焊接前后正、负极极片不会受损，克服了揉平工艺中揉进极组的箔材把极片涂料的料区局部拱起造成正负极极片间隙过大导致的负极极片析锂，提高了电池的循环性能和安全性能，同时空箔宽度也没有增加，具有高能量密度，并且所制备的电池的内阻减小3‑18％，提高了电池的整体性能。

Description

一种大尺寸圆柱锂离子二次电池及其正负极极片

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种大尺寸圆柱锂离子二次电池及其正负极极片。

背景技术

随着锂离子二次电池在电动汽车上的应用，其需求量逐年递增。锂离子二次电池按照封装工艺可分为圆柱电池、方形电池与软包电池。圆柱电池相比方形电池与软包电池，具有加工设备成熟度高、生产效率高、成本低、电池一致性高等优点，因此，被电动汽车厂商大量使用。

处于对电动汽车里程的焦虑，增加单位体积单位质量锂离子二次电池的能量密度是必然的选择。解决方法之一是提高正负极材料的能量密度，这需要比较长时间的研发与可靠性测试；解决办法之二是增大单体锂离子二次电池体积。

对于上述第二种解决方法，大尺寸圆柱锂离子二次电池极片过长，若采用单极耳引出电流的封装方法会造成电池内阻过大，充放电过程中温升过高，容易引发电池起火爆炸，因此不宜采用极耳引流方式引出电流。

采用正负极极片一侧各留出一定宽度的空白箔材，极片卷绕之后形成极组，对极组两侧的空白箔材进行揉平形成端面，端面再与集流盘进行焊接组装制备成圆柱锂离子二次电池。

目前揉平工序存在以下问题：

1、正负极极片留空白箔比较窄，通常≤10mm；揉平之后，被揉进极组的箔材会把极片涂料的料区局部拱起，造成正负极极片间隙过大，这会导致制成的电池在使用过程中，每次充电，被拱起的负极极片析锂，析锂会导致负极极片进一步被拱起，如此反复，导致负极极片两侧全部析锂，电池存在严重的安全隐患，并且电池循环后期循环跳水；为了解决上述问题，可以增加正负极极片留白空箔的宽度，但是会增加电池的正负极箔材成本，同时也会降低电池能量密度。

2、揉平过程中，铝箔与铜箔很容易产生金属屑，落入极组之中，在随后的充放电过程中，电池存在严重的安全隐患，容易引起短路、起火、爆炸等。

3、在集流盘焊接过程中，由于揉平技术的缺陷，会导致在端面上从圆心向外的方向上被揉平的铝箔或者铜箔分布不均，从而导致激光击穿铝箔铜箔，熔化极组中的隔膜，造成短路。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大尺寸圆柱锂离子二次电池及其正负极极片。

具体地，本发明提供一种大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，包括正极极片和负极极片，所述正极极片/负极极片在长度方向的两侧预留空箔的两面涂覆有金属。

本发明发现，通过在空箔的两面涂覆金属(含金属单质和合金)，所得正、负极极片极片(连同隔膜)卷绕成极组后，涂覆的金属能够有效填充极组两端面极片之间空隙，可直接进行端面的集流盘焊接工艺，省去现有揉平工艺，实现在不增加空箔宽度的前提下，所制备的大尺寸圆柱锂离子二次电池在使用过程中负极极片不析锂，同时还具有较优的能量密度、循环性能与安全性能。

其中，所述正极极片包括正极集流体、正极活性物质和第一金属，所述正极集流体包括正极涂覆区和正极空箔区，所述正极空箔区位于正极涂覆区的两侧，所述正极涂覆区涂覆有正极活性物质，所述正极空箔区涂覆有第一金属。

在一些优选的实施方式中，所述第一金属选自铝、铝锰、铝硅、铝镁、铝镁铜、铝镁硅铜、铝锌镁铜中的一种或者几种；优选铝。

在一些优选的实施方式中，所述第一金属的粒度为0.01-50微米，优选0.5-5微米。

所述负极极片包括负极集流体、负极活性物质和第二金属，所述负极集流体包括负极涂覆区和负极空箔区，所述负极空箔区位于负极涂覆区的两侧，所述负极涂覆区涂覆有负极活性物质，所述负极空箔区涂覆有第二金属。

在一些优选的实施方式中，所述第二金属粉体选自铜、铜锌、铜锡、铜铅、铜硅、铜铁中的一种或者几种；优选铜锌。

在一些优选的实施方式中，所述第二金属的粒度为0.01-30微米，优选0.5-5微米。

在一些优选的实施方式中，所述金属涂覆厚度为所述正极活性物质/负极活性物质涂覆厚度的10-100％，优选50-100％。

在一些优选的实施方式中，所述空箔的宽度为6-10mm。

本发明还提供一种大尺寸圆柱锂离子二次电池，其由上述的正极极片和负极极片经卷绕、集流盘焊接工艺制成。

本发明技术方案具有如下技术效果：

1、本发明通过在极组两端面正、负极极片之间空隙内填充金属，所得端面平整，利于后续集流盘焊接，提高成品率，且焊接前后正、负极极片不会受损，克服了揉平工艺中揉进极组的箔材把极片涂料的料区局部拱起造成正负极极片间隙过大导致的负极极片析锂，提高了电池的循环性能和安全性能，同时空箔宽度也没有增加，具有高能量密度，并且所制备的电池的内阻减小3-18％，提高了电池的整体性能。

2、本发明方法可操作性强，采用涂覆工艺取代揉平工艺，提高了工作效率，易于实现批量生产。

附图说明

图1是本发明提供的大尺寸圆柱锂离子二次电池正极极片(或负极极片)的结构示意图；

图2是本发明提供的大尺寸圆柱锂离子二次电池在25℃下循环性能曲线。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作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。

请参考图1，本发明提供一种大尺寸圆柱锂离子二次电池正极极片包括：正极集流体1、金属2和正极活性物质3。

其中，金属2涂覆在该正极极片在长度方向的两侧预留的位于正极集流体上下两面的空箔区域(图中未示出)，正极活性物质3涂覆在位于正极集流体上下两面的正极涂覆区(图中未示出)。

可以理解的是，本发明提供的负极极片具有与上述正极极片相类似的结构。

实施例1

本实施例提供的磷酸铁锂32140大尺寸圆柱锂离子二次电池的制作过程如下：

电池极组的制备：正极匀浆→正极极片连续涂布&空箔区域连续涂布第一金属粉末→正极极片辊压→正极极片分切→正极极片；负极匀浆→负极极片连续涂布&空箔区域连续涂布第二金属粉末→负极极片辊压→负极极片分切→负极极片；正、负极极片和隔膜卷绕得到极组；

电池装备：极组负极端集流盘焊接→极组正极端集流盘焊接→极组入钢壳→极组点底→辊槽→真空干燥→注液→封口→化成与分容。

正极极片由磷酸亚铁锂、导电剂SP、粘结剂PVDF、铝粉(粒度1-3微米)与正极集流体组成。磷酸亚铁锂、导电剂SP、粘结剂PVDF的重量比为97.0:1.5:1.5，正极集流体选用厚度15μm涂碳铝箔。其中正极活性物质磷酸铁锂涂布面密度控制在(125.0±2.5)mg/10cm²，正极极片浆料涂覆宽度为120mm，空箔宽度为10mm，铝粉干燥后的涂覆厚度为正极活性物质涂层碾压后厚度的75％。

负极极片包括人造石墨、导电剂SP、粘结剂、铜粉(粒度1-2微米)与负极集流体组成。人造石墨、导电剂SP、粘结剂CMC、粘结剂SBR的重量比为95.5:2.0:1.5:1.0，负极集流体选用厚度8μm铜箔。其中负极活性物质面密度控制在(65.0±1.3)mg/10cm²，负极极片浆料涂覆宽度为123mm，空箔宽度为10mm，铜粉干燥后的涂覆厚度为负极活性物质涂层碾压后厚度的75％。

隔膜选用厚度16μm聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯三层复合膜，隔膜宽度为125mm。

实施例2

本实施例提供的磷酸铁锂32140大尺寸圆柱锂离子二次电池的制作过程与实施例1基本相同，不同之处在于正极极片的空箔区域铝粉干燥后的涂覆厚度为正极活性物质涂层碾压后厚度的100％；负极极片空箔区域铜粉干燥后的涂覆厚度为负极活性物质涂层碾压后厚度的100％。

实施例3

本实施例提供的磷酸铁锂32140大尺寸圆柱锂离子二次电池的制作过程与实施例1基本相同，不同之处在于正极极片的空箔区域涂覆铝粉干燥后的涂覆厚度为正极活性物质涂层碾压后厚度的100％；负极极片的空箔区域涂覆铜锌粉(粒度1-2微米，铜含量为85％)，铜锌粉干燥后的涂覆厚度为负极活性物质涂层碾压后厚度的100％。

比较例1

本对比例提供的磷酸铁锂32140大尺寸圆柱锂离子二次电池的制作过程如下：

电池极组的制备：正极匀浆→正极极片连续涂布→正极极片辊压→正极极片分切→正极极片；负极匀浆→负极极片连续涂布→负极极片辊压→负极极片分切→负极极片；正负极极片和隔膜卷绕得到极组；

电池装备：极组负极端揉平→极组正极端揉平→极组负极端集流盘焊接→极组正极端集流盘焊接→极组入钢壳→极组点底→辊槽→真空干燥→注液→封口→化成与分容。

正极极片由磷酸亚铁锂、导电剂SP、粘结剂PVDF与正极集流体组成。磷酸亚铁锂、导电剂SP、粘结剂PVDF的重量比为97.0:1.5:1.5，正极集流体选用厚度15μm涂碳铝箔。其中正极活性物质磷酸铁锂涂布面密度控制在(125.0±2.5)mg/10cm²，正极极片浆料涂覆宽度为120mm，空箔宽度为10mm。

负极极片包括人造石墨、导电剂SP、粘结剂与负极集流体组成。人造石墨、导电剂SP、粘结剂CMC、粘结剂SBR的重量比为95.5:2.0:1.5:1.0，负极集流体选用8μm铜箔。其中负极活性物质面密度控制在(65.0±1.3)mg/10cm²，负极极片宽度为123mm，空箔宽度为10mm。

隔膜选用厚度16μm聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯三层复合膜，隔膜宽度为125mm。

测试例

对实施例1-3及对比例1制备的圆柱锂离子二次电池进行性能测试，结果见表1和图2。

表1

由表1可以看出，实施例1-3的1C放电温升显著低于对比例1，由图2可以看出，实施例1-3的循环性能显著优于对比例1，以上内容说明本发明的圆柱锂离子二次电池具有更优异的电池性能，并且，实施例1-3的集流盘焊接短路率和电池内阻明显低于对比例1，说明本发明的圆柱锂离子二次电池的安全性高，内阻小，提高了电池的整体性能。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，包括正极极片和负极极片，其特征在于，所述正极极片/负极极片在长度方向的两侧预留空箔的两面涂覆有金属。

2.根据权利要求1所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体、正极活性物质和第一金属，所述正极集流体包括正极涂覆区和正极空箔区，所述正极空箔区位于正极涂覆区的两侧，所述正极涂覆区涂覆有正极活性物质，所述正极空箔区涂覆有第一金属。

3.根据权利要求2所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述第一金属选自铝、铝锰、铝硅、铝镁、铝镁铜、铝镁硅铜、铝锌镁铜中的一种或者几种；优选铝。

4.根据权利要求2或3所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述第一金属的粒度为0.01-50微米，优选0.5-5微米。

5.根据权利要求1或4所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体、负极活性物质和第二金属，所述负极集流体包括负极涂覆区和负极空箔区，所述负极空箔区位于负极涂覆区的两侧，所述负极涂覆区涂覆有负极活性物质，所述负极空箔区涂覆有第二金属。

6.根据权利要求5所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述第二金属选自铜、铜锌、铜锡、铜铅、铜硅、铜铁中的一种或者几种；优选铜锌。

7.根据权利要求5或6所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述第二金属的粒度为0.01-30微米，优选0.5-5微米。

8.根据权利要求1-7任一项所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述金属涂覆厚度为所述正极活性物质/负极活性物质涂覆厚度的10-100％，优选50-100％。

9.根据权利要求1-8所述的大尺寸圆柱锂离子二次电池正负极极片，其特征在于，所述空箔区的宽度为6-10mm。

10.一种大尺寸圆柱锂离子二次电池，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的正极极片和负极极片经卷绕、集流盘焊接工艺制成。

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