CN113611912B - 一种电极组件的叠片结构、制备方法及电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，针对现有层压式叠片结构电极组件易出现错位的问题，公开一种电极组件的叠片结构，包括叠层布置的若干叠片单元，叠片单元包括由隔膜形成的隔膜扁腔、设于隔膜扁腔内的第一极片和设于隔膜扁腔外的第二极片；隔膜扁腔的一侧向上延伸形成连接上方相邻叠片单元隔膜扁腔的对应同侧的连接膜，隔膜扁腔的另一侧与上方相邻叠片单元隔膜通腔的对应同侧相断开，能有效避免或降低第一极片和第二极片在电池震动时出现的错位。同时本发明的叠片结构的制备方法采用锯齿形折叠的叠片方式更简单易行，避免了对隔膜的裁切，减少了定位误差，避免隔膜翻折带来的绝缘不良，良品率不低于97%。

Description

一种电极组件的叠片结构、制备方法及电化学装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种电极组件的叠片结构、制备方法及电化学装置。

背景技术

锂离子电池等电化学电池的基本组件包括正极/隔膜/负极结构。一般根据该结构可将电极组件分为：卷绕型电极组件，将具有长片状的正极和负极与插入的隔膜一起进行卷绕处理；摇摆式堆叠型电极组件，将切割成特定尺寸的正极与负极单元与插入的连续隔膜带通过隔膜的摇摆进行堆叠处理；层压式堆叠型电极组件，将多个正极和负极与插入的隔膜共同切割成特定尺寸的单元后进行依次堆叠。

卷绕型电极组件具有机械化更容易实现、效率高等优点。但是，其电极组装的方式决定了其存在正面与侧面张力不一致的情况，导致内部电化学反应不均匀。此外，卷绕工艺对极片的涂布要求很高，要求极片要有一定的弹性和可弯折性，避免卷绕时活性材料脱落或断裂。摇摆式堆叠型电极组件即为传统的Z字型叠片，隔膜和极片之间不做粘结处理，靠机械手抓取极片对应叠在隔膜带上，其生产效率较低，在加工尺寸较长的电池中隔膜与极片之间的界面易发生褶皱等不良。层压式堆叠型电极组件可看成是针对摇摆型叠片工艺的缺陷进行的改进，可显著提高生产效率，但现有的层压式叠片结构容易在工作中出现震荡时出现错位，影响电极组件的使用寿命和安全性能，而且加工过程中容易发生电极组件单元角位翻折，尤其是隔膜角位的翻折，造成绝缘不良，另外，该工艺对于对齐度的控制要求较高，难度较大。

中国专利CN103959541A，专利名称“电极组件和包含其的电化学电池”公开了一种层压式叠片结构的电极组件，该电极组件包括至少一个基本单元，该基本单元具有通过依次堆叠第一电极、第一隔膜、第二电极和第二隔膜而得到的四层结构。但是该叠片结构由于隔膜是切断的，在操作过程中隔膜角位非常容易折断，造成正负极接触，引起绝缘不良，其良率为90%。同时该电极组件在工作过程中出现震动时极片容易出现错位，影响电极组件的使用寿命和安全性能。

发明内容

针对现有层压式叠片结构电极组件在工作中出现震荡时，极片易出现错位而影响使用寿命和安全性能的问题，本发明的目的在于提供一种电极组件的叠片结构，以避免极片错位，提高电极组件和电池的使用寿命以及安全性。

本发明的另一目的在于提供上述电极组件的叠片结构的制备方法，以避免隔膜在加工过程中出现的翻折，提高电极组件的叠片质量和生产效率，提高电极组件加工过程中良品率。

本发明的另一目的还在于提供含有上述电极组件的叠片结构或者使用上述制备方法制备的电化学装置。

本发明提供如下的技术方案：

一种电极组件的叠片结构，包括叠层布置的若干叠片单元，叠片单元包括由隔膜形成的中通的隔膜扁腔、设于隔膜扁腔内的第一极片和设于隔膜扁腔外的第二极片；

所述第一极片与隔膜扁腔的两扁平腔面相贴合，所述第二极片贴合于隔膜扁腔的上表面，并与上方相邻叠片单元的隔膜扁腔的下表面相贴合；

所述隔膜扁腔的一侧向上延伸形成连接上方相邻叠片单元隔膜扁腔的对应同侧的连接膜，所述隔膜扁腔的另一侧与上方相邻叠片单元隔膜通腔的对应同侧相断开。

本发明的叠片结构将第一极片设置在隔膜扁腔内，同时将第二极片设置在两叠片单元之间，并且设置连接膜进行阻隔，当电池在工作中出现震动时，隔膜扁腔以及连接膜可以有效的阻隔第一极片和第二极片的移动，降低两者的错位，从而提高电池的使用安全性能和寿命，其中第一极片可以为负极片或正极片，第二极片的极性与第一极片相反。

作为本发明的优选，所述连接膜在叠片单元的两侧交替布置。增强叠片结构的稳定性。

作为本发明的优选，所述叠片结构还包括用于固定叠片结构侧面或前面的固定部件。

一种电极组件的叠片结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）将多个第一极片沿隔膜带的延伸方向间隔排布在两条隔膜带之间，得到由第一极片和两侧的隔膜带组成的第一复合叠层；

（2）将多个第二极片沿隔膜带的延伸方向对应第一极片排布第一复合叠层的两侧，得到由第一复合叠层和两侧的第二极片组成的第二复合叠层，且第二极片在隔膜带的延伸方向上相对第一极片交替布置，使得第一复合叠层和第二复合叠层沿隔膜带的延伸方向交替出现；

（3）处理离第一复合叠层和第二复合叠层，使第一极片、第二极片分别与隔膜紧密贴合；

（4）处理相邻的第一复合叠层和第二复合叠层之间的两隔膜带以形成叠片弯折线；

（5）绕叠片弯折线将第一复合叠层和相邻的第二复合叠层进行锯齿折叠，然后压平得到电极组件的叠片结构。

本发明的制备方法将多个第二极片间隔第一极片排布于第一复合叠层的两侧上，共同形成第二复合叠层；对此复合叠层进行加压或电离处理，加工出叠片单元叠层和叠片弯折线；对叠片单元叠层进行锯齿形折叠，形成叠片电芯，可以获得设置有隔膜扁腔和连接膜的叠片结构，第一极片限位在隔膜扁腔内，第二极片被连接膜阻挡，降低第一极片和第二极片在电池发生震动时出现的错位，提高电池的使用寿命和安全性能；第一复合叠层和第二复合叠层的引入使生产过程中无需引入新的辅助单元，同时本发明的制备方法中产生并利用了叠片弯折线，采用锯齿形折叠的叠片方式相比传统Z字形叠片更简单易行，避免了对隔膜的裁切操作，既降低了成本，减少了定位误差，同时也避免了现有层压式叠片的隔膜翻折现象。

作为本发明方法的优选，步骤（3）中处理的步骤包括：

当隔膜带涂布有胶黏性的涂布材料时，加热所述第一复合叠层和第二复合叠层，然后在第一复合叠层、第二复合叠层的两侧分别施加相向的压力；

或者，当第一极片、第二极片的头尾两端涂布有胶黏性的涂布材料时，加热所述第一复合叠层和第二复合叠层，然后在第一复合叠层、第二复合叠层的两侧分别施加相向的压力；

或者，当隔膜带使用前预先进行静电处理时，电离隔膜带以产生与极片的粘附力，然后在第一复合叠层、第二复合叠层的两侧分别施加相向的压力。所用涂布材料为无机粒子和粘合剂聚合物的混合物或单独为粘合剂聚合物。

作为本发明方法的优选，步骤（3）中处理的步骤还包括：当第一复合叠层和第二复合叠层的两侧平整时停止施加压力。

作为本发明方法的优选，步骤（4）中处理的步骤包括：

当隔膜带上涂布有胶黏性的涂布材料时，加热第一复合叠层和第二复合叠层之间的空白隔膜带，然后在空白隔膜带两外侧沿着所述第二极片、所述隔膜带与所述第一极片的堆叠方向施加相向的压力，使空白隔膜带形成具有可加工性的叠片弯折线；

或者，当对隔膜带预先进行静电处理时，电离隔膜带以产生粘附力，然后在空白隔膜带两外侧沿着所述第二极片、所述隔膜带与所述第一极片的堆叠方向施加相向的压力，使空白隔膜带形成具有可加工性的叠片弯折线。

作为本发明方法的优选，所述第一极片为负极片，所述第二极片为正极片。

一种电化学装置，包含上述的叠片结构，或采用上述的叠片结构的制备方法制备得到。

作为本发明的优选，所述电化学装置为二次电池、或包含多个所述二次电池的模组、或包括多个所述电池模组的电池包。

本发明的有益效果如下：

与现有的层压式叠片结构相比，本发明的叠片结构能够有效的避免或降低第一极片和第二极片在电池震动时出现的错位，提高电池的使用寿命和安全性能。同时本发明的叠片结构的制备方法采用锯齿形折叠的叠片方式相比传统Z字形叠片更简单易行，避免了对隔膜的裁切，减少了定位误差，降低了成本，更重要的是避免了隔膜的翻折带来的不良，降低了绝缘不良率，良品率不低于97%，而且整体上简化了叠片结构电芯的制备过程，提高了叠片结构电芯的叠片质量和生产效率，适用于大规模生产。

附图说明

图1是本发明的叠片结构的结构示意图。

图2是第一叠片结构的示意图。

图3是第一叠片结构和第二叠片结构交替布置的示意图。

图4是形成叠片弯折线的示意图。

图5是锯齿形折叠结构的示意图。

图中，1、隔膜，11、隔膜扁腔，12、连接膜，13、叠片弯折线，2、第一极片，3、第二极片，4、第一复合叠层，5，第二复合叠层。

具体实施方式

下面就本发明的具体实施方式作进一步说明。

如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。

实施例1

一种电极组件的叠片结构，包括叠层布置的若干叠片单元，叠片单元至少设有两个，如图1所示，该叠片结构含8个叠片单元，每个叠片单元包括由隔膜1形成的扁平状的隔膜扁腔11，设于隔膜扁腔内的第一极片2和设于隔膜扁腔外的第二极片3，所用隔膜为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯和聚丙烯组合的多层膜，当然也可以采用其他常规的隔膜，第一极片为负极片、第二极片为正极片，正极片和负极片均由集流体和涂布在集流体侧面上的活性材料制成。当然也可以选择第一极片为正极片，第二极片为负极片。该隔膜扁腔的两端即位于隔膜的边缘处中空布置。第一极片与隔膜扁腔的两扁平腔面相贴合，第二极片贴合于隔膜扁腔的上表面，并与上方相邻叠片单元的隔膜扁腔的下表面相贴合。隔膜扁腔的一侧向上延伸形成连接上方相邻叠片单元的隔膜扁腔对应的同侧的连接膜12，隔膜扁腔的另一侧与上方相邻叠片单元的隔膜通腔对应的同侧相断开。

为增强叠片结构的稳定性，连接膜在叠片单元的两侧交替布置。当然该叠片结构还可以采用现有叠片结构所用的固定部件或固定方式对侧面或前面进行固定，比如以聚合物带缠绕或粘接，或者采用加热粘结或超声波焊接粘结。

实施例2

一种电极组件的叠片结构的制备方法，可获得实施例1中所描述的叠片结构，具体步骤如下：

（1）如图2所示，以负极片为第一极片2，将多个第一极片沿带状的隔膜1即隔膜带的延伸方向间隔排布在两条隔膜带之间，隔膜带的表面预先涂布胶黏性的胶黏材料，得到由第一极片和两侧的隔膜带组成的第一复合叠层4；

（2）如图3所示，以正极片为第二极片3，将多个第二极片沿隔膜带的延伸方向对应第一极片排布在第一复合叠层的两侧，即第一复合叠层的其中一侧设置有第二极片，那么第一复合叠层的另一侧也设置有第二极片，同时各第二极片与第一复合叠层中的第一极片相对应，得到由第一复合叠层和两侧的第二极片组成的第二复合叠层5，且第二极片在隔膜带的延伸方向上相对第一极片交替布置，即相邻的两个第一极片中，一个第一极片的隔膜两侧分别设置第二极片，则另一个第一极片对应的两条隔膜带两侧不设置第二极片，使得第一复合叠层和第二复合叠层沿隔膜带的延伸方向交替出现；

（3）加热第一复合叠层和第二复合叠层，然后在第一复合叠层、第二复合叠层的两侧分别施加相向的压力，当第一复合叠层和第二复合叠层的两侧平整时停止施加压力；

（4）如图4所示，加热第一复合叠层和第二复合叠层之间的空白隔膜带，然后在空白隔膜带两外侧沿着第二极片、隔膜带与第一极片的堆叠方向施加相向的压力，使空白隔膜带形成具有可加工性的叠片弯折线13，叠片弯折线即在成型的叠片结构的连接膜上；

（5）如图5所示，以各第一复合叠层和相邻的第二复合叠层之间的叠片弯折线作为弯折位置，绕叠片弯折线将第一复合叠层和相邻的第二复合叠层进行交替锯齿状折叠，得到锯齿形折叠结构，然后压平得到电极组件具有一定紧实度的叠片结构。

上述方法通过锯齿状折叠避免了隔膜的裁切，所得叠片结构即叠片电芯的良率不低于97%，同时所得叠片结构中第一极片被完全限位、第二极片被部分限位，极大的提升了叠片结构的稳定性，减少了第一极片和第二极片在电池震动时发生错位的现象。

实施例3

一种电极组件的叠片结构的制备方法，可获得实施例1中所描述的叠片结构，与实施例2的不同之处为：

所用第一极片和第二极片的两端涂布胶黏材料；

所用隔膜带在使用前经预先静电处理；

对应的，在步骤（3）中加热第一复合叠层和第二复合叠层，然后在第一复合叠层、第二复合叠层的两侧分别施加相向的压力；

对应的，在步骤（4）中，电离隔膜带以产生粘附力，然后在空白隔膜带两外侧沿着所述第二极片、隔膜带与第一极片的堆叠方向施加相向的压力，使空白隔膜带形成具有可加工性的叠片弯折线。

通过实施例3的过程制备的叠片结构的良率不低于97%。

实施例4

一种电极组件的叠片结构的制备方法，可获得实施例1中所描述的叠片结构，与实施例2的不同之处为：

所用隔膜带在使用前预先静电处理；

对应的，在步骤（3）中电离隔膜带以产生与极片的粘附力，然后在第一复合叠层、第二复合叠层的两侧分别施加相向的压力；

对应的，在步骤（4）中，电离隔膜带以产生粘附力，然后在空白隔膜带两外侧沿着所述第二极片、隔膜带与第一极片的堆叠方向施加相向的压力，使空白隔膜带形成具有可加工性的叠片弯折线。

通过实施例4的方法制备的叠片结构的良率不低于97%。

实施例5

一种电极组件的叠片结构的制备方法，与实施例2的不同之处为：以正极片为第一极片，以负极片为第二极片。

通过实施例5的方法制备的叠片结构的良率不低于97%。

需要说明的是，为产生粘附力，隔膜的静电处理以及涂布胶黏性材料均为电极组件制备领域的常规操作，本申请中不做详细描述。

Claims (2)

1.一种电极组件的叠片结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将多个第一极片沿隔膜带的延伸方向间隔排布在两条隔膜带之间，得到由第一极片和两侧的隔膜带组成的第一复合叠层；

（2）将多个第二极片沿隔膜带的延伸方向对应第一极片排布于第一复合叠层的两侧，得到由第一复合叠层和两侧的第二极片组成的第二复合叠层，且第二极片在隔膜带的延伸方向上相对第一极片交替布置，使得第一复合叠层和第二复合叠层沿隔膜带的延伸方向交替出现；

（3）处理第一复合叠层和第二复合叠层，使第一极片、第二极片分别与隔膜紧密贴合；

（4）处理相邻的第一复合叠层和第二复合叠层之间的两隔膜带以形成叠片弯折点；

（5）绕叠片弯折点将第一复合叠层和相邻的第二复合叠层进行锯齿折叠，然后压平得到电极组件的叠片结构；

步骤（3）中处理步骤包括：

在第一极片、第二极片的头尾两端涂布胶黏性的涂布材料，加热所述第一复合叠层和第二复合叠层，然后在第一复合叠层、第二复合叠层的两侧分别施加相向的压力；

当第一复合叠层和第二复合叠层的两侧平整时停止施加压力；

步骤（4）中处理的步骤包括：

对隔膜带预先进行静电处理，电离隔膜带以产生粘附力，然后在空白隔膜带两外侧沿着所述第二极片、所述隔膜带与所述第一极片的堆叠方向施加相向的压力，使空白隔膜带形成具有可加工性的叠片弯折点。

2.根据权利要求1所述的电极组件的叠片结构的制备方法，其特征在于，所述第一极片为负极片，所述第二极片为正极片。

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