CN113707887A - 一种极片、圆柱形卷绕式电芯及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

为克服现有圆柱形锂离子电池因内圈膨胀而导致的析锂问题，本发明提供了一种极片，包括集流体和活性物质层，所述集流体为条形结构，所述集流体在其长度方向的端部形成有压纹区，所述活性物质层覆盖于所述集流体的表面且至少部分覆盖于所述压纹区，所述压纹区上的活性物质层表面分布有凹槽。同时本发明还公开了包括上述极片的圆柱形卷绕式电芯和锂离子电池。通过在极片的端部设置含有凹槽的压纹区，待其卷绕成圆柱形电芯后，位于内圈的凹槽为电解液的迁移提供通路，同时凹槽可以储存一定数量的电解液，缓解由内圈膨胀，应力集中带来的电芯内部电解液供应不足的问题，在很大程度上解决了圆柱形电池因电解液浸润不足而带来的析锂问题。

Description

一种极片、圆柱形卷绕式电芯及锂离子电池

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种极片、圆柱形卷绕式电芯及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有电压大、比能量大、循环寿命长、安全性能好等优点，被广泛应用于手机、笔记本电脑等电子设备中。现有技术中锂离子电芯主要有卷绕式和叠片式两类；叠片式方形电池生产效率较低、一致性差、放电倍率低、循环寿命短等问题，卷绕式电池生产效率较高，现有的纽扣锂离子二次电池普遍采用单卷芯卷绕式结构，即将设计好的电池正负极在经过配料、涂布、切片后各有一个极片，然后正负极极片以隔膜相隔后一起围绕卷绕模具旋转，卷绕好后退出即可得到圆柱形的锂电池电芯，电芯经过烘烤之后装入壳内，将正、负极片通过正、负极耳分别连通位于壳体上的正、负极，注液后就是一个成品锂离子电池。

正常情况下，锂离子电池在充电过程中，锂离子会从正极脱落并经过电解液通路移动到负极表面并嵌入负极。然而电芯在经过卷绕和烘烤之后，由于极片膨胀和隔膜张力释放，电芯内圈会变得很紧，导致注液浸润性变差，浸润时间很长而且后期循环过程中内圈膨胀导致电解液难以完全浸润极片，容易出现析锂等问题。从正极脱落的锂离子无法嵌入负极的话，那么锂离子就只能析出在负极表面，从而形成一层灰色的物质，这就叫做析锂。当内圈膨胀时极片与隔膜的空间变小，电解液无法完全浸润负极片，容易导致从正极脱嵌下来的锂离子没有足够的嵌入空间，因而只能形成金属锂单质并析出在负极表面，而且随着充放电的不断进行，析出的锂离子会长大，形成锂晶枝，当锂晶枝长到一定程度后会刺穿隔膜，造成正负极短路，进而产生严重的安全隐患。因此，亟需提供一种新型的极片以解决上述问题。

发明内容

针对现有圆柱形锂离子电池因内圈膨胀而存在的析锂问题，本发明提供了一种极片、圆柱形卷绕式电芯及锂离子电池。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种极片，包括集流体和活性物质层，所述集流体为条形结构，所述集流体在其长度方向的端部形成有压纹区，所述活性物质层覆盖于所述集流体的表面且至少部分覆盖于所述压纹区，所述压纹区上的活性物质层表面分布有凹槽。

可选的，所述压纹区的长度为集流体长度的1％～50％。

可选的，所述活性物质层的厚度为60～150μm。

可选的，所述凹槽的深度为1～5μm。

可选的，所述凹槽的数量为多个，所述凹槽的形状为圆形或椭圆形。

可选的，多个所述凹槽为规则排布或者不规则排布。

可选的，所述集流体为铝箔或铜箔。

可选的，所述铝箔的厚度为9～12μm；所述铜箔的厚度为5～9μm。

另一方面，本发明还提供了一种圆柱形卷绕式电芯，包括依次设置的正极片、隔膜和负极片，所述正极片和/或负极片为上述的极片；

所述正极片和/或负极片的压纹区位于所述圆柱形卷绕式电芯的最内圈。

另一方面，本发明还提供了一种锂离子电池，包括电池壳体以及设置于电池壳体内的电芯，所述电芯为上述的圆柱形卷绕式电芯。

本发明的有益效果：通过在集流体的端部设置压纹区，所述压纹区的活性物质层表面设置有若干凹槽，待其卷绕成圆柱形电芯后，位于最内圈的凹槽为电解液的迁移提供通路、提高锂离子的迁移速率，有利于缓解电芯中部电解液供应不足的问题。圆柱形电芯在卷绕和烘烤之后，由于内圈膨胀和隔膜张力释放容易导致内圈结构紧密，凹槽的存在极大缓解了电芯内圈的应力集中，有利于提升电池在此区域的动力学性能，在很大程度上解决圆柱形电池因电解液浸润不足带来的析锂问题。同时活性物质层表面的凹槽可以储存一定数量的电解液，有利于电池的长循环使用和电解液的渗透、扩散，提高电池的充放电性能。

附图说明

图1是本发明提供的极片的俯视图；

图2是本发明提供的极片沿长度方向的剖面图；

说明书附图中的附图标记如下：

1、集流体；2、压纹区；3、凹槽；4、活性物质层；5、极耳焊接区域；6、极耳。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如两端、两侧、端部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各结构之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

请参照图1-2，本发明的一实施例提供了一种极片，包括集流体1和活性物质层4，所述集流体1为条形结构，所述集流体1在其长度方向的端部形成有压纹区2，所述活性物质层4覆盖于所述集流体1的表面且至少部分覆盖于所述压纹区2，所述压纹区2上的活性物质层4表面分布有凹槽3。

通过在集流体的端部设置压纹区，所述压纹区的活性物质层表面设置有若干凹槽，待其卷绕成圆柱形电芯后，位于最内圈的凹槽为电解液的迁移提供通路、提高锂离子的迁移速率，有利于缓解电芯中部电解液供应不足的问题。圆柱形电芯在卷绕和烘烤之后，由于内圈膨胀和隔膜张力释放容易导致内圈结构紧密，凹槽的存在极大缓解了电芯内圈的应力集中，有利于提升电池在此区域的动力学性能，在很大程度上解决圆柱形电池因电解液浸润不足带来的析锂问题。同时活性物质层表面的凹槽可以储存一定数量的电解液，有利于电池的长循环使用和电解液的渗透、扩散，提高电池的充放电性能。

在一些实施例中，所述压纹区2的长度为集流体1长度的1％～50％，所述压纹区2主要用于设置凹槽3结构，若所述压纹区2的长度大于集流体1长度的50％，含有过长压纹区的极片在卷绕成电芯后体积会显著增大，一方面容易对极片整体电学以及力学方面带来负面影响，另一方面由于电芯体积的显著增大可能无法放入预设的电池壳体中，从而对生产成本以及生产效率带来影响，若所述压纹区2的长度小于集流体1长度的1％，面积过小的压纹区2无法显著增大电芯内圈空间，不能为电解液的迁移提供足够空间，从而不能从根本上解决因电芯内圈膨胀而带来的析锂问题。因此，发明人在研究过程中发现当压纹区2的长度为集流体1长度的1％～50％，既能解决电芯因内圈膨胀带来的析锂问题同时不会对极片的整体性能产生影响。

如图1所示，在优选的实施例中，所述集流体1还包括极耳焊接区域5，所述极耳焊接区域5设置于所述集流体1上远离压纹区2的另一端部。

所述极耳焊接区域5主要用于极耳6的焊接，极耳6用于将不同的电池连接接触形成电池组从而扩大电池的容量，因此所述极耳焊接区域5不进行活性物质层的涂覆，极耳6直接焊接在集流体1表面。

在一些实施例中，所述活性物质层4的厚度为60～150μm。

在上述厚度范围内的活性物质层4既能保持与集流体1良好的粘结力，提高锂离子电池的能量密度，又不会因为过厚而导致电解液浸润和吸收困难，使得电池内阻变大等情况，进一步提高电池的充放电倍率和产能。

进一步的，所述活性物质层4的组成为本领域技术人员所公知，例如通常包括活性物质材料、粘结剂、导电剂等。

在一些实施例中，所述凹槽3的深度为1～5μm。

所述凹槽3的设置主要为了增加卷绕后电池内圈的空隙，为电解液向电芯中部的迁移提供间隙，因此，若所述凹槽3的深度小于1μm时，由于凹槽3过浅，无法显著增大电芯内圈的空隙，不能为电解液的迁移提供足够间隙，同时过浅的凹槽3对电解液的储存也起不到良好的效果，因此无法有效解决电池的析锂问题，不利于电池的长期循环。若凹槽3的深度大于5μm时，容易导致凹槽3处的活性物质层4过薄，活性物质层4与集流体1的粘结力变小，长期循环过程容易导致压纹区1的活性物质层4发生脱落，影响锂离子电池的安全性和使用寿命。

在一些实施例中，所述凹槽3的数量为多个，所述凹槽的形状为圆形或椭圆形。

所述凹槽3能够显著改善锂离子电池的析锂问题。

在一些实施例中，多个所述凹槽3为规则排布或者不规则排布。

本发明对凹槽3的排布方式不做特别限定，既可以为规则排布，例如规则矩阵排布，也可以为不规则排布。所述凹槽3的制备方法可采用本领域常规方式制备，在此不作特别的限定，例如：采用辊压等方式制备凹槽。

在一些实施例中，所述集流体1为铝箔或铜箔。

铝箔以及铜箔具有优异的柔韧性与延展性适用于卷绕式电芯，通常情况下，正极极片采用铝箔作为集流体，负极极片采用铜箔作为集流体，本发明的技术方案既适用于正极极片也适用于负极极片。

在一些实施例中，所述铝箔的厚度为9～12μm；所述铜箔的厚度为5～9μm。

所述集流体的主要作用是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大电流对外输出，若所述铝箔集流体的厚度大于12μm时，过厚的集流体柔韧性变小，不适用于卷绕式电芯，若所述铜箔集流体的厚度小于5μm时，过薄的集流体难以抵抗制造凹槽3时设备对极片产生的压力，容易导致集流体断裂等，影响极片质量和电池的充放电性能。

另一方面，本发明还提供了一种圆柱形卷绕式电芯，包括依次设置的正极片、隔膜和负极片，所述正极片和/或负极片为上述的极片；

所述正极片和/或负极片的压纹区位于所述圆柱形卷绕式电芯的最内圈。

所述圆柱形卷绕式电芯可采用如前所述的极片作为正极片、普通极片作为负极片，或者采用如前所述的极片作为负极片、普通极片作为正极片，或者正极片和负极片均采用如前所述的极片，即正极片和负极片中的至少一者选自上述含有凹槽的极片，需要说明的是，无论哪种组合，在卷绕后所述正极片和/或负极片的压纹区均位于所述圆柱形卷绕式电芯的最内圈，通过极片上的凹槽结构为电芯内圈增加供电解液迁移的通道，由此改善电芯因内圈膨胀而带来的析锂问题，所述隔膜的性质和种类为本领域技术人员所公知，将正极片、隔膜、负极片依次设置，并通过常规的方式卷绕形成圆柱形电芯。

另一方面，本发明还提供了一种锂离子电池，包括电池壳体以及设置于电池壳体内的电芯，所述电芯为上述的圆柱形卷绕式电芯。

进一步的，优选所述电池壳体为铝塑膜，将上述圆柱形卷绕式电芯置于铝塑膜内，并通过正极极耳将正极片与电池的正极焊接，使正极片与电池的正极电连接，通过负极极耳将负极片与电池的负极焊接，使负极片与电池的负极电连接。如本领域技术人员所公知的，将圆柱形卷绕式电芯置于电池铝塑膜后，还需要向铝塑膜内注入电解液，使圆柱形卷绕式电芯浸没于电解液中，最后经过塑化和化成即可得到本发明提供的锂离子电池。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极片，其特征在于，包括集流体和活性物质层，所述集流体为条形结构，所述集流体在其长度方向的端部形成有压纹区，所述活性物质层覆盖于所述集流体的表面且至少部分覆盖于所述压纹区，所述压纹区上的活性物质层表面分布有凹槽。

2.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述压纹区的长度为集流体长度的1％～50％。

3.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述活性物质层的厚度为60～150μm。

4.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述凹槽的深度为1～5μm。

5.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述凹槽的数量为多个，所述凹槽的形状为圆形或椭圆形。

6.根据权利要求5所述的极片，其特征在于，多个所述凹槽为规则排布或者不规则排布。

7.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述集流体为铝箔或铜箔。

8.根据权利要求7所述的极片，其特征在于，所述铝箔的厚度为9～12μm；所述铜箔的厚度为5～9μm。

9.一种圆柱形卷绕式电芯，其特征在于，包括依次设置的正极片、隔膜和负极片，所述正极片和/或负极片为权利要求1-8任意一项所述的极片；

所述正极片和/或负极片的压纹区位于所述圆柱形卷绕式电芯的最内圈。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括电池壳体以及设置于电池壳体内的电芯，所述电芯为权利要求9所述的圆柱形卷绕式电芯。

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