CN113964372B - 一种高功率圆柱型锂离子电池 - Google Patents

一种高功率圆柱型锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率圆柱型锂离子电池。本发明的极组结构由正极片、负极片、隔膜卷绕而成，其中，正极片采用双极耳结构，负极片采用多极耳结构，由负极片涂层边缘铜箔切割形成多个负极极耳。该极组不仅能有效降低电池内阻，提高其功率性能，而且极组结构简单，能够使用圆柱电池传统成熟的注液、封装和焊接工艺，无需额外的结构件，便于批量化生产。此外，本发明优化了电池正极涂层，其包括正极活性材料、导电剂、粘结剂和正极添加剂，所述正极活性材料为高镍小颗粒正极活性材料，从而加快锂离子的交换速率，降低内阻。

Description

一种高功率圆柱型锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种高功率圆柱型锂离子电池的极组结构。
背景技术
圆柱型锂离子电池因具有能量密度大、循环寿命长、安全性能好，一致性高等优点，在电动汽车、移动电话、电动工具等领域有着广泛的应用。近年来，随着化石能源问题及环境污染问题日趋严重，新能源汽车在全球范围内得到广泛重视并快速发展。目前，新能源汽车，特别是混合动力汽车对高功率锂离子电池要求越来越高，一般要求能够支持10C充放电，且寿命、容量方面满足车用要求。目前，商业化的圆柱型锂离子电池无法满足市场的需求。
通常，提升圆柱型锂离子电池的功率性能，可以从电芯结构设计和化学体系优化两方面入手。一方面，在相同的化学体系下，增加正负极耳数量是提升功率性能的有效手段之一。作为电流传输的“通道”，极耳的数量和位置直接影响电池的内阻大小、电流密度分布、电池大倍率放电时的温升等。在圆柱型电池中采用多极耳设计方案可以有效减低内阻、提升功率性能，但圆柱型电池卷绕结构要求正极端多个极耳的相互重叠，以便多极耳合焊并进一步与正极盖帽连接。采用多个铝箔极耳设计时，在实际生产中，铝箔极耳难以全部对齐，且铝箔本身较薄，极耳合焊及同盖帽焊接困难，难以进行批量化生产。近期，全极耳式（无极耳式）设计也被用于降低内阻、提升功率，但是该结构不仅结构件复杂，如需要增加集流板等等，而且无法利用传统的18650,21700产线的注液、焊接、封装工艺和设备，制作成本高，产率低。
另一方面，在化学体系上，包括使用高功率正负极活性材料、优化导电剂、隔膜等，也可以改善电池的功率、循环等性能。传统的高功率圆柱型锂离子电池通常比较容易满足大倍率放电，但是在大倍率充电或者脉冲充电时很容量析锂，且循环性能差，通常只能达到2C充10C放电循环300次容量保持率80%，无法满足快充快放的高功率、长寿命的市场需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高功率圆柱型锂离子电池。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高功率圆柱型锂离子电池的极组结构，由正极片、负极片和隔膜卷绕而成；所述正极片采用双极耳结构，包括正极集流体和正极涂层及2个固接与正极集流体表面的正极耳。所述正极集流体上预留2个未涂覆正极涂层的间隙位，所述正极耳焊接于间隙位。所述正极间隙位还贴有正极覆盖胶带并覆盖所述正极耳。所述正极耳在所述正极片卷制成极组后相互重叠，可合焊在一起；所述负极片采用多极耳结构，包括负极集流体和负极涂层。所述负极极片双面涂覆有负极涂层，边缘裸露的铜箔切割成多个负极极耳，所述铜箔极耳地间距对应卷绕圈的长度，使得所述负极极耳在卷制成极组后相互重叠；所述隔膜位于正极片和负极片之间；
所述正极涂层的组分为91％～98％的正极活性材料、0.5%~3%的导电剂A、0.5%~3%的导电剂B、0.9％～3％的粘结剂和0.01％～2％的正极添加剂；
所述正极活性材料为高镍小颗粒正极活性材料，镍含量的占比范围为：80％≤镍含量＜100％，正极活性材料颗粒粒径D50在3~7μm之间；
所述正极添加剂包括马来酸或碳酸锂。
所述隔膜表面有陶瓷涂层；
进一步地，所述高镍小颗粒正极活性材料为镍钴锰酸锂NCM、镍钴铝酸锂NCA、镍钴锰铝酸锂NCMA材料中的一种或几种；；
进一步地，所述正极活性材料的比表面积为0.6 ~ 1.4 m2/g；
进一步地，所述正极活性材料的克容量为≥ 200 mAh/g；
所述导电剂A为碳纳米管或碳纤维；
所述导电剂B为导电炭黑Super-P或科琴黑；
所述粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF；
所述正极添加剂包含有马来酸或碳酸锂；
进一步地，所述碳酸锂含量为0~1.5%。
（1）本发明提供的圆柱型锂离子电池极组，正极采用双正极耳结构、负极采用多极耳结构，不仅能有效降低电池内阻，提高其功率性能，而且极组结构简单，能够使用圆柱电池传统成熟的注液、封装和焊接工艺，无需额外的结构件，便于批量化生产。
（2）本发明正极涂层使用高镍小颗粒正极活性材料，D50为3~7μm，能够有效增加同电解液反应面积，加快锂离子的交换速率，从而降低电池内阻，提升功率性能，且克容量≥200mAh/g，能够在提升电池功率的同时保持较高能量密度。此外，正极配方中的添加剂能够有效避免该高镍正极活性材料在匀浆过程中凝胶现象，利于正极浆料制备、涂覆，从而提高了产品的综合性能。
（3）通过对极组结构和化学体系的优化，本发明制备的高功率圆柱型锂离子电池具备优异的功率、循环性能，在能量密度达到150Wh/kg的同时具备快充快放能力，10C充电10C放电循环500次容量保持率80%以上，明显优于市面上同类型的圆柱型锂离子电池。
本发明锂离子电池具备优异的功率、循环性能，该极组结构不仅能有效降低电池内阻，提升功率，而且结构简单，能够利用传统成熟的注液、封装和焊接工艺，无需额外的结构件，便于批量化生产。
附图说明
图1 a正极片结构示意图；
图1 b负极片结构示意图；
图2 卷绕后极组示意图；
图3a对比例一和对比例二的正极片结构示意图；
图3b对比例一和对比例二的负极片结构示意图；
图4实施例和对比例中电池直流内阻图；
图5实施例和对比例中电池10C10C循环图。
附图中：1-正极片；2-负极片；3-正极片涂覆间隔；4-正极极耳； 5-正极极耳覆盖胶带；6-负极极耳； 7-卷绕后极组照片；8-负极片涂覆间隔；9-负极镍极耳覆盖胶带。
实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明的技术内容和所实现目的及效果。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
如图1~2所示，一种高功率圆柱型锂离子电池的极组结构，由正极片1、负极片2和隔膜卷绕而成；所述正极片采用双极耳结构（详见图1a），包括正极集流体和正极涂层及2个与正极集流体表面固接的正极耳4；所述正极片有2个涂覆间隙3，所述正极间隙位有正极耳4；所述涂覆间隙还贴有正极覆盖胶带5并覆盖所述正极耳4。卷制成极组后，所述正极耳4相互重叠，可合焊在一起（详见图2）。所述负极片采用多极耳结构，包括负极集流体和负极涂层，所述负极极片双面涂覆有负极涂层，且边缘裸露的铜箔切割成多个负极极耳6。所述铜箔极耳的间距对应卷绕圈的长度（详见图1b），使得所述负极极耳在卷制成极组后相互重叠（详见图2）。所述隔膜位于正极片和负极片之间。该极组结构不仅能有效降低电池内阻，提高其功率性能，而且极组结构简单，能够使用圆柱电池传统成熟的注液、封装和焊接工艺，无需额外的结构件，便于批量化生产。
另外，本发明还提供一种高功率圆柱型锂离子电池，其采用如前所述的极组结构且对正极涂层配方进行改进，下面结合具体实施列进一步进行阐述。
实施例
（1）正极片的制备：
在正极溶剂（NMP）溶剂中，加入PVDF以及正极添加剂马来酸，充分搅拌均匀（例如搅拌1小时），加入导电剂A碳纳米管和导电剂B科琴黑，继续搅拌至均匀（例如搅拌3~5小时），最后加入高镍小颗粒正极活性材料，充分搅拌均匀（例如2~4个小时），通过增加NMP溶剂调节至合适粘度，即获得所需的正极浆料；
其中，高镍小颗粒正极活性材料、导电剂A、导电剂B、粘结剂PVDF、正极添加剂马来酸的质量比分别为93.9：1：3：2：0.1。所述高镍小颗粒正极活性材料颗粒粒径D50为4.5±1.5μm，克容量为210mAh/g。
将上述正极浆料涂覆在正极集流体上，经过干燥、碾压、分切，焊接正极极耳,粘贴正极耳覆盖胶带后，即得到所需正极片。
其中，所述正极集流体为15μm铝箔，所述正极分别位于正极片1/4和3/4位置, （如图1a所示结构）。
（2）负极片的制备
在负极溶剂（H2O）中，按照一定比例加入负极活性材料、负极导电剂、CMC、SBR，充分搅拌均匀，得到负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经过干燥、碾压、分切，即得到所需负极片。
其中，所述负极集流体为20μm铝箔，负极浆料涂布时边缘预留铜箔，该预留铜箔在分切过程中使用激光切切割成负极极耳（如图1b所示结构）；
（3）极组及圆柱型锂离子电池的制备
将上述正极片，负极片和隔膜卷绕成极组，并将2个正极耳进行合焊，即得到本发明所述的高功率圆柱型锂离子电池的极组结构。
将上述极组装入电池壳体中，经底焊、收口、注入电解液，焊接盖帽、封口、清洗、化成等工序，制备21700-3.0Ah的圆柱型锂离子电池。
实施例
（1）正极片的制备
同实施例一，在NMP溶剂中，加入PVDF以及正极添加剂马来酸，充分搅拌均匀，加入导电剂A碳纤维和导电剂B导电碳黑，继续搅拌至均匀，最后加入高镍小颗粒正极活性材料，充分搅拌均匀，得到所需的正极浆料。
其中，高镍小颗粒正极活性材料、导电剂A、导电剂B、粘结剂PVDF、正极添加剂马来酸的质量比分别为95.95：1.5：1：1.5：0.05。所述高镍小颗粒正极活性材料颗粒粒径D50为4.5±1.5μm，克容量为210mAh/g。
将上述正极浆料涂覆在正极集流体上，经过干燥、碾压、分切，焊接正极极耳,粘贴正极耳覆盖胶带后，即得到所需正极片。其中，所述正极耳分别位于正极片1/3和2/3位置。
（2）负极片的制备
同实施例一。
（3）极组及圆柱型锂离子电池的制备
同实施例一，将正极片、负极、隔膜卷绕成极组，制备成21700-3.0Ah的圆柱型锂离子电池。
（1）正极片的制备
同实施例一, （如图3a所示结构）。
（2）负极片的制备
同实施例一制备得到负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经过干燥、碾压、分切，焊接负极耳6、粘贴负极覆盖胶带9，即得到所需负极片。
其中，负极浆料涂布时在极片芯部和尾部预留负极耳间隙8，用于负极极耳焊接，所述负极耳为镍极耳6，所得负极片结构如图3b所示。
（3）极组及圆柱型锂离子电池的制备
同实施例一，将正极片、负极、隔膜卷绕成极组，制备成21700-3.0Ah的圆柱型锂离子电池。
（1）正极片的制备
同对比例一，将高镍小颗粒正极活性材料变为普通高镍正极活性材料，其颗粒粒径D50为12.5±1.5μm，克容量为210mAh/g，其它同对比例一制备正极片；
（2）负极片的制备
同对比例一；
（3）极组及圆柱型锂离子电池的制备
同对比例一，将正极片、负极、隔膜卷绕成极组，制备成21700-3.0Ah的圆柱型锂离子电池。
将实施例和对比例制得的圆柱型锂离子电池进行如下评估：
1、直流内阻测试：在25℃环境中，将电池充电到指定容量状态，休眠1h，10A放电10s，计算放电前后电压差和放电电流差的比值，即直流内阻。如图4所示，相对于对比例二，对比例一采用本发明提供的正极涂层优化配方，直流内阻降低了约10%。进一步地，实施例一和实施例二采用本发明提供的极组结构后，直流内组再次减低，相对于对比例二，直流内阻降低20%以上。而直流内阻的降低，不仅有助于产品功率性能提升，而且能够减少电池的产热，有利于提升循环。
2、10C10C循环测试：在25℃环境中，将电池以10C倍率充电，10C倍率放电，100％DOD（循环深度）进行充放电循环。从图5中可以看出，对比例二电池10C10C循环中容量保持率80%时仅循环约240次，而对比例一循环提升至410次。实施例一和实施例二则可以在10C10C循环500次后，容量保持率仍在80%以上。
综上所述，通过对极组结构合化学体系的优化，本发明制备的高功率圆柱型锂离子电池具备优异的功率、循环性能，在能量密度达到150Wh/kg的同时具备快充快放能力，10C充电10C放电循环500次容量保持率80%以上，在混合动力汽车、电动工具、智能家居等领域有广阔的应用前景。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高功率圆柱型锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的极组结构由正极片（1）、负极片（2）和隔膜卷绕而成，其中：所述正极片采用双极耳结构，包括正极集流体和正极涂层及2个与正极集流体表面固接的正极耳（4）；所述正极片预留2个未涂覆正极涂层的间隙（3），每个正极间隙位分别安装正极耳（4）；卷制成极组后，两个正极耳相互重叠，并合焊在一起；所述负极片采用多极耳结构，包括负极集流体和负极涂层，所述负极片双面涂覆有负极涂层，负极片边缘裸露的铜箔切割成多个负极极耳（6），所述负极极耳的间距对应卷绕圈的长度，使得负极极耳在卷制成极组后相互重叠；所述隔膜位于正极片和负极片之间；
所述正极涂层的组分为91％～98％的正极活性材料、0.5%~3%的导电剂A、0.5%~3%的导电剂B、0.9％～3％的粘结剂和0.01％～2％的正极添加剂；
所述正极活性材料为高镍小颗粒正极活性材料，镍含量的占比范围为：80％≤镍含量＜100％，正极活性材料颗粒粒径D50在3~7μm之间；
所述正极添加剂包括马来酸或碳酸锂；
所述高功率圆柱型锂离子电池10C充电10C放电循环500次容量保持率80%以上。
2.根据权利要求1所述的高功率圆柱型锂离子电池，其特征在于，所述正极涂层的高镍小颗粒正极活性材料为镍钴锰酸锂NCM、镍钴铝酸锂NCA、镍钴锰铝酸锂NCMA材料中的一种或几种。
3. 根据权利要求1所述的高功率圆柱型锂离子电池，其特征在于，所述正极活性材料的比表面积为0.6 ~ 1.4 m2/g；所述正极活性材料的克容量为≥ 200 mAh/g。
4.根据权利要求1所述的高功率圆柱型锂离子电池，其特征在于，所述导电剂A为碳纳米管或碳纤维；所述导电剂B为导电炭黑Super-P或科琴黑。
5.根据权利要求1所述的高功率圆柱型锂离子电池，其特征在于，所选正极添加剂碳酸锂含量为0~1.5%。
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