CN114156545A - 一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池及其制备方法，属于锂离子电池技术领域，包括：S1、匀浆；S2、涂布：将正极浆料、负极浆料均匀连续涂覆在两个导电基体上，并在导电基体边缘预留所需尺寸的未涂布区域，烘干后得到正负极极片；S3、碾压；S4、分切；S5、激光切极耳：在正负极极片边缘的未涂布区域，利用激光切割设备切割出所需数量及尺寸的极耳；S6、卷绕：将正负极极片及隔膜卷绕成圆柱形电芯；S7、极耳焊接；S8、单体电池装配：将电芯与其余零部件按顺序组装及密封；S9、注液及化成：将S8中得到的电池利用注液机注入所需种类及数量的电解液，浸润后按设定程序进行化成，得到成品电池。

Description

一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池及其制备方法。
背景技术
由于锂离子电池具有工作电压高，循环寿命长，安全性能好的特点，因此被各行各业广泛应用。传统圆柱锂离子电池正负极耳均为在正负极片上预留间隙，采用超声焊接的方式在空箔处焊铝带和镍带，增加了电池的内阻，存在脱焊风险，且倍率放电差，低温性能差，由于受圆柱锂离子电池直径的限制，限制了正极和负极的极耳数量和加工难度，从而限制了圆柱形锂离子电池的性能提升。电池在大倍率放电时，极耳发热严重，导致电池整体温升过高，电池容易热失控，从而导致电池倍率放电性能和循环性能持续恶化。
发明内容
本发明提供一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池及其制备方法，解决传统极耳焊接工艺存在的问题，经极耳一体化成型工艺改进的集流结构制备出的锂离子电池欧姆阻抗低，倍率性能好，温升小，低温性能好；尺寸呈阶梯式变化的极耳解决了卷绕时由于圆柱形电池中心曲率过大造成的极耳变形问题，同时保证了极耳数量，平衡电流密度分布。
本发明的第一目的是提供一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法，包括：
S1、匀浆：将正极活性物质、导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到正极浆料；将负极活性物质、导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到负极浆料；
S2、涂布：将所述正极浆料、负极浆料均匀连续涂覆在两个导电基体上，并在导电基体边缘预留所需尺寸的未涂布区域，烘干后得到正负极极片；
S3、碾压：将所述正负极极片碾压到设计压实密度；
S4、分切：将所述正负极极片分切至所需宽度，且单侧边缘带有未涂布区域的正负极极片；
S5、激光切极耳：在所述正负极极片边缘的未涂布区域，利用激光切割设备切割出所需数量及尺寸的极耳，得到带有正负极极耳的正负极极片；
S6、卷绕：将所述正负极极片及隔膜卷绕成圆柱形电芯；
S7、极耳焊接；
S8、单体电池装配：将所述电芯与其余零部件按顺序组装及密封；
S9、注液及化成：将S7中得到的电池利用注液机注入所需种类及数量的电解液，浸润后按设定程序进行化成，得到成品电池。
优选地，所述导电基体的正极为铝箔，所述导电基体的负极为铜箔。
优选地，在S5中，极耳在长度及宽度方向上呈阶梯式分布。
优选地，在S6中，正负极极耳呈一字型或对称排列。
优选地，在S2中，所述未涂布区域的宽度为30mm。
优选地，所述S7具体为：将一字型排列的极耳通过超声焊接在转接片上，再将转接片焊接于电池上盖及下盖。
本发明的第二目的是提供一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池，由上述制备方法制备得到。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明通过在正负极极片边缘处预留未涂布区，并在此区域采用激光切割工艺一体化成型正负极极耳，避免了传统超声焊接极耳焊接强度差，结合处断裂等风险；极耳数量灵活可控，通过增加极耳数量制备出的圆柱形锂离子电池，欧姆内阻更低，倍率性能及低温性能更好，大电流放电下的温升更低；且长度及宽度阶梯式分布，既保证了电流密度的均匀分布，又避免了由于圆柱形电芯中心曲率过大造成的极耳变形及断裂风险。
附图说明
图1为本发明优选实施例中阶梯式一体成型极耳结构的极片示意图；
图2为传统超声焊采用的极片结构示意图；
图3为本发明优选实施例中极耳呈一字型分布的电芯示意图；
图4为本发明优选实施例中极耳呈对称分布的电芯示意图；
图5为本发明优选实施例中采用相等尺寸极耳极片卷绕成的电芯示意图；
图6为本发明优选实施例中采用的极耳转接片A的示意图；
图7为本发明优选实施例中采用的极耳转接片B的示意图。
图8为不同极耳结构制成的圆柱形电池对应的内阻对比图；
图9为不同极耳结构制成的圆柱形电池在-20℃下的放电曲线对比图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1至图9所示，本发明的技术方案为：
一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法；
实施例1
S1、匀浆：将正极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到正极浆料；将负极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到负极浆料；
S2、涂布：将S1中得到的正极浆料均匀连续涂覆在第一导电基体上，负极浆料均匀连续涂覆在第二导电基体上，并在导电基体边缘预留30mm宽度的未涂布区域1，烘干后得到正负极极片；
S3、碾压：将S2中得到的正负极极片碾压到设计压实密度，得到致密且孔隙体积合理的正负极极片；
S4、分切：将S3中得到的正负极极片分切至所需宽度尺寸，且单侧边缘带有未涂布区域的正负极极片；
S5、激光切极耳：在S4中得到的正负极极片边缘未涂布区域利用激光切割设备切割出在长度和宽度方向阶梯式变化的极耳2，得到带有一体成型极耳的正负极极片，如图1所示；
S6、卷绕：将S5中得到的正负极极片及隔膜卷绕成图3所示的圆柱形电芯，正负极极耳呈一字型排列；
S7、极耳焊接：将S6中一字型排列的极耳超声焊接在如图6所示转接片A上，再将转接片A焊接于电池上盖及下盖；
S8、单体电池装配：将S7中得到的电芯与其余零部件按顺序组装及密封；
S9、注液及化成：将S8中得到的电池利用注液机注入所需种类及数量的电解液，浸润后按设定程序进行化成，得到成品电池。
实施例2
S1、匀浆：将正极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到正极浆料；将负极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到负极浆料；
S2、涂布：将S1中得到的正极浆料均匀连续涂覆在铝箔上，负极浆料均匀连续涂覆在铜箔上，并在金属箔边缘预留30mm宽度的未涂布区域1，烘干后得到正负极极片；
S3、碾压：将S2中得到的正负极极片碾压到设计压实密度，得到致密且孔隙体积合理的正负极极片；
S4、分切：将S3中得到的正负极极片分切至所需宽度尺寸，且单侧边缘带有未涂布区域的正负极极片；
S5、激光切极耳：在S4中得到的正负极极片边缘未涂布区域利用激光切割设备切割出在长度和宽度方向阶梯式变化的极耳2，得到带有一体成型极耳的正负极极片，如图1所示；
S6、卷绕：将S5中得到的正负极极片及隔膜卷绕成图4所示的圆柱形电芯，正负极极耳呈对侧分布；
S7、极耳焊接：将S6中对侧排列的极耳超声焊接在如图7所示转接片B上，再将转接片B焊接于电池上盖及下盖；
S8、单体电池装配：将S7中得到的电芯与其余零部件按顺序组装及密封；
S9、注液及化成：将S8中得到的电池利用注液机注入所需种类及数量的电解液，浸润后按设定程序进行化成，得到成品电池。
对比例1
S1、匀浆：将正极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到正极浆料；将负极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到负极浆料；
S2、涂布：将S1中得到的正极浆料均匀涂覆在铝箔上，负极浆料均匀涂覆在铜箔上，且在涂布过程中每隔一段距离预留10mm的未涂布区3，烘干后得到正负极极片；
S3、碾压：将S2中得到的正负极极片碾压到设计压实密度，得到致密且孔隙体积合理的正负极极片；
S4、分切：将S3中得到的正负极极片分切至所需宽度尺寸，且极片间隙带有未涂布区域的正负极极片，如图2所示；
S5、超声焊接极耳：在S4中得到的正负极极片间隙未涂布区域3利用超声焊焊接极耳4，正极为铝极耳，负极为镍极耳；
S6、卷绕：将S5中得到的正负极极片及隔膜卷绕成圆柱形电芯；
S7、单体电池装配：将S6中得到的电芯与其余零部件按顺序组装及密封；
S8、注液及化成：将S7中得到的电池利用注液机注入所需种类及数量的电解液，浸润后按设定程序进行化成，得到成品电池。
对比例2
S1、匀浆：将正极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到正极浆料；将负极活性物质与导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到负极浆料；
S2、涂布：将S1中得到的正极浆料均匀连续涂覆在铝箔上，负极浆料均匀连续涂覆在铜箔上，并在金属箔边缘预留30mm宽度的未涂布区域1，烘干后得到正负极极片；
S3、碾压：将S2中得到的正负极极片碾压到设计压实密度，得到致密且孔隙体积合理的正负极极片；
S4、分切：将S3中得到的正负极极片分切至所需宽度尺寸，且单侧边缘带有未涂布区域的正负极极片；
S5、激光切极耳：在S4中得到的正负极极片边缘未涂布区域利用激光切割设备切割出尺寸一致的极耳2，得到带有一体成型极耳的正负极极片；
S6、卷绕：将S5中得到的正负极极片及隔膜卷绕成图5所示的圆柱形电芯，正负极极耳呈一字型分布；
S7、极耳焊接：将S6中对侧排列的极耳超声焊接在如图6所示转接片A上，再将转接片A焊接于电池上盖及下盖；
S8、单体电池装配：将S7中得到的电芯与其余零部件按顺序组装及密封；
S9、注液及化成：将S8中得到的电池利用注液机注入所需种类及数量的电解液，浸润后按设定程序进行化成，得到成品电池。
分别对实施例1、实施例2及对比例1、对比例2进行交流阻抗测试。
电池内阻由日本日置HIOKI公司生产的3561BATTERY HiTESTER型内阻测试仪测试，测试结果如图8所示。
低温放电测试方法如下：在20℃下以0.2C恒流充电至4.1V，经4.1V恒压充电待电流降至0.01C停止充电，静置1h后，以0.5C恒流放电至2.75V，记录20℃下放电容量Q1；静置1h后，重复上述充电步骤，待恒温箱温度降至-20摄氏度，静置8h，以0.5C恒流放电至2.75V，记录-20℃下放电容量Q2。用下式计算各案例在-20℃下容量保持率：容量保持率＝Q2/Q1*100％。测试结果如图6所示。
相比于传统超声焊焊接极耳结构，采用一体成型极耳结构的锂离子电池，由于极耳数量的增加，内阻均大幅降低，极耳对称分布的实施例2，内阻降低61.8％，如图8所示。根据焦耳定律Q＝I^2Rt可得(Q：焦耳热；I：电流；R：阻值；t：时间)，相同放电条件下，激光切极耳结构产生的焦耳热更少，温升更低，有利于提高电池寿命。
相比于由相同尺寸极耳的极片制备出的锂离子电池，采用阶梯式一体成型极耳结构的锂离子电池，靠近卷芯中心处的极耳变窄变长，既保证了过流面积，又均衡了电流密度，同时避免了后续极耳整形过程造成的极耳变形和断裂等问题。
如图9所示，在-20℃环境下，对典型案例——实施例2及对比例1进行放电测试，实施例2及对比例1的容量保持率分别为84.0％和81.9％；放电电压平台分别为3.36V，3.31V，低温下，一体化成型极耳结构的容量保持率及电压平台均高于传统超声焊结构。因此，激光切极耳结构对电池低温放电能力有提升作用。
以上所述仅是对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，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法，其特征在于，至少包括：
S1、匀浆：将正极活性物质、导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到正极浆料；将负极活性物质、导电剂、粘结剂按一定比例混合，搅拌均匀得到负极浆料；
S2、涂布：将所述正极浆料、负极浆料均匀连续涂覆在两个导电基体上，并在导电基体边缘预留所需尺寸的未涂布区域，烘干后得到正负极极片；
S3、碾压：将所述正负极极片碾压到设计压实密度；
S4、分切：将所述正负极极片分切至所需宽度，且单侧边缘带有未涂布区域的正负极极片；
S5、激光切极耳：在所述正负极极片边缘的未涂布区域，利用激光切割设备切割出所需数量及尺寸的极耳，得到带有正负极极耳的正负极极片；
S6、卷绕：将所述正负极极片及隔膜卷绕成圆柱形电芯；
S7、极耳焊接；
S8、单体电池装配：将所述电芯与其余零部件按顺序组装及密封；
S9、注液及化成：将S7中得到的电池利用注液机注入所需种类及数量的电解液，浸润后按设定程序进行化成，得到成品电池。
2.根据权利要求1所述阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述导电基体的正极为铝箔，所述导电基体的负极为铜箔。
3.根据权利要求1所述阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法，其特征在于，在S5中，极耳在长度及宽度方向上呈阶梯式分布。
4.根据权利要求1所述阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法，其特征在于，在S6中，正负极极耳呈一字型或对称分布。
5.根据权利要求1所述阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法，其特征在于，在S2中，所述未涂布区域的宽度为30mm。
6.根据权利要求1所述阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述S7具体为：将一字型排列或对称排列的极耳通过超声焊接在转接片上，再将转接片焊接于电池上盖及下盖。
7.一种阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池，其特征在于，由上述权利要求1-6任一项所述阶梯式一体成型极耳卷绕式锂离子电池的制备方法制备得到。
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