CN114613935A - 一种锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括卷绕成形的正极片，所述正极片包括正极集流体和和设置在正极集流体至少一个表面的正极活性层，所述正极活性层包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于卷绕弯曲区域；所述第一区域的面密度小于所述第二区域的面密度。本发明提供的锂离子电池有助于缓解应力集中的问题，从而缓解了由应力集中导致的锂离子电池循环性能和安全性不佳的问题。

Description

一种锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，涉及二次电池技术领域。

背景技术

随着新能源技术的发展，锂离子电池在消费电子领域、电动汽车领域得到大量的应用，根据制作方式的不同，锂离子电池可以分为叠片电池和卷绕电池，卷绕电池因制备工艺简单易操作，容易实现产业自动化，得到了广泛的应用。

卷绕电池是指将极片通过卷绕工艺制备得到的锂离子电池，根据极片的卷绕方式，卷绕电池包括弯曲区域和平直区域，对于卷绕电池来说，应力集中在弯曲区域，并且随着锂离子电池的充放电循环，弯曲区域的极片容易膨胀变形，膨胀变形的极片容易将电解液挤出，造成析锂、隔膜强度下降等问题，不仅容易造成容量衰减、产气的问题，而且还可能出现微短路、电击穿等现象，影响锂离子电池的循环性能和安全性；伴随着行业对锂离子电池充电速度的要求越来越高，这种现象会更加严重。

发明内容

本发明提供一种锂离子电池，用于改善卷绕电池应力集中的问题，提高锂离子电池的循环性能和安全性。

本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括卷绕成形的正极片，所述正极片包括正极集流体和和设置在正极集流体至少一个表面的正极活性层，所述正极活性层包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于卷绕弯曲区域；

所述第一区域的面密度小于所述第二区域的面密度。

本发明提供一种锂离子电池，图1为本发明一实施例提供的锂离子电池的结构示意图，如图1所示，其包括卷绕成形的正极片100、负极片200以及隔膜300，隔膜300位于正极片100和负极片200之间，用于隔绝正极片100和负极片200接触发生电池短路，正极片100和负极片200中包括活性物质，通过锂离子在活性物质之间的脱出与嵌入为锂离子电池提供容量，根据图1可以看出，部分正极片和负极片位于卷绕电池的弯曲区域，剩余部分正极片和负极片位于卷绕电池的平直区域，正极片和负极片中的平直区域和弯曲区域依次交替排列组成最终的卷绕电池；将卷绕成形的正极片100拉直后即可得到图2所示的正极片的俯视图，如图2所示，正极片100包括正极集流体101和设置在正极集流体101一个表面的正极活性层，需要说明的是，由于图2为正极片的俯视图，仅示出了正极集流体101一个表面的正极活性层，对于正极集流体101另一表面的正极活性层，本领域技术人员根据实际需要进行设置即可，正极活性层包括第一区域1021和第二区域1022，第一区域1021位于卷绕电池的弯曲区域，除第一区域1021以外的区域均为第二区域1022，也就是说，将图2所示的正极片卷绕成形后，第一区域1021位于卷绕电池左右两侧的弯曲区域，需要说明的是，第一区域1021位于卷绕弯曲区域，但并非所有的卷绕弯曲区域均为第一区域，设锂离子电池的卷绕层数为i层，每层包括左右两个弯曲区域，即锂离子电池包括2i个弯曲区域，第一区域1021为2i个弯曲区域中的至少一个，例如，当2i个弯曲区域中仅一个弯曲区域为第一区域1021时，则正极活性层从靠近极耳一侧至远离极耳一侧依次分为第二区域1022、第一区域1021和第二区域1022，当2i个弯曲区域均为第一区域1021时，第一区域1021和第二区域1022依次交替排列，即正极活性层具有如图2所示的结构，本发明对于第一区域的长度、数量均不作进一步限制，根据电池实际需要进行设置即可；弯曲区域是卷绕电池的应力集中点，而本发明通过降低正极活性层第一区域的面密度以缓解该技术问题，具体地，所述第一区域的面密度小于所述第二区域的面密度，面密度是指单位面积内正极活性层的质量，本领域技术人员可以通过以下技术手段降低第一区域面密度，(1)用不同固含量的正极浆料分别涂覆第一区域和第二区域，其中，第一区域正极浆料固含量小于第二区域正极浆料固含量，涂敷方式、涂覆厚度均相同，然后辊压到相同厚度；(2)或使用相同固含量的正极浆料，降低第一区域正极浆料的涂覆量，比如第一区域涂覆一层，第二区域涂覆两层，然后辊压到相同厚度；通过降低第一区域的面密度，在第一区域和第二区域的厚度相等的情况下，有助于提高第一区域的孔隙率，不仅有助于增加第一区域的塑性，从而改善应力集中的问题，而且有助于储存更多的电解液，在极片膨胀变形挤压时，就算被挤出部分电解液，里面仍会残留较多电解液，可为电化学反应提供离子通道，从而缓解锂离子电池的容量衰减速率，减少产气，避免微短路、电击穿等问题，提高锂离子电池的循环性能的安全性。

面密度的降低在一定程度上会影响锂离子电池的能量密度，因此，第一区域的面密度不宜降低过多，具体地，所述第二区域的面密度与所述第一区域的面密度的比值为(1.1-1.5)：1。

根据图1可以看出，卷绕电池还包括负极片200，其同样存在应力集中的问题，因此，为了进一步提高锂离子电池的性能，对负极片200采用与正极片100相同的技术手段，具体地，所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个表面的负极活性层，所述负极活性层包括第三区域和第四区域，所述第三区域位于卷绕弯曲区域，且所述第三区域的面密度小于所述第四区域的面密度。

图3为本发明一实施例提供的负极片的俯视图，如图3所示，负极片200包括负极集流体201和设置在负极集流体201至少一个表面的负极活性层，与正极活性层相同，负极活性层包括第三区域2021和第四区域2022，第三区域2021位于卷绕弯曲区域，除第三区域2021以外的区域均为第四区域2022，需要注意的是，为了防止负极片析锂问题的发生，第三区域2021需与第一区域1021对应即二者之间进行电化学反应，否则当第一区域1021的面密度不降低，而第三区域2021的面密度降低时，第一区域1021脱出的锂离子无法全部嵌入第三区域2021中，引发析锂。

进一步地，所述第四区域的面密度与所述第三区域的面密度的比值为(1.1-1.5)：1。

当第三区域2021与第一区域1021相对进行电化学反应时，为了避免第三区域面密度过低，无法嵌入从第一区域1021脱出的锂离子，造成第三区域2021析锂，第三区域2021的面密度降低幅度不宜高于第一区域1021面密度的降低幅度，即所述第二区域的面密度与所述第一区域的面密度的比值为a，所述第四区域的面密度与所述第三区域的面密度的比值为b，a≥b。

在锂离子电池制备过程中，可将正/负极活性物质搭配必要的导电剂和粘结剂按照一定的质量比混合均匀后涂覆在正/负极集流体表面对应区域，经烘干、辊压后得到正/负极片，随后将正/负极片搭配隔膜300卷绕成形，并将正极耳400、负极耳500分别连接在正/负极集流体表面，经封装、注液、化成等常规工序即可得到锂离子电池，具体地，第一区域和第二区域中的正极活性物质独立的选自磷酸铁锂(LiFePO₄)、钴酸锂(LiCoO₂)、镍钴锰酸锂(Li_zNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，其中0.95≤z≤1.05，x＞0，y＞0，0＜x+y＜1)、锰酸锂(LiMnO₂)、镍钴铝酸(Li_zNi_xCo_yAl_1-x-yO₂，其中0.95≤z≤1.05，x＞0，y＞0，0.8≤x+y＜1)、镍钴锰铝酸锂(Li_zNi_xCo_yMn_wAl_1-x-y-wO₂，其中0.95≤z≤1.05，x＞0，y＞0，w＞0，0.8≤x+y+w＜1)、镍钴铝钨材料、富锂锰基固溶体正极材料(xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂，其中M＝Ni/Co/Mn)、镍钴酸锂(LiNi_xCo_yO₂，其中x＞0，y＞0，x+y＝1)、镍钛镁酸锂(LiNi_xTi_yMg_zO₂，其中，x＞0，y＞0，z＞0，x+y+z＝1)、镍酸锂(Li₂NiO₂)、尖晶石锰酸锂(LiMn₂O₄)、镍钴钨材料中的一种或多种；第三区域和第四区域中负极活性物质包括石墨、纯硅、硅的化合物中的一种或多种，导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、导电石墨、导电碳纤维、金属粉、碳纤维中的一种或者多种，粘结剂选自丁苯胶乳、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氧化乙烯、聚酰胺酰亚胺中的一种或者多种；负极活性层中还包括分散剂，分散剂选自羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂中的一种或多种。

将上述材料按照一定的质量比溶于溶剂中得到正/负极活性层浆料，并将其涂布在正/负极集流体表面，涂布过程中，需根据电池的卷绕方式，设计第一区域1021、第三区域2021的位置和长度，继续参考图2-3，第一区域1021的长度W_Ci和第三区域2021的长度W_Ai可以包括如下两种情况：1、W_Ci和W_Ai为变长度，即第一区域1021和第三区域2021的长度可以根据对应卷绕层的卷绕直径计算得到，继续参考图1，当第一区域1021所在的卷绕弯曲区域的卷绕直径为h_Ci时，对应第一区域的长度W_Ci＝0.5*π*h_Ci，考虑到制造工艺正负极片对齐度的原因，为了避免第三区域2021与第二区域1022对应，导致从第二区域1022脱出的锂离子，无法嵌入第三区域2021，造成第三区域2021析锂，所以设定对应第三区域2021的长度W_Ai＝(0-0.9)*W_Ci，或W_Ai＝W_Ci-(0.5-2)；若正负极片对齐度很好，则对应第三区域的长度W_Ai＝0.5*域的h_Ai；其中，h_Ai为第三区域所在的卷绕弯曲区域的卷绕直径；2、W_Ci和W_Ai为固定长度，即设定每层的第一区域1021和第三区域2021的长度为固定值，不随层数发生变化，W_Ci＝(0.1-2)*π*h_Cv，其中，h_Cv为所述弯曲区域的平均卷绕直径，若正负级片对齐度较差，则W_Ai＝(0-0.9)*W_Ci，或W_Ai＝W_Ci-(0.5-2)；若正负极片对齐度很好，则W_Ai＝W_Ci。

本发明不限定第一区域2021和第三区域1021的个数，个数越多锂离子电池的性能也就越好，具体可以根据实际生产需要合理设置，本发明对此不做进一步限制。

涂布结束后，经烘干、辊压即可得到正/负极片，辊压过程中，应保证第一区域和第二区域的厚度相同，第三区域和第四区域的厚度相同，从而在降低面密度的基础上，降低第一区域和第三区域的孔隙率，从而改善锂离子电池应力集中的问题。

本发明通过对正极活性层划分第一区域和第二区域，并降低第一区域的面密度，在第一区域和第二区域的厚度相等的情况下，有助于提高第一区域的孔隙率，不仅有助于增加第一区域的塑性，从而改善应力集中的问题，而且有助于储存更多的电解液，在极片膨胀变形挤压时，就算被挤出部分电解液，里面仍会残留较多电解液，可为电化学反应提供离子通道，从而缓解锂离子电池的容量衰减速率，减少产气，避免微短路、电击穿等问题，提高锂离子电池的循环性能的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的卷绕锂离子电池的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的正极片的俯视图；

图3为本发明一实施例提供的负极片的俯视图。

附图标记说明：

100-正极片；

101-正极集流体；

1021-第一区域；

1022-第二区域；

200-负极片；

201-负极集流体；

2021-第三区域；

2022-第四区域；

300-隔膜；

400-正极耳；

500-负极耳。

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，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例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做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。

实施例1

本实施例提供的锂离子电池包括依次层叠并卷绕成形的正极片、隔膜和负极片，具有图1所示的结构，厚度为6mm，其中：

正极片包括正极集流体铝箔以及设置在正极集流体铝箔表面的正极活性层，正极片的宽度为586mm，厚度为91μm，正极活性层包括位于卷绕弯曲区的第一区域和位于卷绕平直区的第二区域，第一区域包括97.9质量份的钴酸锂、0.6质量份的导电炭黑、0.4质量份的碳纳米管以及1.1质量份的聚偏二氟乙烯，面密度为30.6mg/cm²，第二区域包括97.9质量份的钴酸锂、0.6质量份的导电炭黑、0.4质量份的碳纳米管以及1.1质量份的聚偏二氟乙烯，面密度为33.7mg/cm²，第一区域的长度每层为固定值5.71mm；

正极片的制备方法包括：将上述材料混合后溶于溶剂得到固含量为72％和79％的正极浆料，通过涂布机的不同喷嘴将浆料分别喷涂到正极集流体的表面，形成第一区域和第二区域，经辊压后得到正极片。

负极片包括负极集流体铜箔以及设置在负极集流体铜箔表面的负极活性层，负极片的宽度为594mm，厚度为111μm，负极活性层包括位于卷绕弯曲区的第三区域和位于卷绕平直区的第四区域，第三区域包括97质量份的石墨、1质量份的导电炭黑、1.4质量份的丁苯橡胶以及0.6质量份的羧甲基纤维素，面密度为16.4mg/cm²，第四区域包括97质量份的石墨、1质量份的导电炭黑、1.4质量份的丁苯橡胶以及0.6质量份的羧甲基纤维素，面密度为18mg/cm²，第三区域的长度每层为固定值4.71mm。

负极片的制备方法包括：将上述材料混合后溶于溶剂得到固含量为45％和49％的负极浆料，通过涂布机的不同喷嘴将浆料分别喷涂到负极集流体的表面，形成第三区域和第四区域，经辊压后得到负极片。

实施例2

本实施例提供的锂离子电池可参考实施例1，区别在于，第一区域的长度每层为变长度，W_Ci＝0.5*π*h_Ci，第三区域的长度每层为变长度，W_ai＝0.9*W_Ci。

实施例3

本实施例提供的锂离子电池可参考实施例1，区别在于，由卷绕外层向内50％的层数的正极片和负极片中，正极活性层包括第一区域和第二区域，负极活性层包括第三区域和第四区域，第一区域的长度每层为固定值5.71mm，第三区域的长度每层为固定值4.71mm。

实施例4

本实施例提供的锂离子电池可参考实施例1，区别在于，第一区域的面密度为25.9mg/cm²，第三区域的面密度为13.8mg/cm²。

实施例5

本实施例提供的锂离子电池可参考实施例1，区别在于，第一区域的面密度为22.5mg/cm²，第三区域的面密度为12mg/cm²。

对比例1

本对比例提供的锂离子电池包括依次层叠并卷绕成形的正极片、隔膜和负极片，具有图1所示的结构，厚度为6mm，其中：

正极片包括正极集流体铝箔以及设置在正极集流体铝箔表面的正极活性层，正极片的宽度为586mm，厚度为91μm，正极活性层包括97.9质量份的钴酸锂、0.6质量份的导电炭黑、0.4质量份的碳纳米管以及1.1质量份的聚偏二氟乙烯，面密度为33.7mg/cm²；

负极片包括负极集流体铜箔以及设置在负极集流体铜箔表面的正极活性层，负极片的宽度为594mm，厚度为111μm，负极活性层包括97质量份的石墨、1质量份的导电炭黑、1.4质量份的丁苯橡胶以及0.6质量份的羧甲基纤维素，面密度为18mg/cm²。

为了更清楚的了解本发明，对实施例1-5以及对比例1提供的锂离子电池所涉及的参数进行列表说明，详见表1：

表1实施例1-5以及对比例1提供的锂离子电池参数

将实施例1-5以及对比例1提供的锂离子电池进行25℃循环测试，循环条件为：3C充到4.2V，4.2V恒压充到截止电流1.5C，1.5C充到4.4V，4.4V恒压充到截止电流0.05C，静置15min，1C放到3V。循环500圈后测试循环膨胀率％、容量保持率％，并将锂离子电池拆解后观察负极片表面是否析锂，测试结果见表2所示。

表2实施例1-5以及对比例1提供的锂离子电池性能测试结果

根据实施例1-5与对比例1提供的数据可知，通过改变第一区域和第三区域的面密度，可有效缓解锂离子电池循环过程中体积膨胀以及析锂的问题，提高锂离子电池的容量保持率；根据实施例1-5对比可知，通过进一步提高第二区域/第一区域，第四区域/第三区域的面密度的比值，或者通过提高第一区域的覆盖面积，有助于进一步提高锂离子电池的容量保持率，缓解锂离子电池的体积膨胀，提高锂离子电池的循环性能和安全性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括卷绕成形的正极片，所述正极片包括正极集流体和和设置在正极集流体至少一个表面的正极活性层，所述正极活性层包括第一区域和第二区域，所述第一区域位于卷绕弯曲区域；

所述第一区域的面密度小于所述第二区域的面密度。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述第二区域的面密度与所述第一区域的面密度的比值为(1.1-1.5)：1。

3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池还包括卷绕成形的负极片，所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个表面的负极活性层，所述负极活性层包括第三区域和第四区域，所述第三区域位于卷绕弯曲区域，且所述第三区域的面密度小于所述第四区域的面密度。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述第四区域的面密度与所述第三区域的面密度的比值为(1.1-1.5)：1。

5.根据权利要求3或4所述的锂离子电池，其特征在于，所述第二区域的面密度与所述第一区域的面密度的比值为a，所述第四区域的面密度与所述第三区域的面密度的比值为b，a≥b。

6.根据权利要求1-5任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域的厚度相同。

7.根据权利要求1-6任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一区域的长度为W_Ci，所述第一区域所在的卷绕弯曲区域的卷绕直径为h_Ci，W_Ci＝0.5*π*h_Ci。

8.根据权利要求1-6任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一区域的长度为W_Ci，所述卷绕弯曲区域的平均卷绕直径为h_Cv，W_Ci＝0.5*π*h_Cv。

9.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一区域的长度大于等于所述第三区域的长度。

10.根据权利要求3或9所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一区域的长度为W_Ci，所述第三区域的长度为W_Ai，W_Ai/W_Ci＝(0-0.9)，或，W_Ci-W_Ai＝(0.5-2)。

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