CN115000345A - 电池极片及其生产方法、包含该极片的电池芯包和电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电池极片，该电极极片包括极片本体以及由极片本体边缘延伸出的极耳，极耳包括与所述极片本体连接的极耳根部以及与极耳根部连接的极耳主体区；极耳根部的至少一面设置有极耳胶层，极耳主体区设置有加强结构；加强结构包括多条S型压痕，单条S型压痕的走向为由极耳自由端向所述极耳根部延伸，多条S型压痕相互平行。本发明还公开了电池极片的生产方法。本发明通过“极耳根部胶层”、“模切放卷应力释放”、“S形弯和圆点加强筋压印”综合解决超薄集流体特别是4.5μm薄铜箔在模切、卷绕加工过程中极耳下垂和翻折损伤问题。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种电池极片及其生产方法、包含该极片的电池芯包和电池。
背景技术
集流体作为锂电池的重要组成部件，对锂电池的成本和加工性能起着至关重要的影响。随着近年来，锂离子电池的快速发展，电池成本、性能综合竞争越来越大。其中，通过降低集流体的厚度，节省电池内部空间，逐渐成为电池开发工作者的重点研究方向。由此集流体的轻薄化变得尤为重要，通过计算，铜箔集流体厚度由8μm逐渐减薄至4.5μm，可节省电池厚度空间1％。然而，在实际应用中厚度低于8μm的集流体特别是质地偏软的铜箔的加工性能仍存在较大问题，最突出的是采用铜箔作为集流体的负极极片模切后极耳易出现下垂现象，在高速卷绕过程中，负极极耳翻折进入卷芯，造成卷芯hi-pot不良或短路；甚至出现极耳撕裂，造成卷芯报废。
现有技术中，在负极极片模切过程中，对极耳预先采用“加强筋”机构(参见图1)，其包括极片本体1，与极片本体1侧边连接的极耳2，极耳2包括用于与极片本体1连接的极耳根部22以及极耳主体区，在极耳主体区部分设置了竖条状压印21，该竖条状压印21起到提高极耳垂直向上的作用力，以此来改善极耳下垂现象。然而在实际使用过程中发现，该“加强筋”机构产生的“条状压印”对6μm及以上厚度铜箔作用效果较明显，但对更薄的集流体比如4.5μm铜箔作用较弱，仍会出现卷绕过程中极耳翻折或撕裂现象。
因此，急需找到一种可以避免更薄极片极耳翻折或撕裂的方法或结构。
发明内容
针对现有技术存在的不足及缺陷，本发明旨在提供一种电池极片及其生产方法、包含该极片的电池芯包和电池。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明第一方面提供了一种电池极片，包括：极片本体以及由所述极片本体边缘延伸出的极耳，所述极耳包括与所述极片本体连接的极耳根部以及与所述极耳根部连接的极耳主体区；所述极耳根部的至少一面设置有极耳胶层，所述极耳主体区设置有加强结构。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述加强结构包括多条S型压痕，单条S型压痕的走向为由极耳自由端向所述极耳根部延伸，多条S型压痕相互平行。进一步优选地，所述S型压痕在所述极耳主体区的一面表现为S型凹槽，另一面对应为S型凸起。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，相邻S型压痕的距离为3-8mm。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述加强结构还包括：点状凹坑，分布在每条S型压痕的周围；进一步优选地，多个所述点状凹坑排列成多个平行的竖排和/或横排，更优选地，每条S型压痕的两侧至少设置有一排点状凹坑。进一步优选地，在同一排上相邻点状凹坑间的距离为3-8mm。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述点状凹坑为圆形凹坑。进一步优选地，所述圆形凹坑的直径为0.5-2mm。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述极片本体包括：集流体；以及活性材料层，涂覆于所述集流体表面；所述极耳是由所述集流体边缘延伸出来的。进一步优选地，靠近极耳一侧的集流体边缘部涂覆有集流体胶层，集流体胶层与所述极耳胶层连接；更优选地，集流体胶层沿集流体的长度方向从一端至另一端布设，活性材料层沿集流体的长度方向从一端至另一端布设，集流体胶层与活性材料层衔接，集流体胶层与活性材料层布满整个集流体的表面。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述集流体的厚度为8μm以下，更优选为6μm以下，进一步优选为4.5μm。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述极耳胶层宽度为所述极耳整体宽度的10-20％。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述极耳胶层的厚度为60-100μm。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述电极极片为正极极片或负极极片，优选为负极极片，所述集流体为铜箔。
在上述电池极片中，作为一种优选实施方式，所述极耳胶层和所述集流体胶层的有效成分为胶黏剂，所述胶黏剂为PVDF(聚偏氟乙烯)粉料、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈和聚氨酯中的一种或多种；优选为PVDF粉料。
本发明第二方面提供了上述电池极片的生产方法，包括如下步骤：
活性材料涂覆步骤：在极片坯料的活性材料区涂覆活性材料浆液，经烘干后得到具有活性材料层的极片坯料，沿极片坯料的宽度方向上所述极片坯料的活性材料区一侧或两侧为极耳料坯区；
胶液涂覆步骤：在极片坯料的极耳料坯区且紧邻活性材料层的位置沿极片坯料长度方向涂覆胶液，经烘干并辊压后得到模切料；
制造加强结构和模切步骤：先在模切料的极耳料坯区制造加强结构，然后再模切出极耳，得到电池极片。
在上述生产方法中，作为一种优选实施方式，按质量百分比，所述胶液包括：胶粘剂5-15％、无机绝缘填充料20-30％，和溶剂65-75％；所述胶粘剂为PVDF(聚偏氟乙烯)粉料、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈和聚氨酯中的一种或多种，所述无机绝缘填充料为氧化铝、氢氧化铝、勃姆石中的一种或多种，所述溶剂为NMP。更优选地，按质量百分比，所述胶液包括：胶粘剂6％、无机绝缘填充料24％，和溶剂70％。
在上述生产方法中，作为一种优选实施方式，所述胶液涂覆步骤还包括将所述模切料收卷，然后通过放卷的方式为制造加强结构和模切步骤提供模切料，其中收卷和放卷时卷筒的转动方向一致。
在上述生产方法中，作为一种优选实施方式，所述电池极片为电池阴极片，所述极片坯料为铜箔。
在上述生产方法中，作为一种优选实施方式，所述制造加强结构为采用带有加强结构纹路的辊压制模切料极耳料坯区对应位置，从而得到带有加强结构的料坯。
本发明的第三方面提供一种包含上述电池极片的电池芯包，包括至少一个正极片、至少一个负极片以及至少一个设置在所述正极片与所述负极片之间的隔膜，所述正极片、所述隔膜和所述负极片层叠或卷绕设置，所述至少一个正极片和/或所述至少一个负极片为上述电池极片。
本发明的第四方面提供一种电池，包括上述电池芯包。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明在极耳根部设置胶层，可起到加固作用，起到抑制极耳下垂的效果。
(2)本发明在极耳主体区设置加强结构，比如“S形弯+圆点”状加强结构可有效加强极耳(除胶层部分)硬度，对极耳产生较大的上应力，有效避免极耳在模切收卷和极片卷绕过程中出现极耳下垂或翻折或撕裂的现象。
(3)在模切时，模切料放卷过程中，通过简单采用调转卷筒方式，确保模切卷筒放卷方向与模切料收卷卷筒转动方向一致(如图4)。这样有效避免模切料收卷时，极耳存在向下的应力，通过放卷时卷筒相同的转向，释放极耳下应力，有效巩固极耳根部胶层对极耳的加强作用。
(4)本发明通过“极耳根部胶层”、“模切放卷应力释放”、“S形弯和圆点加强筋压印”综合解决超薄集流体特别是4.5μm薄铜箔在模切、卷绕加工过程中极耳下垂和翻折损伤问题。
附图说明
图1为现有技术中带有加强筋的极片结构图；
图2为本发明极片制作过程中极片坯料上涂覆有活性材料和胶层的状态示意图(此状态的材料为用于模切的材料)，其在活性材料层两侧都预留有极耳料坯区3；
图3为图2模切并从中间分切后的效果图；
图4为模切时用于模切的材料卷筒放卷方向与用于模切的材料收卷卷筒转动方向保持一致的示意图；(a)为用于模切的材料(模切料)收卷方式，(b)为模切时将收好卷的用于模切的材料放卷的方式；
图5为本发明一实施例的极片结构示意图；
附图标记如下：1-极片本体，2-极耳，21-竖条状压印，22-极耳根部，23-极耳主体区，231-加强结构(S+点状)，3-极耳料坯区，4-活性材料层，5-1-极片坯料胶层，5-2-集流体胶层；5-3-极耳胶层；6-模切料，7-收卷方向，8-放卷方向，L为极片的长度方向，W为极片的宽度方向。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是连接另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是设置在另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。
在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本发明提供一种电池极片，其电池极片可以是正极极片也可以是负极极片，优选适合以铜箔作为集流体的负极极片，极片厚度越薄越适合采用本发明的极片结构，本发明结构可以解决厚度为8μm以下、优选为6μm以下，进一步优选为4.5μm的集流体容易出现极耳翻折、下垂的问题。
本发明具体实施方式提供的电池极片参见图5，包括：极片本体1以及由极片本体1边缘延伸出的极耳2，极耳2的个数可以根据需要设置，比如为1个、2个、3个等，极耳2包括与极片本体1连接的极耳根部22以及与极耳根部22连接的极耳主体区23；极耳根部22的至少一面设置有胶层极耳5-3，极耳主体区23设置有加强结构231。下面对本发明电池极片的各个部件进行详细说明。
极片本体1包括：集流体以及涂覆于集流体表面活性材料层4；其中，当电极极片为正极极片时，集流体可以为铝箔或者其他常规集流体，当电极极片为负极极片时集流体包括铜箔但不限于此。本发明结构特别适合集流体为铜箔且厚度在6μm以下、优选为4.5μm的极片。集流体上涂覆的活性材料可以根据极片的正负极性来调整，当为正极极片时，活性材料层的原料包括正极活性材料、导电材料和粘合剂；当为负极极片时，活性材料层的原料包括负极活性材料、导电材料和粘合剂。本发明使用的活性材料、导电材料和粘结剂均为常规材料，此处不再赘述。
极耳2包括极耳根部22，其与极片本体1连接；以及极耳主体区23，其与极耳根部22连接，处于极耳的自由端；极耳根部22的至少一面设置有极耳胶层5-3，极耳根部的胶层可以对极耳起到支撑和固定加强作用。另外，极耳主体区23设置有加强结构231，该加强筋结构可以进一步加固软而薄的极耳，从而避免极耳在模切、卷绕加工过程中下垂和翻折损伤。
为了降低极片制作过程中模切工序的难度，靠近极耳一侧的集流体边缘部也涂覆有集流体胶层5-2，集流体上的胶层与极耳上的胶层连接；集流体胶层5-2沿极片的长度方向L从一端至另一端布设，活性材料层沿极片的长度方向L从一端至另一端布设，从图5来看，沿极片的宽度方向W集流体上从上到下依次为集流体胶层5-2和活性材料层4，集流体胶层5-2与活性材料层4衔接，集流体胶层5-2与活性材料层4布满整个集流体的表面。
胶层的有效成分为胶黏剂，胶黏剂可以为PVDF(聚偏氟乙烯)粉料、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈和聚氨酯中的一种或多种；优选为PVDF(聚偏氟乙烯)粉料。胶层中还可以包括无机绝缘填充料，比如氧化铝、氢氧化铝、勃姆石等。
为了保证加固效果，优选极耳胶层5-3的宽度为极耳2整体宽度的10-20％。优选极耳胶层5-3的厚度为60-100μm。
加强结构又称加强筋，该加强筋包括分布在极耳主体区23的多条波浪线或曲线，线的走向为竖向即由极耳自由端向极耳根部22延伸，采用该种走向进行布设，对极耳2下垂或弯折的改善效果要好于水平布设。经过发明人大量试验研究发现，当加强结构231中包括多条平行布设的S型压痕且单条S型压痕的走向为由极耳自由端向极耳根部22延伸时，对极耳的加固效果最好。S型压痕在极耳主体区23的一面表现为S型凹槽，另一面对应为S型凸起。该压痕是通过带有该种纹路的辊在极耳表面进行压制后形成的。
在优选的实施例中，相邻S型压痕的距离为3-8mm。
所述加强结构231还包括：点状凹坑，分布在每条S型压痕的周围；优选地，多个点状凹坑排列成多个平行的竖排和/或横排，或者说是矩阵，在本发明一实施例中，每条S型压痕的两侧至少设置有一排点状凹坑，在同一排上相邻点状凹坑间的距离为3-8mm。点状凹坑为圆形凹坑，圆形凹坑的直径为0.5-2mm。采用本发明图5中给的加强结构在实际生产中几乎接近100％不发生极耳的下垂或翻折缺陷。
在本发明还提供了上述电池极片的生产方法，该方法适合正极极片的生产，也适合负极极片的生产，下面以负极极片的生产方法为例进行说明，其采用铜箔作为集流体，生产方法包括：
(1)负极活性材料涂覆步骤：以铜箔作为极片坯料，在预定的活性材料区涂覆活性材料浆液，经烘干后得到具有活性材料层4的极片坯料，在极片坯料的宽度方向(即图5的极片的宽度方向W)上，活性材料区位于极片坯料的中间，沿极片坯料的宽度方向上在活性材料区两侧为极耳料坯区3；当两侧都预留有极耳料坯区3时，可以在一次极片制备中通过中间分切产生上下两列等同极片，参见图2和3。
(2)胶液涂覆步骤：在极片坯料的极耳料坯区3且紧邻活性材料层的位置沿极片坯料长度方向涂覆胶液，经烘干并辊压后得到模切料6，该模切料表面上具有活性材料层4和位于活性材料层4上下侧的极片坯料胶层5-1，参见图2。其中，胶液按质量百分比，包括：胶粘剂5-15％、无机绝缘填充料20-30％，和溶剂65-75％；所述胶粘剂为PVDF(聚偏氟乙烯)粉料、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈和聚氨酯中的一种或多种，所述无机绝缘填充料为氧化铝、氢氧化铝、勃姆石中的一种或多种，所述溶剂为NMP。优选地，按质量百分比，所述胶液包括：胶粘剂6％、无机绝缘填充料24％，和溶剂70％。采用该配比的胶液容易使胶层涂布均匀，胶液容易配制不粘腻，有利于生产加工，同时利于对极耳的加固。
(3)模切料收卷步骤，卷筒以顺时针方向将步骤(2)得到的模切料6收卷，收卷方向7参见图4(a)。
(4)制造加强结构和模切步骤：将步骤(3)的模切料卷输送至模切工序，然后将模切料卷旋转180度后放卷(放卷方向8参见图4(b))进行加强结构制作和模切，加强结构是利用直接安装在模切机台上带有预定纹路的五金辊在一定压力下在极耳位置压制而成的，加强结构压制完成后进行模切，模切后从中间分切成两个等同的电池负极片。加强结构参见图5，“S”形弯+“圆点”状加强筋可有效加强极耳(除胶层部分)硬度，对极耳产生较大的上应力，有效避免极耳在模切收卷和卷绕过程中出现下垂和翻折现象。模切放卷过程中，通过简单采用调转卷筒方式，确保模切卷筒放卷方向与模切来料收卷卷筒转动方向一致(如图4)。这样有效避免模切来料收卷时，极耳存在向下的应力，通过放卷时卷筒相同的转向，释放极耳下应力，有效巩固极耳根部胶层对极耳的加强作用。
本发明还提供一种包含上述电池极片的电池芯包，包括至少一个正极片、至少一个负极片以及至少一个设置在所述正极片与所述负极片之间的隔膜，所述正极片、所述隔膜和所述负极片层叠或卷绕设置，所述至少一个正极片和/或所述至少一个负极片为上述电池极片。
本发明的第四方面提供一种电池，包括上述电池芯包。
下面通过具体实施例来详细说明本发明的电池极片的制备方法。
实施例1：
(1)预先按照胶液成分配比将胶液原料混合搅拌，制得胶液；其中，按照质量百分比，胶液成分为：PVDF 6％、氧化铝24％，和NMP 70％；
(2)使用4.5μm铜箔进行负极活性材料的涂布，同时涂布宽度4mm的胶液，经干燥后制得包含胶层和活性材料层的负极片坯，胶层厚度约为90μm；
(3)负极片坯经辊压后卷筒顺时针收卷；
(4)将料卷流转至模切工序时，水平调转180°，模切时，卷筒顺时针旋转，进行放料动作，预先使用“S”形弯+“圆点”状加强筋辊，对极耳进行预处理，在极耳表面形成2条“S”形弯+多个“圆点”状压印，压印参见图5，包括三竖排圆点和设置在相邻竖排圆点间的2条S”形弯，其中，相邻S型压痕的距离为5mm，同一排上相邻圆形凹坑间的距离为5mm，圆形凹坑(圆点)的直径为1.5mm。然后通过在极耳料坯区模切制作出极耳。其中极耳胶层的宽度为整体极耳宽度的15％，厚度约为90μm。
在批量生产过程中，采用本实施例方法制作的极片，经收卷、芯包制作工序的卷绕放卷、卷芯下线过程中，未出现极耳下垂或翻折或撕裂现象。
对比例1
本对比例除了极耳上的加强结构不同于实施例1以外，其他制作工序与实施例1相同，本对比例的加强结构为将“S”形弯+“圆点”状压印换为上下走向的直线型压印，参见图1，直线型压印互相平行，竖向分布的直线压印条数为5条。
在批量生产过程中，采用本对比例方法制作的极片，经收卷、芯包制作工序的卷绕放卷、卷芯下线过程中，会有5-20％极片出现极耳下垂或翻折或撕裂现象。
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、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电池极片，其特征在于，包括：极片本体以及由所述极片本体边缘延伸出的极耳，所述极耳包括与所述极片本体连接的极耳根部以及与所述极耳根部连接的极耳主体区；所述极耳根部的至少一面设置有极耳胶层，所述极耳主体区设置有加强结构；所述加强结构包括多条S型压痕，单条S型压痕的走向为由极耳自由端向所述极耳根部延伸，多条S型压痕相互平行。
2.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述加强结构还包括：点状凹坑，分布在每条S型压痕的周围；
优选地，多个所述点状凹坑排列成多个平行的竖排和/或横排，更优选地，每条S型压痕的两侧至少设置有一排点状凹坑；进一步优选地，在同一排上相邻点状凹坑间的距离为3-8mm；
优选地，所述点状凹坑为圆形凹坑；进一步优选地，所述圆形凹坑的直径为0.5-2mm。
3.根据权利要求1或2所述的电池极片，其特征在于，
所述极片本体包括：集流体；以及活性材料层，涂覆于所述集流体表面；所述极耳是由所述集流体边缘延伸出来的；
优选地，靠近所述极耳一侧的集流体边缘部涂覆有集流体胶层，集流体胶层与所述极耳胶层连接；更优选地，集流体胶层沿集流体的长度方向从一端至另一端布设，活性材料层沿集流体的长度方向从一端至另一端布设，集流体胶层与活性材料层衔接，集流体胶层与活性材料层布满整个集流体的表面；
优选地，所述极耳胶层和所述集流体胶层的有效成分为胶黏剂，所述胶黏剂为PVDF粉料、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈和聚氨酯中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的电池极片，其特征在于，所述集流体的厚度为8μm以下，优选为6μm以下，进一步优选为4.5μm；
所述电极极片为正极极片或负极极片，优选地，所述集流体为铜箔；
优选地，所述S型压痕在所述极耳主体区的一面表现为S型凹槽，另一面对应为S型凸起；
优选地，相邻所述S型压痕的距离为3-8mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电池极片，其特征在于，所述极耳胶层宽度为所述极耳整体宽度的10-20％；所述极耳胶层的厚度为60-100μm。
6.权利要求1-5任一项所述电池极片的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
活性材料涂覆步骤：在极片坯料的活性材料区涂覆活性材料浆液，经烘干后得到具有活性材料层的极片坯料，沿极片坯料的宽度方向所述极片坯料的活性材料区一侧或两侧为极耳料坯区；
胶液涂覆步骤：在极片坯料的极耳料坯区且紧邻活性材料层的位置沿极片坯料长度方向涂覆胶液，经烘干并辊压后得到模切料；
制造加强结构和模切步骤：先在模切料的极耳料坯区制造加强结构，然后再模切出极耳，得到电池极片。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述胶液涂覆步骤还包括将所述模切料收卷，然后通过放卷的方式为制造加强结构和模切步骤提供模切料，其中收卷和放卷时卷筒的转动方向一致。
8.根据权利要求6或7所述的生产方法，其特征在于，所述电池极片为电池阴极片，所述极片坯料为铜箔；
优选地，所述制造加强结构为采用带有加强结构纹路的辊压制模切料极耳料坯区对应位置，从而得到带有加强结构的料坯；
优选地，按质量百分比，所述胶液包括：胶粘剂5-15％、无机绝缘填充料20-30％，和溶剂65-75％；所述胶粘剂为PVDF粉料、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈和聚氨酯中的一种或多种，所述无机绝缘填充料为氧化铝、氢氧化铝、勃姆石中的一种或多种，所述溶剂为NMP；优选地，按质量百分比，所述胶液包括：胶粘剂6％、无机绝缘填充料24％，和溶剂70％。
9.一种电池芯包，包括至少一个正极片、至少一个负极片以及至少一个设置在所述正极片与所述负极片之间的隔膜，所述正极片、所述隔膜和所述负极片层叠或卷绕设置，所述至少一个正极片和/或所述至少一个负极片为权利要求1-8任一项所述电池极片。
10.一种电池，包括上述电池芯包。
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