CN115000527B - 方形锂离子电芯及制作工艺和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种方形锂离子电芯及制作工艺和应用，通过卷绕设备，可生产叠片结构形式的芯包，大大提高了生产效率，且连续的极片强度较高，能防止卷绕过程中变形；设置预留槽，卷绕完成后切割连接部，变成叠片结构的电芯；每一圈的正极片或负极片在切割后变成两片，这两片可以串联也可以并联，这样在卷芯结构、材料体系和设备不变的情况下，卷芯内部在全部串联时有最大电压，全部并联时有最小电压，我们只需改变卷芯内部的连接方式就可以适应不同电压要求。

Description

方形锂离子电芯及制作工艺和应用

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种方形锂离子电芯及制作工艺和应用。

背景技术

目前，对于方形锂离子电芯，其制作工艺有叠片式和卷绕式两种。

叠片式是将正负极极片、隔膜裁成规定尺寸的大小，随后将正极极片、隔膜、负极极片叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联起来组成一个大电芯。卷绕式是将分条后的极片固定在卷针上随着卷针转动将正极极片、负极极片以及隔膜卷成电芯的工艺方式。

卷绕式电芯内阻较大、发热量大、散热效果差，特别是在卷绕的圆弧区，内阻突然增加，容易导致局部过热，从而造成热失控蔓延。

叠片式的电芯，叠片设备生产效率低，设备一次性投资大，且容易虚焊，因为所有极片都要点焊到一个焊点。

因为卷绕工艺在卷绕时是靠连续不间断的正负极片和隔膜拉动自身卷绕，因此在卷绕时极片必须要连续，而叠片是隔断极片形成的电芯，因此卷绕和叠片的工艺很难兼容。

专利CN109950632A提供了一种卷绕式叠片电池的制备方法，其通过将裁切好的极片（即叠片式电芯的极片来料）依次排列在隔膜表面，再通过卷绕的方式，制备电芯。以上制备方式得到的电芯具有叠片式电芯的优点，且卷绕环节生产效率高，但是，将裁切好的极片依次排列在隔膜表面，同样需要增加额外的工作量。另外，隔膜一般采用高分子材料，弹性较大，卷绕得到的电芯容易出现拉伸变形的问题。尤其是对多极耳的电芯，卷绕后需要各个极耳对齐，如果出现卷绕时隔膜变形的问题，很难通过后期整形解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种方形锂离子电芯及制作工艺和应用，能提高生产效率、同时具备叠片电芯的优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种方形锂离子电芯，其包括正极片、隔离膜和负极片，其中，正极片、隔离膜、负极片和隔离膜依次层叠后绕卷板卷绕形成卷芯，所述卷芯两侧分别形成两个圆弧区；

正极片和负极片在宽度方向错开，正极片包括连续的正极卷绕重合区和正极宽度方向伸出区，负极片包括连续的负极卷绕重合区和负极宽度方向伸出区，正极卷绕重合区和负极卷绕重合区卷绕后相互重合，正极宽度方向伸出区和负极宽度方向伸出区分别位于卷芯的宽度方向两侧，隔离膜的上下边缘分别位于正极宽度方向伸出区和负极宽度方向伸出区；

所述正极片上开设有若干正极预留槽，正极预留槽沿宽度方向延伸并贯穿正极片一侧的边缘，正极预留槽与正极片另一侧的边缘之间为正极连接部，各个正极预留槽分别在两个圆弧区内对齐；

所述负极片上开设有若干负极预留槽，负极预留槽沿宽度方向延伸并贯穿负极片一侧的边缘，负极预留槽与负极片另一侧的边缘之间为负极连接部，各个负极预留槽分别在两个圆弧区内对齐；

负极预留槽与正极预留槽分别在两个圆弧区内对齐，正极连接部与负极连接部分别位于卷芯的宽度方向的两侧。

在以上技术方案的基础上，优选的，正极预留槽沿宽度方向延伸并贯穿正极片远离正极宽度方向伸出区一侧的边缘，或者，正极预留槽沿宽度方向延伸并贯穿正极片靠近正极宽度方向伸出区一侧的边缘；负极预留槽沿宽度方向延伸并贯穿负极片远离负极宽度方向伸出区一侧的边缘，或者，负极预留槽沿宽度方向延伸并贯穿负极片靠近负极宽度方向伸出区一侧的边缘。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述正极预留槽包括正极直线槽和正极半圆槽，正极直线槽、正极半圆槽与正极连接部依次连续设置；负极预留槽包括负极直线槽和负极半圆槽，负极直线槽、负极半圆槽和负极连接部连续设置。

进一步优选的，所述正极片表面涂覆有正极活性材料，所述负极片表面涂覆有负极活性材料，正极活性材料区域与负极活性材料区域相互重合，且分别位于正极预留槽和负极预留槽在宽度方向的重合区域内。

第二方面，本发明提供了本发明第一方面所述的方形锂离子电芯的制作工艺，将两个圆弧区内的正极连接部和负极连接部分别切除。

在以上技术方案的基础上，优选的，将两个圆弧区内的正极连接部和负极连接部分别切除。

进一步优选的，正极片还包括正极极耳区，正极极耳区与正极宽度方向伸出区连续设置并向远离正极卷绕重合区的一侧延伸，多个正极极耳区在卷绕完成后重叠；负极片还包括负极极耳区，负极极耳区与负极宽度方向伸出区连续设置并向远离负极卷绕重合区的一侧延伸，多个负极极耳区在卷绕完成后重叠。

更进一步优选的，在长度方向将正极极耳区边缘至与之接近的圆弧区边缘之间的区域全部切除；在宽度方向将正极宽度方向伸出区远离正极卷绕重合区一侧的边缘至正极预留槽和负极预留槽在宽度方向的重合区域以外的区域全部切除；在长度方向将负极极耳区边缘至与之接近的圆弧区边缘之间的区域全部切除；在宽度方向将负极宽度方向伸出区远离负极卷绕重合区一侧的边缘至正极预留槽和负极预留槽在宽度方向的重合区域以外的区域全部切除。

第三方面，本发明第一方面所述的方形锂离子电芯在动力电池上的应用。

本发明的方形锂离子电芯及制作工艺和应用相对于现有技术具有以下有益效果：

（1）通过卷绕设备，可生产叠片结构形式的芯包，大大提高了生产效率，且连续的极片强度较高，能防止卷绕过程中变形；

（2）设置预留槽，卷绕完成后切割连接部，变成叠片结构的电芯；

（3）每一圈的正极片或负极片在切割后变成两片，这两片可以串联也可以并联 ，这样在卷芯结构、材料体系和设备不变的情况下，卷芯内部在全部串联时有最大电压，全部并联时有最小电压，我们只需改变卷芯内部的连接方式就可以适应不同电压要求。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1卷芯的立体图；

图2为实施例1卷芯的俯视图；

图3为图2中B-B的剖视图；

图4为图3中右上角扇形区域的放大图；

图5为图3中右下角扇形区域的放大图；

图6为实施例1卷芯的拆解结构示意图；

图7为实施例1卷芯的正极片和负极片装配后的立体图；

图8为实施例1卷芯的正极片、隔离膜和负极片层叠后的正视图；

图9为图8的侧视图；

图10为实施例1卷芯的正极片、隔离膜和负极片层叠后的正视图；

图11为实施例1卷芯的正极片和负极片层叠后的部分结构剖视图；

图12为实施例1卷芯切除连接部的示意图；

图13为实施例1卷芯切除连接部并去掉部分隔离膜后的立体图；

图14为图13的椭圆区域的放大图；

图15为实施例2卷芯的正极片、隔离膜和负极片层叠后的正视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1~7所示，本实施例的方形锂离子电芯，其包括正极片1、隔离膜2和负极片3。

其中，正极片1、隔离膜2、负极片3和隔离膜2依次层叠后绕卷板卷绕形成卷芯A，所述卷芯A两侧分别形成两个圆弧区A1。本实施例所述的“卷板”是相对圆柱形的 “卷针”而言的，因为圆柱形的“卷针”卷绕后将得到圆柱形卷芯，无法得到方形电芯。

如果直接将卷芯A两个圆弧区A1沿宽度方向X分别切除，由于中间的隔离膜2也一并被切除，那么正极片1和负极片3会相互接触，形成短路。因此，本发明通过分别在正极片1和负极片3上设置预留槽和连接部，在卷绕完成后切除连接部，在此过程中，预留槽处的隔离膜2不会被切断，因此就能防止预留槽处短路；此外，通过将正极片1和负极片3上的连接部分别设置于卷芯A的宽度方向X两侧，就能防止切断处正极片1和负极片3相互接触形成短路。

具体的，如图9所示，在卷芯A的宽度方向X，正极片1包括连续的正极卷绕重合区11、正极宽度方向伸出区12和正极极耳区13，与之对应的，负极片3包括连续的负极卷绕重合区31、负极宽度方向伸出区32和负极极耳区33。

其中，正极片1和负极片3在宽度方向X错开，正极卷绕重合区11和负极卷绕重合区31卷绕后相互重合，相互重合的区域内主要用于涂覆活性物质；正极宽度方向伸出区12和负极宽度方向伸出区32分别位于卷芯A的宽度方向X两侧，伸出区作为预留部分，卷绕完成后部分切除，连带切除连接部，并留下部分作为极耳；正极极耳区13，用作切除定位，并成为最后得到的极耳的一部分，其与正极宽度方向伸出区12连续设置并向远离正极卷绕重合区11的一侧延伸，负极极耳区33与负极宽度方向伸出区32连续设置并向远离负极卷绕重合区31的一侧延伸。

由于正极片1和负极片3相互重合的区域内主要用于涂覆活性物质，因此，隔离膜2至少要覆盖所述相互重合的区域，具体的，隔离膜2的上下边缘分别位于正极宽度方向伸出区12和负极宽度方向伸出区32。隔离膜2若不能覆盖正极片1和负极片3相互重合的区域，将导致正极片1和负极片3接触而短路；隔离膜2若超出正极宽度方向伸出区12和负极宽度方向伸出区32，超出部分也会被切除导致浪费，此外，超出的隔离膜2位于重叠的极耳之间也不便于极耳焊接。

具体的，多个正极极耳区13在卷绕完成后重叠，多个负极极耳区33在卷绕完成后重叠。设置多个极耳，是为了提高过流能力，适用于动力电池使用场景。

如图8和10，所述正极片1上开设有若干正极预留槽101，正极预留槽101沿宽度方向X延伸并贯穿正极片1一侧的边缘，正极预留槽101与正极片1另一侧的边缘之间为正极连接部102，各个正极预留槽101分别在两个圆弧区A1内对齐；

所述负极片3上开设有若干负极预留槽301，负极预留槽301沿宽度方向X延伸并贯穿负极片3一侧的边缘，负极预留槽301与负极片3另一侧的边缘之间为负极连接部302，各个负极预留槽301分别在两个圆弧区A1内对齐；

负极预留槽301与正极预留槽101分别在两个圆弧区A1内对齐，保证正极和负极活性物质能对齐，减少能量密度浪费。正极连接部102与负极连接部302分别位于卷芯A的宽度方向X的两侧，便于分别切除。

正极预留槽101沿宽度方向X延伸并贯穿正极片1远离正极宽度方向伸出区12一侧的边缘，负极预留槽301沿宽度方向X延伸并贯穿负极片3远离负极宽度方向伸出区32一侧的边缘。采用这种预留槽结构，在切除正极连接部102与负极连接部302过程中，可以少切除或者不切除负极宽度方向伸出区32和正极宽度方向伸出区12，因此优于实施例2。

所述正极预留槽101可通过激光切割形成，或者采用机械模切方式得到。为了保证正极预留槽101在卷绕完成后对齐，如图8和10所示，正极预留槽101间距根据卷板周长和隔膜2厚度推算，正极预留槽101的距离不是等距，是逐步渐变的趋势。

考虑到开设有直角槽的极片容易破损，优选的，所述正极预留槽101包括正极直线槽1011和正极半圆槽1012，正极直线槽1011、正极半圆槽1012与正极连接部102依次连续设置；负极预留槽301包括负极直线槽3011和负极半圆槽3012，负极直线槽3011、负极半圆槽3012和负极连接部302连续设置。如此，能降低正极半圆槽1012和负极半圆槽3012顶部发生破损的几率。

所述正极片1表面涂覆有正极活性材料，所述负极片3表面涂覆有负极活性材料，正极活性材料区域与负极活性材料区域相互重合，且分别位于正极预留槽101和负极预留槽301在宽度方向X的重合区域内。如此，能防止活性材料区域被切除，或者正极活性材料区域与负极活性材料区域没有对齐导致的能量密度损失，达到最大的能量密度。

在卷芯A完成后，需要将两个圆弧区A1内的正极连接部102和负极连接部302分别切除。如此，正极预留槽101和负极预留槽301在宽度方向X的重合区域内的正极活性材料区域与负极活性材料区域之间被连续的隔膜2所分割，成为叠片式结构。

作为具体的切除方式，如图12，在长度方向Y将正极极耳区13边缘至与之接近的圆弧区A1边缘之间的区域全部切除；在宽度方向X将正极宽度方向伸出区12远离正极卷绕重合区11一侧的边缘至正极预留槽101和负极预留槽301在宽度方向X的重合区域以外的区域全部切除；在长度方向Y将负极极耳区33边缘至与之接近的圆弧区A1边缘之间的区域全部切除；在宽度方向X将负极宽度方向伸出区32远离负极卷绕重合区31一侧的边缘至正极预留槽101和负极预留槽301在宽度方向X的重合区域以外的区域全部切除。

此外，针对本实施例，优选的，如图11，各正极直线槽1011和正极半圆槽1012连接处所在直线为a，各负极直线槽3011和负极半圆槽3012连接处所在直线为b，在切除正极连接部102时，切除至直线a；在切除负极连接部302时，切除至直线b。

优选的，正极卷绕重合区11远离正极宽度方向伸出区12的边缘和直线b重合，防止在切除负极连接部302时，连带切除正极卷绕重合区11，造成材料浪费；对应的，负极卷绕重合区31远离负极宽度方向伸出区32的边缘和直线a重合，防止在切除正极连接部102时，连带切除负极卷绕重合区31，造成材料浪费。

优选的，正极活性材料与负极活性材料分别涂覆在直线a与直线b之间。

具体的，本实施例的方形锂离子电芯，其制备过程如下：

首先，对完成涂布后的极片，采用激光切割在上面开出预留槽；

然后，将极片送入卷绕工段，负极极耳区33朝下时，正极极耳区13就朝上（反之也可以），正极片1和负极片3中间隔着隔离膜2，卷绕，形成卷芯A，然后用封口胶带进行封口；

接着，切除连接部，对应,12所示的四个顶角区域，得到方形锂离子电芯，如图13和14所示。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

在本实施例中，如图15，正极预留槽101沿宽度方向X延伸并贯穿正极片1靠近正极宽度方向伸出区12一侧的边缘；负极预留槽301沿宽度方向X延伸并贯穿负极片3靠近负极宽度方向伸出区32一侧的边缘。采用这种预留槽结构，在切除正极连接部102与负极连接部302过程中，连带切除掉的负极宽度方向伸出区32和正极宽度方向伸出区12较多，浪费较大，不如实施例1。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种方形锂离子电芯，其包括正极片（1）、隔离膜（2）和负极片（3），其中，正极片（1）、隔离膜（2）、负极片（3）和隔离膜（2）依次层叠后绕卷板卷绕形成卷芯（A），所述卷芯（A）两侧分别形成两个圆弧区（A1）；

正极片（1）和负极片（3）在宽度方向（X）错开，正极片（1）包括连续的正极卷绕重合区（11）和正极宽度方向伸出区（12），负极片（3）包括连续的负极卷绕重合区（31）和负极宽度方向伸出区（32），正极卷绕重合区（11）和负极卷绕重合区（31）卷绕后相互重合，正极宽度方向伸出区（12）和负极宽度方向伸出区（32）分别位于卷芯（A）的宽度方向（X）两侧，隔离膜（2）的上下边缘分别位于正极宽度方向伸出区（12）和负极宽度方向伸出区（32）；

其特征在于：

所述正极片（1）上开设有若干正极预留槽（101），正极预留槽（101）沿宽度方向（X）延伸并贯穿正极片（1）一侧的边缘，正极预留槽（101）与正极片（1）另一侧的边缘之间为正极连接部（102），各个正极预留槽（101）分别在两个圆弧区（A1）内对齐；

所述负极片（3）上开设有若干负极预留槽（301），负极预留槽（301）沿宽度方向（X）延伸并贯穿负极片（3）一侧的边缘，负极预留槽（301）与负极片（3）另一侧的边缘之间为负极连接部（302），各个负极预留槽（301）分别在两个圆弧区（A1）内对齐；

负极预留槽（301）与正极预留槽（101）分别在两个圆弧区（A1）内对齐，正极连接部（102）与负极连接部（302）分别位于卷芯（A）的宽度方向（X）的两侧。

2.如权利要求1所述的方形锂离子电芯，其特征在于：正极预留槽（101）沿宽度方向（X）延伸并贯穿正极片（1）远离正极宽度方向伸出区（12）一侧的边缘，或者，正极预留槽（101）沿宽度方向（X）延伸并贯穿正极片（1）靠近正极宽度方向伸出区（12）一侧的边缘；负极预留槽（301）沿宽度方向（X）延伸并贯穿负极片（3）远离负极宽度方向伸出区（32）一侧的边缘，或者，负极预留槽（301）沿宽度方向（X）延伸并贯穿负极片（3）靠近负极宽度方向伸出区（32）一侧的边缘。

3.如权利要求1所述的方形锂离子电芯，其特征在于：所述正极预留槽（101）包括正极直线槽（1011）和正极半圆槽（1012），正极直线槽（1011）、正极半圆槽（1012）与正极连接部（102）依次连续设置；负极预留槽（301）包括负极直线槽（3011）和负极半圆槽（3012），负极直线槽（3011）、负极半圆槽（3012）和负极连接部（302）连续设置。

4.如权利要求3所述的方形锂离子电芯，其特征在于：所述正极片（1）表面涂覆有正极活性材料，所述负极片（3）表面涂覆有负极活性材料，正极活性材料区域与负极活性材料区域相互重合，且分别位于正极预留槽（101）和负极预留槽（301）在宽度方向（X）的重合区域内。

5.如权利要求1所述的方形锂离子电芯的制作工艺，其特征在于：将两个圆弧区（A1）内的正极连接部（102）和负极连接部（302）分别切除。

6.如权利要求5所述的方形锂离子电芯的制作工艺，其特征在于：正极片（1）还包括正极极耳区（13），正极极耳区（13）与正极宽度方向伸出区（12）连续设置并向远离正极卷绕重合区（11）的一侧延伸，多个正极极耳区（13）在卷绕完成后重叠；负极片（3）还包括负极极耳区（33），负极极耳区（33）与负极宽度方向伸出区（32）连续设置并向远离负极卷绕重合区（31）的一侧延伸，多个负极极耳区（33）在卷绕完成后重叠。

7.如权利要求6所述的方形锂离子电芯的制作工艺，其特征在于：在长度方向（Y）将正极极耳区（13）边缘至与之接近的圆弧区（A1）边缘之间的区域全部切除；在宽度方向（X）将正极宽度方向伸出区（12）远离正极卷绕重合区（11）一侧的边缘至正极预留槽（101）和负极预留槽（301）在宽度方向（X）的重合区域以外的区域全部切除；在长度方向（Y）将负极极耳区（33）边缘至与之接近的圆弧区（A1）边缘之间的区域全部切除；在宽度方向（X）将负极宽度方向伸出区（32）远离负极卷绕重合区（31）一侧的边缘至正极预留槽（101）和负极预留槽（301）在宽度方向（X）的重合区域以外的区域全部切除。

8.如权利要求1~4任一项所述的方形锂离子电芯在动力电池上的应用。

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