CN115133100A - 一种卷绕电芯、制备方法、包括其的电池及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卷绕电芯、制备方法、包括其的电池及装配方法，所述卷绕电芯包括卷芯和位于所述卷芯内的中心管，所述卷芯由正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜层叠后卷绕形成；所述正极片沿长度方向分为正极空箔区和正极涂覆区，所述负极片沿宽度方向分为负极空箔区和负极涂覆区；所述第一隔膜和所述第二隔膜分别覆盖所述正极涂覆区和所述负极涂覆区，所述正极空箔区的至少部分缠绕于所述中心管外周，并与所述中心管外周焊接固定；所述负极空箔区卷绕后形成位于所述卷芯一端的负极全极耳。采用中心管作为卷绕电芯的卷针使用不会出现抽芯或断针的风险，电芯内部产生的热量还可以通过中心管传导至两端，提升了卷绕电芯的散热性能。

Description

一种卷绕电芯、制备方法、包括其的电池及装配方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种卷绕电芯、制备方法、包括其的电池及装配方法。

背景技术

锂离子电池具有绿色环保、能量密度大、输出电压高、自放电小等优点，而被广泛应用于生活的各个场景中，例如手机、笔记本、汽车等。随着时代的发展，人们对锂离子电池的要求也越来越高，尤其是对锂离子电池的功率、能量密度和安全性能要求更加迫切。

锂离子动力电池通常有两种外型：圆柱型和长方型。圆柱型电池具有热失控传播阻断特性、密封性好和产品一致性高的特点，在其全生命周期有着更高的安全性能。传统的18650圆柱电池和21700圆柱电池多为单/双极耳结构，极耳从极片横向方向中间引出。正极耳需要在极片上间歇涂布，预留极耳焊接区域，造成容量损失。负极耳需要进行刮片处理，极易造成箔材损伤，存在安全隐患。且正负极耳焊接在极片上后需要贴胶带保护，而极耳处的胶带又会造成卷芯极耳处局部厚度增加，造成卷芯内部各区域厚度不一致，局部压力过大，导致卷芯内部变形。而且正/负极耳片上引出的极耳较长，需要焊接在盖帽和壳体上并进行弯折，既软又长的极耳进行弯折时极易倒插进卷芯内部，存在短路风险。

全极耳大圆柱电池是解决此问题的一个有效途径。而随着圆柱电池尺寸的增加，需求的极片卷绕圈数变多，对应的内部应力更大，容易出现抽针异常，例如隔膜、极片抽芯，卷针断针等。而且内圈应力的增加，电池使用过程中往往会出现卷芯中心孔塌陷的现象，一般的解决办法是卷绕结束后，向卷芯中心孔内插入中心管。为保证中心管能顺利插入，一般中心管内径偏小，且中心管在卷芯内部处于自由活动状态，在电池的正常使用过程中极易发生错位的风险，存在安全隐患。同时随着电池尺寸的增加，电池内部的热量很难扩散到电池表面，尤其是随着客户对快充的需求越来越高，充电的倍率也会越来越大，而充电倍率越大也就意味着电池温升越高。

因此，现有的卷绕式电芯仍存在着严重的散热不良的技术问题，这同时也是圆柱形电池与软包电池相比最大的弱点。测量结果显示，大电流10A的放电循环中，卷绕式电芯的中心温度比最外层高出大约10℃。电芯中心过高的温度会影响电池的循环性能，也会带来安全隐患，如电解液、电流分配不均匀等问题。鉴于此，有必要设计一种新的电芯结构和卷绕方式，以解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种卷绕电芯、制备方法、包括其的电池及装配方法，采用中心管作为卷绕电芯的卷针使用，卷绕完成后无需取出中心管，因此不会出现抽芯或断针的风险。电芯内部产生的热量还可以通过中心管传导至两端，在不改变卷绕电芯整体体积的情况下，提升了卷绕电芯的散热性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种卷绕电芯，所述卷绕电芯包括卷芯和位于所述卷芯内的中心管，所述卷芯由正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜层叠后卷绕形成，所述中心管沿所述卷芯的长度方向贯穿所述卷芯；

所述正极片沿长度方向分为正极空箔区和正极涂覆区，所述负极片沿宽度方向分为负极空箔区和负极涂覆区；所述第一隔膜和所述第二隔膜分别覆盖所述正极涂覆区和所述负极涂覆区，所述正极空箔区的至少部分缠绕于所述中心管外周，并与所述中心管外周焊接固定，所述中心管作为卷芯的正极集流柱，引出正极极耳；所述负极空箔区卷绕后形成位于所述卷芯一端的负极全极耳。

本发明提供的卷绕电芯内部设置有中心管，其作用在于：

（1）卷针作用：在卷绕时中心管作为卷针使用，卷绕完成后将中心管留在卷芯内部，无需抽出，避免了抽芯或断针风险。

（2）支撑作用：卷芯中心处的中心管能起到对卷芯的支撑作用，防止电芯在使用时出现塌陷，中心管外壁与电芯内壁紧贴，使得中心管在电芯内更加稳固，不会左右摇晃，提高了卷绕电芯的空间利用率，增大了卷绕电芯的体积能量密度；卷芯内的极片无需贴绝缘胶带，从而确保电芯直径方向各处厚度一致，避免出现变形风险；

（3）散热作用：中心管位于卷芯内部，能将卷绕电芯内部产生的热量通过中心管传导至两端，在不改变卷绕电芯整体体积的情况下，提升了卷绕电芯的散热性能；

（4）集流作用：卷芯中心处的中心管还可以作为正极集流柱使用，通过将电池的正极片（正极空箔区）直接电性连接在中心管上，并将中心管的封口端与正极极柱焊接，使得中心管发挥了正极集流柱的功能，因此无需将正极耳弯折，防止了正极耳弯折所产生的倒插短路风险。

作为本发明一种优选的技术方案，所述中心管为铝制的空心圆柱结构，所述中心管的一端封口，另一端敞口，所述中心管的敞口端设置有封帽。

本发明在中心管的敞口端设置了塑料材质的封帽，封帽的尺寸略小于中心管的直径，从而对中心管的敞口端进行密封。封帽的作用除了密封外，还起到了类似泄压阀的效果，当电芯发热导致中心管内压力增大时，产生的高压热量会冲破封帽并由中心管的敞口端喷出，此时中心管的敞口端则形成了出气出热口。

需要说明的是，本发明对封帽的材质不作具体要求和特殊限定，本领域技术人员可以根据不同型号的电池发热量选择不同材质的封帽，示例性地，可以是PP、PTFE或PVDF等。进一步地，为了更好地实现封帽泄压的作用，还可选地在封帽上设置浅划痕（优选十字交叉结构的浅划痕），本发明所述的浅划痕是指通过刀刃在封帽上刻划形成划痕，且不穿透封帽。在没有高压冲击下，由于浅划痕没有穿透封帽，封帽仍可保证敞口端处于密封状态；一旦压力过高，中心管内部产生的高温高压气体极易冲破浅划痕，最终冲破封帽泄压。

所述中心管的外壁上开设若干通孔，形成镂空结构。

本发明中，通孔可选为圆形，通孔可以均匀分布于中心管外壁也可以非均匀分布于中心管外壁，本发明优选采用非均匀分布，在中心管的中部管段的通孔的孔径较大和/或孔间距较小，位于中心管两端的管段上的通孔的孔径较小和/或孔间距较大。这样设计的目的在于匹配电芯在不同位置处的发热量不同，卷绕电芯的中心处散热量较高，在散热量相对较高的区域对应了中心管的中部管段，因此中部管段的通孔分布密度较高，确保中心管内产生的高温高压气体可以通过通孔快速排出，有利于电芯内的热量散发，以提高中心管的散热效果，同时也提升了电池的安全性能。当然，电芯两端与端盖或极柱的焊接处的散热量也较高，但这些区域由于靠近壳体两端，散热路径较短，产生的热量可以较快地通过壳体散出，因此相比于中部管段，中心管两端的管段的散热压力较小，相应地，两端的通孔的分布密度也较小。

需要说明的是，本发明对通孔孔径和孔间距不作具体要求和特殊限定，本领域技术人员可以根据不同型号的电池发热量选择不同孔径和孔间距的通孔。示例性地，本发明限定的中心管的中部管段处的通孔孔径为0.5~0.6mm，两端的管段处的通孔孔径为0.3~0.4mm。

所述中心管内填充有相变吸热材料。

本发明利用相变吸热材料的吸热特性实现了对电芯热量的吸收，电芯在工作时产生的热量能够稳定高效地被相变吸热材料吸收，用相变吸热材料的高导热和相变焓吸热实现对电芯的温度调控，保证了电池的正常工作状态，提高了电池的使用寿命。在本发明中，相变吸热材料未发生相变时，相变吸热材料不超过中心管空腔体积的95%。本发明提供的相变吸热材料优选为固-固相变材料，示例性地，可以是树脂、石墨或石蜡类混合物。

需要说明的是，本发明在中心管靠近敞口端的外壁处开设有通气孔，通气孔上设置有单向阀，单向阀可以确保电芯产生的气体进入中心管，而阻止中心管内的气体进入电芯。

电池在使用过程中尤其是高温条件下，由于正极片、负极片和电解液中各种副发应的发生会产生气体，气体积累到一定程度会导致电池内部气压增大，使电池膨胀变形，影响电池使用及寿命。因此本发明限定的中心管除了起到了散热效果外还可以作为泄压腔使用，具体地，本发明在中心管靠近敞口端的外壁处开设有通气孔，当电池在使用过程中内部产气积累到一定压力时，即电芯内部的产气压力大于中心管内腔的压力时，电芯内部产气就会通过通气孔进入中心管内腔中，以减少电池内部的压力，防止电池膨胀变形。为了确保电芯产气可以单向进入中心管，本发明在通气孔处设置单向阀，单向阀可以阻止中心管内的高温高压气体反向流入电芯。进一步地，本发明在中心管的敞口端设置有封帽，一旦中心管内的高温高压气体过多也无需担心燃爆风险，高温高压气体可通过封帽处的浅划痕完成单向泄压。

需要说明的是，本发明对单向阀的结构不作具体要求和特殊限定，可以是在通气孔处设置常规的只能单向通气的机械结构或者是直接在通气孔处设置的气动单向阀。

作为本发明一种优选的技术方案，所述第一隔膜的宽度和/或所述第二隔膜的宽度＞所述负极涂覆区的宽度＞所述正极片的宽度，所述正极涂覆区、所述第一隔膜、所述负极涂覆区和所述第二隔膜沿两侧长度边缘依次对齐层叠并完全覆盖，所述负极空箔区位于覆盖范围之外。

由所述正极空箔区一侧开始卷绕，所述正极空箔区卷绕所述中心管至少一圈。

所述第一隔膜和所述第二隔膜的长度大于所述负极片的长度，所述负极片的长度大于所述正极片的长度，卷绕至收尾处时，所述第一隔膜和所述第二隔膜包裹所述卷芯。

第二方面，本发明提供了一种第一方面所述卷绕电芯的制备方法，所述制备方法包括：

中心管的长度方向两端与正极空箔区的宽度边缘对齐或中心管的长度方向两端略超出正极空箔区的宽度边缘，并将正极空箔区与中心管的外表面焊接固定，沿正极片长度方向进行预卷绕，正极空箔区的至少部分卷绕于中心管外周后停止卷绕，向卷绕形成的缝隙中插入第一隔膜、负极片和第二隔膜，负极片夹设于第一隔膜和第二隔膜之间；

正极涂覆区、第一隔膜、负极涂覆区和第二隔膜由外至内依次对齐层叠，负极空箔区位于正极涂覆区的覆盖范围之外；继续卷绕，直至正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜全部绕于中心管外周，得到内部具有中心管的卷绕电芯，负极空箔区卷绕后形成负极全极耳。

本发明采用中心管作为卷绕电芯的卷针使用，卷绕完成后无需取出中心管，因此不会出现抽芯或断针的风险。此外，通过将隔膜和负极片分阶段插入，确保正极片和负极片之间可以被隔膜完全隔开，在装配成电池后即便受到外界压力也不会导致卷绕电芯松动造成负极片与正极片直接接触，本发明提供的卷绕电芯的制作工序简单，制造成本低。

作为本发明一种优选的技术方案，所述第一隔膜、所述负极片和所述第二隔膜的插入过程具体包括：

向卷绕形成的缝隙中插入第一隔膜和第二隔膜后卷绕一段距离，使得第一隔膜和第二隔膜在卷绕头部形成层叠接触区，随后向第一隔膜和第二隔膜之间的缝隙内插入所述负极片。

作为本发明一种优选的技术方案，所述中心管在卷绕收尾时，负极片和正极片完全卷绕至中心管外周，第一隔膜和第二隔膜长出负极片的部分单独包裹卷绕电芯外周。

第三方面，一种包括第一方面所述的卷绕电芯的电池，所述电池包括壳体和端盖，所述壳体内设置有所述卷绕电芯，所述端盖固定于所述壳体的敞口端，所述卷绕电芯一端与所述端盖电性连接。

需要说明的是，本发明对电池型号和壳体材质不作具体要求和特殊限定，示例性地，圆柱电池中常见的18650、21700、32700或46800等不同尺寸型号的电池均可采用本发明提供的制备方法进行电芯卷绕，因此，以上例举的各类电池以及未列举的其他类似结构的电池均属于本发明的保护范围。对壳体材质而言，不锈钢、铝、镍、钛或铜等其他金属或者合金材料做成的圆柱型壳体也属于本发明的保护范围。

作为本发明一种优选的技术方案，所述壳体远离盖板组件的一端开设有通孔，所述通孔处设置有正极极柱，所述中心管的封口端在所述通孔处与所述正极极柱焊接。

本发明提供的中心管充当了电芯卷绕时的卷针，同时发挥了散热作用和泄压作用，此外，本发明提供的中心管还可以作为正极集流柱使用。通过将电池的正极片直接电性连接在中心管上，并将中心管的封口端与正极极柱焊接，从而将中心管作为正极集流柱使用，起到了导电流、导热量和支撑极片的作用。此外，中心管做正极集流柱，无正极耳弯折倒插短路风险。中心管通过焊接固定在极柱上，防止使用过程中振动导致的中心管错位导致的安全隐患。由于本发明提供的中心管采用了导热系数较大的铝金属，且中心管贯穿电芯发热量最高且散热最困难的中心位置，中心管与正极极柱连通，可直接将电芯中心的热量导出到电池的壳体表面，加强了对电芯的散热效果。

需要说明的是，本发明对焊接方式不作具体要求和特殊限定，可选地，焊接方式可以是激光焊接、超声焊接或电阻焊接中的任意一种。进一步地，卷芯的正极耳端与壳体之间放置一层绝缘垫。

所述中心管的开口端与所述端盖之间设置有散热片。

在本发明中，端盖靠近中心管一侧的表面设有散热片，中心管的开口端与散热片接触。散热片为圆形，覆盖在壳体开口一端，并与中心管的开口端直接接触，电芯产生的热量由电芯传导至贯穿电芯的中心管内，并通过中心管将热量传导散热片，散热片具有较大散热面积，通过散热片辅助中心管，大幅提高了对电芯的散热效果，有效解决了电芯内部温度过高而导致电池使用寿命和安全性的问题。

所述卷绕电芯一端通过负极集流盘与所述端盖电性连接。

所述负极集流盘与所述端盖之间留有空隙，所述负极集流盘的周向外缘向所述端盖方向弯折形成弯折部，所述弯折部抵接所述端盖外周。

在本发明中，壳体敞口端的外缘经过滚槽设计，滚槽下边缘的壳体与负极集流盘固定连接，固定连接方式可以为激光焊接或机械挤压，优选为激光焊接。若采用机械挤压，可将盖板放入滚槽处，挤压壳体边缘完成端盖与壳体之间的密封。本发明通过改变端盖、负极集流盘与壳体的结构，使端盖与壳体、壳体与负极集流盘均可采用连续激光焊接方式，从而降低了焊接难度，防止虚焊，提高了产品良率。

第四方面，本发明提供了一种第三方面所述的电池的装配方法，所述装配方法包括：

将卷绕电芯放入壳体内，卷绕电芯的一端与端盖电性连接，将端盖盖设于壳体的敞口端，端盖外缘与壳体外缘焊接固定。

作为本发明一种优选的技术方案，所述装配方法具体包括如下步骤：

（Ⅰ）中心管的封口端朝下，将卷绕电芯放入壳体内，中心管的封口端对准正极极柱，点焊针由中心管的敞口端伸入至底部，对中心管的封口端与正极极柱进行点焊固定，中心管作为正极集流柱与正极极柱电性连接；

（Ⅱ）卷绕电芯的负极全极耳与负极集流盘焊接固定，将负极集流盘的弯折部与端盖外周焊接，通过负极集流盘将卷绕电芯的负极全极耳与端盖电性连接；

（Ⅲ）将端盖盖设于壳体的敞口端，端盖外缘与壳体外缘焊接固定，向壳体内注入电解液，密封后得到所述电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的卷绕电芯内部设置有中心管，其作用在于：

（1）卷针作用：在卷绕时中心管作为卷针使用，卷绕完成后将中心管留在卷芯内部，无需抽出，避免了抽芯或断针风险。

（2）支撑作用：卷芯中心处的中心管能起到对卷芯的支撑作用，防止电芯在使用时出现塌陷，中心管外壁与电芯内壁紧贴，使得中心管在电芯内更加稳固，不会左右摇晃，提高了卷绕电芯的空间利用率，增大了卷绕电芯的体积能量密度；卷芯内的极片无需贴绝缘胶带，从而确保电芯直径方向各处厚度一致，避免出现变形风险；

（3）散热作用：中心管位于卷芯内部，能将卷绕电芯内部产生的热量通过中心管传导至两端，在不改变卷绕电芯整体体积的情况下，提升了卷绕电芯的散热性能；

（4）集流作用：卷芯中心处的中心管还可以作为正极集流柱使用，通过将电池的正极片（正极空箔区）直接电性连接在中心管上，并将中心管的封口端与正极极柱焊接，使得中心管发挥了正极集流柱的功能，因此无需将正极耳弯折，防止了正极耳弯折所产生的倒插短路风险。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式提供的正极片、负极片和隔膜的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施方式提供的电芯卷绕过程示意图；

图3为本发明一个具体实施方式提供的卷绕电芯的结构示意图；

图4为本发明一个具体实施方式提供的电池正极端的外观结构示意图；

图5为本发明一个具体实施方式提供的电池负极端的外观结构示意图；

图6为本发明一个具体实施方式提供的电池拆解结构示意图；

图7为本发明一个具体实施方式提供的电池内部剖视图；

图8为本发明一个具体实施方式提供的电池焊接示意图；

图9为本发明一个具体实施方式提供的中心管的结构示意图；

其中，1-正极片；2-正极空箔区；3-正极涂覆区；4-隔膜；5-负极片；6-负极空箔区；7-负极涂覆区；8-中心管；9-壳体；10-端盖；11-正极极柱；12-卷芯；13-密封圈；14-负极集流盘；15-点焊针；16-焊点。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种卷绕电芯，所述卷绕电芯包括卷芯12和位于所述卷芯12内的中心管8，所述卷芯12由正极片1、第一隔膜、负极片5和第二隔膜层叠后卷绕形成，所述中心管8沿所述卷芯12的长度方向贯穿所述卷芯12；

如图1所示，所述正极片1沿长度方向分为正极空箔区2和正极涂覆区3，所述负极片5沿宽度方向分为负极空箔区6和负极涂覆区7；所述第一隔膜和所述第二隔膜分别覆盖所述正极涂覆区3和所述负极涂覆区7，所述正极空箔区2的至少部分缠绕于所述中心管8外周，并与所述中心管8外周焊接固定，所述中心管8作为卷芯12的正极集流柱，引出正极极耳；所述负极空箔区6卷绕后形成位于所述卷芯12一端的负极全极耳。

本发明提供的卷绕电芯内部设置有中心管8，其作用在于：

（1）卷针作用：在卷绕时中心管8作为卷针使用，卷绕完成后将中心管8留在卷芯12内部，无需抽出，避免了抽芯或断针风险。

（2）支撑作用：卷芯12中心处的中心管8能起到对卷芯12的支撑作用，防止电芯在使用时出现塌陷，中心管8外壁与电芯内壁紧贴，使得中心管8在电芯内更加稳固，不会左右摇晃，提高了卷绕电芯的空间利用率，增大了卷绕电芯的体积能量密度；卷芯12内的极片无需贴绝缘胶带，从而确保电芯直径方向各处厚度一致，避免出现变形风险；

（3）散热作用：中心管8位于卷芯12内部，能将卷绕电芯内部产生的热量通过中心管8传导至两端，在不改变卷绕电芯整体体积的情况下，提升了卷绕电芯的散热性能；

（4）集流作用：卷芯12中心处的中心管8还可以作为正极集流柱使用，通过将电池的正极片1（正极空箔区2）直接电性连接在中心管8上，并将中心管8的封口端与正极极柱11焊接，使得中心管8发挥了正极集流柱的功能，因此无需将正极耳弯折，防止了正极耳弯折所产生的倒插短路风险。

进一步地，如图9所示，所述中心管8为铝制的空心圆柱结构，所述中心管8的一端封口，另一端敞口，所述中心管8的敞口端设置有封帽。

本发明在中心管8的敞口端设置了塑料材质的封帽，封帽的尺寸略小于中心管8的直径，从而对中心管8的敞口端进行密封。封帽的作用除了密封外，还起到了类似泄压阀的效果，当电芯发热导致中心管8内压力增大时，产生的高压热量会冲破封帽并由中心管8的敞口端喷出，此时中心管8的敞口端则形成了出气出热口。

需要说明的是，本发明对封帽的材质不作具体要求和特殊限定，本领域技术人员可以根据不同型号的电池发热量选择不同材质的封帽，示例性地，可以是PP、PTFE或PVDF等。进一步地，为了更好地实现封帽泄压的作用，还可选地在封帽上设置浅划痕（优选十字交叉结构的浅划痕），本发明所述的浅划痕是指通过刀刃在封帽上刻划形成划痕，且不穿透封帽。在没有高压冲击下，由于浅划痕没有穿透封帽，封帽仍可保证敞口端处于密封状态；一旦压力过高，中心管8内部产生的高温高压气体极易冲破浅划痕，最终冲破封帽泄压。

进一步地，所述中心管8的外壁上开设若干通孔，形成镂空结构。

本发明中，通孔可选为圆形，通孔可以均匀分布于中心管8外壁也可以非均匀分布于中心管8外壁，本发明优选采用非均匀分布，在中心管8的中部管段的通孔的孔径较大和/或孔间距较小，位于中心管8两端的管段上的通孔的孔径较小和/或孔间距较大。这样设计的目的在于匹配电芯在不同位置处的发热量不同，卷绕电芯的中心处散热量较高，在散热量相对较高的区域对应了中心管8的中部管段，因此中部管段的通孔分布密度较高，确保中心管8内产生的高温高压气体可以通过通孔快速排出，有利于电芯内的热量散发，以提高中心管8的散热效果，同时也提升了电池的安全性能。当然，电芯两端与端盖10或极柱的焊接处的散热量也较高，但这些区域由于靠近壳体9两端，散热路径较短，产生的热量可以较快地通过壳体9散出，因此相比于中部管段，中心管8两端的管段的散热压力较小，相应地，两端的通孔的分布密度也较小。

需要说明的是，本发明对通孔孔径和孔间距不作具体要求和特殊限定，本领域技术人员可以根据不同型号的电池发热量选择不同孔径和孔间距的通孔。示例性地，本发明限定的中心管8的中部管段处的通孔孔径为0.5~0.6mm，两端的管段处的通孔孔径为0.3~0.4mm。

进一步地，所述中心管8内填充有相变吸热材料。

本发明利用相变吸热材料的吸热特性实现了对电芯热量的吸收，电芯在工作时产生的热量能够稳定高效地被相变吸热材料吸收，用相变吸热材料的高导热和相变焓吸热实现对电芯的温度调控，保证了电池的正常工作状态，提高了电池的使用寿命。在本发明中，相变吸热材料未发生相变时，相变吸热材料不超过中心管8空腔体积的95%。本发明提供的相变吸热材料优选为固-固相变材料，示例性地，可以是树脂、石墨或石蜡类混合物。

需要说明的是，本发明在中心管8靠近敞口端的外壁处开设有通气孔，通气孔上设置有单向阀，单向阀可以确保电芯产生的气体进入中心管8，而阻止中心管8内的气体进入电芯。

电池在使用过程中尤其是高温条件下，由于正极片1、负极片5和电解液中各种副发应的发生会产生气体，气体积累到一定程度会导致电池内部气压增大，使电池膨胀变形，影响电池使用及寿命。因此本发明限定的中心管8除了起到了散热效果外还可以作为泄压腔使用，具体地，本发明在中心管8靠近敞口端的外壁处开设有通气孔，当电池在使用过程中内部产气积累到一定压力时，即电芯内部的产气压力大于中心管8内腔的压力时，电芯内部产气就会通过通气孔进入中心管8内腔中，以减少电池内部的压力，防止电池膨胀变形。为了确保电芯产气可以单向进入中心管8，本发明在通气孔处设置单向阀，单向阀可以阻止中心管8内的高温高压气体反向流入电芯。进一步地，本发明在中心管8的敞口端设置有封帽，一旦中心管8内的高温高压气体过多也无需担心燃爆风险，高温高压气体可通过封帽处的浅划痕完成单向泄压。

需要说明的是，本发明对单向阀的结构不作具体要求和特殊限定，可以是在通气孔处设置常规的只能单向通气的机械结构或者是直接在通气孔处设置的气动单向阀。

进一步地，所述第一隔膜的宽度和/或所述第二隔膜的宽度＞所述负极涂覆区7的宽度＞所述正极片1的宽度第一隔膜第二隔膜，所述正极涂覆区3、所述第一隔膜、所述负极涂覆区7和所述第二隔膜沿两侧长度边缘依次对齐层叠并完全覆盖，所述负极空箔区6位于覆盖范围之外。

进一步地，由所述正极空箔区2一侧开始卷绕，所述正极空箔区2卷绕所述中心管8至少一圈。

进一步地，所述第一隔膜和所述第二隔膜的长度大于所述负极片5的长度，所述负极片5的长度大于所述正极片1的长度，卷绕至收尾处时，所述第一隔膜和所述第二隔膜包裹所述卷芯12。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种上述卷绕电芯的制备方法，如图2所示，所述制备方法包括：

中心管8的长度方向两端与正极空箔区2的宽度边缘对齐或中心管8的长度方向两端略超出正极空箔区2的宽度边缘，并将正极空箔区2与中心管8的外表面焊接固定（如图3所示），沿正极片1长度方向进行预卷绕，正极空箔区2的至少部分卷绕于中心管8外周后停止卷绕，向卷绕形成的缝隙中插入第一隔膜、负极片5和第二隔膜，负极片5夹设于第一隔膜和第二隔膜之间；

正极涂覆区3、第一隔膜、负极涂覆区7和第二隔膜由外至内依次对齐层叠，负极空箔区6位于正极涂覆区3的覆盖范围之外；继续卷绕，直至正极片1、第一隔膜、负极片5和第二隔膜全部绕于中心管8外周，得到内部具有中心管8的卷绕电芯，负极空箔区6卷绕后形成负极全极耳。

本发明采用中心管8作为卷绕电芯的卷针使用，卷绕完成后无需取出中心管8，因此不会出现抽芯或断针的风险。此外，通过将隔膜4和负极片5分阶段插入，确保正极片1和负极片5之间可以被隔膜4完全隔开，在装配成电池后即便受到外界压力也不会导致卷绕电芯松动造成负极片5与正极片1直接接触，本发明提供的卷绕电芯的制作工序简单，制造成本低。

进一步地，所述第一隔膜、所述负极片5和所述第二隔膜的插入过程具体包括：

向卷绕形成的缝隙中插入第一隔膜和第二隔膜后卷绕一段距离，使得第一隔膜和第二隔膜在卷绕头部形成层叠接触区，随后向第一隔膜和第二隔膜之间的缝隙内插入所述负极片5。

进一步地，所述中心管8在卷绕收尾时，负极片5和正极片1完全卷绕至中心管8外周，第一隔膜和第二隔膜长出负极片5的部分单独包裹卷绕电芯外周。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种包括上述的卷绕电芯的电池，如图4和图5所示，所述电池包括壳体9和端盖10，所述壳体9内设置有所述卷绕电芯，所述端盖10固定于所述壳体9的敞口端，所述卷绕电芯一端与所述端盖10电性连接。

需要说明的是，本发明对电池型号和壳体9材质不作具体要求和特殊限定，示例性地，圆柱电池中常见的18650、21700、32700或46800等不同尺寸型号的电池均可采用本发明提供的制备方法进行电芯卷绕，因此，以上例举的各类电池以及未列举的其他类似结构的电池均属于本发明的保护范围。对壳体9材质而言，不锈钢、铝、镍、钛或铜等其他金属或者合金材料做成的圆柱型壳体9也属于本发明的保护范围。

进一步地，如图6所示，所述壳体9远离盖板组件的一端开设有通孔，所述通孔处设置有正极极柱11，所述中心管8的封口端在所述通孔处与所述正极极柱11焊接。

本发明提供的中心管8充当了电芯卷绕时的卷针，同时发挥了散热作用和泄压作用，此外，本发明提供的中心管8还可以作为正极集流柱使用。通过将电池的正极片1直接电性连接在中心管8上，并将中心管8的封口端与正极极柱11焊接，从将中心管8作为正极集流柱使用，起到了导电流、导热量和支撑极片的作用。此外，中心管8做正极集流柱，无正极耳弯折倒插短路风险。中心管8通过焊接固定在极柱上，防止使用过程中振动导致的中心管8错位导致的安全隐患。由于本发明提供的中心管8采用了导热系数较大的铝金属，且中心管8贯穿电芯发热量最高且散热最困难的中心位置，中心管8与正极极柱11连通，可直接将电芯中心的热量导出到电池的壳体9表面，加强了对电芯的散热效果。

需要说明的是，本发明对焊接方式不作具体要求和特殊限定，可选地，焊接方式可以是激光焊接、超声焊接或电阻焊接中的任意一种。进一步地，卷芯12的正极耳端与壳体9之间放置一层绝缘垫。

进一步地，所述中心管8的开口端与所述端盖10之间设置有散热片。

在本发明中，端盖10靠近中心管8一侧的表面设有散热片，中心管8的开口端与散热片接触。散热片为圆形，覆盖在壳体9开口一端，并与中心管8的开口端直接接触，电芯产生的热量由电芯传导至贯穿电芯的中心管8内，并通过中心管8将热量传导散热片，散热片具有较大散热面积，通过散热片辅助中心管8，大幅提高了对电芯的散热效果，有效解决了电芯内部温度过高而导致电池使用寿命和安全性的问题。

进一步地，如图7所示，所述卷绕电芯一端通过负极集流盘14与所述端盖10电性连接。

进一步地，所述负极集流盘14与所述端盖10之间留有空隙，所述负极集流盘14的周向外缘向所述端盖10方向弯折形成弯折部，所述弯折部抵接所述端盖10外周。

在本发明中，壳体9敞口端的外缘经过滚槽设计，滚槽下边缘的壳体9与负极集流盘14固定连接，固定连接方式可以为激光焊接或机械挤压，优选为激光焊接。若采用机械挤压，可将盖板放入滚槽处，挤压壳体9边缘完成端盖10与壳体9之间的密封。本发明通过改变端盖10、负极集流盘14与壳体9的结构，使端盖10与壳体9、壳体9与负极集流盘14均可采用连续激光焊接方式，从而降低了焊接难度，防止虚焊，提高了产品良率。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种上述的电池的装配方法，所述装配方法包括：

将卷绕电芯放入壳体9内，卷绕电芯的一端与端盖10电性连接，将端盖10盖设于壳体9的敞口端，端盖10外缘与壳体9外缘焊接固定。

进一步地，所述装配方法具体包括如下步骤：

（Ⅰ）中心管8的封口端朝下，将卷绕电芯放入壳体9内，中心管8的封口端对准正极极柱11，点焊针15由中心管8的敞口端伸入至底部，对中心管8的封口端与正极极柱11进行点焊固定，点焊后在中心管8的底部形成焊点16（如图8所示），中心管8作为正极集流柱与正极极柱11电性连接；

（Ⅱ）卷绕电芯的负极全极耳与负极集流盘14焊接固定，将负极集流盘14的弯折部与端盖10外周焊接，通过负极集流盘14将卷绕电芯的负极全极耳与端盖10电性连接；

（Ⅲ）将端盖10盖设于壳体9的敞口端，端盖10外缘与壳体9外缘焊接固定，向壳体9内注入电解液，密封后得到所述电池。

实施例

采用上述具体实施方式提供的电池装配得到46800圆柱形电池，其中，正极材料使用三元材料，负极材料为石墨。

准备两根热电偶丝，在电池装配时将其中一根热电偶丝埋入卷绕电芯中心处用于实时测量卷绕电芯中心处的温度，另一根热电偶丝贴在壳体9表面用于实时测量壳体9表面的温度。

对比例

与实施例1采用相同的正极材料和负极材料，制备相同型号的圆柱电池，区别在于在制备卷芯12时将正极、隔膜4和负极依次层叠后通过卷针同时卷绕，卷绕成型后抽出卷针。

对实施例和对比例中装配好的电池在室温下进行循环测试，电压区间为4.2~3.0V，放电电流为30A或50A。分别测试实施例和对比例得到的卷绕电芯的内部温度和电池壳体9的表面温度，测试数据如表1所示。

表1

	放电电流[A]	壳体9表面最高温度[℃]	壳体9中心最高温度[℃]
				实施例	30	37	42
对比例	30	40	52
				实施例	50	43	53
对比例	50	50	73

由表1数据可以看出，在30A或50A的大电流放电条件下，与对比例提供的卷绕电芯相比，本发明提供的卷绕电芯的中心最高温度平均低10~20℃，壳体9的表面温度平均低3~7℃。这表明通过在卷绕电芯内部设置中心管8不仅取代了卷针，也能有效提高卷绕电芯的散热效率。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种卷绕电芯，其特征在于，所述卷绕电芯包括卷芯和位于所述卷芯内的中心管，所述卷芯由正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜层叠后卷绕形成，所述中心管沿所述卷芯的长度方向贯穿所述卷芯；

所述正极片沿长度方向分为正极空箔区和正极涂覆区，所述负极片沿宽度方向分为负极空箔区和负极涂覆区；所述第一隔膜和所述第二隔膜分别覆盖所述正极涂覆区和所述负极涂覆区，所述正极空箔区的至少部分缠绕于所述中心管外周，并与所述中心管外周焊接固定，所述中心管作为卷芯的正极集流柱，引出正极极耳；所述负极空箔区卷绕后形成位于所述卷芯一端的负极全极耳。

2.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述中心管为铝制的空心圆柱结构，所述中心管的一端封口，另一端敞口，所述中心管的敞口端设置有封帽；

所述中心管的外壁上开设若干通孔，形成镂空结构；

所述中心管内填充有相变吸热材料。

3.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述第一隔膜的宽度和/或所述第二隔膜的宽度＞所述负极涂覆区的宽度＞所述正极片的宽度，所述正极涂覆区、所述第一隔膜、所述负极涂覆区和所述第二隔膜沿两侧长度边缘依次对齐层叠并完全覆盖，所述负极空箔区位于覆盖范围之外；

由所述正极空箔区一侧开始卷绕，所述正极空箔区卷绕所述中心管至少一圈；

所述第一隔膜和所述第二隔膜的长度大于所述负极片的长度，所述负极片的长度大于所述正极片的长度，卷绕至收尾处时，所述第一隔膜和所述第二隔膜包裹所述卷芯。

4.一种权利要求1-3任一项所述卷绕电芯的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

中心管的长度方向两端与正极空箔区的宽度边缘对齐或中心管的长度方向两端略超出正极空箔区的宽度边缘，并将正极空箔区与中心管的外表面焊接固定，沿正极片长度方向进行预卷绕，正极空箔区的至少部分卷绕于中心管外周后停止卷绕，向卷绕形成的缝隙中插入第一隔膜、负极片和第二隔膜，负极片夹设于第一隔膜和第二隔膜之间；

正极涂覆区、第一隔膜、负极涂覆区和第二隔膜由外至内依次对齐层叠，负极空箔区位于正极涂覆区的覆盖范围之外；继续卷绕，直至正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜全部绕于中心管外周，得到内部具有中心管的卷绕电芯，负极空箔区卷绕后形成负极全极耳。

5.根据权利要求4所述的卷绕电芯的制备方法，其特征在于，所述第一隔膜、所述负极片和所述第二隔膜的插入过程具体包括：

向卷绕形成的缝隙中插入第一隔膜和第二隔膜后卷绕一段距离，使得第一隔膜和第二隔膜在卷绕头部形成层叠接触区，随后向第一隔膜和第二隔膜之间的缝隙内插入所述负极片。

6.根据权利要求4所述的卷绕电芯的制备方法，其特征在于，所述中心管在卷绕收尾时，负极片和正极片完全卷绕至中心管外周，第一隔膜和第二隔膜长出负极片的部分单独包裹卷绕电芯外周。

7.一种包括权利要求1-3任一项所述的卷绕电芯的电池，其特征在于，所述电池包括壳体和端盖，所述壳体内设置有所述卷绕电芯，所述端盖固定于所述壳体的敞口端，所述卷绕电芯一端与所述端盖电性连接。

8.根据权利要求7所述的电池，其特征在于，所述壳体远离盖板组件的一端开设有通孔，所述通孔处设置有正极极柱，所述中心管的封口端在所述通孔处与所述正极极柱焊接；

所述中心管的开口端与所述端盖之间设置有散热片；

所述卷绕电芯一端通过负极集流盘与所述端盖电性连接；

所述负极集流盘与所述端盖之间留有空隙，所述负极集流盘的周向外缘向所述端盖方向弯折形成弯折部，所述弯折部抵接所述端盖外周。

9.一种权利要求7或8所述的电池的装配方法，其特征在于，所述装配方法包括：

将卷绕电芯放入壳体内，卷绕电芯的一端与端盖电性连接，将端盖盖设于壳体的敞口端，端盖外缘与壳体外缘焊接固定。

10.根据权利要求9所述的装配方法，其特征在于，所述装配方法具体包括如下步骤：

（Ⅰ）中心管的封口端朝下，将卷绕电芯放入壳体内，中心管的封口端对准正极极柱，点焊针由中心管的敞口端伸入至底部，对中心管的封口端与正极极柱进行点焊固定，中心管作为正极集流柱与正极极柱电性连接；

（Ⅱ）卷绕电芯的负极全极耳与负极集流盘焊接固定，将负极集流盘的弯折部与端盖外周焊接，通过负极集流盘将卷绕电芯的负极全极耳与端盖电性连接；

（Ⅲ）将端盖盖设于壳体的敞口端，端盖外缘与壳体外缘焊接固定，向壳体内注入电解液，密封后得到所述电池。

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