CN115148949A - 一种具有凹陷结构的正极片及不易变形的二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有凹陷结构的正极片及不易变形的二次电池，属于二次电池的技术领域，能够提高电池的循环寿命。该正极片包括正极基材和正极材料，所述正极材料覆盖所述正极基材形成正极材料区，所述正极片还包括未覆盖有所述正极材料的基材暴露区，所述基材暴露区设置有若干凹陷结构；所述正极材料区和所述基材暴露区间隔设置，使得所述正极片经过与负极片卷绕后形成跑道型的电池芯后，所述跑道型的电池芯的拐弯处包括所述基材暴露区和所述正极材料区。本发明提供的技术方案解决了卷芯应力分布不均和卷芯电解液分布不均的质量问题，有效地提高了电池芯的循环寿命。

Description

一种具有凹陷结构的正极片及不易变形的二次电池
技术领域
本发明涉及二次电池技术领域，尤其是涉及一种具有凹陷结构的正极片及不易变形的二次电池。
背景技术
随着锂离子电池、钠离子电池等二次电池的材料技术和制造工艺的不断突破，二次电池被广泛应用到消费类电池产品、电动汽车、风光发电储能、家庭储能等领域。
随着二次电池的广泛应用，为降低二次电池的使用成本，同时为了节约生产资源、提高二次电池的环保，电池的使用寿命越来越被重视，尤其是风光电力储能领域，对整个生命周期的电池寿命提出了高达20年的使用需求。现市场上占比超过50％的电池，皆是使用卷绕结构的方壳电芯，该结构电芯使用后期会出现由于卷芯应力分布不均和卷芯电解液分布不均的质量问题，导致电芯循环寿命的降低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种具有凹陷结构的正极片及不易变形的二次电池。
第一方面，本发明提供了一种具有凹陷结构的正极片，包括正极基材和正极材料，所述正极材料覆盖所述正极基材形成正极材料区，所述正极片还包括未覆盖有所述正极材料的基材暴露区，所述基材暴露区设置有若干凹陷结构；所述正极材料区和所述基材暴露区间隔设置，使得所述正极片经过与负极片卷绕后形成跑道型的电池芯后，所述跑道型的电池芯的拐弯处包括所述基材暴露区和所述正极材料区。
进一步的，凹陷结构阵列式均匀设置于所述基材暴露区。
进一步的，凹陷结构为半球体型。
进一步的，凹陷结构的半径为20至50微米。
进一步的，各凹陷结构在所述基材暴露区上的投影面积的总和与所述基材暴露区的面积的比值为40％至60％。
进一步的，所述凹陷结构通过压花工艺形成。
本发明提供了一种具有凹陷结构的正极片。该正极片包括正极基材和覆盖于所述正极基材上的正极材料形成的正极材料区，还包括未覆盖有所述正极材料的基材暴露区，所述基材暴露区设置有若干凹陷结构。在所述正极片卷绕形成横截面为跑道型的电池芯后，所述跑道型的电池芯的拐弯处包括所述基材暴露区和所述正极材料区。这样的设计，使得电池在充放电的循环运转中，电池芯的拐弯处不会因为正极材料的存在而发生金属离子(例如锂离子、钠离子)的嵌入脱离的情况，导致正极片的厚度发生变化，进而拐弯处不会产生应力变化，保证了电池芯各个位置的级片动力学维持原状；同时因为没有金属离子的脱嵌现象的发生，也就不会产生局部析出金属离子的现象，能够有效地防止电池芯出现容量快速衰减、寿命快速减少的问题。此外，本发明提供的正极片形成跑道型的电池芯后，由于该电池芯的拐弯处的正极设置有凹陷结构，此时正极的基材、隔离膜和负极之间会产生一定的相互接触的界面，得益于该相互接触的界面，存储在电池底部的电解液会在界面毛细现象的作用下渗透到电池芯的整个拐弯处，进而向电池芯的储能大面传递，极大的改善了卷芯的电解液均匀分布性。以上两点的结合，很大程度上改善了电池的循环寿命。
第二方面，本发明提供了一种不易变形的二次电池，该二次电池包括上述的正极片和负极片卷绕形成的电池芯，所述电池芯的拐弯处包括由所述正极片的基材暴露区形成的基材暴露层和由所述正极材料区形成的正极材料层。
进一步的，在所述电池芯的拐弯处，由若干基材暴露层组成的基材暴露组和由若干正极材料层组成的正极材料组交替设置。
进一步的，所述基材暴露组包括若干基材暴露层，且各基材暴露组的层数相同；所述正极材料组包括1层正极材料层。
进一步的，所述正极材料组包括若干正极材料层，且各正极材料组的层数相同；所述基材暴露组包括1层基材暴露层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的正极片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的二次电池的电池芯的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电池芯拐弯处的结构示意图一；
图4为本发明实施例提供的电池芯拐弯处的结构示意图二。
图中标号说明：
1-基材暴露区； 2-正极材料区； 3-基材暴露层； 4-正极材料层；
5-负极片； 6-凹陷结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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。
本发明实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本发明实施例提供了一种具有凹陷结构的正极片。如图1所示，该正极片包括正极基材和正极材料，正极材料覆盖正极材料形成的区域为正极材料区2。此外，该正极片还包括未覆盖有所述正极材料的基材暴露区1，所述基材暴露区1设置有若干凹陷结构6。如图2所示，在所述正极片和负极片5卷绕形成横截面为跑道型的电池芯后，所述基材暴露区1位于所述跑道型电池芯的拐弯处。这样的设计，使得电池在充放电的循环运转中，电池芯的拐弯处不会因为正极材料的存在而发生金属离子(例如锂离子、钠离子)的嵌入脱离的情况，导致正极片的厚度发生变化，进而拐弯处不会产生应力变化，保证了电池芯各个位置的级片动力学维持原状；同时因为没有金属离子的脱嵌现象的发生，也就不会产生局部析出金属离子的现象，能够有效地防止电池芯出现容量快速衰减、寿命快速减少的问题。
此外，本发明实施例提供的正极片形成跑道型的电池芯后，由于该电池芯的拐弯处的正极片设置有凹陷结构6，此时正极的正极基材、隔离膜和负极之间会产生一定的相互接触的界面。得益于该相互接触的界面，存储在电池底部的电解液会在界面毛细现象的作用下渗透到电池芯的整个拐弯处，进而向电池芯的储能大面传递，极大的改善了卷芯的电解液均匀分布性。以上两点的结合，很大程度上的改善了电池的循环寿命。
本发明通过在正极的正极基材、隔离膜和负极之间产生接触面改善电解液的分布情况来实现电池的循环寿命的提高，因此，为了保证接触面的均匀程度，进而确保电解液的均匀分布，同时为了便于通过压花工艺加工制得该正极片，凹陷结构阵列式均匀设置于基材暴露区1。同时，由于基材暴露区1设置有凹陷结构6后，导致基材暴露区1不再平整，应力分布情况会发生变化，为了保证基材暴露区1的强度、韧性，保证电池的循环寿命，本发明实施例的凹陷结构6优选为应力分布较均匀的半球体型，进一步的，通过实验筛选得到凹陷结构6的半径为20至50微米，并且，凹陷结构6在所述基材暴露区1上的投影面积的总和与所述基材暴露区1的面积的比值为40％至60％。
此外，本发明实施例还提供了一种不易变形的二次电池，在该二次电池的电池芯的拐弯处，由若干基材暴露层3组成的基材暴露组和由若干正极材料层4组成的正极材料组交替设置。进一步地，可以有以下两种设置方式：第一种，如图3所示，基材暴露组包括若干基材暴露层3，且各基材暴露组的层数相同；而正极材料组包括1层正极材料层4。第二种，如图4所示，正极材料组包括若干正极材料层4，且各正极材料组的层数相同；基材暴露组包括1层基材暴露层3。此外，还可以将该电池芯的拐弯处全部设置为带有凹陷结构6的基材暴露层3。以下将通过各个实施例来说明各种设置方式带来的对电池寿命的改善效果。
对比例
对比例选用传统的锂电池，这种传统的锂电池的正极片全部覆盖有正极材料，也没有凹陷结构3。这种电池，在室温下(即25℃)时，1C(即电池的电量在一小时放光)的循环次数为4519周。
实施例一
本实施例在对比例的传统锂电池的基础上，将半球状的凹陷结构6的半径固定为30微米，同时，凹陷结构6在所述基材暴露区1上的投影面积的总和与所述基材暴露区1的面积的比值(即凹陷结构密度)固定为50％。如下表1所示，假设此时的电池芯拐弯处的正极总层数为100层，通过调节每一基材暴露组的层数，来观察电池的循环次数的变化情况。
Figure BDA0003780111230000051
Figure BDA0003780111230000061
表1
可见，该二次电池的循环寿命，随着基材暴露组中基材暴露层3层数的增加而不断延长，即从1层基材暴露层的5713周一直上升，至99层的8918周。但是应该看出，即使每一基层材料组仅有1层基材暴露层3时，电池的循环寿命也有5713周，远远大于现有的传统锂电池的循环寿命4519周。
需要说明的是，在本发明实施例中，在电池芯的拐弯处，基材暴露组和正极材料组交替设置，如果电池芯拐弯处剩余的层数不够放置一组基材暴露组或正极材料组时，按照原来的规律用基材暴露层3或正极材料层4填充满即可。例如，对于电池芯拐弯处共有100层的正极片的情况，如果选用由50层基材暴露层3组成一基材暴露组的方案，此时设置一正极材料层4之后，余下49层按照设定的规律填充，即剩余的49层的正极片均设置为基材暴露层3。以下不再赘述。
实施例二
本实施例在对比例提供的传统锂电池的基础上，基材暴露组包括1层基材暴露层3，而每个正极材料组均包括若干层正极材料层4，且各正极材料组的正极材料层4的层数相等。同时，凹陷结构6的半径固定为30微米，各凹陷结构6在基材暴露区1上的投影面积的总和占基材暴露区1的面积的50％。如下表2所示，假设此时的电池芯拐弯处的正极总层数为100层，通过调节每一正极材料组的层数，来观察电池的循环次数的变化情况。
Figure BDA0003780111230000062
Figure BDA0003780111230000071
表2
可见，该二次电池的循环寿命，随着正极材料组中正极材料层层数的增加而下降，在最开始时，正极材料组仅包括1层正极材料层4，此时电池的循环寿命为5758周；当正极材料组包括2层正极材料层4时，电池的循环寿命锐减至4901周。之后随着正极材料组的正极材料层4的层数的增加，电池的循环寿命整体呈现缓慢下降的趋势。但是应当能够看出，即使是在正极材料组为90层时，电池的循环寿命下降至整个表格中的最低值4535周，依然略大于现有的传统锂电池的循环寿命4519周。
但比对实施例一和实施例二的整体数据来说，保持正极材料组仅包括1层正极材料层4，基材暴露组有若干层基材暴露层3这样的设置方法，对二次电池循环寿命的改善效果更好。
以上讨论了调整基材暴露组的层数和调整正极材料组的层数对二次电池循环寿命的改善情况，接下来，本发明实施例还将讨论凹陷结构6的半径和各凹陷结构6在基材暴露区1上的投影面积的总和占基材暴露区1的面积发生变化时，对电池循环寿命的影响。
实施例三
在本实施例中，基材暴露组包括5层基材暴露层3，正极材料组仅包括1层正极材料层3，各凹陷结构6在基材暴露区1上的投影面积的总和占基材暴露区1的面积的50％(即凹陷结构密度为50％)。通过调整凹陷结构6的半径(也为凹陷结构6的深度)的大小，观察电池的循环寿命，凹陷结构6的半径的单位为微米，如下表3所示。
凹陷结构的半径 25℃，1C循环寿命/周
0 5534
5 5725
10 6187
20 7094
30 7121
40 7008
50 7128
60 正极基材破损
70 正极基材破损
表3
可见，该二次电池的循环寿命，随着凹陷结构6的半径的变大而增加至7000左右之后持平，直至正极基材因为压花工艺破损、无法制备电池芯。如表3所示，当凹陷结构6的半径为50微米时，电池的循环寿命达到了最优的7128周。当凹陷结构6的半径继续增大到60微米及以上之后，正极基材破损。但是应当能够看出，在设置通孔而不损坏正极基材的方案中，二次电池的循环寿命改善情况明显。
实施例四
在本实施例中，基材暴露组包括5层基材暴露层3，正极材料组也仅包括1层正极材料层4，凹陷结构6的半径固定为30微米。通过调整各凹陷结构6在所述基材暴露区1上的投影面积的总和与所述基材暴露区1的面积的比值(即凹陷结构密度)，来观察电池寿命的变化情况，如下表4所示。
Figure BDA0003780111230000081
Figure BDA0003780111230000091
表4
可见，该二次电池的循环寿命，随着凹陷结构密度的变大而先增加后减少。当凹陷结构密度为50％时，电池的循环寿命达到了最优的7121周。但是应当能够看出，设置有凹陷结构6的各方案都能够使得二次电池的循环寿命具有明显的改善情况。
实施例五
本实施例在对比例提供的传统锂电池的基础上，电池芯的拐弯处的正极片均为带凹陷结构6的基材暴露层3，在这种情况下，电池芯的拐弯处不设置有正极材料层4。并且，凹陷结构6的半径设定为30微米，凹陷结构6的密度设定为50％。此时，经过实验，得到二次电池在25℃下，1C循环寿命为8941周。
综上实验数据，可知，当跑道型电池芯的正极片在拐弯处均为基材暴露区1，基材暴露区1设置有半径为30微米的半球状的凹陷结构6、且凹陷结构6的密度为50％时，电池在25℃、1C充放电的情况下具有最佳的循环寿命，为8941周。
本发明实施例所涉及的二次电池可为锂电池、钠电池或其他具有类似原理、类似工艺、类似结构的金属离子电池。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有凹陷结构的正极片，包括正极基材和正极材料，所述正极材料覆盖所述正极基材形成正极材料区，其特征在于，所述正极片还包括未覆盖有所述正极材料的基材暴露区，所述基材暴露区设置有若干凹陷结构，所述正极材料区和所述基材暴露区间隔设置，使得所述正极片经过与负极片卷绕后形成跑道型的电池芯后，所述跑道型的电池芯的拐弯处包括所述基材暴露区和所述正极材料区。
2.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，凹陷结构阵列式均匀设置于所述基材暴露区。
3.根据权利要求2所述的正极片，其特征在于，凹陷结构为半球体型。
4.根据权利要求3所述的正极片，其特征在于，凹陷结构的半径为20至50微米。
5.根据权利要求4所述的正极片，其特征在于，各凹陷结构在所述基材暴露区上的投影面积的总和与所述基材暴露区的面积的比值为40％至60％。
6.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，凹陷结构通过压花工艺形成。
7.一种不易变形的二次电池，其特征在于，包括由权利要求1至6任一项所述的正极片和负极片卷绕形成的电池芯，所述电池芯的拐弯处包括由所述正极片的基材暴露区形成的基材暴露层和由所述正极材料区形成的正极材料层。
8.根据权利要求7所述的二次电池，其特征在于，在所述电池芯的拐弯处，由若干基材暴露层组成的基材暴露组和由若干正极材料层组成的正极材料组交替设置。
9.根据权利要求8所述的二次电池，其特征在于，所述基材暴露组包括若干基材暴露层，且各基材暴露组的层数相同；所述正极材料组包括1层正极材料层。
10.根据权利要求8所述的二次电池，其特征在于，所述正极材料组包括若干正极材料层，且各正极材料组的层数相同；所述基材暴露组包括1层基材暴露层。
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