CN115312988B - 多极耳极片、多极耳电芯和电池 - Google Patents

Abstract

本申请涉及锂离子电池技术领域，具体涉及多极耳极片、多极耳电芯和电池。该多极耳电芯包括依次叠设的正极片、隔膜和负极片；正极片和负极片分别设置有：极片主体、活性物质涂层和多个第一极耳；正极片和/或负极片还包括多个第二极耳；第一极耳和第二极耳设置于极片主体长轴侧边上，与极片主体电连接；第一极耳的高度大于第二极耳的高度；在隔膜收缩或融化的情况下，第二极耳能够与另一极片上第一极耳相接触；第二极耳表面包覆有绝缘胶水层。该多极耳正负极片充分解决现有多极耳锂离子电池因使用不当，或者其使用环境温度过高，导致锂离子电池热滥用失效的问题，使得各种尺寸和性能的锂离子电池可以大面积商业化。

Description

多极耳极片、多极耳电芯和电池

技术领域

本申请涉及锂离子电池技术领域，具体涉及多极耳极片、多极耳电芯和电池。

背景技术

随着社会的发展，人们对便携式移动办公设备的需求越来越迫切，锂离子电池由于具有能量密度高、功率密度大、循环性能好、无记忆效应、绿色环保等特点，成为便携式办公设备的储能工具，在移动通信设备如移动电话、移动摄像机、笔记本电脑、手机等各种电子产品中得到广泛应用，同时也有望成为未来电动汽车的供能系统。同时为了满足人们的办公和设备作业需求其使用环境也变得越来越复杂，那么电子设备所使用的锂离子电池就必须具备较高的性能。

多极耳电池因其具有良好的倍率充电性能，往往在多数场景下进行大倍率充电，大倍率快充锂离子电池在充电时会产生大量的热，在密闭的电池仓中容易引起电池仓内温度过高，导致锂离子电池热失控，引发锂离子电池燃烧，容易伤及使用者、或者引发火灾。目前，锂离子电池的安全性成为锂离子电池无法商业化的最大阻碍之一，爆炸、起火等原因都是由于锂离子电池使用不当，加之的热滥用无法通过测试导致的。

传统的方法都是通过掺杂包覆、全态等方式提高正极材料和电解质的热稳定性，这些方法不仅增加了电池的成本，而且技术也不成熟，对电芯的电性能有较大影响。因此，确有必要提供一种可改善多极耳锂离子电池热滥用正负极片及锂离子电池。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了多极耳极片、多极耳电芯和电池。该多极耳正负极片充分解决现有多极耳锂离子电池因使用不当，或者其使用环境温度过高，导致锂离子电池热滥用失效的问题，可有效改善多极耳锂离子电池炉温，使得各种尺寸和性能的锂离子电池可以大面积商业化。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种多极耳电芯，包括依次叠设的正极片、隔膜和负极片；正极片和负极片分别设置有：极片主体、活性物质涂层和多个第一极耳；

正极片和/或负极片还包括多个第二极耳；

第一极耳和第二极耳设置于极片主体长轴侧边上，与极片主体电连接；第一极耳的高度大于第二极耳的高度；在隔膜收缩或融化的情况下，第二极耳能够与另一极片上第一极耳相接触；

第二极耳表面包覆有绝缘胶水层，绝缘胶水层为具有高温融化特性的绝缘胶水层。

该绝缘胶水层具有电子绝缘特点，当涂层厚度达到5μm时，在10V外加电压下不被击穿，且具有良好的电子绝缘特点；同时该材料随着温度的升高尤其当温度达到110℃度时开始收缩，融化，露出集流体(铝箔集流体或铜箔集流体)；当温度达到130℃以上时该胶层完全融化充分暴露极片主体；锂离子电池在温度升高的过程中极耳侧的隔膜收缩，露出较小的第二极耳(此时的第二极耳表面的胶层已经融化掉)，与另一极片上裸露的第一极耳相接触，引发自主短路，在温度较低的环境下降低锂离子电池电压，减少产热提高锂离子电池的热滥用通过率。

锂离子电池引发热失控有四种模式：正极材料-负极材料接触；正极材料-负极片主体(铜箔)接触；负极材料-正极片主体(铝箔)接触；正极片主体(铝箔)-负极片主体(铜箔)接触。其中最危险的是在高温高电压下负极材料-正极片主体(铝箔)接触，两者一旦接触必然导致大量产热引发热失控。

本申请设计的极片在环境温度升高的过程中，或者电池自身产热温度升高的过程中，优先发生正极片主体(铝箔)-负极片主体(铜箔)短路模式使得电池瞬间放电，电压瞬间下降，产生的热量沿着导热较好的金属集流体瞬间均匀散掉，在温度较低的环境下降低锂离子电池电压，减少产热，提高锂离子电池的热滥用通过率，减少电池内部其它模式在高温高电压下的短路产热引发热失控的风险。正极片主体(铝箔)-负极片主体(铜箔)的接触在上述四种短路模式中是电池自放电最快、电压下降最快、产热适中、散热最快的一种模式。

作为优选，正极片上极片主体的长轴边缘与负极片上极片主体的长轴边缘之间的距离为d1，隔膜的边缘与正极片的边缘的距离为d2，隔膜的边缘与负极片的边缘的距离为d3；

正极片的第二极耳的高度大于d1，小于d2；

负极片的第二极耳的高度大于0，小于d3。

在本发明提供的实施方式中，第二极耳与另一极片上第一极耳的投影位置重合，投影位置重合的宽度为另一极片上第一极耳宽度的30％～50％以上。

作为优选，正极片第二极耳与负极片上第一极耳的投影位置重合宽度为负极片上第一极耳宽度的30％以上。

作为优选，负极片第二极耳与正极片上第一极耳的投影位置重合宽度为正极片上第一极耳宽度的50％以上。

在本发明提供的实施方式中，第二极耳的宽度为另一极片上第一极耳宽度的1.0～1.1倍。

在本发明提供的具体实施方式中，第二极耳的宽度为另一极片上第一极耳宽度的1.0～1.04倍。

作为优选，正极片第二极耳的宽度为负极片上第一极耳宽度的1.0～1.03倍。

作为优选，负极片第二极耳的宽度为正极片上第一极耳宽度的1.0～1.04倍。

作为优选，第一极耳与第二极耳的高度差值大于等于5mm。

优选地，第一极耳与第二极耳的高度差值为5～15mm。

作为优选，第一极耳和第二极耳为软极耳，所述电芯还包括硬极耳。

在本发明具体实施例中，在制备电芯时，层叠的多个第一极耳弯折并通过焊接实现电连接，并在焊印位置裁掉多余的部分。硬极耳与第一极耳通过焊印实现电连接。在此种情况下，多个第一极耳的高度是不一致的，只要保证最短的第一极耳高度与第二极耳高度的差值大于等于5mm即可。

作为优选，绝缘胶水层的厚度为5～20μm。

在本发明提供的具体实施方式中，绝缘胶水层的主要成分为苯乙烯系热塑性弹性体TPE和/或其衍生物；衍生物包括TPE-U(热塑性聚氨酯)、TPE-V(聚烯烃动态硫化弹性体)、POF(多层共挤聚烯烃热收缩膜)、OPS收缩膜(定向聚苯乙烯)、TPU、TPV、TPO中的一种或几种。

在本发明提供的具体实施方式中，同一极片上的第一极耳和第二极耳交替设置。但本发明同一极片上的第一极耳和第二极耳排布方式并非限定于此，只要能够保证第二极耳与另一极片上的部分或全部第一极耳投影位置重合即可。

本发明还提供了一种多极耳极片，多极耳极片包括正极片和负极片；

正极片、负极片分别设置有：极片主体、活性物质涂层和多个第一极耳；

正极片和/或负极片还包括多个第二极耳；

第一极耳和第二极耳设置于极片主体长轴侧边上，与极片主体电连接；第一极耳的高度大于第二极耳的高度；在电芯结构中的隔膜收缩或融化的情况下，第二极耳能够与另一极片上第一极耳相接触；

第二极耳表面包覆有绝缘胶水层，绝缘胶水层为具有高温融化特性的绝缘胶水层。

作为优选，极片主体与软极耳(第一极耳或第二极耳)为一体结构。

本发明还提供了一种电池，包括上述多极耳电芯，或多极耳极片。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.本发明与现有技术最大的区别在于，多极耳的极片上除了正常的软极耳外还有一个小极耳，同时限制当卷成卷芯后，小极耳的位置在卷芯对应的正常正负极耳处，即正常正极耳对小负极耳，正常负极耳对小正极耳；

2.本发明限制了小极耳的高度，小正极耳其高度大于锂电池负极-正极单边Overhang，小于隔膜-正极单边Overhang；小负极耳大于0，小于隔膜-负极单边Overhang，确保正常状态下电池内部不短路；

3.本发明限制了小极耳的高度、宽度和与正常极耳的覆盖宽度，确保小极耳表面的涂层融化后可以快速与正常极耳短接，温度较低的环境下降低锂离子电池电压，减少产热提高锂离子电池的热滥用通过率；

4.本发明中，小极耳上涂特殊胶水层，该胶水具有电子绝缘特点，当涂层厚度达到5μm时，在10V外加电压下不被击穿，且具有良好的电子绝缘特点；同时该材料随着温度的升高尤其当温度达到110℃时开始收缩、融化，露出集流体；当温度达到130℃以上时该胶层完全融化，充分暴露极片主体。

附图说明

图1示实施例1多极耳正极片结构示意图；

图2示实施例1多极耳负极片结构示意图；

图3示实施例1多极耳电芯结构示意图；

图4示实施例2多极耳正极片结构示意图；

图5示实施例2多极耳负极片结构示意图；

图6示实施例2多极耳电芯结构示意图；

图7示实施例7多极耳电芯结构示意图；

图8示电芯结构剖面示意图(极耳未示出)；

图9示软极耳(第一极耳和第二极耳)与硬极耳结构示意图。

附图标记如下：

1：正极片，2：隔膜，3：负极片；

11：正极片主体，12：第一正极极耳，13：第二正极极耳；

31：负极片主体，32：第一负极极耳，33：第二负极极耳；

4：电芯主体，5：焊印，6：硬极耳。

具体实施方式

本发明公开了多极耳极片、多极耳电芯和电池，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明中所用材料等均可通过商业渠道获得。

下面结合实施例，进一步阐述本发明：

实施例1

本实施例多极耳电芯包括依次叠设的正极片1、隔膜2和负极片3，其中，

正极片：

如图1所示，本实施例多极耳正极片包括正极片主体11、多个第一正极极耳12、多个第二正极极耳13，以及正极活性物质涂层(未示出)；

第一正极极耳和第二正极极耳交替设置于正极片主体长轴侧边上，与正极片主体电连接；第一正极极耳的高度为10mm(制备电芯时，由于焊接、裁切工艺，最终的第一正极极耳的高度设置可根据与硬极耳焊接的焊印位置而定，只要保证焊印在第二正极极耳上方，但不接触第二正极极耳即可)，宽度为8mm；第二正极极耳的高度为3mm，宽度为9mm；

正极活性物质涂层设置于正极片主体两侧表面；

第二正极极耳表面包覆有绝缘胶水层，厚度为10μm，所述绝缘胶水层为具有高温融化特性的绝缘胶水层，所用材质为苯乙烯系热塑性弹性体TPE。

负极片：

如图2所示，本实施例多极耳负极片包括负极片主体31、多个第一负极极耳32，以及负极活性物质涂层(未示出)；

第一负极极耳间隔设置于负极片主体长轴侧边上，与负极片主体电连接；第一负极极耳的高度为10mm，宽度为9mm；

负极活性物质涂层设置于负极片主体两侧表面。

隔膜：采用市面上售卖的常规隔膜，隔膜不过多描述，其宽度也是根据产品的需求进行分切。

多极耳电芯的卷芯结构平面图如图3所示，卷芯的厚度为4.5mm，卷芯的宽度为60mm，卷芯高度为85mm，卷绕后两极耳的内边距为30mm，负极-正极单边Overhang为2mm；隔膜-负极单边Overhang为2mm，隔膜-正极单边Overhang为4mm。

上述第一正极极耳与第一负极极耳的位置，根据客户需求及电芯尺寸在特定位置出极耳。第二正极极耳的位置需要根据负极片上第一负极极耳的位置来定，卷绕后需要保证第二正极极耳与负极片上的第一负极极耳重合，其重合宽度需要达到第一负极极耳宽度的70％左右。

本实施例多极耳电芯的制备方法包括如下步骤：

正极浆料的制备：

以钴酸锂为正极活性材料，然后加入导电剂和聚偏氟乙烯按照97.2:1.5:1.3的质量比加入到搅拌罐中，随后加入NMP溶剂，按照公知的配料工艺进行充分搅拌，过200目的筛网，配成正极浆料，正极浆料固含量为70％～75％。

正极涂布：

将正极浆料采用涂布机涂敷在铝箔集流体上，在120℃温度下烘干，制备得到初始正极极片；根据产品的需求分切极片的宽度，得到最终正极片。

负极浆料的制备：

以人造石墨作为负极活性材料、导电碳炭黑作为导电剂、丁苯橡胶作为粘结剂以及羧甲基纤维素钠作为增稠剂，按照96.9:1.5:1.3:0.3的质量比加入到搅拌罐中，加入去离子水溶剂，按照现有技术的配料工艺进行充分搅拌，通过150目的筛网进行过滤，制备得到负极涂层浆料，负极浆料固含量为40％～45％。

负极涂布：

利用涂布机将上述负极浆料涂覆铜箔集流体，在100℃温度下烘干，制备得到初始负极极片；根据产品的需求分切极片的宽度，得到最终负极片。

隔膜准备：

隔膜宽度根据产品的需求进行分切。

多极耳电芯的制备：

将正极片、隔膜、负极片依次叠放，进行卷绕，将多个第一极耳(软极耳)与硬极耳进行焊接(见图9)，制备得到锂离子电池卷芯。

在具体焊接时，将从集流体(正极铝箔、负极铜箔)引出的第一软极耳弯折，使弯折后的部分与硬极耳焊接。

实施例2

本实施例多极耳电芯包括依次叠设的正极片、隔膜和负极片，其中，

正极片：

如图4所示，本实施例多极耳正极片包括正极片主体11、多个第一正极极耳12，以及正极活性物质涂层(未示出)；

第一正极极耳间隔设置于正极片主体长轴侧边上，与正极片主体电连接；第一正极极耳的高度为10mm，宽度为9mm；

正极活性物质涂层设置于正极片主体两侧表面。

负极片：

如图5所示，本实施例多极耳负极片包括负极片主体31、多个第一负极极耳32、多个第二负极极耳33，以及负极活性物质涂层(未示出)；

第一负极极耳和第二负极极耳交替设置于负极片主体长轴侧边上，与负极片主体电连接；第一负极极耳的高度为10mm(制备电芯时，由于焊接、裁切工艺，最终的第一负极极耳的高度设置可根据与硬极耳焊接的焊印位置而定，只要保证焊印在第二负极极耳上方，但不接触第二负极极耳即可)，宽度为8mm；第二负极极耳的高度为1.8mm，宽度为9mm；

负极活性物质涂层设置于负极片主体两侧表面；

第二负极极耳表面包覆有绝缘胶水层，厚度为10μm，所述绝缘胶水层为具有高温融化特性的绝缘胶水层，所用材质为苯乙烯系热塑性弹性体TPE。

隔膜：采用市面上售卖的常规隔膜，隔膜不过多描述，其宽度也是根据产品的需求进行分切。

多极耳电芯的卷芯结构平面图如图6所示，卷芯的厚度为4.5mm，卷芯的宽度为60mm，卷芯高度为85mm，卷绕后两极耳的内边距为30mm，负极-正极单边Overhang为2mm；隔膜-负极单边Overhang为2mm，隔膜-正极单边Overhang为4mm。

上述第一正极极耳与第一负极极耳的位置，根据客户需求及电芯尺寸在特定位置出极耳。第二负极极耳的位置需要根据正极片上第一正极极耳的位置来定，卷绕后需要保证第二负极极耳与正极片上的第一正极极耳重合，其重合宽度需要达到第一正极极耳宽度的80％左右。

本实施例多极耳电芯的制备方法同实施例1。

实施例3

本实施例多极耳电芯与实施例1相近，不同的是：第二正极极耳与负极片上的第一负极极耳的重合宽度达到第一负极极耳宽度的60％左右。

实施例4

本实施例多极耳电芯与实施例1相近，不同的是：第二正极极耳的高度为2.1mm，第二正极极耳与负极片上的第一负极极耳的重合宽度达到第一负极极耳宽度的60％左右。

实施例5

本实施例多极耳电芯与实施例2相近，不同的是：第二负极极耳与正极片上的第一正极极耳的重合宽度达到第一正极极耳宽度的50％左右。

实施例6

本实施例多极耳电芯与实施例2相近，不同的是：第二负极极耳的高度为1mm，第二负极极耳与正极片上的第一正极极耳的重合宽度达到第一正极极耳宽度的50％左右。

实施例7

如图7所示，本实施例多极耳电芯与实施例1相近，不同的是：负极片采用实施例2中如图5所示的负极片。

对比例1

该对比例与实施例1相比，不包括第二正极极耳。采用的卷芯收尾为现有工艺收尾，负极尾巴无空箔，两层隔膜包裹负极片，收尾处铝箔对铝箔。

锂离子电池的制备与性能测试

将上述实施例和对比例得到锂离子电池卷芯，用铝塑膜包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺化成即可得到锂离子电池。

将上述锂离子电池，在热箱中以2℃/min升温到125℃、130℃、135℃、140℃，各保持1h，目测电池如果不冒烟，不燃烧则视为热滥用测试通过，否则为不通过，其测试结果如下：

表1.热滥用测试结果

项目	125℃1h	130℃1h	135℃1h	140℃1h
					实施例1	10/10	10/10	10/10	8/10
实施例2	10/10	10/10	10/10	10/10
					实施例3	10/10	10/10	9/10	8/10
实施例4	10/10	6/10	3/10	2/10
					实施例5	10/10	10/10	10/10	7/10
实施例6	10/10	7/10	4/10	0/10
					实施例7	10/10	10/10	10/10	10/10
对比例1	10/10	5/10	0/10	0/10

从其实验结果可以看出采用本专利制备的锂离子电池充分解决现有锂离子电池因使用不当，或者其使用环境温度过高，导致锂离子电池热滥用失效，引发锂离子电池燃烧，容易伤及使用者、或者引发火灾的问题，使得各种尺寸和性能的锂离子电池可以大面积商业化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种多极耳电芯，其特征在于，包括依次叠设的正极片、隔膜和负极片；所述正极片和所述负极片分别设置有：极片主体、活性物质涂层和多个第一极耳；

所述正极片和/或所述负极片还包括多个第二极耳；

所述第一极耳和所述第二极耳设置于极片主体长轴侧边上，与极片主体电连接；所述第一极耳的高度大于所述第二极耳的高度；在隔膜收缩或融化的情况下，所述第二极耳能够与另一极片上第一极耳相接触；

所述第二极耳表面包覆有绝缘胶水层，所述绝缘胶水层为具有高温融化特性的绝缘胶水层。

2.根据权利要求1所述的多极耳电芯，其特征在于，所述正极片上极片主体的长轴边缘与所述负极片上极片主体的长轴边缘之间的距离为d1，所述隔膜的边缘与所述正极片的边缘的距离为d2，所述隔膜的边缘与所述负极片的边缘的距离为d3；

所述正极片的第二极耳的高度大于d1，小于d2；

所述负极片的第二极耳的高度大于0，小于d3。

3.根据权利要求1所述的多极耳电芯，其特征在于，所述第二极耳与另一极片上第一极耳的投影位置重合，所述投影位置重合的宽度为另一极片上第一极耳宽度的30％～50％以上。

4.根据权利要求1所述的多极耳电芯，其特征在于，所述第二极耳的宽度为另一极片上第一极耳宽度的1.0～1.1倍。

5.根据权利要求4所述的多极耳电芯，其特征在于，所述第二极耳的宽度为另一极片上第一极耳宽度的1.0～1.04倍。

6.根据权利要求1所述的多极耳电芯，其特征在于，所述第一极耳与所述第二极耳的高度差值大于等于5mm。

7.根据权利要求1所述的多极耳电芯，其特征在于，所述绝缘胶水层的厚度为5～20μm。

8.根据权利要求1所述的多极耳电芯，其特征在于，所述绝缘胶水层的主要成分为苯乙烯系热塑性弹性体TPE和/或其衍生物；所述衍生物包括TPE-U、TPE-V、POF、OPS收缩膜、TPU、TPV、TPO中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的多极耳电芯，其特征在于，同一极片上的所述第一极耳和所述第二极耳交替设置。

10.一种多极耳极片，其特征在于，多极耳极片包括正极片和负极片；

所述正极片、所述负极片分别设置有：极片主体、活性物质涂层和多个第一极耳；

所述正极片和/或所述负极片还包括多个第二极耳；

所述第一极耳和所述第二极耳设置于极片主体长轴侧边上，与极片主体电连接；所述第一极耳的高度大于所述第二极耳的高度；在电芯结构中的隔膜收缩或融化的情况下，所述第二极耳能够与另一极片上第一极耳相接触；

所述第二极耳表面包覆有绝缘胶水层，所述绝缘胶水层为具有高温融化特性的绝缘胶水层。

11.一种电池，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的多极耳电芯，或权利要求10所述的多极耳极片。

Images