CN115395084A - 具有连续极耳的钠离子圆柱电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池及制备方法，将正极极耳和负极极耳进行激光模切，以便除去部分极耳，使其卷绕后，可在卷芯半径中间位置形成20~30层的连续环形极耳，保证高倍率过电流的需求，同时相比于现有技术中使用的多极耳方案，连续极耳强度更高，不易发生撕扯断裂造成电池短路或接触不良。在形成卷芯后，通过置于卷芯内部的支撑架结构，配合具有圆环形结构集流盘的正极盖板组件和负极盖板组件，完成集流盘与卷芯极耳的焊接，具有结构简单、加工方便，结构可靠性更高，过流能力更强等优点，可以解决现有设计难以实现钠离子电池体系电池的高功率特性发挥，且存在一定的安全风险的技术问题。

Description

具有连续极耳的钠离子圆柱电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法。

背景技术

圆柱电池的过流能力的瓶颈一般为卷芯的极耳数量及其与端盖集流盘的焊接面积，为了提升圆柱电池的过流能力，行业上提出全极耳揉平工艺路线，但存在以下问题：

（1）极片留空白箔比较窄，通常≤10mm，经过揉平之后，被揉进极组的箔材容易导致活性材料涂覆区的界面间隙增大，在电池使用过程中，由于界面不一致导致负极析锂，存在严重的安全隐患，虽然通过增加极片留白空箔的宽度可缓解此问题，但是会增加箔材成本，也会降低电池能量密度。

（2）揉平工艺由于采用机械或超声方式强行将箔材进行弯曲和压实，非常容易产生金属屑，导致电池存在严重的安全隐患。

（3）揉平工艺往往难以保证端面极片的紧密贴合，即在端面上从圆心向外的方向上被揉平的箔材分布不均，可能存在一些较大间隙，从而导致激光击穿箔材，造成焊接不良，甚至熔化卷芯中的隔膜，造成短路。

（4）揉平工艺追求将电芯端面极片形成紧密贴合，这就阻碍了电解液通过电芯端面到达正负极活性材料区域，为了实现良好的电解液浸润效果和电化学反应界面，往往需要更长的注液和浸润时间。

为了规避揉平带来的问题及风险，行业上进行了相应的优化设计，包括将全极耳改为多极耳、揉平界面优化、多极耳组合揉平技术等，但仍存在如下问题：

公开号为CN 112928401 A的发明专利公开了一种多极耳圆柱锂离子电池，采用若干组正极耳依次穿过第一正极极耳贯穿孔、第二正极极耳贯穿孔后焊接在正极集流板上，正极集流板的延伸柄折弯后焊接在电池盖板上，负极与正极方式类似。通过增多极耳方式提升电池的过流能力，以满足大倍率充放电。但是由于模切出的极耳尺寸较小，在卷绕机焊接过程种容易变形、弯折甚至撕裂，导致焊接后电池出现接触不良或内部短路的问题；

公开号为CN 113540400 B的发明专利公开了一种大尺寸圆柱锂离子二次电池及其正负极极片。通过在极组两端面正、负极极片之间空隙内填充金属，克服揉平工艺中揉进极组的箔材把极片涂料的料区局部拱起，从而得到的端面平整，利于后续集流盘焊接，提高成品率，且焊接前后正、负极极片不会受损，提高电池的整体性能。但是由于为了保证金属粉末与箔材的粘结性能，需要添加粘结剂，这将导致箔材区与金属粉末区的焊接特性差异，容易出现焊接不良；

公开号为CN 113488746 A公开了一种多极耳电芯的制作工艺及多极耳电芯。将全极耳进行激光模切，形成多极耳，所采用的激光模切的切割线为一组相互平的倾斜直线，极耳单体的形状为平行四边形，再将其卷绕形成电芯，最后将多极耳揉平，由于其平行四边形的极耳单体，能够减少揉平过程中的极片外翻与金属屑的产生，并以及减小了揉平后的极片间隙，增加与汇流盘焊接的稳定性。但是依旧采用多极耳在揉平技术，揉平面一般为卷芯内外圈的极耳经弯折、层叠后组成，更加难以形成紧密、平整的卷芯端面，端面焊接质量随机性大，稳定性不高，且无法避免极耳在制造过程中被撕裂的风险；

因此如何提出一种新的技术方案从而克服现有技术的缺陷，是我们急需解决的问题。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法，具有结构简单、加工方便，结构可靠性更高，过流能力更强等优点，可以解决现有设计难以实现钠离子电池体系电池的高功率特性发挥，且存在一定的安全风险的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池，包括具有中空圆柱形的壳体、置于壳体内部的卷芯和支撑架；所述卷芯由极片和极耳组成，所述极耳位于所述极片的两端，包括正极耳和负极耳；极耳的长度小于极片的长度且位于极片的中部位置；所述壳体的上下两端均设有盖板组件；所述盖板组件与壳体之间设有集流盘，所述集流盘的边缘与所述极耳相抵接，焊接固定相连；所述支撑架位于卷芯之间，包括引导部和贴合部，所述引导部的一端与贴合部固定相连，另一端深入卷芯内部，所述贴合部的外边缘与所述极耳相接触。

作为优选，所述盖板组件包括盖板和极柱，所述盖板上设有与极柱相适配的通孔，所述极柱安装在所述通孔内，且极柱的下端通过连接件与极耳相连接。

作为优选，所述支撑架采用绝缘材料制成，所述贴合部的厚度与所述极耳的高度相同。

作为优选，所述集流盘上设置有通孔，所述通孔设置有多个，均匀分布在所述集流盘表面；所述集流盘的外边缘向下延伸形成包边部，所述包边部与所述极耳相贴合。

本发明还公开了一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法，包括以下步骤：

S1:将极片通过激光模切的方式切除极片首、尾部分的极耳光箔区,形成正极耳和负极耳；

S2:将经过激光模切的正负极耳与隔膜进行卷绕，形成具有中空结构的卷芯，且卷芯位置具有20-30层的连续环形极耳；

S3:将支撑架放置在卷芯的中空结构内，利用圆形结构的集流盘与支撑架的相互配合，从而对极耳进行完整包覆；

S4:将集流盘的包边部与极耳进行焊接，使两者固定相连。

作为优选，在步骤S1中，在激光模切前，预留极耳R角，极耳R角为极耳高度的0.3-0.5倍；在激光模切的过程中，对于极耳光箔区的切割长度为极片长度的40%-60%。

作为优选，在步骤S3中，支撑架中的引导部的长度为卷芯高度的20%-100%；直径为卷芯中空孔径的90%-97%。

作为优选，在步骤S4中，将集流盘和支撑架装配完成后，利用激光焊接接实现集流盘侧壁与多层极耳的焊接，焊接路径为沿着周长方向，采用连续焊接、点焊或短段焊中的一种。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明将正极极耳和负极极耳进行激光模切，以便除去部分极耳，使其卷绕后，可在卷芯半径中间位置形成20~30层的连续环形极耳，保证高倍率过电流的需求，同时相比于现有技术中使用的多极耳方案，连续极耳强度更高，不易发生撕扯断裂造成电池短路或接触不良。在形成卷芯后，通过置于卷芯内部的支撑架结构，配合具有圆环形结构集流盘的正极盖板组件和负极盖板组件，完成集流盘与卷芯极耳的焊接，焊接接触面为平整、规则的多层极耳与环形金属集流盘，相比相较于现有技术中使用的全极耳方案，避免了由于采取揉平工艺而带来金属屑产生或残留导致的电池短路；相比于揉平后的不规则的极片间隙，本发明方案具有更高的焊接稳定性和焊接质量，不容易导致焊穿，有效降低了安全问题的发生；对于揉平后电解液注液浸润时间长的问题，由于本发明方案对于卷芯端面的遮挡大幅度降低，将能够加快电解液浸润正负极片的速率，有效提升圆柱电池的生产效率。

附图说明

图1为本发明的卷芯展开图；

图2为本发明的圆柱电池剖面图；

图3为本发明的电池俯视示意图；

图4为本发明的结构安装示意图；

图5为本发明的支撑架结构示意图；

图6为本发明的步骤流程图；

图7为本发明的操作示意图；

图8为电池内阻对比示意图；

图9为电池循环性能示意图。

主要元件符号说明如下：

1.极片 2.极耳 3.支撑架 4.壳体 5.中心孔 6.集流盘 7.盖板 8.极柱

9.连接件 31.引导部 32.贴合部。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述，当然本发明的保护范围不仅于此，在不付出创造性劳动前提下。

请参阅图1-图5，本发明公开了一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池，包括具有中空圆柱形的壳体4、置于壳体内部的卷芯和支撑架3；卷芯由极片1和极耳2组成，极耳2位于极片1的两端，包括正极耳和负极耳；极耳2的长度小于极片1的长度且位于极片1的中部位置；壳体4的上下两端均设有盖板组件；盖板组件与壳体之间设有集流盘6，集流盘6的边缘与极耳2相抵接，焊接固定相连；支撑架3位于卷芯之间，包括引导部31和贴合部32，引导部31的一端与贴合部32固定相连，另一端深入卷芯内部的中心孔5内，贴合部32的外边缘与极耳2相接触。在本实施例中，首先利用壳体对整个卷芯进行防护，同时设置有支撑架，从而与集流盘相配合，从内外两侧对极耳进行夹持固定，一方面避免了极耳出现弯折等情况，另一方面使得在进行焊接的过程中更加简单易操作；当然，为了更进一步提升电解液的浸润速度和浸润效果，支撑架可以采用中空结构，其中空部分在焊接时可通过插入固定针，使得支撑架端面膨胀推动极耳与集流盘得到紧密贴合，提升焊接质量。

盖板组件包括盖板7和极柱8，盖板7上设有与极柱8相适配的通孔，极柱8安装在通孔内，且极柱的下端通过连接件9与极耳2相连接；支撑架3采用绝缘材料制成，贴合部的厚度与极耳的高度相同；集流盘6上设置有通孔，通孔设置有多个，均匀分布在集流盘表面；集流盘的外边缘向下延伸形成包边部，包边部与极耳相贴合。在本实施例中，设置盖板组件，一方面可对整个壳体进行密封，同时可对集流盘，支撑架等进行固定，防止其发生移位，利用极柱实现整个电池电力的转移；由于支撑架是长时间浸泡在电解液中，因此需要采用绝缘性能佳的材料制备，例如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，PE(聚乙烯)或PTFE(聚四氟乙烯)等材料制成，而集流盘上的通孔，可有效降低整体的质量，同时进一步提升电解液的浸润速度和浸润效果，在实际的过程中，打孔数量和尺寸可根据集流盘大小进行调整，一般数量可选择为2-20个，孔尺寸可为集流盘直径的5%-50%；更为重要的是，在集流盘上设置有包边部，包边部能有效从外侧对极耳进行贴合收纳，配合焊接程序，使得集流盘与极耳的连接更加稳定。

请参阅图6-图7；本发明还公开了一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法，包括以下步骤：

S1:将极片通过激光模切的方式切除极片首、尾部分的极耳光箔区,形成正极耳和负极耳；S2:将经过激光模切的正负极耳与隔膜进行卷绕，形成具有中空结构的卷芯，且卷芯位置具有20-30层的连续环形极耳；S3:将支撑架放置在卷芯的中空结构内，利用圆形结构的集流盘与支撑架的相互配合，从而对极耳进行完整包覆；S4:将集流盘的包边部与极耳进行焊接，使两者固定相连。

更为具体的是，对于激光模切的极耳长度，一般选择极片长度的40%-60%，以此保证卷绕后多层极耳的厚度适中，极耳长度太短对于过流能力的改善有限，极耳长度过长则会给装配和加工过程带来不便；而在激光模切的需要预留极耳R角，已提升极耳的强度，一般R角根据极耳高度进行匹配设计，极耳R角通常为极耳高度的0.3-0.5倍，即极耳高度为6mm-20mm，那么R角则为2mm-10mm；而对于支撑架，其伸入卷芯中心孔的部分（即引导部）高度和直径可根据卷芯参数进行调整，以满足支撑架中对贴合部的固定，其高度一般为卷芯高度的20%-100%，直径一般为卷芯中心孔的90%-97%，而贴合部的尺寸可根据不同的极耳配合和焊接方式设计，其高度与极耳高度一致，其直径为内圈极耳的90%-99%。

而对于支撑架与卷芯的配合，可以选择在卷绕完成后分别插入卷芯正、负极侧的中心孔；也可以选择在卷绕起初阶段，由支撑架直接替代原卷绕机的中心针，使极片直接在中心孔支撑架上完成卷绕；对于集流盘，其直径一般为卷芯外圈极耳直径的101%-105%，高度一般超出极耳0.5mm-1mm，厚度一般为2mm-5mm，从而更好与极耳进行贴合，满足后续焊接需求，集流盘与带有支撑架的卷芯完成装配后，利用激光焊接实现集流盘侧壁与多层极耳的焊接，焊接路径一般为沿着周长方向，可以连续焊接、点焊或短段焊。

实施例一

本实施例选用普鲁士白体系的32140大尺寸圆柱钠离子电池为蓝本电芯，其制造过程如下：

极片制造：正极匀浆→正极极片连续涂布→正极极片辊压→正极极片分切→正极极耳模切；负极与正极相同；

卷芯制造：正、负极极片和隔膜卷绕→卷芯中心插入支撑架；

焊接装配：卷芯正极集流盘焊接→正极端盖折弯→正极端盖与壳体焊接；负极与正极相同；

化成检测：注液→封口→化成→静置→分容→入库。

正极极片高度为124mm，其中正极材料区为114mm，极耳空箔区为10mm，极片长度为2100mm，极耳长度在激光模切后为长度为1100mm，R角为3mm，极耳处于极片长度的中间位置，负极与正极相同。

在卷绕完成后，极耳层数为28圈，在正、负极侧分别将PP材质的支撑架插入卷芯中心，径向上基本与内圈极耳呈现贴合状态，间隙小于1mm，高度超出极耳0.5mm，随后将端盖组件的集流盘与支撑架和极耳进行装配，此时集流盘在高度方向上可由支撑架支撑，避免压倒极耳，导致极耳的变形，集流盘外壁在径向上基本与外圈极耳呈现贴合状态，间隙小于1mm。

将装配好的卷芯、支撑架和端盖组件悬空横置固定，利用圆弧形焊接夹具夹持集流盘外壁，使其挤压极耳紧贴置支撑架，以实现焊接接触面平整、规则，通过旋转焊接激光头，在集流盘外壁沿周长方向完成2条连续焊接路径，完成焊接后，表面焊印清晰、光亮，其宽度为2mm，长度为集流盘外部的75%，焊接拉力可达到15N以上，通过拆解观察，焊印能够直接穿透至最内圈极耳，焊印清晰，质量可靠。

在完成正、负极的集流盘焊接后，分别对两侧端盖与壳体进行焊接密封，经过注液、静置、化成、分容测试后，产品入库。

实施例 2：

在实施例1的基础上，采取一种具有中空结构的的支撑架和具有中心孔结构的集流盘，在集流盘与极耳焊接之前，通过在支撑架的中空结构中插入一只圆形固定针，使得中心孔支撑架端面膨胀，实现极耳与集流盘内壁的紧密贴合，随后可进行激光焊接，在完成焊接后，撤去圆柱固定针。

实施例 3：

在实施例1的基础上，采取一种具有多孔结构的集流盘，在完成焊接后，可明显改善注液时间及注液后的浸润时间，注液时间＜5min。

请参阅图8和图9，通过对三个实施例的进行测试后发现，在内阻方面，采用本发明的圆柱电池内阻得到了明显降低，而且测量结果的离散度也得到了明显改善；在长期可靠性方面，由于内阻的降低，其大电流的过流温升得到了有效控制，长期循环寿命得到了一定提高。

本发明的优势在于：

1）本发明采取连续极耳配合具有圆环形结构集流盘的正极盖板组件和负极盖板组件，完成集流盘与卷芯极耳的焊接，焊接接触面为平整、规则，不存在揉平工艺路线的金属屑异物引入和焊接不良等严重影响电池安全的风险，以及电解液浸润时间长等制造问题，相比较本发明结构简单、加工方便，结构可靠性更高，过流能力更强等优点；

2）本发明采用连续极耳，长度方向尺寸可达到卷芯长度的一半以上，相比多极耳技术路线，连续极耳不容易在卷绕和焊接等制造过程发生极耳变形、弯折甚至撕裂等问题，极大降低了焊接后电池出现接触不良或内部短路的风险；

3）本发明采用连续极耳，在制造过程中的公差冗余量大，相比于多极耳技术路线，无需考虑极耳在卷芯中的错位而导致无法与集流盘配合的问题，同时具有更高的加工效率；

4）本发明采用的集流盘可进行打孔处理，对于卷芯端面的遮挡大幅度降低，能够加快电解液浸润正负极片的速率，有效提升圆柱电池的生产效率。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池，其特征在于，包括具有中空圆柱形的壳体、置于壳体内部的卷芯和支撑架；所述卷芯由极片和极耳组成，所述极耳位于所述极片的两端，包括正极耳和负极耳；极耳的长度小于极片的长度且位于极片的中部位置；所述壳体的上下两端均设有盖板组件；所述盖板组件与壳体之间设有集流盘，所述集流盘的边缘与所述极耳相抵接，焊接固定相连；所述支撑架位于卷芯之间，包括引导部和贴合部，所述引导部的一端与贴合部固定相连，另一端深入卷芯内部，所述贴合部的外边缘与所述极耳相接触。

2.根据权利要求1所述的具有连续极耳的钠离子圆柱电池，其特征在于，所述盖板组件包括盖板和极柱，所述盖板上设有与极柱相适配的通孔，所述极柱安装在所述通孔内，且极柱的下端通过连接件与极耳相连接。

3.根据权利要求1所述的具有连续极耳的钠离子圆柱电池，其特征在于，所述支撑架采用绝缘材料制成，所述贴合部的厚度与所述极耳的高度相同。

4.根据权利要求1所述的具有连续极耳的钠离子圆柱电池，其特征在于，所述集流盘上设置有通孔，所述通孔设置有多个，均匀分布在所述集流盘表面；所述集流盘的外边缘向下延伸形成包边部，所述包边部与所述极耳相贴合。

5.一种具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:将极片通过激光模切的方式切除极片首、尾部分的极耳光箔区,形成正极耳和负极耳；

S2:将经过激光模切的正负极耳与隔膜进行卷绕，形成具有中空结构的卷芯，且卷芯位置具有20-30层的连续环形极耳；

S3:将支撑架放置在卷芯的中空结构内，利用圆形结构的集流盘与支撑架的相互配合，从而对极耳进行完整包覆；

S4:将集流盘的包边部与极耳进行焊接，使两者固定相连。

6.根据权利要求1具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，在激光模切前，预留极耳R角，极耳R角为极耳高度的0.3-0.5倍；在激光模切的过程中，对于极耳光箔区的切割长度为极片长度的40%-60%。

7.根据权利要求1具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，支撑架中的引导部的长度为卷芯高度的20%-100%；直径为卷芯中空孔径的90%-97%。

8.根据权利要求1具有连续极耳的钠离子圆柱电池的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，将集流盘和支撑架装配完成后，利用激光焊接接实现集流盘侧壁与多层极耳的焊接，焊接路径为沿着周长方向，采用连续焊接、点焊或短段焊中的一种。

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