CN115566373B - 一种错位型的全极耳极片、卷绕电芯和圆柱电池 - Google Patents

一种错位型的全极耳极片、卷绕电芯和圆柱电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种错位型的全极耳极片、卷绕电芯和圆柱电池，属于动力电池技术领域。所述错位型的全极耳极片包括涂布区和多个极耳，多个极耳均位于所述涂布区一侧且沿所述涂布区长度方向等距分布；所述涂布区包括沿所述涂布区长度方向顺序划分成的多段涂布区间1~N；第i段涂布区间的长度与第i圈极片卷绕时对应的螺旋弧线长度相等，相邻涂布区间i和i‑1的涂布宽度差H i 为：H i =基材厚度；第i段涂布区间上对应的极耳高度h i 为：h i =h 1+(i‑1)*d ascs ，其中，d ascs =正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度。本发明设计的全极耳极片的可以使极片卷绕后不同层数之间、不同极耳之间形成错位效果，使极耳揉平后的卷芯端面更平整，降低揉平后极耳间的干涉问题。

Description

一种错位型的全极耳极片、卷绕电芯和圆柱电池
技术领域
本发明属于动力电池技术领域，具体涉及一种错位型的全极耳极片、卷绕电芯和圆柱电池。
背景技术
圆柱形锂离子电池中全极耳极片的极耳一般采用的等间距、定长、定宽的设计，极片卷绕后极耳需要揉平，而极片叠加使卷绕电芯端部厚度增加导致揉平后极耳干涉严重，揉平时施加的压力过大会导致极片损坏，严重时金属屑刺穿隔膜造成微短路，影响电芯长期循环性能。因此极片结构设计也是圆柱形锂离子电池的重要研究方向。
为了弥补常规极片结构设计上的不足，公开号为CN114759317A的专利公开一种极耳结构、圆柱电芯和车辆，其在极片的长度方向上等距分布多组极耳，且多组极耳的高度成递增等差数列，极片卷绕成卷芯时，多组极耳弯折形成中空圆台结构，可以保障揉平后的平整度，但是极片涂覆区宽度相等，若极耳的宽度、数量不匹配会导致不同区域的电流量以及温升有差异；公开号为CN113270693A的专利公开全极耳极片及卷绕电池，将极耳设置成四边形结构，且第一边与第三边之间形成的夹角为锐角，全极耳极片的卷绕方向与该锐角的朝向一致，可以减少抚平极耳时所需要的辊压力，但是极耳高度、宽度一致，且极片涂覆区宽度不变，多层卷绕抚平之后还是会增加卷绕电芯端部的局部厚度。
因此，需要一种新的全极耳极片，在不影响电池温升一致性的前提下，减少极耳间的干涉。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种错位型的全极耳极片、卷绕电芯和圆柱电池，用于解决现有的极片结构在极耳揉平后极耳间的干涉严重的问题。
本发明第一方面，公开一种错位型的全极耳极片，包括涂布区和多个极耳，所述多个极耳均位于所述涂布区一侧且沿所述涂布区长度方向等距分布；
所述涂布区包括沿所述涂布区长度方向顺序划分成的多段涂布区间1~N；
第i段涂布区间的长度与第i圈极片卷绕时对应的螺旋弧线长度相等，i=1,2,…,N，相邻涂布区间i和i-1的涂布宽度差H i 为：H i =基材厚度；
第i段涂布区间上对应的极耳高度h i 为：h i =h 1+(i-1)*d ascs ，其中，h 1为第1段涂布区间上对应的极耳高度，d ascs =正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度。
在以上技术方案的基础上，优选的，第i段涂布区间上对应的极耳宽度大于第i-1段涂布区间上对应的极耳宽度。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述第i段涂布区间的长度为L i ：
L i = l i - l i-1
Figure 321298DEST_PATH_IMAGE001
其中，i=1,2,…,N，N为涂布区间总数，l i 为极片卷绕至第i圈时的总体螺旋弧线长度，Φ i =2*i*π，a是螺旋参数，a=d ascs /(2π)。
在以上技术方案的基础上，优选的，相邻涂布区间内，单位涂布面积对应的极耳宽度相等。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述相邻涂布区间内，单位涂布面积对应的极耳宽度相等具体为：
设相邻两个涂布区间m、m+1中，对应的极耳宽度分别为T m 、T m+1，极耳数量分别为Z、Z+1，则涂布区间m与m+1对应的极耳宽度满足以下条件：
Figure 846711DEST_PATH_IMAGE002
其中，y m 为涂布区间m的涂布宽度，
Figure 181878DEST_PATH_IMAGE003
为涂布区间m与m+1的涂布宽度差，L m 、L m+1 分别为涂布区间m、m+1的长度。
本发明第二方面，公开一种卷绕电芯，包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜，所述正极片和/或负极片采用如本发明第一方面所述的错位型的全极耳极片。
本发明第三方面，公开一种圆柱电池，包括集流盘、壳体和本发明第二方面所述的卷绕电芯，所述卷绕电芯封装于所述壳体内，所述与卷绕电芯的一端所述集流盘的一端电性连接，所述集流盘的另一端与所述壳体的端部连接。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1）本发明将全极耳极片的涂布区划分成多个涂布区间，相邻涂布区间的涂布宽度以基材厚度为公差、按照涂布区间顺序等差递增，同时不同段涂布区间对应的极耳高度按照区间顺序等差递增，使得极片卷绕后进行极耳揉平时的盘面更平整，降低揉平后极间的干涉问题，减小极耳碎屑进隔膜风险，增强卷绕可制造性，提升卷绕优率；
2）本发明设置相邻涂布区间内单位涂布面积对应的极耳宽度相等，缓解因不同涂布区间的极耳数量或涂布宽度不同时，极耳的宽度相同导致的不同区域的电流量以及温升有差异的问题，提升电流分布均匀性和温升一致性，从而减少发热；
3）本发明的极耳宽度按照区间顺序渐宽变化，卷绕电芯时，靠外的极耳宽度较宽，可降低汇流排焊接难度，能够提升焊接优率。
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为本发明的一种错位型的全极耳极片结构示意图；
图2为本发明的涂布区间划分示意图；
图3为本发明的极耳宽度计算原理示意图。
附图标记说明：1-涂布区；2-极耳。
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。
请参阅图1，本发明公开一种错位型的全极耳极片，包括涂布区1和多个极耳2，所述多个极耳2均位于所述涂布区1的一侧且分别与涂布区1连接，多个极耳2沿所述涂布区1长度方向等距分布。
如图2所示，涂布区1沿其长度方向被顺序划分成依次相连的多段涂布区间1~N，N为涂布区间总段数，i=1,2,…,N，第i段涂布区间的长度与第i圈极片卷绕时对应的螺旋弧线长度相等。
具体的，根据螺旋弧线长度公式，极片卷绕至第i圈时，前i圈的总体螺旋弧线长度l i 为：
Figure 707537DEST_PATH_IMAGE004
其中，Φ i 是对应层数卷芯已卷弧度，对应层数卷心半径R 0 =a*Φ i ，a是螺旋参数，a= d ascs /(2π)，d ascs =正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度。
默认第一圈Φ 1=2*π，则对应的涂布区间的长度L 1 = l 1 - l 0，取l 0=0；
第二圈Φ 2 =4*π，则对应的涂布区间的长度L 2 = l 2 - l 1；
……
第n圈Φ n =2*n*π，则对应的涂布区间的长度L n = l n - l n-1；
因此，第i段涂布区间的长度为L i ：
L i = l i - l i-1
通过以上公式按顺序计算每段涂布区间长度，可保证极片卷绕时，每段涂布区间刚好卷绕成一圈，便于后续进一步规划每一个涂布区间和对应的极耳的具体结构。
常见的极片涂布区均采用定宽设计，卷绕完成后极耳揉平时会一圈一圈累加，导致极耳间干涉严重且揉平后形成的端部凸出，而施加较大的压力抚平极耳又容易造成损伤，因此，为了解决这个问题，本申请设置相邻涂布区间的涂布宽度按照涂布区间顺序等差递增。
具体的，相邻涂布区间i和i-1的涂布宽度差H i 为：
H i =基材厚度
这种涂布区间渐宽的设计可以使每一圈卷绕后形成一个与极耳箔基材厚度及卷绕圈数对应的圆形凹槽，使抚平后的极耳刚好填入这个圆形凹槽内周。
本发明的同一段涂布区间上对应有多个等距分布的极耳，且各个极耳的高度相等，由于极片卷绕过程中卷心半径会不断增大，若不同涂布区间上极耳高度不变，在极耳弯折后，全部极耳不便于连接成一体，因此本发明设置不同段涂布区间对应的极耳高度按照区间顺序等差递增。
具体的，设h 1为第1段涂布区间上对应的极耳高度，可预先给定，则涂布区间i上对应的极耳高度h i 为：
h i =h 1+(i-1)*d ascs
由于本发明的不同涂布区间对应的极耳数量或涂布区间的宽度可能不一样，若极耳的宽度一样会导致不同涂布区间的电流量以及温升有差异，因此，本发明设计不同段涂布区间1~N对应的极耳宽度按照区间顺序1~N渐宽变化，即第i段涂布区间上对应的极耳宽度大于第i-1段涂布区间上对应的极耳宽度，i=1,2,…,N。
为了提升电流分布均匀性和温升一致性，本发明设置相邻两段涂布区间内，单位涂布面积对应的极耳宽度相等。
具体的，如图3所示为本发明的极耳宽度计算原理示意图。设相邻两个涂布区间m、m+1中，对应的极耳宽度分别为T m 、T m+1，极耳数量分别为Z、K，则涂布区间m与m+1对应的极耳宽度满足以下条件：
Figure 317510DEST_PATH_IMAGE005
其中，y m 为涂布区间m的涂布宽度，
Figure 362957DEST_PATH_IMAGE003
为涂布区间m与m+1的涂布宽度差，L m 、L m+1 分别为涂布区间m、m+1的长度。
作为特例，若相邻两个涂布区间m与m+1对应的极耳数量相等，则：
Figure 665763DEST_PATH_IMAGE006
若涂布区间m应的极耳数量为Z，涂布区间m+1对应的极耳数量为Z+1，极耳数量比涂布区间多了一个，则：
Figure 413139DEST_PATH_IMAGE007
按照以上方式设置极耳宽度，可以使不同涂布区间内，单位涂布面积对应的极耳宽度相等，从而使极耳单位过流截面积相同，从而较大程度保障电流分布均匀性和温升一致性。
本发明提出的一种错位型的全极耳极片，将全极耳极片的涂布区顺序划分成多段涂布区间1~N，相邻涂布区间的涂布宽度以基材厚度为公差、按照涂布区间顺序等差递增，同时不同段涂布区间对应的极耳高度按照区间顺序等差递增，实际卷绕时按照区间顺序1~N从前向后的顺序卷绕，使得极片卷绕后不同层数之间、不同极耳之间形成错位效果，从而极耳揉平后的卷芯端面更平整，降低揉平后极间的干涉问题，减小极耳碎屑进隔膜风险，增强卷绕可制造性。此外，本发明将极耳设计为渐宽变化，按照相邻涂布区间内单位涂布面积对应的极耳宽度相等时过流截面积相同的原理，使极耳宽度按照区间顺序渐宽变化，缓解因不同涂布区间的极耳数量或涂布的宽度不同时，极耳的宽度相同导致不同区域的电流量以及温升有差异的问题，提升电流分布均匀性和温升一致性，从而减少发热，同时靠外的极耳宽度较宽，可降低汇流排焊接难度，能够提升卷绕和焊接优率。
下面结合具体实验数据对本发明的技术方案做出进一步说明：设正极片厚度150um，负极片厚度100um，隔膜厚度18um。
基于以上参数，计算得到每圈的卷绕厚度d ascs =正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度=150+100+2*18=286 um，螺旋参数a=d ascs /(2π)=45.518。
下面计算极片卷绕过程中，每一圈对应的涂布区间长度：
第一圈Φ 1=2*π，取l 0=0，第1圈的总体螺旋弧线长度l 1 为：
Figure 76070DEST_PATH_IMAGE008
则第一圈对应的涂布区间的长度L 1 = l 1 - l 0=967.995-0=967.995 um；
第二圈Φ 2 =4*π，前2圈的总体螺旋弧线长度l 2 为：
Figure 428554DEST_PATH_IMAGE009
则第二圈对应的涂布区间的长度L 2 = l 2 - l 1=3678.736-967.995=2710.741 um；
第三圈Φ 2 =6*π，前3圈的总体螺旋弧线长度l 3 为：
Figure 167840DEST_PATH_IMAGE010
则第三圈对应的涂布区间的长度L 3=l 3–l 2= 8180.398-3678.736=4501.662um；
……
以此类推，分别计算得到涂布区间1~N的长度L 1~L N 。
计算得到各段涂布区间长度L 1~L N 后，即可进行涂布区间宽度和极耳宽度设计。
第1段涂布区间L 1上对应的涂布宽度可以以90mm起始，即y 1=90mm；第一圈对应的极耳高度可设为h 1=20mm，一般铜基材厚度8um、铝基材厚度12um，本实施例以铝基材为例，即相邻涂布区间i和i-1的涂布宽度差H i =12um，计算涂布区间宽度和极耳高度：
第2段涂布区间宽度：y 2 = y 1 +H 2 =90+12×10-3=90.012mm；
第2段涂布区间上的极耳高度：h 2 =h 1+(2-1)×d ascs =20+286×10-3=20.286mm
第3段涂布区间宽度：y 3 = y 2 +H 3 =90.012+12×10-3=90.024mm；
第3段涂布区间上的极耳高度：h 3 =h 1+(3-1) ×d ascs =20+2×286×10-3=20.572mm
……
以此类推，分别计算得到涂布区间1~N的宽度和对应涂布区间上的极耳高度。
最后，根据相邻两段涂布区间内，单位涂布面积对应的极耳宽度相等的原则进行极耳宽度设计，分别计算得到涂布区间1~N上对应的极耳宽度。
在以上的一种错位型的全极耳极片的基础上，本发明实施例还提出一种卷绕电芯，包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜，该正极片和/或负极片采用前述的一种错位型的全极耳极片。
在以上的一种错位型的全极耳极片和卷绕电芯的基础上，本发明实施例还提出一种圆柱电池，包括集流盘、壳体和前述的卷绕电芯，该卷绕电芯封装于壳体内，卷绕电芯的一端与集流盘的一端电性连接，集流盘的另一端与壳体的端部连接。
以上卷绕电芯实施例和圆柱电池实施例是基于前述的一种错位型的全极耳极片实现的，部分实施例简述之处请相互参照。
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 (5)

1.一种错位型的全极耳极片，其特征在于，包括涂布区和多个极耳，所述多个极耳均位于所述涂布区一侧且沿所述涂布区长度方向等距分布；
所述涂布区包括沿所述涂布区长度方向顺序划分成的多段涂布区间1~N；
第i段涂布区间的长度与第i圈极片卷绕时对应的螺旋弧线长度相等，i=1,2,…,N，相邻涂布区间i和i-1的涂布宽度差H i 为：H i =基材厚度；
第i段涂布区间上对应的极耳高度h i 为：h i =h 1+(i-1)*d ascs ，其中，h 1为第1段涂布区间上对应的极耳高度，d ascs =正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度；
相邻两段涂布区间内，单位涂布面积对应的极耳宽度相等，设相邻两个涂布区间m、m+1中，对应的极耳宽度分别为T m 、T m+1，极耳数量分别为Z、K，则涂布区间m与m+1对应的极耳宽度满足以下条件：
Figure QLYQS_1
其中，y m 为涂布区间m的涂布宽度，
Figure QLYQS_2
为涂布区间m与m+1的涂布宽度差，L m 、L m+1 分别为涂布区间m、m+1的长度。
2.根据权利要求1所述的错位型的全极耳极片，其特征在于，第i段涂布区间上对应的极耳宽度大于第i-1段涂布区间上对应的极耳宽度。
3.根据权利要求1所述的错位型的全极耳极片，其特征在于，所述第i段涂布区间的长度为L i ：
Figure QLYQS_3
Figure QLYQS_4
其中，i=1,2,…,N，N为涂布区间总数，l i 为极片卷绕至第i圈时的总体螺旋弧线长度，Φ i =2*i*π，a是螺旋参数，a=d ascs /(2π)。
4.一种卷绕电芯，其特征在于，包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜，所述正极片和/或负极片采用如权利要求1~3任一项所述的错位型的全极耳极片。
5.一种圆柱电池，其特征在于，包括集流盘、壳体和权利要求4所述的卷绕电芯，所述卷绕电芯封装于所述壳体内，所述卷绕电芯的一端与所述集流盘的一端电性连接，所述集流盘的另一端与所述壳体的端部连接。
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