CN116259930A - 一种改善锂电池内部电流分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善锂电池内部电流分布的方法，所述锂电池包括正极极片和负极极片，每个正极极片的周边设有两个及以上的极耳，每个负极极片的周边设有两个及以上的极耳。每个正极极片上的极耳于正极极片的周边均匀分布或中心对称，每个负极极片上的极耳于负极极片的周边均匀分布或中心对称。本发明通过增加锂电池中每层电池极片的极耳个数，提高锂电池充放电电流分布的均匀性。本发明提供的方法可以有效改善充放电电流在极片中的分布，使充放电电流分布更加均匀，充放电过程中的极化降低，可有效提高电池的放电功率性能和减少充电时间。

Description

一种改善锂电池内部电流分布的方法
技术领域
本发明属于锂电池领域，尤其涉及一种改善锂电池内部电流分布的方法。
背景技术
高功率密度，高能量密度锂离子电池在HEV、PHEV、车用启动电源、电动工具、无人机等领域有这重要的应用，在所有的应用领域中最重要的问题都是减少电池的重量，增加电池的能量密度，为减轻电池整体重量，获得更高能量密度和更高体积密度的锂离子电池，通常会通过以下方式实现：(1)采用更高克容量的正负极材料，如正极使用高镍的正极材料或高电压的正极材料，负极使用硅碳负极等；(2)增加单体电芯的容量即减少辅材所占比例，增加正负极活性物质所占比例，从而增加电池的整体能量密度；(3)提高电池极片的面密度，同样可以减少铜铝箔基材所占重量比例，增加电池能量密度。如上措施，都会存在一定的弊端，如高镍正极材料的使用会使电池的安全性变差，增加单体电池容量，如果通过增加电池极片体积的方式，会使电池充放电过程中的电流分布不均匀，影响电池整体充放电倍率，同样第三种措施通过增加极片面密度的方法也会使电池电流密度分布不均，增加电池及锂离子的扩散阻力，特别是在大电流的情况，靠近极耳部分电流密度会大于远离极耳部分的电流密度，从而使电池功率性能及充电速率受到影响。
针对上述改进措施所导致的问题，业内通常会通过在正负极配方内引入更多比例的导电剂或加入导电性能更优的导电剂如碳纳米管石墨烯等，增加电池极片的电子导电性能，减少电池内阻，使电池内极片电流密度分布更加均匀，减少扩散所引起的极化问题，但这种方式不但会增加电池成本，还会因增加导电剂比例使活性物质比例降低，从而降低电池的能量密度提高的比例。
发明内容
针对以上技术问题，本发明通过在电池极片不同方向上设计电池极耳的方法，增加电池极耳个数，使电流通过极片的多个方向进入电池内部，使电池在充放电过程中电流密度分布更加均匀，降低电池内部充放电过程中的极化，从而可以使用更大的充放电电流，使充电时间更短，放电功率和倍率更大。
本发明技术方案具体如下：
一方面，本发明提供了一种改善锂电池内部电流分布的方法，所述锂电池包括正极极片和负极极片，每个正极极片的周边设有两个及以上的极耳，每个负极极片的周边设有两个及以上的极耳。
基于上述方案，优选地，所述极耳是由正极极片或负极极片向远离极片、且平行于极片表面的方向延伸而成。
基于上述方案，优选地，每个正极极片上的极耳于正极极片的周边均匀分布或中心对称，每个负极极片上的极耳于负极极片的周边均匀分布或中心对称。
基于上述方案，优选地，每个正极极片或负极极片上的极耳为2-6个。
另一方面，本发明提供了一种锂电池，所述锂电池包括上述的方法中的正极极片和负极极片。
基于上述方案，优选地，所述锂电池结构包括方形卷绕结构电芯和叠片结构电芯，增加极耳方法，可在电极制备的极耳成型工序中，通过工艺控制实现。
基于上述方案，优选地，所述锂电池为卷绕结构时，电池卷绕圈数为N圈，N为大于等于1的整数，每圈包括一个所述正极极片和负极极片；所述极耳位于每个极片的两侧，且呈中心对称。
基于上述方案，优选地，所述锂电池为叠片结构时，电池正极为N层，N为大于等于2的整数，电池负极为N+1层，每层包括一个所述正极极片和负极极片；所述极耳位于每个极片的两侧，且呈中心对称。
基于上述方案，优选地，在叠片结构或卷绕结构的锂电池中，每个极片的极耳位于所在极片的对角线方向，电池组装后，负极极片的极耳与正极极片的极耳不重叠。
基于上述方案，优选地，方形卷绕电池通过在电池极片两侧设计极耳，极耳成中心对称，使电流通过极片双向流入电池内部。叠片电池的极片可以分为两种设计，其中一种设计与方形卷绕电池一致，在极片两侧设计极耳，极耳成中心对称，叠片电池的极片另外一种设计为在极片的长度方向和宽度方向上分别设计两个极耳，长度方向极耳成中心对称，宽度方向极耳也成中心对称，通过在极片不同方向上增加电池极耳的方法，使电池从四个方向流入电池内部，降低电池内部电流分布不均的问题，减小电池内部极化，增加电池整体充放电倍率。
基于上述方案，优选地，当锂电池结构为卷绕结构，电池卷绕圈数为N圈(N大于等于1的整数)且每圈中的正极和负极极片分别伸出2个极耳，卷绕后全电池正极和负极极耳个数均为2×N个，极耳位置在电池的相对两端，且2个正极极耳分别分布在全电池长度或宽度方向的相对应位置上成中心对称，同样两个负极极耳也分别分布在全电池长度或宽度方向的相对应位置上成中心对称，组装全电池后，即将每层极片的极耳进行焊接后，电池正极极耳数为2个，负极极耳数为2个，即全电池正负极总极耳个数为4个，如图1所示，正极极耳在1号位置和4号位置，负极极耳在2号和3号位置，极耳这样分布可以使电池的充放电电流从电池的两侧流入或流出，电流在电池内部会更加均匀的分布。
基于上述方案，优选地，当锂电池结构为叠片结构，电池正极为N层(N大于等于2的整数)，则负极为N+1层，每层中的正极和负极极片分别伸出2个或者4个极耳，正极极片极耳个数为2×N个或4×N个，负极极片极耳个数为2×(N+1)个或4×(N+1)个，组装全电池后，即将每层极片的极耳进行焊接后，正极极耳个数为2个或4个，负极极耳个数也为2个或4个，对应全电池极耳个数为4个和8个；正极极片极耳或负极极片上的极耳分别成中心对称。
当正负极极耳个数均为2个时，正极极片极耳成中心对称，负极极片极耳也成中心对称，如图2所示，全电池极耳结构与上述方向卷绕结构一致，如图3所示，负极极耳位于1号位置和4号位置，正极极耳分别在2号位置和3号位置。
当正极极片和负极极片均有4个极耳时，正负极极片结构图如图4所示，极耳在极片的长度和宽度方向上各有两个极耳，长度方向上的两个极耳成中心对称，宽度方向上的两个极耳也成中心对称，正负极通过叠片方式组装成全电池，极耳经过焊接后，全电池共计有4个正极极耳，4个负极极耳，共计8个极耳，全电池及极耳结构图如图5所示，负极极耳位于1号位置、3号位置、5号位置、和7号位置，正极极耳分别在2号位置、3号位置、5号位置和7号位置，如图5所示极耳分布，可以使电池的充放电电流从电池的上下左右四个方向的极耳位置流入或流出电池，电流在电池内部会更加均匀的分布，减少因电流部分不均引起的极化问题。
本发明的有益结果
本发明通过增加叠片或卷绕后全电池极耳个数，可以有效改善充放电过程中电流在极片中的分布情况，使流经电池内部的充放电电流分布更加均匀，充放电过程中的极片每个部位的电流密度趋于一致，从而降低因电流部分不均引起的反应极化，极化的降低可有效提高电池的放电功率同时也可以使用更大的电流对电池进行充电，减少电池充电时间。
附图说明
图1为4极耳卷绕电池及电池极耳分布示意图，其中，“1”、“4”表示负极极耳；“2”、“3”表示正极极耳。
图2为2极耳的正极极片或负极极片的极耳分布示意图。
图3为4极耳叠片结构全电池及极耳分布示意图，其中，“1”、“4”表示负极极耳；“2”、“3”表示正极极耳。
图4为4极耳的正极极片或负极极片的极耳分布示意图。
图5为8极耳叠片结构全电池及极耳分布示意图，其中，“1”、“3”、“5”、“7”表示负极极耳；“2”、“4”、“6”、“8”表示正极极耳。
图6为两极耳叠片电池结构示意图，其中，“1”表示正极极耳；“2”表示正极极耳。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步说明。若无特殊说明，以下实施例及对比例所用的原料均为市购得到的常规原料。
按照一定配比制备正极浆料和负极浆料，将正极浆料涂布在铝箔上，将负极浆料涂布在铜箔箔上，极片干燥冷压后进行模切，如果所设计电池为卷绕结构，则正负极极片在上下两侧均需要留出极耳，使卷绕后电池具有2个正极极耳，2个负极极耳，如果所设计电池为叠片结构电池，模切后的正极片有2个或4个正极极耳，同样模切后的负极极片有2个或4个负极极耳。模切后的极片按负极、隔膜、正极的顺序进行叠片，组装全电池，组装后的全电池具有4个极耳或8个极耳。
实施例1
正极使用钴酸锂材料，按质量计，正极配方为95％钴酸锂材料+2％聚偏氟乙烯+3％(导电炭黑)SP，负极使用石墨，负极配方为95％石墨+2％丁苯橡胶+2％羟甲基纤维素钠+1％(导电炭黑)SP，隔膜采用聚乙烯(PE)材质隔膜，电解液为1mol/L六氟磷酸锂+EC(碳酸乙烯酯)+DEC(碳酸二乙酯)+DMC(碳酸二甲酯)混合溶剂(体积比为3∶4∶3)，组装全电池进行测试，正极极片尺寸为85mm*106mm，负极极片尺寸为86mm*108mm，组装电池采用叠片工艺，电池分为A组和B组，其中A组为对比组，电池结构为叠片2极耳电池结构，即每个正极极片和负极极片只设有一个极耳，极耳尺寸均为13mm*18mm(长*宽)，组装后全电池示意图如图6所示，B组为多极耳电池结构电池(4极耳电池，每个正极极片和负极极片设有两个极耳)，极耳尺寸均为13mm*18mm(长*宽)，如图3所示，A、B两组电池容量均在1.2Ah左右，A组电池与B组电池除极耳结构外，其它设计信息完全一致。
对A、B两组电池进行对比测试，分别测试A、B两组在不同放电电流下的倍率特性，放电倍率均选择10C、30C、50C，放电后计算对应倍率下电池的容量保持率，结果如表1。其中10C放电倍率下，B组容量保持率较A组容量保持率高3％，30C放电倍率下B组容量保持率较A组容量保持率高6％，50C放电倍率下B组容量保持率较A组容量保持率高8％，在相同的放电倍率下，4极耳电池(B组)的放电容量保持率较2极耳电池(A组)的放电容量保持率高，说明B组电池内部极化损失的容量更小，这主要是因为B组电池正负极分别在电池的两端设有两个极耳，正负极的电流都可以通过电池两侧的极耳同时在电池内部扩散，电流在电池内部极片上的分布更加均匀，降低了电池内部的极化，而A组电池因为正负极只各有一个极耳，电流优先分布在靠近极耳的一端，远离极耳的一端电流有滞后效应，导致电池内部反应极化加大，并且随放电倍率增加，B组的放电容量保持率较A组电池的放电保持率增加比例也在增加，这主要是因为随放电倍率增加，电池的放电电流也在逐渐增大，这时电流密度的分布成为电池内部反应的主要影响因素，因B组电池较A组电池极耳数量大一倍，且分布在电池两端，使B组电池的电流在电池内部的分布较A组电池更加均匀，即因电流引起的极化B组电池远小于A组，所以B组电池在高电流密度下可以放出更多容量。
表1.不同放电倍率下，两种极耳结构电池特性对比
Item 10C 30C 50C
A组(对比组) 95％ 91％ 88％
B组(实验组) 98％ 97％ 96％

Claims (8)

1.一种改善锂电池内部电流分布的方法，所述锂电池包括正极极片和负极极片，其特征在于，每个正极极片的周边设有两个及以上的极耳，每个负极极片的周边设有两个及以上的极耳。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述极耳是由正极极片或负极极片向远离极片、且平行于极片表面的方向延伸而成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个正极极片上的极耳于正极极片的周边均匀分布或中心对称，每个负极极片上的极耳于负极极片的周边均匀分布或中心对称。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个正极极片或负极极片上的极耳为2-6个。
5.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池包括权利要求1-4任一所述的方法中的正极极片和负极极片。
6.根据权利要求5所述的锂电池，其特征在于，所述锂电池为卷绕结构，电池卷绕圈数为N圈，N为大于等于1的整数，每圈包括一个所述正极极片和负极极片；所述极耳位于每个极片的两侧，且呈中心对称。
7.根据权利要求5所述的锂电池，其特征在于，所述锂电池为叠片结构，电池正极为N层，N为大于等于2的整数，电池负极为N+1层，每层包括一个所述正极极片和负极极片；所述极耳位于每个极片的两侧，且呈中心对称。
8.根据权利要求6或7所述的锂电池，其特征在于，每个极片的极耳位于所在极片的对角线方向，电池组装后，负极极片的极耳与正极极片的极耳不重叠。
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