CN117276768A - 圆柱电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种圆柱电池及其制备方法，涉及电池技术领域。本发明提供的圆柱电池，包括卷绕电芯、壳体、上盖板和下盖板；卷绕电芯至少为2个；第n+1卷绕电芯卷绕在第n卷绕电芯的外侧壁上，n为大于等于1的整数；相邻卷绕电芯之间间隔所述壳体；最外侧的卷绕电芯的外侧壁包覆有所述壳体；上盖板位于卷绕电芯的上底面，下盖板位于卷绕电芯的下底面，上盖板和下盖板分别与所述壳体密封连接，使得每个卷绕电芯处于单独的封闭空间中。该圆柱电池散热性好，大大降低电池热量“内聚”的现象；可以在不同的卷绕电芯中注入不同功能的电解液，降低电池的不均匀性性能衰减的现象，提高电池的使用寿命。

Description

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，尤其是涉及一种圆柱电池及其制备方法。
背景技术
众所周知，电池在充放电过程中由于电池阻抗会消耗电池的能量而产生不可逆的热，锂离子电池最适宜的使用环境温度为20℃-35℃，电池内部温度一旦升高，电池的使用寿命就会随着温度的梯度升高指数形式衰减。在圆柱电池中，由于圆柱电池的特殊结构，因圆柱电池内部因充放电产生的热量不能及时散出去，造成电池的热量分布不均，其中越靠近电池中心处的温度越高，这样会使得电池因温度较高、分布不均匀而导致电池内部不均匀衰减，从而使得电池使用寿命大大折扣。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种圆柱电池，以解决上述问题中的至少一种。
本发明的第二目的在于提供一种圆柱电池的制备方法。
第一方面，本发明提供了一种圆柱电池，包括卷绕电芯、壳体、上盖板和下盖板；
所述卷绕电芯至少为2个；第n+1卷绕电芯卷绕在第n卷绕电芯的外侧壁上，n为大于等于1的整数；相邻卷绕电芯之间间隔所述壳体；最外侧的卷绕电芯的外侧壁包覆有所述壳体；
所述上盖板位于卷绕电芯的上底面，下盖板位于卷绕电芯的下底面，上盖板和下盖板分别与所述壳体密封连接，使得每个卷绕电芯处于单独的封闭空间中。
作为进一步技术方案，所述卷绕电芯主要由第一隔膜、正极片、第二隔膜和负极片卷绕得到。
作为进一步技术方案，所述正极片的正极活性材料包括三元NCM、磷酸铁锂或钴酸锂。
作为进一步技术方案，所述负极片的负极活性材料包括石墨、硬碳、软碳、硅负极或钛酸锂。
作为进一步技术方案，所述上盖板或下盖板上设置有注液孔和防爆阀；
所述注液孔用于卷绕电芯电解液的注入；
所述防爆阀用于卷绕电芯的防爆。
作为进一步技术方案，所述壳体包括铝合金壳或镀镍钢壳。
作为进一步技术方案，各个卷绕电芯之间并联。
作为进一步技术方案，所述卷绕电芯中填充有电解液；
所述电解液主要由锂盐、溶剂和添加剂组成；
所述锂盐包括LiPF6和LiFSI；
所述溶剂包括EC（碳酸乙烯脂）、EMC（碳酸甲乙脂）、DMC（碳酸二甲脂）和PC（碳酸丙烯脂）；
所述添加剂包括VC（碳酸亚乙烯脂）、DTD（硫酸乙烯脂）、LiPO2F2和FEC（氟代碳酸乙烯脂）。
作为进一步技术方案，各个卷绕电芯的电解液中各个组分配比如下：
y1=k×（-0.011ln(n)+0.1001），其中，k=0.9-1.05；1<n<1000；
y2=0.14-y1；
y3=30%×ω；
y4=（-0.039 ln(n)+0.351）×ω；
y5=（0.0563 ln(n)+0.301）×ω；
y6=（1-y3-y4-y5）×ω；
ω=1-y1-y2-y7-y8-y9-y10；
y7 = 0.000032n2-0.000485n +0.025452；
y8 = 0.00235ln(n) + 0.0002，y8≤1%；
y9 = -0.0005n + 0.0025，0≤y9≤0.2%；
y10=0.3%；
y1+y2+y3+y4+y5+y6+y7+y8+y9+y10=1；
其中y1为LiPF6的质量占比；y2为LiFSI的质量占比；y3为EC的质量占比；y4为EMC的质量占比；y5为DMC的质量占比；y6为PC的质量占比；y7为VC的质量占比；y8为DTD的质量占比；y9为LiPO2F2的质量占比；y10为FEC的质量占比。
第二方面，本发明提供了上述圆柱电池的制备方法，包括以下步骤：
a. 将第1卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在卷针上进行卷绕形成第1卷绕电芯，然后将第1卷绕电芯装入第1壳体内；
b. 将第n+1卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在第n卷绕电芯上进行卷绕形成第n+1卷绕电芯，然后将第n+1卷绕电芯装入第n+1壳体内；
c. 所有卷绕电芯制作完成后进行上盖板和下盖板焊接，经注液和化成后制备得到圆柱电池。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的圆柱电池，通过壳体和上下盖板的密封连接方式将各个卷绕电芯隔绝成单独的封闭空间，相邻卷绕电芯之间间隔壳体，每一个空间内卷绕电芯产生的热量可以通过壳体将电池热量及时导出，从而降低电池中产生的总体热量，并且大大降低电池热量“内聚”的现象，提高电池的使用寿命；
本发明可以在不同的卷绕电芯中注入不同功能的电解液，根据电池的产热特征，真真起到了对症下药的作用，从而可以降低电池的不均匀性性能衰减的现象，以此来提高电池的使用寿命；
本发明能够实现同一个电池系统中不共液，大大的改善了当前电池因结构设计带来的天然缺陷而造成电池性能下降的现象；可以实现在不同应用场景的长寿命电池，可以在不同的卷绕电芯中通过配方、材料组合、卷绕电芯设计等来达到应用场景的需求，大大的规避了电池中的“天然缺陷”。
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为电池截面示意图；
图2为电池上盖板示意图；
图3为电池下盖板示意图；
图4为电池升温结果；
图5为电池容量保持率结果。
具体实施方式
下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，本发明提供了一种圆柱电池，包括卷绕电芯、壳体、上盖板和下盖板；
所述卷绕电芯至少为2个；第n+1卷绕电芯卷绕在第n卷绕电芯的外侧壁上，n为大于等于1的整数；相邻卷绕电芯之间间隔所述壳体；最外侧的卷绕电芯的外侧壁包覆有所述壳体；
所述上盖板位于卷绕电芯的上底面，下盖板位于卷绕电芯的下底面，上盖板和下盖板分别与所述壳体密封连接，使得每个卷绕电芯处于单独的封闭空间中。
本发明提供的圆柱电池，通过壳体和上下盖板的密封连接方式将各个卷绕电芯隔绝成单独的封闭空间，相邻卷绕电芯之间间隔壳体。而由于固-固间的导热优于固-气间的导热效果，本发明中通过卷绕电芯间的壳体增加了这种固-固间的导热方式，使得每一个空间内卷绕电芯产生的热量可以通过壳体将电池热量及时导出，从而降低电池中产生的总体热量，并且大大降低电池热量“内聚”的现象，提高电池的使用寿命；
本发明可以在不同的卷绕电芯中注入不同功能的电解液，根据电池的产热特征，真真起到了对症下药的作用，从而可以降低电池的不均匀性性能衰减的现象，以此来提高电池的使用寿命；
本发明能够实现同一个电池系统中不共液，大大的改善了当前电池因结构设计带来的天然缺陷而造成电池性能下降的现象；可以实现在不同应用场景的长寿命电池，可以在不同的卷绕电芯中通过配方、材料组合、卷绕电芯设计等来达到应用场景的需求，大大的规避了电池中的“天然缺陷”。
在一些可选的实施方式中，所述卷绕电芯主要由第一隔膜、正极片、第二隔膜和负极片卷绕得到。
在一些可选的实施方式中，所述正极片的正极活性材料包括但不限于三元NCM、磷酸铁锂或钴酸锂，或者采用本领域所熟知的其他正极活性材料。
在一些可选的实施方式中，所述负极片的负极活性材料包括但不限于石墨、硬碳、软碳、硅负极或钛酸锂，或者采用本领域所熟知的其他负极活性材料。
在一些可选的实施方式中，所述隔膜包括但不限于PE（聚乙烯）或PP（聚丙烯），或者采用本领域所熟知的其他电池隔膜。
在一些可选的实施方式中，所述上盖板或下盖板上设置有注液孔和防爆阀；
所述注液孔用于卷绕电芯电解液的注入，包括第1注液孔、第2注液孔、第3注液孔，以及第n注液孔；
所述防爆阀用于卷绕电芯的防爆，包括第1防爆阀、第2防爆阀、第1防爆阀，以及第n防爆阀。
需要说明的是，由于卷绕电芯之间是相互分隔的，因此为了实现对各个卷芯的注液及防爆，需要为每一个卷绕电芯设计相应的注液孔和防爆阀。
在一些可选的实施方式中，所述上盖板和下盖板与壳体焊接连接，形成第1焊接区、第2焊接区、第3焊接区，以及第n焊接区。
在一些可选的实施方式中，所述壳体包括铝合金壳或镀镍钢壳。
在一些可选的实施方式中，各个卷绕电芯之间并联。
本发明中对于卷绕电芯极耳与盖板的连接，采用本领域常规连接方式即可。例如可以将卷绕电芯的正极极耳与集流盘焊接后，通过连接片连接在正极盖板上；将卷绕电芯的负极极耳与集流盘焊接后，通过连接片连接在负极盖板上。
在一些可选的实施方式中，所述卷绕电芯中填充有电解液；
所述电解液主要由锂盐、溶剂和添加剂组成；
所述锂盐包括LiPF6和LiFSI；
所述溶剂包括EC（碳酸乙烯脂）、EMC（碳酸甲乙脂）、DMC（碳酸二甲脂）和PC（碳酸丙烯脂）；
所述添加剂包括VC（碳酸亚乙烯脂）、DTD（硫酸乙烯脂）、LiPO2F2和FEC（氟代碳酸乙烯脂）。
在一些可选的实施方式中，各个卷绕电芯的电解液中各个组分配比如下：
y1=k×（-0.011ln(n)+0.1001），其中，k=0.9-1.05；1<n<1000；
y2=0.14-y1；
y3=30%×ω；
y4=（-0.039 ln(n)+0.351）×ω；
y5=（0.0563 ln(n)+0.301）×ω；
y6=（1-y3-y4-y5）×ω；
ω=1-y1-y2-y7-y8-y9-y10；
y7 = 0.000032n2-0.000485n +0.025452；
y8 = 0.00235ln(n) + 0.0002，y8≤1%；
y9 = -0.0005n + 0.0025，0≤y9≤0.2%；
y10=0.3%；
y1+y2+y3+y4+y5+y6+y7+y8+y9+y10=1；
其中y1为LiPF6的质量占比；y2为LiFSI的质量占比；y3为EC的质量占比；y4为EMC的质量占比；y5为DMC的质量占比；y6为PC的质量占比；y7为VC的质量占比；y8为DTD的质量占比；y9为LiPO2F2的质量占比；y10为FEC的质量占比。
第二方面，本发明提供了上述圆柱电池的制备方法，包括以下步骤：
a. 将第1卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在卷针上进行卷绕形成第1卷绕电芯（卷针抽出后形成中心孔），然后将第1卷绕电芯装入第1壳体内；
b. 将第n+1卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在第n卷绕电芯上进行卷绕形成第n+1卷绕电芯，然后将第n+1卷绕电芯装入第n+1壳体内；
c. 所有卷绕电芯制作完成后进行上盖板和下盖板焊接，经注液和化成后制备得到圆柱电池。
本发明提供的制备方法简单方便，制备得到的圆柱电池散热性好，使用寿命长。
下面通过具体的实施例和对比例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1
一种圆柱电池，如图1-图3所示，包括卷绕电芯、壳体、上盖板和下盖板；
卷绕电芯主要由第一隔膜、正极片、第二隔膜和负极片卷绕得到；卷绕电芯为3个，各个电芯之间并联；第2卷绕电芯卷绕在第1卷绕电芯的外侧壁上；第3卷绕电芯卷绕在第2卷绕电芯的外侧壁上；相邻卷绕电芯之间间隔壳体；最外侧的卷绕电芯的外侧壁包覆有所述壳体；
其中，正极片为磷酸铁锂正极片；负极片为石墨负极片；隔膜为pp隔膜；壳体为铝合金壳；
上盖板位于卷绕电芯的上底面，下盖板位于卷绕电芯的下底面，上盖板和下盖板分别与所述壳体密封焊接，使得每个卷绕电芯处于单独的封闭空间中；上盖板上针对每一个卷绕电芯设置有相应的注液孔和防爆阀；
各个卷绕电芯的电解液中各个组分配比如表1所示。
制备方法如下：
a. 将第1卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在卷针上进行卷绕形成第1卷绕电芯，然后将第1卷绕电芯装入第1壳体内；
b. 将第2卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在第1卷绕电芯上进行卷绕形成第2卷绕电芯，然后将第2卷绕电芯装入第2壳体内；
c. 将第3卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在第2卷绕电芯上进行卷绕形成第3卷绕电芯，然后将第3卷绕电芯装入第3壳体内；
d. 所有卷绕电芯制作完成后进行上盖板和下盖板焊接，经注液和化成后制备得到圆柱电池。
对于卷绕电芯极耳与盖板的连接，采用常规方法即可。
实施例2
一种圆柱电池，与实施例1的区别在于，各个卷绕电芯的电解液中各个组分配比不同，组分配比如表1所示。
实施例3
一种圆柱电池，与实施例1的区别在于，各个卷绕电芯的电解液中各个组分配比不同，组分配比如表1所示。
表1
。
对比例1
一种圆柱电池，与实施例1的区别在于，卷绕电芯之间不设置壳体，且电解液采用实施例1中的第1卷绕电芯的电解液。
对比例2
一种圆柱电池，与实施例1的区别在于，卷绕电芯之间不设置壳体，且电解液采用实施例1中的第2卷绕电芯的电解液。
对比例3
一种圆柱电池，与实施例1的区别在于，卷绕电芯之间不设置壳体，且电解液采用实施例1中的第3卷绕电芯的电解液。
实施例4
一种圆柱电池，与实施例1的区别在于，各个卷绕电芯的电解液均采用实施例1中的第2卷绕电芯的电解液。
试验例1
对实施例1-4和对比例1-3提供的电芯进行检测，电芯的体系为LFP/Gr体系，电芯标称容量为10Ah，测试内容及结果如下：
1. 将电芯在25℃下，从100%SOC状态1.0C放电至2.5V，电芯温升结果图4所示。
从图4中可以看出，实施例1-4提供的电芯较对比例1-3电芯的温升更低，说明，本发明提供的电芯，通过卷绕电芯之间的壳体设置，进一步提高了电芯的散热性能；实施例1-3电芯的温度较实施例4低，说明本发明根据电池的产热特征，设计与电池相匹配的电解液，能够进一步提高了电池的散热效果。
2. 将电芯在25℃下，进行1.0C充放电，充电截止电压3.65V，放电截止电压2.5V，测试结果如图5所示。
从图中可以看出，容量保持率：实施例1-4提供的电芯较对比例1-3电芯在循环周数相同时的容量保持率较高，说明，本发明提供的电芯，通过卷绕电芯之间的壳体设置，进一步提高了电芯的循环寿命；实施例1-3电芯在2400周的容量保持率较实施例4高，说明本发明根据设计与电池相匹配的电解液，能够进一步提高了电池的循环寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种圆柱电池，其特征在于，包括卷绕电芯、壳体、上盖板和下盖板；
所述卷绕电芯至少为2个；第n+1卷绕电芯卷绕在第n卷绕电芯的外侧壁上，n为大于等于1的整数；相邻卷绕电芯之间间隔所述壳体；最外侧的卷绕电芯的外侧壁包覆有所述壳体；
所述上盖板位于卷绕电芯的上底面，下盖板位于卷绕电芯的下底面，上盖板和下盖板分别与所述壳体密封连接，使得每个卷绕电芯处于单独的封闭空间中。
2.根据权利要求1所述的圆柱电池，其特征在于，所述卷绕电芯主要由第一隔膜、正极片、第二隔膜和负极片卷绕得到。
3.根据权利要求2所述的圆柱电池，其特征在于，所述正极片的正极活性材料包括三元NCM、磷酸铁锂或钴酸锂。
4.根据权利要求2所述的圆柱电池，其特征在于，所述负极片的负极活性材料包括石墨、硬碳、软碳、硅负极或钛酸锂。
5.根据权利要求1所述的圆柱电池，其特征在于，所述上盖板或下盖板上设置有注液孔和防爆阀；
所述注液孔用于卷绕电芯电解液的注入；
所述防爆阀用于卷绕电芯的防爆。
6.根据权利要求1所述的圆柱电池，其特征在于，所述壳体包括铝合金壳或镀镍钢壳。
7.根据权利要求1所述的圆柱电池，其特征在于，各个卷绕电芯之间并联。
8.根据权利要求1所述的圆柱电池，其特征在于，所述卷绕电芯中填充有电解液；
所述电解液主要由锂盐、溶剂和添加剂组成；
所述锂盐包括LiPF6和LiFSI；
所述溶剂包括EC、EMC、DMC和PC；
所述添加剂包括VC、DTD、LiPO2F2和FEC。
9.根据权利要求7所述的圆柱电池，其特征在于，各个卷绕电芯的电解液中各个组分配比如下：
y1=k×（-0.011ln(n)+0.1001），其中，k=0.9-1.05；1<n<1000；
y2=0.14-y1；
y3=30%×ω；
y4=（-0.039 ln(n)+0.351）×ω；
y5=（0.0563 ln(n)+0.301）×ω；
y6=（1-y3-y4-y5）×ω；
ω=1-y1-y2-y7-y8-y9-y10；
y7 = 0.000032n2-0.000485n +0.025452；
y8 = 0.00235ln(n) + 0.0002，y8≤1%；
y9 = -0.0005n + 0.0025，0≤y9≤0.2%；
y10=0.3%；
y1+y2+y3+y4+y5+y6+y7+y8+y9+y10=1；
其中y1为LiPF6的质量占比；y2为LiFSI的质量占比；y3为EC的质量占比；y4为EMC的质量占比；y5为DMC的质量占比；y6为PC的质量占比；y7为VC的质量占比；y8为DTD的质量占比；y9为LiPO2F2的质量占比；y10为FEC的质量占比。
10.权利要求1-9任一项所述的圆柱电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 将第1卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在卷针上进行卷绕形成第1卷绕电芯，然后将第1卷绕电芯装入第1壳体内；
b. 将第n+1卷绕电芯的第一隔膜、第一负极片、第一隔膜和第一正极片在第n卷绕电芯上进行卷绕形成第n+1卷绕电芯，然后将第n+1卷绕电芯装入第n+1壳体内；
c. 所有卷绕电芯制作完成后进行上盖板和下盖板焊接，经注液和化成后制备得到圆柱电池。
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