CN117457965B - 一种卷绕电芯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卷绕电芯，卷绕电芯包括正极片、负极片以及设置于正极片和负极片之间的隔膜。正极片、隔膜和负极片沿设定方向卷绕。负极片包括至少一个负极极耳。负极极耳包括靠近卷绕起始端的第一端部和靠近卷绕终止端的第二端部。正极片包括正极头部，正极头部位于正极片中靠近卷绕起始端的一侧。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部距离第一端部的角度以及正极头部距离第二端部的角度均大于或者等于预设角度。如此，通过设置正极头部的位置避开负极极耳所在位置以及负极极耳的边缘预设角度的位置，可以减小正极头部所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险，进而提高了卷绕电芯的可靠性。

Description

一种卷绕电芯
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种卷绕电芯。
背景技术
由于正极片和负极片中材料的各向异性，会导致在循环过程中，正极片和负极片均向各个方向膨胀，使极片间存在相互作用的挤压力，进而会导致正极片中的卷绕起始端与负极片的负极极耳之间产生较大的挤压。此外，卷绕电芯的设计存在负极片的卷绕终止端相比正极片的卷绕终止端多卷一圈，从而进一步增大正极片中的卷绕起始端与负极片的负极极耳之间挤压力，容易导致正极片的卷绕起始端与负极片的负极极耳之间的隔膜破孔，造成在循环过程中，卷绕电芯出现短路的风险。
发明内容
本发明实施例提供了一种卷绕电芯，通过设置正极头部的位置避开负极极耳所在位置以及负极极耳的边缘预设角度的位置，可以减小正极头部所在位置隔膜破孔导致卷绕电芯内部短路的风险，进而提高了卷绕电芯的可靠性。
第一方面，本发明实施例提供了一种卷绕电芯，包括正极片、负极片以及设置于所述正极片和所述负极片之间的隔膜；所述正极片、所述隔膜和所述负极片沿设定方向卷绕；
所述负极片包括至少一个负极极耳；
所述负极极耳包括靠近卷绕起始端的第一端部和靠近卷绕终止端的第二端部；
所述正极片包括正极头部，所述正极头部位于所述正极片中靠近所述卷绕起始端的一侧；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述正极头部距离所述第一端部的角度以及所述正极头部距离所述第二端部的角度均大于或者等于预设角度；
所述预设角度包括预设圆心角或者预设弧度角。
可选的，所述预设圆心角的角度为θ；
所述预设圆心角的角度θ满足： 15°≤θ≤2π-α-15°；
其中，α为所述负极极耳所在位置的圆心角的角度。
可选的，所述负极片还包括第一空箔区和负极料区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述负极极耳设置于所述第一空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第二端部距离所述正极头部具有第一相对长度；
当所述第一相对长度小于或者等于预设长度时，所述第一相对长度满足第一关系，所述第一关系包括：
X0≥θ/180°×π×R0
所述第一相对长度大于所述预设长度时，所述第一相对长度满足第二关系式，所述第二关系式包括：
X0-N1≥θ/180°×π×R0
所述预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X0为所述第一相对长度，θ为所述预设圆心角的角度，R0为所述负极极耳的等效半径，N1为所述负极极耳卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和。
可选的，所述负极片还包括负极料区；
所述负极料区包括第一负极料区、第二负极料区以及位于第一负极料区和第二负极料区之间的第二空箔区；
所述负极极耳设置于所述第二空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一端部距离所述正极头部具有第二相对长度；
当所述第二相对长度小于或者等于预设长度时，所述第二相对长度满足第三关系，所述第三关系包括：
X1≥θ/180°×π×R0
所述第二相对长度大于所述预设长度时，所述第二相对长度满足第四关系式，所述第四关系式包括：
X1-N2≥θ/180°×π×R0
所述预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X1为所述第二相对长度，θ为所述预设圆心角的角度，R0为所述负极极耳的等效半径，N2为所述负极极耳卷绕前每圈正极片卷绕的总长度之和。
可选的，所述预设弧度角的弧度为β；
所述预设弧度角的弧度β满足：15°×π/180°≤β≤2π-γ-15°×π/180°；
其中，γ为所述负极极耳所在位置的弧度角的弧度。
可选的，所述负极片还包括第一空箔区和负极料区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述负极极耳设置于所述第一空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第二端部距离所述正极头部具有第三相对长度；
当所述第三相对长度小于或者等于预设长度时，所述第三相对长度满足第五关系，所述第五关系包括：
X2≥β×R0
所述第三相对长度大于所述预设长度时，所述第三相对长度满足第六关系式，所述第六关系式包括：
X2-N1≥β×R0
所述预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X2为所述第三相对长度，β为所述预设弧度角的弧度，R0为所述负极极耳的等效半径，N1为所述负极极耳卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和。
可选的，所述负极片还包括负极料区；
所述负极料区包括第一负极料区、第二负极料区以及位于第一负极料区和第二负极料区之间的第二空箔区；
所述负极极耳设置于所述第二空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一端部距离所述正极头部具有第四相对长度；
当所述第四相对长度小于或者等于预设长度时，所述第四相对长度满足第七关系，所述第七关系包括：
X3≥β×R0
所述第四相对长度大于所述预设长度时，所述第四相对长度满足第八关系式，所述第八关系式包括：
X3-N2≥β×R0
所述预设长度D满足D=2×π×R0，其中，X3为所述第四相对长度，β为所述预设弧度角的角度，R0为所述负极极耳的等效半径，N2为所述负极极耳卷绕前每圈正极片卷绕的总长度之和。
可选的，所述负极极耳的等效半径包括卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、负极极耳卷绕前第一空箔区预卷的厚度、以及负极极耳沿所述卷绕电芯的轴向方向上的第一厚度之和。
可选的，所述负极片还包括第一空箔区，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述负极极耳的等效半径包括卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、第一空箔区预卷的厚度、负极极耳卷绕前正极片卷绕的厚度以及负极极耳沿所述卷绕的轴向方向上的第一厚度之和。
可选的，所述负极片包括多个负极极耳；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，多个所述负极极耳依次设置；
所述正极头部距离每个所述负极极耳的第一端部的角度均大于或者等于所述预设角度，且所述正极头部距离每个所述负极极耳的第二端部的角度均大于或者等于所述预设角度。
可选的，多个所述负极极耳包括第一负极极耳和第二负极极耳；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一负极极耳位于所述第二负极极耳靠近所述卷绕起始端的位置；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一负极极耳的第二端部距离所述第二负极极耳的第一端部的角度大于或者等于两倍的所述预设角度，且所述第二负极极耳的第二端部距离所述第一负极极耳的第一端部的角度大于或者等于两倍的所述预设角度。
可选的，所述负极片还包括第一空箔区和负极料区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述第一空箔区在卷绕后的匝数与所述负极极耳在卷绕后的坡度呈负相关关系。
可选的，沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述负极极耳具有的第一长度D3；
沿所述卷绕电芯的轴向方向，所述负极极耳具有第一厚度L1；
所述第一厚度L1和所述第一长度D3满足：L1/D3≤1/20。
本发明实施中的卷绕电芯包括正极片、负极片以及设置于正极片和负极片之间的隔膜。正极片、隔膜和负极片沿设定方向卷绕。负极片包括至少一个负极极耳。负极极耳包括靠近卷绕起始端的第一端部和靠近卷绕终止端的第二端部。正极片包括正极头部，正极头部位于正极片中靠近卷绕起始端的一侧。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部距离第一端部的角度以及正极头部距离第二端部的角度均大于或者等于预设角度。如此，通过设置正极头部的位置避开负极极耳所在位置以及负极极耳的边缘预设角度的位置，可以减小正极头部所在位置隔膜破孔导致卷绕电芯内部短路的风险，进而提高了卷绕电芯的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种卷绕电芯的卷绕结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种卷绕电芯的展开结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种负极片展开结构的俯视图；
图4是本发明实施例二提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图；
图5是本发明实施例二提供的另一种卷绕电芯的展开结构示意图；
图6是本发明实施例二提供的另一种负极片展开结构的俯视图；
图7是本发明实施例三提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图；
图8是本发明实施例四提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图；
图9是本发明实施例五提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种卷绕电芯的卷绕结构示意图，图2是本发明实施例一提供的一种卷绕电芯的展开结构示意图，参见图1和图2，卷绕电芯包括正极片10、负极片20以及设置于正极片10和负极片20之间的隔膜30。正极片10、隔膜30和负极片20沿设定方向卷绕。负极片20包括至少一个负极极耳210。负极极耳210包括靠近卷绕起始端的第一端部210a和靠近卷绕终止端的第二端部210b。正极片10包括正极头部110，正极头部110位于正极片10中靠近卷绕起始端的一侧。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的角度以及正极头部110距离第二端部210b的角度均大于或者等于预设角度。
具体的，如图1和图2所示，卷绕电芯由叠层结构围绕中心轴由卷绕起始端向卷绕终止端卷绕形成螺旋形状，其中，叠层结构可以为四层叠层结构，四层叠层结构中隔膜30、正极片10、隔膜30以及负极片20由上到下依次层压。示例性的，正极片10可以包括铜箔（图中未示出），铜箔上包括多个正极料区120，以及设置于相邻两个正极料区120之间的空箔区130，空箔区130上设置有正极极耳1301，正极极耳1301与最终电池组件中的正极端子连接，以实现电池组件中外壳与内部卷绕电芯的正性连接，多个正极料区120中包括靠近卷绕起始端的第一正极料区1201，第一正极料区1201靠近卷绕起始端的一侧为正极头部110，即正极头部110位于正极片10中靠近卷绕起始端的位置。负极片20中包括至少一个负极料区220和至少一个负极极耳210，如图2所示的实施方式中，负极片20包括一个负极料区220和一个负极极耳210，负极极耳210位于负极料区220靠近卷绕起始端的一侧，负极极耳210包括第一端部210a和第二端部210b，其中，第一端部210a位于负极极耳210中靠近卷绕起始端的一端，第二端部210b位于负极极耳210中靠近卷绕终止端的一端。同样的，负极极耳210与最终电池组件中的负极端子连接，以实现电池组件中外壳与内部卷绕电芯的负性连接。此外，沿卷绕起始端指向卷绕终止端的方向，负极片20的长度大于正极片10的长度，即卷绕时，负极片20相比正极片10更先进行卷绕，且正极片10相比负极片20更先停止卷绕，换句话说，在卷绕的叠层结构的最内侧，以及卷绕的叠层结构的最外侧，负极片20均比正极片10多出一部分。
发明人经研究发现，正极片和负极片中材料存在各向异性，会导致在循环过程中，正极片和负极片间存在相互作用的挤压力，且卷绕绕电芯的设计存在负极片的卷绕终止端相比正极片的卷绕终止端多卷一圈，从而进一步增大正极片和负极片间相互作用的挤压力，由于负极极耳的材质相比正极头部中铜箔的材质硬，进而若正极头部设置在负极极耳所在位置，则正极头部与负极极耳间的挤压力过大，容易导致正极头部与负极极耳之间的隔膜破孔，造成在循环过程中，卷绕电芯出现短路的风险。此外，若正极头部设置在负极极耳的边缘位置时，由于还存在负极极耳与正极头部之间的剪切力，因此，出现正极头部与负极极耳之间的隔膜破孔的风险更大。
为此，本发明实施例通过设置沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的角度以及正极头部110距离第二端部210b的角度均大于或者等于预设角度，即在沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部110的位置避开负极极耳210的所在位置，以及距离负极极耳210的两个端部预设角度的边缘位置，从而设置在远离负极极耳210的位置，如此，通过避开负极极耳210所在位置的中风险区域，以及距离负极极耳210的两个端部预设角度的高风险区域，可以减小正极头部所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险，提升了卷绕电芯的可靠性，此外，由于通过调整正极头部110入料位置来实现减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔的风险，无需增加新的工艺，进而还可以减小卷绕电芯制成的风险。
综上，本发明实施例中，卷绕电芯包括正极片、负极片以及设置于正极片和负极片之间的隔膜。正极片、隔膜和负极片沿设定方向卷绕。负极片包括至少一个负极极耳。负极极耳包括靠近卷绕起始端的第一端部和靠近卷绕终止端的第二端部。正极片包括正极头部，正极头部位于正极片中靠近卷绕起始端的一侧。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部距离第一端部的角度以及正极头部距离第二端部的角度均大于或者等于预设角度。如此，通过设置正极头部的位置避开负极极耳所在位置以及负极极耳的边缘预设角度的位置，可以减小正极头部所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险，进而提高了卷绕电芯的可靠性。
在上述实施例的基础上，继续参见图1，预设角度包括预设圆心角，预设圆心角的角度为θ。预设圆心角的角度θ满足： 15°≤θ≤2π-α-15°。其中，α为负极极耳所在位置的圆心角的角度。
在一实施例中，预设角度可以为预设圆心角，即沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的圆心角以及正极头部110距离第二端部210b的圆心角均大于预设圆心角，其中，预设圆心角的角度需要大于或者等于15°，且小于或者等于2π-α-15°。示例性的，以正极头部110与第一端部210a之间的圆心角为例进行说明，若正极头部110与第一端部210a之间的圆心角小于15°，则沿圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的角度过近，正极头部110与负极极耳210之间的隔膜破孔的风险较大，若正极头部110与第一端部210a之间的圆心角大于2π-α-15°，则正极头部110与第二端部210b之间的圆心角小于15°，则沿圆周方向，正极头部110距离第二端部210b的角度过近，正极头部110与负极极耳210之间的隔膜破孔的风险较大，进而设置预设圆心角的角度15°≤θ≤2π-α-15°，可以进一步保证正极头部110与负极极耳210之间的隔膜破孔的风险较小。
需要说明的是，经实验发现当预设圆心角的角度θ满足： 15°≤θ≤2π-α-15°时，卷绕电芯中无隔膜破孔的风险，且卷绕电芯中无容量衰减。
可选的，在上述实施例的基础上，图3是本发明实施例一提供的一种负极片展开结构的俯视图，如图1-图3所示，负极片20还包括第一空箔区2301和负极料区220。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一空箔区2301位于负极料区220靠近卷绕起始端的一侧。负极极耳210设置于第一空箔区2301。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第二端部210b距离正极头部110具有第一相对长度X0。当第一相对长度X0小于或者等于预设长度时，第一相对长度X0满足第一关系，第一关系包括：X0≥θ/180°×π×R0。第一相对长度X0大于预设长度时，第一相对长度X0满足第二关系式，第二关系式包括：
X0-N1≥θ/180°×π×R0。预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X0为第一相对长度，θ为预设圆心角的角度，R0为负极极耳210的等效半径，N1为负极极耳210卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和。
具体的，参见图1-图3，负极片20包括铜箔（图中未示出），铜箔上包括负极料区220和位于负极料区220靠近卷绕起始端一侧的第一空箔区2301，负极极耳210设置于第一空箔区2301，由于通常负极料区220的涂布要早于正极料区的涂布，即当负极极耳210设置于第一空箔区2301时，负极极耳210要比正极头部110更先进行卷绕。进而可以通过调整正极头部110与第二端部210b之间的相对距离，使卷绕后沿圆周方向，正极头部110距离第二端部210b的圆心角满足预设圆心角。
示例性的，设沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第二端部210b距离正极头部110的第一相对长度X0，负极极耳210的等效半径为R0，当X0≤2×π×R0时，表明在负极极耳210卷绕后，剩余的第一空箔区2301在卷绕一圈内时，便卷绕到正极头部110，即可以理解为正极头部110与第二端部210b在同一圆周上，此时第一相对长度X0满足第一关系式X0≥θ/180°×π×R0。其中，θ/180°×π×R0为第二端部210b与正极头部110的圆心角为预设圆心角的角度θ时所对应的弧长，进而通过设置第一相对长度X0大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设圆心角的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。而当X0＞2×π×R0时，表明在负极极耳210卷绕后，剩余的第一空箔区2301在卷绕N圈后，才卷绕到正极头部110，即可以理解为正极头部110与第二端部210b不在同一圆周上，此时第一相对长度X0满足第二关系式，X0-N1≥θ/180°×π×R0。即第一相对长度X0减去负极极耳210卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和后的长度，才为正极头部110与第二端部210b在同一圆周上的相对弧长，该相对弧长满足第二端部210b与正极头部110的圆心角为预设圆心角的角度θ时所对应弧长，进而通过设置第一相对长度X0大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设角度的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。
需要说明的是，在卷绕的过程中，需要先进行隔膜预卷，接着是第一空箔区预卷，之后是正负极料区的预卷，进而当负极极耳210设置于第一空箔区2301时，由于在卷绕到负极极耳210时，还未进行正负料区的预卷，因此负极极耳210的等效半径R0仅需要考虑隔膜预卷，和第一空箔区预卷，即负极极耳210的等效半径为卷绕时卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、负极极耳210卷绕前第一空箔区预卷的厚度、以及负极极耳210沿卷绕电芯的轴向方向上的第一厚度之和。
还需要说明的是，可以通过负极料区多出正极头部的长度、负极料区距离负极极耳中心的长度以及负极极耳的第一长度来计算得到第一相对长度。示例性的，设负极料区多出正极头部的长度为D1，负极料区距离负极极耳中心的长度为D2，负极极耳的第一长度为D3，则当负极极耳210设置于第一空箔区2301时，第一相对长度X0=D1+D2-D3/2。
实施例二
图4是本发明实施例二提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图，图5是本发明实施例二提供的另一种卷绕电芯的展开结构示意图，图6是本发明实施例二提供的另一种负极片展开结构的俯视图。参见图4-图6，负极片20还包括负极料区220。负极料区包括第一负极料区2201、第二负极料区2202以及位于第一负极料区2201和第二负极料区2202之间的第二空箔区2203。负极极耳210设置于第二空箔区2203。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一端部210a距离正极头部110具有第二相对长度X1。当第二相对长度X1小于或者等于预设长度时，第二相对长度X1满足第三关系，第三关系包括：X1≥θ/180°×π×R0。当第二相对长度X1大于预设长度时，第二相对长度X1满足第四关系式，第四关系式包括：X1-N2≥θ/180°×π×R0。预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X1为第二相对长度，θ为预设圆心角的角度，R0为负极极耳210的等效半径，N2为负极极耳210卷绕前每圈正极片10卷绕的总长度之和。
具体的，参见图5和图6，负极片20包括铜箔（图中未示出），铜箔上包括负极料区220和第一空箔区2301。第一空箔区2301位于负极料区220靠近卷绕起始端一侧，负极料区220包括第一负极料区2201、第二负极料区2202以及位于第一负极料区2201和第二负极料区2202之间的第二空箔区2203，负极极耳210设置于第二空箔区2203，由于第二空箔区2203位于第一负极料区2201和第二负极料区2202之间，而正极头部110的位置与第一负极料区2201的位置相对应，即当负极极耳210设置于第二空箔区2203时，正极头部110要比负极极耳210更先进行卷绕。进而可以通过调整正极头部110与第一端部210a之间的相对距离，使卷绕后沿圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的圆心角满足预设圆心角。
示例性的，如图4-图6所示，设沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一端部210a距离正极头部110的第二相对长度为X1，负极极耳210的等效半径为R0，当X1≤2×π×R0时，表明在正极头部110卷绕后，正极片10（负极片20）在卷绕一圈内时，便卷绕到负极极耳210的第一端部210a，即可以理解为正极头部110与第一端部210a在同一圆周上，此时第二相对长度X1满足第三关系式，X1≥θ/180°×π×R0。其中，θ/180°×π×R0为第一端部210a与正极头部110的圆心角为预设圆心角的角度θ时所对应的弧长，进而通过设置第二相对长度X1大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设圆心角的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。而当X1＞2×π×R0时，表明正极头部110卷绕后，之后的正极片10（负极片20）在卷绕N圈后，才卷绕到负极极耳210的第一端部210a，即可以理解为正极头部110与第一端部210a不在同一圆周上，此时第二相对长度X1满足第四关系式，X1-N2≥θ/180°×π×R0。即第二相对长度X1减去负极极耳210卷绕前每圈正极片10卷绕的总长度之和后的长度，才为正极头部110与第一端部210a在同一圆周上的相对弧长，该相对弧长满足第一端部210a与正极头部110的圆心角为预设圆心角的角度θ时所对应的弧长，进而通过设置第二相对长度X1大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设角度的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。
需要说明的是，在卷绕的过程中，需要先进行隔膜预卷，接着是第一空箔区预卷，之后是正负极料区的预卷，当负极极耳210设置于第二空箔区2203时，由于已经开始进行正负料区的预卷，因此，负极极耳210的等效半径R0需要考虑到隔膜预卷、第一空箔区预卷以及正负极料区的预卷，即负极极耳210的等效半径R0为卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、第一空箔区预卷的厚度、负极极耳卷绕前正极片卷绕的厚度以及负极极耳沿所述卷绕的轴向方向上的第一厚度之和。
还需要说明的是，可以通过负极料区多出正极头部的长度、负极料区距离负极极耳中心的长度以及负极极耳的第一长度来计算得到第二相对长度。示例性的，设负极料区多出正极头部的长度为D1，负极料区距离负极极耳中心的长度为D2，负极极耳的第一长度为D3，则当负极极耳210设置于第二空箔区2203时，第二相对长度X1=D2-D1-D3/2。
实施例三
上述实施例以圆心角的方式来限定正极头部110距离第一端部210a的角度以及正极头部110距离第二端部210b的角度，在其他实施方式中还可以通过弧度角的方式来限定。在一实施例中，图7是本发明实施例三提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图，如图7所示，预设角度包括预设弧度角，预设弧度角的弧度为β。预设弧度角的弧度β满足：15°×π/180°≤β≤2π-γ-15°×π/180°。其中，γ为负极极耳210所在位置的弧度角的弧度。
具体的，预设角度可以为预设弧度角，即沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的弧度角以及正极头部110距离第二端部210b的弧度角均大于预设弧度角，其中，预设弧度角的角度需要大于或者等于15°×π/180°，且小于或者等于2π-γ-15°×π/180°。示例性的，以正极头部110与第一端部210a之间的弧度角为例进行说明，若正极头部110与第一端部210a之间的弧度角小于15°×π/180°，则沿圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的角度过近，正极头部与负极极耳之间的隔膜破孔的风险较大，若正极头部110与第一端部210a之间的弧度角大于2π-γ-15°×π/180°，则正极头部110与第二端部210b之间的弧度角小于15°×π/180°，则沿圆周方向，正极头部110距离第二端部210b的角度过近，正极头部110与负极极耳210之间的隔膜破孔的风险较大，进而设置预设弧度角的弧度β满足15°×π/180°≤β≤2π-γ-15°×π/180°，可以进一步保证正极头部110与负极极耳210之间的隔膜破孔的风险较小。
需要说明的是，弧度角和圆心角之间可以相互换算，即弧度角和圆心角之间满足θ1×π/180°=β1，其中，θ1为圆心角，β1为弧度角。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图2、图3和图7，负极片20还包括第一空箔区2301和负极料区220。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一空箔区2301位于负极料区220靠近卷绕起始端的一侧。负极极耳210设置于第一空箔区2301，沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第二端部210b距离正极头部110具有第三相对长度X2。当第三相对长度X2小于或者等于预设长度时，第三相对长度X2满足第五关系，第五关系包括：X2≥β×R0。
第三相对长度X2大于预设长度时，第三相对长度X2满足第六关系式，第六关系式包括X2-N1≥β×R0。预设长度D满足D=2×π×R0。其中，X2为第三相对长度，β为预设弧度角的弧度，R0为负极极耳的等效半径，N1为负极极耳210卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和。
具体的，负极片20包括铜箔（图中未示出），铜箔上包括负极料区220和第一空箔区2301。第一空箔区2301位于负极料区220靠近卷绕起始端一侧，负极极耳210设置于第一空箔区2301，由于通常负极料区220的涂布要早于正极料区的涂布，即当负极极耳210设置于第一空箔区2301时，负极极耳210要比正极头部110更先进行卷绕。进而可以通过调整正极头部110与第二端部210b之间的相对距离，使卷绕后沿圆周方向，正极头部110距离第二端部210b的弧度角满足预设弧度角。
示例性的，设沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第二端部210b距离正极头部110的第三相对长度为X2，负极极耳210的等效半径为R0，当X2≤2×π×R0时，表明在负极极耳210卷绕后，剩余的第一空箔区2301在卷绕一圈内时，便卷绕到正极头部110，即可以理解为正极头部110与第二端部210b在同一圆周上，此时第三相对长度X2满足第五关系式X2≥β×R0。其中，β×R0为第二端部210b与正极头部110的弧度角为预设弧度角的角度β时所对应的弧长，进而通过设置第三相对长度X2大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设弧度角的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。而当X0＞2×π×R0时，表明在负极极耳210卷绕后，剩余的第一空箔区2301在卷绕N圈后，才卷绕到正极头部110，即可以理解为正极头部110与第二端部210b不在同一圆周上，此时第三相对长度X2满足第六关系式，X2-N1≥β×R0。即第三相对长度X2减去负极极耳210卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和后的长度，才为正极头部110与第二端部210b在同一圆周上的相对弧长，该相对弧长满足第二端部210b与正极头部110的弧度角为预设弧度角的角度β时所对应的弧长，进而通过设置第三相对长度X2大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设角度的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。
需要说明的是，在卷绕的过程中，需要先进行隔膜预卷，接着是第一空箔区预卷，之后是正负极料区的预卷，进而当负极极耳210设置于第一空箔区2301时，由于在卷绕到负极极耳210时，还未进行正负料区的预卷，因此负极极耳210的等效半径R0仅需要考虑隔膜预卷，和第一空箔区预卷，即负极极耳210的等效半径为卷绕时卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、负极极耳210卷绕前第一空箔区预卷的厚度、以及负极极耳210沿卷绕电芯的轴向方向上的第一厚度之和。
还需要说明的是，可以通过负极料区多出正极头部的长度、负极料区距离负极极耳中心的长度以及负极极耳的第一长度来计算得到第三相对长度。示例性的，设负极料区多出正极头部的长度为D1，负极料区距离负极极耳中心的长度为D2，负极极耳的第一长度为D3，则当负极极耳210设置于第一空箔区2301时，第三相对长度X2=D1+D2-D3/2。
实施例四
图8是本发明实施例四提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图，参见图5、图6和图8，负极片20还包括负极料区220。负极料区220包括第一负极料区2201、第二负极料区2202以及位于第一负极料区2201和第二负极料区2202之间的第二空箔区2203。负极极耳210设置于第二空箔区2203。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一端部210a距离正极头部110具有第四相对长度X3。当第四相对长度X3小于或者等于预设长度时，第四相对长度X3满足第七关系，第七关系包括X3≥β×R0。第四相对长度X3大于预设长度时，第四相对长度X3满足第八关系式，第八关系式包括X3-N2≥β×R0。预设长度D满足D=2×π×R0，其中，X3为第四相对长度，β为预设弧度角的角度，R0为负极极耳210的等效半径，N2为负极极耳210卷绕前每圈正极片10卷绕的总长度之和。
具体的，负极片20包括铜箔（图中未示出），铜箔上包括负极料区220和第一空箔区2301。第一空箔区2301位于负极料区220靠近卷绕起始端一侧，负极料区220包括第一负极料区2201、第二负极料区2202以及位于第一负极料区2201和第二负极料区2202之间的第二空箔区2203，负极极耳210设置于第二空箔区2203，由于第二空箔区2203位于第一负极料区2201和第二负极料区2202之间，而正极头部110的位置与第一负极料区2201的位置相对应，即当负极极耳210设置于第二空箔区2203时，正极头部110要比负极极耳210更先进行卷绕。进而可以通过调整正极头部110与第一端部210a之间的相对距离，使卷绕后沿圆周方向，正极头部110距离第一端部210a的弧度角满足预设弧度角。
示例性的，如图5、图6和图8所示，设沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一端部210a距离正极头部110的第四相对长度X3，负极极耳210的等效半径为R0，当X3≤2×π×R0时，表明在正极头部110卷绕后，正极片10（负极片20）在卷绕一圈内时，便卷绕到负极极耳210的第一端部210a，即可以理解为正极头部110与第一端部210a在同一圆周上，此时第四相对长度X3满足第七关系式X3≥β×R0。其中，β×R0为第一端部210a与正极头部110的弧度角为预设弧度角的弧度β时所对应弧长，进而通过设置第四相对长度X3大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设弧度角的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。而当X3＞2×π×R0时，表明在正极头部110卷绕后，之后的正极片10（负极片20）在卷绕N圈后，才卷绕到负极极耳210的第一端部210a，即可以理解为正极头部110与第一端部210a不在同一圆周上，此时第四相对长度X3满足第八关系式X3-N2≥β×R0。即第四相对长度X3减去负极极耳210卷绕前每圈正极片10卷绕的总长度之和后的长度，才为正极头部110与第一端部210a在同一圆周上的相对弧长，该相对弧长满足第一端部210a与正极头部110的弧度角为预设弧度角的弧度β时所对应的弧长，进而通过设置第四相对长度X3大于或者等于该弧长，来使卷绕后的正极头部110避开负极极耳210所在位置以及负极极耳210的边缘预设弧度角的位置，从而减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险。
需要说明的是，在卷绕的过程中，需要先进行隔膜预卷，接着是第一空箔区预卷，之后是正负极料区的预卷，当负极极耳210设置于第二空箔区2203时，由于已经开始进行正负料区的预卷，因此，负极极耳210的等效半径R0需要考虑到隔膜预卷、第一空箔区预卷以及正负极料区的预卷，即负极极耳210的等效半径R0为卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、第一空箔区预卷的厚度、负极极耳卷绕前正极片卷绕的厚度以及负极极耳沿所述卷绕的轴向方向上的第一厚度之和。
还需要说明的是，可以通过负极料区多出正极头部的长度、负极料区距离负极极耳中心的长度以及负极极耳的第一长度来计算得到第四相对长度。示例性的，设负极料区多出正极头部的长度为D1，负极料区距离负极极耳中心的长度为D2，负极极耳的第一长度为D3，则当负极极耳210设置于第二空箔区2203时，第四相对长度X3=D2-D1-D3/2。
上述实施例以负极片20包括一个负极极耳210的实施例进行说明，在其他实施例中，负极片还可以包括多个负极极耳210。
实施例五
图9是本发明实施例五提供的另一种卷绕电芯的卷绕结构示意图，如图9所示，负极片20包括多个负极极耳210。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，多个负极极耳210依次设置。正极头部110距离每个负极极耳210的第一端部210a的角度均大于或者等于预设角度，且正极头部110距离每个负极极耳210的第二端部210b的角度均大于或者等于预设角度。
具体的，如图9所示的实施方式中，多个负极极耳210包括第一负极极耳2101和第二负极极耳2102，其中，正极头部110距离第一负极极耳2101的第一端部210a的角度、正极头部110距离第一负极极耳2101的第二端部210b的角度、正极头部110距离第二负极极耳2102的第一端部210a的角度，以及正极头部110距离第二负极极耳2102的第二端部210b的角度均需要大于或者等于预设角度，进而使正极头部110的位置避开每个负极极耳210的所在位置，以及距离每个负极极耳210的两个端部预设角度的边缘位置，如此进一步减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险，提升了卷绕电芯的可靠性。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图9，多个负极极耳210包括第一负极极耳2101和第二负极极耳2102。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一负极极耳2101位于第二负极极耳2102靠近卷绕起始端的位置。
沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一负极极耳2101的第二端部210b距离第二负极极耳2102的第一端部210a的角度大于或者等于两倍的预设角度，且第二负极极耳2102的第二端部210b距离第一负极极耳2101的第一端部210a的角度大于或者等于两倍的预设角度。
具体的，当满足正极头部110的位置避开每个负极极耳210的所在位置，以及距离每个负极极耳210的两个端部预设角度的边缘位置时，还需要保证相邻两个负极极耳210之间的角度能够满足正极头部110与每个负极极耳210的两个端部的预设角度。示例性的，设正极头部110距离第一负极极耳2101的第二端部210b的预设圆心角为15°，正极头部110距离第二负极极耳2102的第一端部210a的预设圆心角为15°，则第一负极极耳2101和第二负极极耳2102之间的角度需要大于30°，才能保证正极头部110的位置能够避开每个负极极耳210的所在位置，以及避开距离每个负极极耳210的两个端部预设角度的边缘位置。即沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一负极极耳2101的第二端部210b距离第二负极极耳2102的第一端部210a的角度大于或者等于两倍的预设角度，且第二负极极耳2102的第二端部210b距离第一负极极耳2101的第一端部210a的角度大于或者等于两倍的预设角度。
可选的，在又一实施例中，继续参见图3，负极片20还包括第一空箔区2301和负极料区220。沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，第一空箔区2301位于负极料区220靠近卷绕起始端的一侧。第一空箔区2301在卷绕后的匝数与负极极耳210在卷绕后的坡度呈负相关关系。
具体的，在其他实施例中还可以通过增加第一空箔区2301的长度，来增加第一空箔区2301的预卷圈数，进而来降低负极极耳210在卷绕后的坡度，其中，可以使增加的第一空箔区2301的预卷圈数大于1.5圈，优选的为2圈，如此可以减小负极极耳210与正极头部110的剪切力，即从另一方面减小正极头部110所在位置隔膜出现破孔导致卷绕电芯内部短路的风险，进而提高了卷绕电芯的可靠性。
可选的，如图1所示，沿卷绕起始端指向卷绕终止端的圆周方向，负极极耳210具有的第一长度D3。沿卷绕电芯的轴向方向，负极极耳210具有第一厚度L1。第一厚度L1和第一长度D3满足：L1/D3≤1/20。
具体的，若负极极耳210的第一厚度L1过大，会造成负极极耳210与正极头部110的剪切力较大。进而通过设置第一厚度L1和第一长度D3满足L1/D3≤1/20，从而进一步减小了负极极耳210与正极头部110的剪切力。优选的，负极极耳210的第一长度D3为3.5mm，负极极耳210的第一厚度L1为0.1mm。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种卷绕电芯，其特征在于，所述卷绕电芯包括正极片、负极片以及设置于所述正极片和所述负极片之间的隔膜；所述正极片、所述隔膜和所述负极片沿设定方向卷绕；
所述负极片包括至少一个负极极耳；
所述负极极耳包括靠近卷绕起始端的第一端部和靠近卷绕终止端的第二端部；
所述正极片包括正极头部，所述正极头部位于所述正极片中靠近所述卷绕起始端的一侧；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述正极头部距离所述第一端部的角度以及所述正极头部距离所述第二端部的角度均大于或者等于预设角度；
所述预设角度包括预设圆心角或者预设弧度角；
所述预设圆心角的角度为θ；
所述预设圆心角的角度θ满足： 15°≤θ≤2π-α-15°；
其中，α为所述负极极耳所在位置的圆心角的角度；
所述预设弧度角的弧度为β；
所述预设弧度角的弧度β满足：15°×π/180°≤β≤2π-γ-15°×π/180°；
其中，γ为所述负极极耳所在位置的弧度角的弧度。
2.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极片还包括第一空箔区和负极料区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述负极极耳设置于所述第一空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第二端部距离所述正极头部具有第一相对长度；
当所述第一相对长度小于或者等于预设长度时，所述第一相对长度满足第一关系，所述第一关系包括：
X0≥θ/180°×π×R0
所述第一相对长度大于所述预设长度时，所述第一相对长度满足第二关系式，所述第二关系式包括：
X0-N1≥θ/180°×π×R0
所述预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X0为所述第一相对长度，θ为所述预设圆心角的角度，R0为所述负极极耳的等效半径，N1为所述负极极耳卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和。
3.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极片还包括负极料区；
所述负极料区包括第一负极料区、第二负极料区以及位于第一负极料区和第二负极料区之间的第二空箔区；
所述负极极耳设置于所述第二空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一端部距离所述正极头部具有第二相对长度；
当所述第二相对长度小于或者等于预设长度时，所述第二相对长度满足第三关系，所述第三关系包括：
X1≥θ/180°×π×R0
所述第二相对长度大于所述预设长度时，所述第二相对长度满足第四关系式，所述第四关系式包括：
X1-N2≥θ/180°×π×R0
所述预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X1为所述第二相对长度，θ为所述预设圆心角的角度，R0为所述负极极耳的等效半径，N2为所述负极极耳卷绕前每圈正极片卷绕的总长度之和。
4.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极片还包括第一空箔区和负极料区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述负极极耳设置于所述第一空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第二端部距离所述正极头部具有第三相对长度；
当所述第三相对长度小于或者等于预设长度时，所述第三相对长度满足第五关系，所述第五关系包括：
X2≥β×R0
所述第三相对长度大于所述预设长度时，所述第三相对长度满足第六关系式，所述第六关系式包括：
X2-N1≥β×R0
所述预设长度D满足：D=2×π×R0，其中，X2为所述第三相对长度，β为所述预设弧度角的弧度，R0为所述负极极耳的等效半径，N1为所述负极极耳卷绕后每圈第一空箔区预卷的总长度之和。
5.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极片还包括负极料区；
所述负极料区包括第一负极料区、第二负极料区以及位于第一负极料区和第二负极料区之间的第二空箔区；
所述负极极耳设置于所述第二空箔区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一端部距离所述正极头部具有第四相对长度；
当所述第四相对长度小于或者等于预设长度时，所述第四相对长度满足第七关系，所述第七关系包括：
X3≥β×R0
所述第四相对长度大于所述预设长度时，所述第四相对长度满足第八关系式，所述第八关系式包括：
X3-N2≥β×R0
所述预设长度D满足D=2×π×R0，其中，X3为所述第四相对长度，β为所述预设弧度角的角度，R0为所述负极极耳的等效半径，N2为所述负极极耳卷绕前每圈正极片卷绕的总长度之和。
6.根据权利要求2或4任一项所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极极耳的等效半径包括卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、负极极耳卷绕前第一空箔区预卷的厚度、以及负极极耳沿所述卷绕电芯的轴向方向上的第一厚度之和。
7.根据权利要求3或5任一项所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极片还包括第一空箔区，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述负极极耳的等效半径包括卷针的半径、隔膜预卷的膜层厚度、第一空箔区预卷的厚度、负极极耳卷绕前正极片卷绕的厚度以及负极极耳沿所述卷绕的轴向方向上的第一厚度之和。
8.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极片包括多个负极极耳；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，多个所述负极极耳依次设置；
所述正极头部距离每个所述负极极耳的第一端部的角度均大于或者等于所述预设角度，且所述正极头部距离每个所述负极极耳的第二端部的角度均大于或者等于所述预设角度。
9.根据权利要求8所述的卷绕电芯，其特征在于，
多个所述负极极耳包括第一负极极耳和第二负极极耳；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一负极极耳位于所述第二负极极耳靠近所述卷绕起始端的位置；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一负极极耳的第二端部距离所述第二负极极耳的第一端部的角度大于或者等于两倍的所述预设角度，且所述第二负极极耳的第二端部距离所述第一负极极耳的第一端部的角度大于或者等于两倍的所述预设角度。
10.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，
所述负极片还包括第一空箔区和负极料区；
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述第一空箔区位于所述负极料区靠近所述卷绕起始端的一侧；
所述第一空箔区在卷绕后的匝数与所述负极极耳在卷绕后的坡度呈负相关关系。
11.根据权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，
沿所述卷绕起始端指向所述卷绕终止端的圆周方向，所述负极极耳具有的第一长度D3；
沿所述卷绕电芯的轴向方向，所述负极极耳具有第一厚度L1；
所述第一厚度L1和所述第一长度D3满足：L1/D3≤1/20。
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