CN1248332C - 锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子二次电池，它包括由正极、负极及隔膜组成的电极组件、集电组件及电解液共同收纳于电池壳内，其中集电组件包括一连接板和一引出片，连接板的板面与电极组件端缘集流体的端面以浸入熔化钎料的钎焊接方式焊接为一体；引出片一端与连接板相连导通，另一端与电池端极连接而导通。该电池的集电部分具有较高的连接强度，不易脱焊短路且电池内电流分布均匀，电池具有较低的内阻及较好的循环特性。

Description

锂离子二次电池
【技术领域】
本发明涉及锂离子二次电池，尤其涉及一种具有较低内阻和较好循环特性的锂离子二次电池。
【背景技术】
目前，锂离子二次电池已广泛用于各类电子产品，并以其诸多优越的性能如电压高、比能量大、自放电小以及无记忆效应等备受青睐。但是，与其它二次电池相比，锂离子电池的内阻较高，因此在高倍率放电时电压急剧下降，放电时间大大缩短，电池容量大幅降低，而且发热严重。一般认为，非水系电解液的低电导率以及常规电极的低通导能力是造成锂离子二次电池内阻偏高的主要原因。
大多数商品锂离子二次电池均采用单个或多个极耳作为电流引出方式，相关的专利如特开平11-162521、特开2001-102033等，但是这样电流的导出和引入仍旧局限在有限的几个焊接点上，通导能力较低，且电池充放电过程中的电流分布不够均匀。
为了降低电池内阻，提高电池的综合性能，特开2001-256952、特开2000-277154、特开平10-261441等专利中采用了端面焊方式，即在正负极片的端缘各留下一道未涂布带，电芯卷绕好之后再分别由垂直方向焊上金属集电板。但由于极片端缘与集电板之间的接触面积较小，连接强度十分低下。加之正、负极集流体强度不足，焊接过程中极片易倒伏，可操作性不足。
为解决上述问题，特开2001-257002、特开2001-256951、特开2001-256950、特开平11-354095、特开平11-317215、特开平11-317214等专利采用集电夹具作为端面焊的一种变通和改良，将极片端缘与集电板的连接方式由纵向变为横向，避免了正、负极集流体强度不足的缺陷。但是，极片端缘靠集电夹具夹紧，接触电阻较大，不利于降低电池内阻。而且，集电夹具占用空间较大，降低了电池的容量和能量密度，装配工艺也较为复杂。
【发明内容】
本发明之目的在于提供一种锂离子二次电池，这种二次电池具有较高连接强度的集电部分，较低的内阻及较好的循环特性。
本发明的目的是通过下列技术方案实现的：
一种锂离子二次电池，它包括由正极、负极及隔膜组成的电极组件、集电组件及电解液共同收纳于电池壳内，该集电组件包括一金属连接板和一金属引出片，其中连接板的板面与电极组件端缘集流体的端面以浸入熔化钎料的钎焊接方式焊接为一体；引出片的一端与连接板相连导通，另一端与电池端极连接而导通。
所述电极组件端缘集流体是正极和负极侧边上的物质未填充部分。
所述的电极组件的正极端缘集流体端面与正极连接板板面进行钎焊接的钎料选用铝基钎料AL60GeSi、B62、H1ALSi12、H1ALSi10(为冶金部部标牌号)中的一种，料温480～520度，焊接时间为2～5秒。
所述的电极组件的负极端缘集流体端面与负极连接板板面进行钎焊接的钎料选用铅基钎料或锡铅钎料H1AgPb97、Pb90AgIn、H1SnPb39、H1SnPb80-2(为冶金部部标牌号)中的一种，料温200～300度，焊接时间为2～5秒。
本发明所述锂离子二次电池的正极物质为一种锂与过渡金属的层状复合氧化物，它们是具有一定特定结构的活性物质，可以与锂离子进行可逆的反应。还含有碳系材料导电剂、粘合剂、增粘剂。
本发明所述锂离子二次电池的负极活性物质为能够使锂离子反复嵌入和脱嵌的碳系材料，还含有可将负极材料粘结到电极体上的粘合剂。
本发明所述锂离子二次电池的电解液为含有锂盐的链状酸酯和环状酸酯的混合溶液。
本发明锂离子二次电池的优点在于：电池集电组件的连接板板面与电极组件端缘露出的集流体端面以钎焊接的方式焊接为一体，这样的集电部分具有高的连接强度，不易脱焊，抗冲击性能高，且电流均匀分布于整个电极，电池内阻低，循环特性优良。
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
图1为本发明锂离子二次电池结构断面图。
图2为本发明锂离子二次电池电极组件排布状态图。
图3为本发明锂离子二次电池电极组件端缘集流体与集电组件连接板钎焊前状态图。
图4为本发明锂离子二次电池电极组件端缘集流体与集电组件连接板钎焊后焊接部位断面图。
【具体实施方式】
参照图1，本发明锂离子二次电池，包括由正极1、负极2及隔膜3组成的电极组件4、由金属连接板7a和引出片7b构成的正极集电组件7、由金属连接板8a和引出片8b构成的负极集电组件8、以及电解液共同收纳于电池壳9内，并由密封板10端缘密封。连接板7a、8a分别与电极组件正、负极端缘露出的集流体5、6端面钎焊接连接为一整体，引出片7b、8b与连接板7a、8a为一整体结构或分体结构焊接为一整体，其伸出的一端与电池端极连接导通，其中引出片7b伸出的一端与电池正端极——极柱11连接导通；引出片8b伸出的一端与电池负端极——电池壳9的底部连接而导通。
其中，电极组件4上下两端缘的集流体是在正负电极的与连接板焊接的端缘上形成物质未填充部分而得到的。请参考图2，以隔膜3相隔的正极1、负极2的相对两边缘处分别形成有条形的物质未填充区5’、6’，分别从隔膜3两端伸出。在电池制作中，将其卷饶或多层层叠后形成电极组件4，这样未填充区5’、6’就相应地形成为电极组件端缘集流体5、6，便于进行端面钎焊接。
请参考图3，由连接板7a、8a和引出片7b、8b构成的正、负极集电组件7、8分别装于两极端缘集流体5、6的端面上。在电池制作中，将两连接板7a、8a的一面分别与电极组件4两极端缘集流体5、6的端面紧密接触，引出片7b、8b分别弯向电极组件。对正极端缘集流体5及连接板7a相接触的端面进行正极铝箔钎焊，可选用铝基钎料，包括AL60GeSi、B62、H1ALSi12、H1ALSi10(均为冶金部部标牌号)，料温480～520度，浸入钎料焊接的时间为2～5秒；对负极端缘集流体6及连接板8a相接触的端面进行负极铜箔钎焊，可选用铅基钎料或锡铅钎料，包括H1AgPb97、Pb90AgIn、H1SnPb39、H1SnPb80-2(均为冶金部部标牌号，其中H1SnPb39按机电部部标为HL600，H1SnPb80-2按机电部部标为HL601)，料温200～300度，浸入钎料焊接的时间为2～5秒。钎焊过程为：使连接板置于下方并与集流体端面紧密接触，在保持接触位置不变的情况下，垂直浸入熔化的钎料中，使接触部位完全被钎料包容，停留2～5秒，迅速取出后，连接板板面上与集流体端面的接触部位就形成了钎焊接的焊接部位12(如图4所示)。这样就使电极组件与集电组件高强度地连接为一体，构成了本发明锂离子二次电池的集电部分。
将焊接有集电组件的电极组件放入电池壳中，使与两极连接板7a、8a相连的引出片7b、8b分别弯向密封板和电池壳底，并使引出片7a与电池正端极装在密封板10上的极柱11连接导通，引出片8a与电池负端极电池壳底连接导通。注入电解液，装配密封板10，即得到了本发明的锂离子二次电池。
本发明锂离子二次电池的正极含有一种锂与过渡金属的层状复合氧化物，它们是具有特定结构的活性物质，可以与锂离子进行可逆的反应。此类活性物质材料的实例包括：LixNi1-yCoyO2(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、LixMn2-yByO2(其中，B为过渡金属，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)。并且正极还含有金属材质的电极集流体(通常均为铝箔)、碳系材料导电剂以及将正极材料粘结到电极集流体上的粘合剂，碳系材料导电剂的实例包括炭黑、碳纤维和石墨，粘合剂的实例包括含氟树脂和聚烯烃化合物如PVDF、PTFE、VDF-HFP-TFE共聚物与SBR。
本发明锂离子二次电池的负极活性物质为能够使锂离子反复嵌入和脱嵌的碳系材料，其实例包括天然石墨、人造石墨、MCMB、MCF等。并且负极还含有金属材质的电极集流体(通常均为铜箔)以及将负极材料粘结到电极集流体上的粘合剂，粘合剂的实例包括聚烯烃化合物如PTFE与SBR等。
本发明锂离子二次电池的电解液为含有锂盐的链状酸酯和环状酸酯的混合溶液。锂盐的实例包括LiC104、LiPF6、LiBF4、卤化锂、氯铝酸锂、氟烃基氟氧磷酸锂及氟烃基磺酸锂等，可以使用其中之一或其混合物。链状酸酯的实例包括DMC、DEC、EMC、MPC、DPC、MA、EA、PA、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷以及其它含氟、含硫或含不饱和键的链状有机酯类，可以使用其中之一或其混合物。环状酸酯的实例包括EC、PC、VC、γ-BL、磺内酯以及其它含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类，可以使用其中之一或其混合物。
【实施例1】
正极片制作：将一定量的PVDF以一定比率溶解在NMP中，将LiCoO2和乙炔黑加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为LiCoO2∶乙炔黑∶PVDF＝92∶4∶4。将该浆料均匀地涂布在20μm的铝箔上，于120℃下干燥。压延后得到厚度为120μm的正极片。再将此正极片端缘的敷料层刮去，露出宽10mm的铝箔。
负极片制作：将一定量的PVDF以一定比率溶解在NMP中，将人造石墨加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为人造石墨∶PVDF＝95∶5。再将该浆料均匀地涂布在20μm的铜箔上，于120℃下干燥。压延后得到厚度为120μm的负极片。再将此负极片端缘的敷料层刮去，露出宽10mm的铜箔。
将上述的正、负极片端缘露出的铝箔、铜箔带错开放置，并用25μm厚的聚丙烯微孔性隔膜相隔，卷绕成一个方型锂离子二次电池的电芯，两端分别装含有连接板、引出片的集电组件，将正极铝箔集流体端面与正极铝质连接板的板面紧密接触，同时浸入500度的熔化的铝基钎料AL60GeSi中停留2秒后取出，得到焊接牢固的正极集电部分；将负极铜箔集流体端面与负极镍质连接板的板面紧密接触，同时浸入300度的熔化的锡铅钎料H1SnPb39中停留2秒后取出，得到焊接牢固的负极集电部分。将上述焊接有集电组件的电极组件放入电池壳中，将负极引出片与电池壳底焊接导通，正极引出片与密封板上的极柱焊接导通。再将由LiPF6按1mol/dm3的浓度溶解在EC/DMC＝1∶1的混合溶剂中所形成的电解液注入电池壳中，装配密封板，制成186085型方型锂离子二次电池。
【比较例1】
制作186085型锂离子二次电池，正极采用2枚铝制极耳直接与正极引出片连接，负极采用3枚镍制极耳直接与负极引出片连接，其余同实施例。
【比较例2】
制作186085型锂离子二次电池，正、负极各采用3枚极耳并由不锈钢制夹具夹紧作为集电部分，再由引出片连接正、负极极柱而导通，其余同实施例。
电池特性测试
将实施例与比较例1、比较例2的电池各制作300支，进行电池性能测试：
【放电性能】
取上述实施例、比较例1、比较例2的电池各50支，均以3500mA的恒定电流充电至4.2V，在电压升至4.2V后以恒定电压充电，截至电流1000mA；再以7000mA的恒定电流放电，截至电压2.75V。测量初始容量和电池内阻，分别取平均值。
【循环特性】
另取上述实施例、比较例1、比较例2的电池各50支，均以上述放电性能测试的充放电机制充放电500次，测定在500次循环时的容量维持率，分别取平均值。
【抗冲击特性】
另取上述实施例、比较例1、比较例2的电池各200支，均以3500mA的恒定电流充电至4.2V，在电压升至4.2V后以恒定电压充电，截至电流100mA；再以7000mA的恒定电流放电50分钟，然后在卷绕轴方向作10G加速度的冲击测试，记录电池短路发热的概率，分别取平均值。
锂离子二次电池性能测试结果
集电部分连接类型 初始放电容量(MAH)   电池内阻(MΩ)   500次循环容量维持率(％) 冲击短路发生率(％)
  实施例1   端面钎焊   7800   3.8   85.6   0
  比较例1   极耳   7000   9   80.2   1
  比较例2   夹具   7500   6   83.5   1.5
根据以上结果可见，本发明实施例1的锂离子二次电池与采用极耳的比较例1以及采用夹具的比较例2相比，电池内阻分别降低了58％和37％，循环容量的维持率也提高几个百分点，同时有效地避免了冲击短路的产生，电池具有优良的循环性能和抗冲击性能。
本发明实例是以方形锂离子二次电池进行说明的，但对于圆柱形锂离子二次电池也同样适用。在本行业中，还会有其他变化和改型，只要这些变化和改型不脱离本发明范围，它们均包括在本发明要求保护的范围内。

Claims (7)

1、一种锂离子二次电池，它包括由正极、负极及隔膜组成的电极组件、集电组件及电解液共同收纳于电池壳内，其特征在于：该集电组件包括一金属连接板和一金属引出片，其中连接板的板面与电极组件端缘集流体的端面以浸入熔化钎料的钎焊接方式焊接为一体；引出片的一端与连接板相连导通，另一端与电池端极连接而导通。
2、如权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述电极组件端缘集流体是正极和负极侧边上的物质未填充部分。
3、如权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述的电极组件的正极端缘集流体端面与正极连接板板面进行钎焊接的钎料选用铝基钎料AL60GeSi、B62、HlALSi12、HlALSi10中的一种，料温480～520度，焊接时间为2～5秒。
4、如权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述的电极组件的负极端缘集流体端面与负极连接板板面进行钎焊接的钎料选用铅基钎料或锡铅钎料HlAgPb97、Pb90AgIn、HlSnPb39、HlSnPb80-2中的一种，料温200～300度，焊接时间为2～5秒。
5、根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极的活性物质的通式为：LixNi1-yCoyO2，其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0或者LixMn2-yByO2，其中，B为过渡金属，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0的锂与过渡金属的层状复合氧化物。
6、根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述的负极的活性物质选自为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、中间相碳纤维，属于能够使锂离子反复嵌入和脱嵌的石墨化碳系材料。
7、根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述的电解液为含有锂盐的链状酸酯和环状酸酯的混合溶液，其中锂盐包括高氯酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、氯铝酸锂、卤化锂、氟烃基氟氧磷酸锂及氟烃基磺酸锂之一或其混合物；链状酸酯包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二苯酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷以及其它含氟、含硫或含不饱和键的链状有机酯类其中之一或其混合物；环状酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙烯酯、γ-丁内酯、磺内酯以及其它含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类其中之一或其混合物。
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