CN1270400C - 圆柱形锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种圆柱形锂离子二次电池，包括正极、负极、隔膜构成的涡卷状电极群及电解液，以及收纳电极群和电解液的电池壳，由电池盖密封，该电池正极片由正极活性物质涂敷在铝箔基体表面而形成，负极片由负极活性物质涂敷在铜箔基体表面而形成，正、负电极片中有任一电极片为一带状极片，对应的电极片由至少两片小的电极片组所构成，各小的电极片处于相互隔断状态，正、负电极片均带有引出端子进行电流的输出，各引出端子与电池盖或电池壳连接。该电池当其内部某部位发生短路时，电池电压保持不变，电池仍可继续使用，且安全可靠。

Description

圆柱形锂离子二次电池
【技术领域】
本发明涉及一种圆柱形锂离子二次电池，尤其涉及一种安全性能高的圆柱形锂离子二次电池。
【背景技术】
随着电子工业、信息产业的迅速发展，人们对各类电器电源的要求越来越高。圆柱形锂离子二次电池作为高能电源被应用在各类场所，尤其是应用于笔记本电脑中，其各项电性能尤其是安全性能就显得极为重要。
目前，圆柱形锂离子二次电池的综合电性能优良，而对其安全性能来讲，电池的内外短路隐患最大，而内短路带来的威胁最大。在实际使用中，不可避免的震荡、跌落很容易导致电池发生内部短路，这就要求电池具有高的安全可靠性。在圆柱形锂离子二次电池的各种设计与改进中，对防爆系统的设计最为普遍，即：当电池发生短路时，安全阀打开，电池迅速排气防止爆炸。如中国专利CN2556798中提出的圆柱形锂离子电池，即是通过在电池盖一端设一防爆破裂装置来防止电池因内外短路，电池内温度、压力急剧升高而使得电池发生爆炸等危害的。此类方法虽然可以有效地防止电池爆炸给电器和人身带来的威胁，但是由于防爆装置的破裂，导致电池漏液，在破坏的一瞬间，电池随即报废，用电器随之不能工作。
因此，人们开始研究当电池发生内短路时如何提高电池的安全性能，并从根本上控制电池的报废。但是，就目前来讲，圆柱形锂离子二次电池均是采用单片正极、负极、隔膜，卷绕成涡卷状结构的电极群作为电池极芯的。而此种极芯结构的电池存在如下问题：当电池内部某点或某部分发生内部短路时，整个电极就完全处于短路状态，此时电池内部必将产生很大电流，瞬间放电，电池内部温度必会急剧上升，内压增大，最终致使整个电池报废。此时，电池的安全性能得不到保证，用电器也无法继续工作。
而圆柱形锂离子二次电池在市场上的广泛应用，尤其是作为目前市场上笔记本电脑电源的主流电池，就必须克服上述缺点。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种圆柱形锂离子二次电池，当其内部某部位发生短路时，电池电压保持不变，电池仍可继续使用，且安全可靠。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种圆柱形锂离子二次电池，包括正极、负极、隔膜构成的涡卷状电极群及电解液，以及收纳电极群和电解液的电池壳，由电池盖密封，其中：
正极片是由含有能嵌入及脱出锂离子的锂与过渡金属的复合氧化物为活性物质涂敷在铝箔基体表面而形成；负极片是由含有能嵌入及脱出锂离子的碳材料为活性物质涂敷在铜箔基体表面而形成；正、负电极片中有任一电极片为一带状极片，对应的电极片由至少两片小的电极片组所构成；正极片、隔膜、负极片层叠排布后，通过卷绕形成涡卷状电极群，并使各小的电极片处于相互隔断状态；正、负电极片均带有引出端子进行电流的输出，各引出端子与电池盖或电池壳连接。
进一步，所述的涡卷状电极群中，带状极片位于外层包裹小的电极片组。
再进一步，在涡卷状电极群中，所述的小的电极片组由2～6片所构成，各电极片均带有一个引出端子进行电流的输出。
在本发明中，圆柱形锂离子二次电池正、负电极片中有任一电极片为一带状极片，对应的电极片由至少两片小的电极片组所构成，与隔膜层叠排布后，卷绕形成涡卷状电极群，且各小的电极片处于相互隔断状态，各正、负电极片带有的引出端子与电池盖或电池壳连接。这样的结构就相当于是由多个小电源并连形成的电池，在其中之一个小电源出现短路问题时，瞬间产生很大的电流，并且作为其余小电源的电极片同时向其供电，此时通过该电极片引出端子的电流瞬间的增大致其熔断。这样就截止和控制了其他电源向此短路电源的供放电，此短路小电源的能量耗损完结，作为其余电源的极片仍可继续工作，且电池电压基本不变，只是相当于电池容量减少了，充发电时间变短了而已，电池可以继续使用。
在实际应用中，构成小的电极片组的电极片数优选为2～6片。可以根据电池大小选择不同电极片数，但不宜多于6片，因为小的电极片数目太多会影响电池容量，且生产工艺较为复杂。
本发明圆柱形锂离子二次电池的优点在于：通过将其涡卷状电极群中正、负电极片中任一电极片做成一带状极片，其对应的电极片做成至少两片小的电极片组的结构，使得电池在其内部某部位发生短路时，只破坏该部位的电极片性能，只损耗该部位所在电极片容量，电池电压变化不大，电池仍可继续使用，且安全可靠。
下面参照附图结合实例对本发明作进一步的说明。
【附图说明】
图1是本发明圆柱形锂离子二次电池局部剖面示意图。
图2是本发明具体实施方式圆柱形锂离子二次电池正、负极片及隔膜卷绕前叠放状态图。
图3是本发明具体实施方式圆柱形锂离子二次电池涡卷状电极群的俯视图。
【具体实施方式】
本发明提供的圆柱形锂离子二次电池，(请参考图1、图2、图3)，包括正极片1、负极片2、隔膜3构成的涡卷状电极群4及电解液共同收纳于电池壳5内，由电池盖6密封，其中：
正极片是由含有能嵌入及脱出锂离子的锂与过渡金属的复合氧化物为活性物质涂敷在铝箔基体表面而形成，由至少两片小的电极片组所构成(图中为三片)。负极片2是由含有能嵌入及脱出锂离子的碳材料为活性物质涂敷在铜箔基体表面而形成，为一带状极片。正极片、隔膜、负极片层叠排布如图2所示，隔膜包裹负极片2后置于三片小的正极片下方，以使得卷绕中负极片位于外层包裹正极片。三片小的正电极片1排布有隔断区9，以使得卷绕形成涡卷状电极群后，各小的电极片1处于相互隔断状态。
正、负电极片均带有引出端子进行电流的输出，构成正极片的三个小的电极片1各带有一个引出端子7与电池盖6连接，负极片2带有一个引出端子8与电池壳5连接。
在电池制作中，以隔膜3弯折将负极片2沿片长方向包住置于下方，而构成正极片的三个小的电极片1依次排放置于上方，并留出隔离区9(如图2所示)，正极的三个小的电极片1的引出端子7与负极片2的引出端子8分别置于两旁，压紧后从隔膜的弯折端开始卷绕，形成如图3所示的涡卷状电极群4。将其装入电池壳5内，使负极片2的引出端子8弯折于电池壳5底部内侧，并形成电连接；使正极三个小电极片1的引出端子7均与电池盖6的底部形成电连接，注入电解液，密封电池后制作完成。
下面结合实例及测试对本发明作进一步的说明。
根据测试需要制作实例电池：
【实施例1】
制作1865型，标称容量为2100mAh的圆柱形锂离子二次电池，其制作如下：
正极极片的备制：取100份重量的LiCoO2粉末与7份重量的充当导电剂的鳞片状石墨与7份重量的充当粘合剂的PVDF混合，并分散在充当溶剂的N-甲基吡咯烷酮中，形成膏状，将该膏状混合物均匀涂覆在20μm铝箔的两面，得到尺寸为212×55.5×0.12mm的正电极片，共三片。
负极极片的备制：取100份重量的人工石墨粉与10份重量充当粘接剂的PTFE混合，将混合物分散在去离子水溶剂中，形成膏状，将该膏状混合物均匀涂覆在10μm的铜箔的两面上，得到尺寸为700×57.0×0.14mm的负电极片一片。
在各正电极片上靠边处留出未敷料区，用超声波焊焊接上带状铝片引出端子，在负极片上靠边处留出未敷料区，用超声波焊焊接上带状镍片引出端子。如图2中的正电极的引出端子7和引出端子8。
电池壳采用侧壁厚为0.3mm钢壳，预先在其圆周壁的1/2高度上留有一φ0.5mm的通孔，在孔的外壁处用胶布密封。
按照图2所示方式，取1400×59×0.02聚丙烯作为隔膜，排好正、负电极片，将其卷绕成为涡卷状电极群，在将该电极群放入钢壳时，确保三片小的正电极片的隔断区与钢壳上通孔错开。负极片的引出端子弯折于电池壳底部内侧，并形成电连接；三片小的正电极片的引出端子均与电池盖底部形成电连接，注入电解液，密封电池后制作完成。
【比较例1】
按常规方式制作单片正极、单片负极、单片隔膜卷绕成涡卷状结构的电极群作为电池极芯的1865型、标称容量为2100mAh的圆柱形锂离子二次电池。除其正极片为一片，带有一个引出端子之外，其余同实施例1。
电池性能测试
一、对电池初始性能的测试：
1、电池内阻测试；
2、电池初始容量测试：将电池充电至4.2V，以0.5C放电至3.0V，测其容量。
测试结果：表1
  电池内阻测试(mΩ)   初始容量(mAh)
 实施例1   56   2050
 比较例1   61   2030
二、对电池进行针刺内部短路测试：取充满电的上述电池，去除其外壁预留的φ0.5mm孔的密封胶布，用φ0.3mm的内部短路测试钢针从孔外刺入，控制其刺入深度为：钢壳壁厚+负极片厚+隔膜厚+0.5倍的正极片厚，即：0.3+0.14+0.2+0.06＝0.7(mm)，以使得该圆柱形锂离子二次电池极芯电极的最外层的一片小的正电极片与负极片发生内部短路。
在针刺试验中，从针刺入到0.7mm深的瞬间开始，测试如下项目：
1、电池表面温度变化：电池短路20分钟时间内电池表面的温度变化记录(见表2)。
2、电池电压变化：电池短路20分钟时间内电池电压变化记录(见表3)。
3、测试中，观察电池有无漏液、起火、爆炸的现象(见表4)。
表2-电池表面温度变化(℃)
Figure C0314037700071
表3-电池电压变化(V)
Figure C0314037700081
表4
  有无漏液   有无起火   有无爆炸
 实施例1   无   无   无
 比较例1   10.5分钟漏液   局部烧黑   无
以上表2～表3记录了测试的相关数据，可以看到：本发明结构的圆柱型锂离子二次电池在内部某处发生短路时，其电池温度最高不超过100度，电池电压只在短路开始时变化，但随之恢复为3.6V的工作电压，且没有漏液、爆炸等不良现象，证明该电池可继续工作。而比较例电池在短路10.5分钟时出现漏液现象，电池局部烧黑，表面温度已达167℃，电压在1.4V左右，电池已经报废，无法继续工作。
三、对电池进行短路后性能测试：在电池针刺短路20分钟后，测试电池性能。由于比较例电池已经漏液、报废，故无法测试。现测试实施例1电池如下：
1、电池内阻测试为48mΩ；
2、电池容量测试：将电池充电至4.2V，以0.5C放电至3.0V，测其容量为1360mAh。
将电池的初始性能与短路后性能做比较(表5)：
表5
由表5可知：比较例电池在发生内部短路后报废，而实施例电池在短路后，只影响其短路所在正电极片的性能，电池容量只损耗了初始容量的三分之一左右，电池内阻稍有下降，电池可继续使用，且安全可靠。
四、将测试后的上述电池剖开，发现实施例电池最外端正电极片的引出端子熔断，另外两片正极引出端子完好；而比较例电池只有一片正极，其引出端子烧黑，处于连接状态。

Claims (4)

1、一种圆柱形锂离子二次电池，包括正极、负极、隔膜构成的涡卷状电极群及电解液，以及收纳电极群和电解液的电池壳，由电池盖密封，其特征在于：
正极片是由含有能嵌入及脱出锂离子的锂与过渡金属的复合氧化物为活性物质涂敷在铝箔基体表面而形成；
负极片是由含有能嵌入及脱出锂离子的碳材料为活性物质涂敷在铜箔基体表面而形成；
正、负电极片中有任一电极片为一带状极片，对应的电极片由至少两片小的电极片组所构成；
正极片、隔膜、负极片层叠排布后，通过卷绕形成涡卷状电极群，并使各小的电极片处于相互隔断状态；
正、负电极片均带有引出端子进行电流的输出，各引出端子与电池盖或电池壳连接。
2、如权利要求1所述的圆柱形锂离子二次电池，其特征在于：在所述的涡卷状电极群中，带状极片位于外层包裹小的电极片组。
3、如权利要求2所述的圆柱形锂离子二次电池，其特征在于：在涡卷状电极群中，所述的小的电极片组由2～6片所构成，各电极片均带有一个引出端子进行电流的输出。
4、如权利要求3所述的圆柱形锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极由3～4片电极片构成的。
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