CN1553539A - 一种锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池，由电池卷芯、电解液及电池壳构成，所述的电池卷芯包括正、负极耳与极柱及缠绕在两极柱上的卷芯层，正极柱、负极柱的外侧端头分别位于电池壳的两端；所述的卷芯层由若干层的正极片、隔膜、负极片依次叠和卷绕成型，正极极耳与正极柱一体构成正极，负极极耳与负极片一体构成负极。本发明具有低内阻、高功率、高能量、良好的安全性能；且制作简便、成本低。

Description

一种锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种电池，尤其涉及一种混合电动汽车用高功率锂离子电池。
背景技术
随着汽车工业的发展，全世界汽车保有量迅速增加。汽车保有量的增加在促进经济和社会发展的同时也加剧了石油资源短缺、生态环境恶化等社会问题，节能和环保已成为汽车技术发展的两大主题。作为电动汽车代替传统内燃机车过渡车型的混合电动汽车是目前汽车工业发展的趋势，由于车用电池是发展混合电动汽车技术的核心技术，因此伴随着混合电动汽车研发热潮的来临，车用电池的研制越来越受到国内外电池厂家的关注。
作为车用电池，与传统的铅酸电池、镍氢电池相比，锂离子电池以其高能量、高功率、长寿命等一系列优点在最近几年受到了美国先进电池联合体、欧洲和日本同行的高度重视。人们把混合电动汽车的性能接近和超过内燃机汽车的希望寄托在锂离子电池身上。
锂离子电池使用锂和过渡金属的复合氧化物作为正极活性物质，碳基材料作为负极活性物质。充电时，锂离子由正极脱出通过电解液、隔膜嵌入到负极，放电时，锂离子由负极脱出通过电解液、隔膜嵌入到正极。
传统锂离子电池包括卷绕和叠层两种结构。叠层结构是将电池正、负片加隔膜对齐，按层叠式进行排布，然后将排布好的极片(包括极耳)、隔膜两端以金属板固定，将固定好的电池放入电池壳中。采用层叠式结构，电池可设计成任意形状，外形比较灵活，然而此方式内部结构复杂，每个正极负片都对应一个极耳，不利于产业化。
传统的卷绕结构，电池正负极都只有一个极片，正负极以隔膜相隔后一起围绕转芯旋转，卷绕后退出转芯极可得到电池卷芯。此方法适用在小容量电池制造中，对于制备大容量电池极片时，极片相当长，造成极片制造和卷绕困难。
混合电动汽车用锂离子电池要求具备高的输出功率以满足汽车启动、加速等工况的要求，因此在设计混合电动汽车用锂离子电池时首先遵循的设计原则就是降低电池内阻，提高电池大电流的输出能力。
混合电动汽车用锂离子电池要求电池具有良好的安全性能，锂离子电池的安全性能是限制其广泛应用在汽车领域的主要因素，尤其是锂离子电池在滥用情况下的安全问题尤为突出。
如上所述，对于混合电动汽车用锂离子电池，首先要满足汽车大功率和高能量的要求，高功率和高能量对应着电池尺寸的增加，电池重量和体积的增加降低了电池的有效利用率，同时也增加了的电池成本，电池成本的增加导致了汽车成本的增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率锂离子电池，解决以上所涉及到的有关混合电动汽车用锂离子电池性能的问题，使得电池制造技术简单可靠并且为混合电动汽车提供了具有低内阻，高功率、高能量、良好安全性能的锂离子电池。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种锂离子电池，由电池卷芯、电解液及电池壳构成，所述的电池卷芯由若干层的正极片、隔膜、负极片依次叠和后以正极柱为轴芯卷绕成型，正极极片与正极柱一体构成正极，负极极耳与负极片一体构成负极。所述的正极采用正极活性物质、导电剂、粘结剂混合后涂敷在铝箔上制成。
所述的负极采用负极活性物质、导电剂、粘结剂混合后涂敷在铝箔上制成。
所述的隔膜采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)三层复合膜中的至少一种。
所述的电解液为含锂盐、苯基物质、有机溶剂的混合溶液。
本发明的优点是：具有低内阻、高功率、高能量、良好的安全性能；且制作简便、成本低。
附图说明
图1为本发明锂离子电池结构示意图
图2为本发明锂离子电池卷芯结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明锂离子电池由电池卷芯8、非水性有机电解液及电池壳1组合构成。
所述的电池卷芯8由若干层的正极片801、隔膜802、负极片803依次叠和后以正极柱10为轴芯卷绕成型，正、负极片801、803由隔膜802隔开避免直接接触。所述的正极极片与正极柱一体构成正极，负极极耳与负极片一体构成负极。
图1为本发明一具体实施例：如图中所示，本发明锂离子电池采用圆柱型电池壳1，电池壳1两端的电池盖6通过激光焊接在电池壳1上，正极片801与负极片803之间有隔膜802隔开。正极柱10与负极柱4分别位于电池壳1的两端。正极片801通过紧固螺钉14固定在正极柱10上，正极柱10与电池壳1之间通过紧固螺母11固定，正极柱10与电池盖6之间有绝缘垫片12隔开。负极耳13与负极片803一体化设计，负极耳13与负极柱4通过螺母连接，负极柱4与电池壳1之间通过紧固螺母3固定，负极柱4与电池盖6之间有绝缘垫片5隔开，电池卷芯8和电池壳1之间由隔膜802隔开，避免了电池壳1带电，同时在电池壳1两端分别设置安全阀2以提高电池安全性能。
电池卷芯的结构如图2所示，电池卷芯采用了一种新型的叠层卷绕结构，既卷芯有多层正极片801、负极片803、隔膜802组成，正极片801、负极片803、隔膜802按一定顺序对齐叠和，隔膜802将正极片801和负极片803隔开避免正负极片直接接触，然后在专用高功率锂离子电池卷饶机上卷绕成型热封。此卷绕结构解决了传统卷绕方式因极片过长造成的操作困难，使得极片的卷绕变得易于操作。同时采用导热性良好的金属铝作为正极柱10，有利于电池的内部散热，解决了圆柱型电池散热不好的问题。正极片801与正极柱10、负极耳13与负极片803一体化设计减少了各部件之间的接触内阻，从结构设计角度提高电池的大电流输出能力。
本发明锂离子电池正极采用正极活性物质、导电剂、粘结剂混合后涂覆在铝箔上制成，所述的各成份的重量百分比为：正极活性物质70～95、导电剂7～15、粘结剂3～10。所述的正极活性物质为锂和过渡金属的复合氧化物，该锂和过渡金属的复合氧化物为钴酸锂及改性钴酸锂、锰酸锂及改性锰酸锂、镍酸锂及改性镍酸锂、磷酸铁锂及改性磷酸铁锂的至少一利。
本发明锂离子电池负极采用负极活性物质、导电剂、粘结剂混合后涂覆在铝箔上制成，所述的各成份的重量百分比为——负极活性物质80～96、导电剂1～10、粘结剂2～10。所述的负极活性物质为碳基材料，该碳基材料是碳纤维、中间相碳微球、焦炭、合成石墨类中的至少一种。
上述的锂离子电池正极与负极材料中的导电剂均采用乙炔黑或石墨粉；采用的高纯铝箔抵制电池内部的电化学腐蚀。
在正负极材料设计中，首先对正负极活性材料进行优选，其次优化正负极材料的配方，从材料设计的角度降低电池内阻，提高电池的大电流输出能力。
本发明提供的锂离子电池隔膜是聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)三层复合膜中的一种。
本发明提供的锂离子电池采用非水性有机电解液，其为含锂盐、苯基物质、有机溶剂的混合溶液。所述的含锂盐是磷酸锂、硼酸锂中的一种；所述的苯基物质是二苯基碳酸脂、二苯酚二芳族醚、联苯、萘乙烯、环乙基苯中的至少一种；所述的有机溶剂是碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)中的至少三种溶剂的混合溶液。
综上所述，本发明在锂离子电池结构和材料设计中遵循简单合理的设计原则，电池制造技术简单可靠，并且为混合电动汽车提供了具有低内阻，高功率、高能量、良好安全性能的锂离子电池。
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
实施例1：
如图1所示，本发明的锂离子电池由电池壳1、正极片801、负极片803、隔膜802、非水性有机电解液构成；制作过程如下：
1、极片及隔膜的制备
正极片的制备：将钴酸锂75份(重量百分比)、石墨粉15份(重量百分比)、粘结剂(PVDF)10份(重量百分比)预混后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)充分搅拌均匀，调整固液比使粘度适合涂覆，在涂布机上将浆料均匀涂覆在铝箔的两面，将涂覆好的极片进行压轧、分切，烘干。极片最后尺寸为750×230mm，共8片。将8片正极片固定在正极柱上。
负极片的制备：将中间相碳微球(MCMB)80份(重量百分比)、石墨粉10份(重量百分比)、粘结剂(PVDF)10份(重量百分比)预混后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)充分搅拌均匀，调整固液比使粘度适合涂覆，在涂布机上将浆料均匀涂覆在铜箔的两面，将涂覆好的极片进行压轧、分切，烘干。极片最后尺寸为752×231mm，共8片。每片负极片在极片侧面固定位置裁出负极耳。
隔膜的制备：采用聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)三层复合隔膜。
2、电池的装配：
将上述各8片正、负极片及对应数目的隔膜按正极片、隔膜、负极片、隔膜依次叠放在卷绕机上卷绕成型，将卷绕成型的卷芯固定在电池壳中，并确保卷芯的正负极与壳体三者之间均不短路，用激光焊将电池两盖焊在壳体上，并利用有效的检漏方法确保电池的气密性良好。
将激光焊后的电池放在真空干燥箱中约80℃左右真空干燥约8小时，降温到40℃后取出，在真空注液机中向电池中加注含5％(重量)萘乙烯的1MLiPF6的EC/EMC/DMC(1∶1∶1)电解液，取出后将电池的注液孔密封。
如此得到的电池重量1.54kg，单体电池1C充电到4.1V后恒压充电至电流下降到0.01C后静置一段时间，尔后1C放电至3V。电池比能量114Wh·kg-1，单体电池内阻2.8mΩ，连续输出比功率650W·kg-1，最大脉冲输出比功率(60％SOC)900W·kg-1。单体电池恒流充电到5V未发生爆炸起火，单体电池在-20℃时的1C放电容量为常温1C放电容量的95％。
实施例2
实施例2中的电池结构同于实施例1中的电池结构。
1、极片及隔膜的制备：
正极片的制备：将钴酸锂80份(重量百分比)、乙炔黑10份(重量百分比)、粘结剂(PVDF)10份(重量百分比)预混后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)充分搅拌均匀，调整固液比使粘度适合涂覆，在涂布机上将浆料均匀涂覆在铝箔的两面，将涂覆好的极片进行压轧、分切，烘干。极片最后尺寸为748×228mm，共8片。将8片正极片固定在正极柱上。
负极片的制备：将中间相碳微球(MCMB)90份(重量百分比)、石墨粉3份(重量百分比)、复合石墨(KS-6)2份(重量百分比)、粘结剂(PVDF)5份(重量百分比)预混后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)充分搅拌均匀，调整固液比使粘度适合涂覆，在涂布机上将浆料均匀涂覆在铜箔的两面，将涂覆好的极片进行压轧、分切，烘干。极片最后尺寸为752×230mm，共8片。每片负极片在极片侧面固定位置裁出负极耳。
隔膜的制备：采用聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)三层复合隔膜。
2、电池的装配：同于实施例1。
将激光焊后的电池放在真空干燥箱中约80℃左右真空干燥约8小时，降温到40℃后取出，在真空注液机中向电池中加注含10％(重量)联苯的六氟磷酸锂(1MLiPF6)的EC/EMC/DMC(1∶1∶1)电解液，取出后将电池的注液孔密封。
如此得到的电池重量1.50kg，单体电池1C充电到4.1V后恒压充电至电流下降到0.01C后静置一段时间，尔后1C放电至3V。电池比能量100Wh·kg-1，单体电池内阻2.6mΩ，连续输出比功率700W·kg-1，最大脉冲输出比功率(60％SOC)876W·kg-1。单体电池恒流充电到5V未发生爆炸起火，单体电池在-20℃时的1C放电容量为常温1C放电容量的95％。
实施例3
实施例3中的电池结构亦同于实施例1中的电池。
1、极片及隔膜的制备：
正极片的制备：将复合锰酸锂85份(重量百分比)、乙炔黑10份(重量百分比)、粘结剂(PVDF)5份(重量百分比)预混后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)充分搅拌均匀，调整固液比使粘度适合涂覆，在涂布机上将浆料均匀涂覆在铝箔的两面，将涂覆好的极片进行压轧、分切，烘干。极片最后尺寸为750×230mm，共8片。将8片正极片固定在正极柱上。
负极片的制备：将中间相碳微球(MCMB)95份(重量百分比)、石墨粉2份(重量百分比)、复合石墨(KS-6)1份(重量百分比)、粘结剂(PVDF)2份(重量百分比)预混后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)充分搅拌均匀，调整固液比使粘度适合涂覆，在涂布机上将浆料均匀涂覆在铜箔的两面，将涂覆好的极片进行压轧、分切，烘干。极片最后尺寸为751×231mm，共8片。每片负极片在极片侧面固定位置裁出负极耳。
隔膜的制备：采用聚丙烯(PP)隔膜。
2、电池的装配：同于实施例1。
将激光焊后的电池放在真空干燥箱中约80℃左右真空干燥约8小时，降温到40℃后取出，在真空注液机中向电池中加注含4％(重量)联苯的1MLiPF6的PC/EC/EMC(1∶33∶66)电解液，取出后将电池的注液孔密封。
如此得到的电池重量1.49kg，单体电池1C充电到4.2V后恒压充电至电流下降到0.01C后静置一段时间，尔后1C放电至3V。电池比能量94Wh·kg-1，单体电池内阻2.7mΩ，连续输出比功率620W·kg-1，最大脉冲输出比功率(60％SOC)809W·kg-1。单体电池恒流充电到5V未发生爆炸起火，单体电池在-20℃时的1C放电容量为常温1C放电容量的93％。
上述各实施例中所得到的电池均具有低内阻、高功率、高能量、良好的安全性能。

Claims (10)

1、一种锂离子电池，由电池卷芯、电解液及电池壳构成，其特征在于：所述的电池卷芯由若干层的正极片、隔膜、负极片依次叠和后以正极柱为轴芯卷绕成型，正极极片与正极柱一体构成正极，负极极耳与负极片一体构成负极。
2、根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述的正极采用正极活性物质、导电剂、粘结剂混合后涂覆在铝箔上制成，所述的各成份的重量百分比为：正极活性物质70～95、导电剂7～15、粘结剂3～10。
3、根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于：所述的正极活性物质为锂和过渡金属的复合氧化物，该锂和过渡金属的复合氧化物为钴酸锂及改性钴酸锂、锰酸锂及改性锰酸锂、镍酸锂及改性镍酸锂、磷酸铁锂及改性磷酸铁锂的至少一种。
4、根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述的负极采用负极活性物质、导电剂、粘结剂混合后涂覆在铝箔上制成，所述的各成份的重量百分比为：负极活性物质80～96、导电剂1～10、粘结剂2～10。
5、根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于：所述的负极活性物质为碳基材料，该碳基材料是碳纤维、中间相碳微球、焦炭、合成石墨类中的至少一种。
6、根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述的隔膜采用聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合膜中的至少一种。
7、根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述的电解液为含锂盐、苯基物质、有机溶剂的混合溶液。
8、根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于：所述的含锂盐是磷酸锂、硼酸锂中的一种。
9、根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于：所述的苯基物质是二苯基碳酸脂、二苯酚二芳族醚、联苯、萘乙烯、环乙基苯中的至少一种。
10、根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于：所述的有机溶剂是碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯中的至少三种溶剂的混合溶液。
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