CN201345383Y - 一种锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子二次电池，包括电极芯、电解液、电池壳体，所述电极芯、电解液位于电池壳体内，正极片、隔膜、负极片依次层叠后经卷绕形成电极芯，所述隔膜的长度长于正极片和负极片的长度，所述隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕至少一圈。采用本实用新型的电池，可以进一步提高电池的安全性能，同时制造工艺简单。

Description

一种锂离子二次电池
技术领域
本实用新型涉及一种锂离子二次电池。
背景技术
目前，锂离子二次电池电极芯主要应用的结构为卷绕式。对于卷绕式结构来说，其是将正极片、隔膜、负极片依次放置，再将其卷绕成电极芯，然后与非水电解液一起封装在电池壳体内。
对于需要大电流放电的动力电池来说，如果电池壳体如铝壳与正负极片直接接触，在充放电过程中会在电池壳体的表面形成铝锂合金，进而刺破隔膜引发短路。为了提高电池的安全性能，现有技术当中采用在电极芯外缠绕绝缘胶带，使电池壳体与电池正、负极相隔离的方法以提高电池的安全性，该制作方法存在如下缺陷：
1、贴绝缘胶带时容易造成电池形变，使电池外圈产生褶皱，给电池埋下安全隐患；
2、贴绝缘胶带过程中造成的不合格产品返工操作较困难，在撕胶布的过程中会损伤电池，操作非常不便，降低了生产效率；
3、电池正极片、负极片及隔膜在电解液浸润和充放电的过程中均会发生一定的膨胀，因绝缘胶带与正极片、负极片及隔膜的膨胀率不一致而导致电池宽度和厚度延伸方向被限制，电池内部正极、负极和隔膜便会出现严重的褶皱现象，因褶皱而产生的极片的棱角会刺破隔膜，导致电池短路，从而大大降低了电池的安全性能及使用寿命。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是在于进一步提高电池的安全性能，同时简化制造工艺，进一步提高生产效率。
一种锂离子二次电池，包括电极芯、电解液、电池壳体，所述电极芯、电解液位于电池壳体内，正极片、隔膜、负极片依次层叠后经卷绕形成电极芯，所述隔膜的长度长于正极片和负极片的长度，所述隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕至少一圈。
上述的电池的制备方法，正极片、隔膜、负极片依次层叠后卷绕，卷绕至正极片和负极片的终止端时，隔膜长于正极片和负极片的长度部分使隔膜的自由端能继续围绕电极芯缠绕至少一圈，形成电极芯，电极芯装入电池壳体内，将电解液注入电池壳体内，密封，得到电池。
使电池壳体作为正、负极之外的第三极，不会与电池的正极或负极发生反应，从而有效避免了电池壳体与正负极片反应而导致的安全性问题。同时隔膜材料的使用有效避免了绝缘胶带在制作过程中带来的弊端，隔膜缠绕在电极芯的最外层的制作方法简单，大大提高了生产效率。隔膜与电极芯为一体结构，隔膜材料与电极芯的膨胀率较一致，因此隔膜位于电极芯的外层，在电解液浸润和充放电的过程中，电极芯不会出现褶皱现象，因而进一步提高了电池的安全性。
采用本实用新型的电池，可以进一步提高电池的安全性能，同时相对现有技术中的缠绕绝缘胶带的制作方法，制造工艺简单，制造成本进一步降低。
附图说明
图1为本实用新型电池一种正极片结构示意图；
图2为应用本实用新型电池结构的方形锂离子电池示意图；
图3为本实用新型的一种卷绕结构电极芯示意图；
图4为本实用新型另一种电池正极片或负极片结构示意图。
图5为现有技术中的一种电池电芯的横截面示意图；
图6为本实用新型的一种电池电极芯的横截面示意图；
图7为本实用新型的一种电池正极片的横截面示意图；
附图标记说明，其中，1a-正极极耳；1b-正极敷料区；2-负极片；2a-负极极耳；2b-负极敷料区；3-隔膜；A-电池外壳；B-负极盖板；B1-负极电极端子；C-绝缘胶带。1为正极片；4为第一厚度区域；9为过渡区域；5为第二厚度区域；6为正极片卷绕终止端；7为负极片卷绕终止端；8为隔膜卷绕终止端，10为电极集流体。
具体实施方式
一种锂离子二次电池，包括电极芯、电解液、电池壳体，所述电极芯、电解液位于电池壳体内，正极片、隔膜、负极片依次层叠后经卷绕形成电极芯，所述隔膜的长度长于正极片和负极片的长度，所述隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕至少一圈。所述的卷绕方法为本领域公知的卷绕方法。
本实用新型的发明人经过大量实现发现，外圈的隔膜与电极芯一体，在电解液浸润和充放电过程中，外圈隔膜也会相应的发生膨胀，膜材料与电极芯的膨胀率较一致，所以其对电池的形状没有限定，可在很大程度上减小电池褶皱现象的发生，提高电池安全性能。同时采用该种方法可以提高电池电解液浸润和保持性能。
同时在制备过程中，正极片(1)、隔膜(3)、负极片(2)依次层叠后经卷绕至正极片和负极片的终止端时，隔膜的自由端继续围绕电极芯缠绕至少一圈，即得到卷绕形成的电极芯。为方便后续的制作工艺，可以在隔膜的终止端处粘结一段绝缘胶布如商购的透明胶，以固定卷绕后的隔膜的终止端的位置，防止卷绕后的电极芯松散。该电极芯的最外层为至少一圈隔膜。采用该种方法制作电池时，可以减少生产工序、简化操作、提高生产装配效率，同时又能节省人力，降低成本。
本实用新型的发明人经过大量试验发现，优选地隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕1-10圈。更优选地，隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕2-6圈。
所述隔膜为本领域公知的锂离子电池隔膜。隔膜设置于正极和负极之间，具有电绝缘性能和液体保持性能。所述隔膜可以选自本领域技术人员公知的锂离子二次电池中所用的各种隔膜，例如聚烯烃微多孔膜、聚乙烯毡、玻璃纤维毡或超细玻璃纤维纸。
所述电解液为本领域公知的适用于锂离子二次电池的各种常规的非水电解液，所述的非水电解液为电解质锂盐在非水溶剂中形成的溶液。所述电池壳体为本领域公知的制备电池所用的电池壳体，如铝壳或钢壳。
优选地，上述电池，所述电极芯为两侧为圆弧形、中间为平板形的电极芯，正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端中的至少一个，位于电极芯的圆弧形的区域内。如图6所示，1为正极片；2为负极片；3为隔膜纸；6为正极片卷绕终止端；7为负极片卷绕终止端；8为隔膜卷绕终止端。所述电极芯包括正极片(1)、负极片(2)以及正极片(1)和负极片(2)之间的隔膜(3)，正极片(1)、负极片(2)以及正极片(1)和负极片(2)之间的隔膜(3)经卷绕形成两侧为圆弧形的电极芯，且正极片卷绕终止端(6)、负极片卷绕终止端(7)中的至少一个，位于极芯的圆弧形的区域内。
本实用新型人通过大量实验发现，将正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端、隔膜卷绕终止端设置于电极芯圆弧形区域，能有效防止电池在使用过程中电极芯发生褶皱。因为，电池在充放电过程中，由于极片厚度膨胀导致电极芯整体厚度增加，挤压壳体，壳体会对电极芯产生反作用力，由于在终止端所在处存在厚度落差，反作用力会沿厚度落差分布，造成在终止端所在处的内应力集中，从而导致电极芯在终止端所在处发生褶皱。而将极片卷绕终止端设置在圆弧区域内，由于圆弧区域与电池壳体之间接触不紧密，留有空间，当电极芯膨胀时，圆弧区域与壳体之间的空间起到了缓冲作用，因而不会在圆弧区域内产生较大的应力集中，所以不会引起电极芯的圆弧区域发生明显的褶皱。电池在充放电的过程中，由于在电极芯褶皱处正负极片间隙增大，充放电不均匀，有利于锂枝晶的生长，在褶皱处会生成大量的锂枝晶，严重影响到电池的安全性能，将正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端、隔膜卷绕终止端设置于电极芯圆弧形区域，能够有效的减少由于锂枝晶的生长，所带来的不利影响。
进一步优选地，正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端，可以均位于电极芯同一侧的圆弧形的区域内，也可以分别位于电极芯两侧的圆弧形的区域内。
本实用新型的发明人还发现现有技术中的电池极片涂敷浆料时，由于浆料的流体特征及亲和性导致敷料边缘较极片中间要厚，此外，现有的极片刚刚涂敷后的料分布较疏松，这样的极片经辊压进一步地压实极片，提高体积敷料量，辊压后也会造成敷料边缘厚度比正常区域厚，因为在进行极片辊压的过程中含有电极材料部分区域的边缘会出现一定的延展，而敷料的延展度与集流体本身的延展度不同，使得部分极片辊压后在敷料的边缘出现集流体褶皱的现象，该褶皱现象会使极片会在卷绕过程中断裂从而严重影响了电池性能。基于上述原因，本实用新型的发明人经过大量试验，设计出一种正极片或者负极片，可以有效降低现有技术中的极片在敷料辊压后出现集流体褶皱的概率。所述正极片或负极片包括一方形集流体和负载于所述集流体上的电极材料，所述含电极材料的部分含有第一厚度区域和第二厚度区域，所述第一厚度区域中电极材料的厚度大于第二厚度区域中电极材料的厚度，并且所述第一厚度区域和第二厚度区域之间还含有一过渡区域，所述过渡区域内电极材料厚度从第一厚度区域到第二厚度区域的方向上呈递减趋势。
从第一厚度区域到第二厚度区域的方向上，所述过渡区域的宽度为1-10mm，第二厚度区域宽度为1-10mm。
所述第一厚度区域中电极材料的厚度与第二厚度区域中电极材料的厚度比为2-10∶1。
所述第二厚度区域的一端与过渡区域相连接，所述第二厚度区域的另一端与不含电极材料的极耳区相连接，所述极耳区宽度为10-100mm。
在所述电极材料上覆盖有一绝缘层，所述绝缘层至少覆盖所述过渡区域和第二厚度区域。
根据本实用新型，还可以在所述电极材料上覆盖有一绝缘层，所述绝缘层至少覆盖所述过渡区域和第二厚度区域。发明人发现，由于所述绝缘层的作用，避免负极电极材料未完全覆盖正极电极材料部分时，而导致的正极电极材料与负极极耳等部件的电接触，进而引起电池内部安全问题的发生。
所述绝缘层厚度可以在较大范围内变动，优选情况下，所述绝缘层厚度为5-150um。
所述构成绝缘层的材料为聚苯硫醚、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种。
所述绝缘层可通过采用上述材料的胶布直接黏合或采用上述胶体进行涂胶。通常情况下，在所述正极极片上的过渡区域和第二厚度区域上形成绝缘层即可。优选为采用胶布进行黏合。所述胶布可通过商购得到。
所述正极片、负极片为本领域公知的负载有活性物质的锂离子电池的正极片、负极片。所述正极片或负极片的形状可以采用本领域公知的卷绕电池的正极片或负极片的结构，如附图4所示。正极片或负极片上的极耳通过焊接与正极片或负极片相连接，极耳焊接在未敷料区，在敷料区与焊接极耳的区域交接处粘贴有绝缘胶布(C)。一个方面极耳一般都会有棱角，绝缘胶布可进一步防止极耳刺破隔膜引起电池短路等现象，另一个方面绝缘胶布可以保护焊点。同时，绝缘胶布贴在敷料区与焊接极耳的区域交接处即是贴在了敷料区与未敷料区的交接处，在交接处相对其它区域比较容易掉料，掉料会引起电池内部短路等问题，因此在此区域贴绝缘胶布也可以防止这一现象的发生。
本实用新型所用另一种正极片或负极片如图2所示，由敷料区和作为极耳的未敷料区两部分组成。敷料区是通过将定量浆料均匀对称涂布在电极集流体上制得；与集流体长度方向平行的一端预留或刮出一块具有一定宽度的未敷料区域作为极耳，极耳与极片的长度相同。正、负极片的未敷料区即极耳分别位于敷料区的相对端，即当正极片的未敷料区位于正极片的上端时，则负极片未敷料区位于负极片的下端；当正极片的未敷料区位于正极片的下端时，则负极片未敷料区位于负极片的上端。卷绕电池时，正、负极片的未敷料区即极耳分别位于敷料区的相对端，并与隔膜堆叠放置，使得隔膜将正、负极极片隔开，然后沿极片长度方向逐层卷绕，卷绕过程中使正、负极片及隔膜中心线始终对齐，张紧力度一致。卷绕后正极片的未敷料区位于正负极敷料区的一端，则负极片的未敷料区位于正负极敷料区的相对的另一端。当卷绕至正、负极片的终止端时，继续卷绕剩下的隔膜，该电极芯最外层是隔膜。优选地，该电极芯经预压定型得电极芯。
在卷绕过程中很难做到很高的卷绕整齐度，对卷绕后的电极芯两侧层叠的正、负极耳预压后定长冲切，使极耳卷绕层达到较高的整齐度要求，也便于后段的装配焊接，将除去多余长度极耳后的电极芯放入电池壳体内，用超声焊将正、负极的极耳焊接到对应盖板上的正、负极电极端子上，最后将盖板(B)通过焊接工艺与电池壳体密封制成方形锂离子电池。
实施例1
本实施例说明本实用新型提供的锂离子二次电池的正极及锂离子二次电池及其制备。
(1)正极片的制备
将100重量份商购的LiCoO2、5重量份粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)、8重量份导电剂乙炔黑加入到80重量份N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，然后在真空搅拌机中搅拌形成稳定、均一地的正极浆料。
将该正极浆料均匀地涂覆在宽为400毫米、厚为20微米的宽幅铝箔的两侧，然后，在100℃下真空烘干、辊轧，在分切机上分切成正极片。
采用2.0兆帕的压力将正极片辊压，正极片的双面面密度为14毫克/厘米2。
(2)负极片的制备
将100重量份负极活性物质天然石墨、4重量份粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)、4重量份导电剂炭黑加入到40重量份二甲亚砜(DMSO)中，再加入0.3重量份分散剂(聚异丁烯丁二酰亚胺∶聚环氧乙烷醚＝1∶1)，然后在真空搅拌机中搅拌形成稳定、均一的负极浆料。
将负极浆料均匀地涂布在宽为425毫米、厚为10微米的宽幅铜箔上，经120℃烘干、辊轧之后得到宽为400毫米、厚为145微米的含有负极材料的宽幅铜箔，在分切机上分切成负极片。
采用1.5兆帕的压力将负极片进行辊压。
(3)电池的装配
将LiPF6与碳酸乙烯酯(EC)及碳酸二乙酯(DEC)配置成LiPF6浓度为1.0摩尔/升的溶液(EC/DEC的体积比为1∶1)，得到非水电解液。将上述步骤(1)得到的正极片、隔膜，步骤(2)得到的负极片依次用卷绕机层叠卷绕成涡卷状的电极芯，正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端、隔膜卷绕终止端设置于非圆弧形区域内，电极芯的结构如图5所示，当正、负极片均达到终止端后，隔膜长于正极片和负极片的长度部分使隔膜的自由端能继续围绕电极芯缠绕一圈(3)，使电池外形成1层隔膜，然后将隔膜剪断，用胶带固定电极芯。
所述的正极片或负极片的形状如附图4所示。
将得到的电极芯放入一端开口的电池钢壳中，将上述非水电解液以4.0g/Ah的量加入该电池壳中，密封后即得本实用新型的锂离子二次电池。所述隔膜层为聚乙烯(PE)隔膜纸。依照上述方法制备得到方形锂离子电池200支。
实施例2
同实施例1的正极、负极浆料及电解液，区别在于当正、负极片均达到终止端后，剩下的隔膜的自由端为包覆正负极片的双层隔膜，隔膜的自由端继续围绕电极芯缠绕一圈(3)，使电池外形成2层隔膜。制备得到方形锂离子电池200支。
实施例3
同实施例1的正极、负极浆料及电解液，区别在于正极片和负极片的形状。
如图1所示，正极片(1)由敷料区(1b)和作为极耳的未敷料区(1a)两部分组成。敷料区(1b)是通过将定量浆料均匀对称涂布在集流体(1c)上制得；与集流体(1c)长度方向平行的一端预留或刮出一块具有一定宽度的未敷料区域作为极耳(1a)，极耳(1a)与极片(1)同长度。采用类似方法制得负极片(2)。
如图3所示，卷绕电池Y时，正极极耳(1a)、负极极耳(2a)彼此相对放置，且伸出置于正极片(1)和负极片(2)之间的隔膜(3)之外。相对于隔膜(3)堆叠的正极片(1)和负极片(2)沿其长度方向逐层卷绕，且使正极片(1)、负极片(2)、隔膜(3)中心线始终对齐，张紧力度一致。其中隔膜包覆在负极片或正极片的两面，形成了2层隔膜。当正、负极片均卷绕至终止端后，继续卷绕两圈隔膜(3)，使电池芯的外层形成4层隔膜，然后将隔膜剪断，用胶带固定电池芯Y。预压定型电池芯Y，其最外层为隔膜。
如图2所示，将电池Y两侧层叠的极耳(1a)和(2a)预压后定长冲切，除去多余长度的极耳。然后放入电池壳体(A)内，将层叠的极耳(1a)通过超声焊焊接在正极电极端子上，极耳(2a)通过超声焊焊接在负极电极端子(B1)上。最后将盖板通过焊接工艺与壳体密封制成本实施方式的方形锂离子电池200支。
实施例4
同实施例1的正极、负极浆料及电解液，区别在于电极芯。
将上述步骤(1)得到的正极片、隔膜，步骤(2)得到的负极片依次用卷绕机层叠卷绕成涡卷状的电极芯，隔膜3采用的是厚度为0.02毫米的聚丙烯膜，在卷绕过程中将正极片卷绕终止端(6)、负极片卷绕终止端(7)均设置于电极芯一侧的圆弧形的区域内，当正、负极片均达到终止端后，隔膜的自由端继续围绕电极芯缠绕一圈卷绕一圈(3)，使电池外形成1层隔膜，然后将隔膜剪断，用胶带固定电极芯，如附图6所示。
其它同实施例1，得到本实施方式的方形锂离子电池200支。
实施例5
将正极集流体按上述方式划分为第一厚度区域、过渡区域、第二厚度区域和未敷料区域作为极耳(1a)，所述过渡区域宽度为4mm，所述第二厚度区域宽度为4mm，所述极耳宽度为30mm。然后将按照实施例3的方法制备的正极浆料均匀的涂敷在集流体上的第一厚度区域和过渡区域内，所述正极浆料厚度为100um。控制机器采用刮刀对所述过渡区域采用逐渐减薄处理，得到过渡区域内正极浆料最大厚度为100um，最小厚度为25um，厚度递减梯度为18.75um/mm。然后在第二厚度区域内进行涂敷，得到第二厚度区域内正极浆料厚度为25um。
采用2.0兆帕的压力将正极片辊压，所述的正极片的形状如附图7所示。
在负极集流体宽度方向未敷料区域作为负极极耳(2a)，负极极耳(2a)的宽度为25mm，将制备的负极浆料均匀的涂敷在负极集流体上的非极耳区内，涂覆浆料厚度为90um，制得负极极片。采用1.5兆帕的压力将负极片进行辊压。
其它步骤同实施例3，制备方形锂离子电池200支。
对比例1
同实施例1，区别在于隔膜的长度不包括形成围绕该卷绕式电极芯缠绕形成绝缘层所需长度。卷绕成电极芯后在电极芯外粘贴一层绝缘胶带，使电极芯外的绝缘层为一层绝缘胶带。制得成方形锂离子电池200支。
安全性能测试
以标准按照QC/T 743-2006中的充放电方法对上述电池进行一次充电、放电循环。拆开电池，肉眼观察电极芯的是否出现褶皱，以及是否在正负极片的表面出现枝晶或合金。其中，电极芯未出现褶皱，同时，未发现肉眼可见的枝晶或合金的电池的为合格电池。
测试结果如下表1所示
表1
  合格电池的百分率％
 实施例1   85％
 实施例2   90％
 实施例3   92％
 实施例4   97％
 实施例5   95％
 对比例1   53％
从上述表1中可以看出，本实用新型的实施例1-5制备的电池较对比例1的电池，在充放电过程产生枝晶或合金、电极芯发生褶皱的概率大大降低，从而进一步提高电池的安全性能。

Claims (12)

1、一种锂离子二次电池，包括电极芯、电解液、电池壳体，所述电极芯、电解液位于电池壳体内，正极片、隔膜、负极片依次层叠后经卷绕形成电极芯，其特征在于，所述隔膜的长度长于正极片和负极片的长度，所述隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕至少一圈。
2、根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕1-10圈。
3、根据权利要求2所述的电池，其特征在于：所述隔膜长于正极片和负极片的长度部分能围绕电极芯缠绕2-6圈。
4、根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述电极芯为两侧为圆弧形、中间为平板形的电极芯，正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端中的至少一个，位于电极芯的圆弧形的区域内。
5、根据权利要求4所述的电池，其中，正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端，均位于电极芯的圆弧形的区域内。
6、根据权利要求4所述的电池，其中正极片卷绕终止端、负极片卷绕终止端，均位于电极芯同一侧的圆弧形的区域内。
7、根据权利要求1-4任意一项所述的电池，所述正极片或负极片包括一方形集流体和负载于所述集流体上的电极材料，其特征在于，所述含电极材料的部分含有第一厚度区域和第二厚度区域，所述第一厚度区域中电极材料的厚度大于第二厚度区域中电极材料的厚度，并且所述第一厚度区域和第二厚度区域之间还含有一过渡区域，所述过渡区域内电极材料厚度从第一厚度区域到第二厚度区域的方向上呈递减趋势。
8、根据权利要求7所述的电池，其特征在于：从第一厚度区域到第二厚度区域的方向上，所述过渡区域的宽度为1-10mm，第二厚度区域宽度为1-10mm。
9、根据权利要求7所述的电池，其特征在于：所述第一厚度区域中电极材料的厚度与第二厚度区域中电极材料的厚度比为2-10∶1。
10、根据权利要求7所述的电池，其特征在于：所述第二厚度区域的一端与过渡区域相连接，所述第二厚度区域的另一端与不含电极材料的极耳区相连接，所述极耳区宽度为10-100mm。
11、根据权利要求7所述的电池，其特征在于：在所述电极材料上覆盖有一绝缘层，所述绝缘层至少覆盖所述过渡区域和第二厚度区域。
12、根据权利要求11所述的电池，其特征在于：所述构成绝缘层的材料为聚苯硫醚、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种。
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