CN202495507U - 圆柱形锂离子电池用电芯 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种圆柱形锂离子电池用电芯，包括相互卷绕的负极片、正极片，以及位于所述负极片和正极片之间的隔膜，所述正极片和负极片上均固定连接有极耳，所述负极膜片A和负极膜片B的长度相等，且二者为齐头涂布；所述正极膜片A和正极膜片B的头部平齐，且二者的长度差大于等于卷绕后最外圈膜片的周长，所述负极极耳的位置与所述负极膜片A或负极膜片B尾部之间的距离为2～5mm。相对于现有技术，本实用新型通过改变负极极耳的位置和正负极极片的涂布方式，减少了铜箔易断裂处的应力集中效应，显著降低了铜箔易断裂处的应变力，使得铜箔的晶界不被破坏，从而保证了电池使用过程中正常的电压和电流的输出。
Description
技术领域
本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种负极极片不容易断裂的圆柱形锂离子电池用电芯。
背景技术
随着现代社会的发展，各种移动电子设备，如摄像机、笔记本电脑和数码相机等的应用越来越广泛，从而对高容量电池的需求也越来越大。
锂离子电池因其具有重量轻、容量高、无污染、循环寿命长、自放电小等突出的优点，已经应用在越来越多的领域。其中，圆柱形锂离子电池的能量密度比其他形状(如方形、铝塑包装的电池)更高，因此更加受到人们的青睐，成为移动设备的最常用电源。
图1和图2为现有技术中圆柱形锂离子正负极极片的设计结构示意图。图1为正极片10，其包括作为正极集流体的铝箔12和涂覆于铝箔12两面的正极膜片14，铝箔12的前端(即卷绕电芯时的开始端)设有正极极耳16，正极片10上贴有六块起绝缘作用的绝缘胶18，其中四块贴在正极膜片14的端部，一块贴在极耳16上，还有一块贴在铝箔12上与正极极耳16的呈轴对称的位置处。图2为负极片20，其包括作为负极集流体的铜箔22和涂覆于铜箔22两面的负极膜片24、25，铜箔22的尾部(即卷绕电芯时的结束端)设有负极极耳26。其中，负极膜片24、25在铜箔22的两面上并非对齐涂布，A面的负极膜片24在远离负极极耳26一侧的涂布长度大于B面负极膜片25的涂布长度。在铜箔22的尾端、与负极极耳26相对的背面位置处，贴有一块绝缘胶28。生产电池时，将上述正极片10、负极片20和极片间的隔膜间隔叠加后卷绕成圆柱形锂离子电池的电芯。
但是，在圆柱形锂离子电池的充电过程中电芯会发生膨胀和旋转。采用上述正负极片10、20生产的锂离子电池的电芯，在充电时会发生负极片20断裂。三种比较典型的负极片20断裂的情况分别为：
一是负极膜片24和25交错处(比如图2中的M点)断裂；
二是A面负极膜片24收尾处(图2中的N点)断裂，卷绕成电芯时，负极膜片24首位处与正极片10的尾端的绝缘胶18收尾处相对应；
三是纯铜箔22(即靠近负极片20的尾端、A、B两面均未涂覆负极膜片的铜箔，如图2中的Q点)断裂，卷绕成电芯时，此处铜箔22与正极片10的尾端的绝缘胶18收尾处相对应。
对于第一种情况我们可以通过优化负极片的涂布顺序和极片辊压的方向解决。
而对于第二种和第三种情况，目前已公开的公开号为CN101789529的中国专利公开的技术方案虽然可以在一定程度上改善第二种和第三种情况导致的负极片20的断裂，但是并不能够完全解决极片断裂的问题。按照此专利公开的技术方案，在电池制作过程中采用了优化的负极片的涂布顺序和极片辊压的方向，所制备的圆柱形锂离子电池，在循环50次后，仍有大约10％的电池发生极片断裂的情形，通过拆解分析其断裂情形属于第二种和第三种情况。由于负极片的断裂会导致锂离子电池的电芯出现无电压输出、不能放电的现象，甚至出现安全事故，因此，确有必要提供一种负极片不易断裂的圆柱形锂离子电池用电芯。
为了解决负极片20断裂的问题，首先分析其断裂原因。在圆柱形锂离子电池充电时，其负极片20将发生膨胀，从3.0V充电至4.2V负极片的厚度膨胀约为4％，此外，负极片20还可能会发生旋转，为了释放应力，负极片20趋向于伸直。
根据杨氏模量理论，铜箔22和负极膜片组成的是一个刚性体，能够很好的传递膨胀应力，趋向于使极片伸直，避免断裂。但是，未涂覆负极膜片的纯铜箔具有良好的应变力，不能够传递膨胀，从而导致了电芯的膨胀应力都集中在绝缘胶18收尾处相对应的铜箔上。
在电池充电过程中，随着负极片20的膨胀，绝缘胶18收尾处对应的铜箔所受到的剪切应力越来越大。当铜箔22发生弹性形变时，其晶格常数保持不变，晶界扩散，导致铜箔内部微裂隙的产生。随着充电的进行，铜箔内部的微裂隙逐渐增大，并可能连通在一起，使铜箔22能够承受应力的有效截面积大大减小，这样铜箔能够承受的应力随之迅速减小，最终导致铜箔22的断裂。
我们还研究了铜箔22破裂过程中A面和B面的断裂情况(通过观察A面和B面的扫描电子显微镜照片进行研究)。结果发现，铜箔22的B面(即卷绕后的外侧面)能看到明显的裂纹，而A面(即卷绕后的内侧面)没有出现裂纹。
通过上述分析，明确了现有圆柱形锂离子电池的电芯中负极片20易断裂的主要原因是应力集中在绝缘胶18收尾处相对应的铜箔上。针对这一原因，本实用新型旨在提供一种能够解决使用过程中负极片断裂问题的圆柱形锂离子电池用电芯。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种在电池使用过程中负极极片不易发生断裂的圆柱形锂离子电池用电芯，以提高电池的可靠性。
为解决上述的技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种圆柱形锂离子电池用电芯，包括相互卷绕的负极片、正极片，以及位于所述负极片和正极片之间的隔膜，所述正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体一面的正极膜片A和涂覆在所述正极集流体另一面的正极膜片B，所述负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体一面的负极膜片A和涂覆在所述负极集流体另一面的负极膜片B，所述正极片和负极片上均固定连接有极耳，所述负极膜片A和负极膜片B的长度相等，且二者为齐头涂布；所述正极膜片A和正极膜片B的头部平齐，长度不相等，且二者的长度差大于等于卷绕后最外圈膜片的周长，所述负极片的极耳固定于负极片尾部的空白集流体上，负极极耳的位置与所述负极膜片A或负极膜片B尾部之间的距离为2～5mm。负极膜片A和负极膜片B的长度相等，消除了第一种和第二种情况导致的负极片断裂，而负极极耳的位置改变，也就是负极极耳离负极膜片的距离较近，较大程度上减少了铜箔易断裂处的应力集中效应区。
相对于现有技术，本实用新型通过改变负极极耳的位置和正负极极片的涂布方式，减少了铜箔易断裂处的应力集中效应，显著降低了铜箔易断裂处的应变力，使得电池在充电和使用过程中作为负极集流体的铜箔几乎不受到电池拉伸应力和剪切应力的共同作用，铜箔的晶界不被破坏，从而保证了电池使用过程中正常的电压和电流的输出，提高了电池的可靠性。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，负极极耳的位置与所述负极膜片A或负极膜片B尾部之间的距离为2～3mm。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，所述负极片的极耳上贴有绝缘胶，以防内短路的出现。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，所述负极片的极耳对应的负极集流体背面上贴有绝缘胶。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，所述绝缘胶的长度比负极极耳的宽度长至少2mm，防止内短路。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，所述正极膜片A和正极膜片B的头部和尾部均贴有绝缘胶，以防止空白正极集流体和负极膜片或负极集流体接触导致的内短路。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，所述正极膜片A和正极膜片B尾部的绝缘胶长度比极耳上贴有的绝缘胶长至少2mm。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，所述负极集流体为铜箔，所述正极集流体为铝箔。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，所述铜箔的延伸率小于2％，因为若铜箔的延伸率太大，在电芯卷绕时，容易因为外力拉扯而延伸，到了电池进行充放电时，为了释放应力，铜箔会缩短，可能导致内短路。
作为本实用新型圆柱型锂离子电池用电芯的一种改进，电芯最外圈铜箔的长度大于最外圈铝箔的长度，也就是位于最外圈的是负极片。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行详细的说明，其中：
图1为现有技术中圆柱形锂离子电池正极片的结构示意图；
图2为现有技术中圆柱形锂离子电池负极片的结构示意图；
图3为本实用新型的圆柱形锂离子电池的正极片的结构示意图；
图4为本实用新型的圆柱形锂离子电池的负极片的结构示意图；
图5为本实用新型圆柱形锂离子电池用电芯的结构示意图。
具体实施方式
如图3、4和5所示，本实用新型一种圆柱形锂离子电池用电芯，包括相互卷绕的负极片70、正极片60，以及位于所述负极片70和正极片60之间的隔膜80，所述正极片60包括正极集流体62和涂覆在所述正极集流体62一面的正极膜片A 64和涂覆在所述正极集流体另一面的正极膜片B 65，正极膜片A 64和正极膜片B65中的正极活性物质可以是LiCoO2、LiMn2O4、LiNiCoMnO2及他们经过体相掺杂和表面修饰改型的化合物、LiFePO4和LiMnPO4等正极活性物质中的一种或者多种。所述负极片70包括负极集流体72和涂覆在所述负极集流体72一面的负极膜片A 74和涂覆在所述负极集流体72另一面的负极膜片B 75，负极活性物质可以是石墨、碳纤维、硬碳和硅碳合金中的一种或者多种。所述正极片60和负极片70上均固定连接有极耳，即正极片60上的正极膜片A的起头端焊接有正极极耳66，正极极耳66上贴有绝缘胶68，并且正极极耳66相对应的正极集流体62的背面贴有绝缘胶68；负极片70上固定连接有负极极耳76，负极极耳76可以焊接在负极集流体72的任一面；所述负极膜片A 74和负极膜片B 75的长度相等，且二者为齐头涂布；所述正极膜片A 64和正极膜片B 65的头部平齐，长度不相等(正极膜片A 64的长度大于正极膜片B 65)，且二者的长度差大于等于卷绕后最外圈膜片的周长，所述负极片70的负极极耳76固定于负极片70尾部的空白集流体上，负极极耳76的位置与所述负极膜片A 74或负极膜片B 75尾部之间的距离为2～5mm，优选为2～3mm。
所述负极片70的负极极耳76上或负极极耳76对应的负极集流体72背面上贴有绝缘胶78。绝缘胶78的起始粘贴位置为负极膜片A 64或负极膜片B 65上距负极膜片A 64或负极膜片B 65尾部0mm～2mm的位置，并且绝缘胶78的长度比负极极耳76的宽度志超需要超过2mm以上。
所述正极膜片A 64和正极膜片B 65的头部和尾部均贴有绝缘胶68。正极膜片A 64和正极膜片B 65的头端和尾端所贴的绝缘胶68盖住膜片部分的长度为0.5mm～2mm为宜。
所述正极膜片A 64尾部和正极膜片B 65尾部的绝缘胶68长度比正极极耳66上贴有的绝缘胶68长至少2mm。
所述负极集流体72为铜箔，所述正极集流体62为铝箔，所述铜箔的延伸率小于2％，且电芯最外圈铜箔的长度大于最外圈铝箔的长度。
在生产电池时，将贴有绝缘胶68的正极片60、负极片70和隔膜80按照正极片60、隔膜80和负极片70的顺序间隔叠加后，卷绕成圆柱形锂离子电芯。卷绕好的电芯如图5所示，其中，最外圈铜箔的长度超过最外圈铝箔的长度，其长度差在2mm以上，以2mm～10mm为宜。负极膜片A 74和负极膜片B 75尾端的绝缘胶78的长度小于正极膜片A 64和正极膜片B 65尾端的绝缘胶68的长度，其长度差在2mm以上，以2mm～10mm为宜，并且正极膜A 64尾端的绝缘胶68的长度要大于正极膜片B 65尾端的绝缘胶68的长度，其长度差在2mm以上，以2mm～10mm为宜。
以上的实施方式是将负极极耳76焊接在负极膜片A 74所在面，绝缘胶78贴在负极膜片B 75所在面，当然也可以将负极极耳76焊接在负极膜片B 75所在面，绝缘胶78贴在负极膜片A 74所在面，或者负极极耳76与绝缘胶78在负极膜片A 74和负极膜片B 75的同一面。
为了验证改进效果，按照以上改进后的设计制作了300个圆柱形18650电池，经过300次充放电循环后，拆解电池，结果并没有发现电芯负极片70断裂的现象，由此证明了本实用新型确实有效的解决了负极片70断裂的问题。
综上所述，本实用新型通过改变负极极耳76的位置以及正负极膜片的涂覆方式，减少了铜箔易断裂处的应力集中效应，显著降低了铜箔易断裂处的应变力，使得电池在充电和使用过程中铜箔几乎不受到电池拉伸应力和剪切应力的共同作用，铜箔的晶界不被破坏，从而保证了电池使用过程中正常的电压和电流的输出，提高了电池的可靠性。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些等同修改和变更也应当在本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
Claims (10)
1.一种圆柱形锂离子电池用电芯，包括相互卷绕的负极片、正极片，以及位于所述负极片和正极片之间的隔膜，所述正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体一面的正极膜片A和涂覆在所述正极集流体另一面的正极膜片B，所述负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体一面的负极膜片A和涂覆在所述负极集流体另一面的负极膜片B，所述正极片和负极片上均固定连接有极耳，其特征在于：所述负极膜片A和负极膜片B的长度相等，且二者为齐头涂布；所述正极膜片A和正极膜片B的头部平齐，长度不相等，且二者的长度差大于等于卷绕后最外圈膜片的周长，所述负极片的极耳固定于负极片尾部的空白集流体上，负极极耳的位置与所述负极膜片A或负极膜片B尾部之间的距离为2～5mm。
2.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：负极极耳的位置与所述负极膜片A或负极膜片B尾部之间的距离为2～3mm。
3.根据权利要求2所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：所述负极片的极耳上贴有绝缘胶。
4.根据权利要求2所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：所述负极片的极耳对应的负极集流体背面上贴有绝缘胶。
5.根据权利要求2或3所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：所述绝缘胶的长度比负极极耳的宽度长至少2mm。
6.根据权利要求3或4所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：所述正极膜片A和正极膜片B的头部和尾部均贴有绝缘胶。
7.根据权利要求6所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：所述正 极膜片A和正极膜片B尾部的绝缘胶长度比极耳上贴有的绝缘胶长度长至少2mm。
8.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：所述负极集流体为铜箔，所述正极集流体为铝箔。
9.根据权利要求8所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：所述铜箔的延伸率小于2％。
10.根据权利要求8所述的圆柱形锂离子电池用电芯，其特征在于：电芯最外圈铜箔的长度大于最外圈铝箔的长度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20121017 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |