CN202839842U

CN202839842U - 一种倍率型锂离子电池

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Publication number: CN202839842U
Application number: CN2012205164254U
Authority: CN
Inventors: 高洪森
Original assignee: Irico Group Corp
Current assignee: Irico Group Corp
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2022-10-10

Abstract

本实用新型涉及一种倍率型锂离子电池。包括正极、负极、隔膜和非水电解液，其中正极由铝箔集流体和涂覆在其两面的涂层(1)构成，负极由铜箔集流体和涂覆在其两面的涂层(1)构成，其特点是：所述正极和负极上的涂层(1)均为间歇涂层，而在铝箔集流体或铜箔集流体空白处均安装有极耳(2)。经过试验证明，本实用新型通过对涂层或/和极片的尺寸选择方案，以及电池正负极层数的选择，可以实现一种经济、安全可靠的功率型锂离子电池。本实用新型着眼于选择合适的正极电极片的宽长比、厚和表面积比及叠片层数来达到提高电池容量性能、降低电池的内阻和预测电池成品率的目的。

Description

一种倍率型锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及一种倍率型锂离子电池。

背景技术

与传统的铅酸、镍镉、镍氢等二次电池相比，锂离子电池具有高比能量，自放电少等优点，已被广泛应用于手机、笔记本计算机、摄像机等电子器具。最近，随着电动助力车和电动工具的高要求化，亟需一种能用于上述系统的高功率电池。能满足上述要求的具有代表性的电池是锂离子动力电池。

锂离子电池由正极板，负极板，电解液以及介于正负极板的隔膜组成。例如、其负极板是被固定在集流体上的吸附/放出锂离子的碳质材料；正极板是被固定在集流体上的吸附/放出锂离子的诸如磷酸铁锂、锰酸锂和氧化镍钴锂等材料；电解液是以LiPF₆等为电解质盐的含有机溶剂的溶液。

前述正极板与负极板被制成薄板或箔状、然后把电极板及介于其间的隔膜按顺序层叠而形成电芯。把这一电芯装入不锈钢、铝金属外壳、或者铝塑膜软包装电池容器内，再注入电解液、密封而制成电池。其中，电芯与外部电导通是通过与极板连接的极耳和/或极柱实现的。

在使用合适厚度的电极及合理的电极配方和参数以及采用高离子电导率的电解液可提高电池的倍率放电性能，同时电池正负极层数的多少又是影响电池容量、电池合格率进而影响电池成本的一个重要因素。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种倍率型锂离子电池，能够提高锂离子电池的容量发挥、降低内阻和提高电池成品率。

一种倍率型锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和非水电解液，其中正极由铝箔集流体和涂覆在其两面的涂层构成，负极由铜箔集流体和涂覆在其两面的涂层构成，其特别之处在于：所述正极和负极上的涂层均为间歇涂层，而在铝箔集流体或铜箔集流体空白处均安装有极耳。

其中单片正极片的长度为H，宽度为W，表面积为S，组成的叠片锂离子电池电芯厚度为T，并且满足0.3≤W/H≤0.8并且0.1/mm≤T/S≤0.2/mm。

组成的叠片锂离子电池按照隔膜、负极极片、隔膜、正极极片、隔膜、负极极片的循环顺序依次叠放而成，其中正极和负极的极耳均由5-150层铝箔组成，并且正极和负极的极耳数量遵循负极极耳数等于正极极耳数加1的关系。

其中隔膜采用陶瓷隔膜、编织物隔膜或微孔合成树脂隔膜。

经过试验证明，本实用新型通过对涂层或/和极片的尺寸选择方案，以及电池正负极层数的选择，可以实现一种经济、安全可靠的功率型锂离子电池。本实用新型着眼于选择合适的正极电极片的宽长比、厚和表面积比及叠片层数来达到提高电池容量性能、降低电池的内阻和预测电池成品率的目的。设计方法经济、简便，在规模生产上也易于实现，在实现锂离子电池高容量化和提高电池成品率进而降低电池成本等方面具有广泛前景。

附图说明

图1为本实用新型中带有间歇涂层的正极极片示意图，其中阴影代表涂层(1)，空白代表箔材；

图2为本实用新型中正极极片的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型是一种倍率型锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和非水电解液，其中正极由铝箔集流体和涂覆在其两面的涂层1构成，负极由铜箔集流体和涂覆在其两面的涂层1构成，所述正极和负极上的涂层1均为间歇涂层，详见图1所示，而在铝箔集流体或铜箔集流体空白处均安装有极耳2，图2是单片叠片电池正、负极极片的示意图。空白处的极耳2位置如图2所示，2mm≤d’≤0.25W，2mm≤P≤0.25H，2mm≤W’≤0.3W。

其中叠片电池单片正极片的长度为H，宽度为W，单个叠片电池正极片表面积为S=H*W，叠片电池电芯厚度为T，如图2所示，并且满足下式0.3≤W/H≤0.8并且0.1/mm≤T/S≤0.2/mm。叠片的电池按照隔膜、负极极片、隔膜、正极极片、隔膜、负极极片……依次叠放而成的。其中正极和负极的极耳2由5-150层铝箔组成，正、负极极耳2数遵循：负极极耳2数=正极极耳2数+1。隔膜采用陶瓷隔膜、编织物、非编织物、微孔合成树脂膜等。

申请人发现：电极涂层1的涂布厚度、极片的尺寸选择方案及技术参数和电池正负极层数的多少是影响电池正极发挥容量、电池内阻及电池成品率的重要因素。

本实用新型的特点是选用间歇涂膜电极，侧面出极耳2的电极结构，保证电池的活性材料利用率高、大倍率放电性能良好。

本实用新型的正极活性材料采用磷酸铁锂活性材料；负极包含导电碳和至少从球形石墨，鳞片状石墨和硬碳材料中选出的一种活性材料，其中导电碳的含量大于1wt％，小于15wt％；

上述正极活性材料和负极活性材料的双面涂布重量分别为20mg-50mg/cm²，6mg-20mg/cm²。这样的电极活性材料涂层1适中，有利于容量发挥和大倍率放电。

通过采用本实用新型的连续涂层电极，侧面出极耳2结构，因此正负极“面对面”的有效面积大，活性材料的利用率提高，离子扩散距被缩短，从而降低了电池内阻，提高了锂离子动力电池的高倍率放电能力。

同时此处虽然采用了磷酸铁锂(LiFePO₄)做为正极活性材料，但本实用新型并不仅限于磷酸铁锂，可用于本实用新型的正极活性材料的组成式为LiMPO₄、LiFeMPO₄、Li_xMO₂、Li_yM₂O₄(式中M为一种以上的过渡金属，0≤x≤1，0≤y≤2)的复合氧化物，及具有隧道或层状结构的硫族元素化合物或氧化物。其具体实例可列举为LiMnPO₄、LiFe_(1-x)Mn_xPO₄、LiNiO₂、LiCo_xNi_1-xO₂、LiNi_xCo_yNi_1-x-yO₂、LiMn₂O₄、Li₂Mn₂O₄、LiNi_0.5Mn_1.5O₄，、S8等。当然也包括A1、Mg等元素掺杂的上述化合物的衍生物。而且不管是无机化合物还是有机化合物，上述各种化合物也可混合使用。

作为本实用新型的锂离子电池，正极优选包含长不大于25微米的导电炭黑或气相生长碳纤维(VGCF)，且其添加量相对于正极涂层1总重不超过15wt％。

这是因为通过加入一定量，一定长度的纳米碳纤维，可充分保证电极内活性材料间及与集流体间的导电性。同时，又能使得电极的综合性能得以保证。纤维的长度超过20微米，则有可能使部分纤维穿过隔膜到达对电极，造成正负极板间的微短路。另外，如果添加量超过10wt％，则必须同时加入大量的粘结剂才能保持电极材料层的附着力。而过量的粘结剂则是造成电极内阻升高的原因。因此，纳米碳纤维的添加量以不超过10wt％为好。

本实用新型中正极使用了VGCF、乙炔黑(AB)，此外也可使用碳黑、球形石墨等。优选纤维状导电材料。因为纤维状导电材料宜于维持导电途径。

作为可用于本实用新型的负极材料虽然列举了球形石墨及鳞片形石墨、可用于本实用新型的负极活性材料不仅限于此、其它可列举如下，与Li可形成合金的金属元素如Si，Sn等，过渡金属氧化物如NiO、CoO、Co₂O₃、CuO等易石墨化碳材料及各种硬碳等的碳质材料以及上述材料的混合物。考虑到电池的充放电寿命及安全性，优选碳质材料。

作为本实用新型的电解液溶剂，可包括下列有机溶剂的一种或者多种的混合物。碳酸乙酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、二甲基碳酸酯(DMC)、乙基甲基碳酸酯(EMC)、二乙基碳酸酯(DEC)、γ-丁内酯(GBL)、环丁砜、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二乙氧基乙烷、四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、甲基乙酸酯等极性溶剂。为得到良好的电池放电性能及寿命，最好使在上述溶剂中含有碳酸乙烯酯(EC)。

溶解在电解液溶剂中的电解质盐可包括以下单一电解质盐及其混合物。例如LiPF₆、LiClO₄、LiBF₄、LiAsF₆、LiCF₃CO₂、LiCF₃(CF)₃、LiCF₃(C₂F₅)₃、LiCF₃SO₃、LiN(SO₂CF₃)₂、LiN(SO₂CF₂CF₃)₂、LiN(COCF₃)₂、LiN(COCF₂CF₃)₂及LiPF₃(CF₂CF₃)₃。最好在电解质盐中部分含有LiPF₆或LiBF₄，而会在负极上形成良好的液固相膜(SEI膜)而得到良好的充放电特性及循环寿命。

同时为抑制不可逆容量及负极材料表面SEI膜的过渡成长、优选添加添加剂如碳酸亚乙烯酯(VC)及其衍生物、如4，5-二甲基碳酸亚乙烯酯、4，5-二乙基碳酸亚乙烯酯、4，5-二丙基碳酸亚乙烯酯、4-乙基-5-甲基碳酸亚乙烯酯、4-乙基-5-丙基碳酸亚乙烯酯。另外环形硫酸酯也有利于形成良好的SEI、如乙二醇硫酸酯、1，2-丙二醇硫酸酯、1，2-丁二醇硫酸酯、1，3-丁二醇硫酸酯、2，3-丁二醇、苯乙二醇硫酸酯等。

本实用新型的隔离体可采用编织物、非编织物、微孔合成树脂膜等。上述隔膜层材料中，特别优选微孔合成树脂膜，尤其是优选聚乙烯及聚丙烯微孔膜或它们的复合微孔膜等的聚稀烃微多孔膜。这些聚烯烃类微多孔膜被采用的理由是其优于较好的厚度，膜强度，膜电阻特性。如果采用胶体电解质，则其又可兼做隔离层。在这种情况下，可使用有孔的聚合物固体电解质，再使其含有电解液。

本实用新型的电池可制成方形和铝塑膜软包装。容量可为800mAh到80Ah。

以下以具体的实例来说明本实用新型的内容、特点及效果。但本实用新型的权利要求范围并不仅限于以下实例。

实施例1

1、正极板的制备：

称取正极活性材料的92wt％的LiFePO₄、聚偏二氟乙烯(PVDF)粘接剂的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液并使PVDF的含量为5wt％，作为导电材料的3wt％(2％VGCF+1％AB)，将三者混合形成正极混合物，向混合物中加入NMP用搅拌机搅拌出均匀流动的糊状物，然后将此糊状物均匀地连续涂到厚度为15μm铝箔的两面，涂膜宽度为129mm，在铝箔的一侧正反两面留有30mm的空白，再经干燥、辊压后，分切掉30mm空白的相反一侧(不留空白)而制得涂层1宽58mm、留白10*3mm空白的正极板。涂敷面密度为32mg/cm²。

2、负极板的制备：

在93.5wt％的鳞片状天然石墨，2.5wt％的AB及1.5wt％的羧甲基纤维素(CMC)2.5wt％的丁苯橡胶(SBR)制成糊状物，然后将此糊状物均匀地连续涂到厚度为10μm铜箔的两面、涂布方式与正极相同，带料部分长宽尺寸比正极板各宽2mm，再经干燥，辊压而制得负极板。涂敷面密度为13.8mg/cm²。

用厚度为25微米的微孔聚乙烯膜作隔膜体，长宽尺寸比负极板各宽2mm。使用的非水电解质为溶有1mol/1LiPF₆的EC+DEC+DMC(体积比1∶1∶1)的混合溶剂溶液，在此基础上添加碳酸亚乙烯酯(VC)1.0wt％(相对电解液总量)。

3、电池的装配（10Ah)：

把上述正极、隔膜、负极按顺序使活性材料涂层1以隔膜相间极耳2同向，正相面对，正负、极耳2在相同一侧。叠放隔膜、负极、正极、隔膜、负极、隔膜依次叠放，其中隔膜37层、负极36层、正极35层、贴胶、焊好极耳2：选用厚为100微米，宽为10mm的带白胶铝带，与35层铝箔并接，然后用超声焊机焊接在一起。选用厚为100微米，宽为10mm的带白胶镍带，与36层铜箔并接，然后用超声焊机焊接在一起。焊好铝塑膜、经60°C真空干燥后再注液封口。

如此装配成10Ah电池作为电池1#，并按如下方法进行电化学测试和温度测量。

4、充放电及壳体温度测试：

首先进行了容量测试。充电为CC-CV模式；放电为CC模式。即用0.2C倍率恒电流充电到3.6V，然后3.6V恒电压至电流小于100mA；放电同样用0.2C倍率恒电流放电到2.0V止。用以上方法得到的放电容量作为初始容量。然后进行倍率放电实验。即与容量测试同样，均以CC-CV充电到3.6V，再分别以相当于0.5C,1C，2C恒电流放电到2.0V，以此得到的容量作为各个倍率放电的容量。并且，在大倍率放电时用热敏电阻检测壳体外壁中央部位的温度变化。每次均待电压(OCV)恢复后再对残余容量进行低倍率(0.2C)放电到2.75V后再充电。把按以上方法进行充放电性能整理在表1中。

实施例2：

除了正极尺寸改为52mm*42mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极采用120层，负极121层，隔膜122层外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池2#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例3：

除了正极尺寸改为75mm*58mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极、负极和隔膜层数分别改为60层、61层和62层以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池3#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例4：

除了正极尺寸改为107mm*70mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池4#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例5：

除了正极尺寸改为113mm*58mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极、负极和隔膜层数分别改为40层、41层和42层以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池5#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例6：

除了正极尺寸改为150mm*58mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极、负极和隔膜层数分别改为30层、31层和32层以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池6#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例7：

除了正极尺寸改为261mm*100mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极、负极和隔膜层数分别改为10层、11层和12层以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池7#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例8：

除了正极尺寸改为218mm*80mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极、负极和隔膜层数分别改为15层、16层和17层以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池8#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例9：

除了正极尺寸改为180mm*58mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极、负极和隔膜层数分别改为25层、26层和27层以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池9#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例10：

除了正极尺寸改为225mm*58mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm，正极、负极和隔膜层数分别改为20层、21层和22层以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池10#，其测量结果同样列举于表1中。

实施例11：

除了正极尺寸改为187mm*40mm，负极长宽尺寸分别在正极基础上增加2mm，隔膜在负极基础上增加2mm以外，其它一切都与实施例1相同而制作了本实用新型的电池11#，其测量结果同样列举于表1中。

表1：

从表1的结果可清楚地知道：叠片锂离子电池正极片的长度H，宽度W，单片正极表面积S和电芯厚度T满足下式：0.3≤W/H≤0.8，并且0.1/mm≤T/S≤0.2/mm时，明显对电池的容量发挥，内阻的降低和成品率的提高都是很有效的。在0.2≤W/H≤0.9，0.01/mm≤T/S≤1.7/mm范围内，随着W/H的趋近于0.2和趋近于0.9，电池内阻升高，容量略有下降；随着T/S趋近于0.01和1.7，电池内阻升高，容量下降并且电池成品率也急速下降。

Claims

1.一种倍率型锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和非水电解液，其中正极由铝箔集流体和涂覆在其两面的涂层(1)构成，负极由铜箔集流体和涂覆在其两面的涂层(1)构成，其特征在于：所述正极和负极上的涂层(1)均为间歇涂层，而在铝箔集流体或铜箔集流体空白处均安装有极耳(2)。

2.如权利要求1所述的一种倍率型锂离子电池，其特征在于：其中单片正极片的长度为H，宽度为W，表面积为S，组成的叠片锂离子电池电芯厚度为T，并且满足0.3≤W/H≤0.8并且0.1/mm≤T/S≤0.2/mm。

3.如权利要求1或2所述的一种倍率型锂离子电池，其特征在于：组成的叠片锂离子电池按照隔膜、负极极片、隔膜、正极极片、隔膜、负极极片的循环顺序依次叠放而成，其中正极和负极的极耳(2)均由5-150层铝箔组成，并且正极和负极的极耳(2)数量遵循负极极耳(2)数等于正极极耳(2)数加1的关系。

4.如权利要求1或2所述的一种倍率型锂离子电池，其特征在于：其中隔膜采用陶瓷隔膜、编织物隔膜或微孔合成树脂隔膜。