CN203733899U - 卷绕式锂离子电芯 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种卷绕式锂离子电芯，其包括间隔卷绕的阴极片、阳极片和间隔于相邻阴、阳极片之间的隔离膜，每层阴极片、隔离膜和阳极片都包括位于中间的平直部和位于两侧的弯曲部，且每层阴极片、阳极片的弯曲部都为未涂布活性物质膜片的空白集流体。本实用新型卷绕式锂离子电芯通过在两侧设置空白集流体，保证了弯曲部处完全不存在因极片反弹而产生的应力集中，从而有效地避免了软包装电池的变形问题。
Description
技术领域
本实用新型属于锂离子电池领域，更具体地说，本实用新型涉及一种可有效避免软包装电池变形问题的卷绕式锂离子电芯。
背景技术
锂离子电池自上世纪90年代开发成功以来，由于具有比能量高、工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染和安全性能好等优点，现已广泛用做移动通讯设备、便携式计算机、照相机、摄像机等电子设备的电源，并逐步替代传统电池应用在航空、航天、航海、卫星、医疗设备及军用通讯设备领域中，其中，软包装锂离子电池依靠灵活多变的结构设计、良好的安全性能和优秀的密封技术博得了锂离子电池需求厂商的青睐。
卷绕式锂离子电池在卷绕其电芯时，随着卷绕的进行，层与层之间的间隙是由小到大的，越靠近电芯两侧转弯处的极片与极片贴合越紧密，卷绕应力也越大，而朝着电芯中心方向的两侧转弯处的极片相对较为疏松，应力也较小。当电池进行充放电循环测试时，边缘两侧的极片膨胀产生的较大应力会导致电芯发生波浪形扭曲，进而严重变形。钢壳、铝壳电池由于受到较硬的外壳制约，较小的电芯膨胀不会导致电池变形，而软包装电池采用的是铝塑包装袋，电芯的较小膨胀和变形都会造成较大的电池变形，不仅给电池带来厚度、平整度等方面的不利影响，而且严重地影响了电池性能和安全使用。
有鉴于此，确有必要提供一种可有效避免软包装电池变形问题的卷绕式锂离子电芯。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提供一种可有效避免软包装电池变形问题的卷绕式锂离子电芯，以改善软包装电池的变形问题。
为了实现上述发明目的，本实用新型提供了一种卷绕式锂离子电芯，其包括间隔卷绕的阴极片、阳极片和间隔于相邻阴、阳极片之间的隔离膜，每层阴极片、隔离膜和阳极片都包括位于中间的平直部和位于两侧的弯曲部，且每层阴极片、阳极片的弯曲部都为未涂布活性物质膜片的空白集流体。
作为本实用新型卷绕式锂离子电芯的一种改进，所述每层阴极片、阳极片弯曲部处的空白集流体的实际长度Ln为理论值Ln’的95％～105％，其中，Ln’＝π*Tn-1/2，Ln为第n层空白集流体的实际长度，Ln’为第n层空白集流体的理论长度，π为圆周率常数，Tn-1为第n-1层裸电芯的厚度，n代表电芯层数。考虑到制造公差及为防止析锂而使阳极膜片的长度大于相邻阴极膜片的长度等影响因素，每层弯曲部处空白集流体的长度Ln应与理论值Ln’存在±5％的差值，即Ln在Ln’的95％～105％范围内。
作为本实用新型卷绕式锂离子电芯的一种改进，所述隔离膜间隔于相邻阴、阳极片的弯曲部处的空白集流体之间。
作为本实用新型卷绕式锂离子电芯的一种改进，所述阴极片的平直部集流体上涂布有阴极活性物质膜片，阳极片的平直部集流体上涂布有阳极活性物质膜片，其中，阳极活性物质膜片的长度大于相邻层阴极活性物质膜片的长度。
作为本实用新型卷绕式锂离子电芯的一种改进，所述阴极片的集流体为铝箔。
作为本实用新型卷绕式锂离子电芯的一种改进，所述阳极片的集流体为铜箔。
与现有技术相比，本实用新型卷绕式锂离子电芯通过在两侧设置空白集流体，保证了弯曲部处完全不存在因极片反弹而产生的应力集中，从而有效地避 免了软包装电池的变形问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型卷绕式锂离子电芯及其有益效果进行详细说明，其中：
图1为本实用新型卷绕式锂离子电芯的结构示意图。
图2实施例和对比例对应锂离子电芯循环测试曲线图。
图3实施例和对比例对应锂离子电芯循环膨胀变形率图。
具体实施方式
为了使本实用新型的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本实用新型，并非为了限定本实用新型。
请参阅图1所示，本实用新型卷绕式锂离子电芯包括：间隔卷绕的阴极片12、阳极片16和间隔于相邻阴阳极片之间的隔离膜14，隔离膜14用于将相邻的阴阳极片12、16绝缘并保持电解液。阴极片12包括采用铝箔制作的阴极集流体122和附着在阴极集流体122上的阴极活性物质膜片124，阳极片16包括采用铜箔制作的阳极集流体162和附着在阳极集流体162上的阳极活性物质膜片164，隔离膜14则为采用塑化、萃取工艺制成的微孔薄膜，以有利于隔离膜对含有锂盐的有机溶剂电解液的保持。
由于卷绕式锂离子电芯的外部轮廓大致为跑道形，因此每层的阴极片12、隔离膜14和阳极片16都包括位于中间的平直部和位于两侧的弯曲部128、148、168。为了避免电芯卷绕后转弯处的膜片经充放电过程膨胀产生水平方向应力集中而导致电池扭曲变形，本实用新型卷绕式锂离子电芯的阴阳极片12、16都仅在平直部上涂布活性物质膜片124、164，弯曲部128、148、168则都为未涂布 活性物质膜片的空白集流体。为保证电芯安全，每层阳极活性物质膜片164的长度大于相邻层阴极活性物质膜片124的长度。
由于每层弯曲部128、148、168的长度可由公式Ln’＝π*Tn-1/2(其中，L为空白集流体长度，π为圆周率常数，T为裸电芯厚度，n代表电芯层数；每层裸电芯的厚度是由固定的阴极片、阳极片和间隔于相邻阴、阳极片之间的隔离膜厚度相加得到的)近似计算，因此本实用新型卷绕式锂离子电芯所使用的阴阳极片12、16都必须是经过准确设计膜片间隙然后涂布，或是连续涂布后再对应清洗弯曲部128、148、168位置所涂覆的活性物质膜片124、164，而达到设计要求的极片。另外，考虑到制造公差及为防止析锂而使阳极膜片的长度大于相邻阴极膜片的长度等影响因素，每层弯曲部128、148、168的实际长度Ln可与理论值Ln’存在±5％的差值，即Ln在Ln’的95％～105％范围内。
实施例
按照本实用新型卷绕式锂离子电芯的结构制备锂离子电池：电芯层数为4，其中按层数卷绕好的裸电芯的厚度分别记为T0、T1、T2、T3、T4；第0层电芯厚度T0即卷芯最内层未涂覆活性物质的空白集流体层的厚度、隔膜厚度和Tab厚度相加，阳极集流体铜箔的厚度为0.008mm，阴极集流体铝箔的厚度为0.012mm，PE隔膜的厚度为0.012mm，Tab厚度0.08mm，则T0＝0.124mm；那么T1等于T0加上两层隔膜厚度以及有涂覆活性物质的阴极片、阳极片各一层的厚度，即T1＝T0+2*0.012+0.118+0.135＝0.401mm；以此类推，可计算得到T2、T3、T4，而空白集流体的长度记为L，利用公式Ln＝π*Tn-1/2计算每一层电芯空白集流体的长度。如L1＝3.14*T0/2，L1＝3.14*0.124/2＝0.2mm，依此类推可计算得到L2、L3、L4、L5长度。
根据计算所得长度控制活性物质间歇涂覆时的间距；涂覆、干燥、冷压得到待卷绕的阳极片和阴极片；将阳极片、隔膜、阴极片卷绕得到锂离子电芯。
对比例
与实施例不同的是，涂覆活性物质时不需间歇涂覆。
性能测试：
将上述对比例和实施例所得卷绕式锂离子电芯的外面包裹上包装薄膜，之后向包装薄膜内注入电解液，经过抽真空、密封即可分别得到锂离子电池A和锂离子电池B。
(1)过充电测试，取对比例A和实施例B电池各64个，使用0.7C充电电流恒流充电至4.2V，然后恒压充电至0.05C，静置2小时后，继续使用0.1C充电电流恒流充电5小时结束测试，通过目检统计每组电池的变形数量，得到表1的变形率对比结果。其中：变形率＝变形电芯数/总电芯数×100％，组别A代表对比例电池变形数量统计结果，变形率为15.63％，说明该组电池存在一定的变形风险；而组别B代表实施例电池变形数量统计结果，变形率为0.00％，证明实施例有效地避免了软包装电池的变形问题。
表1 实施例和对比例对应锂离子电池的变形测试
| 组别 | 变形数量 | 实验样品数量 | 变形率 |
| 对比例 | 10 | 64 | 15.63％ |
| 实施例 | 0 | 64 | 0.00％ |
表2 实施例和对比例对应锂离子电池的循环膨胀性能
| 组别 | 电池厚度膨胀均值 | 电池厚度膨胀公差 |
| 对比例 | 6.5％ | 0.74％ |
| 实施例 | 5.2％ | 0.16％ |
(2)高温循环寿命测试，取对比例A和实施例B电池各5个，在45度环境中静置5min；然后以0.7C充电电流充电至4.2V，再恒压充电至0.05C，静置5min，继续以0.5C放电电流放电至3.0V，静置5min；重复以上充放电流程直到完成400周循环测试，结果如图2所示，通过该循环寿命测试展示了对比例A组与实施例B组锂离子电池并无差别，说明本实用新型结构并未影响电芯的循环性 能。在此循环测试的过程中，同时监控并记录了每100周循环电芯在满充状态时的变形情况以及厚度膨胀情况，如表2和图3所示，其中：电池厚度膨胀均值＝测试样品电池膨胀值总和/测试样品总数×100％，对电池厚度膨胀求公差得到电池厚度膨胀公差。对比例A组电芯从循环100周开始到完成400周循环测试结束时膨胀比例均大于实施例B组电芯，而且在循环结束时的第400周，对比例A组电芯有两只存在程度不同的变形，这证明实施例通过优化卷绕式锂离子电池结构，降低了电池在循环过程中的膨胀，有效避免了软包装电池的变形问题。
通过以上描述和实验数据可知，本实用新型卷绕式锂离子电芯从力学原理上入手，通过对电芯结构进行分析，使用卷绕转弯处预留间隙的极片进行卷绕，从而保证了电芯两侧的弯曲部处完全不存在因极片反弹而产生的应力集中，生产时只需考虑电芯宽度与包装膜之间的间隙配合，即可有效地避免软包装电池的变形问题。
根据上述说明书的揭示和教导，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适当的变更和修改。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修改和变更也应当落入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 (6)
1.一种卷绕式锂离子电芯，其包括间隔卷绕的阴极片、阳极片和间隔于相邻阴、阳极片之间的隔离膜，每层阴极片、隔离膜和阳极片都包括位于中间的平直部和位于两侧的弯曲部，其特征在于：所述每层阴极片、阳极片的弯曲部都为未涂布活性物质膜片的空白集流体。
2.根据权利要求1所述的卷绕式锂离子电芯，其特征在于：所述每层阴极片、阳极片弯曲部处的空白集流体的实际长度Ln为理论值Ln’的95％～105％，其中，Ln’＝π*Tn-1/2，Ln为第n层空白集流体的实际长度，Ln’为第n层空白集流体的理论长度，π为圆周率常数，Tn-1为第n-1层裸电芯的厚度，n代表电芯层数。
3.根据权利要求1所述的卷绕式锂离子电芯，其特征在于：所述隔离膜间隔于相邻阴、阳极片的弯曲部处的空白集流体之间。
4.根据权利要求1所述的卷绕式锂离子电芯，其特征在于：所述阴极片的平直部集流体上涂布有阴极活性物质膜片，阳极片的平直部集流体上涂布有阳极活性物质膜片，其中，阳极活性物质膜片的长度大于相邻层阴极活性物质膜片的长度。
5.根据权利要求3所述的卷绕式锂离子电芯，其特征在于：所述阴极片的集流体为铝箔。
6.根据权利要求3所述的卷绕式锂离子电芯，其特征在于：所述阳极片的集流体为铜箔。
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