CN203883085U - 一种叠片式圆柱形锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种叠片式圆柱形锂离子电池，该电池的结构包括电池正极端盖、电池电芯和电池壳；其中，所述电池电芯的组成包括正极极耳、正极并联引带、绝缘保护套、负极焊接引片、负极极片、正极极片和隔膜；负极极片以蛇形弯曲折叠，且负极极片的正反两面均被隔膜包住；在相邻的两层负极极片之间是两层隔膜，在上述两层隔膜之间插入一层正极极片。本实用新型通过叠片式电芯结构消除了当前技术中电芯内部空心区域，提高了相同规格电池壳对电芯的容纳量，进而提高了电池总体容量。
Description
技术领域
本实用新型涉及锂离子电池领域，涉及一种锂离子电池结构，特别是涉及一种圆柱形锂离子电池电芯的结构及其制作方法。
背景技术
随着信息电器化时代不断推进，各式各样的移动电器设备在人们的日常生活中的应用越来越广，同时人们环保意识的不断提高，一种能满足大众需求且性能优良的移动电源成为关键所在。锂离子电池是时代高科技的产物，因其具有高比容量、高电压、安全可靠、绿色环保等性能成为现代高性能电池的代表。现有的圆柱形锂离子电池，主要是由卷绕制成的电芯和圆柱形钢壳装配而成。其中，电芯由正极极片、隔膜、负极极片三者经卷绕而成。这样做成的电芯存在一些不足，主要问题在于：
1，因电芯由钢针卷绕而成，这就导致了电芯的中心部位势必会出现一定的空心区域，也即中心无效空间。中心无效空间的存在，一定程度上限制了单体电池容量的进一步提高；
2，电芯制作过程中，为保证正、负极极片对正，且不短路和便于加工，一般隔膜的宽度会比负极极片宽度略宽2mm左右，比正极极片略宽4mm左右。这种设计，无疑在电芯的两端出现一定无效空间，致使电池的容量受到进一步限制；
3，传统电芯因卷绕而成，因隔膜导热性差，使电芯外卷层给内卷层加上了多层保温层，导致在使用过程中，因充电、放电产生的热量很难由电芯内部导出，致使电芯易出现局部高温区；一方面由于电芯本身直径较大使热量不易快速导出。另一方面，由于电芯热量升高，使得电芯自身内阻增加，导致电芯内部大量的电能转化为热能，使得电池进一步产热。综合以上两种原因，势必给电池的使用带来极大地安全隐患，也从一定程度上减短了电池寿命，影响了锂离子电池各项性能的高效发挥。
鉴于此，实有必要设计一种新的圆柱型锂离子电池结构、电芯结构以解决上述技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对当前技术的不足，提供一种叠片式圆柱形锂离子电池。本实用新型通过叠片式电芯结构消除了当前技术中电芯内部空心区域，提高了相同规格电池壳对电芯的容纳量，进而提高了电池总体容量。
本实用新型的技术方案为：
一种叠片式圆柱形锂离子电池，该电池的结构包括电池正极端盖、电池电芯和电池壳；其中，电池电芯竖直装入电池壳内，且电池电芯的底端与电池壳的底端内侧通过锡焊连接；电池正极端盖盖住电池壳的上端开口，电池电芯的正极极耳焊接在正极端盖的正极盖帽上。
所述正极端盖的组成包括金属盖帽、绝缘垫圈、压力弹簧、绝缘垫和压力杆；所述正极 端盖的各部分的连接关系如下：
金属盖帽的边缘被绝缘垫圈包住，金属盖帽下部内侧装有绝缘垫；绝缘垫下部内侧装有压力弹簧，压力弹簧的下端装有压力杆；
所述电池电芯的组成包括正极极耳、正极并联引带、绝缘保护套、负极焊接引片、负极极片、正极极片和隔膜；
所述电池电芯的各部分的连接关系如下：
负极极片以蛇形弯曲折叠，且负极极片的正反两面均被隔膜包住；在相邻的两层负极极片之间是两层隔膜，在上述两层隔膜之间插入一层正极极片；每一层正极极片均被焊接到正极并联引带上，使得各层正极极片之间并联起来；正极并联引带的上端焊接有正极极耳；在最底一层负极极片的下面焊接有负极焊接引片；经折叠好的电池电芯柱被绝缘保护套完全包住；
所述的负极极片的蛇形弯曲折叠具体为：将负极极片按顺序首先从第一层极片先正向折叠180°，再从第二层极片反向折叠180°，再从第三层极片正向折叠180°，以此类推组成连续叠片结构；
所述的电池壳为一端开口，另一端完全封闭，且电池壳内底焊有焊接引片。
所述的电池壳为圆柱形筒状结构，每层的正极极片和负极极片均为圆形。
所述的正极极片的直径比负极极片的直径小1mm。
所述的电池部件的材质优选为：
金属盖帽与电池外壳均采用合金钢；正极并联引带和正极极耳均采用铝带；正极集流体采用16μm厚的铝箔；负极集流体采用9μm厚的铜箔；隔膜采用12μm厚的聚乙烯隔膜。
本实用新型的有益效果为：
1.提高电池容量；
电池电芯采用叠片式，无电芯中心的中心无效空间，也没有电芯两端的无效空间，这就在很大程度上提高了电池壳内部空间的有效使用率。使得其空间的有效使用率由传统的90％上升到最大可达96％以上。由实例1、实例2、实例3可以看出，同种极片同样的制备环境，18650型磷酸铁锂电池，卷绕式电池的平均容量为1468.63mAh，叠片式电池的平均容量为1734.63mAh，叠片式比卷绕式平均高出265.4mAh，约占卷绕式总容量的18.07％；18650型三元材料电池，卷绕式电池的平均容量为2226.7mAh，叠片式电池的平均容量为2656.8mAh，叠片式比卷绕式平均高出430.1mAh，约占卷绕式总容量的19.32％；18650型锰酸锂电池，卷绕式电池的平均容量为1271.7mAh，叠片式电池的平均容量为1391.2mAh，叠片式比卷绕式平均高出119mAh，约占卷绕式总容量的9.39％。综上对比，相比卷绕式圆柱状电池，叠片式圆柱状电池在容量上有了较大优势。而且随电池正极材料自身容量性能的提高，叠片式在容量方面的优势更加明显，故叠片式圆柱形电池在高容量电池领域有较大发展前景。
2.提高电池自身的导热性能；
一般聚烯烃类有机材料的导热系数为0.48W/m2k，铜的导热系数为400W/m2k左右，铝的导热系数为220W/m2k左右。不考虑正负极活性物质涂布层的情况下，卷绕式电芯，由内到位被若干层隔膜、铝箔、铜箔交替包裹，低导热性能的隔膜无疑给电芯包上了层层保护层， 进而阻碍了热量在电池内的传递。电池电芯采用叠片方式，电芯内部每一叠片层均可同电池壳最紧密接触，使得在充、放电过程中产生的热量可以快速地从电池内导出，在一定程度上避免了热集中现象，从而增强了电池整体的安全可靠性，同时也保证了电池其他性能的优良发挥。
附图说明
图1显示本实用新型一种叠片式圆柱形锂离子电池结构的正面剖视图。
图中，1.正极端盖，2.电芯，3.电池壳。
图2显示本实用新型一种叠片式圆柱形锂离子电池结构的正极端盖示意图。
图中，101.金属盖帽，102.绝缘垫圈，103.压紧弹簧，104.绝缘垫，105.压力杆。
图3显示本实用新型一种叠片式圆柱形锂离子电池结构的电芯结构的示意图。
图中，201.正极极耳，202.正极并联引带，203.绝缘保护套，204.负极焊接片，205.负极极片，206.正极极片，207.隔膜。
图4显示本实用新型一种叠片式圆柱形锂离子电池结构叠片层结构示意图。
图中，205.负极极片，206.正极极片，207.隔膜。
图5显示本实用新型一种叠片式圆柱形锂离子电池结构的各叠片形状和相对大小示意图。
图中，205.负极极片，206.正极极片，207.隔膜，其中N表示垫片的数量。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
请参阅图1至图5。须知，本实施方式的内容仅作为具体实验的说明，并非对保护范围的限定。
如图1所示，本实用新型一种叠片式圆柱形锂离子电池结构，包括电池正极端盖1、电池电芯2和电池壳3；其中，电池电芯2竖直装入电池壳3内，且电池电芯2的底端与电池壳3的底端内侧通过锡焊连接；电池正极端盖1盖住电池壳3的上端开口，将电池电芯2封闭在电池壳内，电池电芯2的正极极耳201焊接在正极端盖1的正极盖帽101上。
如图2所示，所述正极端盖1的组成包括金属盖帽101、绝缘垫圈102、压力弹簧103、绝缘垫104和压力杆105。所述正极端盖1的各部分的连接关系如下：
金属盖帽101的边缘被绝缘垫圈102包住，绝缘垫圈102起到使正极盖帽101与电池壳2绝缘的作用；金属盖帽101内侧装有绝缘垫104，绝缘垫104的作用是绝缘正极盖帽101和压力弹簧103；绝缘垫104的内侧装有压力弹簧103，压力弹簧103的下端装有压力杆105，压力弹簧103和压力杆的作用是固定电池电芯2在电池壳3中的位置以及压紧电池电芯2中各层叠片。
所述电池电芯2的结构如图3所示，所述电池电芯2的组成包括正极极耳201、正极并联联引带202、绝缘保护套203、负极焊接引片204、负极极片205、正极极片206和隔膜207。
所述电池电芯2的各部分的连接关系如下：
负极极片205以蛇形弯曲折叠，且负极极片205的正反两面均被隔膜207包住；在相邻的两层负极极片之间是两层隔膜，在上述两层隔膜之间插入一层正极极片206，其中隔膜起到防止负极极片与正极极片之间短路的作用，以及离子选择性透过的作用；每一层正极极片均被焊接到正极并联引带202上，使得各层正极极片之间并联起来；正极并联引带202的上端焊接有正极极耳201，正极极耳201的作用是连接正极并联引带202和金属盖帽101；在最底一层负极极片的下面焊接有负极焊接引片204，焊接引片的作用是连接负极极片与电池壳；经折叠好的电池电芯柱被绝缘保护套203完全包住，绝缘保护套203起到电池电芯2与电池壳3之间的绝缘作用。
所述的负极极片205的蛇形弯曲折叠具体为：将负极极片按顺序首先从第一层极片先正向折叠180°，再从第二层极片反向折叠180°，再从第三层极片正向折叠180°，以此类推组成连续叠片结构；(一般18650型电池的电芯高度可取61mm。)
如图4所示，电池电芯中负极极片205、正极极片206、隔膜207三种叠片层的结构示意图。
如图5所示，电池电芯中负极极片205、正极极片206、隔膜207三者形状及相对大小的示意图。
所述的电池壳3为圆柱形筒状结构(材质为钢壳)，其一端开口，另一端完全封闭，且电池壳内底焊有焊接引带。
以18650型锂离子电池为例，本实用新型所述的叠片式圆柱形锂离子电池的制作方法，包括以下步骤：
首先，先用隔膜207将负极极片205正反两面紧密包住，以蛇形折叠，使用冲裁机将折叠好的负极极片205和隔膜207裁成直径相同的圆柱，每相邻两层之间有2mm；另使用冲裁机将正极极片206裁成直径为单独圆片；将冲裁好的正极极片206，一片一片地插入到上述所有相邻的负极极片205之间的两层隔膜207之间，使之成为一个圆柱体；使用压紧装置将上述圆柱体压紧，使用两条正极并联引带202依次将每一层正极极片经焊接的方式并联起来；所述正极极片的并联方式是，每一层正极极片的焊接位置是正极极片同负极极片的折叠处相对应的位置，任意两层最近邻正极极片的焊接位置分别位于电芯两侧。，并在正极并联引带202的最上端焊接上正极极耳201，裸露极耳使用高温胶带包裹起来，仅预留末端少许焊接点；之后，将上述裸圆柱状电池电芯使用绝缘保护套203完全包裹起来，使之成为柱体备用。
所述的正极极片的直径比负极极片的直径少1mm，本实用新型的以18650型电池为例的负极极片的直径为17mm；
其次，将电池电芯与电池壳相焊接。将上述圆柱状电池电芯放入电池壳中，使圆柱状电池电芯的底端同电池壳内底紧密接触，给电池壳底稍加温度(150℃瞬时温度)，使得电池壳内底焊锡层与圆柱状电池电芯底端的负极焊接引片焊接成一体即可，之后对电池壳进行滚槽，并在烘箱中80℃烘干24h，待用。
以下操作均在手套箱中进行。
最后，注电解液、焊正极端盖以及封装。将上述装有电芯的电池壳放入手套箱，使用激 光焊或者超声焊将正极极耳焊接到正极金属盖帽上；将上述焊接好正极端盖的半成品电池正立，并向电池壳中注入适量电解液，抽真空3～5次，以便电解液完全浸润电芯；将完成注电解液操作的半成品电池，在冲床上将正极端盖与电池壳封装在一起(正极端盖中的绝缘垫圈电池壳接触)，使得电池壳内部成为一独立空间。到此，完成全部电池的制备过程。(电池壳3的内径为17.5mm)
电池部件的材质选择：
金属盖帽101与电池外壳3均采用合金钢；
正极并联引带202和正极极耳201均采用铝带；负极极耳采用镍带。
正极集流体采用16μm厚的铝箔；
负极集流体采用9μm厚的铜箔；
隔膜采用12μm厚的聚乙烯隔膜；
实施例1 18650型磷酸铁锂正极材料电池的制备
正极配比：945g的LiFePO4+7g的PVDF(5130)+2gSuper_p+2gKS_6；使用制浆机，先加入1200g的NMP，再依次加入7g的PVDF(5130)高速搅拌3h、2g的Super_p和2g的KS_6高速搅拌3h、945g的LiFePO4高速搅拌4h。
搅拌好的正极浆料在涂布机上对正极集流体进行涂布工艺操作，制得单面面密度150g/m2，双面面密度300g/m2的正极极片。将上述涂布好的正极极片经对辊机辊压，以制得压实达2.3g/cm3的正极极片，此时极片的厚度为146μm(铝箔的厚度为16μm)，待用。
负极配比：958.5的负极活性物质+5.4g的SBR(固含量50％)+3.6gCMC+2g的Super_p；使用制浆机，先加入500g的去离子水，再依次加入3.6gCMC高速搅拌3h、2g的Super_p高速搅拌2h、958.5g的负极活性物质高速搅拌4h、5.4gSBR(固含量50％)高速搅拌1h。
搅拌好的负极浆料在涂布机上对负极集流体进行涂布工艺操作，制得单面面密度72g/m2，双面面密度144g/m2的负极极片。将上述涂布好的负极极片经对辊机辊压，以制得压实达1.5g/cm3的负极极片，此时负极极片的厚度为105μm(铜箔厚度9μm)，待用。
将隔膜和上述制备好的正极极片、负极极片，按照上文中所述的叠片式圆柱形锂离子电池的制作方法制作成18650型电池。其中，负极极片、隔膜的直径为17mm，正极极片直径为16mm，隔膜厚度12。按照圆柱形电芯高61mm计算，电芯柱内可插入220个正极极片，有效面积约为44233mm2。
取上述负极极片、正极极片经卷绕制成的电芯，制作成18650型电池。其中，负极极片尺寸为58mm*715mm(一般工厂采用)，正极极片的尺寸为56mm*650mm(一般工厂采用)，有效面积约为36400mm2，同叠片式电芯的有效面积相比较，约小7833mm2，有效面积提高约21.5％。
实验结果如表1所示：
表1
实施例2 18650型三元正极材料材料电池的制备
正极配比：991g的三元正极材料+5g的PVDF(5130)+2g的Super_p+2g的KS_6；使用制浆机，先加入550g的的NMP，再依次加入5g的PVDF(5130)高速搅拌3h、2g的Super_p和2g的KS_6高速搅拌3h、991g的三元正极材料高速搅拌4h。
搅拌好的正极浆料在涂布机上进行涂布工艺操作，制得单面面密度173g/m2，双面面密度345g/m2的正极极片。将上述涂布好的正极极片经对辊机辊压，以制得压实达3.55g/cm3的正极极片，此时极片的厚度为106μm(铝箔的厚度为16μm)，待用。
负极配比：958.5g的负极活性物质+5.4g的SBR(固含量50％)+3.6gCMC+2g的Super_p；使用制浆机，先加入500g的的去离子水，再依次加入3.6g的CMC高速搅拌3h、2g的Super_p高速搅拌2h、958.5g的负极活性物质高速搅拌4h、5.4g的SBR(固含量50％)高速搅拌1h。
搅拌好的负极浆料在涂布机上进行涂布工艺操作，制得单面面密度106g/m2，双面面密度213g/m2的负极极片。将上述涂布好的负极极片经对辊机辊压，以制得压实达1.6g/cm3的负极极片，此时负极极片的厚度为142μm(铜箔厚度9μm)，待用。
将隔膜和上述制备好的正极极片、负极极片，按照上文中所述的叠片式圆柱形锂离子电池的制作方法制作成18650型电池。其中，负极极片、隔膜的直径为17mm，正极极片直径为16.5mm。
将隔膜和上述制备好的正极极片、负极极片，按照上文中所述的叠片式圆柱形锂离子电池的制作方法制作成18650型电池。其中，负极极片、隔膜的直径为17mm，正极极片直径为16mm，隔膜厚度12。按照圆柱形电芯高61mm计算，电芯柱内可插入220个正极极片，有效面积约为44233mm2。
取上述负极极片、正极极片经卷绕制成的电芯，制作成18650型电池。其中，负极极片尺寸为58mm*715mm(一般工厂采用)，正极极片的尺寸为56mm*650mm(一般工厂采用)，有效面积约为36400mm2，同叠片式电芯的有效面积相比较，约小7833mm2，有效面积提高约21.5％。
实验结果如表2所示：
表2
实施例3 18650型锰酸锂正极材料电池的制备
正极配比：945g的锰酸锂+7g的PVDF(5130)+2g的Super_p+2g的KS_6；使用制浆机，先加入正极粉料总重量600g的NMP，再依次加入7g的PVDF(5130)高速搅拌3h、2g的Super_p和2g的KS_6高速搅拌3h、945g的LiFePO4高速搅拌4h。
搅拌好的正极浆料在涂布机上进行涂布工艺操作，制得单面面密度212g/m2，双面面密度423g/m2的正极极片。将上述涂布好的正极极片经对辊机辊压，以制得压实达3.1g/cm3的正极极片，此时极片的厚度为152μm(铝箔的厚度为16μm)，待用。
负极配比：958.5g的负极活性物质+5.4g的SBR(固含量50％)+3.6g的CMC+2g的Super_p；使用制浆机，先加入500g的去离子水，再依次加入3.6g的CMC高速搅拌3h、2g的Super_p高速搅拌2h、958.5g的负极活性物质高速搅拌4h、5.4g的SBR(固含量50％)高速搅拌1h。
搅拌好的负极浆料在涂布机上进行涂布工艺操作，制得单面面密度79g/m2，双面面密度160g/m2的负极极片。将上述涂布好的负极极片经对辊机辊压，以制得压实达1.5g/cm3的负极极片，此时负极极片的厚度为115μm(铜箔厚度9μm)，待用。
将隔膜和上述制备好的正极极片、负极极片，按照上文中所述的叠片式圆柱形锂离子电池的制作方法制作成18650型电池。其中，负极极片、隔膜的直径为17mm，正极极片直径为16mm，隔膜厚度12。按照圆柱形电芯高61mm计算，电芯柱内可插入200个正极极片，有效面积约为42012mm2。
取上述负极极片、正极极片经卷绕制成的电芯，制作成18650型电池。其中，负极极片尺寸为58mm*715mm(一般工厂采用)，正极极片的尺寸为56mm*650mm(一般工厂采用)，有效面积约为36400mm2，同叠片式电芯的有效面积相比较，约小3812mm2，有效面积提高约10.5％。
实验结果如表3所示：
表3
本实用新型电芯采用叠片式设计，使得电池壳内空间得到极大利用，使得其空间利用率由普通的90％～92％上升到最高可达98％以上。同时，由于正、负极、隔膜均采用横向平铺方式，使得各折叠层最大可能的与电池壳接近，有效的提高了电池电芯内部同电池外界环境的热交换作用，极大地提高了电池的热安全性能，间接地保障了其他电池电化学性能的高效发挥。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型精神及范畴下，对上述实施例进行修饰和改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
本实用新型未尽事宜为公知技术。
Claims (4)
1.一种叠片式圆柱形锂离子电池，其特征为该电池的结构包括电池正极端盖、电池电芯和电池壳；其中，电池电芯竖直装入电池壳内，且电池电芯的底端与电池壳的底端内侧通过锡焊连接；电池正极端盖盖住电池壳的上端开口，电池电芯的正极极耳焊接在正极端盖的正极盖帽上；
所述正极端盖的组成包括金属盖帽、绝缘垫圈、压力弹簧、绝缘垫和压力杆；所述正极端盖的各部分的连接关系如下：
金属盖帽的边缘被绝缘垫圈包住，金属盖帽下部内侧装有绝缘垫；绝缘垫下部内侧装有压力弹簧，压力弹簧的下端装有压力杆；
所述电池电芯的组成包括正极极耳、正极并联引带、绝缘保护套、负极焊接引片、负极极片、正极极片和隔膜；
所述电池电芯的各部分的连接关系如下：
负极极片以蛇形弯曲折叠，且负极极片的正反两面均被隔膜包住；在相邻的两层负极极片之间是两层隔膜，在上述两层隔膜之间插入一层正极极片；每一层正极极片均被焊接到正极并联引带上，使得各层正极极片之间并联起来；正极并联引带的上端焊接有正极极耳；在最底一层负极极片的下面焊接有负极焊接引片；经折叠好的电池电芯柱被绝缘保护套完全包住；
所述的负极极片的蛇形弯曲折叠具体为：将负极极片按顺序首先从第一层极片先正向折叠180°，再从第二层极片反向折叠180°，再从第三层极片正向折叠180°，以此类推组成连续叠片结构；
所述的电池壳为一端开口，另一端完全封闭，且电池壳内底焊有焊接引带。
2.如权利要求1所述的叠片式圆柱形锂离子电池，其特征为所述的电池壳为圆柱形筒状结构，每层的正极极片和负极极片均为圆形。
3.如权利要求1所述的叠片式圆柱形锂离子电池，其特征为所述的正极极片的直径比负极极片的直径小1mm。
4.如权利要求1所述的叠片式圆柱形锂离子电池，其特征为所述的电池部件的材质优选为：
金属盖帽与电池外壳均采用合金钢；正极并联引带和正极极耳均采用铝带；正极集流体采用16μm厚的铝箔；负极集流体采用9μm厚的铜箔；隔膜采用12μm厚的聚乙烯隔膜。
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