CN204927432U - 一种圆柱形锂离子动力电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种圆柱形锂离子动力电池，正极片和负极片的光箔区分别位于电池的两端，正极片的敷料区与负极片的敷料区相重合，正极片和负极片的光箔区宽度分别为5-10mm，正极片的光箔区与正极导流盘的一端焊接，正极导流盘的另一端与正极盖帽焊接，正极片与外壳之间设置有绝缘垫片，负极片的光箔区与负极导流盘的一端焊接，负极导流盘的另一端与外壳底部焊接。本实用新型显著降低了电池内阻，降低了电池在大电流放电时局部极化的可能性，使电池在大电流放电时因极化导致的压降和温升较小，满足了大电流放电的要求，确保电池具有高能量密度、高电压和高安全使用性能的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及能源技术领域，具体说是一种圆柱形锂离子动力电池。
背景技术
随着社会的不断发展，许多设备与工具对电池要求不断提高，例如电动自行车、电动摩托车、电动车等在使用时，特别是在启动、爬坡时需提供大电流放电。
传统圆柱形锂离子电池的结构主要是盖帽、外壳、电解液、电芯，电芯由正极片、负极片和隔膜构成，正极极耳与负极极耳分别焊接在正、负极片的边缘，或者也有焊在中间或带双极耳的方式，这种电池在小电流放电时，电池的内阻对放电能量影响不明显，但在大电流放电时极化严重，温度急剧升高，导致电池压降大，放电能量较低，降低了锂离子电池高能量密度、高电压的优势。由于该类设计结构电池内阻大，在大电流放电时电池温度升高，较易引起电池的使用性能变差，存在严重的安全隐患。因此，如何解决动力电池高内阻、大电流放电升温问题，成为本领域技术人员研究的重要课题。
专利号为CN202178322U的中国专利公开了“一种全极耳引流电池”，以及专利号为CN202178323U的中国专利公开了“一种全极耳圆柱电池”，这两种电池都采用了全极耳式正、负极，即在正极集流体(通常为铝箔)上涂布正极浆料时在边缘预留一部分不涂布浆料的侧面(光箔区，宽度为15mm)作为正极极耳，在负极集流体(通常为铜箔)上涂布负极浆料时在边缘预留一部分不涂布浆料的侧面(光箔区，宽度为15mm)作为负极极耳。组装电池时，正极极耳和负极极耳分别焊接在正负极导电柱上、正负极导电片上、正负极导电环上或外壳上。上述电池具有较高的比能量(达到70Wh/kg)和比功率(达到3000W/kg)，但电池高内阻和大电流放电升温问题仍然没有得到很好的解决。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种圆柱形锂离子动力电池，解决现有圆柱形锂离子电池内阻大，在大电流放电时，电池压降快，放电能量低，温升高，且存在安全隐患等技术问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案一为：
一种圆柱形锂离子动力电池，包括正极盖帽、外壳、电解液、电芯、正极导流盘和负极导流盘，所述电芯包括全极耳式正极片、全极耳式负极片和隔膜，正极片和负极片的光箔区分别位于电池的两端，正极片的敷料区与负极片的敷料区相重合，正极片和负极片的光箔区宽度分别为5-10mm，正极片的光箔区与正极导流盘的一端焊接，正极导流盘的另一端与正极盖帽焊接，正极片与外壳之间设置有绝缘垫片，负极片的光箔区与负极导流盘的一端焊接，负极导流盘的另一端与外壳底部焊接。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案二为：
一种圆柱形锂离子动力电池的制作工艺，包括：
(1)正极片的制备：以N-二甲基吡咯烷酮为溶剂，颗粒粒径D50分布在6-9μm之间的镍钴锰酸锂为正极活性物质，超级导电碳黑和碳纳米管为导电剂，分子量在20-120万之间的聚偏氟乙烯均聚物为粘结剂，上述组分的质量比为镍钴锰酸锂∶碳纳米管∶超级导电碳黑∶聚偏氟乙烯均聚物∶N-二甲基吡咯烷酮＝96.5∶1.5∶0.5∶1.5∶40～45，先将聚偏氟乙烯均聚物充分溶解于N-二甲基吡咯烷酮中，然后将碳纳米管及超级导电碳黑加入充分混合，再将镍钴锰酸锂加入充分搅拌混合，均匀搅拌4-5h后真空除泡，得到粘度为5000-8000cP的浆料，然后将配制好的浆料均匀涂布于厚度在12-25μm之间的集流体铝箔上，涂布时在集流体铝箔的一端留出5-10mm的光箔区，经干燥、辊压及分切后，得到正极片；
(2)负极片的制备：以水为溶剂，颗粒粒径D50分布在10-20μm之间的人造石墨为负极活性物质，超级导电碳黑为导电剂，丁苯橡胶乳与羧甲基纤维素钠的混合物作为粘结剂，上述组分的质量比为人造石墨∶超级导电碳黑∶羧甲基纤维素钠∶丁苯橡胶乳∶水＝94.8∶2∶1.2∶2∶130，先将羧甲基纤维素钠均匀分散于水中，再分多次加入到预先混合好的超级导电碳黑和人造石墨的混合粉中，搅拌均匀后加入丁苯橡胶乳再次搅拌，均匀后真空除泡，然后将配制好的浆料均匀涂布于厚度在8-16μm之间的集流体铜箔上，涂布时在集流体铝箔的一端留出5-10mm的光箔区，经干燥、辊压及分切后，得到负极片；
(3)电解液的制备：采用溶有1mol/L的LiPF6和体积比为EC∶EMC∶DMC＝3∶3∶4的混合溶剂的溶液；
(4)隔膜的制备：采用表面涂覆有3-4um陶瓷的厚度为25μm的聚乙烯膜；
(5)卷绕：将正极片、负极片和隔膜卷绕成极组，卷绕时正极片和负极片的光箔区分别位于两端，同时保证负极片的敷料区包住正极片的敷料区，电极直径为24.95-25.15mm；
(6)揉片：将卷绕后的卷芯进行揉片；
(7)端面焊：将揉片后的卷芯进行端面焊，正极片的光箔区和负极片的光箔区分别焊接正极导流盘和负极导流盘；
(8)套绝缘垫片：将端面焊后的卷芯的正极导流盘的上部套上绝缘垫片；
(9)点底焊：将套了绝缘垫片的卷芯套上外壳，将负极导流盘与外壳底部焊接后进行滚槽；
(10)注液：将滚槽后的电芯烘烤后注入电解液，注液后将正极导流盘与正极盖帽焊接，焊接后进行封口，得到圆柱形锂离子动力电池。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用全极耳式正、负极，并对动力电池的构造、正负极光箔区和敷料区的分布及宽度、以及焊接方式进行调整，从而显著降低了电池内阻，降低了电池在大电流放电时局部极化的可能性，使电池在大电流放电时因极化导致的压降和温升较小，满足了大电流放电的要求，确保电池具有高能量密度、高电压和高安全使用性能的优点。同时，本实用新型提供的制作工艺简单，便于批量生产。
附图说明
图1所示为本实用新型实施方式的圆柱形锂离子动力电池的结构示意图。
图2所示为本实用新型实施方式的圆柱形锂离子动力电池的极片结构示意图。
图3所示为现有的双极耳圆柱形锂离子动力电池的极片结构示意图。
图4所示为本实用新型与现有的双极耳圆柱形锂离子动力电池的1C放电曲线对比图。
图5所示为本实用新型与现有的双极耳圆柱形锂离子动力电池的2C放电曲线对比图。
图6所示为本实用新型与现有的双极耳圆柱形锂离子动力电池的3C放电曲线对比图。
图7所示为本实用新型与现有的双极耳圆柱形锂离子动力电池的4C放电曲线对比图。
标号说明：
1-正极盖帽；2-外壳；3-电芯；3.1-正极片；3.2-负极片；3.3-绝缘垫片；3.4-正极导流盘；3.5-负极导流盘；4-隔膜。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本实用新型最关键的构思在于：采用全极耳式正、负极，并对动力电池的构造、正负极光箔区和敷料区的分布及宽度、以及焊接方式进行调整。
具体的，请参照图1以及图2，本实用新型实施方式的圆柱形锂离子动力电池，包括正极盖帽1、外壳2、电解液、电芯3、正极导流盘3.4和负极导流盘3.5，所述电芯3包括全极耳式正极片3.1、全极耳式负极片3.2和隔膜4，正极片3.1、负极片3.2均呈卷筒状，置于外壳2内，正极片3.1与负极片3.2间采用隔膜4隔开，正极片3.1和负极片3.2的光箔区分别位于电池的两端，正极片3.1的敷料区与负极片3.2的敷料区相重合，正极片3.1和负极片3.2的光箔区宽度分别为5-10mm，正极片3.1的光箔区与正极导流盘3.4的一端焊接，正极导流盘3.4的另一端与正极盖帽1焊接，正极片3.1与外壳2之间设置有绝缘垫片3.3，负极片3.2的光箔区与负极导流盘3.5的一端焊接，负极导流盘3.5的另一端与外壳2底部焊接。
在现有技术中，正极片3.1与负极片3.2的光箔区宽度通常为15mm，光箔区和敷料区的分布及宽度对电池性能的影响并不为人所知，而且正极片3.1与负极片3.2的光箔区焊接导流盘后通常与电池两端的盖帽(正极盖帽和负极盖帽)或同时与外壳2连接，由此得到的电池虽然具有较高的比能量和比功率，但电池内阻仍然在9.0-11.0毫欧之间，4C放电电池表面温度在60℃以上，电池内阻高和大电流放电升温问题仍然没有得到很好的解决。本实用新型经研究发现，将正极片3.1与负极片3.2的光箔区分设于电池的两端并分别与正极盖帽1和外壳2底部焊接(正极片3.1与外壳2之间设置有绝缘垫片3.3以防短路)，以及控制正极片3.1和负极片3.2的光箔区宽度在5-10mm之间，正极片3.1的敷料区与负极片3.2的敷料区相重合(组装电池时表现为负极片3.2的敷料区包住正极片3.1的敷料区)，可以将电池内阻控制在3.5-4.5毫欧之间，4C放电电池表面温度控制在55℃以下，大幅降低了电池内阻和电池在大电流放电时因极化导致的压降和温升，从而满足了大电流放电的要求，并且所得到的电池在3C放电循环500次容量保持率可达80％以上，4C与1C放电容量的比值分别可达93％以上，均通过3C/10V过充电，130℃/30min热冲击，短路，挤压等破坏性实验，因此具有高能量密度、高电压和高安全性能的优点。
进一步的，为了降低电池内阻，减少电池压降和温升，提高电池的使用性能和安全性能，本实用新型对电池的涂布浆料、电解液、隔膜4及负极导流盘3.5的焊接方式也进行了优化组合与改进，具体如下：
所述正极片3.1的敷料区上涂布的浆料由溶剂、正极活性物质、导电剂和粘结剂组成，所述溶剂为N-二甲基吡咯烷酮，所述正极活性物质为颗粒粒径D50分布在6-9μm之间的镍钴锰酸锂，所述导电剂为超级导电碳黑和碳纳米管(CNT)，所述粘结剂为分子量在20-120万之间的聚偏氟乙烯均聚物，上述组分的质量比为镍钴锰酸锂∶碳纳米管∶超级导电碳黑∶聚偏氟乙烯均聚物∶N-二甲基吡咯烷酮＝96.5∶1.5∶0.5∶1.5∶40～45。
所述负极片3.2的敷料区上涂布的浆料由溶剂、负极活性物质、导电剂和粘结剂组成，所述溶剂为水，所述负极活性物质为颗粒粒径D50分布在10-20μm之间的人造石墨，所述导电剂为超级导电碳黑，所述粘结剂为丁苯橡胶乳与羧甲基纤维素钠的混合物，上述组分的质量比为人造石墨∶超级导电碳黑∶羧甲基纤维素钠∶丁苯橡胶乳∶水＝94.8∶2∶1.2∶2∶130。
所述电解液为溶有1mol/L的LiPF6和体积比为EC∶EMC∶DMC＝3∶3∶4的混合溶剂的溶液。
所述隔膜4为表面涂覆有3-4μm陶瓷的厚度25μm的聚乙烯膜。
所述正极导流盘3.4与负极导流盘3.5分别为导电柱、导电片或导电环。
所述负极导流盘3.5上设置有二个以上的锥体状沉孔，负极导流盘3.5通过所述锥体状沉孔与外壳2底部焊接。通过设置二个以上的锥体状沉孔，可实现一次焊接二个以上的点(优选两到七个点)，有利于自动化生产。
通过上述优化组合与改进，本实用新型制得的圆柱形锂离子动力电池的内阻可进一步降低至3.0-3.5毫欧，电池在大电流放电时的放电瞬间电压及放电容量和倍率也得到了显著提升，具体可参照图4-图7所示。
以下以容量为5500mAh的26100S圆柱形锂离子动力电池的制作工艺为例加以说明，电池的结构如图1所示，电池的制作工艺按如下方法进行实施：
实施例1
正极的制备：以N-二甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，颗粒粒径D50分布在6-9μm之间的镍钴锰酸锂(NCM)为正极活性物质，超级导电碳黑(Super-P)和碳纳米管为导电剂，分子量在20-120万之间的聚偏氟乙烯均聚物(PVDF)为粘结剂，NMP的使用量根据磷酸铁锂的粒径大小、粒度分布不同进行添加，其浆料粘度控制范围为5000-8000cP，上述各组分的质量百分比为：NCM∶CNT∶Super-P∶PVDF∶NMP＝96.5∶1.5∶0.5∶1.5∶40～45。首先将PVDF充分溶解于NMP中，然后将碳纳米管及超级导电碳黑加入充分混合，再将镍钴锰酸锂加入充分搅拌混合，快速均匀搅拌4-5h后真空除泡，最后将配制好的浆料均匀涂布于厚度在12-25μm之间的集流体铝箔上，涂覆时在集流体铝箔的一端留出5-10mm光箔区，经干燥、辊压及分切，完成正极片的制作。制得的正极片3.1结构如图2所示。
负极的制备：以H2O为溶剂，颗粒粒径分布在10-20μm之间的人造石墨(中间相碳微球MCMB)为负极活性物质，超级导电碳黑(Super-P)为导电剂，水性粘结剂丁苯橡胶乳(SBR)与羧甲基纤维素钠(CMC)的混合物为粘结剂，水的用量根据使用的石墨的粒径大小、粒度分布不同进行添加，其添加比例在100-120之间，上述各组分的质量百分比为：人造石墨∶Super-P∶CMC∶SBR∶H2O＝94.8∶2∶1.2∶2∶130。首先将CMC均匀的分散于H2O中，然后分多次加入到预先混合好的超级导电碳黑和石墨混合粉中，搅拌均匀后加入SBR再次搅拌，均匀后抽真空除泡，最后将配制好的浆料均匀涂布于厚度在8-16μm之间的集流体铜箔上，涂覆时在集流体铝箔的一端留出5-10mm光箔区，经干燥、辊压及分切，完成负极片的制作。制得的负极片3.2结构如图2所示。
电解液使用溶有1mol/L的LiPF6和体积比为3:3:4的EC+EMC+DMC混合溶剂的溶液。
隔膜4采用表面涂覆有3-4um陶瓷的厚度为25μm的聚乙烯膜。
卷绕：将分切好的正、负极片(3.1、3.2)和隔膜4卷绕成极组，卷绕时正、负极片(3.1、3.2)的光箔区分别位于两端，同时保证负极敷料区包住正极敷料区，电极直径为24.95-25.15mm。
揉片：将卷绕后的卷芯进行揉片，揉片的尺寸达到要求。
端面焊：将揉片后的卷芯进行端面焊，正、负极光箔区揉片后分别焊正、负极导流盘(3.4、3.5)。
套绝缘垫片：将端面焊后的卷芯正极导流盘3.4上部套上绝缘垫片3.3，以防短路。
点底焊：套了绝缘垫片的卷芯套上外壳2后进行负极点底焊，即，将负极导流盘3.5与外壳2底部焊接，然后进行滚槽。
滚槽后的电芯烘烤后注入上述电解液，注液后将正极导流盘3.4与正极盖帽1焊接，焊接后进行封口，得到圆柱形锂离子动力电池，如图1所示。
对比例1
正极的制备：正极配料同实施例1正极配料，将配制好的浆料均匀涂布于厚度在12-25μm之间的集流体铝箔上，经干燥、辊压及分切，分切后进行极耳点焊，极耳为宽度2-20mm的铝带，极耳个数为2，即完成正极片的制作。制得的正极片结构如图3所示。
负极的制备：负极配料同实施例1负极配料，将配制好的浆料均匀涂布于厚度在8-16μm之间的集流体铜箔上，经干燥、辊压及分切，分切后进行极耳点焊，极耳为宽度2-20mm的镍带、铜镍复合带或铜带，极耳个数为2，即完成负极片的制作。制得的负极片结构如图3所示。
电解液同实施例1，使用溶有1mol/L的LiPF6和体积比为3∶3∶4的EC+EMC+DMC混合溶剂的溶液。
隔膜同实施例1，采用表面涂覆有3-4um陶瓷的厚度为25μm的聚乙烯膜。
卷绕：将分切好的正、负极极片和隔膜卷绕成极组；
套绝缘垫片：将卷芯靠近盖帽的一端套上绝缘片，正极极耳穿过绝缘片槽，以防短路；
点底焊：套了绝缘垫片的卷芯套上外壳后进行负极点底焊，即，将负极极耳与外壳焊接，然后进行滚槽；
滚槽后的电芯烘烤后注入上述电解液，注液后将正极极耳与盖帽焊接，焊接后进行封口，完成电池制作。
将上述实施例1和对比例1制得的电池进行以下测试：
(1)内阻值测试
实施例1的内阻值为3.0-3.5毫欧，对比例1的内阻值为9.0-11.0毫欧。两者对比可以看出，本实用新型的电池内阻明显低于现有技术的电池内阻。
(2)倍率测试
将实施例1与对比例1的电池进行倍率测试对比，均使用5.5A恒流恒压充电至4.2V，再使用11A、16.5A及22A电流放电，然后比较放电电压时间曲线及容量，如图4-图7所示。
从图4-图7可以看出：
a、大电流放电时，实施例1的电池放电时放电瞬间电压明显高于对比例1；
b、1.0C、2.0C、3.0C及4.0C对应的放电容量，实施例1的电池对应的容量分别为5675.05mAh、5637.51mAh、5619.84mAh及4865.09mAh，4C/1.0C的倍率为94.42％；对比例1的电池对应的容量分别为5605.59mAh、5578.85mAh、5162.70mAh及4033.33mAh，4C/1.0C的倍率为71.95％。
通过上述对比可以看出，本实用新型的电池相比现有技术的电池，其放电瞬间电压及放电容量和倍率得到了显著提升，具有高能量密度和高电压性能。
(3)安全测试
将实施例1与对比例1的电池分别进行过充电、热冲击、短路和挤压实验，实验结果表明，本实用新型的电池可顺利通过3C/10V过充电、130℃/30min热冲击、短路、挤压等破坏性实验，具有高安全使用性能。
综上所述，本实用新型提供的圆柱形锂离子动力电池及其制作工艺，可显著降低电池内阻和电池在大电流放电时局部极化的可能性，使电池在大电流放电时因极化导致的压降和温升较小，满足了大电流放电的要求，确保电池具有高能量密度、高电压和高安全使用性能的优点。同时，本实用新型提供的制作工艺简单，便于批量生产。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种圆柱形锂离子动力电池，包括正极盖帽、外壳、电解液、电芯、正极导流盘和负极导流盘，所述电芯包括全极耳式正极片、全极耳式负极片和隔膜，其特征在于：正极片和负极片的光箔区分别位于电池的两端，正极片的敷料区与负极片的敷料区相重合，正极片和负极片的光箔区宽度分别为5-10mm，正极片的光箔区与正极导流盘的一端焊接，正极导流盘的另一端与正极盖帽焊接，正极片与外壳之间设置有绝缘垫片，负极片的光箔区与负极导流盘的一端焊接，负极导流盘的另一端与外壳底部焊接。
2.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子动力电池，其特征在于：所述隔膜为表面涂覆有3-4μm陶瓷的厚度25μm的聚乙烯膜。
3.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子动力电池，其特征在于：所述正极导流盘与负极导流盘分别为导电柱、导电片或导电环。
4.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子动力电池，其特征在于：所述负极导流盘上设置有二个以上的锥体状沉孔，负极导流盘通过所述锥体状沉孔与外壳底部焊接。
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