CN205810932U - 具有螺旋状的缠绕结构的锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有螺旋状的缠绕结构的锂离子电池，其中带状正电极和带状负电极与至少一个以无限带形式提供的塑料隔板被加工成带状电极‑隔板复合体。在卷轴的最后的外部绕卷与紧接在其之下的绕卷之间构造有材料决定的连接。

Description

具有螺旋状的缠绕结构的锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种用于制造具有缠绕结构的锂离子电池的方法以及一种这样制造的电池。

背景技术

在公知的二次（可再充电）电池组中，尤其是锂离子电池组实现了相对高的能量密度。锂离子电池组在许多情况下包含由多个单电池构成的电池堆（堆）。尤其是具有高容量的电池组替代于包含电池堆也经常包含所谓的缠绕电池，所述缠绕电池包括缠绕形式的条或带状电极。具有缠绕形式电极的纽扣电池例如在WO 2010/146154 A2中以及在WO 2010/089152 A1中予以了描述。

通常，具有缠绕结构的二次电池具有缠绕复合体，所述缠绕复合体由带状电极和隔板以正电极/隔板/负电极的顺序构成。这样的电池常常作为具有如下可能的顺序的所谓双电池来制造：负电极/隔板/正电极/隔板/负电极或者正电极/隔板/负电极/隔板/正电极。在此，电极通常分别包括金属排流体以及电化学活性成分和电化学非活性成分。

作为电化学活性成分（常常亦称活性材料）常常针对二次锂离子电池组考虑可吸收和再次放出锂离子的全部材料。关于此，现有技术对于负电极而言尤其是碳基材料、如石墨碳，或者能够用于锂的插入的非石墨碳材料。此外，也可以使用可与锂合金的金属和半金属材料、或者由这样的材料与例如碳基材料构成的复合物。对于正电极而言，尤其是可以考虑锂金属氧化物化合物和锂金属磷酸盐化合物、如LiCoO₂和LiFePO₄。

作为电化学非活性成分，首先可以列举电极粘合剂和所提到的排流体。通过排流体，电子被输送到电极或从电极排出。电极粘合剂保证电极的机械稳定性，并且负责由电化学活性材料制成的颗粒彼此之间以及与排流体的接触。此外，落入该概念的尤其是还有导电剂、即例如炭黑。

作为隔板，尤其是可以考虑例如由聚烯烃制成或由聚醚酮制成的多孔塑料膜。

为了制造用于缠绕电池的电极，包括所提到的电化学活性成分、以及电极粘合剂并且必要时包括导电剂的膏体通常以薄层形式被涂敷到电排流体上、被干燥并被置于所期望的适宜形状。通常，这些层在干燥以后被辊压和挤压。这样形成的电极彼此组合以及与一个或多个隔板组合。为此，电极例如可以被层压到隔板上。优选地使用作为无限带存在的隔板。

所产生的通常具有所提到的顺序之一的电极-隔板复合体然后被缠绕、更确切地说通常被缠绕到缠绕芯轴或缠绕芯上。在大多预定义次数的绕卷（在此，一次绕卷被理解成复合体围绕缠绕芯轴或缠绕芯的每次完整转动）以后，例如借助于机械切割或冲裁过程将所形成的卷轴与复合体的其余部分分开。

电流到所形成电极卷轴中的输送或从所形成的电极卷轴中的导出大多通过例如可在端面侧从所形成的卷轴突出的排流接线柱进行。排流接线柱与排流体电接触或者是其一部分。

为了将缠绕的卷轴束紧，在这类方法中，通常将由聚酰亚胺制成（例如由聚酰亚胺薄膜（Kapton）制成）的环形带施加到最外部的绕卷上。该环形带至少在一侧是有粘接能力的，并且通过这种方式将卷轴束紧。但是，这样的实施方案的缺点是，粘接带需要可用卷轴之外的空间，导致附加的材料成本并且在制造时需要用于施加聚酰亚胺薄膜带的专门装备。

发明内容

因此，本发明的任务是设置一种用于制造具有缠绕结构的锂离子电池的方法，其中不出现刚才提到的缺点。此外，本发明的任务是，设置一种借助于这样的方法所制造的电池。

根据本发明，这通过根据权利要求1所述的方法以及根据权利要求10所述的电池来实现。有利的扩展方案可以从相应从属权利要求中得知。权利要求书的内容是通过明确参考说明书内容做出的。

本发明涉及一种用于制造具有缠绕结构的锂离子电池的方法，其中带状正电极和带状负电极与至少一个以无限带形式提供的塑料隔板被加工成带状电极-隔板复合体，其中隔板被布置在相反极性的电极之间。复合体被螺旋状地缠绕在缠绕芯轴或缠绕芯上，并且在缠绕过程结束以后，在卷轴的最后的外部绕卷（具有最大半径的绕卷）与处于其之下的绕卷、尤其是紧接在其之下的绕卷（具有第二大半径的绕卷）之间形成材料决定的连接。

在根据本发明的方法中可以放弃由聚酰亚胺制成的环形带。更确切的说，已经在卷轴的绕卷之间构造所提到的材料决定的连接。因此，借助于根据本发明的方法可靠地避免了在开头参考聚酰亚胺薄膜带描述的缺点。

所描述的方法尤其是用于制造具有缠绕结构的小型电池，如其可以安装在根据开头提到的WO 2010/146154 A2和WO 2010/089152A1所述的纽扣电池中。

在该方法中，优选地使用已经从现有技术中公知的电极-隔板复合体之一，其中隔板被布置在相反极性的电极之间。复合体——如从现有技术中公知的那样——被缠绕在缠绕芯轴或缠绕芯上、更确切地说优选地在相应缠绕机中进行缠绕。在缠绕过程结束以后，进行所形成的卷轴的分离。

所使用的复合体优选地如参考现有技术所描述的那样、即通过如下方式来制造：用合适的膏体涂布优选带状排流体，必要时干燥、辊压和/或挤压所产生的带状电极，以及将所形成的电极彼此、以及与至少一个塑料隔板相组合。

用于制造锂离子电池组的正电极和负电极的合适膏体从现有技术中充分已知。作为锂离子电池组的负电极的电极膏体的示例，可以列举一种膏体，其包括：合适的溶剂和/或分散剂，作为电化学活性材料的石墨颗粒，电极粘合剂、如羧甲基纤维素钠，以及必要时导电添加剂。用于正电极的膏体除了合适的溶剂和/或分散剂以外例如作为电化学活性材料还可以包括钴酸锂、以及同样包括电极粘合剂和导电添加剂。

优选地将至少两个塑料隔板加工成具有如下层顺序的复合物：

/正电极/隔板/负电极，和/或

/负电极/隔板/正电极。

所述至少一个隔板优选地由热塑性塑料构成、例如由聚烯烃或聚醚酮构成。用于电池组的塑料隔板在许多实施方式中是商业上可获得的。所述至少一个塑料隔板优选地以无限带形式提供。

电极之内的排流体通常以平面形成物形式、例如网状或栅格状存在。也可以使用由金属制成的纤维网或多孔泡沫。对于正电极，例如可以使用由铝制成的集流体，对于负电极使用由铜制成的集流体。

特别优选地，卷轴的外部绕卷仅仅由至少一个塑料隔板形成。换言之，外部绕卷仅仅由至少一个塑料隔板构成并且不再具有电极活性材料或排流体。

此外，在另一优选实施方式中，还有紧接在外部绕卷之下的绕卷的至少一个子区段、优选整个绕卷仅仅由至少一个隔板构成。

这样的实施方式例如可以通过如下方式形成：使所述至少一个隔板在与电极形成复合体时在末端处突出（例如通过及时停止输送电极带），使得隔板的长度超过卷轴中电极的长度至少一个绕卷、优选两个或更多个绕卷。由电极和隔板构成的带状复合体可以相应地被划分成具有电极的第一长度区段和末端处的仅仅由所述至少一个隔板构成的第二长度区段，其中在卷轴中，由具有电极的第一长度区段形成内部绕卷，并且由末端处的区段形成外部绕卷或外面的绕卷。

根据一个特别优选的实施方式，借助于热熔合形成材料决定的连接。也就是说，卷轴的外部绕卷和处于其之下的绕卷、尤其是紧接在其之下的绕卷彼此熔合。通过这种方式，可以特别有利地构造直接的材料决定的连接。

热熔合优选地借助于激光束进行。激光束能够实现到材料的局部特别高的能量输入，这在快速的方法实施的情况下能够实现精确和可靠的熔合。

根据一个替代于此或也可与之组合的实施方案，热熔合借助于工具来进行，该工具被升温到构成所述至少一个隔板的材料的熔点以上的温度上。该工具例如可以是一定数目的滚动的密封钳口（Siegelbacken）。

在优选实施方式中，热熔合可以超出卷轴的外部绕卷的末端地进行，使得不仅外部绕卷与紧接在其之下的绕卷材料决定地连接，而且紧接在其之下的绕卷与又紧接在其之下的绕卷材料决定地连接。该方法变形方案的背景是，卷轴具有外面的自由端，并且不容易自动化地确定该自由端的位置。在该实施方式中，没有必要精确识别该自由端。

附加于或替代于所述熔合，材料决定的连接也可以通过将粘性材料施加到外部绕卷的内侧和/或紧接在其之下的绕卷的外侧来实现。粘性材料例如可以是将绕卷在硬化后束紧的粘接剂。特别合适的是可通过辐射硬化的粘接剂，因为在该粘接剂的情况下，硬化可以大大加速。

材料决定的连接的形成、尤其是热熔合优选地沿着锯齿形或波浪形路径进行。因此，在卷轴的宽度上实现了保持效果的良好分布，而不必在平的区段上构造该连接。线形连接足以实现所期望的强度。

材料决定的连接优选地被构造为与电极-隔板复合体的相应纵向边缘间隔开、尤其是与所述至少一个隔板的纵向边缘间隔开。这例如可以是指，材料决定的连接被构造为处于电极-隔板复合体的中间和/处于围绕中间定义的、未占据电极-隔板复合体的全部宽度的假想带之内。

此外，本发明涉及一种借助于根据本发明的方法制造的具有缠绕结构的锂离子电池。借助于这样的电池，可以将参考根据本发明的方法描述的优点用于该电池。在此，可以动用该方法的所有更上面描述的实施方案和变型方案。所阐述的优点相应地适用。

附图说明

专业人员从下面参考附图描述的实施例中得知另外的特征和优点。

在此：

图1示出了根据现有技术的具有缠绕结构的电池的示意性横截面图；

图2示出了根据本发明的卷轴的透视图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的电池100的示意性横截面图。该电池具有金属壳斗部分101和金属盖板部分102。通过密封体109将两个部分101、102密封地彼此连接。它们一起形成具有平坦底部区域103和与其平行的平坦盖板区域104的壳体。在使用状态下，这些平坦区域103、104形成电池的极，在所述极处可以由负载进行电流提取。壳斗部分101的边缘110被向内折边到盖板部分102的边缘上。

在电池100的内部布置有由第一条状正电极105、第二条状负电极106和条状隔板107构成的复合体。在此，由电极105、106以及隔板107构成的电极-隔板复合体以卷轴形式存在，该卷轴以其端面邻接平坦的底部区域103以及与其平行的平坦的盖板区域104。复合体被缠绕到电池100中心处的芯108上。芯108以及围绕其缠绕的电极105、106和隔板107都被定向为正交于平坦的底部区域和盖板区域103、104。如果电极105、106在充电或放电过程中获得或失去体积，则在此导致的机械力主要在径向上起作用并且可以被纽扣电池100的外罩区域承受。

为了束紧电池100的卷轴，在电极-隔板复合体的自由端之上粘接聚酰亚胺薄膜带112。但是该聚酰亚胺薄膜带消耗电池100之内的附加空间。

能够理解，为了更好的描绘，在图1中仅仅示出了卷轴的小数目个绕卷。典型的电池具有明显更多的绕卷，以便保证高容量。

图2示出了与图1的卷轴类似的卷轴，但是该卷轴根据本发明的一个实施例来实施。在此，盖板部分102和壳斗部分101以及芯108未被示出。

在此可以识别，从卷轴的内部出发，首先超出多个绕卷地分别遵循如下顺序：第一电极105、隔板107、第二电极106、隔板107。从点117起，仅仅两个隔板107被继续引导。电极105、106在此终止。因此，卷轴的外部绕卷仅仅由隔板形成。自由端115是两个隔板107的如下末端：该末端在展开卷轴时首先被拿起并且被从卷轴的其余部分去除。

最外面的绕卷和处于其之下的绕卷的隔板107沿着线120熔合。线120借助于激光来实施。该线具有锯齿形状并且环绕整个卷轴延伸一圈。通过这种方式，沿着线120将隔板107材料决定地彼此连接。这保证：卷轴整个被束紧。

可以放弃附加的聚酰亚胺薄膜带或用于将卷轴保持为其所期望形状的另外措施。这节省了工作步骤、时间和空间。因此，卷轴总体上可以更大地被实施并且允许更大的容量。此外，能够实现更便宜的制造。

Claims (9)

1.具有螺旋状的缠绕结构的锂离子电池(100)，其中带状正电极和带状负电极(105,106)与至少一个以无限带形式提供的塑料隔板（107）被加工成带状电极-隔板复合体，其中隔板（107）被布置在相反极性的电极（105，106）之间，其特征在于，在卷轴的最后的外部绕卷与处于其之下的绕卷之间构造有材料决定的连接。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，卷轴的外部绕卷、以及优选还有紧接在其之下的绕卷的至少一个子区段由所述至少一个隔板（107）形成。

3.根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于，借助于热熔合构造材料决定的连接。

4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，热熔合借助于激光束进行。

5.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，借助于一定数目的滚动的密封钳口来进行热熔合。

6.根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于，为了构造材料决定的连接，将粘性材料施加到外部绕卷的内侧和/或紧接在其之下的绕卷的外侧上。

7.根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于，材料决定的连接沿着锯齿形或波浪形路径（120）来形成。

8.根据权利要求4或5所述的电池，其特征在于，热熔合超出外部卷轴的末端地进行，使得不仅外部绕卷与紧接在其之下的绕卷材料决定地连接，而且紧接在其之下的绕卷与又紧接在其之下的绕卷材料决定地连接。

9.根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于，材料决定的连接与电极-隔板复合体的纵向边缘间隔开地构造。