CN205828578U - 二次电池卷绕式电芯 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种二次电池卷绕式电芯，其包括第一极片、第二极片和隔离膜，第一极片和第二极片层叠后卷绕，隔离膜间隔于相邻的第一极片和第二极片之间；隔离膜卷绕起始层和隔离膜卷绕次层均为双层膜结构；所述隔离膜卷绕起始层的两层膜均位于第一极片卷绕起始层和第一极片卷绕次层之间，隔离膜卷绕次层的两层膜以及第二极片卷绕起始层均位于第一极片卷绕起始层背向卷绕中心的一面。与现有技术相比，本实用新型二次电池卷绕式电芯既减少了隔离膜的用量，又提高了电芯在厚度方向上的利用率，从而减少了电芯能量密度的损失。
Description
技术领域
本实用新型属于二次电池领域，尤其涉及一种二次电池卷绕式电芯。
背景技术
随着锂离子二次电池商业化的发展，市场对电芯的能量密度要求越来越高。请参阅图1，在常规卷绕式电芯的卷绕起始段，通常是先空卷两层隔离膜90，然后再在两层隔离膜90之间插入阳极极片92、最后插入阴极极片94进行后续卷绕。但是，这种卷绕方式的电芯卷绕中心往往含有4层彼此贴合的隔离膜90，这不但造成了隔离膜90的浪费，而且空卷的隔离膜90与阴极极耳940、阳极极耳920在电芯厚度方向T上重叠，降低了电芯在厚度方向T上的利用率，导致了电芯能量密度的损失。
有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述技术问题的二次电池卷绕式电芯。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提供一种隔离膜用量少、能量密度高的二次电池卷绕式电芯。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种二次电池卷绕式电芯，其包括：第一极片、第二极片和隔离膜，第一极片和第二极片层叠后卷绕，隔离膜间隔于相邻的第一极片和第二极片之间；
所述隔离膜包括隔离膜卷绕起始层、与隔离膜卷绕起始层相连的隔离膜首次卷绕弧和与隔离膜首次卷绕弧相连的隔离膜卷绕次层，第一极片包括第一极片卷绕起始层和与第一极片卷绕起始层相连的第一极片首次卷绕弧，第二极片包括第二极片卷绕起始层和与第二极片卷绕起始层相连的第二极片首次卷绕弧；隔离膜卷绕起始层和隔离膜卷绕次层均为双层膜结构；
其特征在于：所述隔离膜卷绕起始层的两层膜均位于第一极片卷绕起始层和第一极片卷绕次层之间，隔离膜卷绕次层的两层膜以及第二极片卷绕起始层均位于第一极片卷绕起始层背向卷绕中心的一面。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第一极片首次卷绕弧与隔离膜首次卷绕弧位于电芯宽度方向上的相反端，第二极片首次卷绕弧与第一极片首次卷绕弧位于电芯宽度方向上的相同端；第二极片卷绕起始层位于隔离膜卷绕次层的两层膜之间。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第一极片包括第一集流体、涂覆在第一集流体至少一个表面上的第一活性物质层和电连接在第一集流体上的第一极耳；第二极片包括第二集流体、涂覆在第二集流体至少一个表面上的第二活性物质层和电连接在第二集流体上的第二极耳。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第一极耳和第二极耳在电芯宽度方向上错开一段距离以确保在电芯厚度方向上无重叠；在电芯厚度方向上，隔离膜卷绕起始层与第一极耳、第二极耳均重叠，或是仅与第一极耳、第二极耳中的一个重叠，或是与第一极耳、第二极耳均无重叠。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第一极片卷绕起始层和第二极片卷绕起始层均为未涂覆活性物质层的双面空白集流体，第一极耳和第二极耳分别焊接在第一极片卷绕起始层和第二极片卷绕起始层的集流体上；隔离膜卷绕起始层在电芯厚度方向上仅与第一极耳、第二极耳中的一个重叠。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述隔离膜卷绕起始层还连接有在电芯宽度方向上回折的自然回折段；在电芯厚度方向上，自然回折段与隔离膜卷绕起始层重叠，但却不与第一极耳、第二极耳中的任何一个重叠。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第一活性物质层设有露出空白第一集流体的第一极耳凹槽，第一极耳固定在第一极耳凹槽中；所述第一极耳凹槽为贯穿极片宽度方向的长凹槽或未贯穿极片宽度方向的短凹槽，长凹槽两面封闭、两面开口，短凹槽三面封闭、一面开口。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第二活性物质层设有露出空白第二集流体的第二极耳凹槽，第二极耳固定在第二极耳凹槽中；所述第二极耳凹槽为贯穿极片宽度方向的长凹槽或者未贯穿极片宽度方向的短凹槽，长凹槽两面封闭、两面开口，短凹槽三面封闭、一面开口。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第一极片为阳极极片，第二极片为阴极极片；第一活性物质层设有露出空白第一集流体的第一极耳凹槽，第一极耳固定在第一极耳凹槽中，第一极耳凹槽为未贯穿极片宽度方向的短凹槽，短凹槽三面封闭、一面开口；第二活性物质层设有露出空白第二集流体的第二极耳凹槽，第二极耳固定在第二极耳凹槽中，第二极耳凹槽为贯穿极片宽度方向的长凹槽，长凹槽两面封闭、两面开口。
作为本实用新型二次电池卷绕式电芯的一种改进，所述第一极片为阳极极片，第二极片为阴极极片。
与现有技术相比，本实用新型二次电池卷绕式电芯将第一极片卷绕起始层插入隔离膜卷绕起始层和隔离膜卷绕次层之间，使得电芯卷绕中心的隔离膜比现有卷绕方式减少两层。因此，既减少了隔离膜的用量，又提高了电芯在厚度方向上的利用率，从而减少了电芯能量密度的损失。同时，本实用新型二次电池卷绕式电芯可以实现自动化生产，大大提高了生产效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型二次电池卷绕式电芯及其有益技术效果进行详细说明。
图1为现有二次电池卷绕式电芯的结构示意图。
图2为本实用新型二次电池卷绕式电芯第一实施方式的结构示意图。
图3为本实用新型二次电池卷绕式电芯第二实施方式的结构示意图。
图4为本实用新型二次电池卷绕式电芯第三实施方式的结构示意图。
图5为本实用新型二次电池卷绕式电芯的卷绕过程示意图。
图6和图7为本实用新型二次电池卷绕式电芯第一至第三实施方式可以采用的两种极耳连接结构示意图。
图8为本实用新型二次电池卷绕式电芯第四实施方式的结构示意图。
图9为本实用新型二次电池卷绕式电芯第五实施方式的结构示意图。
图10为本实用新型二次电池卷绕式电芯第六实施方式的结构示意图。
图11为本实用新型二次电池卷绕式电芯第七实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，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，并不是为了限定本实用新型。
请参阅图2至图5，本实用新型二次电池卷绕式电芯的第一至第三实施方式均包括第一极片10、第二极片20和隔离膜30。其中，第一极片10包括第一集流体11、涂覆在第一集流体11至少一个表面上的第一活性物质层12和电连接在第一集流体11上的第一极耳13；第二极片20包括第二集流体21、涂覆在第二集流体21至少一个表面上的第二活性物质层22和电连接在第二集流体21上的第二极耳23。第一极片10和第二极片20层叠后卷绕为卷绕式电芯，隔离膜30间隔于相邻的第一极片10和第二极片20之间。本实用新型二次电池卷绕式电芯的第一极片10和隔离膜30采用对叉式卷绕结构，具体说明如下。
隔离膜30包括隔离膜卷绕起始层31、与隔离膜卷绕起始层31相连的隔离膜首次卷绕弧32和与隔离膜首次卷绕弧32相连的隔离膜卷绕次层33。由于隔离膜30为两层膜同时卷绕的双层结构，因此，隔离膜卷绕起始层31、隔离膜首次卷绕弧32、隔离膜卷绕次层33以及后面的所有卷绕段均包括内外两层膜。
第一极片10包括第一极片卷绕起始层15、与第一极片卷绕起始层15相连的第一极片首次卷绕弧17和与第一极片首次卷绕弧17相连的第一极片卷绕次层16。隔离膜卷绕起始层31的两层膜均位于第一极片卷绕起始层15和第一极片卷绕次层16之间，隔离膜卷绕次层33的两层膜均位于第一极片卷绕起始层15背向卷绕中心的一面，且第一极片首次卷绕弧17与隔离膜首次卷绕弧32分别位于电芯宽度方向L上的相反端。也就是说，第一极片卷绕起始层15是在隔离膜30卷绕半圈后、卷绕一圈前参与卷绕的，且其卷绕起始端A并未插入隔离膜卷绕次层33的两层膜之间，而是直接插入了隔离膜卷绕次层33与卷针40之间。上述结构确保了第一极片卷绕起始层15与第一极片卷绕次层16之间仅有隔离膜卷绕起始层31的两层膜，而不是像现有技术那样有四层隔离膜。
第二极片20包括第二极片卷绕起始层25、与第二极片卷绕起始层25相连的第二极片首次卷绕弧27和与第二极片首次卷绕弧27相连的第二极片卷绕次层。第二极片卷绕起始层25位于第一极片卷绕起始层15背向卷绕中心的一面，且位于隔离膜卷绕次层33的两层膜之间，第二极片首次卷绕弧27与第一极片首次卷绕弧17位于电芯宽度方向L上的相同端。也就是说，第二极片卷绕起始层25也是在隔离膜30卷绕半圈后、卷绕一圈前参与卷绕的，但其插入位置在电芯厚度方向T上比第一极片卷绕起始层15更远离卷绕中心，因此第二极片卷绕起始层25位于第一极片卷绕起始层15背向卷绕中心的一面。
易于理解的是，本实用新型的所有实施方式中，第一极片10可以为阴极极片或者阳极极片，第二极片20则为与第一极片10极性相反的阳极极片或者阴极极片。优选地，第一极片10为阳极极片，第二极片20为阴极极片，对应地，第一活性物质层12为阳极活性物质层，第二活性物质层22为阴极活性物质层。阳极活性物质层中的阳极活性物质材料可以是石墨或硅。阴极活性物质层中的阴极活性物质材料可以是钴酸锂、碳酸锂或磷酸铁锂。
请结合图6和图7，第一极片10的第一极耳13和第二极片20的第二极耳23均是嵌入对应活性物质层中的，具体方式为：活性物质层中设有露出空白集流体的极耳凹槽，极耳固定在极耳凹槽中。为了便于说明，将极片的较短边定义为极片宽度方向L1，与其垂直的极片延伸方向定义为极片长度方向，很容易理解，由于极片的卷绕是沿长度方向进行的，因此在最终卷绕成的电芯中，极片宽度方向L1对应的是电芯长度方向(图2～5、图8～11中垂直于纸面的方向)，也就是说，极片宽度方向L1与电芯宽度方向L并不相同，而是彼此垂直的。
其中，极耳凹槽有以下两种：第一种是贯穿极片宽度方向L1的长凹槽50，其是采用间歇涂布方式涂布活性物质层而形成的两面封闭、两面开口的凹槽；另一种是略大于极耳固定端的短凹槽52，其是一面开口、三面封闭的凹槽，形成方式有多种，其中一种是先在空白集流体的极耳固定位置粘贴易撕膜或热膨胀膜，再进行活性物质层的连续涂布，最后去掉易撕膜或热膨胀膜而形成的。
在以上两种极耳凹槽中，长凹槽50因存在不固定极耳的空白集流体区域，导致电芯容量有一定的损失。相比之下，短凹槽52几乎与极耳固定端相适配，只是工艺操作需要才略大于极耳固定端，因此这种凹槽可以在一定程度上提高电芯容量。
显然，在本实用新型二次电池卷绕式电芯的第一至第三实施方式中，第一极片10和第二极片20均可以采用以上两种凹槽中的任意一种，例如，可以第一极片10和第二极片20均采用长凹槽50来固定极耳，也可以第一极片10和第二极片20均采用短凹槽52来固定极耳，或者第一极片10采用长凹槽50、第二极片20采用短凹槽52来固定极耳，或者第一极片10采用短凹槽52、第二极片20采用长凹槽50来固定极耳。
在综合考虑电芯容量、析锂等方面后，优选为阴极极片采用两面封闭两面开口的长凹槽50、阳极极片采用一面开口三面封闭的短凹槽52来固定极耳。与现有技术相比，阴极极片采用两面封闭两面开口的长凹槽50、阳极极片采用一面开口三面封闭的短凹槽52来固定极耳至少具有以下优点：
1)阳极极片采用一面开口三面封闭的短凹槽52，因此几乎不存在未涂布阳极活性物质层的空白集流体区域，减小了电芯容量损失；
2)阳极极片采用一面开口三面封闭的短凹槽52，可以大幅减小阴极极片上与阳极极耳凹槽对应区域的析锂；
3)阴极极片采用两面封闭两面开口的长凹槽50，因此其能够提供一段完整的应力释放的窗口；同时，阳极极片上与阴极极耳凹槽对应的一面处于无脱嵌锂状态，因此也成为阳极极片的应力释放窗口；两相结合，确保了二次电芯在循环过程中不易膨胀变形；
4)由于阴极极片的活性物质层与阴极集流体的粘接力大于阳极极片的活性物质层与阳极集流体的粘接力，因此阴极极片如果采用三面封闭一面开口的短凹槽52，去除阴极活性物质层困难并且存在虚焊的风险；阴极极片采用两面封闭两面开口的长凹槽50，可以采用间隙涂布，焊接面积的增大使得内阻减小，同时减轻了虚焊风险。
请参阅图2～4，本实用新型的第一至第三实施方式正是由于采用了嵌入式极耳连接方式，因此第一极片卷绕起始层15、第二极片卷绕起始层25均没有为焊接极耳而保留双面空白的集流体。从图2～4中可以看出，第一极片卷绕起始层15为单面涂覆第一活性物质层12的第一集流体11，第二极片卷绕起始层25则为双面涂覆第二活性物质层22的第二集流体21。易于理解的是，为了后续操作方便，第一极耳13和第二极耳23在电芯宽度方向L上是错开一段距离设置的，因此二者在电芯厚度方向T上无重叠。
仔细对比图2至图4，可以看出本实用新型的第一、第二、第三实施方式的区别仅在于隔离膜卷绕起始层31的长度不同：在第一实施方式中，隔离膜卷绕起始层31最长，几乎铺满电芯的整个宽度方向L，卷绕起始端C在电芯宽度方向L上超过最右边的第一极耳13，因此其隔离膜卷绕起始层31在电芯厚度方向T上与第一极耳13、第二极耳23均重叠；在第二实施方式中，隔离膜卷绕起始层31长度适中，卷绕起始端C在电芯宽度方向L上位于第一极耳13和第二极耳23之间，因此其隔离膜卷绕起始层31在电芯厚度方向T上仅与第一极耳13、第二极耳23中的一个重叠(图3所示的是仅与第二极耳23重叠，但在其他可替换的实施方式中，也可能是仅与第一极耳13重叠)；在第三实施方式中，隔离膜卷绕起始层31最短，卷绕起始端C在电芯宽度方向L上略超过第一极片10的卷绕起始端A，却未达到最左边的第二极耳23，因此其隔离膜卷绕起始层31在电芯厚度方向T上与第一极耳13、第二极耳23均无重叠。
请参阅图8和图9，本实用新型二次电池卷绕式电芯的第四和第五实施方式也分别包括第一极片10、第二极片20和隔离膜30，其具体卷绕结构与第二实施方式基本相同，区别仅在于第一极耳13、第二极耳23均未采用嵌入式连接方式，而是直接焊接在第一极片卷绕起始层15、第二极片卷绕起始层25的空白集流体上。具体来说，第一极片卷绕起始层15和第二极片卷绕起始层25均为未涂覆活性物质层的双面空白集流体，第一极耳13和第二极耳23分别焊接在第一极片卷绕起始层15、第二极片卷绕起始层25背向卷绕中心的一面集流体上。易于理解的是，第一极片10的卷绕起始端A和第二极片20的卷绕起始端B是需要错开一段距离的，具体的错开方式既可以如图8所示的第四实施方式那样，设置为第一极片卷绕起始层15在电芯宽度方向L上长于第二极片卷绕起始层25，也可以图9所示的第五实施方式那样，设置为第一极片卷绕起始层15在电芯宽度方向L上短于第二极片卷绕起始层25。
当然，在第四和第五实施方式中，第一极耳13和第二极耳23在电芯宽度方向L上同样是错开一段距离设置的。而且，隔离膜30的卷绕起始端C在电芯宽度方向L上位于第一极耳13和第二极耳23之间，因此隔离膜卷绕起始层31在电芯厚度方向T上仅与第一极耳13、第二极耳23中的一个重叠(第四实施方式是仅与第一极耳13重叠，第五实施方式是仅与第二极耳23重叠)。
请参阅图10和图11，本实用新型二次电池卷绕式电芯的第六和第七实施方式也分别包括第一极片10、第二极片20和隔离膜30，其具体卷绕结构、极耳的设置等分别与第四和第五实施方式相同，区别仅在于隔离膜卷绕起始层31还连接有自然回折段35。
需要说明的是，自然回折段35并非专门设置的卷绕结构，而是电芯卷绕时夹在两个卷针40之间的隔离膜定位段，属于因操作需要而存在的冗余部分。在电芯卷绕完毕抽出卷针40时，隔离膜定位段有两个随机走向：一是如图8～9所示的第四和第五实施方式那样，在电芯宽度方向L上向前伸而成为隔离膜卷绕起始层31的一部分，二是如图10～11所示的第六和第七实施方式这样，在电芯宽度方向L上回折而成为与隔离膜卷绕起始层31在电芯厚度方向T上重叠的自然回折段35。虽然自然回折段35的存在使得电芯卷绕中心在该处的隔离膜30也为4层，但是由于自然回折段35在电芯宽度方向L上位于第一极耳13和第二极耳23之间，从而在电芯厚度方向T上并未与第一极耳13、第二极耳23中的任何一个重叠，因此自然回折段35不仅不会导致电芯厚度的增加，反而会在一定程度上弥补第一极耳13、第二极耳23采用非嵌入式连接而导致的电芯厚度不均匀问题。
尤其需要注意的是，由于隔离膜30的自然回折段35是因卷针40的抽出而随机形成的，并非卷绕形成，因此其位置虽然处于隔离膜30的卷绕中心，但是却不能被称为卷绕起始层；同理，自然回折段35与真正的隔离膜卷绕起始层31之间的弯折也不能被称为首次卷绕弧。
与现有技术相比，本实用新型二次电池卷绕式电芯将第一极片卷绕起始层15插入隔离膜卷绕起始层31和隔离膜卷绕次层33之间，使得电芯卷绕中心的隔离膜30比现有卷绕方式减少两层，因此，既减少了隔离膜30的用量，又提高了电芯在厚度方向T上的利用率，从而减少了电芯能量密度的损失。同时，本实用新型二次电池卷绕式电芯可以实现自动化生产，大大提高了生产效率。
根据上述原理，本实用新型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 (10)
1.一种二次电池卷绕式电芯，包括：
第一极片、第二极片和隔离膜，第一极片和第二极片层叠后卷绕，隔离膜间隔于相邻的第一极片和第二极片之间；
所述隔离膜包括隔离膜卷绕起始层、与隔离膜卷绕起始层相连的隔离膜首次卷绕弧和与隔离膜首次卷绕弧相连的隔离膜卷绕次层，第一极片包括第一极片卷绕起始层和与第一极片卷绕起始层相连的第一极片首次卷绕弧，第二极片包括第二极片卷绕起始层和与第二极片卷绕起始层相连的第二极片首次卷绕弧；隔离膜卷绕起始层和隔离膜卷绕次层均为双层膜结构；
其特征在于：所述隔离膜卷绕起始层的两层膜均位于第一极片卷绕起始层和第一极片卷绕次层之间，隔离膜卷绕次层的两层膜以及第二极片卷绕起始层均位于第一极片卷绕起始层背向卷绕中心的一面。
2.根据权利要求1所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第一极片首次卷绕弧与隔离膜首次卷绕弧位于电芯宽度方向上的相反端，第二极片首次卷绕弧与第一极片首次卷绕弧位于电芯宽度方向上的相同端；第二极片卷绕起始层位于隔离膜卷绕次层的两层膜之间。
3.根据权利要求1所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第一极片包括第一集流体、涂覆在第一集流体至少一个表面上的第一活性物质层和电连接在第一集流体上的第一极耳；第二极片包括第二集流体、涂覆在第二集流体至少一个表面上的第二活性物质层和电连接在第二集流体上的第二极耳。
4.根据权利要求3所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第一极耳和第二极耳在电芯宽度方向上错开一段距离以确保在电芯厚度方向上无重叠；在电芯厚度方向上，隔离膜卷绕起始层与第一极耳、第二极耳均重叠，或是仅与第一极耳、第二极耳中的一个重叠，或是与第一极耳、第二极耳均无重叠。
5.根据权利要求3所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第一极片卷绕起始层和第二极片卷绕起始层均为未涂覆活性物质层的双面空白集流体，第一极耳和第二极耳分别焊接在第一极片卷绕起始层和第二极片卷绕起始层的集流体上；隔离膜卷绕起始层在电芯厚度方向上仅与第一极耳、第二极耳中的一个重叠。
6.根据权利要求4或5所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述隔离膜卷绕起始层还连接有在电芯宽度方向上回折的自然回折段；在电芯厚度方向上，自然回折段与隔离膜卷绕起始层重叠，但却不与第一极耳、第二极耳中的任何一个重叠。
7.根据权利要求3所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第一活性物质层设有露出空白第一集流体的第一极耳凹槽，第一极耳固定在第一极耳凹槽中；所述第一极耳凹槽为贯穿极片宽度方向的长凹槽或未贯穿极片宽度方向的短凹槽，长凹槽两面封闭、两面开口，短凹槽三面封闭、一面开口。
8.根据权利要求3或7所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第二活性物质层设有露出空白第二集流体的第二极耳凹槽，第二极耳固定在第二极耳凹槽中；所述第二极耳凹槽为贯穿极片宽度方向的长凹槽或者未贯穿极片宽度方向的短凹槽，长凹槽两面封闭、两面开口，短凹槽三面封闭、一面开口。
9.根据权利要求3所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第一极片为阳极极片，第二极片为阴极极片；第一活性物质层设有露出空白第一集流体的第一极耳凹槽，第一极耳固定在第一极耳凹槽中，第一极耳凹槽为未贯穿极片宽度方向的短凹槽，短凹槽三面封闭、一面开口；第二活性物质层设有露出空白第二集流体的第二极耳凹槽，第二极耳固定在第二极耳凹槽中，第二极耳凹槽为贯穿极片宽度方向的长凹槽，长凹槽两面封闭、两面开口。
10.根据权利要求1所述的二次电池卷绕式电芯，其特征在于：所述第一极片为阳极极片，第二极片为阴极极片。
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