CN206076410U - 一种锂离子纽扣电池 - Google Patents

Abstract

描述了一种高度和直径比小于1的锂离子纽扣电池，其正负极外壳和绝缘密封圈通过卷边紧压封口，卷绕轴向线垂直于电池正负极外壳的圆形扁平面的电芯是多面正棱柱，其中电芯极片组中的隔膜采用了至少一种材料，在电芯柱形侧壁和正极壳内腔的圆柱侧壁之间嵌入柱状套筒件，由弹性体塑料或者金属制成，该套筒收纳电芯以有效适应充放电时电芯的体积变化。

Description

一种锂离子纽扣电池

技术领域

本实用新型属于微型锂离子蓄电池领域，涉及一种微型的锂离子纽扣电池。

背景技术

一般地，纽扣电池在外部可见地包括正负极不锈钢壳体以及它们之间发挥绝缘和密封作用的材料，三种材料的结合与密封通常是由纽扣电池行业熟知的卷边封口工艺实现的，如图1的负极壳2、正极壳3和绝缘密封圈4的结合构造的实现；在电池内部，特定构型的电芯的正负极以特定的电接触与机械接触的方式被连接到正负极不锈钢壳体。电芯由正负极片和隔膜卷绕制成，或者正负极片和隔膜以叠片的方式制成，封装在电池中的电芯被电解液浸泡或浸润。

用于锂离子电池的正极活性物质通常是锂过渡金属氧化物，负极活性物质是碳材料，电解液中通常包含碳酸乙烯脂、碳酸丙烯脂、二乙基碳酸脂、碳酸甲乙酯、二甲基碳酸脂等有机溶剂和六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、氟烃基氧磷酸锂及氟烃基磺酸锂等电解质盐。

微型锂离子纽扣电池是锂离子电池领域的重要发展方向之一。一种高度和直径比小于1的高容量并且能持续1C放电的锂离子纽扣电池非常适合于应用在日益微小型化的消费电子产品中，但是纽扣电池同时满足高容量和较高倍率放电是比较困难的。例如，如果直径12毫米和高度是5.4毫米的锂离子纽扣电池的容量低于50mAh，就很难支持蓝牙耳机使用2.5小时以上。显而易见的是，为了在非常有限的纽扣电池空间内实现较高容量和较高放电倍率特性，把电芯卷绕制成，并且电芯的轴向垂直于正负极外壳表面放置的设计，是能够在有限的电池腔体中使用了尽可能多的活性物质和尽可能较大的正负极相对面积，从而实现了更大容量和较高放电倍率的可行方案。设计的目标就是在电池狭小的扁平空间内填进体积尽可能大的上述卷绕电芯。

但是问题在于，如果把精密制造的卷绕电芯简单地填进纽扣电池腔体，那么在电池使用中很容易出现漏液、内短路、内断路和寿命提前衰减等现象。主要原因有几点，第一，在电池充放电中紧密堆积的电芯在径向膨胀，造成正负极不锈钢壳体变形，在正负极和密封胶圈接触部位出现漏夜通道；第二，虽然密封圈塑料吸收电解液中的有机溶剂的数量微小，但是当纽扣电池的腔体比较深，即电池高度和直径的比值大于0.15时，如果密封圈塑料在电池腔体内表面的展开部位过大，吸收电解液有机溶剂造成的累积性变形会造成密封圈与壳体内表面发生局部脱离，在电芯膨胀时电解液会攻击这个位置并且演化放大这个缺陷，直至产生漏夜通道；第三，禁锢在电池腔体中卷绕电芯伴随着充放电过程产生周期性的膨胀和收缩，出于容量的考虑，电芯是以恰当的松紧度进行最大长度限度的极片卷绕，在膨胀时极片的每一部位承受较大的法向应力和剪切应力，经过足够的周期性膨胀后极片会疏松化直至断裂，造成电池内阻增大，循环寿命提前衰减，另一方面，在电芯周期性收缩时，如果正负极极片以及隔膜之间不能恢复合适的松紧度和接触度，也将造成电池内阻增大，寿命提前衰减；第四，即使正负极极片尺寸进行了合理设计，容量也进行了合理匹配，并且制造中避免了导电性粉体污染，这种纽扣电池也极易发生负极壳体内表面沉积锂枝晶的现象，原因是随着充放电循环，负极极片在应力作用下受损从而造成有效容量下降的速度比正极极片快，当正极容量超出负极容量时，充电中就会形成锂枝晶。

以上这些问题是制造这种高容量和较高倍率放电特性的锂离子纽扣电池必须解决的内容。

发明内容

本实用新型涉及的设计有效地应对和解决了这种锂离子纽扣电池在充放电中出现的电芯变化造成的问题。

一种锂离子纽扣电池，包括一个正极金属壳、一个负极金属壳以及之间的绝缘密封塑料，它们形成正极壳的圆平面与负极壳的圆平面平行的封闭组件，其高度与直径的比值小于1；在电池内腔体中包含由至少一个正极极片和至少一个负极极片以及至少一个隔膜片组成的极片组被卷绕而制成的电芯，其正极集流体和负极集流体分别被连接到正极壳和负极壳；在电池内腔体中包含一个贯通的柱状套筒件，其内腔容纳上述电芯。

所述正极金属壳和负极金属壳是不锈钢材料，绝缘密封塑料是聚丙烯。

所述封闭组件中，绝缘密封塑料被注塑而包含着负极金属壳周长边缘，正极金属壳开口周长边缘被卷边紧压在绝缘密封塑料圈周围。

所述电芯的正极集流体和负极集流体分别被连接到正极壳和负极壳，以实现电接触与机械接触。

所述电芯的卷绕柱体轴心线垂直于正极壳和负极壳的扁平圆平面，卷绕柱体两个端面平行于正极壳和负极壳的扁平圆平面。

电芯采用业界公知的技术卷绕，一般卷绕电芯是柱状体，轴心线存在卷针离去后留出的空气柱腔体。本实用新型的卷绕电芯的高度和径向两点之间最大距离的比值小于1，轴心线垂直于纽扣电池正负极壳的扁平圆平面。垂直于卷绕轴心线的横截面是多边形，就是说从横截面来看，极片组在卷绕时沿多边形循迹，卷绕电芯立体构型是直棱柱。

优选地，卷绕电芯的立体构型是侧棱数不小于6的正棱柱。

极片组具有以下层序序列中的一个：

负极片/第一隔膜/正极片/第二隔膜；

正极片/第一隔膜/负极片/第二隔膜。

所述所有极片组包含的正极片、负极片、隔膜长度和宽度相等或者不相等。

上述所有极片组包含的正极片，是以铝箔或铝网为集流体，并且在其至少一面具有包含锂化合物活性物质的涂层。

所述所有极片组包含的负极片，是以铜箔或铜网为集流体，并且在其至少一面具有包含类石墨材料、硅、锂合金、含锂多元氧化物中的至少一种作为活性物质的涂层。

所述极片组包含的第一隔膜和第二隔膜分别是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PP与PE多层复合、PP与陶瓷薄膜复合，PE与陶瓷薄膜复合、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、纤维素、氨纶和芳纶中的一种。

本实用新型的纽扣电池的正极壳内侧壁与电芯之间布置一个套筒部件，该套筒轴心线垂直于正负极外壳表面，与卷绕电芯的轴心线重合，在轴心线方向是贯通的，其外侧表面与正极壳体内腔侧壁接触。套筒的内腔尺寸便于电芯的平滑塞入，依靠侧壁上二者摩檫力有效固定电芯。套筒的轴向高度介于注塑密封圈和正极壳之间的距离之间，套筒高度的其中一边将抵近或者接触于绝缘密封圈，但是与负极壳不接触。

所述柱状套筒件的外侧表面构成几何圆柱和棱柱中的一种。

所述柱状套筒件的内腔的立体构型是圆柱状和与电芯外侧相同的棱柱状中的一种。

所述套筒的制成材料是有机高分子树脂材料和金属材料中的一种。

所述有机高分子树脂材料是热塑性弹性体，是聚丙烯(PP)、丙烯-乙烯共聚物(PP-PE)、聚丙烯接枝马来酸酐单体(PP-g-MAH)共聚物、聚丙烯接枝丙烯酸单体(PP-g-AA)共聚物以及物理改性PP中的一种。

所述物理改性PP材料采用的改性剂是三元乙丙(EPDM)、二元乙丙(EPR)、顺丁橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、异丁烯橡胶(IBR)、天然橡胶(NR)、聚烯烃弹性体(POE)、热塑性动态硫化橡胶(TPV)、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)、苯乙烯系热塑性弹性体(SBS)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)、液晶高分子聚合物(LCP)中的至少一种。这些改性剂用于共混改性PP的技术被塑料行业有经验人士所熟知。

所述套筒的制成金属材料是不锈钢、铝、镍中的一种。

所述多面正棱柱电芯填充于于上述套筒中，组成复合电芯结构件。按照行业公知的技术完成电极引出、注液、封口和化成的工艺阶段，做成电池。这种复合电芯结构的优点是，当电芯膨胀时，套筒制约电芯，施加在电芯上向心的径向力促使电芯趋向轴心空腔释放形变，同时电芯柱体向离心径向膨胀，套筒在制约电芯的同时，侧壁外扩而接受电芯的部分形变；当电芯收缩时，由于套筒是弹性恢复，会促使电芯向轴心收缩，并保持极片组层间紧密接触。电芯柱体的棱数越多，在电芯膨胀时越有利于内部应力的分散和释放，而套筒是更好的弹性体时，能更好地在弱应力下形变，应力松弛后能更迅速恢复原有形态，这有助于释放电芯内部富集的应力，并保持极片组层间恰当的接触，对抑制电池循环寿命衰减具有积极的作用。

本实用新型的设计应用于高度和直径比小于1的锂离子纽扣电池制造，实现了高容量、较高倍率放电和高循环寿命特性的应用要求。

附图说明

图1是锂离子纽扣电池结构示意图；

图2A、图2B、图2C和图2D是具体实施方式一的复合电芯结构的分解和形成示意图；

图3A、图3B、图3C和图3D是具体实施方式二的复合电芯结构的分解和形成示意图。

附图标记说明：

1-锂离子纽扣电池； 2-负极壳； 3-正极壳；

4-绝缘密封圈； 5-电芯套筒； 6-正极极片；

7-负极极片； 8-第一隔膜； 9-第二隔膜；

10-电芯胶带； 11-正极极耳(集流体)； 12-负极极耳(集流体)；

13-卷绕电芯。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

[实施例1]

一种直径12毫米和高度是5.4毫米的锂离子纽扣电池如图1所示，其电芯正极极片(6)是在铝箔的双面涂布含有钴酸锂的涂层得到的，其制造工艺是本技术领域的人员公知的知识，在此不多加解释；负极极片(7)是在铜箔的双面涂布含有石墨的涂层得到的，其制造工艺是本技术领域的人员公知的知识；第一隔膜(8)选用单层多孔聚丙烯薄膜，第二隔膜(9)采用多孔聚四氟乙烯薄膜。

极片组的层序是：正极片/第一隔膜/负极片/第二隔膜。

正负极片和隔膜的尺寸是本技术领域的有经验的人员能够根据电池容量、极片容量、电芯尺寸和卷绕要求进行计算和试验后确定的，在此不多加解释。

将极片组卷绕成正六棱柱电芯(13)，电芯棱柱侧面以终止胶带(10)包裹，电芯垂直于卷绕轴心线的界面如图2A所示，立体示意图如图2B所示。卷绕的方法是本技术领域有经验的人员公知的，在此不多加解释。

为连接到负极外壳(2)和正极外壳(3)，电芯的正负极片的集流体被引出到正极耳(11)和负极耳(12)，本技术领域有经验的人员能够知道如何处理，在此不多加解释。

采用市售马来酸酐接枝聚丙烯塑胶粒为原料，注塑成图2C所示的套筒(5)，或者从该材料塑胶棒车出套筒(5)。其方法为本技术领域有经验的人员熟知，在此不多加解释。套筒(5)内腔尺寸与电芯(13)适配。

将电芯(13)塞入套筒(5)，组成复合电芯，如图2D所示。然后进行电芯浸润电解液步骤和正负极集流体连接到正负极外壳的步骤，两个步骤的顺序是或前或后，实现的方式为本技术领域有经验的人员熟知在此不多加解释。

装配的最后是封口，即把注塑有聚丙烯密封圈的负极壳和正极壳装配在一起，正极壳在密封圈处卷边密封，其实现的方式为本技术领域有经验的人员熟知，在此不多加解释。

按照本实施例的方式能实现化成后容量≥50mAh (0.2C，25℃)、最大连续放电电流2C、循环寿命大于500次(1C/1C，>80%初始容量，25℃)的3.7V锂离子纽扣电池。

[实施例2]

一种直径16毫米和高度是5.4毫米的锂离子扣式电池的电芯正极片(6)是在铝箔的双面涂布含有镍锰钴酸锂的涂层，其制造工艺是本技术领域的人员公知的知识，在此不多加解释；负极片(7)同具体实施方式一。第一隔膜(8)和第二隔膜(9)都选用纤维素薄膜。

极片组的层序是：负极片/第一隔膜/正极片/第二隔膜。

正负极片和隔膜的尺寸是本技术领域的有经验的人员能够根据电池容量、极片容量、电芯尺寸和卷绕要求进行计算和试验后确定的，在此不多加解释。

将极片组卷绕成正八棱柱电芯(13)，电芯棱柱侧面以终止胶带(10)包裹，电芯垂直于卷绕轴心线的界面如图3A所示，立体示意图如图3B所示。卷绕的方法是本技术领域有经验的人员公知的，在此不多加解释。

正负极片集流体引出同具体实施方式一。

采用316不锈钢制成圆柱套筒(5)，如图3C所示，内腔是圆柱状空腔，尺寸刚好适于塞入电芯(13)。

后续步骤同具体实施方式一，得到复合电芯如图3D所示。

按照本实施例的方式能实现化成后容量≥100mAh (0.2C，25℃)、最大连续放电电流2C、循环寿命大于500次(1C/1C，>80%初始容量，25℃)的3.7V锂离子纽扣电池。

Claims (10)

1.一种锂离子纽扣电池，包括：

一个正极金属壳、一个负极金属壳以及之间的绝缘密封塑料，它们形成正极壳的扁平圆平面与负极壳的扁平圆平面平行的封闭组件，其高度与直径的比值小于1，以及

在电池内腔体中包含由至少一个带状正极极片和至少一个带状负极极片以及至少一个带状隔膜组成的极片组被卷绕而制成的电芯，以及

在电池内腔体中包含一个柱状套筒件，其内腔容纳上述电芯；

所述正极金属壳和负极金属壳是不锈钢材料，绝缘密封塑料是聚丙烯；

所述封闭组件中，绝缘密封塑料被注塑而包含着负极金属壳周长边缘，正极金属壳开口周长边缘被卷边紧压在绝缘密封塑料圈周围；

所述电芯的正极集流体和负极集流体分别被连接到正极壳和负极壳，以实现电接触与机械接触；

所述电芯的卷绕柱体轴心线垂直于正极壳和负极壳的扁平圆平面，卷绕柱体两个端面平行于正极壳和负极壳的扁平圆平面。

2.如权利要求1所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述电芯的垂直于卷绕轴心线的横截面是多边形，极片组在卷绕时沿多边形循迹，卷绕电芯立体构型是直棱柱。

3.如权利要求1或2所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述的电芯是侧棱数目不小于6的正棱柱。

4.如权利要求1所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述隔膜是聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯与聚乙烯复合材料、聚丙烯与陶瓷薄膜复合材料，聚乙烯与陶瓷薄膜复合材料、聚酰亚胺、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、纤维素、氨纶和芳纶中的至少一种。

5.如权利要求1所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述柱状套筒件的轴心线垂直于正负极外壳的扁平圆平面表面，与卷绕电芯的轴心线重合，在轴心线方向是贯通的，套筒的轴向高度介于电池内腔中的绝缘密封圈和正极壳扁平圆平面之间的距离之间，套筒高度的其中一端抵近或者接触于绝缘密封圈，与负极壳隔离。

6.如权利要求1或5所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述柱状套筒件的外侧表面是几何圆柱和棱柱中的一种，内腔的立体构型是圆柱状和与电芯周围外侧表面相同的棱柱状中的一种。

7.如权利要求1或5所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述柱状套筒件的制成材料是有机高分子树脂材料和金属材料中的一种。

8.如权利要求7所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述有机高分子树脂材料是聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物、聚丙烯接枝马来酸酐单体共聚物、聚丙烯接枝丙烯酸单体共聚物以及物理改性聚丙烯中的一种。

9.如权利要求8所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述物理改性聚丙烯采用的改性剂是三元乙丙、二元乙丙、顺丁橡胶、丁苯橡胶、异丁烯橡胶、天然橡胶、聚烯烃弹性体、热塑性动态硫化橡胶、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、苯乙烯系热塑性弹性体、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺、液晶高分子聚合物中的至少一种。

10.如权利要求7所述的锂离子纽扣电池，其特征是所述金属材料是不锈钢、铝、镍中的一种。