CN207116603U - 一种可充电圆柱型锂离子电池结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可充电圆柱型锂离子电池结构，包括负极集流体、锂沉积层、隔膜层、正极活性材料层以及正极集流体。负极集流体顶端套有不锈钢电池帽子，电池帽子与正极集流体之间设有穿过负极集流体顶部的绝缘圈，电池表面还覆盖有保护壳将正极集流体包裹，并且锂沉积层与隔膜层之间以及隔膜层与正极活性材料层之间设有电解质。本实用新型的电池电荷分布得更加均匀，同时由于微米尺寸大小的孔位于负极集流体的外层，而纳米尺寸大小的孔位于负极集流体的内层，因此两种不同尺寸大小孔共同组成分级多孔结构，可对金属锂进行吸附和容纳，可有效抑制电池充电和放电时锂枝晶生长，从而增加电池循环寿命和安全稳定性。

Description

一种可充电圆柱型锂离子电池结构

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池制备技术领域，特别涉及一种可充电圆柱型锂离子电池结构。

背景技术

目前，新能源汽车已经成为我国七大战略性新兴产业之一，并且随着新能源汽车研发的飞速发展，锂离子动力电池由于具有高能量密度和长循环使用寿命的优越性，逐步成为最具有发展潜力和竞争力的动力电池之一。

限制金属锂负极集流体应用的主要问题是充电过程中的锂枝晶生长，锂枝晶的生长会刺破电池隔膜从而导致电池内部短路，进而引发电池系统热失控、电解液着火甚至电池爆炸等安全问题。

另外，锂枝晶的生长消耗了活性物质锂，造成电池的利用率逐渐降低，同时锂枝晶生长主要是由于在负极集流体和隔膜界面之间的锂离子分布不均匀，造成负极集流体表面的锂离子在时间和空间上不均匀沉积，形成树枝状的锂枝晶。随着循环次数的增加，锂枝晶会急剧生长并穿透隔膜，最终导致电池的短路和失效。

因此，保持充电过程中负极集流体和隔膜界面上的锂离子均匀沉积已经成为电池安全问题的重要方向，并且对锂离子电池结构进一步优化设计具有极其重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种可充电圆柱型锂离子电池结构，旨在提高锂离子动力电池的使用可靠性以及安全性。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种可充电圆柱型锂离子电池结构，包括设置于电池内部中心且为分级多孔结构的负极集流体，所述负极集流体外侧壁面覆盖有锂沉积层；所述负极集流体周向包裹有正极集流体，所述锂沉积层与所述正极集流体之间设有正极活性材料层；所述锂沉积层与所述正极活性材料层之间设有隔膜层相互隔离，所述负极集流体顶端设有电池帽子套于所述负极集流体顶端，所述电池帽子底部与所述正极集流体顶部之间设有穿过所述负极集流体的绝缘圈，电池表面还覆盖有保护壳将所述正极集流体包裹；所述锂沉积层与所述隔膜层之间以及所述隔膜层与所述正极活性材料层之间设有电解质。

优选地，所述电池帽子底面设有凹槽，所述负极集流体顶部插入所述电池帽子底面的凹槽内，所述隔膜层顶端延伸至所述电池帽子与所述负极集流体顶部侧壁间隙内。

优选地，位于所述负极集流体底部的所述隔膜层底部与所述保护壳内底面抵接。

优选地，所述保护壳顶端边沿压接于所述电池帽子周向边沿顶部，所述绝缘圈的边沿向上翘起并延伸至所述保护壳与所述电池帽子相互压接相连的中部位置，以将所述保护壳与所述电池帽子之间相互隔离。

优选地，所述隔膜层只导通电解质的离子。

优选地，所述电解质为液态电解质或固态聚合物电解质。

优选地，所述负极集流体为圆柱状。

本实用新型技术方案通过在电池的中心位置设置分级多孔结构的负极集流体，负极集流体外侧壁面覆盖有锂沉积层，负极集流体的周向包裹有正极集流体，锂沉积层与正极集流体之间设有正极活性材料层，并且锂沉积层与正极活性材料层之间设有隔膜层将锂沉积层与正极活性材料层相互隔离。另外，本技术方案中，负极集流体顶端设有电池帽子套于负极集流体顶端，电池帽子底部与正极集流体顶部之间设有穿过负极集流体的绝缘圈，电池表面还覆盖有保护壳将正极集流体包裹，锂沉积层与隔膜层之间以及隔膜层与正极活性材料层之间设有电解质。

本实用新型技术方案中，金属柱状的负极集流体在三维结构上设置有大量的微米-纳米分级多孔结构，这样使得金属柱负极集流体的比表面积相应增大，从而使得充电过程中电池的平均电流密度更小，电荷分布得更加均匀。同时由于微米尺寸大小的孔位于负极集流体的外层，而纳米尺寸大小的孔位于负极集流体的内层，因此两种不同尺寸大小的孔共同组成分级多孔结构，使得负极集流体可对金属锂进行吸附和容纳，可有效抑制电池充电和放电过程中锂枝晶的生长，从而增加电池循环寿命和安全稳定性。

另外，本实用新型技术方案相对于现有技术的铜箔、铝箔集流体，具有微米甚至纳米级别大小孔的负极集流体，具有非常大的孔隙率，电池的整体质量可做得相对更轻，可提高电池的能量密度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型可充电圆柱型锂离子电池结构的内部结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	电池帽子	5	隔膜层
2	保护壳	6	锂沉积层
				3	正极集流体	7	负极集流体
4	正极活性材料层	8	绝缘圈

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种可充电圆柱型锂离子电池结构。

请参见图1，本实施例的可充电圆柱型锂离子电池结构，包括设置于电池内部中心且为分级多孔结构的负极集流体7，负极集流体7外侧壁面覆盖有锂沉积层6，负极集流体7周向包裹有正极集流体3，锂沉积层6与正极集流体3之间设有正极活性材料层4，锂沉积层6与正极活性材料层4之间设有隔膜层5相互隔离，负极集流体7顶端设有电池帽子1套于负极集流体7顶端，电池帽子1底部与正极集流体3顶部之间设有穿过负极集流体7的绝缘圈8，电池表面还覆盖有保护壳2将正极集流体3包裹；锂沉积层6与隔膜层5之间以及隔膜层5与正极活性材料层4之间设有电解质。

本实施例中，电池帽子1底面设有凹槽，负极集流体7顶部插入电池帽子1底面的凹槽内，并且负极集流体7顶部侧面与凹槽内侧壁面之间存在一定的间隙，而隔膜层5顶端延伸至上述侧壁间隙内部，从而使得隔膜层5将锂沉积层6与正极活性材料层4完全隔离。优选地，位于负极集流体7底部的隔膜层5底部与保护壳2内底面相互抵接。

本实施例中，保护壳2顶端边沿压接于电池帽子1周向边沿顶部，绝缘圈8的边沿向上翘起并延伸至保护壳2与电池帽子1相互压接相连的中部位置，以将保护壳2与电池帽子1之间相互绝缘隔离。

本实施例中，隔膜层5具有只导通电解质离子的特性。

本实施例中，电解质为液态电解质或固态聚合物电解质。

本实施例中，负极集流体7为圆柱状。

本实施例中，圆柱形的负极集流体7设置于电池的中心位置，负极集流体7径向向外依次设有锂沉积层6、正极活性材料层4以及正极集流体3，而锂沉积层6与正极活性材料层4之间设置有隔膜层5相互隔离。本实施例中，负极集流体7是具有微米和纳米大小级别孔的分级多孔结构金属柱，本实施例的金属柱状的负极集流体7可为铜柱和镍柱，优选地，圆柱形的负极集流体7在材质上为具有微米甚至微米大小孔洞的泡沫铜或者泡沫镍。并且负极集流体7的表面覆盖有锂沉积层6，该锂沉积层6可为预先沉积的金属锂。

本实施例中，将锂沉积层6与正极活性材料层4相互隔离的隔膜层5可为聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、氧化铝陶瓷等材料，使电池内部锂沉积层6与正极活性材料层4相互分隔，并且使得电解质内的离子能够顺利通过隔膜层5。设置于电池内部的电解质可使用液态电解质或者固态聚合物电解质，以作为电池中离子传输的载体，本实施例的电解质可为六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯、六氟磷酸锂/丙烯碳酸酯、高氯酸锂/二乙基碳酸酯、高氯酸锂/乙二醇二甲醚、六氟磷酸锂/l，3-二氧戊烷、高氯酸锂/聚醚、Li₂S-P₂S₅类电解质的一种或多种。

本实施例中，电池正极包括正极集流体3和正极活性材料层4。其中，正极集流体3可为铝网、钛网、不锈钢网等任一一种，而正极活性材料层4的材质可为硫、二氧化锰、五氧化二钒等不含有锂元素的材料，也可为磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂等含锂元素的材料。

另外，本实施例中的保护壳2可为铝壳、不锈钢壳等，电池帽子1为不锈钢片，电池帽子1和保护壳2共同起到保护且支撑电池的作用。并且通过绝缘圈8向上翘起延伸至电池帽子1与保护壳2之间压接相连的位置处，从而将作为负极的电池帽子1以及作为正极的保护壳2相互隔离。

请参见图1，本实施例的可充电圆柱型锂离子电池的制备方法如下：

首先在电池的保护壳2内部放置涂覆有正极活性材料层4的正极集流体3，然后将电解质注入至正极活性材料层4的内壁面上；将绝缘圈8放置于正极集流体3的顶部，然后将缠绕有隔膜层5的金属柱状负极集流体7穿过绝缘圈8的中心孔并插入正极活性材料层4的正中央位置处，再将电解质注入至锂沉积层6与隔膜层5之间的位置处；再将电池帽子1扣于负极集流体7的顶部位置，并且电池的保护壳2将隔膜层5以及电池帽子1压紧，而电池帽子1与保护壳2之间通过绝缘圈8相互隔离。最后将组装好的电池进行预充电，并控制预充电的电流大小为0.01C～1C，使具有多孔结构的金属柱负极集流体7表面形成致密的锂沉积层6。

本实用新型实施例通过在电池的中心位置设置分级多孔结构的负极集流体7，负极集流体7外侧壁面覆盖有锂沉积层6，负极集流体7的周向包裹有正极集流体3，锂沉积层6与正极集流体3之间设有正极活性材料层4，并且锂沉积层6与正极活性材料层4之间设有隔膜层5将锂沉积层6与正极活性材料层4相互隔离。另外，本技术方案中，负极集流体7顶端设有电池帽子1套于负极集流体7的顶端位置，电池表面还覆盖有保护壳2将正极集流体3包裹，并且锂沉积层6与隔膜层5之间以及隔膜层5与正极活性材料层4之间设有电解质。

本实用新型实施例中，金属柱状的负极集流体7在三维结构上设置有大量的微米-纳米分级多孔结构，这样使得金属柱负极集流体7的比表面积相应增大，从而使得充电过程中电池的平均电流密度更小，电荷分布得更加均匀。同时由于微米尺寸大小的孔位于负极集流体7的外层，而纳米尺寸大小的孔位于负极集流体7的内层，因此两种不同尺寸大小的孔共同组成分级多孔结构，使得负极集流体7可对金属锂进行吸附和容纳，可有效抑制电池充电和放电过程中锂枝晶的生长，从而增加电池循环寿命和安全稳定性。

另外，本实用新型实施例相对于现有技术的铜箔、铝箔集流体，具有微米甚至纳米级别大小孔的负极集流体7，具有非常大的孔隙率，电池的整体质量可做得相对更轻，可提高电池的能量密度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种可充电圆柱型锂离子电池结构，其特征在于，包括设置于电池内部中心且为分级多孔结构的负极集流体，所述负极集流体外侧壁面覆盖有锂沉积层；所述负极集流体周向包裹有正极集流体，所述锂沉积层与所述正极集流体之间设有正极活性材料层；所述锂沉积层与所述正极活性材料层之间设有隔膜层相互隔离，所述负极集流体顶端设有电池帽子套于所述负极集流体顶端，所述电池帽子底部与所述正极集流体顶部之间设有穿过所述负极集流体的绝缘圈，电池表面还覆盖有保护壳将所述正极集流体包裹；所述锂沉积层与所述隔膜层之间以及所述隔膜层与所述正极活性材料层之间设有电解质。

2.如权利要求1所述的可充电圆柱型锂离子电池结构，其特征在于，所述电池帽子底面设有凹槽，所述负极集流体顶部插入所述电池帽子底面的凹槽内，所述隔膜层顶端延伸至所述电池帽子与所述负极集流体顶部侧壁间隙内。

3.如权利要求2所述的可充电圆柱型锂离子电池结构，其特征在于，位于所述负极集流体底部的所述隔膜层底部与所述保护壳内底面抵接。

4.如权利要求1所述的可充电圆柱型锂离子电池结构，其特征在于，所述保护壳顶端边沿压接于所述电池帽子周向边沿顶部，所述绝缘圈的边沿向上翘起并延伸至所述保护壳与所述电池帽子相互压接相连的中部位置，以将所述保护壳与所述电池帽子之间相互隔离。

5.如权利要求1所述的可充电圆柱型锂离子电池结构，其特征在于，所述隔膜层只导通电解质的离子。

6.如权利要求1所述的可充电圆柱型锂离子电池结构，其特征在于，所述电解质为液态电解质或固态聚合物电解质。

7.如权利要求1所述的可充电圆柱型锂离子电池结构，其特征在于，所述负极集流体为圆柱状。