CN208781960U

CN208781960U - 工业锂离子电池

Info

Publication number: CN208781960U
Application number: CN201821671126.1U
Authority: CN
Inventors: 郭永兴; 卢和嘉
Original assignee: Jiangxi Xing Ying Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Xing Ying Technology Co Ltd
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2028-10-15

Abstract

本实用新型涉及锂离子电池领域，公开了一种工业锂离子电池。电池包括：刚性卷芯、卷绕体、电解液腔体，所述刚性卷芯沿所述卷绕体的轴心方向贯穿所述卷绕体，所述刚性卷芯的两端固定在所述腔体上，所述卷绕体悬空在所述腔体内，所述卷绕体、及电解液密封封装在所述腔体内；所述卷绕体包括正极片、负极片、及隔膜，在任意相邻的所述正极片、负极片之间间隔有所述隔膜，利用该技术方案实现大容量的锂离子电池，特别适用于储能电池。

Description

工业锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池领域，公开了一种工业锂离子电池。

背景技术

随着全球可再生能源的普及应用、电动汽车产业的迅速发展以及智能电网的建设，储能技术成为制约抑或促进能源发展的关键环节。储能的本质是实现对电能的储存，在需要的时候释放出来。目前可再生能源技术主要有风能、太阳能、水力发电。它们都存在较大的不可预测和多变特性，对电网的可靠性造成很大冲击，而储能技术的发展可有效地解决此问题，使得可再生能源技术能以一种稳定的形式储存并应用。另外，作为未来电网的发展方向，智能电网通过储能装置进行电网调峰，以增加输配电系统的容量及优化效率。在整个电力行业的发电、输送、配电以及使用等各个环节，储能技术都能够得到广泛的应用。

目前的储能技术主要包括机械储能、化学储能、电磁储能和相变储能。与其它几种方式相比，电化学储能具有使用方便、环境污染少，不受地域限制，在能量转换上不受卡诺循环限制、转化效率高、比能量和比功率高等优点。锂离子电池商业化技术的不断积累和进步为储能提供了新的技术方案。

本发明人在进行本实用新型研究过程中发现，现今生产的储能用锂离子电池单体容量基本小于500Ah，储能基站为了达到设计储能容量需要进行大量的并联工作，这样就极大的增加了储能基站的建设成本；同时单体电芯数目的庞大也非常不利于对单体工作状态的监控；另外单体电池容量太小会在一定程度上降低电芯生产效率。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的之一在于提供一种工业锂离子电池，利用该技术方案实现大容量的锂离子电池，特别适用于储能电池。

第一方面，本实用新型实施例提供的一种工业锂离子电池，包括刚性卷芯、卷绕体、电解液腔体，

所述刚性卷芯沿所述卷绕体的轴心方向贯穿所述卷绕体，所述刚性卷芯的两端固定在所述腔体上，所述卷绕体悬空在所述腔体内，所述卷绕体、及电解液密封封装在所述腔体内；

所述卷绕体包括正极片、负极片、及隔膜，在任意相邻的所述正极片、负极片之间间隔有所述隔膜。

可选地，所述刚性卷芯为所述卷绕体的轴心。

可选地，所述腔体呈：圆柱形、正方形、或者长方形。

可选地，所述刚性卷芯为：聚四氟乙烯管。

可选地，所述刚性卷芯为：实心管或空心管。

可选地，在所述腔体上设置有可封堵的注液孔、进气孔、以及出气孔。

可选地，所述进气孔、出气孔分别位于所述腔体上相对的两端面。

可选地，所述进气孔、出气孔位置相错。

可选地，所述腔体为：不锈钢、铝或者铝合金腔体。

由上可见，由于采用本实施例技术方案，位于刚性卷芯上方的卷绕体的重力并不会加到刚性卷芯下方的卷绕体上，而是整个卷绕体中的重力均有贯穿卷绕体的刚性卷芯所承载，卷绕体自身的重量不会对位于卷绕体下部的极片产生巨大的压力，有利于给极片提供充分的膨胀空间，有利于保证正负极片良好的接触界面，避免极片由于重压而无法正常脱嵌锂的问题，故采用本实施例技术方案可以实现大容量锂离子电池制造，特别适用于超大容量、超重的工业电池、储能电池。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的锂离子电池结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的锂离子电池制备工艺流程示意图。

图3为本实用新型试验对比分析中提供的两种结构的锂离子电池的电量保持率和循环次数示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

实施例1：

参见图1所示，本实施例提供了一种适用于超大容量的锂离子电池结构，又将其记为工业锂离子电池，其主要包括刚性卷芯102、卷绕体101、电解液及腔体103。

其中卷绕体101为由正极片、负极片、及隔膜卷绕而成的卷绕结构，在该卷绕体101内，在任意相邻的正极片与负极片之间均间隔有隔膜，隔膜将其两边的正极片、负极片绝缘隔离。

刚性卷芯102沿卷绕体101的轴心方向贯穿卷绕体101，作为卷绕体101的重力承载部。

卷绕体101、电解液被密封封装在腔体103内，电解液浸入在卷绕体101内。此时，其中刚性卷芯102两末端1021、1022固定在腔体103上，使卷绕在刚性卷芯102上的卷绕体101悬空位于腔体103内，卷绕体101中的重力落在刚性卷芯102上，通过刚性卷芯102的将重力传递至腔体103上。

由上可见，由于采用本实施例技术方案，位于刚性卷芯102上方的卷绕体101的重力并不会加到刚性卷芯102下方的卷绕体101上，而是整个卷绕体101中的重力均有贯穿卷绕体101的刚性卷芯102所承载，卷绕体101自身的重量不会对位于卷绕体101下部的极片产生巨大的压力，有利于给极片提供充分的膨胀空间，有利于保证正负极片良好的接触界面，避免极片由于重压而无法正常脱嵌锂的问题，故采用本实施例技术方案可以实现大容量锂离子电池制造，特别适用于超大容量、超重的工业电池、储能电池。

另外，采用本实施例技术方案，由于在锂离子电池的卷绕体101上沿其轴向方向贯穿有刚性卷芯102，在移动卷绕体101时可以夹持刚性卷芯102而移动卷绕体101，而无需接触或者夹持卷绕体101本身，可以避免对卷绕体101上的隔膜以及极片的损伤，降低产品不良率，且使卷绕体101的移动更加便利易于操作。特别是，对于直径超过500mm的卷绕体101而言，采用本实施例方案，其效果尤为突出。

作为本实施例的示意，本实施例的锂离子电池的腔体103外形可以为各种形状，比如圆柱形、正方形、或者长方形等。

作为本实施例的示意，本实施例的刚性卷芯102由绝缘且耐电解液腐蚀的材料制成，比如但不限于采用聚四氟乙烯制成。

作为本实施例的示意，该刚性卷芯102可以为实心管，也可以为空心管，为了提高其重力支撑能力，优选采用实心管。

作为本实施例的示意，本实施例的刚性卷芯102为圆柱形管，或者方管或者其他形状的管。

本实施例的腔体103上设置有可封堵的用于灌注电解液的注液孔106、用于通入气体的进气孔104、以及用于抽气的出气孔105。在锂离子电池制备好时，注液孔106、进气孔104、出气孔105均处于被密封状态。

作为本实施例的示意，可以将注液孔106、进气孔104、出气孔105设置在壳体上的任意位置。

优选地，可以将注液孔106设置在与卷绕体101的轴向相正对的端面，采用该技术方案，灌注的电解液进入腔体103后，更易于从卷绕体101的轴向端面的极片之间的空隙进入卷绕体101，提高电解液灌注的效率，提高电解液对卷绕体101的浸润程度。

作为本实施例的示意，可以使进气孔104、出气孔105分别位于腔体103的两相对侧，并且优选使进气孔104、出气孔105的位置相错开，以使在进气孔104通入气体后，气体与腔体103内的卷绕体101进行充分接触后，才在出气孔105抽出该气体，采用该方案有利于提高气体与卷绕体101的极片的热交换的充分性，提高烘干以及冷却的效率。

作为本实施例，本实施例的作为锂离子电池外壳的腔体103可以由各种刚性的耐腐蚀材料制成，比如，其可以但不限于采用不锈钢、铝或者铝合金等金属材料制成。

作为本实施例的示意，本实施例锂离子电池的正极、负极可以设置在腔体103上的任意设定位置，比如，其壳子在两端面也可以在侧面。其中腔体103上的正极、负极与腔体103内的卷绕体101的正极片、负极片电连接方式可以采用现有技术实现，比如焊接或者导线连接或者转接导电带连接等。

上述锂离子电池的制备工艺如下：

步骤101：备好正极片、负极片、及隔膜、刚性卷芯、隔膜、腔体。

作为本实施例的示意，通过在正极集流体上涂布正极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物，并对涂布的正极集流体进行干燥和辊压而制备，负极使用与用于制造正极方法相同的方法制备。

正极活性材料包括能够可逆脱出和嵌入锂离子的化合物，例如具有层状结构的钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂和三元材料；还包括具有尖晶石结构的锂镍锰氧化物和具有橄榄石结构的磷酸铁锂。

其中，本实施例的正极集流体通常制造成9um～500um的厚度。

正极集流体没有特别限制，只要其不在制造的二次电池中造成化学变化且具有高导电性即可。

例如，正极集电器可以由不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或者用碳、镍、钛、银等表面处理过的铝或不锈钢制成。

正极集流体可以在其表面处具有微小的不规则以提高正极活性材料和正极集流体之间粘合性的物质。

另外，可以包括膜、片、箔、网、多孔结构、泡沫和无纺布的各种形式中的任何形式使用正极集流体。基于正极活性材料混合物的总重量，通常以0.1％～20％的量添加导电材料。关于导电材料没有特别限制，只要其不在制造的电池中造成化学变化且具有导电性即可。

导电材料的实例包括但不限于石墨如天然或人工石墨；炭黑如乙炔黑，科琴黑，槽法炭黑，炉黑，灯黑和热裂法炭黑；导电纤维如碳纤维和金属纤维；金属粉末如氟化碳粉末，铝粉和镍粉；导电晶须如氧化锌和钛酸钾；导电金属氧化物如二氧化钛；以及聚苯撑衍生物。

粘合剂是辅助活性材料和导电材料之间的粘合以及活性材料对集流体粘合的成分。

基于正极混合物的总重量，可以但不限于以0.5％～20％的量添加粘合剂。粘合剂的实例包括但不限于聚偏二氟乙烯、聚乙烯基醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、丁苯橡胶、氟橡胶和各种共聚物。

作为本实施例的示意，负极活性材料包括能够嵌入和脱出锂离子的碳材料、锂金属、硅和锡。负极集流体通常制造成6um～500um的厚度。

负极集流体没有特别限制，只要其不在制造的锂二次电池中造成化学变化且具有导电性即可。

例如，负极集电器可以由铜、不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳、用碳、镍、钛或银表面处理过的铜或不锈钢，和铝-镉合金制成。

与正极集流体类似，负极集电器也可以在其表面处具有微小的不规则以提高负极集电器和负极活性材料之间粘合的物质。

另外，可以以包括膜、片、箔、网、多孔结构、泡沫和无纺布的各种形式使用负极集电器。隔膜设置在正极和负极之间，具有高离子渗透性和机械强度的绝缘薄膜。

隔膜通常具有0.01um～10um的孔径和8um～200um的厚度。

作为隔膜，具有耐化学性和疏水性的由烯烃聚合物如聚丙烯、玻璃纤维或聚乙烯制成的片或无纺布。当使用固体电解质如聚合物作为电解质时，固体电解质也可以充当隔膜。

电解液由非水有机溶剂和锂盐和添加剂构成。

非水有机溶剂可以为选自乙烯碳酸酯(EC)、丙烯碳酸酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)和低熔点链状羧酸脂中的任意一种或者组合。

锂盐是易溶于非水溶剂中的材料，其可以但不限于为以下：LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiPF6、LiAICl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、4-苯基硼酸锂和亚氨基锂中的任意一种或者组合。

锂盐在电解质的浓度可以为0.5mol/L～2mol/L。

另外，为了提高充放电特性和阻燃性，可以向电解质中添加添加剂，其中添加剂为：碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸亚乙烯酯、硫酸亚乙酯、环己基苯、氟代碳酸乙烯酯、三(三甲基硅烷)亚磷酸酯、联苯中的任一一种或者组合。

在一些情况下，为了赋予不燃性，添加剂可还包含卤素的溶剂如四氯化碳和三氟乙烯。

另外，为了提高高温储存特性，电解质可还包含碳酸氟代亚乙酯(FEC)、丙烯磺酸内酯(PRS)等。

腔体103可以是耐化学腐蚀和满足机械性能的任何材质，其实例但不限于不锈钢、铝和铝合金。

在一些情况下，为了赋予不燃性，电解质可还包含含卤素的溶剂如四氯化碳和三氟乙烯。

步骤202：卷绕制备卷绕体。

采用卷绕工艺，将正极片、负极片、隔膜卷绕成卷绕体101。且沿卷绕体101的轴向方向贯穿有刚性卷芯102。

作为本实施例的示意，可以将刚性卷芯102设置在卷绕体101的轴心位置。可选但不限于使其作为卷绕体101的轴心。

步骤203：卷绕体入壳。

将带刚性卷芯102的卷绕体101转移腔体103中，并将刚性卷芯102的两末端1021、1022固定在腔体103上，使卷绕体101悬空在腔体103内。

在转移卷绕体101时，优选以刚性卷芯102为机械抓取点，将带刚性卷芯102的卷绕体101转移至腔体103内。

在固定好刚性卷芯102后，将卷绕体101上的正极片、负极片分别与设置在腔体103上用于外接的正极、负极电连接起来，详细参考现有技术。

在卷绕体101入壳后，采用焊接或者激光焊接工艺封装腔体103，使卷绕体101被封装在腔体103内。

步骤204：对腔体103抽真空。

从腔体103上的抽气孔进行抽真空。

作为本实施例的示意，可以但不限于抽真空至使腔体103内的相对真空度下降至(-95±5)Kpa为止，详细的抽真空工艺可以参见现有技术。

步骤205：烘干。

向腔体103通入预定60至150摄氏度的惰性气体(为与用于冷却的惰性气体相区别，下记为高温惰性气体)，以使高温惰性气体在腔体103内与卷绕体101充分接触，与卷绕体101进行热交换，实现对卷绕体101加热，卷绕体101中的水分由于温度升高而气化，保持高温惰性气体在腔体103内预定时长(比如停留时长不少于20min)，使高温惰性气体充分与卷绕体101内的极片接触，提高烘干效果。

在高温惰性气体在腔体103内停留预定时长后，再抽出腔体103内的高温惰性气体，将水汽一起抽出，实现了对卷绕体101的烘干，以去除卷绕体101内的水分。

其中，本实施例的高温惰性气体可以为与腔体103内的各部件均不发生反应的惰性气体，比如其可以但不限于为高纯氮气、或高纯氩气、或两者的混合。

作为本实施例的示意，可以重复执行本步骤的先通入高温惰性气体使其停留一定时长后，再在腔体103的出气孔105抽出该惰性气体，然后再通入新的高温惰性气体，再抽出，如此重复复数次(比如40次)，以确保卷绕体101内的水分被烘干充分。

作为本实施例示意，在通入高温惰性气体时的过程中，保持腔体103内的气压低于当前的外部大气压，使腔体103保持一负压状态，使腔体103的密封性更好，避免腔体103内的气压溢出。

比如但不限于，通入高温惰性气体时，使腔体103内的绝对气压上升至(85±5)Kpa时停止，避免腔体103内气压高于大气压。

作为本实施例的示意，本实施例在抽出热交换后的惰性气体时，对腔体103进行抽真空，使腔体103内的相对真空度下降至(-80±5)Kpa，以使其中的气体内被充分抽出，一方面充分抽出水汽，另一方面提高抽气后通入的新的高温惰性气体的热交换效率。

在本实施例中，将烘干工艺置在将卷绕体101密封壳体后进行，利用作为本实施例锂离子电池的外壳的腔体103作为烘干室，通过通入高温惰性气体的方式对卷绕体101进行加热，实现锂离子电池的烘干，其相对于现有技术在卷绕后将批次卷绕体101置入烘干室的技术方案，采用本实施例技术方案具有以下优点：

1、简化了锂离子电池的制备工艺，提高效率。

2、采用本实施例工艺，利用向作为真空环境腔体103通入高温的气体，利用高温气体对其中的水分气化后再抽真空处理实现了对卷绕体101的烘干，解决了呼吸式烘箱效率低和无法适应超大电芯烘干的问题。该技术极大的降低了生产成本，同时也为大规模储能电站的集成带来很大便利。

步骤206：冷却。

本步骤可以采用静置实现。

本发明人在进行本实用新型研究过程中还提供了一种通过通入低温惰性气体，使其与卷绕体101充分热交换，然后再抽出该低温惰性气体，利用低温惰性气体带出卷绕体101中的热量的方式，而降低卷绕体101的温度的技术方案，采用该技术方案有利于缩短冷却的时间，并进一步降低卷绕体101的含水量。

其中通入的低温惰性气体的温度可以但不限于为25±5摄氏度。

本发明人在进行本实用新型的过程中发现，可以重复执行本步骤，多次通入低温惰性气体，然后抽出该惰性气体，再通入低温惰性气体，再抽出该惰性气体的方式，直到卷绕体101的极片温度下降至小于45摄氏度为止。

步骤207：灌注电解液。

在抽真空后保持腔体103真空，向腔体103内灌注电解液，即得锂离子电池。

其中注液的工艺可以但不限于参见现有技术。

完成注液后常温下静置24至72小时。

在注液后，密封注液口，即得锂离子电池。

步骤208：化成、分容。

本步骤可以按现有技术实现。

实施例2：

以下以具体一超大容量的设计容量为14661Ah的锂离子电池制备为例，对本实施例的效果进行进一步的说明：

按照95％LiFeP04、1％CNT、2％Super P和2％PVDF的比例使用100L搅拌罐进行搅拌，搅拌完成后除泡和过滤。然后涂布在合金型号为1235-刚8厚度为15um的铝箔上，单面涂布面密度为16.36mg/cm2，涂布宽度为605mm，单面涂布600m后进行双面涂布。涂布完成后进行辊压，辊压后极片厚度为156um，极片压实密度为2.3g/cm3。辊压完成后用分切机分切掉5mm料区，使得剩余料区宽度为600mm，另一侧留白宽度为100mm。

按照95％人造石墨、1.5％CMC、1.5％Super P和2％PVDF的比例使用100L搅拌罐进行搅拌，搅拌完成后除泡和过滤。然后涂布在双面光8um的铜箔上，单面涂布面密度为8.33mg/cm2，涂布宽度为625mm，单面涂布600m后进行双面涂布。涂布完成后进行辊压，辊压后极片厚度为112um，极片压实密度为1.60g/cm3。辊压完成后用分切机分切掉5mm料区，使得剩余料区宽度为620mm，另一侧留白宽度为90mm。

正负极制片完成后，按照正负极overhang 10mm的规格进行卷绕，卷芯102使用直径为250mm聚四氟乙烯实心管，隔膜使用640mm宽25um干法单拉隔膜，两边隔膜超出负极料区宽度为10mm。卷绕正极极片总长为547501mm，负极极片总长为548720mm，收尾隔膜超负极50mm。包括卷绕体101总重391.0Kg，卷绕体101直径为530.6mm，卷绕体101宽度为800mm，刚性卷芯102长度为910mm。

卷绕完成后由机械手抓取卷芯102把芯包转移至根据示意图设计加工好的腔体103。然后使用激光焊对正负极极耳和端子进行连接，腔体103的密封可使用激光焊接或电焊。

完成焊接后进行如下烘干流程：

A：抽真空至使腔体103内的相对真空度达-95Kpa；

B：通入90℃的氮气使腔体103内的绝对气压上升至85Kpa；

C：保持30min；

重复A、B和C操作40次。

D：抽真空至使腔体103内的相对真空度下降至-80Kpa；

E：通入25℃的氮气使腔体103内的绝对气压上升至90Kpa；

重复D和E操作直到卷绕体101上的极片温度小于45℃。

完成烘干后先对腔体103抽真空至使腔体103内的相对真空度达-90Kpa，然后通入66.5Kg的电解液。

其中，电解液溶剂由EC、EMC和DEC组成，体积比例为2∶4∶3，另外添加2％的VC作为负极沉膜添加剂。

完成注液后25℃常温静置24h。

静置结束后，按照下列流程在常温下进行化成与容量测试：

其中上表中的CC代表恒流充电，CV为恒压充电，DC为恒流放电。

本实施例锂离子电池单体容量高达14661Ah，满充状态下可提供49.6KWh的电量，是现有常规储能电芯容量的50～300倍。

由于该单体电芯的生产工艺非常简便，取消了需要高精度设备的模切工序和热压工序，卷绕工序更加高效和简单；

另外，利用传热介质和自身腔体103作为真空环境，解决了呼吸式烘箱效率低和无法适应超大电芯烘干的问题。这些特点极大的降低每度电的生产成本，同时也为大规模储能电站的集成带来很大便利。

试验对比分析：

为了进一步说明本实用新型技术方案的效果，以下对实施例2中制得的锂离子电池与其他工艺制得的锂离子电池进行效果比对，如下：

对照例1：采用现有技术的卷绕工艺得到与本实施例相同规格的锂离子电池。

其中现有技术是，采用卷绕工艺卷绕得到卷绕体，卷绕体总重391.0Kg，卷绕体直径为530.6mm，卷绕体宽度为800mm，将卷绕体置入呼吸式烘干室进行烘干去除水分，然后将卷绕体置入铝壳封装，注液、化成等工艺制成，对照例1中的正负极片、隔膜的规格与实施例2完全一样。

实施例2电池与对照例1的锂离子电池的性能测试，测试结果比对如表一及图3所示的电量保持率和循环次数变化对比示意图：

表一：锂离子电池性能比对表

由上可见，采用本实施例工艺有利于大大提高锂离子电池的容量，有利于实现超大容量的锂离子电池单体。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种工业锂离子电池，其特征是，包括刚性卷芯、卷绕体、电解液腔体，

2.根据权利要求1所述的工业锂离子电池，其特征是，

所述刚性卷芯为所述卷绕体的轴心。

3.根据权利要求2所述的工业锂离子电池，其特征是，

所述腔体呈：圆柱形、正方形、或者长方形。

4.根据权利要求1所述的工业锂离子电池，其特征是，

所述刚性卷芯为：聚四氟乙烯管。

5.根据权利要求1所述的工业锂离子电池，其特征是，

所述刚性卷芯为：实心管或空心管。

6.根据权利要求1所述的工业锂离子电池，其特征是，

在所述腔体上设置有可封堵的注液孔、进气孔、以及出气孔。

7.根据权利要求6所述的工业锂离子电池，其特征是，

所述进气孔、出气孔分别位于所述腔体上相对的两端面。

8.根据权利要求6所述的工业锂离子电池，其特征是，

所述进气孔、出气孔位置相错。

9.根据权利要求1所述的工业锂离子电池，其特征是，

所述腔体为：不锈钢、铝或者铝合金腔体。