CN212810380U - 锂离子电池的卷绕极芯和锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锂离子电池的卷绕极芯和锂离子电池，所述锂离子电池的卷绕极芯包括：正极卷绕层，所述正极卷绕层设有正极片；负极卷绕层，所述负极卷绕层设有负极片；隔膜，所述隔膜设于所述正极卷绕层和所述负极卷绕层之间；补锂极片，所述补锂极片设于所述正极卷绕层和/或负极卷绕层，且所述补锂极片与所在层的所述正极片和/或所述负极片间隔设置，所述补锂极片与所述正极片和/或所述负极片电绝缘。根据本实用新型的锂离子电池的卷绕极芯，不仅成本低、而且能够保证电池容量及倍率性能和循环性能，且可以实现补锂量和补锂时间的主动控制。

Description

锂离子电池的卷绕极芯和锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池领域，尤其是涉及一种锂离子电池的卷绕极芯和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池相比其他化学电源，能量密度更高，具有更强的放电能力，寿命更长，污染较小。锂离子电池首次充电过程中，由于负极极片表面会形成固体电解质膜，会消耗一部分从正极迁移的锂离子，造成锂离子损失，从而影响锂离子电池的容量，同时影响锂离子电池的使用寿命。

为此，相关技术中的锂离子电池，通常在正极片或负极片外增加补锂涂层，或者在正极片或负极片的材料中增加含锂添加剂，这些方式均对极片的结构进行了改变，随之工艺的改变会致使成本上升。而且含锂添加剂和补锂涂层在补锂后不再发挥作用，但仍存在正极片或负极片中，导致电池阻抗上升，影响电池的容量、倍率性能和循环性能。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种锂离子电池的卷绕极芯，该锂离子电池的卷绕极芯不仅成本低、而且能够保证电池容量及倍率性能和循环性能，且可以实现补锂量和补锂时间的主动控制。

本实用新型还提出一种具有上述锂离子电池的正极片的锂离子电池。

为实现上述目的，根据本实用新型第一方面的实施例提出了一种锂离子电池的卷绕极芯，所述卷绕极芯包括正极卷绕层，所述正极卷绕层设有正极片；负极卷绕层，所述负极卷绕层设有负极片；隔膜，所述隔膜设于所述正极卷绕层和所述负极卷绕层之间；补锂极片，所述补锂极片设于所述正极卷绕层和/或负极卷绕层，且所述补锂极片与所在层的所述正极片和/或所述负极片间隔设置，所述补锂极片与所述正极片和/或所述负极片电绝缘。

根据本实用新型实施例的卷绕极芯，通过在卷绕极芯中增设补锂极片，使得不需改变传统正负极片结构，可以避免极片工艺改变导致的成本增加，也可以避免常规补锂方法中将补锂剂加入正极和/或负极片中，因惰性物质残留从而导致恶化了电池倍率和循环等性能。通过控制补锂极片的自放电时间还可以实现对正极和/或负极片补锂时间和补锂量的主动控制；且补锂极片与所在层的正极片和/或负极片平时并不连通，既可以在电池循环初期活性锂较充足时不连通补锂，待循环一定时间电池容量衰减时再连通补锂，也可以在首次充电后即连通补锂，补锂效果可以更灵活。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述补锂极片与所述正极片在所述正极卷绕层的长度方向间隔设置；和/或所述补锂极片与所述负极片在所述负极卷绕层的长度方向间隔设置。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述补锂极片位于所述卷绕极芯的卷绕收尾段。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述补锂极片的长度为所述正极片的长度的5％～50％；和/或所述补锂极片的长度为所述负极片的长度的5％～50％。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述补锂极片包括集流体和补锂层。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述补锂层包括补锂材料，所述补锂材料包括惰性金属锂粉、Li₂S、Li₃N、Li₂MoO₃、LiFeBO₃、Li₂FeSiO₄、Li₅FeO₄、Li₂NiO₂和Li₂CuO₂中的至少一种。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述补锂层还包括导电剂和粘结剂，所述补锂材料、所述导电剂和所述粘结剂的质量比为80％～96％：2％～10％：2％～10％。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述补锂层的厚度为10μm～500μm。

根据本实用新型的一些具体实施例，所述正极片、所述负极片和所述补锂极片中的至少一个包括多孔箔材。

根据本实用新型的第二方面的实施例提出一种锂离子电池，所述锂离子电池包括：金属壳体；根据本实用新型第一方面的实施例所述的卷绕极芯，所述卷绕极芯设于所述金属壳体内，所述补锂极片与所述金属壳体接触；电解液，所述电解液填充于所述金属壳体内。

根据本实用新型实施例的锂离子电池，通过利用根据本实用新型第一方面的实施例所述的锂离子电池的卷绕极芯，不需改变传统正负极片结构，可以避免极片工艺改变导致的成本增加，也可以避免常规补锂方法中将补锂剂加入正极或负极片中，因惰性物质残留从而导致恶化了电池倍率和循环等性能。同时，补锂极片可以提供额外的活性锂离子实现补锂，补充在首次充电过程中以及电池循环过程中损失的活性锂，增加了电池体系中可逆脱嵌锂离子的数量，因而提升了电池能量密度；通过控制补锂极片的自放电时间还可以实现对正极补锂时间和补锂量的主动控制；且补锂极片与所在层的正极片和/或负极片平时并不连通，既可以在电池循环初期活性锂较充足时不连通补锂，待循环一定时间电池容量衰减时再连通补锂，也可以在首次充电后即连通补锂，补锂效果可以更灵活。因此，本实用新型实施例的锂离子电池具有成本低、电池容量高、倍率性能和循环性能好等优点。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型第一可选实施例的锂离子电池的卷绕极芯的卷绕前的结构示意图；

图2是根据本实用新型第二可选实施例的锂离子电池的卷绕极芯的卷绕前的结构示意图；

图3是根据本实用新型第三可选实施例的锂离子电池的卷绕极芯的卷绕前的结构示意图；

图4是根据本实用新型第一可选实施例的锂离子电池的卷绕极芯的结构示意图；

图5是根据本实用新型第二可选实施例的锂离子电池的卷绕极芯的结构示意图；

图6是根据本实用新型第三可选实施例的锂离子电池的卷绕极芯的结构示意图。

附图标记：

卷绕极芯1、正极卷绕层2、正极片20、负极卷绕层3、负极片30、隔膜4、补锂极片5、集流体51、补锂层52。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面描述根据本实用新型实施例的锂离子电池。

根据本实用新型实施例的锂离子电池包括金属壳体、卷绕极芯1以及电解液。

首先参考附图描述根据本实用新型实施例的锂离子电池的卷绕极芯1。

如图1-图6所示，根据本实用新型实施例的锂离子电池的卷绕极芯1包括正极卷绕层2、负极卷绕层3、隔膜4、以及补锂极片5。

正极卷绕层2设有正极片20，负极卷绕层3设有负极片30，隔膜4设于正极卷绕层2和负极卷绕层3之间，补锂极片5设于正极卷绕层2和/或负极卷绕层3，且补锂极片5与所在层的正极片20和/或负极片30间隔设置，补锂极片5与正极片20和/或负极片30电绝缘。

换言之，补锂极片5可以仅设置于正极卷绕层2且与正极片20间隔设置，或者补锂极片5可以仅设置于负极卷绕层3且与负极片30间隔设置，或者正极卷绕层2和负极卷绕层3均设置补锂极片5，正极卷绕层2的补锂极片5与正极片20间隔设置，负极卷绕层3的补锂极片5与负极片30间隔设置。

在本实用新型实施例的锂离子电池中，卷绕极芯1设于金属壳体内，补锂极片5与金属壳体接触。电解液填充于金属壳体内。

如图4-图6所示，补锂极片5设于正极卷绕层2的正极片20延伸位置，补锂极片5也可设于负极卷绕层3的负极片30延伸位置，补锂极片5与正极片20和/或负极片30未有电接触。隔膜4具有电子绝缘性，隔绝正极片20和负极片30的电子，同时隔膜4有一定的孔径和孔隙率，对锂离子有很好的透过性。通过正极卷绕层2、负极卷绕层3和隔膜4卷绕成卷绕极芯1，正极卷绕层2和负极卷绕层3可以由隔膜4间隔，保证了锂离子导通的同时阻隔正极片20和负极片30的电子。电解液填充于金属壳体内作为离子传输的载体。锂离子电池通过将补锂极片5与金属壳体电连接，可实现电子导通。补锂极片5通过电解液与正极片20实现离子导通。

在本实用新型的一些具体实施例中，如图4-图6所示，补锂极片5位于卷绕极芯1的外卷绕收尾段，进一步地，补锂极片5的末端从隔膜4露出，补锂极片5末段裸露部分与金属壳体电接触实现电子导通，进而补锂极片5通过电解液与正极片20实现离子导通。

举例而言，当电池处于充电态时，正极卷绕层2电位较高，将正极片20与金属壳体通过导体连接，由于正极片20与补锂极片5的电子导通，正极片20与补锂极片5相当于组成了一个临时的电池单元，因为补锂极片5电位较低，因此在临时组件的电池单元中充当负极，原来的正极片20充当临时电池单元的正极，电子导通后这个临时组建的电池单元开始自放电。在这个自放电的过程中，锂离子从补锂极片5中脱出，进入电解液并扩散至正极嵌入正极片20，这个临时组建的电池单元自放电的过程实际上就是补锂极片5对正极片20的补锂过程(自放电补锂)，即实现了补锂极片5的活性锂进入正极材料，进而可以在极芯正负极间充放电循环，达到补锂效果。负极卷绕层3的补锂过程实际上与正极卷绕层2的补锂过程原理相同，将负极片30与金属壳体通过导体连接即可。

根据本实用新型的锂离子的电池的卷绕极芯1及锂离子电池，补锂极片5通过电解液与正极片20和/或负极片30实现离子导通实现补锂。不需改变传统正负极片结构，可以避免极片工艺改变导致的成本增加，并且，补锂极片5和正极片20和/或负极片30间隔设置，如此不会有惰性产物残留正极和负极，不会影响正极和负极的结构，从而避免阻抗增大，进而保证电池倍率和循环等性能。

此外，通过控制补锂极片5的自放电时间还可以实现对补锂时间和补锂量的主动控制，例如通过控制金属壳体是否与正极片20电连接，来控制有需要的时候补锂以及控制补锂时间。且金属壳体与正极片20和/或负极片30平时并不连通，既可以在电池循环初期活性锂较充足时不补锂，待循环一定时间电池容量衰减时再进行补锂，也可以在首次充电后即连通金属壳体与正极片20和/或负极片30补锂，补锂效果更灵活。

根据本实用新型的锂离子电池的卷绕极芯1，不仅成本低、而且能够保证电池容量及倍率性能和循环性能，且可以实现补锂量和补锂时间的主动控制。

在本实用新型的一些具体实施例中，如图1-图3所示，补锂极片5与正极片20在正极卷绕层2的长度方向间隔设置，以便于补锂极片5与正极片20在正极卷绕层2的布置，同时不会有惰性产物残留正极片20。

补锂极片5与负极片30在负极卷绕层3的长度方向间隔设置，以便于补锂极片5与负极片30在负极卷绕层3的布置，同时不会有惰性产物残留负极片30。

在本实用新型的一些具体实施例中，补锂极片5的长度为正极片20的长度的5％～50％；和/或补锂极片5的长度为负极片30的长度的5％～50％。

补锂极片5具有较长的长度，保证可补锂量较高，同时补锂极片5的控制在一定长度范围内，满足正极片20和/或负极片30所需的活性锂,又有利于节省空间和成本，例如，补锂极片5的长度可以进一步为正极片20和/或负极片30长度的5％～20％。

在本实用新型的一些具体实施例中，如图1-图3所示，补锂极片5包括集流体51和补锂层52。集流体51和补锂层52均可以呈片状，补锂层52设于集流体51的厚度方向的至少一侧。补锂层52与集流体51的紧密接触以实现补锂层52和集流体51的电子导通。可以理解地是，补锂极片5的集流体51和补锂层52均与正极片20和/或负极片30间隔设置。

在本实用新型的一些具体实施例中，正极片20、负极片30和补锂极片5中的至少一个包括多孔箔材。例如多孔箔材为多孔铜箔和多孔铝箔等。锂离子从补锂极片5脱出后，需要移动至正极片20嵌入正极材料和/或负极片30嵌入负极材料，采用多孔箔材可以缩短锂离子迁移路径。

其中，集流体51为铝箔或铜箔，例如集流体51、负极片30的集流体和正极片20的集流体为多孔铝箔或多孔铜箔。

在本实用新型的一些具体实施例中，补锂层52包括补锂材料，还可以进一步包括导电剂和粘结剂。

补锂材料为补锂层52提供的活性物质。导电剂起到传导电子的作用。粘结剂起到将补锂材料和导电剂粘结固定到集流体51的作用。

进一步地，补锂材料包括惰性金属锂粉、Li₂S、Li₃N、Li₂MoO₃、LiFeBO₃、Li₂FeSiO₄、Li₅FeO₄、Li₂NiO₂和Li₂CuO₂中的至少一种。

例如补锂材料为惰性锂粉、Li₂S、Li₂MoO₃和Li₂FeSiO₄，补锂材料不仅脱锂电位明显低于常用的正极材料，易于被氧化脱锂，并且脱锂后产物稳定，不会对电池系统产生影响。

可以理解地是，铜箔适合电压较低的补锂材料，如铜箔适合惰性锂粉补锂材料，铝箔适合较高电压的补锂材料，如铝箔适合Li₂S、Li₃N、Li₂MoO₃、LiFeBO₃、Li₂FeSiO₄、Li₅FeO₄、Li₂NiO₂和Li₂CuO₂等补锂材料。

由此,补锂材料为惰性锂粉时，集流体51为铜箔，补锂材料为Li₂S、Li₂MoO₃和Li₂FeSiO₄时，集流体51为铝箔。

在本实用新型的一些具体实施例中，补锂材料、导电剂和粘结剂的质量比为80％～96％：2％～10％：2％～10％。

具体地，补锂材料的含量决定了补锂层52可提供的活性锂量，例如补锂材料的质量比为90％～96％，进一步为94％～96％。为保证导电剂的导电性的同时不影响活性物质的比例，需保证导电剂其含量在一定范围内，例如导电剂的质量比为2％～5％，进一步为2％～3％。粘接剂为起到较好的粘结作用的同时不影响活性物质的比例，也需要保证粘接剂的含量在一定范围内，例如粘接剂的质量比为2％～5％，进一步为2％～3％。

在本实用新型的一些具体实施例中，导电剂包括乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、导电碳黑和导电石墨中的至少一种。

在本实用新型的一些具体实施例中，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚氨酯、环氧树脂、丁苯橡胶、聚甲基纤维素、聚甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素和聚丙烯醇中的至少一种。

在本实用新型的一些具体实施例中，补锂层52的厚度为10μm～500μm。

补锂层52的厚度在一定范围内，使补锂材料的含量越大，可提供的活性锂充足，同时又能够脱锂。例如，补锂层52的厚度为50μm-200μm，进一步为75μm～150μm。

下面描述根据本实用新型实施例的锂离子电池的正极片20浆料涂布方法。

例如，将补锂材料粉体、导电剂和粘结剂按照一定质量比加入分散剂中，搅拌均匀制得补锂层52浆料，将该补锂层52浆料在集流体51上涂覆，烘干后制得含有补锂层52的补锂极片5。补锂层52浆料的分散剂可以是现有技术中的各种溶剂，如可以选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二乙基甲酰胺(DEF)、二甲基亚砜(DMSO)和四氢呋喃(THF)的一种或几种。

下面通过具体的实验说明根据本实用新型实施例的锂离子电池相比现有锂离子电池的优势。

实施例1

以镍钴锰酸锂LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂为正极材料，乙炔黑为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散剂，按照质量比正极材料:乙炔黑:PVDF:NMP＝95:3:2:50的比例混合均匀后在多孔铝箔上涂布，然后置于120℃烘箱中真空干燥24h，再经压片，滚切后制成正极片20。

将石墨、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和水按照质量比95:3:2:50混合均匀后在多孔铜箔上涂布，然后置于80℃烘箱中真空干燥24h，再经压片，滚切后制成负极片30。以celgard2400聚丙烯多孔膜为隔膜4。

以Li₂MoO₃为补锂材料，乙炔黑为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散剂，按照质量比补锂材料:乙炔黑:PVDF:NMP＝95:3:2:50的比例混合均匀后在多孔铝箔上涂布，然后置于80℃烘箱中真空干燥24h，再经压片，滚切后制成补锂极片5，其补锂层52厚度150μm，补锂极片5的长度为正极片20长度的10％。

将两个补锂极片5分别置于正极片20延伸位置和负极片30延伸位置，将正极片20，负极片30，隔膜4，补锂极片5按照传统卷绕方式卷绕成卷绕极芯1，其中补锂极片5末段卷绕位置裸露在外。

将卷绕极芯1装入方形电池金属壳体中，注液封装成新型锂离子电池S1。

实施例2

惰性锂粉为补锂材料，乙炔黑为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散剂，按照质量比补锂材料:乙炔黑:PVDF:NMP＝95:3:2:50的比例混合均匀后在多孔铜箔上涂布，然后置于80℃烘箱中真空干燥24h，再经压片，滚切后制成补锂极片5，其补锂层52厚度75μm，补锂极片5的长度为正极片20长度的5％。

参照实施例1的方法制作卷绕极芯1和新型锂离子电池S2。

实施例3

以Li₂MoO₃为补锂材料，乙炔黑为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散剂，按照质量比补锂材料:乙炔黑:PVDF:NMP＝95:3:2:50的比例混合均匀后在不锈钢网上涂布，然后置于80℃烘箱中真空干燥24h，再经压片，滚切后制成补锂极片5，其补锂层52厚度120μm，补锂层52的长度为正极片20长度的20％。

正极片20和负极片30参照实施例1中方法制备。将补锂极片5置于正极片20延伸位置，将正极片20，负极片30，隔膜4，补锂极片5按照传统卷绕方式卷绕成卷绕极芯1，其中补锂极片5末段卷绕位置裸露在外。

将卷绕极芯1装入方形电池金属壳体中，注液封装成新型锂离子电池S3。

对比例1

参照实施例1中方法制作电池样品DS10，不同之处在于所用极芯不包括补锂极片。

(1)充电测试：

充电测试在充放电测试仪上进行，将电池S1、S2、S3和DS10在25℃下以0.1C倍率充电至4.3V，测试充电容量，得到充电容量a，静置5min后，将正极柱与电池金属壳体短接，保持短接状态24h，然后断开短接，再以0.1C倍率充电至4.3V，测试充电容量，得到充电容量b。测试结果见表1。

表1

电池编号	充电容量a(Ah)	充电容量b(Ah)
			S1	108.85	10.26
S2	109.35	11.37
			S3	108.66	10.54
DS10	108.33	0.06

测试结果表明不含补锂极片的DS10电池，其充电容量b极小，仅0.06Ah，而含有补锂极片5的S1、S2、S3电池，其充电容量b分别达10.26Ah、11.37Ah、10.54Ah，说明补锂极片5对S1、S2、S3电池的正极片进行了补锂，使其补锂极片5可以继续脱锂给正极片20和/或负极片30。

(2)循环测试：

将电池S1、S2、S3和DS10装入充放电测试仪上，在25℃下以0.5C的电流，上限电压4.3V，下限电压3V的条件下进行300次循环。循环结束后将电池以0.5C倍率充电至4.3V，测试充电容量，得到充电容量301-1，静置5min后，将正极柱与电池金属壳体短接，保持短接状态24h，然后断开短接，再以0.5C倍率充电至4.3V，测试充电容量，得到充电容量301-2。测试结果见表2。

表2

电池编号	充电容量301-1(Ah)	充电容量301-2(Ah)
			S1	101.72	10.21
S2	102.54	11.40
			S3	101.38	10.53
DS10	101.29	0.05

测试结果表明即使经历了电池的300次循环，补锂极片5仍可以给正极片20和/或负极片30补锂，说明补锂极片5在电池中是稳定的，只需将正极柱和电池金属壳体短接，就可以使补锂极片5发挥补锂作用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

根据本实用新型实施例的锂离子电池的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“具体实施例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种锂离子电池的卷绕极芯，其特征在于，包括：

正极卷绕层，所述正极卷绕层设有正极片；

负极卷绕层，所述负极卷绕层设有负极片；

隔膜，所述隔膜设于所述正极卷绕层和所述负极卷绕层之间；

补锂极片，所述补锂极片设于所述正极卷绕层和/或负极卷绕层，且所述补锂极片与所在层的所述正极片和/或所述负极片间隔设置，所述补锂极片与所述正极片和/或所述负极片电绝缘。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池的卷绕极芯，其特征在于，所述补锂极片与所述正极片在所述正极卷绕层的长度方向间隔设置；和/或

所述补锂极片与所述负极片在所述负极卷绕层的长度方向间隔设置。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池的卷绕极芯，其特征在于，所述补锂极片位于所述卷绕极芯的卷绕收尾段。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池的卷绕极芯，其特征在于，所述补锂极片的长度为所述正极片的长度的5％～50％；和/或

所述补锂极片的长度为所述负极片的长度的5％～50％。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池的卷绕极芯，其特征在于，所述补锂极片包括集流体和设置于集流体表面的补锂层。

6.根据权利要求5所述的锂离子电池的卷绕极芯，其特征在于，所述补锂层的厚度为10μm～500μm。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池的卷绕极芯，其特征在于，所述正极片、所述负极片和所述补锂极片中的至少一个包括多孔箔材。

8.一种锂离子电池，其特征在于，包括：

金属壳体；

根据权利要求1-7中任一项所述的卷绕极芯，所述卷绕极芯设于所述金属壳体内，所述补锂极片与所述金属壳体接触；

电解液，所述电解液填充于所述金属壳体内。

Images