CN214378565U - 一种卷芯和卷绕电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种卷芯和卷绕电池。本实用新型第一方面提供了一种卷芯，包括卷绕成形的正极片、隔膜以及负极片，所述正极片包括依次层叠设置的正极集流体、第一涂层、第二正极活性层以及与所述正极集流体表面连接的正极耳；其中，第一涂层的长度大于第二正极活性层的长度，且所述第一涂层至少覆盖位于卷芯圆弧面上的正极集流体的至少一个表面。本实用新型通过设置第一涂层并覆盖卷芯中暴露的至少部分正极集流体，可有效避免针刺测试中卷芯的短路风险，提高卷芯的安全性。

Description

一种卷芯和卷绕电池
技术领域
本实用新型涉及一种卷芯和卷绕电池，涉及二次电池技术领域。
背景技术
锂离子电池已经在日常生活中得到普及应用，其中，卷绕电池作为一种常见的锂离子电池，是指极片以卷绕方式组合成形的卷芯所组成的电池，例如，图1为现有技术提供的一种卷芯结构示意图，如图1所示，该卷芯包括卷绕成形的正极片100、隔膜(图中未示出)和负极片200，正极片100和负极片200均包括集流体、活性层以及与集流体表面连接的极耳，为了便于表述，根据卷芯的卷绕方式，将其分为平面和圆弧面，其中，负极活性层的头部位于卷芯第二个平面的最左端，其尾部与负极集流体的尾部一起位于卷芯平面的最右端，根据负极片的设计，正极活性层与负极活性层的头部位置相同，当负极活性层结束后，由于正极集流体靠近卷芯外层的表面无相应的负极活性层对应，因此，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的正极活性层结束在与负极活性层相同的位置，而位于正极集流体靠近卷芯内层表面的正极活性层平行于其内层的负极活性层继续卷绕，结束在负极活性层外侧相同位置，正极集流体继续延伸出至少一个圆弧面，便于卷芯与卷芯外层结构胶粘。
但当对图1所示的卷芯中集流体的空箔区进行针刺测试时，卷芯内部极易发生短路，给卷绕电池的使用造成了极大的安全隐患，因此，如何提高卷芯的安全性，受到了越来越多的关注。
实用新型内容
本实用新型提供了一种卷芯和卷绕电池，用于提高卷芯的安全性。
本实用新型第一方面提供了一种卷芯，包括卷绕成形的正极片、隔膜以及负极片，所述正极片包括依次层叠设置的正极集流体、第一涂层、第二正极活性层以及与所述正极集流体表面连接的正极耳；
其中，第一涂层的长度大于第二正极活性层的长度，且所述第一涂层至少覆盖位于卷芯圆弧面上的正极集流体的至少一个表面。
结合图1可以看出，卷芯圆弧面上的正极集流体有三部分裸露在外，无正极活性层覆盖，例如，从正极耳300一侧至正极活性层头部的区域；当负极活性层和正极集流体靠近卷芯外层表面的正极活性层结束后，位于该正极活性层尾部之后的区域以及当正极集流体靠近卷芯内层表面的正极活性层结束后，位于该正极活性层尾部之后的区域，以上三个区域内的正极集流体表面均无活性层覆盖，为了避免过多的集流体暴露在外从而影响卷绕电池的安全性，本申请在正极集流体和第二正极活性层之间设置了第一涂层，将第二正极活性层设置在第一涂层的上表面，并且第一涂层的长度要大于其表面第二正极活性层的长度，使得第一涂层至少覆盖位于卷芯圆弧面上的正极集流体的至少一个表面，即第一涂层至少覆盖上述三部分的正极集流体，通过第一涂层对正极集流体的保护，提高卷芯的安全性。
根据极耳位置的不同，将卷芯的结构分为以下两种情况：
在一种实施方式中，图2为本实用新型一实施例提供的卷芯结构示意图，如图2所示，该卷芯包括卷绕成形的正极片100、隔膜(图中未示出)和负极片200，正极片包括依次层叠设置的正极集流体101、第一涂层102、第二正极活性层103以及设置在正极集流体101端部并与其表面连接的正极耳300，负极片包括依次层叠设置的负极集流体201、负极活性层202以及设置在负极集流体201端部并与其表面连接的负极耳400，其中，负极片200以及第二正极活性层103的头部和尾部位置与现有技术相同，第一涂层102的头部位于正极耳300一侧，覆盖从正极耳300至第二正极活性层103头部的区域；当负极片200以及位于集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层103结束后，位于正极集流体101靠近卷芯外层表面的第一涂层102延长至卷芯圆弧面结束；当位于正极集流体101靠近卷芯内层表面的第二正极活性层103结束后，位于正极集流体101靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长，并至少延长至卷芯圆弧面结束。
出于卷芯安全性的考虑，第一涂层应尽量全部覆盖卷芯中暴露的集流体，例如第一涂层的与正极耳之间的距离a1应该当为零，但结合极片实际生产工艺，第一涂层与正极耳之间的距离a1为零无法实现，或者对极片生产工艺要求极高，因此，为了兼顾卷芯安全性和极片实际生产工艺，所述第一涂层与所述正极耳的距离a1小于等于1mm。
进一步地，第二正极活性层与所述正极耳的距离为b1，0.5mm≤b1-a1≤30mm。
为了更清楚的说明第一涂层的长度，我们截取正极耳附近的正极片进行详细阐述，图3为本实用新型一实施例提供的正极耳附近的正极片的结构示意图，如图3所示，正极片包括依次层叠设置的正极集流体101、第一涂层102、第二正极活性层103以及与正极集流体101端部连接的正极耳300，其中，第一涂层102与正极耳300的距离a1小于等于1mm，第二正极活性层103与正极耳300之间的距离为b1，且0.5mm≤b1-a1≤30mm。
在另一种实施方式中，图4为本实用新型又一实施例提供的卷芯结构示意图，如图4所示，卷芯包括卷绕成形的正极片100、隔膜(图中未示出)和负极片200，正极片包括正极集流体101、第一涂层102、第二正极活性层103以及设置在正极集流体中间区域的正极耳300，负极片包括负极集流体201、负极活性层202以及设置在负极集流体中间区域的负极耳400，与极耳设置在集流体端部相同，当第二正极活性层103结束后，第一涂层102继续延长并至少覆盖卷芯的圆弧面，不同的是，当极耳中置后，需要对第一涂层和第二正极活性层进行清洗，使正极集流体暴露出后再与正极耳连接，但由于第一涂层不易清洗，在涂布第一涂层102时，需进行空白涂布，预留出正极耳所需的位置，然后涂覆第二正极活性层103，再对第二正极活性层103进行清洗，因此，当极耳中置后，所述第二正极活性层103与所述正极耳300的距离b2小于所述第一涂层102与所述正极耳300的距离a2，进一步地，0mm≤a2-b2≤2mm。
为了兼顾卷芯的安全性和极片实际生产工艺，所述第二正极活性层与所述正极耳的距离b2小于等于4mm。
图5为本实用新型又一实施例提供的正极耳附近的正极片的结构示意图，如图5所示，正极片包括依次层叠设置的正极集流体101、第一涂层102和第二正极活性层103，正极耳300位于正极集流体101中间区域，第二正极活性层103与正极耳300的距离b2小于第一涂层102与正极耳300的距离a2，第二正极活性层103与所述正极耳300的距离b2小于等于4mm。
进一步地，本申请也进一步限定了第一涂层和第二正极活性层尾部之间的距离，具体地，所述第二正极活性层与所述第一涂层尾部的距离大于等于3.5mm。
例如，图6为本实用新型一实施例提供的第二活性层结束位置附近的正极片的结构示意图，截取当负极片以及位于集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层103结束位置的区域，如图6所示，位于正极集流体101靠近卷芯外层表面的第二正极活性层103与第一涂层102尾部的距离为c1。
例如，图7为本实用新型又一实施例提供的第二活性层结束位置附近的正极片的结构示意图，截取当位于正极集流体101靠近卷芯内层表面的第二正极活性层103结束位置的区域，如图7所示，位于正极集流体101靠近卷芯内层表面的第二正极活性层103与第一涂层102尾部的距离为d1。
本领域技术人员可根据卷芯的大小以及实际生产需要设置第一涂层的长度，通常情况下，所述第二正极活性层与所述第一涂层尾部的距离大于等于3.5mm，即c1和d1大于等于3.5mm。
正极集流体和第二正极活性层的具体材料可依据常规技术手段进行选择制备，例如，正极集流体可以为铝箔，第二正极活性层中包括正极活性物质、粘结剂和导电剂，具体地，正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、富锂锰基材料、镍钴铝酸锂中的至少一种；粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯和丁苯橡胶(SBR)中的至少一种；导电剂可以包括导电炭黑、碳纳米管、导电石墨、石墨烯中的至少一种。
第一涂层可以采用与第二正极活性层相同的材料，即第一涂层为正极活性层，包括正极活性物质、粘结剂和导电剂。
此外，为了进一步提高卷芯的安全性，第一涂层也可以为陶瓷层或聚合物层，具体地，当第一涂层为陶瓷层时，包括陶瓷粉体、粘结剂，当第一涂层为聚合物层时，其包括聚合物，例如：聚合物为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素纳、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯和丁苯橡胶中的一种或多种。
为了进一步提高卷芯的安全性，可以提高第一涂层中具有粘结性能的材料的质量分数，从而提高第一涂层与正极集流体之间的剥离力，例如，当第二活性层中粘结剂的质量分数为0.5-1.5％，可以将第一涂层中粘结材料的质量分数提高至3-40％，从而保证所述第一涂层与所述集流体之间的剥离力大于30N/m。
负极集流体和负极活性层可依据常规技术手段进行，例如，负极集流体为铜箔，负极活性层包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和增稠剂，负极活性物质包括人造石墨、天然石墨、改性石墨中的至少一种；增稠剂可以为羧甲基纤维素钠，导电剂和粘结剂与第二正极活性层的选择相同。
综上，本实用新型提供了一种卷芯，通过设置第一涂层并覆盖卷芯中暴露的至少部分正极集流体，可有效避免针刺测试中卷芯的短路风险，提高卷芯的安全性。
本实用新型第二方面提供了一种卷绕电池，包括上述任一所述的卷芯。
本实用新型提供了一种卷绕电池，在本实用新型提供的卷芯的基础上，进行封装、注液、化成等工序制备得到卷绕电池。本实用新型提供的卷绕电池具有较好的安全性。
本实用新型的实施，至少具有以下优势：
1、本实用新型提供了一种卷芯，通过设置第一涂层并覆盖卷芯中暴露的至少部分正极集流体，可有效避免针刺测试中卷芯的短路风险，提高卷芯的安全性。
2、本实用新型提供的卷绕电池，具有较好的安全性。
附图说明
图1为现有技术提供的一种卷芯结构示意图；
图2为本实用新型一实施例提供的卷芯结构示意图；
图3为本实用新型一实施例提供的正极耳附近的正极片的结构示意图；
图4为本实用新型又一实施例提供的卷芯结构示意图；
图5为本实用新型又一实施例提供的正极耳附近的正极片的结构示意图；
图6为本实用新型一实施例提供的第二活性层结束位置附近的正极片的结构示意图；
图7为本实用新型又一实施例提供的第二活性层结束位置附近的正极片的结构示意图。
附图标记说明：
100-正极片；
200-负极片；
101-正极集流体；
102-第一涂层；
103-第二正极活性层；
201-负极集流体；
202-负极活性层；
300-正极耳；
400-负极耳。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的实施例，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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做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。
实施例1
本实施例提供了一种卷芯，其结构如图2所示，其中：
第一涂层包括磷酸铁锂、PVDF和导电炭黑，厚度为5μm；
第二正极活性层包括钴酸锂、导电炭黑、碳纳米管以及PVDF，厚度为70μm；
第一涂层与正极耳的距离a1为1mm，第二正极活性层与正极耳的距离b1为31mm；当负极片以及位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层延长300mm，即c1为300mm；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长30mm，即d1为30mm。
本实施例提供的卷芯的制备方法包括如下步骤：
步骤1-1、将55质量份的磷酸铁锂(LFP)、40质量份的PVDF、5质量份的导电炭黑与溶剂NMP混合均匀制备得到的第一涂层浆液；
将95质量份的钴酸锂、2质量份的导电炭黑、1质量份的碳纳米管以及2质量份的PVDF与溶剂NMP混合均匀制备得到第二正极活性层浆液；
步骤1-2、按照图2所示结构，将上述第一涂层浆液涂覆在铝箔表面的涂覆区，得到厚度为5μm的第一涂层，将第二正极活性层浆液涂覆在第一涂层表面，得到厚度为70μm的第二正极活性层，随后在铝箔表面的空白区焊接正极耳；
步骤2-1、将96质量份的人造石墨、1质量份的导电炭黑、1.5质量份的SBR以及1.5质量份的CMC与溶剂去离子水混合均匀制备得到负极活性层浆液；
步骤2-2、按图2所示的结构将上述负极活性层浆液涂覆在铜箔表面制备得到负极片；
步骤3、将制备得到的正极片、负极片经辊压、分切、制片后卷绕得到卷芯，随后经封装、注液、化成后制备得到锂离子电池。
实施例2
本实施例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例1，区别在于：
第一涂层与正极耳的距离a1为1mm，第二正极活性层与正极耳的距离b1为1.5mm；当负极片以及位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层延长3.5mm，即c1为3.5mm；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体1靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长4mm，即d1为4mm。
实施例3
本实施例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例1，区别在于：
第一涂层与正极耳的距离a1为0.5mm，第二正极活性层与正极耳的距离b1为20mm；当负极片以及位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层延长160mm，即c1为160mm；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体1靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长6mm，即d1为6mm。
实施例4
本实施例提供了一种卷芯，其结构如图4所示，其中：
第一涂层包括磷酸铁锂、PVDF和导电炭黑，厚度为5μm；
第二正极活性层包括钴酸锂、导电炭黑、碳纳米管以及PVDF，厚度为70μm；
第一涂层与正极耳的距离a2为3mm，第二正极活性层与正极耳的距离b2为2mm；当负极片以及位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层延长300mm，即c1为300mm；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体1靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长30mm，即d1为30mm。
本实施例提供的卷芯的制备方法可参考实施例1，区别在于极耳的位置以及第一涂层和第二正极活性层的长度不同。
实施例5
本实施例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例4，区别在于：
第一涂层与正极耳的距离a2为4mm，第二正极活性层与正极耳的距离b2为2mm；当负极片以及位于集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层延长3.5mm，即c1为3.5mm；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体1靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长4mm，即d1为4mm。
实施例6
本实施例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例4，区别在于：
第一涂层与正极耳的距离a2为2mm，第二正极活性层与正极耳的距离b2为2mm；当负极片以及位于集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层延长160mm，即c1为160mm；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体1靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长6mm，即d1为6mm。
实施例7
本实施例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例4，区别在于：
第一涂层与正极耳的距离a2为6mm，第二正极活性层与正极耳的距离b2为2mm。
实施例8
本实施例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例4，区别在于：
当负极片以及位于集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层延长2mm，即c1为2mm；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体1靠近卷芯内层表面的第一涂层继续延长2mm，即d1为2mm。
对比例1
本对比例提供了一种卷芯，其结构如图1所示，正极片中不包括第一涂层，其余与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例1，区别在于：
第一涂层与正极耳的距离a1为20mm，即不覆盖从正极耳一侧至正极活性层头部的集流体。
对比例3
本对比例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例1，区别在于：
当负极片以及位于集流体靠近卷芯外层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯外层表面的第一涂层不延长，即c1为零；当位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第二正极活性层结束后，位于正极集流体靠近卷芯内层表面的第一涂层不延长，即d1为零。
对比例4
本对比例提供的卷芯及其制备方法可参考实施例4，区别在于，不包括第一涂层。
本实用新型进一步对实施例1-8以及对比例1-4提供的锂离子电池进行安全测试，其中，安全测试方法包括：在25±3℃环境下将锂离子电池分别以0.5C充电倍率充满电，截止电压4.45V，截止电流0.05C，随后将直径3mm的钨钢钉以100mm/s的速度刺穿正极耳附近的空箔区以及卷芯中正极片收尾圆弧处，然后退出，测试锂离子电池的通过率，测试结果见表1。
表1实施例1-8以及对比例1-4提供的锂离子电池的安全性能测试结果
Figure BDA0002876542740000101
根据表1提供的数据可知，本申请提供的卷芯具有较好的安全性，并且根据实施例4-8提供的数据可知，可尽可能的延长第一涂层的长度，使其尽可能多的覆盖正极集流体，提高卷芯的安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种卷芯，其特征在于，包括卷绕成形的正极片、隔膜以及负极片，所述正极片包括依次层叠设置的正极集流体、第一涂层、第二正极活性层以及与所述正极集流体表面连接的正极耳；
其中，第一涂层的长度大于第二正极活性层的长度，且所述第一涂层至少覆盖位于卷芯圆弧面上的正极集流体的至少一个表面。
2.根据权利要求1所述的卷芯，其特征在于，当所述正极耳与所述正极集流体的端部连接时，所述第一涂层与所述正极耳的距离a1小于等于1mm。
3.根据权利要求2所述的卷芯，其特征在于，所述第二正极活性层与所述正极耳的距离为b1，0.5mm≤b1-a1≤30mm。
4.根据权利要求1所述的卷芯，其特征在于，当所述正极耳与所述正极集流体中间区域连接时，所述第二正极活性层与所述正极耳的距离b2小于所述第一涂层与所述正极耳的距离a2。
5.根据权利要求4所述的卷芯，其特征在于，0mm≤a2-b2≤2mm。
6.根据权利要求4所述的卷芯，其特征在于，所述第二正极活性层与所述正极耳的距离b2小于等于4mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的卷芯，其特征在于，所述第二正极活性层与所述第一涂层尾部的距离大于等于3.5mm。
8.根据权利要求1所述的卷芯，其特征在于，所述第一涂层为正极活性层、陶瓷层、聚合物层中的一种。
9.一种卷绕电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的卷芯。
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