CN215418493U - 一种叠片电池的电芯结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种叠片电池的电芯结构，包括第一极片、第二极片和隔离膜；多个第一极片和多个第二极片交替叠放，在所述第一极片和第二极片之间均设置有隔离膜，至少一组相邻隔离膜的端部相连接。本实用新型能够在有效避免正极极片和负极极片在装配和使用过程中相互接触避免内短路的同时，还能够有效避免隔离膜错位，保证隔离效果，同时保证了电芯内部电流密度分布均匀，提高了电芯的安全性能。

Description

一种叠片电池的电芯结构

技术领域

本实用新型属于电池电芯技术领域，尤其涉及一种叠片电池的电芯结构。

背景技术

锂离子电池具有高比能量、寿命长、绿色低碳等优点，由于锂离子电池具有很多其他电池所不具备的优点，而被广泛应用于社会各领域中，尤其是近年来在便携式电子产品和电动汽车(EV)领域取得了巨大进展，在电动汽车、电子消费品市场等逐步得到广泛应用。而锂离子电池也是不断向着高比容量、长循环寿命和高安全性改进的。目前锂电池的性能和安全问题得到广泛的关注，而优化锂电池的内部结构是能够解决锂电池安全和性能成为业内研究的重要方向。

锂离子电池与传统电池相同，由5个基本组件组成：正、负极极片片、隔离膜、电解液、外包装壳。正、负极片由集流体骨架和表面活性物质组成，是电池的核心部分；隔离膜隔离电池的正负极极片，不让正、负极片直接接触以造成短路；电解质具有稳定性强和高电导率的特性，起到传递电荷和的作用，是锂离子在正负极之间往来运动的桥梁；电池外壳的作用是保护电池内部的极片、隔离膜等其他组成，具有高强度、耐高温、抗冲击等优点。

目前在叠片电池的电芯中叠片式锂离子电池主要通过交替层叠正极极片、隔离膜和负极极片而成。隔离膜是叠片电池的必要组成部分，它能够将正极片和负极片相互隔绝，使正极片和负极片能够叠加放置，有效缩减了电池内部空间，提高了电池的能量密度。

现有技术中，常见叠片电池的电芯是按照“隔离膜——负极片——隔离膜——正极片——隔离膜——负极片…”的结构堆叠起来，但是正极片和负极片侧边的隔离膜均为敞开式结构。例如专利CN 207319920 U中提出的一种叠片的蓄电装置，包括上层外包装膜，下层外包装膜，包覆在上、下层外包装膜内中部位置处的电芯，以及从电芯引出的负极极耳和正极极耳。例如专利CN 208142290 U中提出的一种叠片式锂离子电池，包括外壳和封装于所述外壳内的正极片、负极片、隔膜、正极集流盘和负极集流盘，所述多个正极片和多个负极片交错设置，所述隔膜设置在相邻的正极片和负极片之间形成电芯。基于现有的叠片电池的电芯内部主要存在以下问题：层叠的正极片、负极片和隔离膜在锂离子电池生产和使用过程中容易发生窜动、错位等现象，造成隔离膜的隔离失效，给电池带来了极大的安全隐患，对电池的可靠性和安全性也有很大的不利影响。隔离膜分布不均匀会造成证电池内部电流密度分布不均匀，具有造成内部短路等引发安全隐患。叠片电池中裸电芯的正、负极片在装配和使用过程中极易发生相互接触，从而产生内短路，给电池带来了极大的安全隐患。

实用新型内容

为了克服现有技术方法的不足，本实用新型的目的在于提出一种叠片电池的电芯结构，能够在有效避免正极极片和负极极片在装配和使用过程中相互接触避免内短路的同时，还能够有效避免隔离膜错位，保证隔离效果，同时保证了电芯内部电流密度分布均匀，提高了电芯的安全性能。

为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种叠片电池的电芯结构，包括第一极片、第二极片和隔离膜；多个第一极片和多个第二极片交替叠放，在所述第一极片和第二极片之间均设置有隔离膜，至少一组相邻隔离膜的端部相连接。

叠片电池的电芯中主要通过交替层叠正极极片、隔离膜和负极极片而成。

第一极片为正极片，目前常用的正极材料主要有层状结构的Li Co O2、Li Ni O2；尖晶石结构的Li Mn2O4；橄榄石结构的Li Fe PO4和三元复合材料(Li Co1/3Ni1/3Mn1/3O2)。

第二极片为负极片，负极材料多采用锡基、硅基、新型合金和其他负极材料。

隔离膜，位于电池正负极片之间，将正负极片分开防止短路的发生；常用的隔离膜材料一般是多孔性聚合物膜，有PE、PP和PP/PE/PP复合隔离膜、聚丙烯微孔膜等。

进一步的是，所述第一极片两侧相邻的两个隔离膜的端部相互连接。

在制作过程中，将隔离膜、第一极片、隔离膜依次叠放；可使用热熔刀将隔离膜端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜端部连接在一起；然后，依次将上述第一极片组合体、第二极片叠放在一起，形成叠片电池的电芯。

进一步的是，所述第二极片两侧相邻的两个隔离膜的端部相互连接。

在制作过程中，将隔离膜、第二极片、隔离膜依次叠放；可使用热熔刀将隔离膜端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜端部连接在一起；然后，依次将上述第二极片组合体、第一极片叠放在一起，形成叠片电池的电芯。

进一步的是，所述第一极片及其一侧相邻的第二极片构成一个单元，并在该单元中第一极片和第二极片的两侧相邻的三个隔离膜的端部相互连接。

在制作过程中，将隔离膜、第二极片、隔离膜依次叠放；可使用热熔刀将隔离膜端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜端部连接在一起；然后，依次将上述第二极片组合体、第一极片叠放在一起，形成叠片电池的电芯。

进一步的是，所有相邻隔离膜的端部相互连接。

在制作过程中，将全部第一极片、隔离膜、第二极片、隔离膜依次叠放；可使用热熔刀将隔离膜端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜端部连接在一起，形成叠片电池。

由于锂离子电池中，如果内部电流密度分布不均匀，电流密度大的地方就会出现电化学极化增大和副反应的发生；而电流密度小的地方就会出现活性物质得不到有效利用造成浪费。尤其是动力锂离子电池在高倍率放电情况下，电流密度高的地方就会使正极活性物质过度脱嵌造成不可逆容量损失，负极则会容易出现锂枝晶，造成内部短路等引发安全隐患。

因此，通过将至少一组相邻隔离膜的端部相连接，并将隔离膜的分布方式采用上述均匀的方式进行布局，能够保证电池内部电流密度分布均匀，提高电池的安全性，提高电池性能。

进一步的是，相邻隔离膜的无极耳端部相互连接。便于极耳的伸出，保证极耳的有效连接。

进一步的是，由于隔离膜连接后的边缘都会产生边缘毛刺，毛刺会使电芯内部损坏，进而影响电池的安全性。并且由于叠片式锂离子电池的隔离膜数量众多，因而其毛刺引发的安全性问题也严重许多。

基于此问题，相邻隔离膜的端部热熔连接，能够使隔离膜端部连接过程更加高效，同时还能够有效避免隔离膜连接处产生的毛刺、拉丝等现象，避免电芯内部在生产和使用过程中损伤，有效提高了电芯的安全性和电芯性能。

热熔方式可采用在隔离膜切断刀上增加热源。其中，热源可以采用：电阻丝加热刀具。

进一步的是，所有相邻隔离膜的左端相连、右端相连且底边相连，顶部开口伸出第一极片或第二极片的极耳。

进一步的是，每个隔离膜构成的顶部开口朝向一致。

进一步的是，通过热熔使相邻隔离膜的左端相连、右端相连且底边相连。

将隔离膜制作成连续排列的可放置极片的信封式结构，在有效隔离和防止错位的基础上，使加工过程更加简便，提高了加工效率。

采用本技术方案的有益效果：

为了解决层叠的正极片、负极片和隔离膜在锂离子电池生产和使用过程中容易发生窜动、错位等现象，造成隔离膜的隔离失效，给电池带来了极大的安全隐患，对电池的可靠性和安全性也有很大的不利影响的问题。本实用新型通过在至少一组相邻隔离膜的端部相连接，对隔离膜实现限位功能。在隔离膜端部进行连接后，在极片的支撑下，使隔离膜端部拉紧，从而使隔离膜能够平展的置于极片之间，从而防止隔离膜发生窜动、错位等现象，能够避免生产、使用过程中由于摇晃等问题造成隔离膜具备发生褶皱等形变问题，提高了叠片电芯的可靠性，提高了叠片电芯的能量密度。

为了解决叠片电池中裸电芯的正、负极片在装配和使用过程中极易发生相互接触，从而产生内短路，给电池带来了极大的安全隐患的问题。本实用新型中在第一极片和第二极片之间均设置有隔离膜，至少一组相邻隔离膜的端部相连接，能够有效保证第一极片和第二极片之间的隔离效果，有效避免正极极片和负极极片在装配和使用过程中相互接触而导致的内短路，提高了电芯的安全性能。

为了解决隔离膜分布不均匀会造成证电池内部电流密度分布不均匀，造成内部短路等引发安全隐患的问题。本实用新型中在第一极片和第二极片之间均设置有隔离膜，至少一组相邻隔离膜的端部相连接，能够能够保证电池内部电流密度分布均匀，提高电池的安全性，提高电池性能。

本实用新型中通过在第一极片和第二极片之间均设置有隔离膜，且在至少一组相邻隔离膜的端部相连接，能够在有效避免正极极片和负极极片在装配和使用过程中相互接触避免内短路的同时，还能够有效避免隔离膜错位，保证隔离效果，同时保证了电芯内部电流密度分布均匀，提高了电芯的安全性能。

附图说明

图1为本实用新型的一种叠片电池的电芯结构的第1种实施方式的厚度方向结构示意图；

图2为本实用新型的一种叠片电池的电芯结构的第2种实施方式的厚度方向结构示意图；

图3为本实用新型的一种叠片电池的电芯结构的第3种实施方式的厚度方向结构示意图；

图4为本实用新型的一种叠片电池的电芯结构的第4种实施方式的厚度方向结构示意图；

其中，1是第一极片，2是第二极片，3是隔离膜。

具体实施方式

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

在本实施例中，如图1-4所示，一种叠片电池的电芯结构，包括第一极片1、第二极片2和隔离膜3；多个第一极片1和多个第二极片2交替叠放，在所述第一极片1和第二极片2之间均设置有隔离膜3，至少一组相邻隔离膜3的端部相连接。

叠片电池的电芯中主要通过交替层叠正极极片、隔离膜3和负极极片而成。

第一极片1为正极片，目前常用的正极材料主要有层状结构的Li Co O2、Li NiO2；尖晶石结构的Li Mn2O4；橄榄石结构的Li Fe PO4和三元复合材料Li Co1/3Ni1/3Mn1/3O2。

第二极片2为负极片，早期的电池负极材料是金属锂，但由于存在安全性问题和循环性能差，使得金属锂负极未能广泛应用。锂合金对比金属锂提高了电池的安全性能，但锂合金在循环过程中发生体积变化，导致材料受到破坏、衰减严重等问题也未能广泛应用。碳材料的出现成功的解决了电池的安全问题，使得锂电池商业化，但也存在着比容量低、首次充放电效率低的缺点。目前对负极材料的研究还有锡基、硅基、新型合金和其他负极材料。

隔离膜3，位于电池正负极片之间，将正负极片分开防止短路的发生；隔离膜3也是锂离子的通道，当温度过高时膜孔关闭切断电流。常用的隔离膜3材料一般是多孔性聚合物膜，有PE、PP和PP/PE/PP复合隔离膜3、聚丙烯微孔膜等。隔离膜3本身不导电，但隔离膜3的性质会直接影响到电池的界面结构和内阻的大小，从而影响电池的容量、循环性能和安全性能。所以膜的使用方式至关重要，优良方式能够有效提高电芯的性能。锂离子电池的电池工作温度高、电池比能量和比功率高，在电池过充、过放等滥用条件下，电池内部的温度会极速上升。如不合理使用很容易使得隔膜融化，正负极短路，造成着火、爆炸等事故。因此，研究隔离膜3以提高安全性能是不可忽视的重要问题。

其中，至少一组相邻隔离膜3的端部相连接的具体方式，可从以下几种进行说明：

作为上述实施例的实施方式1，如图1所示，所述第一极片1两侧相邻的两个隔离膜3的端部相互连接。

在制作过程中，将隔离膜3、第一极片1、隔离膜3依次叠放；使用热熔刀将隔离膜3端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜3端部连接在一起；然后，依次将上述第一极片1组合体、第二极片2叠放在一起，形成叠片电池的电芯。

作为上述实施例的实施方式2，如图2所示，所述第二极片2两侧相邻的两个隔离膜3的端部相互连接。

在制作过程中，将隔离膜3、第二极片2、隔离膜3依次叠放；使用热熔刀将隔离膜3端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜3端部连接在一起；然后，依次将上述第二极片2组合体、第一极片1叠放在一起，形成叠片电池的电芯。

作为上述实施例的实施方式3，如图3所示，所述第一极片1及其一侧相邻的第二极片2构成一个单元，并在该单元中第一极片1和第二极片2的两侧相邻的三个隔离膜3的端部相互连接。

在制作过程中，将隔离膜3、第一极片1、隔离膜3、第二极片2、隔离膜3依次叠放；使用热熔刀将隔离膜3端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜3端部连接在一起；然后，依次将上述极片组合体和极片放在一起，形成叠片电池的电芯。

作为上述实施例的实施方式4，如图4所示，所有相邻隔离膜3的端部相互连接。

在制作过程中，将全部第一极片1、隔离膜3、第二极片2、隔离膜3依次叠放；使用热熔刀将隔离膜3端部切断，同时使断口处两两相邻隔离膜3端部连接在一起，形成叠片电池的电芯。

由于锂离子电池中，如果内部电流密度分布不均匀，电流密度大的地方就会出现电化学极化增大和副反应的发生；而电流密度小的地方就会出现活性物质得不到有效利用造成浪费。尤其是动力锂离子电池在高倍率放电情况下，电流密度高的地方就会使正极活性物质过度脱嵌造成不可逆容量损失，负极则会容易出现锂枝晶，造成内部短路等引发安全隐患。

因此，通过将至少一组相邻隔离膜3的端部相连接，并将隔离膜3的分布方式采用上述均匀的方式进行布局，能够保证电池内部电流密度分布均匀，提高电池的安全性，提高电池性能。

优选的，相邻隔离膜3的无极耳端部相互连接。便于极耳的伸出，保证极耳的有效连接。

优选的，由于隔离膜3连接后的边缘都会产生边缘毛刺，毛刺会使电芯内部损坏，进而影响电池的安全性。并且由于叠片式锂离子电池的隔离膜3数量众多，因而其毛刺引发的安全性问题也严重许多。

基于此问题，本实用新型中将相邻隔离膜3的端部热熔连接，能够使隔离膜3端部连接过程更加高效，同时还能够有效避免隔离膜3连接处产生的毛刺、拉丝等现象，避免电芯内部在生产和使用过程中损伤，有效提高了电芯的安全性和电芯性能。

热熔方式可采用在隔离膜3切断刀上增加热源。其中，热源可以采用：电阻丝加热刀具。

作为上述实施例的实施方式5，所有相邻隔离膜3的左端相连、右端相连且底边相连，顶部开口伸出第一极片1或第二极片2的极耳。

优选的，每个隔离膜3构成的顶部开口朝向一致。

优选的，通过热熔使相邻隔离膜3的左端相连、右端相连且底边相连。

如图4所示，通过上述方式，将隔离膜3制作成连续排列的可放置极片的信封式结构，在有效隔离和防止错位的基础上，使加工过程更加简便，提高了加工效率。

为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整的描述：

将第一极片1和第二极片2交替叠放，在第一极片1和第二极片2之间均设置有隔离膜3，至少一组相邻隔离膜3的端部相连接。将同组相邻隔离膜3的端部相连接后，将多组组合体进行叠加构成叠片电池的电芯；或，将同组相邻隔离膜3的端部相连接后，将多组组合体和极片进行叠加构成叠片电池的电芯；或，将所有相邻隔离膜3的端部相连接后构成叠片电池的电芯。上述组合方式为举例说明，但不仅限于上述方式。隔离膜3连接处可采用热熔方式进行连接。将制作好的电芯放入电池壳体再连接相关部件后构成电池。

通过在第一极片1和第二极片2之间均设置有隔离膜3，且在至少一组相邻隔离膜3的端部相连接，能够在有效避免正极极片和负极极片在装配和使用过程中相互接触避免内短路的同时，还能够有效避免隔离膜3错位，保证隔离效果，同时保证了电芯内部电流密度分布均匀，提高了电芯的安全性能。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，包括第一极片（1）、第二极片（2）和隔离膜（3）；多个第一极片（1）和多个第二极片（2）交替叠放，在所述第一极片（1）和第二极片（2）之间均设置有隔离膜（3），至少一组相邻隔离膜（3）的端部相连接，相邻隔离膜（3）的无极耳端部相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，所述第一极片（1）两侧相邻的两个隔离膜（3）的端部相互连接。

3.根据权利要求1所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，所述第二极片（2）两侧相邻的两个隔离膜（3）的端部相互连接。

4.根据权利要求1所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，所述第一极片（1）及其一侧相邻的第二极片（2）构成一个单元，并在该单元中第一极片（1）和第二极片（2）的两侧相邻的三个隔离膜（3）的端部相互连接。

5.根据权利要求1所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，所有相邻隔离膜（3）的端部相互连接。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，相邻隔离膜（3）的端部热熔连接。

7.根据权利要求1所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，所有相邻隔离膜（3）的左端相连、右端相连且底边相连，顶部开口伸出第一极片（1）或第二极片（2）的极耳。

8.根据权利要求7所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，每个隔离膜（3）构成的顶部开口朝向一致。

9.根据权利要求7所述的一种叠片电池的电芯结构，其特征在于，通过热熔使相邻隔离膜（3）的左端相连、右端相连且底边相连。

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