CN217062222U - 锂离子电池以及包含其的车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体提供了一种锂离子电池以及包含其的车辆，其中的锂离子电池包括基础单元，所述基础单元以独立制作的方式形成所述锂离子电池，所述基础单元包括：双极性集流体，其包括绝缘层以及设置于所述绝缘层的两侧的正极集流层和负极集流层；以及正/负极活性涂层，其涂覆于所述正/负极集流层的远离所述绝缘层的一侧；所述基础单元还包括：多孔离子导电层，其具有能够保证锂离子传导、电子绝缘的属性，并且在涂覆好的状态下，所述多孔离子导电层以完全包覆所述负极活性涂层背离所述负极集流层的部分的方式构成所述基础单元。通过这样的构成，能够谋求避免由于基础单元中包含多个层导致出现对齐度不达标的问题。

Description

锂离子电池以及包含其的车辆

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体提供了一种锂离子电池以及包含其的车辆。

背景技术

锂离子电池作为一种二次电池，其主要的工作原理是借助于锂离子在电池的正极和负极之间的移动来工作。具体而言，在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，因此负极处于富锂状态。相对应地，在放电过程中，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，因此正极处于富锂状态。作为一种高电压、高能量密度、长循环寿命的储能器件，锂离子电池在消费电子、电动工具、新能源汽车以及储能等领域得到了广泛的应用。通常情形下，锂离子电池主要包括正极片、负极片以及设置于二者之间的隔膜(保证锂离子传导、隔绝电子传导)以及电解液，产品形式主要包括卷绕式锂离子电池以及叠片锂离子电池。以其中的卷绕式锂离子电池为例，其主要是采用这样的工艺生产而成：将正极片、负极片以及设置于二者之间的隔膜通过卷绕形成基础结构，在此基础上注入电解液，之后插入锂离子电池的外壳,经过封装、化成等工序后便可形成锂离子电池。

由于现有的卷绕式锂离子电池的制造过程中,生产期间的基础单元包括正极片、隔膜、负极片、隔膜四层，且要求负极活性区必须保证绝对覆盖正极活性区,因此，这样一来，制作锂离子电池时,正极片、负极片、隔膜的对齐度是在卷绕/叠片的工序的关键控制点之一,这将相应地对卷绕/叠片设备的张力控制、纠偏控制、对齐度检测等与精度相关的方面提出了更高的要求。基于目前的生产工艺包含四层基础单元，即便在制作锂离子电池的过程中，正、负极片的对齐度已经得到了保证,由于在后续的制造、装配以及使用过程中，锂离子电池往往会面对振动、跌落等不够友好的场景,这将可能引发对齐度发生变化的问题，而在正、负极片出现对齐度不良的情形下将伴随产生如电池失效(可靠性)、引起安全事故等风险。

业界一般通过采用成本较高的叠片/卷绕设备、引入多道对齐度全检、留出较大的正负极对齐度冗余来降低上述风险。不仅明显地增加了成本，且无法从根本上规避正负极片及隔膜之间出现对齐度不良的现象。

相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。

实用新型内容

技术问题

为了至少一定程度地解决上述技术问题，抑或说为了解决上述技术问题中的至少一部分，提出本实用新型。

技术方案

有鉴于此，本实用新型第一方面提供了一种锂离子电池,该锂离子电池包括基础单元，所述基础单元以独立制作的方式形成所述锂离子电池，其中，沿所述基础单元的厚度方向观察，所述基础单元包括：双极性集流体，其包括绝缘层以及设置于所述绝缘层的两侧的正极集流层和负极集流层；正极活性涂层，其涂覆于所述正极集流层的远离所述绝缘层的一侧；以及负极活性涂层，其涂覆于所述负极集流层的远离所述绝缘层的一侧；所述基础单元还包括：多孔离子导电层，其具有能够保证锂离子传导、正负极之间的电子绝缘的属性，并且在涂覆好的状态下，所述多孔离子导电层以完全包覆所述负极活性涂层背离所述负极集流层的部分的方式构成所述基础单元。

通过这样的构成，能够避免基础单元中多个层之间对齐度不良及使用中发生错位的现象。

传统的四层结构可能会发生正极片与负极片对不齐的状况,不仅对卷绕/叠片设备要求极高,而且需要对对齐度进行全检。同时由于四层结构之间的相对位置有发生相对滑动的可能性，因此即使制造时已经对准,后期仍有发生错位的可能性。而在本实用新型中，多孔离子导电层是涂覆于负极活性层表面的结构，其相对位置在涂布工艺中已经得到保证,在后续工序及使用过程不再会发生变化，稳定的相对位置关系使得正、负极活性涂层之间持续保证绝缘性,因此不会再存在安全隐患。

可以看出，本实用新型的多孔离子导电层在功能上相当于传统的四层结构中的隔膜。传统四层结构中的隔膜通常采用柔性材料，目前用作隔膜的材料在高温(如＞110℃的工艺温度)条件下会发生明显或者严重的收缩现象，这将可能导致局部的正负极片直接接触从而引发锂离子电池的正、负极之间出现短路。仍然由于隔膜为柔性材料，在锂离子电池的卷绕/叠片过程中容易或者经常发生隔膜翻折、皱褶等现象，该现象也可能造成锂离子电池的正、负极之间出现短路。此外，在锂离子电池在后续装配至目标物(如汽车)的过程或者投入使用之后，在装配过程中发生跌落等情形或者汽车发生振动等情形时，由于电池受到冲击因此可能引发正负极与隔膜之间出现错位的现象，该现象也会导致锂离子电池的正、负极之间出现短路。锂离子电池的正、负极之间出现短路时会产生极大的安全隐患。而在本实用新型中，由于多孔离子导电层是涂覆于负极活性层表面的结构故而属于稳定的一体式结构的基础单元的一个部分，因此便不会发生前述的收缩、翻折、皱褶、内翻等现象。

此外，在锂离子电池中,必须保证负极涂层的容量大于正极涂层的容量,以卷绕式锂离子电池为例，圆柱卷芯由内至外的顺序为正极涂层1/铝箔/正极涂层2/隔膜/负极涂层3/铜箔/负极涂层4/隔膜/正极涂层5/铝箔/正极涂层6，由于圆柱卷芯由内及外的半径增加会引起电极弧度的减小，而目前的卷芯结构为“正极涂层/负极涂层”与“负极涂层/正极涂层”交替出现的情形，对应于此，在设计圆柱锂离子电池时，负极容量/正极容量必须留出很大冗余(如30％的余量),圆柱电芯的能量密度因此会明显下降。而本实用新型由于采用的是双极性集流体,因此圆柱卷芯由内至外的顺序永远为负极涂层/双极性集流体/正极涂层/多孔离子导电层/负极涂层/双极性集流体,即：永远是大半径的负极涂层覆盖多孔离子导电层另一侧的小半径的正极涂层,因此在电芯设计时,负极容量/正极容量仅需极少的冗余(如2％)便可能保证圆柱卷芯的安全性。这样一来，减少的负极活性材料冗余便可可以用来增加正极材料，从而将锂离子电池的电芯能量密度提高10-15％。

可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际情形确定多孔离子导电层实现完全包覆负极活性涂层的具体的实现方式。如可以是：多孔离子导电层包括两层，其中的一层(外层)为一体式结构，另一层包含多个部分，通过将多个部分分开设置并针对不同的局部进行紧密包覆，从而保证完全包覆的效果；多孔离子导电层仅包括一层，多孔离子导电层可以仅与负极活性涂层直接连接(涂覆涉及的结构)，也可以与基础单元的其他结构(如绝缘层、负极集流层等)具有连接关系；等。

由于本实用新型中对负极活性涂层进行完全包覆的结构为具有多孔的结构属性的多孔离子导电层，因此从微观层面审度的话，对应于孔(事实是应该是微孔)的部分显然并没有包覆。因此，需要特别说明的是，本实用新型所说的完全包覆，应当理解为从宏观层面来审度，多孔离子导电层作为一个整体层将负极活性涂层不包含与负极集流层接触的一侧接触的部分完全包围。

需要说明的是，多孔离子导电层应当理解为同时具有离子导电以及正负极之间的电子绝缘的基本功能的层。在能够保证该功能的前提下，本领域技术人员可以根据实际情形确定多孔的量化细节、形成工艺以及对应于多孔离子导电层的浆料等。如可以采用已知组分/配比的浆料或者伴随着电池技术的进一步发展引入新的浆料，多孔的形成也可以采用已知的工艺或者伴随着电池技术的进一步发展引入新的工艺。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述负极活性涂层的横截面包括远离所述负极集流层的宽度侧以及位于所述宽度侧两端的两个厚度侧，所述多孔离子导电层以完全包覆所述宽度侧和所述厚度侧的方式涂覆于所述负极活性涂层。

通过这样的构成，给出了多孔离子导电层完全包覆负极活性涂层的一种具体的形式。

可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需求指定宽度侧和两个厚度侧的细节，以便更好地保证基础单元的性能或者适配于多孔离子导电层的涂覆效果。示例性地，将厚度侧设置为具有一定斜度的平面或者具有向内凹进的形状等。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述绝缘层包括主体部分，并且所述主体部分沿所述负极集流层的宽度方向的一侧以朝向所述负极集流层的方向形成有第一翻边，所述主体部分和所述第一翻边形成所述负极集流层的涂覆区域。

通过这样的构成，给出了绝缘层的一种具体的结构形式。

可以看出，通过第一翻边的设置，以结构紧凑且简易的方式保证了负极集流层的端面绝缘性，具体而言，能够有效地避免出现端面与正极集流层/正极活性涂层之间发生短路的现象，从而保证了锂离子电池的可靠性。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述多孔离子导电层涂覆至所述第一翻边的至少一部分。

通过这样的构成，给出了多孔离子导电层的一种具体的涂覆方式。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述负极集流层具有预留部分以形成全极耳形式的锂离子电池，并且沿所述负极集流层的宽度方向观察，所述预留部分和所述第一翻边位于所述主体部分的不同侧。

通过这样的构成，给出了锂离子电池的一种具体的结构形式。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述多孔离子导电层涂覆至所述预留部分的至少一部分。

通过这样的构成，给出了多孔离子导电层的一种具体的涂覆方式。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述主体部分沿所述正极集流层的宽度方向的一侧以朝向所述正极集流层的方向形成有第二翻边，所述主体部分和所述第二翻边形成所述正极集流层的涂覆区域。

通过这样的构成，给出了绝缘层的一种具体的结构形式。

与前述的第一翻边类似，通过第二翻边的设置，以结构紧凑且简易的方式保证了正极集流层的端面绝缘性，具体而言，能够有效地避免出现端面与负极集流层/负极活性涂层之间发生短路的现象，从而保证了锂离子电池的可靠性。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述正极活性涂层和所述正极集流层之间设置有第一附加涂层。

通过这样的构成，给出了基础单元的一种具体的结构形式。

可以理解的是。本领域技术人员可以根据实际需求确定第一附加涂层的层数以及功能等。如可以包括但不限于：

1)采用导电炭黑浆料形成导电涂层，主要用于提升电池的倍率性能及快充能力；

2)采用钛酸钡浆料形成涂层，从而在锂离子电池发生温升时提高双极性集流体与活性涂层之间电阻从而改善锂离子电池的电芯安全性

3)采用磷酸铁锂浆料等高安全性活性材料形成安全涂层，从而在不牺牲电池的能量密度的情况下提升电芯安全性。

对于上述锂离子电池，在一种可能的实施方式中，所述正极活性涂层在远离所述正极集流层的一侧涂覆有第二附加涂层。

通过这样的构成，给出了基础单元的一种具体的结构形式。

可以理解的是。本领域技术人员可以根据实际需求确定第二附加涂层的层数以及功能等。如可以包括但不限于采用陶瓷浆料/勃姆石浆料改善电芯安全性能,采用PVDF(聚偏氟乙烯)涂层以改善电芯循环性能、采用离子导电凝胶涂层以形成准固态电池等。

本实用新型第二方面提供了一种车辆，该车辆配置有或者包含有前述任一项所述的锂离子电池。

可以理解的是，该车辆具有前述任一项所述的锂离子电池的所有技术效果，在此不再赘述。

附图说明

下面参照附图来描述本实用新型的锂离子电池。附图中：

图1示出本实用新型一种实施例的锂离子电池的结构示意图；

图2示出本实用新型第一种实施例的锂离子电池的基础单元的结构示意图；以及

图3示出本实用新型第二种实施例的锂离子电池的基础单元的结构示意图。

附图标记列表：

100、基础单元；200、卷芯；1、绝缘层；10、主体部分；11、第一翻边；12、第二翻边；21、负极集流层；211、负极耳；22、正极集流层；221、正极耳；31、负极活性涂层；32、正极活性涂层；4、多孔离子导电层；51、第一附加涂层；52、第二附加涂层。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的可选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。如虽然其中的实施例2是结合卷绕式锂离子电池既包含第一附加涂层又包含第二附加涂层来进行说明的，本领域技术人员也可以根据实际需求对其进行变更，如仅包括其中的一个或者对第一/第二附加涂层的功能进行调整等。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，为了更好地说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节，本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的锂离子电池的工作原理未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

参照图1至图3，图1示出本实用新型一种实施例的锂离子电池的结构示意图，图2示出本实用新型第一种实施例的锂离子电池的基础单元的结构示意图，图3示出本实用新型第二种实施例的锂离子电池的基础单元的结构示意图。如图1至图3所示，基础单元100作为一个整体的、具有固定的相对位置的组合层，以独立卷绕的方式形成锂离子电池的卷芯200。其中的基础单元主要包括双极性集流体、活性涂层和多孔离子导电层，其中，双极性集流体主要包括绝缘层1以及设置于绝缘层的两侧的负极集流层21和正极集流层22，活性涂层主要包括分别涂覆于正极集流层和负极集流层远离绝缘层的一侧(分别为图2中正极集流层的上侧和负极集流层的下侧)的负极活性涂层31和正极活性涂层32，同时具有锂离子传导以及正负极之间的电子绝缘的属性的多孔离子导电层4以完全包覆负极活性涂层的方式构成基础单元。

在一种可能的实施方式中，绝缘层1主要包括主体部分10，主体部分10沿负极集流层的宽度方向的一侧(图2中的右侧)以朝向负极集流层的方向(图2中的向上)形成有第一翻边11，主体部分和第一翻边形成负极集流层的涂覆区域。主体部分10沿正极集流层的宽度方向的一侧(图2中的左侧)以朝向正极集流层的方向(图2中的向下)形成有第二翻边12，主体部分和第二翻边形成正极集流层的涂覆区域。

在一种可能的实施方式中，将正极材料钴酸锂、导电炭黑(Super P)、聚偏氟乙烯(PVDF)按照95:2:3的重量配比进行混合，并加入N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，搅拌均匀形成正极浆料。将制得的正极浆料通过条缝挤压的方式涂布于在双极性集流体的正极集流层上,烘干后形成正极活性涂层。

在一种可能的实施方式中，将负极材料石墨(Graphite)、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照96:1.5:2.5的重量配比进行混合，并加入去离子水(H₂O)作为溶剂，搅拌均匀形成负极浆料。之后，将负极浆料通过条缝挤压的方式均匀地涂覆在双极性集流体的负极集流层，在110℃条件下烘干，便形成负极活性涂层。

在一种可能的实施方式中，将陶瓷粉末(Al₂O₃)、粘结剂丁苯橡胶,分散剂羧甲基纤维素钠按照6:2:2的重量配比进行混合，并加入去离子水作为溶剂，搅拌均匀。之后，将其喷涂到负极活性涂层的表面并确保负极活性涂层被全部覆盖,干燥后形成涂层形成的多孔离子导电层。

显然，上述正/负极活性涂层和多孔离子导电层只是一种示例性的描述，本领域技术人员可以根据实际需求采用任何合理的材料及其重量配比来制得相应的层。

下面分别结合两种实施例来介绍本实用新型的锂离子电池。

实施例1

继续参照图2，在本实施例中，基础单元100中的正极集流层和负极集流层沿宽度方向(图2中的左-右方向)大致对齐。因此在形成锂离子电池时，需要额外焊接极耳。

在一种可能的实施方式中，负极活性涂层的横截面(图2示出的截面)包括远离负极集流层的宽度侧(图2中的上侧)以及位于宽度侧两端的两个厚度侧(图2中的左侧、右侧)，多孔离子导电层以完全包覆宽度侧和所述厚度侧的方式涂覆于负极活性涂层。可选地，多孔离子导电层涂覆至第一翻边的上表面，以便更好地实现对负极活性涂层的完全包覆。

实施例2

继续参照图2，本实施例与实施例1的区别是：基础单元100中的正极集流层和负极集流层沿宽度方向(图3中的左-右方向)不对齐。具体地，负极集流层的左侧具有预留部分以形成全极耳形式的负极耳211，正极集流层的右侧具有预留部分以形成全极耳形式的正极耳221。并且，本实施例相较于实施例1增加了两个附加涂层。

在一种可能的实施方式中，第一附加涂层为位于正极活性涂层和正极集流层之间的导电涂层。示例性地，该涂层的浆料的制备方法可以是:使用全芳族聚酰胺单离子传导聚合物作为电解质,聚(偏二氟乙烯-共六氟丙烯)作为粘合剂，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,搅拌均匀后刮涂至正极集流层的表面。

在一种可能的实施方式中，第二附加涂层为全部覆盖正极活性涂层的陶瓷涂层。示例性地，该涂层的浆料的制备方法可以是:将陶瓷粉末Al2O3、粘结剂丁苯橡胶、分散剂羧甲基纤维素钠按照6:2:2的重量配比进行混合，加入去离子水作为溶剂，并搅拌均匀。

与前述的正/负极活性涂层和多孔离子导电层类似，显然，上述的第一/第二附加涂层只是一种示例性的描述，本领域技术人员可以根据实际需求对第一/第二附加涂层的功能进行合理地选择。

可以看出，在实用新型的锂离子电池中，通过将锂离子电池的卷绕工艺中所基于的多层基础单元(通常包含正极片、隔膜、负极片、隔膜四层)变更为基于双极性集流体的、结构稳定的一个基础单元，由于基础单元中的各个部分之间的相对位置在涂布时已经得到保证,因此无论在卷绕工艺中，还是在后续面对振动、跌落等不够友好的场景时，均不会再会发生变化，因此保证了基础单元的对齐度。并且，基础单元中通过将多孔离子导电层以完全包覆负极性涂层的方式涂覆在负极性涂层的表面,保证了正、负极活性涂层之间的可靠绝缘。

至此，已经结合附图所示的可选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池,其特征在于，所述锂离子电池包括基础单元，所述基础单元以独立制作的方式形成所述锂离子电池，

其中，沿所述基础单元的厚度方向观察，所述基础单元包括：

双极性集流体，其包括绝缘层以及设置于所述绝缘层的两侧的正极集流层和负极集流层；

正极活性涂层，其涂覆于所述正极集流层的远离所述绝缘层的一侧；以及

负极活性涂层，其涂覆于所述负极集流层的远离所述绝缘层的一侧；

所述基础单元还包括：

多孔离子导电层，其具有能够保证锂离子传导、正负极之间的电子绝缘的属性，并且

在涂覆好的状态下，所述多孔离子导电层以完全包覆所述负极活性涂层背离所述负极集流层的部分的方式构成所述基础单元。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于，所述负极活性涂层的横截面包括远离所述负极集流层的宽度侧以及位于所述宽度侧两端的两个厚度侧，所述多孔离子导电层以完全包覆所述宽度侧和所述厚度侧的方式涂覆于所述负极活性涂层。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于，所述绝缘层包括主体部分，并且

所述主体部分沿所述负极集流层的宽度方向的一侧以朝向所述负极集流层的方向形成有第一翻边，所述主体部分和所述第一翻边形成所述负极集流层的涂覆区域。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池,其特征在于，所述多孔离子导电层涂覆至所述第一翻边的至少一部分。

5.根据权利要求3所述的锂离子电池,其特征在于，所述负极集流层具有预留部分以形成全极耳形式的锂离子电池，并且

沿所述负极集流层的宽度方向观察，所述预留部分和所述第一翻边位于所述主体部分的不同侧。

6.根据权利要求5所述的锂离子电池,其特征在于，所述多孔离子导电层涂覆至所述预留部分的至少一部分。

7.根据权利要求3所述的锂离子电池,其特征在于，所述主体部分沿所述正极集流层的宽度方向的一侧以朝向所述正极集流层的方向形成有第二翻边，所述主体部分和所述第二翻边形成所述正极集流层的涂覆区域。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的锂离子电池,其特征在于，所述正极活性涂层和所述正极集流层之间设置有第一附加涂层。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的锂离子电池,其特征在于，所述正极活性涂层在远离所述正极集流层的一侧涂覆有第二附加涂层。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆配置有或者包含有权利要求1至9中任一项所述的锂离子电池。

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