CN218160537U - 一种圆柱型高能量密度锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种圆柱型高能量密度锂离子电池，包括外壳、电芯和盖帽，电芯由正极片、隔膜和负极片卷绕组成，正极片和负极片的端部分别设计为宽度减小的空箔区，且正极片和负极片的空箔区卷绕后在电芯的表面形成具有间距的间隙区以及分设于间隙区两侧的正极片空箔区和负极片空箔区；外壳为不同材质构成的分层式壳体，包括顺序设置的第一金属壳体区、绝缘衔接区、第二金属壳体区，电芯上的正极片空箔区和负极片空箔区分别全部对应落入第一金属壳体区和第二金属壳体区，外壳上的绝缘衔接区对应落入电芯上的间隙区。本实用新型能有效提升电池的能量密度并确保在高能量密度下电流和热量的高效传导。

Description

一种圆柱型高能量密度锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种圆柱型高能量密度锂离子电池。

背景技术

随着锂离子电池技术的不断进步，兼具高能量密度和高安全性能的电池成为了当前电池研究的热点。锂离子电池按照外包装方式的不同可分为铝壳电池、钢壳电池、聚合物电池。传统的带极耳的钢壳电池和铝壳电池需要在外壳与盖帽之间留有一定高度的空间用于放置从正负极片引出的铝带和镍带，这样的设计往往会牺牲很大的能量密度；此外，电池内部热量也只能通过电芯内部的铝带和镍带传导到壳子上面，再通过外壳传导到外部，传导速率和散热速度就很非常慢造成较大的热失控隐患；聚合物电池的外壳为非金属材料，其电池正负极也由极耳导出。

锂离子电池生产过程中，极耳的焊接加工以及电芯外部贴胶保护等工序，也会导致生产周期长，电池的生产成本高等问题；在激光焊接时金属铝带和金属镍带容易顶在壳子和盖帽，从而导致焊接坏品率上升。

现有技术中也存在一些技术方案期望通过去除极耳的设计简化电池的制作工艺，简化电池结构，但由于极耳的去除降低了正负极连接传导的可靠性，因此往往导致在极耳去除同时造成电极接触不良、电流和热量传导障碍、电池容量不升反降等诸多问题，限制了无极耳电池结构的广泛应用。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的问题，提出了一种圆柱型高能量密度锂离子电池，能提高的能量密度、有效改善电池热失控情况，提升电池生产效率并降低生产成本。

具体的，本实用新型提出的圆柱型高能量密度锂离子电池，包括外壳，置于外壳内并由正极片、隔膜和负极片卷绕组成的圆柱型电芯，以及设于外壳顶部的盖帽；所述正极片和负极片的端部分别设计为宽度减小的空箔区，且正极片和负极片的空箔区在卷绕后在电芯的表面形成具有间距的间隙区，并在间隙区两侧分别构成正极片空箔区和负极片空箔区；所述外壳具有由不同材质构成的壳体区域，包括顺序设置的第一金属壳体区、绝缘衔接区、第二金属壳体区，电芯上的正极片空箔区和负极片空箔区分别全部对应落入第一金属壳体区和第二金属壳体区，外壳上的绝缘衔接区对应落入电芯上的间隙区。

其中，所述外壳的第一金属壳体区为铝壳，第二金属壳体区为钢壳。

本实用新型技术方案中的外壳采用不同材质的分层式设计，使得电芯的正负极连接外壳上的不同位置，正负极片直接与外壳接触以提高电池电流和热量的传导速率，从而提高电池的热稳定性能。

其中，所述盖帽为金属盖帽，由圆心向边缘依次设有盖帽排气区、盖帽加强区和盖帽密封区。

其中，所述电芯的底部具有绝缘保护层。

其中，所述外壳内部底面设有绝缘保护层。

其中，所述电芯与盖帽之间设有绝缘保护，优选为设有绝缘垫片。

其中，所述电芯在外壳内顶部距盖帽底面的间隙A为0.5～6mm；电芯的直径与外壳的内腔直径之间的比为填充比B，具体值为85％～99％；正极片空箔区和负极片空箔区宽度的比为箔宽比C，具体值为0.1～9；正极片空箔区和负极片空箔区的宽度之和与负极负载区宽度的比为占箔比D，具体值为0.9≤D＜1。

进一步，所述间隙A优选为1.5-6mm，更优选为1.5-3mm。

进一步，所述填充比B优选为87％～99％，更优选为88％-97％

进一步，所述箔宽比C优选为0.3-4，更优选为1±0.5。

本实用新型通过创新的圆柱型无极耳结构设计，能够省略传统带极耳电池中原极耳和极耳连接件所占空间，有效提高了电池的能量密度，同时可省略锂离子电池制备过程中复杂的金属铝带和金属镍带的焊接过程，缩短生产周期并降低坏品率；依据圆柱型电芯高比表面积和温度升高过程中能限制膨胀程度的特性，对电芯和外壳的结构和尺寸优化，有效解决了极耳省略后可能造成的接触不良、耐温性降低等锂离子电池安全性问题，确保高能量密度下电流和热量的高效传导。

附图说明

图1为传统带极耳电池的一般结构示意图；

图2为本实用新型一种圆柱型高能量密度锂离子电池正极片结构示意图；

图3为本实用新型负极片结构示意图；

图4为本实用新型电芯表面图；

图5为本实用新型电芯卷绕后的结构示意图；

图6为本实用新型外壳的结构示意图；

图7为本实用新型盖帽的结构示意图；

图8为本实用新型电池内部的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-1正极负载区、1-2正极片空箔区、2-1负极负载区、2-2负极片空箔区，3-电芯、3-3耐电解液胶带、3-4间隙区、3-7正极极耳、3-8负极极耳，4-外壳、4-1第一金属壳体区、4-2第二金属壳体区、4-3绝缘衔接区，5-盖帽、5-1盖帽排气区、5-2盖帽加强区、5-3盖帽密封区、5-5极耳连接件，6-1电芯与盖帽之间的空间。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将对本实用新型进行更全面的描述，给出了本实用新型的较佳实施例。但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本实用新型，即并不意于限制本实用新型的保护范围。

传统带极耳电池的一般结构设计如图1所示，电芯3放置于外壳4中，外壳4顶部为盖帽5，电芯3顶部分别具有正极极耳3-7和负极极耳3-8引出，盖帽5上向内需要设计极耳连接件5-5用于与正极极耳3-7和/或负极极耳3-8连接。两个极耳以及极耳连接件5-5的存在极大占用了外壳4内电芯3与盖帽5之间的空间6-1，造成空间浪费以及电池能量密度的降低。

本实用新型提出的一种圆柱型高能量密度锂离子电池，该电池包括外壳4，置于外壳4内、采用正极片和负极片通过隔膜隔离开后卷绕组成的圆柱型电芯3，以及设于外壳4顶部的盖帽5；其中，正极片和负极片的端部分别设计为宽度减小的空箔区，可选地，正极片和负极片的端部设计为宽度减小的台阶式空箔区；正极片和负极片的空箔区卷绕后在电芯的表面形成具有间距的间隙区3-4，并在间隙区3-4的两侧分别构成正极片空箔区1-2和负极片空箔区2-2；本实用新型的外壳4具有由不同材质构成的壳体区域，包括顺序设置的第一金属壳体区4-1、绝缘衔接区4-3、第二金属壳体区4-2，电芯3上的正极片空箔区1-2和负极片空箔区2-2分别全部对应落入第一金属壳体区4-1和第二金属壳体区4-2，外壳4上的绝缘衔接区4-3对应落入电芯3上的间隙区3-4。

如图2所示，本实用新型锂离子电池采用的正极片包括正极负载区1-1以及正极片空箔区1-2，正极负载区1-1的金属箔上涂敷有正极活性物质，正极片空箔区1-2为未涂敷正极活性物质的金属箔部分，如铝箔，正极片空箔区1-2相对于正极负载区1-1具有更小的宽度。同样的，如图3所示，本实用新型锂离子电池采用的负极片包括负极负载区2-1以及负极片空箔区2-2，负极负载区2-1的金属箔上涂敷有负极活性物质，负极片空箔区2-2为未涂敷负极活性物质的金属箔部分，如铜箔，负极片空箔区2-2相对于负极负载区2-1具有更小的宽度。

正极片、隔膜和负极片卷绕后形成的电芯3的结构如图4、图5所示，电芯3表面上顺序形成正极片空箔区1-2、间隙区3-4和负极片空箔区2-2。其中，3-3为耐电解液胶带，防止正极片空箔区1-2和负极片空箔区2-2的金属箔脱离松开；间隙区3-4为正极片和负极片卷绕后的两者的空箔区之间的间隙区域，可防止正负极直接接触而发生短路。

本实用新型锂离子电池的外壳4如图6所示，由不同材质顺序设置第一金属壳体区4-1、绝缘衔接区4-3、第二金属壳体区4-2，分别与电芯3的正极片空箔区1-2、间隙区3-4和负极片空箔区2-2顺序对应，使得电池正极和负极的接引能够分别通过空箔区传递给外壳4，再经外壳4被接引引出，从而替代了极耳的接引作用。

如图8所示，这样的接引方式不仅能够减少电芯3上极耳的设置，也可以简化盖帽5上极耳连接件5-5的设计，从而减小此部分的空间6-1的高度，提高电池的能量密度。其中，第一金属壳体区4-1的高度大于正极片空箔区1-2的高度，第二金属壳体区4-2的高度大于负极片空箔区2-2的高度，将电芯3放置于外壳4内，正极片空箔区1-2和负极片空箔区2-2全部对应落入第一金属壳体区4-1和第二金属壳体区4-2的范围内。绝缘衔接区4-3为第一金属壳体区4-1和第二金属壳体区4-2的衔接区，其材料要求耐电解液腐蚀，且具有密封性，优选为PP、ABS、PBT等材料制成；绝缘衔接区4-3的高度大于间隙区3-4的高度，因而外壳4上的绝缘衔接区4-3对应落入电芯3上的间隙区3-4。

外壳4为完成接引作用，第一金属壳体区4-1和第二金属壳体区4-2可分别选用适合的金属材料制作，考虑到壳体的硬度以及导电性能要求，第一金属壳体区4-1可以选用铝材质(铝壳)，第二金属壳体区4-2可以选用钢材质(钢壳)。本行业内本领域内的普通技术人员将理解，外壳4的分层式结构可设计为上下式分层连接不同电极，也可通过非创造性的劳动将外壳4设计为前后或者左右式分层以连接不同电极的结构。

本实用新型的盖帽5结构如图7所示，该盖帽5由圆心向边缘可分为三个区域，依次为盖帽排气区5-1、盖帽加强区5-2和盖帽密封区5-3。在锂离子电池制备中，可通过外力作用使得的壳体4和盖帽5密封。

为防止正负极外漏，电芯3的底部需要进行绝缘保护，包括使用耐电解液且绝缘的胶带对电芯3底部进行包覆，以及对外壳4内部底面进行绝缘和耐腐蚀处理，以及在电芯3与盖帽5之间设有绝缘保护，优选为设有绝缘垫片等。

为进一步验证本实用新型结构去除极耳后，电池性能的优化和可靠性，以下通过一系列具体实验作为实例来进行阐述。

实验中所用电池由外壳4、电芯3和盖帽5组成；其中，电芯3采用正极片和负极片通过隔膜隔离开后卷绕组成，正极负载区1-1包括钴酸锂、锰酸锂、三元、磷酸铁锂、富锂锰中的一种或多种，CNT s、SP、GF-2、石墨烯中的一种或多种以及PVDF，正极极片采用的金属箔为铝箔，正极片空箔区1-2为空铝箔区；负极负载区2-1包括石墨、硬炭、SiO中的一种或多种，CNtS、SP、GF-2、石墨烯中的一种或多种，SBR、pAA中的一种或多种以及CMC，负极极片采用的金属箔为铜箔，负极片空箔区2-2为空铜箔区；实验方案中电池的隔膜包括PP隔膜、PE隔膜中的一种；正极片、隔膜、负极片卷绕后经注液、化成工序和封口工序制作成电芯3；电池电解液在注液时，需将电池放置于露点低于-55℃的条件下进行，化成工序需要在露点低于-10℃的条件下进行。

如图8中所示，电芯3放置于外壳4后，定义电芯3与盖帽5之间的空间6-1的高度为间隙A，单位mm；电芯3的直径与外壳4的内腔直径之间的比为填充比B，单位％；正极片空箔区1-2和负极片空箔区2-2的宽度比为箔宽比C；正极片空箔区1-2和负极片空箔区2-2的宽度之和与负极负载区2-1宽度的比为占箔比D。为增加正负极空箔区与外壳4之间的接触，一般追求更高的占箔比D，因此占箔比D可以设计以不小于0.9为佳；同时需注意，电池设计中一般设置负极负载区2-1的宽度略大于正极负载区1-2的宽度，以避免出现欠锂的情况、保证锂全部嵌入负极；因此，占箔比D的计算式中分母被定义为负极负载区2-1更佳。在本批次电池型号的实验设计中占箔比D为(21.5mm+21.5mm)/46mm＝0.935。

按照电池18650型号材料制作本实用新型结构的电芯3作为示例，电池标准高度65mm，直径18mm。不同实例的电池参数设计列于表1中，并对实验中获得的电池进行测试，结果也列于表1中。

其中，容量测试方法，读取0.2C的放电容量，具体测试条件如下：(1)静置5min；(2)0.5C CC至4.35V，CV至0.05C；(3)静置5min；(4)0.2C DC至3.0V；(5)结束。

短路测试方法，具体测试条件如下：(1)测试电压220V，测试内阻10兆欧；(2)内阻小于10兆欧判定为短路。

130℃热箱测试方法，具体测试条件如下：(1)将电池放置于鼓风烘箱内，使用5℃/min的速率对电池进行加热，当烘箱的温度加热到130℃±2℃的范围内后，开始计时，直到电池在内部放置时间达到60min后停止加热；(2)当烘箱温度下降到50℃以下打开烘箱确认电池的状况；(3)只要电池没有发生起火、爆炸的现象，认为电池通过测试。

表1

由上述实验可验证，去除极耳后本实用新型锂离子电池的容量、安全性和耐温性等方面的性能会受到电芯3与外壳4之间填充程度以及电芯3与盖帽5之间的间隙大小的影响。

分析实例1-6和实例7-18可证实，对于正常使用金属带作极耳的电池，电芯3和盖帽5之间的间隙必须要设定5mm以上才能将电芯3的制作短路率降到1.5％以下；而使用本实用新型方案电池，电芯3和盖帽5之间的间隙可以压缩到1mm而保持电池制作短路率降到1.5％以内，可使得电池的能量密度提升6.67％。

进一步，实例7-18验证了间隙A变化对电池容量和热安全性的影响，本实用新型方案电池的容量随着A值的变大而减小；随着A值减小，电池热安全性会有所降低但整体优于传统方法设计的电池。具体的，当A值控制在1.5-6mm，电池的安全性基本控制在理想范围内，电池的热安全性表现稳定，因此间隙A范围可设计为0.5-6mm，优选为1.5-6mm。进一步，考虑到间隙A变化对电池容量的影响，总的来说随着间隙A值的增加电池的容量降低，但相对于现有技术电池容量的最高水平1860mAh(如实例3)来说，当A值控制在1.5-3mm范围内，电池容量表现较佳，因此间隙A的范围更优选为1.5-3mm。

实例19-23、实例10、实例25-33验证了填充比B变化对锂离子电池容量和IC充电平均温升的影响。具体的，当填充比B小于87％时，电池的容量相对于现有技术电池容量的最高水平(如实例3)来说有较大的偏差，电池的温升也较异常，可能与正负极空箔区和外壳4的接触内阻较大有关，因此填充比B可设计为85％-99％，优选为87％-99％。

本实用新型圆柱型高能量密度锂离子电池的填充比B能可设计为较高值，可能是因为(1)圆柱型电芯3比表面积大、散热效果好；(2)圆柱型电芯3在较高温度下沿电芯3的半径对膨胀作用进行分散，从而对整体的膨胀程度起限制作用，因此当填充比B达到99％时，圆柱型无极耳电池仍能有较佳的电池容量和温升表现。进一步分析填充比B对电池容量的影响，证实了当填充比为88％-97％时电池容量变现更佳，电池容量高于1880mAh且电池温升表现稳定。因此填充比B更优为88％-97％。

实例34-37、实例10、实例39-42证实了本实用新型方案正极片空箔区1-2和负极片空箔区2-2的宽度比为箔宽比C对锂离子电池温升和热安全性能均有一定的影响。具体的，当C值在接近1时，电池的温升和热安全性能表现最佳；当C值为0.1或9时失效率已经达到10％以上。为了保证电池更佳安全性能，一般建议将热箱测试失效率控制在10％以内，因此，箔宽比C的范围可设计为0.1-9，优选为0.3-4，更优选为1±0.5。

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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种圆柱型高能量密度锂离子电池，包括外壳(4)，置于外壳(4)内并由正极片、隔膜和负极片卷绕组成的圆柱型电芯(3)，以及设于外壳(4)顶部的盖帽(5)，其特征在于，所述正极片和负极片的端部分别设计为宽度减小的空箔区，且正极片和负极片的空箔区卷绕后在电芯(3)的表面形成具有间距的间隙区(3-4)，并在间隙区(3-4)两侧分别构成正极片空箔区(1-2)和负极片空箔区(2-2)；所述外壳(4)具有由不同材质构成的壳体区域，包括顺序设置的第一金属壳体区(4-1)、绝缘衔接区(4-3)、第二金属壳体区(4-2)，电芯(3)上的正极片空箔区(1-2)和负极片空箔区(2-2)分别全部对应落入第一金属壳体区(4-1)和第二金属壳体区(4-2)，外壳(4)上的绝缘衔接区(4-3)对应落入电芯(3)上的间隙区(3-4)。

2.根据权利要求1所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述外壳(4)的第一金属壳体区(4-1)为铝壳，第二金属壳体区(4-2)为钢壳。

3.根据权利要求1所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述盖帽(5)为金属盖帽，由圆心向边缘依次设有盖帽排气区(5-1)、盖帽加强区(5-2)和盖帽密封区(5-3)。

4.根据权利要求1所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述电芯(3)的底部具有绝缘保护层。

5.根据权利要求1所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述外壳(4)内部底面设有绝缘保护层。

6.根据权利要求1所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述电芯(3)与盖帽(5)之间设有绝缘保护。

7.根据权利要求6所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述绝缘保护为设置绝缘垫片。

8.根据权利要求1所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述电芯(3)在外壳(4)内顶部距盖帽(5)底面的间隙A为0.5～6mm；电芯(3)的直径与外壳(4)的内腔直径的比为填充比B，具体值为85％～99％；正极片空箔区(1-2)和负极片空箔区(2-2)宽度的比为箔宽比C，具体值为0.1～9；正极片空箔区(1-2)和负极片空箔区(2-2)的宽度之和与负极负载区(2-1)宽度的比为占箔比D，具体值为0.9≤D＜1。

9.根据权利要求8所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述间隙A为1.5-6mm。

10.根据权利要求9所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述间隙A为1.5-3mm。

11.根据权利要求8所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述填充比B为87％～99％。

12.根据权利要求11所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述填充比B为88％-97％。

13.根据权利要求8所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述箔宽比C为0.3-4。

14.根据权利要求13所述的圆柱型高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述箔宽比C为1±0.5。

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