CN219144250U - 一种卷芯结构及电池 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种卷芯结构及电池，卷芯结构包括负极集流体、第一涂层、第二涂层、正极集流体、第三涂层、第四涂层、水系隔膜以及油系隔膜；第一涂层与第二涂层涂覆于负极集流体两侧，第三涂层与第四涂层涂覆于正极集流体两侧，其中，水系隔膜设置于第一涂层与第三涂层之间，油系隔膜设置于所述第二涂层与所述第四涂层之间；第一涂层为含有负极单面区的涂层，第三涂层为含有正极单面区的涂层。由于含有负极单面区的涂层与含有正极单面区的涂层之间设置水系隔膜，水系隔膜成型后溶胶差，骨架结构还在，利于锂离子的穿梭，从而减缓负极单面区析锂。而由于水系隔膜粘接力弱，通过在第二涂层与第四涂层之间设置粘接力强的油系隔膜使卷芯结构稳固。

Description

一种卷芯结构及电池

技术领域

本申请涉及电池技术领域，更具体地说涉及一种卷芯结构，以及一种设置有该卷芯结构的电池。

背景技术

随着5G时代的到来及锂离子电池技术的迅速发展，人们对锂离子电池能量密度、快速充电能力以及充放电倍率提出了更高的要求，快充锂电池亦是消费类锂离子电池发展的趋势。快充技术的发展也带来了锂离子电池的安全问题，随着电池充放电次数的增加在快速充电的条件下容易造成锂电池负极析锂，尤其是负极单面区和圆弧处更为严重，由此带来锂电池循环跳水，膨胀，鼓气等问题，大大降低了锂电池的使用寿命。

因此，如何缓解负极单面区和圆弧处析锂，是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种卷芯结构。本申请还提供了包括上述卷芯结构的电池。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种卷芯结构，包括：

涂覆于所述卷芯结构的负极集流体两侧的第一涂层以及第二涂层；

涂覆于所述卷芯结构的正极集流体两侧的第三涂层以及第四涂层；

水系隔膜，设置于所述第一涂层与所述第三涂层之间；

油系隔膜，设置于所述第二涂层与所述第四涂层之间；

其中，所述第一涂层为含有负极单面区的涂层，所述第三涂层为含有正极单面区的涂层。

优选的，所述水系隔膜包括：

第一基膜；

第一材料层，位于所述第一基膜与所述第一涂层之间；

第二材料层，位于所述第一基膜与所述第三涂层之间；

其中，所述第一材料层与所述第二材料层为水性材料层。

优选的，所述第一材料层为水性PVDF隔膜，所述第二材料层为陶瓷和水性PMMA混合形成的隔膜。

优选的，所述油系隔膜包括：

第二基膜；

第三材料层，位于所述第二基膜与所述第二涂层之间；

第四材料层，位于所述第二基膜与所述第四涂层之间；

其中，所述第三材料层与所述第四材料层为油性材料层。

优选的，所述第三材料层为油性PVDF隔膜；所述第四材料层为陶瓷和油性PMMA混合形成的隔膜。

优选的，所述水系隔膜与所述第一涂层的粘接力为2～5N/m。

优选的，所述水系隔膜与所述第三涂层的粘接力为8～25N/m。

优选的，所述油系隔膜与所述第二涂层的粘接力为15～33N/m。

优选的，所述油系隔膜与所述第四涂层的粘接力为10～30N/m。

一种电池，上述卷芯结构。

本申请提供的一种卷芯结构，卷芯结构包括负极集流体、第一涂层、第二涂层、正极集流体、第三涂层、第四涂层、水系隔膜以及油系隔膜；第一涂层与第二涂层涂覆于负极集流体两侧，第三涂层与第四涂层涂覆于正极集流体两侧，其中，水系隔膜设置于第一涂层与第三涂层之间，油系隔膜设置于所述第二涂层与所述第四涂层之间；第一涂层为含有负极单面区的涂层，第三涂层为含有正极单面区的涂层。由于含有负极单面区的涂层与含有正极单面区的涂层之间设置水系隔膜，水系隔膜成型后溶胶差，骨架结构还在，不容易造成堵孔，利于锂离子的穿梭，从而减缓负极单面区析锂。而由于水系隔膜粘接力弱，通过在第二涂层与第四涂层之间设置粘接力强的油系隔膜使卷芯结构稳固。在此基础上，保证水系隔膜与第三涂层的粘接力大于水系隔膜与第一涂层的粘接力，由于卷芯结构是由正极片、负极片以及隔膜卷绕而成，保证水系隔膜与正极片的第三涂层之间的粘接力，能更进一步提升卷芯结构的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的卷芯结构的俯视图；

图2为卷芯结构的水系隔膜的结构图；

图3为卷芯结构的油系隔膜的结构图；

图4为卷芯结构分别使用水系隔膜和油系隔膜循环使用后充电次数与容量比之间的折线图。

在图1-图4中：

1-负极集流体，2-第一涂层，3-第二涂层，4-正极集流体，5-第三涂层，6-第四涂层，7-水系隔膜，71-第一基膜，72-第一材料层，73-第二材料层，8-油系隔膜，81-第二基膜，82-第三材料层，83-第四材料层。

具体实施方式

本申请提供了一种卷芯结构。本申请还提供了包括上述卷芯结构的电池。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本文中，术语“水系隔膜”和“油系隔膜”具有本领域常规的含义。水系隔膜是将单一品种或者多种PVDF和分散剂、胶水在水中分散、研磨，形成悬浊液，过滤后进行涂布得到的成品，水系隔膜的涂布方式可以是微凹版辊转移涂布或者使用高速喷头涂布；油系隔膜是将单一品种或者多种PVDF按特定比例溶解在有机溶剂中(例如NMP、DMAC等)，形成溶液后进行涂布得到的成品，油系隔膜的涂布方式可以是微凹版辊转移涂布或者浸涂。

如图1所示，本申请实施例提供了一种卷芯结构，包括：涂覆于卷芯结构的负极集流体1两侧的第一涂层2以及第二涂层3；涂覆于卷芯结构的正极集流体4两侧的第三涂层5以及第四涂层6；水系隔膜7，设置于第一涂层2与第三涂层5之间；油系隔膜8，设置于第二涂层3与第四涂层6之间；其中，第一涂层2为含有负极单面区的涂层，第三涂层5为含有正极单面区的涂层。

需要说明的是，正极片包括正极集流体4、第一涂层2以及第二涂层3，负极片包括负极集流体1、第三涂层5以及第四涂层6。

还需要说明的是，水系隔膜7化成后溶胶差，骨架结构还在，不容易造成堵孔，有利于锂离子的穿梭；而油系隔膜8化成后，溶胶容易堵孔，不利于锂离子的穿梭。但是水系隔膜7两侧与正极片或负极片的涂层粘接性差，导致水系隔膜7容易从卷芯结构内脱离，影响卷芯电池的正常使用；而油系隔膜8虽然孔隙容易造成堵孔，但是油系隔膜8与正极片和负极片粘接性强，与正极片和负极片粘接稳固。所以将水系隔膜7设置于含有负极单面区的第一涂层2与含有正极单面区的第三涂层5之间，由于水系隔膜7利于锂离子的穿梭，能缓解负极单面区析锂；同时将油系隔膜8设置于不含负极单面区的第二涂层3与不含正极单面区的第四涂层6之间，油系隔膜8能保证隔膜与正极片和负极片之间的粘接力，使卷芯电池结构稳定。

通过将水系隔膜7设置于第一涂层2与第三涂层5之间，将油系隔膜8设置于第二涂层3与第四涂层6之间，能够在减少负极单面区析锂的同时，保证卷芯结构的稳定性。

本申请提供的一种卷芯结构，卷芯结构包括负极集流体1、第一涂层2、第二涂层3、正极集流体4、第三涂层5、第四涂层6、水系隔膜7以及油系隔膜8；第一涂层2与第二涂层3涂覆于负极集流体1两侧，第三涂层5与第四涂层6涂覆于正极集流体4两侧，其中，水系隔膜7设置于第一涂层2与第三涂层5之间，油系隔膜8设置于所述第二涂层3与所述第四涂层6之间；第一涂层2为含有负极单面区的涂层，第三涂层5为含有正极单面区的涂层。由于含有负极单面区的涂层与含有正极单面区的涂层之间设置水系隔膜7，水系隔膜7成型后溶胶差，骨架结构还在，不容易造成堵孔，利于锂离子的穿梭，从而减缓负极单面区析锂。而由于水系隔膜7粘接力弱，通过在第二涂层3与第四涂层6之间设置粘接力强的油系隔膜8使卷芯结构稳固。

在本申请某些实施例中，请一并参阅图1及图2，水系隔膜7包括：第一基膜71、第一材料层72以及第二材料层73；第一材料层72位于第一基膜71与第一涂层2之间；第二材料层73位于第一基膜71与第三涂层5之间；其中，第一材料层72与第二材料层73为水性材料层。

需要说明的是，第一基膜71为常用基膜材质，对第一基膜71的孔隙率并不做限定。单一品种或者多种PVDF和分散剂、胶水在水中分散、研磨，形成悬浊液，过滤后进行涂布得到的成品，以形成第一材料层72和第二材料层73。

通过将第一材料层72和第二材料层73设置成水系材料层，以制作水系隔膜7，水系隔膜7化成后溶胶差，骨架结构还在，不容易造成堵孔，有利于锂离子的穿梭。

在本申请某些实施例中，第一材料层72为水性PVDF隔膜，第二材料层73为陶瓷和水性PMMA混合形成的隔膜。

需要说明的是，水性PVDF隔膜与含有负极单面区的第一涂层2相邻，由于水性PVDF隔膜化成后溶胶差，骨架结构还在，不容易造成堵孔。而陶瓷和水性PMMA混合形成的隔膜与含有正极单面区的第三涂层5相邻，其粘接力大于与水性PVDF隔膜的粘接力。

通过将第一材料层72设置为水性PVDF隔膜，第二材料层73设置为陶瓷和水性PMMA混合形成的隔膜，能进一步防止堵孔，缓解负极单面区析锂。

在本申请某些实施例中，请一并参阅图1及图3，油系隔膜8包括：第二基膜81、第三材料层82以及第四材料层83；第三材料层82位于第二基膜81与第二涂层3之间；第四材料层83位于第二基膜81与第四涂层6之间；其中，第三材料层82与第四材料层83为油性材料层。

需要说明的是，油系材料层是将单一品种或者多种PVDF按特定比例溶解在有机溶剂中(例如NMP、DMAC等)，形成溶液后进行涂布得到的成品。

通过将第三材料层82和第四材料层83设置为油性材料层，能提升油系隔膜8与负极片之间的粘接力，从而抑制卷芯结构循环膨胀。

在本申请某些实施例中，第三材料层82为油性PVDF隔膜；第四材料层83为陶瓷和油性PMMA混合形成的隔膜。

通过使油性PVDF隔膜与负极片的第二涂层3粘接，使陶瓷和油性PMMA混合形成的隔膜与正极片的第四涂层6粘接，由于油性PVDF隔膜的粘接力大，能进一步保证油系隔膜8与负极粘接牢固，提升粘接的稳定性。

需要说明的是，设置陶瓷混合隔膜，可以提隔膜的热稳定性、改善其机械强度，防止隔膜收缩而导致的正极片、负极片大面积接触；还可以提高其耐刺穿能力，防止电池长期循环锂枝晶刺穿隔膜引发的短路，并能中和电解液中少量的HF，防止电池气胀；陶瓷涂层的孔隙率大于隔膜的孔隙率，有利于增强隔膜的保液性和浸润性，从而延长锂离子电池循环寿命。

在本申请某些实施例中，水系隔膜7与第一涂层2的粘接力为2～5N/m。

在本申请某些实施例中，水系隔膜7与第三涂层5的粘接力为8～25N/m。

在本申请某些实施例中，油系隔膜8与第二涂层3的粘接力为15～33N/m。

在本申请某些实施例中，油系隔膜8与第四涂层6的粘接力为10～30N/m。

在本实施例中提供一种可选方式，通过上述设置方式，此时负极片的与水系隔膜7和油系隔膜8的粘接力分别为2～5N/m和15～33N/m，正极片与水系隔膜7和油系隔膜8的粘接力分别为8～25N/m和10～30N/m。

通过设置水系隔膜7能够缓解负极片单面区析锂的问题，通过设置油系隔膜8提升油系隔膜8与负极片的粘接力，能够抑制卷芯结构循环膨胀。

在本申请某些实施例中，第一基膜71和第二基膜81为：聚酯膜(PET)、纤维素膜、聚酰亚胺膜(PI)、聚酰胺膜(PA)、氨纶、芳纶膜、聚乙烯(PE)单层膜、聚丙烯(PP)单层膜和聚乙烯与聚丙烯多层复合膜中的一种。

在本申请某些实施例中，上述陶瓷为：陶瓷颗粒为选自氧化铝、氧化镁、氧化硅、、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、硫酸钡、氮化硼、氮化铝、氮化镁、二氧化锡、氢氧化镁、勃姆石或碳酸钙中中的一种或几种；粘接剂(在制备胶和陶瓷浆料时用)自丁苯橡胶、苯丙乳胶、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚氨酯中的一种或几种。

在本申请某些实施例中，增稠剂包括羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、海藻酸钠中的一种或多种。胶为PVDF胶和PMMA胶，水性胶为用水做溶剂溶解PVDF和PMMA，同时增加水性丙烯酸溶液、表面活性剂。油性胶为用NMP/丙酮等有机溶剂溶解PVDF，同时增加上述粘接剂和增稠剂，分散剂为选自氟代烷基甲氧基醇醚、聚氧乙烯烷基胺、丁基萘磺酸钠、芳基萘磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠、多偏磷酸钠、硅酸钠、十二烷基硫酸钠中的一种或几种。

在本申请某些实施例中，在锂离子电池制备时需要首先将隔膜与负极片通过热复合的方式将两张隔膜和负极复合在一起；具体方式为：油系隔膜8-第二涂层3面-负极集流体1-第一涂层2面-水系隔膜7通过两个带温度的压辊(上面一个，下面一个，隔膜-负极-隔膜通过两个压辊的缝隙，使其压合在一起)，压辊的温度30～120℃；优选70～90℃。压力0.1～10Mpa，优选3～5MP；辊压速度1～10m/min，优选2～5m/min。

本申请实施例还提供一种电池，包括上述的卷芯结构。

本申请还提供了卷芯结构及电芯的制备方法，具体步骤如下：

S1：负极浆料制备：以人造石墨为负极活性材料，导电炭黑为导电剂、丁苯橡胶为粘接剂和羧甲基纤维素钠为增稠剂按照96.9:1.5:1.3:13的质量比加入到搅拌罐中，加入去离子水溶剂，按照公知的配料工艺进行充分搅拌，过150目的筛网，配成负极浆料，负极浆料固含量为40％～45％。

S2：负极涂布：利用涂布机将负极浆料按照公知的涂布方式涂覆到铜箔上，在100℃温度下烘干，即得到负极极片。

S3：正极浆料制备：以钴酸锂为正极活性物质、导电剂和粘结剂按照97.2：1.5：1.3的质量比加入到搅拌罐中，加入NMP溶剂，按照公知的配料工艺进行充分搅拌，过200目的筛网，配成正极浆料，正极浆料固含量为70％～75％。

S4：正极涂布：利用涂布机将正极浆料按照公知的涂布方式涂覆到铝箔上，在120℃温度下烘干，即得到正极极片。

S5：水系隔膜7的制备：采用聚乙烯材质作为隔膜基膜，厚度5μm，第一材料层72面涂覆水性PVDF，其厚度为2μm；第二材料层73面涂覆水溶性氧化铝陶瓷；其厚度为1μm；在陶瓷涂层上涂覆水性PMMA胶，其厚度为1μm。

S6：油系隔膜8的制备：采用聚乙烯材质作为隔膜基膜，厚度5μm，第三材料层82面涂覆油性PVDF，其厚度为2μm；第四材料层83面涂覆油溶性氧化铝陶瓷；其厚度为1μm；在陶瓷涂层上涂覆油性PVDF，其厚度为1μm。

S7：卷绕方式：随后按照上述发明卷绕成锂离子电池：水系隔膜7设置在第三涂层5与第一涂层2之间；其中水系隔膜7的第一材料层72面对第一涂层2面；水系隔膜7的第二材料层73面对第三涂层5面；油系隔膜8设置在第四涂层6与第二涂层3之间；其中油系隔膜8的第三材料层82面对第二涂层3；油系隔膜8的第四材料层83面对第四涂层6。

S8：电解液的制备过程为：碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)按照重量比约为1:1:0.5:1混合而成的溶剂中，加入LiPF6混合均匀，其中LiPF6的浓度为约1mol/L，混合均匀得到电解液。

S9：组装电芯：将上述步骤制备的正极片、负极片以及隔膜一起卷绕成卷芯，用铝塑膜包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺化成即可得到电芯。

现进行如下试验：

实验组：隔膜采用上述水系隔膜7和油系隔膜8，且水系隔膜7设置在第三涂层5与第一涂层2之间；其中水系隔膜7的第一材料层72面对第一涂层2面；水系隔膜7的第二材料层73面对第三涂层5面；油系隔膜8设置在第四涂层6与第二涂层3之间；其中油系隔膜8的第三材料层82面对第二涂层3；油系隔膜8的第四材料层83面对第四涂层6。

对照组：隔膜均采用上述油系隔膜8。

随后将制备的电池在25℃条件下3C/0.7C充放电制度下循环500T；对照组负极单面区及圆弧处严重析锂；实验组未发现负极单面区及圆弧处析锂。

图4为循环使用寿命数据折线图，图中实现组的线为实验组改善后的循环寿命曲线，其循环的容量保持率正常，相同次数下解剖未发现单面区和圆弧处析锂，说明本申请的技术方法可以充分解决锂离子电池长循环过程中负极单面区和圆弧处析锂的问题，改善循环寿命，同时能够有效抑制锂离子电池的膨胀的问题。

本申请提供的一种卷芯结构，卷芯结构包括负极集流体、第一涂层、第二涂层、正极集流体、第三涂层、第四涂层、水系隔膜以及油系隔膜；第一涂层与第二涂层涂覆于负极集流体两侧，第三涂层与第四涂层涂覆于正极集流体两侧，其中，水系隔膜设置于第一涂层与第三涂层之间，油系隔膜设置于所述第二涂层与所述第四涂层之间；第一涂层为含有负极单面区的涂层，第三涂层为含有正极单面区的涂层。由于含有负极单面区的涂层与含有正极单面区的涂层之间设置水系隔膜，水系隔膜成型后溶胶差，骨架结构还在，不容易造成堵孔，利于锂离子的穿梭，从而减缓负极单面区析锂。而由于水系隔膜粘接力弱，通过在第二涂层与第四涂层之间设置粘接力强的油系隔膜使卷芯结构稳固。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卷芯结构，其特征在于，包括：

涂覆于所述卷芯结构的负极集流体(1)两侧的第一涂层(2)以及第二涂层(3)；

涂覆于所述卷芯结构的正极集流体(4)两侧的第三涂层(5)以及第四涂层(6)；

水系隔膜(7)，设置于所述第一涂层(2)与所述第三涂层(5)之间；

油系隔膜(8)，设置于所述第二涂层(3)与所述第四涂层(6)之间；

其中，所述第一涂层(2)为含有负极单面区的涂层，所述第三涂层(5)为含有正极单面区的涂层。

2.根据权利要求1所述的卷芯结构，其特征在于，所述水系隔膜(7)包括：

第一基膜(71)；

第一材料层(72)，位于所述第一基膜(71)与所述第一涂层(2)之间；

第二材料层(73)，位于所述第一基膜(71)与所述第三涂层(5)之间；

其中，所述第一材料层(72)与所述第二材料层(73)为水性材料层。

3.根据权利要求2所述的卷芯结构，其特征在于，所述第一材料层(72)为水性PVDF隔膜，所述第二材料层(73)为陶瓷和水性PMMA混合形成的隔膜。

4.根据权利要求1所述的卷芯结构，其特征在于，所述油系隔膜(8)包括：

第二基膜(81)；

第三材料层(82)，位于所述第二基膜(81)与所述第二涂层(3)之间；

第四材料层(83)，位于所述第二基膜(81)与所述第四涂层(6)之间；

其中，所述第三材料层(82)与所述第四材料层(83)为油性材料层。

5.根据权利要求4所述的卷芯结构，其特征在于，所述第三材料层(82)为油性PVDF隔膜；所述第四材料层(83)为陶瓷和油性PMMA混合形成的隔膜。

6.根据权利要求1所述的卷芯结构，其特征在于，所述水系隔膜(7)与所述第一涂层(2)的粘接力为2～5N/m。

7.根据权利要求1所述的卷芯结构，其特征在于，所述水系隔膜(7)与所述第三涂层(5)的粘接力为8～25N/m。

8.根据权利要求1所述的卷芯结构，其特征在于，所述油系隔膜(8)与所述第二涂层(3)的粘接力为15～33N/m。

9.根据权利要求1所述的卷芯结构，其特征在于，所述油系隔膜(8)与所述第四涂层(6)的粘接力为10～30N/m。

10.一种电池，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的卷芯结构。

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