CN220873617U - 一种极耳中置式极片、电芯和锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种极耳中置式极片、电芯和锂离子电池，属于锂电池的技术领域，其中极耳中置式极片包括集流体和活性涂层，所述集流体具有长度方向，所述活性涂层沿所述长度方向连续覆盖在所述集流体上；所述活性涂层的表面设置有多个调节孔，所述调节孔的分布密度从所述活性涂层在所述长度方向上的中间位置向边缘位置逐渐递减；所述调节孔的分布密度为所述活性涂层表面的单位面积上所有所述调节孔所具有的体积。本实用新型的电芯包括上述的极片。本实用新型的锂离子电池包括上述的电芯。本实用新型解决了现有的锂电池在高倍率充电时或循环后期容易出现析锂的问题，从而改善了锂电池的性能和循环寿命，并提高了锂电池的安全性。

Description

一种极耳中置式极片、电芯和锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂电池的技术领域，具体地，主要涉及一种极耳中置式极片、电芯和锂离子电池。

背景技术

锂电池的电芯是由正极极片、负极极片以及隔膜通过叠片或卷绕工艺制成的，正极极片和负极极片均包含活性材料，正极活性材料为各种含锂元素的化合物，如钴酸锂、磷酸铁锂等，而负极活性材料主要为石墨，在充电时，正极极片上的锂离子在电势差的作用下穿过隔膜嵌入负极极片的石墨中，同时负极极片从电源的负极获得电子从而形成石墨插层化合物。

现如今，由于电子设备、新能源汽车等产品的不断升级换代，人们对锂电池的容量、续航、充电速度等各方面性能的要求越来越高，但是，随着锂电池的能量密度、充电倍率越来越高，电池出现了多种安全方面的问题，如析锂、断片、热失控等，严重时会酿成火灾等重大事故，使得电池安全问题越来越受到行业研发者的关注。

锂电池产生析锂现象的原因是，在电池经过多次充放电循环后，由于电解液浸润不足、活性物质减少等，使得锂离子嵌入负极石墨中的速度小于负极获得电子的速度，从而在负极的表面造成锂的析出。当析出的锂积累到一定的程度，会刺破隔膜、造成电池局部短路，甚至引发热失控、起火爆炸现象，酿成安全事故。

授权公告号为CN110797530A的中国专利文件公开了一种高电压钴酸锂石墨电池，其包括正极片、负极片、设置于正极片和负极片之间的隔膜以及电解液；正极片包括正极集流体以及涂覆在正极集流体上的正极活性材料层，正极活性材料层包括正极活性材料、导电剂、正极粘结剂和正极预成膜添加剂，正极活性材料为掺杂包覆改性钴酸锂；负极片包括负极集流体以及涂覆在负极集流体上的负极活性材料层，负极活性材料层包括负极活性材料、负极粘结剂和分散剂，负极活性材料为碳包覆石墨。该专利文件中的锂电池通过改善负极活性材料，对析锂现象起到了一定的缓解作用。

与上述专利文件类似，现有技术中还有很多解决锂电池析锂问题的方法，例如：

1、增大CB值，即通过增加负极的涂布重量来改善析锂问题，这一方法的基本原理是为锂离子提供更多的嵌入空间，但其降低了电芯能量密度、增加了负极的额外成本，并且会牺牲部分安全性能；

2、负极使用更高倍率的快充石墨、正极采用更稳定的活性材料来提高电芯稳定性，改善倍率性和离子传输能力，从而降低电芯析锂风险，该方法局限性在于正负极材料的开发研制需要很长时间，成本高昂；

所以，目前改善电芯析锂问题的方法都有一定的弊端，需要对其进行改进。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种极耳中置式极片、电芯和锂离子电池，以解决现有的锂电池在高倍率充电时或循环后期容易出现析锂的问题，从而改善锂电池的性能和循环寿命，并提高锂电池的安全性。

本实用新型公开的一种极耳中置式极片，所述极片包括集流体和活性涂层，所述集流体具有长度方向，所述活性涂层沿所述长度方向连续覆盖在所述集流体上；所述活性涂层的表面设置有多个调节孔，所述调节孔的分布密度从所述活性涂层在所述长度方向上的中间位置向边缘位置逐渐递减；所述调节孔的分布密度为所述活性涂层表面的单位面积上所有所述调节孔所具有的体积。

优选地，以所述长度方向为坐标轴方向，并以所述活性涂层的中间位置为原点，所述活性涂层在所述坐标轴上的长度为L，与所有所述调节孔的总体积等量的所述活性涂层所具有的质量为W，则：在所述坐标轴上-L/6～L/6的长度区间所包括的活性涂层表面内，与该区间所有所述调节孔所具有的体积等量的所述活性物质的质量在60％W～70％W之间。

优选地，在坐标轴上-L/3～-L/6和L/6～L/3的长度区间所包括的所述活性涂层表面内，与该区间所有所述调节孔所具有的体积等量的所述活性物质的质量在20％W～30％W之间。

优选地，在所述坐标轴上-L/2～-L/3和L/3～L/2的长度区间所包括的所述活性涂层表面内，与该区间所有所述调节孔所具有的体积等量的所述活性物质的质量在5％W～15％W之间。

优选地，所述极片在所述活性涂层沿所述长度方向的中间位置设置有极耳位。

优选地，与所有所述调节孔的总体积等量的所述活性涂层所具有的质量W，占所述极片总质量的范围在0～2％之间。

本实用新型公开的一种电芯，包括上述任一种极片。

优选地，所述极片包括正极极片和负极极片，所述正极极片的所述活性涂层的材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、三元锂和镍钴锰铝中的一种或多种。

优选地，所述电芯包括极耳，所述极耳连接在所述集流体上，并位于所述活性涂层沿所述长度方向的中间位置。

本实用新型公开的一种锂离子电池，包括上述任一种电芯。

本实用新型的有益效果在于：

其一，在活性涂层中间位置两侧的表面设置调节孔，能够在极片的活性涂层表面构造三维结构、提高活性涂层与电解液的接触面积，从而提高充放电时锂离子在正负极之间的穿梭速率，提高锂离子嵌入、脱嵌以及化合反应的能力，而由于充放电时，越靠近极耳位的电流密度越大、越远离极耳位的电流密度越小，从而三段式分布式、越靠近中间位置极耳位、调节孔的密度越大的调节孔设置方式，能够更加符合极耳中置式极片的使用情况，进而能够有效改善极耳位附近以及极片整体析锂的问题、提高锂电池的充放电性能；

其二，相较于在活性涂层表面未进行打孔或者均匀打孔的极片，本实用新型中的极片能够在不损失电芯容量的情况下，更加有效地改善极片的析锂情况、提升电芯的充放电性能；此外，相较于传统的改善析锂的方式，本实用新型的打孔方法成本低廉、实用性强，仅需在原有的激光清洗设备上设置打孔设备即可实现批量化生产，简单有效、市场前景广阔。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的极片的结构示意图。

附图标记说明：1、极片；101、空箔区；102、涂布区；103、极耳位；104、中心线；11、集流体；12、活性涂层；121、调节孔。

具体实施方式

为能充分了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹通过以下实施方式，并配合附图详细说明如下：

参照图1，为本实用新型公开的一种极耳中置式极片，该极片1包括集流体11和涂布于集流体11上的活性涂层12，其中，集流体11为长条状的金属箔片，其材料可以是铜箔、铝箔或铜铝复合物，活性涂层12沿着集流体11的长度方向连续覆盖在集流体11的表面上，在该极片1中，活性涂层12所连续覆盖的区域为涂布区102，活性涂层12两端边缘外侧的区域为空箔区101；活性涂层12的中间位置设置有极耳位103，极耳位103为一未涂布活性涂层12的区域，用于连接极耳，极耳位103处集流体11的表面呈裸露状，在本实施方式中，极耳位103为矩形结构并设置于集流体11的边缘，极耳位103的长度方向垂直于极片1的长边。

参照图1，平行于极耳位103的两个长边、且位于极耳位103两个长边中间处的直线为中心线104，在中心线104两侧的活性涂层12表面上，通过激光打孔的方式开设有多个调节孔121，调节孔121的形状为其在活性涂层12表面所具有的形状，可以为圆形、椭圆形或多边形中的其中一种或多种，在本实施方式中，调节孔121的形状为圆形；调节孔121的质量为通过激光打孔的方式形成该调节孔121后所去除的活性涂层12的质量，该质量与调节孔121的体积成正比，即去除的活性涂层12越多，调节孔121的体积越大、质量越大；调节孔121的体积等于调节孔121在活性涂层12的表面所占据的面积乘以其深度，不同的调节孔121的深度可以相同也可以不同，但调节孔121的深度至多为活性涂层12的厚度。

参照图1，在本实用新型的极片1中，调节孔121具有不同的分布密度，沿集流体11的长度方向上，越靠近中心线104处，活性涂层12单位面积上所具有的调节孔121的质量(或体积)越大，越远离中心线104处，活性涂层12单位面积上所具有的调节孔121的质量(或体积)越小；具体地，活性涂层12的总长度为L，通过激光打孔的方式形成所有调节孔121所去除的活性涂层12的总质量为W，且W占极片1的总重量不超过2％，则以中心线104处为原点，集流体11的长度方向为坐标轴方向，坐标轴上-L/6～L/6的长度区间所包括的活性涂层12表面内的所有调节孔121的总质量在60％W～70％W之间，坐标轴上-L/3～-L/6和L/6～L/3的长度区间所包括的活性涂层12表面内的所有调节孔121的总质量在20％W～30％W之间，坐标轴上-L/2～-L/3和L/3～L/2的长度区间所包括的活性涂层12表面内的所有调节孔121的总质量在5％W～15％W之间。

具体地，调节孔121的作用是，能够在极片1的活性涂层12表面构造三维结构、提高活性涂层12与电解液的接触面积，从而提高充放电时锂离子在正负极之间的穿梭速率，提高锂离子嵌入、脱嵌以及化合反应的能力，而由于充放电时，越靠近极耳位103的电流密度越大、越远离极耳位103的电流密度越小，从而三段式分布式、越靠近极耳位103调节孔121的密度越大的调节孔121设置方式，能够更加符合极耳中置式极片1的使用情况，从而能够有效改善极耳位103附近以及极片1整体析锂的问题、提高锂电池的充放电性能。

本实用新型还公开一种电芯，包括上述的极片1，还包括极耳，极片1包括正极极片和负极极片，正极极片的活性涂层12材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、三元锂和镍钴锰铝中的一种或多种；极耳通过焊接的方式连接在极耳位103的集流体11上。

本实用新型还公开一种锂离子电池，包括上述的电芯。

实验例1

设置多个本实用新型的上述锂离子电池作为实验组进行测试，其中因设置调节孔121导致的质量损失占整个极片1质量的2％，为W；设置第一对照组、第二对照组的多个锂离子电池进行循环测试，所有实验组、对照组中的锂电池的数量均相同，其中，

第一对照组与实验组的区别仅在于：第一对照组的锂电池中，极片1的调节孔121在活性涂层12表面均匀分布，且每个调节孔121的形状、面积和孔深均相同；

第二对照组与实验组的区别仅在于：第二对照组的锂电池中，极片1活性涂层12的表面未设置调节孔121，因此第二对照组锂电池的每个极片1的活性涂层12的质量，比实验组锂电池的每个极片1的活性涂层12的质量多W。

测试方式包括：容量测试，分别记录理论容量与实际放电量(实际容量)；3C标准循环测试(1000cls)、4C加严循环测试，测试后拆解电池的电芯、观察电芯析锂情况；还包括-10℃低温放电测试、-20℃低温放电测试，分别记录各组电池在不同温度条件下的放电量占室温条件下放电量的百分比。测试结果如表1所示。

表1实验组、第一对照组和第二对照组测试结果

由表1可知，采用全局均匀式打孔的第一对照组相比于不打孔的第二对照组，析锂现象有一定的改善，但是损失了容量；而采用三段分布式打孔的实验组的锂电池，相比于第一对照组和第二对照组的锂电池，析锂改善效果均更好、且没有容量损失，且可以至少提高1C的充电能力；

另外，在低温条件下，采用三段分布式打孔的实验组的锂电池，比不打孔的第二对照组的放电量至少高2％、比全局均匀式打孔的第一对照组的放电量至少提高了1.5％。

实验例2

在实验例1结果的基础上，对第一对照组进行改进，保持第一对照组锂电池的极片1表面仍为均匀式打孔，但不断增大第一对照组中的锂电池极片1表面活性涂层12的打孔的质量，经反复实验，使得上述锂电池在3C标准循环测试、4C加严循环测试中不出现析锂现象后，作为第三对照组；

对第三对照组的活性涂层12的质量进行称量测试，并测试其实际放电量(实际容量)，测试结果如表2所示。

表2实验组、第三对照组测试结果

由表2可知，第三对照组锂电池极片1中活性物质的质量损失，占据整个极片1质量的3％，相较于实验组更大，且其实际容量损失较大。

综上所述，从实验例1和实验例2可知，通过在极片1的活性涂层12的表面采用分布式打孔的方式设置调节孔121，相较于均匀打孔和不打孔的方式，均对极片1的析锂现象有更大的改善，且能够不产生容量损失，在低温条件下也能够保持更高的容量。

本实用新型的实施原理和有益效果是：

其一，在极耳位103两侧的活性涂层12的表面设置调节孔121，能够在极片1的活性涂层12表面构造三维结构、提高活性涂层12与电解液的接触面积，从而提高充放电时锂离子在正负极之间的穿梭速率，提高锂离子嵌入、脱嵌以及化合反应的能力，而由于充放电时，越靠近极耳位103的电流密度越大、越远离极耳位103的电流密度越小，从而三段式分布式、越靠近极耳位103调节孔121的密度越大的调节孔121设置方式，能够更加符合极耳中置式极片1的使用情况，进而能够有效改善极耳位103附近以及极片1整体析锂的问题、提高锂电池的充放电性能。

其二，相较于在活性涂层12表面未进行打孔或者均匀打孔的极片1，本实用新型中的极片1能够在不损失电芯容量的情况下，更加有效地改善极片1的析锂情况、提升电芯的充放电性能；此外，相较于传统的改善析锂的方式，本实用新型的打孔方法成本低廉、实用性强，仅需在原有的激光清洗设备上设置打孔设备即可实现批量化生产，简单有效、市场前景广阔。

以上仅为本实用新型的实施方式而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种极耳中置式极片，其特征在于，所述极片(1)包括集流体(11)和活性涂层(12)，所述集流体(11)具有长度方向，所述活性涂层(12)沿所述长度方向连续覆盖在所述集流体(11)上；

所述活性涂层(12)的表面设置有多个调节孔(121)，所述调节孔(121)的分布密度从所述活性涂层(12)在所述长度方向上的中间位置向边缘位置逐渐递减；

所述调节孔(121)的分布密度为所述活性涂层(12)表面的单位面积上所有所述调节孔(121)所具有的体积。

2.根据权利要求1所述的极耳中置式极片，其特征在于，所述极片(1)在所述活性涂层(12)沿所述长度方向的中间位置设置有极耳位(103)。

3.一种电芯，其特征在于，包括权利要求1或2所述的极片(1)。

4.根据权利要求3所述的电芯，其特征在于，所述极片(1)包括正极极片和负极极片，所述正极极片的所述活性涂层(12)的材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、三元锂和镍钴锰铝中的一种。

5.根据权利要求3所述的电芯，其特征在于，所述电芯包括极耳，所述极耳连接在所述集流体(11)上，并位于所述活性涂层(12)沿所述长度方向的中间位置。

6.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求3-5任一所述的电芯。