CN2598160Y

CN2598160Y - 方型锂离子二次电池

Info

Publication number: CN2598160Y
Application number: CNU022957294U
Authority: CN
Inventors: 沈; 沈晞; 王传福; 董俊卿
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2004-01-07
Anticipated expiration: 2012-12-30

Abstract

本实用新型涉及的一种方型锂离子二次电池，包括能镶嵌和脱嵌锂离子的负极、能镶嵌和脱嵌锂离子的正极、隔膜以及非水电解液，收纳于方型电池外壳中，所述正极、负极的基板均由承载活性物质涂覆层主体部分和与基板主体自成一体的非涂覆层部分构成，在正极、隔膜、负极组成电极体后，通过外接金属片与非涂覆层部分的焊接形成导电极耳，该方型锂离子二次电池与常规锂离子二次电池相比，电池内阻分别降低了130％和52％左右，具有优良的循环性能和高倍率放电性能，大电流放电时的放电平台也有所提高，适合于交通工具动力电源使用。

Description

方型锂离子二次电池

技术领域

本实用新型涉及包括吸附与解吸附锂离子的负极、以含锂氧化物为正极活性物质的正极和非水电解液，以及隔离正极与负极的隔膜纸的非水电解液锂离子二次电池，尤其涉及适合于交通工具动力使用的大容量、高倍率放电性能优异的非水电解液锂离子二次电池。

背景技术

非水电解液锂离子二次电池是使用于可镶嵌与脱嵌锂离子的碳系材料作为负极活性物质，使用LiCoO₂，LiNiCoO₂，LiMnO₄等含锂过渡金属氧化物作为正极活性物质，使用金属锂盐电解质如LiPF₆等及碳酸酯溶剂如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)等作为电解液制作成电池后，来自正极活性物质的锂离子进出碳粒子内而可进行充放电。

近年来，小型化的锂离子二次电池已日臻完善，现已广泛用于小型摄相机、移动电话、笔记本电脑等便携式电子和通讯设备上。基于环境保护等原因，电动自行车、电动汽车市场发展迅速。锂离子电池以其高放电电压、高能量密度和长循环使用寿命而成为上述动力装置的首选能源。但是，问题在于作为动力能源使用的大容量锂离子二次电池，其高倍率放电性能及安全性能尚未充分解决。

对于电动车用的动力电池，中国专利ZL00240461.3号于2001年10月17日公开了一种解决方法，该方法采用两级或两级以上的极耳集流结构，其中第一级极耳是焊接在基板上，这对于碱性蓄电池来说是合适的，因为该种电池的基板为泡沫镍，焊接牢固、抗振动力强，但应用于锂离子二次电池则难以在金属箔片上进行焊接或焊接的牢固度差，仍无法适用动力锂离子二次电池。

发明内容

本实用新型的目的是改善现有技术的锂离子二次电池内阻较大、高倍率放电性能及安全性能差，以及导电端子难以进行焊接或焊接的牢固度差等问题，从而提供一种大容量、优越的大倍率放电性能以及较高的安全性能的动力非水电解液锂离子二次电池。

本实用新型的目的可以是由以下技术方案实现的：

一种方型锂离子二次电池，包括能镶嵌和脱嵌锂离子的负极、能镶嵌和脱嵌锂离子的正极、隔膜以及非水电解液，收纳于方型电池外壳中，所述正极、负极的基板均由承载活性物质涂覆层主体部分和与基板主体自成一体的非涂覆层部分构成，在正极、隔膜、负极组成电极体后，通过外接金属片与非涂覆层部分的焊接形成导电极耳。

除了基板和活性物之外，通常正极还含有碳系材料导电剂以及将正极材料粘结到电极集流体上的粘合剂。常规碳系材料导电剂的实例包括炭黑、碳纤维和石墨等，粘合剂的实例包括含氟树脂和聚烯烃化合物如PVDF、PTFE、VDF-HFP-TFE共聚物与SBR等。

同样，除了基板和活性物之外，通常负极还含有将负极材料粘结到电极集流体上的粘合剂，粘合剂的实例包括含氟树脂和聚烯烃化合物如PVDF、PTFE、VDF-HFP-TFE共聚物与SBR等。

正负极浆料是通过将粘合剂溶解在特定的溶剂中，再加入活性物质和导电剂，进行充分地分散后制成的。在本发明中所述特定的溶剂选自NMP、DMF、DEF、DMSO、THF、以及水和醇类等，可以使用其中之一或其混合物。

上述技术方案还可以通过以下技术措施作进一步改进：

由所述的非涂覆层部分为凸片形状，以平行叠置或卷绕方式形成电极体，组装后得到方型锂离子二次电池。

所述的正极基板为铝箔片，所述的负极基板为铜箔片，外接金属片与电极凸片组的焊接形成导电极耳的方式为超声波焊接或电阻焊焊接。

这种焊接连接方式的受力面决定了其不受正、负极集流体强度的影响，既充分地保证了充放电过程中电流的均匀分布，又有效地消除了接触电阻的影响，使电池内阻大大降低。同时也节省了集电夹具所占用的空间，保证了电池的容量和能量密度。

在本实用新型具体实施过程中，根据集流体材质以及重叠厚度的不同而采取了不同的侧面焊接方法。单纯从材料焊接角度来说，纯铝或纯铜在电阻焊或激光焊的工艺条件下焊核面积仅能达到0.8mm²，而在超声波焊工艺条件下则可达到16mm²，故为了提高电流通导能力应优选采用超声波焊。但当正极集流体铝箔或负极集流体铜箔的重叠厚度＞2mm，超声波焊变得较为困难，此时应将铝箔或铜箔分别夹在铝带或纯镍带中进行电阻焊，以确保焊接强度。在以上各种焊接方法中，对于不同容量的电池或不同长度的极片，所需焊接点数和焊接面积可能有所不同，对此本专利不作特别的限定。

所述的正极活性物是一种锂与过渡金属的层状复合氧化物，它们是具有一定特定结构的活性物质，可以与锂离子进行可逆的反应。此类活性物质材料的实例包括：Li_xNi_1-yCo_yO₂(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、Li_xMn_2-yB_yO₂(其中，B为过渡金属，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)，可以选用中之一或其混合物。

所述的负极活性物质为能够使锂离子反复嵌入和脱嵌的碳系材料，其实例包括天然石墨、人造石墨、MCMB(中间相碳微球)、MCF(中间相碳纤维)，可以选用中之一或其混合物。

正负极浆料是通过将一种合适的粘合剂溶解在特定的溶剂中，再加入活性物质和导电剂，进行充分地分散后制成的。在本发明中所述特定的溶剂选自NMP、DMF、DEF、DMSO、THF、以及水和醇类等，可以使用其中之一或其混合物。

所述的电解液的组分中的电解质为锂盐，实例包括LiClO₄、LiPF₆、LiBF₄、卤化锂、氯铝酸锂、氟烃基氟氧磷酸锂及氟烃基磺酸锂等，可以使用其中之一或其混合物。

所述的电解液的组分中的溶剂选用链状酸酯和环状酸酯的混合溶液。链状酸酯的实例包括DMC、DEC、EMC、MPC、DPC、MA、EA、PA、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷以及其它含氟、含硫或含不饱和键的链状有机酯类，可以使用其中之一或其混合物。环状酸酯的实例包括EC、PC、VC、γ-BL、磺内酯以及其它含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类，可以使用其中之一或其混合物。

对电池在上述以外的构成上所需的部件选择没有特别的限定。

本实用新型的方型锂离子二次电池有优越的大倍率放电性能、循环性能以及较小电池内阻，该电池尤其适宜于用作大容量的动力电池。

附图说明

图1(a)为本实用新型锂离子二次电池的正极片形状图：

图1(b)为本实用新型锂离子二次电池的负极片形状图：

图2为本实用新型锂离子二次电池的正极片、隔膜、负极片叠置形状图：

图3为本实用新型锂离子二次电池的电极体卷绕时的俯视图；

图4(a)为本实用新型锂离子二次电池的电极体卷绕后的外观图：

图4(b)为图4(a)所示切掉圆角部分形成带凸片电极体的外观图：

图5(a)及图5(b)为本实用新型锂离子二次电池的两种极耳连接接外观图；

图6为本实用新型锂离子二次电池的纵向横截面图。

具体实施方式

1、附图符号说明：1、1’-正、负极未涂覆部分；2、2’-含有活性物质层正极、负极；3-隔膜；4、4’-正、负极极耳凸片层；5、5’-正、负极外接金属带；6、6’-正、负极绝缘板；7、7’-正、负极连接板；8、8’-正、负极绝缘盖板；9、9’-金属盖板；10-正极柱；14-电池外壳；15-电极体。

2、结合附图对本实用新型详述如下：

图1(a)、图1(b)所示分别是本实用新型锂离子二次电池的正、负极极片2和2’，其中主体部分为活性物质涂覆层，1和1’为未涂覆带部分，其宽度为15~20mm，具体可依照焊接夹具以及壳体的尺寸而定。

如图2所示，将正极片、隔膜纸、负极片依次叠层并使正负极极耳叠层分别处于卷芯的两侧，并以图3方式为卷绕成如图4(a)所示的电池电极体15。

如图4(b)所示，将上述卷绕好的电极体15的正极端的叠层1的圆角部分截去，得到电池的正极极耳凸片叠层4，同样将负极端的叠层1’的圆角部分截去，得到负极极耳凸片叠层4’，可见电极凸片平行排列。极耳叠层的宽度可比壳体的直线宽度稍小些，这样极耳凸片叠层的折叠和连接就不会影响到整个极片，图4(b)为截掉极耳叠层圆角部分后整个卷绕电极体的外观图。

如图5(a)及图5(b)，将上述结构的正极极耳凸片叠层4作为一整体，和连接铝带5采用超声波焊焊接在一起，然后将铝带5再焊接在如图6所示的正极连接片7上。注意调整超声波的焊接功率，必须使连接层焊透。也可采用激光焊等焊接方式，但最好采用超声波焊焊接。负极采用电阻焊焊接在负极底板上，也可采用铆接等方式，但最好采用电阻焊。

上述结构的二次电池，可将正极极耳叠层4、铝带5、正极连接片7同时采用超声波焊焊接在一起，以减少生产的工序。也可将负极极耳叠层4’、复合镍带5’、底板9’同时采用电阻焊焊接在一起。复合镍带5’的材料可以是纯镍带或其他金属材料。

如图6所示，正极连接板7为合金铝材料，8为绝缘盖板，9为金属盖板，10为正极柱，共同构成电池的上盖板，它们采用铆接方式连接在一起。

3、下面通过实施例与比较例更详细地阐述本实用新型：

实施例1

将一定量的PVDF以一定比率溶解在NMP中，将LiCoO₂和乙炔黑加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为LiCoO₂∶乙炔黑∶PVDF＝92∶4∶4。将该浆料均匀地涂布在20μm的铝箔上，于120℃下干燥。压延后得到厚度为120μm的正极片。再将此正极片端缘的敷料层刮去，露出宽10mm的铝箔。

将一定量的PVDF以一定比率溶解在NMP中，将人造石墨加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为人造石墨∶PVDF＝95∶5。再将该浆料均匀地涂布在20μm的铜箔上，于120℃下干燥。压延后得到厚度为120μm的负极片。再将此负极片端缘的敷料层刮去，露出宽10mm的铜箔。

将上述的正、负极片与25μm厚的聚丙烯微孔性隔膜卷绕成一个方型锂离子二次电池的电芯，再分别沿极片重叠方向对铝箔和铜箔进行超声波焊接(亦称为侧面焊接)以形成集电结构。将电芯装入电池壳中，随后将LiPF₆按1mol/dm²的浓度溶解在EC/DMC＝1∶1的混合溶剂中所形成的电解液注入电池壳中，密封，制成方型锂离子二次电池。

比较例1

使用与实施例1所类似的方法，但是正极采用4枚铝制极耳、负极采用4枚镍制极耳作为集电结构。

比较例2

使用与实施例1所类似的方法，但是正、负极各采用3枚不锈铜制夹具作为集电结构。

电池特性测试

(1)放电性能

将按上述方法制成的方型锂离子二次电池以700mA的恒定电流充电至4.2V，在电压升至4.2V后以恒定电压充电，截至电流50mA；再以700mA的恒定电流放电，截至电压2.75V。测量初始容量和电池内阻。

(2)循环特性

将按上述方法制成的方型锂离子二次电池以上述的充放电机制充放电500次循环。测定在500次循环时的容量维持率。

(3)负荷特性

将按上述方法制成的方型锂离子二次电池以700mA的恒定电流充电至4.2V，在电压升至4.2V后以恒定电压充电，截至电流50mA；再以5000mA的恒定电流放电，截至电压2.75V。测定在高负荷条件下的容量维持率和放电中值电压。

(4)性能测试结果

以上试验的结果如下表所示：

	集电结构类型	初始放电容量(mAh)	电池内阻(mΩ)	500次循环容量维持率(％)	5A/0.7A放电容量维持率(％)	5A放电中值电压(V)
	集电结构类型	初始放电容量(mAh)	电池内阻(mΩ)	500次循环容量维持率(％)	5A/0.7A放电容量维持率(％)	5A放电中值电压(V)	实施例1	侧面焊	1427	23	84.2	92.2	3.43
比较例1	极耳焊	1488	53	72.5	75.9	3.35	实施例1	侧面焊	1427	23	84.2	92.2	3.43
比较例1	极耳焊	1488	53	72.5	75.9	3.35	比较例2	夹具	1349	35	78.6	85.6	3.39

(5)发明效果

根据以上结果可见，实施例1的方型锂离子二次电池与采用极耳焊的比较例1以及采用夹具的比较例2相比，电池内阻分别降低了130％和52％左右。该电池具有优良的循环性能和高倍率放电性能，大电流放电时的放电平台也有所提高。

这主要是因为采用极耳作为电流引出方式，电流的导出和引入仍旧局限在有限的几个焊接点上，通导能力较低，且电池充放电过程中的电流分布不够均匀；采用集电夹具则极片端缘靠集电夹具夹紧，接触电阻较大，不利于降低电池内阻。而本实用新型的方型锂离子二次电池采用侧面焊这种焊接方式，其受力面决定了焊接不受正、负极集流体强度的影响。并且此方法工艺简单，既充分地保证了充放电过程中电流的均匀分布，又有效地消除了接触电阻的影响，使电池内阻大大降低。同时也节省了集电夹具所占用的空间，保证了电池的容量和能量密度。

Claims

1、一种方型锂离子二次电池，包括能镶嵌和脱嵌锂离子的负极、能镶嵌和脱嵌锂离子的正极、隔膜以及非水电解液，收纳于方型电池外壳中，其特征在于：所述正极、负极的基板均由承载活性物质涂覆层主体部分和与基板主体自成一体的非涂覆层部分构成，在正极、隔膜、负极组成电极体后，通过外接金属片与非涂覆层部分的焊接形成导电极耳。

2、根据权利要求1所述的方型锂离子二次电池，其特征在于：由所述的非涂覆层部分为凸片形状，以平行叠置或卷绕方式形成电极体，组装后得到方型锂离子二次电池。

3、根据权利要求2所述的方型锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极基板为铝箔片，所述的负极基板为铜箔片，外接金属片与电极凸片组的焊接形成导电极耳的方式为超声波焊接或电阻焊焊接。

4、根据权利要求1、2或3所述的方型锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极活性物选用以下述化学式所表示的物质：Li_xNi_1-yCo_yO₂(其中0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、Li_xMn_2-yB_yO₂(其中，B为过渡金属，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)中之一或其混合物。

5、根据权利要求1、2或3所述的方型锂离子二次电池，其特征在于：所述的负极活性物选用天然石墨、人造石墨、MCMB或MCF中之一或其混合物。

6、根据权利要求1、2或3所述的方型锂离子二次电池，其特征在于：所述的电解液的组分中的电解质选自高氯酸锂、氯铝酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、卤化锂、氟烃基氟氧磷酸锂及氟烃基磺酸锂的锂盐中之一或其混合物。

7、根据权利要求1、2或3所述的方型锂离子二次电池，其特征在于：所述的电解液的组分中的溶剂选用链状酸酯和环状酸酯的混合溶剂，链状酸酯选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二苯酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、内酸甲酯、内酸乙酯、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷的其中之一或其混合物：环状酸酯选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙烯酯、γ-丁内酯、磺内酯其中之一或其混合物。