CN2758991Y - 一种锂离子二次电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种锂离子二次电池，包括外壳、位于外壳内的绕卷的正极片、负极片、位于正极片和负极片中间的隔膜和电解液，所述正极片和负极片中至少一个的敷料厚度在宽度方向上为变化值，且在宽度方向上正极片和负极片的敷料厚度的比值从中间向两端逐渐增加，避免由于气体在极片与隔膜间的流动而导致的中间优先过充，并且充分利用边缘部分的负极材料，使电池循环性能明显提高，可以保证500循环后容量在80％以上，同时过充等安全性能大大提高。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及一种锂离子二次电池，尤其涉及一种圆柱型锂离子二次电池。
【背景技术】
当前的圆柱型锂离子电池的结构包括电池极芯和电池外壳，电池极芯是由正极片、负极片及夹在它们中间的隔膜卷绕而成的，现有的正负极片分别是在铝箔或铜箔的双面涂抹面密度均匀的敷料，然后经过辊压，真空烘烤干燥而成。但是这种结构的锂离子二次电池的缺点是：由于锂离子电池的高空间利用率和高能量密度导致电池普遍存在发热、膨胀等现象；同时由于气体在极片与隔膜间的流动的影响导致绝大部分负极片都是在宽度方向上的中间位置优先过充而边缘部分的负极材料不能充分利用，中间位置的过充会形成锂枝晶，从而导致电池微短路，发热、电池循环性能、安全性能低下。
【发明内容】
本实用新型的主要目的就是为了解决现有技术中的问题，提供一种锂离子二次电池，提高了电池循环性能和安全性能。
为实现上述目的，本实用新型提出的一种锂离子二次电池，包括外壳、位于外壳内的绕卷的正极片、负极片、位于正极片和负极片中间的隔膜和电解液，在宽度方向上，所述正极片和负极片中至少一个的敷料厚度为变化值，且在宽度方向上正极片和负极片的敷料厚度的比值从中间向两端逐渐增加。
宽度方向是指装配后与圆柱型电池的外壳的中心轴线平行的方向，长度方向是与外壳的中心轴线垂直的方向。
实现上述条件的方案之一是所述正极片在宽度方向上的敷料厚度相同，所述负极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐减小。
实现上述条件的方案之二是所述正极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐增加，所述负极片在宽度方向上的敷料厚度相同。
实现上述条件的方案之三是所述负极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐减小，所述正极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐增加。
锂离子电池充放电原理是：正极片上的敷料为可释出和嵌入锂的正极活性物质，如LiCoO2，负极片上的敷料为可嵌入和释出锂的负极活性物质，比如石墨C，充电时正极的Li+插入到C层之间，如果正极对应的负极不够则会造成Li+没地方填充，从而使Li+转化成Li金属，也就是枝晶。
本实用新型的有益效果是：改变正负极片在宽度方向上的敷料厚度，使中间位置的正负极片的敷料厚度的比值小于宽度方向上两端的敷料厚度的比值，由于气体在极片与隔膜间的流动而导致的中间优先过充，所以增加宽度方向上正极中间所对应的负极，避免使Li+转化成Li金属，并且充分利用边缘部分的负极材料，从而使电池循环性能明显提高，可以保证500循环后容量在80％以上，同时过充等安全性能大大提高。
本实用新型的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本实用新型的一种实施例的正负极片在宽度方向上的横截面图；
图2是本实用新型的另一种实施例的正负极片在宽度方向上的横截面图；
图3是本实用新型的又一种实施例的正负极片在宽度方向上的横截面图。
图中标号1为正极片的集流体即铝箔，标号2是负极片的集流体即铜箔。阴影部分为敷料，标号a为正极片厚度，标号b为负极片厚度，标号h1为正极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值，标号h2为负极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值。
【具体实施方式】
本实用新型的圆柱型锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液以及用钢或铝制成的电池外壳，正极片由铝箔两面敷料后制成，负极片由铜箔两面敷料后制成，其中的正极片、负极片和隔膜在电池进行组装时以卷绕的方式进行组装。
实施例一、如图1所示，正极片4厚度a的值为0.100-0.200mm，负极片5厚度b的值为0.100-0.200mm，正极片4在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递增，满足凹函数，即使正极片4的两面在宽度方向上从中间向两端呈内凹的弧面形，所述正极片4在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差h1的绝对值为正极片4厚度的1％-10％，即h1＝(1％-10％)*a。负极片5是均匀敷料(面密度均一)的极片，其在宽度方向上的敷料厚度均匀不变，所以正负极片的敷料厚度的比值在宽度方向上为变化值，其变化规律是在宽度方向上从中间向两端敷料厚度的比值逐渐增加。正负极片之间是隔膜3，图中阴影填充部分为极片敷料区，黑色填充部分是正极片集流体1和负极片集流体2。A1、B1、C1、D1围成的区域和A2、B2、C2、D2围成的区域为非敷料区，即内凹的部分，以集流体1为中轴对称。
在工艺上，在正负极片两侧的敷料量不变的情况下，随着在宽度方向上的正负极片的敷料厚度的变化，敷料面密度也会发生相应的变化。
应用本实施例作成电池进行实验：将正极活性物质LiCoO2，导电剂乙炔黑，黏结剂PVDF按重量比100∶4∶3在NMP(即N-甲基吡咯烷酮)中混合均匀。在厚度为18μm的铝箔上双面敷料，按图1所示的结构制成正极片4。在真空烤箱中烘烤干燥。烘烤干燥后将正极片4裁成宽57mm，长为650mm。厚度分别压成①：a＝130μm，h1＝1％a；②：a＝130μm，h1＝4％a；③：a＝130μm，h1＝7％a三种正极片。
将负极活性物质石墨，黏结剂PVDF按重量比100∶4在NMP中混合均匀。在厚度为12μm的铜箔上双面敷料，涂抹均匀，在真空烤箱中烘烤干燥。真空干燥后按图1所示的结构加压成厚度为b＝135μm的负极片5。将此负极片裁成宽57mm，长为690mm。
隔膜3采用25μm厚的PP/PE/PP材料，裁成59mm宽，长为1350mm。
取正极片①、负极片和隔膜用直径为3mm的卷针卷绕成电池极芯，并装入内径为17.6mm的18650型电池钢壳中做成电池①。
取正极片②、负极片和隔膜用直径为3.0mm的卷针卷绕成电池极芯，并装入内径为17.6mm的18650型电池钢壳中做成电池②。
同样方法，我们可以得到电池③。
将电池①、电池②、电池③、分别取5支电池作循环测试和过充性能测试，测试的方法是以1CmA的电流作连续的充放电测试，记录当电池的容量和过充情况，如表1。
表1
| 电池① | 电池② | 电池③ | |
| 初始平均容量 | 2250 | 2300 | 2280 |
| 500循环后平均容量剩余率 | 81％ | 84％ | 82％ |
| 过充情况 | 电池不爆炸、无起火、冒烟等现象 | 电池不爆炸、无起火冒烟等现象 | 电池不爆炸、无起火冒烟等现象 |
由表1可见，电池循环性能明显提高，并且电池②的性能最好，即h1＝4％a的情况最好。
本实施例中，根据模具的不同，正极片4在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐增加时还可以呈台阶状增加。
实施例二、如图2所示，正极片4厚度a的值为0.100-0.200mm，负极片5厚度b的值为0.100-0.200mm，负极片5在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递减，满足凸函数，即使负极片5的两面在宽度方向上从中间向两端呈外凸的弧面形，所述负极片5在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差h2的绝对值为负极片5厚度的1％-8％，即h2＝(1％-8％)*b。正极片4是均匀敷料(面密度均一)的极片，在宽度方向上敷料厚度均匀不变。所以正负极片的敷料厚度的比值在宽度方向上为变化值，其变化规律是在宽度方向上从中间向两端敷料厚度的比值逐渐增加。A3、B3、C3、D3围成的区域和A4、B4、C4、D4围成的区域即为外凸的部分，以集流体2为中轴对称。
应用本实施例作成电池进行实验：将正极活性物质LiCoO2，导电剂乙炔黑，黏结剂PVDF按重量比100∶4∶3在NMP中混合均匀。在厚度为18μm的铝箔上双面敷料，涂抹均匀，然后在真空烤箱中烘烤干燥。烘烤干燥后按图2所示将极片裁成宽57mm，长为650mm。厚度压成a＝130μm的正极片4。
将负极活性物质石墨，黏结剂PVDF按重量比100∶4在NMP中混合均匀。在厚度为12μm的铜箔上双面敷料，然后在真空烤箱中烘烤干燥。真空干燥后加压成厚度为b＝135μm的负极片，将此负极片裁成宽57mm，长为690mm，厚度分别压成①：b＝135μm，h2＝1％b；②：b＝135μm，h2＝4％b；③：b＝135μm，h2＝7％b三种负极片5。
隔膜3采用25μm厚的PP/PE/PP材料，裁成59mm宽，长为1350mm。
取正极片、负极片①和隔膜用直径为3mm的卷针卷绕成电池极芯，并装入内径为17.6mm的18650型电池钢壳中做成电池①。
取正极片、负极片②和隔膜用直径为3.0mm的卷针卷绕成电池极芯，并装入内径为17.6mm的18650型电池钢壳中做成电池②。
同样方法，我们可以得到电池③。
将电池①、电池②、电池③、分别取5支电池作容量测试和过充性能测试，测试的方法是以1CmA的电流作连续的充放电测试，记录当电池的容量和过充情况，如表2。
表2
| 电池① | 电池② | 电池③ | |
| 初始平均容量 | 2260 | 2290 | 2260 |
| 500循环后平均容量剩余率 | 82％ | 85％ | 82％ |
| 过充情况 | 电池不爆炸、无起火、冒烟等现象 | 电池不爆炸、无起火冒烟等现象 | 电池不爆炸、无起火冒烟等现象 |
由表2可见，电池循环性能也明显提高，并且电池②的性能最好，即h2＝4％b的情况最好。
本实施例中，根据模具的不同，负极片5在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐减小时还可以呈台阶状减小。
实施例三、如图3所示，正极片4厚度a的值为0.100-0.200mm，负极片5厚度b的值为0.100-0.200mm，正极片4在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递增，满足凹函数，正极片4的两面成内凹的弧面形，所述正极片4在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差h1的绝对值为正极片4厚度的1％-10％，即h1＝(1％-10％)*a。负极片5在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递减，满足凸函数，负极片5的两面成外凸的弧面形，所述负极片5在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差h2的绝对值为负极片5厚度的1％-8％，即h2＝(1％-8％)*b。所以正负极片的敷料厚度的比值在宽度方向上为变化值，其变化规律是在宽度方向上从中间向两端敷料厚度的比值逐渐增加。A1、B1、C1、D1围成的区域和A2、B2、C2、D2围成的区域为非敷料区，即内凹的部分，以集流体1为中轴对称。A3、B3、C3、D3围成的区域和A4、B4、C4、D4围成的区域即为外凸的部分，以集流体2为中轴对称。
应用本实施例作成电池进行实验：将正极活性物质LiCoO2，导电剂乙炔黑，黏结剂PVDF按重量比100∶4∶3在NMP中混合均匀。在厚度为18μm的铝箔上双面敷料，涂抹极片结构按图3所示进行，在真空烤箱中烘烤干燥，烘烤干燥后将极片裁成宽57mm，长为650mm，厚度分别压成①：a＝130μm，h1＝1％a；②：a＝130μm，h1＝4％a；③：a＝130μm，h1＝7％a三种正极片
将负极活性物质石墨，黏结剂PVDF按重量比100∶4在NMP中混合均匀。在厚度为12μm的铜箔上双面敷料，涂抹均匀，在真空烤箱中烘烤干燥。真空干燥后加压成厚度为b＝135μm的负极片。将此负极片裁成宽57mm，长为690mm。厚度分别压成I：b＝135μm，h2＝1％b；II：b＝135μm，h2＝4％b，；III：b＝135μm，h2＝7％b，三种负极片。
隔膜采用25μm厚的PP/PE/PP材料，裁成59mm宽，长为1350mm。
取正极片、负极片和隔膜用直径为3mm的卷针卷绕成电池极芯，并装入内径为17.6mm的18650型电池钢壳中做成电池。具体搭配如表3。
表3
| 正极片 | 负极片 | 电池编号 | 正极片 | 负极片 | 电池编号 | 正极片 | 负极片 | 电池编号 |
| ① | I | (1) | ② | I | (4) | ③ | I | (7) |
| ① | II | (2) | ② | II | (5) | ③ | II | (8) |
| ① | III | (3) | ② | III | (6) | ③ | III | (9) |
将电池(1)～(9)分别取5支电池作容量测试和过充性能测试，测试的方法是以1CmA的电流作连续的充放电测试，记录当电池的容量和过充情况，如表4。
表4
| 电池(1) | 电池(2) | 电池(3) | 电池(4) | 电池(5) | 电池(6) | 电池(7) | 电池(8) | 电池(9) | |
| 初始平均容量 | 2260 | 2210 | 2216 | 2234 | 2310 | 2290 | 2315 | 2250 | 2260 |
| 500循环后平均容量剩余率 | 82％ | 83.5％ | 80％ | 84％ | 82.5％ | 84％ | 81％ | 82％ | 82％ |
| 过充情况 | 电池不爆炸、无起火、冒烟等现象 | ||||||||
由表4可见，电池循环性能也明显提高，并且电池(4)和(6)的性能最好，即h1＝4％a，h2＝1％b或h2＝7％b的情况最好。
Claims (10)
1.一种锂离子二次电池，包括外壳、位于外壳内的绕卷的正极片、负极片、位于正极片和负极片中间的隔膜和电解液，其特征在于：在宽度方向上，所述正极片和负极片中至少一个的敷料厚度为变化值，且在宽度方向上正极片和负极片的敷料厚度的比值从中间向两端逐渐增加。
2.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述正极片在宽度方向上的敷料厚度相同，所述负极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐减小。
3.如权利要求2所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述负极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递减，满足凸函数，所述负极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为负极片厚度的1％-8％。
4.如权利要求2所述锂离子二次电池，其特征在于：所述负极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为负极片厚度的4％。
5.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述正极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐增加，所述负极片在宽度方向上的敷料厚度相同。
6.如权利要求5所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述正极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递增，满足凹函数，所述正极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为正极片厚度的1％-10％。
7.如权利要求6所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述正极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为正极片厚度的4％。
8.如权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述负极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐减小，所述正极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度逐渐增加。
9.如权利要求8所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述负极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递减，满足凸函数，所述负极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为负极片厚度的1％-8％；所述正极片在宽度方向上从中间向两端的敷料厚度平滑递增，满足凹函数，所述正极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为正极片厚度的1％-10％。
10.如权利要求9所述锂离子二次电池，其特征在于：所述负极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为负极片厚度的4％，所述正极片在宽度方向上中间位置和两端的敷料厚度之差的绝对值为正极片厚度的1％或7％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Expiration termination date: 20141215 Granted publication date: 20060215 |