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CN102664285A - 一种锂离子电池及其极片组合方法 - Google Patents

一种锂离子电池及其极片组合方法 Download PDF

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CN102664285A CN201210044038XA CN201210044038A CN102664285A CN 102664285 A CN102664285 A CN 102664285A CN 201210044038X A CN201210044038X A CN 201210044038XA CN 201210044038 A CN201210044038 A CN 201210044038A CN 102664285 A CN102664285 A CN 102664285A
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ion battery
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李�真
苏树发
李萍
史册
王彦平
何东铭
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Dongguan Amperex Technology Ltd
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Ningde Amperex Technology Ltd
Dongguan Amperex Technology Ltd
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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种锂离子电池，包括电芯、容纳所述电芯的包装袋，以及填充于所述电芯和包装袋内的电解液，所述电芯包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片的头部和负极片的头部互相垂直且互相重叠，所述正极片和负极片呈Z字型交叉折叠。相对于现有技术，本发明所包含的极片数量少，不会形成叠片结构的多电池并联结构，电池的安全性能可以得到保证；正极片和负极片以Z字形依次交叉折叠，极片的层与层之间具有类似于叠片结构的特点，每一层极片的受力相同，电池极片层间的内应力均匀分布，电池不会变形。此外，本发明还公开了一种上述锂离子电池的极片组合方法。

Description

一种锂离子电池及其极片组合方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种锂离子电池及其极片组合方法。
背景技术
锂离子电池一般包括电芯、容纳所述电芯的包装袋，以及填充于所述电芯和包装袋内的电解液。其中，电芯一般由正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜组成。目前，电芯的制备工艺一般包括两种，即叠片工艺和卷绕工艺。
其中，叠片工艺制作电芯是把一定尺寸的正极片和负极片依次交替叠加在一起，中间以隔膜间隔。由于每片正极片和负极片相互独立，所以每片正极片和负极片上都设置有极耳。这种方法制作的电池实质上是形成了多个小容量电池的并联结构，由于每片极片上都有极耳，电池具有良好的高倍率放电性能。但其缺点在于，如果电池内部某一点发生内短路，与其并联的其它多个小电池会同时将电能在该点释放，在短路点形成极大的短路电流，引起电池的热失控甚至燃烧，安全性能没有保障。
卷绕工艺制作电芯则是把正极片和负极片重叠后卷绕在一起，其安全性优于叠片工艺制备的电池。但其缺点是，卷绕结构内圈与外圈所受到的张力不同，所受张力的差别随卷绕圈数的增多而增大，处于内圈的极片常因内部应力无法释放而扭曲，从而导致电池极片层间的接触变差，导致电池在使用过程中变形失效。
当卷绕法制作的电池需要具有大倍率充放电性能时，极片上通常设置多个极耳，如公开号为CN1445879A的中国专利和公开号为CN2845189Y的中国专利中均提到通过增设正负极片上的极耳数量来提高锂离子电池的高倍率放电性能。但其缺点在于由于卷绕内圈与外圈的周长不同，要保证极耳在卷绕后对齐，极片上各极耳之间的间隔距离就必须互不相同，这需要精确的计算和精准的工序控制，任何极耳对位的误差都会随着卷绕的进行引起后续极耳对位误差的成倍扩大，设备要求极高，不利于大批量生产。
有鉴于此，确有必要提供一种锂离子电池及其极片组合方法，以保留叠片结构和卷绕结构各自优点，同时避免叠片结构和卷绕结构的缺点。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池，以保留叠片结构和卷绕结构各自优点，同时避免叠片结构和卷绕结构的缺点。
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种锂离子电池，包括电芯、容纳所述电芯的包装袋，以及填充于所述电芯和包装袋内的电解液，所述电芯包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片上焊接有正极极耳，所负极片上焊接有负极极耳，所述正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极膜片，所述负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极膜片，所述正极片的头部和负极片的头部互相垂直且互相重叠，所述正极片和负极片呈Z字型交叉折叠。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极膜片和负极膜片均为连续的涂层。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极膜片和负极膜片均为间隔的涂层。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极片的头部和负极片的头部分别设有一个极耳。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极片上设有若干个正极极耳，所述负极片上设有若干个负极极耳，组装成电芯后，所述正极极耳相互对齐，所述负极极耳相互对齐。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
第一，本发明锂离子电池所包含的极片数量少，不会形成叠片结构的多电池并联结构，电池的安全性能可以得到保证；
第二，本发明锂离子电池的电芯中，正极片和负极片以Z字形依次交叉折叠在一起，极片的层与层之间具有类似于叠片结构的特点，每一层极片的受力相同，电池极片层间的内应力均匀分布，电池不会变形；
第三，本发明锂离子电池的正极片和负极片可以根据需要分别设置一个或多个极耳。当设置多个极耳时，极耳之间的距离相同，极耳在极片往返重复折叠时分别对齐，便于工序控制，制备出的电池内阻较小，具有良好的高倍率放电性能。
本发明的另一个目的在于提供一种锂离子电池的极片组合方法，包括以下步骤：
第一步，将隔膜包覆于负极片上，使负极片的两面包覆有隔膜；
第二步，将正极片与包覆有隔膜的负极片垂直放置，使正极片的头部和负极片的头部互相重叠；
第三步，从极片头部重叠部分开始，依次往返折叠正极片和负极片，使正极片和负极片呈Z字形交叉折叠，组成电芯。
作为本发明锂离子电池的极片组合方法的一种改进，所述正极片的头部和负极片的头部分别设有一个极耳。
作为本发明锂离子电池的极片组合方法的一种改进，所述正极片上设有若干个正极极耳，所述负极片上设有若干个负极极耳，组装成电芯后，所述正极极耳相互对齐，所述负极极耳相互对齐。
作为本发明锂离子电池的极片组合方法的一种改进，所述正极极耳均匀分布在所述正极片上，所述负极极耳均匀分布在所述负极片上。
相对于现有技术，本发明锂离子电池的极片组合方法具有如下优点：
第一，本发明操作简单，与卷绕方式制作的电芯相比，本发明制作的电芯中正负极片的内应力均匀，电芯不易变形，能够更好的保证电池极片之间良好的界面接触；与叠片方式制作的电池相比，本发明制作的电池具有更好的安全性能。
第二，本发明可以在锂离子电池的正极片和负极片上根据需要分别设置一个或多个极耳。当设置多个极耳时，极耳之间的距离相同，极耳在极片往返重复折叠时分别对齐，便于工序控制，对设备要求不高，利于大批量生产。
附图说明
下面结合说明书附图和各个具体实施例，对本发明及其有益效果进行详细说明，其中：
图1为本发明实施例1的负极片结构示意图；
图2为本发明实施例1的正极片的结构示意图；
图3为本发明实施例1的正极片和负极片交叉折叠前的摆放位置关系图；
图4为本发明实施例1的电芯立体结构示意图；
图5为本发明实施例1的电芯的平面结构示意图；
图6为本发明实施例2的负极片的结构示意图；
图7为本发明实施例2的正极片的结构示意图；
图8为本发明实施例2的正极片和负极片交叉折叠前的摆放位置关系图；
图9为本发明实施例2的电芯立体结构示意图；
图10为本发明实施例2的电芯的平面结构示意图。
具体实施方式
本发明的第一种实施方式为单极耳的正极片和负极片。
本发明一种锂离子电池，包括电芯、容纳所述电芯的包装袋，以及填充于所述电芯和包装袋内的电解液，所述电芯包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片上焊接有正极极耳4，所负极片上焊接有负极极耳1，所述正极片包括正极集流体5和涂覆在所述正极集流体5上的正极膜片6，所述负极片包括负极集流体2和涂覆在所述负极集流体2上的负极膜片3，其特征在于：所述正极片的头部和负极片的头部互相垂直且互相重叠，所述正极片和负极片呈Z字型交叉折叠。
上述锂离子电池的极片组合方法具体描述如下：
第一，将隔膜包覆于负极片上，使负极片的两面都有隔膜包裹；负极片(见图1)包括设置在所述负极片头部的一个负极极耳1、负极集流体2和涂覆在负极集流体2上的负极膜片3；正极片(见图2)包括正极极耳4、正极集流体5和涂覆在正极集流体5上的正极膜片6，并且正极膜片6以设定的尺寸分段涂覆在正极集流体5上。
第二，将正极片的头部和负极片的头部重叠，极片之间呈90°垂直，正极极耳4和负极极耳1处于同一方向(见图3)。
第三，从极片头部重叠部分开始，依次翻折正极片和负极片，使正极片和负极片呈Z字型交叉折叠在一起，组装完成的电芯如图4和图5所示。
下面以具体的实施例来对本发明作进一步的描述：
实施例1
以656790型号(成品电池的厚度为6.5毫米，宽度为67毫米，长度为90毫米)的方形锂离子电池为例，电池设计容量为4Ah。采用石墨为负极活性材料，负极活性材料与导电剂、粘结剂和增稠剂按94∶2∶2∶2的质量比例制成负极浆料，涂覆于负极集流体2上，经冷压、分条、和在极片头部焊接负极极耳1等工序，制备成为负极片；采用LiCoO2作为正极活性材料，正极活性材料与导电剂、粘结剂按96∶2∶2的质量比例制成正极浆料，涂覆于正极集流体5上，经冷压、分条、焊接等工序，制备成为正极片，其中正极片的头部设置有一个正极极耳4；正负极之间的隔膜采用成分为聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)的聚合物薄膜；电解液采用体积百分比分别为20％、30％和50％的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)组成的溶剂体系，电解液中锂盐为1M/L的LiPF6。
采用本发明第一种实施方式的方法，将正极片和负极片呈90°垂直放置，极片头部重叠(见图3)，然后依次向重叠部分翻折正极片和负极片，使正负极片呈Z字型交叉折叠在一起，组成电芯(见图4和图5)。随后，将电芯封装入包装袋(包装袋具有尼龙-铝箔-聚丙烯三层结构)，经真空干燥，注液，成型，化成，排气，测试容量等工序后，生产出成品电池。
对比例1
以656790型号(成品电池的厚度为6.5毫米，宽度为67毫米，长度为90毫米)的方形锂离子二次电池为例，电池设计容量为4Ah。按与实施例1相同的方法制备正极片和负极片。对比例1使用的正极片和负极片与实施例1的极片不同之处仅是极片的尺寸和极耳的位置。然后，采用传统的卷绕方法进行卷绕。随后，将卷绕好的电芯封装入尼龙-铝箔-聚丙烯三层包装箔中，经与实施例1完全相同的工艺生产出成品电池。
为了表征电池的变形程度，将实施例1与对比例1的电池在常温下做500次充放电循环，同时测量电池在循环前的厚度，记为d1，并测量500次循环后电池的厚度，记为d2，然后计算电池在厚度方向的变形率η，电池在厚度方向的变形率η的计算方法如下：
η＝(d2-d1)/d1×100％
所得结果列于表1。
表1：实施例1和对比例1的电池在常温下进行500次循环后的厚度变形率
 组别   循环后的电池厚度增加值
 实施例1   3.2％
 对比例1   10.8％
从表1所示的结果可见，与相同型号卷绕结构的4Ah电池相比，本发明制备的电池的变形问题得到了显著改善。
本发明的第二种实施方式为具有多极耳的正极片和负极片。
在这种实施方式中，锂离子电池的极片组合方法可具体描述如下：
第一，将隔膜包覆于负极片上，使负极片的两面都有隔膜包裹；负极片(见图6)包括多个负极极耳1、负极集流体2和分段涂覆在负极集流体2上的负极膜片3；正极片(见图7)包括多个正极极耳4、正极集流体5和分段涂覆在正极集流体5上的正极膜片6，正极片上所有极耳之间的间隔距离相等，负极片上所有极耳之间的间隔距离相等。
第二，将正极片和负极片头部重叠，极片之间呈90°垂直，正极极耳4和负极极耳1处于同一方向(见图8)。
第三，从极片头部重叠部分开始，依次翻折正极片和负极片，使正负极片呈Z字型交叉折叠在一起，且在交叉折叠的过程中，将正极极耳4和负极极耳1分别对齐，组装完成的电芯如图9和图10所示。
下面以具体的实施例来对本发明作进一步的描述：
实施例2
以486789型号(成品电池的厚度为4.8毫米，宽度为67毫米，长度为89毫米)的方形锂离子电池为例，电池设计容量为3Ah。采用石墨为负极活性材料，负极活性材料与导电剂、粘结剂和增稠剂按94∶2∶2∶2的质量比例制成负极浆料，涂覆于负极集流体2上，经冷压、分条、焊接等工序，制备成为负极片，其中负极片包括四个均匀分布在负极片上的负极极耳1(见图6)；采用LiCoO2作为正极活性材料，正极活性材料与导电剂、粘结剂按96∶2∶2的质量比例制成正极浆料，涂覆于正极集流体5上，经冷压、分条、焊接等工序，制备成为正极片，正极片包括四个均匀分布在正极片上的正极极耳4(见图7)；正负极之间的隔膜采用成分为聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)的聚合物薄膜；电解液采用体积百分比分别为20％、30％和50％的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)组成的溶剂体系，电解液中锂盐为1M/L的LiPF6。
然后采用本发明第二种实施方式的方法，将正极片和负极片呈90°垂直放置，极片头部重叠(见图8)，然后依次向重叠部分翻折正极片和负极片，使正极片和负极片呈Z字型交叉折叠在一起，且在交叉折叠的过程中，将正极极耳4和负极极耳1分别对齐，组成电芯(见图9和图10)。随后，将电芯封装入尼龙-铝箔-聚丙烯三层包装箔中，经真空干燥，注液，成型，化成，排气，测试容量等工序后，生产出成品电池。
对比例2
以486789型号(成品电池的厚度为4.8毫米，宽度为67毫米，长度为89毫米)的方形锂离子电池为例，电池设计容量为3Ah。按与实施例2相同的方法制备正极片和负极片。对比例2使用叠片的方法制作电芯，其包含多个正极片和负极片，这些极片与实施例2的极片不同之处仅是极片的尺寸和极耳的位置。然后，采用传统的叠片方法将多个正负极片交替叠加在一起，组成电芯。随后，将叠片制备出的电芯封装入尼龙-铝箔-聚丙烯三层包装箔中，经与实施例2完全相同的工艺生产出成品电池。
对比例3
以486789型号(成品电池的厚度为4.8毫米，宽度为67毫米，长度为89毫米)的方形锂离子电池为例，电池设计容量为3Ah。按与实施例2相同的方法制备正极片和负极片，其中正极片上设置有四个正极极耳，负极片上设置有四个负极极耳。对比例3使用的正极片和负极片与实施例2的极片不同之处仅是极片的尺寸和极耳的位置。然后，采用传统的卷绕方法将正极片和负极片卷绕在一起，组成电芯。随后，将卷绕好的电芯封装入尼龙-铝箔-聚丙烯三层包装箔中，经与实施例2完全相同的工艺生产出成品电池。
对实施例2和对比例2和对比例3所得电池进行安全测试，所得结果示于表2。
表2：实施例2与对比例2、对比例3制备出的电池的安全测试结果
Figure BSA00000674668400091
由表2可知，由于对比例2中每片正极片和负极片对都形成一个小电池，其制备出的电池相当于多个小电池单元并联，当一个小电池单元发生内短路时，其它电池同时对其短路点放电，形成很大的短路电流，因此其安全性能较差。而实施例2制备的电池只有一条正极片和一条负极片，避免了上述缺点，因此电池的安全性能明显改善，与对比例3相同。
对实施例2和对比例2和对比例3所得电池进行极耳位置对齐偏差测试，所得结果示于表3。
表3：表实施例2与对比例2、对比例3制备出的电池的多个极耳的对齐偏差
  正极极耳对齐偏差   负极极耳对齐偏差
 实施例2   0.6mm   0.5mm
 对比例2   0.5mm   0.5mm
 对比例3   4.5mm   5.0mm
由表3可知，对比例3的多个极耳之间的对齐偏差较大，而实施例2的多个极耳之间的对齐偏差明显减小，和对比例2叠片方法中的多个极耳之间的对齐偏差值处于相同水平。
对实施例2和对比例2和对比例3所得电池进行高倍率放电性能测试，所得结果示于表4。
表4：实施例2与对比例2、对比例3制备出的电池的高倍率放电性能测试结果
  0.5C放电容量   1C放电容量   2C放电容量   4C放电容量
 实施例2   100.0％   98.3％   95.9％   90.0％
 对比例2   100.0％   98.5％   96.1％   90.5％
 对比例3   100.0％   98.1％   95.1％   88.5％
从表4可以看出，实施例2制备出的电池具有与对比例2和对比例3相当的高倍率放电性能。
综上所述，本发明的锂离子电池采用的电池极片组合方法能够在兼顾卷绕方法和叠片方法优点的同时，较好的避免卷绕方法和叠片方法制备锂离子电池的缺点。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种锂离子电池，包括电芯、容纳所述电芯的包装袋，以及填充于所述电芯和包装袋内的电解液，所述电芯包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片上焊接有正极极耳，所负极片上焊接有负极极耳，所述正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极膜片，所述负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极膜片，其特征在于：所述正极片的头部和负极片的头部互相垂直且互相重叠，所述正极片和负极片呈Z字型交叉折叠。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极膜片和负极膜片均为连续的涂层。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极膜片和负极膜片均为间隔的涂层。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极片的头部和负极片的头部分别设有一个极耳。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极片上设有若干个正极极耳，所述负极片上设有若干个负极极耳，组装成电芯后，所述正极极耳相互对齐，所述负极极耳相互对齐。
6.一种锂离子电池的极片组合方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将隔膜包覆于负极片上，使负极片的两面包覆有隔膜；
第二步，将正极片与包覆有隔膜的负极片垂直放置，使正极片的头部和负极片的头部互相重叠；
第三步，从极片头部重叠部分开始，依次往返折叠正极片和负极片，使正极片和负极片呈Z字形交叉折叠，组成电芯。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池的极片组合方法，其特征在于：所述正极片的头部和负极片的头部分别设有一个极耳。
8.根据权利要求6所述的锂离子电池的极片组合方法，其特征在于：所述正极片上设有若干个正极极耳，所述负极片上设有若干个负极极耳，组装成电芯后，所述正极极耳相互对齐，所述负极极耳相互对齐。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池的极片组合方法，其特征在于：所述正极极耳均匀分布在所述正极片上，所述负极极耳均匀分布在所述负极片上。
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