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CN107171028A - 一种卷绕式电芯及电池 - Google Patents

一种卷绕式电芯及电池 Download PDF

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CN107171028A CN201710552328.8A CN201710552328A CN107171028A CN 107171028 A CN107171028 A CN 107171028A CN 201710552328 A CN201710552328 A CN 201710552328A CN 107171028 A CN107171028 A CN 107171028A
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翟传鑫
徐子福
张明慧
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Ann Price (wuxi) Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种卷绕式电芯和含有此种结构的卷绕式电芯的锂离子二次电池。该电池与传统的卷绕式电池比较，具有体积小、重量轻、节省物料成本、能量密度高、比能量高等特点，适合作为消费类电子产品、储能系统、动力系统的电源，尤其适合飞行器、电动车辆等需要大电流高倍率充放电的用电设备。

Description

一种卷绕式电芯及电池
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池技术领域，具体涉及一种卷绕式电芯和含有此种结构卷
绕式电芯的锂离子二次电池。
背景技术
锂离子二次电池有高电压、高能量密度等优点，被广泛应用于消费类电子产品、储能系统、动力系统的电源，体积更小、重量更轻、容量更大，一直是锂离子二次电池的发展方向。近年来随着飞行器、电动车辆等需要大电流高倍率充放电的用电设备的需求，锂离子二次电池需要具备高的充放电倍率和低的电阻，也更需要在此基础上继续减小体积、减轻重量，增加容量。
为制备高倍率锂离子二次电池，一般现有以下技术方案：
第一种技术方案如专利文献CN104600250A和CN105161673A：在电极极片上焊接有多个极耳，并在焊接位置贴保护胶带。该种方法的缺点在于：焊接极耳并贴胶带占据了涂覆粉料位置，容量较小；焊接上的极耳及胶带会增加电池厚度，占用体积；需多次焊接，可靠性差。
第二种技术方案如专利文献CN204885269U和CN205543006U：在电极极片一侧或两侧留箔，并将留箔位置切割为合适形状并与外极耳焊接。该种技术方案在实际实施时和在专利文献的实施例中，一般将箔材两面粉料设计为相同长度(如图9图10所示)。在卷绕后，如图11所示，该种方式中第一电极的R14位置部分材料未与第二电极的材料相对应，无法发挥容量，并且白白占用电池厚度和电池重量，并且浪费物料成本。
第三种技术方案如专利文献CN204230364U，为第一种方案和第二种方案的某种结合。
本发明公开了一种卷绕式电芯和含有此种结构的卷绕式电芯的锂离子二次电池。该电池与传统的卷绕式电池比较，具有体积小、重量轻、节省物料成本、能量密度高、比能量高等特点，适合作为消费类电子产品、储能系统、动力系统的电源，尤其适合飞行器、电动车辆等需要大电流高倍率充放电的用电设备。
发明内容
本发明的目的在于：一种卷绕式电芯和含有此种结构的卷绕式电芯的锂离子二次电池。
本发明提供一种卷绕式电芯，其极片设计如图1图2所示，卷绕式电芯截面图如图3所示，卷绕式电芯正面图如图4所示，卷绕电芯的侧面视图如图5所示，包括：第一电极片：由第一集流体、涂覆在第一集流体一面的活性物质层A、涂覆在第一集流体另一面的活性物质层B组成；
第二电极片：由第二集流体、涂覆在第二集流体一面的活性物质层C、涂覆在第二集流体另一面的活性物质层D组成；
隔离膜：位于第一电极片和第二电极片之间，将它们隔离开；
第一极耳：通过第一极耳引出端与第一集流体连接；
第二极耳：通过第二极耳引出端与第二集流体连接；
第一集流体的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第一极耳引出端；
第二集流体的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第二极耳引出端；
涂覆在第一集流体两面的活性物质层A和活性物质层B的涂覆长度不同，存在一个位置只有单面涂覆活性物质层而背面无涂覆，为第一单面空箔；
涂覆在第二集流体两面的活性物质层C和活性物质层D的涂覆长度不同，存在一个位置只有单面涂覆活性物质层而背面无涂覆，为第二单面空箔。
一般而言，所述的第一电极片为负极片，所述的第二电极片为正极片。
通过设计多个第一极耳引出端和多个第二极耳引出端的间距，可以在卷绕后使得具有多个第一极耳引出端并在卷绕后重叠于同一位置；具有多个第二极耳引出端并在卷绕后重叠于同一位置，如图4所示。
第一单面空箔的位置位于第一电极片卷绕开始的端部(S1)，即卷绕后位于卷芯内部。第二单面空箔的位置位于第二电极片卷绕结束的尾部(E2)，即卷绕后位于卷芯外部。出于安全考虑，防止充电析锂，活性物质层A和活性物质层B的需完全覆盖活性物质层C和活性物质层D。因此，极片设计和涂覆时：活性物质层A的涂覆长度大于等于活性物质层C的涂覆长度；活性物质层B的涂覆长度大于等于活性物质层D的涂覆长度。活性物质层A和活性物质层B的涂覆宽度分别大于活性物质层C和活性物质层D的涂覆宽度；卷绕对齐时：第一集流体和第一单面空箔直接对应的第二极片的位置上未涂覆活性材料层C或活性物质层D。
除了在厚度方向更薄以外，在电芯的长度方向，我们优选通过折叠极耳焊接位置的方法节省长度方向的空间，从而电池可以做得更小，如图4图5所示：将第一极耳引出端与第一极耳连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向；第二极耳引出端与第二极耳连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向。
另外，在电芯需求特别厚的情况下，一个卷芯可能难以达到那么厚，如图5所示，可以将多个卷芯连接在同一个极耳上成为一个电芯。
本发明中所述活性物质为常规的电池中所用的活性物质层，没有特定的配方或者成分要求，可使用已知的电池中使用的活性物质层。本专利的改进点主要是对电池内部的新结构。
本发明还提供一种锂离子电池，其特征是包含外包装以及一个或多个如1～9所述的电芯。
与现有技术相比，本发明的优点在于：厚度薄、长度小、重量轻、节省物料成本、能量密度高、比能量高，应用于无人机等飞行器、电动汽车等设备，可显著减轻重量、提升容量、提高续航时间和续航里程。
附图说明：
图1第一电极片(1)的俯视图和截面图。
图2第二电极片(2)的俯视图和截面图。
图3卷绕式电芯截面图。
图4卷绕式电芯后正面图。
图5卷绕式电芯折叠极耳引出端正面图。
图6卷绕式电芯侧面图(对应图4)。
图7卷绕式电芯折叠极耳引出端侧面图(对应图5)。
图8多个卷绕式电芯(第一卷芯与第二卷芯)连接后，折叠极耳引出端，侧面图。
图9对比例第一电极片(R1)的俯视图和截面图。
图10对比例第二电极片(R2)的俯视图和截面图。
图11对比例卷绕式电芯截面图。
标记说明：
1 第一电极片；
11 第一集流体；
12 第一活性物质层(短)；
13 第一活性物质层(长)；
14 第一单面空箔；
111 第一极耳引出端；
S1 第一电极片卷绕起始端；
E1 第一电极片卷绕结束端；
2 第二电极片；
21 第二集流体；
22 第二活性物质层(短)；
23 第二活性物质层(长)；
24 第二单面空箔；
211 第二极耳引出端；
S2 第二电极片卷绕起始端；
E2 第二电极片卷绕结束端；
3 隔膜；
4 第一极耳；
5 第二极耳；
R1 对比例第一电极片；
R11 对比例第一集流体；
R12 对比例第一活性物质层(正面)；
R13 对比例第一活性物质层(反面)；
R14 对比例第一活性物质层(正面对容量无贡献部分)；
R111 对比例第一极耳引出端；
RS1 对比例第一电极片卷绕起始端；
RE1 对比例第一电极片卷绕结束端；
R2 对比例第二电极片；
R21 对比例第二集流体；
R22 对比例第二活性物质层(正面)；
R23 对比例第二活性物质层(反面)；
R211 对比例第二极耳引出端；
RS2 对比例第二电极片卷绕起始端；
RE2 对比例第二电极片卷绕结束端。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
电池制造说明：
正极极片的制备：正极活性材料钴酸锂、粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)导电剂Super-P按照96:2:2的重量比加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌匀浆制成正极浆料；将正极浆料双面涂布在正极集流体上，经过烘干、压实、分切、裁片、焊接极耳后得到正极极片。
负极极片的制备：负极活性材料人造石墨、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)，按照95:2.5:2.5的比例加入去离子水中搅拌匀浆制成负极浆料；将负极浆料双面涂布在负极集流体上，经过烘干、压实、分切、裁片、焊接极耳后得到负极极片。
需要说明的是：以下比较例和实施例中，集流体箔材相同，正负极极片的单位面积的涂覆量相同，正负极极片的涂覆宽度相同，第一极耳引出端111和第二极耳引出端211数量相同，涂覆长度根据电池尺寸和不同卷绕结构设计有所不同。
电解液的制备：选用浓度为1M的六氟磷酸锂作为锂盐，以碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二乙酯(DEC)：碳酸甲乙酯(EMC)按照30:30:40的重量比作为溶剂，此外还含有其它确保性能的添加剂。
锂离子电池的制备：将根据前述工艺制备得到的负极极片和正极极片与隔膜进行组装，制得电池电芯，将电池电芯装入铝塑膜软包装中，向其内部注入电解液后封口，进行预充，并化成制得锂离子二次电池。
卷绕式电芯具有：第一电极片1：由第一集流体11、涂覆在第一集流体一面的活性物质层A12、涂覆在第一集流体另一面的活性物质层B13组成；
第二电极片2：由第二集流体21、涂覆在第二集流体一面的活性物质层C22、涂覆在第二集流体另一面的活性物质层D23组成；
隔离膜3：位于第一电极片1和第二电极片2之间，将它们隔离开；
第一极耳4：通过第一极耳引出端111与第一集流体11连接；
第二极耳5：通过第二极耳引出端211与第二集流体21连接；
第一集流体11的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第一极耳引出端111；
第二集流体21的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第二极耳引出端211；
涂覆在第一集流体11两面的活性物质层A12和活性物质层B13的涂覆长度不同；在第一集流体11上存在一个部位只有单面涂覆活性物质层，为第一单面空箔14；
涂覆在第二集流体21两面的活性物质层C22和活性物质层D23的涂覆长度不同；在第二集流体21上存在一个部位只有单面涂覆活性物质层，为第二单面空箔24。
第一单面空箔14的位置位于第一电极片1卷绕开始的端部S1，即卷绕后位于卷芯内部。第二单面空箔24的位置位于第二电极片2卷绕结束的尾部E2，即卷绕后位于卷芯外部。
活性物质层A12的涂覆长度大于等于活性物质层C22的涂覆长度；活性物质层B13的涂覆长度大于等于活性物质层D23的涂覆长度。活性物质层A12和活性物质层B13的涂覆宽度分别大于活性物质层C22和活性物质层D23的涂覆宽度。第一集流体11和第一单面空箔14直接对应的第二极片2的位置上未涂覆活性材料层C22或活性物质层D23。
第一极耳引出端111与第一极耳4连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向；第二极耳引出端211与第二极耳5连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向。具有多个第一极耳引出端111并在卷绕后重叠于同一位置；具有多个第二极耳引出端211并在卷绕后重叠于同一位置。
测试方法说明：
容量测试：在25℃下，以800mA的电流恒流充电至4.35V，再在4.35V恒压充电至电流小于80mA，搁置5分钟，以800mA电流恒流放电至3.0V，以此放电容量为容量。
厚度、长度、重量等参数按照公知的方法测试。长度的测定部位表示如图4、5、6、7所示(非图片中尺寸)，为电芯底部到极耳胶顶端长度。
比较例1
参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图9，正极片设计如图10，卷绕结构如图11，极耳焊接装配如图4、图6。
实施例1
参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图1，正极片设计如图2，卷绕结构如图3，极耳焊接装配如图4、图6。
实施例2
参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图1，正极片设计如图2，卷绕结构如图3，极耳焊接装配如图5、图7。
实施例3
参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图1，正极片设计如图2，卷绕结构如图3，卷两个卷芯，并联装配，极耳焊接装配如图5、图8。
比较例和每个实施例各制作100只电池，其容量、厚度、长度、重量的平均值如下表所示。
从实验结果可以看到，容量高、厚度薄、重量轻，在更优化的选用折叠极耳引出端的方案时(实施例2和3)，电池长度更短，在体积、重量和容量上均有优势。
根据上述原理，本发明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解释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 (10)

1.一种卷绕式电芯，包括：
第一电极片(1)：由第一集流体(11)、涂覆在第一集流体一面的活性物质层A(12)、涂覆在第一集流体另一面的活性物质层B(13)组成；
第二电极片(2)：由第二集流体(21)、涂覆在第二集流体一面的活性物质层C(22)、涂覆在第二集流体另一面的活性物质层D(23)组成；
隔离膜(3)：位于第一电极片(1)和第二电极片(2)之间，将它们隔离开；
第一极耳(4)：通过第一极耳引出端(111)与第一集流体(11)连接；
第二极耳(5)：通过第二极耳引出端(211)与第二集流体(21)连接；
其特征为：
第一集流体(11)的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第一极耳引出端(111)；
第二集流体(21)的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第二极耳引出端(211)；
涂覆在第一集流体(11)两面的活性物质层A(12)和活性物质层B(13)的涂覆长度不同；在第一集流体(11)上存在一个部位只有单面涂覆活性物质层，为第一单面空箔(14)；
涂覆在第二集流体(21)两面的活性物质层C(22)和活性物质层D(23)的涂覆长度不同；在第二集流体(21)上存在一个部位只有单面涂覆活性物质层，为第二单面空箔(24)。
2.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于：所述的第一电极片(1)为负极片，所述的第二电极片(2)为正极片。
3.根据权利要求1所述的卷绕式电芯()，其特征在于：第一单面空箔(14)的位置位于第一电极片(1)卷绕开始的端部(S1)，即卷绕后位于卷芯内部。
4.根据权利要求1所述的卷绕式电芯()，其特征在于：第二单面空箔(24)的位置位于第二电极片(2)卷绕结束的尾部(E2)，即卷绕后位于卷芯外部。
5.根据权利要求2所述的卷绕式电芯()()，其特征在于：活性物质层A(12)的涂覆长度大于等于活性物质层C(22)的涂覆长度；活性物质层B(13)的涂覆长度大于等于活性物质层D(23)的涂覆长度。
6.根据权利要求2所述的卷绕式电芯()()，其特征在于：活性物质层A(12)和活性物质层B(13)的涂覆宽度分别大于活性物质层C(22)和活性物质层D(23)的涂覆宽度。
7.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于：第一集流体(11)和第一单面空箔(14)直接对应的第二极片(2)的位置上未涂覆活性材料层C(22)或活性物质层D(23)。
8.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于：第一极耳引出端(111)与第一极耳(4)连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向；第二极耳引出端(211)与第二极耳(5)连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向。
9.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于：具有多个第一极耳引出端(111)并在卷绕后重叠于同一位置；具有多个第二极耳引出端(211)并在卷绕后重叠于同一位置。
10.一种锂离子电池，其特征是包含外包装以及一个或多个如1～9所述的电芯。
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