CN215008337U

CN215008337U - 一种二次电池

Info

Publication number: CN215008337U
Application number: CN202120654572.7U
Authority: CN
Inventors: 易欣; 曾涛; 涂健; 周丰平; 徐雄文; 王志斌; 胡海波
Original assignee: Hunan Lifang New Energy Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Lifang New Energy Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2031-03-31

Abstract

本实用新型提供了一种二次电池，包括电芯、补锂源和电池壳体；其中，补锂源设置在电芯的至少一端；电池壳体用于容纳电芯和补锂源。相比于现有技术，本实用新型提供的二次电池，将补锂源设置在电芯的端面，避免了在电芯厚度方向上额外增加补锂源的厚度，避免了补锂源补锂前后其厚度变化对电池性能带来的影响，同时不阻碍原本电芯充放电过程中锂离子的传输通道；实验验证，本补锂源的设置结构不仅补锂效果好，且安全性能好，有效改善了电池的首次库伦效率。

Description

一种二次电池

技术领域

本实用新型涉及锂电池领域，具体涉及一种二次电池。

背景技术

锂离子电池因其自身放电平台电压高，自放电小，能量密度高，无记忆效应，绿色环保等特性，成为当今重要的供电装置，广泛应用于各类电子设备和交通工具当中。目前各种电子产品对于续航时间的要求越来越高，因此市场对于高能量密度的锂离子电池的需求也越来越迫切。传统锂离子电池使用的都是石墨作为负极，理论克容量为372mAh/g，目前可量产的石墨负极已经可以做到360mAh/g以上，非常接近于理论极限，因此开发新的负极材料对于提升锂离子电池能量密度有重要意义。

硅负极理论克容量3580mAh/g以上，是一种非常理想的新型负极材料，但目前硅负极存在首次库仑效率较低的问题。一般采用通过向锂离子电池中添加额外的锂源这种方式能有效改善此问题。目前有效的补锂方式包括金属锂补锂、富锂正极补锂和负极预锂化补锂等方式。

中国专利申请(CN107845829A)公开了一种双层复合隔膜电池及其补锂方法，将正极、双层复合隔膜、负极依次层叠设置组装成干电芯，将正极极耳、负极极耳和补锂极耳的一端分别与所述正极、负极和所述双层复合隔膜中的活性锂层导电连接，所述正极极耳、负极极耳和补锂极耳的另一端均伸出所述壳体外或者只将所述正极极耳和负极极耳的另一端伸出所述壳体外，将所述补锂极耳的另一端与所述正极极耳或负极极耳在所述壳体内部连接，其中在每个双层复合隔膜中均放置与活性锂层连接的补锂极耳或者只在干电芯中最外侧的双层复合隔膜中放置补锂极耳；将电解液注入干电芯内部，连通正极、负极和活性锂层，通过补锂极耳与负极极耳或者正极极耳的连接；将活性锂层中的锂嵌入到正极或负极中，完成补锂。该方法是将锂源做成极片状，卷绕进卷芯中，但此种补锂方式仍存在以下几个问题：

1)需要在厚度方向上额外增加隔膜厚度和锂源厚度；

2)锂源极片补锂前后厚度会有较大的变化，导致正负极片间存在较大空隙，容易在后续充放电过程中因正负极极片接触不紧密造成黑斑，析锂等现象；

3)锂片介于正负极片之间，阻碍充放电过程中锂离子传输通道，影响电池充放电，特别是大电流充放电会受到较大影响。

有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：通过提供一种二次电池，以解决目前补锂效果差，容易形成安全隐患的问题；本实用新型提供的二次电池补锂效果好，有效改善了电池的首次库伦效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种二次电池，包括：

电芯；

补锂源，设置在所述电芯的至少一端；

电池壳体，用于容纳所述电芯和所述补锂源。

优选的，所述补锂源为金属锂片、含金属锂镀层的金属片、含金属锂镀层的绝缘片中的任意一种。

优选的，该二次电池还包括电子绝缘体和外联导体；所述电子绝缘体设置在所述电芯与所述补锂源之间；所述外联导体的一端与所述补锂源电连接，另一端与所述电芯的负极端连接。其中，该电子绝缘体可以是以独立的片状形态设置在所述电芯与所述补锂源之间；也可以是涂覆在所述补锂源的表面，与补锂源一体成型。

优选的，所述外联导体的另一端延伸出所述电池壳体外与所述电芯的负极端连接，或在所述电池壳体内与所述电芯的负极端连接。

优选的，所述电子绝缘体覆盖所述电芯端面的面积大于或等于所述补锂源覆盖所述电芯端面的面积。将该电子绝缘体覆盖电芯端面的面积设置大于补锂源时，可以防止补锂源直接与电芯端接触而进行直接补锂，使得补锂过程可控。

优选的，所述补锂源设置在所述电芯的两端；所述电子绝缘体至少设置在所述电芯与一所述补锂源之间。至少保障电子绝缘体设置在电芯与一补锂源之间，可以至少保障一边的补锂是可控，通过该边的补锂调控电池整体的补锂，而没有设置电子绝缘体的一边则采用不可控的补锂方式，补锂源从电解液注入电芯后即开始补锂，直至锂源消耗完成。当然，也可在电芯的两端均设置电子绝缘体，即是电子绝缘体跟随补锂源的设置，补锂源与电芯的直接接触之间均存在电子绝缘体将两者间隔开。

优选的，所述电子绝缘体采用聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚酰胺、聚酯和天然纤维中的任意一种材料制成；或所述电子绝缘体为固态电解质，所述固态电解质包含但不限于聚合物固态电解质，氧化物固态电解质，氧化物晶态固态电解质，锂磷氧氮固态电解质，硫化物晶态固态电解质中的任意一种。其中，当电子绝缘体以独立的片状形态设置在所述电芯与所述补锂源之间时，其可以由聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚酰胺、聚酯和天然纤维中的任意一种材料制成；而当电子绝缘体涂覆于补锂源上时，其可以是固态电解质。

优选的，所述外联导体为带状或线状的导电体。具体的可以是与电池极耳相同的材质，还可以是金属带、导线等等，此外，当外联导体上有一端是裸露在电池壳体外时，为更好的密封及绝缘，则应在外联导体上设置极耳胶，极耳胶的设置可与正负极耳的极耳胶设置相同，这里不再过多赘述。

优选的，所述电芯包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片之间的隔膜；其中，所述负极片采用的材料为石墨、纳米硅球、纳米硅线、碳化硅、氧化硅、氧化亚硅中的任意一种。

优选的，所述二次电池为软包锂电池、钢壳锂电池或铝壳锂电池中的任意一种。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型提供的二次电池，将补锂源设置在电芯的端面，避免了在电芯厚度方向上额外增加补锂源的厚度，避免了补锂源补锂前后其厚度变化对电池性能带来的影响，同时不阻碍原本电芯充放电过程中锂离子的传输通道；实验证明，本补锂源的设置结构不仅补锂效果好，且安全性能好，有效改善了电池的首次库伦效率。此外，经本发明人多次试验验证，对比文件(CN107845829A)补锂源的位置设置不仅无法起到有效的补锂效果，且因其阻断了原本锂离子的传输通道，极大的影响了电池的各项性能。

2)另外，本实用新型提供的二次电池，当将补锂源与电芯共同封装时，又采用电子绝缘体将补锂源与电芯断开避免两者直接进行电连接，然后利用外联导体将补锂源导出，补锂源通过外联导体再与电芯的负极端连接，如此当外源导通后，补锂源失去电子，电子经由外联导体转移至负极端，而补锂源中的锂则因失去电子变成锂离子，通过电子绝缘体进行电芯中，达到补锂的效果。当为可控补锂时，如无需再进行补锂，则断开外源导通即可实现电子绝缘，使得本二次电池的补锂过程随时可控，且能达到精准调控的目的，在电池循环过程中可以不断补充消耗掉的锂离子，达到延长锂电池循环寿命的目的。

3)本实用新型的二次电池，不仅适用于钢壳电池，同样适用于软包电池，且不用过多调整现有的电池制备工艺，补锂方式简单易操作，更加适用于目前工业上的大批量生产应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例1二次电池的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的补锂原理示意图。

图3为本实用新型实施例2二次电池的结构示意图。

图4为本实用新型实施例3二次电池的结构示意图之一。

图5为本实用新型实施例3二次电池的结构示意图之二。

图6为本实用新型实施例3的补锂原理示意图。

图中：1-电芯；11-正极片；12-负极片；13-隔膜；2-补锂源；3-电子绝缘体；4-外联导体。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本实用新型及其有益效果作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1～2所示，一种二次电池，包括电芯1、补锂源2和电池壳体；其中，补锂源2设置在所述电芯1的一端；电池壳体用于容纳所述电芯1和所述补锂源2。

进一步地，补锂源2为金属锂片、含金属锂镀层的金属片、含金属锂镀层的绝缘片中的任意一种。具体的，该补锂源2的形状可为圆形、椭圆形、方形、多边形等，也可根据电芯1的卷绕形状进行具体设置，使得补锂过程更加均匀，补锂效果更加。如纽扣电池，可随电芯1的形状设置为圆形，覆盖在电芯1的至少一端，当补锂时，补锂源2所在的位置均有锂离子进行电芯1中，电芯1中的各个位置均可以有效补锂。

进一步地，电芯1包括正极片11、负极片12和间隔于正极片11和负极片12之间的隔膜13，由正极片11、隔膜13和负极片12卷绕或叠片而成；其中，正极片11完成被隔膜13包裹，设置内层，而负极片12的一端或两端均未被隔膜13包裹，设置于外层，防止电芯1内部短路。

其中，负极片12采用的材料为石墨、纳米硅球、纳米硅线、碳化硅、氧化硅、氧化亚硅中的至少一种。优选的，负极片12采用的材料为掺硅负极材料，掺硅的含量可为2～3％、3～4％、4～5％、5～6％、6～7％、或7～8％，石墨的含量则为92～93％、93～94％、94～95％、95～96％、96～97％、或97～98％。更优选的，负极片12掺硅的含量为5％，石墨的含量为95％。而该石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或几种。掺硅后的石墨负极相比于常规的石墨负极，其能量密度大大提升，再与本二次电池结合，可控的补锂又大大提升了电池的首次库伦效率。

而正极片11包括正极活性物质层和正极集流体，正极片11上涂覆的正极活性物质层，可以是包括但不限于化学式如Li_aNi_xCo_yM_zO_2-bN_b(其中0.95≤a≤1.2，x>0，y≥0，z≥0，且x+y+z＝1,0≤b≤1，M选自Mn，Al中的一种或多种的组合，N选自F,P,S中的一种或多种的组合)所示的化合物中的一种或多种的组合，所述正极活性物质还可以是包括但不限于LiCoO₂、LiNiO₂、LiVO₂、LiCrO₂、LiMn₂O₄、LiCoMnO₄、Li₂NiMn₃O₈、LiNi_0.5Mn_1.5O₄、LiCoPO₄、LiMnPO₄、LiFePO₄、LiNiPO₄、LiCoFSO₄、CuS₂、FeS₂、MoS₂、NiS、TiS₂等中的一种或多种的组合。所述正极活性物质还可以经过改性处理，对正极活性物质进行改性处理的方法对于本领域技术人员来说应该是己知的，例如，可以采用包覆、掺杂等方法对正极活性物质进行改性，改性处理所使用的材料可以是包括但不限于Al，B，P、Zr、Si、Ti、Ge、Sn、Mg、Ce、W等中的一种或多种的组合。所述正极集流体通常是汇集电流的结构或零件，所述正极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子二次电池正极集流体的材料，例如，所述正极集流体可以是包括但不限于金属箔等，更具体可以是包括但不限于铝箔等。

而所述隔膜13可以是本领域各种适用于锂离子二次电池隔膜13的材料，例如，可以是包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚酰胺、聚酯和天然纤维等中的一种或多种的组合。

该二次电池还包括电解液，电解液包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂。其中，电解质锂盐可以是高温性电解液中采用的LiPF₆和/或LiBOB；也可以是低温型电解液中采用的LiBF₄、LiBOB、LiPF₆中的至少一种；还可以是防过充型电解液中采用的LiBF₄、LiBOB、LiPF₆、LiTFSI中的至少一种；亦可以是LiClO₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃、LiN(CF₃SO₂)₂中的至少一种。而有机溶剂可以是环状碳酸酯，包括PC、EC；也可以是链状碳酸酯，包括DFC、DMC、或EMC；还可以是羧酸酯类，包括MF、MA、EA、MP等。而添加剂包括但不限于成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、防过充添加剂、控制电解液中H₂O和HF含量的添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂中的至少一种。

进一步地，二次电池为软包锂电池、钢壳锂电池或铝壳锂电池中的任意一种。本实用新型的二次电池适用于多种类型的电池，且不用过多调整现有的电池制备工艺，补锂方式简单易操作，更加适用于目前工业上的大批量生产应用。

具体的，本实施例二次电池的设置为：使用钴酸锂C22作为正极，掺硅5％，石墨含量95％的掺硅负极A16作为负极，E16电解液，一面含金属锂镀层的PET贴片作为补锂源2，盖在卷芯的至少一端，封装后制作纽扣电池1254。

该二次电池的补锂方法，包括：

将补锂源2设置在电芯1的至少一端，与电芯中的负极端形成原电池，电解液浸润后，所述补锂源2失去电子变成锂离子进入所述电芯1中，完成二次电池的补锂。

补锂原理为：在电解液浸润后，补锂源2逐步变成锂离子进行电芯1中，从而达到补锂的效果。该补锂过程不可控，补锂至锂源消耗完成，但该补锂源2的因设置在电芯1的端面，不额外增加电芯1的厚度，补锂效果好，不存在安全隐患。

实施例2

与实施例1不同的是，如图3所示，一种二次电池，包括电芯1、补锂源2和电池壳体；其中，补锂源2设置在所述电芯1的两端；电池壳体用于容纳所述电芯1和所述补锂源2。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例3

与实施例1不同的是，如图4～6所示，一种二次电池，包括电芯1、补锂源2、电子绝缘体3、电池壳体和外联导体4；其中，补锂源2设置在所述电芯1的至少一端；电子绝缘体3设置在所述电芯1与所述补锂源2之间；电池壳体用于容纳所述电芯1、所述补锂源2和所述电子绝缘体3；外联导体4的一端与所述补锂源2电连接，与电芯1的负极端连接。其中，该电子绝缘体3可以是以独立的片状形态设置在所述电芯1与所述补锂源2之间；也可以是涂覆在所述补锂源2的表面，与补锂源2一体成型。

进一步地，外联导体的另一端延伸出电池壳体外与电芯1的负极端连接，或在电池壳体内与电芯1的负极端连接。其中，图4为外联导体4在电池壳体内与电芯1的负极端连接的示意图；图5为外联导体4另一端延伸出电池壳体外与电芯1的负极端连接的示意图。

进一步地，电子绝缘体3覆盖电芯1端面的面积大于或等于补锂源2覆盖电芯1端面的面积。将该电子绝缘体3覆盖电芯1端面的面积设置大于补锂源2时，可以防止补锂源2直接与电芯1端接触而进行直接补锂，使得补锂过程更加可控。此外，电子绝缘体3的设置形状可以根据补锂源2的形状进行设置，可以是与其相同，也可以不同，但应保障补锂源2与电芯1的接触之间是设置有电子绝缘体3的。

进一步地，补锂源2设置在电芯1的两端；电子绝缘体3至少设置在电芯1与一补锂源2之间。至少保障电子绝缘体3设置在电芯1与一补锂源2之间，可以至少保障一边的补锂是可控，通过该边的补锂调控电池整体的补锂，而没有设置电子绝缘体3的一边则采用不可控的补锂方式，补锂源2从电解液注入电芯1后即开始补锂，直至锂源消耗完成。当然，也可在电芯1的两端均设置电子绝缘体3，即是电子绝缘体3跟随补锂源2的设置，补锂源2与电芯1的直接接触之间均存在电子绝缘体3将两者间隔开。

进一步地，当电子绝缘体3以独立的片状形态设置在所述电芯1与所述补锂源2之间时，电子绝缘体3采用聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚酰胺、聚酯和天然纤维中的任意一种材料制成，当然也可以是其中几种材料复合而成。而当电子绝缘体3涂覆于补锂源2上时，电子绝缘体3为固态电解质，所述固态电解质包含但不限于聚合物固态电解质，氧化物固态电解质，氧化物晶态固态电解质，锂磷氧氮固态电解质，硫化物晶态固态电解质中的任意一种，当然也可以是其中几种材料复合而成。电子绝缘体3采用的材质可与隔膜13的相同的，该材质满足电子绝缘离子可导即可，这里不再做过多限制。

进一步地，外联导体4为带状或线状的导电体。具体的可以是与电池极耳相同的材质，还可以是金属带、导线等等，此外，因外联导体4上有一端是裸露在电池壳体外，为更好的密封及绝缘，则应在外联导体4上设置极耳胶，极耳胶的设置可与正负极耳的极耳胶设置相同，这里不再过多赘述。

具体的，本实施例二次电池的设置为：使用钴酸锂C22作为正极，掺硅5％，石墨含量95％的掺硅负极A16作为负极，E16电解液，一面含金属锂镀层的PET贴片作为补锂源2，盖在卷芯的至少一端，且补锂源2与卷芯之间设置有电子绝缘体3，而补锂源2上则电连接有外联导体4，封装后制作纽扣电池1254。

该二次电池的补锂方法，包括：

将补锂源2设置在电芯1的至少一端，补锂源2上还电连接有外联导体4，将外联导体4与电芯1的负极端电连接，电解液浸润后，补锂源2失去电子变成锂离子进入电芯1中，完成二次电池的补锂。与电芯1中的负极端电连接可以是与负极耳连接，也可以是与负极片12连接，但因负极片12设置在电池壳体内部，如外联导体4在电池壳体外与负极耳电连接则可以更好的在外围控制补锂进程。

进一步地，当无需补锂时，断开外联导体4与电芯1的负极端的电连接，即可断开补锂。

补锂原理为：当补锂源2与负极连接时，在电解液浸润后，因锂源与石墨的标准电极电势不同，补锂源2与电池负极之间存在电势差，在两者达到电势平衡过程中，补锂源2失去电子，电子经由外联导体4转移至负极端，而补锂源2中的锂则因失去电子变成锂离子进行电芯1中，从而达到补锂的效果。可如图5所示。

其余同实施例1的设置，这里不再赘述。

对比例1

一种二次电池，包括电芯和容纳所述电芯的电池壳体。其中，该电芯包括正极片、负极片、间隔于正极片和负极片之间的隔膜和电解液，由正极片、隔膜和负极片卷绕或叠片而成；具体的，使用钴酸锂C22作为正极，石墨A8做为负极，E16电解液制作纽扣电池1254。

对比例2

一种二次电池，包括电芯和容纳所述电芯的电池壳体。其中，该电芯包括正极片、负极片、间隔于正极片和负极片之间的隔膜和电解液，由正极片、隔膜和负极片卷绕或叠片而成；具体的，使用钴酸锂C22作为正极，掺硅5％、石墨含量95％的掺硅负极A16作为负极，E16电解液制作纽扣电池1254。

将对上述实施例1～3和对比例1～2进行电池性能测试，测试结果见表1。

表1

由上述的测试结果可知，本实用新型提供的二次电池，有效改善了掺硅石墨负极的首次库伦效率，补锂效果好，还有效提高电池的体积能量密度和放电容量。此外，如采用实施例3中的结构设置，还具有补锂过程可控的优点，因能达到精准调控的目的，在电池循环过程中可以不断补充消耗掉的锂离子，达到延长锂电池循环寿命的目的，电池的各项性能更加优异。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。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，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims

1.一种二次电池，其特征在于，包括：

电芯；

补锂源，设置在所述电芯的至少一端；

电池壳体，用于容纳所述电芯和所述补锂源；

外联导体，一端与所述补锂源电连接，另一端与所述电芯的负极端连接；

电子绝缘体，设置在所述电芯与所述补锂源之间。

2.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述补锂源为金属锂片、含金属锂镀层的金属片、含金属锂镀层的绝缘片中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述外联导体的另一端延伸出所述电池壳体外与所述电芯的负极端连接，或在所述电池壳体内与所述电芯的负极端连接。

4.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述电子绝缘体覆盖所述电芯端面的面积大于或等于所述补锂源覆盖所述电芯端面的面积。

5.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述补锂源设置在所述电芯的两端；所述电子绝缘体至少设置在所述电芯与一所述补锂源之间。

6.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述电子绝缘体采用聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯和天然纤维中的任意一种材料制成；或所述电子绝缘体为固态电解质，所述固态电解质为聚合物固态电解质，氧化物固态电解质，锂磷氧氮固态电解质，硫化物晶态固态电解质中的任意一种。

7.根据权利要求1、3～6任一项所述的二次电池，其特征在于，所述外联导体为带状或线状的导电体。

8.根据权利要求1～6任一项所述的二次电池，其特征在于，所述电芯包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片之间的隔膜；其中，所述负极片采用的材料为石墨、纳米硅球、纳米硅线、碳化硅、氧化硅、氧化亚硅中的任意一种。

9.根据权利要求1～6任一项所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池为软包锂电池、钢壳锂电池或铝壳锂电池中的任意一种。