一種卷繞式電芯及電池的制作方法

本發明涉及鋰離子二次電池技術領域，具體涉及一種卷繞式電芯和含有此種結構卷

繞式電芯的鋰離子二次電池。

背景技術：

鋰離子二次電池有高電壓、高能量密度等優點，被廣泛應用于消費類電子產品、儲能系統、動力系統的電源，體積更小、重量更輕、容量更大，一直是鋰離子二次電池的發展方向。近年來隨著飛行器、電動車輛等需要大電流高倍率充放電的用電設備的需求，鋰離子二次電池需要具備高的充放電倍率和低的電阻，也更需要在此基礎上繼續減小體積、減輕重量，增加容量。

為制備高倍率鋰離子二次電池，一般現有以下技術方案：

第一種技術方案如專利文獻cn104600250a和cn105161673a：在電極極片上焊接有多個極耳，并在焊接位置貼保護膠帶。該種方法的缺點在于：焊接極耳并貼膠帶占據了涂覆粉料位置，容量較小；焊接上的極耳及膠帶會增加電池厚度，占用體積；需多次焊接，可靠性差。

第二種技術方案如專利文獻cn204885269u和cn205543006u：在電極極片一側或兩側留箔，并將留箔位置切割為合適形狀并與外極耳焊接。該種技術方案在實際實施時和在專利文獻的實施例中，一般將箔材兩面粉料設計為相同長度(如圖9圖10所示)。在卷繞后，如圖11所示，該種方式中第一電極的r14位置部分材料未與第二電極的材料相對應，無法發揮容量，并且白白占用電池厚度和電池重量，并且浪費物料成本。

第三種技術方案如專利文獻cn204230364u，為第一種方案和第二種方案的某種結合。

本發明公開了一種卷繞式電芯和含有此種結構的卷繞式電芯的鋰離子二次電池。該電池與傳統的卷繞式電池比較，具有體積小、重量輕、節省物料成本、能量密度高、比能量高等特點，適合作為消費類電子產品、儲能系統、動力系統的電源，尤其適合飛行器、電動車輛等需要大電流高倍率充放電的用電設備。

技術實現要素：

本發明的目的在于：一種卷繞式電芯和含有此種結構的卷繞式電芯的鋰離子二次電池。

本發明提供一種卷繞式電芯，其極片設計如圖1圖2所示，卷繞式電芯截面圖如圖3所示，卷繞式電芯正面圖如圖4所示，卷繞電芯的側面視圖如圖5所示，包括：第一電極片：由第一集流體、涂覆在第一集流體一面的活性物質層a、涂覆在第一集流體另一面的活性物質層b組成；

第二電極片：由第二集流體、涂覆在第二集流體一面的活性物質層c、涂覆在第二集流體另一面的活性物質層d組成；

隔離膜：位于第一電極片和第二電極片之間，將它們隔離開；

第一極耳：通過第一極耳引出端與第一集流體連接；

第二極耳：通過第二極耳引出端與第二集流體連接；

第一集流體的單側或雙側留有一個或多個間隔的第一極耳引出端；

第二集流體的單側或雙側留有一個或多個間隔的第二極耳引出端；

涂覆在第一集流體兩面的活性物質層a和活性物質層b的涂覆長度不同，存在一個位置只有單面涂覆活性物質層而背面無涂覆，為第一單面空箔；

涂覆在第二集流體兩面的活性物質層c和活性物質層d的涂覆長度不同，存在一個位置只有單面涂覆活性物質層而背面無涂覆，為第二單面空箔。

一般而言，所述的第一電極片為負極片，所述的第二電極片為正極片。

通過設計多個第一極耳引出端和多個第二極耳引出端的間距，可以在卷繞后使得具有多個第一極耳引出端并在卷繞后重疊于同一位置；具有多個第二極耳引出端并在卷繞后重疊于同一位置，如圖4所示。

第一單面空箔的位置位于第一電極片卷繞開始的端部(s1)，即卷繞后位于卷芯內部。第二單面空箔的位置位于第二電極片卷繞結束的尾部(e2)，即卷繞后位于卷芯外部。出于安全考慮，防止充電析鋰，活性物質層a和活性物質層b的需完全覆蓋活性物質層c和活性物質層d。因此，極片設計和涂覆時：活性物質層a的涂覆長度大于等于活性物質層c的涂覆長度；活性物質層b的涂覆長度大于等于活性物質層d的涂覆長度。活性物質層a和活性物質層b的涂覆寬度分別大于活性物質層c和活性物質層d的涂覆寬度；卷繞對齊時：第一集流體和第一單面空箔直接對應的第二極片的位置上未涂覆活性材料層c或活性物質層d。

除了在厚度方向更薄以外，在電芯的長度方向，我們優選通過折疊極耳焊接位置的方法節省長度方向的空間，從而電池可以做得更小，如圖4圖5所示：將第一極耳引出端與第一極耳連接的部分，經過彎折后折到電池厚度方向；第二極耳引出端與第二極耳連接的部分，經過彎折后折到電池厚度方向。

另外，在電芯需求特別厚的情況下，一個卷芯可能難以達到那么厚，如圖5所示，可以將多個卷芯連接在同一個極耳上成為一個電芯。

本發明中所述活性物質為常規的電池中所用的活性物質層，沒有特定的配方或者成分要求，可使用已知的電池中使用的活性物質層。本專利的改進點主要是對電池內部的新結構。

本發明還提供一種鋰離子電池，其特征是包含外包裝以及一個或多個如1～9所述的電芯。

與現有技術相比，本發明的優點在于：厚度薄、長度小、重量輕、節省物料成本、能量密度高、比能量高，應用于無人機等飛行器、電動汽車等設備，可顯著減輕重量、提升容量、提高續航時間和續航里程。

附圖說明：

圖1第一電極片(1)的俯視圖和截面圖。

圖2第二電極片(2)的俯視圖和截面圖。

圖3卷繞式電芯截面圖。

圖4卷繞式電芯后正面圖。

圖5卷繞式電芯折疊極耳引出端正面圖。

圖6卷繞式電芯側面圖(對應圖4)。

圖7卷繞式電芯折疊極耳引出端側面圖(對應圖5)。

圖8多個卷繞式電芯(第一卷芯與第二卷芯)連接后，折疊極耳引出端，側面圖。

圖9對比例第一電極片(r1)的俯視圖和截面圖。

圖10對比例第二電極片(r2)的俯視圖和截面圖。

圖11對比例卷繞式電芯截面圖。

標記說明：

1第一電極片；

11第一集流體；

12第一活性物質層(短)；

13第一活性物質層(長)；

14第一單面空箔；

111第一極耳引出端；

s1第一電極片卷繞起始端；

e1第一電極片卷繞結束端；

2第二電極片；

21第二集流體；

22第二活性物質層(短)；

23第二活性物質層(長)；

24第二單面空箔；

211第二極耳引出端；

s2第二電極片卷繞起始端；

e2第二電極片卷繞結束端；

3隔膜；

4第一極耳；

5第二極耳；

r1對比例第一電極片；

r11對比例第一集流體；

r12對比例第一活性物質層(正面)；

r13對比例第一活性物質層(反面)；

r14對比例第一活性物質層(正面對容量無貢獻部分)；

r111對比例第一極耳引出端；

rs1對比例第一電極片卷繞起始端；

re1對比例第一電極片卷繞結束端；

r2對比例第二電極片；

r21對比例第二集流體；

r22對比例第二活性物質層(正面)；

r23對比例第二活性物質層(反面)；

r211對比例第二極耳引出端；

rs2對比例第二電極片卷繞起始端；

re2對比例第二電極片卷繞結束端。

具體實施方式

為了使本發明所解決的技術問題、技術方案以及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

電池制造說明：

正極極片的制備：正極活性材料鈷酸鋰、粘接劑聚偏氟乙烯(pvdf)導電劑super-p按照96:2:2的重量比加入到n-甲基吡咯烷酮(nmp)中攪拌勻漿制成正極漿料；將正極漿料雙面涂布在正極集流體上，經過烘干、壓實、分切、裁片、焊接極耳后得到正極極片。

負極極片的制備：負極活性材料人造石墨、丁苯橡膠(sbr)、羧甲基纖維素鈉(cmc)，按照95:2.5:2.5的比例加入去離子水中攪拌勻漿制成負極漿料；將負極漿料雙面涂布在負極集流體上，經過烘干、壓實、分切、裁片、焊接極耳后得到負極極片。

需要說明的是：以下比較例和實施例中，集流體箔材相同，正負極極片的單位面積的涂覆量相同，正負極極片的涂覆寬度相同，第一極耳引出端111和第二極耳引出端211數量相同，涂覆長度根據電池尺寸和不同卷繞結構設計有所不同。

電解液的制備：選用濃度為1m的六氟磷酸鋰作為鋰鹽，以碳酸乙烯酯(ec)：碳酸二乙酯(dec)：碳酸甲乙酯(emc)按照30:30:40的重量比作為溶劑，此外還含有其它確保性能的添加劑。

鋰離子電池的制備：將根據前述工藝制備得到的負極極片和正極極片與隔膜進行組裝，制得電池電芯，將電池電芯裝入鋁塑膜軟包裝中，向其內部注入電解液后封口，進行預充，并化成制得鋰離子二次電池。

卷繞式電芯具有：第一電極片1：由第一集流體11、涂覆在第一集流體一面的活性物質層a12、涂覆在第一集流體另一面的活性物質層b13組成；

第二電極片2：由第二集流體21、涂覆在第二集流體一面的活性物質層c22、涂覆在第二集流體另一面的活性物質層d23組成；

隔離膜3：位于第一電極片1和第二電極片2之間，將它們隔離開；

第一極耳4：通過第一極耳引出端111與第一集流體11連接；

第二極耳5：通過第二極耳引出端211與第二集流體21連接；

第一集流體11的單側或雙側留有一個或多個間隔的第一極耳引出端111；

第二集流體21的單側或雙側留有一個或多個間隔的第二極耳引出端211；

涂覆在第一集流體11兩面的活性物質層a12和活性物質層b13的涂覆長度不同；在第一集流體11上存在一個部位只有單面涂覆活性物質層，為第一單面空箔14；

涂覆在第二集流體21兩面的活性物質層c22和活性物質層d23的涂覆長度不同；在第二集流體21上存在一個部位只有單面涂覆活性物質層，為第二單面空箔24。

第一單面空箔14的位置位于第一電極片1卷繞開始的端部s1，即卷繞后位于卷芯內部。第二單面空箔24的位置位于第二電極片2卷繞結束的尾部e2，即卷繞后位于卷芯外部。

活性物質層a12的涂覆長度大于等于活性物質層c22的涂覆長度；活性物質層b13的涂覆長度大于等于活性物質層d23的涂覆長度。活性物質層a12和活性物質層b13的涂覆寬度分別大于活性物質層c22和活性物質層d23的涂覆寬度。第一集流體11和第一單面空箔14直接對應的第二極片2的位置上未涂覆活性材料層c22或活性物質層d23。

第一極耳引出端111與第一極耳4連接的部分，經過彎折后折到電池厚度方向；第二極耳引出端211與第二極耳5連接的部分，經過彎折后折到電池厚度方向。具有多個第一極耳引出端111并在卷繞后重疊于同一位置；具有多個第二極耳引出端211并在卷繞后重疊于同一位置。

測試方法說明：

容量測試：在25℃下，以800ma的電流恒流充電至4.35v，再在4.35v恒壓充電至電流小于80ma，擱置5分鐘，以800ma電流恒流放電至3.0v，以此放電容量為容量。

厚度、長度、重量等參數按照公知的方法測試。長度的測定部位表示如圖4、5、6、7所示(非圖片中尺寸)，為電芯底部到極耳膠頂端長度。

比較例1

參照電池制作說明制備鋰離子二次電池，負極片設計如圖9，正極片設計如圖10，卷繞結構如圖11，極耳焊接裝配如圖4、圖6。

實施例1

參照電池制作說明制備鋰離子二次電池，負極片設計如圖1，正極片設計如圖2，卷繞結構如圖3，極耳焊接裝配如圖4、圖6。

實施例2

參照電池制作說明制備鋰離子二次電池，負極片設計如圖1，正極片設計如圖2，卷繞結構如圖3，極耳焊接裝配如圖5、圖7。

實施例3

參照電池制作說明制備鋰離子二次電池，負極片設計如圖1，正極片設計如圖2，卷繞結構如圖3，卷兩個卷芯，并聯裝配，極耳焊接裝配如圖5、圖8。

比較例和每個實施例各制作100只電池，其容量、厚度、長度、重量的平均值如下表所示。

從實驗結果可以看到，容量高、厚度薄、重量輕，在更優化的選用折疊極耳引出端的方案時(實施例2和3)，電池長度更短，在體積、重量和容量上均有優勢。

根據上述原理，本發明還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明并不局限于上面解釋和描述的具體實施方式，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。