CN101106203A - 具有新电极结构的锂电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要涉及具有新电极结构的锂电池及其制造方法，该电池包括正极片，负极片，隔膜，电解液和电池壳体，其特征在于，在所述正极片和/或负极片上以预留基材预定距离设有多个极耳片，以致在卷绕之后所述多个极耳片相重叠，形成正和/或负极耳，所述极耳片可以是通过将金属导电箔片附加于所述极片而形成，也可以通过从所述极片的基体延伸出多个延伸部分而一体形成。本发明提供的电池可以显著降低电池内阻，显著提高锂离子电池高倍率放电性能和安全性能。该锂离子电池尤其适合于在电动汽车、电动玩具、模型飞机、电动工具、通讯器材等电源方面应用。该结构的电极也可以用于其他二次电池。
Description
技术领域
本发明总体涉及三种电池应用，具体说，涉及用于动力型锂离子电池、高倍率锂离子电池，及低内阻型锂离子电池制作的一种方法。
背景技术
目前，卷绕式锂离子电池的极耳皆采用如图1所示的设置，即，在极片1的一端预留下一部分非涂层面积3，通过焊接将极耳2引入到非涂层部分3，然后从该端卷绕形成电极。然而，对于动力型、高倍率型、低内阻型电池来说，一方面极片的面积比较大，另一方面，电池在充、放电时电流皆要集中从连接极耳2的一端导出或导入，在电流分布上高度不均匀，电化学极化非常严重，电池内阻较大，在大倍率放电的情况下发生急剧的发热现象。一般5C放电时电池表面温度达到60℃或者更高，在钴酸锂、镍钴等材料中必将存在严重的安全性隐患。因此，采用卷绕结构的单体锂离子电池往往不能满足动力型、高倍率型、低内阻型电池的需求，尤其是难以实现高倍率充放电或超高倍率充放电，这限制了卷绕式电池的应用范围。
为此，有些电池生产厂家采用叠片工艺制作高功率电池，但叠片工艺较为复杂，设备投入高，大批量生产的合格率也比较低下，核电保持能力比较差实际生产和应用中也存在诸多不足。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，解决传统的卷绕式结构无法大功率放电的难题，从而提供动力锂离子电池、高倍率锂离子电池，及低内阻型锂离子电池。
根据本发明的卷绕式锂电池，包括正极片，负极片，隔膜，电解液，和电池壳体，其特征在于，在所述正极片和/或负极片上以预定距离设有多个极耳片，以致在卷绕之后所述多个极耳片相重叠，形成正和/或负极耳。所述极耳片可以是通过将金属导电箔片附加于所述极片而形成，也可以通过从所述极片的基体延伸出多个延伸部分而一体形成。
本发明所述的锂离子电池新型结构解决了目前卷绕式锂离子电池，叠片式锂离子电池，在工艺上、结构上、制作中等影响电池各种性能的难题。该电池结构可以显著降低电池内阻，极大提高锂离子电池高倍率放电性能和安全性能；有效地解决电流分布不均匀的问题，减小了电化学极化现象；从根本上解决了锂离子电池在大功率放电工作状态急剧升温的现象；避免了因为温升过高而导致的锂离子电池的安全性问题等。本发明所述的锂离子电池尤其适合于在电动汽车、电动玩具、模型飞机、电动工具、通讯器材等电源方面应用。
本发明的有关锂电池的涉及思想和优点同样适用于其他二次电池，因此，更一般地，本发明涉及其电极极片带有多个极耳片的二次电池。
附图说明
图1示出了现有技术中卷绕式锂电池电极的典型的实施方式。
图2a是根据本发明电池的一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。
图2b为图2a所示的极片在卷绕之后的主视图。
图2c图2a所示的极片在卷绕之后的侧视图。
图3示出了将图2a-2c所示的正、负极片卷绕后的示意图。
图4是根据本发明电池的另一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。
图5为将图4所示的正、负极片卷绕后装于壳体中的示意图。
图6是根据本发明电池的另一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。
图7为将图6所示的正、负极片卷绕后的示意图。
图8为将图6所示的正、负极片卷绕后装于壳体中的示意图。
图9是本发明另一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。
图10为将9所示的正、负极片在卷绕后的示意图。
图11为图9所示的正、负极片卷绕后装于壳体中的示意图。
图12是本发明另一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。
图13为图12所示的正、负极片在卷绕后的示意图。
具体实施方式
定义
术语“卷绕”是指将具有一定长度的极片进行卷曲以便形成多层重叠的电极。除非在文中有明确的限定，卷绕不仅包括典型意义的、像卷成一个纸筒一样沿一个方向卷曲一薄片，还包括将一薄片沿S-形多次弯曲并重叠，以便形成多层重叠的电极
图2a是根据本发明电池的一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。图2b为图2a所示的极片在卷绕之后的主视图。图2c为图2a所示的极片在卷绕之后的侧视图。参见图2a-2c，在极片1被卷绕或层叠之前，在极片1上通过焊接附加上多个极耳片2。极耳片的排布数量和密度，以及极耳片之间的距离要根据成型后极片的尺寸来具体设计，以致在卷曲之后，各个相同极性的极耳片2能够重合在一起，分别形成正极耳2a和负极耳2b，如图3所示。
图4是根据本发明电池的另一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。在该实施方式中，各个极耳片2为用于极片1的基片的延伸部分，与极片一体成型。采用此方案的优势是，免去额外焊接多个极耳片的不便，同时使得重叠后形成的极耳不至于过厚而在空间上造成不便。这在采用低厚度的极片的情况下，例如在厚度为0.006mm～0.100mm的情况下尤其有利。在这种情况下，由于各极耳片太薄，有必要在重叠后的极耳片组2上通过焊接附加一刚性体作为外接极耳4，如图5所示。图中所示的两个极耳4分别为正、负极耳。
图6是根据本发明电池的另一种具体实施方式的极片在卷绕之前的示意图。在图6示出的极片中，每三个极耳片2以较小的间距等距离排布在一起，以便在卷绕之后形成三个正极耳片组2a和/或三个负极耳片组2b，如图7所示。另外参见图8，当将极片卷曲并放入电池外壳后，将延伸出电池外壳3的极耳片组2焊接至具有刚性外接极耳4a和4b上。在大尺寸和大容量电池的情况下，这种设置格外有利，其能进一步降低电池内阻，降低电极的极化程度，从而提供电池的性能。
图9是上述实施例的一种替代实施方式的极片在卷绕之前的示意图。如图9所示，极片1中预留的极耳片2与前一实施例相比具有明显提高的宽度，其功能相当于或优于图6所示的三个较小的预留极耳片。同时参见图10和图11，在装配成电池时，可以在该每个宽的极耳片2上外接多个极耳4。在图11中为3个正极耳4a和3个负极耳4b。
图12是根据本发明电池的另一种具体实施方式的极片在卷绕之后的示意图。在图12中，正、负极片在重叠时，各自的极耳片可以放在不同端，图12示出了卷绕后得到的正极耳片2a和负极耳片2b。在本实施例中，可以将上述极片卷绕成圆柱形，以便制造圆柱形电池。图13是图12所示的卷绕极片的端视图，图中的部件2为卷绕后得到的极耳片组。
本发明由此提供一种高性能电池的制造方法，包括以下步骤：
a)提供带有多个极耳片的极片，所述多个极耳片以预定间距设置；
b)卷绕该极片并使得所述多个极耳片相重叠，得到极耳片组，从而获得正电极或负电极；
c)将所述电极放入一壳体中，使得所述极耳片组至少部分地伸出该壳体；以及可选地
d)在所述极耳片组上焊接一外接极耳；
e)在所述壳体中装入所需的电解液，并完成电池的封装。
显而易见地，上述步骤c)和d)的操作次序可以颠倒。
在一优选的具体实施方式中，所述极耳片是极片基材的一部分，即，在极片的一边按一定间隙预留一定长度和宽度的基体，然后，正极、隔膜、负极通过卷绕使正、负基体分别重合。然后采用焊接将该正、负极基体分别焊上外接极耳。
用于本发明的电池的正极材料可以选自由钴酸锂，镍钴锰酸锂，镍钴酸锂，锰酸锂，磷酸铁锂，磷酸铁锰锂和磷酸铁钒锂构成的组。
在本发明中，极耳的宽度、厚度、数量可以根据所需电池功率大小和体积来确定。
根据本发明的方法可以制成动力锂离子电池、高倍率锂离子电池，及低内阻型锂离子电池。在一个具体实施方式中，正、负极片与相应的极耳片可以通过模具一体成型。动力型电池可预留基材(以便形成极耳片)更多为铜、铝箔极耳，卷绕时正极耳片互相重叠在几个相同位置，负极耳片互相重叠在几个相同位置的另一边，构成电池卷芯结构。
根据本发明的电池可以显著降低电池内阻、显著提高锂离子电池高倍率放电性能和安全性能；有效地解决电流分布不均匀的问题，减小了电化学极化现象；从根本上解决了锂离子电池在大功率放电工作状态急剧升温的现象；避免了因为温升过高而导致的锂离子电池的安全性问题。
另外，根据本发明的技术方案解决了以前焊接电池极耳及极耳对应侧不能涂覆材料导致有效利用材料面积下降，所以正负极片预留基材卷绕式锂离子电池的设计结构，最大化利用电池涂覆材料有效空间，从而有效提高锂电池容量。
采用图3所示的一体成型的实施方式还解决以下问题：焊接多极耳正、负极片，在卷绕时每个极耳位置不易对齐，由于重叠极耳的位置超厚而影响了电池的外观，焊接极耳的位置很难处理，存在安全隐患及影响了电池性能，在极片上多焊接的极耳影响了单位面积容量利用率。
实验证明，采用本发明电池结构制作的产品，可以提高高倍率充放电性能。表1、表2和表3分别示出了本发明本发明的高倍率锂离子电池、动力型锂离子电池、及低内阻型锂离子电池在充放电方面的性能。
以下三种电池皆为同一型号063465，具体制备条件如下：
正极材料：钴酸锂
负极材料：天然石墨
隔膜：20um*60mm
电解液：高倍率型电解液
采用铝塑复合膜包装，内部极片长度、宽度、厚度一致，其它材料用量一样，制作出063465型号，单极耳电池、2极耳电池、3极耳电池、4极耳电池和根据发明的电池，其中，单极耳、2极耳、3极耳、和4极耳电池是通过在极片上分别焊接相应数量的极耳而制备的，它们在充放电方面的性能比较如下：
表1根据本发明电池与现有的多极耳电池同型号倍率放电的对比
表2根据本发明的电池与现有的多极耳电池同型号容量对比
表3根据本发明的电池与现有的多极耳电池同型号内阻对比
以上通过具体实施例说明了根据本发明的电路板以及使用该电路板组件电池组的方法。本领域普通技术人员容易理解，实施本发明的一些细节描述并不局限于上述说明。文中使用的表达“第一”、“第二”等仅仅用于区分多个相同的装置或部件，而并不是先后次序的描述。文中虽然仅提供了针对锂电池的实施例，但是，本领域技术人员，在得到本发明的教导后，会很容易想到本发明的精神同样可以应用于其他二次电池，因此，本发明的保护范围并不局限于锂电池，而应以权利要求书的限定为准。
Claims (12)
1.一种卷绕式二次电池，包括正极片，负极片，隔膜，电解液，和电池壳体，其特征在于，在所述正极片和/或负极片上以预定距离设有多个极耳片，以致在卷绕之后所述多个极耳片相重叠，形成正和/负极耳。
2.根据权利要求1所述的卷绕式二次电池，其中，所述极耳片是通过将金属导电箔片附加于所述极片而形成的。
3.根据权利要求1所述的卷绕式二次电池，其中，所述极耳片是通过是由所述极片的基体延伸出多个延伸部分而一体形成的。
4.根据权利要求1所述的卷绕式二次电池，其为方形电池。
5.根据权利要求4所述的卷绕式二次电池，其中，所述极耳片在卷绕之后重叠形成的所述极耳多于一个。
6.根据权利要求1所述的卷绕式二次电池，其为圆柱形电池。
7.根据权利要求1至6任一项所述的卷绕式二次电池，其为锂电池。
8.根据权利要求7所述的卷绕式二次电池，其中，所述极片的基体为铝箔或铜箔，厚度为0.006mm～0.100mm。
9.根据权利要求7所述的卷绕式二次电池，其中，所用正极材料为钴酸锂，镍钴锰酸锂，镍钴酸锂，锰酸锂，磷酸铁锂，磷酸铁锰锂，磷酸铁钒锂的一种或几种材料的混合物。
10.一种二次电池的制造方法，包括以下步骤：
a)提供带有多个极耳片的极片，所述多个极耳片以预定间距设置；
b)卷绕所述极片并使得所述多个极耳片相重叠形成极耳片组，以便获得正电极和/或负电极；
c)将所述电极放入一壳体中，使得所述极耳片组至少部分地伸出该壳体；以及
d)在所述壳体中装入所需的电解液，并完成电池的封装。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤d)之前可以包括：
e)在所述极耳片组上焊接一外接极耳。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述二次电池为锂电池。
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