CN100429822C

CN100429822C - 锂离子电池的电极片芯及含有该电极片芯的锂离子电池

Info

Publication number: CN100429822C
Application number: CNB2005100021456A
Authority: CN
Inventors: 卢剑峰; 肖峰
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: CN1805205A

Abstract

一种锂离子电池的电极片芯及包括该片芯的锂离子电池，该电极片芯包括卷绕而成的负极极片(1)，正极极片(3)和位于负极极片(1)和正极极片(3)之间的1层隔膜(2)；在正极极片(3)的内侧，在正极极片(3)卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜(2)，其中，在正极极片(3)和/或负极极片(1)的外侧的卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜(2)。采用该电极片芯大大减少了因极片毛刺所引发的电池短路率。

Description

锂离子电池的电极片芯及含有该电极片芯的锂离子电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池，尤其涉及锂离子电池的电极片芯。

背景技术

随着信息技术的蓬勃发展，以及对环保重视程度的不断提高，锂离子电池以其高比能量、高电压、体积小、重量轻、安全性好等优点，近十年来获得了巨大的发展，已成为通讯类电子产品的主要能源之一。

锂离子电池作为一种化学电源，指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。现有的锂离子电池按照其形状，主要分为方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。方形锂离子电池主要用于手机及动力设备中作为其电源。圆柱形锂离子电池则是笔记本电脑的主要电源之一。

锂离子电池包括电极片芯和非水电解液，所述电极片芯和非水电解液密封在电池壳体内，所述电极片芯包括长条形正极极片、负极极片以及隔膜，通过卷针卷绕而成。其中方形锂离子电池是用平板形卷针卷绕，形成扁平形电极片芯体。图1是现有的锂离子电池的电极片芯的截面图，从图1中可以看出，现有的锂离子电池的电极片芯包括卷绕而成的负极极片1、正极极片3和位于负极极片1和正极极片3之间的1层隔膜2；在正极极片3的内侧，在正极极片3卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2。其中，正极极片3和负极极片1的卷绕首端一个位于左端，一个位于右端，即相对设置，从而保证在制成的电极片芯中正极极片3和负极极片1保持对称，即片数相等。采用这样结构的现有锂离子电池一个明显的缺点是电池短路率较高，这严重影响了电池的合格率，增加了电池总的生产成本。

对锂离子电池短路率较高的原因进行分析的结果表明，在现有锂离子电池的制备过程中，极片的边缘不可避免地会形成毛刺，而毛刺刺破隔膜是造成电池内部短路的因素之一。为了减少由于毛刺刺破隔膜造成电池内部短路，现有方法大多采用减少毛刺的工艺，例如，可以采用提升裁切刀具的加工精度来减少电极极片毛刺的生成，以减少电池内部短路率，防止由短路引起的安全隐患。但是，采用这种方法减少电池内部短路率的效果并不明显，而且，这种方法增加了制备电极片芯工艺的复杂性，电池短路率降低所减少的生产成本不足以抵消由于工艺的复杂性增加的生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较低短路率，且成本较低的锂离子电池及其电极片芯。

本发明的发明人对锂离子电池短路率较高的原因进行了细致的分析，发现现有方形锂离子电池因极片问题所引发的短路位置，主要集中在正极极片和负极极片卷绕首端以及卷绕第一弯折处，其原因是，由于现有制备工艺中极片切割的特点导致正极极片和负极极片卷绕首端是切割和碰撞毛刺较多的位置。而卷绕第一弯折处的曲率是电极片芯最大的位置，也是隔膜承受正极片和负极片压力最大的地方，因此，即使采用减少毛刺生成的工艺制备电极极片，在将正极极片、负极极片和位于正极极片和负极极片之间的隔膜卷绕时，也容易造成卷绕第一弯折折痕产生裂口，形成毛刺。

本发明提供的电极片芯包括卷绕而成的负极极片1、正极极片3和位于负极极片1和正极极片3之间的1层隔膜2，在正极极片3的内侧，在正极极片3卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2，其中，在正极极片3和/或负极极片1的外侧的卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2。

本发明提供的锂离子电池包括电极片芯，其中，所述电极片芯为如上所述的电极片芯。

本发明提供的电极片芯根据现有技术电极片芯存在的缺陷，采用在正极极片3和/或负极极片1的外侧的卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2的方法，使位于该处的正极极片3和负极极片1的隔膜2增至多层，一方面，隔膜2层数增加，使隔膜2不易被毛刺穿透，大大减少了因极片毛刺所引发的电池内部短路，另一方面，由于只在很小的范围内增加隔膜的层数，因此，不会影响整个电池正极和负极锂离子的嵌入与脱嵌，同时成本也较低。

附图说明

图1是现有技术锂离子电池的电极片芯的截面图；

图2-4是本发明的锂离子电池的电极片芯的截面图。

具体实施方式

按照本发明提供的电极片芯的一个具体实施方案，本发明提供的电极片芯包括卷绕而成的负极极片1、正极极片3和位于负极极片1和正极极片3之间的1层隔膜2；在正极极片3的内侧，在正极极片3卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2，其中，在正极极片3的外侧的卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2，如图2所示。

按照本发明提供的电极片芯的第二个具体实施方案，本发明提供的电极片芯包括卷绕而成的负极极片1、正极极片3和位于负极极片1和正极极片3之间的1层隔膜2；在正极极片3的内侧，在正极极片3卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2，其中，在负极极片1的外侧的卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2，如图3所示。

按照本发明提供的电极片芯的第三个具体实施方案，本发明提供的电极片芯包括卷绕而成的负极极片1、正极极片3和位于负极极片1和正极极片3之间的1层隔膜2；在正极极片3的内侧，在正极极片3卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜2，其中，在正极极片3和负极极片1的外侧的卷绕首端和第一弯折处同时另外设置有至少1层隔膜2，如图4所示。

按照本发明提供的电极芯片，在正极极片3和/或负极极片1的外侧的卷绕首端和第一弯折处另外设置的隔膜2的层数可以根据正极极片3和/或负极极片1上毛刺的大小和隔膜的厚度确定。隔膜的厚度越大，所需隔膜的层数越少，反之亦然。一般来说，所述隔膜的层数使隔膜的总厚度为毛刺高度的0.7-2倍。这样由于隔膜本身具有一定的韧性，可以保证隔膜不被毛刺刺穿。优选情况下，所述隔膜的层数使隔膜的总厚度为毛刺高度的0.85-1.5倍。

例如，现有的隔膜2的厚度一般约为0.01-0.03毫米。本发明的发明人发现，正极极片3和/或负极极片1外侧的卷绕首端和第一弯折处毛刺的高度接近2-3层隔膜的厚度，因此，为了既保证所述隔膜2不被毛刺刺穿，又保证正负极之间的离子交换能够更加顺利地进行，在正极极片3和/或负极极片1外侧的卷绕首端和第一弯折处另外设置的隔膜2的层数优选为2-6层，更优选为2-4层。值得说明的是，随着技术的发展，隔膜的厚度有可能变厚或变薄，因此，在正极极片3和/或负极极片1外侧的卷绕首端和第一弯折处另外设置的隔膜2的层数也应随之改变。

正极极片3的组成为本领域技术人员所公知，一般来说，正极极片3包括导电基体及涂覆和/或填充在导电基体(也叫集电体)上的正极活性材料。所述导电基体为本领域技术人员所公知，例如可以选自铝箔。所述正极活性材料为本领域技术人员所公知，它包括正极活性物质和粘合剂，所述正极活性物质可以选自锂离子电池常规的正极活性物质，如Li_xNi_1-yCoO₂(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、Li_mMn_2-nB_nO₂(其中，B为过渡金属，0.9≤m≤1.1，0≤n≤1.0)、Li_1+aM_bMn_2-bO₄(其中，-0.1≤a≤0.2，0≤b≤1.0，M为锂、硼、镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌、镓、钇、氟、碘、硫元素中的一种或几种。所述粘合剂的种类和含量为本领域技术人员所公知，例如含氟树脂和聚烯烃化合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种。一般来说，所述粘合剂的含量为正极活性物质的0.01-8重量％，优选为1-5重量％。所述正极活性材料还可以包括正极助剂，所述正极助剂的种类和含量为本领域技术人员所公知，例如，所述正极助剂可以选自导电剂(如乙炔黑、导电碳黑和导电石墨中的至少一种，其含量为正极活性物质的0-15重量％，优选为0-10重量％。

负极极片1的组成为本领域技术人员所公知，一般来说，负极极片1包括导电基体及涂覆和/或填充在导电基体上的负极活性材料。所述导电基体为本领域技术人员所公知，例如可以选自铜箔。所述负极活性材料为本领域技术人员所公知，它包括负极活性物质和粘合剂，所述负极活性物质可以选自锂离子电池常规的负极活性物质，如天然石墨、人造石墨、石油焦、有机裂解碳、中间相碳微球、碳纤维、锡合金、硅合金中的一种或几种。所述粘合剂可以选自锂离子电池常规的粘合剂，如聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羟甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种。一般来说，所述粘合剂的含量为负极活性物质的0.5-8重量％，优选为2-5重量％。

所述隔膜设置于正极和负极之间，它具有电绝缘性能和液体保持性能，它选自锂离子电池中所用的各种隔膜，如聚烯烃微多孔膜、聚乙烯毡、玻璃纤维毡、或超细玻璃纤维纸。所述隔膜为本领域技术人员所公知。

所述正极极片3和负极极片1可以采用现有方法制备。

例如，常规的正极极片3的制备方法包括在宽幅极片上涂覆一种含有正极活性物质和粘合剂的浆液，干燥，辊轧并分切，得到正极极片3。其中，所述含有正极活性物质和粘合剂的浆液的溶剂可以选自常规的溶剂，如可以选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二乙基甲酰胺(DEF)、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)以及水和醇类中的一种或几种。溶剂的用量能够使所述浆料能够涂覆到所述集电体上即可。一般来说，溶剂的用量使浆液中正极活性物质的含量为40-90重量％，优选为50-85重量％。干燥的温度一般为50-160℃，优选80-150℃。辊轧是为了是商购的宽幅极片辊轧成正极极片所需的厚度，该厚度可以根据各种不同的电池需要而在很大范围内变动。分切的目的是为了使宽幅极片被切割成正极极片所需要的宽度，该宽度可以根据各种不同的电池需要而在很大范围内变动。

负极极片的制备方法与正极极片3的制备方法相同，只是用含有负极活性物质和粘合剂的浆液代替含有正极活性物质和粘合剂的浆液。

按照本发明提供的锂离子电池，除了含有所述电极片芯以外，还含有锂离子电池其它必要的组件，如非水电解液和电池壳，所述非水电解液和所述电极片芯密封在电池壳内。

所述非水电解液为电解质锂盐和非水溶剂的混合溶液，可以使用本领域常规的非水电解液。比如电解质锂盐可以选自六氟磷酸锂(LiPF₆)、高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、卤化锂、氯铝酸锂及氟烃基磺酸锂中的一种或几种。有机溶剂可以选自链状酸酯和环状酸酯混合溶液，其中链状酸酯可以为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸二丙酯(DPC)以及其它含氟、含硫或含不饱和键的链状有机酯类中的至少一种。环状酸酯可以为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、γ-丁内酯(γ-BL)、磺内酯以及其它含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类中的至少一种。所述非水电解液中，电解质锂盐的浓度一般为0.1-2摩尔/升，优选为0.8-1.2摩尔/升。

电池壳和负极极片1，正极极片3和位于负极极片1和正极极片3之间的1层隔膜2的卷绕方法为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

下面的实施例将对本发明做进一步说明。

实例1

本实例说明本发明提供的电极片芯和锂离子电池。

(1)正极极片的制备

100份重量正极活性物质LiCoO₂、4份重量粘接剂PVDF、4份重量导电剂乙炔黑加入到40份重量NMP中，然后在真空搅拌机中搅拌形成稳定、均一的分散正极浆料。将该浆料均匀地涂布在宽幅铝箔(宽为800毫米，铝箔厚度为0.200毫米)上，然后，120℃烘干、在辊轧机上辊轧成厚度为0.145毫米的极片，然后，在分切机上分切为371×43.5×0.145毫米的正极极片。正极极片含有正极活性物质LiCoO₂ 6.4克。

(2)负极极片的制备

将100份重量负极活性物质天然石墨、4份重量粘接剂PTFE、4份重量导电剂炭黑加入到40份重量DMSO中，再加入0.3份重量分散剂(聚异丁烯丁二酰亚胺∶聚环氧乙烷醚＝1∶1)，然后在真空搅拌机中搅拌形成稳定、均一的分散负极浆料A2。将该浆料均匀地涂布在宽幅铜箔(宽为800毫米，铜箔厚度为0.190毫米)上，然后，120℃烘干、在辊轧机上辊轧成厚度为0.130毫米的极片，然后，在分切机上分切为338×44.5×0.130毫米的负极极片。负极极片含有负极活性物质石墨2.7克。

(3)电极片芯的制备

将(1)和(2)制备的正极极片、负极极片和隔膜(聚丙烯膜，厚度为0.016毫米)按照图2的方式卷绕成电极片芯，置于4×34×49毫米的方形电池壳内，。其中，正极极板外侧卷绕首端和第一弯折处设置3层隔膜(聚丙烯膜，厚度为0.016毫米)。

(4)电池的装配

将LiPF₆与EC及DMC配置成LiPF₆浓度为1摩尔/升的溶液(EC/DMC的体积比为1∶1)，得到非水电解液。将(3)得到的电池中注入上述非水电解液，密封制成锂离子电池。共制备20000个同样的电池。

实例2

本实例说明本发明提供的电极片芯和锂离子电池。

按照实例1的方法制备电极片芯和锂离子电池，不同的只是在负极极片外侧卷绕首端和第一弯折处设置3层隔膜，电极片芯的结构如图3所示。共制备20000个同样的电池。

实例3

本实例说明本发明提供的电极片芯和锂离子电池。

按照实例1的方法制备电极片芯和锂离子电池，不同的只是在负极极片1和正极极片3外侧的卷绕首端和第一弯折处同时设置3层隔膜，电极片芯的结构如图4所示。共制备20000个同样的电池。

对比例1

本对比例说明现有技术的电极片芯和锂离子电池。

按照实例1的方法制备电极片芯和锂离子电池，不同的只是在正极极片3外侧的卷绕首端和第一弯折处只设置1层隔膜，电极片芯的结构如图1所示。共制备20000个同样的电池。

实例4-6

下面的实例说明本发明提供的电池的短路率。

对实例1-3制备的电池的短路率进行了测定。测定方法为用分选仪分拣出20000个电池中发生短路的电池，然后，将发生短路的电池拆开，分析其发生短路的原因，得到由于毛刺刺破隔膜造成电池内部短路的电池的个数。结果如下：实例1制备的20000个电池的短路率为0.2％；实例2制备的20000个电池的短路率为0.2％；实例3制备的20000个电池的短路率为0.1％。其中，短路率指由于毛刺刺破隔膜造成电池内部短路的短路率，即短路率＝由于毛刺刺破隔膜造成电池内部短路的电池的个数/20000。

对比例2

本对比例说明现有技术电池的短路率。

按实例4-6的方法测定对比例1制备的20000个电池的短路率，其短路率为0.5％。

实例4-6和对比例2的结果表明，本发明提供的电池由于毛刺刺破隔膜造成电池短路率比现有技术电池由于毛刺刺破隔膜造成电池短路率降低了至少60％，本发明提供的电池由于毛刺刺破隔膜造成电池短路率较现有技术大大降低。

Claims

1、一种锂离子电池的电极片芯，该电极片芯包括扁平卷绕而成的负极极片(1)，正极极片(3)和位于负极极片(1)和正极极片(3)之间的1层隔膜(2)，在正极极片(3)的内侧，在正极极片(3)卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜(2)，其特征在于，在正极极片(3)和/或负极极片(1)的外侧的卷绕首端和第一弯折处，还另外设置有至少1层隔膜(2)。

2、根据权利要求1所述的电极片芯，其特征在于，所述隔膜的层数使隔膜的总厚度为毛刺高度的0.7-2倍。

3、根据权利要求2所述的电极片芯，其特征在于，所述隔膜的层数使隔膜的总厚度为毛刺高度的0.85-1.5倍。

4、根据权利要求1所述的电极片芯，其特征在于，在正极极片(3)和/或负极极片(1)外侧的卷绕首端和第一弯折处另外设置的隔膜(2)的层数为2-6层。

5、一种锂离子电池，该电池包括电极片芯，其特征在于，所述电极片芯为权利要求1-4中任意一项所述的电极片芯。

6、根据权利要求5所述的电池，其特征在于，该电池还包括非水电解液和电池壳，所述非水电解液和所述电极片芯密封在电池壳内。