CN102856583A - 一种圆柱卷芯防爆锂离子电池及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明的圆柱卷芯防爆锂离子电池，包括外壳、外极耳、圆柱形卷芯和电解液。其中：圆柱形卷芯是由多个卷芯单元并联连接组成，多个卷芯单元被两块卷芯辅助模块夹持固定在其中，外壳采用铝塑膜软包装袋，两个外极耳被密封粘接在铝塑膜软包装袋的袋口处，所有卷芯单元的极耳通过对应的正负极集流体与外极耳连接。本发明还给出了该电池的加工方法。本发明的锂离子电池和加工方法，生产工艺简单，成本低；安全性能优，解决了电池***的问题；结合了圆柱形卷芯电池工艺简单、生产效率高的优点，工艺成熟稳定，生产成本低，生产效率高。

Description

一种圆柱卷芯防爆锂离子电池及加工方法

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，特别是一种中小容量的圆柱卷芯防爆锂离子电池及加工方法。

技术背景

锂离子电池以其高电压、高能量密度、良好的循环性能等优点越来越多地应用到了储能和动力等领域。目前常见的锂离子电池从外壳分类主要有金属壳体锂离子电池和塑料壳体锂离子电池；两种电池的壳体采用硬质材料结构，使用不当容易造成***，且外包装成本高。从电池电芯分类主要有卷绕式和叠片式两类；叠片式的缺点在于工艺复杂，生产成本高、效率低。而卷绕式又分为圆柱卷绕式（通常称为卷芯）和方形卷绕式两种，各有优缺点。圆柱卷绕式的优点主要有：工艺成熟稳定，成本低，生产效率高；极片间隙均匀，一致性好；极片曲率半径大，极片不易掉料。这些优点使卷绕工艺得到了广泛的应用。但是卷绕工艺也有其局限性，比如容量不能做大，原因是当极片过长时卷绕难度增大、卷芯对齐度下降等不利因素出现。方形卷绕式卷芯的缺点主要体现在：方形卷绕式的卷芯曲率半径各部位不同导致极片间隙不均匀，在卷芯曲率半径小处，极片间隙小，容易掉料。这种不一致性会影响电池性能的发挥。

电池隔膜是指在电池正极和负极之间一层隔膜材料，是电池中非常关键的部分，对电池安全性和成本有直接影响，其主要作用是：隔离正、负极并使电池内的电子不能自由穿过，让电解液中的离子在正负极之间自由通过。电池隔膜的的离子传导能力直接关系到电池的整体性能，其隔离正负极的作用使电池在过度充电或者温度升高的情况下能限制电流的升高，防止电池短路引起***，具有微孔自闭保护作用，对电池使用者和设备起到安全保护的作用。目前的电池所用的常规隔膜通常是采用聚乙烯、聚丙烯制备，在实际使用中存在绝缘效果不佳易短路、离子扩散不理想并且强度较差的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种成本低、生产效率高的圆柱卷芯防爆锂离子电池及其加工方法。

其技术方案：一种圆柱卷芯防爆锂离子电池，包括外壳、外极耳、圆柱形卷芯和电解液。其中：圆柱形卷芯是由多个卷芯单元并联连接组成，多个卷芯单元被两块卷芯辅助模块夹持固定在其中，外壳采用铝塑膜软包装袋，外极耳在铝塑膜外包装袋的袋口封装面上与PP材质的极耳紧固片粘接固定后，被密封粘接在铝塑膜软包装袋的袋口处，所有卷芯单元的极耳通过对应的正、负极集流体与外极耳连接，卷芯辅助模块为PP材质或耐电解液腐蚀的软质橡胶材料，正极集流体是铝带，负极集流体是铜带或镍带，所述的卷芯辅助模块在其封闭端设置插槽，正极集流体、负极集流体分别插接固定在卷芯辅助模块对应的端部插槽内。

所述的卷芯辅助模块为两块卷芯辅助模块沿卷芯的轴向对合组成的长方体结构，其内部设有与卷芯插接配合的柱形凹槽，两块卷芯辅助模块在其对合面上设有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯辅助模块上设有内外贯通的通孔或通槽。

所述的卷芯辅助模块为两块卷芯辅助模块沿卷芯的外周边对合组成的长方体结构，其内部设有与卷芯插接配合的弧形凹槽，两块卷芯辅助模块在其对合面上设有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯辅助模块上设有内外贯通的通孔或通槽；两块卷芯辅助模块沿卷芯的外周边对合方式包括上、下对合结构和左、右对合结构。

在铝塑膜外包装袋的袋口处预制有注液口，圆柱卷芯的个数为2～4个。

所述的卷芯中的隔膜的组成如下：以聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜为基体，在基体表面涂敷由聚合物胶体材料和无机填料组成的涂层；所述的聚合物胶体材料是由聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯组成的混合物；所述的无机填料是由纳米级无机粉体材料三氧化二铝、二氧化硅的一种或其混合物组成。

所述的聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜基体选用聚丙烯微孔薄膜或者聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合微孔隔膜；所述的无机填料粒度是50nm-200nm；所述隔膜涂层厚度为1-5μm；经过涂聚合物胶体材料和无机填料处理的隔膜孔隙率在30%-50%之间；所述隔膜涂层厚度优选为2-3μm。所述无机填料的重量占涂层聚合物胶体材料重量的30%-100%。

聚合物胶体材料中的聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物占总体聚合物胶体材料重量的40%-70%；聚丙烯腈占总体聚合物胶体材料重量的5%-20%；聚甲基丙烯酸甲酯占总体聚合物胶体材料重量的10%-40%；聚合物胶体材料所用溶剂选自下列溶剂的一种或几种：丁酮、丙酮、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、乙醇、碳酸二乙酯、丁醇。

前述的圆柱卷芯防爆锂离子电池的加工方法包括如下步骤：

1.将卷芯单元的正、负极耳采用超声波焊接的形式焊接到正、负极集流体上；

2.将卷芯与正、负极集流体置入两块卷芯辅助模块内，正、负极集流体从卷芯辅助模块插槽内引出；

3.将两块卷芯辅助模块的凸柱和凹槽对位后连接，将卷芯、卷芯辅助模块装配到一起；

4.将正负极集流体采取激光焊接或超声波焊接的形式焊接到外极耳上；

5.在正负极集流体外表面粘贴保护胶带；

6.将装配好的卷芯置入铝塑膜外包装袋内；

7.在外极耳与铝塑膜包装袋袋口接触处涂一层胶，将外极耳与铝塑膜包装袋一起高温挤压封装，并预留注液口；

8.最后对电池进行注液、化成后密封注液口。

本发明的锂离子电池及加工方法，相比较金属或塑料等硬质壳体的锂离子电池，具有以下优点：（1）生产工艺简单，成本低。硬质壳体的锂离子电池，特别是金属壳体的卷绕式圆柱锂离子电池（以钢壳18650圆柱电池为例），需要进行负极极耳与壳体底部焊接、滚槽、正极极耳与盖帽焊接、封口等一系列的复杂工艺流程，增加了生产成本。铝塑膜包装的软包锂离子电池工艺相对简单，原材料成本也低于金属壳体的锂离子电池。（2）安全性能优于硬质壳体的锂离子电池。硬质壳体的锂离子电池在使用不当的情况下，内部容易产生高气压，导致电池***。而铝塑膜包装耐气压强度低，解决了电池***的问题。（3）结合了圆柱形卷芯电池工艺简单、生产效率高的优点，工艺成熟稳定，生产成本低，生产效率高。同时本发明的电池用隔膜为凝胶聚合物电解质膜，其采用以聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物电解质胶体为基质，加入聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、无机纳米级粉体材料提高胶体的吸液能力、离子导电能力，采用聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜为聚合物胶体的基体，解决了聚合物电解质胶体薄膜机械强度难控制的问题。本发明调整聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的含量提高隔膜表面聚合物胶体粘结性能和聚合物非结晶物质含量，加入聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、无机纳米级粉体材料提高胶体的吸液能力、离子导电能力。综上本隔膜提高了电池的耐短路、耐针刺、抗冲击、抗挤压能力，进而提高和改善了锂离子电池的安全性能。

附图说明

图1为一种实施例的半剖结构示意图。

图2为一种卷芯辅助模块三视图，其中图2a为右视图，图2b为主视图，图2c为俯视图。

图3为另一种卷芯辅助模块的装配图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对其技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1，包括外壳、外极耳1、圆柱形卷芯7和电解液。其中：圆柱形卷芯7是由两个卷芯单元并联连接组成，两个卷芯单元被两块卷芯辅助模块8夹持固定在其中，外壳采用铝塑膜软包装袋9，两个外极耳1被密封粘接在铝塑膜软包装袋9的袋口处，所有卷芯单元的极耳6通过对应的正负极集流体5与外极耳1连接。卷芯辅助模块8为PP材质或耐电解液腐蚀的软质橡胶材料，圆柱卷芯7的优选个数为2～4个。在外极耳1与铝塑膜外包装袋9的袋口封装面上预制有极耳紧固片3，材质为PP材质，用于连接和固定极耳，便于铝塑膜对卷芯辅助模块密封。在铝塑膜外包装袋的袋口处预制有注液口2。

实施例2，参照附图2，在实施例1的基础上，所述的卷芯辅助模8为两块卷芯辅助模块8沿卷芯的轴向对合组成的长方体结构，其内部设有与卷芯7插接配合的柱形凹槽。两块卷芯辅助模块8在其对合面上设有相互插接配合的凸柱8-1和凹槽8-2，凸柱和凹槽起到固定两块卷芯辅助模块的作用。卷芯辅助模块上设有内外贯通的通孔或通槽8-4，作为电芯注液的通道。卷芯辅助模块8在其封闭端设置插槽8-3（对应图1中的4），正极集流体、负极集流体5分别插接固定在卷芯辅助模块8对应的端部插槽8-3内。

实施例3，参照附图3，结合实施例2，卷芯辅助模块还可以采用两块卷芯辅助模块8沿卷芯7的外周边对合组成的长方体结构，其内部设有与卷芯7插接配合的弧形凹槽。

  优选的是：外极耳为折成L型的镍带或铝带，下端折角方便与正负极集流体进行焊接。为了增加外极耳和铝塑膜包装材料之间的密封度，在外极耳与铝塑膜包装材料接触处涂一层胶。卷芯辅助模块能够保护卷芯免受挤压力、碰撞力等外力的损伤。同时又起到了辅助注液的作用，使电解液能充分浸润卷芯。

围绕上述电池的加工方法是：

1.按照圆柱形卷芯的方式准备好卷芯单元，将卷芯单元的正、负极耳采用超声波焊接的形式焊接到正、负极集流体上；

2.将卷芯与正、负极集流体置入两块卷芯辅助模块内，正、负极集流体从卷芯辅助模块插槽内引出；

3.将两块卷芯辅助模块的凸柱和凹槽对位后连接，将卷芯、卷芯辅助模块装配到一起；

4.将正负极集流体采取激光焊接或超声波焊接的形式焊接到外极耳上；

5.在正负极集流体外表面粘贴保护胶带；

6.将装配好的卷芯置入铝塑膜外包装袋内；

7.在外极耳与铝塑膜包装袋袋口接触处涂一层胶，提高外极耳与铝塑膜包装材料之间的密封，将外极耳与铝塑膜包装袋一起高温挤压封装，并预留注液口；

8.最后对电池进行注液、化成后密封注液口。

以下提供本发明中卷芯所采用的隔膜制备的几个典型实施例。

实施例4

将3000g聚偏氟乙烯、6000g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到50000g丙酮、2000g乙酸乙酯、1000g乙醇溶剂中，溶解温度40-80℃，再加入2500g三氧化二铝、2500g二氧化硅进行搅拌分散，制得粘稠状浆体。用涂敷设备将制备的粘稠状浆体涂敷在聚丙烯微孔薄膜上，涂敷浆体的隔膜在涂敷设备烘箱内进行烘干，烘干后的隔膜在经过80℃真空烘烤，除去残留的溶剂，便得到前述实施例中卷芯所用的隔膜，根据锂离子动力电池生产厂家需求，隔膜经分切，可做成不同宽度隔膜。

实施例5

将3000g聚偏氟乙烯、3000g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、4500g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到15000g丙酮、15000g四氢呋喃、2000g乙酸乙酯、1000g乙醇溶剂中，溶解温度40-80℃，再加入5000g三氧化二铝进行搅拌分散，制得粘稠状浆体，用涂敷设备将制的粘稠状浆体涂敷在聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜上，涂敷浆体的隔膜在涂敷设备烘箱内进行烘干，烘干后的隔膜在经过80℃真空烘烤，除去残留的溶剂，便得到前述实施例中卷芯所用的隔膜，根据锂离子动力电池生产厂家需求，隔膜经分切，可做成不同宽度隔膜。

实施例6

将4000g聚偏氟乙烯、6000g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到50000g N-甲基吡咯烷酮、2000g乙酸乙酯、1000g乙醇溶剂中，溶解温度40-80℃，再加入6000g三氧化二铝进行搅拌分散，制得粘稠状浆体，用涂敷设备将制的粘稠状浆体涂敷在聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜上，涂敷浆体的隔膜在涂敷设备烘箱内进行烘干，烘干后的隔膜在经过80℃真空烘烤，除去残留的溶剂，便得到前述实施例中卷芯所用的隔膜，根据锂离子动力电池生产厂家需求，隔膜经分切，可做成不同宽度隔膜。

实施例7

将4000g聚偏氟乙烯、6000g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到25000g丁酮、25000g四氢呋喃、1000g碳酸二乙酯、1000g乙酸乙酯、1000g丁醇溶剂中，溶解温度40-80℃，再加入3500g三氧化二铝、2500g二氧化硅进行搅拌分散，制得粘稠状浆体，用涂敷设备将制的粘稠状浆体涂敷在聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜上，涂敷浆体的隔膜在涂敷设备烘箱内进行烘干，烘干后的隔膜在经过80℃真空烘烤，除去残留的溶剂，便得到前述实施例中卷芯所用的隔膜，根据锂离子动力电池生产厂家需求，隔膜经分切，可做成不同宽度隔膜。

实施例8

将5000g聚偏氟乙烯、4000g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到25000g丁酮、25000g四氢呋喃、1000g碳酸二乙酯、1000g乙酸乙酯、1000g丁醇溶剂中，溶解温度40-80℃，再加入6500g二氧化硅进行搅拌分散，制得粘稠状浆体，用涂敷设备将制的粘稠状浆体涂敷在聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜上，涂敷浆体的隔膜在涂敷设备烘箱内进行烘干，烘干后的隔膜在经过80℃真空烘烤，除去残留的溶剂，便得到前述实施例中卷芯所用的隔膜，根据锂离子动力电池生产厂家需求，隔膜经分切，可做成不同宽度隔膜。

实施例9

将3000g聚偏氟乙烯、6000g偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到50000g N-甲基吡咯烷酮、1000g碳酸二乙酯、1000g乙酸乙酯、1000g丁醇溶剂中，溶解温度40-80℃，再加入7500g三氧化二铝进行搅拌分散，制得粘稠状浆体，用涂敷设备将制的粘稠状浆体涂敷在聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜上，涂敷浆体的隔膜在涂敷设备烘箱内进行烘干，烘干后的隔膜在经过80℃真空烘烤，除去残留的溶剂，便得到前述实施例中卷芯所用的隔膜，根据锂离子动力电池生产厂家需求，隔膜经分切，可做成不同宽度隔膜。

对于所公开的实施例的上述说明，仅为本发明较佳的实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡是依照本发明申请专利范围内的内容作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种圆柱卷芯防爆锂离子电池，包括外壳、外极耳、圆柱形卷芯和电解液，其特征是：圆柱形卷芯是由多个卷芯单元并联连接组成，多个卷芯单元被两块卷芯辅助模块夹持固定在其中，外壳采用铝塑膜软包装袋，外极耳在铝塑膜外包装袋的袋口封装面上与PP材质的极耳紧固片粘接固定后，被密封粘接在铝塑膜软包装袋的袋口处，所有卷芯单元的极耳通过对应的正、负极集流体与外极耳连接，卷芯辅助模块为PP材质或耐电解液腐蚀的软质橡胶材料，正极集流体是铝带，负极集流体是铜带或镍带，所述的卷芯辅助模块在其封闭端设置插槽，正极集流体、负极集流体分别插接固定在卷芯辅助模块对应的端部插槽内。

2.根据权利要求1所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征是：所述的卷芯辅助模块为两块卷芯辅助模块沿卷芯的轴向对合组成的长方体结构，其内部设有与卷芯插接配合的柱形凹槽，两块卷芯辅助模块在其对合面上设有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯辅助模块上设有内外贯通的通孔或通槽。

3.根据权利要求1所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征是：所述的卷芯辅助模块为两块卷芯辅助模块沿卷芯的外周边对合组成的长方体结构，其内部设有与卷芯插接配合的弧形凹槽，两块卷芯辅助模块在其对合面上设有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯辅助模块上设有内外贯通的通孔或通槽；两块卷芯辅助模块沿卷芯的外周边对合方式包括上、下对合结构和左、右对合结构。

4.根据权利要求2或3所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征是：在铝塑膜外包装袋的袋口处预制有注液口，圆柱卷芯的个数为2～4个。

5.根据权利要求1所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征在于：所述的卷芯中的隔膜的组成如下：以聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜为基体，在基体表面涂敷由聚合物胶体材料和无机填料组成的涂层；所述的聚合物胶体材料是由聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯组成的混合物；所述的无机填料是由纳米级无机粉体材料三氧化二铝、二氧化硅的一种或其混合物组成。

6.根据权利要求5所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征是：所述的聚丙烯、聚乙烯材质的隔膜基体选用聚丙烯微孔薄膜或者聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合微孔隔膜；所述的无机填料粒度是50nm-200nm；所述隔膜涂层厚度为1-5μm；经过涂聚合物胶体材料和无机填料处理的隔膜孔隙率在30%-50%之间；所述隔膜涂层厚度优选为2-3μm。

7.根据权利要求6所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征是：无机填料的重量占涂层聚合物胶体材料重量的30%-100%。

8.根据权利要求7所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征是：聚合物胶体材料中的聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物占总体聚合物胶体材料重量的40%-70%；聚丙烯腈占总体聚合物胶体材料重量的5%-20%；聚甲基丙烯酸甲酯占总体聚合物胶体材料重量的10%-40%。

9.根据权利要求7所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池，其特征是：聚合物胶体材料所用溶剂选自下列溶剂的一种或几种：丁酮、丙酮、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、乙醇、碳酸二乙酯、丁醇。

10.根据4-9任一权利要求所述的圆柱卷芯防爆锂离子电池的加工方法，其特征在于包括如下步骤：

将卷芯单元的正、负极耳采用超声波焊接的形式焊接到正、负极集流体上；

将卷芯与正、负极集流体置入两块卷芯辅助模块内，正、负极集流体从卷芯辅助模块插槽内引出；

将两块卷芯辅助模块的凸柱和凹槽对位后连接，将卷芯、卷芯辅助模块装配到一起；

将正负极集流体采取激光焊接或超声波焊接的形式焊接到外极耳上；

在正负极集流体外表面粘贴保护胶带；

将装配好的卷芯置入铝塑膜外包装袋内；

在外极耳与铝塑膜包装袋袋口接触处涂一层胶，将外极耳与铝塑膜包装袋一起高温挤压封装，并预留注液口；

（8）最后对电池进行注液、化成后密封注液口。

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