CN109786589A - 一种棱柱形锂离子电池及制备方法，以及其组成的电池模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棱柱形锂离子电池及其制备方法，以及其组成的电池模组，属锂离子电池领域。包括金属外壳、盖帽、卷芯和电解液；盖帽位于金属外壳的端部；卷芯由正、负极与隔膜卷绕而成；卷芯及电解液位于金属外壳的内部；金属外壳为棱柱形。并公开了一种棱柱形锂离子电池构成的电池模组，该电池模组由m个棱柱形锂离子电池串联组成电池模组M，再由n个电池模组M并联组成电池模组N。在模组过程中，由原来传统的圆柱型锂离子电池金属外壳外部间隙转移到金属外壳内部，金属外壳为棱柱形，组装后电池模组的外形尺寸仅在长或宽的一个方向增加2.8mm，高度保持不变或略有减少。金属外壳内部空间增加，增加了注液量，增大气室空间，提升电池的循环性能、温度循环特性。

Description

一种棱柱形锂离子电池及制备方法，以及其组成的电池模组

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，特别涉及一种棱柱形锂离子电池及制备方法，以及其组成的电池模组。

背景技术

圆柱形锂离子电池与方形铝壳电池、软包电池等相比具有体积小巧、便于散热、自动化程度高、一致性好等优点，可以灵活组装后应用于各类电动工具、交通工具。

目前市场对高能量密度电芯的需求量逐渐增加，圆柱形高能量密度电芯多数采用高克容量、高压实的正负极主粉以及增加正极主粉在整个电芯中的质量比来实现。为增加电芯壳体内锂离子电池活性物质的质量，最大化的利用壳体的内部空间，正/负极片、隔膜宽度有所增加，电芯的装配比有所提高，导致电芯的剩余空间非常有限，没有足够的空间来容纳所需的电解液，且电芯剩余空间小，即电芯的气室狭小。

注液量不足时，尤其是应用于含硅负极，循环过程中锂离子在硅负极嵌入脱出使极片不断收缩膨胀，造成负极表面的SEI膜(固体电解质界面膜，solid electrolyteinterface)不断破坏重组，在SEI膜重组过程中对电解液锂盐有较多消耗，锂盐不足将导致电芯在循环后期容量急剧衰减，电池或者电池组失效无法使用的现象。

为了追求更高的能量密度，提高有效活性物质在电芯壳体内部的利用率，壳体注液后剩余空间狭小，即电芯内部气室狭小，电池在温度循环、常温循环中电解液分解产生CO2等气体，由于电芯气室狭小导致电芯内压增大，CID(即current interrupt device电流切断装置)断开或防爆阀破裂。

高能量长寿命的锂离子电池，技术上既要保证电芯具有足够的电解液量且电芯内部气室空间充足，而目前圆柱形锂离子电池无论在电解液的添加量还是内部空间的利用率，都已经利用到了极致状态，改善的难度越来越大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：既要保证锂电池内部电芯具有足够的电解液含量，又要在电芯内部气室空间充足，只有设法增加金属外壳内部空间，可用于增加注液量，增大气室空间，提升电池的循环性能、温度循环特性；同时又能在锂离子电池模组过程(模组过程是由几颗到数百颗电池芯经由并联和/或串联所组成的多个封装的过程)中没有比较大的尺寸变化，保证电池模组后电池组的整体体积基本不变；本发明方案提出一种棱柱形锂离子电池，内部直径仍然采用与传统圆柱形锂离子电池相同，利用棱柱形边角的位置增加了内部空间，从而有效的解决了上述问题，并且外部尺寸没有很大的变化。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种棱柱形锂离子电池，包括金属外壳、盖帽、卷芯和电解液；所述的盖帽位于金属外壳的端部；所述的卷芯由正、负极与隔膜卷绕而成；所述的卷芯及电解液位于金属外壳的内部；特征在于：所述金属外壳为棱柱。

进一步的，所述的金属外壳棱柱为直棱柱。

进一步的，所述的金属外壳棱柱为正棱柱。

更进一步的，所述的金属外壳棱柱为正六棱柱。

所述卷芯为圆柱形。

所述金属外壳横截面的棱角处壁厚为直边段壁厚的1.1-1.5倍。

本发明还提供了一种棱柱形锂离子电池的制备方法，所述制备方法包括：(a)将正极片、负极片和隔膜相叠，隔膜介于正负极片之间，卷成卷芯，(b)将所述卷芯和电解液容纳在棱柱形金属外壳中，(c)将所述盖帽密封于金属外壳的端部。

进一步的，所述步骤(a)卷成卷芯的步骤中将卷芯卷成圆柱形，所述步骤(b)中将卷芯和电解液容纳在正六棱柱形金属外壳中，并且所述金属外壳横截面的棱角处壁厚为直边段壁厚的1.1-1.5倍，所述步骤(c)中将所述的将所述正六边形盖帽密封于正六棱柱形金属外壳的端部。

一种棱柱形锂离子电池构成的电池模组，其特征在于，所述的电池模组由m个棱柱形锂离子电池串联组成电池模组M，m≥2。

进一步的，所述的电池模组由n个电池模组M并联组成电池模组N，n≥2。

与现有技术相比，本技术方案的优点在于：

本发明的技术方案将锂离子电池的金属外壳横截面设计为正六边形，在模组过程(模组过程是由几颗到数百颗电池芯经由并联和/或串联所组成的多个封装的过程)中，由原来传统的圆柱型锂离子电池金属外壳外部间隙转移到金属外壳内部，金属外壳为棱柱形，模组后电池组的外形尺寸：仅在宽度或长度方向增大2.8mm,另一方向保持不变，电池金属外壳内部空间增加10％，可用于增加注液量，增大气室空间，提升电池的循环性能、温度循环特性；由该棱柱形外壳组装的电池模组同时具有较好的循环性能与温度循环特性。

本发明的技术方案将棱柱形金属外壳横截面的棱角处壁厚为直边段壁厚的1.1-1.5倍，金属外壳棱柱位置加厚，提高了锂离子电池的机械强度，加强了支撑作用，提升了锂离子电池的安全性能。

附图说明

图1是本发明棱柱形电池的组装部件及外形结构示意图。

图2是本发明棱柱形电芯棱角处壁厚与直边段壁厚细节示意图。

图3是由10串4并棱柱电池组成的36V电池模组示意图。

图4是36V圆柱形电池模组(Ⅰ)与棱柱形电池模组(Ⅱ)横截面尺寸对比图。

其中：1-正六边形盖帽；2-卷芯；3-极耳；4-金属外壳；5-上下绝缘垫片；T1-直边段壁厚；T2-棱角处壁厚；A-棱柱形金属外壳横截面边长；D-圆柱形金属外壳横截面直径；L1-圆柱形电池模组长；W1-圆柱形电池模组宽；L2-棱柱形电池模组长；W2-棱柱形电池模组宽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的内容作进一步说明。

本发明在18650卷绕式圆柱型锂离子电池上实施，设计容量2.6mAh，电池制作的流程包括：配料、涂布、压片、切片、制片、卷绕、装配、注液、封口、化成、老化及分容。其锂离子电池具体制作步骤如下：

正极活性涂层各成分的重量比例为：镍钴锰酸锂：92％，PVDF：5％，Super.p：3％，将上述原料配制成浆料，溶剂为NMP，其负极活性涂层各成分的重量比例为：石墨：95％，CMC：2％，SBR：3％，溶剂为去离子H2O。采用涂布机将所得正负极浆料分别涂覆在铝箔及铜箔集流体上，正极单面涂覆面密度240g/㎡，并辊压成149um厚度的正极片，负极单面涂覆面密度125g/㎡，并辊压成136um厚度的负极片。将制成的正极、负极片和隔膜相叠后卷成卷芯，其中隔膜介于正负极片之间。将上述卷芯随机均分为6份，分别用于实施例1-4及对比例1-2。

实施例1

取1份上述卷芯放入上下绝缘垫片，采用正六棱柱形铝壳(棱角处壁厚(T2)为直边段壁厚(T1)的1.3倍，即T2/T1＝1.3)，与正六边形盖帽进行装配，并注液5.5g，采用激光点焊封口完成制备，将所述盖帽密封于金属外壳的端部。

实施例2

取1份上述卷芯放入上下绝缘垫片，采用正六棱柱形铝壳(棱角处壁厚(T2)为直边段壁厚(T1)的1.3倍，即T2/T1＝1.3)与正六边形盖帽进行装配，并注液5.0g，采用激光点焊封口完成制备。

实施例3

取1份上述卷芯放入上下绝缘垫片，采用正六棱柱形铝壳(棱角处壁厚(T2)为直边段壁厚(T1)的1.1倍，即T2/T1＝1.1)与正六边形盖帽进行装配，并注液5.5g，采用激光点焊封口完成制备。

实施例4

取1份上述卷芯放入上下绝缘垫片，采用正六棱柱形铝壳(棱角处壁厚(T2)为直边段壁厚(T1)的1.5倍，即T2/T1＝1.5)与正六边形盖帽进行装配，并注液5.5g，采用激光点焊封口完成制备。

对比例1

取1份上述卷芯放入上下绝缘垫片，采用圆柱形铝壳与圆形盖帽进行装配，并注液5.5g，采用激光点焊封口完成制备。

对比例2

取1份上述卷芯放入上下绝缘垫片，采用圆柱形铝壳与圆形盖帽进行装配，并注液5.0g，采用激光点焊封口完成制备。

将上述实施例1-4与对比例1-2封口后的电芯搁置24h,以小电流390mA老化后，按照1300mAh的电流进行分容，分容后的锂离子电池按照UL标准进行常温循环与温度循环特性的测试。具体测试方法如下：

常温循环测试工步：25℃条件下分别取实施例1-4与对比例1-2电池4PCS，1C4.2V恒流恒压充电至截止电流0.01C，然后0.5C恒流放电至2.75V，重复以上充放电工步，观测电芯的常温循环性能；

温度循环特性方法：分别取实施例1-4与对比例1-2电池4PCS，进行温度循环测试，标准充电后搁置1h，标准放电后搁置1h，记录电池的电压、内阻、重量，放入变温箱，变温箱以25℃、-40℃、25℃、85℃、25℃在规定时间内进行温度交替，并重复以上温度变化5次，观察1h，测试电池的电压、内阻、重量。

测试结果如表1

表1

实施例5

将上述实施例1中的棱柱形电池(A＝10.6mm)组装成10串4并36V电池模组，棱柱电池模组的标称容量10.4Ah，模组的长(L2)为192.2mm，宽(W2)为68.6mm。

对比例3

将上述对比例1中的圆柱形电池(D＝18.3mm)组装成10串4并36V电池模组，棱柱电池模组的标称容量10.4Ah，模组的长(L1)为192.2mm，宽(W1)为65.8mm。

模组常温循环测试工步：25℃条件下分别取实施例5与对比例3电池电池模组，1C4.2V恒流恒压充电至截止电流0.01C，然后0.5C恒流放电至2.75V，重复以上充放电工步，观测电池模组的常温循环性能；

模组温度循环特性方法：分别取实施例5与对比例3电池模组，进行温度循环测试，标准充电后搁置1h，标准放电后搁置1h，记录电池模组的电压、内阻、重量，放入变温箱，变温箱以25℃、-40℃、25℃、85℃、25℃在规定时间内进行温度交替，并重复以上温度变化5次，观察1h，测试电池模组的电压、内阻、重量。

测试结果如表2

表2

通过所述实施例与对比例比较，使用本发明六边柱形铝壳与盖帽的电池，可以增大气室与增加注液量，改善常温循环性能与温度循环特性。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种棱柱形锂离子电池，包括金属外壳、盖帽、卷芯和电解液，其特征在于：

所述的盖帽位于金属外壳的端部；

所述的卷芯由正极、负极与隔膜卷绕而成；

所述的卷芯及电解液位于金属外壳的内部；

所述金属外壳为棱柱形。

2.根据权利要求1所述的一种棱柱形锂离子电池，其特征在于，所述的金属外壳棱柱形为正棱柱形。

3.根据权利要求2所述的一种棱柱形锂离子电池，其特征在于，所述的金属外壳棱柱形为正六棱柱形，所述盖帽是正六边形。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种棱柱形锂离子电池，其特征在于，所述卷芯为圆柱形。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种棱柱形锂离子电池，其特征在于，所述金属外壳横截面的棱角处壁厚为直边段壁厚的1.1-1.5倍。

6.根据权利要求4所述的一种棱柱形锂离子电池，其特征在于，所述金属外壳横截面的棱角处壁厚为直边段壁厚的1.1-1.5倍。

7.一种棱柱形锂离子电池的制备方法，所述包括金属外壳、盖帽、卷芯和电解液，其特征在于，所述制备方法包括：

(a)将正极片、负极片和隔膜相叠，隔膜介于正负极片之间，卷成卷芯，

(b)将所述卷芯和电解液容纳在棱柱形金属外壳中，

(c)将所述卷芯负极与金属外壳相连，所述的卷芯正极与盖帽相连，

(d)将所述盖帽密封于金属外壳的端部。

8.根据权利要求7所述的一种棱柱形锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(a)卷成卷芯的步骤中将卷芯卷成圆柱形，所述步骤(b)中将卷芯和电解液容纳在正六棱柱形金属外壳中，并且所述金属外壳横截面的棱角处壁厚为直边段壁厚的1.1-1.5倍，所述步骤(c)中将所述的卷芯正极与正六边形盖帽相连，所述步骤(d)中将将所述正六边形盖帽密封于正六棱柱形金属外壳的端部。

9.权利要求1、2、3或6中任意一项所述的一种棱柱形锂离子电池构成的电池模组，其特征在于，

所述的电池模组由m个棱柱形锂离子电池串联组成电池模组M，m≥2。

10.据权利要求9所述的一种棱柱形锂离子电池构成的电池模组，其特征在于，

所述的电池模组由n个电池模组M并联组成电池模组N，n≥2。