CN111490298A - 一种叠片式软包电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叠片式软包电池。本发明通过将正极极片与负极极片错位尺寸叠放，并控制正极极片的第一边缘和负极极片的第一边缘距离A>正极极片的第二边缘和负极极片的第二边缘距离B，特别是选取A‑B＝0.5～1.5mm、负极极片中活性材料层覆盖正极极片中活性材料层、隔膜的尺寸、以及叠片式软包电池为软包方形电池等参数，使得电芯中隔膜更有效地包覆正极极片及正负极极耳，隔膜在Tab焊接或烘烤后有一定的收缩也能更有效的降低极耳与对应极片边缘短接的风险，也可以降低极耳附近的锂枝晶短接正负极的风险，有效的提高电池的安全性能。

Description

一种叠片式软包电池

技术领域

本发明属于软包电池领域，具体涉及一种叠片式软包电池。

背景技术

由于能源紧缺和环境污染的问题，电动汽车在近二十年来得到了快速迅猛的发展。近年来，在我国决心大力发展新能源汽车的背景下，尤其是2014年之后，新能源汽车产业的发展势不可挡。

然而随着电动汽车的商业化应用数量增加，电动汽车用锂离子动力电池的自燃、起火***事件时有发生，目前正是电动汽车行业发展的关键时机，任何一起电动汽车安全事故不仅仅对当事的制造企业造成重大影响，也是对整个行业的沉重打击，所以提升动力电池的安全性是整个行业及每个制造企业需重视提升的关键问题。

现有技术中叠片的常规设计为：①常规软包叠片正负极堆放方式为上下错位尺寸一致(同侧极耳朝上)，因正负极耳充放电过程电流集中密度大，极耳负极区域比电芯本体其它区域发热严重，电池大倍率反复循环充放电发热后隔膜会有一定的收缩，正极耳箔材有触碰负极片边缘造成瞬间内部短路燃烧的安全隐患；②现有设计正、负极片冲切后在极耳敷料宽度均在0.5～2mm，若极片叠片堆叠后正极耳敷料宽度大于负极敷料宽度，电芯在反复充放电过程正极耳敷料附近区域锂离子易堆积形成锂枝晶，具有刺穿隔膜造成电芯内部短路燃烧风险；③叠片后电芯在超声波焊接时，因能量较大，连续焊接后的焊头温度较高，对靠近极耳隔膜有一定热量冲击后，隔膜会有一定收缩的风险，降低了隔膜能够有效包裹的正极片；④软包电芯内部短路燃烧率偏高的原因主要极耳与负极片上边短接导致，或负极耳敷料附近锂枝晶累积一定程度后刺穿隔膜与正极片边缘短路造成，而且叠片后经过多工序流转动作(叠片后包覆不严、吸盘机械手、Tab焊接、包膜、受压测短路等)后，造成电芯内部正、负极片有一定受力移位，1～4层外层正负极片更易错位，极耳与极片第一边缘的短路风险增加。

CN204407427U公开了一种动力储能软包锂离子电池。所述动力储能软包锂离子电池包括电芯和极耳，电芯是由正极片和负极片叠加而成，正极片包括铝箔和涂覆铝箔上的正极活性物质，负极片包括铜箔和涂覆铜箔上的负极活性物质，正极片顶端预留铝箔的宽度为负极片顶端预留铜箔宽度的两倍，叠加后的正极片上焊接一个正极极耳，电芯的上半部分负极片和下半部分负极片各焊接一个负极极耳，正极极耳宽度为负极极耳宽度的两倍。但是所述锂离子电池无法解决电芯内部正、负极片受力易发生错位，进而造成极耳与极片第一边缘的短路风险增加。

CN106532105A公开了一种内串软包锂离子电池及其制备方法。所述内串软包锂离子电池主要由上层铝塑壳、下层铝塑壳、中间层铝塑膜、上层电芯、下层电芯组成。上下两层电芯为卷绕电芯或叠片电芯，两电芯正负极耳位置相反，将下层电芯放入下层铝塑壳中，盖上一层PP/Al/PP铝塑膜，叠加放入上层电芯和上层铝塑壳，依次进行封装，上下电芯正负极焊接，烘烤，注液，化成，抽液成型，分容。但是所述锂离子电池的安全性能较差。

因此，本领域需要开发一种安全性较高电池的叠片结构，所述叠片结构可以有效的降低电芯内部短路风险，提升电芯的安全性能。

发明内容

针对现有技术中，常规软包叠片正负极堆放方式易造成电芯内部短路燃烧，电芯安全性能较差的问题。本发明的目的在于提供一种叠片式软包电池。本发明所述软包电池的叠片方式可以有效的降低电芯内部短路风险，提升电芯的安全性能。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种叠片式软包电池，所述叠片式软包电池包括正极极片、负极极片和隔膜，且负极极片尺寸大于正极极片尺寸；所述叠片式软包电池中正极极耳和负极极耳在所述叠片式软包电池的同侧；正极极片中连接有极耳的一边为正极极片的第一边缘，与其相对的一边为正极极片的第二边缘；负极极片中连接有极耳的一边为负极极片的第一边缘，与其相对的一边为负极极片的第二边缘；其中，正极极片的第一边缘和负极极片的第一边缘距离为A，正极极片的第二边缘和负极极片的第二边缘距离为B，所述A>B，且0.5mm<B<3mm，例如0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.2mm、2.5mm或2.8mm等。

本发明中通过将正极极片与负极极片错位尺寸叠放，并控制A>B，可使得电芯中隔膜更有效地包覆正极极片及正负极极耳，隔膜在Tab焊接或烘烤后有一定的收缩也能更有效的降低极耳与对应极片边缘短接的风险，也可以降低极耳附近的锂枝晶短接正负极的风险。

本发明所述“第一边缘”可以为极片的上边缘，相对应的所述“第二边缘”可以为极片的下边缘。本发明所述正极极耳与正极极片的连接处，负极极耳与负极极片的连接处必须满足所述A>B的要求。

本发明应用于现有技术中的电池使用时，第一边缘距离和第二边缘距离的范围大致在0.5～3mm，对于3C类小电池，第一边缘距离和第二边缘距离的范围可以为0.5～2mm，对于动力电池，第一边缘距离和第二边缘距离的范围可以为1～3mm。

因此，当本发明的叠片式软包电池应用于3C产品中时，0.5mm<B<2mm；当本发明的叠片电池应用于动力电池中时，1mm<B<3mm。

优选地，所述A-B≥0.5mm。

优选地，所述A-B＝0.5～1.5mm(例如0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm或1.4mm等)，且满足50％>(A-B)/A≥30％，例如32％、34％、35％、36％、38％、40％、42％、45％或48％等。

如果A-B过小，则预防短路的效果不明显，如果A-B过大，意味着极耳埋入极片中的尺寸过短，会导致极耳固定不牢，影响电池稳定性。

优选地，所述负极极片的活性材料层尺寸>正极极片的活性材料层尺寸。

优选地，所述负极极片中活性材料层覆盖正极极片中活性材料层。

若极片叠片堆叠后正极极片敷料宽度大于负极极片敷料宽度，电芯在反复充放电过程正极耳敷料附近区域锂离子易堆积形成锂枝晶，具有刺穿隔膜造成电芯内部短路燃烧的风险，因此本发明选择负极极片中活性材料层完全覆盖正极极片中活性材料层。

优选地，所述叠片式软包电池中，电芯的叠片方式为：将负极极片、隔膜和正极极片反复依次堆叠，得到电芯。

本发明中电芯的堆叠方式：先放置一张规定规格尺寸的负极极片，依次叠放一层规定尺寸的隔膜，再叠放一张正极极片，按负极→隔膜→正极反复堆叠至规定层数，最下层为负极片。

本发明对于电芯的厚度、堆叠层数、正负极活性材料的选择不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

优选地，所述正极极耳连接在叠片式软包电池中最上层的正极极片上，所述负极极耳连接在叠片式软包电池中最下层的负极极片上。

本发明将依次放入在软包电池壳(即铝塑膜)上的负极极片、隔膜和正极极片作为一组极片，本发明所述最下层的负极极片为：在软包电池壳上第一次放入(第一组)的负极极片；本发明所述最上层的正极极片为：在软包电池壳上最后一次放入(最后一组)的正极极片。

本发明每一组极片中，负极极片、隔膜和正极极片的位置关系皆应满足本发明的要求。

优选地，所述隔膜的尺寸>正极极片的尺寸，且隔膜覆盖正极极片。

优选地，所述隔膜的尺寸<负极极片的尺寸，且负极极片覆盖隔膜。

优选地，所述叠片式软包电池为软包方形电池。

本发明所述叠片式软包电池的制备方法，包括如下步骤：

(1)将负极极片、隔膜和正极极片反复依次堆叠，并控制正极极片和负极极片的第一边缘距离为A，正极极片和负极极片的第二边缘距离为B，所述A>B，得到电芯；

(2)将所述电芯置于冲坑后的铝塑膜内，连接极耳并封装，注入电解液，得到叠片式软包电池。

作为优选技术方案，本发明所述一种叠片式软包电池的制备方法，包括如下步骤：

(1)将负极极片、隔膜和正极极片反复依次堆叠，隔膜覆盖正极极片，负极极片覆盖隔膜，并控制正极极片和负极极片的第一边缘距离为A，正极极片和负极极片的第二边缘距离为B，所述A-B＝0.5～1.5mm，且50％>(A-B)/A≥30％，所述负极极片中活性材料层覆盖正极极片中活性材料层，得到电芯；

(2)将得到的电芯装入软包外壳中，并将正极极耳连接在叠片式软包电池中最上层的正极极片上，所述负极极耳连接在叠片式软包电池中最下层的负极极片上；

(3)将软包外壳局部热合并留有一个充液口和一个出液口，通过电解液充液装置向软包外壳内连续充液并置换出所有内部空气，通过热合的方式对软包外壳进行封装。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明针对同侧极耳软包叠片电芯进行结构设计，通过将正极极片与负极极片错位尺寸叠放，并控制A和B之间的数值大小，特别是选取A-B＝0.5～1.5mm、负极极片中活性材料层覆盖正极极片中活性材料层、隔膜的尺寸、以及叠片式软包电池为软包方形电池等参数，使得电芯中隔膜更有效地包覆正极极片及正负极极耳，隔膜在Tab焊接或烘烤后有一定的收缩也能更有效的降低极耳与对应极片边缘短接的风险，也可以降低极耳附近的锂枝晶短接正负极的风险，有效的提高电池的安全性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的叠片式软包电池中正极极片和负极极片的结构示意图；

图2是本发明对比例提供的叠片式软包电池中正极极片和负极极片的结构示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明实施例所述叠片式软包电池中正极极片和负极极片的结构示意图如图1所示，其中1-负极极耳，2-正极极耳，3-负极极片，4-正极极片，所述负极极耳1连接在负极极片3上，正极极耳2连接在正极极片4上，A为正极极片和负极极片的第一边缘距离，B为正极极片和负极极片的第二边缘距离；

其中A＝1.7mm，B＝1mm；

本发明实施例中的叠片式软包电池，采用如下方法进行制备：

(1)将负极极片、隔膜和正极极片反复依次堆叠，隔膜覆盖正极极片，负极极片覆盖隔膜，并控制正极极片和负极极片的第一边缘距离为A，正极极片和负极极片的第二边缘距离为B，所述负极极片中活性材料层覆盖正极极片中活性材料层，得到电芯；

(2)将得到的电芯装入软包外壳中，并将正极极耳连接在叠片式软包电池中最上层的正极极片上，所述负极极耳连接在叠片式软包电池中最下层的负极极片上；

(3)将软包外壳局部热合并留有一个充液口和一个出液口，通过电解液充液装置向软包外壳内连续充液并置换出所有内部空气，通过热合的方式对软包外壳进行封装。

本发明中锂离子电池对材料的选择没有特别的要求，负极可以是锂箔，也可以由集电体和负极活性物质组成。

本发明实施方案中，所述锂箔可以是锂金属或锂合金。

本发明实施方案中，所述锂合金可以是铝锂合金、锂锡合金、锂铅合金、锂硅合金中的一种。

作为负极的一种可选方案，集电体和负极活性物质可以是现有技术中的常规负极；集电体可以是铜箔，负极活性物质可以是石墨、硅中的一种。

本发明实施方案中，负极活性物质可以通过与粘结剂组合形成活性物质层，所述粘结剂可以是聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素和聚乙烯醇中的一种或多种；粘合剂的用量可以为其常规用量；相对于100重量份的负极活性物质，粘合剂的用量可以为2-50％重量份。

本发明涉及的电池的正极包括正极集电体和正极活性物质。

本发明实施方案中，所述正极集电体的选择没有特殊限定，作为优选技术方案，所述正极集电体为铝箔。

本发明实施方案中，对于正极活性物质的选择没有特殊限定，作为优选技术方案，所述正极活性物质为LiCoO₂、LiMnO₂、LiNiO₂、LiVO₂、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂、LiMn₂O₄、Li₄Ti₅O₁₂、Li(Ni_0.5Mn_1.5)O₄、LiFePO₄、LiMnPO₄、LiNiPO₄、LiCoPO₄中的一种或几种。

作为本发明涉及的电池，可以应用于非水电解液体系锂电池，作为优选技术方案，所述非水电解液包括锂盐和非水溶剂，所述电池还包括隔膜，所述隔膜位于正极和负极之间。

作为优选技术方案，所述非水溶剂是碳酸亚乙酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、环丁砜、乙腈、1,2-二甲氧基乙烷、1,3-二甲氧基丙烷、二***、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃中的一种或几种。

作为优选技术方案，所述锂盐是LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃、LiN(CF₃SO₂)₂中的一种或几种。

特别优选技术方案中，非水电解液还可以包括其他各种添加剂，比如阻燃添加剂、过充保护添加剂等，所述添加剂是本领域中的公知常识，此处不再赘述。

本发明实施方案中，所述隔膜设置在正极和负极之间，具有电绝缘性能和液体保持性能。所述隔膜可以选自锂离子电池中所用的各种隔膜，如聚烯烃微多孔膜、聚丙烯、聚乙烯毡、玻璃纤维毡或超细玻璃纤维纸中的一种或几种。所述隔膜为本领域技术人员所公知。

本发明实施方案中，所述非水电解液体系锂电池的制备包括制备电池的正极、负极和电解液，并通过隔膜将正极和负极缠绕隔开形成电极组，将所述电极组置入电池壳，加入电解液，然后密封电池壳，其中，所述负极为本发明提供的负极。

作为本发明涉及的电池，可以应用于固态电解质体系，固体电解质材料可以为结晶性材料，也可以为非晶质材料。另外，固体电解质材料可以为玻璃，也可以为结晶化玻璃(玻璃陶瓷)。作为固体电解质材料的形状，例如可举出粒子状。

作为优选技术方案，所述固态电解质是氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、聚合物固态电解质中的一种。

本发明实施方案中，所述氧化物固态电解质作为氧化物系固体电解质，具体而言，可例示LiPON(磷酸锂氧氮化物)、Li_1.3Al_0.3Ti_0.7(PO₄)₃、La_0.51Li_0.34TiO_0.74、Li₃PO₄、Li₂SiO₂、Li₂SiO₄等。

本发明所使用的聚合物电解质通常含有金属盐和聚合物。在根据本发明的金属电池为锂电池的情况下，可以使用锂盐作为金属盐。作为锂盐，可以使用上述无机锂盐和有机锂盐中的至少任意一种。作为聚合物，只要与锂盐形成络合物就没有特别限定，例如可举出聚环氧乙烷等。

本发明实施方案中，作为硫化物固态电解质，例如可举出Li₂S－P₂S₅、Li₂S－P₂S₅－LiI、Li₂S－P₂S₅－Li₂O、Li₂S－P₂S₅－Li₂O－LiI、Li₂S－SiS₂、Li₂S－SiS₂－LiI、Li₂S－SiS₂－LiBr、Li₂S－SiS₂－LiCl、Li₂S－SiS₂－B₂S₃－LiI、Li₂S－SiS₂－P₂S₅－LiI、Li₂S－B₂S₃、Li₂S－P₂S₅－Z_mS_n(其中，m、n为正数；Z为Ge、Zn、Ga的任一者)、Li₂S－GeS₂、Li₂S－SiS₂－Li₃PO₄、Li₂S－SiS₂－Li_xMO_y(其中，x、y为正数；M为P、Si、Ge、B、Al、Ga、In的任一者)。予以说明，上述「Li₂S－P₂S₅」的记载是指使用包含Li₂S和P₂S₅的原料组合物而成的硫化物固体电解质材料，关于其它记载也同样。

本发明实施方案中，硫化物固体电解质材料除了上述离子传导体还可以含有卤化锂。作为卤化锂，例如可举出LiF、LiCl、LiBr和LiI，其中优选LiCl、LiBr和LiI。硫化物固体电解质材料中的LiX(X＝F、I、Cl、Br)的比例例如在5mol％～30mol％的范围内，可以在15mol％～25mol％的范围内。

作为本发明所使用的固体电解质，除了上述以外，例如可举出Li₂Ti(PO₄)₃-AlPO₄(Ohara玻璃)等。

本发明对比例所述叠片式软包电池中正极极片和负极极片的结构示意图如图2所示，其中11-负极极耳，21-正极极耳，31-负极极片，41-正极极片，所述负极极耳11连接在负极极片31上，正极极耳21连接在正极极片41上，A1为正极极片和负极极片的第一边缘距离，B1为正极极片和负极极片的第二边缘距离；其中A1＝B1＝1mm。

本对比例与实施例除了第一边缘距离数值不同外，其余选择相同的条件下(即采用与实施例相同的正负极活性材料、电解液、隔膜等)，实施例得到的电池相对于对比例得到的电池，短接风险较小，安全性能较高。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种叠片式软包电池，其特征在于，所述叠片式软包电池包括正极极片、负极极片和隔膜，且负极极片尺寸大于正极极片尺寸；所述叠片式软包电池中正极极耳和负极极耳在所述叠片式软包电池的同侧；正极极片中连接有极耳的一边为正极极片的第一边缘，与其相对的一边为正极极片的第二边缘；负极极片中连接有极耳的一边为负极极片的第一边缘，与其相对的一边为负极极片的第二边缘；

其中，正极极片的第一边缘和负极极片的第一边缘距离为A，正极极片的第二边缘和负极极片的第二边缘距离为B，所述A>B。

2.如权利要求1所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述A-B≥0.5mm，且0.5mm<B<3mm。

3.如权利要求1或2所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述A-B＝0.5～1.5mm，且50％>(A-B)/A≥30％。

4.如权利要求1-3之一所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述负极极片中活性材料层尺寸>正极极片中活性材料层尺寸。

5.如权利要求1-4之一所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述负极极片中活性材料层覆盖正极极片中活性材料层。

6.如权利要求1-5之一所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述叠片式软包电池中，电芯的叠片方式为：将负极极片、隔膜和正极极片反复依次堆叠，得到电芯。

7.如权利要求1-6之一所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述正极极耳连接在叠片式软包电池中最上层的正极极片上，所述负极极耳连接在叠片式软包电池中最下层的负极极片上。

8.如权利要求1-7之一所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述隔膜的尺寸>正极极片的尺寸，且隔膜覆盖正极极片。

9.如权利要求1-8之一所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述隔膜的尺寸<负极极片的尺寸，且负极极片覆盖隔膜。

10.如权利要求1-9之一所述的叠片式软包电池，其特征在于，所述叠片式软包电池为软包方形电池。

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