CN112072006A - 一种电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种电池及其制作方法,属于电池技术领域。电池包括金属外壳、多极耳圆柱卷芯、带底金属圆筒、正极盖板、负极盖板、正极汇流片、负极汇流片、导热绝缘片、正极绝缘支架和负极绝缘支架；多极耳圆柱卷芯的正极端位于带底金属圆筒底部，另一端为负极,多极耳圆柱卷芯的正极极耳与负极极耳分别从卷芯的两端伸出；多极耳圆柱卷芯的正极极耳穿过带底金属圆筒底部的通孔,与带底金属圆筒的底部逐一焊接的方式连接在一起；多极耳圆柱卷芯的负极极耳穿过负极绝缘支架和负极汇流片的通孔,与负极汇流片以焊接方式连接起来。本申请可明显降低电池的注液难度，提高电池的生产合格率和生产效率，提高电池的大电流充放电能力、循环寿命以及安全性能。

Description

一种电池及其制作方法
技术领域
本申请涉及一种电池及其制作方法,属于电池技术领域。
背景技术
在新能源汽车和储能等领域对电池能量需求越来越大，通常采用将多个小容量电池外部并联成一个大容量电池模块，或由多个小卷芯在一个金属壳体内部并联成为一个大容量电池。但大尺寸高容量锂电池生产加工工艺复杂、成品率低、生产自动化程度低、电池一致性差，且在使用时电池大面易膨胀、散热困难、倍率性能差、循环寿命短、安全性差等问题。
为此，在CN102800895A专利中，将多个方形多极耳卷芯的正负极分别并联焊接在正负极汇流片上，然后将正负极汇流片连接到正负极柱上形成大容量方形电池。该专利解决了将小容量方形卷芯并联成大容量方形电池的结构问题，但在该专利中并未用采用有效方法来限制极片或卷芯膨胀问题，也未对电芯散热问题进行考虑，且将所有极耳汇集在一起，在大电流充放电时极耳束处发热量大，电池温升高且温度分布不匀；此外，将所有极耳焊在一起，极耳会压迫隔膜，增加电池短路和自放电的风险；在CN108321329A、CN105190935A和CN107078364A专利中，有考虑并联小容量卷芯膨胀和散热问题，但同样未考虑在极耳束处电流汇集发热和对隔膜挤压的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了一种电池及其制作方法。
本申请设计的电池包括金属外壳、多极耳圆柱卷芯、带底金属圆筒、正极盖板、负极盖板、正极汇流片、负极汇流片、导热绝缘片、正极绝缘支架和负极绝缘支架；多极耳圆柱卷芯的正极端位于带底金属圆筒底部，另一端为负极,多极耳圆柱卷芯的正极极耳与负极极耳分别从卷芯的两端伸出；多极耳圆柱卷芯的正极极耳穿过带底金属圆筒底部的通孔,并与带底金属圆筒的底部通过逐一焊接的方式连接在一起；多极耳圆柱卷芯的正极端与负极端分别设有正极绝缘支架和负极绝缘支架；正极汇流片与带底金属圆筒的底部通过逐一焊接的方式连接在一起；正极汇流片与正极盖板以焊接方式连接，正极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭；多极耳圆柱卷芯的负极极耳穿过负极绝缘支架和负极汇流片的通孔,并与负极汇流片以焊接方式连接；一层负极导热绝缘片位于负极汇流片和负极盖板之间；负极汇流片与负极盖板以焊接方式连接，负极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭。
本申请所述多极耳圆柱卷芯由正极片、隔膜和负极片卷绕而成，卷芯正负极两端均有多个极耳，正负极极耳数量均大于等于2个以上，极耳数量与电池设计导流能力相一致。在极片制作过程，可将极耳焊接在清除过活性物质的集流体上；也可以增加非涂覆区的集流体宽度，经激光切割或模具切割等方式加工而成。
本申请所述多极耳圆柱卷芯由同一电化学体系的正负极材料组成，多极耳圆柱卷芯可以为磷酸铁锂-石墨/硅碳/锡卷芯、锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍钴锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、钴酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍钴锰铝酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、钴酸锂-钛酸锂卷芯、锰酸锂-钛酸锂卷芯、镍钴锰酸锂-钛酸锂卷芯、磷酸铁锂-钛酸锂卷芯、镍钴锰铝酸锂--钛酸锂卷芯、超级电容器卷芯、锂硫卷芯等电化学体系材料中的任何一种。
本申请所述多极耳圆柱卷芯也可由不同电化学材料体系的多极耳圆柱卷芯进行组合，可为锰酸锂-石墨卷芯与镍钴锰酸锂-石墨卷芯组合、功率型的超级电容器卷芯与同类正极材料的能量型的锂离子卷芯组合等，且不局限于上述组合。
需要说明的是，不同的电池体系适用的金属材料种类不同，这属于本行业的公知技术，比如锂离子电池采用铝作为金属外壳和金属圆筒的材质，且卷芯的正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔；比如超级电容器和以钛酸锂为负极材料的电池，采用铝作为金属外壳和金属圆筒的材质，且卷芯的正负极集流体均为铝箔；也可以采用不锈钢或其他耐腐蚀材料作为金属外壳和金属圆筒的材质。
本申请所述带底金属圆筒中心处开设有一通孔，将多极耳圆柱卷芯正极朝向底部装入金属圆筒中，正极极耳穿过带底金属圆筒底边通孔后向外圈翻边，多极耳圆柱卷芯正极端面抵靠在带底金属圆筒底部，另一端为多极耳圆柱卷芯负极。
本申请所述金属外壳由密度小、耐腐蚀、导热系数高、易加工、易焊接的材料制作而成，其形状可以为三角形、梯形、方形、椭圆形或圆柱形等任意需要的形状。金属外壳内装有若干个多极耳圆柱卷芯，将多个正极极耳、正极汇流片与带底金属圆筒的底部焊接在一起；将多个负极极耳与负极汇流片进行焊接，形成一个卷芯组。在多极耳圆柱卷芯负极端与负极汇流片之间安装有负极绝缘支架，用于绝缘和固定卷芯；在负极汇流片和负极盖板之间装填一层负极导热绝缘片，用于卷芯导热和绝缘；正负极汇流片、正负极绝缘支架和负极导热绝缘片上均开设有若干圆孔，便于电池注液和电解液流动；在卷芯正负极两端，均采用绝缘支架，用于支撑及固定带底金属圆筒及多极耳圆柱形卷芯。
本申请所述负极盖板上设置有正极柱、负极柱、防爆阀和注液口；电池完成注液后，需将注液口清洁后密封。
按照前述的一种电池制作方法包括如下步骤：
(1)将多个带底金属圆筒按照金属外壳的形状组合为一体；
(2)将多极耳圆柱卷芯逐一放入带底金属圆筒中，正极朝向圆筒底部，正极极耳穿过带底金属圆筒底部通孔后，与带底金属圆筒的底部逐一焊接；
(3)在多极耳圆柱卷芯的正极端依次安装正极绝缘支架和正极汇流片；
(4)将正极汇流片经正极绝缘支架通孔与带底金属圆筒的底部逐一焊接；
(5)在多极耳圆柱卷芯的负极端依次安装负极绝缘支架和负极汇流片；
(6)将多极耳圆柱卷芯负极极耳穿过负极绝缘支架和负极汇流片的通孔后与负极汇流片焊接；
(7)将正极汇流片与正极盖板焊接；
(8)将装配好的卷芯组放入金属外壳内，并将正极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭；
(9)在负极汇流片上装填一层负极导热绝缘片；
(10)将负极盖板与负极汇流片进行焊接；
(11)最后将负极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭。
(12)烘干电池内部水分；
(13)电池注液；
(14)电池预充电；
(15)注液口封闭；
(16)电池化成。
本申请具有如下的技术效果和优点：
(1)将多个小容量多极耳圆柱卷芯并联成大容量电池，电池容量可以无限增大；相比大容量卷芯，小容量圆柱卷芯的一致性好，所需生产设备简单，大幅提高了大容量电池的生产合格率和生产效率。
(2)将圆柱卷芯的多个正极极耳分散焊接在带底金属圆筒的底部，将圆柱卷芯的多个负极极耳分散焊接在负极汇流片上，正负极输出电流由多极耳分散导流，可明显减少电池在极耳处的发热量和温升，提高了电池大电流充放电能力。
(3)将圆柱卷芯用带底金属圆筒固定，抑制了正负极片和卷芯膨胀；正极极耳和正极汇流片分别焊接在带底金属圆筒的底部，然后将正极汇流片与正极盖板焊接，有利于将卷芯正极端产生的热量快速传导至电池外部。将负极极耳和负极汇流片焊接，将负极汇流片与负极盖板焊接，然后在负极汇流片和负极盖板之间装填一层导热绝缘片，用于负极端的热传导和绝缘，有利于将卷芯负极端产生的热量快速传导至电池外部。同时，当电池需加热时，也可由电池正负极端面快速热传导至电池内部，提高电池的加热速率。
(4)将所在卷芯并联后共用一个金属外壳，在带底金属圆筒之间有充足的剩余空间，为电池富液设计提供了操作空间，降低了电池的注液难度，也为电池长寿命提供了物质条件。
(5)电池内各卷芯外套带底金属圆筒，抑制了电极和卷芯膨胀，同时也给卷芯提供良好的刚性保护，当电池内某一卷芯发生内短路时，带底金属圆筒能快速的将该电池产热传导出去，避免电池发生热失控；同时，与单卷芯电池相比，有充足剩余空间的共用金属外壳还可降低电池内压的上升速率，提高电池的安全性。
(6)所有卷芯共用一个正负极汇流片和壳体，电池配件数量相应减少，降低了电池材料成本；各连接件在同一模具上可集中焊接，减少了电池封口、检漏、化成等工序的电池操作数量，生产效率大幅提高，降低了生产成本。
附图说明
图1为本申请的电池***图。
图2为本申请的多极耳圆柱卷芯示意图。
图3为本申请的正极极耳与带底金属圆筒的底部焊接示意图。
图4为本申请的带底金属圆筒底部与正极汇流片焊接示意图。
图5为本申请的负极极耳与负极汇流片焊接图示意图。
图6(1)-6(5)为本申请的多种卷芯排布俯视图，其中图6(1)为三角形组合，图6(2)为梯形组合，图6(3)为方形组合，图6(4)为棱形组合，图6(5)为不同直径卷芯梯形组合。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本申请的具体实施方式。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
在附图中，1为负极盖板，2为负极导热绝缘片，3为负极汇流片,4为负极绝缘支架，5为带底金属圆筒，6为多极耳圆柱卷芯，7为金属外壳，8为正极绝缘支架，9为正极汇流片，10为正极盖板，11为负极极耳，12为正极极耳。
如图1所示，本申请所述电池包括金属外壳7、多极耳圆柱卷芯6、带底金属圆筒5、正极盖板10、负极盖板1、正极汇流片9、负极汇流片3、负极导热绝缘片2、正极绝缘支架8和负极绝缘支架4。将多极耳圆柱卷芯6装入带底金属圆筒5，将多极耳圆柱卷芯6正极极耳12与带底金属圆筒5的底部焊接；用正极绝缘支架8固定多个带底金属圆筒5，正极汇流片9经正极绝缘支架8的通孔后与带底金属圆筒5的底部逐一焊接；将正极汇流片9与正极盖板10焊接，正极盖板10与金属外壳7在边缘处焊接封闭。将多极耳圆柱卷芯6的负极极耳11穿过负极绝缘支架4和负极汇流片3的通孔后，与负极汇流片3焊接；在负极汇流片3和负极盖板1之间装填一层负极导热绝缘片2，用于电池负极端的导热和绝缘；负极汇流片3与负极盖板1焊接，负极盖板1与金属外壳7在边缘处焊接封闭。
图2为本申请的多极耳圆柱卷芯6示意图，多极耳圆柱卷芯6中的多个正负极极耳均匀分布在卷芯偏内圈一侧，以便极耳可以穿过绝缘支架通孔、带底金属圆筒5的底部通孔和负极汇流片3预制通孔。
图3为本申请的正极极耳12与带底金属圆筒5的底部焊接示意图。多极耳圆柱卷芯6的正极极耳12穿过带底金属圆筒5的底部通孔后向外圈翻边，倒伏在带底金属圆筒5底部，并与带底金属圆筒5的底部进行端面焊接。
图4为本申请的带底金属圆筒5底部与正极汇流片9的焊接示意图。用正极绝缘支架8固定所有带底金属圆筒5的正极端，然后将正极汇流片9安装在正极绝缘支架8上，正极汇流片9经正极绝缘支架8通孔与带底金属圆筒5的底部逐一焊接。
图5为本申请的多极耳圆柱卷芯6负极极耳11与负极汇流片3焊接示意图。将多极耳圆柱卷芯6的负极极耳11，穿过负极绝缘支架4和负极汇流片3的通孔后向外圈翻边，并与负极汇流片3焊接。
图6(1)-6(5)为本申请的多种电池排布俯视图(三角形、梯形、方形、椭圆形、圆柱形或方形等)。可将不同直径、不同电化学体系的卷芯任意组合成不同的结构形状，满足各种应用场合对特殊电池结构形式的要求。
实施例1：
在本申请的一种电池制作方法，用6个5Ah磷酸铁锂正极-石墨负极卷芯(直径26mm高度73mm)，用上述的加工方法制作成3.2V30Ah电池。在25℃条件下，电池以2I1电流持续放电时，电池中心处与外表面的温度差≤3℃；电池正极柱、负极柱和外表面最高温升分别为10℃、9℃或8℃；电池循环1000次后还剩初始容量的93％；电池针刺时未起火、未***、未燃烧。
实施例2：
在本申请的可大电流输出的锂电池内，用5个6Ah镍钴锰酸锂正极-石墨负极卷芯(直径26mm高度66mm)，用上述的加工方法制作成3.6V30Ah电池。在25℃条件下，电池以2I1电流持续放电时，电池中心处与外表面的温度差≤3℃；电池正极柱、负极柱和外表面最高温升分别为9℃、8℃或7℃；电池循环1000次后还剩初始容量的91％；电池针刺试验未起火、未***、未燃烧。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池制作方法，其特征在于，采用带底金属圆筒容纳多极耳圆柱卷芯；多极耳圆柱卷芯的正极极耳与负极极耳分别从卷芯的两端伸出；多极耳圆柱卷芯的正极极耳穿过带底金属圆筒底部的通孔后,与带底金属圆筒的底部逐一焊接；多极耳圆柱卷芯的正极端与负极端分别设有正极绝缘支架和负极绝缘支架；正极汇流片与带底金属圆筒的底部逐一焊接；正极汇流片与正极盖板焊接，正极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭；多极耳圆柱卷芯的负极极耳穿过负极绝缘支架和负极汇流片的通孔后,与负极汇流片焊接；在负极汇流片和负极盖板之间装填一层负极导热绝缘片；负极汇流片与负极盖板焊接，负极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭。
2.根据权利要求1所述的一种电池制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将多个带底金属圆筒按照金属外壳的形状组合为一体；
(2)将多极耳圆柱卷芯逐一放入带底金属圆筒中，正极朝向圆筒底部，正极极耳穿过带底金属圆筒底部通孔后,与带底金属圆筒的底部逐一焊接；
(3)在多极耳圆柱卷芯的正极端依次安装正极绝缘支架和正极汇流片；
(4)将正极汇流片经正极绝缘支架通孔与带底金属圆筒的底部逐一焊接；
(5)在多极耳圆柱卷芯的负极端依次安装负极绝缘支架和负极汇流片；
(6)将多极耳圆柱卷芯负极极耳穿过负极绝缘支架和负极汇流片的通孔后与负极汇流片焊接；
(7)将正极汇流片与正极盖板焊接；
(8)将装配好的卷芯组放入金属外壳内，并将正极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭；
(9)在负极汇流片上装填一层负极导热绝缘片；
(10)将负极盖板与负极汇流片进行焊接；
(11)最后将负极盖板与金属外壳在边缘处焊接封闭。
3.根据权利要求2所述的一种电池制作方法，其特征在于，还包括如下步骤：
(12)烘干电池内部水分；
(13)电池注液；
(14)电池预充电；
(15)注液口封闭；
(16)电池化成。
4.一种电池，其特征在于，包括金属外壳、多极耳圆柱卷芯、带底金属圆筒、正极盖板、负极盖板、正极汇流片、负极汇流片、导热绝缘片、正极绝缘支架和负极绝缘支架；多极耳圆柱卷芯的正极端位于带底金属圆筒底部，另一端为负极,多极耳圆柱卷芯的正极极耳与负极极耳分别从卷芯的两端伸出；多极耳圆柱卷芯的正极极耳穿过带底金属圆筒底部的通孔,并与带底金属圆筒的底部通过逐一焊接的方式连接在一起；多极耳圆柱卷芯的正极端与负极端分别设有正极绝缘支架和负极绝缘支架；正极汇流片与带底金属圆筒的底部通过逐一焊接的方式连接在一起；正极汇流片与正极盖板以焊接方式连接，正极盖板与金属外壳以封闭焊接方式连接；多极耳圆柱卷芯的负极极耳穿过负极绝缘支架和负极汇流片的通孔,并与负极汇流片以焊接方式连接；一层负极导热绝缘片位于负极汇流片和负极盖板之间；负极汇流片与负极盖板以焊接方式连接，负极盖板与金属外壳以封闭焊接方式连接。
5.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述多极耳圆柱卷芯中的正极极耳和负极极耳的数量均大于等于1个以上，极耳数量与电池设计导流能力相一致；极耳焊接在清除过活性物质的集流体上，或者增加非涂覆区的集流体宽度，经激光切割或模具切割方式加工而成。
6.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述金属外壳形状为三角形、梯形、方形、椭圆形或圆柱形等任意需要的形状。
7.根据权利要求4或5所述的电池，其特征在于，所述多极耳圆柱卷芯由同一电化学体系的正负极材料组成。
8.根据权利要求7所述的电池，其特征在于，所述多极耳圆柱卷芯为磷酸铁锂-石墨/硅碳/锡卷芯、锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍钴锰酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、钴酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、镍钴锰铝酸锂-石墨/硅碳/锡卷芯、钴酸锂-钛酸锂卷芯、锰酸锂-钛酸锂卷芯、镍钴锰酸锂-钛酸锂卷芯、磷酸铁锂-钛酸锂卷芯、镍钴锰铝酸锂--钛酸锂卷芯、超级电容器卷芯、锂硫卷芯的电化学体系材料中的任何一种。
9.根据权利要求4或5所述的电池，其特征在于，所述多极耳圆柱卷芯为不同材料体系的卷芯的组合。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，所述不同材料体系的卷芯的组合为锰酸锂-石墨卷芯与镍钴锰酸锂-石墨卷芯组合、功率型的超级电容器卷芯与同类正极材料的能量型的锂离子卷芯组合，且不局限于上述组合。
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