CN112928281B - 一种无极耳圆柱电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂电池及电池材料技术领域，其公开了一种无极耳圆柱电池及其制备方法，该方法包括对正极复合集流体和负极复合集流体分别涂覆正极活性物质和负极活性物质，并且涂覆表面一边设有部分未涂覆区域，将正极复合集流体的未涂覆区域和负极复合集流体的未涂覆区域分别与圆柱电池的金属壳体连接。本申请在正极复合集流体和负极复合集流体一侧设置未涂覆区，该未涂覆区设置在隔膜的外侧直接与圆柱电池的金属壳体连接无需连接极耳，因此，避免了极耳焊接的内阻，减轻了电池质量，提升了电池能量密度；同时复合集流体中间层为高分子层，上下表面分别镀有一层金属层，质量轻，上下两层不直接导电有效避免内短路的发生，有效提升电池的安全性能。

Description

一种无极耳圆柱电池及其制备方法

技术领域

本发明属于锂电池及电池材料相关技术领域，更具体地，涉及一种无极耳圆柱电池及其制备方法。

背景技术

随着当前社会发展和技术进步，在现有二次电池体系中，锂离子电池因兼具高比能量和长循环寿命的显著优势被广泛用作移动通讯、手提电脑、数码相机等便携式电子产品的电源和电动汽车的动力储能***。近年来，高的能量密度和长续航里程成为了锂电池的研发重点方向，但是高的能量密度带来的电极材料结构的不稳定，容易导致电池内部的热失控，进而使电池发生***，因此，发展兼具高能量密度和高安全性能的电池成为了目前锂电池行业的重要攻坚方向。

电池中的集流体作为电池重要的组成部分，目前常用的集流体为较厚的铜箔或铝箔，其重量占电池总重量的20％～40％，导致电池的能量密度降低；同时现有的电池中对集流体进行焊接时采用极耳进行焊接，不仅会增加极耳与金属壳体之间焊接电阻使得电池电阻增大，还会增大电池质量，降低电池能量密度，因此，亟需设计一种新的制备方法以克服该技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无极耳圆柱电池的制备方法，以解决现有的电池制作工艺中极耳焊接导致的电池质量增加，内阻增大以及集流体质量较大，安全性能不够强等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无极耳圆柱电池的制备方法，所述制备方法包括：对正极复合集流体和负极复合集流体分别涂覆正极活性物质和负极活性物质，并且涂覆表面一边设有部分未涂覆区域，其中，所述正极复合集流体和负极复合集流体包括三层，其中，中间层为高分子材料层，所述高分子材料层的两侧为导电金属材料层；将正极活性物质和负极活性物质区域分别覆盖隔膜两侧，正极复合集流体的未涂覆区域和负极复合集流体的未涂覆区域位于隔膜外且分别位于隔膜的两端；将正极复合集流体的未涂覆区域和负极复合集流体的未涂覆区域分别与圆柱电池的金属壳体连接。

优选地，所述正极复合集流体和负极复合集流体均采用间隙式涂布方式涂布正极活性物质和负极活性物质，间隙的宽度即为所述未涂覆区域的宽度。

优选地，所述未涂覆区域的宽度为5～8mm。

优选地，所述高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯，乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚苯乙烯、环氧树脂中的一种或几种组合。

优选地，所述高分子材料层的厚度为0.5～20μm。

优选地，所述导电金属材料为铜、铝、镍、钛、银中的一种或几种组成的合金，所述导电金属材料层的厚度为200～2000nm。

优选地，所述采用机械棍轧、胶水涂布、气相沉积法、电镀中的一种将所述导电金属材料层镀于所述高分子材料层的两侧。

按照本发明的另一个方面，提供了一种无极耳圆柱电池所述电池包括：正极复合集流体和负极复合集流体，所述正极复合集流体和负极复合集流体均包括三层，中间层为高分子材料层，所述高分子材料层的两侧为导电金属材料层；隔膜，所述正极复合集流体和负极复合集流体分别位于所述隔膜的两表面，而且均有部分区域与所述隔膜重叠，部分区域与所述隔膜未重叠；正极活性物质和负极活性物质，所述正极活性物质设于所述隔膜与所述正极复合集流体之间的重叠区域，所述负极活性物质设于所述隔膜与所述负极复合集流体之间的重叠区域；金属壳体，设于所述正极复合集流体和负极复合集流体的***，且与所述正极复合集流体和负极复合集流体的隔膜未重叠区域连接。

优选地，所述正极复合集流体与所述隔膜的未重叠区域和所述负极复合集流体与所述隔膜的未重叠区域分别位于所述隔膜的两端。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种无极耳圆柱电池及其制备方法具有如下有益效果：

1.由于本申请采用三层结构的正极复合集流体和负极复合集流体，其质量降低，其提高了电池的能量密度，但对应的金属层厚度的减少使得集流体两端金属导电性降低，电阻率大于常规的金属箔材，现有的极耳焊接工艺不仅导电区域小，还有两个焊点区域导致电池电阻增大，影响电池性能，而本申请将正极复合集流体或负极复合集流体与金属壳体进行焊接，增大焊接区域面积，有效减小了电池内阻，可以很好的改善正极复合集流体和负极复合集流体电阻率差的问题；

2.现有极耳焊接时需要用极耳一端焊接在集流体上，另一端焊接在金属壳体上进行导电连接，本申请在正极复合集流体和负极复合集流体有一侧设置未涂覆区，该未涂覆区设置在隔膜的外侧直接与圆柱电池的金属壳体进行焊接，因此避免了极耳焊接的内阻，省去了极耳，有效减轻了电池质量，提升了电池能量密度；

3.本申请的正极复合集流体和负极复合集流体的两侧导电金属材料层不直接导电，只能通过两端焊接时导电，能够有效抑制电池内短路的发生，阻止热失控的产生，大大提高了电池的安全性能；

4.高分子材料选材广泛且价格低廉，降低了电池的造价成本，非常适于工业化应用；

5.本申请的正极复合集流体和负极复合集流体优选为间隙式涂布，由于留白位置位于涂布区域左右两侧，经过辊压机时涂布料区和留白区域分别进行辊压，两侧厚度一样，减小了因压力不同导致的形变程度区别，避免了集流体的开裂断带。

附图说明

图1示意性示出了本实施例的正极复合集流体或负极复合集流体的结构示意图；

图2示意性示出了本实施例的正极复合集流体和负极复合集流体在卷绕制备电池时的结构示意图；

图3示意性示出了本实施例的成品电池的示意图；

图4展示出复合集流体无极耳电池和复合集流体有极耳电池在不同荷电状态下的充放电阻抗。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-导电金属材料层；2-高分子材料层；3-正极复合集流体；4-隔膜；5-负极复合集流体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种无极耳圆柱电池的制备方法，不必进行极耳焊接，并且采用轻质的正极复合集流体和负极复合集流体，显著提高了电池的能量密度。该制备方法包括：

S1：对正极复合集流体和负极复合集流体分别涂覆正极活性物质和负极活性物质，并且涂覆表面一边设有部分未涂覆区域，其中，所述正极复合集流体和负极复合集流体包括三层(如图1所示)，其中，中间层为高分子材料层2，所述高分子材料层的两侧为导电金属材料层1；

高分子材料层2的材料可以为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚苯乙烯(PS)、环氧树脂中的一种或几种组合。该高分子材料层2的厚度优选为0.5～20μm，进一步优选为1～10μm。

导电金属材料层1的材料可以为铜、铝、镍、钛、银中的一种或几种的合金，其厚度优选为200～2000nm，进一步优选为500～1000nm。

导电金属材料层1可以采用机械棍轧、胶水涂布、气相沉积法、电镀等方法中的一种或几种沉积在高分子材料层2的表面，进一步优选为气相沉积法中真空蒸镀法、电子束蒸发法、热蒸发法或磁控溅射法。

在对正极复合集流体3和负极复合集流体5分别涂覆正极活性物质和负极活性物质时优选为间隙式涂布方式涂布正极活性物质和负极活性物质，间隙的宽度即为所述未涂覆区域的宽度。所述未涂覆区域的宽度优选为3～10mm，进一步优选为5～8mm。

现有的连续式涂布预留极耳位置在涂布区域的上下两侧，在涂布完成进行辊压时，因左右两侧一部分为涂布区，一部分为留白焊接极耳区，辊压时因两侧厚度不一，受到的压力差不同，造成的形变程度也不一致，容易导致集流体的开裂断带；间隙式涂布中留白位置位于涂布区域左右两侧，经过辊压机时涂布料区和留白区域分别进行辊压，两侧厚度一样，减小了因压力不同导致的形变程度区别，避免了集流体的开裂断带。

S2：将正极活性物质和负极活性物质区域分别覆盖隔膜4两侧(如图2所示)，正极复合集流体3的未涂覆区域和负极复合集流体4的未涂覆区域位于隔膜外且分别位于隔膜4的两端；

将正极活性物质和负极活性物质区域分别覆盖隔膜4两侧后进行卷绕，未涂覆区域露出隔膜且分别位于隔膜的两端，如图2所示，正极复合集流体3的未涂覆区域位于上端，负极复合集流体5的未涂覆区域位于下端。

S3：将正极复合集流体的未涂覆区域和负极复合集流体的未涂覆区域分别与圆柱电池的金属壳体连接得到如图3所示的成品电池。优选为激光焊接。

实施例1

本实施例中正极复合集流体的高分子材料层的材料为聚偏氟乙烯(PVDF)，该高分子材料层的厚度为3μm；两侧的导电金属材料层的材料为铝，厚度为1000nm。负极复合集流体的高分子材料层的材料为聚丙烯(PP)；两侧的导电金属材料层的材料为铜，厚度为500nm。采用间隙式涂布制作电池，未涂覆区域宽度为5mm，卷绕后将未涂覆区域展平后，使用激光焊接将未涂覆区域侧边与圆柱电池金属壳体焊接到一起。具体的制作步骤如下：

步骤一：将卷材结构的聚偏氟乙烯材料作为高分子材料层，卷绕在滚筒上，滚筒设置于真空环境中，真空度≤10^-3Pa，将铝靶材进行电阻加热熔融蒸发得到气态的金属铝；

步骤二：气态的金属铝与聚偏氟乙烯的一侧接触，通过滚筒来回滚动蒸镀多次，得到蒸镀厚度为1000nm的蒸镀铝金属层；

步骤三：在一侧的铝金属层蒸镀完成之后，使用同样的方式，在高分子材料层的另一侧蒸镀厚度为1000nm的铝金属层；

步骤四：采用步骤一～步骤三中的方法制备负极复合集流体；

步骤五：对得到的正极复合集流体和负极复合集流体分别进行间隙式涂布活性物质，间隙的宽度为5mm，然后分割得到制备电池的正极复合集流体单元和负极复合集流体单元；

步骤六：将正极复合集流体与负极复合集流体设于隔膜两侧进行卷绕，卷绕时保证正极活性物质和负极活性物质均包含与隔膜内，未涂覆部分露出隔膜外，进行展平处理后将未涂覆部分与圆柱电池金属壳体进行激光焊接。

经过测试，采用以上方法制备的圆柱电池正负极之间内阻为103毫欧，极耳焊接连接复合集流体与金属壳体的电池正负极之间内阻为118毫欧，无极耳焊接工艺有效减小焊接内阻，组装成品电池后，电池质量与常规金属箔材采用极耳焊接制作的电池相比，质量减轻13％，电池能量密度得到了极大的提升。

实施例2

本实施例中正极复合集流体的高分子材料层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，该高分子材料层的厚度为6μm；两侧的导电金属材料层的材料为铝银合金，厚度为800nm。负极复合集流体的高分子材料层的材料为聚酰亚胺(PI)；两侧的导电金属材料层的材料为铜镍，厚度为400m。采用间隙式涂布制作电池，未涂覆区域宽度为6mm，卷绕后将未涂覆区域展平后，使用激光焊接将未涂覆区域侧边与圆柱电池金属壳体焊接到一起。具体的制作步骤如下：

步骤一：将卷材结构的聚对苯二甲酸乙二醇酯材料作为高分子材料层，卷绕在滚筒上，滚筒设置于真空环境中，真空度≤10^-3Pa，将铝银靶材进行电子束加热熔融蒸发得到气态的金属；

步骤二：气态的金属铝银与聚对苯二甲酸乙二醇酯材料的一侧接触，通过滚筒来回滚动蒸镀多次，得到蒸镀厚度为800nm的金属层；

步骤三：在一侧的金属层蒸镀完成之后，使用的同样的方法，在高分子材料的另一侧蒸镀厚度为800nm的铝银金属层；

步骤四：采用步骤一～步骤三中的方法制备负极复合集流体；

步骤五：对得到的正极复合集流体和负极复合集流体分别进行间隙式涂布活性物质，间隙的宽度为6mm，然后分割得到制备电池的正极复合集流体单元和负极复合集流体单元；

步骤六：将正极复合集流体与负极复合集流体设于隔膜两侧进行卷绕，卷绕时保证正极活性物质和负极活性物质均包含与隔膜内，未涂覆部分露出隔膜外，进行展平处理后将未涂覆部分与圆柱电池金属壳体进行激光焊接。

经过测试，采用以上无极耳方法制备的圆柱电池正负极之间内阻阻抗为89毫欧，极耳焊接连接复合集流体与金属壳体的电池正负极之间内阻为106毫欧，无极耳焊接工艺有效减小焊接内阻阻抗；如图4所示，采用以上无极耳方法制备的圆柱电池在充放电时的阻抗显著低于有极耳的圆柱电池，具有很好的安全性。组装成品电池后，电池质量与常规金属箔材采用极耳焊接制作的电池相比，质量减轻11％，电池能量密度得到了极大的提升。

本申请另一方面提供了一种无极耳圆柱电池，所述电池包括：

正极复合集流体和负极复合集流体，所述正极复合集流体和负极复合集流体均包括三层，中间层为高分子材料层，所述高分子材料层的两侧为导电金属材料层；

隔膜，所述正极复合集流体和负极复合集流体分别位于所述隔膜的两表面，而且均有部分区域与所述隔膜重叠，部分区域与所述隔膜未重叠；所述正极复合集流体与所述隔膜的未重叠区域和所述负极复合集流体与所述隔膜的未重叠区域分别位于所述隔膜的两端；

正极活性物质和负极活性物质，所述正极活性物质设于所述隔膜与所述正极复合集流体之间的重叠区域，所述负极活性物质设于所述隔膜与所述负极复合集流体之间的重叠区域；

金属壳体，设于所述正极复合集流体和负极复合集流体的***，且与所述正极复合集流体和负极复合集流体的隔膜未重叠区域连接。

本申请的正极复合集流体和负极复合集流体与常规的金属箔材集流体相比，有着质量轻、价格低等优势，但是金属层厚度的减少使得集流体两端金属导电性降低，电阻率大于常规的金属箔材，按正常的极耳焊接工艺，极耳分别与正极复合集流体和金属壳体以及另一极耳分别与负极复合集流体和金属壳体进行焊接，导电区域是极耳与正极复合集流体或负极复合集流体与金属壳体的焊接区域，不仅导电区域小，还有两个焊点区域导致电池电阻增大，影响电池性能。因此当将本申请的正极复合集流体或负极复合集流体进行圆柱电池无极耳焊接时，正极复合集流体或负极复合集流体与金属壳体进行环焊，有效减小了电池内阻，可以很好的改善正极复合集流体和负极复合集流体电阻率差的问题。

并且对于电池来说电池安全问题尤为重要，圆柱电池一旦发生内短路等安全问题，电池热失控产生的气体以及高温在达到极限时会使得圆柱电池金属壳体发生***产生严重的安全事故。因此，在圆柱电池中选用本申请中的正极复合集流体和负极复合集流体替代普通金属箔材集流体，复合集流体本身上下层金属层较薄，仅仅通过焊接区导电，电阻率较大，并且中间高分子材料层在内短路时有效切断电路，能够有效避免电池内短路造成的热失控安全问题。锂离子电池追求的高能量密度常常伴随着更多的安全问题，而使用本申请中的正极复合集流体和负极复合集流体与普通金属箔材集流体相比、厚度及质量大大减小，能够有效提升电池的质量能量密度和体积能量密度，并且有着更好的安全性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无极耳圆柱电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

对正极复合集流体和负极复合集流体分别涂覆正极活性物质和负极活性物质，并且涂覆表面一边设有部分未涂覆区域，其中，所述正极复合集流体和负极复合集流体包括三层，中间层为高分子材料层，所述高分子材料层的两侧为导电金属材料层；

将正极活性物质和负极活性物质区域分别覆盖隔膜两侧，正极复合集流体的未涂覆区域和负极复合集流体的未涂覆区域位于隔膜外且分别位于隔膜的两端，所述正极复合集流体和负极复合集流体均采用间隙式涂布方式涂布正极活性物质和负极活性物质，间隙的宽度即为所述未涂覆区域的宽度；

将正极复合集流体的未涂覆区域和负极复合集流体的未涂覆区域分别与圆柱电池的金属壳体连接，将所述正极复合集流体或负极复合集流体与金属壳体进行环焊。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚苯乙烯、环氧树脂中的一种或几种组合，所述高分子材料层的厚度为0.5～20μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电金属材料为铜、铝、镍、钛、银中的一种或几种组成的合金，所述导电金属材料层的厚度为200～2000nm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述采用机械棍轧、胶水涂布、气相沉积法、电镀中的一种将所述导电金属材料层镀于所述高分子材料层的两侧。

5.一种采用权利要求1～4任意一项所述的无极耳圆柱电池的制备方法制备的无极耳圆柱电池。

6.根据权利要求5所述的无极耳圆柱电池，其特征在于，所述电池包括：

正极复合集流体和负极复合集流体，所述正极复合集流体和负极复合集流体均包括三层，中间层为高分子材料层，所述高分子材料层的两侧为导电金属材料层；

隔膜，所述正极复合集流体和负极复合集流体分别位于所述隔膜的两表面，而且均有一端区域与所述隔膜重叠，另一端区域与所述隔膜未重叠；

正极活性物质和负极活性物质，所述正极活性物质设于所述隔膜与所述正极复合集流体之间的重叠区域，所述负极活性物质设于所述隔膜与所述负极复合集流体之间的重叠区域；

金属壳体，设于所述正极复合集流体和负极复合集流体的***，且与所述正极复合集流体和负极复合集流体的隔膜未重叠区域连接。

7.根据权利要求6所述的无极耳圆柱电池，其特征在于，所述正极复合集流体与所述隔膜的未重叠区域和所述负极复合集流体与所述隔膜的未重叠区域分别位于所述隔膜的两端。

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