CN114497457A - 一种基于激光打孔的电芯极片及电池 - Google Patents

一种基于激光打孔的电芯极片及电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于激光打孔的电芯极片，用于改善锂离子电池的电芯性能，该极片包括正极集流体和两片分别贴附在正极集流体两侧的正极活性材料，所述的正极活性材料上通过激光打孔工艺设有多个凹孔，与现有技术相比，本发明具有提升电芯循环性能、改善电芯EOL界面和提升电芯可靠性等优点。

Description

一种基于激光打孔的电芯极片及电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其是涉及一种基于激光打孔的电芯极片及电池。
背景技术
锂离子电池因为能量密度高、无记忆效应、环境污染小等优点，近年来在消费类数码产品、电动汽车、储能等领域获得了大规模应用。但锂离子电池在循环过程中，极片会因脱锂、嵌锂的状态不同、副产物的积累、产生不可逆的孔隙而发生膨胀，尤其是负极膨胀可达20％。极片膨胀会产生很大的内应力，可达10kN级别，如果内应力得不到有效、均匀的释放，则会在部分区域集中，造成该区域电解液含量减少，电化学反应的极化增高，随着电芯的循环，该区域会出现紫斑、析锂等界面恶化现象，甚至电芯结构会扭曲，进一步加速电芯性能的恶化，并带来安全风险。在卷绕电芯中，拐角区域应力集中，因此更容易发生上述问题，因此在极片加工方面，常通过具有有凹坑和凸起的pattern辊，使用0.2Mpa左右的压力，在卷绕前对正极片的表面印花，产生微米级的凹痕，在电芯卷绕完成后，使正极和隔膜之间留有空间，从而为负极极片膨胀预留空间，部分技术也会直接使用pattern辊对负极进行印花，但是Pattern辊工艺类似冷压工序，存在以下问题：
1)可调节性差：pattern辊工艺无法调节在正极表面制造的凹坑的大小、深度、间距，更无法根据极片不同位置的应力不同，而调整以上参数，这就造成在卷绕的拐角处，正极制造的空间可能不足，使电芯在循环过程中发生性能恶化；
2)效果差：由于极片具有一定的弹性，因此pattern辊制造的凹坑，在热压之后存在恢复的可能性，且在电芯循环过程中，极片在脱、嵌锂过程中厚度会不断发生变化，也存在让凹坑恢复平整的可能；
3)设备转型难：不同宽幅的极片需要使用不同宽度的pattern辊，每次更换都需要重新调机，操作复杂；
4)工艺兼容差：叠片工艺边缘与中间位置的应力也有一定不同，但现有pattern辊工艺无法兼容叠片工艺。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于激光打孔的电芯极片及电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于激光打孔的电芯极片，用于改善锂离子电池的电芯性能，该极片包括正极集流体(101)和两片分别贴附在正极集流体(101)两侧的正极活性材料(102)，所述的正极活性材料(102)上通过激光打孔工艺设有多个凹孔(202)。
所述的激光打孔工艺包括激光打孔比例、激光打孔形状、激光打孔分布形状和激光打孔区域(303)。
所述的激光打孔比例的表达式为：
Figure BDA0003405563800000021
其中，R为激光打孔比例，V为单个凹孔(202)的体积，D为单位面积的凹孔(202)的数量，Pd为正极活性材料(102)的在激光打孔前的涂层压实密度，Cw为正极活性材料(102)的单面涂布重量。
所述的激光打孔比例的取值范围为0.1％～10％，所述的电芯极片卷绕时的拐角区域与电芯长度的比值范围为3％～6％。
所述的激光打孔形状包括正方体、长方体、梯形台、棱锥、球冠形、圆柱体、圆锥、直线型槽和折线形槽。
每个所述的凹孔(202)的直径L1范围为1um～2000um，所述的凹孔(202)的深度H1范围为1um～20um，所述的凹孔(202)与凹孔(202)之间的间距范围为20un～2000um。
所述的激光打孔分布形状包括正方形分布、六边形分布、直线形分布和折线形分布。
所述的激光打孔区域(303)位于极片应力集中的位置。
所述的激光打孔区域(303)具体为：
对于卷绕结构的电芯，激光打孔区域(303)位于卷绕时的拐角位置；
对于叠片结构的电芯，激光打孔区域(303)位于极片边缘1mm～3mm位置。
一种应用电芯极片的电池，该电池包括负极极片、正极极片(301)和极耳(302)，所述的正极极片上设有激光打孔区域(303)，当电池的电芯为卷绕结构时，所述的激光打孔区域(303)位于卷绕时的拐角位置，当电池的电芯为叠片结构时，所述的激光打孔区域(303)位于极片边缘。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、根据电芯极片的应力分布，利用激光打孔工艺在正极表面不同位置制造大小不一，密度不一的凹坑，为电芯循环过程中的极片膨胀预留空间，改善电芯循环界面，提升电芯循环性能与可靠性；
2、激光打孔工艺制造的凹坑是通过削减正极活性材料制造的凹坑，在后续工艺和电芯循环过程中，结构不会发生变化，可保持预留空间的稳定性；
3、可灵活转型，通过调节激光头的移动范围，一套设备可处理多种宽度的极片；
4、在制备叠片结构的电芯时，可对叠片电芯边缘等应力集中区域进行打孔，提升叠片结构电芯的循环性能和安全可靠性。
附图说明
图1为正方体、长方体和圆柱体形状的激光打孔极片的侧视图。
图2为棱锥和圆锥形状的激光打孔极片的侧视图。
图3为梯形台形状的激光打孔极片的侧视图。
图4为球冠形状的激光打孔极片的侧视图。
图5为正方形孔分布图。
图6为六边形孔分布图。
图7为长方形孔平行分布图。
图8为折线形孔平行分布图。
图9为卷绕结构电芯极片的激光打孔位置示意图。
图10为叠片结构电芯极片的激光打孔位置示意图。
其中：101、正极集流体，102、正极活性材料，201、极片面，202、凹孔，301、正极极片，302、极耳，303、激光打孔区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供了一种采用激光打孔工艺在正极表面设有凹孔202的正极极片以及应用该正极极片的锂离子电池，
该正极极片基于激光打孔比例采用激光在正极表面进行打孔，激光打孔比例的表达式为：
Figure BDA0003405563800000041
其中，R为激光打孔比例，V为单个凹孔202的体积，D为单位面积内凹孔202的数量，Pd为正极活性材料102的在激光打孔前的密度，Cw为正极活性材料102的单面涂布重量。
若激光打孔比例R的值过小，则激光打孔消减掉的正极活性材料102过少，预留给负极的膨胀空间不足，电芯循环性能无法改善，甚至初次循环就会在拐角区域发生析锂；若激光打孔比例R的值过大，则激光打孔消减掉的正极活性材料102过多，会造成电芯容量的减少，经过实验验证，激光打孔比例R的范围为0.1％～10％，优选1％～5％，卷绕时的拐角区域占电芯长度的范围为3％～6％，激光打孔削减掉正极活性材料102的范围为0.1％～0.25％时，会造成减少电芯0.1％～0.25％的容量，但因拐角区的界面得到了改善，因此正极活性材料102的单面涂布重量与涂层压实密度相应提升相同比例，最终对电芯的容量和能量密度无影响。
如图1～图4、图7和图8所示，激光打孔的形状包括正方体、长方体、梯形台、棱锥、球冠形、圆柱体、圆锥、直线型槽和折线形槽，单个凹孔202的直径L1的范围为1um～2000um，单个凹孔202的深度H1的范围为1um～20um，凹孔202与凹孔202之间的间距的范围为20un～2000um，
如图5、图6和图7所示，激光打孔分布形状包括正方形分布、六边形分布和条状分布。
激光打孔的位置主要位于极片应力集中的地方，对于卷绕结构的电芯，激光打孔区域位于卷绕时的拐角位置，如图9和图10所示，对于卷绕结构的电芯，激光打孔区域303位于卷绕时的拐角位置，对于叠片结构的电芯，激光打孔区域303位于极片边缘的1mm～3mm位置。
激光打孔这一工序设置在冷压后，卷绕前，优选在激光模切设备上升级，增加激光打孔功能，能够不增加额外的场地占用，对生产效率与产能影响小。
对测试例和对比例进行性能测试，进行性能测试的电池分别为采用表1中的编号为1～13的正极极片制备的Model 33220，容量115Ah的方壳电芯，即编号为1～13的电池，编号为13的电池为对比例，其他为测试例，测试在60℃，1C/1C充放800个循环后的容量保持率，并且拆解电芯，观察负极界面，验证了本发明能够提升电芯循环性能，改善电芯EOL界面，提升电芯可靠性，如表2的电芯循环性能表所示：
表1不同激光打孔工艺的正极极片表
编号 孔形状 孔直径 孔深度 打孔比例
极片1 圆柱体 20um 10um 3％
极片2 圆柱体 50um 10um 3％
极片3 圆柱体 20um 20um 3％
极片4 圆柱体 20um 20um 1.5％
极片5 正方体 20um 20um 3％
极片6 长方体 20um 10um 3％
极片7 梯形台 20um 10um 3％
极片8 棱锥 20um 10um 3％
极片9 圆锥 20um 10um 3％
极片10 球冠性 20um 10um 3％
极片10 直线型槽 20um 10um 3％
极片12 折线形槽 20um 10um 3％
极片13(对比例) - - - -
表2电芯的性能测试表
Figure BDA0003405563800000051
Figure BDA0003405563800000061
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于激光打孔的电芯极片，用于改善锂离子电池的电芯性能，其特征在于，该极片包括正极集流体(101)和两片分别贴附在正极集流体(101)两侧的正极活性材料(102)，所述的正极活性材料(102)上通过激光打孔工艺设有多个凹孔(202)。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，所述的激光打孔工艺包括激光打孔比例、激光打孔形状、激光打孔分布形状和激光打孔区域(303)。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，所述的激光打孔比例的表达式为：
Figure FDA0003405563790000011
其中，R为激光打孔比例，V为单个凹孔(202)的体积，D为单位面积的凹孔(202)的数量，Pd为正极活性材料(102)的在激光打孔前的涂层压实密度，Cw为正极活性材料(102)的单面涂布重量。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，所述的激光打孔比例的取值范围为0.1％～10％，所述的电芯极片卷绕时的拐角区域与电芯长度的比值范围为3％～6％。
5.根据权利要求2所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，所述的激光打孔形状包括正方体、长方体、梯形台、棱锥、球冠形、圆柱体、圆锥、直线型槽和折线形槽。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，每个所述的凹孔(202)的直径L1范围为1um～2000um，所述的凹孔(202)的深度H1范围为1um～20um，所述的凹孔(202)与凹孔(202)之间的间距范围为20un～2000um。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，所述的激光打孔分布形状包括正方形分布、六边形分布、直线形分布和折线形分布。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，所述的激光打孔区域(303)位于极片应力集中的位置。
9.根据权利要求8所述的一种基于激光打孔的电芯极片，其特征在于，所述的激光打孔区域(303)具体为：
对于卷绕结构的电芯，激光打孔区域(303)位于卷绕时的拐角位置；
对于叠片结构的电芯，激光打孔区域(303)位于极片边缘1mm～3mm位置。
10.一种应用如权利要求1～9任一项所述电芯极片的电池，该电池包括负极极片、正极极片(301)和极耳(302)，所述的正极极片上设有激光打孔区域(303)，当电池的电芯为卷绕结构时，所述的激光打孔区域(303)位于卷绕时的拐角位置，当电池的电芯为叠片结构时，所述的激光打孔区域(303)位于极片边缘。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114784228A (zh) * 2022-06-24 2022-07-22 宁德新能源科技有限公司 二次电池及电子装置
CN116682935A (zh) * 2023-08-04 2023-09-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池单体、电池及用电装置
WO2023240803A1 (zh) * 2022-06-13 2023-12-21 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极极片、电极组件、电池单体、电池及用电设备
WO2024087196A1 (zh) * 2022-10-28 2024-05-02 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极片、电极组件、二次电池及用电装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009146712A (ja) * 2007-12-13 2009-07-02 Nissan Motor Co Ltd 負極構造体、リチウムイオン二次電池、および負極構造体の製造方法
CN202495522U (zh) * 2012-02-27 2012-10-17 宁德新能源科技有限公司 一种卷绕结构方形锂离子电池及其正极片
CN106688126A (zh) * 2014-09-10 2017-05-17 三菱综合材料株式会社 锂离子二次电池用正极及锂离子二次电池
CN110085806A (zh) * 2019-04-30 2019-08-02 湖北锂诺新能源科技有限公司 硅碳负极及其制备方法与锂离子电池
CN113285052A (zh) * 2021-05-06 2021-08-20 路华置富电子(深圳)有限公司 正极片及其制造方法、电池
CN214588915U (zh) * 2021-04-25 2021-11-02 宁德时代新能源科技股份有限公司 电极组件、电池单体、电池以及用电装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009146712A (ja) * 2007-12-13 2009-07-02 Nissan Motor Co Ltd 負極構造体、リチウムイオン二次電池、および負極構造体の製造方法
CN202495522U (zh) * 2012-02-27 2012-10-17 宁德新能源科技有限公司 一种卷绕结构方形锂离子电池及其正极片
CN106688126A (zh) * 2014-09-10 2017-05-17 三菱综合材料株式会社 锂离子二次电池用正极及锂离子二次电池
CN110085806A (zh) * 2019-04-30 2019-08-02 湖北锂诺新能源科技有限公司 硅碳负极及其制备方法与锂离子电池
CN214588915U (zh) * 2021-04-25 2021-11-02 宁德时代新能源科技股份有限公司 电极组件、电池单体、电池以及用电装置
CN113285052A (zh) * 2021-05-06 2021-08-20 路华置富电子(深圳)有限公司 正极片及其制造方法、电池

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023240803A1 (zh) * 2022-06-13 2023-12-21 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极极片、电极组件、电池单体、电池及用电设备
CN114784228A (zh) * 2022-06-24 2022-07-22 宁德新能源科技有限公司 二次电池及电子装置
WO2024087196A1 (zh) * 2022-10-28 2024-05-02 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极片、电极组件、二次电池及用电装置
CN116682935A (zh) * 2023-08-04 2023-09-01 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池单体、电池及用电装置

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