CN115377567A - 一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构 - Google Patents

一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，包含连接于电池卷芯的卷绕外端上的缓释结构，所述电池卷芯的卷绕外端通过缓释结构连接于电池卷芯的次外圈上，在电池卷芯的膨胀状态下，所述缓释结构在卷绕方向上能够释放或延长自身的长度；所述电池卷芯的卷绕外端与缓释结构在次外圈上的连接处之间的弧向间距增加，也即电池卷芯的总周长增加、截面积增加，从而为膨胀变形提升膨胀空间，避免电池卷芯受到过大的约束力，且维持稳定形态。

Description

一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构
技术领域
本发明属于电池制备领域，特别涉及一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构。
背景技术
锂离子电池由正极、负极、隔膜装配成卷芯或叠芯，再注入电解液、加外壳，活化后即制得成品电芯。其中正极和负极在充电过程中，体积会发生变化。一般三元、钴酸锂、钛酸锂在脱嵌锂过程中，体积变化不明显；LFP脱锂后体积会略有减小。负极体积变化大，极片压实后到分容充满电，石墨电极的体积变化可以达到20-35％；纯硅负极会达到200-400％；随着循环的进行，负极体积还会继续膨胀。由于电芯是先做好装配，再进行充放电；作为卷芯或叠芯的装配体，能否承受充放电过程中的体积变化，对于电芯内部结构稳定性，电性能和安全性能，都有着至关重要的影响。
如附图1中为现有圆柱电池在不同膨胀状态下的示意图。不同电芯外形采用不同的装配结构，锂离子电芯主要有铝壳、软包和圆柱三种外壳。其中圆柱电池卷绕后卷芯如图(a)，卷芯外形是圆柱体，由正极、负极以及中间的隔膜卷绕而成，横截面为类圆形。内圈中心孔和最外圈都用隔膜包住数圈，最外圈的中间贴上胶带100固定卷芯形状。圆柱电池在化成分容和循环过程中，随着负极片的不断膨胀，卷芯的圆形截面会越来越大，正极片和隔膜会向内圈回缩，卷芯会产生不同程度的变形。
如果卷芯膨胀较小，而胶带100粘接力强，则卷芯会在圆柱体的两端相对中间区域明显膨胀，如图1中的图(b)；如果卷芯膨胀较大，卷芯变形的力超过胶带的粘接能力，胶带会散开脱落，卷芯彻底失去了稳定卷绕结构的外部作用力，因此卷芯会完全松开直到接触到钢壳的壳壁，正负极片之间间距过大，整个卷芯结构失效，电芯报废，如图1中的图(c)。因此，在电池卷芯在膨胀时，避免电池卷芯局部受约束力过大或约束力不足，保证电池池芯整体均匀膨胀至关重要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，能够在膨胀时避免电池卷芯受到过大的约束力，且维持稳定形态。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，包含连接于电池卷芯的卷绕外端上的缓释结构，所述电池卷芯的卷绕外端通过缓释结构连接于电池卷芯的次外圈上，在电池卷芯的膨胀状态下，所述缓释结构在卷绕方向上能够释放或延长自身的长度；所述电池卷芯的卷绕外端与缓释结构在次外圈上的连接处之间的弧向间距增加。
进一步的，所述缓释结构在电池卷芯的卷绕方向上包括多个具有缓冲长度的缓释体，且若干所述缓释体随膨胀变形量增大而在卷绕方向上依次释放长度。
进一步的，所述缓释结构为随着电池卷芯卷绕且膜体长度超出正、负极片卷绕外端的外圈薄膜，所述缓释结构的膜体沿卷绕方向分成若干个连续的缓冲单元区，若干所述缓冲单元区在卷绕方向上的区域边界均连接于电池卷芯的次外圈膜体上，且各所述缓冲单元区的膜体相对于次外圈膜体呈松弛状态；各所述缓冲单元区构成缓释体。
进一步的，所述区域边界上的一处或多处膜体连接于次外圈膜体上。
进一步的，所述缓冲单元区包含熔融部和褶边部，且所述缓释结构中的熔融部和褶边部呈交替间隔式分布。
进一步的，所述熔融部与次外圈膜体熔融式连接；沿卷绕方向，若干熔融部与次外圈膜体随膨胀变形量增大而依次剥离。
进一步的，所述熔融部的宽度为小于缓冲单元区的宽度。
进一步的，所述熔融部的宽度范围为0.5-8mm，剥离强度为30-200N/100mm。
有益效果：本发明的电池卷芯的卷绕外端通过缓释结构连接于次外圈的膜体上，使得电池卷芯构成稳定的圆柱状卷芯结构，当电池卷芯膨胀时，缓释结构在卷绕方向上能够释放或延长自身的长度，从而使得卷绕外端相对于缓释结构在次外圈上的连接处之间的弧向间距增加，也即电池卷芯的总周长增加、截面积增加，从而为膨胀变形提升膨胀空间，避免电池卷芯受到过大的约束力，且维持稳定形态。
附图说明
附图1为现有技术中的圆柱电池在不同膨胀状态下的示意图；
附图2为本发明中包含缓释结构的第一种实施例的俯视图；
附图3为本发明中包含缓释结构的第二种实施例的立体示意图；
附图4为本发明中包含缓释结构的第二种实施例的轴向示意图；
附图5为本发明中局部A的结构放大示意图；
附图6为本发明中缓释结构第二种实施例中的熔焊示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图2至附图4所示，一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，包含连接于电池卷芯1的卷绕外端上的缓释结构2，所述电池卷芯1的卷绕外端1a通过缓释结构2连接于电池卷芯1的次外圈上，通过缓释结构2使得电池卷芯1在卷绕后形成稳定的形状，通过缓释结构2替换现有的胶带结构，在电池卷芯1的膨胀状态下，所述缓释结构2在卷绕方向上能够释放或延长自身的长度；在膨胀状态下，所述缓释结构在次外圈上的连接处与电池卷芯1的卷绕外端1a之间的弧向间距增加。也即当电池卷芯膨胀时，缓释结构2在卷绕方向上能够释放或延长自身的长度，从而使得卷绕外端1a相对于缓释结构2在次外圈上的连接处之间的弧向间距增加，也即电池卷芯的总周长增加、截面积增加，从而为膨胀变形提升膨胀空间，避免电池卷芯受到过大的约束力，且维持稳定形态。
如附图2所示，为缓释结构2的第一种实施例，缓释结构2为弹性带、波纹带等具有一定弹性拉伸作用的带体结构，如聚氯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯等塑料薄膜。
如附图3至附图6所示，为缓释结构2的第一种实施例，所述缓释结构2在电池卷芯1的卷绕方向上包括多个具有一定缓冲长度的缓释体，且若干所述缓释体随膨胀变形量增大而在卷绕方向上依次释放长度，电池卷芯的膨胀量越小，则缓释体的释放数量越少，能够按需释放长度，从而保证膨胀变形后正、负极极片之间松紧度适量。
所述缓释结构2为随着电池卷芯1卷绕且膜体长度超出正、负极片卷绕外端的外圈薄膜，所述缓释结构2的膜体沿卷绕方向分成若干个连续的缓冲单元区3，若干所述缓冲单元区3在卷绕方向上的区域边界10均连接于电池卷芯1的次外圈膜体4上，且各所述缓冲单元区3的膜体相对于次外圈膜体4呈松弛状态，各所述缓冲单元区3构成了具有一定缓冲长度的缓释体，缓释体的缓冲长度即为各缓冲单元区3上松弛部分长度。
如附图3和附图6所示，所述区域边界10上的一处或多处膜体连接于次外圈膜体上，优选的，所述区域边界10整条的边界线均连接于次外圈膜体上，保证其边界线上各处受力均匀，在其膨胀时，能够均匀受力。熔融时使用金属热封头，温度在150-200度，热封头形状可以为条形、点状或其它形状。
所述缓冲单元区3包含熔融部5和褶边部6，且所述缓释结构2中的熔融部5和褶边部6呈交替间隔式分布，也即任意两个相邻的缓冲单元区3中的熔融部5均通过褶边部6进行分隔。所述熔融部5与次外圈膜体4熔融式连接；沿卷绕方向，若干熔融部5与次外圈膜体4随膨胀变形量增大而依次剥离。
熔融部分将最外圈隔膜与次外圈隔膜熔融在一起，两层隔膜熔融后沿卷芯呈圆弧状，两者之间有一定的粘接强度。褶边部分的最外圈隔膜，呈褶边状，褶边结构的外观可以是锯齿状、或圆弧状、或其它形状，只要满足能够在上一个单元的熔融部分剥离后，褶边部分能够释放出一定长度的未熔融隔膜即可，以吸收卷芯膨胀带来的体积变化。
熔融部的长度为L1，褶边部的长度为L2，褶边部对应的圆弧上为L3；熔融部的宽度最大可以等于隔膜宽度W，最小大于1mm。定义每个熔融单元的熔融面积为S，此时S＝W*L1。
相应地，根据以上原理，给出一种缓释结构的设计方法。定义正极片长度为A，正极片厚度为B，膨胀率为C；负极片长度为D，厚度为E，负极片膨胀率为F；卷芯中心孔半径为R1，卷芯初始的外圈直径为R2，假设充放过程中隔膜厚度不变化，双层隔膜头尾超出负极长度为G，隔膜厚度H。
则卷绕后的卷芯截面积约为，
S1＝лR12+A*B+D*E+(D+G)*2*H
而膨胀后的卷芯截面积约为：
S2＝лR12+A*B*(1+C)+D*E*(1+F)+(D+G)*2*H
I＝膨胀后外圈周长-膨胀前外圈周长
Figure BDA0003813998240000041
因此，每个单元褶边部分能够释放出的长度为L2-L3，N个能够释放的褶边总长为的(L2-L3)*N，这个值应≥I，N和L3可以自由定义。L2要大于I/N+L3；熔融部分的长度根据剥离强度来定义，一般剥离强度在30-200N/100mm。
所述熔融部5的宽度为小于缓冲单元区3的宽度，熔融部分的宽度最大可以等于隔膜宽度，最小大于1mm。所述熔融部5的宽度范围为0.5-8mm，优选范围为1-3mm，剥离强度为30-200N/100mm。
以下为通过本方案中缓释结构制做的圆柱电池与现有技术中圆柱电池的试验数据：
实施例1：
圆柱电池，32135-18Ah，正极磷酸铁锂，负极硅氧掺混人造石墨(其中硅氧占比30％，人造石墨占比70％)；隔膜为14um的PE湿法基膜，电解液六氟磷酸锂1mol/L，EMC:DEC:EC＝1:1:1。
定义正极片长度为A＝2010mm，正极片厚度为B＝0.157mm，膨胀率为C＝1％；负极片长度为D＝2100mm，厚度为E＝0.094mm，负极片膨胀率为F＝60％；卷芯中心孔半径为R1＝3.5mm，卷芯初始的外圈直径为R2，假设充放过程中隔膜厚度不变化，双层隔膜头尾超出负极长度为G＝80mm，隔膜厚度H＝0.014mm。卷绕使用本发明的具有缓释结构的，包含熔融部分和褶边部分的圆柱卷芯。
则卷绕后的卷芯截面积约为，
S1＝лR12+A*B+D*E+(D+G)*2*H＝3.14*3.52+2010*0.157+2100*0.094+(2100+80)*2*0.014＝612.475mm2
而膨胀后的卷芯截面积约为：
S2＝лR12+A*B*(1+C)+D*E*(1+F)+(D+G)*2*H＝3.14*3.52+2010*0.157*(1+1％)+2100*0.094*(1+60％)+(2100+80)*2*0.014＝734.065mm2
I＝膨胀后外圈周长-膨胀前外圈周长：
Figure BDA0003813998240000042
代入后，计算I＝8.37mm。
因此，每个单元褶边部分能够释放出的长度为L2-L3，N个能够释放的褶边总长为的(L2-L3)*N，这值应≥I，N和L3可以自由定义。因此定义N为5，L3为1mm，则L2要大于I/N+L3＝2.674mm，L2取3mm；熔融部分的长度根据剥离强度来定义，一般剥离强度在30-200N/100mm，单个熔融部分的宽度在0.5-50mm，优选范围为1-8mm，故L1取2.5mm。
将该圆柱32135电池卷绕，入壳，依次完成正负极焊接，注液，封口，化成，分容后，制得32135-18Ah电芯；制作和测试过程中，用X-ray从圆柱截面和高度2个方向，观察卷芯体积变化和隔膜变化。
对比例1：
圆柱电池，32135-18Ah，正极磷酸铁锂，负极硅氧掺混人造石墨(其中硅氧占比30％，人造石墨占比70％)；隔膜为14um的PE湿法基膜，电解液六氟磷酸锂1mol/L，EMC:DEC:EC＝1:1:1。
定义正极片长度为A＝2010mm，正极片厚度为B＝0.157mm，膨胀率为C＝1％；负极片长度为D＝2100mm，厚度为E＝0.094mm，负极片膨胀率为F＝60％；卷芯中心孔半径为R1＝3.5mm，卷芯初始的外圈直径为R2，假设充放过程中隔膜厚度不变化，双层隔膜头尾超出负极长度为G＝80mm，隔膜厚度H＝0.014mm。卷绕使用常规卷绕方式，用20mm宽胶带缠绕一卷进行收尾。
则卷绕后的卷芯截面积约为：
S1＝лR12+A*B+D*E+(D+G)*2*H＝3.14*3.52+2010*0.157+2100*0.094+(2100+80)*2*0.014＝612.475mm2
而膨胀后的卷芯截面积约为：
S2＝лR12+A*B*(1+C)+D*E*(1+F)+(D+G)*2*H＝3.14*3.52+2010*0.157*(1+1％)+2100*0.094*(1+60％)+(2100+80)*2*0.014＝734.065mm2
I＝膨胀后外圈周长-膨胀前外圈周长：
Figure BDA0003813998240000051
代入后，计算I＝8.37mm
将该圆柱32135电池卷绕，入壳，依次完成正负极焊接，注液，封口，化成，分容后，制得32135-18Ah电芯；制作和测试过程中，用X-ray从圆柱截面和高度2个方向，观察卷芯体积变化和隔膜变化。
数据对比如下：
Figure BDA0003813998240000061
从上表可以看出，实施例1与对比例1相比，化成前两者外径一样，卷芯没有变形。化成至3.3V时，化成前两者外径一样，卷芯也没有变形，化成充电容量一致。
分容满电时，实施例1释放第1个单元的褶边，卷芯没有变形，而对比例1卷芯中间有胶带处外径小，两边无胶带处外径略大，卷芯轻微变形，卷芯两端的正负极片接触不如实施例1，分容放电容量也略小于实施例1。
循环100周后，实施例1释放2个单元的褶边，卷芯没有变形，而对比例1卷芯严重变形，卷芯两端的正负极片接触变差，容量也小于实施例1。
循环100周后，实施例1释放3个单元的褶边，卷芯没有变形，容量保持正常；而对比例1卷芯严重变形，胶带散开脱落，卷芯完全松开接触到钢壳的壳壁，卷芯外径与钢壳内径相同，正负极片之间间距过大，整个卷芯结构失效，放容量很低。
实施例1的的采用一种圆柱卷芯的新型隔膜收尾结构及其设计方法，当卷芯充电膨胀时，可以在尾部隔膜处，梯度地释放卷芯膨胀带来的卷芯结构变化，在膨胀过程中保持卷芯维持一个外形标准、内部极片和隔膜接触良好的圆柱体，可以改善电池充电过程体积膨胀带来的问题，提高电池的充电性能和循环寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：包含连接于电池卷芯(1)的卷绕外端上的缓释结构(2)，所述电池卷芯(1)的卷绕外端(1a)通过缓释结构(2)连接于电池卷芯(1)的次外圈上，在电池卷芯(1)的膨胀状态下，所述缓释结构(2)在卷绕方向上能够释放或延长自身的长度；所述电池卷芯(1)的卷绕外端(1a)与缓释结构在次外圈上的连接处之间的弧向间距增加。
2.根据权利要求1所述的一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：所述缓释结构(2)在电池卷芯(1)的卷绕方向上包括多个具有缓冲长度的缓释体，且若干所述缓释体随膨胀变形量增大而在卷绕方向上依次释放长度。
3.根据权利要求2所述的一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：所述缓释结构(2)为随着电池卷芯(1)卷绕且膜体长度超出正、负极片卷绕外端的外圈薄膜，所述缓释结构(2)的膜体沿卷绕方向分成若干个连续的缓冲单元区(3)，若干所述缓冲单元区(3)在卷绕方向上的区域边界(10)均连接于电池卷芯(1)的次外圈膜体(4)上，且各所述缓冲单元区(3)的膜体相对于次外圈膜体(4)呈松弛状态；各所述缓冲单元区(3)构成缓释体。
4.根据权利要求3所述的一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：所述区域边界(10)上的一处或多处膜体连接于次外圈膜体上。
5.根据权利要求3所述的一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：所述缓冲单元区(3)包含熔融部(5)和褶边部(6)，且所述缓释结构(2)中的熔融部(5)和褶边部(6)呈交替间隔式分布。
6.根据权利要求5所述的一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：所述熔融部(5)与次外圈膜体(4)熔融式连接；沿卷绕方向，若干熔融部(5)与次外圈膜体(4)随膨胀变形量增大而依次剥离。
7.根据权利要求5所述的一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：所述熔融部(5)的宽度为小于缓冲单元区(3)的宽度。
8.根据权利要求7所述的一种高膨胀圆柱电池梯度缓释结构，其特征在于：所述熔融部(5)的宽度范围为0.5-8mm，剥离强度为30-200N/100mm。
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