專利名稱：鋰離子二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及二次電池，特別是關(guān)于一種具有高安全性能、優(yōu)越的高倍率放電特性和循環(huán)特性的鋰離子動力電池。
背景技術(shù)：
隨著各種便攜式電子產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子二次電池以其諸多優(yōu)越的性能如電壓高、比能量大、自放電小以及無記憶效應(yīng)等備受青睞。在民用領(lǐng)域，容量數(shù)百至數(shù)千毫安時、中低功率輸出的鋰離子二次電池已經(jīng)成功實現(xiàn)商品化，全世界總產(chǎn)量已達(dá)每年5億只左右。近來，高容量、高功率輸出的鋰離子電池也已開始研究，其應(yīng)用方向主要是電動汽車動力電池、航空航天飛行器電源以及工業(yè)和家用貯能體系。符合這些應(yīng)用要求的鋰離子電池必須具備以下特點(1)安全可靠(2)容量高(3)高倍率放電特性和循環(huán)特性優(yōu)良。
目前，鋰離子二次電池普遍采用卷繞式結(jié)構(gòu)。對于中小容量的電池，其制造工藝非常簡便。但對于高容量的電動汽車動力電池，如采用卷繞式結(jié)構(gòu)，其極片長達(dá)十幾米甚至幾十米，卷繞難度極高。而且，該結(jié)構(gòu)散熱面積小，不利于電池內(nèi)部熱量的排散，影響了電池的高倍率放電特性。故在經(jīng)常需要以較大電流充放電的場合中也不宜采用卷繞式結(jié)構(gòu)的電池。在CN 2433736Y中公開了一種鋰離子二次電池，其方形電池極片由隔膜相隔而層疊排布，電池極片兩端由不銹鋼板或銅板或鎳板聯(lián)接和固定。此結(jié)構(gòu)電池雖改善了上述難題，但為使極片與隔膜在電池加工過程中保持正確的位置，并以正確的程序放置時在生產(chǎn)中較為復(fù)雜，且費用很高。一旦隔膜錯位，將導(dǎo)致短路，必將影響電池的安全性能。而且對電池極芯采用兩端聯(lián)接和固定，大大減少了電池內(nèi)部的有效空間，勢必影響電池的容量。同時此極芯固定裝置很難固定于電池殼內(nèi)，這樣在振動較大的場合使用，將給電池的安全性帶來很大的威脅。這是高容量的動力電池不能允許的。
此外，與其它二次電池相比，鋰離子電池的內(nèi)阻較高，因此在高倍率放電時電壓急劇下降，放電時間大大縮短，電池容量大幅降低。而常規(guī)電極的低通導(dǎo)能力是造成鋰離子二次電池內(nèi)阻偏高的主要原因之一。目前，大多數(shù)商品鋰離子二次電池均采用單個或多個極耳作為電流引出方式，但是這樣電流的導(dǎo)出和引入局限在有限的幾個焊接點上，通導(dǎo)能力較低，且電池充放電過程中的電流分布不夠均勻。因此，高容量、高倍率放電特性和循環(huán)特性優(yōu)良的動力電池不易采用此種電流引出方式。
更為重要的是在大容量電池設(shè)計中，如動力電池，其安全性能是必須考慮的首要因素。在常見的鋰離子二次電池中，用作電流引出的極耳是以焊接方式連接到正負(fù)極蓋板上。電池在跌落、振蕩過程中，極芯極易發(fā)生竄動，致使正負(fù)極片發(fā)生形變，造成電池內(nèi)部短路。同時，受力部位集中在極耳的焊接點上，易使焊點脫落，從而引發(fā)一系列安全問題。因此，必須在設(shè)計上采取有效的措施以杜絕此類安全隱患。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是要改善現(xiàn)有技術(shù)鋰離子二次電池內(nèi)阻較大，高倍率放電性能及安全性能差的問題，從而提供一種具有高安全性能、高倍率放電特性和循環(huán)特性優(yōu)良、生產(chǎn)工藝簡便等突出優(yōu)點的鋰離子動力電池。
本實用新型的目的是通過下列技術(shù)方案實現(xiàn)的一種鋰離子二次電池，主要包括正、負(fù)極片，隔膜，電解液及電池殼，由正極片、隔膜和負(fù)極片層疊排布形成層疊式極芯由夾緊具固定收納于電池殼，該夾緊具為上下端開口的盒式結(jié)構(gòu)，通過單側(cè)邊螺釘緊固方式夾緊極芯。
其中所述夾緊具進一步改進為兩端均有突出部位，突出高度與夾緊具側(cè)壁高度之和等于電池高度減去其上下蓋板厚度。
所述夾緊具還可以進一步改進為由不銹鋼板或銅板或鋁板材質(zhì)制成，外側(cè)壁打有凹印痕。
所述隔膜進一步改進為單邊開口袋式隔膜套，層疊排布的正、負(fù)極極片至少其中之一極的極片插入該袋式隔膜套中并形成層疊式極芯。
所述鋰離子二次電池上下兩端各包括一集電部件，該集電部件包括連接塊、夾片及連接片，夾片是沿極片重疊方向?qū)㈦姵氐恼?、?fù)極集流體夾緊在連接塊側(cè)壁上并通過連接片與電池極柱相連導(dǎo)通。
所述正、負(fù)極集流體、連接塊、夾片、連接片與電池極柱之間是通過螺釘緊固或鉚釘鉚合或螺釘緊固加焊接或鉚釘鉚合加焊接的方式連接為一體。
所述連接片進一步改進為由多層金屬箔重疊而成的軟性連接片。
本實用新型鋰離子二次電池的正極含有一種鋰與過渡金屬的層狀復(fù)合氧化物，它們是具有特定結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)，可以與鋰離子進行可逆的反應(yīng)。此類活性物質(zhì)材料的實例包括LixNi1-yCoyCO2(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、LixMn2-yByO2(其中，B為過渡金屬，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)。并且正極還含有金屬材質(zhì)的電極集流體(通常均為鋁箔)、碳系材料導(dǎo)電劑以及將正極材料粘結(jié)到電極集流體上的粘合劑，碳系材料導(dǎo)電劑的實例包括炭黑、碳纖維和石墨，粘合劑的實例包括含氟樹脂和聚烯烴化合物如PVDF、PTFE、VDF-HFP-TFE共聚物與SBR。
本實用新型鋰離子二次電池的負(fù)極活性物質(zhì)為能夠使鋰離子反復(fù)嵌入和脫嵌的碳系材料，其實例包括天然石墨、人造石墨、中間相碳微球(MCMB)、中間相碳纖維(MCF)。并且負(fù)極還含有金屬材質(zhì)的電極集流體(通常均為銅箔)以及將負(fù)極材料粘結(jié)到電極集流體上的粘合劑，粘合劑的實例包括含氟樹脂和聚烯烴化合物如PVDF、PTFE、VDF-HFP-TFE共聚物與SBR。
本實用新型鋰離子二次電池的電解液為含有鋰鹽的鏈狀酸酯和環(huán)狀酸酯的混合溶液。鋰鹽的實例包括高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)、氯鋁酸鋰、鹵化鋰、氟烴基氟氧磷酸鋰及氟烴基磺酸鋰，可以使用其中之一或其混合物。鏈狀酸酯的實例包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸二苯酯(DPC)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、丙酸乙酯(PA)、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的鏈狀有機酯類，可以使用其中之一或其混合物。環(huán)狀酸酯的實例包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亞乙烯酯(VC)、γ-丁內(nèi)酯(γ-BL)、磺內(nèi)酯以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的環(huán)狀有機酯類，可以使用其中之一或其混合物。
本實用新型鋰離子二次電池的優(yōu)點在于該電池內(nèi)阻較低，具有優(yōu)良的高倍率放電性能，大電流放電時的溫度上升也不明顯，同時安全性能良好。此種結(jié)構(gòu)制作的電池，適用于高容量、高功率輸出的應(yīng)用場合，尤其適用于汽車用動力電池。
下面參照附圖結(jié)合實施例對本實用新型作進一步的描述。

圖1為本實用新型鋰離子二次電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型鋰離子二次電池的電池極片示意圖。
圖3為本實用新型鋰離子二次電池的夾緊具結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本實用新型鋰離子二次電池的極芯體與電池殼及電池蓋板的配合示意圖。
標(biāo)號的說明如下1 層疊式電池極芯2 夾緊具3 電池殼4，4’連接片5，5’ 連接塊6，6’夾片7，7’ 隔圈 8，8’電池蓋板9 袋式隔膜套10極片11 電極集流體12突出部位13，13’極柱具體實施方式請參考圖1，本實用新型鋰離子二次電池，其包括一層疊式電池極芯1，一夾緊具2，一電池殼3，上下端各一連接片4，4’，各一連塊快5，5’，各一夾片6，6’，各一隔圈7，7’，各一電池蓋板8，8’，各一極柱13，13’。
請參考圖2，本實用新型鋰離子二次電池通過袋式隔膜套9形成層疊式電池極芯1，即通過將正、負(fù)極片10至少其中之一極插入袋式隔膜套9中并層疊放置。這樣就可以將原本很長的極片分成若干個小片，從而大大降低電池裝配難度。該袋式隔膜套9是通過高溫熔接隔膜周邊方式形成單邊開口袋式結(jié)構(gòu)的。極片10由開口邊插入，電極集流體11露在外面，袋式隔膜套9的其它周邊熔接牢固，完全地隔離了電池正、負(fù)極片10。因此，袋式隔膜套9的優(yōu)越性在于(1)生產(chǎn)工藝簡單易行；(2)可以有效地防止電池內(nèi)部短路，提高安全性能。另外，方型疊層式結(jié)構(gòu)增加了散熱面積，有利于提高電池的高倍率放電特性。
請參考圖3，該夾緊具2為上下端開口的盒式結(jié)構(gòu)，用于夾緊上述層疊式極芯1，該夾緊具2由不銹鋼板或銅板或鋁板材質(zhì)制成，外側(cè)壁打有凹印痕，通過單側(cè)邊螺釘緊固方式夾緊極芯。這樣不僅能有效地防止極芯的竄動，避免正負(fù)極片在電池跌落、振蕩過程中發(fā)生形變而造成電池內(nèi)部短路，而且盒式單邊緊固的方式有效地節(jié)省了電池的內(nèi)部有效空間，為電池的大容量提供便利。與此同時，夾緊具兩側(cè)均有突出部位12，在電池裝配中(請參考圖4)，上下兩電池蓋板8，8’與電池殼3焊接的同時，兩端的突出部位12頂在電池蓋板8，8’的兩側(cè)，使整個極芯體不能上下竄動，同時夾緊具外壁與電池殼內(nèi)壁緊密配合從而形成一具有牢固極芯的電池體。
連接片4，4’是由多層金屬箔重疊而成的軟性連接片，在導(dǎo)電性能及柔韌性上均優(yōu)于常用的其他方式。這樣結(jié)構(gòu)的電池在震動較大的環(huán)境下使用時，電池集電結(jié)構(gòu)各部位受力得到進一步分散。連接片連接點處幾乎不受力的作用，不易脫落，極大的提高了電池的安全性能。
在本實用新型中，所述鋰離子二次電池兩端的正、負(fù)電極集流體分別通過夾片6，6’沿極片重疊方向夾緊在連接塊5，5’的側(cè)壁上，并以焊接加螺釘緊固或焊接加鉚釘鉚合的方式連接為一體，從而形成集電結(jié)構(gòu)。連接塊5，5’為鋁或銅材質(zhì)的T型結(jié)構(gòu)，該種連接塊的受力面決定了其不受正、負(fù)極集流體強度的影響，而且工藝簡單，既充分地保證了充放電過程中電流的均勻分布，又有效地消除了接觸電阻的影響，使電池內(nèi)阻大大降低。
本實用新型鋰離子二次電池的正極片的備制過程將PVDF溶解在NMP中，將LiCoO2和乙炔黑加入該溶液中，充分混合制成漿料，其組成為LiCoO2∶乙炔黑∶PVDF＝92∶4∶4。將該漿料均勻地涂布在20μm的鋁箔兩側(cè)，于120℃下干燥3小時。壓延后得到大小為220×120mm2，厚度為160μm的正極片。再將正極片端緣的敷料層刮去，露出寬20mm的鋁箔。
本實用新型鋰離子二次電池的負(fù)極片的備制過程將PVDF溶解在NMP中，將人造石墨加入該溶液中，充分混合制成漿料，其組成為人造石墨∶PVDF＝95∶5。再將該漿料均勻地涂布在20μm的銅箔兩側(cè)，于120℃下干燥3小時。壓延后得到大小為220×120mm2，厚度為160μm的負(fù)極片。再將此負(fù)極片端緣的敷料層刮去，露出寬20mm的銅箔。
本實用新型鋰離子二次電池的組裝方法是將上述的正、負(fù)極片分別裝入以40μm厚的微孔性聚丙烯材料制成的袋式隔膜袋中，層疊放置整齊并由夾緊具2夾緊制成電池極芯體。此時極芯體兩端分別露出鋁箔和銅箔的正、負(fù)電極集流體，沿極片重疊方向分別對電池的正、負(fù)電極集流體用螺釘及夾片緊固于上下連接塊上以形成正、負(fù)兩極的集電結(jié)構(gòu)。將電池極芯體套進電池殼，兩端分別裝配電池連接片4，4’、隔圈7，7’、蓋板8，8’等配件后把電池蓋板焊接在電池殼端口。極芯體外壁與電池殼內(nèi)壁緊密配合，極芯體上夾緊具兩端的突出部位頂在電池蓋板兩側(cè)。當(dāng)裝配好電池后，將LiPF6按1mol/dm3的濃度溶解在EC/DEC＝1∶1的混合溶劑中所形成的電解液注入電池殼中，密封，制成100Ah方型層疊式鋰離子動力電池。
電池特性測試放電性能將按上述方法制成的方型鋰離子動力電池以20A的恒定電流充電至4.1V，在電壓升至4.1V后以恒定電壓充電，截至電流0.5A；再以20A的恒定電流放電，截至電壓3.0V。測量初始容量和電池內(nèi)阻。
負(fù)荷特性將按上述方法制成的方型鋰離子二次電池以20A的恒定電流充電至4.1V，在電壓升至4.1V后以恒定電壓充電，截至電流0.5A；再以100A的恒定電流放電，截至電壓3.0V。測定在高負(fù)荷條件下的容量維持率和放電時溫度上升的幅度。
安全特性跌落測試將按上述方法制成的方型鋰離子動力電池以20A的恒定電流充電至4.1V，在電壓升至4.1V后以恒定電壓充電，截至電流0.5A；測量跌落前電池的內(nèi)阻和電壓；然后將電池以其中一個面水平地從高度為1m的跌落平臺自由跌落至混凝土地面上，每六個面分別向下水平自由跌落一次為1個循環(huán)，每跌落一個循環(huán)后分別測量電池的內(nèi)阻和電壓，同時在跌落過程中仔細(xì)觀察電池有無漏液、發(fā)熱、冒煙及爆炸等現(xiàn)象發(fā)生；先后共跌落3個循環(huán)。
以上試驗的結(jié)果如下表所示。
鋰離子二次電池性能測試結(jié)果
權(quán)利要求1.一種鋰離子二次電池，主要包括正、負(fù)極片，隔膜，電解液及電池殼，由正極片、隔膜和負(fù)極片層疊排布形成層疊式極芯由夾緊具固定收納于電池殼，其特征在于該夾緊具為上下端開口的盒式結(jié)構(gòu)，通過單側(cè)邊螺釘緊固方式夾緊極芯。
2.如權(quán)利要求1所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述夾緊具兩端均有突出部位，其突出高度與夾緊具側(cè)壁高度之和等于電池高度減去其上下蓋板厚度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述夾緊具由不銹鋼板或銅板或鋁板材質(zhì)制成，外側(cè)壁打有凹印痕。
4.如權(quán)利要求1所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述隔膜為單邊開口袋式隔膜套，層疊排布的正、負(fù)極極片至少其中之一極的極片插入該袋式隔膜套中并形成層疊式極芯。
5.如權(quán)利要求1所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述鋰離子二次電池兩端各包括一集電部件，該集電部件包括連接塊、夾片及連接片，夾片是沿極片重疊方向?qū)㈦姵氐恼?、?fù)電極集流體夾緊在連接塊側(cè)壁上的并通過連接片與電池極柱相連導(dǎo)通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述正、負(fù)電極集流體、連接塊、夾片、連接片與電池極柱之間是通過螺釘緊固或鉚釘鉚合或螺釘緊固加焊接或鉚釘鉚合加焊接的方式連接為一體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述連接片是由多層金屬箔重疊而成的軟性連接片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述正極活性物質(zhì)選自通式為LixNi1-yCoyO2(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、LixMn2-yByO2(其中，B為過渡金屬，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)的鋰與過渡金屬的層狀復(fù)合氧化物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述負(fù)極活性物質(zhì)選自為天然石墨、人造石墨、中間相碳微球、中間相碳纖維，屬于能夠使鋰離子反復(fù)嵌入和脫嵌的石墨化碳系材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子二次電池，其特征在于所述電解液為含有鋰鹽的鏈狀酸酯和環(huán)狀酸酯的混合溶液，其中鋰鹽包括高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰、氯鋁酸鋰、鹵化鋰、氟烴基氟氧磷酸鋰及氟烴基磺酸鋰之一或其混合物；鏈狀酸酯包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二苯酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的鏈狀有機酯類其中之一或其混合物；環(huán)狀酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亞乙烯酯、γ-丁內(nèi)酯、磺內(nèi)酯以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的環(huán)狀有機酯類其中之一或其混合物。
專利摘要一種鋰離子二次電池，其包括正極、負(fù)極、電解液和隔膜。該電池極芯由插入袋式隔膜套的正、負(fù)極片層疊而成，并由上下端開口盒式結(jié)構(gòu)的夾緊具夾緊形成極芯體。正、負(fù)極集流體采用螺釘緊固或鉚釘鉚合的方式形成集電結(jié)構(gòu)，并通過特定的連接部件與電池的上下蓋板相連。極芯體與電池殼及電池蓋板緊密配合從而形成一極芯牢固的電池體。該鋰離子二次電池，具有安全性能高、高倍率放電特性優(yōu)良、生產(chǎn)工藝簡便等突出優(yōu)點，適用于高容量、高功率的應(yīng)用場合如電動汽車動力電池等。
文檔編號H01M10/40GK2640052SQ0327365
公開日2004年9月8日 申請日期2003年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月19日
發(fā)明者沈晞, 朱建華, 王傳福, 董俊卿 申請人:比亞迪股份有限公司