專利名稱：一種卷繞式結構的方形鋰離子電池的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種卷繞式結構的方形鋰離子電池，特別是一種能夠降低變形率的卷繞式結構的方形鋰離子電池。
背景技術：
方形電池形狀規(guī)則，厚度可控，能夠適應現(xiàn)代消費電子超輕薄發(fā)展的趨勢；同時方形電池形相對圓柱形電池比表面積大，有利于大容量電池的散熱；方形結構也有利于大規(guī)模電池的組裝，因此也適于汽車動力電池、儲能電池等大規(guī)模儲能的應用。目前，方形電池電極、隔膜組件的組裝方式主要包括疊片和卷繞兩種方式。其中，卷繞方式組裝方形電池有利于機械自動化生廣，提聞生廣效率和廣品的可罪性。然而相對于疊片式結構的電池，卷繞式結構的電池在循環(huán)過程中容易發(fā)生變形，從而導致電池厚度增加，體積能量密度降低，以及造成電極間的界面變差，電池性能惡化。理想的方形電池應為一平整的方塊形狀，電池變形是指電池某些部位隆起而背面凹陷，或某些部位凹陷而背面隆起等各種使造成電池不平整的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于卷繞式結構的電池充放電循環(huán)過程中因電極膨脹而導致在電池內部不同位置存在不均勻的應力分布，因而容易發(fā)生變形；而疊片式結構的電池，各極片獨立、平行堆疊，極片均勻膨脹，沒有應力分布，因而疊片式電池是整個厚度方向的均勻膨脹，沒有變形的問題。電極在循環(huán)過程中的膨脹包括由于電極材料充放電過程中的晶格膨脹、電解液對電極的溶脹、因電極加工過程產(chǎn)生的應力在循環(huán)過程中逐漸釋放導致的電極膨脹，以及電極活性材料在循環(huán)過程中因表面膜生長導致的膨脹。在疊片式電池中，極片各個部位均勻膨脹，同時各個集流體不是一個整體，不會互相限制，因此電極膨脹時，電池可整體均勻的膨脹，不易造成電池變形的問題。而卷繞式結構的電池，極片膨脹時受到集流體、隔膜的束縛，從而使內部產(chǎn)生不均勻應力分布，導致電池變形問題。有鑒于此，確有必要提供一種能夠解決變形問題的卷繞式結構的方形鋰離子電池。

實用新型內容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，而提供一種能夠解決變形問題的卷繞式結構的方形鋰離子電池。為了達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種卷繞式結構的方形鋰離子電池，包括電芯、用于容納所述電芯的包裝袋和灌注于所述包裝袋內的電解液，所述電芯包括正極、負極和間隔于所述正極和負極之間的隔膜，所述正極包括正極集流體及涂布在正極集流體上的正極材料層，所述負極包括負極集流體及涂布在負極集流體上的負極材料層，所述正極在轉角區(qū)域的正極材料層的厚度與正極本體區(qū)域的正極材料層的厚度的比值小于等于90%，所述轉角區(qū)域在卷繞方向的長度為
0.5 4個電芯厚度。其中，轉角區(qū)域是指電極在其轉角位置附近的區(qū)域。轉角區(qū)域其在卷繞方向的長度約為O. 5 4倍電芯厚度，以I 2倍的電芯厚度最佳，太短則難以起到抑制電池變形的作用，太長則導致電池能量密度損失。同時，轉角區(qū)域相對電極轉角位置盡量對稱分布，其相對轉角處轉角區(qū)域兩邊長度比在O. 6 1. 5之間，以使電極分布均勻，達到更佳效果。本體區(qū)域是指除轉角區(qū)域以外的區(qū)域。使用此優(yōu)化結構的電極組裝的電池，在充放電、循環(huán)過程中，在其卷繞結構的轉角區(qū)域因電極膨脹產(chǎn)生的應力小，減輕了應力分布不均勻的問題，因而可以減少電池的變形率。在實施中發(fā)現(xiàn)，當轉角區(qū)域的正極材料層厚度相當于正極本體區(qū)域電極材料層厚度的90%時，電池變形即有改善。作為本實用新型卷繞式結構的方形鋰離子電池的一種改進，所述負極在轉角區(qū)域的負極材料層的厚度與負極本體區(qū)域的負極材料層的厚度的比值小于等于90%。為實現(xiàn)電極(正極或負極)轉角區(qū)域涂布的電極層厚度低于本體區(qū)域電極層厚度，可以采用如下實施方法第一種是一次性涂布，然后在轉角區(qū)域吸取、粘取等方法取出一定量的漿料或干燥后磨除、剔除等方法減少活性涂層厚度；第二種是間歇式的調節(jié)涂布頭的縫隙，在轉角區(qū)域直接涂布較少的漿料；第三種是兩次涂布方法，即先整體涂布一層，然后再涂布本體區(qū)域，第二次涂布在轉角區(qū)域不涂；其中第一種方法和第二種方法在實施上較為困難，第三種方法是目前較為簡單、可行的方法。作為本實用新型卷繞式結構的方形鋰離子電池的一種改進，所述正極在轉角區(qū)域的正極材料層的厚度與正極本體區(qū)域的正極材料層的厚度的比值小于等于30%。此時，轉角區(qū)域活性材料較少，空間多、電極膨脹少；電池膨脹主要體現(xiàn)在本體區(qū)域，電池內部幾乎不存在應力分布，此時電極膨 脹對電池的影響與疊片電池類似，電池整體在厚度方向膨脹，而基本沒有變形的現(xiàn)象。作為本實用新型卷繞式結構的方形鋰離子電池的一種改進，所述正極的轉角區(qū)域為空白正極集流體，這是本實用新型的一種特殊情況，也就是說轉角區(qū)域也可以不涂布電極活性物質，這時電池充放電循環(huán)過程的膨脹與疊片電池的膨脹行為相似，對降低電池循環(huán)過程的變形率有較好的效果。但是由于裸露的集流體在其邊沿容易產(chǎn)生枝狀金屬碎片，此碎片容易刺穿隔膜導致電池短路。因此，在未涂布的區(qū)域需要施加保護層，避免枝晶造成的短路。此保護層可以以下幾種方法實現(xiàn)方法一是貼膠帶，使用一些化學、電化學穩(wěn)定的膠帶，貼覆在空白集流體區(qū)域；方法二是涂覆聚合物層或無機顆粒/粘結劑保護涂層于空白集流體區(qū)域；方法三是涂覆導電劑/粘結劑導電涂層于集流體上。前兩種方法可覆蓋空白集流體前后少量的區(qū)域，后一種方法可在涂布活性物質前涂布到集流體上。方法一施加方式比較復雜，但是保護效果好；方法二需要較高精度涂布機器；方式三會導致體積能量密度損失，但是可減少電池內阻，有利于提高功率密度。實際使用可靈活性選擇。對于方法一所述膠帶，沒有特殊的要求，只要有一定強度，能抗金屬顆粒刺穿，同時在電池體系中保持化學、電化學穩(wěn)定性即可。對于方法二所述無機顆粒沒有特殊要求，但要求在電解液中不溶解，在電池體系中保持化學、電化學穩(wěn)定，如三氧化二鋁、二氧化鈦、二氧化鋯、氧化鎂、磷酸鋁、沸石等。對于方法二和方法三所述聚合物及粘結劑沒有特殊的要求，只要在電池體系中保持粘結性、化學、電化學穩(wěn)定性即可，如丁二烯-苯乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物、聚丙烯酸鈣、聚酯、聚酰亞胺等。膠帶、保護涂層、導電涂層的厚度不低于集流體的一倍，以達到基本的保護要求；不大于集流體厚度的三倍，以使空白區(qū)域厚度較薄，能夠發(fā)揮設計的作用。作為本實用新型卷繞式結構的方形鋰離子電池的一種改進，所述轉角區(qū)域在卷繞方向的長度為I 2個電芯厚度。對于卷繞結構的電池，從卷繞結構的內層往外層發(fā)展，每增加一層，電極的周長有所增加。因此，作為一種優(yōu)化設計，轉角區(qū)域其在卷繞方向的長度隨其在電芯中的位置，由內至外遞增；每層轉角區(qū)域長度為其轉角兩邊集流體所夾電池厚度的O. 5 4倍，更優(yōu)化的設計則為轉角兩邊集流體所夾電芯厚度的I 2倍。如此既有利于保持極片本體區(qū)域的整齊排列，又有利于以較低的能量密度損失達到降低變形率的目的。在實際實施過程中，可以單獨使用優(yōu)化結構的正極，也可同時使用優(yōu)化結構的正極和負極；負極、正極可相互獨立的采用不同程度的較薄涂布厚度或不涂布電極材料層。但是為了避免活潑的金屬鋰析出，負極在任何區(qū)域的可接受鋰的容量一定要高于對應區(qū)域正極放出鋰的容量，因此不能單獨使用此優(yōu)化結構的負極，或是負極在轉角區(qū)域的重量與本體區(qū)域重量比值不能低于正極在轉角區(qū)域重量與本體區(qū)域重量比值。同樣的為了避免金屬鋰析出，負極正常涂布區(qū)域應超出正極正常涂布區(qū)域，以避免在電池組裝、使用過程中正負極位置的相對移動，導致較薄或無涂布電極材料的負極對應較厚涂布的正極，導致析鋰。取決于電池的生產(chǎn)制作工藝及電池本身的大小，負極正常涂布區(qū)域應超出正極正常涂布區(qū)域的寬度可為O. 5mm 10mm。本實用新型適用于電極在加工、充放電、循環(huán)過程中電極有厚度膨脹的電池體系。對電解液、隔膜及電池的外殼沒有特殊的要求。對正極活性材料也沒有特殊的要求，鋰過渡金屬復合氧化物、鋰過渡金屬磷 酸鹽、鋰過渡金屬硅酸鹽、鋰過渡金屬氟硫酸鹽等都可作為此實用新型的電池的正極活性物質。對負極材料無特殊要求，對于使用充放電過程中晶格膨脹較大的材料的電池優(yōu)勢更為明顯，如石墨(特別是高石墨化度的人造石墨、天然石墨)、娃及娃/碳復合負極材料、SnCoC等合金負極材料等。相對于現(xiàn)有技術，本實用新型優(yōu)化了電極結構的卷繞式方形鋰離子電池，在其電極的轉角區(qū)域，涂布的電極材料層厚度低于其本體區(qū)域的電極材料層厚度，以此降低電池在充放電及循環(huán)過程中因電極膨脹導致的應力，降低電池的變形率，減少電池循環(huán)過程的表觀厚度，提高電池的能量密度，及改善電池性能。
以下結合附圖和具體實施方式
，對本實用新型的鋰離子電池進行詳細說明，其中

圖1為本實用新型具體實施方式
I至5的卷繞式方形電池結構示意圖；圖2為本實用新型具體實施方式
6至10的卷繞式方形電池結構示意圖；圖3為本實用新型具體實施方式
11至13的卷繞式方形電池結構示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
和測試結果，對本實用新型作進一步詳細的描述。但本實用新型的實施方式不限于此。如圖1所示，本實用新型一種卷繞式結構的方形鋰離子電池，包括電芯、用于容納所述電芯的包裝袋和灌注于所述包裝袋內的電解液，所述電芯包括正極1、負極2和間隔于所述正極I和負極2之間的隔膜3，所述正極I包括正極集流體11及涂布在正極集流體11上的正極材料層12，所述負極2包括負極集流體21及涂布在負極集流體21上的負極材料層22，所述正極轉角區(qū)域13的正極材料層12的厚度與正極本體區(qū)域的正極材料層12的厚度的比值小于等于90%，所述正極轉角區(qū)域13在卷繞方向的長度為O. 5 4個電芯厚度。如圖2所示，負極轉角區(qū)域15的負極材料層22的厚度與負極本體區(qū)域的負極材料層22的厚度的比值小于等于90%。如圖3所示，正極I和負極2的轉角區(qū)域為空白正極集流體，即未涂覆活性物質層。此時，為了防止空白集流體刺破隔膜3，在正極轉角區(qū)域13和負極轉角區(qū)域15的空白正極集流體上設有保護層14，該保護層14可以為膠帶、保護涂層或導電涂層，保護層14的厚度為相應集流體的I 3倍。當然，本實用新型附圖中雖然只表示出在正極I和/或負極2的轉角區(qū)域的一面設置厚度小于相應電極本體 區(qū)域的厚度的區(qū)域，顯然的，還可以在正極I和/或負極2的轉角區(qū)域的另一面，或者在正極I和/或負極2的轉角區(qū)域的雙面均設置厚度小于相應電極本體區(qū)域的厚度的區(qū)域。
具體實施方式
I正極I的制備將94重量份的鈷酸鋰粉(LiCoO2)、3重量份的乙炔黑、3重量份的聚偏二氟乙烯(PVDF)、適量的氮-甲基吡咯烷酮，使用高速攪拌機攪拌分散，使其形成均勻的正極漿料。然后使用兩次涂布、兩次壓實的方法首先使用連續(xù)涂布方式，將此漿料涂覆到鋁箔集流體上，雙面涂布烘干溶劑后將正極密度壓到3. 8g/cm3，然后涂布第二層，第二層使用間隙涂布方式，正極的間隙寬度為2倍電池厚度，每相鄰兩間隙間涂布寬度為電池卷繞方向寬度減去間隙寬度，正極轉角區(qū)域13和本體區(qū)域的涂布重量比見表I ;將極片裁剪到合適大小，得到單元正極I。負極2的制備將94重量份的天然石墨粉、1. 5重量份的乙炔黑、2. 5重量份的丁苯橡膠(乳液，固含量約50%，2. 5為干態(tài)物質重量比)，2重量份的羧甲基纖維素鈉、適量的水，使用高速攪拌機攪拌分散，使其形成均勻的負極漿料，其中丁苯橡膠乳液在漿料分散好后最后一步才加，并慢速攪拌以防止乳液破乳。將此漿料涂覆到銅箔集流體上，烘干溶齊U，烘干后單面的單位面積負極涂層重量為8. 86mg/cm2，然后以相同重量涂布另一面；將極片壓實，壓實后涂層的密度約為1.6g/cm3 ;將極片裁剪到合適大小，得到單元負極2。電解液將六氟磷酸鋰(LiPF6)溶入到以重量比為碳酸乙烯酯碳酸二乙酯碳酸甲乙酯=I I I的混合溶劑中，使鋰鹽濃度為I摩爾每升，加入酸亞乙烯酯作為添加齊U，碳酸亞乙烯酯占電解液重量的3%，得到電解液。隔膜3選用聚丙烯多孔膜。鋰離子二次電池的制備將正極1、隔膜3、負極2卷繞形成電極組件，隔膜3處在正極I和負極2之間。將所得的電極組放入電池盒袋中。往電池盒中注入電解液，真空封裝電池盒。將該電池以恒電流O. 05C充電至50% SOC，然后真空排除氣體，二次封裝即完成電池的制作。
具體實施方式
2 1具體實施方式
2 5的負極采用與具體實施方式
I相同的方法制作。
具體實施方式
2 5的正極具體實施方式
6 10的正極I和負極2均采用兩次涂布、兩次壓實的實施方法。
具體實施方式
2至13的正極I和負極2的涂布情況見表I。其中，兩次涂布、兩次壓實的具體操作過程如下使用連續(xù)涂布方式，雙面涂布后將正極I的密度壓到3. 8g/cm3,負極2的密度壓到1. 5g/cm3 ;然后涂布第二層，第二層使用間隙涂布方式，正極I的間隙寬度為2倍電池厚度，負極2的間隙寬度為1. 2倍電池厚度，每相鄰兩間隙間涂布寬度為電池卷繞方向寬度減去間隙寬度；在本實用新型的所有具體實施方式
中，電池卷繞方向寬度為200mm,電池厚度為5mm。雙層涂布好后，雙層涂布區(qū)兩層電極涂層總重量正極I為20. 13mg/cm2,負極2為8. 86mg/cm2，將電極壓實，使雙層涂布區(qū)的電極層平均密度，正極I為4.1g/cm3,負極2為1. 6g/cm3。
具體實施方式
11至13的正極1、負極2僅以間歇方式涂布，間隙涂布尺寸參數(shù)與上面具體實施方式
的間隙涂布參數(shù)相同，涂布重量正極I為20. 13mg/cm2,負極2為8. 86mg/cm2，將電極壓實，使正極I的涂層密度為4. lg/cm3,負極2的涂層密度為1.6g/cm3。在電極的空白集流體區(qū)域貼覆20um厚度的綠膠。
具體實施方式
12的操作同具體實施方式
11，不同的是空白集流體區(qū)域涂覆有保護涂層，該保護涂層包括聚偏二氟乙烯和三氧化二鋁，保護涂層的厚度為ΙΟμπι。
具體實施方式
13的操作同具體實施方式
11，不同的是在涂布前在空白集流體區(qū)域涂覆導電涂層，導電涂層為丁二烯-苯乙烯共聚物層。以間隙區(qū)的中線為轉繞的轉角位，將正極1、隔膜3、負極2卷繞形成電極組件，隔膜3處在正極I和負極2之間。將所得的電極組放入電池盒袋中。按照具體實施方式
I的方法對電池進行封裝、首次充電、排氣及二次封裝，完成電池制作。表1:各具體實施方式的正、負極轉角區(qū)域涂層重量，以及電極制作好后轉角區(qū)域涂層厚度與本體區(qū)域涂層厚度的比值
權利要求1.一種卷繞式結構的方形鋰離子電池，包括電芯、用于容納所述電芯的包裝袋和灌注于所述包裝袋內的電解液，所述電芯包括正極、負極和間隔于所述正極和負極之間的隔膜，所述正極包括正極集流體及涂布在正極集流體上的正極材料層，所述負極包括負極集流體及涂布在負極集流體上的負極材料層，其特征在于所述正極在轉角區(qū)域的正極材料層的厚度與正極本體區(qū)域的正極材料層的厚度的比值小于等于90%，所述轉角區(qū)域在卷繞方向的長度為O. 5 4個電芯厚度。
2.根據(jù)權利要求1所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述負極在轉角區(qū)域的負極材料層的厚度與負極本體區(qū)域的負極材料層的厚度的比值小于等于90%。
3.根據(jù)權利要求1所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述正極在轉角區(qū)域的正極材料層的厚度與正極本體區(qū)域的正極材料層的厚度的比值小于等于30%。
4.根據(jù)權利要求3所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述正極的轉角區(qū)域為空白正極集流體。
5.根據(jù)權利要求4所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述轉角區(qū)域的空白正極集流體上貼有膠帶，所述膠帶的厚度為正極集流體的I 3倍。
6.根據(jù)權利要求4所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述轉角區(qū)域的空白正極集流體上涂有保護涂層。
7.根據(jù)權利要求6所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述保護涂層的厚度為正極集流體的I 3倍。
8.根據(jù)權利要求4所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述轉角區(qū)域的空白正極集流體上涂有導電涂層。
9.根據(jù)權利要求8所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述導電涂層的厚度為正極集流體的I 3倍。
10.根據(jù)權利要求1所述的卷繞式結構的方形鋰離子電池，其特征在于所述轉角區(qū)域在卷繞方向的長度為I 2個電芯厚度。
專利摘要本實用新型屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種卷繞式結構的方形鋰離子電池，包括正極、負極、隔膜和電解液，正極包括正極集流體及涂布在正極集流體上的正極材料層，正極在轉角區(qū)域的正極材料層的厚度與正極本體區(qū)域的正極材料層的厚度的比值小于等于90％，轉角區(qū)域在卷繞方向的長度為0.5～4個電芯厚度。相對于現(xiàn)有技術，本實用新型優(yōu)化了電極結構的卷繞式方形鋰離子電池，在其電極的轉角區(qū)域，涂布的電極材料層厚度低于其本體區(qū)域的電極材料層厚度，以此降低電池在充放電及循環(huán)過程中因電極膨脹導致的應力，降低電池的變形率，減少電池循環(huán)過程的表觀厚度，提高電池的能量密度，及改善電池性能。
文檔編號H01M10/0525GK202905885SQ20122015697
公開日2013年4月24日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權日2012年4月16日
發(fā)明者李萍, 王升威, 趙逸楓, 賈小支, 何東銘 申請人:寧德新能源科技有限公司, 東莞新能源科技有限公司