一種圓柱卷芯防爆鋰離子電池及加工方法
2023-04-23 19:27:26 2
專利名稱：一種圓柱卷芯防爆鋰離子電池及加工方法
技術領域：
本發明屬於鋰離子電池領域，特別是ー種中小容量的圓柱卷芯防爆鋰離子電池及加工方法。
背景技術：
鋰離子電池以其高電壓、高能量密度、良好的循環性能等優點越來越多地應用到了儲能和動カ等領域。目前常見的鋰離子電池從外殼分類主要有金屬殼體鋰離子電池和塑料殼體鋰離子電池；兩種電池的殼體採用硬質材料結構，使用不當容易造成爆炸，且外包裝成本高。從電池電芯分類主要有卷繞式和疊片式兩類；疊片式的缺點在於エ藝複雜，生產成本高、效率低。而卷繞式又分為圓柱卷繞式(通常稱為卷芯)和方形卷繞式兩種，各有優缺點。圓柱卷繞式的優點主要有エ藝成熟穩定，成本低，生產效率高；極片間隙均勻,一致性好；極片曲率半徑大，極片不易掉料。這些優點使卷繞エ藝得到了廣泛的應用。但是卷繞エ 藝也有其局限性，比如容量不能做大，原因是當極片過長時卷繞難度増大、卷芯對齊度下降等不利因素出現。方形卷繞式卷芯的缺點主要體現在方形卷繞式的卷芯曲率半徑各部位不同導致極片間隙不均勻，在卷芯曲率半徑小處，極片間隙小，容易掉料。這種不一致性會影響電池性能的發揮。電池隔膜是指在電池正極和負極之間ー層隔膜材料，是電池中非常關鍵的部分，對電池安全性和成本有直接影響，其主要作用是隔離正、負極並使電池內的電子不能自由穿過，讓電解液中的離子在正負極之間自由通過。電池隔膜的的離子傳導能力直接關係到電池的整體性能，其隔離正負極的作用使電池在過度充電或者溫度升高的情況下能限制電流的升高，防止電池短路引起爆炸，具有微孔自閉保護作用，對電池使用者和設備起到安全保護的作用。目前的電池所用的常規隔膜通常是採用聚こ烯、聚丙烯製備，在實際使用中存在絕緣效果不佳易短路、離子擴散不理想並且強度較差的缺陷。
發明內容
本發明的目的就是針對現有技術存在的問題，提供一種成本低、生產效率高的圓柱卷芯防爆鋰離子電池及其加工方法。其技術方案ー種圓柱卷芯防爆鋰離子電池，包括外殼、外極耳、圓柱形卷芯和電解液。其中圓柱形卷芯是由多個卷芯単元並聯連接組成，多個卷芯単元被兩塊卷芯輔助模塊夾持固定在其中，外殼採用鋁塑膜軟包裝袋，外極耳在鋁塑膜外包裝袋的袋ロ封裝面上與PP材質的極耳緊固片粘接固定後，被密封粘接在鋁塑膜軟包裝袋的袋ロ處，所有卷芯單元的極耳通過對應的正、負極集流體與外極耳連接，卷芯輔助模塊為PP材質或耐電解液腐蝕的軟質橡膠材料，正極集流體是鋁帯，負極集流體是銅帶或鎳帶，所述的卷芯輔助模塊在其封閉端設置插槽，正極集流體、負極集流體分別插接固定在卷芯輔助模塊對應的端部插槽內。所述的卷芯輔助模塊為兩塊卷芯輔助模塊沿卷芯的軸向對合組成的長方體結構，其內部設有與卷芯插接配合的柱形凹槽，兩塊卷芯輔助模塊在其對合面上設有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯輔助模塊上設有內外貫通的通孔或通槽。所述的卷芯輔助模塊為兩塊卷芯輔助模塊沿卷芯的外周邊對合組成的長方體結構，其內部設有與卷芯插接配合的弧形凹槽，兩塊卷芯輔助模塊在其對合面上設有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯輔助模塊上設有內外貫通的通孔或通槽；兩塊卷芯輔助模塊沿卷芯的外周邊對合方式包括上、下對合結構和左、右對合結構。在鋁塑膜外包裝袋的袋ロ處預製有注液ロ，圓柱卷芯的個數為2 4個。所述的卷芯中的隔膜的組成如下以聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜為基體，在基體表面塗敷由聚合物膠體材料和無機填料組成的塗層；所述的聚合物膠體材料是由聚偏氟こ烯、偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯組成的混合物；所述的無機填料是由納米級無機粉體材料三氧化ニ鋁、ニ氧化矽的一種或其混合物組成。 所述的聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜基體選用聚丙烯微孔薄膜或者聚丙烯/聚こ烯/聚丙烯三層複合微孔隔膜；所述的無機填料粒度是50nm-200nm ;所述隔膜塗層厚度為1-5 U m ;經過塗聚合物膠體材料和無機填料處理的隔膜孔隙率在30%-50%之間；所述隔膜塗層厚度優選為2-3 u m。所述無機填料的重量佔塗層聚合物膠體材料重量的30%-100%。聚合物膠體材料中的聚偏氟こ烯、偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物佔總體聚合物膠體材料重量的40%-70% ;聚丙烯腈佔總體聚合物膠體材料重量的5%-20% ;聚甲基丙烯酸甲酯佔總體聚合物膠體材料重量的10%-40% ;聚合物膠體材料所用溶劑選自下列溶劑的ー種或幾種丁酮、丙酮、四氫呋喃、N-甲基吡咯烷酮、こ酸こ酷、こ醇、碳酸ニこ酷、丁醇。前述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池的加工方法包括如下步驟
1.將卷芯単元的正、負極耳採用超聲波焊接的形式焊接到正、負極集流體上；
2.將卷芯與正、負極集流體置入兩塊卷芯輔助模塊內，正、負極集流體從卷芯輔助模塊插槽內引出；
3.將兩塊卷芯輔助模塊的凸柱和凹槽對位後連接，將卷芯、卷芯輔助模塊裝配到一
起;
4.將正負極集流體採取雷射焊接或超聲波焊接的形式焊接到外極耳上；
5.在正負極集流體外表面粘貼保護膠帶；
6.將裝配好的卷芯置入鋁塑膜外包裝袋內；
7.在外極耳與鋁塑膜包裝袋袋ロ接觸處塗ー層膠，將外極耳與鋁塑膜包裝袋一起高溫擠壓封裝，並預留注液ロ ；
8.最後對電池進行注液、化成後密封注液ロ。本發明的鋰離子電池及加工方法，相比較金屬或塑料等硬質殼體的鋰離子電池，具有以下優點(I)生產エ藝簡單，成本低。硬質殼體的鋰離子電池，特別是金屬殼體的卷繞式圓柱鋰離子電池(以鋼殼18650圓柱電池為例)，需要進行負極極耳與殼體底部焊接、滾槽、正極極耳與蓋帽焊接、封ロ等一系列的複雜エ藝流程，増加了生產成本。鋁塑膜包裝的軟包鋰離子電池エ藝相對簡單，原材料成本也低於金屬殼體的鋰離子電池。(2)安全性能優於硬質殼體的鋰離子電池。硬質殼體的鋰離子電池在使用不當的情況下，內部容易產生高氣壓，導致電池爆炸。而鋁塑膜包裝耐氣壓強度低，解決了電池爆炸的問題。(3)結合了圓柱形卷芯電池エ藝簡單、生產效率高的優點，エ藝成熟穩定，生產成本低，生產效率高。同時本發明的電池用隔膜為凝膠聚合物電解質膜，其採用以聚偏氟こ烯、偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物電解質膠體為基質，加入聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酷、無機納米級粉體材料提高膠體的吸液能力、離子導電能力，採用聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜為聚合物膠體的基體，解決了聚合物電解質膠體薄膜機械強度難控制的問題。本發明調整聚偏氟こ烯、偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物的含量提高隔膜表面聚合物膠體粘結性能和聚合物非結晶物質含量，加入聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酷、無機納米級粉體材料提高膠體的吸液能力、離子導電能力。綜上本隔膜提高了電池的耐短路、耐針刺、抗衝擊、抗擠壓能力，進而提高和改善了鋰離子電池的安全性能。
圖I為ー種實施例的半剖結構示意圖。
圖2為ー種卷芯輔助模塊三視圖，其中圖2a為右視圖，圖2b為主視圖，圖2c為俯視圖。圖3為另ー種卷芯輔助模塊的裝配圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例，對其技術方案進行清楚、完整地描述。實施例1，包括外殼、外極耳I、圓柱形卷芯7和電解液。其中圓柱形卷芯7是由兩個卷芯単元並聯連接組成，兩個卷芯単元被兩塊卷芯輔助模塊8夾持固定在其中，外殼採用鋁塑膜軟包裝袋9，兩個外極耳I被密封粘接在鋁塑膜軟包裝袋9的袋ロ處，所有卷芯単元的極耳6通過對應的正負極集流體5與外極耳I連接。卷芯輔助模塊8為PP材質或耐電解液腐蝕的軟質橡膠材料，圓柱卷芯7的優選個數為2 4個。在外極耳I與鋁塑膜外包裝袋9的袋ロ封裝面上預製有極耳緊固片3，材質為PP材質，用於連接和固定極耳，便於鋁塑膜對卷芯輔助模塊密封。在鋁塑膜外包裝袋的袋ロ處預製有注液ロ 2。實施例2，參照附圖2，在實施例I的基礎上，所述的卷芯輔助模8為兩塊卷芯輔助模塊8沿卷芯的軸向對合組成的長方體結構，其內部設有與卷芯7插接配合的柱形凹槽。兩塊卷芯輔助模塊8在其對合面上設有相互插接配合的凸柱8-1和凹槽8-2，凸柱和凹槽起到固定兩塊卷芯輔助模塊的作用。卷芯輔助模塊上設有內外貫通的通孔或通槽8-4，作為電芯注液的通道。卷芯輔助模塊8在其封閉端設置插槽8-3 (對應圖I中的4)，正極集流體、負極集流體5分別插接固定在卷芯輔助模塊8對應的端部插槽8-3內。實施例3，參照附圖3，結合實施例2，卷芯輔助模塊還可以採用兩塊卷芯輔助模塊8沿卷芯7的外周邊對合組成的長方體結構，其內部設有與卷芯7插接配合的弧形凹槽。優選的是外極耳為折成L型的鎳帶或鋁帶，下端折角方便與正負極集流體進行焊接。為了增加外極耳和鋁塑膜包裝材料之間的密封度，在外極耳與鋁塑膜包裝材料接觸處塗ー層膠。卷芯輔助模塊能夠保護卷芯免受擠壓力、碰撞カ等外力的損傷。同時又起到了輔助注液的作用，使電解液能充分浸潤卷芯。圍繞上述電池的加工方法是
I.按照圓柱形卷芯的方式準備好卷芯単元，將卷芯単元的正、負極耳採用超聲波焊接的形式焊接到正、負極集流體上；2.將卷芯與正、負極集流體置入兩塊卷芯輔助模塊內，正、負極集流體從卷芯輔助模塊插槽內引出；
3.將兩塊卷芯輔助模塊的凸柱和凹槽對位後連接，將卷芯、卷芯輔助模塊裝配到一
起;
4.將正負極集流體採取雷射焊接或超聲波焊接的形式焊接到外極耳上；
5.在正負極集流體外表面粘貼保護膠帶；
6.將裝配好的卷芯置入鋁塑膜外包裝袋內；
7.在外極耳與鋁塑膜包裝袋袋ロ接觸處塗ー層膠，提高外極耳與鋁塑膜包裝材料之間 的密封，將外極耳與鋁塑膜包裝袋一起高溫擠壓封裝，並預留注液ロ ；
8.最後對電池進行注液、化成後密封注液ロ。以下提供本發明中卷芯所採用的隔膜製備的幾個典型實施例。實施例4
將3000g聚偏氟こ烯、6000g偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到50000g丙酮、2000gこ酸こ酷、IOOOgこ醇溶劑中，溶解溫度40_80°C，再加入2500g三氧化ニ鋁、2500g ニ氧化矽進行攪拌分散，製得粘稠狀漿體。用塗敷設備將製備的粘稠狀漿體塗敷在聚丙烯微孔薄膜上，塗敷漿體的隔膜在塗敷設備烘箱內進行烘乾，烘乾後的隔膜在經過80°C真空烘烤，除去殘留的溶劑，便得到前述實施例中卷芯所用的隔膜，根據鋰離子動カ電池生產廠家需求，隔膜經分切，可做成不同寬度隔膜。實施例5
將3000g聚偏氟こ烯、3000g偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、4500g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到15000g丙酮、15000g四氫呋喃、2000gこ酸こ酷、IOOOgこ醇溶劑中，溶解溫度40-80°C，再加入5000g三氧化ニ鋁進行攪拌分散，製得粘稠狀漿體，用塗敷設備將制的粘稠狀漿體塗敷在聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜上，塗敷漿體的隔膜在塗敷設備烘箱內進行烘乾，烘乾後的隔膜在經過80°C真空烘烤，除去殘留的溶劑，便得到前述實施例中卷芯所用的隔膜，根據鋰離子動カ電池生產廠家需求，隔膜經分切，可做成不同寬度隔膜。實施例6
將4000g聚偏氟こ烯、6000g偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到50000g N-甲基吡咯烷酮、2000gこ酸こ酷、IOOOgこ醇溶劑中，溶解溫度40-80°C，再加入6000g三氧化ニ鋁進行攪拌分散，製得粘稠狀漿體，用塗敷設備將制的粘稠狀漿體塗敷在聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜上，塗敷漿體的隔膜在塗敷設備烘箱內進行烘乾，烘乾後的隔膜在經過80°C真空烘烤，除去殘留的溶劑，便得到前述實施例中卷芯所用的隔膜，根據鋰離子動カ電池生產廠家需求，隔膜經分切，可做成不同寬度隔膜。實施例7
將4000g聚偏氟こ烯、6000g偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到25000g 丁酮、25000g四氫呋喃、IOOOg碳酸ニこ酷、IOOOgこ酸こ酷、IOOOg 丁醇溶劑中，溶解溫度40-80°C，再加入3500g三氧化ニ鋁、2500g ニ氧化矽進行攪拌分散，製得粘稠狀漿體，用塗敷設備將制的粘稠狀漿體塗敷在聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜上，塗敷漿體的隔膜在塗敷設備烘箱內進行烘乾，烘乾後的隔膜在經過80°C真空烘烤，除去殘留的溶劑，便得到前述實施例中卷芯所用的隔膜，根據鋰離子動カ電池生產廠家需求，隔膜經分切，可做成不同寬度隔膜。實施例8
將5000g聚偏氟こ烯、4000g偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到25000g 丁酮、25000g四氫呋喃、IOOOg碳酸ニこ酷、IOOOgこ酸こ酷、IOOOg 丁醇溶劑中，溶解溫度40-80°C，再加入6500g ニ氧化矽進行攪拌分散，製得粘稠狀漿體，用塗敷設備將制的粘稠狀漿體塗敷在聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜上，塗敷漿體的隔膜在塗敷設備烘箱內進行烘乾，烘乾後的隔膜在經過80°C真空烘烤，除去殘留的溶劑，便得到前述實施例中卷芯所用的隔膜，根據鋰離子動カ電池生產廠家需求，隔膜經分切，可做成不同覽度隔月旲。
實施例9
將3000g聚偏氟こ烯、6000g偏氟こ烯-六氟丙烯共聚物、800g聚丙烯腈、5000g聚甲基丙烯酸甲酯溶解到50000g N-甲基吡咯烷酮、IOOOg碳酸ニこ酷、IOOOgこ酸こ酷、IOOOg 丁醇溶劑中，溶解溫度40-80°C，再加入7500g三氧化ニ鋁進行攪拌分散，製得粘稠狀漿體，用塗敷設備將制的粘稠狀漿體塗敷在聚丙烯、聚こ烯材質的隔膜上，塗敷漿體的隔膜在塗敷設備烘箱內進行烘乾，烘乾後的隔膜在經過80°C真空烘烤，除去殘留的溶劑，便得到前述實施例中卷芯所用的隔膜，根據鋰離子動カ電池生產廠家需求，隔膜經分切，可做成不同寬度隔膜。對於所公開的實施例的上述說明，僅為本發明較佳的實施例而已，並非用來限定本發明的實施範圍。即凡是依照本發明申請專利範圍內的內容作的等效變化與修飾，都應為本發明的技術範疇。
權利要求
1.一種圓柱卷芯防爆鋰離子電池，包括外殼、外極耳、圓柱形卷芯和電解液，其特徵是圓柱形卷芯是由多個卷芯單元並聯連接組成，多個卷芯單元被兩塊卷芯輔助模塊夾持固定在其中，外殼採用鋁塑膜軟包裝袋，外極耳在鋁塑膜外包裝袋的袋口封裝面上與PP材質的極耳緊固片粘接固定後，被密封粘接在鋁塑膜軟包裝袋的袋口處，所有卷芯單元的極耳通過對應的正、負極集流體與外極耳連接，卷芯輔助模塊為PP材質或耐電解液腐蝕的軟質橡膠材料，正極集流體是鋁帶，負極集流體是銅帶或鎳帶，所述的卷芯輔助模塊在其封閉端設置插槽，正極集流體、負極集流體分別插接固定在卷芯輔助模塊對應的端部插槽內。
2.根據權利要求I所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵是所述的卷芯輔助模塊為兩塊卷芯輔助模塊沿卷芯的軸向對合組成的長方體結構，其內部設有與卷芯插接配合的柱形凹槽，兩塊卷芯輔助模塊在其對合面上設有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯輔助模塊上設有內外貫通的通孔或通槽。
3.根據權利要求I所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵是所述的卷芯輔助模塊為兩塊卷芯輔助模塊沿卷芯的外周邊對合組成的長方體結構，其內部設有與卷芯插接配合的弧形凹槽，兩塊卷芯輔助模塊在其對合面上設有相互插接配合的凸柱和凹槽，卷芯輔助模塊上設有內外貫通的通孔或通槽；兩塊卷芯輔助模塊沿卷芯的外周邊對合方式包括上、下對合結構和左、右對合結構。
4.根據權利要求2或3所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵是在鋁塑膜外包裝袋的袋口處預製有注液口，圓柱卷芯的個數為2 4個。
5.根據權利要求I所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵在於所述的卷芯中的隔膜的組成如下以聚丙烯、聚乙烯材質的隔膜為基體，在基體表面塗敷由聚合物膠體材料和無機填料組成的塗層；所述的聚合物膠體材料是由聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯組成的混合物；所述的無機填料是由納米級無機粉體材料三氧化二鋁、二氧化矽的一種或其混合物組成。
6.根據權利要求5所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵是所述的聚丙烯、聚乙烯材質的隔膜基體選用聚丙烯微孔薄膜或者聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三層複合微孔隔膜；所述的無機填料粒度是50nm-200nm ;所述隔膜塗層厚度為1_5 u m ;經過塗聚合物膠體材料和無機填料處理的隔膜孔隙率在30%-50%之間；所述隔膜塗層厚度優選為2-3 ym。
7.根據權利要求6所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵是無機填料的重量佔塗層聚合物膠體材料重量的30%-100%。
8.根據權利要求7所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵是聚合物膠體材料中的聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物佔總體聚合物膠體材料重量的40%-70% ;聚丙烯腈佔總體聚合物膠體材料重量的5%-20% ;聚甲基丙烯酸甲酯佔總體聚合物膠體材料重量的10%-40%。
9.根據權利要求7所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，其特徵是聚合物膠體材料所用溶劑選自下列溶劑的一種或幾種丁酮、丙酮、四氫呋喃、N-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、乙醇、碳酸二乙酯、丁醇。
10.根據4-9任一權利要求所述的圓柱卷芯防爆鋰離子電池的加工方法，其特徵在於包括如下步驟 將卷芯單元的正、負極耳採用超聲波焊接的形式焊接到正、負極集流體上；將卷芯與正、負極集流體置入兩塊卷芯輔助模塊內，正、負極集流體從卷芯輔助模塊插槽內引出； 將兩塊卷芯輔助模塊的凸柱和凹槽對位後連接，將卷芯、卷芯輔助模塊裝配到一起； 將正負極集流體採取雷射焊接或超聲波焊接的形式焊接到外極耳上； 在正負極集流體外表面粘貼保護膠帶； 將裝配好的卷芯置入鋁塑膜外包裝袋內； 在外極耳與鋁塑膜包裝袋袋口接觸處塗一層膠，將外極耳與鋁塑膜包裝袋一起高溫擠壓封裝，並預留注液口 ； (8)最後對電池進行注液、化成後密封注液口。
全文摘要
本發明的圓柱卷芯防爆鋰離子電池，包括外殼、外極耳、圓柱形卷芯和電解液。其中圓柱形卷芯是由多個卷芯單元並聯連接組成，多個卷芯單元被兩塊卷芯輔助模塊夾持固定在其中，外殼採用鋁塑膜軟包裝袋，兩個外極耳被密封粘接在鋁塑膜軟包裝袋的袋口處，所有卷芯單元的極耳通過對應的正負極集流體與外極耳連接。本發明還給出了該電池的加工方法。本發明的鋰離子電池和加工方法，生產工藝簡單，成本低；安全性能優，解決了電池爆炸的問題；結合了圓柱形卷芯電池工藝簡單、生產效率高的優點，工藝成熟穩定，生產成本低，生產效率高。
文檔編號H01M10/0525GK102856583SQ201210382759
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月11日 優先權日2012年10月11日
發明者徐建貞, 朱玉法, 柳艾美, 孟慶帥 申請人:山東天陽新能源有限公司