專利名稱：鋰離子電池的電極片芯及含有該電極片芯的鋰離子電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及鋰離子電池，尤其涉及鋰離子電池的電極片芯。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及對環(huán)保重視程度的不斷提高，鋰離子電池以其高比能量、高電壓、體積小、重量輕、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，近十年來獲得了巨大的發(fā)展，已成為通訊類電子產(chǎn)品的主要能源之一。
鋰離子電池作為一種化學(xué)電源，指分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時反之?，F(xiàn)有的鋰離子電池按照其形狀，主要分為方形鋰離子電池和圓柱形鋰離子電池。方形鋰離子電池主要用于手機(jī)及動力設(shè)備中作為其電源。圓柱形鋰離子電池則是筆記本電腦的主要電源之一。
鋰離子電池包括電極片芯和非水電解液，所述電極片芯和非水電解液密封在電池殼體內(nèi)，所述電極片芯包括長條形正極極片、負(fù)極極片以及隔膜，通過卷針卷繞而成。其中方形鋰離子電池是用平板形卷針卷繞，形成扁平形電極片芯體。圖1是現(xiàn)有的鋰離子電池的電極片芯的截面圖，從圖1中可以看出，現(xiàn)有的鋰離子電池的電極片芯包括卷繞而成的負(fù)極極片1、正極極片3和位于負(fù)極極片1和正極極片3之間的1層隔膜2；在正極極片3的內(nèi)側(cè)，在正極極片3卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2。其中，正極極片3和負(fù)極極片1的卷繞首端一個位于左端，一個位于右端，即相對設(shè)置，從而保證在制成的電極片芯中正極極片3和負(fù)極極片1保持對稱，即片數(shù)相等。采用這樣結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有鋰離子電池一個明顯的缺點(diǎn)是電池短路率較高，這嚴(yán)重影響了電池的合格率，增加了電池總的生產(chǎn)成本。
對鋰離子電池短路率較高的原因進(jìn)行分析的結(jié)果表明，在現(xiàn)有鋰離子電池的制備過程中，極片的邊緣不可避免地會形成毛刺，而毛刺刺破隔膜是造成電池內(nèi)部短路的因素之一。為了減少由于毛刺刺破隔膜造成電池內(nèi)部短路，現(xiàn)有方法大多采用減少毛刺的工藝，例如，可以采用提升裁切刀具的加工精度來減少電極極片毛刺的生成，以減少電池內(nèi)部短路率，防止由短路引起的安全隱患。但是，采用這種方法減少電池內(nèi)部短路率的效果并不明顯，而且，這種方法增加了制備電極片芯工藝的復(fù)雜性，電池短路率降低所減少的生產(chǎn)成本不足以抵消由于工藝的復(fù)雜性增加的生產(chǎn)成本。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種具有較低短路率，且成本較低的鋰離子電池及其電極片芯。
本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)人對鋰離子電池短路率較高的原因進(jìn)行了細(xì)致的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方形鋰離子電池因極片問題所引發(fā)的短路位置，主要集中在正極極片和負(fù)極極片卷繞首端以及卷繞第一彎折處，其原因是，由于現(xiàn)有制備工藝中極片切割的特點(diǎn)導(dǎo)致正極極片和負(fù)極極片卷繞首端是切割和碰撞毛刺較多的位置。而卷繞第一彎折處的曲率是電極片芯最大的位置，也是隔膜承受正極片和負(fù)極片壓力最大的地方，因此，即使采用減少毛刺生成的工藝制備電極極片，在將正極極片、負(fù)極極片和位于正極極片和負(fù)極極片之間的隔膜卷繞時，也容易造成卷繞第一彎折折痕產(chǎn)生裂口，形成毛刺。
本實(shí)用新型提供的電極片芯包括卷繞而成的負(fù)極極片1、正極極片3和位于負(fù)極極片1和正極極片3之間的1層隔膜2，在正極極片3的內(nèi)側(cè)，在正極極片3卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2，其中，在正極極片3和/或負(fù)極極片1的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2。
本實(shí)用新型提供的鋰離子電池包括電極片芯，其中，所述電極片芯為如上所述的電極片芯。
本實(shí)用新型提供的電極片芯根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)電極片芯存在的缺陷，采用在正極極片3和/或負(fù)極極片1的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2的方法，使位于該處的正極極片3和負(fù)極極片1的隔膜2增至多層，一方面，隔膜2層數(shù)增加，使隔膜2不易被毛刺穿透，大大減少了因極片毛刺所引發(fā)的電池內(nèi)部短路，另一方面，由于只在很小的范圍內(nèi)增加隔膜的層數(shù)，因此，不會影響整個電池正極和負(fù)極鋰離子的嵌入與脫嵌，同時成本也較低。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)鋰離子電池的電極片芯的截面圖；圖2-4是本實(shí)用新型的鋰離子電池的電極片芯的截面圖。
具體實(shí)施方式
按照本實(shí)用新型提供的電極片芯的一個具體實(shí)施方案，本實(shí)用新型提供的電極片芯包括卷繞而成的負(fù)極極片1、正極極片3和位于負(fù)極極片1和正極極片3之間的1層隔膜2；在正極極片3的內(nèi)側(cè)，在正極極片3卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2，其中，在正極極片3的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2，如圖2所示。
按照本實(shí)用新型提供的電極片芯的第二個具體實(shí)施方案，本實(shí)用新型提供的電極片芯包括卷繞而成的負(fù)極極片1、正極極片3和位于負(fù)極極片1和正極極片3之間的1層隔膜2；在正極極片3的內(nèi)側(cè)，在正極極片3卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2，其中，在負(fù)極極片1的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2，如圖3所示。
按照本實(shí)用新型提供的電極片芯的第三個具體實(shí)施方案，本實(shí)用新型提供的電極片芯包括卷繞而成的負(fù)極極片1、正極極片3和位于負(fù)極極片1和正極極片3之間的1層隔膜2；在正極極片3的內(nèi)側(cè)，在正極極片3卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜2，其中，在正極極片3和負(fù)極極片1的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處同時另外設(shè)置有至少1層隔膜2，如圖4所示。
按照本實(shí)用新型提供的電極芯片，在正極極片3和/或負(fù)極極片1的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處另外設(shè)置的隔膜2的層數(shù)可以根據(jù)正極極片3和/或負(fù)極極片1上毛刺的大小和隔膜的厚度確定。隔膜的厚度越大，所需隔膜的層數(shù)越少，反之亦然。一般來說，所述隔膜的層數(shù)使隔膜的總厚度為毛刺高度的0.7-2倍。這樣由于隔膜本身具有一定的韌性，可以保證隔膜不被毛刺刺穿。優(yōu)選情況下，所述隔膜的層數(shù)使隔膜的總厚度為毛刺高度的0.85-1.5倍。
例如，現(xiàn)有的隔膜2的厚度一般約為0.01-0.03毫米。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)人發(fā)現(xiàn)，正極極片3和/或負(fù)極極片1外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處毛刺的高度接近2-3層隔膜的厚度，因此，為了既保證所述隔膜2不被毛刺刺穿，又保證正負(fù)極之間的離子交換能夠更加順利地進(jìn)行，在正極極片3和/或負(fù)極極片1外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處另外設(shè)置的隔膜2的層數(shù)優(yōu)選為2-6層，更優(yōu)選為2-4層。值得說明的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，隔膜的厚度有可能變厚或變薄，因此，在正極極片3和/或負(fù)極極片1外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處另外設(shè)置的隔膜2的層數(shù)也應(yīng)隨之改變。
正極極片3的組成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，一般來說，正極極片3包括導(dǎo)電基體及涂覆和/或填充在導(dǎo)電基體(也叫集電體)上的正極活性材料。所述導(dǎo)電基體為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如可以選自鋁箔。所述正極活性材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，它包括正極活性物質(zhì)和粘合劑，所述正極活性物質(zhì)可以選自鋰離子電池常規(guī)的正極活性物質(zhì)，如LixNi1-yCoO2(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、LimMn2-nBnO2(其中，B為過渡金屬，0.9≤m≤1.1，0≤n≤1.0)、Li1+aMbMn2-bO4(其中，-0.1≤a≤0.2，0≤b≤1.0，M為鋰、硼、鎂、鋁、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、釔、氟、碘、硫元素中的一種或幾種。所述粘合劑的種類和含量為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如含氟樹脂和聚烯烴化合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡膠(SBR)中的一種或幾種。一般來說，所述粘合劑的含量為正極活性物質(zhì)的0.01-8重量％，優(yōu)選為1-5重量％。所述正極活性材料還可以包括正極助劑，所述正極助劑的種類和含量為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如，所述正極助劑可以選自導(dǎo)電劑(如乙炔黑、導(dǎo)電碳黑和導(dǎo)電石墨中的至少一種，其含量為正極活性物質(zhì)的0-15重量％，優(yōu)選為0-10重量％。
負(fù)極極片1的組成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，一般來說，負(fù)極極片1包括導(dǎo)電基體及涂覆和/或填充在導(dǎo)電基體上的負(fù)極活性材料。所述導(dǎo)電基體為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如可以選自銅箔。所述負(fù)極活性材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，它包括負(fù)極活性物質(zhì)和粘合劑，所述負(fù)極活性物質(zhì)可以選自鋰離子電池常規(guī)的負(fù)極活性物質(zhì)，如天然石墨、人造石墨、石油焦、有機(jī)裂解碳、中間相碳微球、碳纖維、錫合金、硅合金中的一種或幾種。所述粘合劑可以選自鋰離子電池常規(guī)的粘合劑，如聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羥甲基纖維素(CMC)、丁苯橡膠(SBR)中的一種或幾種。一般來說，所述粘合劑的含量為負(fù)極活性物質(zhì)的0.5-8重量％，優(yōu)選為2-5重量％。
所述隔膜設(shè)置于正極和負(fù)極之間，它具有電絕緣性能和液體保持性能，它選自鋰離子電池中所用的各種隔膜，如聚烯烴微多孔膜、聚乙烯氈、玻璃纖維氈、或超細(xì)玻璃纖維紙。所述隔膜為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。
所述正極極片3和負(fù)極極片1可以采用現(xiàn)有方法制備。
例如，常規(guī)的正極極片3的制備方法包括在寬幅極片上涂覆一種含有正極活性物質(zhì)和粘合劑的漿液，干燥，輥軋并分切，得到正極極片3。其中，所述含有正極活性物質(zhì)和粘合劑的漿液的溶劑可以選自常規(guī)的溶劑，如可以選自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二乙基甲酰胺(DEF)、二甲基亞砜(DMSO)、四氫呋喃(THF)以及水和醇類中的一種或幾種。溶劑的用量能夠使所述漿料能夠涂覆到所述集電體上即可。一般來說，溶劑的用量使?jié){液中正極活性物質(zhì)的含量為40-90重量％，優(yōu)選為50-85重量％。干燥的溫度一般為50-160℃，優(yōu)選80-150℃。輥軋是為了是商購的寬幅極片輥軋成正極極片所需的厚度，該厚度可以根據(jù)各種不同的電池需要而在很大范圍內(nèi)變動。分切的目的是為了使寬幅極片被切割成正極極片所需要的寬度，該寬度可以根據(jù)各種不同的電池需要而在很大范圍內(nèi)變動。
負(fù)極極片的制備方法與正極極片3的制備方法相同，只是用含有負(fù)極活性物質(zhì)和粘合劑的漿液代替含有正極活性物質(zhì)和粘合劑的漿液。
按照本實(shí)用新型提供的鋰離子電池，除了含有所述電極片芯以外，還含有鋰離子電池其它必要的組件，如非水電解液和電池殼，所述非水電解液和所述電極片芯密封在電池殼內(nèi)。
所述非水電解液為電解質(zhì)鋰鹽和非水溶劑的混合溶液，可以使用本領(lǐng)域常規(guī)的非水電解液。比如電解質(zhì)鋰鹽可以選自六氟磷酸鋰(LiPF6)、高氯酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟砷酸鋰、鹵化鋰、氯鋁酸鋰及氟烴基磺酸鋰中的一種或幾種。有機(jī)溶劑可以選自鏈狀酸酯和環(huán)狀酸酯混合溶液，其中鏈狀酸酯可以為碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸二丙酯(DPC)以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的鏈狀有機(jī)酯類中的至少一種。環(huán)狀酸酯可以為碳酸乙烯酯(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(jī)酯類中的至少一種。所述非水電解液中，電解質(zhì)鋰鹽的濃度一般為0.1-2摩爾/升，優(yōu)選為0.8-1.2摩爾/升。
電池殼和負(fù)極極片1，正極極片3和位于負(fù)極極片1和正極極片3之間的1層隔膜2的卷繞方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，在此不再贅述。
下面的實(shí)施例將對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
實(shí)例1本實(shí)例說明本實(shí)用新型提供的電極片芯和鋰離子電池。
(1)正極極片的制備100份重量正極活性物質(zhì)LiCoO2、4份重量粘接劑PVDF、4份重量導(dǎo)電劑乙炔黑加入到40份重量NMP中，然后在真空攪拌機(jī)中攪拌形成穩(wěn)定、均一的分散正極漿料。將該漿料均勻地涂布在寬幅鋁箔(寬為800毫米，鋁箔厚度為0.200毫米)上，然后，120℃烘干、在輥軋機(jī)上輥軋成厚度為0.145毫米的極片，然后，在分切機(jī)上分切為371×43.5×0.145毫米的正極極片。正極極片含有正極活性物質(zhì)LiCoO26.4克。
(2)負(fù)極極片的制備將100份重量負(fù)極活性物質(zhì)天然石墨、4份重量粘接劑PTFE、4份重量導(dǎo)電劑炭黑加入到40份重量DMSO中，再加入0.3份重量分散劑(聚異丁烯丁二酰亞胺∶聚環(huán)氧乙烷醚＝1∶1)，然后在真空攪拌機(jī)中攪拌形成穩(wěn)定、均一的分散負(fù)極漿料A2。將該漿料均勻地涂布在寬幅銅箔(寬為800毫米，銅箔厚度為0.190毫米)上，然后，120℃烘干、在輥軋機(jī)上輥軋成厚度為0.130毫米的極片，然后，在分切機(jī)上分切為338×44.5×0.130毫米的負(fù)極極片。負(fù)極極片含有負(fù)極活性物質(zhì)石墨2.7克。
(3)電極片芯的制備將(1)和(2)制備的正極極片、負(fù)極極片和隔膜(聚丙烯膜，厚度為0.016毫米)按照圖2的方式卷繞成電極片芯，置于4×34×49毫米的方形電池殼內(nèi)，。其中，正極極板外側(cè)卷繞首端和第一彎折處設(shè)置3層隔膜(聚丙烯膜，厚度為0.016毫米)。
(4)電池的裝配將LiPF6與EC及DMC配置成LiPF6濃度為1摩爾/升的溶液(EC/DMC的體積比為1∶1)，得到非水電解液。將(3)得到的電池中注入上述非水電解液，密封制成鋰離子電池。共制備20000個同樣的電池。
實(shí)例2本實(shí)例說明本實(shí)用新型提供的電極片芯和鋰離子電池。
按照實(shí)例1的方法制備電極片芯和鋰離子電池，不同的只是在負(fù)極極片外側(cè)卷繞首端和第一彎折處設(shè)置3層隔膜，電極片芯的結(jié)構(gòu)如圖3所示。共制備20000個同樣的電池。
實(shí)例3本實(shí)例說明本實(shí)用新型提供的電極片芯和鋰離子電池。
按照實(shí)例1的方法制備電極片芯和鋰離子電池，不同的只是在負(fù)極極片1和正極極片3外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處同時設(shè)置3層隔膜，電極片芯的結(jié)構(gòu)如圖4所示。共制備20000個同樣的電池。
對比例1本對比例說明現(xiàn)有技術(shù)的電極片芯和鋰離子電池。
按照實(shí)例1的方法制備電極片芯和鋰離子電池，不同的只是在正極極片3外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處只設(shè)置1層隔膜，電極片芯的結(jié)構(gòu)如圖1所示。共制備20000個同樣的電池。
實(shí)例4-6下面的實(shí)例說明本實(shí)用新型提供的電池的短路率。
對實(shí)例1-3制備的電池的短路率進(jìn)行了測定。測定方法為用分選儀分揀出20000個電池中發(fā)生短路的電池，然后，將發(fā)生短路的電池拆開，分析其發(fā)生短路的原因，得到由于毛刺刺破隔膜造成電池內(nèi)部短路的電池的個數(shù)。結(jié)果如下實(shí)例1制備的20000個電池的短路率為0.2％；實(shí)例2制備的20000個電池的短路率為0.2％；實(shí)例3制備的20000個電池的短路率為0.1％。其中，短路率指由于毛刺刺破隔膜造成電池內(nèi)部短路的短路率，即短路率＝由于毛刺刺破隔膜造成電池內(nèi)部短路的電池的個數(shù)/20000。
對比例2本對比例說明現(xiàn)有技術(shù)電池的短路率。
按實(shí)例4-6的方法測定對比例1制備的20000個電池的短路率，其短路率為0.5％。
實(shí)例4-6和對比例2的結(jié)果表明，本實(shí)用新型提供的電池由于毛刺刺破隔膜造成電池短路率比現(xiàn)有技術(shù)電池由于毛刺刺破隔膜造成電池短路率降低了至少60％，本實(shí)用新型提供的電池由于毛刺刺破隔膜造成電池短路率較現(xiàn)有技術(shù)大大降低。
權(quán)利要求1.一種鋰離子電池的電極片芯，該電極片芯包括卷繞而成的負(fù)極極片(1)，正極極片(3)和位于負(fù)極極片(1)和正極極片(3)之間的1層隔膜(2)，在正極極片(3)的內(nèi)側(cè)，在正極極片(3)卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜(2)，其特征在于，在正極極片(3)和/或負(fù)極極片(1)的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極片芯，其特征在于，所述隔膜的層數(shù)使隔膜的總厚度為毛刺高度的0.7-2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極片芯，其特征在于，所述隔膜的層數(shù)使隔膜的總厚度為毛刺高度的0.85-1.5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極片芯，其特征在于，在正極極片(3)和/或負(fù)極極片(1)外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處另外設(shè)置的隔膜(2)的層數(shù)為2-6層。
5.一種鋰離子電池，該電池包括電極片芯，其特征在于，所述電極片芯為權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的電極片芯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池，其特征在于，該電池還包括非水電解液和電池殼，所述非水電解液和所述電極片芯密封在電池殼內(nèi)。
專利摘要一種鋰離子電池的電極片芯及包括該片芯的鋰離子電池，該電極片芯包括卷繞而成的負(fù)極極片(1)，正極極片(3)和位于負(fù)極極片(1)和正極極片(3)之間的1層隔膜(2)；在正極極片(3)的內(nèi)側(cè)，在正極極片(3)卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜(2)，其中，在正極極片(3)和/或負(fù)極極片(1)的外側(cè)的卷繞首端和第一彎折處，還另外設(shè)置有至少1層隔膜(2)。采用該電極片芯大大減少了因極片毛刺所引發(fā)的電池短路率。
文檔編號H01M10/40GK2768220SQ20052000086
公開日2006年3月29日 申請日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者盧劍峰, 肖峰 申請人:比亞迪股份有限公司