专利名称：一种锂离子电池极芯及锂离子电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种锂离子电池，更具体的涉及ー种针刺性能优的安全锂离子电池极芯及含有该极芯的锂离子电池。
背景技术：
锂离子电池是ー种新型的二次充电电池。随着科学技术的飞速发展，电子仪器及电子设备对电池的要求越来越高，综合来讲，锂离子电池是ー种很有发展前途的高能环保电池。目前市场上广泛应用的锂离子电池，都由极芯和外壳组成。其中，极芯为活性部件，极芯一般由正极片、负极片以及设置在正极片和负极片之间的隔膜层叠或者卷绕而成。正极片包括正极集流体及涂覆在正极集流体表面的正极活性物质；负极片包括负 极集流体及涂覆在负极集流体表面的负极活性物质。现有一般为了提高电池容量，在正、负极集流体上基本上都涂满了活性物质，如图3所示。但当电池受到严重的机械损伤比如针状物刺穿时，每层正负极敷料都直接短路，富含锂离子的负极活性物质涂覆层和缺少锂离子的正极活性物质涂覆层直接接触，发生急剧的离子交换反应，产生大量的热量，同时产生的这些热量不能及时的发散，电池温度急剧升高，导致电池内部压カ急剧升高，最終导致电池爆炸或者起火。现有有通过在电池盖板上设置防爆卸压断电等装置来提高电池的安全性能，但电池的安全性能仍需提高。也有通过在极片表面涂覆高温保护层等对极片进行改迸，但其エ艺复杂、成本很高，实现困难，而且对电池的体积能量密度有一定的不利影响，会较多的增加电池的厚度等一直未在生产中得到实际应用。现有有公开将极芯的最外圈集流体双面、次外圈集流体双面、以及与该次外圈集流体相贴合的次次外圈表面上均设计为不涂覆活性物质，也就是相当于在电极芯体外部增加两圈集流体，以加快电池的散热，避免热量在电池内部聚集，来提高电池的安全性能。但是这样会较多的増加正负极集流体，还有隔膜的用量，同时会较多的增加电池的厚度，较大程度的降低电池的容量。
发明内容本实用新型是为了解决现有提高锂离子电池安全性能的极芯较大程度的降低了电池的容量，提供了一种成本低廉易实现、能量密度高、具有良好针刺性能的安全锂离子电池极芯。本实用新型的ー个目的是提供一种锂离子电池极芯，包括第一极片、第二极片以及第一极片和第二极片之间的隔膜；第一极片包括第一极片起始端，第二极片包括第二极片起始端；以第一极片起始端开始，第一极片、第二极片以及第一极片和第二极片之间的隔膜经卷绕为极芯，第一极片从第一极片起始端开始卷绕形成的半圈为极芯的第一圏，第二极片从第二极片起始端开始卷绕形成的第一圈为极芯的第二圈，卷绕在第二极片的第一圈表面上的第一极片为极芯的第三圈；第一极片包括第一集流体及涂覆在第一集流体两表面的第一活性物质；第二极片包括第二集流体及涂覆在第二集流体两表面的第二活性物质；位于极芯内部的第一极片的半圈两表面未涂覆第一活性物质，位于极芯内部的第二极片的第一圈两表面未涂覆第二活性物质，卷绕在第二极片的第一圈表面上的第一极片与第二极片的第一圈相对的面的表面未涂覆第一活性物质。优选，第一极片为正极片，第二极片为负极片；第一集流体为正极集流体，第二集流体为负极集流体；第一活性物质为正极活性物质，第二活性物质为负极活性物质。或者优选，第一极片为负极片，第二极片为正极片；第一集流体为负极集流体，第ニ集流体为正极集流体；第一活性物质为负极活性物质，第二活性物质为正极活性物质。进ー步优选，正极集流体为铜箔，负极集流体为铝箔。或者，提供一种锂离子电池极芯，极芯包括第一集流体、两个第二集流体、两个ー面涂覆有第一活性物质的第一集流体、若干第一极片、若干第二极片、隔膜，以第一集流体 为中心，所述第一集流体两侧间隔隔膜分别设置ー个第二集流体；在两个第二集流体外侧分别间隔隔膜设置一面涂覆有第一活性物质的第一集流体，一面涂覆有第一活性物质的第一集流体的涂覆有第一活性物质的面位于外侧；在两个一面涂覆有第一活性物质的第一集流体外侧分别间隔隔膜设置第二极片；在第二极片外侧依次重复层叠第一极片、第二极片为极芯，第一极片、第二极片之间间隔有隔膜；第一极片包括第一集流体及涂覆在第一集流体两表面的第一活性物质；第二极片包括第二集流体及涂覆在第二集流体两表面的第二活性物质。优选，第一极片为正极片，第二极片为负极片；第一集流体为正极集流体，第二集流体为负极集流体；第一活性物质为正极活性物质，第二活性物质为负极活性物质。或者优选，第一极片为负极片，第二极片为正极片；第一集流体为负极集流体，第ニ集流体为正极集流体；第一活性物质为负极活性物质，第二活性物质为正极活性物质。进ー步优选，正极集流体为铜箔，负极集流体为铝箔。本实用新型的第二个目的是提供ー种锂离子电池，包括电池外壳及密封在电池外壳中的极芯，其中，极芯为上述的极芯。优选，电池外壳包括钢质金属壳、招质金属壳或招塑复合膜；其中，招质金属壳和钢质金属壳还包括盖帽或盖板。本实用新型通过对处于锂离子电池极芯的内部集流体表面不涂覆电极活性物质，当电池遭到严重的机械损伤时，特别是针状物将电池刺穿时，这些没有涂覆电极活性物质的部位会发生短路。由于集流体本身的阻值很小,短路时产生的也很小；同时集流体本身散热性能也很好，短路产生的热量可以快速散发。因此电池内部温度和内压增加较小，不至于发生燃烧或者爆炸，较大程度的提高了锂离子电池的安全性能。而且，本实用新型设计简单易实现，且由于处于电池极芯的内部集流体较短小，不会影响电池的容量，电池的体积能量密度得到了保证，且不会増加成本，成本低廉。
图I是本实用新型的实施例I的锂离子电池极芯的结构示意图。图2是本实用新型的实施例2的锂离子电池极芯的结构示意图。图3是本实用新型的对比例I的锂离子电池极芯的结构示意图。[0021]图4是本实用新型的对比例2的锂离子电池极芯的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。实施例I根据电池的大小，设计正极片和负极片的长度以及极芯的卷绕长度，在正极片的起始端两个表面设计不涂覆正极活性材料的长度，负极片的起始端两个表面设计不涂覆负极活性材料的长度，本实施例以4. 5mm*40mm*61mm的电池为例，剪切正极片的长度为534mm,负极片的长度为506mm,在正极片起始端40mm长距离两个表面均未涂覆正极活性材料，在此长度后的正极片两个表面均涂覆有正极活性材料，在负极片起始端38mm长距离的两个表面均未涂覆负极活性材料，在两个表面均未涂覆负极活性材料后的67mm长距离 内只在一个单面涂覆的负极活性材料，在此长度后的负极片两个表面均涂覆有负极活性材料。其中，正极片包括正极集流体及涂覆和/或填充在正极集流体上的正极活性材料。正极集流体本实用新型没有限制，本实施例以铝箔为例；正极活性材料为本领域技术人员公知，它包括正极活性物质和粘合剂，正极活性物质可以选自锂离子电池中常用的正极活性物质，本实施例以LiCoO2为例，粘合剂也为本领域技术人员公知，本实施例以聚偏二氟乙烯(PVDF)为例，一般来说，粘合剂的含量为正极活性物质的0. 01-8重量％，优选为1-5重量％，所述正极活性材料还可以包括正极助剂，正极助剂的种类和含量为本领域技术人员公知，正极助剂选自导电剂，如乙炔黑、导电碳黑和导电石墨中的至少一种，其含量为正极活性物质的0-15重量％，优选为0-10重量％。本实施例以IOOg LiCo02、1.0gPVDF、3g乙炔黑混成的正极浆料为例，涂覆在正极集流体上制成上述长度的正极片。负极片包括负极集流体及涂覆和/或填充在负极集流体的负极活性材料。负极集流体本实用新型没有限制，本实施例以铜箔为例；负极活性材料为本领域技术人员公知，它包括负极活性物质和粘合剂，负极活性物质可以选自锂离子电池常用的负极活性物质，如天然石墨、人造石墨等。所述粘合剂也为本领域技术人员公知，如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠等，一般来说，粘合剂的含量为负极活性物质的0. 01-10重量％，优选为1-9重量％。本实施例以IOOg天然石墨、2. Og 丁苯橡胶、I. Og羧甲基纤维素钠混成的负极浆料为例，涂覆在负极集流体上制成上述长度的负极片。正极片和负极片可以商购得到，也可以采用常规的方法制备，只需保证在正极片起始端和负极片起始端有本实用新型设计的结构即可，例如可以采用先测量划定不涂覆区域、单面涂覆区域、双面涂覆区域，遮盖不涂覆区域后采用常规的涂覆方法进行涂覆，也可以采用常规的全部双面涂覆的正极片和负极片，后采用刮料的方法，将不需要涂覆活性材料的区域的活性材料刮掉。本实施例采用上述浆料直接涂覆为例。常规的正极片的制备方法为在宽幅极片上涂覆一种含有正极活性物质和粘合剂的浆液，经干燥、辊轧并分切，得到正极片。其中，所述含有正极活性物质和粘合剂浆液的溶剂选自常规的溶剂，如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)等，溶剂的用量可使所述浆液能够涂覆到所述集电体上即可。一般来说，溶剂的用量为浆液中正极活性物质含量的40-90重量％，优选为50-85重量％。干燥的温度一般为50-160°C，优选80-150°C。辊轧是为了使商购的宽幅极片辊轧成正极片所需的厚度，该厚度可以根据各种不同的电池需要而在很大范围内变动。分切的目的是为了使宽幅极片被切割成正极片所需要的宽度，该宽度可以根据各种不同的电池需要而在很大范围内变动。负极片的制备方法与正极片的制备方法相同，只是将含有负极活性物质和粘合剂的浆液代替含有正极活性物质和粘合剂的浆液。如附图I所示，为本实用新型的ー种极芯的卷绕结构，正极片、负极片及位于正极片与负极片之间的隔膜卷绕而成极芯的设备、方法为本领域技术人员所公知，本实施例以负极片起始端开始，负极片从起始端开始卷绕形成的半圈为极芯的第一圈，正极片从起始端开始卷绕形成的第一圈为极芯的第二圈，卷绕在正极片的第一圈表面上的负极片为极芯的第三圈为例进行详述，即将未涂覆负极活性材料的负极片的一端放置在中心为卷心，在负极片两个表面均未涂覆负极活性材料的区域后单面涂覆有负极活性材料的面的反面的整个负极片复合有隔膜，隔膜也可弯折一部分包覆负极片起始端，将两面均未涂覆负极活性材料的的区域均遮盖起来，后在接近未涂覆区域終止端位置放置正极片起始端，即未涂覆正极活性材料的正极片那一端，正极片开始有涂覆正极活性材料的位置与负极片开始涂覆有负极活性材料的位置能够对齐，负极片放置在复合有隔膜的正极片的ー侧，后正极片、负极片以及正极片和负极片之间的隔膜，卷绕，可以顺时针也可以逆时针，根据正极片、负极片的放置关系和设计来进行操作。本实施例以顺时针为例，保证在负极片两个表面均未涂覆负极活性材料的区域后单面涂覆有负极活性材料的面卷绕时位于卷心外侧，则位于极芯内部未涂覆负极活性材料的负极片的起始端经卷绕形成的半圈为卷绕极芯的第一圈1，未涂覆正极活性材料的正极片的起始端经卷绕形成的第一圈为卷绕极芯的第二圈2，卷绕在正极片第一圈表面的负极片，即负极片两个表面均未涂覆负极活性材料的区域后单面涂覆有负极活性材料的负极片部分为极芯的第三圈3，其后由双面均涂覆有正极活性材料的正极片部分、双面均涂覆有正极活性材料的正极片部分形成卷绕极芯的第四圈、第五圈等，卷绕的圈数根据电池的厚度进行设计的，从而制备成极芯。正极片和负极片中间均设置有隔膜，隔膜采用的是锂离子电池中常用的各种隔膜，如聚丙烯毡、聚こ烯毡、聚烯烃微多孔膜、或超细玻璃纤维纸等本领域技术人员公知的材料，它具有电绝缘性能和液体保持性能。将制得的极芯置于铝塑复合膜中，并完成封ロ、注液、陈化、化成等エ序，制得454061型软包装锂离子电池。封ロ、注液、陈化、化成等エ序采用本领域技术人员所公知的技术，例如注液注入非水电解液，非水电解液为本领域常用的非水电解液，如电解质锂盐和非水溶剂的混合溶液。电解质锂盐选自六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、卤化锂、氯铝酸锂及氟烃基磺酸锂中的ー种或几种。有机溶剂可以选自链状酸酯和环状酸酯混合溶液，其中链状酸酯可以为碳酸ニ甲酯(DMC)、碳酸ニこ酯(DEC)、碳酸甲こ酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸ニ丙酯(DPC)以及其它含氟、含硫或含不饱和键的链状有机酯类中的至少ー种。环状酸酯可以为碳酸こ烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亚こ烯酯(VC)、Y-丁内酯(GBL)、磺内酯以及其它含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类中的至少ー种。所述非水电解液中，电解质锂盐的浓度一般为O. 1-2摩尔/升，优选为O. 8-1. 2摩尔/升。电池的组装方法为本领域技术人员所公知的，在此不再赘述。对电池在上述以外的构成上所需部件的选择也没有特别的限定。实施例2根据电池的大小，裁切叠片式极芯的正极片和负极片，本实施例以4. 5mm*40mm*61mm的电池为例，剪切36mm*52mm的正极片，37mm*53mm的负极片，其中，正极片、负极片如实施例I所述，正极片包括正极集流体及涂覆和/或填充在正极集流体上的正极活性材料，负极片包括负极集流体及涂覆和/或填充在负极集流体的负极活性材料。正极片、负极片的制备方法也如实施例I所述，在此不再赘述。如附图2所示，为本实用新型的ー种极芯的叠片结构，放置叠片的方法和设备为 本领域技术人员所公知，本实施例以中心设置负极集流体为例进行详述，先裁切ー个大小与正极片、负极片相当的负极集流体，以负极集流体为中心，在负极集流体两面复合隔膜，后在两面间隔隔膜分别设置一个已经裁切好的大小与正极片、负极片相当的正极集流体，在正极集流体外侧复合隔膜，在外侧间隔隔膜分别设置一个已经裁切好的大小与正极片、负极片相当的一面涂覆有负极活性物质的负极集流体，且保证涂覆有负极活性物质的面位于外侧，再在此涂覆有负极活性物质的面的外侧复合隔膜，间隔隔膜设置正极片，在正极片外侧依次重复层叠负极片、隔膜、正极片制成极芯，保证负极集流体为中心，其两边成对称结构。则位于极芯中心的负极集流体为叠片式极芯的第一层P，位于负极集流体两侧的两个正极集流体为叠片式极芯的第二层2'，位于两个正极集流体外侧的两个一面涂覆有负极活性物质的负极集流体为叠片式极芯的第三层3'，其后在外侧对称放置的正极片、负极片分别叠片式极芯的第四层，第五层等，层叠的负极片、正极片的数量根据电池厚度进行设计。将制得的极芯置于铝塑复合膜中，并完成封ロ、注液、陈化、化成等エ序，制得软包装锂离子电池。电池的组装及对电池在上述以外的构成上所需部件如实施例I所述，在此不再赘述。对比例I采用与实施例I相同的宽度、长度、涂覆活性材料、活性材料的涂覆厚度的正极片、负极片，不同的是正极片的所有正极集流体的两面均涂覆有正极活性物质，即整个正极集流体不含有未涂覆正极活性材料的区域；负极片的所有负极集流体的两面均涂覆有负极活性物质，即整个负极集流体不含有未涂覆负极活性材料的区域，如图3所示。采用与实施例I相同的方法卷绕制备相同长度和相同圈数的极芯，采用与实施例I相同的方法和条件制备454061型软包装锂离子电池。对比例2采用与实施例I相同的宽度、长度、涂覆活性材料、活性材料的涂覆厚度的正极片、负极片，不同的是根据与实施例I相同长度和相同圈数的极芯设计的正极片末端含有未辅料区，负极片末端含有未辅料区，在正极片末端82mm长距离两个表面均未涂覆正极活性材料，在负极片末端78mm长距离的两个表面均未涂覆负极活性材料，在两面均未涂覆正极活性材料前的80mm长距离内只在ー个单面涂覆的正极活性材料，以负极片起始端为奇数圈，正极片起始端为偶数圈进行详述，即以两面均涂覆有负极活性材料的负极片的一端放置在中心为卷心进行卷绕，卷绕方式如实施例1，制成极芯，则位于极芯外部未涂覆正极活性材料的正极片的末端为卷绕极芯的最外圈，未涂覆负极活性材料的负极片的末端为卷绕极芯的次外圈，正极片两个表面均未涂覆正极活性材料的区域前单面涂覆有正极活性材料的正极片部分为极芯的次次外圈，如图4所示。采用与实施例I相同的方法和条件制备454061型软包装锂离子电池。性能测试电池容量取实施例I、对比例I、对比例2的电池，在锂离子电池专用充放电测试柜上，以650mA的电流恒流恒压充电，上限电压4. 2V，充电截止电流20mA ;再以650mA的电流恒流放电，放电的容量即为电池的容量，测试结果如表I。电池厚度取实施例I、对比例I、对比例2的电池，用卡尺测量电池中部的厚度，测试结果如表I。针刺实验取充满电的实施例I、对比例I、对比例2的电池各5支，分别用直径
3.Omm的钢针以150mm/s的速度完全穿透，如果有冒烟、起火或爆炸现象的记为NG ;没有冒烟、起火或爆炸现象的记为0K，测试结果如表I。大致成本实施例I、对比例I、对比例2的制备方法和设备基本一致，此处主要考虑浆料成本、集流体(铜箔和铝箔)成本、隔膜成本、成品率。大致成本以对比例I的平均成本为100，其余皆为其相对值。表I
I电池容量(mAh) I电池厚度(Mn) |针刺测试|大致成本*
实施依Tl" 1300~4.43OKTH
对比/[歹Tl" 1300~4.40NG100
对比例 2 11300|4. 58IOK|ll0从表I可以看出，本实用新型的结构不仅实现了电池的安全性，而且保持了低成本、高能量密度(电池厚度小)的优势。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种锂离子电池极芯，所述极芯包括第一极片、第二极片以及第一极片和第二极片之间的隔膜； 所述第一极片包括第一极片起始端，所述第二极片包括第二极片起始端； 以第一极片起始端开始，第一极片、第二极片以及第一极片和第二极片之间的隔膜经卷绕为极芯，第一极片从第一极片起始端开始卷绕形成的半圈为极芯的第一圈，第二极片从第二极片起始端开始卷绕形成的第一圈为极芯的第二圈，卷绕在第二极片的第一圈表面上的第一极片为极芯的第三圈； 所述第一极片包括第一集流体及涂覆在第一集流体两表面的第一活性物质； 所述第二极片包括第二集流体及涂覆在第二集流体两表面的第二活性物质； 其特征在于，位于极芯内部的第一极片的半圈两表面未涂覆第一活性物质，位于极芯内部的第二极片的第一圈两表面未涂覆第二活性物质，卷绕在第二极片的第一圈表面上的第一极片与第二极片的第一圈相对的面的表面未涂覆第一活性物质。
2.根据权利要求I所述的极芯，其特征在于，所述第一极片为正极片，所述第二极片为负极片； 所述第一集流体为正极集流体，所述第二集流体为负极集流体； 所述第一活性物质为正极活性物质，所述第二活性物质为负极活性物质。
3.根据权利要求I所述的极芯，其特征在于，所述第一极片为负极片，所述第二极片为正极片； 所述第一集流体为负极集流体，所述第二集流体为正极集流体； 所述第一活性物质为负极活性物质，所述第二活性物质为正极活性物质。
4.根据权利要求2或3所述的极芯，其特征在于，所述正极集流体为铜箔，所述负极集流体为铝箔。
5.一种锂离子电池极芯，其特征在于，所述极芯包括第一集流体、两个第二集流体、两个一面涂覆有第一活性物质的第一集流体、若干第一极片、若干第二极片、隔膜， 以第一集流体为中心，所述第一集流体两侧间隔隔膜分别设置ー个第二集流体；在两个第二集流体外侧分别间隔隔膜设置一面涂覆有第一活性物质的第一集流体，一面涂覆有第一活性物质的第一集流体的涂覆有第一活性物质的面位于外侧； 在两个一面涂覆有第一活性物质的第一集流体外侧分别间隔隔膜设置第二极片； 在第二极片外侧依次重复层叠第一极片、第二极片为极芯，第一极片、第二极片之间间隔有隔膜； 所述第一极片包括第一集流体及涂覆在第一集流体两表面的第一活性物质； 所述第二极片包括第二集流体及涂覆在第二集流体两表面的第二活性物质。
6.根据权利要求5所述的极芯，其特征在于，所述第一极片为正极片，所述第二极片为负极片； 所述第一集流体为正极集流体，所述第二集流体为负极集流体； 所述第一活性物质为正极活性物质，所述第二活性物质为负极活性物质。
7.根据权利要求5所述的极芯，其特征在于，所述第一极片为负极片，所述第二极片为正极片； 所述第一集流体为负极集流体，所述第二集流体为正极集流体；所述第一活性物质为负极活性物质，所述第二活性物质为正极活性物质。
8.根据权利要求6或7所述的极芯，其特征在于，所述正极集流体为铜箔，所述负极集流体为铝箔。
9.一种锂离子电池,其特征在于,所述电池包括电池外壳及密封在电池外壳中的极芯，其中，所述极芯为权利要求1-8任意一项所述的极芯。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述电池外壳包括钢质金属壳、铝质金属壳或铝塑复合膜；其中，铝质金属壳和钢质金属壳还包括盖帽或盖板。
专利摘要本实用新型提供了一种锂离子电池极芯及锂离子电池，极芯包括第一极片、第二极片以及第一极片和第二极片之间的隔膜；以第一极片起始端开始，第一极片、第二极片以及第一极片和第二极片之间的隔膜经卷绕为极芯，位于极芯内部的第一极片的半圈两表面未涂覆第一活性物质，位于极芯内部的第二极片的第一圈两表面未涂覆第二活性物质，卷绕在第二极片的第一圈表面上的第一极片与第二极片的第一圈相对的面的表面未涂覆第一活性物质；或者为层叠极芯，极芯中心的第一层，中心两侧的第二层均未辅料，对称分布的第三层单面敷料。成本低廉易实现，且能量密度高，具有良好的针刺性能，提高了锂离子电池的安全性能。
文档编号H01M10/0587GK202434660SQ20112047671
公开日2012年9月12日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者张忠财, 梁世硕, 罗勇 申请人:深圳市比亚迪锂电池有限公司