一种叠片式软包电芯及包括其的软包电池的制作方法

1.本实用新型属于电池技术领域，涉及一种叠片式软包电芯及包括其的软包电池。


背景技术：

2.随着电池应用领域的不断扩展，传统结构上的锂离子电池在尺寸放大后，其内部一些由于特定结构引起的不良反应也随之放大，此时迫切需要一种更优化的电芯结构来满足大容量方形电池的设计要求，在此基础上，叠片电池应运而生，相比传统的卷绕式极组结构，其优点主要体现在以下几个方面：
3.电池性能方面：(1)相比卷绕结构，叠片电池有着更好的循环特性、安全特性和能量密度，叠片电池有着均匀一致的反应界面，由于卷绕结构的复杂特性，整个极片在长度方向上存在多处弯折和厚度变化区域，尤其是靠近卷芯中部的小角度弯折区域和集流体焊接区域，由于卷绕张力的不均匀和形状变化，很容易造成隔膜和极片的打皱变形，正负极得不到有效的接触，造成反应死区，充电时在褶皱的边缘处发生“析锂”现象，造成电池有效的活性物质得不到充分反应，电池能量密度降低，电池循环性能下降，同时也引起了很大的安全隐患，而叠片式电芯结构则从根本上避免了这一问题的产生，减少了弯折区域和厚度变化区域，极片表面平整，没有了长度方向上的张力影响，极片和隔膜的接触更为优良，界面反应均匀一致，活性物质的容量得到了充分发挥，性能得到了根本的改善。(2)相比卷绕结构，叠片结构有着更均匀一致的电流密度、优良的内部散热性能、更适合大功率放电。
4.电池外观方面：由于卷绕张力的影响和卷绕结构的特殊性，卷绕结构电芯很容易发生变形和表面厚度变化，电芯外形尺寸的加大也加剧了这种影响，同时电池使用过程中材料的收缩和形变也会引起一定的厚度变化，尤其是目前被广泛应用的铝塑复合膜包装电池，电池外壳强度差，内部形状的变化引起外形尺寸的变化影响了使用，也会带来一定的安全隐患。而叠片电池则不存在这种问题。
5.加工工艺方面：更适合高容量单体电池的生产工艺，卷绕电池在小容量小尺寸的电池生产工艺上成熟稳定，效率高，存在着优势，而在大尺寸的极片卷绕上，工艺稳定性不够，也就是容量越高，极片尺寸越大，卷绕工艺的效率和稳定性就会越差，而叠片工艺则正好相反，更适合大容量大面积极片的生产工艺。
6.现有技术中叠片的常规设计为：(1)常规软包叠片正负极堆放方式为上下错位尺寸一致(同侧极耳朝上)，因正负极耳充放电过程电流集中密度大，极耳负极区域比电芯本体其它区域发热严重，电池大倍率反复循环充放电发热后隔膜会有一定的收缩，正极耳箔材有触碰负极片边缘造成瞬间内部短路燃烧的安全隐患；(2)现有设计正、负极片冲切后在极耳敷料宽度均在0.5～2mm，若极片叠片堆叠后正极耳敷料宽度大于负极敷料宽度，电芯在反复充放电过程正极耳敷料附近区域锂离子易堆积形成锂枝晶，具有刺穿隔膜造成电芯内部短路燃烧风险；(3)叠片后电芯在超声波焊接时，因能量较大，连续焊接后的焊头温度较高，对靠近极耳隔膜有一定热量冲击后，隔膜会有一定收缩的风险，降低了隔膜能够有效包裹的正极片；(4)软包电芯内部短路燃烧率偏高的原因主要极耳与负极片上边短接导致，
或负极耳敷料附近锂枝晶累积一定程度后刺穿隔膜与正极片边缘短路造成，而且叠片后经过多工序流转动作(叠片后包覆不严、吸盘机械手、tab焊接、包膜、受压测短路等)后，造成电芯内部正、负极片有一定受力移位，1～4层外层正负极片更易错位，极耳与极片第一边缘的短路风险增加。
7.cn204407427u公开了一种动力储能软包锂离子电池。所述动力储能软包锂离子电池包括电芯和极耳，电芯是由正极片和负极片叠加而成，正极片包括铝箔和涂覆铝箔上的正极活性物质，负极片包括铜箔和涂覆铜箔上的负极活性物质，正极片顶端预留铝箔的宽度为负极片顶端预留铜箔宽度的两倍，叠加后的正极片上焊接一个正极极耳，电芯的上半部分负极片和下半部分负极片各焊接一个负极极耳，正极极耳宽度为负极极耳宽度的两倍。但是所述锂离子电池无法解决电芯内部正、负极片受力易发生错位，进而造成极耳与极片第一边缘的短路风险增加。
8.cn106532105a公开了一种内串软包锂离子电池及其制备方法。所述内串软包锂离子电池主要由上层铝塑壳、下层铝塑壳、中间层铝塑膜、上层电芯、下层电芯组成。上下两层电芯为卷绕电芯或叠片电芯，两电芯正负极耳位置相反，将下层电芯放入下层铝塑壳中，盖上一层pp/al/pp铝塑膜，叠加放入上层电芯和上层铝塑壳，依次进行封装，上下电芯正负极焊接，烘烤，注液，化成，抽液成型，分容。但是所述锂离子电池的安全性能较差。
9.cn204885310u公开了一种具有h型叠片结构的软包装锂离子电池，包括h型叠片结构电芯、正极耳、负极耳、正极引出箔连接垫片、负极引出箔连接垫片、铝塑膜、电解液和胶带；所述h型叠片结构电芯由正极片、负极片、正极片引出箔材、负极片引出箔材、隔膜及终止胶带构成，所述极片按照负极片、隔膜、正极片、隔膜的顺序依次反复堆叠，相同极性极片引出箔材设置在电芯同侧且相邻同极性极片引出箔材交错排放，整个电芯极片引出箔材呈h型，电芯隔膜收尾于电芯中间位置，并通过终止胶带固定在电芯上。
10.电池在实际使用和制备过程中，极耳区域比电芯本体其它区域发热严重，隔膜持续受到热冲击作用而产生有一定的收缩。这极大地增大了正极极耳和负极极耳接触短路的风险；同时，电芯在反复充放电过程正极耳敷料附近区域锂离子易堆积形成锂枝晶，具有刺穿隔膜造成电芯内部短路燃烧风险。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种叠片式软包电芯及包括其的软包电池，有效降低了隔膜在焊接或烘烤后因收缩导致极耳与对应极片边缘短接的风险，也可以降低极耳附近的锂枝晶短接正负极的风险，有效的提高电池的安全性能。
12.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
13.第一方面，本实用新型提供了一种叠片式软包电芯，所述的叠片式软包电芯包括依次层叠的正极极片、隔膜和负极极片，所述的正极极片的轮廓尺寸＜所述负极极片的轮廓尺寸＜所述隔膜的轮廓尺寸。
14.所述正极极片的相对两侧边缘分别记为第一正极边缘和第二正极边缘，所述的第一正极边缘上连接有正极极耳；所述负极极片的相对两侧边缘分别记为第一负极边缘和第二负极边缘，所述的第一负极边缘上连接有负极极耳；所述的第一正极边缘和第一负极边缘位于隔膜的同一端，所述的第二正极边缘和第二负极边缘位于隔膜的另一端。
15.所述的第一正极边缘与邻近的隔膜边缘之间的垂直距离记为a1，所述的第二正极边缘与邻近的隔膜边缘之间的垂直距离记为a2，a1＞a2。
16.所述的第一负极边缘与邻近的隔板边缘之间的垂直距离记为b1，所述的第二负极边缘与邻近的隔板边缘之间的垂直距离记为b2，b1＞b2。
17.本实用新型对叠片式软包电芯中的正极极片、负极极片和隔膜的尺寸进行了特殊限定，需要保证隔膜尺寸超过正极极片和负极极片的尺寸，在堆叠过程中，正极极片和负极极片分别居中布置于隔膜两侧表面，使得隔膜的四周外沿处保留一定宽度的收缩余量，有效降低了隔膜在焊接或烘烤后因收缩导致极耳与对应极片边缘短接的风险，也可以降低极耳附近的锂枝晶短接正负极的风险，有效的提高电池的安全性能。此外，本实用新型还限定了负极极片的尺寸要超过正极极片的尺寸，从而使得负极极片更好地接收到正极极片提供的锂离子。
18.需要说明的是，隔膜设置在正极极片和负极极片之间，具有电绝缘性能和液体保持性能。本实用新型对隔膜的种类不作具体要求和特殊限定，可以选自聚烯烃微多孔膜、聚丙烯、聚乙烯毡、玻璃纤维毡或超细玻璃纤维纸中的任意一种或至少两种的组合。
19.还需要说明的是，第一正极边缘和第二正极边缘并非对正极极片的结构或数量的限定，为了便于后续描述，将连接有正极极耳的一侧边缘标记为第一正极边缘，与此相对的另一端边缘标记为第二正极边缘。
20.作为本实用新型一种优选的技术方案，a1‑
a2≥1mm且1mm≤a2≤3mm，例如a1‑
a2可以是1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm或3.0mm，a2可以是1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm或3.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21.作为本实用新型一种优选的技术方案，1mm≤a1‑
a2≤2mm。
22.作为本实用新型一种优选的技术方案，b1‑
b2≥0.5mm且0.5mm≤b2≤2mm，b1‑
b2可以是0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm，b2可以是0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
23.作为本实用新型一种优选的技术方案，0.5mm≤b1‑
b2＜1mm。
24.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的正极极片包括正极集流体以及设置于所述正极集流体表面的正极活性层，所述的正极活性层贴近所述的隔膜。
25.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的正极集流体为铝箔。
26.需要说明的是，本实用新型对于正极活性物质的选择没有具体要求和特殊限定，正极活性物质可以选自licoo2、limno2、linio2、livo2、lini
1/3
co
1/3
mn
1/3
o2、limn2o4、li4ti5o
12
、li(ni
0.5
mn
1.5
)o4、lifepo4、limnpo4、linipo4、licopo4中的任意一种或至少两组的组合。
27.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的负极极片包括负极集流体以及设置于所述负极集流体表面的负极活性层，所述的负极活性层贴近所述的隔膜。
28.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的负极集流体为铜箔。
29.需要说明的是，本实用新型中对负极极片的材料选择不做特殊要求和具体限定，
负极极片可以是单独的锂箔，也可以由负极集流体和负极活性物质组成，若采用锂箔作为负极极片，锂箔可以是锂金属或锂合金，锂合金可以选自铝锂合金、锂锡合金、锂铅合金或锂硅合金中的任意一种。若采用负极集流体和负极活性物质组成负极极片，其中，负极集流体可以是铜箔，负极活性物质可以是石墨或硅中的任意一种，负极活性物质可以通过与粘结剂组合形成活性物质层，粘结剂可以选自聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素或聚乙烯醇中的任意一种或至少两组的组合；粘合剂的用量可以为本领域的常规用量。示例性地，相对于100重量份的负极活性物质，粘合剂的用量可以为2～50重量份。
30.第二方面，本实用新型提供了一种叠片式软包电池，所述的叠片式软包电池包括铝塑膜和第一方面所述的叠片式软包电芯，对所述的铝塑膜进行冲坑形成容置腔，所述的叠片式软包电芯放入容置腔内并向容置腔内注入电解液。
31.本实用新型提供的叠片式软包电池可以应用于非水电解液体系，也可以应用于固态电解质体系。
32.当应用于非水电解液体系时，所采用的非水电解液包括锂盐和非水溶剂，其中，锂盐可以选自lipf6、libf4、liclo4、liasf6、licf3so3或lin(cf3so2)2中的任意一种或至少两种的组合。非水溶剂可以选自碳酸亚乙酯(ec)、碳酸丙烯酯(pc)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸甲乙酯(emc)、碳酸乙酯、碳酸丁烯酯、γ
‑
丁内酯、环丁砜、乙腈、1，2
‑
二甲氧基乙烷、1，3
‑
二甲氧基丙烷、二乙醚、四氢呋喃或2
‑
甲基四氢呋喃中的任意一种或至少两种的组合。非水电解液还可以包括其他各种添加剂，例如阻燃添加剂和过充保护添加剂等，添加剂的种类及添加量为本领域中的公知常识，此处不再赘述。
33.当应用于固态电解质体系时，固态电解质可以选自氧化物固态电解质、硫化物固态电解质或聚合物固态电解质中的任意一种或至少两种的组合。氧化物固态电解质可以选自lipon(磷酸锂氧氮化物)、li
1.3
al
0.3
ti
0.7
(po4)3、la
0.51
li
0.34
tio
0.74
、li3po4、li2sio2或li2sio4中的任意一种或至少两种的组合。聚合物电解质通常含有金属盐和聚合物，结合本实用新型提供的叠片式软包电池，可选地，使用锂盐作为金属盐，聚合物的选择没有特殊要求，只要与锂盐形成络合物即可，例如聚环氧乙烷。
34.示例性地，本实用新型提供了一种叠片式软包电池的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
35.(1)按照负极极片、隔膜和正极极片的顺序依次层叠得到电芯，正极极片的相对两侧边缘分别记为第一正极边缘和第二正极边缘，第一正极边缘上连接有正极极耳；负极极片的相对两侧边缘分别记为第一负极边缘和第二负极边缘，第一负极边缘上连接有负极极耳；第一正极边缘和第一负极边缘位于隔膜的同一端，第二正极边缘和第二负极边缘位于隔膜的另一端；控制负极极片、隔膜和正极极片的尺寸，第一正极边缘与邻近的隔膜边缘之间的垂直距离记为a1，第二正极边缘与邻近的隔膜边缘之间的垂直距离记为a2，a1‑
a2≥1mm且1mm≤a2≤3mm；第一负极边缘与邻近的隔板边缘之间的垂直距离记为b1，第二负极边缘与邻近的隔板边缘之间的垂直距离记为b2，b1‑
b2≥0.5mm且0.5mm≤b2≤2mm；
36.(2)将得到的电芯装入软包外壳中，并将正极极耳连接在叠片式软包电池中最上层的正极极片的第一正极边缘上，所述负极极耳连接在叠片式软包电池中最下层的负极极片的第一负极边缘上；
37.(3)将软包外壳的外周局部热合并留有一个充液口和一个出液口，通过电解液充液装置向软包外壳内连续充液并置换出所有内部空气，通过热合的方式对软包外壳进行封装。
38.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
39.本实用新型对叠片式软包电芯中的正极极片、负极极片和隔膜的尺寸进行了特殊限定，需要保证隔膜尺寸超过正极极片和负极极片的尺寸，在堆叠过程中，正极极片和负极极片分别居中布置于隔膜两侧表面，使得隔膜的四周外沿处保留一定宽度的收缩余量，有效降低了隔膜在焊接或烘烤后因收缩导致极耳与对应极片边缘短接的风险，也可以降低极耳附近的锂枝晶短接正负极的风险，有效的提高电池的安全性能。此外，本实用新型还限定了负极极片的尺寸要超过正极极片的尺寸，从而使得负极极片更好地接收到正极极片提供的锂离子。
附图说明
40.图1为本实用新型一个具体实施方式提供的叠片式软包电芯正极侧的结构示意图；
41.图2为本实用新型一个具体实施方式提供的叠片式软包电芯负极侧的结构示意图。
42.其中，1
‑
正极极片；2
‑
负极极片；3
‑
隔膜；4
‑
负极极耳；5
‑
正极极耳。
具体实施方式
43.需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
44.需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
45.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
46.在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种如图1和图2所示的叠片式软包电芯，所述的叠片式软包电芯包括依次层叠的正极极片1、隔膜3、负极极片2和隔膜3，如图1和图2所示，正极极片1的轮廓尺寸＜负极极片2的轮廓尺寸＜隔膜3的轮廓尺寸。正极极片1的相对两侧边缘分别记为第一正极边缘和第二正极边缘，第一正极边缘上连接有正极极耳5，负极极片2的相对两侧边缘分别记为第一负极边缘和第二负极边缘，第一负极边缘上连接
有负极极耳4。第一正极边缘和第一负极边缘位于隔膜3的同一端，第二正极边缘和第二负极边缘位于隔膜3的另一端。第一正极边缘与邻近的隔膜3边缘之间的垂直距离记为a1，第二正极边缘与邻近的隔膜3边缘之间的垂直距离记为a2，a1＞a2，进一步地，a1‑
a2≥1mm且1mm≤a2≤3mm，更进一步地，1mm≤a1‑
a2≤2mm。第一负极边缘与邻近的隔板边缘之间的垂直距离记为b1，第二负极边缘与邻近的隔板边缘之间的垂直距离记为b2，b1＞b2，进一步地，b1‑
b2≥0.5mm且0.5mm≤b2≤2mm，更进一步地，0.5mm≤b1‑
b2＜1mm。
47.正极极片1包括正极集流体以及设置于所述正极集流体表面的正极活性层，正极活性层贴近所述的隔膜3，具体地，正极集流体为铝箔。
48.负极极片2包括负极集流体以及设置于所述负极集流体表面的负极活性层，所述的负极活性层贴近所述的隔膜3，具体地，负极集流体为铜箔。
49.实施例1
50.本实施例提供了一种如图1和图2所示的叠片式软包电芯，基于一个具体实施方式提供的叠片式软包电芯，其中，a1＝2mm，a2＝1mm，b1＝1mm，b2＝0.5mm。
51.实施例2
52.本实施例提供了一种如图1和图2所示的叠片式软包电芯，基于一个具体实施方式提供的叠片式软包电芯，其中，a1＝3mm，a2＝1.5mm，b1＝1.5mm，b2＝1mm。
53.实施例3
54.本实施例提供了一种如图1和图2所示的叠片式软包电芯，基于一个具体实施方式提供的叠片式软包电芯，其中，a1＝4mm，a2＝2mm，b1＝2mm，b2＝1.3mm。
55.实施例4
56.本实施例提供了一种如图1和图2所示的叠片式软包电芯，基于一个具体实施方式提供的叠片式软包电芯，其中，a1＝5mm，a2＝2.5mm，b1＝3mm，b2＝1.5mm。
57.实施例5
58.本实施例提供了一种如图1和图2所示的叠片式软包电芯，基于一个具体实施方式提供的叠片式软包电芯，其中，a1＝6mm，a2＝3mm，b1＝4mm，b2＝2mm。
59.申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。