一种卷绕式电池的制作方法

本发明涉及锂离子二次电池技术领域，具体涉及一种卷绕式电芯和含有此种结构卷绕式电芯的锂离子二次电池。

背景技术：

锂离子二次电池有高电压、高能量密度等优点，被广泛应用于消费类电子产品、储能系统、动力系统的电源。体积更小、重量更轻、容量更大，一直是锂离子二次电池的发展方向。近年来随着飞行器、电动车辆等需要大电流高倍率充放电的用电设备的需求，锂离子二次电池需要具备高的充放电倍率和低的电阻，也更需要在此基础上继续减小体积、减轻重量，增加容量。

为制备高倍率锂离子二次电池，一般现有以下技术方案：

第一种技术方案如专利文献cn104600250a和cn105161673a：在电极极片上焊接有多个极耳，并在焊接位置贴保护胶带。该种方法的缺点在于：焊接极耳并贴胶带占据了涂覆粉料位置，容量较小；焊接上的极耳及胶带会增加电池厚度，占用体积；需多次焊接，可靠性差。

第二种技术方案如专利文献cn204885269u和cn205543006u：在电极极片一侧或两侧留箔，并将留箔位置切割为合适形状并与外极耳焊接。该种技术方案在实际实施时和在专利文献的实施例中，一般将正负极两面粉料均设计为相同长度，在卷绕后，部分材料未参与电化学反应，无法发挥容量，并且白白占用电池厚度和电池重量，并且浪费物料成本。

第三种技术方案如专利文献cn204230364u，为第一种方案和第二种方案的某种结合。

第四种技术方案如专利文献cn206921962u，其第一电极结构如图1所示，第二电极结构如图2所示，其卷绕后结构如图3所示，该结构可以节省电池厚度和电池重量，但是其第一电极和第二电极均为长短面不同长度，即均需要间断涂布。间断涂布的缺点在于，需控制变量多，且起头和结尾处的厚度难以控制；由于流体与箔材的张力问题，在间隙涂布时流体会收缩，起头和结尾厚度容易超厚，尤其是当正极的头尾超厚时，局部可能正极容量过高造成析锂，因此需要严格控制头尾厚度，制造较为复杂。

本发明公开了一种卷绕式电池。该电池与传统的卷绕式电池比较，具有体积小、重量轻、节省物料成本、能量密度高、比能量高、易于制造等特点，适合作为消费类电子产品、储能系统、动力系统的电源，尤其适合飞行器、电动车辆等需要大电流高倍率充放电的用电设备。

技术实现要素：

本发明的目的在于：一种卷绕式电芯和含有此种结构的卷绕式电芯的锂离子二次电池。

本发明提供一种卷绕式电芯，其极片设计如图4图5所示，卷绕式电芯截面图如图6所示，卷绕式电芯正面图如图7～8所示，卷绕电芯的侧面视图如图9～11所示，包括：

第一电极片：由第一集流体、涂覆在集流体一面的活性物质层a、涂覆在集流体另一面的活性物质层b组成；

第二电极片：由第二集流体、涂覆在集流体一面的活性物质层c、涂覆在集流体另一面的活性物质层d组成；

隔离膜：位于第一电极片和第二电极片之间，将它们隔离开；

第一极耳：通过第一极耳引出端与第一集流体连接；

第二极耳：通过第二极耳引出端与第二集流体连接；

其特征为：

第一集流体的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第一极耳引出端；

第二集流体的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第二极耳引出端；

第一集流体两面的活性物质层的长度不同，每一面活性物质层存在一个单面空箔，活性物质层a所在面的单面空箔为第一单面空箔，活性物质层b所在面的单面空箔为第二单面空箔，第一单面空箔与第二单面空箔分别位于第一集流体的两端；

活性物质层a涂覆在第二集流体两面的活性物质层的涂覆长度相同，且为连续涂布。连续涂布的优点在于：无多余头尾，厚度一致性好控制。

通过设计多个极耳引出端的间距，可以在卷绕后使得具有多个第一极耳引出端并在卷绕后重叠于同一位置；具有多个第二极耳引出端并在卷绕后重叠于同一位置，如图7所示。

第一单面空箔的位置位于第一电极片卷绕开始的端部(s1)，即卷绕后位于卷芯内部。第二单面空箔的位置位于第二电极片卷绕结束的尾部(e1)，即卷绕后位于卷芯外部。

出于安全考虑，防止充电析锂，负极活性物质层需完全覆盖正极活性物质层。因此，极片设计和涂覆时：当第一电极片为负极片，第二电极片为正极片时，活性物质层a的涂覆长度大于活性物质层c的涂覆长度；活性物质层b的涂覆长度大于活性物质层d的涂覆长度。活性物质层a和活性物质层b的裁切宽度分别大于活性物质层c和活性物质层d的涂覆宽度。当第一电极片为正极片，第二电极片为负极片时，活性物质层a的涂覆长度小于活性物质层c的涂覆长度；活性物质层b的涂覆长度小于活性物质层d的涂覆长度。活性物质层a和活性物质层b的裁切宽度分别小于活性物质层c和活性物质层d的涂覆宽度。卷绕后的电芯中，第一集流体上的第一单面空箔、第二单面空箔的位置不对应于第二极片上的活性物质层c、活性物质层d，使得活性物质层a、活性物质层b能完全覆盖活性物质层c、活性物质层d。

除了在厚度方向更薄以外，在电芯的长度方向，我们优选通过折叠极耳焊接位置的方法节省长度方向的空间，从而电池可以做得更小，如图7图8所示：将第一极耳引出端与第一极耳连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向；第二极耳引出端与第二极耳连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向。

另外，在电池规格特别厚的情况下，一个卷芯可能难以达到那么厚，如图11所示，可以将多个卷芯连接在同一个极耳上成为一个电芯。

本发明还提供一种锂离子电池，包含外包装以及一个或多个以上所述的电芯。

比较图3、图6和图14三种卷绕结构，可以看出，图中第二电极片与第一电极对应位置，即对容量有效贡献的活性物质，均为8个单面，也就是说这三张图所示电芯设计容量相同。在此基础上，厚度方向上，图3和图6结构厚度基本一致，图14比图3和图6多出4个第一电极单面，因此图3和图6的结构重量更轻、厚度更薄。

而比较图3和图6两种卷绕结构，可以看出在卷芯端，两者厚度重量一致，进一步比较其电极设计，即比较图1图2和图4图5，可以看出图1图2共有8个涂布头尾，但是图4图5(由于图5为连续涂布)只有4个涂布头尾，每个电池涂布头尾数降低50％，显著减小制造难度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：厚度薄、长度小、重量轻、节省物料成本、能量密度高、比能量高、易于制造，应用于无人机等飞行器、电动汽车等设备，可显著减轻重量、提升容量、提高续航时间和续航里程。

附图说明

图1对比例1第一电极片(r1)的俯视图和截面图；

图2对比例1第二电极片(r2)的俯视图和截面图；

图3对比例1卷绕式电芯截面图；

图4第一电极片(1)的俯视图和截面图；

图5第二电极片(2)的俯视图和截面图；

图6卷绕式电芯截面图；

图7卷绕式电芯正面图；

图8卷绕式电芯折叠极耳引出端正面图

图9卷绕式电芯侧面图(对应图6)；

图10卷绕式电芯折叠极耳引出端侧面图(对应图7)

图11多个卷绕式电芯(第一卷芯与第二卷芯)连接后，折叠极耳引出端，侧面图。

图12对比例2第一电极片(r1’)的俯视图和截面图；

图13对比例2第二电极片(r2’)的俯视图和截面图；

图14对比例2卷绕式电芯截面图；

标记说明：

r1对比例1第一电极片；

r11对比例1第一集流体；

r12对比例1第一活性物质层(正面)；

r13对比例1第一活性物质层(反面)；

r14对比例1第一电极的空箔面；

r111对比例1第一极耳引出端；

rs1对比例1第一电极片卷绕起始端；

re1对比例1第一电极片卷绕结束端；

r2对比例1第二电极片；

r21对比例1第二集流体；

r22对比例1第二活性物质层(正面)；

r23对比例1第二活性物质层(反面)；

r24对比例1第二电极的空箔面；

r211对比例1第一极耳引出端；

rs2对比例1第一电极片卷绕起始端；

re2对比例1第一电极片卷绕结束端；

1第一电极片；

11第一集流体；

12活性物质层a；

13活性物质层b；

14第一单面空箔；

15第二单面空箔

111第一极耳引出端；

211第二极耳引出端；

22活性物质层c；

23活性物质层d；

s1第一电极片卷绕起始端；

e1第一电极片卷绕结束端；

s2第一电极片卷绕起始端；

e2第一电极片卷绕结束端；

r1’对比例1第一电极片；

r11’对比例1第一集流体；

r12’对比例1活性物质层a(正面)；

r13’对比例1活性物质层b(反面)；

r111’对比例1第一极耳引出端；

rs1’对比例1第一电极片卷绕起始端；

re1’对比例1第一电极片卷绕结束端；

r2’对比例1第二电极片；

r21’对比例1第二集流体；

r22’对比例1活性物质层c(正面)；

r23’对比例1活性物质层d(反面)；

r211’对比例1第一极耳引出端；

rs2’对比例1第一电极片卷绕起始端；

re2’对比例1第一电极片卷绕结束端；

3隔膜；

r3对比例1隔膜；

r3’对比例2隔膜；

4第一极耳；

5第二极耳。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

一种卷绕式电芯，其极片设计如图4图5所示，卷绕式电芯截面图如图6所示，卷绕式电芯正面图如图7～8所示，卷绕电芯的侧面视图如图9～11所示，包括：

第一电极片1：由第一集流体11、涂覆在集流体一面的活性物质层a12、涂覆在集流体另一面的活性物质层b13组成；

第二电极片2：由第二集流体21、涂覆在集流体一面的活性物质层c22、涂覆在集流体另一面的活性物质层d23组成；

隔离膜3：位于第一电极片1和第二电极片2之间，将它们隔离开；

第一极耳4：通过第一极耳引出端111与第一集流体11连接；

第二极耳5：通过第二极耳引出端211与第二集流体21连接；

其特征为：

第一集流体11的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第一极耳引出端111；

第二集流体21的单侧或双侧留有一个或多个间隔的第二极耳引出端211；

第一集流体11两面的活性物质层的长度不同，每一面活性物质层存在一个单面空箔，活性物质层a12所在面的单面空箔为第一单面空箔14，活性物质层b13所在面的单面空箔为第二单面空箔15，第一单面空箔14与第二单面空箔15分别位于第一集流体11的两端；

活性物质层a12涂覆在第二集流体21两面的活性物质层的涂覆长度相同，且为连续涂布。连续涂布的优点在于：无多余头尾，厚度一致性好控制。

通过设计多个极耳引出端的间距，可以在卷绕后使得具有多个第一极耳引出端111并在卷绕后重叠于同一位置；具有多个第二极耳引出端211并在卷绕后重叠于同一位置，如图7所示。

第一单面空箔14的位置位于第一电极片1卷绕开始的端部s1，即卷绕后位于卷芯内部。第二单面空箔15的位置位于第二电极片2卷绕结束的尾部e1，即卷绕后位于卷芯外部。

出于安全考虑，防止充电析锂，负极活性物质层需完全覆盖正极活性物质层。因此，极片设计和涂覆时：当第一电极片1为负极片，第二电极片2为正极片时，活性物质层a12的涂覆长度大于活性物质层c22的涂覆长度；活性物质层b13的涂覆长度大于活性物质层d23的涂覆长度。活性物质层a12和活性物质层b13的裁切宽度分别大于活性物质层c22和活性物质层d23的涂覆宽度。当第一电极片1为正极片，第二电极片2为负极片时，活性物质层a12的涂覆长度小于活性物质层c22的涂覆长度；活性物质层b13的涂覆长度小于活性物质层d23的涂覆长度。活性物质层a12和活性物质层b13的裁切宽度分别小于活性物质层c22和活性物质层d23的涂覆宽度。卷绕后的电芯中，第一集流体11上的第一单面空箔14、第二单面空箔15的位置不对应于第二极片2上的活性物质层c22、活性物质层d23，使得活性物质层a12、活性物质层b13能完全覆盖活性物质层c22、活性物质层d23。

除了在厚度方向更薄以外，在电芯的长度方向，我们优选通过折叠极耳焊接位置的方法节省长度方向的空间，从而电池可以做得更小，如图7图8所示：将第一极耳引出端111与第一极耳4连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向；第二极耳引出端211与第二极耳5连接的部分，经过弯折后折到电池厚度方向。

另外，在电池规格特别厚的情况下，一个卷芯可能难以达到那么厚，如图11所示，可以将多个卷芯连接在同一个极耳上成为一个电芯。

本发明还提供一种锂离子电池，包含外包装以及一个或多个以上所述的电芯。

比较图3、图6和图14三种卷绕结构，可以看出，图中第二电极片与第一电极对应位置，即对容量有效贡献的活性物质，均为8个单面，也就是说这三张图所示电芯设计容量相同。在此基础上，厚度方向上，图3和图6结构厚度基本一致，图14比图3和图6多出4个第一电极单面，因此图3和图6的结构重量更轻、厚度更薄。

而比较图3和图6两种卷绕结构，可以看出在卷芯端，两者厚度重量一致，进一步比较其电极设计，即比较图1图2和图4图5，可以看出图1图2共有8个涂布头尾，但是图4图5由于图5为连续涂布只有4个涂布头尾，每个电池涂布头尾数降低50％，显著减小制造难度。

以下实施例中，均按照第一电极片为负极片第二电极片为正极片进行。

电池制造说明：

正极极片的制备：正极活性材料钴酸锂、粘接剂聚偏氟乙烯(pvdf)导电剂super-p按照96:2:2的重量比加入到n-甲基吡咯烷酮(nmp)中搅拌匀浆制成正极浆料；将正极浆料双面涂布在正极集流体上，经过烘干、压实、分切、裁片、焊接极耳后得到正极极片。

负极极片的制备：负极活性材料人造石墨、丁苯橡胶(sbr)、羧甲基纤维素钠(cmc)，按照95:2.5:2.5的比例加入去离子水中搅拌匀浆制成负极浆料；将负极浆料双面涂布在负极集流体上，经过烘干、压实、分切、裁片、焊接极耳后得到负极极片。

需要说明的是：以下比较例和实施例中，集流体箔材相同，正负极极片的单位面积的涂覆量相同，正负极极片的涂覆宽度相同，第一极耳引出端111和第二极耳引出端211数量相同，涂覆长度根据电池尺寸和不同卷绕结构设计有所不同。

电解液的制备：选用浓度为1m的六氟磷酸锂作为锂盐，以碳酸乙烯酯(ec)：碳酸二乙酯(dec)：碳酸甲乙酯(emc)按照30:30:40的重量比作为溶剂，此外还含有其它确保性能的添加剂。

锂离子电池的制备：将根据前述工艺制备得到的负极极片和正极极片与隔膜进行组装，制得电池电芯，将电池电芯装入铝塑膜软包装中，向其内部注入电解液后封口，进行预充，并化成制得锂离子二次电池。

测试方法说明：

容量测试：在25℃下，以800ma的电流恒流充电至4.4v，再在4.4v恒压充电至电流小于80ma，搁置5分钟，以800ma电流恒流放电至3.0v，以此放电容量为容量。

厚度、长度、重量等参数按照公知的方法测试。长度为电芯底部到极耳胶顶端长度。

比较例1

参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图1，正极片设计如图2，卷绕结构如图3，极耳焊接装配如图7、图9。

比较例2

参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图12，正极片设计如图13，卷绕结构如图14，极耳焊接装配如图7、图9。

实施例1

参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图4，正极片设计如图5，卷绕结构如图6，极耳焊接装配如图7、图9。

实施例2

参照电池制作说明制备锂离子二次电池，负极片设计如图4，正极片设计如图5，卷绕结构如图6，极耳焊接装配如图8、图10。

比较例和每个实施例各制作100只电池，其容量、厚度、长度、重量的平均值如下表所示。

从实验结果可以看到，实施例1与比较例2相比，相近的容量和长度下，厚度减少0.2mm，重量轻3g左右，相当于能量密度提升7％。

实施例1与比较例1相比，能量密度尺寸相近，但是其极片涂布的头尾数量少50％，制造难度大大降低。

在更优化的选用折叠极耳引出端的方案时(实施例2)，电池长度更短，在体积上更有优势。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。