一种微扣电池及其制备方法与流程

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种微扣电池及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池因具有能量密度高、电压高、体积小、环保等特点而广泛应用于移动电子产品中，而锂离子电池的安全性一直是人们在使用过程中最为关注的重点，目前市场上常见的用于贴身人体使用的蓝牙和健康医疗电子设备内置的微扣电池普遍存在安性能不够高的问题，金属微扣电池常常在电池内压过大时会产生膨胀，开裂漏液，严重时会产生爆裂。

目前，已有的金属微扣电池的安全结构设计也只是在盖板上冲切一个安全口，当内压达到一定程度时冲开，但空气中的水分也同时进入电池，造成电池当即失效，如果不及时更换电池会，安全开口的漏液会将用电设备腐蚀损坏；同时，市场上金属微扣电池，由于采用金属壳设计，重量能量密度偏低，并且增加了电子设备的重量，不能满足内置耳机等电子设备对微扣电池高能量密度的要求。

现有的软包锂离子电池多采用铝塑膜包装，通过预先冲模成型使包装材料拉伸变形，铝塑膜在冲压成型后，若冲压模具设计不当，由于角位所受应力最大，变薄也最为严重，角位处铝层拉伸过大会造成角位破损，使电池存在安全风险。

cn209266448u公开了一种新型的铝塑膜纽扣电池，包括铝塑膜外壳和电芯；铝塑膜外壳分为上下内空的壳体结构，上下铝塑膜壳体折叠后形成电芯腔体；铝塑膜外壳的两层铝塑膜贴合的边缘通过热熔封装；铝塑膜封装区外圈上有锯齿结构，铝塑膜外圈向上翻叠时能够贴紧上层铝塑膜表面；电芯由正极片，隔膜和负极片通过叠层方式形成，极片末端未涂覆的区域连接极耳；极耳沿铝塑膜外壳上下层贴合的缝隙引出，极耳的上下面贴有极耳胶。但是，所述方法得到的铝塑膜纽扣电池在使用过程中，易拉伸开裂，造成电池漏液或破损。

因此，本领域需要开发一种新型微扣电池，所述微扣电池具有优异的体积能量密度和安全性能，且制备过程简单，可工业化生产。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微扣电池及其制备方法。本发明所述微扣电池不仅可以充分利用了电池壳体内的有效空间，提升了电池的体积能量密度，也可以防止电池在成型或使用过程中拉伸开裂，造成电池漏液或破损的问题。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种微扣电池，所述微扣电池包括软包膜外壳和置于软包膜外壳内的卷绕式结构的电芯，所述软包膜外壳分为具有凹坑的上层壳体和下层壳体；

所述上层壳体和下层壳体中凹坑侧壁与凹坑顶层之间形成圆弧状的外倒角，所述上层壳体和下层壳体中凹坑口部边缘形成内倒角。

本发明采用轻量化的软包膜包为外壳设计，由于微扣电池容量较小，即使在失效情况下，产气量也不是很大，通过软包膜的膨胀可以消化掉，不至于开裂漏液或爆裂；即使在滥用时，内压过大，也只是冲开密封区，不会对人体产生损害。

本发明采用卷绕式结构的电芯，并且软包膜外壳设置为凹坑结构，可以充分利用电池壳体内的有效空间，提升了电池的体积能量密度，轻量化软包膜外壳的设计进一步提升了电池的能量密度。

本发明的电池卷芯采用卷绕式结构，优点是正负极层间界面结合紧密，电池做成后，不用外压力的情况下，就能保证电池的极负极界面紧密结合，保证电池的电化学性能。卷绕电芯结构更有利于自动化生产，提升高产生产效率。而现有技术中采用电芯的叠片结构由于要保证正负极的对位和负极包住正极的要求，要进行每层的对位要求，生产效率低。另外，叠片结构的电芯需要有外压的挤压才能保证正负极界面的紧密结合，而卷绕式卷芯则不需要。

优选地，所述上层壳体中凹坑侧壁与顶层之间形成半径为r1的第一外倒角。

优选地，所述下层壳体中凹坑侧壁与顶层之间形成半径为r3的第二外倒角。

优选地，所述上层壳体中凹坑口部边缘形成半径为r2的第一内倒角。

优选地，所述下层壳体中凹坑口部边缘形成半径为r4的第二内倒角。

优选地，所述上层壳体和下层壳体贴合的边缘设有环绕着电芯的一圈封装区。

优选地，所述软包膜外壳为铝塑膜外壳，其由外到内依次包括的尼龙层、金属层和pp层。

本发明所述外到内依次包括的尼龙层、金属层和pp层为：靠近电芯一侧为内侧，即pp层离最靠近电芯，尼龙层离电芯最远。

本发明所述软包膜组成的各层主要功能：尼龙层，可以有效阻止空气尤其是氧的渗透，维持电芯内部的环境，同时可以保证包装铝箔具备良好的形变能力；铝(或钢)金属层，可以有效阻止空气中水分的渗透，维持电芯内部的环境，具有一定的厚度强度能够防止外部对电芯的损伤；pp层，不会被电芯内有机溶剂溶解、溶胀等，是电芯内部环境的最直接的包装保护，绝缘，有效阻止内部电解质等与金属层接触，避免金属被腐蚀。

优选地，所述金属层为铝层或钢层。

优选地，所述封装区通过热熔pp层得到。

优选地，所述软包膜外壳的厚度为86～150μm，例如88μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、113μm、120μm、125μm、130μm、135μm或140μm等。

优选地，所述电芯由正极片、隔膜和负极片卷绕形成。

优选地，所述正极片和负极片的末端分别留下未涂覆的金属材料，分别与已热合了密封胶的铝带和镍带进行超声波焊接，分别作为正极耳和负极耳。

优选地，所述正极耳和负极耳沿软包膜外壳上层壳体和下层壳体贴合的缝隙引出，正极耳和负极耳的两个表面贴有密封胶，分别将正极耳和负极耳与软包膜外壳连接处密封。

优选地，所述上层壳体的凹坑深度为2～10mm，例如2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm或9.5mm等。

优选地，所述和下层壳体的凹坑深度为0.1～5mm，例如0.5mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm或4.5mm等。

优选地，所述上层壳体的凹坑的最大直径为4～12mm，例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或11mm等。

优选地，所述下层壳体的凹坑的最大直径为4～12mm，例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或11mm等。

优选地，所述上层壳体中，所述r1通过如下公式计算得到：r1＝(上层壳体凹坑深度-0.5mm)/2。

优选地，所述下层壳体中，所述r3通过如下公式计算得到：r3＝(下层壳体凹坑深度-0.5mm)/2。

优选地，所述上层壳体或下层壳体的凹坑深度为5～10mm(例如5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm或9.5mm等)，凹坑的最大直径为4～12mm(例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或11mm等)，所述r2和r4各自独立的为0.8mm～1.2mm(例如0.85mm、0.9mm、0.95mm、1mm、1.05mm、1.1mm或1.15mm等)，优选r2＝r4。

优选地，所述上层壳体和下层壳体的凹坑深度各自独立的选自：0.1mm≤凹坑深度<5mm(例如0.2mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.5mm、4.0mm、4.2mm、4.5mm或4.8mm等)，凹坑的最大直径为4～12mm(例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或11mm等)，所述r2和r4各自独立的为0.6～0.7mm(例如0.61mm、0.62mm、0.64mm、0.65mm、0.66mm、0.68mm或0.69mm等)，优选r2＝r4。

本发明所述软包膜采用特殊设计的冲压成型模具，优化计算成型软包膜导角(外倒角和内倒角)，使得在制备过程中可以均匀拉伸，进而可以有效解决电池在成型或使用过程中拉伸开裂，造成电池漏液或破损的问题。

本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述微扣电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将软包膜进行冲坑，分别得到具有凹坑的上层壳体和下层壳体，所述具有凹坑的上层壳体和下层壳体组合得到软包膜外壳；

(2)将具有卷绕式结构的电芯放入所述软包膜外壳中，正负极耳引出壳体外，然后进行封装和烘烤，得到微扣电池。

本发明对于所述封装过程不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行选择，本发明在封装过程中，封头采用上下层导热性较好的双半圆形金属模具，示例性的以铝塑膜厚度88μm为例，封装温度185度，封装时间3s，压力0.3～0.4mpa。

优选地，步骤(1)所述冲坑为采用凹凸模进行冲坑。

优选地，所述凹凸模表面光洁度圆角周边为0.2μm，模板平面粗糙度为0.4μm。

优选地，所述冲坑的过程中，凹坑深度≤5mm(例如0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm或4.5mm等)，所述凹凸模的间隙尺寸为0.23～0.26mm(例如0.235mm、0.24mm、0.245mm、0.25mm或0.255mm等)。

优选地，所述冲坑的过程中，凹坑深度为5～10mm(例如5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm或9.5mm等)，113μm≤软包膜厚度≤150μm(例如115μm、120μm、125μm、130μm、132μm、135μm、140μm、145μm或148μm等)，所述凹坑的最大直径为4～12mm(例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或11mm等)，所述凹凸模的间隙尺寸为0.33～0.38mm(例如0.34mm、0.35mm、0.36mm或0.37mm等)。

优选地，所述冲坑的过程中，凹坑深度为5～10mm(例如5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm或9.5mm等)，86μm≤软包膜厚度<113μm(例如88μm、90μm、92μm、95μm、98μm、100μm、105μm、110μm或112μm等)，所述凹坑的最大直径为4～12mm(例如5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或11mm等)，所述凹凸模的间隙尺寸为0.28～0.32mm(例如0.29mm、0.30mm或0.31mm等)。

本发明在冲坑的过程中，根据不同的软包膜厚度、凹坑深度和凹坑直径，对凹凸模的间隙尺寸进行选择，进而解决软包膜在冲压过程中易于开裂的问题，冲坑越深铝膜的伸缩形变越大，为减轻形变力，凹凸模的间隙变大。

优选地，步骤(2)所述具有卷绕式结构的电芯的制备方法包括：将正极片、隔膜(聚烯烃多孔膜)和负极片进行绕卷，得到具有卷绕式结构的电芯。

优选地，步骤(2)所述烘烤为真空烘烤。

优选地，步骤(2)所述烘烤之后，还包括静置、化成、夹具整形和二封的过程。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过使用软包膜为电池的外包装外壳，这种软包型微扣电池的安全性能得到提升，当内部异常产气情况时，内压增大，不会爆裂，提升电池安全性能；同时优化计算成型软包膜导角(外倒角和内倒角)，进而可以有效解决电池在成型或使用过程中拉伸开裂，造成电池漏液或破损的问题，进一步提升电池的安全性能；

(2)本发明的电池结构设计，可以充分利用电池壳体内的有效空间，提升了电池的体积能量密度和重量能量密度，同样的体积大小的电池更加轻量化，电量更充足，更加适用于用电器小型化的需求。

附图说明

图1和图2是本发明具体实施例部分所述的微扣电池的结构示意图；

图3和图4是本发明具体实施例部分所述的微扣电池中，去掉上层壳体和下层壳体，得到的内部结构示意图。

其中，1-上层壳体、2-下层壳体、3-电芯、4-正极耳、5-负极耳、6-密封胶、7-第一外倒角、8-第一内倒角、9-第二外倒角、10-第二内倒角、11-封装区。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明实施例所述软包锂离子微扣电池皆采用如下方法进行制备：

(1)将正极片、隔膜(聚烯烃多孔膜)、负极片按顺序排列绕卷得到电芯3，所述正极片和负极片的末端分别留下未涂覆的金属材料，分别与已热合了密封胶的铝带和镍带进行超声波焊接，分别用作焊接正极耳4和负极耳5；

(2)将软包膜(铝塑膜)进行冲压成型过程(通过成型冲坑模具冲坑)，成型为微扣电池外壳(得到具有第一外倒角和第一内倒角的上层壳体，和具有第二外倒角和第二内倒角的下层壳体)，装入电芯后，封装温度185度，封装时间3s，压力0.4mpa，形成环绕着电芯的一圈封装区11，正极耳4和负极耳5沿软包膜外壳上层壳体和下层壳体贴合的缝隙引出，正极耳4和负极耳5的两个表面贴有密封胶6，分别将正极耳4和负极耳5中与软包膜外壳连接处密封；

(3)然后进行120℃真空烘烤，通过电池预留的未封装开口气袋处将电芯3内的水分蒸发掉，测试电芯3水分含量小于100ppm时，在手套箱注电解液，室温静置32h，经化成、夹具整形、二封、容量测试，完成微扣电池的制备。

实施例1

本实施例提供一种微扣电池，其结构示意图参见图1-图4，所述微扣电池包括软包膜外壳和置于软包膜外壳内的卷绕式结构的电芯3，所述软包膜外壳分为具有凹坑的上层壳体1和下层壳体2，上层壳体1和下层壳体2组合后形成中空的腔体，所述电芯3置于腔体内；所述上层壳体1中凹坑侧壁与凹坑顶层之间形成半径为r1的第一外倒角7；所述上层壳体1中凹坑口部边缘形成半径为r2的第一内倒角8；所述下层壳体2中凹坑侧壁与顶层之间形成半径为r3的第二外倒角9；所述下层壳体2中凹坑口部边缘形成半径为r4的第二内倒角10；所述上层壳体1和下层壳体2贴合的边缘设有环绕着电芯的一圈封装区11；所述电芯由正极片、隔膜和负极片卷绕形成；所述正极片和负极片的末端分别留下未涂覆的金属材料，分别与已热合了密封胶的铝带和镍带进行超声波焊接，分别作为正极耳4和负极耳5；所述正极耳4和负极耳5沿软包膜外壳上层壳体和下层壳体贴合的缝隙引出，正极耳4和负极耳5的两个表面贴有密封胶6，分别将正极耳4和负极耳5与软包膜外壳连接处密封。

本实施例提供的锂离子微扣1254型电池：高5.4mm，电池直径12mm；

正极片制备过程为：将高电压正极活性材料高电压4.45v钴酸锂(licoo2)、cnts(碳纳米管)和pvdf(聚偏氟乙烯)按照质量比98.2:0.8:1.0混合均匀，然后分散在n-甲基-2-吡咯烷酮中，得到正极浆料；将正极浆料均匀涂布于厚度为10μm集流体铝箔两面上，经烘干，辊压，经分切所需要尺寸，并在铝箔空白处焊接铝片正极耳，得到正极片；

负极片制备过程为：将硅碳负极材料、乙炔黑、cmc(羧甲基纤维素)、la136d粘接剂按照质量比97.0:1.0:0.5:1.5混合均匀，然后分散在去离子水中，得到负极浆料；将负极浆料均分涂布于厚度为6μm集流体铜箔两面上，经烘干，辊压，经分切所需要尺寸，并在铜箔空白处焊接镍片正极耳，得到负极片；

电解液配制：在充满氮气的手套箱(o2<2ppm，h2o<3ppm)中，将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、丙酸丙酯、碳酸二乙酯按照质量比2:2:1:5混合均匀，制得非水有机溶剂；然后取占电解液总质量72％的非水有机溶剂，向其中加入基于电解液总质量5％的fec、3％的ps、3％的1,1,2,2-四氟乙基－2,2,3,3-四氟丙基醚、1％的1,3,6-已烷三腈、1％的dtd、0.5％的4-丙基硫酸乙烯酯、0.5％的柠康酸酐、0.5％的六偏磷酸钠，并加入0.05％dcc二环己基碳二亚胺(除水剂，减少电池化成时产气体)得到混合溶液；再向混合溶液中缓慢加入六氟磷酸锂与二氟磷酸锂的混合物(所述六氟磷酸锂与二氟磷酸锂的质量比为10:1)，配制成1.1mol/l的锂盐溶液，混合均匀后即制成电解液；

微扣锂离子电池制备：将正极片、隔膜(聚烯烃多孔膜)、负极片按顺序排列绕卷得到裸电芯，经已冲压成型的铝塑膜封装、再烘烤、注液、静置、化成、夹具整形封切、容量测试，完成微扣锂离子电池的制备；

软包膜外壳采用厚度为88μm的铝塑膜，在冲压成型过程中，凸凹模表面光洁度圆角周边0.2μm(镜面)模板平面粗糙度为0.4μm；

上层壳体1冲压的坑深(凹坑深度)为3.9mm，凹凸模的间隙尺寸为0.25mm，凹坑的最大直径为12mm，第一外倒角7的半径r1为1.7mm，第一内倒角8的半径r2为0.6mm；

下层壳体2冲压的坑深为1.5mm，凹凸模的间隙尺寸为0.25mm，凹坑的最大直径为12mm，第二外倒角9的半径r3为0.5mm，第二内倒角10的半径r4为0.6mm。

实施例2

与实施例1的区别在于，所述上层壳体1冲压的坑深(凹坑深度)为4.4mm，凹凸模的间隙尺寸为0.25mm，凹坑的最大直径为12mm，第一外倒角7的半径r1为1.95mm，第一内倒角8的半径r2为0.6mm；

下层壳体2冲压的坑深为1.0mm，凹凸模的间隙尺寸为0.25mm，凹坑的最大直径为12mm，第二外倒角9的半径r3为0.25mm，第二内倒角10的半径r4为0.6mm。

实施例3

与实施例1的区别在于，所述上层壳体1冲压的坑深(凹坑深度)为6mm，凹凸模的间隙尺寸为0.30mm，凹坑的最大直径为12mm，第一外倒角7的半径r1为2.75mm，第一内倒角8的半径r2为0.8mm；

下层壳体2冲压的坑深为4mm，凹凸模的间隙尺寸为0.25mm，凹坑的最大直径为12mm，第二外倒角9的半径r3为1.75mm，第二内倒角10的半径r4为0.8mm，得到的电池型号为1210。

对比例1

金属壳(钢壳)电池型号1254：本对比例中正负极片和电解液制备同实施例1，不同之处是正负极耳不引出壳体外，直接将空白集流体分别在电池内部焊接在上下金属壳体内壁上，壳体经冲压成型，通过上下壳体挤压互扣密封成电池。

对比例2

与实施例1的区别在于，所述上层壳体1冲压的坑深(凹坑深度)为5.4mm，凹凸模的间隙尺寸为0.30mm，凹坑的最大直径为12mm，第一外倒角7的半径r1为2.45mm，第一内倒角8的半径r2为0.8mm，下层壳体2不进行冲压过程，不存在凹坑。

性能测试：

将各实施例和对比例得到的电池进行如下测试：

(1)常温循环性能测试：在25℃下，将化成后的电池用0.2c恒流恒压充电至4.45v(截止电流为0.01c)，然后用0.2c恒流放电至3.0v，计录放电容量；

(2)高温热冲击破坏测试：测试在150度0.5h高温储存条件下，在封装处是否开裂，是否存在电解液漏液现象；

(3)常温循环性能测试：在25℃下，将化成后的电池用0.2c恒流恒压充电至4.45v(截止电流为0.01c)，然后用0.2c恒流放电至3.0v，计算充/放电500周循环容量的保持率，其计算公式如下：

循环500周容量保持率(％)＝第500周循环放电容量/第1次循环放电容量×100％。

表1

本发明实施例得到的产品经过过150℃储存0.5h只是发生膨胀，而金属壳微扣电池在封装处开裂，并发现电解液漏液现象，循环寿命基本相同。说明发明有效的改善了电池安全性能。同样的大小外形和容量，软包微扣电池具有轻量化的重量。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。