专利名称：高容量圆柱型锂锰电池结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高容量圆柱型锂锰电池结构，本发明还涉及这种高容量圆柱型锂 锰电池结构的制备方法。
背景技术：
现有的圆柱型锂锰电池的主要部件电芯多采用一层正极片、两层隔膜和一层负极 片叠加在一起卷绕的方式将正极片、隔膜和负极片卷成一个整体的电芯(如图2所示)，然 后再将此装入钢壳中，通过正极耳连接正极芯柱，负极耳连接钢壳形成电池的正负极(如 图3所示)，这种卷成整体的电芯结构卷绕时要求很高，很麻烦。且这样做加大了正、负极片 接触的面积，提高了内部短路的几率，高达几安甚至几十安的短路电流也带来了安全上的 隐患，另外卷绕各层之间的间隙挤占了有效的电芯空间，使得正极占电池总重比例偏低，电 池容量无法最大化，较大的正、负极接触面积使得隔膜的用量较大，增加了电池材料成本， 相对复杂的操作也影响了生产效率和成品合格率，不利于规模化生产(如表1所示)。表1 按常规工艺(现有工艺)生产的圆柱型锂锰电池相关数据 因此，发明一种能够①、减小正、负极的接触面积；②、减少隔膜用量；③、提高活 性物质所占比重；④、简化操作，提高生产合格率的高容量圆柱型锂锰电池成为了一项重要 迫切的工作。
发明内容
本发明的第一目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种高容量圆 柱型锂锰电池结构。本发明的另一目的在于提供一种制备高容量圆柱型锂锰电池结构的方法。本发明的第一目的是通过如下措施来达到的高容量圆柱型锂锰电池结构，其特 征在于它包括位于外面的钢壳，在钢壳内的中间位置为金属连接条，正极电芯为由正极片 围绕金属连接条绕成的柱形结构，在正极电芯外表面包裹有一圈隔膜，在隔膜与钢壳之间 为锂带，盖组位于钢壳内的上端，正极芯柱位于盖组的中间位置，金属连接条与正极芯柱连 接，盖组上有注液孔，有用于密封注液孔的密封钉，在钢壳内的底部有用于将正极片和锂带 隔离的绝缘片。在上述技术方案中，在所述金属连接条和正极芯柱有正极耳，正极耳的一端焊接在金属连接条上，正极耳的另一端焊接在正极芯柱上。在上述技术方案中，所述绝缘片6为圆形。在上述技术方案中，所述正极芯柱7与盖组9之间有玻璃绝缘子14。装配高容量圆柱型锂锰电池结构的方法，它依次包括如下步骤第1步、钢壳准备①将钢壳1与圆形绝缘片6干燥除湿，②将圆形绝缘片6放入到钢壳1底部；第2步、负极处理①将锂带5裁切成所需长度的小段矩形，②将锂带5搓成空心的圆筒，③将锂带1卷成的圆筒放入装好圆形绝缘片6的钢壳1内，并将其与钢壳1内壁 压紧；第3步、正极卷绕将连接好盖组9的正极片3通过以正极片上的金属连接条9为轴卷绕成圆柱形电 芯，并在外表面包裹一圈隔膜4 ；第4步、正极电芯入钢壳将卷成的圆柱形电芯放入第2步中压好锂带的钢壳中，使正、负极适度接触但绝 缘良好，压合盖组9与钢壳1;第5步、焊接封口使用氩弧焊接机和夹具将压合好盖组的电池完成焊接封口，使盖组和钢壳焊接成 为一个整体；第6步、注液采用定量注液机通过盖组上的注液孔对电池进行注液；第7步、压密封钉将密封钉8在注完液的电池盖组9上的注液孔11上对好位，将电池放在气动压合 机下定好位，将密封钉压入注液孔，完成对电池的密封形成半成品电池、贴标后成为成品电 池。本发明高容量圆柱型锂锰电池结构具有如下优点①、将正极片独自卷成实心圆柱，负极单独做成空心圆筒压合在电池壳内壁上，当 正极与负极组装在一起时正、负极实际接触面积只有正极圆柱外表面积，大大减小了正、负 极接触面积，降低了内部短路的几率。②、由于正、负极接触面积的减小，那么需要隔离的面积也就减小了，隔膜的用量 就会大大减少。③、负极和隔膜都不采用多层卷绕的方式，减小了层间空隙，电池壳内空间利用更 充分，高活性物质所占比重。④、电芯制作阶段只需要将正极卷绕成圆柱形，省掉负极连接极耳和卷绕的操作， 大大降低电池装配的复杂程度。表2为采用本发明工艺制作的几款电池的相关数据
为验证本发明的积极效果，进行了如下具体的比较测试1、生产效率测试对两种制作工艺的生产效率进行了对比(装配阶段)，按照常规工艺制作123A型 号的电池，一个熟练操作工平均一个小时生产88只电池，而采用本发明的制作工艺，平均 一个小时能制作169只电池。2、生产合格率比较分别抽取按两种工艺生产的CR123A电池的5个批次生产合格率统计如表3，从平 均合格率来看，本发明使得电池的成品合格率提升了约8. 2个百分比。表3 两种工艺生产的CR123A电池的5个批次生产合格率统计表
3、放电性能测试分别取两种工艺生产的CR123A型电池各一只在室温条件下以ImA电流恒流放电 到2. 0V，按常规工艺制作的电池放电容量约为1.5Ah，而以本发明工艺制作的电池放出的 容量大约为2. OAh，见放电曲线见图1 (a为本发明工艺制作电池的放电曲线，b为按常规工 艺制作电池的放电曲线)。
从图1的放电曲线比较中可以看出按本发明工艺制作的电池以标准电流放电时 放电时间延长约33. 3% (即容量提升约33. 3% )，平台电压也更加平稳。4、电池短路安全性测试对比表1和表2中的短路电流发现，本发明能够大大降低电池的短路电流，在实际 短路过程中两者在安全性上的差别见表4测试报告。表4为两种工艺生产的CR123A电池的短路安全性比较表
电池型号电池编号最尚温度 "C电池状态达到最高温 时间(分钟)试 验 教本发明工艺生产 的CR123A电池129无异常15230无异常13326无异常13428无异常15529无异常16据常规工艺生产的 CR123A电池1130底部严重鼓胀42127底部严重鼓胀53132爆炸、起火34129底部严重鼓胀 且绝缘子漏液45121底部严重鼓胀4结 论按本发明工艺制作的电池短路时升温较慢，十几分钟才升至最高温30°C左右， 之后温度缓慢下降，整个过程电池都比较稳定，电池完全没有爆炸的可能性；而按 常规工艺生产的电池短路时升温较快，几分钟内可达最高温130°C左右，并且较长 时间维持在高温状态，所有电池底部严重鼓胀，甚至出现漏液、爆炸起火的情况， 在实际应用中必须对电池增加保护装置。 对比表1、表2，结合表3的数据以及以上3项测试得出如下结果
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1、采用本发明工艺使得电池正、负极接触面积下降73. 7% -79. 3% ；2、采用本发明工艺使得电池隔膜用量减少88. 4% -90. 9% ；3、采用本发明工艺使得电池正极活性物质占电池总重的比例提升4. 3% -7. 0% ；4、采用本发明工艺使得电池短路电流减小95.0% -96.0%,电池安全性大大提 闻；5、采用本发明工艺使得电池容量提升25. 0% -36. 4% ；6、采用本发明工艺使得电池生产合格率提升约8. 2% ；7、采用本发明工艺使得电池生产效率提升约92. 0% ；从以上结果总结本发明的效果如下1、提高了 电池容量(25.0% -36.4% )；2、改善了电池安全性，大大降低了电池因为短路引起爆炸的可能性；3、降低了材料成本，88. 4% -90. 9%隔膜用量的减少使得每只电池材料成本上节 约 5% -6% ；4、提升了生产效率(约92. 0% )；5、提高了电池生产合格率(8. 2% )。
图1为本发明工艺与常规工艺生产的电池的放电曲线对比图。图2为现有的圆柱型锂锰电池的电芯结构示意图。图3为现有的圆柱型锂锰电池的剖面结构示意图。图4为本发明中钢壳和圆形绝缘片的结构示意图。图5为本发明中锂带的结构示意图。图6为本发明中钢壳、圆形绝缘片和锂带的结构示意图。图7为本发明中正极片的结构展开图。图8为本发明中正极电芯的结构示意图。图9为本发明电池的装配示意图。图10为本发明电池装配为半成品的外形图。图11本发明的高容量圆柱型锂锰电池的剖面结构示意图。图中1.钢壳，2.正极片，3.正极耳，4.隔膜，5.锂带，6.绝缘片，7.正极芯柱，8.密 封钉，9.盖组，10.金属连接条，11.注液孔，12.负极耳，13.正极电芯，14.玻璃绝缘子。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅 作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。参阅附图可知本发明高容量圆柱型锂锰电池结构，它包括位于外面的钢壳1，在 钢壳1内的中间位置为金属连接条10，正极电芯13为由正极片2围绕金属连接条10绕成 的柱形结构(如图7、图8所示)，在正极电芯13外表面包裹有一圈隔膜4，在隔膜4与钢壳 1之间为锂带5，盖组9位于钢壳1内的上端，正极芯柱7位于盖组9的中间位置，金属连接 条10与正极芯柱7连接，盖组9上有注液孔11，有用于密封注液孔11的密封钉8，在钢壳
71内的底部有用于将正极片3和锂带5隔离的绝缘片6 (如图9、图10、图11所示)。在金属连接条10和正极芯柱7有正极耳3，正极耳3的一端焊接在金属连接条10 上，正极耳3的另一端焊接在正极芯柱7上。绝缘片6为圆形(如图6所示)。制备高容量圆柱型锂锰电池结构的方法，它包括如下步骤第1步、钢壳准备①将钢壳1与圆形绝缘片6干燥除湿，②将圆形绝缘片6放入到钢壳1底部(如图4所示)；第2步、负极处理①将锂带5裁切成所需长度的小段矩形，②将锂带5搓成空心的圆筒(如图5所示)，③将锂带1卷成的圆筒放入装好圆形绝缘片6的钢壳1内，并将其与钢壳1内壁 压紧(如图6所示)；第3步、正极卷绕将连接好盖组9的正极片2通过以正极片上的金属连接条9为轴卷绕成圆柱形电 芯，并在外表面包裹一圈隔膜4(如图7所示)；第4步、正极电芯入钢壳将卷成的圆柱形电芯放入第2步中压好锂带的钢壳中，使正、负极适度接触但绝 缘良好，压合盖组9与钢壳1(如图8所示)；第5步、焊接封口使用氩弧焊接机和夹具将压合好盖组的电池完成焊接封口，使盖组和钢壳焊接成 为一个整体(如图8所示)；第6步、注液采用定量注液机通过盖组上的注液孔对电池进行注液(如图9所示)；第7步、压密封钉将密封钉8在注完液的电池盖组9上的注液孔11上对好位，将电池放在气动压合 机下定好位，将密封钉压入注液孔，完成对电池的密封形成半成品电池、贴标后成为成品电 池(如图10所示)。其它未经详细说明的部分均为现有技术。
权利要求
高容量圆柱型锂锰电池结构，其特征在于它包括位于外面的钢壳(1)，在钢壳(1)内的中间位置为金属连接条(10)，正极电芯(13)为由正极片(3)围绕金属连接条(10)绕成的柱形结构，在正极电芯(13)外表面包裹有一圈隔膜(4)，在隔膜(4)与钢壳(1)之间为锂带(5)，盖组(9)位于钢壳(1)内的上端，正极芯柱(7)位于盖组(9)的中间位置，金属连接条(10)与正极芯柱(7)连接，盖组(9)上有注液孔(11)，有用于密封注液孔(11)的密封钉(8)，在钢壳(1)内的底部有用于将正极片(3)和锂带(5)隔离的绝缘片(6)。
2.根据权利要求1所述的高容量圆柱型锂锰电池结构，其特征在于在金属连接条(10) 和正极芯柱(7)有正极耳(3)，正极耳(3)的一端焊接在金属连接条(10)上，正极耳(3)的 另一端焊接在正极芯柱(7)上。
3.根据权利要求1所述的高容量圆柱型锂锰电池结构，其特征在于绝缘片(6)为圆形。
4.根据权利要求1所述的高容量圆柱型锂锰电池结构，正极芯柱(7)与盖组(9)之间 有玻璃绝缘子(14)。
5.装配高容量圆柱型锂锰电池结构的方法，其特征在于它包括如下步骤第1步、钢壳准备①将钢壳⑴与圆形绝缘片(6)干燥除湿，②将圆形绝缘片(6)放入到钢壳(1)底部；第2步、负极处理①将锂带(5)裁切成所需长度的小段矩形，②将锂带(5)搓成空心的圆筒，③将锂带卷成的圆筒放入装好圆形绝缘片(6)的钢壳(1)内，并将其与钢壳(1)内壁 压紧；第3步、正极卷绕将连接好盖组(9)的正极片(3)通过以正极片上的金属连接条(9)为轴卷绕成圆柱形 正极电芯(13)，并在外表面包裹一圈隔膜(4)；第4步、正极电芯入钢壳将卷成的圆柱形正极电芯(13)放入第2步中压好锂带的钢壳(1)中，使正、负极适度 接触但绝缘良好，压合盖组(9)与钢壳(1)；第5步、焊接封口 使用氩弧焊接机和夹具将压合好盖组的电池完成焊接封口，使盖组和钢壳(1)焊接成 为一个整体；第6步、注液采用定量注液机通过盖组上的注液孔(11)对电池进行注液；第7步、压密封钉将密封钉(8)在注完液的电池盖组(9)上的注液孔(11)上对好位，将电池放在气动压 合机下定好位，将密封钉(8)压入注液孔，完成对电池的密封形成半成品电池、贴标后成为 成品电池。
全文摘要
高容量圆柱型锂锰电池结构，它包括正极电芯(13)外表面包裹有一圈隔膜(4)，在隔膜(4)与钢壳(1)之间为锂带(5)，盖组(9)位于钢壳(1)内的上端，正极芯柱(7)位于盖组(9)的中间位置，金属连接条(10)与正极芯柱(7)连接，盖组(9)上有注液孔(11)，有用于密封注液孔(11)的密封钉(8)，在钢壳(1)内的底部有用于将正极片(3)和锂带(5)隔离的绝缘片(6)。本发明提高了电池容量(25.0％-36.4％)；降低了材料成本，本发明还同时公开了装配这种高容量圆柱型锂锰电池的方法。
文档编号H01M4/13GK101916879SQ20101026273
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月25日 优先权日2010年8月25日
发明者夏青, 陈林 申请人:武汉昊诚能源科技有限公司