一种卷绕式锂离子动力电池的制作方法

本实用新型涉及一种卷绕式锂离子动力电池，尤其是卷绕式锂离子动力电池的卷绕结构。

背景技术：

锂离子动力电池是现代直流电机的能量源泉，通常有两种外型:圆柱型和长方型。圆柱型电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯或聚丙烯或聚乙烯与聚丙烯复合的薄膜隔离材料(隔膜)在正、负极间间隔而成。而长方形则是通过叠片这种形式，即一正极上放置隔膜然后负极，以此类推，各类锂离子动力电池叠加而成。

锂离子动力电池包括由含锂的材料(如钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂的一种或几种混合使用等)组成的锂离子收集极及由铝箔组成的电流收集极。负极由层状碳材料组成的锂离子收集极和铜箔组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。单节锂电池的电压为3.6-3.8V(与正极材料体系有关)，容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，组成电池组，以满足不同场合的要求。必须提高电池单元的一致性，增加电池的循环寿命；提高电极材料活性物质与集流体的粘附力，降低电极片制造成本；保护集流体不被电解液腐蚀；改善磷酸铁锂、钛酸锂材料的加工性能等。

CN201210100197提出了一种叠片式锂离子动力电池及其制作方法，连续叠片结构的锂离子动力电池，包括隔膜、正极极片、负极极片、正极和负极电极、电液和长方体外壳；第一长条状隔膜上以均匀间隔粘置条状正极极片且极片两侧隔膜上设有均有折缝，第二长条状隔膜上以均匀间隔粘置条状负极极片且极片两侧隔膜上设有均有折缝，条状正极极片与条状负极极片的宽度相同且均略小于间隔，将粘置条状负极极片第二长条状隔膜覆盖在第一长条状隔膜的极片间隔上，连续在折缝处V型折叠，即对等面积的正负极片依次地连续V型折叠，直到达到电池的厚度。在长方体外壳填充电芯，并引出正负极并充电液后构成电池。正极极片、负极极片的面积尺寸是长为30-150mm，宽为20-60mm。

上述连续叠片结构的锂离子动力电池的制造方法，制作条状正极和负极极片，先将隔膜制成长条状，将与隔膜宽度相当，宽度稍窄的正极极片依相同间隔粘接于隔膜上；第二长条状隔膜上以均匀间隔粘置条状负极极片且极片两侧隔膜上设有均有折缝，条状正极极片与条状负极极片的宽度相同且均略小于间隔，将粘置条状负极极片第二长条状隔膜覆盖在第一长条状隔膜的极片间隔上，连续在折缝处V型折叠，按“V”字型连续折叠6-20次；形成按照负极-隔膜-正极-隔膜的方式交叉叠放，形成用隔膜隔开的正负极片交替的层叠堆；热压成型，用冲压设备分别冲出正负极耳；正负极片均已经是至少一面覆有金属箔的电极，且正极片覆有金属箔伸出于一端，负极片覆有金属箔伸出于极片的另一端，连接相应的正负极耳。在隔膜上采用印刷用切线刀对隔膜切线形成折缝；负极片由负极集流体和均匀涂在两面的活性涂料涂覆层构成。

锂离子动力电池的正极材料、负极材料在本质上并无大的改变，正极材料、负极材料分别采用三元锂盐材料，负极材料采用改性天然石墨仍为目前锂离子动力电池的主基调。

由于片式锂离子动力电池的正极与负极材料在厚度上过厚，在超大电流的充电与放电时不利于电池的温度均匀化；此外，就机械化和自动化制备锂离子动力电池方面，也不如采用卷绕式锂离子动力电池的结构。过热是造成电池损坏甚至是燃爆危险的主要因素，考虑到实际的因素，卷绕式锂离子动力电池的每层电极的薄型化是克服片式电池缺点的一个重要解决方案。

卷绕式锂离子动力电池目前亦无大的变化，主要是正极和负极层卷绕，正极和负极层分别指正极材料及正极金属箔、负极材料及负极金属箔，设有第一隔膜、第一隔膜置于正极和负极层之间，另设有第二隔膜或绝缘膜将正极层、第一隔膜和负极层一并卷绕；但是卷绕式锂离子动力电池一般为圆柱形型，典型的如18650型圆柱型锂电池，现有特斯拉的一种型号的电动汽车就是采用数千个18650电池串联并联组合成300-600V的直流电源；但在叠放和组合多电池单元时并不能解决单位体积最大化的容纳有效电池单元的问题，圆柱型电池具有圆柱筒型结构，尤其是制备成达到10AH以上的单元电池时，圆柱筒型结构在组合安装时体积不够紧凑，这就不如片式电池基本是一个矩形体；卷绕式锂离子动力电池的另一不足是，卷绕在内与卷绕在外的电极在长度上有所差别，考虑到二种材料的平衡，往往需要对在金属箔上电池材料涂层厚度进行控制，便于使正负极电池材料的平衡，均匀的正极负极材料及正极和负极电极使用的金属箔是现有技术的主流。

由于片式锂离子动力电池的正极与负极材料在厚度上过厚，在超大电流的充电与放电时不利于电池材料的温度均匀化；此外，就机械化和自动化制备锂离子动力电池方面，也不如采用卷绕式锂离子动力电池的结构。过热是造成电池损坏甚至是燃爆危险的主要因素，考虑到实际的因素，卷绕式锂离子动力电池的每层电极的薄型化是克服片式电池缺点的一个重要解决方案。

技术实现要素：

本实用新型目的是，提出一种新型的卷绕式锂离子动力电池，尤其是锂离子动力电池卷绕式新型结构，使得锂离子动力电池卷绕成一个准矩形结构，同时克服卷绕在内与卷绕在外的电极在长度上有所差别的不足，使得现有卷绕式锂离子动力电池得到更好的应用，满足其薄层化的电极的需要。

本实用新型的技术方案是，一种卷绕式锂离子动力电池，包括正极和负极层，第一隔膜，所述正极和负极层分别指正极材料及正极金属箔、负极材料及负极金属箔，第一隔膜置于正极和负极之间，另设有第二隔膜或绝缘膜将正极层、第一隔膜和负极层一并卷绕；每个卷绕式锂离子动力电池单元包括二个相连的卷绕圈，每个卷绕式锂离子动力电池单元的横截面为S型，二个相连的卷绕圈分别对应着S型的上卷绕圈和下卷绕圈，则每个卷绕式锂离子动力电池单元基本成为矩形。

正极、负极层分别涂覆正极与负极材料后的厚度为0.8±0.6mm。正极、负极层尤其是在金属箔的两面均涂正极或负极材料。

本实用新型的制备方法主要采用现有技术，正极、负极层、第一隔膜、第二隔膜依次整齐叠合，即第一隔膜置于正极和负极之间，另设有第二隔膜在最上面或最底层，四层整齐叠合的材料在头部和尾部分别进行正面卷绕和反面卷绕，正面卷绕和反面卷绕到四层材料的中央则成为横截面为S型的锂离子动力电池单元(电芯)；再将电芯装入外壳并焊接引出金属的正负极，再进行电液灌注和电化成，则成为成品卷绕式锂离子动力电池的基本单元。外壳为矩形柱体。

有益效果：每个卷绕式锂离子动力电池单元包括二个相连的卷绕圈，每个卷绕式锂离子动力电池单元的横截面为S型，二个相连的卷绕圈分别对应着S型的上卷绕圈和下卷绕圈即上侧是正面卷绕则下侧是反面的卷绕，克服卷绕在内与卷绕在外的电极在长度上的差别，即上卷绕圈和下卷绕圈的长度差别正好抵消，制备成紧凑型的卷绕式锂离子动力电池，能够满足其薄层化的电极的需要。散热效果更好(因为参与电化学反应的电极材料距金属电极箔更近)，且每个卷绕式锂离子动力电池单元基本成为矩形；有利于体积容量比更好，也排除了电池过热是造成电池损坏甚至是燃爆危险；总之，本实用新型的卷绕式锂离子动力电池达到了每层电极的薄型化，克服片式电池缺点。本实用新型还能克服现有技术中采用大电流化成会降低电池的能量密度、容量并缩短电池的循环寿命、而采用小电流化成会造成电池制造成本高的缺陷。本实用新型方法与电池既能够提高电池的能量密度、容量和循环性能又能够降低电池的制造成本。使得电池在大电流化成状态下仍具有较好的综合性能，且能够降低电池的制造成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图所示，每根卷绕的实线代表四层材料进行卷绕，左侧是正面卷绕则右侧是反面(向反面卷绕，正面与反面的卷绕应该是同时进行卷绕，例如可以手工进行，也可以采用专门设计的机械)的卷绕，两侧卷绕线螺纹方向是相反的，四层材料的长度相同(正极负极材料涂层的厚度亦精确控制相同，连续的涂层材料被截断后叠合)，则将制备成一个个标准单元的锂离子电池单元。第一与第二隔膜是采用供充放电离子交换的薄膜，完全可以采用现有PE材料隔膜。

截取相同长度四层材料，能够制备相同容量的电池单元。正面与反面的卷绕同时进行时可以使内层与外层在卷绕时的长度的偏差完全消除。使整个电池单元的质量提高，完全克服长度的偏差给电池可能的一致性降低的影响。

根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池(Liquified Lithium-Ion Battery，简称为LIB)和聚合物锂离子电池(Polymer Lithium-Ion Battery,简称为PLB)或塑料锂离子电池(Plastic Lithium Ion Batteries,简称为PLB)。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，正极材料分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂材料，负极为天然石墨或改性石墨，电池工作原理也一致。

正极、负极层是指在金属箔的两面均涂正极或负极材料，或者只涂铝或铜金属箔的一面，此时正极与负极材料层相邻，中间有隔膜相隔。

正极、负极层分别涂覆正极与负极材料后的厚度为0.8±0.3mm,宽度为4-15cm；如宽度为8cm，正面与反面分别卷绕成3cm直径，可以达到3*6*8cm³，则此单元可以达到2AH的能量储存。电池主要的构造包括有正极、负极层与电解质(电液的主要成份)三项要素均采用现有技术。

正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液，一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，本实用新型也可制备聚合物锂离子电池，聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了20％，其容量、与环保性能等方面都较锂离子电池，聚合物锂电池在结构上采用铝塑软包装。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。