一种高安全性锂离子电池的电芯结构及其制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池安全和结构设计技术领域，特别涉及一种高安全性锂离子电池的电芯结构及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池凭借其具有能量密度高、自放电少、使用寿命长、清洁环保等优点，广泛应用于便捷式移动设备、大型储能系统、通信基站、国防空间技术和新能源汽车等领域，成为能量储存和转换的重要装备。尤其是在汽车领域，随着石油等不可再生能源的不断消耗以及全球气候变暖和空气污染等环境问题愈发严峻，能源更新换代的需求显得愈发迫切。我国已于十二五期间提出了许多支持新能源汽车发展的政策，并决定在未来逐步取消燃油车。随着新能源汽车在汽车市场占有率逐年提高，可以预期，新能源汽车将在不久的将来成为汽车市场的主体。

现阶段用于新能源汽车的锂离子电池大多采用卷绕型电芯结构设计。卷绕型电芯结构设计虽然具有操作简便和生产效率高等优点，但其存在众多安全性问题，比如：电池在受到针刺、侧方挤压后容易刺破隔膜使正负极发生直接接触，导致电池内部发生短路，引发电池爆炸。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有上述问题，提供一种高安全性的锂离子电池电芯结构，当电池受到集中应力作用导致电池内部结构发生损坏时，粉末压制成型的柱状电极立即粉碎、失去电接触，因而不会发生短路，从而可有效避免电池发生爆炸的危险。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高安全性锂电池的电芯结构，包括电极引线、隔膜套管、电池壳和绝缘垫片，所述电池壳内设有至少一个隔膜套管，所述的隔膜套管内设有柱状电极和螺旋形电极引线，所述柱状电极由粉末状的电极材料压制成型，电极引线与柱状电极固定连接，所述电池壳位于隔膜套管外设有蜂窝煤状电极，所述蜂窝煤状电极由粉末状电极材料压制成型，并设有与隔膜套管相同数量的通孔，每个通孔对应嵌入一个隔膜套管。

作为优选，所述柱状电极和蜂窝煤状电极能够任意的互为正极和负极。

作为优选，所述正极的材料为磷酸铁锂、镍钴锰三元正极材料或镍钴铝三元正极材料，所述负极的材料为石墨、硅碳、锡基复合材料或金属锂。

作为优选，所述隔膜套管的外径与通孔的内径相同，所述隔膜套管的内径与柱状电极的外径相同，所述蜂窝煤状电极与电池壳内径相同。

作为优选，所述电极引线为螺旋形电极引线，所述电极引线的材料为金属铝、金属镍、不锈钢、金、银和铂中的任意一种,螺旋形电极引线的线直径为0.1～1mm、螺旋线的高度为55～75mm、螺旋半径为1～10mm、螺距为1～10mm。

作为优选，所述隔膜套管底部密闭，所述隔膜套管为侧面上设有若干个微孔的多孔隔膜套管。

作为优选，所述隔膜套管的材料为PP膜、PE膜、PP/PE混合膜、玻纤膜、PTFE膜、PVDF膜和陶瓷隔膜中的任意一种。

一种高安全性锂电池的电芯结构的制备方法，基于柱状电极模具和蜂窝煤状电极模具，所述方法包括如下步骤：

(a)正/负极中任意一电极设计成柱状结构，另一电极设计成蜂窝煤状结构；

(b)制作柱状电极：将电极活性物质、导电炭黑和粘结剂按比例混合均匀，放入柱状电极模具中，再将螺旋形电极引线插入上述混合粉末中，施加一定的压力使混合粉末压制成柱状电极；

(c)制作蜂窝煤状电极：将电极活性物质、导电炭黑和粘结剂按比例混合均匀，把电池壳放入蜂窝煤状模具中，装入上述混合粉末，施加一定的压力将混合粉末压制成型，抽离模具，得到与电池壳一体化的蜂窝煤状电极；

(d)电芯的组装：将柱状电极嵌入到隔膜套管中，随后装入蜂窝煤状电极中，用绝缘垫片固定，注入电解液并封口。

所述步骤(b)中，螺旋形电极引线的线直径、线长度、螺旋半径、螺距等参数可按电极材料和电池类型的不同而做出调整。

所述步骤(b)和步骤(c)中，蜂窝煤状电极的外径根据电池壳尺寸而定，蜂窝煤状电极的内径和柱状电极的直径可按正负极活性材料的不同做出调整，蜂窝煤状电极和柱状电极的高度根据电芯型号而定。

所述步骤(b)和步骤(c)中，活性物质、导电炭黑和粘结剂的比例和所压制电极的压实密度可按电极材料不同而做出调整。

作为优选，所述电极活性物质的质量分数为70％～100％，所述导电炭黑的质量分数为0％～30％，所述粘结剂的质量分数为0％～30％。

一种高安全性锂电池的电芯结构用于18650、21700和26650柱状电池。

本发明的有益效果是：与传统的卷绕式电池相比，本发明的优点在于简化了电极制作的流程，所设计的电池具有优异的安全性能。侧方受挤压后，由粉末压制而成的电极立即破碎，失去电接触，因此可避免由短路引发的电池爆炸风险。此外，该电极结构可方便电池材料回收，减少金属集流体的使用，因而可降低电池生产和回收成本。

附图说明

图1：本发明电芯结构的中截面剖视图；

图2：本发明电芯结构的俯视图；

图3：本发明柱状电极的中截面剖视图；

图4：本发明实施例2中电芯结构的俯视图；

图5：本发明实例1中的电芯在100mA g^-1的充放电电流密度下的充放电容量-电压曲线；

图6：本发明实例1中的电芯在100mA g^-1的充放电电流密度下的充放电循环曲线。

图中：1、蜂窝煤状电极，2、电池壳，3、柱状电极，4、多孔隔膜套管，5、绝缘垫片，6、螺旋形电极引线。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1：

如图1至图3所示，一种高安全性锂电池的电芯结构，包括电池壳2和绝缘垫片5，所述电池壳2内设有4个多孔隔膜套管4，所述的多孔隔膜套管4内设有柱状电极3和螺旋形电极引线6，所述柱状电极3由粉末状的电极材料压制成型，螺旋形电极6引线与柱状电极3固定连接，所述电池壳2位于多孔隔膜套管4外设有蜂窝煤状电极1，所述蜂窝煤状电极1由粉末状电极材料压制成型，并设有与多孔隔膜套管4相同数量的通孔，每个通孔对应嵌入一个多孔隔膜套管4。柱状电极3和蜂窝煤状电极1能够任意的互为正极和负极，多孔隔膜套管4的外径与通孔的内径相同，所述多孔隔膜套管4的内径与柱状电极3的外径相同。多孔隔膜套管4底部密闭，所述多孔隔膜套管4的侧面上设有若干个微孔。

一种高安全性锂电池的电芯结构的制备方法，基于柱状电极模具和蜂窝煤状电极模具，所述方法包括如下步骤：

(a)正极设计成柱状结构，负极电极设计成蜂窝煤状结构；

(b)制作柱状电极3：将镍钴锰NCM811三元正极材料、导电碳和PVDF粘结剂按照8.5:1:0.5的比例混合均匀，装入模柱状电极具中，插入螺旋形铝线的电极引线6，施加一定压力压制成柱状电极，螺旋形铝线的螺旋半径为2.2mm、螺距为0.9mm，插入活性物质中的螺旋形部分高度为67mm、外露的直线形部分高度为10mm，电极直径为5mm、高度为68mm、压实密度为3.6g cm^-3，再将柱状电极3放入内径为5mm、厚度为0.5mm的多孔PP/PE混合隔膜套管4中；

(c)制作蜂窝煤状电极1：将石墨负极材料在电池壳2与蜂窝煤状模具中压制成蜂窝煤状电极，电极直径为21mm、高度为68mm，压实密度为1.6g cm^-3，空心区域的直径为6mm，与多孔PP/PE混合隔膜套管4的外径相同；

(d)组装：将镍钴锰NCM811柱状电极插入与电池壳2一体化的蜂窝煤状石墨电极中，加绝缘垫片5固定，注入电解液并封口，得到NCM523-石墨21700锂离子电池。

如图4所示：是电池在100mA g^-1的充放电电流密度下的充放电容量-电压曲线，如图5所示：是电池在100mA g^-1的充放电电流密度下的充放电循环曲线，显示了本发明的锂离子电池有较高的比容量和优异的循环稳定性能。

实施例2：

如图1、图2和图6所示，与实施例1的区别在于所述电池壳2内设有7个多孔隔膜套管4，高安全性锂电池的电芯制备方法包括以下步骤进行：

(a)正极设计成柱状结构，负极电极设计成蜂窝煤状结构；

(b)制作柱状电极3：将镍钴锰NCM523三元正极材料、导电碳和PVDF粘结剂按照8:1:1的比例混合均匀，然后混合物和螺旋形不锈钢线的电极引线6在模具中压制成柱状电极，螺旋形不锈钢线的螺旋半径为1.2mm、螺距为0.8mm、插入活性物质中的螺旋形部分高度为67mm、外露的直线形部分高度为10mm，电极直径为3mm、高度为68mm、压实密度为3.6g cm^-3，再将柱状电极放入内径为3mm、厚度为0.5mm的多孔陶瓷隔膜套管4中；

(c)制作蜂窝煤状电极1：将石墨负极材料在电池壳2模具中压制成蜂窝煤状电极，电极直径为21mm、高度为68mm，压实密度为1.5g cm^-3，空心区域的直径为4mm，与多孔陶瓷隔膜套管4的外径相同；

(d)组装：将镍钴锰NCM523柱状电极插入与电池壳2一体化的蜂窝煤状石墨电极中，加绝缘垫片5固定，注入电解液并封口，得到NCM523-石墨21700锂离子电池。

实施例3：

如图1至图3所示，与实施例1的区别在于高安全性锂电池的电芯制备方法包括以下步骤进行：

(a)正极设计成柱状结构，负极电极设计成蜂窝煤状结构；

(b)制作柱状电极3：将磷酸铁锂正极材料、导电碳和PVDF粘结剂按照9:0.5:0.5的比例混合均匀，装入模具中，插入螺旋形铝线的电极引线，施加一定压力压制成柱状电极，螺旋形铝线的螺旋半径为2.2mm、螺距为0.9mm、插入活性物质中的螺旋形部分高度为62mm、外露的直线形部分高度为10mm，电极直径为5mm、高度为63mm、压实密度为2.3g cm^-3，再将柱状电极放入内径为5mm、厚度为0.5mm的多孔PVDF隔膜套管中；

(c)制作蜂窝煤状电极1：将石墨负极材料在电池壳2与模具中压制成蜂窝煤状电极，电极直径为18mm、高度为63mm，压实密度为1.5g cm^-3，空心区域的直径为6mm，与多孔隔膜套管4的外径相同；

(d)组装：将磷酸铁锂柱状电极插入与电池壳4一体化的蜂窝煤状石墨电极中，加绝缘垫片5固定，注入电解液并封口，得到磷酸铁锂-石墨18650锂离子电池。

表1：实例2和实例3中电池的循环性能

实验结果表明，本发明具有较好的比容量和优异的循环性能效果。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。