锂离子二次电池、其电极叠片电芯和电芯叠片方法与流程

本发明实施例涉及电池生产技术领域，具体涉及一种锂离子二次电池及其电极叠片电芯和电芯叠片方法。

背景技术：

电池作为使内部的活性物质的化学能量通过氧化还原反应转换为电能的装置，由电化学反应代替化学反应并通过导线传输至外部的结构。随着设备的体积最小化及轻量化、便携式电子产品的应用的一般化的实现，高能量密度的锂离子二次电池应运而生。锂离子二次电池使用锂离子嵌入及可脱离的物质作为正极与负极极片，并在上述正负极极片中间填充有机电解液或聚合物电解液制造而成，锂离子在上述正负极极片中嵌入脱离的过程中经氧化、还原反应而形成电能。

请参考图1、图2a和图2b，现有技术中，锂离子二次电池可通过如图1所示的叠片的方式成型，也可以通过如图2a所示的卷绕(winding)的方式成型。

当采用叠片方式时，按照正极极片、隔膜、负极极片的顺序维持一定的位置叠片的“z”形的方式叠加。如图1所示，“z”形叠片方式将裁切成一定规格的正极极片12、隔膜11、负极极片13依次相交进行叠片，形成锂离子二次电池用电极叠片体10。但是，从规格上来讲，通常正极极片小于负极极片，正极极片与负极极片之间隔着隔膜，如果正极极片大于负极极片或正极极片脱离负极极片大小的范围，则叠片的电池在对应的负极极片表面产生反应而导致析锂(lithiumdendrite)，此种现象一方面极速衰弱锂离子二次电池的寿命，另一方面由于正负极极片之间的副反应导致析锂现象的发生，会引起内部短路，将会有起火、爆炸等安全方面的隐患，并且需在每个正极极片与负极极片之间用隔膜分离，使叠片工艺速度下降。

而采用“z”形叠片方式时，叠片过程由于包覆正极极片12及负极极片13的隔膜11的张力较弱，叠片完成后在后续的处理过程中容易导致正极极片或负极极片产生偏移，这种情况下会发生正极极片12从负极极片13范围内脱离，出现脱离部18，此时正极极片12从负极极片13脱离的部位的负极极片13会产生反应，形成上述析锂(lithiumdendrite)，从而产生前述析锂现象导致的电池寿命短、安全性能低的技术问题。另外，电极制作完成后隔膜与电极间隙易产生空白部位19，在充放电过程中因电池内部的残留物而导致电池发生膨胀的现象。

当采用卷绕方式时，如图2a和2b所示，在卷绕时电芯的边缘部与中央部位应力存在差异，正极极片与负极极片相对应的直线距离不一致导致锂离子的移动度不一致，产生偏差h，此时相对较近的部位发生过度反应，相对较远的部位反应不到位从而导致析锂现象的发生，同样存在前述析锂现象导致的电池寿命短、安全性能低的技术问题。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种锂电池及其电极叠片电芯和电芯叠片方法，以至少部分解决由于析锂现象导致的电池寿命短、安全性能低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种电极叠片电芯，用于锂离子二次电池，包括中心叠片组和至少一个外围叠片组；

所述中心叠片组包括隔膜、设置于所述隔膜一侧的第一正极极片，和设置于所述隔膜另一侧的第一负极极片，所述中心叠片组绕转动轴线翻转预设角度，以使所述隔膜覆盖于所述第一正极极片和所述第一负极极片；

所述外围叠片组包括中心叠片组、位于该外围叠片组靠近所述中心叠片组一侧的各外围叠片组、设置于所述隔膜一侧的第二正极极片，和设置于所述隔膜另一侧的第二负极极片，且所述第二正极极片与所述第一负极极片之间相隔一层所述隔膜，所述第二负极极片与所述第一正极极片之间相隔一侧所述隔膜；

所述外围叠片组绕转动轴线翻转预设角度，以使所述隔膜覆盖于所述第二正极极片和所述第二负极极片。

进一步地，所述转动轴线、所述第一正极极片、所述第一负极极片、所述第二正极极片和所述第二负极极片均平行设置，且所述转动轴线垂直于所述隔膜的长度方向。

进一步地，还包括隔膜轴，所述隔膜轴设置于所述隔膜的至少一端。

进一步地，所述隔膜轴为两个，两所述隔膜轴分设于所述隔膜的两端、并拉伸所述隔膜。

进一步地，所述第一正极极片和所述第一负极极片均为单面电极，两所述单面电极的非电极面相对设置。

进一步地，所述转动轴线穿过所述隔膜的长度方向的中心线，且/或，所述预设角度为180°。

本发明还提供一种锂离子二次电池，包括如上所述的电极叠片电芯。

本发明还提供一种电芯叠片方法，用于加工如上所述的电极叠片电芯，所述方法包括：

获取初级电极组，在隔膜的一侧放置第一正极极片，在所述隔膜的另一侧放置第一负极极片，以形成初级电极组；

获取中心叠片组，将初级电极绕转动轴线翻转180°，以使所述隔膜覆盖于所述第一正极极片和所述第一负极极片，并形成中心叠片组，其中，所述转动轴线穿过所述隔膜的长度方向的中心线；

获取外围叠片组，在覆盖所述中心叠片组的隔膜的一侧外表面放置第二正极极片，在覆盖所述中心叠片组的隔膜的另一侧外表面放置第二负极极片，将所述中心叠片组绕转动轴线翻转180°，以使所述隔膜覆盖于所述第二正极极片和所述第二负极极片，并形成外围叠片组；

重复获取外围叠片组步骤，依次放置正极极片和负极极片、并通过翻转将所述隔膜覆盖于新增的正极极片和负极极片外，直至完成预设数量的电极放置，以形成电极叠片电芯。

进一步地，所述方法采用的正极极片均采用活性物质制备，正极极片的制备方法为，将锂镍钴锰酸酯、作为导电剂的炭黑、作为粘合物的pvdf混入nmp中形成浆料，并将形成的浆料涂在铝集流体上进行干燥，以得到正极极片；且/或，

所述方法采用的负极极片均采用活性物质制备，负极极片的制备方法为，将石墨、作为导电剂的炭黑、作为粘合物的pvdf混入nmp中形成浆料，并将形成的浆料涂在铜集流体上进行干燥，以得到负极极片。

进一步地，获取初级电极组之前，所述方法还包括：

在隔膜的至少一端设置隔膜轴，以通过所述隔膜轴拉伸所述隔膜。

本发明所提供的锂离子二次电池及其电极叠片电芯和电芯叠片方法，通过整体翻折包裹的形式，实现了各个正极极片、隔膜和各个负极极片上应力的全面、均匀增加，并通过可维持均匀张力的隔膜改善表面特性，使得隔膜完整的包覆电芯左右两侧边缘部位，从而解决了电芯中正极极片与负极极片排列偏移的问题，进而避免了由于极片偏移导致的析锂(lithiumdendrite)现象，从而避免产生析锂现象导致的电池寿命短、安全性能低的技术问题，提高了电池的寿命及输入输出特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为现有技术中利用“z”形叠片方式制得的电极叠片电芯的结构示意图；

图2a为现有技术中利用卷绕方式的电极叠片电芯的结构示意图；

图2b为现有技术加工方式得到的电极叠片电芯的缺陷示意图；

图3为本发明所提供的电极叠片电芯的断面结构示意图；

图4a至图4e为本发明所提供的电芯叠片方法的工艺流程示意图；

图5为图3的局部放大图；

图6a为实施例及对比例的电池寿命特性的评估图表；

图6b为实施例及对比例的电池输出特性的评估图表。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在一种具体实施方式中，本发明提供的电极叠片电芯用于锂离子二次电池，该电机叠片电芯包括中心叠片组和至少一个外围叠片组，应当理解的是，该电芯是由多个正极极片和多个负极极片经隔膜的分隔和包裹形成的结构，划分为叠片组仅是为了描述方便，不表示结构上的限定或隶属关系。

如图3所示，所述中心叠片组130包括隔膜110、设置于所述隔膜110一侧的第一正极极片121，和设置于所述隔膜另一侧的第一负极极片122，所述中心叠片组绕转动轴线翻转预设角度，以使所述隔膜覆盖于所述第一正极极片121和所述第一负极极片122；在该实施例中，第一正极极片121设置在隔膜110的上侧，第一负极极片122设置在隔膜110的下侧，在其他实施例中，也可以将第一正极极片121设置在隔膜110的下侧，第一负极极片122设置在隔膜110的上侧，也即，只要隔膜110两侧的电极极性相反即可。

所述外围叠片组包括中心叠片组130、位于该外围叠片组靠近所述中心叠片组一侧的各外围叠片组、设置于所述隔膜一侧的第二正极极片124，和设置于所述隔膜另一侧的第二负极极片123，且所述第二正极极片124与所述第一负极极片122之间相隔一层所述隔膜110，所述第二负极极片123与所述第一正极极片121之间相隔一侧所述隔膜110；同样地，在该实施例中，第二正极极片124设置在隔膜110的下侧，第二负极极片123设置在隔膜110的上侧，在其他实施例中，也可以将第二正极极片设置在隔膜的上侧，第二负极极片设置在隔膜的下侧，也即，只要隔膜两侧的电极极性相反即可。

所述外围叠片组绕转动轴线翻转预设角度，以使所述隔膜覆盖于所述第二正极极片124和所述第二负极极片123，所述转动轴线a穿过所述隔膜的长度方向的中心线，所述预设角度为180°，也就是说，如图4a-4e所示，叠片组按图示环形箭头方向转动，其中虚线为转动轴线a。

为了提高电池性能，所述转动轴线a、所述第一正极极片121、所述第一负极极片122、所述第二正极极片124和所述第二负极极片123均平行设置，且所述转动轴线a垂直于所述隔膜110的长度方向。

在使用过程中，为了保证隔膜110具有足够的拉伸力，从而避免出现析锂现象的出现，该电芯还包括隔膜轴，所述隔膜轴设置于所述隔膜的至少一端。优选地，所述隔膜轴为两个，即设置在一端的第一隔膜轴171和设置在另一端的第二隔膜轴172，两所述隔膜轴分设于所述隔膜的两端、并向两端同步拉伸所述隔膜，以便为隔膜提供足够的拉伸力。

可选地，所述第一正极极片121和所述第一负极极片122均为单面电极，两所述单面电极的非电极面相对设置。其中，单面电极的非电极面为未进行浆料涂敷的集流体单面。在该结构下，隔膜两侧的单面电极排列形式可以为正极对正极、负极对负极，或者正极对负极；单面电极为正极对正极或负极对负极时可采用最内部的隔膜层内不放置电极的方式开始叠片。如图3所示，该电芯中虽然正极与负极以隔膜110为中心以相互相交的方式叠片，但位于隔膜110同一侧的电极的极性均相同，而位于隔膜不同侧的电极的极性均相反，且由于隔膜以指定的力往两侧增加张力的情况下进行旋转而组装制成，使得电芯在成型后不会发生内部电极极片移动，避免了发生正负电极极片错位或电极极片与隔膜之间出现空白的问题。同时，本发明中隔膜110以纵向维持张力的方式并无特殊的限制，例如可在隔膜110纵向两端各放置隔膜轴以增加张力，也可以仅在一侧安装隔膜轴，并通过单侧增加张力、另一侧通过卷绕时产生的力来维持隔膜整体较为均匀的张力。

在上述具体实施方式中，该电极叠片电芯通过整体翻折包裹的形式，实现了各个正极极片、隔膜和各个负极极片上应力的全面、均匀增加，并通过可维持均匀张力的隔膜改善表面特性，使得隔膜完整的包覆电芯左右两侧边缘部位，从而解决了电芯中正极极片与负极极片排列偏移的问题，进而避免了由于极片偏移导致的析锂(lithiumdendrite)现象，从而避免产生析锂现象导致的电池寿命短、安全性能低的技术问题，提高了电池的寿命及输入输出特性。

除了上述电极叠片电芯，本发明还提供一种包括该电极叠片电芯的锂离子二次电池，该锂离子二次电池的其他各部分结构请参考现有技术，在此不做赘述。

进一步地，本发明还提供一种电芯叠片方法，用于加工如上所述的电极叠片电芯，如图4a-图4e所示，在一种具体实施方式中，所述方法包括：

获取初级电极组，在隔膜的一侧放置第一正极极片，在所述隔膜的另一侧放置第一负极极片，以形成初级电极组；

获取中心叠片组，将初级电极绕转动轴线翻转180°，以使所述隔膜覆盖于所述第一正极极片和所述第一负极极片，并形成中心叠片组，其中，所述转动轴线穿过所述隔膜的长度方向的中心线；

获取外围叠片组，在覆盖所述中心叠片组的隔膜的一侧外表面放置第二正极极片，在覆盖所述中心叠片组的隔膜的另一侧外表面放置第二负极极片，将所述中心叠片组绕转动轴线翻转180°，以使所述隔膜覆盖于所述第二正极极片和所述第二负极极片，并形成外围叠片组；

重复获取外围叠片组步骤，依次放置正极极片和负极极片、并通过翻转将所述隔膜覆盖于新增的正极极片和负极极片外，直至完成预设数量的电极放置，以形成电极叠片电芯。

在实际加工过程中，在两面均保持均匀应力的隔膜的一面放置第一正极极片，反方向则放置第一负极极片，从而形成电极组的最初阶段，即获取初级电极组；将上述的初级电极组以通过隔膜中心部位、且与隔膜水平方向垂直的轴线为旋转轴线进行180°的旋转，以形成第一阶段叠片组，即获取中心叠片组；上述第一正极极片外侧的隔膜上面放置第二负极极片，上述第一负极极片外侧的隔膜上面放置第二正极极片，并以同样的旋转轴线以相同的方向进行180°旋转，以形成第二阶段的叠片组，即获取外围叠片组；并使用同样的方式反复将电极极片按照指定的数量进行叠片，后将剩余的两侧隔膜放置到同一边，最终完成电芯叠片组的制造阶段。

具体地，所述方法采用的正极极片均采用活性物质制备，正极极片的制备方法为，将锂镍钴锰酸酯、作为导电剂的炭黑、作为粘合物的pvdf混入nmp中形成浆料，并将形成的浆料涂在铝集流体上进行干燥，以得到正极极片；所述方法采用的负极极片均采用活性物质制备，负极极片的制备方法为，将石墨、作为导电剂的炭黑、作为粘合物的pvdf混入nmp中形成浆料，并将形成的浆料涂在铜集流体上进行干燥，以得到负极极片。

进一步地，为了提高隔膜张力，获取初级电极组之前，所述方法还包括：在隔膜的至少一端设置隔膜轴，以通过所述隔膜轴拉伸所述隔膜，优选地可在两端均设置隔膜轴，即第一隔膜轴171和第二隔膜轴172，以便通过向两侧的拉伸提供较为均匀的张力。

以下通过实施例与对比例的比较对本发明进行详细说明，下述实施案例仅为更像具体详细的说明本发明，故本发明的范围并非只限于以下实施案例。

实施例1

第一正极极片为活性物质，由锂镍钴锰酸酯(linixcoymnzo2)，导电剂为炭黑，将粘合物为pvdf混入nmp(n-methylpyrrolidone)中形成浆料，形成的浆料涂在铝集流体上进行干燥而成的正极电极。第一负极极片除了将上述正极电池中的锂转移金属氧化物用石墨代替之外以相同的组合形成浆料，后将形成的浆料涂在铜集流体上，进行干燥而成的负极电极。

正极极片与负极极片按照指定的大小进行裁切，负极极片的规格大于正极极片。隔膜110采用聚乙烯材质的多孔膜，隔膜110裁切大小必须大于负极电极的大小以放置负极电极与正极电极的接触。

为保证在一段隔膜的最中心点进行电极的叠片，将隔膜轴其中一侧以一定的弹力进行拉伸，以保持隔膜的弹性。

如图4b至图4e所示，正极，隔膜，负极组成的初级电极组130为中心以一字方向旋转180°，使用保持均匀张力的隔膜进行包覆。之后再次在隔膜上放置电极并旋转180°完成了第一阶段叠片组140的制作，再次重复叠片及卷绕完成第二阶段叠片组150并将此作业重复30次，后将隔膜110放置到一边完成了本发明中的叠片体160的制作。

按照上述制造方法完成组装后将其插入铝塑膜内，并只保留一面，将其他面进行封装完成锂离子二次电池的制造。后注入含有锂盐的碳酸盐(carbonate)系列的非水系电解液并进行真空封装，电解质在电极中得到充分的含浸后进行充放电工艺，完成锂离子二次电池的制造。

实施例2

使用上述实施例1中同样的正极电极与负极电极，通过隔膜轴两侧进行拉伸，并连接隔膜另外两侧进行了叠片卷绕，其他均采用与实施例1相同的条件制造了锂离子二次电池。

实施例3

按照上述实施例1的方法制作叠片组，但初步叠片组成型阶段中如图5所示采用了单面涂敷干燥的单面正极电极125，其他均采用于实施案例1相同的条件制造了锂离子二次电池。

如图5所示，电极叠片组最内侧使用单面浆料涂敷的单面负极电极126，非浆料涂敷的反面则以相互对视的方式进行了叠片。

对比例1

采用实施例1中同样的电极，并采用图1所示的以往的“z”形叠片方式进行电极的叠片，组装了锂离子二次电池。

对比例2

采用实施例1中同样的电极，并以图2a及图2b所示的以往的卷绕叠片方式进行电极的叠片，组装了锂离子二次电池。

基于上述实施例1-3以及对比例1-2，如图6a和图6b所示，上述实施例及对比例的方式制作而成的电池，使用充放电测试仪器以1.0c及恒压恒流的方式充电至4.2v。后以恒流及1.0c放电至3.0v后在常温状态下进行了电池寿命特性评估，其测试结果可见图6a。图6a中，实施案例1～3在制造过程中采用了隔膜增加张力的状态下旋转叠片的方式，因而电极的排列状态良好，隔膜与电极间没有空白部分，所以进行800次循环充放电后残存放电容量仍然保持在95.5％以上。但以往的“z”形方式(对比案例1)发生了正极电极与负极电极错位的现象导致了充放电过程后因副反应导致的电池厚度增大，并因电解液干枯导致循环充放电800次后残存容量仅为93％。以往的卷绕方式(对比案例2)截至循环充放电测试500次为止保持了良好的充放电寿命，但由于内部应力及错位现象的发生在充放电510次后残存容量极具下滑，在800次循环充放电后残存放电容量仅为91％。

使用充放电测试仪器以1.0c及恒压恒流的方式充电至4.2v。后以恒流及5.0c放电至3.0v后在常温状态下进行了电池功率特性评估，其测试结果可见图6b。图6b中，实施案例1～3的额定容量定为1c时，以额定容量5倍的电流进行放电，放电初期的电压为4.1v，可看出内阻较小，放电电压曲线也呈现比案例1，2高的趋势，由此可见放电容量也较高。案例1及案例2放电初期电压为4.1v或4.1v以下，可见相比于实施案例1～3有着较为明显的初期电压下降的现象，由此可见内阻较高。并且放电容量也相比于实施案例1～3呈现减少。

因此，在上述具体实施方式中，本发明所提供的电芯叠片方法通过整体翻折包裹的形式，实现了各个正极极片、隔膜和各个负极极片上应力的全面、均匀增加，并通过可维持均匀张力的隔膜改善表面特性，使得隔膜完整的包覆电芯左右两侧边缘部位，从而解决了电芯中正极极片与负极极片排列偏移的问题，进而避免了由于极片偏移导致的析锂(lithiumdendrite)现象，从而避免产生析锂现象导致的电池寿命短、安全性能低的技术问题，提高了电池的寿命及输入输出特性。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。