一种卷绕电芯以及电池的制作方法

1.本实用新型属于锂离子电池技术领域，涉及一种卷绕电芯以及电池。


背景技术：

2.锂离子电池具有能量密度高、循环性能好、无记忆效应、安全环保等优点，广泛应用于动力汽车以及便携式电子产品中。
3.目前常用的锂离子电池中的正极片包括正极集流体和正极活性材料层，正极片包括负极集流体和负极活性材料层。在对锂离子电池进行安全性能测试时，通常采用针刺实验的方式，但针刺实验容易触发正极片的空箔区域与负极活性材料接触而导致内短路现象，进而引发热失控，给电池带来安全隐患。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种卷绕电芯以及电池，该卷绕电芯能够降低针刺试验时内短路现象的出现，从而加强卷绕电芯的安全性能。
5.本实用新型提供一种卷绕电芯，包括正极片、负极片以及隔膜，卷绕电芯在厚度方向上包括相对设置的第一平直区和第二平直区，在平直方向上第一平直区和第二平直区的相邻两侧还包括第一弧形区和第二弧形区，所述正极片的正极集流体包括外层正极集流体和内层正极集流体，且所述内层正极集流体的一端与所述外层正极集流体的一端连接，所述内层正极集流体的远离卷绕中心的外表面设置有第一正极活性层；所述卷绕电芯的最外圈为外层正极集流体，且所述外层正极集流体远离卷绕中心的外表面设置有第一安全层。
6.在一种可选的实施方式中，所述正极集流体靠近卷绕中心的内表面设置有第二正极活性层；所述第二正极活性层的末端位于第二平直区。
7.在一种可选的实施方式中，所述负极片包括负极集流体、第一负极活性层和第二负极活性层；所述第一负极活性层设置在负极集流体远离卷绕中心的外表面；所述第二负极活性层设置在负极集流体靠近卷绕中心的内表面；所述第一负极活性层的末端和所述第二负极活性层的末端位于第二平直区。
8.在一种可选的实施方式中，所述卷绕电芯包括第一绝缘件，所述第一绝缘件起始于所述第一安全层的末端区域，并绕过第一弧形区，收尾于第一平直区；所述第一绝缘件的起始端与所述第一安全层的末端区域连接，所述第一绝缘件的收尾端与位于所述第一平直区的所述第一安全层连接。
9.在一种可选的实施方式中，所述第一安全层的末端位于第一平直区；所述第一安全层的末端在平直方向上的投影到所述卷绕电芯的第一边界点在平直方向上的投影的直线距离为l1，所述卷绕电芯的长度为l
总
，l1/l
总
<12％。
10.在一种可选的实施方式中，所述卷绕电芯还包括第二绝缘件，所述第二绝缘件的一端与所述第一正极活性层的末端区域连接，所述第二绝缘件的另一端与所述第一安全层的首端区域连接。
11.在一种可选的实施方式中，所述正极集流体的靠近所述卷绕中心的内表面设置有第二正极活性层；所述卷绕电芯还包括第三绝缘件，所述第三绝缘件的一端与所述正极片的第二正极活性层的末端区域连接，所述第三绝缘件的另一端与所述卷绕电芯的第一绝缘件连接。
12.在一种可选的实施方式中，所述正极集流体的靠近所述卷绕中心的内表面设置有第二正极活性层和第二安全层，其中，所述第二安全层位于所述正极集流体的末端；所述卷绕电芯还包括第三绝缘件，所述第三绝缘件的一端与所述正极片的第二正极活性层的末端区域连接，所述第三绝缘件的另一端与所述正极片的第二安全层的首端区域连接。
13.在一种可选的实施方式中，所述正极集流体的靠近所述卷绕中心的内表面设置有第二正极活性层；所述卷绕电芯还包括第三绝缘件，所述第三绝缘件的一端与所述正极片的第二正极活性层的末端区域连接，所述第三绝缘件的另一端与所述正极片的正极集流体靠近卷绕中心的内表面的空箔区域连接。
14.在一种可选的实施方式中，所述卷绕电芯的第二绝缘件和第三绝缘件在厚度方向覆盖负极片的末端。
15.在一种可选的实施方式中，所述隔膜的末端超过负极片的末端且所述隔膜的末端位于第一平直区。
16.在一种可选的实施方式中，所述第一正极活性层与所述内层正极集流体的远离所述卷绕中心的外表面之间设置有第三安全层。
17.在一种可选的实施方式中，所述外层正极集流体远离卷绕中心的外表面被所述第一安全层完全覆盖。
18.本实用新型第二方面提供一种电池，包括本实用新型第一方面提供的卷绕电芯。
19.本实用新型的卷绕电芯中最外圈的外层正极集流体远离卷绕中心的外表面设置有第一安全层，第一安全层能够极大降低针刺试验时正极集流体与负极活性材料接触导致的短路现象，从而提升卷绕电芯的安全性能。
附图说明
20.图1为本实用新型一实施例提供的卷绕电芯的剖视图；
21.图2为本实用新型另一实施例提供的卷绕电芯的剖视图；
22.图3为本实用新型又一实施例提供的卷绕电芯的剖视图；
23.图4为本实用新型再一实施例提供的卷绕电芯的剖视图。
24.附图标记说明：
25.101：正极集流体；
26.102：第一正极活性层；
27.103：第一安全层；
28.104：第二正极活性层；
29.105：第二安全层；
30.106：负极集流体；
31.107：第一负极活性层；
32.108：第二负极活性层；
33.109：正极极耳；
34.110：负极极耳；
35.111：第一绝缘件；
36.112：第二绝缘件；
37.113：第三绝缘件；
38.114：隔膜。
具体实施方式
39.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
40.需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或构件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
41.以下内容将结合附图通过具体的实施例对本实用新型的实施方式进行详细说明。
42.图1为本实用新型一实施例提供的卷绕电芯的剖视图，图2为本实用新型另一实施例提供的卷绕电芯的剖视图。请同时参考图1和图2，本实用新型第一方面提供一种卷绕电芯，包括正极片、负极片以及隔膜，卷绕电芯在厚度方向上包括相对设置的第一平直区和第二平直区，在平直方向上第一平直区和第二平直区的相邻两侧还包括第一弧形区和第二弧形区，其中，正极片的正极集流体101包括外层正极集流体和内层正极集流体，且内层正极集流体的一端与外层正极集流体的一端连接，内层正极集流体的远离卷绕中心的外表面设置有第一正极活性层102；
43.卷绕电芯的最外圈为外层正极集流体，且外层正极集流体远离卷绕中心的外表面设置有第一安全层103。
44.以下，本实用新型将卷绕电芯的中心对称点m称为卷绕中心。
45.以图1为例，本实用新型的卷绕电芯的a点到b点即为卷绕电芯的最外圈，该最外圈上的正极集流体101即为外层正极集流体，并且第一安全层103覆盖在外层集流体的远离卷绕中心m的外表面。正极集流体101除去外层正极集流体的部分即为内层正极集流体，具体地，第一正极活性层102设置在内层正极集流体远离卷绕中心m的外表面。
46.本实用新型的卷绕电芯中，第一安全层103包括85
‑
90wt％的无机填料和10
‑
15wt％的粘结剂，其中，无机填料包括陶瓷材料、正极活性物质中的至少一种。当第一安全层103中仅包括正极活性物质不包括陶瓷材料时，第一安全层103中正极活性物质的粒径d50小于第一正极活性层102中的正极活性物质的粒径d50。当无机填料选自陶瓷材料时，陶瓷材料是无机物且第一安全层103中还包括一定含量的粘结剂，可以很好的保护外层正极集流体，避免针刺试验时正极集流体与负极活性材料的接触导致电池短路现象的发生；当无机填料选自正极活性物质时，进一步限定第一安全层103中正极活性物质的粒径d50小于
第一正极活性层102中的正极活性物质的粒径d50，粒径较小的正极活性物质能够实现在正极集流体空箔区域薄涂并且可以涂覆得更加致密，一方面致密的安全层能够避免针刺试验时正极集流体与负极活性材料的接触导致电池短路现象的发生，另一方面能够使电池具有更高的能量密度；当无机填料同时包括陶瓷材料和正极活性物质时，卷绕电芯在具有保持较高能量密度的同时，可以更进一步提升电池的安全性能。
47.在一种实施方式中，陶瓷材料选自baso4、casio3、γ
‑
alooh、casio4、al2o3、zro2、sio2、tio2、zno、batio3、srtio3、caco3、cao、ceo2、nio、mgo、sno2、y2o3、pb(zr,ti)o3(pzt)、(pb,la)(zr,ti)o3(plzt)、氧化铪(hfo2)和pb(mg3nb
2/3
)o3‑
pbtio3(pmn
‑
pt)的至少一种。
48.正极活性物质选自钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴铝酸锂、镍钴酸锂、镍酸锂中的至少一种。
49.粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸钠、丁苯橡胶、聚醚酰亚胺、羧甲基纤维素和丙烯酸酯中的至少一种。
50.进一步地，正极集流体101靠近卷绕中心m的内表面上还设置有第二正极活性层104，第二正极活性层104的末端位于第二平直区。
51.如图1所示，本实用新型的负极片包括负极集流体106、第一负极活性层107和第二负极活性层108，第一负极活性层107设置在负极集流体106远离卷绕中心m的外表面，第二负极活性层108设置在负极集流体106靠近卷绕中心m的内表面，第一负极活性层107的末端和第二负极活性层108的末端位于第二平直区。
52.图3为本实用新型又一实施例提供的卷绕电芯的剖视图，如图3所示，卷绕电芯包括第一绝缘件111，第一绝缘件111起始于第一安全层103的末端区域，并绕过第一弧形区，收尾于第一平直区，第一绝缘件111的起始端与第一安全层103的末端区域连接，第一绝缘件111的收尾端与位于第一平直区的第一安全层103连接，第一绝缘件111的设置主要起固定卷绕电芯的作用，也能够对卷绕电芯的安全性能有所提升。
53.图4为本实用新型提供的再一实施例提供的卷绕电芯的剖视图，如图4所示，第一安全层103的末端位于第一平直区，其中，卷绕电芯在平直方向上包括距离卷绕中心m最远的第一边界点c和第二边界点d，第一边界点c和第二边界点d之间的直线距离为卷芯长度，正极片末端绕过第一边界点c落在第一平直区，第一安全层103的末端在平直方向上的投影到卷绕电芯的第一边界点c在平直方向上的投影的直线距离为l1，卷绕电芯的长度为l
总
，l1/l
总
<12％，这样设置能够进一步提升卷绕电芯的安全性能。
54.如图4所示，此种实施方式中的卷绕电芯还包括第一绝缘件111，其中，第一绝缘件111的起始端与第一安全层103的末端区域连接，收尾端与位于第一平直区的第一安全层的非末端区域连接，第一绝缘件111主要起卷绕电芯位置的作用。
55.进一步地，卷绕电芯还包括第二绝缘件112，其中，第二绝缘件112的一端与第一正极活性层102的末端区域连接，第二绝缘件112的另一端与第一安全层103的首端区域连接。
56.第一正极活性层102在末端边缘会存在涂布不均匀的问题，容易导致出现析锂的情况，第二绝缘件112能在一定程度上抑制析锂情况的发生。
57.除了包括第一绝缘件111和第二绝缘件112外，本实用新型的卷绕电芯还可以包括第三绝缘件113。
58.在一种具体的实施方式中，如图3所示，正极集流体101靠近卷绕中心m的内表面设
置有第二正极活性层104，第三绝缘件113的一端与第二正极活性层104的末端区域连接，第三绝缘件113的另一端与第一绝缘件111连接。
59.在另一种具体的实施方式中，如图4所示，正极集流体101靠近卷绕中心m的内表面同时设置有第二正极活性层104和第二安全层105，其中，第二安全层105位于正极集流体101的末端。第二正极活性层104和第二安全层105沿着正极集流体101的延伸方向相邻设置，且第二正极活性层104的末端与第二安全层105的首端相连接。第三绝缘件113的一端与第二正极活性层104的末端区域连接，第三绝缘件113的另一端与第二安全层105的首端区域连接。
60.其中，第二安全层105的组成可以参考第一安全层103的组成，第一安全层103和第二安全层105的具体组成可以相同或不同。
61.在本实施方式中，由于含有第二安全层105，因此对电池安全性能的改善更加显著。
62.在又一种具体的实施方式中，卷绕电芯的结构与图4类似，但不同之处在于此种实施方式的电芯未设置第二安全层105，因此与第二正极活性层104末端相连接的是正极集流体101靠近卷绕中心m的内表面的空箔区域。在此种实施方式中，卷绕电芯还包括有第三绝缘件113，其中，第三绝缘件113的一端与第二正极活性层104的末端区域连接，第三绝缘件113的另一端与正极集流体101的靠近卷绕中心m的内表面的空箔区域连接。
63.由于第二正极活性层104在末端边缘区域也存在涂布不均匀的情况，容易出现析锂的情况，设置第三绝缘件113能在一定程度上抑制析锂现象的发生。
64.在本实用新型中所提及的末端均是指远离卷绕中心m的一端，首端均是指靠近卷绕中心m的一端。
65.本实用新型在第一绝缘件111、第二绝缘件112、第三绝缘件113的设置中所涉及的第一安全层103的首端区域指的是距离第一安全层103首端的长度0.1
‑
25mm的区域，第一安全层103的末端区域指的是距离第一安全层103末端的长度为0.1
‑
25mm的区域；第一正极活性层102的末端区域指的是距离第一正极活性层102末端的长度为0.1
‑
25mm的区域；第二正极活性层104的末端区域指的是距离第二正极活性层104的末端的长度为0.1
‑
25mm的区域；第二安全层105的首端区域指的是距离第二安全层105首端的长度为0.1
‑
25mm的区域。
66.由于正极片和负极片在裁切时，裁切端通常有毛刺，毛刺的存在一方面有可能刺穿隔膜导致电池短路，另一方面会使正极片和负极片的表面凹凸不平，容易析出锂枝晶，因此当卷绕电芯上同时设置有第二绝缘件112和第三绝缘件113时，第二绝缘件112和第三绝缘件113在厚度方向需要覆盖负极片的末端，这样能够使正极片的末端区域与负极片的末端区域隔离，不再进行锂离子的嵌入与脱出，从而避免了电池短路与析锂现象的出现，进一步提升了电池的安全性能。
67.本实用新型的卷绕电芯中的隔膜114设置在正负极片之间，且隔膜114的末端超过负极片的末端、隔膜114的末端位于第一平直区，其中，隔膜114的末端超过负极片的末端是指当负极片已经收尾时，隔膜114仍然沿着第一卷绕方向卷绕，并绕过第一弧形区收尾于第一平直区。
68.进一步地，为了使卷绕电芯具有更好的安全性能，还可以在第一正极活性层与内层正极集流体之间设置第三安全层。其中，第三安全层的组成可以参考第一安全层的组成，
第三安全层和第一安全层或第二安全层的具体组成可以相同或不同。
69.在一种具体的实施方式中，当外层正极集流体远离卷绕中心m的外表面被第一安全层103完全覆盖时，将更有利于提升卷绕电芯的安全性能。
70.本实用新型的卷绕电芯除了正极片、负极片、隔膜114、第一绝缘件111、第二绝缘件112、第三绝缘件113之外，还包括正极极耳109、负极极耳110，其中，正极极耳109设置于靠近正极集流体101首端的空箔区域，负极极耳110设置于靠近负极集流体106首端的空箔区域。
71.本实用新型第二方面提供一种电池，该电池包括本实用新型第一方面提供的卷绕电芯。
72.本实用新型不限制电池的种类，例如可以是锂离子二次电池、锂离子一次电池、锂聚合物电池等。
73.下面将结合具体的实施例对本实用新型进行进一步的说明。
74.实施例1
75.本实施例提供卷绕电芯以及锂离子二次电池，其中卷绕电芯的结构与图3一致。
76.如图3所示，卷绕电芯包括正极片、负极片、绝缘件、隔膜、极耳。
77.正极片包括正极集流体101，正极集流体101包括外层正极集流体和内层正极集流体，从a点到b点的正极集流体即为外层正极集流体，除外层正极集流体外的均为内层正极集流体，卷绕电芯的中心对称点m为卷绕中心，在内层正极集流体远离卷绕中心m的外表面设置有第一正极活性层102，在外层正极集流体远离卷绕中心m的外表面设置有第一安全层103，在正极集流体101靠近卷绕中心m的内表面设置有第二正极活性层104，第一安全层103完全覆盖在外层正极集流体远离卷绕中心的外表面。其中，第一安全层103的末端位于第二平直区，第二正极活性层104的末端也位于第二平直区。
78.上述正极集流体101为铝箔，第一正极活性层102包括磷酸铁锂、导电炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)，第一安全层103包括88wt％的氧化铝和12wt％的聚偏氟乙烯(pvdf)，第二正极活性层104包括钴酸锂、导电炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)。
79.负极片包括负极集流体106，设置在负极集流体106远离卷绕中心m的外表面上的第一负极活性层107以及设置在负极集流体106靠近卷绕中心m的内表面上的第二负极活性层108，其中，第一负极活性层107的末端和第二负极活性层108的末端都位于第二平直区。
80.绝缘件包括第一绝缘件111、第二绝缘件112、第三绝缘件113。
81.第一绝缘件111起始于第一安全层103的末端区域，并绕过第一弧形区，收尾于第一平直区，第一绝缘件111的起始端与第一安全层103的末端区域连接，第一绝缘件111的收尾端与位于第一平直区的第一安全层103连接。
82.第二绝缘件112设置在第一正极活性层102与第一安全层103的交界处，第二绝缘件112的一端与第一正极活性层102的末端区域连接，另一端与第一安全层103的首端区域连接。
83.第三绝缘件113的一端与第二正极活性层104的末端区域连接，另一端与第一绝缘件111连接。
84.第二绝缘件112和第三绝缘件113在厚度方向上覆盖负极片的末端。
85.隔膜114设置在正极片与负极片之间，隔膜114的末端位于第一平直区且超过负极
片的末端。
86.极耳包括正极极耳109、负极极耳110；正极极耳109设置在靠近正极集流体101首端的空箔区域，负极极耳110设置在靠近负极集流体106首端的空箔区域。
87.将上述卷绕电芯电芯用铝塑膜封装后，注入电解液并进行陈化、化成、分选，得到锂离子二次电池。
88.实施例2
89.本实施例提供卷绕电芯以及锂离子二次电池，其中卷绕电芯的结构与图4一致。
90.如图4所示，卷绕电芯包括正极片、负极片、绝缘件、隔膜、极耳。
91.正极片包括正极集流体101，正极集流体101包括外层正极集流体和内层正极集流体，从a点到b点的正极集流体即为外层正极集流体，除外层正极集流体外的均为内层正极集流体，卷绕电芯的中心对称点m为卷绕中心，在内层正极集流体远离卷绕中心m的外表面设置有第一正极活性层102，在外层正极集流体远离卷绕中心m的外表面设置有第一安全层103，设置在正极集流体101靠近卷绕中心m的内表面设置有第二正极活性层104和第二安全层105，其中，第一安全层103完全覆盖在外层正极集流体远离卷绕中心m的外表面，第二正极活性层104与第二安全层105沿着正极集流体101内表面的延伸方向上铺展，且第二安全层105的首端与第二正极活性层104的末端相连接，第二安全层105的末端与正极集流体的末端101处于同一位置。其中，第一安全层103的末端和第二安全层105的末端都位于第一平直区，第二正极活性层104的末端位于第二平直区。c点为卷绕电芯的第一边界点，d点为卷绕电芯的第二边界点，c点到d点之间的直线距离为卷绕电芯的长度l
总
，第一安全层103的末端在平直方向上的投影到c点在平直方向上的投影的直线距离为l1，其中，l1/l
总
＝1/15。
92.上述正极集流体101为铝箔，第一正极活性层102包括磷酸铁锂、导电炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)，第一安全层103包括88wt％的氧化铝和12wt％的聚偏氟乙烯(pvdf)，第二正极活性层104包括钴酸锂、导电炭黑和聚偏氟乙烯(pvdf)。
93.负极片包括负极集流体106，设置在负极集流体106远离卷绕中心m的外表面上的第一负极活性层107以及设置在负极集流体106靠近卷绕中心m的内表面上的第二负极活性层108，其中，第一负极活性层107的末端和第二负极活性层108的末端都位于第二平直区。
94.绝缘件包括第一绝缘件111、第二绝缘件112、第三绝缘件113。
95.第一绝缘件111一端与第一安全层103的末端区域连接，另一端与位于第一平直区的第一安全层103的非末端区域连接。
96.第二绝缘件112设置在第一正极活性层102与第一安全层103的交界处，第二绝缘件112的一端与第一正极活性层102的末端区域连接，另一端与第一安全层103的首端区域连接。
97.第三绝缘件113的一端与第二正极活性层104的末端区域连接，另一端与第二安全层的105首端区域连接。
98.第二绝缘件112和第三绝缘件113在厚度方向上覆盖负极片的末端。
99.隔膜114设置在正极片与负极片之间，隔膜的末端位于第一平直区且超过负极片的末端。
100.极耳包括正极极耳109、负极极耳110；正极极耳109设置在正极集流体101首端的空箔区域，负极极耳110设置在靠近负极集流体106首端的空箔区域。
101.将上述卷绕电芯用铝塑膜封装后，注入电解液并进行陈化、化成、分选，得到锂离子二次电池。
102.试验例
103.分别取5个实施例1以及实施例2的卷绕电芯，进行针刺试验，测试方法为：将电芯在常温下0.5c放电至下限电压，静置10min后，0.7c充电至上限电压，截止电流为0.02c，静置10min，使用直径为4mm的铁钉分别穿过电芯的左侧、中心及右侧三个位置，针刺速度为30mm/s，其中电芯的中心是指电芯表面的几何中心，左侧和右侧分别指距离电芯左、右边缘7.5
±
2.5mm的位置，将铁钉留在电芯内，电芯不起火、不冒烟、不爆炸即为通过测试。
104.测试结果为实施例1的5个卷绕电芯以及实施例2的5个卷绕电芯均通过了针刺试验。
105.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
106.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
107.本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“第一”、“第二”是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据早适当的情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
108.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。