一种卷绕式电芯及用电设备的制作方法

1.本实用新型属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种卷绕式电芯及用电设备。


背景技术：

2.锂离子电池因容量高，工作电压大，循环寿命长，环境友好等优点，被广泛应用于手机、笔记本电脑、数码等产品。随着人们对出行便携式需求的提升，对锂离子电池的性能也提出了更高的要求，希望其具有更快的充电速度，更高的循环寿命和容量。
3.现有锂离子电池采用正极极片、负极极片、隔离膜卷绕的结构，外圈为正极极片包负极，内圈为负极包正极，受电芯本体的影响，拐角处受到的挤压较大，且随着充电倍率的提升，对阴负极之间的贴合度要求更高，进一步减小了外圈正负极之间的界面间隙，特别是长循环后阴负极膨胀挤压拐角区域，容易产生离子断桥，引起黑斑析锂，导致电芯侧边变形、增大等问题，影响电芯的安全和循环性能。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种卷绕式电芯，以解决现有的锂电池拐角处受到挤压，容易产生析锂的问题，从而影响电芯本体的安全和循环性能。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种卷绕式电芯，包括由正极极片、隔离膜和负极极片依次堆叠卷绕形成的电芯本体，电芯本体包括平直区和位于平直区两端的拐角区，
7.平直区设有第一涂层，拐角区设有第二涂层，第二涂层包括上下叠置的上涂层和下涂层，第一涂层的厚度小于等于第二涂层总体的厚度，上涂层的粘接力小于等于下涂层，上涂层的面密度小于等于下涂层。
8.作为本实用新型的一种优选实施例，平直区的长度d1大于等于拐角区弧长d2，且满足关系式0.2≤d1-d2≤2。
9.作为本实用新型的一种优选实施例，第一涂层厚度h1和第二涂层厚度h2的关系为：1≤h2/h1≤1.5。
10.作为本实用新型的一种优选实施例，上涂层的厚度h3小于下涂层的厚度h4，其中1＜h4/h3≤15。
11.作为本实用新型的一种优选实施例，上涂层区粘结力af1小于下涂层粘结力af2的同时还小于第一涂层粘结力af3；且满足关系式：af1＜af2≤af3；第一涂层粘度为3～10n/m；第二涂层上涂层粘度2～4n/m；其中上层粘结力粘度-下涂层粘结力范围：1～8n/m。
12.作为本实用新型的一种优选实施例，上涂层的面密度ρ2小于下涂层区ρ1的同时还小于第一涂层面密度ρ3，且满足关系式：ρ2＜ρ1≤ρ3；第一涂层面密度ρ1与第二涂层面密度ρ2满足关系式：1.02≤ρ1/ρ2≤3且1.0≤ρ3/ρ1≤1.5。
13.作为本实用新型的一种优选实施例，隔离膜包括基膜和涂层，基膜主要为：聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或者聚烯烃材料及其改性或者多层复合隔膜。“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”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技术实施例和简化描述，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技术实施例的限制。
29.在本技术实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
30.以下结合附图1至图2对本实用新型作进一步详细说明，但不作为对本实用新型的限定。
31.下面结合图1和图2进行实施例的描述；
32.一种卷绕式电芯，包括由正极极片50、隔离膜40和负极极片30依次堆叠卷绕形成的电芯本体，电芯本体包括平直区10和位于平直区10两端的拐角区20，
33.平直区10设有第一涂层70，拐角区20设有第二涂层80，第二涂层80包括上下叠置的上涂层802和下涂层801，第一涂层70的厚度小于等于第二涂层80总体的厚度，上涂层802的粘接力小于等于下涂层801，上涂层802的面密度小于等于下涂层801。
34.作为本实用新型的一种优选实施例，平直区10的长度d1大于等于拐角区20弧长d2，且满足关系式0.2≤d1-d2≤2。
35.作为本实用新型的一种优选实施例，第一涂层70厚度h1和第二涂层80厚度h2的关系为：1≤h2/h1≤1.5。
36.作为本实用新型的一种优选实施例，第二涂层80上涂层802的厚度h3小于小涂层的厚度h4，其中1＜h4/h3≤15。
37.作为本实用新型的一种优选实施例，第二涂层80上涂层802粘结力af1小于第二涂层80下涂层801粘结力af2的同时还小于第一涂层70粘结力af3；且满足关系式：af1＜af2≤af3；第一涂层70粘度为3～10n/m；第二涂层80上涂层802粘度2～4n/m；其中第二涂层80上层粘结力粘度-第二涂层80下涂层801粘结力范围：1～8n/m。
38.作为本实用新型的一种优选实施例，第二涂层80上涂层802的面密度ρ2小于第二涂层80下涂层801ρ1的同时还小于第一涂层70面密度ρ3，且满足关系式：ρ2＜ρ1≤ρ3；第一涂层70面密度ρ1与第二涂层80面密度ρ2满足关系式：1.02≤ρ1/ρ2≤3且1.0≤ρ3/ρ1≤1.5。
39.作为本实用新型的一种优选实施例，隔离膜40包括基膜60和涂层，基膜60主要为：聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或者聚烯烃材料及其改性或者多层复合隔膜。
40.作为本实用新型的一种优选实施例，涂层材料为pvdf、pmma、陶瓷材料。
41.陶瓷材料为水合氧化铝、氧化镁、碳化硅和氮化硅中的一种，粘结剂为聚偏氟二乙烯、聚丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、2—甲基丙烯酸甲酯和2—甲基丙烯酸乙酯中的一种或几种的组合，溶剂为n—甲基吡咯烷酮。陶瓷材料为水合氧化铝，粘结剂为聚偏氟二乙烯。
42.作为本实用新型的一种优选实施例，第一涂层70和第二图层上涂层802及下涂层801可为同一种物质也可为不同种物质。
43.在本实用新型具体实施上，本实用新型电芯本体1由正极极片50、隔离膜40和负极极片30依次堆叠后卷绕而成，通过卷绕制成的电芯本体1为椭圆柱形；随后将正极耳和负极耳与相应的正负极极片30相连接，在此处正负极极耳与正负极极片30的连接方式可为，铆接、焊接、打孔攻丝等方式相连接，首先在正负极耳和正负极极片30上钻孔攻丝后使用螺丝将极片与极耳想连接，这种方式机械连接强度高，牢固，成本低，但是这种方式在操作时会有一定的风险，随后是在将极片与极耳上钻孔攻丝后用普通焊料焊接，该方式设备简单，操作方便，成本低，但是对于极片与极耳焊接的可靠性不高，很容易脱落，特别是在电池受到磕碰时，还有一种常用的就是采用m51焊丝(低温焊丝)、低温铜铝焊接，该方式操作简单、焊接性强，不容易脱落，缺点就是成本太高。
44.其中电芯本体1中间部分为平直区10，而电芯本体1两侧的拐角为拐角区20；
45.平直区10分为第一平部110和第二平部120，拐角区20呈半圆形结构将平直区10的第一平部110和第二平部120连接。
46.随后在平直区10设置第一涂层70，拐角区20设置第二涂层80；
47.第二涂层80还包括上下叠加在一起的上涂层802和下涂层801；
48.在本实用新型具体实施上，本实用新型第一涂层70和第二涂层80均采用pvdf材料进行涂布制作。
49.需要说明的是，本实施例只在采用的隔膜上面涂布pvdf材料，在本实施例之外也可以采用pmma或陶瓷等材料，对此并不做限定。
50.在本实用新型具体实施上，第一涂层70的材料涂布区面密度要大于第二涂层80的材料涂布区面密度。
51.具体实施上，通过对改变第一涂层70与第二涂层80之间涂布材料之间的面密度的比值，从而改变拐角区20颗粒之间的间隙，减缓拐角区20极片在工作时发热膨胀对拐角区20的挤压，增加拐角区20电解液的浸润和回流。
52.与现有技术相比，本实用新型运用了通过改变两个图层区之间面密度比值之后的正负极极片30，将正负极极片30叠加并卷绕从而得到电芯本体1，电池在工作中会产生热量，电芯本体1吸热会进行轻微的膨胀，由于增大了电芯本体1两侧拐角区20颗粒之间的间隙，电芯本体1膨胀不会对拐角区20有太大的影响，从而能够有效的控制电芯本体1拐角区20的析锂现象。
53.本实用新型还提供了一种用电设备，包括上述的正极极片50、负极极片30、隔离膜40和电解液。
54.正极极片50包括基膜60和涂布在基膜60的活性物质层。同样，负极极片30也包括基膜60和涂布在基膜60的活性物质层。正极极片50和负极极片30通常可以采用连续的双面极片。这里的“连续”是指极片的活性物质层连续地涂布在极片的基膜60上。这里的“双面”是指极片的基膜60的两侧上均涂布有活性物质层。
55.将正极极片、隔离膜和负极极片向同一方向进行卷绕可得电芯本体，电芯本体可以借助于卷针来实现。正极极片50、负极极片30和隔膜叠置在一起，将卷针放置在卷绕起始端处，然后绕卷针进行卷绕，从而形成正极极片50和负极极片30彼此交替地层叠并通过隔膜间隔开的层叠结构。在完成卷绕之后，可以将卷针抽出。在借助于卷针进行卷绕的情况下，卷绕轴线通常位于卷针上。
56.下面将对上述实施例第一涂层70与第二涂层80面密度的不同进行试验论证：正极极片50：将活性物质钴酸锂、导电剂乙炔黑、导电碳纳米管、粘结剂聚偏氟乙烯(pvdf)按重量比97.6：0.5：0.6：1.3在n-甲基吡咯烷酮溶剂体系中充分分散均匀涂布到基膜60上，然后冷压分条得到正极极片50。
57.负极极片30：将负极活性物质、羧甲基纤维素钠(cmc)干粉、丁苯橡胶(sbr)乳液按照97.7：1.1：1.2的重量比例混合，在去离子水中充分混合形成分散均匀的负极浆料；将其涂布在铜箔基膜60上形成负极极片30，然后冷压、分条得到负极极片30。
58.隔离膜40：将pe表面第一涂层70涂敷油系pvdf，第二涂层80涂敷水系pmma，且第一涂层70厚度等于第二涂层80作为隔离膜40，第二涂层80上涂层802涂敷水系pmma，下涂层801涂覆油系pvdf作为隔离膜，形成的涂敷结构如图2所示。
59.电解液：将碳酸乙烯酯(ec)、碳酸丙烯酯(pc)，碳酸二乙酯(dec)、丙酸丙酯(pp)按照体积比1:1:4:4：进行混合，接着将充分干燥的锂盐l i pf6按照1mo l/l的比例溶解于混合有机溶剂中，配制成电解液。
60.全电池制备：将上述正极极片50、隔离膜40、负极极片30卷绕制作出电芯本体1，而后封装注入电解液制作出成品锂电池。
61.实施例2～4和对比例1～2的电池均按照与实施例1类似的方法进行制备，具体展示于表1中。表1示出所有实施例和对比例的隔离膜40设计参数。
62.表1
[0063][0064]
拐角析锂是电芯在3c阶梯充电到4.3v，转倍率1.8c充电到截止电压，循环100次后所出现的，表2是根据表1所示的实施例和对比例的设计参数在电芯循环充电后对电芯界面进行拆解得出的拐角析锂分析统计情况，根据表1得出以下结果：
[0065]
表2
[0066]
案例拐角析锂情况实施例1无实施例2无实施例3无实施例4无实施例5无
实施例6无对比例1严重析锂对比例2轻微析锂
[0067]
拐角不析锂：负极极片30拐角无锂趁机；
[0068]
拐角轻微析锂：负极极片30拐角有锂析出，但未连成片；
[0069]
拐角严重析锂：负极极片30拐角有锂析出，且析出锂连成片。
[0070]
表中可以看出当隔离膜40第二涂层面密度小于第一涂层面密度时，可明显改善拐角析锂情况，主要因为第二涂层和第一涂层厚度一致时，减小第二涂层80的面密度，增大拐角区20颗粒之间的间隙，减缓拐角区20极片膨胀对拐角区20的挤压，增加拐角区20电解液的浸润和回流，从而改善拐角界面，减少拐角析锂产生，并且，本技术仅对拐角处进行优化，不对电芯整体性能产生明显影响。
[0071]
以下简单介绍一种制备如上所述的电池的过程。
[0072]
首先，先将正极或负极粉料以及其他配料搅拌混合均匀，并调制成浆。
[0073]
随后将充分搅拌均匀的浆料根据实际情况涂布在传送基膜60的表面，(通过计算最后成品电芯的大小长度来确定电芯本体1的平直区10，以及拐角区20，计算出来后通过其他方法，如设备异步涂布或者人工涂布的方式单独将拐角区20再次涂布，或者在第一次涂布时就通过异步涂布的方式将平直区10和拐角区20涂布的厚度、密度等涂布的不同)之后，通过干燥加热除去平铺于基膜60上的浆料中的溶剂，使固体物质很好地粘结于基膜60上，将基膜60烘干后分别制成正极卷片和负极卷片。
[0074]
将烘干后的正负极极片30卷压实，达到合适的密度及厚度。
[0075]
随后将压实的极片卷先裁成大片，然后再分成所需要的小条正负极极片30卷。
[0076]
先将正极极片50卷、隔离膜40卷和负极极片30卷依次叠放，之后将叠放好的材料向同一方向开始卷绕合成电芯本体1，上述卷绕方式可以借助于卷针来实现。正极极片50、负极极片30和隔膜叠置在一起，将卷针放置在卷绕起始端处，然后绕卷针进行卷绕，从而形成正极极片50和负极极片30彼此交替地层叠并通过隔膜间隔开的层叠结构。在完成卷绕之后，可以将卷针抽出。在借助于卷针进行卷绕的情况下，卷绕轴线通常位于卷针上。
[0077]
将电芯本体1包上包装铝箔，对顶部和侧边进行热封装。
[0078]
在将电芯内部进行烘干除水处理后，将电解液加入到电芯内，并将电芯完全封住。
[0079]
最后通过老化、切边和折边等工艺就得到了所述电池。
[0080]
本电池内的电芯拐角区20面密度和粘度均小于电芯平直区10的面密度和粘度，但相反拐角区的孔隙率要大于平直区的孔隙率，通过上述电池制备方法能够得到本实用新型。
[0081]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0082]
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新
型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

技术特征：
1.一种卷绕式电芯，包括由正极极片、隔离膜和负极极片依次堆叠卷绕形成的电芯本体，所述电芯本体包括平直区和位于所述平直区两端的拐角区，其特征在于：所述平直区设有第一涂层，所述拐角区设有第二涂层，所述第二涂层包括上下叠置的上涂层和下涂层，所述第一涂层的厚度小于等于所述第二涂层总体的厚度，所述上涂层的粘接力小于等于所述下涂层，所述上涂层的面密度小于等于所述下涂层。2.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述平直区的长度d1大于等于所述拐角区弧长d2，且满足关系式0.2≤d1-d2≤2。3.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述第一涂层厚度h1和第二涂层厚度h2的关系为：1≤h2/h1≤1.5。4.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述上涂层的厚度h3小于下涂层的厚度h4，其中1＜h4/h3≤15。5.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述上涂层区粘结力af1、所述下涂层粘结力af2以及第一涂层粘结力af3；满足关系式：af1＜af2≤af3；第一涂层粘度为3～10n/m；第二涂层上涂层粘度2～4n/m；其中所述上涂层粘结力粘度-所述下涂层粘结力范围：1～8n/m。6.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述上涂层的面密度ρ2、所述下涂层区ρ1以及所述第一涂层面密度ρ3，满足关系式：ρ2＜ρ1≤ρ3；所述第一涂层面密度ρ1与所述第二涂层面密度ρ2满足关系式：1.02≤ρ1/ρ2≤3且1.0≤ρ3/ρ1≤1.5。7.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述隔离膜包括基膜和涂层，所述基膜主要为：聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或者聚烯烃材料及其改性或者多层复合隔膜。8.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述涂层为pvdf、pmma、陶瓷材料。9.如权利要求1所述卷绕式电芯，其特征在于：所述上涂层和所述下涂层为同一种物质或多种不同物质。10.一种用电设备，其特征在于：包括权利要求1～9任意一项所述的卷绕式电芯。

技术总结
本实用新型属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种卷绕式电芯及用电设备，包括由正极极片、隔离膜和负极极片依次堆叠卷绕形成的电芯本体，所述电芯本体包括平直区和位于所述平直区两端的拐角区，所述平直区设有第一涂层，所述拐角区设有第二涂层，所述第二涂层包括上下叠置的上涂层和下涂层，所述第一涂层的厚度小于等于所述第二涂层总体的厚度，所述上涂层的粘接力小于等于所述下涂层，所述上涂层的面密度小于等于所述下涂层，通过增大拐角区颗粒之间的间隙，减缓拐角区极片膨胀对拐角区的挤压，增加拐角区电解液的浸润和回流，从而改善拐角界面，减少拐角析锂现象的产生，同时增强电芯本体的安全和循环性能。电芯本体的安全和循环性能。电芯本体的安全和循环性能。


技术研发人员：杜娟 高云雷 于子龙 郑明清
受保护的技术使用者：浙江锂威能源科技有限公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/9/13