一种电池极片结构与电池卷芯及包括该卷芯的电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电池极片结构与电池卷芯及包括该卷芯的电池。

背景技术

电动工具用锂离子电池要求具备10C左右的大倍率放电性能，常规的圆柱锂离子电池通常只具备一个正极耳和一个负极耳，内阻高且功率性能差。为了降低内阻，满足电动工具用锂离子电池的高功率要求，通常使用单正双负或双正双负极耳结构的圆柱形锂离子电池。其中双正双负极耳结构的电池功率性能又比单正双负结构的电池功率性能更好，但是这种结构的圆柱电池由于有一个负极耳位于中心孔位置，如图5所示，在大倍率放电时，极耳处温度高(＞80℃)且散热慢，高温容易导致隔膜变性(陶瓷层脱落、强度变低)，且随着大倍率充放电循环次数增加，负极片膨胀收缩导致隔膜被反复挤压摩擦，正极入位处的隔膜同时也会进一步受到正极片端面的剪切力，容易发生隔膜刺破，导致正负极短路。因此，亟待提供一种电池极片，在解决前述问题的同时，还能够提高电池的功率性能。

发明内容

本发明提供一种电池极片，该电池极片在电池中可以有效避免正极入位处的隔膜受到力和热的双层作用，进而可以避免隔膜被刺破，提高电池安全性能。与此同时，该种电极片还能够提高电池的功率性能。

根据第一方面，一种实施例中提供一种电池极片结构，包括：

隔膜，具有相对设置的第一侧和第二侧；

正极片，包括正极集流体、正极活性涂层和正极耳，正极集流体设置于隔膜的第一侧，正极活性涂层设置于正极集流体上，正极耳有两个，两个正极耳设置于正极集流体上；

以及负极片，包括负极集流体、负极活性涂层和负极耳，负极集流体设置于隔膜的第二侧，负极集流体包括相对设置的第一表面和第二表面，负极集流体的第一表面和第二表面均间隔设置有两个负极活性涂层；负极集流体包括相对设置的第一端和第二端，负极集流体的第一端和第二端均包括未设置负极活性涂层的空箔位置，电池极片结构卷绕时，负极集流体的第一端用于靠近卷针放置，负极集流体的第二端用于远离卷针放置；负极集流体上的第一表面和第二表面的两个负极活性涂层之间均形成有负极空隙；负极耳包括第一负极耳和第二负极耳，第一负极耳设置于负极空隙，第二负极耳设置于负极集流体的第二端的空箔位置。

根据第二方面，一种实施例中提供一种电池卷芯，电池卷芯由第一方面保护的电池极片结构卷绕形成。

根据第三方面，一种实施例中提供一种电池，电池包括上述第二方面保护的卷芯。

本发明提供一种电池极片，在负极集流体的第一端和第二端中，第一负极耳设置于负极集流体的第一表面和第二表面的负极活性涂层之间的负极空隙，第二负极耳设置于负极集流体的第二端的空箔位置，该种电池极片结构的设计可以使得包含该电池极片结构的电池，相对于具有常规电池极片结构的电池而言，电子传输到负极耳的距离更短，进而使得极片上的电流分布更均匀，电池内阻更低，功率性能更优，且大倍率放电温升低，更有利于保持隔膜的稳定性，进而可以有效避免正极入位处的隔膜受到力和热的双层作用，从而避免隔膜发生刺破。

附图说明

图1为本发明实施例的电池极片结构侧视图；

图2为对比例1的电池极片结构的侧视图；

图3(a)本发明实施例的电池极片结构的正极片的俯视图；

图3(b)本发明实施例的电池极片结构的负极片的俯视图；

图4为本发明实施例的电池极片结构卷绕后的卷芯俯视图；

图5为对比例1的电池极片结构卷绕后的卷芯的俯视图；

图6为本发明实施例的电池极片结构卷绕后的卷芯的侧视图；

图7为实施例1与对比例1的电池倍率放电容量保持率的比较图：

图8为实施例1与对比例1的电池倍率放电温度比较图；

图9为实施例1与对比例1的循环性能比较图；

图10为对实施例1的电池经循环放电后拆解的隔膜表面图；

图11为对对比例1的电池经循环放电后拆解的隔膜表面图。

附图标记：电池极片结构-100，隔膜-110，正极片-120，正极集流体-121，正极活性涂层-122，第一正极空隙-123，第二正极空隙-124，第三正极空隙-125，第四正极空隙-126，第一正极耳-127，第二正极耳-128；负极片-130，负极集流体-131，负极活性涂层-132，负极空隙-133，第一负极耳-134，第二负极耳-135。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

实施例1：21700型高倍率锂离子电池

请参考图1，本发明实施例提供一种电池极片结构100，包括隔膜110、正极片120以及负极片130，隔膜110具有相对设置的第一侧和第二侧。正极片120包括正极集流体121、正极活性涂层122和正极耳，正极集流体121设置于隔膜110的第一侧，正极活性涂层122设置于正极集流体121上，正极耳有两个，两个正极耳设置于正极集流体121上。负极片130包括负极集流体131、负极活性涂层132和负极耳，负极集流体131设置于隔膜110的第二侧，负极集流体131包括相对设置的第一表面和第二表面，负极集流体131的第一表面和第二表面均间隔设置有两个负极活性涂层132。负极集流体131包括相对设置的第一端和第二端，负极集流体131的第一端和第二端均包括未设置负极活性涂层132的空箔位置，电池极片结构100卷绕时，负极集流体131的第一端用于靠近卷针放置，负极集流体131的第二端用于远离卷针放置；负极集流体131上的第一表面和第二表面的两个负极活性涂层132之间均形成有负极空隙133；负极耳包括第一负极耳134和第二负极耳135，第一负极耳134设置于负极空隙133，第二负极耳135设置于负极集流体131的第二端的空箔位置。第一负极耳134可以设置于负极集流体131第一表面的负极空隙或第二表面的负极空隙，在本实施例中，第一负极耳134设置于负极集流体131第一表面的负极空隙，同理地，第二负极耳135可以设置于负极集流体131第一表面或第二表面的第二端的空箔位置，在本实施例中，第二负极耳135设置于负极集流体131第一表面的第二端的空箔位置。需要说明的是，卷针在本申请中不属于电池极片结构的组成部分，这里引入卷针只是为了更清楚地描述电池极片结构的结构。

在本发明提供的双正双负的电池极片结构100中，将一个负极耳设置于两个负极活性涂层132之间的负极空隙133处，另一个负极耳设置于负极集流体131的第二端，该电池极片结构100卷绕时，负极集流体131的第二端远离卷针放置。与图2所示的常规的双正双负的电池极片结构制成的电池相比，本发明将原来电池极片结构中位于负极集流体第一端空箔位置的负极耳移至负极活性涂层132之间，使得电池极片结构100卷绕后，原本位于卷芯中心孔位置的负极耳向远离中心孔的方向设置，如图4和图6所示，本发明的电池极片结构100，电流分布更均匀，内阻更低，电池的功率性能更优，且大倍率放电温升低，由于第一负极耳134远离中心孔位置设置，离散热用的干壳的距离更近，所以散热效果也更好，因此，在相同放电倍率下，具有本发明的电池极片结构100的电池产热更少，温升更低，更有利于保持隔膜110的稳定性。而且，与正极耳相比，负极耳产热更多，将产热更多的第一负极耳134从第一端移至负极活性涂层132之间的负极空隙133位置，可有效避免正极入位处的隔膜110受到力和热的双重作用从而发生刺破。

请参考图1，本实施例中的电池极片结构100，正极集流体121包括相对设置的第一表面和第二表面，正极集流体121上的第一表面和第二表面上均设置有第一正极活性涂层、第二正极活性涂层和第三正极活性涂层；正极集流体121的第一表面上的第一正极活性涂层与第二正极活性涂层之间形成有第一正极空隙123，正极集流体的第二表面上的第一正极活性涂层和第二正极活性涂层之间形成有第二正极空隙124，在本实施例中，第一正极空隙123和第二正极空隙124相对设置；正极集流体121的第一表面上的第二正极活性涂层与第三正极活性涂层之间形成有第三正极空隙125，正极集流体的第二表面上的第二正极活性涂层与第三正极活性涂层之间形成有第四正极空隙126，在本实施例中，第三正极空隙125和第四正极空隙126相对设置；正极耳包括第一正极耳127和第二正极耳128，第一正极耳127设置于第一正极空隙123或第二正极空隙124中，第二正极耳128设置于第三正极空隙125或第四正极空隙126中。

一种实施例中，正极片120具有相对设置的第一端和第二端，电池极片结构100卷绕时，正极片120的第一端用于靠近卷针放置，正极片120的第二端用于远离卷针放置；正极集流体121的长度方向为正极集流体121的第一端向正极集流体121的第二端的延伸方向，正极集流体121的长度为L，第一正极耳127设置于正极集流体121的L/4～L/2处，第二正极耳128设置于正极集流体121的L/2～3L/4处，对第一正极耳127和第二正极耳128的位置进行限定，可以使得电池极片结构100卷绕成电芯后，卷芯上的电流分布更均匀，并且可以使得第一正极耳127的中心和第二正极耳128的中心位于卷芯的同一条圆心至圆弧的连线上，进而可以保证第一正极耳127和第二正极耳128合焊。

在本实施例中，请参考图1，正极集流体121沿正极集流体的长度方向的长度为L

一种实施例中，第一负极耳134和第一正极耳127相对设置，且第一负极耳134和第一正极耳127沿垂直于隔膜方向在隔膜所在平面的投影位于隔膜上的同一位置。负极集流体131的长度方向为负极集流体131的第一端向负极集流体131的第二端的延伸方向，第一正极空隙123和第二正极空隙124沿正极集流体121长度方向上的长度大于负极空隙133沿负极集流体131长度方向上的长度。在本发明的实施例中，无论是第一正极耳127与第一负极耳134沿垂直于隔膜方向在隔膜所在平面的投影位于隔膜上的同一位置，还是前述第一正极空隙123和第二正极空隙124与负极空隙133的长度设计方式，均是为了保证电池极片结构100卷绕后使得负极包覆正极，避免出现析锂现象。

在本实施例中，请参考图1，负极集流体131沿负极集流体的长度方向的长度为L

一种实施例中，第一正极空隙123和第二正极空隙124在正极集流体长度方向上的长度不相同。

在实施例中，请参考图1，第一正极耳127设置于第一正极空隙123处时，第二正极空隙124在正极集流体长度方向上的长度大于第一正极空隙123在正极集流体长度方向上的长度。

一种实施例中，正极集流体121的宽度方向垂直于正极集流体121的长度方向，且正极集流体121的宽度方向平行于正极集流体121的第一表面所在的平面。请参考图3(a),第一正极耳127在正极集流体宽度方向上的长度小于正极集流体121在正极集流体宽度方向上的宽度的一半。负极集流体131的宽度方向垂直于负极集流体131的长度方向，且负极集流体131的宽度方向平行于负极集流体131的第一表面所在的平面。请参考图3(b)，第一负极耳134在负极集流体宽度方向上的长度小于负极集流体131在负极集流体宽度方向上的宽度的一半。本发明的实施例中，第一正极耳127和第一负极耳134在各自对应的集流体上的焊接长度的设计，是为了保证第一正极耳127和第一负极耳134在卷芯内不会发生重叠，进而防止电池局部过热。

一种实施例中，电池极片结构100具有相对设置的第一端和第二端，电池极片结构100卷绕时，电池极片结构100的第一端与卷针接触，电池极片结构100的第二端远离卷针设置，电池极片结构100的长度方向为电池极片结构100的第一端向电池极片结构100的第二端的延伸方向。电池极片结构100的第二端的隔膜110在电池极片结构的长度方向上伸出于负极集流体131和正极集流体121，以使极片结构100卷绕后以隔膜110收尾；或者，电池极片结构100的第二端的负极集流体131在电池极片结构的长度方向上伸出于隔膜110和正极集流体121，以使极片结构100卷绕后以负极集流体131收尾。具体地，本发明的实施例中，选用铜箔作为负极集流体131，选用铝箔作为正极集流体121。本发明实施例的卷芯采用隔膜110收尾或者选用铜箔收尾，可以达到改善散热的效果。

在本实施例中，隔膜采用高孔隙陶瓷隔膜，卷芯以隔膜收尾。

结合本实施例的电池极片结构，再使用常规方法制备本实施例的圆柱形电池。其中，正极采用NCA(镍钴铝)三元材料(Ni:Co:Al＝88:10:2)，正极面密度为28mg/cm

实施例2：21700型高倍率锂离子电池

本实施例(图中未示出)与实施例1不同之处在于，正极面密度为30mg/cm

结合该电池极片结构，再使用常规方法制备本实施例的圆柱形电池。

实施例3：26650型高倍率锂离子电池

本实施例(图中未示出)与实施例1不同之处在于，正极采用高镍材料，正极面密度为30mg/cm

结合该电池极片结构，再使用常规方法制备本实施例的圆柱形电池。

对比例1:21700型高倍率锂离子电池

对比例1与实施例1不同之处在于，如图2所示，第一正极耳沿正极集流体长度方向位于正极集流体的L

对实施例1和对比例1的电池进行放电倍率性能的测试，并同时对倍率放电性能测试时的温度进行监测，测试条件为：1.5C充电至4.2V后，恒压充电至0.1A截止，然后在不同倍率(2.5C/5C/7.5C/10C)下放电，倍率放电性能结果如图7所示，由图中可以看出，就电池的5C、7.5C和10C放电的容量保持率与2.5C放电的容量保持率的比值而言，实施例1的电池的比值均比对比例1的电池的比值高。例如，就10C放电的容量保持率与2.5C的放电容量保持率的比值而言，实施例1的电池的比值为98.5％，高于对比例1的电池的95.5％。倍率放电性能测试的温度监测结果如图8所示，由图中可以看出，就2.5C、5C、7.5C和10C的放电温度而言，实施例1的电池的放电温度均低于对比例1的电池的放电温度，例如，实施例1的电池10C放电温度约为87℃，对比例1的电池10C放电温度约为102℃。

对实施例1和对比例1的电池的循环性能进行测试，测试条件为：充放电电压窗口4.2～2.5V，放电时同时设置75℃截止，其结果如图9所示，由图可以看出，实施例1的电池在相同情况下放出的能量远高于对比例1中的电池，且实施例1中的电池的能量保持率和一致性较好。

对实施例1和对比例1的电池进行拆解，发现：对比例1的电池的正极入位处的隔膜有掉瓷、刺破的现象，如图11所示；实施例1的电池隔膜完好无损，如图10所示。

综上，具备本发明的电池极片结构的电池，在高倍率放电容量保持率、散热性能和循环性能均优于现有的具备常规电池极片结构的电池。且实施例1中的电池可以避免正极入位处的隔膜发生掉瓷和刺破的问题。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。