一种大容量卷绕式电池及其制备方法

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种大容量卷绕式电池及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的进步和现代化社会的发展，化学电源所起的作用越来越大，被广泛应用于工程机械、轨道和道路交通、船舶舰艇、通讯、航空、国防、储能以及人们的日常生活领域的各个方面。目前，商用的化学电源主要有锂离子电池、铅酸电池和碱性镍系电池（氢镍电池、镉镍电池、铁镍电池、锌镍电池）三大电池体系。除此之外，还有正在研发的钠离子电池、锂硫电池、锌离子电池等其它金属离子电池。这些电池按电芯结构可以分为卷绕式电池和叠片式电池两大类。电芯采用卷绕方式容易实现自动化，通常锂离子电池等采用有机电解液的电池大多采用卷绕式结构。这类电池由于使用导电能力和传热能力较差的有机电解液，加上正极活性物质或负极活性物质的离子传输能力和电子导电能力差，使得涂敷在金属表面活性物质的厚度薄，为了增加活性物质的涂敷量和增大固液接触面，作为活性物质附着的基体铜箔或铝箔只能非常薄，因此这种电池大多采用卷绕方式制备成圆柱电池和方形电池。其中，圆柱电池仅适用于小容量电池，如18650和21700等型号。而方形电池多适用于制备尺寸和容量较大的电池，但是，由于制成这种大容量电池的电芯卷绕层数多而密集，散热性较差，不能大倍率充放电；另外，随着电池充放电的进行，电极膨胀容易吸附浸润在隔膜上的电解液，造成隔膜干枯，电池失效。可见，以锂离子电池为代表的这类卷绕式电池的突出问题是电芯极片层和隔膜间没有足够的存留电解液的空间以及散热效果差，容易在充电过程中产生热聚集，大倍率充放电性能相对较差，并且容易引发安全问题。随着电池容量的增大，电芯缺少电解液和热聚集的问题会越发严重，因此这类电池很难制备成超大容量单体电池，目前市场上大容量单体电池容量为200-300AH，最大容量不超过500AH。实际使用时，如果需要制成大容量单体电池，一般需要多个单体电池并联，这就增加了电池管理系统的复杂性和制造成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种大容量卷绕式电池及其制备方法，该大容量卷绕式电池由若干个卷绕式扁平电芯并联组成，其中卷绕式扁平电芯中的正极上冲有一定孔径和数量的通孔；相邻的卷绕式扁平电芯之间安插有三维多孔金属隔板或单（双）侧开扇形弹簧钢片等三维结构的、带孔的可以用来透气、散热、增大电解液存留空间的类似弹性部件，这种电池结构具有很好的容留电解液的能力以及很好的散热效果，能够有效地改善甚至规避大倍率充电导致的电池热量聚集的问题，不仅能够改善电池大倍率充电性能，而且可以制备成大容量甚至超大容量的单体电池。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：一种大容量卷绕式电池，包括电池壳体及设置于电池壳体内的电池极板组，其特征在于：所述电池极板组由单个卷绕式电芯组成或者由多个卷绕式扁平电芯依次叠加并联组成，多个卷绕式扁平电芯中相邻的卷绕式扁平电芯之间安插有弹性部件，该卷绕式扁平电芯由正极片、隔膜及负极片依次叠加卷绕而成，正极片上设有单个通孔或多个通孔。

进一步限定，所述正极片上的通孔为圆形孔、椭圆形孔或异形孔，该通孔的通透面积≥3mm²。

进一步限定，所述电池极板组至少一侧与电池壳体之间设有弹性部件。

进一步限定，所述弹性部件为三维多孔金属隔板、单侧开扇形弹簧钢片或双侧开扇形弹簧钢片。

本发明所述的大容量卷绕式电池的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：采用涂敷或拉浆工艺将正极活性物质、负极活性物质分别附着在金属箔或金属网带表面，正极片、负极片一侧面端留白作为正极极耳、负极极耳，经烘干、辊压、分切成规定大小和尺寸的正极片、负极片；

步骤S2：通过设计和计算用冲孔机模具在正极片上冲出规定大小和数量的通孔得到打孔正极片；

步骤S3：将负极片-隔膜-打孔正极片-隔膜或者将打孔正极片-隔膜-负极片-隔膜按顺序叠放在一起在自动卷绕机上完成扁平电芯的卷绕；

步骤S4：卷绕的扁平电芯施加外力平压后，放入真空干燥箱中干燥，达到规定的含水量指标，再分别将正极极耳、负极极耳汇流焊接在两侧，制成卷绕式扁平电芯；

步骤S5：将多个卷绕式扁平电芯依次叠加排列，相邻的两个卷绕式扁平电芯之间安插有弹性部件，将各个卷绕式扁平电芯的正极和负极分别焊接在一起，分别与正极极柱和负极极柱相连，组合成电池极板组；

步骤S6：将电池极板组装入规定尺寸的方形铝壳或钢壳内，并在电池极板组两侧与方形铝壳或钢壳之间插入弹性部件，使之保持紧密接触，在干燥环境下，完成烘干，封盖，抽真空，注液，化成。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1、本发明的大容量卷绕式电池在正极片上冲孔，使得极片上的通孔和隔膜间可以增加部分游离电解液，这大大改善了卷绕式电池因为贫液而造成的导电性不佳的问题，电芯内部的孔还可以促使电解液通过孔在电池极片组内部渗透和流通，减少热聚集；

2、本发明的大容量卷绕式电池可以有效改善电池电解液干枯的问题，大大延长了电池的循环使用寿命。

3、本发明的大容量卷绕式电池具有大倍率充放电性能，这是由于卷绕式扁平电芯内部的通孔可以增加留存电解液，保证了极片和隔膜的电解液有一定的富余量，降低了电池内阻，并能有效散热所致。

4、本发明的大容量卷绕式电池的极板组内各个相邻卷绕式扁平电芯之间插有三维多孔金属隔板或单（双）面弹簧钢片等三维结构的、带孔的可以用来透气、散热、增加电解液存留空间的类似弹性部件，有效消除了卷绕式扁平你电芯之间的热聚集，可以做成大容量或超大容量单体电池。

5、本发明的大容量卷绕式电池的极板组两侧与壳体之间安置三维多孔金属隔板或单（双）面弹簧钢片等三维结构的、带孔的可以用来透气、散热、调节极片间松紧度的类似弹性部件，可以有效调节电池极板组内卷绕式扁平电芯极片之间的松紧度，防止过松导致极片间接触不良和过紧导致的极片间电解液被挤出，从而提高单体电池的电性能和循环寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1中打孔正极片的结构示意图；

图2是本发明实施例1中卷绕扁平电芯的结构示意图；

图3是本发明实施例3中电池极板组的结构示意图；

图4是本发明实施例4中电池极板组的结构示意图。

图中：1-负极片，2-隔膜，3-打孔正极片，4-正极极耳，5-正极汇流排，6-正极极柱，7-三维多孔铝隔板，8-卷绕式扁平电芯，9-正极极性端子，10-负极极柱，11-负极极性端子，12-负极汇流排，13-负极极耳。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

3.2V 100AH磷酸铁锂电池

分别选择0.025mm厚的铝箔和0.02mm厚的铜箔作为电池的正极集流体、负极集流体。正极配料质量比为磷酸铁锂粉：导电石墨：聚偏氟乙烯粘合剂为85:10:5，加适量N-甲基吡咯烷酮溶剂，在真空搅拌机中混合成均匀的正极活性物质浆料。负极配料质量比人造石墨：乙炔黑：SBR粘合剂为90:5:5，加适量的去离子水，在真空搅拌机中混合成均匀的负极活性物质浆料。分别将正极活性物质浆料、负极活性物质浆料涂敷到铝箔和铜箔表面，在正极片、负极片一侧留白作为正极极耳、负极极耳，经烘干和辊压，然后分切成规定宽度和长度的正极片、负极片。用冲孔机模具在正极片上冲孔，其孔直径为3mm，打孔的正极片见图1。用自动卷绕机将负极片1-隔膜2-打孔正极片3-隔膜2按顺序叠加卷绕成扁平电芯，扁平电芯结构示意图见图2。将扁平电芯平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳、负极极耳汇流焊接在两侧，制成卷绕式扁平电芯。将卷绕式扁平状电芯装入规定大小的方形铝壳内，在干燥箱内完成抽真空，烘干、注液、封口和化成，制得3.2V 100AH磷酸铁锂电池。经测试电池容量105AH（0.2C），工作电压3.2V。

实施例2

2.3V 500AH 钛酸锂电池的制备

分别选择0.025mm厚的铝箔和0.02mm厚的铜箔作为电池的正极集流体、负极集流体。正极配料质量比为镍钴锰锂粉（523）粉：导电石墨：聚偏氟乙烯粘合剂为85:10:5，加适量N-甲基吡咯烷酮溶剂，在真空搅拌机中混合成均匀的正极活性物质浆料。负极配料质量比为钛酸锂：乙炔黑：SBR粘合剂为90:5:5，加适量的去离子水，在真空搅拌机中混合成均匀的负极活性物质浆料。分别将正极活性物质浆料、负极活性物质浆料涂敷到铝箔表面，经烘干和辊压，然后裁切成规定宽度和长度的正极片、负极片。用冲孔机模具在正极片上冲孔，孔径为8mm，用自动卷绕机将打孔正极片和负极片与隔膜组合卷绕成扁平电芯，将扁平电芯平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳、负极极耳汇流焊接在两侧，制成卷绕式扁平电芯。将卷绕式扁平电芯装入规定大小的方形铝壳内，在干燥箱内完成抽真空，烘干、注液、封口和化成，制得2.3V 500AH钛酸锂电池。经测试电池容量502AH（0.2C），工作电压2.3V。

实施例3

3.2V 1000AH磷酸铁锂电池

按实施例1制备10个100AH的卷绕式扁平电芯8，将卷绕式扁平电芯8平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳4、负极极耳13汇流焊接在两侧的正极汇流排5、负极汇流排12上，制成卷绕式扁平电芯8。将10个卷绕式扁平电芯8依次叠加排列，相邻两个卷绕式扁平电芯8之间安插三维多孔铝隔板7形成电池极板组，并将各个卷绕式扁平电芯8的正极和负极分别焊接在一起，再分别与正极极柱6、负极极柱10相连，正极极柱6、负极极柱10同向，组合成1000AH的电池极板组，见图3。将电池极板组装入规定尺寸的方形铝壳内，并在两端与壳体之间插入双侧开扇形弹簧钢片，在干燥环境下，完成烘干，封盖，抽真空，注液，化成。经经测试电池容量1010AH（0.2C），工作电压3.2V。

实施例4

3.2V 1000AH磷酸铁锂电池

按实施例1制备10个100AH的卷绕式扁平电芯8，将卷绕式扁平电芯8平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳4、负极极耳13汇流焊接在两侧的正极汇流排5、负极汇流排12上，制成卷绕式扁平电芯8，正极汇流排5、负极汇流排12上分别设有正极极性端子9、负极极性端子11。将10个卷绕扁平电芯8依次叠加排列，相邻的两个卷绕式扁平电芯8之间安插三维多孔铝隔板7形成电池极板组，并将各个卷绕式扁平电芯8的正、负极分别焊接在一起，再分别与正极极柱6、负极极柱10相连，正极极柱6、负极极柱10反向，组合成1000AH的电池极板组，见图4。将电池极板组装入规定尺寸的方形铝壳内，并在两端与壳体之间插入双面开扇形弹簧钢片，在干燥环境下，完成烘干，封盖，抽真空，注液，化成。经经测试电池容量1008AH（0.2C），工作电压3.2V。

对比例1

3.2V 100AH磷酸铁锂电池

正、负极集流体基带，正、负极配料以及浆料制备与实施例1相同。分别将正极活性物质浆料、负极活性物质浆料涂敷到铝箔和铜箔表面，经烘干和辊压，然后分切成规定宽度和长度的正极片、负极片，用自动卷绕机将正极片、负极片和隔膜组合卷绕成扁平电芯。将扁平电芯平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳、负极极耳汇流焊接在两侧的正极汇流排、负极汇流排上，制成卷绕式扁平电芯。将卷绕丝扁平电芯装入规定大小的方形铝壳内，在干燥箱内完成抽真空，烘干、注液、封口和化成，制得100AH磷酸铁锂电池。经测试电池额定容量101AH（0.2C），工作电压3.2V。

对比例2

3.2V 1000AH磷酸铁锂电池

按实施例1制备10个100AH的卷绕式扁平电芯，将卷绕式扁平电芯平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳、负极极耳汇流焊接在两侧的正极汇流排、负极汇流排上，制成卷绕式扁平电芯。将10个卷绕式扁平电芯依次叠加排列，相邻的两个卷绕式扁平电芯间安插三维多孔铝隔板，并将各个卷绕式扁平电芯的正、负极分别焊接在一起，再分别与正极极柱、负极极柱相连，组合成1000AH的电池极板组。将电池极板组装入规定尺寸的方形铝壳内，在干燥环境下，完成烘干，封盖，抽真空，注液，化成。经经测试电池容量965AH（0.2C），工作电压3.2V。

对比例3

3.2V 1000AH磷酸铁锂电池

按对比例1制备10个100AH的卷绕式扁平电芯，将卷绕式扁平电芯平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳、负极极耳汇流焊接在两侧的正极汇流排、负极汇流排上，制成卷绕式扁平电芯。将10个卷绕式扁平电芯依次叠加排列，并将各个卷绕式扁平电芯的正、负极分别焊接在一起，再分别与正极极柱、负极极柱相连，组合成1000AH的电池极板组。将电池极板组装入规定尺寸的方形铝壳内，并在两端与壳体之间插入双面开扇弹簧钢片，在干燥环境下，完成烘干，封盖，抽真空，注液，化成。经经测试电池容量873AH（0.2C），工作电压3.2V。

对比例4

3.2V 1000AH磷酸铁锂电池

按对比例1制备10个100AH的卷绕式扁平电芯，将卷绕式扁平电芯平压后放入真空干燥箱干燥，然后分别将正极极耳、负极极耳汇流焊接在两侧的正极汇流排、负极汇流排上，制成卷绕式扁平电芯。将10个卷绕式扁平电芯依次叠加排列，并将各个卷绕式扁平电芯的正、负极分别焊接在一起，再分别与正极极柱、负极极柱相连，组合成1000AH的电池极板组。将电池极板组装入规定尺寸的方形铝壳内，在干燥环境下，完成烘干，封盖，抽真空，注液，化成。经经测试电池容量724AH（0.2C），工作电压3.2V。

表1 电池性能比较

通过实施例1-4和对比例1-4，可以看出本发明的大容量卷绕式电池，通过在正极片上冲孔，使得孔内可以留存少量游离电解液，这大大改善了卷绕式电池因为贫液而造成的导电性不佳的问题，卷绕式扁平电芯内部的孔可以促使电解液通过孔在电池极板组内部渗透和流通，有效地消除热聚集。本发明通过在相邻卷绕式扁平电芯之间插入的三维多孔金属隔板或单（双）侧开扇形弹簧钢片等三维结构的、带孔的可以用来透气、散热、补充电解液的类似弹性部件，有效保证了散热效果，并通过扁平电芯间全极耳并联焊接，可以做成大容量甚至超大容量的单体电池，而且由于散热效果好，电池温升低，并具有优良的大倍率充放电性能。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。