專利名稱：方型鋰離子二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及包括吸附與解吸附鋰離子的負(fù)極、以含鋰氧化物為正極活性物質(zhì)的正極和非水電解液，以及隔離正極與負(fù)極的隔膜紙的非水電解液鋰離子二次電池，尤其涉及適合于交通工具動(dòng)力使用的大容量、高倍率放電性能優(yōu)異的非水電解液鋰離子二次電池。
近年來，小型化的鋰離子二次電池已日臻完善，現(xiàn)已廣泛用于小型攝相機(jī)、移動(dòng)電話、筆記本電腦等便攜式電子和通訊設(shè)備上。基于環(huán)境保護(hù)等原因，電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展迅速。鋰離子電池以其高放電電壓、高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)使用壽命而成為上述動(dòng)力裝置的首選能源。但是，問題在于作為動(dòng)力能源使用的大容量鋰離子二次電池，其高倍率放電性能及安全性能尚未充分解決。
對(duì)于電動(dòng)車用的動(dòng)力電池，中國(guó)專利ZL00240461.3號(hào)于2001年10月17日公開了一種解決方法，該方法采用兩級(jí)或兩級(jí)以上的極耳集流結(jié)構(gòu)，其中第一級(jí)極耳是焊接在基板上，這對(duì)于堿性蓄電池來說是合適的，因?yàn)樵摲N電池的基板為泡沫鎳，焊接牢固、抗振動(dòng)力強(qiáng)，但應(yīng)用于鋰離子二次電池則難以在金屬箔片上進(jìn)行焊接或焊接的牢固度差，仍無法適用動(dòng)力鋰離子二次電池。
本實(shí)用新型的目的可以是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種方型鋰離子二次電池，包括能鑲嵌和脫嵌鋰離子的負(fù)極、能鑲嵌和脫嵌鋰離子的正極、隔膜以及非水電解液，收納于方型電池外殼中，所述正極、負(fù)極的基板均由承載活性物質(zhì)涂覆層主體部分和與基板主體自成一體的非涂覆層部分構(gòu)成，在正極、隔膜、負(fù)極組成電極體后，通過外接金屬片與非涂覆層部分的焊接形成導(dǎo)電極耳。
除了基板和活性物之外，通常正極還含有碳系材料導(dǎo)電劑以及將正極材料粘結(jié)到電極集流體上的粘合劑。常規(guī)碳系材料導(dǎo)電劑的實(shí)例包括炭黑、碳纖維和石墨等，粘合劑的實(shí)例包括含氟樹脂和聚烯烴化合物如PVDF、PTFE、VDF-HFP-TFE共聚物與SBR等。
同樣，除了基板和活性物之外，通常負(fù)極還含有將負(fù)極材料粘結(jié)到電極集流體上的粘合劑，粘合劑的實(shí)例包括含氟樹脂和聚烯烴化合物如PVDF、PTFE、VDF-HFP-TFE共聚物與SBR等。
正負(fù)極漿料是通過將粘合劑溶解在特定的溶劑中，再加入活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑，進(jìn)行充分地分散后制成的。在本發(fā)明中所述特定的溶劑選自NMP、DMF、DEF、DMSO、THF、以及水和醇類等，可以使用其中之一或其混合物。
上述技術(shù)方案還可以通過以下技術(shù)措施作進(jìn)一步改進(jìn)由所述的非涂覆層部分為凸片形狀，以平行疊置或卷繞方式形成電極體，組裝后得到方型鋰離子二次電池。
所述的正極基板為鋁箔片，所述的負(fù)極基板為銅箔片，外接金屬片與電極凸片組的焊接形成導(dǎo)電極耳的方式為超聲波焊接或電阻焊焊接。
這種焊接連接方式的受力面決定了其不受正、負(fù)極集流體強(qiáng)度的影響，既充分地保證了充放電過程中電流的均勻分布，又有效地消除了接觸電阻的影響，使電池內(nèi)阻大大降低。同時(shí)也節(jié)省了集電夾具所占用的空間，保證了電池的容量和能量密度。
在本實(shí)用新型具體實(shí)施過程中，根據(jù)集流體材質(zhì)以及重疊厚度的不同而采取了不同的側(cè)面焊接方法。單純從材料焊接角度來說，純鋁或純銅在電阻焊或激光焊的工藝條件下焊核面積僅能達(dá)到0.8mm2，而在超聲波焊工藝條件下則可達(dá)到16mm2，故為了提高電流通導(dǎo)能力應(yīng)優(yōu)選采用超聲波焊。但當(dāng)正極集流體鋁箔或負(fù)極集流體銅箔的重疊厚度＞2mm，超聲波焊變得較為困難，此時(shí)應(yīng)將鋁箔或銅箔分別夾在鋁帶或純鎳帶中進(jìn)行電阻焊，以確保焊接強(qiáng)度。在以上各種焊接方法中，對(duì)于不同容量的電池或不同長(zhǎng)度的極片，所需焊接點(diǎn)數(shù)和焊接面積可能有所不同，對(duì)此本專利不作特別的限定。
所述的正極活性物是一種鋰與過渡金屬的層狀復(fù)合氧化物，它們是具有一定特定結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)，可以與鋰離子進(jìn)行可逆的反應(yīng)。此類活性物質(zhì)材料的實(shí)例包括LixNi1-yCoyO2(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、LixMn2-yByO2(其中，B為過渡金屬，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)，可以選用中之一或其混合物。
所述的負(fù)極活性物質(zhì)為能夠使鋰離子反復(fù)嵌入和脫嵌的碳系材料，其實(shí)例包括天然石墨、人造石墨、MCMB(中間相碳微球)、MCF(中間相碳纖維)，可以選用中之一或其混合物。
正負(fù)極漿料是通過將一種合適的粘合劑溶解在特定的溶劑中，再加入活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑，進(jìn)行充分地分散后制成的。在本發(fā)明中所述特定的溶劑選自NMP、DMF、DEF、DMSO、THF、以及水和醇類等，可以使用其中之一或其混合物。
所述的電解液的組分中的電解質(zhì)為鋰鹽，實(shí)例包括LiClO4、LiPF6、LiBF4、鹵化鋰、氯鋁酸鋰、氟烴基氟氧磷酸鋰及氟烴基磺酸鋰等，可以使用其中之一或其混合物。
所述的電解液的組分中的溶劑選用鏈狀酸酯和環(huán)狀酸酯的混合溶液。鏈狀酸酯的實(shí)例包括DMC、DEC、EMC、MPC、DPC、MA、EA、PA、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的鏈狀有機(jī)酯類，可以使用其中之一或其混合物。環(huán)狀酸酯的實(shí)例包括EC、PC、VC、γ-BL、磺內(nèi)酯以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的環(huán)狀有機(jī)酯類，可以使用其中之一或其混合物。
對(duì)電池在上述以外的構(gòu)成上所需的部件選擇沒有特別的限定。
本實(shí)用新型的方型鋰離子二次電池有優(yōu)越的大倍率放電性能、循環(huán)性能以及較小電池內(nèi)阻，該電池尤其適宜于用作大容量的動(dòng)力電池。
圖4(b)為圖4(a)所示切掉圓角部分形成帶凸片電極體的外觀圖圖5(a)及圖5(b)為本實(shí)用新型鋰離子二次電池的兩種極耳連接接外觀圖；圖6為本實(shí)用新型鋰離子二次電池的縱向橫截面圖。
2、結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型詳述如下

圖1(a)、圖1(b)所示分別是本實(shí)用新型鋰離子二次電池的正、負(fù)極極片2和2’，其中主體部分為活性物質(zhì)涂覆層，1和1’為未涂覆帶部分，其寬度為15~20mm，具體可依照焊接夾具以及殼體的尺寸而定。
如圖2所示，將正極片、隔膜紙、負(fù)極片依次疊層并使正負(fù)極極耳疊層分別處于卷芯的兩側(cè)，并以圖3方式為卷繞成如圖4(a)所示的電池電極體15。
如圖4(b)所示，將上述卷繞好的電極體15的正極端的疊層1的圓角部分截去，得到電池的正極極耳凸片疊層4，同樣將負(fù)極端的疊層1’的圓角部分截去，得到負(fù)極極耳凸片疊層4’，可見電極凸片平行排列。極耳疊層的寬度可比殼體的直線寬度稍小些，這樣極耳凸片疊層的折疊和連接就不會(huì)影響到整個(gè)極片，圖4(b)為截掉極耳疊層圓角部分后整個(gè)卷繞電極體的外觀圖。
如圖5(a)及圖5(b)，將上述結(jié)構(gòu)的正極極耳凸片疊層4作為一整體，和連接鋁帶5采用超聲波焊焊接在一起，然后將鋁帶5再焊接在如圖6所示的正極連接片7上。注意調(diào)整超聲波的焊接功率，必須使連接層焊透。也可采用激光焊等焊接方式，但最好采用超聲波焊焊接。負(fù)極采用電阻焊焊接在負(fù)極底板上，也可采用鉚接等方式，但最好采用電阻焊。
上述結(jié)構(gòu)的二次電池，可將正極極耳疊層4、鋁帶5、正極連接片7同時(shí)采用超聲波焊焊接在一起，以減少生產(chǎn)的工序。也可將負(fù)極極耳疊層4’、復(fù)合鎳帶5’、底板9’同時(shí)采用電阻焊焊接在一起。復(fù)合鎳帶5’的材料可以是純鎳帶或其他金屬材料。
如圖6所示，正極連接板7為合金鋁材料，8為絕緣蓋板，9為金屬蓋板，10為正極柱，共同構(gòu)成電池的上蓋板，它們采用鉚接方式連接在一起。
3、下面通過實(shí)施例與比較例更詳細(xì)地闡述本實(shí)用新型實(shí)施例1將一定量的PVDF以一定比率溶解在NMP中，將LiCoO2和乙炔黑加入該溶液中，充分混合制成漿料，其組成為L(zhǎng)iCoO2∶乙炔黑∶PVDF＝92∶4∶4。將該漿料均勻地涂布在20μm的鋁箔上，于120℃下干燥。壓延后得到厚度為120μm的正極片。再將此正極片端緣的敷料層刮去，露出寬10mm的鋁箔。
將一定量的PVDF以一定比率溶解在NMP中，將人造石墨加入該溶液中，充分混合制成漿料，其組成為人造石墨∶PVDF＝95∶5。再將該漿料均勻地涂布在20μm的銅箔上，于120℃下干燥。壓延后得到厚度為120μm的負(fù)極片。再將此負(fù)極片端緣的敷料層刮去，露出寬10mm的銅箔。
將上述的正、負(fù)極片與25μm厚的聚丙烯微孔性隔膜卷繞成一個(gè)方型鋰離子二次電池的電芯，再分別沿極片重疊方向?qū)︿X箔和銅箔進(jìn)行超聲波焊接(亦稱為側(cè)面焊接)以形成集電結(jié)構(gòu)。將電芯裝入電池殼中，隨后將LiPF6按1mol/dm2的濃度溶解在EC/DMC＝1∶1的混合溶劑中所形成的電解液注入電池殼中，密封，制成方型鋰離子二次電池。
比較例1使用與實(shí)施例1所類似的方法，但是正極采用4枚鋁制極耳、負(fù)極采用4枚鎳制極耳作為集電結(jié)構(gòu)。
比較例2使用與實(shí)施例1所類似的方法，但是正、負(fù)極各采用3枚不銹銅制夾具作為集電結(jié)構(gòu)。
電池特性測(cè)試(1)放電性能將按上述方法制成的方型鋰離子二次電池以700mA的恒定電流充電至4.2V，在電壓升至4.2V后以恒定電壓充電，截至電流50mA；再以700mA的恒定電流放電，截至電壓2.75V。測(cè)量初始容量和電池內(nèi)阻。
(2)循環(huán)特性將按上述方法制成的方型鋰離子二次電池以上述的充放電機(jī)制充放電500次循環(huán)。測(cè)定在500次循環(huán)時(shí)的容量維持率。
(3)負(fù)荷特性將按上述方法制成的方型鋰離子二次電池以700mA的恒定電流充電至4.2V，在電壓升至4.2V后以恒定電壓充電，截至電流50mA；再以5000mA的恒定電流放電，截至電壓2.75V。測(cè)定在高負(fù)荷條件下的容量維持率和放電中值電壓。
(4)性能測(cè)試結(jié)果以上試驗(yàn)的結(jié)果如下表所示

(5)發(fā)明效果根據(jù)以上結(jié)果可見，實(shí)施例1的方型鋰離子二次電池與采用極耳焊的比較例1以及采用夾具的比較例2相比，電池內(nèi)阻分別降低了130％和52％左右。該電池具有優(yōu)良的循環(huán)性能和高倍率放電性能，大電流放電時(shí)的放電平臺(tái)也有所提高。
這主要是因?yàn)椴捎脴O耳作為電流引出方式，電流的導(dǎo)出和引入仍舊局限在有限的幾個(gè)焊接點(diǎn)上，通導(dǎo)能力較低，且電池充放電過程中的電流分布不夠均勻；采用集電夾具則極片端緣靠集電夾具夾緊，接觸電阻較大，不利于降低電池內(nèi)阻。而本實(shí)用新型的方型鋰離子二次電池采用側(cè)面焊這種焊接方式，其受力面決定了焊接不受正、負(fù)極集流體強(qiáng)度的影響。并且此方法工藝簡(jiǎn)單，既充分地保證了充放電過程中電流的均勻分布，又有效地消除了接觸電阻的影響，使電池內(nèi)阻大大降低。同時(shí)也節(jié)省了集電夾具所占用的空間，保證了電池的容量和能量密度。
權(quán)利要求1.一種方型鋰離子二次電池，包括能鑲嵌和脫嵌鋰離子的負(fù)極、能鑲嵌和脫嵌鋰離子的正極、隔膜以及非水電解液，收納于方型電池外殼中，其特征在于所述正極、負(fù)極的基板均由承載活性物質(zhì)涂覆層主體部分和與基板主體自成一體的非涂覆層部分構(gòu)成，在正極、隔膜、負(fù)極組成電極體后，通過外接金屬片與非涂覆層部分的焊接形成導(dǎo)電極耳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方型鋰離子二次電池，其特征在于由所述的非涂覆層部分為凸片形狀，以平行疊置或卷繞方式形成電極體，組裝后得到方型鋰離子二次電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方型鋰離子二次電池，其特征在于所述的正極基板為鋁箔片，所述的負(fù)極基板為銅箔片，外接金屬片與電極凸片組的焊接形成導(dǎo)電極耳的方式為超聲波焊接或電阻焊焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方型鋰離子二次電池，其特征在于所述的正極活性物選用以下述化學(xué)式所表示的物質(zhì)LixNi1-yCoyO2(其中0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、LixMn2-yByO2(其中，B為過渡金屬，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)中之一或其混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方型鋰離子二次電池，其特征在于所述的負(fù)極活性物選用天然石墨、人造石墨、MCMB或MCF中之一或其混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方型鋰離子二次電池，其特征在于所述的電解液的組分中的電解質(zhì)選自高氯酸鋰、氯鋁酸鋰、六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰、鹵化鋰、氟烴基氟氧磷酸鋰及氟烴基磺酸鋰的鋰鹽中之一或其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方型鋰離子二次電池，其特征在于所述的電解液的組分中的溶劑選用鏈狀酸酯和環(huán)狀酸酯的混合溶劑，鏈狀酸酯選自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙丙酯、碳酸二苯酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、內(nèi)酸甲酯、內(nèi)酸乙酯、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷的其中之一或其混合物環(huán)狀酸酯選自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亞乙烯酯、γ-丁內(nèi)酯、磺內(nèi)酯其中之一或其混合物。
專利摘要本實(shí)用新型涉及的一種方型鋰離子二次電池，包括能鑲嵌和脫嵌鋰離子的負(fù)極、能鑲嵌和脫嵌鋰離子的正極、隔膜以及非水電解液，收納于方型電池外殼中，所述正極、負(fù)極的基板均由承載活性物質(zhì)涂覆層主體部分和與基板主體自成一體的非涂覆層部分構(gòu)成，在正極、隔膜、負(fù)極組成電極體后，通過外接金屬片與非涂覆層部分的焊接形成導(dǎo)電極耳，該方型鋰離子二次電池與常規(guī)鋰離子二次電池相比，電池內(nèi)阻分別降低了130％和52％左右，具有優(yōu)良的循環(huán)性能和高倍率放電性能，大電流放電時(shí)的放電平臺(tái)也有所提高，適合于交通工具動(dòng)力電源使用。
文檔編號(hào)H01M10/38GK2598160SQ02295729
公開日2004年1月7日 申請(qǐng)日期2002年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者沈晞, 王傳福, 董俊卿, 沈 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司