卷繞式電芯及電化學(xué)裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種卷繞式電芯及電化學(xué)裝置。卷繞式電芯包括：陰極極片，其陰極集流體的至少一個表面設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片且陰極集流體在卷繞式電芯的卷繞收尾處未設(shè)置陰極膜片；陽極極片，其陽極集流體的至少一個表面設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片且陽極集流體在卷繞式電芯的卷繞收尾處未設(shè)置陽極膜片；隔離膜，位于陰陽極片之間；自未設(shè)置陰極膜片的陰極集流體的末端起在未設(shè)置陰極膜片的陰極集流體的表面和/或自未設(shè)置陽極膜片的陽極集流體的末端起在未設(shè)置陽極膜片的陽極集流體的表面涂覆有NTC金屬材料層，隔離膜向卷繞式電芯的卷繞收尾處的尾端延伸至NTC金屬材料層的位置，以與NTC金屬材料層一起使得陰陽極片電絕緣隔離開。
【專利說明】卷繞式電芯及電化學(xué)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及儲能器件領(lǐng)域，尤其涉及一種卷繞式電芯及電化學(xué)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池作為一種綠色的環(huán)保電池，具有高能量密度，高工作電壓和長使用壽命的優(yōu)點，在很多電子產(chǎn)品，如移動電話，手提電腦、攝像機、移動通訊等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但鋰離子電池行業(yè)存在機遇的同時也面臨巨大挑戰(zhàn)，要求兼顧能量密度又保證安全性能。
[0003]對于高容量的電芯，特別需要通過一些規(guī)定的安全性能檢測指標(biāo)，例如現(xiàn)在消費電子類電芯都要求高能量密度、高電壓設(shè)計，而這類電芯在客戶端是要經(jīng)過150°C或者更高溫度的長時間烘烤(baking)測試。為了順利通過這類苛刻的安全測試。傳統(tǒng)的做法是需要選擇更安全的陰極極片、陽極極片、電解液、隔離膜以及更可靠的外界保護電路。然而對于活性材料的選擇和體系的優(yōu)化受到材料發(fā)展的制約，往往是比較有限的。對于選擇外界保護電路，這種做法不僅使得電芯的成本增加，而且占用了外部空間，影響了電池的設(shè)計和能量密度；此外，額外增加外界保護電路還可能存在因外界保護電路失效帶來的風(fēng)險。
[0004]通過對電芯內(nèi)熱沖擊實驗測試的過程分析，可以看到高電壓滿充狀態(tài)下的電芯進行150°C高溫烘烤I小時，通常包括外部烘箱的熱量傳遞、陽極化學(xué)反應(yīng)的放熱、陰極化學(xué)反應(yīng)的放熱、隔離膜在高溫下收縮或融化導(dǎo)致陰極極片和陽極極片短路而釋放出熱等幾個過程，其中造成熱失控的主要是集中在140°C以后隔離膜開始閉孔，內(nèi)部滿嵌鋰的陽極極片和陰極極片接觸會出現(xiàn)激烈的放熱反應(yīng)導(dǎo)致電芯失效。
實用新型內(nèi)容
[0005]鑒于【背景技術(shù)】中存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種卷繞式電芯及電化學(xué)裝置，在所述卷繞式電芯應(yīng)用于電化學(xué)裝置時能避免熱失控。
[0006]本實用新型的另一目的在于一種卷繞式電芯及電化學(xué)裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強且成本低。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，在第一方面，本實用新型提供了一種卷繞式電芯，其包括:陰極極片，包括陰極集流體，陰極集流體的至少一個表面設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片且陰極集流體在卷繞式電芯的卷繞收尾處未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片；陽極極片，包括陽極集流體，陽極集流體的至少一個表面設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片且陽極集流體在卷繞式電芯的卷繞收尾處未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片；以及隔離膜，位于陰極極片和陽極極片之間；其中，自未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片的陰極集流體的末端起在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片的陰極集流體的表面和/或自未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片的陽極集流體的末端起在未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片的陽極集流體的表面涂覆有NTC金屬材料層，隔離膜向卷繞式電芯的卷繞收尾處的尾端延伸至NTC金屬材料層的位置，以與NTC金屬材料層一起使得陰極極片與陽極極片電絕緣隔離開。[0008]為了實現(xiàn)上述目的，在第二方面，本實用新型提供了一種電化學(xué)裝置，其包括根據(jù)本實用新型第一方面所述的卷繞式電芯。
[0009]本實用新型的有益效果如下:
[0010]通過設(shè)置NTC金屬材料層，在所述卷繞式電芯應(yīng)用于電化學(xué)裝置時能避免熱失控；
[0011]結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強且成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為根據(jù)本實用新型的卷繞式電芯的結(jié)構(gòu)示意圖，其中為了清楚起見，NTC金屬材料層以透明方式示出。
[0013]其中，附圖標(biāo)記說明如下:
[0014]I陰極極片211末端
[0015]11陰極集流體22陽極膜片
[0016]111末端3隔離膜
[0017]12陰極膜片4 NTC金屬材料層
[0018]2陽極極片5卷繞收尾處
[0019]21陽極集流體
【具體實施方式】
[0020]下面參照附圖來詳細(xì)說明根據(jù)本實用新型的卷繞式電芯及電化學(xué)裝置。
[0021]首先說明根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯。
[0022]參照圖1，根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯包括:陰極極片1，包括陰極集流體11，陰極集流體11的至少一個表面設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12且陰極集流體11在卷繞式電芯的卷繞收尾處5未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12 ;陽極極片2，包括陽極集流體21，陽極集流體21的至少一個表面設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22且陽極集流體21在卷繞式電芯的卷繞收尾處5未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22 ；以及隔離膜3，位于陰極極片I和陽極極片2之間。其中，自未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12的陰極集流體11的末端111起在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12的陰極集流體11的表面和/或自未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22的陽極集流體21的末端211起在未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22的陽極集流體21的表面涂覆有NTC(Negative Temperature Coefficient,負(fù)溫度系數(shù),縮寫為NTC)金屬材料層4,隔離膜3向卷繞式電芯的卷繞收尾處5的尾端延伸至NTC金屬材料層4的位置，以與NTC金屬材料層4 一起使得陰極極片I與陽極極片2電絕緣隔離開。應(yīng)注意的是，陰極集流體11可以僅在一個表面設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12，也可以在兩個表面(正反表面)設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12 ;陽極集流體12可以僅在一個表面設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22，也可以在兩個表面(正反表面)設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22 ;NTC金屬材料層4可以涂覆在相應(yīng)未設(shè)置有活性材料的膜片的集流體(陰極集流體11和/或陽極集流體12)的一個表面或兩個表面，可以視具體的實際情況來確定，只要能達到與相應(yīng)的隔離膜3 —起將陰極極片I和陽極極片2電隔離即可。[0023]NTC金屬材料層4代替了【背景技術(shù)】中的部分隔離膜3，在電化學(xué)裝置正常使用的溫度下可以保持絕緣性質(zhì)，并與隔離膜3 —起將陰極極片I和陽極極片2隔離開。而當(dāng)電化學(xué)裝置為二次電池且使用時卷繞式電芯的溫度高于熱失控的溫度時，NTC金屬材料層4的電阻值會急劇降低到一定可設(shè)計阻值，該狀態(tài)下可以實現(xiàn)陰極極片I和陽極極片2以一個穩(wěn)定的倍率電流進行短路放電(即自放電)，卷繞式電芯電壓下降，故能保證在一些特殊安全測試，諸如熱沖擊、高溫短路、過充等測試中避免由于隔離膜收縮、高氧化態(tài)的陰極與電解液的反應(yīng)放熱等導(dǎo)致的熱失控，提高電化學(xué)裝置的安全性。
[0024]在根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯的一實施例中，陰極集流體11為鋁箔，陽極集流體21為銅箔。當(dāng)然不限于此，陰極集流體11以及陽極集流體21的材質(zhì)的選用可以依據(jù)實際應(yīng)用的電化學(xué)裝置來確定。
[0025]在根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯的一實施例中，隔離膜3向卷繞式電芯的卷繞收尾處5的尾端延伸至NTC金屬材料層4的位置處，以使隔離膜3與NTC金屬材料層4部分重疊。當(dāng)然不限于此，理論上可以隔離膜3向卷繞式電芯的卷繞收尾處5的尾端延伸至NTC金屬材料層4的位置對接，以形成一體式的使陰極極片I和陽極極片2電隔離即可。
[0026]在根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯的一實施例中，當(dāng)自未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12的陰極集流體11的末端111起在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12的陰極集流體11的表面涂覆有NTC金屬材料層4時，自未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12的陰極集流體11的末端111起在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12的陰極集流體11的表面涂覆的NTC金屬材料層4涂覆在部分或全部的未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片12的陰極集流體11的該表面上。
[0027]在根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯的一實施例中，當(dāng)自未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22的陽極集流體21的末端211起在未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22的陽極集流體21的表面涂覆有NTC金屬材料層4時，自未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22的陽極集流體21的末端起在未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22的陽極集流體21的表面涂覆的NTC金屬材料層4涂覆在部分或全部的未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片22的陽極集流體21的該表面上。
[0028]在根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯的一實施例中，NTC金屬材料層4的總厚度可為0.05mm?10.0mm。
[0029]在根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯的一實施例中，NTC金屬材料層4的材料可為錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅的金屬氧化物的其中之一。
[0030]在根據(jù)本實用新型第一方面的卷繞式電芯的一實施例中，NTC金屬材料層4可具有在100°C時100-1000歐姆的電阻。
[0031]下面說明根據(jù)本實用新型第二方面的電化學(xué)裝置。
[0032]根據(jù)本實用新型第二方面的電化學(xué)裝置包括根據(jù)本實用新型第一方面所述的卷繞式電芯。
[0033]根據(jù)本實用新型第二方面的電化學(xué)裝置中，所述電化學(xué)裝置可為電池或電容器。電池可以但不限于鋰離子電池，電容器可以但不限于鋰離子超級電容器。
[0034]最后給出根據(jù)本實用新型的卷繞式電芯以及電化學(xué)裝置的實施例及檢測結(jié)果。[0035]實施例
[0036]按照常規(guī)鋰離子電池(為電化學(xué)裝置的一種)制作方法和工序，將鈷酸鋰(LiCoO2)、導(dǎo)電碳、粘結(jié)劑聚偏氟乙烯(PVDF)以質(zhì)量比96:2:2加入氮甲基吡咯烷酮(NMP)中混合攪拌均勻制成陰極活性材料漿料涂覆在12 μ m厚的陰極集流體鋁箔的正反兩個表面上，之后進行輥壓、烘干、裁剪，成為陰極極片。該陰極極片包括由陰極活性材料漿料形成的單面厚度為111 μ m的陰極膜片以及尾部的未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片的陰極集流體(留有一圈)，在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片的陰極集流體的末端的正反兩個表面上熔融涂覆0.05mm總厚度的NTC金屬材料層(即二氧化錳層)，之后冷卻。
[0037]將石墨、導(dǎo)電碳、粘結(jié)劑丁苯橡膠、增稠劑羧甲基纖維素鈉(CMC)以質(zhì)量比95.7:1:3.1:0.2加入去離子水中混合攪拌均勻制成陽極活性材料漿料，將陽極活性材料漿料涂覆在8 μ m厚的陽極集流體銅箔的正反兩個表面上，之后進行輥壓、烘干、裁剪，成為陽極極片。該陽極極片包括陽極活性材料漿料形成的單面厚度為Ilium的陽極膜片以及尾部的未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片的陽極集流體(留有一圈)，在設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片的陽極集流體的末端的正反兩個表面上熔融涂覆0.05mm總厚度的NTC金屬材料層(即氧化銅層)，之后冷卻。
[0038]隔離膜采用16 μ m的聚丙烯(PP)隔離膜。
[0039]將帶有NTC金屬材料層的陰極極片以及帶有NTC金屬材料層的陽極極片以及一定長度的隔離膜卷繞成的裸電芯，隔離膜與NTC金屬材料層(二者的重疊長度為3_) —起將陽極極片和陰極極片間隔開。
[0040]然后將卷繞成的裸電芯裝入鋁塑膜制成的包裝殼體中，向殼體內(nèi)注入電解液，以六氟磷酸鋰(LiPF6)為鋰鹽，乙烯碳酸酯(EC)和丙烯碳酸酯(PO、二甲基碳酸酯(DMC)，甲基乙酸酯(MA)的質(zhì)量比為形成電解液，再經(jīng)化成、陳化、排氣、整形等工藝制得鋰離子電池,容量為4.0Ah。
[0041]比較例
[0042]除了不設(shè)置NTC金屬材料層以及調(diào)整隔離膜長度以使隔離膜將陰極極片和陽極極片隔開外，其他與實施例相同。
[0043]卷繞式電芯以及電化學(xué)裝置的實施例及比較例的檢測過程如下:
[0044]將比較例的鋰離子電池滿充到4.2V并靜置I小時，將電池放置在烘箱中，并用每分鐘5±2°C的升溫速度加熱到150°C，然后保持30分鐘，電池表面溫升至140°C持續(xù)60min,鋰離子電池出現(xiàn)爆炸燃燒。
[0045]實施例:與比較例的測試條件相同，實施例的測試結(jié)果是當(dāng)電池表面溫度升至120°C時，電芯的電壓已降為OV左右，由此可初步認(rèn)為電芯通過內(nèi)部穩(wěn)定電流短路避免出現(xiàn)熱失控。
[0046]從上述測試可以看出，150°C熱箱試驗中，沒有外部電能的輸入，只有內(nèi)部烘箱的加熱和電池內(nèi)部的活性材料的內(nèi)能以及貯存在鋰離子電池中的電能。從著火溫度實驗上看，烘箱的溫度不足達到處于滿充狀態(tài)的活性材料的著火點。那么電池著火的原因是鋰離子電池內(nèi)部的物質(zhì)電能或者是內(nèi)能的釋放，如比較例中的電芯必須升溫到140°C以上，隔離膜才會出現(xiàn)收縮，從而形成短路，并且這種短路是不可控的，因為隔離膜的收縮是不均勻和不可控的。所以電芯在這樣一個高溫態(tài)下存在有外部烘箱的熱量傳遞、陽極化學(xué)反應(yīng)的放熱、陰極化學(xué)反應(yīng)的放熱、隔離膜在高溫下收縮或融化導(dǎo)致陰極極片和陽極極片短路而放熱等因素，當(dāng)足夠的熱量被釋放后，將引起鋰離子電池內(nèi)部劇烈的化學(xué)反應(yīng)，最后熱失控而著火。
[0047]在實施例中通過設(shè)置NTC金屬材料層(即取代了部分隔離膜)，相對于完全直接用隔離膜絕緣陰極極片和陽極極片的傳統(tǒng)方式，可以通過對涂覆NTC金屬材料層中的金屬材料的種類、涂覆厚度和長度的控制，使得電芯在預(yù)設(shè)的溫度下，NTC金屬材料的電阻開始變?yōu)轭A(yù)設(shè)的阻值，從而使得鋰離子電池的陰極極片和陽極極片短路并以一個穩(wěn)定的電流倍率來放電，而且在達到高溫的時候電池基本將電放完，從而避免了在更高溫度下，電芯的陰極活性材料由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性出現(xiàn)析氧反應(yīng)、陽極滿嵌鋰的石墨放熱反應(yīng)、電解液激烈分解等各種各樣的放熱反應(yīng)導(dǎo)致電芯失效。
【權(quán)利要求】
1.一種卷繞式電芯，包括: 陰極極片(1)，包括陰極集流體(11)，陰極集流體(11)的至少一個表面設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)且陰極集流體(11)在卷繞式電芯的卷繞收尾處(5)未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)； 陽極極片(2)，包括陽極集流體(21)，陽極集流體(21)的至少一個表面設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)且陽極集流體(21)在卷繞式電芯的卷繞收尾處(5)未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜 片(22);以及 隔離膜(3 )，位于陰極極片(I)和陽極極片(2 )之間； 其特征在于，自未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)的陰極集流體(11)的末端(111)起在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)的陰極集流體(11)的表面和/或自未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)的陽極集流體(21)的末端(211)起在未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)的陽極集流體(21)的表面涂覆有NTC金屬材料層(4)，隔離膜(3)向卷繞式電芯的卷繞收尾處(5)的尾端延伸至NTC金屬材料層(4)的位置，以與NTC金屬材料層(4) 一起使得陰極極片(I)與陽極極片(2)電絕緣隔離開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式電芯，其特征在于，陰極集流體(11)為鋁箔，陽極集流體(21)為銅箔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式電芯，其特征在于，隔離膜(3)向卷繞式電芯的卷繞收尾處(5)的尾端延伸至NTC金屬材料層(4)的位置處，以使隔離膜(3)與NTC金屬材料層(4)部分重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式電芯，其特征在于，當(dāng)自未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)的陰極集流體(11)的末端(111)起在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)的陰極集流體(11)的表面涂覆有NTC金屬材料層(4)時，自未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)的陰極集流體(11)的末端(111)起在未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)的陰極集流體(11)的表面涂覆的NTC金屬材料層(4)涂覆在部分或全部的未設(shè)置有含陰極活性材料的陰極膜片(12)的陰極集流體(11)的該表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式電芯，其特征在于，當(dāng)自未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)的陽極集流體(21)的末端(211)起在未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)的陽極集流體(21)的表面涂覆有NTC金屬材料層(4)時，自未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)的陽極集流體(21)的末端起在未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)的陽極集流體(21)的表面涂覆的NTC金屬材料層(4)涂覆在部分或全部的未設(shè)置有含陽極活性材料的陽極膜片(22)的陽極集流體(21)的該表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式電芯，其特征在于，NTC金屬材料層(4)的總厚度為0.05mm ~10.0mm0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式電芯，其特征在于，NTC金屬材料層(4)的材料為錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅的金屬氧化物的其中之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的卷繞式電芯，其特征在于，NTC金屬材料層(4)具有在100°C時100~1000歐姆的短路電阻。
9.一種電化學(xué)裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的卷繞式電芯。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)裝置，其特征在于，所述電化學(xué)裝置為電池或電容器。
【文檔編號】H01G11/06GK203800131SQ201420112749
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】李愷, 王敦強 申請人:寧德新能源科技有限公司