一种带极耳的正极极片、其制备方法及包含该正极极片的锂
离子电池
技术领域
背景技术
[0002] 随着
能源与环境问题的发展，电动
汽车逐渐成为一种发展主流。而锂离子电池作为目前电动汽车的主要动
力来源，越来越受到社会各界关注。锂离子电池也是朝着高
能量密度、高
循环寿命、高安全性发展。目前的圆柱锂离子动力电池，在各种类型电池中，具有较高的
能量密度和较低的成本优势，被广泛应用于物流车和乘用车中。圆柱形动力电池正极极片多采用中间极耳设计，以降低内阻，提升电池性能。
[0003] 采用中间极耳设计虽然降低了内阻，有利于提升
倍率性能，但这种电池在循环后，会导致正极集
流体铝箔出现裂纹或者直接断成两截，电池表现为内阻上升、倍率性能下降或者容量“跳
水”现象。电池模
块对
单体电池一致性要求极高，而由此导致的电池模块会在后续的运行中，存在严重的安全隐患。究其原因，主要是在电池
制造过程中，极耳在切断时锋利的边缘会对集流体铝箔形成破坏；加上正负极片的反弹效应，和电池循环过程中，由于负极充放电脱
嵌锂造成的负极极片膨胀收缩，在固定的孔空间内，使铝箔不断受到极耳的
挤压作用。而铝箔平面被卷成一个弧形，极耳边缘处与铝箔会产生一个不断变化的剪切
应力。随着循环的进行，铝箔会处于应力疲劳状态，在
剪切应力的不断作用下，铝箔逐渐发生开裂或者全部断裂，使集流体铝箔导通
电子能力下降，
电阻升高，电池性能下降。
[0004] 因此，有必要提供一种正极极片结构，以解决铝箔在循环充放电过程中因应力集中而导致的铝箔开裂问题以及极耳和集流体之间
导电性差和连接强度低的问题。
发明内容
[0005] 针对
现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种带极耳的正极极片、其制备方法及包含该正极极片的圆柱锂离子电池。本发明的正极极片结构新颖，一方面，这种极片结构能够释放正极极耳对正极集流体铝箔的剪切应力，避免在循环充放电过程中因应力集中而导致的铝箔开裂问题，提高锂离子电池的循环性能；另一方面，这种极片结构可以增强极耳与集流体铝箔的导电性，提高极耳
焊接强度，降低内阻，提高倍率性能。除上述优点外，这种极片结构还可以在集流体铝箔强度允许范围内，降低集流体的厚度，减少卷芯体积，有助于卷芯入壳；提高
正极材料含量，有利于提高电池容量。
[0006] 为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明提供一种带极耳的正极极片，上述正极极片包括集流体、带有孔位的应力缓冲导电层、极耳以及
胶带，所述集流体的表面设有正极浆料层以及留白区域；所述留白区域内由下到上依次设有应力缓冲导电层、极耳以及胶带，所述极耳完全
覆盖所述孔位，而且，除孔位处之外，极耳边缘和留白区域不直接
接触；所述集流体的不含极耳一侧表面也贴有胶带。
[0008] 本发明的正极极片中，留白区域即没有涂正极浆料层的集流体，例如铝箔，因此，此留白区域也可以称为露箔区域。此留白区域作为连接极耳的区域。
[0009] 本发明的正极极片中，集流体和极耳之间设置有应力缓冲导电层，其是具有弹性和良好的导电性的材料，可以同时起到固定集流体和极耳
位置，电子导通集流体和极耳，吸收释放极耳对集流体的剪切、挤压应力，以及增加留白区域(也称为露箔区域)强度的多重作用于功能。
[0010] 本发明的正极极片中，应力缓冲导电层上带有孔位，是一种中空结构，此孔位可以作为焊接孔位，通过此焊接孔位使孔下方的露箔区域可进行极耳与集流体的焊接，起到进一步提高极耳与集流体整体强度的作用。
[0011] 本发明中，集流体的不含极耳一侧表面也贴有胶带，一方面可以提升正极极片的强度和导电性，另一方面也是更为重要的作用是可以避免因铝箔等集流体暴露导致
温度过高灼伤隔膜。为了达到更好地实现上述两方面的效果，该侧的胶带设置在与极耳上的胶带相对应的位置(即上下两面的胶带相对于集流体的位置一致)。
[0012] 以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
[0013] 优选地，所述集流体为铝箔。
[0014] 优选地，所述集流体的厚度为12μm～16μm，例如12μm、13μm、13.5μm、14μm、14.5μm、15μm或16μm等。
[0015] 本发明中，对正极浆料的种类不作限定，例如可以是三元正极材料或
磷酸铁锂材料的浆料等。
[0016] 优选地，所述极耳为铝带。
[0017] 优选地，所述极耳的长度为40mm～70mm，例如40mm、45mm、50mm、60mm、65mm或70mm等；宽度优选为0.1mm～0.15mm，例如0.1mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm或0.15mm等；厚度优选为0.07mm～0.15mm，例如0.07mm、0.08mm、0.10mm、0.12mm、0.14mm或0.15mm等。
[0018] 本发明中，定义与集流体卷绕方向垂直的方向为极耳的长度方向，此方向也是留白区域、应力缓冲导电层和孔位的长度方向，相应地，与长度方向垂直的方向为宽度方向。
[0019] 本发明中，为了使除孔位处之外，极耳和留白区域不直接接触，本领域技术人员可对应力缓冲导电层、极耳的尺寸以及二者位置关系进行设计。
[0020] 为了达到此目的，可采用如下技术方案：所述留白区域的长度和宽度均对应地大于应力缓冲导电层的长度和宽度。所述“对应地”指：留白区域的长度大于应力缓冲导电层的长度，留白区域的宽度大于应力缓冲导电层的宽度。
[0021] 优选地，所述应力缓冲导电层的长度和宽度均对应地大于极耳与留白区域重叠区域的长度和宽度。所述“对应地”指：应力缓冲导电层的长度大于极耳与留白区域重叠区域的长度，应力缓冲导电层的宽度大于极耳与留白区域重叠区域的宽度。
[0022] 优选地，所述极耳的长度方向，一侧边缘位于应力缓冲导电层内部，另一侧位于集流体外侧。
[0023] 优选地，所述极耳上与留白区域和胶带交叉的位置处，也具有应力缓冲导电层。
[0024] 作为本发明所述正极极片的优选技术方案，所述孔位位于所述应力缓冲导电层的中部，形成中空结构。
[0025] 优选地，所述极耳的宽度大于孔位的宽度，极耳的边缘位于孔位之外，从而使极耳完全覆盖孔位。
[0026] 优选地，所述孔位为方形孔位，长度为10mm-40mm，例如10mm、15mm、20mm、25mm、30mm或40mm等；宽度为3mm-8mm，例如3mm、4mm、5mm、6mm、7mm或8mm等。
[0027] 作为本发明所述正极极片的优选技术方案，所述留白区域位于所述集流体的中间位置。
[0028] 优选地，所述集流体的留白区域和极耳通过应力缓冲导电层上的孔位固定。
[0029] 优选地，所述固定的方式为焊接，所述焊接优选为超声焊或电阻焊中的任意一种。
[0030] 优选地，所述应力缓冲导电层的长度和宽度距离极耳固定边缘(比如焊接边缘)处的距离均在1mm以上。
[0031] 作为本发明所述正极极片的优选技术方案，所述应力缓冲导电层为应力缓冲与导电胶层。
[0032] 优选地，所述应力缓冲与导电胶层为弹性的双面导电胶带。应力缓冲与导电胶层具有导电和缓冲应力集中的作用，能够释放正极极耳对正极集流体铝箔的剪切应力，避免在循环充放电过程中因应力集中而导致的铝箔开裂问题。
[0033] 本发明优选弹性的双面导电胶带作为应力缓冲与导电胶层，采用这种双面导电胶的形式，一面与集流体中的留白区域(也称露箔区域)进行贴合固定，可以起到提高集流体露箔区域的
抗拉强度的作用；另一面与极耳贴合固定，这样集流体铝箔与极耳之间具有较好的电导和稳定连接效果。
[0034] 优选地，所述应力缓冲导电层的厚度为30μm-50μm，例如30μm、32μm、35μm、40μm、43μm、46μm、48μm或50μm等。
[0035] 优选地，所述应力缓冲导电层的材质为弹性高分子材料和导电材料的
复合材料。
[0036] 优选地，所述弹性高分子材料为弹性粘结剂，优选为耐高温的弹性粘结剂。
[0037] 优选地，所述导电材料包括
碳粉(例如高导电碳粉)、
石墨烯或碳
纳米管中的任意一种或至少两种的组合，但并不限于上述列举的导电材料，其他具有良好的导电性的导电材料也可用于本发明。
[0038] 本发明中，弹性高分子材料和导电材料的复合材料的制备方法为现有技术，本领域技术人员可参照现有技术公开的方法将弹性高分子材料和导电材料进行复合。
[0039] 更优选地，所述应力缓冲导电层的表面具有凸起，所述凸起的结构为金字塔型或类金字塔型，这种弹性金字塔或类金字塔型结构，可以有效地吸收释放应力。
[0040] 作为本发明所述正极极片的优选技术方案，所述胶带为耐高温的胶带，本领域技术人员可以根据实际应用中正极极片需要耐受的高温温度来选择胶带的耐受温度并选择合适的材质。
[0041] 优选地，所述胶带完全覆盖留白区域。
[0042] 优选地，所述胶带位于留白区域、应力缓冲导电层和极耳的正上方。
[0043] 第二方面，本发明提供如第一方面所述的带极耳的正极极片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0044] (a)预先制备好正极浆料；
[0045] (b)在集流体的表面涂布形成正极浆料层并预留出留白区域；
[0046] (c)对缓冲导电层进行冲孔形成孔位；
[0047] (d)将冲孔后的具有孔位的缓冲导电层置于所述留白区域内，与留白区域贴合预压；
[0048] (e)将极耳置于缓冲导电层上，使极耳完全覆盖缓冲导电层上的孔位，进行预压，使极耳与缓冲导电层的孔位实现位置固定，同时实现留白区域、缓冲导电层和极耳的电子导通连接；
[0049] (f)将缓冲导电层下方的留白区域与极耳固定(固定时需要穿过缓冲导电层的孔位，所述固定可以是超声焊接或者
电阻焊接等连接方式)，固定的同时实现电子导通连接；
[0050] (g)在极耳上粘贴胶带，在集流体的不含极耳一侧表面也粘贴胶带；
[0051] 除孔位处之外，极耳边缘和留白区域不直接接触。
[0052] 作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤(b)的方法包括：在集流体上部分涂布正极浆料并留白，然后烘干和辊压。
[0053] 优选地，优选地，步骤(c)所述孔位为方形孔位，长度为10mm-40mm，宽度为3mm-8mm。
[0054] 优选地，步骤(d)所述缓冲导电层为弹性双面导电胶，经过与留白区域(也即露箔区域)的贴合预压，一方面形成了露箔铝箔与双面导电胶的复合层，进行了露箔铝箔的增强作用，提高铝箔的抗剪切强度和抗压强度；另一方面也为极耳提供了应力缓冲与释放层，使极耳边缘作用于铝箔的的剪切应力及时释放。
[0055] 优选地，步骤(d)和步骤(e)所述预压的压力大小独立地为0.1MPa-0.3MPa，例如0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.22MPa、0.25MPa或0.3MPa等。
[0056] 优选地，步骤(f)所述固定的方式为焊接，所述焊接优选为超声焊或电阻焊中的任意一种。通过此焊接步骤，可以提高极耳与集流体的导电性和粘结强度。
[0057] 优选地，步骤(g)中，所述胶带为耐高温的胶带。
[0058] 优选地，步骤(g)中，极耳上的胶带完全覆盖留白区域。
[0059] 优选地，步骤(g)中，极耳上的胶带位于留白区域、应力缓冲导电层和极耳的正上方。
[0060] 优选地，步骤(g)中，在集流体的不含极耳一侧表面粘贴的胶带与极耳上的胶带位置相对应。
[0061] 第三方面，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包含第一方面所述的带极耳的正极极片；
[0062] 优选地，所述锂离子电池为圆柱锂离子电池。
[0063] 与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0064] 本发明的正极极片结构新颖，一方面，这种极片结构能够释放正极极耳对正极集流体铝箔的剪切应力，避免在循环充放电过程中因应力集中而导致的铝箔开裂问题，提高锂离子电池的循环性能；另一方面，这种极片结构可以增强极耳与集流体铝箔的导电性，提高极耳焊接强度，降低内阻，提高倍率性能。除上述优点外，这种极片结构还可以在集流体铝箔强度允许范围内，降低集流体的厚度，减少卷芯体积，有助于卷芯入壳；提高正极材料含量，有利于提高电池容量。
附图说明
[0065] 图1为
实施例1提供的锂离子电池正极极片的结构示意图，其中，1-集流体，11-留白区域，2-极耳，3-应力缓冲导电层，31-孔位，4-胶带，5正极浆料层；
[0066] 图2为实施例1提供的锂离子电池正极极片的结构分解图，其中，1-集流体，11-留白区域，2-极耳，3-应力缓冲导电层，31-孔位，4-胶带，5正极浆料层。
具体实施方式
[0067] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0068] 本发明提供一种锂离子电池的正极极片结构，具体是一种带极耳的正极极片，包括集流体1，应力缓冲导电层3，极耳2，以及胶带4，所述集流体1的表面设有正极浆料层5以及留白区域11；
[0069] 所述应力缓冲导电层3优选由弹性的双面导电胶带构成，具有导电和缓冲应力集中的作用；所述的应力缓冲导电层3优选为应力缓冲与导电胶层，优选采用双面导电胶形式，一面与集流体1中的留白区域11也即露箔区域进行贴合固定，露箔铝箔11形成复合层，可以提高集流体露箔区11的抗拉强度作用；另一面与极耳2固定，这样集流体铝箔1与极耳2之间可以起到较好的电子电导作用；所述应力缓冲导电层3为中空结构，预留焊孔位31，在焊孔位31上可进行集流体露箔11与极耳2的焊接工作，加固集流体1与极耳2的电子导通连接；所述的应力缓冲导电层3的长度、宽度必须大于极耳2与集流体1重叠区域的长度、宽度；极耳2边缘必须在应力缓冲与导电胶层之内；所述的应力缓冲导电层3，所采用的表面具有凸起，优选具有金字塔型或类金字塔型的凸起，其材质为弹性高分子材料和导电材料复合的材料，这种弹性金字塔结构，可以有效的吸收释放应力；所采用的高分子材料为耐高温类弹性粘结剂，导电剂为高导电碳粉、
石墨烯、
碳纳米管中的一种或多种，具有良好的导电性；
所述应力缓冲导电层3能同时起到固定集流体1和极耳2作用，电子导通集流体1和极耳2作用、吸收释放锋利的极耳边缘2对集流体1的剪切、挤压应力作用，增强留白区域11也即露箔区强度的多重作用与功能。
[0070] 组装成电池进行循环后，极片反弹和负极膨胀引起的压应力不可避免，但本发明的这种正极极片结构，可以缓解极耳边缘对露箔铝箔的挤压剪切作用，提高电池循环次数，使集流体铝箔在更多的循环次数也不会开裂。集流体优选为铝箔，厚度为12-16μm；极耳优选为铝带，宽度为0.1～0.15mm，厚度为0.07-0.15mm；所述胶带4的宽度必须完全覆盖露箔区；所述中空结构大小可进行调整，但其范围必须小于极耳的尺寸范围，极耳边缘必须置于焊孔位31外；所述正极涂层5为正极三元或磷酸铁锂的浆料，经涂布、烘干、辊压等工序制备而来；所述应力缓冲导电层3的弹性导电胶带厚度优选为30-50μm。
[0071] 实施例1
[0072] 本实施例提供一种锂离子电池带极耳的正极极片，其制备方法包括以下步骤：
[0073] (a)将523三元正极浆料涂覆在集流体1铝箔上，在中间预留一段留白区域11也即露箔区为连接极耳区域，接着进行烘干、辊压，涂覆的三元正极浆料形成正极浆料层5，分切制得预加工的正极极片；
[0074] (b)将弹性双面导电胶作为应力缓冲导电层3进行预冲孔，形成中空结构，所得孔位31作为预留焊孔位，以备后续进行铝箔露箔区11与极耳2之间的焊接工作；
[0075] (c)将冲孔后的弹性双面导电胶置于留白区域(11)铝箔露箔区内，进行贴合预压，形成露箔铝箔与双面导电胶的复合层，达到铝箔的增强作用，这样可以提高铝箔的抗剪切和抗压强度；
[0076] (d)将极耳2送置于双面导电胶的贴合位，进行预压，极耳固定于双面导电胶的一面，极耳2需完全覆盖预留的孔位31，弹性双面导电胶是一种弹性导电复合材料，其表面结构为一种弹性金字塔结构。
[0077] 在充放电循环过程中，极片膨胀收缩引起挤压应力，挤压应力作用于极耳处，由极耳(2)对留白区域11也即露箔铝箔形成挤压力，导致锋利的极耳边缘对铝箔形成剪切应力，本发明正极极片的弹性金子塔结构可以有效吸收并释放极耳边缘的剪切挤压应力，防止极片开裂，提高电池的循环次数；
[0078] (e)用拉铆焊头将预留孔位31下方的留白区域11铝箔露箔区与极耳2进行焊接，提高极耳2与铝箔的导电性和粘结强度；
[0079] (f)留白区域11、应力缓冲导电层3和极耳2的正上方贴胶带4，其是一种耐高温的胶带，露箔区
反面也贴一层高温胶带4；获得最终所需的正极极片。
[0080] 其中，弹性双面导电胶的长度宽度必须大于极耳2焊接边缘处1mm以上，留白区域11的长度和宽度必须大于弹性双面导电胶3的长度和宽度，高温胶带必须覆盖露箔区；
[0081] 本实施例铝箔集流体厚度为12μm，应力缓冲导电层3厚度为40μm。
[0082] 图1是实施例1提供的锂离子电池正极极片的结构示意图，其中，1-集流体，11-留白区域，2-极耳，3-应力缓冲导电层，31-孔位，4-胶带，5正极浆料层；
[0083] 图2是实施例1提供的锂离子电池正极极片的结构分解图，其中，1-集流体，11-留白区域，2-极耳，3-应力缓冲导电层，31-孔位，4-胶带，5正极浆料层。
[0084] 本实施例的极片在不同循环次数条件下的开裂情况见表1。
[0085] 实施例2
[0086] 除了集流体的厚度为15μm外，其他内容与实施例1相同。
[0087] 本实施例的极片在不同循环次数条件下的开裂情况见表1。
[0088] 实施例3
[0089] 本实施例提供一种锂离子电池带极耳的正极极片，其制备方法包括以下步骤：
[0090] (a)在集流体1(厚度14μ厚)的表面制备正极浆料层5并预留出留白区域11；
[0091] (b)将冲孔后的具有孔位31的缓冲导电层3置于所述留白区域11内，与留白区域11贴合预压；
[0092] (c)将极耳置于缓冲导电层上，使极耳完全覆盖缓冲导电层上的孔位31，进行预压；
[0093] (d)将所述集流体1的留白区域11和极耳2通过缓冲导电层3上的孔位31实现固定；
[0094] (e)在极耳上粘贴耐高温的胶带4；
[0095] 除孔位31处之外，极耳2和留白区域11不直接接触；
[0096] 所述正极浆料层5为磷酸铁锂正极材料浆料层；
[0097] 所述固定的方式为超声焊。
[0098] 本实施例的极片在不同循环次数条件下的开裂情况与实施例2类似。
[0099] 实施例4
[0100] 除以下内容外，其他内容与实施例1相同：
[0101] 所述极耳2上与留白区域11和胶带4交叉的位置处，也具有应力缓冲导电层。
[0102] 本实施例的极片在不同循环次数条件下的开裂情况与实施例2类似。
[0103] 对比例1
[0104] 除了没有应力缓冲导电层，其他内容与实施例1相同。
[0105] 此对比例的极片不含应力缓冲导电层，其容易发生破裂，具体测试结果见表1。
[0106] 对比例2
[0107] 除了没有应力缓冲导电层，且集流体的厚度为15μm外，其他内容与实施例1相同。
[0108] 理论上讲，集流体的厚度越厚，其抗开裂性能越好，然而，由于本实施例不含应力缓冲导电层，虽然本对比例的极片的厚度比实施例1厚，抗开裂效果却劣于实施例1(具体测试结果见表1)，说明了应力缓冲导电层的重要性。
[0109] 将以上各实施例和对比例的正极极片分别与同一类型的负极极片组装成电池，后续工序一样，进行循环对比测试，分别拆解其循环后的正极极片，验证其极耳开裂情况，其结果如表1所示(备注：以上正极的设计容量均为2.6Ah)；
[0110] 表1：循环次数和开裂情况(0.5C充，1C放；4.2-2.75V；25℃)
[0111]
[0112]
[0113]
申请人
声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
