TWI398031B - 鋰離子電池組 - Google Patents

Description

鋰離子電池組

本發明涉及一種鋰離子電池組。

先前的鋰離子電池通常可分為捲繞式及層疊式兩類，其包括外殼體、封裝於外殼體內的正極片、負極片、隔膜及電解液。該隔膜設置於正極片與負極片之間。該電解液充分浸潤正極片、負極片及隔膜。所述正極片包括一正極集流體及形成於該正極集流體表面的正極材料層。所述負極片包括一負極集流體及形成於該負極集流體表面的負極材料層。

層疊式的鋰離子電池可包括複數層交疊設置並藉由隔膜間隔的正、負極片。為減小鋰離子電池的厚度，正、負極片間的壓合較為緊密，從而造成向正、負極片間注入電解液較為困難。正、負極片的面積越大，電解液越難以注入。故，為使電解液能夠滲透並充分浸潤至正、負極片的中部，於製造的過程中通常需要將注入電解液後的鋰離子電池放置較長時間。這一缺點在動力大電池的製造過程中尤為明顯，注入電解液後的動力大電池往往需要放置十幾小時甚至更長時間，大大影響了鋰離子電池的生產效率。另，這種緊密壓合的正負極片使充放電過程中鋰離子電池內部產生的氣體不易向外排出，影響鋰離子電池的性能。

有鑒於此，提供一種易於注入電解液且在使用過程中氣體易於排出的鋰離子電池組實為必要。

一種鋰離子電池組，其包括複數相互電連接的電池單體，該電池單體包括層疊並間隔設置的正極片及負極片，該正極片具有至少一第一通孔，該負極片具有至少一第二通孔，該第二通孔與該第一通孔位置對應。

一種鋰離子電池組，其包括複數相互電連接的電池單體，該電池單體包括複數正極片及複數負極片，該複數正極片與複數負極片交替層疊並間隔設置，該每個正極片具有複數第一通孔，該每個負極片具有複數第二通孔，該每個第二通孔均與一個第一通孔對應。

相較於先前技術，所述鋰離子電池組的正、負極片均具有通孔，使電解液易於從通孔中進入並滲透至正、負極片中部，並且在充放電過程中，該鋰離子電池組內部產生的氣體易於從通孔排出。

10，20，30‧‧‧鋰離子電池組

12‧‧‧正極接線柱

14‧‧‧負極接線柱

16‧‧‧連接片

18‧‧‧電池緊固裝置

100‧‧‧鋰離子電池單體

102‧‧‧正極片

104‧‧‧負極片

106‧‧‧隔膜

108‧‧‧外部封裝結構

112‧‧‧正極集流體

122‧‧‧正極材料層

114‧‧‧負極集流體

124‧‧‧負極材料層

130a‧‧‧正極耳

130b‧‧‧負極耳

132‧‧‧第一通孔

134‧‧‧第二通孔

圖1為本發明實施例鋰離子電池組的一個電池單體的外部結構示意圖。

圖2為本發明實施例鋰離子電池組的一個電池單體的內部結構示意圖。

圖3為圖2中的電池單體沿III-III線的剖視示意圖。

圖4為正極片的通孔與負極片的通孔的配合示意圖。

圖5為本發明實施例1鋰離子電池組複數電池單體的連接電路圖。

圖6為本發明實施例1鋰離子電池組複數電池單體的結構配合示意圖。

圖7為本發明實施例2鋰離子電池組複數電池單體的連接電路圖。

圖8為本發明實施例2鋰離子電池組複數電池單體的結構配合示意圖。

圖9為本發明實施例3鋰離子電池組複數電池單體的連接電路圖。

圖10為本發明實施例3鋰離子電池組複數電池單體的結構配合示意圖。

下面將結合圖式及具體實施例對本發明提供的鋰離子電池組作進一步的詳細說明。

本發明實施例提供一種鋰離子電池組10，其包括複數相互之間串聯或並聯連接的鋰離子電池單體100。

請參閱圖1及圖2，該鋰離子電池單體100其包括正極片102、負極片104、隔膜106、非水性電解液及外部封裝結構108。該外部封裝結構108將正極片102、負極片104、隔膜106及非水性電解液封裝其間。該正極片102與負極片104層疊設置，並藉由隔膜106相互間隔。該層疊的正極片102、負極片104及隔膜106相互貼合。可以理解，雖然圖1僅示出一正極片102及兩負極片104交疊的結構，該鋰離子電池單體100可包括複數正極片102與複數負極片104交替層疊設置，每兩個相鄰的正極片與負極片之間具有一隔膜。該正極片102、負極片104的數量不限，正極片102、負極片104可以分別為1層~100層或更多層，優選為20層~50層。

請參閱圖3，該正極片102包括一片狀的正極集流體112及形成於該正極集流體112與所述負極集流體114相對的表面的正極材料層122。該負極片104包括一片狀的負極集流體114及形成於該負極集流體114與所述正極集流體112相對的表面的負極材料層124。優選地，該正極片102具有兩個正極材料層122分別形成在該正極集流體112兩個相對表面，該負極片104具有兩個負極材料層124分別形成在該負極集流體114兩個相對表面。將所述正極片102與負極片104層疊設置後，該正極材料層122與負極材料層124藉由所述隔膜106間隔，並與所述隔膜106貼合設置。該正極集流體112還可具有一伸出正極材料層122外部的正極耳130a。該負極集流體114還可具有一伸出負極材料層124外部的負極耳130b。該正極耳130a、負極耳130b用於與 鋰離子電池單體100外部的電路電連接。當複數正極片102與複數負極片104交替層疊設置時，該複數正極集流體112的正極耳130a相互重疊，該複數負極集流體114的負極耳130b相互重疊，且該正極集流體112的正極耳130a與該負極集流體114的負極耳130b分開設置。

該正極片102具有至少一第一通孔132，該負極片104具有至少一與所述第一通孔132相對應的第二通孔134。該第一通孔132與第二通孔134為電解液提供流通通道，使正極片102、負極片104表面的電解液能夠流入正極片102、負極片104之間。優選地，該正極片102與負極片104均具有複數基本均勻的分佈在正極片102、負極片104上的第一通孔132及第二通孔134。形成在正極片102上的第一通孔132使正極片102兩個相對的表面連通，形成在負極片104上的第二通孔134使負極片104兩個相對的表面連通。可以理解，該第一通孔132及第二通孔134的數量與正極片102、負極片104的面積有關，當鋰離子電池單體100較小時，如正極片102、負極片104的邊長小於等於10厘米時，可僅在正極片102的中心形成一第一通孔132，並在負極片104的中心形成一與第一通孔132位置對應的第二通孔134。

由於該正極片102、負極片104整體具有第一通孔132及第二通孔134，該正極材料層122、正極集流體112、負極材料層124及負極集流體114亦具有通孔，且該正極材料層122的通孔與正極集流體112的通孔邊緣對齊，該負極材料層124的通孔與負極集流體114的通孔邊緣對齊。每個負極片104上的第二通孔134均與一個正極片102上的第一通孔132對應。亦即，正極片102上的第一通孔132的數量可以多於負極片104的第二通孔134的數量。優選地，第一通孔132及第二通孔134數量相等，該第一通孔132與第二通孔134一一對應。當將正極片102、負極片104層疊設置後，該正極片102、負極片104的相互對應的第一通孔132及第二通孔134的軸線基本對準。然，該 正極片102、負極片104係先各自形成第一通孔132及第二通孔134後，再與所述隔膜106裝配在一起的，故設置於所述正極片102、負極片104之間的隔膜106為一完整結構，並不具有類似於正極片102、負極片104的第一通孔132及第二通孔134，從而防止正極片102、負極片104之間的短路。

該正極片102、負極片104的第一通孔132及第二通孔134形狀不限、可為圓孔、方空、菱形孔、三角形孔、多邊形孔或其組合。該正極片102、負極片104相對應的第一通孔132及第二通孔134可以具有一致的形狀，如當正極片102上的第一通孔132為圓孔時，與該第一通孔132對應的負極片104的第二通孔134亦為圓孔。該每個第一通孔132及第二通孔134的面積約為0.001平方毫米~13平方毫米，每個第一通孔132及第二通孔134的邊長或直徑約為50微米~4毫米。優選地，該第一通孔132及第二通孔134為直徑1毫米~2毫米的圓孔。同一正極片102、負極片104上相鄰的兩個第一通孔132及第二通孔134軸線之間的間隔為1厘米~50厘米，優選為5厘米。該複數第一通孔132及第二通孔134可按行及列排列形成陣列，或以正極片102、負極片104的中心為圓心呈發散狀排列。該正極片102、負極片104的開孔率優選小於10%，更為優選小於2%，如1%至1‰。較小的開孔率一方面可以確保正極集流體112、負極集流體114表面能夠擔載更多活性物質，避免影響電池容量；另一方面可以確保正極集流體112、負極集流體114具有足夠的強度，不致由於擠壓而斷裂。

請參閱圖4，該正極片102的第一通孔132的尺寸可以大於或等於所述負極片104第二通孔134的尺寸。當該第一通孔132、第二通孔134為圓形孔時，該第一通孔132的直徑大於或等於第二通孔134的直徑。當該第一通孔132、第二通孔134為矩形孔時，該第一通孔132的邊長大於或等於第二通孔134的邊長。優選地，該正極片102第一通孔132的尺寸大於所述負極片104 第二通孔134，從而為負極片104第二通孔134的位置留有餘量，易於裝配。所述正極片102、負極片104平行設置，當正極片102、負極片104第一通孔132及第二通孔134的位置略有偏差而非精確對準時，在垂直於所述正極片102、負極片104的方向上，該正極片102的第一通孔132包圍該負極片104的第二通孔134，使負極片104的第二通孔134位於正極片102的第一通孔132的範圍內，從而使整個正極片102的正極材料層122均對應有負極片104的負極材料層124。由於正極材料層122含鋰，這種設置方式使從正極片102到負極片104的方向上，由於總有負極材料層124與正極材料層122相對應，防止鋰離子直接以金屬鋰的形式析出，提高電池的安全性。優選地，該正極片102第一通孔132的邊長或直徑為該負極片104第二通孔134的邊長或直徑的1.5倍至2倍。本實施例中，該正極片102第一通孔132的邊長或直徑為2毫米，該負極片104第二通孔134的邊長或直徑為1毫米。當該鋰離子電池單體100包括複數正極片102及複數負極片104相互交疊時，該複數正極片102、負極片104中的第一通孔132及第二通孔134的軸線均相互基本對準，或至少使所述負極片104的第二通孔134能夠位於所述正極片102的第一通孔132的範圍內。優選地，該複數正極片102的第一通孔132與該複數負極片104的第二通孔134一一對應。

該正極集流體112、負極集流體114為金屬箔片，該正極集流體112可為鋁箔或鈦箔，該負極集流體114可為銅箔或鎳箔。該正極集流體112、負極集流體114的厚度為1微米~200微米。該正極材料層122包括均勻混和的正極活性物質、導電劑及黏結劑。該負極材料層124包括均勻混合的負極活性物質、導電劑及黏結劑。該正極活性物質可為錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳酸鋰或磷酸鐵鋰等，該負極活性物質可為天然石墨、有機裂解碳或中間相碳微球(MCMB)等，該導電劑可為乙炔黑或碳纖維等，該黏結劑可為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)等。可以理解，該正極活性物質、負極活性物 質、導電劑及黏結劑亦可採用其他常用的材料。該正極片102的整體厚度約為100微米~300微米，優選為200微米。該負極片104的整體厚度約為50微米~200微米，優選為100微米。

所述隔膜106可為聚丙烯微孔性膜，所述電解液中的電解質鹽可為六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰或雙草酸硼酸鋰等，所述電解液中的有機溶劑可為碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯或碳酸二甲酯等。可以理解，所述隔膜106和電解液亦可採用其他常用的材料。另，所述電解液可以用固體電解質膜或離子液體取代，當該鋰離子電池組具有固體電解質膜時，該固體電解質膜進一步取代所述隔膜106，設置在所述正極材料層122與負極材料層124之間。

所述外部封裝結構108可為硬質電池殼或軟封裝袋。所述130暴露於所述外部封裝結構108之外，從而實現鋰離子電池單體100與外部電路的電連接。

實施例1

請參閱圖5及圖6，本實施例提供一鋰離子電池組10，其包括複數相互串聯的鋰離子電池單體100。該每個鋰離子電池單體100可進一步包括一正極接線柱12及一負極接線柱14。該正極接線柱12與鋰離子電池單體100的所有正極耳130a電連接，該負極接線柱14與鋰離子電池單體100的所有負極耳130b電連接。該複數鋰離子電池單體100可相互層疊設置，並使複數鋰離子電池單體100的正極接線柱12及負極接線柱14相互交錯排列，使一個鋰離子電池單體100的正極接線柱12與另一個鋰離子電池單體100的負極接線柱14靠近，以利於鋰離子電池單體100之間的串聯。

該鋰離子電池組10可進一步包括複數連接片16及一電池緊固裝置18。該連接片16將一個鋰離子電池單體100的正極接線柱12與相鄰的鋰離子電池單體100的負極接線柱14電連接。該電池緊固裝置18用於固定所述鋰離子電 池單體100，設置在該複數層疊在一起的鋰離子電池單體100的週邊和底端，從而使鋰離子電池單體100之間不致發生移動和錯位。

該複數鋰離子電池單體100的數量不限，本實施例為將3個鋰離子電池單體100相互串聯組成該鋰離子電池組10。藉由將鋰離子電池單體100串聯可提高鋰離子電池組10的總電壓。當鋰離子電池單體100的工作電壓為V₀，串聯後得到的鋰離子電池組10的工作電壓V=V₀×n。其中n為鋰離子電池組10中鋰離子電池單體100的數量。

實施例2

請參閱圖7及圖8，本實施例提供一鋰離子電池組20，其包括複數相互並聯的鋰離子電池單體100、複數連接片16及一電池緊固裝置18。該每個鋰離子電池單體100進一步包括一正極接線柱12及一負極接線柱14。本實施例2中的鋰離子電池組20與實施例1的鋰離子電池組10結構基本相同，其區別在於在該鋰離子電池組20中，所有鋰離子電池單體100的正極接線柱12相靠近，所有鋰離子電池單體100的負極接線柱14相靠近，以利於鋰離子電池單體100之間的並聯。

該複數鋰離子電池單體100的數量不限，本實施例為將3個鋰離子電池單體100相互並聯組成該鋰離子電池組20。藉由將鋰離子電池單體100並聯可提高鋰離子電池組20的總容量。當鋰離子電池單體100的容量為C₀，並聯後得到的鋰離子電池組20的總容量C=C₀×n。其中n為鋰離子電池組20中鋰離子電池單體100的數量。

實施例3

請參閱圖9及圖10，本實施例提供一鋰離子電池組30，其包括相互並聯的m個單元，每個單元包括數量相等的n個相互串聯的鋰離子電池單體100、複 數連接片16及一電池緊固裝置18。該每個鋰離子電池單體100進一步包括一正極接線柱12及一負極接線柱14。本實施例中的鋰離子電池組30與實施例1的鋰離子電池組10結構基本相同，其區別在於，在每個單元內一個鋰離子電池單體100的正極接線柱12與另一個鋰離子電池單體100的負極接線柱14靠近，以便於實現單元內部的鋰離子電池單體100之間的串聯，而複數單元之間的正極接線柱12相靠近，以便於實現複數單元之間的並聯。

該複數鋰離子電池單體100的數量不限，本實施例為相互並聯的2個單元，每個單元具有3個相互串聯的鋰離子電池單體100。藉由將鋰離子電池單體100串聯及並聯可提高鋰離子電池組30的總容量及總電壓。當鋰離子電池單體100的容量為C₀，工作電壓為V₀，串並聯後得到的鋰離子電池組30的總容量C=C₀×m，總電壓為V=V₀×n。其中m為鋰離子電池組30中並聯的單元的數量，n為一個單元中鋰離子電池單體100的數量。

可以理解，所述鋰離子電池組中複數鋰離子電池單體100之間的電連接方式不限前述實施例1-3中的連接方式。如，可以將複數鋰離子電池單體100先並聯組成複數單元，再將該複數單元進行串聯，組成該鋰離子電池組。另，該鋰離子電池組內部還可連接有其他電路元件，如電容、電阻、電感等。

本發明實施例鋰離子電池組中一個鋰離子電池單體100的製備方法主要包括以下幾個步驟：步驟一，提供正極集流體112及負極集流體114；步驟二，分別於該正極集流體112及負極集流體114表面均勻塗佈正極材料層122及負極材料層124，形成正極片102及負極片104；步驟三，於正極片102及負極片104上形成位置對應的第一通孔132及第二 通孔134；及步驟四，將正極片102及負極片104封裝至一外部封裝結構108中。

於前述步驟二中，可藉由塗膜機對所述正極集流體112、負極集流體114進行塗膜。具體地，先將正極活性物質及負極活性物質分別與導電劑及黏結劑溶液混合，形成正極漿料及負極漿料，再藉由塗膜機將正、負極漿料分別塗佈於正極集流體112、負極集流體114表面並乾燥，形成正極材料層122、負極材料層124。進一步地，可藉由壓膜機對塗佈的正極材料層122、負極材料層124進行壓實。

於前述步驟三中，所述形成第一通孔132及第二通孔134的方法可以採用衝壓法或雷射蝕刻法等方法。藉由雷射蝕刻法可形成尺寸較小的第一通孔132及第二通孔134。所述第一通孔132及第二通孔134係於形成正極材料層122、負極材料層124之後形成的，從而避免先單獨對正極集流體112、負極集流體114開孔後再進行塗佈時產生的漿料滲漏或黏連使第一通孔132及第二通孔134堵塞的情況。所述第一通孔132及第二通孔134係形成於正極片102、負極片104對應的位置，具體地，可藉由定位裝置將大小相等的正極片102、負極片104固定，並於相同的位置進行打孔。

當所述鋰離子電池組採用電解液或離子液體時，前述步驟四可進一步包括：(1)提供隔膜106，將正極片102與負極片104分別設置於所述隔膜106兩側並壓合；及(2)藉由所述第一通孔132及第二通孔134向正極片102及負極片104間注入電解液或離子液體，並將所述正極片102、負極片104、隔膜106及電解液或離子液體封裝於所述外部封裝結構108中。

於前述步驟(1)中，可先將所述隔膜106鋪設於正極片102表面，再將所述負極片104覆蓋於隔膜106之上，於裝配的過程中，應藉由定位裝置使正極片102上的第一通孔132與負極片104上的第二通孔134儘量對準。當所述鋰離子電池包括複數正極片102及複數負極片104時，可反復多次的依次層疊所述正極片102、隔膜106及負極片104，形成多層結構。層疊後的正極片102、負極片104及隔膜106可藉由壓膜機相互壓緊。

於前述步驟(2)中，所述電解液藉由所述通孔注入正極片102、負極片104之間。由於所述正極片102及負極片104具有第一通孔132及第二通孔134，藉由所述第一通孔132及第二通孔134，電解液可快速地流入正極片102與負極片104之間，迅速浸潤整個正極片102、負極片104及隔膜106，提高了鋰離子電池組的生產效率。所述正極片102及負極片104的面積越大，尤其於動力大電池中，從通孔處注入電解液的效果越明顯。優選地，該正極片102及負極片104的面積可大於400平方厘米。當該正極片102及負極片104為矩形時，該正極片102及負極片104的邊長可大於20厘米，優選為50厘米~100厘米。

當所述鋰離子電池單體100採用固體電解質時，可直接將固體電解質膜代替所述隔膜106設置於正極片102及負極片104之間。

所述鋰離子電池組於使用時，由於所述正極片102及負極片104具有第一通孔132及第二通孔134，使於正極片102及負極片104間電解液或其他物質分解產生的氣體能夠容易的排出。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧鋰離子電池單體

130a‧‧‧正極耳

130b‧‧‧負極耳

132‧‧‧第一通孔

134‧‧‧第二通孔

Claims (19)

1. 一種鋰離子電池組，其包括複數相互電連接的電池單體，每一該電池單體包括層疊並間隔設置的正極片及負極片，其改良在於，該正極片具有至少一第一通孔，該負極片具有至少一第二通孔，該至少一第二通孔與該至少一第一通孔位置對應，該正極片及負極片的開孔率均小於10%。
2. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該正極片具有複數第一通孔，該負極片具有複數第二通孔，每個第二通孔均與一個第一通孔對應。
3. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，所述相互對應的至少一第一通孔與至少一第二通孔的軸線基本對準。
4. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該至少一第一通孔與至少一第二通孔具有相同的形狀。
5. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該至少一第一通孔的面積大於所述至少一第二通孔的面積。
6. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，所述正、負極片平行設置，於垂直於所述正、負極片的方向上，所述相互對應的第二通孔位於所述第一通孔的範圍內。
7. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該至少一第一通孔及至少一第二通孔的形狀包括圓孔、方空、菱形孔、三角形孔及多邊形孔中的至少一種。
8. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，每個所述至少一第一通孔及至少一第二通孔的面積分別為0.001平方毫米至13平方毫米。
9. 如申請專利範圍第2項所述的鋰離子電池組，其中，該相鄰的兩個第一通 孔及相鄰的兩個第二通孔的軸線之間的間距為1厘米至50厘米。
10. 如申請專利範圍第2項所述的鋰離子電池組，其中，每一該第一通孔為直徑2毫米的圓孔，每一該第二通孔為直徑1毫米的圓孔，並一一軸線對準。
11. 如申請專利範圍第10項所述的鋰離子電池組，其中，該相鄰的兩個第一通孔及相鄰的兩個第二通孔的軸線之間的間距均為5厘米。
12. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該正極片包括一正極集流體及設置於該正極集流體表面的正極材料層，該負極片包括一負極集流體及設置於該負極集流體表面的負極材料層。
13. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該電池單體進一步包括將該正極片與該負極片間隔的隔膜。
14. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該電池單體進一步包括電解質及外部封裝結構將所述正極片、負極片、電解質及隔膜封裝於該外部封裝結構中。
15. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該電池單體進一步包括將該正極片與該負極片間隔的固體電解質。
16. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該鋰離子電池組進一步包括複數連接片及一禁緊固裝置，該電池單體進一步包括一正極接線柱及一負極接線柱，該正極接線柱與該正極片電連接，該負極接線柱與該負極片電連接，該複數電池單體之間藉由該複數連接片電連接，並藉由該緊固裝置固定。
17. 如申請專利範圍第1項所述的鋰離子電池組，其中，該複數電池單體之間相互串聯、相互並聯或串聯與並聯相結合連接。
18. 一種鋰離子電池組，其包括複數相互電連接的電池單體，每一該電池單體包括複數正極片及複數負極片，該複數正極片與複數負極片交替層疊 並間隔設置，其改良在於，每個該些正極片具有複數第一通孔，每個該些負極片具有複數第二通孔，每個所述第二通孔均與一個所述第一通孔對應，每個该些正極片及每個该些負極片的開孔率均小於10%。
19. 如申請專利範圍第18項所述的鋰離子電池組，其中，該些第二通孔與第一通孔一一對應。