一种高性能的电芯结构的制作方法

1.本发明涉及电芯制作技术领域，特别是涉及一种高性能的电芯结构。


背景技术：

2.锂离子电池具有比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备(如移动电话、数码摄像机和手提电脑)上得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面，因此对锂离子电池的性能要求越来越高。
3.目前，锂离子电池发展的两大方向为：容量密度的提升和充放电倍率的提升。其中，容量密度的提升主要手段是通过原材料改善，而原材料价格居高不下，已经使得此手段越来越艰难。而充电倍率的提升，是基于低内阻而进行，但是通过电池体系优化来改善电池内阻，复杂又高耗。
4.同时，在充放电过程中，锂离子传递速度会因为电芯受力点不同而出现局部变慢的现象，在电池寿命周期内，电池的局部位置会出现析锂的风险，影响电池的循环寿命以及安全。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种高性能的电芯结构。
6.为此，本发明提供了一种高性能的电芯结构，其包括中空的电芯壳体；
7.电芯壳体的内腔，设置有电芯极组；
8.电芯壳体的内部，还设置有复合磁体层；
9.复合磁体层，包括磁性涂层、绝缘保护层和外保护膜；
10.磁性涂层，涂覆在电芯壳体内部的预设涂覆位置；
11.绝缘保护层覆盖在磁性涂层的表面；
12.外保护膜覆盖在绝缘保护层的表面；
13.磁性涂层的制备，包括以下操作：
14.第一步，浆体制备：将粉末状的磁性涂层物质与粘结剂混合并搅拌均匀，然后逐步添加溶剂进行稀释和搅拌，获得磁性涂层浆体；
15.第二步，浆体涂覆：将第一步制备获得的磁性涂层浆体，均匀涂覆于电芯壳体内部的预设涂覆位置，待磁性涂层浆体干燥后，即可获得磁性涂层；
16.绝缘保护层的制备，包括以下操作：
17.将绝缘的粘结剂、绝缘的添加剂和绝缘的分散剂，混合并搅拌均匀，获得绝缘保护层浆体，然后将绝缘保护层浆体涂覆于磁性涂层表面，绝缘保护层浆体将磁性涂层表面全覆盖，待绝缘保护层浆体干燥后，获得绝缘保护层。
18.由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种高性能的电芯结构，其设计科学，通过磁性涂层构造的磁场体，可实现磁场对电场以及锂离子的
传递干扰(具体是磁性涂层产生磁场，对锂离子li 的传递有较好的促进作用)，此结构组装后的电池电芯的放电容量明显提升，内阻降低，提高电池的性能。
19.对于本发明，其独特之处在于，通过在电池的特定位置设置磁场，可实现电池容量提升，加快特定位置的锂离子传递速度，避免因锂离子传递受阻而导致的电芯极组角部析锂问题。
20.对于本发明，其通过磁和电的相互作用来降低内阻、提升锂离子传递速度以及活性、提升电芯的容量。本发明的技术方案，不仅除适用于电池外，还适用与电池组/包，对于整体有容量提升效果。
附图说明
21.图1为本发明提供的一种高性能的电芯结构的结构示意图；
22.图2为本发明提供的一种高性能的电芯结构中复合磁体层的结构示意图；
23.图3为电芯在磁场和无磁场时的充放电容量对比示意图
24.图4为电芯在磁场和无磁场时的dcir(直流内阻)对比示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
29.参见图1至图4，本发明提供了一种高性能的电芯结构，包括中空的电芯壳体1；
30.电芯壳体1的内腔，设置有电芯极组；
31.电芯壳体1的内部，还设置有复合磁体层2；
32.复合磁体层2，包括磁性涂层201、绝缘保护层202和外保护膜203；
33.磁性涂层201，涂覆在电芯壳体1内部的预设涂覆位置；
34.绝缘保护层202覆盖在磁性涂层201的表面，用于对磁性涂层201起到绝缘保护的作用；
35.外保护膜203覆盖在绝缘保护层202的表面，用于对绝缘保护层202进行保护，避免外力划伤。
36.在本发明中，具体实现上，绝缘保护层202，通过涂覆的方式，覆盖在磁性涂层201的表面。
37.在本发明中，具体实现上，外保护膜203，为粘贴在绝缘保护层202表面的绝缘膜。
38.在本发明中，具体实现上，电芯壳体1的顶部设置有电芯盖板；
39.电芯盖板的左右两端，分别设置有正极极柱3和负极极柱4；
40.电芯壳体1的内腔底部，覆盖设置有水平分布的下垫片(绝缘的垫片)；
41.当电芯壳体1内部的电芯极组为竖直放置时，电芯壳体1内部的预设涂覆位置具体为：电芯盖板的下表面和下垫片的上表面(第一种方案)；
42.当电芯壳体1内部的电芯极组为扁平放置(即水平、平躺放置)时，电芯壳体1内部的预设涂覆位置具体为：电芯壳体1四周侧壁内壁(第二种方案)。
43.需要说明的是，电芯极组的正极耳和负极耳，分别与正极极柱3的底部和负极极柱4的底部相连接，实现电传导。
44.需要说明的是，电芯壳体1内部的预设涂覆位置，可以根据不同的电池结构，来灵活调整具体的涂覆位置，涂覆位置不固定，可以是包含所有能提高电池容量及提高锂子传递速率的位置。电池电芯，不仅限于方型铝壳电池电芯，还包括圆型、软包等电池电芯。
45.具体实现上，在本发明中，在电芯盖板的下表面和下垫片的上表面涂覆磁性涂层201，为第一种方案；在电芯壳体1四周侧壁内壁涂覆磁性涂层201为第二种方案，这两个方案会根据电芯的结构的不同做不同选择：例如，当电芯壳体1内部的电芯极组为竖直放置(即垂直水平面放置，此时，极组的正极耳和负极耳分布在极组顶部)的时候，那么采用第一种方案进行磁性涂层201的涂覆；如果电芯壳体1内部的电芯极组为扁平放置(即水平、平躺放置)时，则在电芯的四周涂覆(即采用第二种方案进行磁性涂层201的涂覆)，这涉及到磁场的作用力问题。
46.在本发明中，具体实现上，磁性涂层201的制备，包括以下操作：
47.第一步，浆体制备：将粉末状的磁性涂层物质与粘结剂混合并搅拌均匀，然后逐步添加溶剂进行稀释和搅拌，获得磁性涂层浆体；
48.第二步，浆体涂覆：将第一步制备获得的磁性涂层浆体，均匀涂覆于电芯壳体1内部的预设涂覆位置(例如电芯盖板的下表面、电芯壳体1四周侧壁内壁以及下垫片的上表面)，待磁性涂层浆体干燥后，即可获得磁性涂层201。
49.在第一步中，在磁性涂层浆体中，溶质包括磁性涂层物质和粘结剂，溶质按质量百分比包括下列组分：
50.90～98％的磁性涂层物质和2～10％的粘结剂；
51.在磁性涂层浆体中，溶剂的质量占溶质(包括磁性涂层物质和粘结剂)质量的20～60％
52.具体实现上，溶质具体可以包括质量百分比92％的磁性涂层物质和8％的粘结剂；溶剂的质量占溶质质量的40％。
53.在第一步中，磁性涂层物质，包括合金、铁氧体和金属间化合物中的至少一种；
54.具体实现上，合金，包括天然铁氧磁性体、alni(co)、fecr(co)和fecrmo等合金中的至少一种；
55.需要说明的是，天然铁氧磁性体，例如可以是feo
·
fe2o3(fe3o4)。
56.铁氧体，包括bao
·
6fe2o3、sro
·
6fe2o3和pbo
·
6fe2o3等铁氧体中的至少一种；
57.金属间化合物，包括fecrco、ptco、mnalc、cunife和almnag等金属间化合物中的至少一种。
58.在第一步中，粘结剂为聚偏氟乙烯pvdf。
59.在第一步中，磁性涂层物质为粉末状，粉末之间通过pvdf类粘结剂粘结。
60.在第一步中，溶剂，包括nmp、dmc和ec中的至少一种。
61.需要说明的是，在本发明中，粘结剂和磁性涂层物质粉末之间的溶剂为有机nmp、dmc、ec等其中的一种或者几种。通过将磁性涂层物质和粘结剂混合后，通过行星搅拌混合均匀，随后逐步添加溶剂进行稀释和搅拌，形成浆体。
62.在本发明中，具体实现上，绝缘保护层202的制备，包括以下操作：
63.将绝缘的粘结剂、绝缘的添加剂和绝缘的分散剂(分散剂作为溶剂)，混合并搅拌均匀，获得绝缘保护层浆体，然后将绝缘保护层浆体涂覆于磁性涂层201表面，绝缘保护层浆体将磁性涂层201表面全覆盖(即完全覆盖)，待绝缘保护层浆体干燥后，获得绝缘保护层202；
64.在绝缘保护层浆体中，溶质包括粘结剂和添加剂，溶质按照质量百分比包括下列组分：
65.4～17％的粘结剂和83～96％的添加剂；
66.在绝缘保护层浆体中，溶剂的质量占溶质(包括粘结剂和添加剂)质量的20～60％。
67.具体实现上，溶质具体可以包括质量百分比12％的粘结剂和88％的添加剂；溶剂的质量占溶质质量的36％。
68.具体实现上，关于绝缘保护层202的制备，绝缘的粘结剂，可以为聚偏氟乙烯pvdf。
69.具体实现上，关于绝缘保护层202的制备，绝缘的添加剂，可以为陶瓷或勃母石类等添加剂，例如，陶瓷粉末或勃母石粉末。
70.具体实现上，关于绝缘保护层202的制备，绝缘的分散剂，可以为nmp(n-甲基吡咯烷酮)，具体可以是nmp类中的一种或者几种。
71.为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。
72.实施例1。
73.取pvdf粉末于行星搅拌器中，加入nmp溶剂，pvdf：nmp为1:10，搅拌30min，速度为1500r/min。搅拌后常温散热30min。随后添加bao
·
6fe2o3和fe2o3粉末，保持两者的质量比为2:1，搅拌速度2000r/min，搅拌时间为60min，搅拌后的浆料作为磁性涂层浆体；
74.将此磁性涂层浆体涂覆于电芯盖板的内层表面，涂覆量为100mg/cm2，同步将磁性涂层浆体涂覆于电芯壳体的底部内表面，涂覆量为100mg/cm2。涂覆范围为整个电芯壳体和电芯盖板的内层表面。将涂覆后的电芯壳体和电芯盖板置于烘箱中，在70℃的温度下烘干
24h，获得磁性涂层；
75.将pvdf和勃母石粉末按照重量比(即质量比)为1:5置于搅拌器中，分散剂为nmp。搅拌速度为1300r/min，搅拌时间为60min，搅拌完成后，获得绝缘保护层浆体。将绝缘保护层浆体涂覆于上述磁性涂层表面。并置于烘箱中烘干24h；在干燥后，获得绝缘保护层。继续将聚酰亚胺胶带(作为外保护膜)粘贴于绝缘保护层表面，且完全覆盖在其表面。
76.在实施例1中，电芯中的极组为卷绕形式，包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液及收尾胶带。所述的正极片包括集流体和表面活性物质，所述负极片包括集流体和表面活性物质，隔膜为pe基膜，将正极片、负极片和隔膜卷绕后制程方型极组。卷绕后的电芯极组通过初焊和终焊工序与电芯盖板连接，其中的电芯盖板下表面和电芯壳体底部内表面已经预涂覆有磁性物质层(即复合磁体层)，形成储存能量的主体，将电芯注液后形成完整电芯体。
77.在电芯充放电过程中，电芯壳体上的磁性涂层和电芯壳体底部的磁性涂层会形成强磁场，磁场作用于极组内部和极组的c角处，促进提高离子传递速度，降低锂离子传递阻抗，延缓c角析锂问题的发生。
78.需要说明的是，极组的c角处，指的是：位于卷绕形成的极组的侧面上，带有曲率的端部(例如下端部)，此面因为卷绕张力与大面不同，会产生循环过程中的失效。
79.实施例2。
80.取pvdf粉末于行星搅拌器中，加入nmp溶剂，pvdf：nmp为1:10，搅拌30min，速度为1500r/min。搅拌后常温散热30min。随后将天然磁铁矿石，在破碎研磨器中研磨成粉末，随后将粉末加至pvdf浆体中，搅拌速度2000r/min，搅拌时间为60min，搅拌后的浆料作为磁性涂层浆体；
81.将此磁性涂层浆体涂覆于电芯盖板的内层表面，涂覆量为100mg/cm2，同步将磁性涂层浆体涂覆于电芯壳体的底部内表面，涂覆量为100mg/cm2。涂覆范围为整个电芯壳体和电芯盖板的内层表面。将涂覆后的芯壳体和电芯盖板置于烘箱中70℃烘干24h，获得磁性涂层；
82.将pvdf和勃母石粉末按照重量比(即质量比)为1:5置于搅拌器中，分散剂为nmp。搅拌速度为1300r/min，搅拌时间为60min。搅拌完成后，获得绝缘保护层浆体。将绝缘保护层浆体涂覆于上述磁性涂层表面。并置于烘箱中烘干24h；在干燥后，获得绝缘保护层。将聚酰亚胺胶带(作为外保护膜)粘贴于绝缘保护层表面，且完全覆盖在其表面。
83.在实施例2中，电芯中的极组为卷绕形式，包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液及收尾胶带。所述的正极片包括集流体和表面活性物质，所述负极片包括集流体和表面活性物质，隔膜为pe基膜，将正极片、负极片和隔膜卷绕后制程方型极组。卷绕后的电芯极组通过初焊和终焊工序与电芯盖板连接，其中的电芯盖板下表面和电芯壳体底部内表面已经预涂覆有磁性物质层(即复合磁体层)，形成储存能量的主体，将电芯注液后形成完整电芯体。
84.在电芯充放电过程中，电芯壳体上的磁性涂层和电芯壳体底部的磁性涂层会形成强磁场，磁场作用于极组内部和极组的c角处，促进提高离子传递速度，降低锂离子传递阻抗，延缓c角析锂问题的发生。
85.参见图3所示，图3为电芯结构中带有磁性涂层和无磁性涂层时，电芯的充放电容
量对比示意图，图3中，1圈、2圈...5圈分别对应表示充放电的第1圈、2圈....5圈，通过对比可以发现，增加涂层结构后，电芯的充放电容量有明显提升。
86.在图3中，横坐标为施加磁场和未施加磁场对比，具体包括不同充放电圈数下的对比，目的在于说明，充放电多次后，有无磁场的对比；纵坐标为电芯充放电的容量。
87.参见图4所示，图4为电芯结构中带有磁性涂层和无涂层时，其充电和放电的dcir(直流内阻)对比示意图，由图4可以看出，无磁性涂层时，电芯的内阻大，而在增加磁性涂层结构后，电芯的dcir(直流内阻)明显降低，这主要是由于磁场对锂离子li 产生作用力，导致li 的扩散阻力降低，表现出来就是电芯内阻的减小。
88.在图4中，横坐标为施加磁场和未施加磁场对比，具体包括充放电下的充电内阻和放电内阻对比；纵坐标为电芯的内阻值。
89.通过图3和图4的对比，可以看出，本发明在增加磁性涂层后，能够使得电芯的充放电内阻明显降低，说明磁性涂层对锂离子li 的传递起到促进作用，相应的充放电容量有明显提升，同样说明了对电芯容量的促进作用。
90.与现有技术相比较，本发明提供的高性能的电芯结构，具有如下有益效果：
91.1、制作简便，不会对其他组件的制作产生影响，相比变更材料提高性能，本高性能的电芯结构的改善更为方便且适应性更强，适应于批量生产。相对于一般的磁场发射装置，本结构成本低；
92.2本发明提供的高性能的电芯结构所产生的性能提升，可以永久持续，尤其对于电芯充放电后期改善明显。
93.3本发明提供的高性能的电芯结构，可以在一定程度上降低电芯能量密度提升的压力，同时降低了电芯的设计成本，在一定程度上可以解决诸如极组c角析锂问题。需要说明的是，电芯的能量密度的提升在超过一定阈值后，会越来越难，本发明通过磁性涂层的加入，有利于提高了电芯容量。
94.综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种高性能的电芯结构，其设计科学，通过磁性涂层构造的磁场体，可实现磁场对电场以及锂离子的传递干扰(具体是磁性涂层产生磁场，对锂离子li 的传递有较好的促进作用)，此结构组装后的电池电芯的放电容量明显提升，内阻降低，提高电池的性能。
95.对于本发明，其独特之处在于，通过在电池的特定位置设置磁场，可实现电池容量提升，加快特定位置的锂离子传递速度，避免因锂离子传递受阻而导致的电芯极组角部析锂问题。
96.对于本发明，其通过磁和电的相互作用来降低内阻、提升锂离子传递速度以及活性、提升电芯的容量。本发明的技术方案，不仅除适用于电池外，还适用与电池组/包，对于整体有容量提升效果。
97.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。