一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法
专利名称：一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法
技术领域：
本发明涉及化学电源技术领域，特别涉及一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电 芯卷绕方法。
背景技术：
锂-二硫化铁电池由于具有能量密度高、电压高、重量轻、自放电小、工作温度范 围宽、寿命长等优点，是摄像机、移动电话、笔记本电脑机便携式测量仪器等电子装置小型 轻量化的理想电源，也是未来电动汽车用轻型高能动力电池的首选电源。目前，国内外的圆柱形锂-二硫化铁电池制造厂商生产的电芯通常为卷绕型锂电 池，该电芯的制作过程如下首先，将正极活性物质涂覆在正极导电基材上，然后对正极进 行烘干、辊压、分切处理得到正极极片；然后，选择特定尺寸的金属锂或其合金钼带作为负 极极片；接着，将正极极耳连接到正极极片上以形成正极结构，将负极极耳连接到负极极片 上以形成负极结构；最后，将正极结构、负极结构和双层隔膜的始端对齐后送入卷绕设备， 以卷绕形成电芯。然而，正极极耳和负极极耳通常为由金属材料制成的矩形片状结构。由于金属材 料的硬度较大，其矩形片状的边角处很容易刺穿隔膜，并且将正极极耳和负极极耳焊接至 正极极片和负极极片时产生的毛刺也很可能剌穿隔膜，隔膜被刺穿将使得位于隔膜两侧的 正极结构和负极结构导通，造成电池内部短路。电池内部短路会损坏电池，导致电池不可使 用，严重时还可能产生危险。因此，需要一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，以解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进 一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的 关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。为了解决现有技术的问题，本发明提供一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯 卷绕方法，所述电芯包括正极结构、负极结构和夹在所述正极结构和所述负极结构之间的 隔膜，所述正极结构包含正极极片和设置在所述正极极片一端的正极极耳，所述负极结构 包含负极极片和设置在所述负极极片一端的负极极耳，所述方法包括a)将双层所述隔膜 送入卷针，双层所述隔膜之间夹有所述负极结构，所述负极结构的未设置有所述负极极耳 的一端作为所述负极结构卷绕的始端，且所述负极结构的始端位于双层所述隔膜的始端之 后；b)对双层所述隔膜进行预卷绕；C)将所述正极结构放置在双层所述隔膜的最内侧，并 使所述正极结构与双层所述隔膜一起卷绕，所述正极结构的设置有所述正极极耳的一端作 为所述正极结构卷绕的始端，所述负极结构的始端位于所述正极极耳之后；d)使所述负极 结构与所述正极结构和双层所述隔膜一起卷绕；e)使所述正极结构、所述负极结构依次完 成卷绕，其中，所述正极结构的末端位于所述负极极耳之前，双层所述隔膜不先于所述负极结构完成卷绕。优选地，所述负极结构的始端与双层所述隔膜的始端之间的距离不少于20mm。优选地，双层所述隔膜的预卷绕尺寸不少于10mm。优选地，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为22_30mm。优选地，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为10_15mm。优选地，所述c)步骤中所述正极结构与双层所述隔膜一起卷绕预定长度，所述预 定长度为10-20mm。优选地，所述预定长度为12_15mm。优选地，所述预定长度为10_12mm。优选地，当所述正极结构卷绕结束后，负极结构继续卷绕，以使所述负极结构完全 包裹所述正极结构。优选地，所述负极结构先于双层所述隔膜完成卷绕。优选地，当所述负极结构卷绕结束后，双层所述隔膜继续卷绕1-3圈。优选地，所述方法还包括在卷绕结束后用胶布粘住双层所述隔膜的末端。优选地，所述b)步骤还包括在所述预卷绕结束后，在双层所述隔膜的末端施加张 力。本发明还提供一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯，所述电芯是采用如上所 述的电芯卷绕方法制得的。本发明还提一种圆柱形锂-二硫化铁电池，所述圆柱形锂-二硫化铁电池包含如 上所述的电芯。采用根据本发明的电芯卷绕方法可以有效地避免由于正极极耳和/或负极极耳 附近的隔膜被刺穿而导致的位于隔膜两侧的正极结构和负极结构导通，造成内部短路，因 此可以防止电池损坏、提高电池的使用寿命和良品率。此外，采用根据本发明的电芯卷绕方 法制备的锂-二硫化铁电池的放电性能优越。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发 明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中， 图1为卷针的示意图2为根据本发明的电芯卷绕方法的流程图； 图3A为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第一阶段的示意图； 图3B为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第二阶段的示意图； 图3C为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第三阶段的示意图； 图4为根据本发明一个优选实施方式的电芯卷绕方法的示意图。
具体实施例方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然 而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以 实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了便于描述根据本发明的用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，这里 先介绍本发明所采用的卷针，卷针是卷绕设备中最重要的部件之一。图1为卷针的示意图。如图1所示，卷针100包括圆柱状的主体101和柄部102， 其中主体101的一端固定在柄部102上。主体101上设有沿主体101的轴向贯穿整个主 体101的缝隙103，缝隙103将主体101分成两部分IOla和101b。缝隙103的尺寸从远离 柄部102的一端至靠近柄部102的一端逐渐变窄，也就是说，缝隙103在靠近柄部102的 一端较窄，而在远离柄部102的一端较宽。缝隙103主要是用于卷绕开始时作为进料口， 以固定电极材料，并且在电芯卷绕完成后将卷绕好的电芯从卷针101上移除。卷针100的 主体101可以由高强度金属或合金材料形成，例如，合金材料可以为钼-锌-镁-铜-锆 合金、锌-镁-铜-锆合金、铬-锆-钴合金、铬-错-钴-铁合金、铬-错-钴-钛合金、 铬-锆-钴-铁-钛合金等。主体101的直径可以为1. 5-4. 5mm。下面将结合图2、3A-3C和图4来说明本发明的电芯卷绕方法。电芯包括正极结构、 负极结构和夹在正极结构和负极结构之间的隔膜。其中，正极结构和负极结构的制造方法 可以为本领域常用的方法，例如，在金属箔上涂覆由1 、导电材料和粘结剂组成的正极活 性物质，并经过烘干、辊压、分切处理得到正极极片，并将正极极耳连接到正极极片的一端 以形成正极结构。以金属锂作为负极极片，并将负极极耳连接到负极极片的一端以形成负 极结构。以高纯度PE膜或PE/PP复合膜作为隔膜。图2为根据本发明的电芯卷绕方法的流程图。在步骤201中，将双层隔膜送入卷针，双层隔膜之间夹有负极结构，负极结构的未 设置有负极极耳的一端作为负极结构卷绕的始端，且负极结构的始端位于双层隔膜的始端 之后。在实际操作中，卷绕时可以使卷针固定，两层隔膜移动，也可以使两层隔膜固定，卷针 移动来完成卷绕。优选地，负极结构的始端与双层隔膜的始端之间的距离不少于20mm，以保 证双层隔膜完成预卷绕之后，负极结构的始端仍未开始卷绕。采用双层隔膜先进法，主要是 由于PP隔膜或PP/PE隔膜的柔韧性良好，抗拉强度高并且材质薄，因此可以通过双层隔膜 来控制卷绕拉力。双层隔膜中间夹住容易变形负极结构，可以对负极结构起到定位及保护 作用。此外，与其它卷绕电池电芯的方式相比，本发明的负极结构无需用胶带粘贴固定，因 此简化了工艺步骤，消除了电池工作时胶带对电芯的影响。在步骤202中，对双层隔膜进行预卷绕。当双层隔膜的一端进入卷针上的缝隙后， 先仅对双层隔膜进行预卷绕，且预卷绕尺寸不得少于10_。具体的预卷绕尺寸可以根据电 池型号和生产者的需要来选择。可以理解的是，预卷绕尺寸不宜过长，一方面，预卷绕尺寸 过长会造成隔膜材料的浪费，增加成本；另一方面，由于电池钢壳的容量有限，预卷绕尺寸 过长会增大其所占据的容积，降低有效物质的含量，进而影响电池容量。举例来说，在卷绕 得到AA型电池的电芯时，双层隔膜的预卷绕尺寸可以为22-30mm。在卷绕得到AAA型电池 的电芯时，双层隔膜的预卷绕尺寸可以为10-15mm。由于随后对双层隔膜进行卷绕时，需要 使双层隔膜张紧，因此为了不让双层隔膜从卷针上脱落，先对双层隔膜进行预卷绕。优选 地，预卷绕结束后，在双层隔膜的末端施加张力，以便于电芯的卷绕。图3A为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第一阶段的示意图。如图3所示， 使双层隔膜302的一端进入卷针301上的缝隙，在双层隔膜302中间夹着负极结构303，以对负极结构303起到定位及保护作用。为了将负极结构303平整地夹持在双层隔膜302之 间，可以在双层隔膜302进入卷针301之前，完成所述夹持步骤。预卷绕完成后，在双层隔 膜302的末端施加张力，图3中箭头A所示的方向为施加张力的方向。在步骤203中，将正极结构放置在双层隔膜的最内侧，并使正极结构与双层隔膜 一起卷绕，正极结构的设置有正极极耳的一端作为正极结构卷绕的始端，负极结构的始端 位于正极极耳之后。所述双层隔膜的最内侧为卷绕过程中双层隔膜的两侧中靠近卷针的一 侧。由于正极极耳是由金属材料制成的，并且呈细条状，而隔膜和正极极片的材质较软，因 此，位于始端的正极极耳可以便于最初卷绕成圆柱状，并且在卷绕完成后，电芯的中心部分 仍保持原有的形状。负极结构的始端位于正极极耳之后，可以避免因正极极耳加入正极结 构的始端以及正极极耳焊接至正极极片时，产生正极结构不平整，甚至在焊接正极极耳时 产生的毛刺可能剌穿隔膜造成电池内部短路。正极结构与双层隔膜一起卷绕预定长度，其 中，所述预定长度可以为10_20mm，制造者可以根据电池的不同型号来选择预定长度。举例 来说，在卷绕得到AA型电池的电芯时，该预定长度可以为12-15mm。在卷绕得到AAA型电池 的电芯时，该预定长度可以为10-12mm。图:3B为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第二阶段的示意图。如图;3B所示， 正极结构305的始端先于负极结构303的始端开始卷绕，正极结构305先进入卷针301，以 防止设置在正极结构305始端的正极极耳306刺穿双层隔膜302，造成电池内部短路。当正 极结构305卷绕到预定长度后，负极结构303在双层隔膜302夹带下开始卷绕。在步骤204中，使负极结构的始端进入卷绕位，并使负极结构与正极结构和双层 隔膜一起卷绕。当正极结构卷绕预定长度后，负极结构在双层隔膜的保护下进入卷绕位开 始卷绕。在步骤205中，使正极结构、负极结构依次完成卷绕，其中，所述负极结构包括负 极极片和设置在该负极极片的末端的负极极耳，正极结构的末端位于负极极耳之前，双层 隔膜不先于负极结构完成卷绕。优选地，当正极结构卷绕结束后，负极结构继续卷绕，以使负极结构完全包裹正极 结构。这样操作的主要目的是让最外层正极结构上的正极活性物质能够充分发生电化学 反应，以提高正极活性物质的利用率；由于负极极片是由金属锂制成的，负极结构完全包裹 正极结构可以防止在电池使用过程中负极极片被消耗而与负极极耳断开连接，导致电池不 可用；由于负极结构的最外圈焊接有负极极耳，负极极耳焊接至负极结构后可能产生负极 结构表面不平整，甚至毛刺，因此使正极结构先于负极结构被卷绕完可以防止剌穿双层隔 膜而造成电池内部短路；当电芯装入电池钢壳后因电池钢壳为外接负极，最外圈为负极这 样可避免负极极耳剌破双层隔膜而与电池钢壳电连接，造成电池内部短路。更优选地，当正 极结构卷绕结束后负极结构继续卷绕1圈，以避免正极结构被多层负极结构包裹，进而防 止造成负极结构的浪费。优选地，负极结构先于双层隔膜完成卷绕。更优选地，负极结构卷绕完成后使双层 隔膜继续卷绕1-3圈。优选地，在卷绕结束后用胶布粘住双层隔膜末端，以形成电芯。当正、 负极结构完全被卷绕入电芯后，双层隔膜根据电池大小需要继续卷绕l_40mm。举例来说， 在卷绕得到AA型电池的电芯时，双层隔膜继续卷绕的长度可以为7-20mm。在卷绕得到AAA 型电池的电芯时，双层隔膜继续卷绕的长度可以为5-20mm。
图3C为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程处于第三阶段的示意图。如图3C所 示，卷绕过程即将结束时，正极结构305、负极结构303和双层隔膜302的剩余部分为正极 结构305的剩余长度最短，双层隔膜302的剩余长度最长，负极结构303的剩余长度居中。 负极结构303比正极结构305长出的部分要使卷绕结束后负极结构303能够完全包裹正极 结构305。双层隔膜302比负极结构303长出的部分要使双层隔膜302在负极结构303结 束卷绕后，可以绕着卷针301继续卷绕1-3圈。在步骤206中，电芯卷绕完成后，沿卷针的主体至柄部的方向将卷针从电芯中抽 出。由于本发明的卷针上的缝隙外宽内窄，因此，可以无需其它步骤就可以沿图3C中箭头 B所示的方向抽出，使卷绕完成的电芯脱离卷针301。下面将描述正极结构、负极结构以及双层隔膜的始端及末端进入卷针的顺序。图 4为根据本发明一个优选实施方式的电芯卷绕方法的示意图。如图4所示，将两层隔膜402 以及夹带着两者之间的负极结构403送入卷针，正极结构405位于卷绕过程中双层隔膜402 的两侧中靠近卷针的一侧。应当注意的是，双层隔膜先进入卷针进行预卷绕，然后始端带有 正极极耳406的正极结构405进入卷针，最后负极结构403在双层隔膜402的保护下进入 卷针。卷绕接近结束时，正极结构最先完成卷绕，接着是末端具有负极极耳404的负极结构 403完成卷绕，最后完成卷绕的是双层隔膜，并在卷绕结束后用胶布粘住双层隔膜末端，以 形成电芯。本发明还提供一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯，该电芯是采用上述电芯 卷绕方法中的任意一种制得的。本发明还提供一种圆柱形锂-二硫化铁电池，该圆柱形锂-二硫化铁电池上述电
-I-H心。制备例1
将1 粉末与导电剂、粘结胶混合后进行搅拌制成正极活性物质，并将该正极活性物 质涂覆在正极极片上，然后对正极极片进行烘干、辊压、分切处理，得到长度为^5mm，宽度 为41mm，厚度为0. 17-0. 19mm,质量为6. 2-6. 5g的正极极片。将长度为310mm，宽度为39mm， 厚度为0. 15-0. 17mm，质量为0. 9_1. Og的纯金属锂的箔带作为负极极片。然后，分别将正极 极耳和负极极耳的一端连接到正极极片和负极极片上形成正极结构和负极结构，再采用本 发明的方法将正极结构、负极结构和双层隔膜(Celgard2400隔膜)卷绕在一起形成电芯，其 中，卷绕圈数为11. 5-12圈，正极结构与负极结构的有效接触面积为225-230cm2。接着，将 正极极耳与负极极耳分别连接到正极上盖组合体和电池钢壳。最后，将电芯放入电池钢壳 中，注入有机电解液，封口、清洗后进行一定程度的预放电得到AA型锂-二硫化铁电池。制备例2
采用与制备例1相同的方法制备AAA型锂-二硫化铁电池。不同之处在于正极极片 的长度为140mm，宽度为36mm，厚度为0. 17-0. 19mm，质量为2. 65-3. Ogo负极极片的长度为 160mm,宽度为34mm，厚度为0. 15-0. 17mm,质量为0. 6-0. 65g。卷绕圈数为7-7. 5圈，正极结 构与负极结构的有效接触面积为95-105cm2。
制备例1与制备例2所采用的参数，见表1。表 权利要求
1.一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，所述电芯包括正极结构、负极 结构和夹在所述正极结构和所述负极结构之间的隔膜，所述正极结构包含正极极片和设置 在所述正极极片一端的正极极耳，所述负极结构包含负极极片和设置在所述负极极片一端 的负极极耳，所述方法包括a)将双层所述隔膜送入卷针，双层所述隔膜之间夹有所述负极结构，所述负极结构的 未设置有所述负极极耳的一端作为所述负极结构卷绕的始端，且所述负极结构的始端位于 双层所述隔膜的始端之后；b)对双层所述隔膜进行预卷绕；c)将所述正极结构放置在双层所述隔膜的最内侧，并使所述正极结构与双层所述隔膜 一起卷绕，所述正极结构的设置有所述正极极耳的一端作为所述正极结构卷绕的始端，所 述负极结构的始端位于所述正极极耳之后；d)使所述负极结构与所述正极结构和双层所述隔膜一起卷绕；e)使所述正极结构、所述负极结构依次完成卷绕，其中，所述正极结构的末端位于所述 负极极耳之前，双层所述隔膜不先于所述负极结构完成卷绕。
2.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述负极结构的始端与双层所述 隔膜的始端之间的距离不少于20mm。
3.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，双层所述隔膜的预卷绕尺寸不少 于 IOmm0
4.如权利要求3所述的电芯卷绕方法，其特征在于，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为 22-30mm。
5.如权利要求3所述的电芯卷绕方法，其特征在于，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为 10_15mmo
6.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述c)步骤中所述正极结构与双 层所述隔膜一起卷绕预定长度，所述预定长度为10-20mm。
7.如权利要求6所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述预定长度为12-15mm。
8.如权利要求6所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述预定长度为10-12mm。
9.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，当所述正极结构卷绕结束后，所述 负极结构继续卷绕，以使所述负极结构完全包裹所述正极结构。
10.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述负极结构先于双层所述隔膜 完成卷绕。
11.如权利要求10所述的电芯卷绕方法，其特征在于，当所述负极结构卷绕结束后，双 层所述隔膜继续卷绕1-3圈。
12.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述方法还包括在卷绕结束后用 胶布粘住双层所述隔膜的末端。
13.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述b)步骤还包括在所述预卷绕 结束后，在双层所述隔膜的末端施加张力。
14.一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯，其特征在于，所述电芯是采用权利要求 1-13中任一项所述的电芯卷绕方法制得的。
15.一种圆柱形锂-二硫化铁电池，其特征在于，所述圆柱形锂-二硫化铁电池包含权利要求14所述的电芯。
全文摘要
本发明提供了一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，包括将双层隔膜送入卷针，双层隔膜之间夹有负极结构，负极结构的未设置有负极极耳的一端作为负极结构卷绕的始端，且负极结构的始端位于双层隔膜的始端之后；对双层隔膜进行预卷绕；将正极结构放置在双层隔膜的最内侧，并使正极结构与双层隔膜一起卷绕，正极结构的设置有正极极耳的一端作为正极结构卷绕的始端，负极结构的始端位于正极极耳之后；使负极结构与正极结构和双层隔膜一起卷绕；使正极结构、负极结构依次完成卷绕，其中，正极结构的末端位于负极极耳之前，双层隔膜不先于负极结构完成卷绕。该方法可以避免正、负极极耳刺穿隔膜造成内部短路，以防止电池损坏。
文档编号H01M10/052GK102122728SQ20111003128
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者张清顺, 徐小春, 陈美娟, 陈行建, 陈进添 申请人:福建南平南孚电池有限公司
技术领域：
本发明涉及化学电源技术领域，特别涉及一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电 芯卷绕方法。
背景技术：
锂-二硫化铁电池由于具有能量密度高、电压高、重量轻、自放电小、工作温度范 围宽、寿命长等优点，是摄像机、移动电话、笔记本电脑机便携式测量仪器等电子装置小型 轻量化的理想电源，也是未来电动汽车用轻型高能动力电池的首选电源。目前，国内外的圆柱形锂-二硫化铁电池制造厂商生产的电芯通常为卷绕型锂电 池，该电芯的制作过程如下首先，将正极活性物质涂覆在正极导电基材上，然后对正极进 行烘干、辊压、分切处理得到正极极片；然后，选择特定尺寸的金属锂或其合金钼带作为负 极极片；接着，将正极极耳连接到正极极片上以形成正极结构，将负极极耳连接到负极极片 上以形成负极结构；最后，将正极结构、负极结构和双层隔膜的始端对齐后送入卷绕设备， 以卷绕形成电芯。然而，正极极耳和负极极耳通常为由金属材料制成的矩形片状结构。由于金属材 料的硬度较大，其矩形片状的边角处很容易刺穿隔膜，并且将正极极耳和负极极耳焊接至 正极极片和负极极片时产生的毛刺也很可能剌穿隔膜，隔膜被刺穿将使得位于隔膜两侧的 正极结构和负极结构导通，造成电池内部短路。电池内部短路会损坏电池，导致电池不可使 用，严重时还可能产生危险。因此，需要一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，以解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进 一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的 关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。为了解决现有技术的问题，本发明提供一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯 卷绕方法，所述电芯包括正极结构、负极结构和夹在所述正极结构和所述负极结构之间的 隔膜，所述正极结构包含正极极片和设置在所述正极极片一端的正极极耳，所述负极结构 包含负极极片和设置在所述负极极片一端的负极极耳，所述方法包括a)将双层所述隔膜 送入卷针，双层所述隔膜之间夹有所述负极结构，所述负极结构的未设置有所述负极极耳 的一端作为所述负极结构卷绕的始端，且所述负极结构的始端位于双层所述隔膜的始端之 后；b)对双层所述隔膜进行预卷绕；C)将所述正极结构放置在双层所述隔膜的最内侧，并 使所述正极结构与双层所述隔膜一起卷绕，所述正极结构的设置有所述正极极耳的一端作 为所述正极结构卷绕的始端，所述负极结构的始端位于所述正极极耳之后；d)使所述负极 结构与所述正极结构和双层所述隔膜一起卷绕；e)使所述正极结构、所述负极结构依次完 成卷绕，其中，所述正极结构的末端位于所述负极极耳之前，双层所述隔膜不先于所述负极结构完成卷绕。优选地，所述负极结构的始端与双层所述隔膜的始端之间的距离不少于20mm。优选地，双层所述隔膜的预卷绕尺寸不少于10mm。优选地，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为22_30mm。优选地，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为10_15mm。优选地，所述c)步骤中所述正极结构与双层所述隔膜一起卷绕预定长度，所述预 定长度为10-20mm。优选地，所述预定长度为12_15mm。优选地，所述预定长度为10_12mm。优选地，当所述正极结构卷绕结束后，负极结构继续卷绕，以使所述负极结构完全 包裹所述正极结构。优选地，所述负极结构先于双层所述隔膜完成卷绕。优选地，当所述负极结构卷绕结束后，双层所述隔膜继续卷绕1-3圈。优选地，所述方法还包括在卷绕结束后用胶布粘住双层所述隔膜的末端。优选地，所述b)步骤还包括在所述预卷绕结束后，在双层所述隔膜的末端施加张 力。本发明还提供一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯，所述电芯是采用如上所 述的电芯卷绕方法制得的。本发明还提一种圆柱形锂-二硫化铁电池，所述圆柱形锂-二硫化铁电池包含如 上所述的电芯。采用根据本发明的电芯卷绕方法可以有效地避免由于正极极耳和/或负极极耳 附近的隔膜被刺穿而导致的位于隔膜两侧的正极结构和负极结构导通，造成内部短路，因 此可以防止电池损坏、提高电池的使用寿命和良品率。此外，采用根据本发明的电芯卷绕方 法制备的锂-二硫化铁电池的放电性能优越。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发 明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中， 图1为卷针的示意图2为根据本发明的电芯卷绕方法的流程图； 图3A为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第一阶段的示意图； 图3B为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第二阶段的示意图； 图3C为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第三阶段的示意图； 图4为根据本发明一个优选实施方式的电芯卷绕方法的示意图。
具体实施例方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然 而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以 实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了便于描述根据本发明的用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，这里 先介绍本发明所采用的卷针，卷针是卷绕设备中最重要的部件之一。图1为卷针的示意图。如图1所示，卷针100包括圆柱状的主体101和柄部102， 其中主体101的一端固定在柄部102上。主体101上设有沿主体101的轴向贯穿整个主 体101的缝隙103，缝隙103将主体101分成两部分IOla和101b。缝隙103的尺寸从远离 柄部102的一端至靠近柄部102的一端逐渐变窄，也就是说，缝隙103在靠近柄部102的 一端较窄，而在远离柄部102的一端较宽。缝隙103主要是用于卷绕开始时作为进料口， 以固定电极材料，并且在电芯卷绕完成后将卷绕好的电芯从卷针101上移除。卷针100的 主体101可以由高强度金属或合金材料形成，例如，合金材料可以为钼-锌-镁-铜-锆 合金、锌-镁-铜-锆合金、铬-锆-钴合金、铬-错-钴-铁合金、铬-错-钴-钛合金、 铬-锆-钴-铁-钛合金等。主体101的直径可以为1. 5-4. 5mm。下面将结合图2、3A-3C和图4来说明本发明的电芯卷绕方法。电芯包括正极结构、 负极结构和夹在正极结构和负极结构之间的隔膜。其中，正极结构和负极结构的制造方法 可以为本领域常用的方法，例如，在金属箔上涂覆由1 、导电材料和粘结剂组成的正极活 性物质，并经过烘干、辊压、分切处理得到正极极片，并将正极极耳连接到正极极片的一端 以形成正极结构。以金属锂作为负极极片，并将负极极耳连接到负极极片的一端以形成负 极结构。以高纯度PE膜或PE/PP复合膜作为隔膜。图2为根据本发明的电芯卷绕方法的流程图。在步骤201中，将双层隔膜送入卷针，双层隔膜之间夹有负极结构，负极结构的未 设置有负极极耳的一端作为负极结构卷绕的始端，且负极结构的始端位于双层隔膜的始端 之后。在实际操作中，卷绕时可以使卷针固定，两层隔膜移动，也可以使两层隔膜固定，卷针 移动来完成卷绕。优选地，负极结构的始端与双层隔膜的始端之间的距离不少于20mm，以保 证双层隔膜完成预卷绕之后，负极结构的始端仍未开始卷绕。采用双层隔膜先进法，主要是 由于PP隔膜或PP/PE隔膜的柔韧性良好，抗拉强度高并且材质薄，因此可以通过双层隔膜 来控制卷绕拉力。双层隔膜中间夹住容易变形负极结构，可以对负极结构起到定位及保护 作用。此外，与其它卷绕电池电芯的方式相比，本发明的负极结构无需用胶带粘贴固定，因 此简化了工艺步骤，消除了电池工作时胶带对电芯的影响。在步骤202中，对双层隔膜进行预卷绕。当双层隔膜的一端进入卷针上的缝隙后， 先仅对双层隔膜进行预卷绕，且预卷绕尺寸不得少于10_。具体的预卷绕尺寸可以根据电 池型号和生产者的需要来选择。可以理解的是，预卷绕尺寸不宜过长，一方面，预卷绕尺寸 过长会造成隔膜材料的浪费，增加成本；另一方面，由于电池钢壳的容量有限，预卷绕尺寸 过长会增大其所占据的容积，降低有效物质的含量，进而影响电池容量。举例来说，在卷绕 得到AA型电池的电芯时，双层隔膜的预卷绕尺寸可以为22-30mm。在卷绕得到AAA型电池 的电芯时，双层隔膜的预卷绕尺寸可以为10-15mm。由于随后对双层隔膜进行卷绕时，需要 使双层隔膜张紧，因此为了不让双层隔膜从卷针上脱落，先对双层隔膜进行预卷绕。优选 地，预卷绕结束后，在双层隔膜的末端施加张力，以便于电芯的卷绕。图3A为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第一阶段的示意图。如图3所示， 使双层隔膜302的一端进入卷针301上的缝隙，在双层隔膜302中间夹着负极结构303，以对负极结构303起到定位及保护作用。为了将负极结构303平整地夹持在双层隔膜302之 间，可以在双层隔膜302进入卷针301之前，完成所述夹持步骤。预卷绕完成后，在双层隔 膜302的末端施加张力，图3中箭头A所示的方向为施加张力的方向。在步骤203中，将正极结构放置在双层隔膜的最内侧，并使正极结构与双层隔膜 一起卷绕，正极结构的设置有正极极耳的一端作为正极结构卷绕的始端，负极结构的始端 位于正极极耳之后。所述双层隔膜的最内侧为卷绕过程中双层隔膜的两侧中靠近卷针的一 侧。由于正极极耳是由金属材料制成的，并且呈细条状，而隔膜和正极极片的材质较软，因 此，位于始端的正极极耳可以便于最初卷绕成圆柱状，并且在卷绕完成后，电芯的中心部分 仍保持原有的形状。负极结构的始端位于正极极耳之后，可以避免因正极极耳加入正极结 构的始端以及正极极耳焊接至正极极片时，产生正极结构不平整，甚至在焊接正极极耳时 产生的毛刺可能剌穿隔膜造成电池内部短路。正极结构与双层隔膜一起卷绕预定长度，其 中，所述预定长度可以为10_20mm，制造者可以根据电池的不同型号来选择预定长度。举例 来说，在卷绕得到AA型电池的电芯时，该预定长度可以为12-15mm。在卷绕得到AAA型电池 的电芯时，该预定长度可以为10-12mm。图:3B为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程中第二阶段的示意图。如图;3B所示， 正极结构305的始端先于负极结构303的始端开始卷绕，正极结构305先进入卷针301，以 防止设置在正极结构305始端的正极极耳306刺穿双层隔膜302，造成电池内部短路。当正 极结构305卷绕到预定长度后，负极结构303在双层隔膜302夹带下开始卷绕。在步骤204中，使负极结构的始端进入卷绕位，并使负极结构与正极结构和双层 隔膜一起卷绕。当正极结构卷绕预定长度后，负极结构在双层隔膜的保护下进入卷绕位开 始卷绕。在步骤205中，使正极结构、负极结构依次完成卷绕，其中，所述负极结构包括负 极极片和设置在该负极极片的末端的负极极耳，正极结构的末端位于负极极耳之前，双层 隔膜不先于负极结构完成卷绕。优选地，当正极结构卷绕结束后，负极结构继续卷绕，以使负极结构完全包裹正极 结构。这样操作的主要目的是让最外层正极结构上的正极活性物质能够充分发生电化学 反应，以提高正极活性物质的利用率；由于负极极片是由金属锂制成的，负极结构完全包裹 正极结构可以防止在电池使用过程中负极极片被消耗而与负极极耳断开连接，导致电池不 可用；由于负极结构的最外圈焊接有负极极耳，负极极耳焊接至负极结构后可能产生负极 结构表面不平整，甚至毛刺，因此使正极结构先于负极结构被卷绕完可以防止剌穿双层隔 膜而造成电池内部短路；当电芯装入电池钢壳后因电池钢壳为外接负极，最外圈为负极这 样可避免负极极耳剌破双层隔膜而与电池钢壳电连接，造成电池内部短路。更优选地，当正 极结构卷绕结束后负极结构继续卷绕1圈，以避免正极结构被多层负极结构包裹，进而防 止造成负极结构的浪费。优选地，负极结构先于双层隔膜完成卷绕。更优选地，负极结构卷绕完成后使双层 隔膜继续卷绕1-3圈。优选地，在卷绕结束后用胶布粘住双层隔膜末端，以形成电芯。当正、 负极结构完全被卷绕入电芯后，双层隔膜根据电池大小需要继续卷绕l_40mm。举例来说， 在卷绕得到AA型电池的电芯时，双层隔膜继续卷绕的长度可以为7-20mm。在卷绕得到AAA 型电池的电芯时，双层隔膜继续卷绕的长度可以为5-20mm。
图3C为根据本发明一个方面的电芯卷绕流程处于第三阶段的示意图。如图3C所 示，卷绕过程即将结束时，正极结构305、负极结构303和双层隔膜302的剩余部分为正极 结构305的剩余长度最短，双层隔膜302的剩余长度最长，负极结构303的剩余长度居中。 负极结构303比正极结构305长出的部分要使卷绕结束后负极结构303能够完全包裹正极 结构305。双层隔膜302比负极结构303长出的部分要使双层隔膜302在负极结构303结 束卷绕后，可以绕着卷针301继续卷绕1-3圈。在步骤206中，电芯卷绕完成后，沿卷针的主体至柄部的方向将卷针从电芯中抽 出。由于本发明的卷针上的缝隙外宽内窄，因此，可以无需其它步骤就可以沿图3C中箭头 B所示的方向抽出，使卷绕完成的电芯脱离卷针301。下面将描述正极结构、负极结构以及双层隔膜的始端及末端进入卷针的顺序。图 4为根据本发明一个优选实施方式的电芯卷绕方法的示意图。如图4所示，将两层隔膜402 以及夹带着两者之间的负极结构403送入卷针，正极结构405位于卷绕过程中双层隔膜402 的两侧中靠近卷针的一侧。应当注意的是，双层隔膜先进入卷针进行预卷绕，然后始端带有 正极极耳406的正极结构405进入卷针，最后负极结构403在双层隔膜402的保护下进入 卷针。卷绕接近结束时，正极结构最先完成卷绕，接着是末端具有负极极耳404的负极结构 403完成卷绕，最后完成卷绕的是双层隔膜，并在卷绕结束后用胶布粘住双层隔膜末端，以 形成电芯。本发明还提供一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯，该电芯是采用上述电芯 卷绕方法中的任意一种制得的。本发明还提供一种圆柱形锂-二硫化铁电池，该圆柱形锂-二硫化铁电池上述电
-I-H心。制备例1
将1 粉末与导电剂、粘结胶混合后进行搅拌制成正极活性物质，并将该正极活性物 质涂覆在正极极片上，然后对正极极片进行烘干、辊压、分切处理，得到长度为^5mm，宽度 为41mm，厚度为0. 17-0. 19mm,质量为6. 2-6. 5g的正极极片。将长度为310mm，宽度为39mm， 厚度为0. 15-0. 17mm，质量为0. 9_1. Og的纯金属锂的箔带作为负极极片。然后，分别将正极 极耳和负极极耳的一端连接到正极极片和负极极片上形成正极结构和负极结构，再采用本 发明的方法将正极结构、负极结构和双层隔膜(Celgard2400隔膜)卷绕在一起形成电芯，其 中，卷绕圈数为11. 5-12圈，正极结构与负极结构的有效接触面积为225-230cm2。接着，将 正极极耳与负极极耳分别连接到正极上盖组合体和电池钢壳。最后，将电芯放入电池钢壳 中，注入有机电解液，封口、清洗后进行一定程度的预放电得到AA型锂-二硫化铁电池。制备例2
采用与制备例1相同的方法制备AAA型锂-二硫化铁电池。不同之处在于正极极片 的长度为140mm，宽度为36mm，厚度为0. 17-0. 19mm，质量为2. 65-3. Ogo负极极片的长度为 160mm,宽度为34mm，厚度为0. 15-0. 17mm,质量为0. 6-0. 65g。卷绕圈数为7-7. 5圈，正极结 构与负极结构的有效接触面积为95-105cm2。
制备例1与制备例2所采用的参数，见表1。表 权利要求
1.一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，所述电芯包括正极结构、负极 结构和夹在所述正极结构和所述负极结构之间的隔膜，所述正极结构包含正极极片和设置 在所述正极极片一端的正极极耳，所述负极结构包含负极极片和设置在所述负极极片一端 的负极极耳，所述方法包括a)将双层所述隔膜送入卷针，双层所述隔膜之间夹有所述负极结构，所述负极结构的 未设置有所述负极极耳的一端作为所述负极结构卷绕的始端，且所述负极结构的始端位于 双层所述隔膜的始端之后；b)对双层所述隔膜进行预卷绕；c)将所述正极结构放置在双层所述隔膜的最内侧，并使所述正极结构与双层所述隔膜 一起卷绕，所述正极结构的设置有所述正极极耳的一端作为所述正极结构卷绕的始端，所 述负极结构的始端位于所述正极极耳之后；d)使所述负极结构与所述正极结构和双层所述隔膜一起卷绕；e)使所述正极结构、所述负极结构依次完成卷绕，其中，所述正极结构的末端位于所述 负极极耳之前，双层所述隔膜不先于所述负极结构完成卷绕。
2.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述负极结构的始端与双层所述 隔膜的始端之间的距离不少于20mm。
3.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，双层所述隔膜的预卷绕尺寸不少 于 IOmm0
4.如权利要求3所述的电芯卷绕方法，其特征在于，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为 22-30mm。
5.如权利要求3所述的电芯卷绕方法，其特征在于，双层所述隔膜的预卷绕尺寸为 10_15mmo
6.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述c)步骤中所述正极结构与双 层所述隔膜一起卷绕预定长度，所述预定长度为10-20mm。
7.如权利要求6所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述预定长度为12-15mm。
8.如权利要求6所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述预定长度为10-12mm。
9.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，当所述正极结构卷绕结束后，所述 负极结构继续卷绕，以使所述负极结构完全包裹所述正极结构。
10.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述负极结构先于双层所述隔膜 完成卷绕。
11.如权利要求10所述的电芯卷绕方法，其特征在于，当所述负极结构卷绕结束后，双 层所述隔膜继续卷绕1-3圈。
12.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述方法还包括在卷绕结束后用 胶布粘住双层所述隔膜的末端。
13.如权利要求1所述的电芯卷绕方法，其特征在于，所述b)步骤还包括在所述预卷绕 结束后，在双层所述隔膜的末端施加张力。
14.一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯，其特征在于，所述电芯是采用权利要求 1-13中任一项所述的电芯卷绕方法制得的。
15.一种圆柱形锂-二硫化铁电池，其特征在于，所述圆柱形锂-二硫化铁电池包含权利要求14所述的电芯。
全文摘要
本发明提供了一种用于圆柱形锂-二硫化铁电池的电芯卷绕方法，包括将双层隔膜送入卷针，双层隔膜之间夹有负极结构，负极结构的未设置有负极极耳的一端作为负极结构卷绕的始端，且负极结构的始端位于双层隔膜的始端之后；对双层隔膜进行预卷绕；将正极结构放置在双层隔膜的最内侧，并使正极结构与双层隔膜一起卷绕，正极结构的设置有正极极耳的一端作为正极结构卷绕的始端，负极结构的始端位于正极极耳之后；使负极结构与正极结构和双层隔膜一起卷绕；使正极结构、负极结构依次完成卷绕，其中，正极结构的末端位于负极极耳之前，双层隔膜不先于负极结构完成卷绕。该方法可以避免正、负极极耳刺穿隔膜造成内部短路，以防止电池损坏。
文档编号H01M10/052GK102122728SQ20111003128
公开日2011年7月13日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者张清顺, 徐小春, 陈美娟, 陈行建, 陈进添 申请人:福建南平南孚电池有限公司
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