新能源锂离子动力电池内部结构简述

张贵萍 宋佑 何亚雄 刘永乐 黄子欣 张晓泉 吴际良 黄新华 余克清

随着中国版的“工业4.0”战略规划《中国制造2025》的公布，中国拉开了实施国家制造强国战略的序幕。“工业4.0”的核心是智能化制造，而“工业3.0”的核心是自动化制造。对于欧美企业来说，它们基本上已经完成了“工业3.0”，而对于大部分中国企业来讲，目前还处在“工业2.5”阶段，也就是半手工半自动化的阶段。从“工业3.0”到“工业4.0”，重点在于软件以及管理；而“工业2.5”到“工业3.0”阶段，重点是硬件。这就是为什么近期国内锂电池企业自动化设备投资成为热点的原因。“工业4.0”战略，要求实施制造执行系统（Manufacture Executive System，MES）的智能制造，笔者研究开发的锂离子动力电池的新型“面结”结构特别有利于“工业4.0”的核心智能化制造，在实联长宜集团的动力锂电池生产线成功实施了MES智能制造管理。

一、锂离子电池及内部结构

化学电池是将化学能直接转变为电能的裝置。化学电池主要包括作为密封材料的壳体、壳体内的电解质溶液、浸在电解质溶液中的正、负极片和隔板（膜）以及连接电极的导线或金属连接片。正、负极片和它们之间的隔板（膜）卷绕在一起称为电芯卷绕体，在可充电化学电池中，还进一步包括进行充电操作的电路板，而上述的电解质溶液和正、负极片等被总称为电芯。锂离子电池是化学电池的一种，锂离子电池是以2种不同的能够可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化合物作为电池正极和负极的二次电化学体系装置，充电时锂离子从正极脱嵌，穿过电解质和隔膜，嵌入到负极中。放电时锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正极中，可由此循环反复。

目前，市场使用的锂离子动力电池，其能量体积密度、产品产能等相关参数与其内部结构密切相关，而其内部结构与极片形状、集流片、箔形体的结构有直接关系，现有极片、集流片、箔形体的结构主要可分为3种。

1.间隙涂布极片结构形状

间隙涂布、极片敷料间隙处焊接条形极耳，其焊接处表面粗糙，需贴上胶带，防止将隔膜或者极片刺穿。该箔形体制程的大致流程：制片，如图1（a）所示→焊接条形极耳，如图1（b）所示→焊接处包胶带，如图1（c）所示→叠片或者卷绕方式制成箔形体。该结构的极片在制程过程中的特点为：涂布速度慢；制片工序中操作复杂；制造出来的产品能量密度低。

2.多极耳极片结构形状

连续涂布、将未涂敷处的箔材切条，其切条后的箔材称为极耳，该结构可称为多极耳结构。该箔形体制程的大致流程为：制片→切极耳，如图2（a）所示→卷绕制成箔形体，图2（b）。该结构在制程过程的特点为：其切条后的极耳易断，容易造成焊接不牢，且焊接后容易拉断；其极耳与集流片或者端盖通过焊接的方式进行连接，该结构不耐振动；制造过程成本高。

3.全极耳极片的结构形状

连续涂布、边缘留未涂敷区的光箔结构称为全极耳结构。大其致流程为：用卷状的正极片，负极片以及卷状的隔膜全自动卷绕获得电芯卷绕体，通过超声波整对光箔整形形成“面结”结构形式，再使用集流片激光穿透焊接。具体为：涂布制片，如图3（a）所示→卷绕制成电芯卷绕体，如图3（b）所示→将箔形体未涂敷区整形成“面结”结构，如图3（c）所示。“面结”结构能够使极耳位端面与集流片的激光焊焊接有效面积加大和焊接强度提高，由此获得电池的低内阻。该结构在制程过程中的特点为：工艺简单，便于操作，易于自动化生产与管理；产品一致性好；制程成本低。

笔者团队提出的高频振荡（例如超声波高频振荡）进行整形的作用及意义在于对端面光箔区的箔形体进行整形，并且形成“面结”结构，箔形体很薄且柔软，在高频振荡容易打结形成“面结”，或称“箔形结”。

二、锥形滚子对箔形体整形方法及其“面结”结构的大容量锂离子

除了上述箔形体超声波整形方法外，笔者团队还研究开发出用多个锥形滚子整形的方法，如图4所示。电芯卷绕体整形设备，包括：电芯固定夹具、对称设置在电芯固定夹具两侧的 2个整形夹具、驱动2个整形夹具相向或反向运动的第一驱动机构、以及驱动两个整形夹具正转或反转的第二驱动机构，所述整形夹具包括外壳、顶针和多个滚子，所述外壳呈大端开口、小端封闭的喇叭状，外壳的开口朝向电芯固定夹具，所述顶针固定在外壳的小端面上且沿外壳的中心线向开口方向延伸，所述多个滚子以外壳的中心线为轴均匀分布在顶针的周侧，滚子的一端转动设置在外壳的侧壁上，滚子的另一端依次设置有圆柱体和圆锥体，圆柱体的直径大于圆锥体的底端直径，圆柱体与圆锥体的连接处设有倒角，圆锥体的顶端朝向顶针。

对电芯卷绕体的极耳位端面的箔形体进行滚压使极耳位端面的箔形体被压缩成型，滚压的同时在极耳位端面的周边以及中心孔的孔壁施加压力使极耳位端面的形状保持不变。

整形设备的工作过程具体图5所示。在触摸屏设置电芯（即电芯卷绕体，以下同）总长度、电芯整形后所需工艺尺寸以及第一电机速度、第二电机旋转速度等参数设置，手动将电芯放置在电芯固定夹具4上，点动启动开关，第一电机启动，通过丝杆带动两侧的整形夹具5同步向电芯中心线靠拢，自动对中；然后第一电机停止运动，气缸42带动活动夹具40夹紧电芯，第二电机启动，带动两端的整形夹具5旋转，整形夹具5通过齿轮或者轴测传动，其中一个正转，另一个反转，同时第一电机启动使两侧的整形夹具5同步向电芯做缓慢进给。当整形夹具5的滚子52的圆锥体521接触到电芯的极耳位端面的箔形体时，滚子52的圆锥体521与箔形体之间产生摩擦，摩擦促使滚子52转动，由于多个滚子52的圆锥体521的切线位于同一平面，使箔形体在压缩成型时能保证平整，直至完成设置长度的电芯整形；其中顶针51的圆锥部510便于插入电芯中间孔30，防止对电芯造成损坏，其锥角为30°～80°，顶针51的圆柱部511插入电芯中间孔30，同滚子52的圆柱体520一起保证整形时箔材不会溢出。

与上文所述的高频振荡（例如超声波）方式对锂离子电池极耳位端面的箔形体进行整形的方法相比较，用锥形滚子夹具的整形方法及整形设备工艺简单，制造及运行成本低。电芯卷绕体整形前后的效果对比见图6-7所示。

从“面结”结构的大容量锂离子电池的结构示意图（图8）可知“面结”结构的大容量锂离子电池，包括电池壳体1、设置在电池壳体1内的具有“面结”结构的电芯卷绕体2、压盖电芯卷绕体2两端的正极集流板3和负极集流板4、通过正极极耳5与正极集流板3相连的正极极柱6、通过负极极耳7与负极集流板4相连的负极极柱8、以及分设在电池两极的正极端盖9和负极端盖10。正极极柱6与正极端盖9之间采用可熔性聚偏氟乙烯PFA或聚醚醚酮（PEEK）塑料密封圈密封，聚偏氟乙烯PFA或PEEK塑料直接澆铸在正极端盖9上下面以及中间的孔壁上，因此上下密封圈实为一体，负极极柱8采用与正极极柱6同样的方式密封，这样电池壳体1为中性，电池壳体1不会与正极或负极导通。

笔者团队所研究开发的大容量锂离子电池生产方法，包括以下步骤：

①电芯卷绕体制备：正极制浆-正极极片连续涂布-正极极片辊压-正极极片分切-负极制浆-负极极片连续涂布-负极极片辊压-负极极片分切-正、负极极片和隔膜卷绕成为电芯卷绕体。

②电芯卷绕体的极耳位端面整形：对电芯卷绕体的极耳位端面的箔形体进行滚压使极耳位端面的箔形体被压缩成型，滚压的同时在极耳位端面的周边以及中心孔的孔壁施加压力使极耳位端面的形状保持不变。

③电池外壳装配：集流板与整形后的极耳位端面的箔形体焊接，集流板的极耳与正或负极柱底部焊接-带集流板的卷绕体入壳-电池壳体与端盖激光焊接-真空干燥-注入电解液-化成与分容-打钢珠封注液口。

笔者团队研究开发的大容量锂离子电池，包括电池壳体、设置在电池壳体内的电芯卷绕体、压盖电芯卷绕体两端的集流板、通过极耳与集流板相连的极柱和电池两极的端盖。其中，极柱包括正极极柱和负极极柱，端盖包括正极端盖和负极端盖，集流板包括正极集流板和负极集流板。

正极极柱的材质为铝合金，负极极柱的材质为铜镀镍，所述正极集流板的材质为铝合金，负极集流板的材质为铜镀镍，正极集流板和负极集流板设有供电解液流入的进液孔。正极集流板的正极极耳与正极端盖的正极极柱通过激光或超声焊接固定，所述正极极耳的材质为铝合金；所述负极集流板的负极极耳与负极端盖的负极极柱通过激光或超声焊接固定，所述负极极耳的材质为铜镀镍或纯镍。电芯卷绕体正负极的极耳位端面的箔形体被分别整形后压缩减小0.1～10mm，极耳位端面的箔形体相互缠结。

三、结语

笔者团队研究开发的锂离子动力电池的箔形体整形方法及其获得的“面结”结构的大容量锂离子电池，用卷状的正极片、负极片以及卷状的隔膜全自动卷绕获得电芯卷绕体，通过超声波整对光箔整形形成“面结”结构形式，再使用集流片激光穿透焊接，不仅工艺最简单，而且电池一致性最好。此外，由于采用了全极耳结构以及获得的“面结”结构，全极耳结构的箔形体本身具有良好导热性，导热效果好（即散热好），电池具有低内阻发热小（电池本身发热与电池的电流和内阻的大小成正比）、并联成组简单高效等优点，在纯电动汽车2C的工作电流范围内，电池本身发热小，可以很好地解决行业所认为的大容量圆柱电池散热困难的问题。

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