单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法和动力电池

摘要

本发明提供了一种单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法和动力电池，方法包括：(1)设定卷绕机的卷绕张力初始值参数；(2)调整极片收放卷张力F

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法和动力电池。

背景技术

随着新能源领域电动汽车的发展和广泛应用，锂电池在乘用车中应用越来越多，因为锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等突出优势。国家也在大力推广新能源汽车的发展，主要作为传统燃油车的替代产品，因此动力锂离子电池在电动汽车发展的带动下，也逐步发展起来，动力电池的研究也日趋深入。

锂电池行业产业链自上而下可以分为上游原材料、锂电池制造和下游应用商。其中上游原材料可以分为正极材料商、负极材料商、电解液类和隔膜类企业；锂电池制造可以分为锂电芯制造和电池芯封装类；下游应用可以分为BMS(电池管理系统)和其他应用。锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成，隔膜作为四大核心材料之一，其主要作用是：1、将正负极隔开，防止短路；2、离子导通，锂离子可以自由通过；3、电子绝缘，阻碍电子传输。隔膜是锂离子电池产业链中最具技术壁垒的关键内层组件之一，其结构和性能与电池的性能发挥有很大关系，不仅可以影响电池的容量、内阻和循环寿命等，也与电池的安全性能息息相关。自20世纪90年代锂离子电池(LiBs)面世，至今，因其能量密度高、供电电压高及使用寿命长等优点，广泛应用于3C数码、储能电站、新能源交通及便携式电动工具等多个领域，极大地推动了社会的发展。近年来，锂离子电池能量密度不断提升，以满足其使用续航时间延长的需求，但因此也引发了不少锂离子电池自燃或者爆炸起火等安全性问题。隔膜是锂离子电池的重要组成之一，研究表明，其良好化学稳定性和机械强度能确保锂离子电池使用过程中的完整性，避免正负极接触而出现电池短路，甚至自燃。隔膜垂直方向上的机械强度越高，电池发生微短路的概率就越小；隔膜的热收缩率越小，电池的安全性能越好。隔膜的微孔关闭功能也是改进动力电池安全性的另一方法；凝胶类聚合物电解质具有较好的保液性，采用这种电解质的电池比常规液态电池具有更好的安全性；除此，陶瓷隔膜也可以改进电池的安全性。由此可见，隔膜对于锂离子电池安全性具有十分重要的影响。

目前，已商品化的锂离子电池隔膜主要有3类，分别为PP/PE/PP多层复合微孔膜、PP或PE单层微孔膜和涂布膜。广泛使用的隔膜主要为聚烯烃微孔膜，这种隔膜的化学结构稳定，力学强度优良，电化学稳定性好。根据不同的物理、化学特性，锂电池隔膜材料可以分为：织造膜、非织造膜(无纺布)、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等几类。主要的隔膜材料产品有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP和三层PP/PE/PP等，其中前两类产品主要用于3C小电池领域，后几类产品主要用于动力锂电池领域。其中在乘用车电池中的全部使用的为双面涂胶隔膜，相对于双面涂胶隔膜，单层涂胶隔膜的价格会更有优势，通过查阅相关数据，单层涂胶隔膜的成本相对于双面涂胶隔膜成本可以降低25％。

但是，单层涂胶隔膜的粘结力小于双层涂胶隔膜，这限制了其在乘用车电池领域的商业化应用，因此，提供一种采用单层涂胶隔膜代替双层涂胶隔膜在乘用车电池中进行导入和使用的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法和动力电池。本发明通过调节卷绕和热压的相关参数，使单面涂胶隔膜的粘结力达到双面涂胶隔膜的效果，从而进一步改善极片褶皱，降低电池制造成本，并且使单面涂胶隔膜制备的电芯易于实现量产化，不会影响电池性能。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法，所述的参数设计方法包括以下步骤：

(1)设定卷绕机的卷绕张力初始值参数，用于放卷；

(2)调整极片的收放卷张力F

若电芯的状态短路，则返回步骤(2)重新调整F

若电芯的状态正常，则进行步骤(3)，所述步骤(3)包括：调整热压参数，所述热压参数包括热压温度、热压时间和热压压力中的至少一个，热压后判断电芯中的极片的状态，所述状态包括极片的褶皱情况；

若极片的状态异常，则返回步骤(3)进行热压参数的调整，和/或返回步骤(2)重新调整F

若极片的状态正常，则确定所述电芯的参数。

本发明中，极片收放卷张力F

现有技术中一般采用双面涂胶隔膜制备乘用车电池，但是双面涂胶隔膜成本较高，采用单面涂胶隔膜替代双面涂胶隔膜能够降低成本，以提高电池的竞争力。

单面涂胶隔膜和双面涂胶隔膜最主要的差异点在于的卷绕和热压工艺的不同，本发明通过调节卷绕和热压的相关参数，适当的增大卷绕和热压的相关工艺参数，使单面涂胶隔膜的粘结力达到双面涂胶隔膜的效果；同时，在相同工艺下，本发明的极片褶皱情况可以进一步改善，能够降低电池制造成本，提高电池性能；并且，本发明采用逐次逼近迭代的方法，可满足自动化大批量进行组装的需求，使单面涂胶隔膜制备的电芯易于实现量产化，且最终对电池性能无影响，在满足需求的情况下，制造出一个完整的电池，节省了电池制造成本。

可以理解的是，本发明中步骤(1)和步骤(2)设定了卷绕机的卷绕张力初始值参数、极片收放卷张力F

可以理解的是，本发明中步骤(2)除判断电芯是否短路外，还可以观察卷绕后电芯的长度、宽度和厚度是否符合电芯设计要求。

优选地，本发明中极片的状态异常，指极片褶皱。

示例性地，本发明中热压压力的调节可以通过调整上热压轴压力的方式进行。

作为本发明所述参数设计方法的优选技术方案，步骤(1)所述卷绕张力初始值参数包括极片放卷变张力系数A

可以理解的是，本发明中，极片放卷变张力系数分为A

优选地，A

本发明通过进一步优化卷绕机的卷绕张力初始值参数，使正负极片和隔膜的张力处于合适范围，不仅可以降低电芯制造成本，还能够提升电芯性能。本发明优选的卷绕张力初始值参数适用于在乘用车的内部进行导入。

优选地，步骤(2)所述调整极片收放卷张力F

优选地，n为大于等于0的正整数，例如可以是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20或50等，优选为5～10。

优选地，所述F

优选地，步骤(2)所述F

优选地，步骤(2)所述调整极片收放卷张力F

作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤(3)所述热压温度为80～95℃，例如可以是80℃、82℃、84℃、86℃、90℃、92℃、94℃或95℃等。

优选地，步骤(3)所述热压时间为10～90s，例如可以是10s、20s、30s、40s、50s、60s、70s、80s或90s等。

优选地，步骤(3)所述热压压力为0～6.5T，且包含0T，例如可以是0.5T、1T、2T、3T、4T、5T、6T或6.5T等，其不能超过隔膜所能承受的最大压力。

优选地，步骤(3)所述热压为一步热压或两步热压，示例性地，当热压时间为60s时，一步热压为直接热压60s，两步热压为先热压30s，再热压30s；一步热压和两步热压的选择根据隔膜的承受力决定。

步骤(3)完成后，后续可对电芯进行持续关注，重点关注电芯的重量、K值、容量等相关参数。

优选地，步骤(3)后，还包括逐次调整极片收放卷张力F

优选地，步骤(3)后，还包括多维度调整的操作。

本发明中，当电芯层数过多时，即正负极的极片层数和隔膜的层数较多，为了进一步提升电芯的性能，防止影响电芯后续工艺，还优选进行逐次调整极片收放卷张力F

优选地，步骤(3)后还包括后工序和包装的操作，包装得到的电池可进行电芯性能的测试，并同常规的双面涂胶隔膜电芯性能进行对比，确定本发明中的电芯性能是否具有相同的效果。

优选地，所述电芯的正极中包括镍钴锰三元材料和/或磷酸铁锂。

第二方面，本发明提供了一种动力电池，所述动力电池包括电芯，所述电芯的制备方法基于上述的参数设计方法。

采用本发明所述方法制备得到的电池，降低了成本，提高了电池性能，满足了采用单面涂胶隔膜的电池的自动化大批量进行组装的需求。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过调节卷绕和热压的相关参数，适当的增大卷绕和热压的相关工艺参数，使单面涂胶隔膜的粘结力达到双面涂胶隔膜的效果；同时，在相同工艺下，本发明的极片褶皱情况可以进一步改善，能够降低电池制造成本，提高电池性能；并且，本发明采用逐次逼近迭代的方法，可满足自动化大批量进行组装的需求，使单面涂胶隔膜制备的电芯易于实现量产化，且最终对电池性能无影响，在满足需求的情况下，制造出一个完整的电池，节省了电池制造成本。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施方式中单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法的工艺流程图。

图2为本发明的实施例1中电池的放电SOC-OCV图。

图3为本发明的实施例1中电池的充电SOC-OCV图。

图4为本发明的实施例1中电池的充放电SOC-OCV图。

图5为本发明的实施例1中A组电池在不同倍率下的放电容量图。

图6为本发明的实施例1中B组电池在不同倍率下的放电容量图。

图7为本发明的实施例1中A组电池在不同倍率下的温度变化图。

图8为本发明的实施例1中B组电池在不同倍率下的温度变化图。

图9为本发明的实施例1中电池的低温性能图。

图10为本发明的实施例1和对比例1中电池的快充循环性能图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明的实施例部分提供了一种单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法，流程图如图1所示，所述的参数设计方法包括以下步骤：

S1：设定卷绕机的卷绕张力初始值参数，用于放卷；

在一些实施方式中，步骤(1)所述卷绕张力初始值参数包括极片放卷变张力系数A

在一些实施方式中，A

S2：调整极片收放卷张力F

在一些实施方式中，S2所述调整极片收放卷张力F

在一些实施方式中，n为大于等于0的正整数，优选为5～10。

在一些实施方式中，所述F

在一些实施方式中，所述F

在一些实施方式中，S2所述调整极片收放卷张力F

S3：判断电芯是否满足设计要求。

判断电芯是否满足设计要求时主要判断电芯的状态是否短路，其次，观察电芯的长度、宽度和厚度是否符合电芯设计要求。

若电芯的状态短路，则返回S2重新调整F

若电芯的状态正常，则进行S4，所述S4包括：调整热压参数，热压。

所述热压参数包括热压温度、热压时间和热压压力中的至少一个。

S5：判断电芯中的极片的状态。

所述状态包括极片的褶皱情况。

若极片的状态异常，则返回S4进行热压参数的调整，和/或返回S2重新调整F

若极片的状态正常，则确定所述电芯的参数。

在一些实施方式中，步骤(3)所述热压温度为80～95℃。

在一些实施方式中，步骤(3)所述热压时间为10～90s。

在一些实施方式中，步骤(3)所述热压压力为0～6.5T，且不包含0T。

在一些实施方式中，步骤(3)所述热压为一步热压或两步热压。

S6：逐次调整极片收放卷张力F

S7：多维度调整。

S8：后工序和包装。

S9：相关电性能测试。

实施例1

本实施例提供了一种单面涂胶隔膜制备乘用车电芯的参数设计方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

S1：设定卷绕机的卷绕张力初始值参数：极片放卷变张力系数A

S2：调整极片收放卷张力F

S3：判断电芯是否满足设计要求。

此处观察卷绕后的电芯是否短路，若电芯短路，则不满足设计要求，应更改S2所述F

S4：调整热压参数，进行热压。

热压温度为80℃，热压时间为10s，上热压轴压力为0.5T，采用一步热压方式。

S5：判断电芯中的极片的状态。

此处观察S4所述热压后的电芯，若电芯中的极片有褶皱，则不满足设计要求，应更改S4中的热压参数，重新进行S2或S4的操作，直至满足设计要求，电芯无褶皱，且长度、宽度和厚度符合预设，得到热压温度为T℃，热压时间为t，上热压轴压力为N。

S6：逐次调整极片收放卷张力F

S7：多维度调整：同时调整热压时间、温度及张力参数。

S8：后工序和包装。

S9：进行相关电性能测试。

测试电池的短期性能：高低温放电性能、DCR、倍率充放电、OCV充放电、高低温循环测试结果如表1所示。

对比例1

除将S2中单面涂覆PVDF胶的隔膜替换为双面涂覆PVDF胶的隔膜外，其余均与实施例1相同。

一、充电/放电内阻测试

对实施例和对比例制备得到的动力电池测试充电直流内阻(DCR)和放电DCR，测试温度为25℃，电流为1C，充电DCR测试数据如表1和表2所示，放电DCR测试数据如表3和表4所示；

其中，1C-A代表按照实施例1所述方案确定的最优参数制备得到的电池，1C-B代表对实施例1所述方案确定的最优参数略作改动后制备得到的电池，0％～95％为荷电状态(SOC)。

表1

表2

表3

表4

通过表1～4可知，采用本发明的参数设计方式，能够使单面涂胶隔膜达到双面涂胶隔膜的效果；1C-A为按照实施例1的参数设计方法所确定的最优参数制备得到的电池，1C-B为采用略偏离于1C-A中最优参数制备得到的动力电池，通过三组电池的充放电DCR的数据对比可知，1C-A的电阻值最低，在30％SOC、50％SOC和90％SOC三种荷电状态下的内阻均低于1C-B和对比例1的双面涂胶方式，说明采用本发明的方法设计参数并制备得到的电池具有良好的电化学性能。

二、SOC-OCV测试

图2、图3和图4为实施例1中的动力电池的SOC-OCV测试曲线图；其中，图2中放电OCV1～放电OCV3表示采用实施例1的参数设计方法所确定的最优参数制备得到的电池，从该批次电池中任选三个分别编号为放电OCV1、放电OCV2和放电OCV3；放电OCV4～放电OCV5为对实施例1所述方案确定的最优参数略作改动后制备得到的电池，从该批次电池中任选三个分别编号为放电OCV4、放电OCV5和放电OCV6；图3同理；图4为采用实施例1的参数设计方法所确定的最优参数制备得到的电池，其放电OCV和充电OCV曲线。

通过图2～4可知，采用本发明的参数设计方式确定参数并制备得到的电池具有很好的电化学性能，其充放电性能良好，适用于单面涂胶隔膜。

三、倍率放电性能测试

将本发明实施例制备得到的动力电池在25℃下进行倍率放电测试，分别测试电池在1/5C、1/3C、1/2C、1C、2C和3C下的放电容量和温度，其中，A代表采用实施例1的参数设计方法所确定的最优参数制备得到的电池，B代表对实施例1所述方案确定的最优参数略作改动后制备得到的电池，A组电池在不同倍率下的放电容量和温度分别如图5和图7所示，B组电池在不同倍率下的放电容量和温度分别如图6和图8所示。

通过图5和图6可知，采用本发明的参数设计方式制备得到的动力电池具有良好的倍率性能，在25℃下，电池的放电容量将近180Ah，特别是图5中采用最优参数制备得到电池，其倍率性能略高于图6中参数略作改动后制备得到的电池，在2C倍率下仍具有良好的放电性能。

通过图7和图8可知，在25℃下，电池在放电过程中，电芯放热量较低，采用1/5C到1C倍率放电下的电池，其温度增加量仅15℃，安全性能较好，特别是图7中采用最优参数制备得到的动力电池，其温度增加量最低。

四、低温放电性能

将采用实施例1的参数设计方法所确定的最优参数制备得到的电池分别在-30℃、-20℃、-10℃和0℃进行低温放电测试，测试倍率为1/3C，测试结果如表5和图9所示。

表5

通过图9和表5可知，采用本发明实施例1中最优参数制备得到的动力电池在低温下也具有良好的电化学性能，即使在-30℃低温下，电池容量也不低于130Ah，-30～0℃下的容量保留率和放电能量比均较高。

五、快充循环性能

将实施例和对比例制备得到的电池在45℃下进行快充循环测试，充放电倍率为1C，电压区间为2.5～3.65V，测试结果如图10所示，其中A表示采用实施例1的参数设计方法所确定的最优参数制备得到的电池，B表示对实施例1所述方案确定的最优参数略作改动后制备得到的电池，双面涂胶表示对比例1中制备得到的动力电池。

通过图10可知，采用本发明所述参数设计方法制备得到的电池A和B具有较好的快充性能，其循环700周后容量保持率超过84％，与对比例1中的常规双面涂胶方式性能差距较小，综合来说，能够达到和双面涂胶隔膜相同的效果，且能够降低成本；因此，本发明的方法能够改善极片褶皱，降低电池制造成本，使单面涂胶隔膜制备的电芯易于实现量产化。

综合上述实施例可知，本发明通过调节卷绕和热压的相关参数，使单面涂胶隔膜的粘结力达到双面涂胶隔膜的效果，从而进一步改善极片褶皱，降低电池制造成本，并且使单面涂胶隔膜制备的电芯易于实现量产化，不会影响电池性能。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。