电极组件、二次电池及电池模组论文和设计-陈宁

全文摘要

本实用新型提供了一种电极组件、二次电池及电池模组。电池模组包括多个依次排列的二次电池。二次电池包括壳体、顶盖组件以及电极组件。壳体具有容纳腔室，多个电极组件收容于容纳腔室，且多个电极组件沿容纳腔室的轴向层叠设置。顶盖组件连接于壳体且位于多个电极组件沿轴向的一侧。电极组件包括第一极片、第二极片和隔膜，隔膜将第一极片和第二极片隔开。第一极片、第二极片和隔膜卷绕为扁平状结构，且所述扁平状结构包括主体区和拐角区，拐角区设置于主体区沿宽度方向的两端。第一极片和第二极片均卷绕为多圈。在主体区，第一极片的层数为偶数，第二极片的层数为偶数。最外圈的第一极片具有第一卷绕末端，且第一卷绕末端设置于拐角区。

主设计要求

1.一种电极组件(1)，其特征在于，包括第一极片(11)、第二极片(12)和隔膜(13)，隔膜(13)将第一极片(11)和第二极片(12)隔开；第一极片(11)、第二极片(12)和隔膜(13)卷绕为扁平状结构，且所述扁平状结构包括主体区(14)和拐角区(15)，拐角区(15)设置于主体区(14)沿宽度方向(Y)的两端；第一极片(11)和第二极片(12)均卷绕为多圈；在主体区(14)，第一极片(11)的层数为偶数，第二极片(12)的层数为偶数；最外圈的第一极片(11)具有第一卷绕末端(111)，且第一卷绕末端(111)设置于拐角区(15)。

设计方案

1.一种电极组件(1)，其特征在于，包括第一极片(11)、第二极片(12)和隔膜(13)，隔膜(13)将第一极片(11)和第二极片(12)隔开；

第一极片(11)、第二极片(12)和隔膜(13)卷绕为扁平状结构，且所述扁平状结构包括主体区(14)和拐角区(15)，拐角区(15)设置于主体区(14)沿宽度方向(Y)的两端；

第一极片(11)和第二极片(12)均卷绕为多圈；

在主体区(14)，第一极片(11)的层数为偶数，第二极片(12)的层数为偶数；

最外圈的第一极片(11)具有第一卷绕末端(111)，且第一卷绕末端(111)设置于拐角区(15)。

2.根据权利要求1所述的电极组件(1)，其特征在于，

最外圈的第一极片(11)具有第一区域(112)和第二区域(113)，第一区域(112)与主体区(14)位置对应，第二区域(113)与拐角区(15)位置对应；

第二区域(113)弯曲设置并与第一区域(112)连接，且第二区域(113)圆心角为15°～75°或105°～165°；

第二区域(113)的远离第一区域(112)的一端为第一卷绕末端(111)。

3.根据权利要求1所述的电极组件(1)，其特征在于，

第一极片(11)为负极极片，且第一极片(11)的活性材料包括石墨；

第一极片(11)的厚度为50μm-200μm。

4.根据权利要求1所述的电极组件(1)，其特征在于，

相邻的两圈第一极片(11)之间设有间隙，所述间隙包括与拐角区(15)位置对应的第一间隙(G1)，第一间隙(G1)的尺寸为5μm至50μm。

5.根据权利要求1所述的电极组件(1)，其特征在于，

相邻的两圈第一极片(11)之间设有间隙，所述间隙包括第一间隙(G1)和第二间隙(G2)；

第一间隙(G1)与拐角区(15)位置对应，第二间隙(G2)与主体区(14)位置对应，第一间隙(G1)的尺寸大于第二间隙(G2)的尺寸。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电极组件(1)，其特征在于，最外圈的第二极片(12)具有第二卷绕末端(121)，且第二卷绕末端(121)设置于拐角区(15)。

7.根据权利要求6所述的电极组件(1)，其特征在于，

最外圈的第二极片(12)具有第三区域(122)和第四区域(123)，第三区域(122)与主体区(14)位置对应，第四区域(123)与拐角区(15)的位置对应；

第四区域(123)弯曲设置并与第三区域(122)连接，且第二区域(113)圆心角大于第四区域(123)的圆心角；

第四区域(123)的远离第三区域(122)的一端为第二卷绕末端(121)。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的电极组件(1)，其特征在于，最外圈的第二极片(12)具有第二卷绕末端(121)，且第二卷绕末端(121)位于主体区(14)和拐角区(15)的交界处。

9.一种二次电池，其特征在于，包括壳体(2)、顶盖组件(3)以及权利要求1-8中任一项所述的电极组件(1)；

壳体(2)具有容纳腔室(21)，容纳腔室(21)具有开口；

多个电极组件(1)收容于容纳腔室(21)，且多个电极组件(1)沿容纳腔室(21)的轴向(Z)层叠设置；

顶盖组件(3)连接于壳体(2)且位于多个电极组件(1)沿轴向(Z)的一侧。

10.一种电池模组，其特征在于，包括权利要求9所述的二次电池；二次电池为多个且依次排列，所述多个二次电池的排列方向垂直于轴向(Z)。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电池领域，尤其涉及一种电极组件、二次电池及电池模组。

背景技术

为了提高容量，二次电池内部通常设置多个电极组件，各电极组件包括卷绕在一起的正极片、负极片和隔膜。在现有技术中，相邻两个电极组件的接触界面的平面度较差，因此，当电极组件在循环过程中出现膨胀时，所述接触界面所受到的膨胀力并不均匀，导致电极组件局部变形，导致极片断裂，影响二次电池的性能。

实用新型内容

鉴于背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种电极组件、二次电池及电池模组，其能降低电极组件的局部变形，避免极片断裂，延长使用寿命。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种电极组件、二次电池及电池模组。

电极组件包括第一极片、第二极片和隔膜，隔膜将第一极片和第二极片隔开。第一极片、第二极片和隔膜卷绕为扁平状结构，且所述扁平状结构包括主体区和拐角区，拐角区设置于主体区沿宽度方向的两端。第一极片和第二极片均卷绕为多圈。在主体区，第一极片的层数为偶数，第二极片的层数为偶数。最外圈的第一极片具有第一卷绕末端，且第一卷绕末端设置于拐角区。

最外圈的第一极片具有第一区域和第二区域，第一区域与主体区位置对应，第二区域与拐角区位置对应。第二区域弯曲设置并与第一区域连接，且第二区域圆心角为15°～75°或105°～165°。第二区域的远离第一区域的一端为第一卷绕末端。

第一极片为负极极片，且第一极片的活性材料包括石墨，第一极片的厚度为50μm-200μm。

相邻的两圈第一极片之间设有间隙，所述间隙包括与拐角区位置对应的第一间隙，第一间隙的尺寸为5μm至50μm。

相邻的两圈第一极片之间设有间隙，所述间隙包括第一间隙和第二间隙。第一间隙与拐角区位置对应，第二间隙与主体区位置对应，第一间隙的尺寸大于第二间隙的尺寸。

在一实施例中，最外圈的第二极片具有第二卷绕末端，且第二卷绕末端设置于拐角区。最外圈的第二极片具有第三区域和第四区域，第三区域与主体区位置对应，第四区域与拐角区的位置对应。第四区域弯曲设置并与第三区域连接，且第二区域圆心角大于第四区域的圆心角。第四区域的远离第三区域的一端为第二卷绕末端。

在另一实施例中，最外圈的第二极片具有第二卷绕末端，且第二卷绕末端位于主体区和拐角区的交界处。

二次电池包括壳体、顶盖组件以及所述的电极组件。壳体具有容纳腔室，容纳腔室具有开口；多个电极组件收容于容纳腔室，且多个电极组件沿容纳腔室的轴向层叠设置。顶盖组件连接于壳体且位于多个电极组件沿轴向的一侧。

电池模组包括所述的二次电池；二次电池为多个且依次排列，所述多个二次电池的排列方向垂直于轴向。

本实用新型的有益效果如下：在本申请中，第一卷绕末端设置于拐角区，而相邻的两个电极组件的拐角区并不接触，因此，第一卷绕末端并不会影响两个电极组件的主体区的接触界面，从而保证所述接触界面所受到的膨胀力的均匀性，降低电极组件的局部变形，避免极片断裂。本申请通过将主体区的第一极片的层数设为偶数、将主体区的第二极片的层数设为偶数，改善主体区关于卷绕中心的对称性，使卷绕中心沿轴向两侧的膨胀力等同，提高主体区膨胀的均匀性，降低电极组件的局部变形，避免极片断裂。

附图说明

图1为根据本实用新型的二次电池的分解图。

图2为根据本实用新型的二次电池的剖视图。

图3为根据本实用新型的电极组件的一实施例的示意图。

图4为图3的电极组件的剖视图。

图5为图4方框部分的放大图。

图6为根据本实用新型的电极组件的另一实施例的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1电极组件 2壳体

11第一极片 21容纳腔室

111第一卷绕末端 3顶盖组件

112第一区域 31顶盖板

113第二区域 32电极端子

12第二极片 33绝缘构件

121第二卷绕末端 34集流构件

122第三区域 G1第一间隙

123第四区域 G2第二间隙

13隔膜 X长度方向

131第三卷绕末端 Y宽度方向

14主体区 Z轴向

15拐角区

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”是指两个或两个以上；除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接，或信号连接；“连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

在本申请中，电池模组通常包括二次电池、端板、侧板及汇流排。二次电池为多个并依次排列。本申请的二次电池可为棱柱形的锂离子电池。所述多个二次电池的排列方向可平行于各二次电池的宽度方向Y。端板为两个且分别设置于所述多个二次电池沿排列方向的两端，侧板为两个且分别设置于所述多个二次电池的两侧，端板和侧板焊接在一起并形成矩形的框架。所述多个二次电池固定于所述框架。汇流排将所述多个二次电池以串联、并联或串并联的方式连接在一起。

参照图1和图2，本申请的二次电池包括电极组件1、壳体2以及顶盖组件3。电极组件1可为多个。

壳体2内部形成有容纳腔室21，以收容所述多个电极组件1和电解液。壳体2沿轴向Z的一端形成开口，而所述多个电极组件1可经由所述开口放置到壳体2内，其中，轴向Z与所述容纳腔室21的延伸方向平行。壳体2可由铝或铝合金等导电金属的材料制成。本申请的电池模组可用于电动汽车，当电动汽车上的二次电池的顶盖组件3与地面大致平行时，容纳腔室21的轴向Z平行于二次电池的高度方向，垂直于二次电池的宽度方向Y、长度方向X以及所述多个二次电池的排列方向。

所述多个电极组件1沿容纳腔室21的轴向Z层叠设置。参照图3和图4，各电极组件1包括第一极片11、第二极片12和隔膜13，隔膜13将第一极片11和第二极片12隔开。

顶盖组件3包括顶盖板31、电极端子32、绝缘构件33及集流构件34。顶盖板31连接于壳体2并覆盖壳体2的开口，从而将电极组件1封闭在壳体2的容纳腔室21内。绝缘构件33设置于顶盖板31的内侧，以将顶盖板31和电极组件1隔开。电极端子32设置于顶盖板31且突出到顶盖板31的外侧。电极端子32和集流构件34均为两个，一个集流构件34连接第一极片11和一个电极端子32，另一个集流构件34连接第二极片12和另一个电极端子32。

在充放电过程中，各电极组件1的第一极片11和第二极片12会出现膨胀。在本申请中，二次电池中的多个电极组件1沿轴向Z布置，因此所述多个电极组件1的膨胀会在轴向Z上叠加。而在宽度方向Y上，所述多个电极组件1的膨胀不会叠加，所以电极组件1作用在壳体2上的膨胀力也较小。

在电池模组中，所述多个二次电池的排列方向垂直于轴向Z，因此，即使所有的电极组件1在排列方向上的膨胀量叠加在一起，也不会产出过大的合力，从而避免二次电池被压坏，保证二次电池的性能和寿命。

另外，在已知技术中，电池模组的两个端板需要夹持所述多个二次电池，如果二次电池膨胀产生的合力过大，可能会导致端板与侧板的焊接处断裂，造成电池模组失效。而在本申请中，所述多个二次电池在膨胀时产生的合力较小，从而避免电池模组失效。

第一极片11、第二极片12和隔膜13卷绕为扁平状结构，且第一极片11、第二极片12及隔膜13均卷绕为多圈。成型时，可先将第一极片11的首端、第二极片12的首端和隔膜13的首端固定到卷绕轴上，卷绕轴通过转动螺旋地卷绕第一极片11、第二极片12和隔膜13，并形成卷绕体；卷绕成型后，将卷绕轴从所述卷绕体中抽出；最后，将所述卷绕体按压成扁平状。在此补充的是，卷绕轴所在的位置即为所述扁平状结构的卷绕中心C。

所述扁平状结构包括主体区14和拐角区15，拐角区15设置于主体区14沿宽度方向Y的两端。在二次电池中，多个电极组件1沿轴向Z直接层叠，相邻两个电极组件1的主体区14彼此接触。

最外圈的第一极片11具有第一卷绕末端111，第一卷绕末端111为第一极片11的远离卷绕中心C的自由端。在已知技术中，第一卷绕末端111设置于主体区14，导致主体区14的外表面的平面度较差。当电极组件1膨胀时，两个电极组件1的主体区14的接触界面(特别是第一卷绕末端111所在的位置)所受到的膨胀力不均匀，导致电极组件1局部变形严重，造成极片断裂。

因此，在本申请中，第一卷绕末端111优选设置于拐角区15。相邻的两个电极组件1的拐角区15并不接触，因此，第一卷绕末端111并不会影响两个电极组件1的主体区14的接触界面，从而保证所述接触界面所受到的膨胀力的均匀性，降低电极组件1的局部变形，避免极片断裂。

在主体区14，第一极片11和第二极片12沿轴向Z分为多层。在电极组件1膨胀前，主体区14的各层第一极片11大体垂直于轴向Z，主体区14的各层第二极片12大体垂直于轴向Z。

优选地，在主体区14，第一极片11的层数为偶数，第二极片12的层数为偶数。也就是说，分别位于卷绕中心C沿轴向Z的两侧的第一极片11在层数上相同，分别位于卷绕中心C沿轴向Z的两侧的第二极片12在层数上相同。

本申请通过将主体区14的第一极片11的层数设为偶数、将主体区14的第二极片12的层数设为偶数，改善主体区14关于卷绕中心C的对称性，使卷绕中心C沿轴向Z两侧的膨胀力等同，提高主体区14膨胀的均匀性，降低电极组件1的局部变形，避免极片断裂。

参照图4和图5，最外圈的第一极片11具有第一区域112和第二区域113。第一区域112与主体区14位置对应，换言之，第一区域112为主体区14的一层第一极片11。在宽度方向Y上，第一区域112的宽度等于主体区14的宽度。第一区域112整体平整性好，可保证主体区14外表面的平面度。

第二区域113与拐角区15位置对应。具体地，第二区域113从第一区域112的一端延伸并弯折为弧形，其中，第二区域113的远离第一区域112的一端即为第一卷绕末端111。在电极组件1膨胀前，忽略第一极片11的厚度时，第二区域113近似为圆弧面，第一区域112近似为平面，第一区域112大体与第二区域113相切。

当第一极片11膨胀变形时，第一卷绕末端111可能会在膨胀力的作用下移动。如果α小于15°，那么第二区域113的弧长偏小，第一卷绕末端111可能会在膨胀力的作用下移动到主体区14，从而影响两个主体区14间的接触界面，导致电极组件1局部变形严重，造成极片断裂。如果α为75°～105°，那么当电极组件1膨胀时，第一卷绕末端111可能会挤压壳体2，从而导致应力集中在第一卷绕末端111，容易造成极片局部严重变形，甚至断裂。如果α大于165°，那么当电极组件1膨胀程度较大时，第一卷绕末端111也可能会与相邻的电极组件接触。因此，优选地，第二区域113圆心角α为15°～75°或105°～165°。

第一极片11可为负极极片。第一极片11包括铜箔和涂覆于铜箔表面的负极活性材料，所述负极活性材料包括石墨或硅。对应地，第二极片12为正极极片，第二极片12包括铝箔和涂覆于铝箔表面的正极活性材料，所述正极活性材料包括锰酸锂或磷酸铁锂。

第一极片11的厚度为50μm-200μm。由于第一极片11具有较大的厚度，因此，如果第一卷绕末端111设置于主体区14，那么会严重影响主体区14外表面的平面度。

最外圈的第二极片12具有第二卷绕末端121，第二卷绕末端121即为第二极片12的远离卷绕中心C的自由端。在本申请中，第二卷绕末端121优选设置于拐角区15。第二卷绕末端121不会影响两个电极组件1的主体区14的接触界面，从而保证所述接触界面所受到的膨胀力的均匀性，降低电极组件1的局部变形，避免极片断裂。

最外圈的第二极片12具有第三区域122和第四区域123。第三区域122与主体区14位置对应，换言之，第三区域122为主体区14的一层第二极片12。在宽度方向Y上，第三区域122的宽度等于主体区14的宽度。第三区域122整体平整性好，可保证主体区14外表面的平面度。

第四区域123与拐角区15的位置对应。具体地，第四区域123从第三区域122的一端延伸并弯折为弧形，其中，第四区域123的远离第三区域122的一端即为第二卷绕末端121。在电极组件1膨胀前，忽略第二极片12的厚度时，第四区域123近似为圆弧面，第三区域122近似为平面，第三区域122大体与第四区域12相切。

第四区域123位于第二区域113的内侧。由于第二极片12为正极极片，因此，第四区域123的锂离子需要嵌入到第二区域113中，如果第二区域113不能完全覆盖第四区域123，那么锂离子无法完全嵌入第二区域113，从而导致析锂。因此，为避免析锂，第二区域113圆心角应大于第四区域123的圆心角，以使第二区域113完全覆盖第四区域123。

隔膜13需要将第一极片11和第二极片12完全隔开，以避免短路，因此，隔膜13的第三卷绕末端131通常需要超出第一卷绕末端111和第二卷绕末端121。通常，第三卷绕末端131设置于主体区14。两个电极组件1可以将第三卷绕末端131夹住，从而避免隔膜13散开。而由于隔膜13厚度较小(一般为10μm-20μm)，所以第三卷绕末端131对主体区14的平面度影响较小，不会引发极片断裂。

相邻的两圈第一极片11之间设有间隙，所述间隙包括与拐角区15位置对应的第一间隙G1。当第一极片11和第二极片12膨胀时，拐角区15的应力集中严重，容易导致极片断裂。而通过设置第一间隙G1，可以为第一极片11和第二极片12提高膨胀空间，从而释放膨胀应力，降低极片断裂的风险。

第一间隙G1的尺寸为5μm至50μm。具体地，参照图5，在拐角区15，相邻两层的第一极片11的间距为d1，而所述两层第一极片11之间设有两层隔膜13和一层第二极片12，因此，d1减去两层隔膜13的厚度和一层第二极片12的厚度之后的值，即为第一间隙G1的尺寸。如果第一间隙G1的尺寸小于5μm，那么本申请预留的膨胀空间有限，无法充分释放拐角区15的膨胀应力，仍然存在极片断裂的风险。而如果第一间隙G1的尺寸大于50μm，那么将会导致空间浪费，影响二次电池的能量密度。

相邻的两圈第一极片11之间的间隙还包括第二间隙G2，第二间隙G2与主体区14位置对应。同样地，在主体区14，相邻两层的第一极片11的间距为d2，d2减去两层隔膜13的厚度和一层第二极片12的厚度之后的值，即为第二间隙G2的尺寸。第二间隙G2可以为主体区14的第一极片11和第二极片12提高膨胀空间，从而释放膨胀应力。

当电极组件1膨胀时，拐角区15的应力最为集中，也最容易出现变形。在应力的作用下，第一间隙G1会严重缩小。同时，由于拐角区15的第一极片11和第二极片12为弧形，所以更容易在应力的作用下变形。当应力过大时，拐角区15的第一极片11和第二极片12容易出现断裂。

由于拐角区15的应力更为集中，因此，如果膨胀前第一间隙G1的尺寸和第二间隙G2的尺寸相等，那么当电极组件1膨胀变形时，第一间隙G1缩小的程度会大于第二间隙G2缩小的程度。也就是说，当二次电池循环到一定程度时，第一间隙G1的尺寸会小于第二间隙G2的尺寸。此时，主体区14的电解液会多于拐角区15的电解液，导致主体区14和拐角区15的浸润性出现差异，影响电极组件1动力学性能的一致性。

因此，本申请优选第一间隙G1的尺寸大于第二间隙G2的尺寸，以使膨胀前第一间隙G1的电解液的体积大于第二间隙G2的电解液的体积。本申请通过增大第一间隙G1，及时地释放拐角区15的应力，避免拐角区15的第一极片11和第二极片12断裂。相较而言，第二间隙G2的尺寸较小，对二次电池沿宽度方向Y的厚度影响较小。而由于拐角区15所受的应力更大，因此，当二次电池循环到一定程度时，第一间隙G1的尺寸会大体等于第二间隙G2的尺寸，以使膨胀后第一间隙G1内的电解液的体积大体等于第二间隙G2的电解液的体积，从而在一定程度上改善主体区14和拐角区15的浸润性差异，保证电极组件1动力学性能的一致性。

另外，当主体区14膨胀得到一定程度时，主体区14会与绝缘构件33接触，而顶盖板31和绝缘构件33会限制主体区14的变形。而拐角区15为弧形，壳体2无法限制拐角区15的扭曲变形，第一间隙G需要具有较大的尺寸。

下面对本申请的二次电池的第二实施例进行说明。为了简化描述，以下仅主要介绍第二实施例与第一实施例的不同之处，未描述的部分可以参照第一实施例进行理解。

参照图6，与第一实施例相比，在第二实施例中，第四区域123可以省略，第二卷绕末端121位于主体区14和拐角区15的交界处。当第二卷绕末端121位于主体区14和拐角区15交界处时，第二卷绕末端121不会影响主体区14的外表面的平面度，从而降低电极组件1的局部变形，避免极片断裂。

设计图

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