CN100411236C - 一种用平板电极叠片制作的方形蓄电池 - Google Patents

Abstract

一种用平板电极叠片制作的方形蓄电池，包括矩形壳体和由多片正极板和负极板交替叠片组成的电池内芯包，相邻正、负极板之间有电池隔膜，壳体上端口配有带正、负极极柱和安全阀的密封盖，正、负极均为矩形平面极板，其较长侧边与极柱轴向平行，较长侧边中的一条通过焊接方式与相应的极耳连接在一起；正极板的极耳延长端汇集于正极板靠近密封盖的同一短边侧并与正极极柱下端连接，负极板的极耳延长端汇集于负极板靠近密封盖的同一短边侧并与负极极柱下端连接，从垂直于电极表面的方向看，正极极耳组位于电池内芯包一侧而负极极耳组位于其相对侧。本发明改进了电池中电流的分布均匀性，提高了大电流工作能力，避免了传统电池在极耳部位的短路问题。

Description

一种用平板电极叠片制作的方形蓄电池

技术领域

本发明涉及蓄电池，进一步是指方形蓄电池的内部结构设计。

背景技术

电池是大量用电器具的电源，尤其是在电动车方面的应用更使电池质量和数量上的要求大幅度上升。

在常规的方形电池结构中，电极板的较长边与极柱轴方向平行，较短边与极柱轴方向垂直，但无论正极还是负极，其极耳均是焊接在极板靠近电池壳顶盖的短边部位，也即极板的极耳方向与极柱的轴方向是垂直的；显然，在传统结构中从极耳处起算，在垂直于极耳方向上的任意一个部位，电流流经该部位单位面积时的流经途径总电阻与该部位距极耳焊接部位的距离关系很大，距离越大则电流流经途径总电阻越大，距离相同时电流流经途径总电阻相同；而极板上的电流分布与电流流经途径的总电阻大小有关，其结果是在离极耳近的极板部位的电流流经途径总电阻小因而其分配的电流大，在远离极耳的部位则由于电流流经途径总电阻大而导致分配的电流小。由于在诸如电动车方面的应用时，电池经常处于大电流工作状态，极板上的这种电流分配不均匀性会导致电池的内部极化不均匀并使电池发热严重，这对电池寿命也产生严重的不利影响。

同时，在传统的方形电池内芯包的叠片方式中，正、负极极板的极耳部位都设置在电池内芯包的同一侧边部位，形成正负极板的极耳交叠。这种极板叠片的方式的问题之一是正、负极板的极耳之间仅有一层隔膜相隔，在使用过程中，由于前述的电流分配不均匀原因，在极耳焊接部位附近的电流密度是最大的，使得该部位的发热强度较大，容易导致极耳之间的用高分子材料做成的隔膜熔融变形，进而使正负极极耳间形成短路使电池失效；问题之二是由于正、负极板上的电流分布方式相同，这使得正、负极板上流过大电流的部位相对应，而流过小电流的部位也相对应，这就造成了电池内的电流分布极不均匀。所以电池在大电流工作时需具有均匀的电流分布以便使电池的发热减小，同时也必须使电池内部极板间的短路可能性减小以提高电池的使用可靠性。因此，研制出满足这些技术特性要求并适合方形蓄电池的新电池结构是必要的技术措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有电池结构技术方案存在的缺陷，提出一种用平板电极叠片制作的方形蓄电池，它采用特定的平板电极板结构和平板电极叠片方案来实现方形蓄电池的内部新结构，从而使电池内部在大电流工作时的电流分布均匀性得到了显著改善，同时也使电池的容量在较大的设计范围内变动时均能满足电池大电流工作的需要并具有较低的热效应；同时，也使电池预防内部短路的能力大大提高，增强电池的工作可靠性。

本发明的解决上述问题的技术方案是，所述用平板电极叠片制作的方形蓄电池包括矩形壳体和置于其中的电池内芯包，电池内芯包由多片正极极板和负极极板交替叠片组成，正极板和负极板均为矩形平面极板，相邻两正、负极板之间置有用高分子材料制成的电池隔膜，矩形壳体上端口配有安装了起引出电流作用的正极极柱和负极极柱以及安全阀的密封盖；在组装电池时，使正、负极极板较长的侧边方向与安装在密封盖上的极柱的轴方向平行，较短的侧边与极柱的轴方向垂直，正、负极极板较长侧边中的一条侧边上均预留有用于连接极耳的带状边，可通过焊接方式将正极板上的带状边与正极极耳连接在一起，将负极极板上的带状边与负极极耳连接在一起，使所述的所有正极板的极耳的延长端汇集于该极板靠近极柱的短边一侧并与安装在密封盖上的正极极柱下端连接，使所述的所有负极极耳的延长端汇集于该极板靠近极柱的短边一侧并与安装在密封盖上的负极极柱下端连接；从垂直于电极表面的方向看，所有正极的极耳汇集于电池内芯包的一侧，而所有负极的极耳汇集于电池内芯包的所述正极极耳的相对侧，正负极极板交替叠片时，正负极板的重合部分仅限极板的含活性材料的部分，极耳部分不参与正负极板的交替重叠。

以下对本发明做出进一步说明。

参见图1，本发明所述方形蓄电池包括矩形壳体(3)和置于其中的电池内芯包，所述电池内芯包由多片正极极板和负极极板交替叠片组成，相邻两正、负极板之间置有用高分子材料制成的电池隔膜，所述矩形壳体(3)上端口配有安装了起引出电流作用的正极极柱和负极极柱以及安全阀的密封盖(4)。其特征是，所述正极板和负极板均为矩形平面极板，在组装电池时，使正、负极极板较长的侧边方向与安装在密封盖上的极柱的轴方向平行，较短的侧边与极柱的轴方向垂直，正、负极极板较长侧边中的一条侧边上均预留有用于焊接极耳的带状边，通过焊接方式将正极板上预留的带状边与正极极耳(2)连接在一起，将负极极板上预留的带状边与负极极耳(9)连接在一起，并使所述的所有正极板的极耳(2)的延长端汇集于该极板靠近极柱的短边一侧并与安装在密封盖(4)上的正极极柱(5)下端连接，使所述的所有负极极耳(9)的延长端汇集于该极板靠近极柱的短边一侧并与安装在密封盖(4)上的负极极柱(10)下端连接，极柱和极耳组之间的连接方式可以采用焊接也可以采用螺栓紧固。从垂直于电极表面的方向看，所有正极的极耳(2)汇集于电池内芯包的一侧，而所有负极的极耳(9)汇集于电池内芯包的所述正极极耳(2)的相对侧，正负极极板交替叠片时，正负极板的重合部分仅限极板的含活性材料的部分(即如图1所示，所述正极极耳2和负极极耳9分别位于电池内芯的左、右两侧)。

本发明中，所述的正负极板均为矩形平板结构，选取其较长侧边的一边作为焊接起引导电流作用的极耳的部位，并在后续电池组装结构中保持极板的较长边方向与极柱的轴方向平行。所述正、负极板叠片时，可预先将正极极板装入用电池隔膜材料制成的隔膜袋中，然后将带有隔膜袋的正极极板与负极极板交替叠片制成电池内芯包；也可采取将正负极极板交替叠片，并在每一个正、负极的交叠面间放置一片电池隔膜用于隔离正、负极板之间的电子传导。在叠片过程中需使正、负极极板的极耳分别汇集于电池内芯包的两个相对的端侧，即将正极板群的导电极耳汇集于电池内芯包的一侧，负极板群的导电极耳汇集于电池内芯包的另一侧，并使正、负极极板用于与极柱连接的极耳部分置于电池内芯包的同一短边侧端；然后通过适当方式(如焊接和螺杆紧固)使汇集后的正极极耳(2)和负极极耳(9)分别与相应的正、负极极柱(5)、(10)牢固连接。

将制作好的电池内芯包置于矩形壳体(3)中，该矩形壳体(3)由可耐一定压力和温度的材料制成，并使所述密封盖(4)与矩形壳体实现密封连接。

本发明中，在所述密封盖(4)的中间部位设置一个起排气作用的安全阀(8)；安全阀为一可以根据电池内部气体压力的大小自动开启和关闭的气压感应控制部件。当电池内部压力过大时，该安全阀可以自动开启泄压，而当电池内部压力回落至正常范围后，所述安全阀能自动关闭，从而保障电池内压力在正常范围，起到安全防爆的作用。

所述正极极柱(5)和负极极柱(10)为电池内部与外部的导电连接部件，本发明中采用带螺母(6)的螺杆结构，在与密封盖(4)内侧接触的部位设有一平台，在该平台与密封盖(4)的底面之间加有一层密封垫圈(7)。在极柱与电池盖外部的结合部位，通过螺母(6)拧紧达到紧固极柱和使极柱部位实现密封的目的。

本发明的技术原理是，对常规的电池极板而言，如前所述，在离极耳近的极板部位的电流流经途径总电阻小因而其分配的电流大，在远离极耳的部位则由于电流流经途径总电阻大而导致分配的电流小；在本发明中(参见图2)，为了使每一片极板上的电流分布较均匀，电池的(正、负)极板(1)均采用矩形平面极板结构，在其较长的一条侧边，预留出用于焊接导电极耳的带状部分，通过焊接使之与条状的正极极耳(2)(对于正极板)和负极极耳(9)(对于负极板)连接，极耳的长度大于极板长侧边的长度，长出的部分(延伸端)集中留在极板的一端，用于与极柱的连接。通过这种设计，可使电极极板上沿与极耳平行的方向上的电流密度降低，同时也使沿垂直于极耳方向的电流流经途径缩短，这样就使得同样面积的电极极板上的电流分布得到了明显的改善。

再者，传统方形电池内芯包的正、负极极板的极耳部位都在电池内芯包的同一部位，形成正、负极板的极耳交叠，其问题之一是正负极板的极耳之间仅有一层隔膜相隔，在使用过程中，在极耳焊接部位附近的电流密度最大，使得该部位的发热较大，容易导致极耳之间的隔膜熔融变形，进而使正负极极耳间形成短路使电池失效；问题之二是正、负极板的电流分布相同，使得正、负极板上流过大电流的部位相对应，而流过小电流的部位也相对应，这就造成了电池内的电流分布极不均匀；而在本发明中(参见图1)，为了使由电池正、负极极板叠片构成的电池内芯具有均匀的电流分布，可预先将在一条长侧边上焊接了极耳的正极板装入用电池隔膜材料制成的隔膜袋中，然后将带有隔膜袋的正极板与预先在一条长侧边上焊接了极耳的负极板交替叠片制成电池内芯，也可采取将正负极极板交替叠片，并在每一个正负极的交叠面之间放置一片电池隔膜用于隔离正负极板之间的电子传导从而形成目标的电池内芯包。在叠片过程中确保正负极极板的极耳分别汇集于电池内芯包的两个相对的端侧，叠片中正负极板的重合部分仅限极板的含活性材料的部分，极耳部分不参与正负极交替的重叠。这样叠片的结果是在垂直于极耳的方向上正负极板各自的电流分布方向相反，构成电流流经途径电阻的互补，也即使得在正负极板叠片构成的含活性物质的极板重合区域上任何一个局部单元上的电流流经途径总电阻相同或相近，这样就使得在每一个由正负极板叠片构成的局部电池单元上流过的电流均能相等或比较接近。另外，也由于极耳部分不参与极片的重叠，可以有效地避免正负极极耳间发生短路。

由上可知，本发明为一种用平板电极叠片制作的方形蓄电池，它采用矩形平面结构的正、负极极板，并以极板较长的侧边为极耳的焊接边，正、负极极板的叠片采用极耳部位相对叠片的方式，从而有效地解决了电池内部电流分布不均的问题，由于电流分布不均造成的极耳附近部位发热较大而易形成正负极极耳发生短路的问题以及材料利用率较低的问题，增强了电池的工作可靠性。

附图说明

图1是本发明一种实施例的单体电池结构示意图；

图2是本发明一种实施例的电池极板结构示意图；

图3是按本发明制作的80Ah方形镍氢蓄电池单体(B型)与传统结构的相同电池(A型)的放电性能曲线比较图示(其中，充电：40A、84Ah  放电：400A，放电至0.8V)。

在图中：

1-(正极或负极)极板，    2-正极极耳，

3-矩形壳体，            4-密封盖，

5-正极极柱，            6-极柱螺母，

7-密封垫圈，            8-安全阀，

9-负极极耳，            10-负极极柱。

具体实施方式举例

下面以目前在电动汽车上应用前景较好的方形金属氢化物镍蓄电池(简称镍氢电池)为例对本发明上述实施例作出进一步说明。

按照图1、图2的结构制作本发明的方形镍氢蓄电池，其正、负极板1的尺寸规格为8×13.5cm，单体电池的容量为80Ah。

现以上述正、负极板1的规格为8×13.5cm，并以其短边为极耳焊接部位制作容量为80Ah的单体电池(A型电池，传统结构)作为参照，再以图1和图2所示结构按A型电池的极板规格但以长边为极耳焊接部位制成80Ah电池(B型电池，本发明的结构)。在将两种电池活化后，对其进行高倍率放电性能的比较。图3是两种电池以400A电流恒流放电的性能比较结果。可以看到，按本发明制作的电池，其放电曲线的电压平台比传统电池有了显著提高，并且放电容量也有了提高。这说明本发明对电池性能的改进是有效的。

在传统的方型密封镍氢蓄电池中，极耳都是设置在电池极片靠近极柱的短侧边上。电池放电时，在电池内部电流的流向为由负极流向正极(与此相反，在电池外部电流的流向是由正极流向负极)。电流从电池外部通过负极极柱进入电池内部，分配到每个负极板的极耳上，然后沿与极耳垂直的方向将电流分配到极板上。所以电流的第一级分配是总电流按极耳的长度的分配，当极耳与电极的连接部位为极板的短侧边时，在单位长度极耳上的电流就较大。其次是，由于电池的活性材料的导电性差，在极板上离极耳距离不同的部位的电流流经途径电阻不同，距离越远的部位其电流流经途径电阻越大，形成电流的二级分配。因此在同一时刻，极板上与极耳相同距离的部位具有相同的电流密度，但距离越远的部位的电流密度越小。电流按这种非均匀的方式分配到负极板上后依靠离子导电的方式流过电池隔膜到达电池的正极板。由于正极板的结构与负极板的相同，并且在与负极间叠片形成电池内芯包时，正负极板的极耳部位也是交替叠合的。这就意味着，与负极板的电流流经途径电阻较小的部位对应的正极板部位也是电流流经途径电阻较小的部位，而与负极板上电流流经途径电阻较大的正极板对应部位也是电流流经途径电阻较大的部位。因此从电池的由正极、隔膜和负极的对应单元构成的局部电池来看，如果该单元位于离极耳越远的地方，则该电池单元的电流流经途径总电阻越大，分配到的电流就越小。这就造成电池内部的电流分布不匀。进一步导致电池在反应过程中，极板上远离极耳部位的活性材料得不到充分利用，使得电池的活性材料利用率不高；同时也导致电池承受大电流的能力不高。

采用本发明的极板设计时，电流在极板上的一级分配与传统设计不同的是，由于新的设计把极耳的焊接位置始终选择在极板的较长侧边部位，因而，对于同样面积的电池极板而言，电流的一级分配能使单位长度极耳上分配的电流减小，从而可减小极耳附近由于电流密度过高而引起的发热。更重要的是，在本发明中由于在正负极板叠片时采取了极耳部位不重叠的结构，对于由正极、隔膜和负极形成的单元电池，电流流经途径电阻较大的负极单元对应的是电流流经途径电阻较小的正极单元，而电流流经途径电阻较小的负极单元对应的则是电流流经途径电阻较大的正极单元，使得在整个电池内部，不同单元电池的电流流经途径总电阻的差异较小，从而极大地改善了电池内部的二级电流分布。电流分布的均匀化也促使电池活性材料的利用率提高，电池发热的减少和发热源的均匀分散。这样的叠片方式带来的另一个好处是，正负极板的极耳不再重叠，因而减少了在极耳处的短路现象，提高了电池的使用可靠性。

Claims (3)

1. 一种用平板电极叠片制作的方形蓄电池，包括矩形壳体(3)和置于其中的电池内芯包，所述电池内芯包由多片正极极板和负极极板交替叠片组成，相邻两正、负极板之间置有电池隔膜，所述矩形壳体(3)上端口配有安装了起引出电流作用的正极极柱和负极极柱以及安全阀的密封盖(4)，其特征是，所述正极板和负极板均为矩形平面极板，各正、负极极板较长的侧边与安装在密封盖上的极柱的轴向平行，较短的侧边与极柱的轴向垂直，正、负极极板较长侧边中的一条侧边均预留有用于连接极耳的带状边，将正极极板上预留的带状边与相应的正极极耳(2)连接在一起，将负极极板上预留的带状边与负极极耳(9)连接在一起，并使所述的所有正极板的极耳(2)的延长端汇集于该极板靠近极柱的短边一侧并与安装在密封盖(4)上的正极极柱(5)下端连接，使所述的所有负极极耳(9)的延长端汇集于该极板靠近极柱的短边一侧并与安装在密封盖(4)上的负极极柱(10)下端连接，从垂直于电极表面的方向看，所有正极的极耳(2)汇集于电池内芯包的一侧，而所有负极的极耳(9)汇集于电池内芯包的所述正极极耳(2)的相对侧，正负极极板交替叠片后的重合部分仅限极板的含活性材料的部分。

2. 根据权利要求1所述的用平板电极叠片制作的方形蓄电池，其特征是，在所述密封盖(4)中间部位设置有起安全防爆作用的安全阀(8)，所述的安全阀为-可以根据电池内部气体压力的大小自动开启和关闭的气压感应控制部件。

3. 根据权利要求1所述的用平板电极叠片制作的方形蓄电池，其特征是，所述正极极柱(5)和负极极柱(10)为带螺母(6)的螺杆结构，其在与密封盖(4)内侧接触的部位设有一平台，在该平台与密封盖(4)的底面之间加有一层密封垫圈(7)。

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