CN101499525B - 对置双极性电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池技术领域的一种对置双极板和一种对置双极性电池。本发明的对置双极板，其主要特征是：在同一导电基片上，一端为正极片，另一端为负极片。本发明的对置双极性电池，其主要特征是：两端分别为单极性的正极板组、负极板组，中间是双极性的对置双极板组依次层叠布置，相邻单体电池通过对置双极板穿过隔板而直接内部串联；各单体电池间无需外部连接件，结构简单，极片电流密度、工作条件和热湿环境条件均匀一致，内阻与连接大幅减小，重量大幅减轻，可靠性和安全性大幅减高，寿命长，成本大幅降低；能同时大幅度提高电池功率密度和能量密度，并极大改善电池大电流充放电能力、充放电效率、热环境适应性和抗振能力等。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电池技术领域的双极性电池，特别是一种对置双极性电池。
背景技术
常用电池单体电压一般较低，如，锂离子单体电池电压为3.6V，铅酸单体电池电压为2.0V，镍氢单体电池和镍镉单体电池电压为1.2V。为满足实际使用中对电池系统功率和能量的要求，使用时需要串联多个单体电池成组使用。
单体电池均有单独的密封外壳，除正负极片、隔膜、电解液外，方型单体电池内部均有单独的正负极极耳、正负极集流体、正负极防转装置，惰性物质比例大，正负极片均须与极耳焊接，极耳均须与集流体焊接，导电路径长，存在单体电池内部的连接电阻大、零件数量多、成本增加、重量体积大、可靠性差的缺陷，使单体电池的功能密度、能量密度大大低于理论密度，充放电效率低；由于正负极片电流密度分布不均匀，导致极片横向和纵向温度不均匀；正负极片导电宽度远小于极片宽度，使极片与导电体连接处电流密度过大，导致电池极化增大，充电效率下降，电池内部发热，使活性物质氧化加剧，容易导致局部高温，严重时熔化隔膜引起短路故障、缩短电池寿命，从而限制了电池的大电流充放电能力。
单体电池成组的方法采用外部连接片的方式，该方法需要大量的连接件，且连接内阻较大。例如，一个12V方型镍氢电池组，除10只镍氢单体电池外，还需绝缘通风散热板、连接片、极柱螺母、极柱平垫圈、极柱弹簧垫圈、夹板、拉条等共86件外部零件，外部连接接触点20个。即使是单体电池电压较高的锂离子电池，一个12V的锂离子电池组，除4只单体电池外，也还需要36件外部零件，外部连接接触点8个。因此，这种成组方式，存在电池组连接零件数量大、连接电阻大、成本增加、体积重量大等缺陷，使电池组的功能密度、能量密度相对单体电池有所降低、成本增加、可靠性降低、充放电效率降低。由于成组时各连接点紧固力差异、连接件制造差异等，将导致各单体电池等效内阻的不一致，进而导致单体电池的不一致性趋势增加，影响电池组的性能和寿命。
铅酸电池组采用了内部穿壁焊接的方法。采用该方法，一方面要求单体电池的导电体熔点低，另一方面电池组体积仍然较大。对镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等大多绿色电池系统，由于单体电池导电体熔点高，如果采用内部穿壁焊接的方法，焊接产生的热量可将内部隔膜、绝缘胶等融化，导致电池内部短路，所以内部穿壁焊接的方法不适合导电体熔点高的电池成组。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为CN101192684，专利名称为：双极性电池及其制造方法，该专利自述为“在此示教被构造成使引入的气泡最少化的双极性电池及该电池的制造方法。一个双极性电池包括电解质层，该电解质层包括具有渗透性以使电解质可以渗透其中的隔板，在该双极性电极中，在集电极的一侧形成阴极而在集电极的另一侧形成阳极。通过相互堆叠电解质层形成层叠体。层叠体的电解质层具有重叠的隔板层”。其不足之处在于：属“三明治”结构式，各单体电池间的密封困难；双极板一侧为正极、另一侧为负极，各单体电池仅能由一片正极片和一片负极片构成，不便于在大容量单体电池中应用；双极板两侧的正负极片均只有一侧发生完全电化学反应，另一侧的活性物质没有被完全利用，电化学反应不充分，导致电极的容量偏低；除模块两端的正负单极性极片，中间均为双极性电极，中间的正负极片均需要增加一片导电金属基片，相对于常规的单极片来说，双极板的功率密度和能量密度降低。
发明内容
本发明的目的是克服目前电池和电池组的缺陷，提供一种对置双极性电池，其结构简单紧奏、重量轻、体积小、零件数量少、制造成本低、电池内阻小，可大幅度提高电池组的功率密度、能量密度，提高电池的大电流充放电能力和能量效率，提高电池的可靠性并延长电池使用寿命，提高电阻组的高温环境适应性和抗振动能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的对置双极板，包括对置双极板导电体、正极片、负极片、双极片导电段。其中，对置双极板导电体，采用正极片导电体或负极片导电体之一所需的材料为基础导电材料形成对置双极板的导电基片，导电基片的一端为对应的极片导电体，在导电基片的另一端采用电镀或其他方法包裹与基础导电材料不同的极片导电体所需材料层形成另一极片的导电体。在对置双极板导电体的正极片导电体外包裹正极材料形成正极片，在负极片导电体外包裹负极材料形成负极片，双极片导电段是正极片和负极片之间未包裹正负材料的裸露部分。正极片与负极片位于同一对置双极板导电体的两端。
本发明所涉及的对置双极性电池，包括电池组正电极、电池组负电极、正极板组、负极板组、对置双极板组、电解液、隔膜、隔板、密封外壳、安全装置。正极板组由若干正极片组成，负极板组由数量为正极片数+1的负极片组成，对置双极板组由隔板和若干对置双极板组成，电池组正电极穿过密封外壳与正极板组连接，电池组负电极穿过密封外壳与负极板组连接，在所有正极片外包裹隔膜，在正极板组与负极板组之间依次层叠布置对置双极板，所有正极片分别位于相邻负极片之间，相邻对置双极板组的隔板之间连同密封外壳的该相邻隔板之间的部分构成一只单体电池。其中：对置双极性电池两端是单极性的正极板组和负极板组，中间是双极性的对置双极板组；电池组正极端单体电池的负极片组，由与其相邻的对置双极板组的负极片组成；电池组负极端的单体电池的正极片组，由与其相邻的对置双极板组的正极片组成；中间任意单体电池的正极片组、负极片组，分别由相邻二个对置双极板组的正极片和负极片组成；各单体电池间通过对置双极片的双极片导电段依次穿过隔板直接内部串联；各单体电池由隔板与密封外壳的相邻隔板之间的部分形成该单体电池的密封腔；各单体电池在密封外壳的相邻隔板之间的部分内设置安全装置。
所述的对置双极板组，由若干所述对置双极板与隔板组成，其每个对置双极板的正极片与负极片之间有一段裸露的双极片导电段穿过隔板，其中的一个对置双极板的双极片导电段处增加连接一个负极片；所有正极片组成对置双极板组的正极片组，位于对置双极板组的一端；所有负极片组成对置双极板组的负极片组，位于对置双极板组的另一端。
所述的隔板，设置于电池组密封外壳内，其四周与密封外壳间保持电路绝缘，隔板的结构可以是以下多种形式中的任意一种：实心体；内置温度传感器，用于测量电池内部温度；除了内置温度传感器外，还内置一件并联导电板，将对置双极板组中对置双极板裸露的双极片导电段连接起来，使各极片具有一致的工作条件；除了内置温度传感器外，还内置两件并联导电板，将对置双极板组中对置双极板裸露的双极片导电段连接起来。
本发明的对置双极性电池自身为一个相当于若干单体电池串联而成的电池组。
利用本发明的若干对置双极性电池，通过外部串联可形成高电压电池组。
利用本发明的若干对置双极性电池，通过外部并联可形成大容量电池组。
利用本发明的若干对置双极性电池，通过外部串联和并联可形成大容量高电压电池组。
本发明的工作过程与工作原理为：
(1)采用正极片导电体或负极片导电体之一所需的材料为基础导电材料形成对置双极板的导电基片，导电基片的一端是一个极片的导电体，在导电基片的另一端采用电镀包裹另一个极片导电体材料形成另一极片的导电体。在正极片导电体外包裹正极材料形成正极片，在负极片导电体外包裹负极材料形成负极片，在正极片和负极片之间留出一段未包裹正负极片材料的裸露部分，形成对置双极板，其正极片与负极片位于同一对置双极板导电体的两端。
(2)电池正电极端的单体电池，其正极片组为单极性的正极板组，其负极片组为相邻对置双极板组的负极片组。电池负电极端的单体电池，其负极片组为单极性的负极板组，其正极板组为相邻对置双极板组的正极片组。除位于电池组两端单体电池外的中间单体电池，其正极板组为一个对置双极板组的正极片组，其负极片组为相邻对置双极板组的负极片组。
(3)各单体电池间通过对置双极板组的导电基片穿过隔板直接内部串联，电流从电池两端沿极片方向流入流出，单体电池间的最小通流宽度和通流截面均与极片导电体相当。任意单体电池均由正极片组、负极片组、隔膜、电解液、密封外壳相应部分和隔板等组件组成，各组件的布置符合同类单体电池的相应要求，并可根据需要在电池组密封外壳的相应部分设置安全装置。
(4)通过电池组正电极、负电极，可对电池组实施充放电和均衡化管理。通过温度采样接口，测量电池组内部温度，实施更有效的热管理，提高电池热管理的精度和安全性。通过信号采样和/或充放电接口，实施单体电池电压采样和单体电池均衡化控制。冷却介质通过隔板内部的散热通道实施电池热管理，使电池组内各单体电池、各极片具有相同的热湿工作环境。通过隔板内的并联导电板将对置双极板组中对置双极片裸露的导电体连接起来，使同一对置双极板组中的各极片具有相同的工作条件。
与现有电池技术相比，本发明的有益效果是：
(1)电池正负极片纵向与横向的电流密度均可均匀一致，电池的大电流充放电能力大幅提高，电池工作温度可提高，极大改善电池的高温环境适应性。
(2)重量大幅减轻、成本大幅降低，电池可靠性、安全性大幅提高，寿命延长。
(3)单体电池间连接电阻大幅减小，电池充放电效率大幅提高、电池发热小。以一个12Ah的磷酸铁锂方型动力电池为例，本发明中单体电池间的连接电阻小于0.01mΩ，相对于现有单体电池一般采用2个极柱的约2mΩ连接电阻，单体电池间的连接电阻减小到传统结构的0.5％以内。
(4)能量密度和功率密度大幅提高。以一种12V/12Ah磷酸铁锂电池组为例，按3.6V计算，储能量约172Wh，单体电池最大电流200A。现有电池组的能量密度约86Wh/kg，按本发明的电池组能量密度提高了42％；现有电池组的功率密度为880W/kg，按本发明的电池组功率密度提高了62％。
(5)本发明克服了现有技术的缺点，提高了单体容量，提高了大电流通过能力，提高了单体电池散热性能，电化学反应更加充分。
附图说明
图1是本发明对置双极板导电体结构示意图；
图2是本发明对置双极板结构示意图；
图3是本发明对置双极板图2的B-B截面放大示意图；
图4、图5、图6和图7是本发明对置双极性电池的结构示意图；
图8是本发明对置双极性电池图4、图5、图6和图7的A-A截面示意图；
图9是本发明对置双极性电池的一种结构实例图7的外部结构示意图；
图10是本发明高电压对置双极性电池组结构实例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例的对置双极板导电体3，一种对置双极板导电体，采用正极片导电体或负极片导电体之一所需的材料为基础导电材料形成对置双极板的导电基片，导电基片的一端为对应的极片导电体1，在导电基片的另一端采用电镀或其他方法包裹与基础导电材料不同的极片导电体所需材料层4形成另一极片的导电体2。以下假设导电体1为正极片并称为正极片导电体1，导电体2为负极片并称为负极片导电体2，材料层4相应地为正极片导电体材料层并称为正极片导电体电镀层4。
如图2、图3所示，本实施例的对置双极板8，通过在正极片导电体1外包裹正极材料形成正极片5，通过在负极片导电体2外包裹负极材料形成负极片7，双极片导电段6是正极片5和负极片7之间未包裹正负材料的裸露部分。正极片5与负极片7位于同一对置双极板导电体3的两端。
如图4和图8所示，本实施例的对置双极性电池19，包括电池组正电极9、电池组负电极14、正极板组17、负极板组15、对置双极板组、电解液27、隔膜10、隔板12、密封外壳18、安全装置28。其中，正极板组17由4个单极性正极片16组成，负极板组15由数量为正极片数+1的单极性负极片13组成，对置双极板组由隔板12和对置双极板8组成，电池组正电极9穿过密封外壳18与正极板组17连接，电池组负电极14穿过密封外壳18与负极板组15连接，在所有正极片5、6外包裹隔膜10，在正极板组17与负极板组15之间依次层叠布置对置双极板8，所有正极片5、6分别位于相邻负极片7、13之间，相邻对置双极板组的隔板12之间连同密封外壳18的相邻隔板之间的部分构成一只单体电池。对置双极性电池两端是单极性的正极板组17和负极板组15，中间是双极性的对置双极板组；电池组正极端单体电池的负极片组，由与其相邻的对置双极板组的负极片7组成；电池组负极端的单体电池的正极片组，由与其相邻的对置双极板组的正极片5组成；中间任意单体电池的正极片组、负极片组，分别由相邻两个对置双极板组的正极片5和负极片7组成；各单体电池间通过对置双极片的双极片导电段6依次穿过隔板12直接内部串联；各单体电池由隔板12与密封外壳18的相邻隔板之间的部分形成该单体电池的密封腔；每一个单体电池在密封外壳18的相邻隔板之间的部分内设置安全装置28。
所述对置双极板组，由4个对置双极板8和1个与隔板12组成，每个对置双极板8的正极片5与负极片7之间有一段裸露的双极片导电段6穿过隔板12，其中的一个对置双极板8的双极片导电段6处增加连接一个负极片11；所有正极片5组成对置双极板组的正极片组，位于对置双极板组的一端；所有负极片7组成对置双极板组的负极片组，位于对置双极板组的另一端。
所述隔板12，隔板12安装于电池组密封外壳18内，隔板的结构结构能保证其四周与密封外壳18间保持电路绝缘。隔板可以采用多种结构：
如图4所示对置双极性电池19的隔板12是实心体。
如图5所示对置双极性电池21的隔板12，内置温度传感器20，用于测量电池内部温度。
如图6所示对置双极性电池23的隔板12，除了内置温度传感器20外，还内置一件并联导电板22，将对置双极板组中对置双极板裸露的双极片导电段6连接起来，使各极片具有一致的工作条件。
如图7所示对置双极性电池26的隔板12，除了内置温度传感器20外，还内置两件并联导电板22和24，将对置双极板组中对置双极板裸露的双极片导电段6连接起来，使各极片具有一致的工作条件。并联导电板22和24同与之相连的隔板12、对置双极板8的双极片导电段6在相连单体电池间形成散热通道25，冷却介质通过散热通道25，使电池组内各单体电池、各极片具有相同的热湿工作环境。
如图9所示，本实施例对置双极性电池的一种结构实例图7的外部结构，包括：电池组正电极9、电池组负电极14，散热通道25对应的进出口，与隔板12内置温度传感器连接的温度采样接口30，与将对置双极板组中双极片导电段6连接起来的并联导电板相连接的号采样和/或充放电接口29。
如图10所示，本实施例高电压对置双极性电池组，将按本实施例的4个对置双极性电池31通过外部连接件32依次正负极相连，形成高电压电池组。其中，对置双极性电池31可以是本发明实例的对置双极性电池19，或对置双极性电池21，或对置双极性电池23，或对置双极性电池26，也可以是按本实施例方法的其他形式的对置双极性电池。
Claims (10)
1.一种对置双极性电池的双极板，其特征在于：包括对置双极板导电体(3)、正极片(5)、负极片(7)、双极片导电段(6)，其中：对置双极板导电体(3)，采用正极片导电体或负极片导电体之一所需的材料为基础导电材料形成对置双极板的导电基片，导电基片的一端为对应的极片导电体(1)，在导电基片的另一端采用电镀包裹与基础导电材料不同的极片导电体所需材料层(4)形成另一极片导电体(2)；在对置双极板导电体(3)的极片导电体(1)外包裹相应电极材料形成极片，在另一极片的导电体(2)外包裹相应电极材料形成极片，双极片导电段(6)是包裹了相应电极材料形成的正极片(5)和负极片(7)之间未包裹正、负极材料的裸露部分；正极片(5)与负极片(7)位于同一对置双极板导电体的两端。
2.一种对置双极性电池，其特征在于：包括电池组正电极(9)、电池组负电极(14)、正极板组(17)、负极板组(15)、对置双极板组、电解液(27)、隔膜(10)、隔板(12)、密封外壳(18)、安全装置(28)，其中，正极板组(17)由若干单极性正极片(16)组成，负极板组(15)由数量为正极片数+1的单极性负极片(13)组成，对置双极板组由隔板(12)和若干如权利要求1所述的对置双极板(8)组成，电池组正电极(9)穿过密封外壳(18)与正极板组(17)连接，电池组负电极(14)穿过密封外壳(18)与负极板组(15)连接，在所有正极片(5、6)外包裹隔膜(10)，在正极板组(17)与负极板组(15)之间依次层叠布置对置双极板(8)，所有正极片(5、6)分别位于相邻负极片(7，13)之间，相邻对置双极板组的隔板(12)之间连同密封外壳(18)的该相邻隔板之间的部分构成单体电池；对置双极性电池两端是单极性的正极板组(17)和负极板组(15)，在正极板组(17)和负极板组(15)之间是双极性的对置双极板组；电池组正极端单体电池的负极片组，由与其相邻的对置双极板组的负极片(7)组成；电池组负极端的单体电池的正极片组，由与其相邻的对置双极板组的正极片(5)组成；两端单体电池之间的任意单体电池的正极片组、负极片组，分别由相邻对置双极板组的正极片(5)和负极片(7)组成；各单体电池间通过对置双极片的双极片导电段(6)穿过隔板(12)直接内部串联；各单体电池由隔板(12)与密封外壳(18)的相邻隔板之间的部分形成该单体电池的密封腔；各单体电池在密封外壳(18)的相邻隔板之间的部分内设置安全装置(28)。
3.根据权利要求2所述的对置双极性电池，其特征在于：所述的对置双极板组由若干对置双极板(8)与隔板(12)组成，每个对置双极板(8)的正极片(5)与负极片(7)之间有一段裸露的双极片导电段(6)穿过隔板(12)，其中的一个对置双极板(8)的双极片导电段(6)处增加连接一个负极片(11)；所有正极片(5)组成对置双极板组的正极片组，位于对置双极板组的一端；所有负极片(7)组成对置双极板组的负极片组，位于对置双极板组的另一端。
4.根据权利要求2所述的对置双极性电池，其特征在于：所述隔板(12)设置于电池组密封外壳(18)内。
5.根据权利要求2所述的对置双极性电池，其特征在于：所述隔板(12)是实心体。
6.根据权利要求2所述的对置双极性电池，其特征在于：所述隔板(12)内置温度传感器(20)。
7.根据权利要求6所述的对置双极性电池，其特征在于：所述隔板(12)内置一件并联导电板(22)，将对置双极板组中对置双极板裸露的双极片导电段(6)连接起来。
8.根据权利要求6所述的对置双极性电池，其特征在于：所述隔板(12)内置两件并联导电板(22，24)，将对置双极板组中对置双极板裸露的双极片导电段(6)连接起来，并联导电板(22，24)同与之相连的隔板(12)、对置双极板(8)的双极片导电段(6)在相邻单体电池间形成若干散热通道(25)。
9.根据权利要求8的对置双极性电池，其特征在于：所述密封外壳(18)，其上有与散热通道(25)对应的进出口，与隔板(12)内置温度传感器连接的温度采样接口(30)，与将对置双极板组中双极片导电段(6)连接起来的并联导电板相连接的采样和/或充放电接口(29)。
10.一种对置双极性电池组，其特征在于：若干根据权利要求2-9所述的对置双极性电池通过外部连接件(32)依次正、负极相连，形成对置双极性电池组。
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