CN101556995A - 正负极片对置共集流体极板组及其共集流体模块电池 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电池技术领域的正负极片对置共集流体极板组及其共集流体模块电池。正负极片对置共集流体极板组的正极片在其一端有导电基片裸露段，负极片在其一端有导电基片裸露段，所有正极片的导电基片裸露导段分别与集流体的一侧连接，所有负极片的导电基片裸露导段与集流体的另一侧连接；模块电池正电极穿过密封外壳与正极板组连接，模块电池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正负极片对置共集流体极板组，将所有正极片分别布置在相邻负极片之间，相邻单体电池具有共用的集流体。本发明结构简单，寿命长，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。

Description

正负极片对置共集流体极板组及其共集流体模块电池

技术领域

本发明涉及一种电池技术领域的产品，具体是一种正负极片对置共集流体极板组及其共集流体模块电池。

背景技术

现有结构的单体电池均都有单独的密封外壳，除正负极片、隔膜、电解液外，方型单体电池内部还有极耳、集流体、防转装置等，惰性物质比例大，结构复杂、焊接工序多、导电路径长，存在单体电池内阻大、零件数量多、成本高、重量体积大、可靠性差的缺陷，单体电池充放电效率低，其功能密度、能量密度大大低于理论密度。另外，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；正负极片导电宽度一般远小于极片宽度，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一般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。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进一步降低、成本进一步增加、可靠性进一步降低、充放电效率进一步降低。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN1780040，公开日为2006.05.31，专利名称为：新型动力电池单元及集成式电池组，该专利自述为：“新型动力电池单元及集成式电池组，电池单元包括正极板1、负极板2、极板隔膜3、电解液和密封外套4，正极板1和负极板2叠装在一起用极板隔膜3隔离，然后用密封外套4密封起来，密封外套4里存储有电解液，正极板1和负极板2由电化学物质层5和导电骨架6组成，正极板1和负极板2上的导电骨架6一端顶部凸出一块电极片7，所有正极板1上的电极片7排列分布在一侧并连接起来形成正极集流体8，所有负极板2上的电极片7排列在另一侧并连接起来形成负极集流体9，正极集流体8与负极集流体9分别位于电池的两端并且其顶端伸出密封外套4的外面”其不足之处是：电池单元的连接需要连接片，如该专利所述采用焊接的方式，则可能损坏隔膜、连接件多、焊接工序多，电池制造成品率、电池使用寿命、电池极片和电池单元的一致性难于得到保证。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种正负极片对置共集流体极板组及其共集流体模块电池，其结构简单紧奏、重量轻、体积小、零件数量少、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，特别适合于车载等严酷使用环境。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的一种正负极片对置共集流体极板组，包括若干正极片、正极片数量加一的负极片、集流体，正极片在其一端有导电基片裸露段，负极片在其一端有导电基片裸露段，所有正极片的导电基片裸露导段分别与集流体的一侧连接，所有负极片的导电基片裸露导段与集流体的另一侧连接。

本发明的集流体，安装于电池组密封外壳内后，至少不会因集流体引起单体电池内部短路或若干单体电池之间的短路，其结构至少能保证其四周与密封外壳间保持电路绝缘。该集流体可以有多种结构：集流体内部有若干圆形或方形通道，为模块电池内部散热通道，并在其内设置温度传感器，冷却介质可通过该散热通道，使模块电池内各单体电池、各极片具有相同的热湿工作环境。或者集流体是实心体，通过集流体端面散热，加工制造方便。集流体的一侧覆盖一层相应极片导电极片相同的材料层，以增强该极片导电基片裸露导电段与集流体的连接性能，集流体四周经绝缘处理或连接有绝缘边框。

本发明所涉及的一种如上所述的正负极片对置共集流体极板组的共集流体模块电池，包括模块电池正电极、模块电池负电极、电解液、隔膜、密封外壳、安全装置，模块电池正电极穿过密封外壳与正极板组连接，模块电池负电极穿过密封外壳与负极板组连接，其中，正极板组由若干正极片组成，负极板组由数量为正极片数加一的若干负极片组成，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正负极片对置共集流体极板组，将所有正极片分别布置在相邻负极片之间，相邻正负极片对置共集流体极板组的集流体之间连同密封外壳的相应部分构成一只单体电池，相邻单体电池具有共用的集流体，并通过该集流体实现相邻单体电池间的直接内部串联，安全装置设置于模块电池内各单体电池对应密封外壳内，密封外壳的内表面绝缘。

该共集流体模块电池的外部设有与集流体内部散热通道相对应的冷却介质进出口，信号采样和/或充放电接口。

将若干共集流体模块电池通过外部连接件依次正负极相连，形成更高电压或/和更大容量的电池组。

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。本发明中单体电池间的通流宽度与极片宽度之比可达1；1；任意一单体电池均相当于是其二端分别与相邻单体电池连接，单体电池内相邻正极片和负极片沿电流方向的电流密度均匀，避免了传统方型电池中正极片、负极片沿电流方向电流密度不均匀的缺陷，避免了现有电池内部在该方向的热力不均匀性；避免了现有电池中因极片电流密度不均匀而不得不限制电池的大电流充放电能力的缺陷。

2、电池可靠性、安全性大幅提高，寿命延长。本发明中通过集流体将极片连接为一体，各单体电池内部各极片工作条件均匀，而且单体电池之间的连接实际上形成了一种网格状的立体连接，抗振能力大幅提高；电池正负极片纵向与横向的电流密度的均匀一致，避免了因电池极片局部电流密度过大而可能导致的安全性问题，例如，现有电池局部电流密度过大，将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；模块电池内各单体电池直接内部串联，避免了外部连接的大量工序，进而避免了各单体电池间连接的电阻和力学上的差异、外部连接中对电池内部相关连接的损坏等；本发明保证电池组内各极片具有相同的热湿工作环境的独特设计，保证单体电池内部各极片工作条件一致的独特设计，结合单体电池均衡化接口设计，进一步提高了电池组的可靠性、安全性，并延长其寿命。

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。本发明中单体电池间通过共用的集流体直接内部连接，其连接电阻减小到了现有电池的1％以内。

4、重量大幅减轻、成本大幅降低。本发明省去了极耳、防转装置、螺柱、散热板、连接片、极柱螺母、极柱平垫圈、极柱弹簧垫圈、夹板、拉条和50％的集流体等，制造工序大幅减少，电池重量可减轻，电池模块成本相应降低可达20％。

5、功率密度大幅提高。以锂离子电池模块为例，假设单体电池最大电流200A。按本发明的单体电池间因连接电阻引起的压降约10mV、功率损失2W；现有电池组因连接电阻引起的压降约1200mV、功率损失240W。按相同的单体电压放电电压计算，按本发明的12V电池组最大输出功率1998W，现有电池组约为1760W。按本发明的12V电池组质量约1.6kg，现有电池组质量约2kg。因此，按本发明的12V电池模块的功率密度为1248W/kg，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42％。显然，电池组电压越高，电流越大，电池组功率密度提高的幅度将越大。

6、能量密度大幅提高。由于重量的减轻，按本发明12V电池模块能量密度可提高20％。

7、本发明的共集流体模块电池，在现有电池材料、电解液、隔膜等技术基础上，就能大幅度提高电池的功率密度、能量密度、热湿和振动冲击环境适应性、大电流工作能力、充放电效率，并具有重量轻、低成本等特点，更加适合于在电动汽车等严酷条件下的使用。

附图说明

图1是本发明正极片结构示意图。

图2是本发明负极片结构示意图。

图3是本发明实心体集流体结构示意图。

图4是本发明具有通道集流体结构示意图。

图5是本发明正负极片对置共集流体极板组结构示意图

图6是图5的俯视图。

图7是本发明共集流体模块电池结构示意图。

图8是图7的A-A截面示意图。

图9是图7的外部结构示意图。

图10是本发明共集流体模块电池组成的高电压电池组结构示意图。

具体实施方式

下面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，结合了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1至图6所示，本实施例涉及一种正负极片对置共集流体极板组，包括若干正极片1、正极片1数量加一的负极片4、集流体6，正极片1在其一端有导电基片裸露段2，负极片4在其一端有导电基片裸露段3，所有正极片1的导电基片裸露导段2分别与集流体6的一侧连接，所有负极片4的导电基片裸露导段3与集流体6的另一侧连接。

集流体6内部有若干圆形或方形通道，为模块电池内部散热通道，并在其内设置温度传感器；或者集流体5是实心体。

集流体6的一侧覆盖一层相应极片导电极片相同的材料层，集流体6四周经绝缘处理或连接有绝缘边框。

如图7、8所示，本实施例还涉及一种如上所述的正负极片对置共集流体极板组的共集流体模块电池，包括模块电池正电极10、模块电池负电极13、电解液9、隔膜7、密封外壳11、安全装置14，模块电池正电极10穿过密封外壳11与正极板组8连接，模块电池负电极13穿过密封外壳11与负极板组12连接，其中，正极板组8由若干正极片1组成，负极板组12由数量为正极片数加一的若干负极片4组成，在所有正极片1外包裹隔膜7，在正极板组8与负极板组12之间依次正负极片对置共集流体极板组，将所有正极片1分别布置在相邻负极片4之间，相邻正负极片对置共集流体极板组的集流体之间连同密封外壳11的相应部分构成一只单体电池，相邻单体电池具有共用的集流体，并通过该集流体6实现相邻单体电池间的直接内部串联，安全装置14设置于模块电池内各单体电池对应密封外壳11内，密封外壳11的内表面绝缘。

如图9所示，该共集流体模块电池的外部设有与集流体6内部散热通道相对应的冷却介质进出口16，信号采样和/或充放电接口15，

如图10所示，将若干共集流体模块电池通过外部连接件17依次正负极相连，形成更高电压或/和更大容量的电池组。

本实施例的原理与工作过程为：(a)在模块电池内部，相邻集流体之间构成一个单体电池，相邻单体电池之间通过共用的集流体6，一侧连接一个单体电池的正极片1，另一侧连接相邻单体电池的负极片4，实现了通过该共用集流体6的二相邻单体电池的直接内部串联，而不需要外部连接件，且减少了工序数量，增加了连接的可靠性。(b)在模块电池内，单体电池均由正极片组8、负极片组12、隔膜7、电解液9、密封外壳11相应部分和共用集流体6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11的相应部分布置安全装置14。(c)在模块电池内，对于任意单体电池内部，电流从其两端沿极片方向流入流出，各极片的最小通流宽度和通流截面均与极片导电体相当，沿极片长度和宽度方向的电流密度均匀，避免了局部高温，电池内阻大幅度减小，提高电池的大电流通过能力。(d)通过共用的集流体6将极片并联起来，使单体电池内的各极片具有相同的工作条件，且可相互协同工作。(e)通过模块电池组正电极、负电极4，可对电池组实施充放电和均衡化管理；通过信号采样和/或充放电接口15，以便实施单体电池电压采样和单体电池均衡化控制。(f)冷却介质通过集流体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。

Claims (7)

1、一种正负极片对置共集流体极板组，包括若干正极片、正极片数量加一的负极片、集流体，其特征在于：正极片在其一端有导电基片裸露段，负极片在其一端有导电基片裸露段，所有正极片的导电基片裸露导段分别与集流体的一侧连接，所有负极片的导电基片裸露导段与集流体的另一侧连接。

2、根据权利要求1的正负极片对置共集流体极板组，其特征是，集流体内部有若干圆形或方形通道，并在其内设置温度传感器；或者集流体是实心体。

3、根据权利要求1的正负极片对置共集流体极板组，其特征是，集流体的一侧覆盖一层相应极片导电极片相同的材料层，集流体四周经绝缘处理或连接有绝缘边框。

4、一种如权利要求1所述的正负极片对置共集流体极板组的共集流体模块电池，包括模块电池正电极、模块电池负电极、电解液、隔膜、密封外壳，其特征在于：模块电池正电极穿过密封外壳与正极板组连接，模块电池负电极穿过密封外壳与负极板组连接，正极板组由若干正极片组成，负极板组由数量为正极片数加一的若干负极片组成，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正负极片对置共集流体极板组，将所有正极片分别布置在相邻负极片之间，相邻正负极片对置共集流体极板组的集流体之间连同密封外壳的相应部分构成一只单体电池，相邻单体电池具有共用的集流体。

5、根据权利要求4所述的共集流体模块电池，其特征是，所述的共集流体模块电池的外部设有与集流体内部散热通道相对应的冷却介质进出口，信号采样和/或充放电接口。

6、根据权利要求4所述的共集流体模块电池，其特征是，将若干所述的共集流体模块电池通过外部连接件依次正负极相连，形成电池组。

7、根据权利要求4所述的共集流体模块电池，其特征是，所述的密封外壳的内表面绝缘。

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