CN101719562A - 一种高电压电池的电芯 - Google Patents

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Abstract

一种高电压电池的电芯，由两个以上的复合电极片(1)叠放在一起构成；每两个复合电极片(1)之间插有数量不少于一层的电子不导电的微孔隔膜(2)，将复合电极片(1)相互隔开；复合电极片(1)之间充满液体或胶体电解质(3)；采用绝缘胶粘剂(4)将每个复合电极片(1)的边缘部位胶粘固定并相互绝缘；相邻的两个复合电极片互相构成一个电池单元；电池单元之间的液体或胶体电解质互不流通；电芯的表面正极(5)和表面负极(6)分别与带有正极极耳(8)的正极集流体(7)和带有负极极耳(10)的负极集流体(9)相连。

Description

一种高电压电池的电芯
技术领域
本发明涉及锂离子电池及锂电池领域，尤其涉及一种可为电动汽车、电动自行车等提供能量的高电压动力锂离子电池的电芯。
背景技术
目前开发应用的单体动力锂离子电池的电芯内部普遍由一个电池单元构成，电芯工作电压平台范围在3～4V之间，而电芯的荷电容量可能高达一两百安时(Ah)。对于大容量锂离子电池而言，如果电芯内部没有其它安全措施或者安全措施失效，一旦内部某一处发生短路，电芯将在短时间内释放大量热量，造成单体电池的完全失效甚至发生燃烧爆炸等安全事故。电动车对于动力锂离子电池的安全性要求非常严格，这使得动力锂离子电池必须采用安全性能更好的电极材料，或者增加额外的电池内部安全措施，因此这在很大程度上限制了锂离子电池动力性能的发挥，也降低了电池组可能的能量密度和功率密度。
现有的电动车用动力电池组一般由多个大容量单体电池串联的方式或串并联混合的方式供能。单体电池之间的容量及内阻差别难免存在，这不仅与极片涂布的均匀性有关，更与电池制作过程的力学因素有关。基于目前的动力电池设计与制造技术水平，单体电池之间的性能差异在其整个生命周期里客观存在。若电池组采用外部串联单体电池的方式供能，其输出容量将取决于最低容量的那个单体电池。如果在其它电池容量发挥正常的情况下，其中一个单体电池出现容量下降异常，整组电池将不能继续使用。动力电池组中串联的单体电池数量越多，对于单体电池的一致性要求就越高，整体电池组的寿命就越难设计与控制。
为克服以上缺点，中国专利03126538.3和CN101141010A的发明专利文献公布了一种高电压动力型锂离子可充电电池，该类电池包括充满电解液的壳体，壳体内至少设有两个锂离子电芯单元，各锂离子电芯单元正负极之间串联连接组成电芯体后被整体封装在一个壳体内，各电芯仓之间留有共用电解液流动的通道。该类电池虽然可以通过内部串联电芯单元的方式提供高电压输出，但由于锂离子可以通过相互流通的电解液在电池内部各个串联电芯之间嵌入和脱出，这将恶化电池内部各个串联电芯单元之间的容量不均一性，降低电池的电化学性能。更为严重的是，电解液在串联电芯单元之间的流通连接还带来了极大的安全隐患。因为目前普遍使用的锂离子电池电解液的分解电压基本上不超过6V，当电解液在串联电芯单元之间流通分布时，电池内部的电场分布其实是不均匀的，各个电芯单元边缘的电解液要比电芯中心的电解液承受高得多的分解电压，这样极有可能造成电池充放电过程中电解液的分解，从而导致电池安全事故的发生。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提出一种通过内部串联电池单元方法获得高电压输出的单体锂离子二次电池或锂二次电池的电芯，本发明采用绝缘胶粘剂防止电芯内部的液体或胶体电解质在串联电池单元之间的流通连接，以提高动力电池的使用安全性能及能量密度，简化电池组的管理系统设计。
本发明采用以下技术方案：
本发明的电芯由两个以上矩形或其它形状的复合电极片叠放在一起构成。每两个复合电极片之间插有数量不少于一层的电子不导电的微孔隔膜，将复合电极片相互隔开，防止短路。复合电极片之间充满液体或胶体电解质。相邻的两个复合电极片互相构成一个电池单元，电池单元的串联数量决定了电芯的输出电压。
所述的复合电极片为复合金属箔膜，复合金属箔膜由厚度小于30微米的铝箔与厚度小于20微米的铜膜复合构成，在复合金属箔膜的铝箔上涂布有正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，在复合金属箔膜的铜膜上涂布有负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物。所述的正极活性材料为含锂的金属化合物或可嵌锂的金属化合物，包括：锂钴氧化物(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂镍锰氧化物(LiNi1/2Mn1/2O2或LiNi1/2Mn3/2O4)、锂镍锰钴氧化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2或LiNi2/5Mn2/5Co1/5O2)、锂铁磷酸盐(LiFePO4)、锂锰磷酸盐(LiMnPO4)。所述的负极活性材料为金属锂、可储锂金属粉体、可储锂金属氧化物或各类碳材料。
复合电极片边缘涂敷有耐电解液腐蚀的绝缘胶粘剂，绝缘胶粘剂将每个复合电极片的边缘部位胶粘固定并相互绝缘，使得相邻的两个复合电极片构成一个封闭的电池单元，电池单元之间的液体或胶体电解质互不流通，电池充放电时锂离子的迁移被限制在各个电池单元内部。
多个串联的所述的电池单元构成一个方形或其它形状的电芯块体。电芯块体最外侧的两个复合电极片的外表面为电芯的表面正极和表面负极，电芯的表面正极和表面负极不涂敷负极或正极活性材料，表面正极通过导电胶粘剂与正极集流体粘接或者依靠弹性力与正极集流体紧密接触；表面负极通过导电胶粘剂与负极集流体粘接或者依靠弹性力与负极集流体紧密接触。另外一种方法是，直接利用表面电极作为集流体使用，这样可以省却表面电极与集流体的粘接，但会给表面电极对应的电池单元的密封带来难度。
所述的集流体为厚度小于5毫米的带极耳的导电金属箔片。本发明电芯通过两个集流体的极耳分别外接正负极柱，从外界输入或向外界输出电子，电芯的工作电压在几伏至几百伏之间。可以将电芯固定于塑料壳体或内衬塑料膜的金属壳体内，以单体高压电池或多个单体高压电池并联的方式向外输出能量。
电芯内部即使发生某电池单元短路，本发明也不会导致电芯内所有电池单元的瞬间大电流放电，电芯内部只有少量的热产生，电芯甚至还可以继续使用，只是电芯的输出电压平台会有所降低。因此，这种安全的电池制作方式给动力电池电极材料的设计提供了更多的体系选择，电极材料的电化学性能也可以得到充分发挥。
相对于以外部串联单体电池提供高压输出的方式而言，本发明电芯采用内部串联电池单元提供高压输出的方式还可以提供更好的均衡性，因为同一电芯内部极片的涂布与裁剪制作更为接近，电芯内部电池单元之间的容量及内阻差异很小。动力电池组若采用若干个所述电芯的并联方式供能，就不需要任何大容量单体电池之间的串联，这样不仅提高了电池组的使用安全性，也可以简化电池组管理系统的设计，降低动力电池系统的整体成本。
附图说明
图1为内部串联高电压锂离子电池电芯的结构示意图，其中图1a为正视图，图1b为侧视图，图1c为复合电极片的结构示意图，图中：1复合电极片，2微孔隔膜，3液体或胶体电解质，4绝缘胶粘剂，5表面正极，6表面负极，7正极集流体，8正极极耳，9负极集流体，10负极极耳，11铜膜，12铝箔，13负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，14正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物。
具体实施方式
本发明高电压电池的电芯，由复合电极片1、微孔隔膜2、液体或胶体电解质3、绝缘胶粘剂4、表面正极5、表面负极6、正极集流体7、正极极耳8、负极集流体9、负极极耳10构成。如图1a、b所示，多个复合电极片1串联叠放在一起，每两个复合电极片1之间隔有电子不导电的微孔隔膜2。复合电极片1之间注有液体或胶体电解质3。绝缘胶粘剂4将每个复合电极片1的边缘部位胶粘固定并相互绝缘。电芯的表面正极5与带有正极极耳8的正极集流体7用导电粘接剂胶粘相连；电芯的表面负极6与带有负极极耳10的负极集流体9用导电粘接剂胶粘相连。图1c所示为复合电极片1的结构，如图1c所示，复合电极片1为复合金属箔膜，复合金属箔膜由铝箔12与铜膜11复合构成，在复合金属箔膜的铝箔12上涂布有正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物14，在复合金属箔膜的铜膜11上涂布有负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物13。复合电极片1的边缘涂覆有耐电解质腐蚀的绝缘胶粘剂4，绝缘胶粘剂4将每个复合电极片1的边缘部位胶粘固定并相互绝缘，使得相邻的两个复合电极片1构成一个封闭的电池单元，电池单元之间的液体或胶体电解质互不流通，电池充放电时锂离子的迁移被限制在各个电池单元内部。

Claims (5)

1.一种高电压电池的电芯，其特征在于：所述电芯由两个以上的复合电极片(1)叠放在一起构成；每两个复合电极片(1)之间插有数量不少于一层的电子不导电的微孔隔膜(2)，将复合电极片(1)相互隔开；复合电极片(1)之间充满液体或胶体电解质(3)；采用绝缘胶粘剂(4)将每个复合电极片(1)的边缘部位胶粘固定并相互绝缘；相邻的两个复合电极片互相构成一个电池单元；电池单元之间的液体或胶体电解质互不流通；电芯的表面正极(5)和表面负极(6)分别与带有正极极耳(8)的正极集流体(7)和带有负极极耳(10)的负极集流体(9)相连。
2.如权利要求1所述的高电压电池的电芯，其特征在于：所述的复合电极片(1)为一片复合金属箔膜，复合金属箔膜由厚度小于30微米的铝箔与厚度小于20微米的铜膜复合构成，在复合金属箔膜的铝箔上涂布有正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，在复合金属箔膜的铜膜上涂布有负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物。
3.如权利要求2所述的高电压电池的电芯，其特征在于：所述复合金属箔膜的铝箔上涂布的正极活性材料为含锂的金属化合物或可嵌锂的金属化合物；所述复合金属箔膜的铜膜上涂布的负极活性材料为金属锂、可储锂金属粉体、可储锂金属氧化物或碳材料。
4.如权利要求1所述的高电压电池的电芯，其特征在于：所述的复合电极片的边缘涂敷有绝缘胶粘剂，该绝缘胶粘剂为聚偏氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂及各类合成绝缘胶粘材料的一种或几种混合物。
5.如权利要求1所述的高电压电池的电芯，其特征在于：多个串联的所述的电池单元构成一个电芯块体，电芯块体最外侧的两个复合电极片的外表面为表面正极和表面负极，表面正极和表面负极不涂敷负极或正极活性材料；表面正极通过导电胶粘剂与正极集流体粘接或者依靠弹性力与正极集流体紧密接触；表面负极通过导电胶粘剂与负极集流体粘接或者依靠弹性力与负极集流体紧密接触。正极集流体为厚度小于5毫米的带正极极耳的导电金属箔片，负极集流体为厚度小于5毫米的带负极极耳的导电金属箔片。
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