CN102035040A - 制造组合电池的方法及组合电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造组合电池的方法，包括以下步骤：(a)制造多个单体电池；(b)将所述多个单体电池以一个安插在另一个内的方式相互嵌套设置；和(c)使所述多个单体电池相互并联或串联电连接。本发明通过彼此嵌套的多个单体电池间的并联解决了大容量、高功率密度、低厚度环形电池体积大、能量密度低的问题，并进一步改善了电池散热。本发明还涉及用所述方法制得的组合电池。

Description

制造组合电池的方法及组合电池
技术领域
本发明涉及制造组合电池的方法，尤其涉及制造适用于电动交通工具、智能电网等的大容量、高功率的动力组合电池的方法。本发明还涉及由所述方法制得的组合电池。
背景技术
从20世纪90年代初开始，锂离子电池的出现和逐步推广，从一定程度上带动了便携式设备的飞速发展；而近10年来，动力电池安全性能、倍率性能的快速提升，使其能够进入到大型电动工具、混合动力车、纯电动车等领域，与大扭矩电动机进行搭配，替代或部分替代了以内燃机为核心的动力系统，引发了新一轮的绿色能源热潮。
目前，出于对大容量实心动力电池内部散热困难的担忧，已经实现小规模商品化的锂离子动力电池单体容量都在8-100Ah之间，代表性的锂离子动力电池有：中信国安盟固利新能源科技有限公司的SPIM24300260方型100Ah锂离子动力电池和苏州星恒电源有限公司IMP20/66/148-08PS高功率8Ah动力电池。在这些单体电池的基础上，技术人员通过对单体电池的串联和并联来提高电池组的电压和容量，以满足其它领域的需求，例如：北京中威信通科技有限公司已经制造出了使用48V-300Ah电池组的UPS样机ZWDY-48/300用于电信领域，其电池组是由单体容量为10Ah的动力电池组合而成。
EP1705743A1涉及一种包括多个单体电池的电池模块，在该电池模块中，单体电池彼此间隔一预定距离串联或并联地连接。
US2005/0174092A1涉及一种在车辆中使用的电池系统，该电池系统包括多个电连接的锂电池。在一个实施例中，电池系统包括模块，该模块包括多个(例如10个)串联地电连接的电池。在另一个实施例中，所述模块可以通过连接器连接到电线或电缆上，从而将该模块连接到另一模块或者车辆电气系统。
即便如此，现有的实心动力电池的输出功率特性还是无法满足某些高端领域的需求，以至于工程师只能通过减小单体电池的容量、间隙布置、强制通风来获得所需的高输出功率特性，最为直接的一个例子就是美国特斯拉汽车公司(Tesla Motors)在2008年3月开始量产的电动汽车“Tesla Roadster”，为了达到4s内从静止加速到100km/h的要求，其电池组所使用的单体电池为目前最为成熟的18650型锂离子电池，每辆车使用了多达6831个的18650型锂离子电池。这样做的代价无疑是大幅度增加了电源管理系统的复杂程度、电池组装配和维护的复杂程度以及整个电源系统的可靠性。
在未来的数年间，随着动力电池产品成本的进一步降低，当我们继续向电站储能和调峰、电网滤波、电力机车应急电源等领域拓展动力电池产品的时候，对于他们提出的、高达MW级别的功率要求，使用单体容量在100Ah以下的单体电池进行组合几乎是无法想象的。
作为一种改进手段，US 5501916A公开了一种单体电池，其电池芯体中具有通孔，构成电池壳体的盖体直接地或经由与其热连通的铝板与电池芯体的通孔的侧壁的至少一部分紧密贴合，由此可改善单体电池内部的散热问题。
但是，应该指出，上述专利中提到的增加通孔并不是解决散热问题的关键所在。解决散热问题的关键在于控制电池芯体的最大厚度，因此，增加一个通孔的方式虽然起到了减小电池芯体最大厚度的作用，但是，当单体电池容量增大到300Ah及以上或者实心电池芯体最大厚度大于或等于100mm时，由于电池安全性和倍率特性对电池芯体的最大厚度产生的限制，简单地增大通孔直径或者增加通孔数量在解决电池内部的散热问题的同时带来了其它方面的问题，例如，增大通孔就增加了通孔内的无效体积，降低了单体电池和电池组整体的能量密度和功率密度，而增加通孔数量又无疑增加了制造难度和制造成本。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种既能够有效解决散热问题又具有大容量、高安全性、高能量密度以及高功率密度的电池产品及其制造方法，以便克服现有技术中的动力电池的上述缺陷。
为此，本发明的一方面涉及一种能够简便、快速和低成本地制造组合电池或电池组的方法。根据本发明的制造组合电池的方法包括以下步骤：(a)制造多个单体电池；(b)将所述多个单体电池以一个安插在另一个内的方式相互嵌套设置；和(c)使所述多个单体电池相互并联或串联电连接。由此可见，用根据本发明的方法制得的电池产品是包括多个单体电池的组合电池或电池组。
在一种有利构型中，所述步骤(a)包括制造多个带有通孔的环形单体电池，其中每个环形单体电池包括限定所述通孔的内侧壁、限定所述环形单体电池的外周边的外侧壁以及位于内侧壁和外侧壁之间的芯体；所述步骤(b)包括将所述多个环形单体电池以一个安插在另一个的通孔内的方式相互嵌套设置。
在另一种有利构型中，所述步骤(a)包括制造一个实心单体电池和一个或多个带有通孔的环形单体电池，其中所述实心单体电池包括芯体和限定所述实心单体电池的外周边的外侧壁，每个环形单体电池包括限定所述通孔的内侧壁、限定所述环形单体电池的外周边的外侧壁以及位于内侧壁和外侧壁之间的芯体；所述步骤(b)包括将所述一个实心单体电池和所述一个或多个环形单体电池以一个安插在另一个的通孔内的方式相互嵌套设置。
本发明通过制造多个彼此嵌套的单体电池并使它们并联，解决了大容量、高功率密度、低厚度环形电池体积大、能量密度低的问题，并进一步改善了组合电池或电池组的散热。具体说来，通过将多个单体电池的尺寸制造成各不相同，使得横截面尺寸较小的单体电池能位于横截面尺寸较大的单体电池的通孔内，从而将所有的单体电池相互嵌套设置在一起。在获得容量大、散热好的电池产品的同时，还有效地利用了单体电池通孔内的无效体积，从而提高了电池产品的能量密度。
有利地，对于组合电池中的环形单体电池，所述步骤(a)包括按下列步骤制造每一个环形单体电池：(a1)将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕空心柱体卷针卷绕而制成所述环形单体电池的芯体，并以所述空心柱体卷针构成所述环形单体电池的内侧壁；(a2)将带有所述内侧壁的所述芯体装配到外壳中，并以该外壳构成所述环形单体电池的外侧壁；(a3)分别将上盖板和下盖板与所述环形单体电池的内侧壁和外侧壁装配在一起以封闭所述环形单体电池的芯体。
对于组合电池中存在实心单体电池的情况，所述步骤(a)还包括按下列步骤制造所述实心单体电池：(a1’)制造所述实心单体电池的芯体；(a2’)将所述实心单体电池的芯体装配到外壳中，并以该外壳构成所述实心单体电池的外侧壁；(a3’)分别将上盖板和下盖板与所述实心单体电池的外侧壁装配在一起以封闭所述实心单体电池的芯体。
在所述步骤(a3)中，可将所述上盖板和下盖板与所述内侧壁和外侧壁焊接在一起，这样能确保各盖板与各侧壁之间的密封和固定，还有利于盖板与侧壁之间的导热。
在一种有利构型中，在要与所述空心柱体卷针的表面直接接触的正极片或负极片的最内端预留出没有涂覆浆料的内端集流体部，并且将所述内端集流体部的至少一部分焊接在所述空心柱体卷针的表面上。此外，可使所述预留的内端集流体部绕所述空心柱体卷针的表面卷绕1圈以上。上述这些措施都有利于电池芯体内部通过空心柱体卷针向外界散热。
同样，为了有利于电池芯体内部通过电池外壳向外界散热，还可在要卷绕在所述空心柱体卷针上最外侧的所述正极片或负极片的最外端预留出没有涂覆浆料的外端集流体部，并使该外端集流体部与所述外壳直接接触。
根据一种特定构型，在制造各单体电池时，将相邻两个单体电池中嵌套在外的单体电池的内侧壁用作嵌套在内的单体电池的所述外侧壁，使得所述相邻两个单体电池之间具有共用的侧壁。这样在制造所述嵌套在内的单体电池的过程中同时完成了所述相邻两个单体电池之间的嵌套，简化了制造过程，有利于提高生产率，同时还增强了电池的散热性能，提高了电池的能量密度。此外，由于相邻两个单体电池之间共用一个侧壁，所以组合电池的机械结构更加紧凑和稳定。
在上述特定构型的一种变型中，所述步骤(a)连同所述步骤(b)一起进行，其中，按所述多个单体电池的嵌套位置关系从内到外地连续制造和嵌套所述多个单体电池：将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕空心柱体卷针卷绕出最内侧的单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最内侧的单体电池，或者，制造出最内侧的实心单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最内侧的所述一个实心单体电池；然后围绕该外壳用涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片卷绕出另一个单体电池芯体并给其加装另一外壳和上、下盖板，由此制造出嵌套在该最内侧的单体电池之外的另一个单体电池；以此类推直至制造出最外侧的单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最外侧的单体电池，也同时实现了所述多个单体电池的相互嵌套。这种制造过程便于进行连续生产，进一步提高生产率。
有利地，所述两个相邻单体电池之间共用的侧壁构造成包括两个壳壁的双壁结构，所述两个壳壁之间用散热鳍片连接成一体。除了增加组合电池的机械强度外，这还能进一步增强相邻两个单体电池之间的散热性能。或者，可在所述共用的侧壁上打上散热孔，这样也能增强相邻两个单体电池之间的散热性能。
有利地，在所述步骤(a)中，将每个环形单体电池的芯体的最大厚度制造得小于或等于35mm。这样可限制电池芯体内部极片距离电池侧壁导热表面的最大距离，从而更好地实现经由形成电池壳体一部分的侧壁的导热表面散热的效果。此处，环形电池芯体的厚度是指电池芯体在内、外侧壁之间的尺寸跨度。例如，若电池芯体为空心圆柱形，则其厚度等于其内、外半径之差。但应指出，单体电池芯体的最大厚度不限于35mm以下，例如，对于电池倍率要求较低的应用场合，该最大厚度可适当扩大至例如50mm。
有利地，在所述步骤(b)中，将相邻两个单体电池之间的间隙设置得不小于5mm。这有助于改善电池组的散热效果。此处，相邻两个单体电池之间的间隙是指这两个相邻单体电池中横截面尺寸较小的单体电池的外侧壁与横截面尺寸较大的单体电池的内侧壁之间的最小距离。例如，若内、外侧壁均为圆环形，则所述间隙等于截面尺寸较小的单体电池的外侧壁的外半径与截面尺寸较大的单体电池的内侧壁的内半径之差。但应指出，对于电池倍率要求较低的应用场合，该最小距离不限于5mm或以上，甚至该最小距离可以为0mm，即两个相邻单体电池中横截面尺寸较小的单体电池的外侧壁与横截面尺寸较大的单体电池的内侧壁之间紧密接触，或者如上所述，相邻两个单体电池之间具有共用的侧壁。
有利地，所述步骤(a)还包括在所述多个单体电池中的至少一个单体电池的内侧壁和/或外侧壁上设置散热鳍片，以更好地经由电池的侧壁表面散热。
有利地，将所述环形单体电池制造成空心圆柱体。由此得到的电池组结构简单，便于制造和装配。但是，本发明不限于此。相反，单体电池可以具有任何合适的形状。例如，所述单体电池也可以是空心的棱柱体(即，横截面为多边形的空心柱体)，例如空心的长方体。相应地，所述实心单体电池可以是实心圆柱体或实心棱柱体。
有利地，使所述环形单体电池的通孔的中心线与该单体电池的几何中心线重合，其中，通孔的形状可以为圆孔或多边形孔或任意其它适当形状的孔。例如，当环形单体电池为空心圆柱体时，其通孔可以是与该圆柱体的中心轴线同轴的圆孔。这种构型能在总体上更大程度地减小内部极片距邻近电池侧壁导热表面的最大距离，从而更好地实现经由电池侧壁的导热表面散热的效果；这还便于电池壳体与电池芯体的装配，且有助于电池芯体在吸收电解液膨胀后以更均匀的张力分布，压紧紧靠电池壳体，减少对电池壳体的扭转力，从而更好地保护电池。
有利地，所述单体电池制造为锂离子电池。但是，本发明不限于此，而是也可应用于其它类型的单体电池，例如镍氢电池、镍镉电池等。
本发明的另一方面涉及用上述方法制得的组合电池，其特征在于包括多个相互并联电连接的单体电池，所述多个单体电池以一个安插在另一个内的方式相互嵌套设置。
附图说明
通过下面对在附图中作为非限制性示例给出的优选实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点得以进一步明确，在附图中：
图1是用根据本发明的方法制得的组合电池中的示例性环形单体电池的示意性透视图；
图2a是图1所示的环形单体电池的芯体的卷绕方式示意图；图2b是图1所示的环形单体电池的制造装配分解图；
图3a是用根据本发明的方法制造的第一种构型的动力组合电池的示意性透视图；图3b是图3a中的组合电池沿X-X线截取的剖视图；
图4是用根据本发明的方法制造的第二种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图5是用根据本发明的方法制造的第三种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图6是用根据本发明的方法制造的第四种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图7是用根据本发明的方法制造的第五种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图8是用根据本发明的方法制造的第六种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图9是用根据本发明的方法制造的第七种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图10是用根据本发明的方法制造的第八种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图11是用根据本发明的方法制造的第九种构型的动力组合电池的示意性透视图；
图12是图11所示的组合电池的制造装配分解图；
图13是图6所示的组合电池的制造装配分解图；
图14是根据比较构型的环形电池的示意性透视图。
在附图中，绘制仅仅是示意性的，并不一定完全按照实际尺寸，为了使得附图更加清楚或突出其中一些部件，可能相对于其它部件扩大一些部件，并且在各个实施例及附图中相对应的部件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
下面结合附图来描述根据本发明的多个实施例。在根据本发明的制造组合电池的方法中，先制造出多个单体电池并将所述多个单体电池以一个安插在另一个内的方式相互嵌套设置，再使所述多个单体电池相互并联或串联电连接。
在一个实施例中，首先制造多个例如图1所示的带有通孔2的环形单体电池1，其中每个环形单体电池1包括限定所述通孔2的内侧壁5、限定所述环形单体电池1的外周边的外侧壁4以及位于内侧壁5和外侧壁4之间的芯体6。在图1中，芯体6在上方和下方还分别被上盖板7和未示出的下盖板封闭。
有利地，如图2a和2b所示，能按以下过程制造每一个环形单体电池1。首先，提供圆管状的空心柱体卷针5(尺寸例如为：外径62mm，内径60mm，高度180mm；例如由金属尤其是铝制成)、带有正极极耳的涂覆有正极浆料的正极片61(尺寸例如为：宽度166mm，长度16.3m)、带有负极极耳的涂覆有负极浆料的负极片62(尺寸例如为：宽度166mm，长度15.7m)和隔膜63(宽度例如为170mm)，其中正极片、正极浆料、负极片、负极浆料和隔膜都用本领域公知的材料制成，例如，正极片为铝箔，正极浆料为锰酸锂，负极片为铜箔，负极浆料为天然石墨，隔膜为聚丙烯(PP)膜。由此制得的电池为锂离子电池，并且在下文中都以锂离子电池为例进行说明。然后，如图2a所示，将隔膜63、负极片62、隔膜63依次置于正极片61的同一侧，并在卷绕机上围绕空心柱体卷针5进行卷绕，从而得到图2b中示出的带有空心柱体卷针5的电池芯体6。
在本实施例中，空心柱体卷针5由铝制成，在这种情况下，如本领域技术人员所公知，只有正极片能与卷针5直接接触。此时，可在正极片61的最内端预留没有涂覆正极浆料的内端集流体部9，并从该内端集流体部9开始进行卷绕。即，先使内端集流体部9绕空心柱体卷针5的表面且与该表面紧密接触地进行卷绕，其中所述预留的长度使得内端集流体部9可在卷针5的表面上卷绕至少1圈(此处例如为200mm)，并且在卷绕内端集流体部9时，还可例如通过超声焊接将内端集流体部9的至少一部分焊接到卷针5的表面上。上述这些措施都有助于增强电池芯体6的内部与卷针5之间的导热。在卷绕完内端集流体部9后，再将正极片61的其它部分、负极片62和隔膜63卷绕到卷针5的表面上，从而形成电池芯体6。
在卷绕完成后，不将空心柱体卷针5从电池芯体6中取出，从而以卷针5构成环形单体电池1的内侧壁。然后，如图2b中的箭头A1所示，将带有卷针5的电池芯体6装配到同样由铝制成的电池外壳4中，并以外壳4构成环形单体电池1的外侧壁。本领域技术人员已知，铝制外壳4也只能与正极片直接接触，因而要卷绕到卷针5上最外侧的也只能是正极片。在此，根据一种有利构型，如图2b所示，在正极片61的最后卷绕到卷针5上的最外端也可预留没有涂覆浆料的外端集流体部10，在本实施例中预留的长度例如为400mm。外端集流体部10与外壳4直接接触，将有助于电池芯体6的内部与外壳4之间的导热。应指出，若卷针5和外壳4由不锈钢制成，则只有负极片才能与卷针和外壳直接接触，此时可类似地在负极片的两端预留没有涂覆负极浆料的内端和外端集流体部，以同样促进电池芯体内部通过内、外两侧向外界的散热。
在将带有内侧壁5的芯体6装入外壳4中后，如图2b中的箭头A2和A3所示，分别将上盖板7和下盖板8与环形单体电池1的内侧壁5和外侧壁4装配在一起以封闭电池芯体6，从而得到密封的电池壳体。此处，优选地，将上、下盖板与内、外侧壁焊接在一起，以利于它们彼此之间的密封固定和导热。至此，如图1所示的一个环形单体电池1的总体结构便制造完成。
在上述实施例中，所述环形单体电池的芯体由单个正极片、单个负极片以及隔膜通过卷绕工艺制成。但是，本发明不限于此，而是也可采用多个正极片、多个负极片以及隔膜通过叠片工艺制造所述环形单体电池的芯体，但此时将所述多个正极片、多个负极片和隔膜在叠置后绕空心柱体卷针卷绕一圈即可；或者，用多个小容量电芯并联形成所述环形单体电池的芯体。也就是说，在本发明的方法中，可采用现有技术中的多种方法制造各单体电池的芯体，具有较强的普适性和广泛的使用范围。
在上述环形单体电池的制造过程中，空心柱体卷针5为空心圆柱体，相应地，如图1所示，通孔2为圆孔且环形单体电池1被制造成空心圆柱体；此外，通孔2的中心线与环形单体电池1的几何中心线重合。但是，本发明不限于此，而是可采用具有任何适当横截面形状(例如，矩形)的空心柱体卷针，从而将通孔2和环形单体电池1制造成相应的适当形状；通孔2的中心线也可制造得不与环形单体电池1的几何中心线重合。
类似地，按照上述过程制造出通孔和横截面尺寸各不相同的多个环形单体电池并将这多个环形单体电池以一个安插在另一个的通孔内的方式相互嵌套设置，最后使这多个环形单体电池相互并联或串联电连接。
例如，可制造通孔和横截面尺寸依次递增的三个环形单体电池1A、1B和1C并使它们相互嵌套设置和并联电连接，便可得到如图3a和图3b所示的组合电池或电池组。
图3a示意性地示出用根据本发明的方法制造的第一种构型的锂离子动力组合电池。图3b是图3a中的组合电池沿X-X线截取的剖视图。如图3a和3b所示，该组合电池包括三个通过极柱导电连接片3并联的空心圆柱体状的环形单体电池，这三个单体电池内外相互嵌套地设置，且从内到外分别是：容量为100Ah、外径125mm、内径60mm、高180mm的环形单体锂离子动力电池1A；容量为200Ah、外径215mm、内径150mm、高180mm的环形单体锂离子动力电池1B；和容量为300Ah、外径305mm、内径240mm、高180mm的环形单体锂离子动力电池1C。这样，整个组合电池的容量为600Ah。其中，所述三个环形单体锂离子动力电池1A、1B和1C的芯体最大厚度均为32.5mm，彼此之间的间隙即相邻两个单体电池的相互面对的内侧壁和外侧壁之间的最小距离为12.5mm。通过这样控制各个环形单体电池的最大厚度和/或相邻两个环形单体电池间的间隙，可进一步增强组合电池的散热效果。但是本领域技术人员应当理解，这不是必须的，而是可根据组合电池的应用场合和实际需要进行设定。本构型的组合电池的能量密度为168.95Wh/L，例如可应用于充放电倍率小于或等于15C的场合。
为了进行对比，图14示意性地示出由本发明的发明人设计出的一种比较构型的锂离子电池。本比较构型的锂离子电池为单个带有通孔的600Ah环形单体动力电池，其外形为空心圆柱体，外径为590mm，内径(即通孔的直径)为525mm，高度为180mm。该电池的外侧壁4和限定通孔的内侧壁5之间的距离、即电池芯体的厚度为32.5mm，并且在外侧壁4和内侧壁5上设有散热鳍片。本比较构型的电池包括散热鳍片后的最大直径为615mm，能量密度为41.54Wh/L。
由此可见，与根据该比较构型的单个锂离子环形电池相比，在容量相同的情况下，用根据本发明的方法制造的上述第一种构型的组合电池的总体外廓尺寸更小，能量密度由此高达该比较构型电池的4.07倍；同时，由于在组合电池内各个单体电池都能依靠自身的侧壁进行有效的散热，所以整个组合电池的散热效果仍能得到保证。
在上述第一种构型的组合电池中，各个环形单体电池的内、外侧壁都具有平滑的表面。但是，为了增强侧壁的散热能力，与比较构型的环形单体电池类似，在用根据本发明的方法制造组合电池中的各个单体电池时也可选择在至少一个单体电池的内侧壁和/或外侧壁上设置散热鳍片，图4-7便示出了这类组合电池的几种不同构型。
图4示意性地示出用根据本发明的方法制造的第二种构型的锂离子动力组合电池。该组合电池的结构与图3所示的第一种构型大致相同，区别是：在环形单体锂离子动力电池1A的内侧壁5A的表面和环形单体锂离子动力电池1C的外侧壁4C的表面上设有散热鳍片。本构型的组合电池包括散热鳍片后的最大直径为330mm，包括散热鳍片后的能量密度为144.25Wh/L，为比较构型电池的3.47倍。本构型的组合电池在加强通风的条件下例如可应用于充放电倍率小于或等于20C的场合。
图5示意性地示出用根据本发明的方法制造的第三种构型的锂离子动力组合电池。该组合电池的结构也与图3所示的第一种构型大致相同，区别是：在环形单体锂离子动力电池1A的外侧壁4A和内侧壁5A的表面、环形单体锂离子动力电池1B的外侧壁4B的表面以及环形单体锂离子动力电池1C的外侧壁4C的表面上都设有散热鳍片。本构型的组合电池包括散热鳍片后的能量密度为144.25Wh/L，为比较构型电池的3.47倍。本构型的组合电池在加强通风的条件下例如可应用于充放电倍率小于或等于30C的场合。
图6示意性地示出用根据本发明的方法制造的第四种构型的锂离子动力组合电池。该组合电池的结构与图5所示的第三种构型大致相同，区别是：环形单体锂离子动力电池1A的外侧壁4A和环形单体锂离子动力电池1B的内侧壁5B通过散热鳍片固定连接成一体；环形单体锂离子动力电池1B的外侧壁4B和环形单体锂离子动力电池1C的内侧壁5C通过散热鳍片固定连接成一体。本构型的组合电池包括散热鳍片后的能量密度为144.25Wh/L，为比较例电池的3.47倍。本构型的组合电池在加强通风的条件下例如可应用于充放电倍率小于或等于30C的场合。
图7示意性地示出用根据本发明的方法制造的第五种构型的锂离子动力组合电池。该组合电池的结构与图6所示的第四种构型大致相同，区别是：将环形单体锂离子动力电池1C的外侧壁4C上的所有散热鳍片的总体外廓设置成正方形。这样便于多个组合电池的排布，能充分利用各组合电池之间的空间来安置散热鳍片，增强散热效果。当然，散热鳍片的总体外廓也可根据具体的空间布置要求而形成为任意其它适当的形状，例如三角形、梯形等，甚至可以形成为不规则的几何形状。本构型的组合电池加上外部散热鳍片后的尺寸为320mm×320mm，能量密度120.4Wh/L。本构型的组合电池在加强通风的条件下例如可应用于充放电倍率小于或等于30C的场合。
在根据本发明的制造方法的另一个实施例中，与上述实施例不同，将所述多个环形单体电池中嵌套在最内侧的一个环形单体电池替换为实心电池。换言之，先制造一个实心单体电池和一个或多个带有通孔的环形单体电池并将它们以一个安插在另一个的通孔内的方式相互嵌套设置，再使它们相互并联或串联电连接。其中，所述环形单体电池的结构及其制造过程与上述实施例中所述的相同，而所述实心单体电池也包括芯体和限定所述实心单体电池的外周边的外侧壁。
在制造所述实心单体电池时，先用卷绕工艺或叠片工艺制造其实心芯体，然后将其实心芯体装配到构成其外侧壁的外壳中，最后分别将上盖板和下盖板与所述实心单体电池的外侧壁装配在一起以封闭所述实心单体电池的芯体。实心单体电池的形状可制造得与嵌套设置在其外侧的环形单体电池的通孔形状匹配，例如为实心圆柱体或实心棱柱体等。另外，为了增强散热效果，也可选择在实心电池的外侧壁上设置散热鳍片。图8-10示出用根据本发明的该实施例的方法制造的组合电池的几种不同构型。
图8示意性地示出用根据本发明的方法制造的第六种构型的锂离子动力组合电池。本构型的组合电池也包括内外相互嵌套设置的三个单体电池，从内到外分别是：直径100mm、高度180mm、容量100Ah、最大传热距离25mm的实心单体电池1A；内径102mm、外径172mm、容量200Ah、最大传热距离17.5mm的环形单体电池1B；和内径174mm、外径240mm、容量300Ah、最大传热距离16.5mm的环形单体电池1C。该组合电池的总容量也为600Ah，在三个单体电池的外侧壁和内侧壁上都没有设置散热鳍片，且这三个单体电池之间的间隙较小，只有2mm。该组合电池的能量密度为272.8Wh/L，例如可应用于最大放电倍率小于或等于2C的领域。
图9示意性地示出用根据本发明的方法制造的第七种构型的锂离子动力组合电池。本构型的组合电池也包括内外相互嵌套设置的三个单体电池，从内到外分别是：直径100mm、高度180mm、容量100Ah、最大传热距离25mm的实心单体电池1A；内径110mm、外径180mm、容量200Ah、最大传热距离17.5mm的环形单体电池1B；和内径190mm、外径255mm、容量300Ah、最大传热距离16.25mm的环形单体电池1C。如图9所示，除了最内侧的单体电池1A为实心电池之外，该组合电池在结构上和散热鳍片的布置上都与上述第三种构型的组合电池类似。该组合电池加上外部散热鳍片后的最大直径为265mm，能量密度为223.7Wh/L，例如可应用于最大放电倍率小于或等于4C的领域。
图10示意性地示出用根据本发明的方法制造的第八种构型的锂离子动力组合电池。该组合电池的结构与图9所示的第七种构型大致相同，区别是：实心单体锂离子动力电池1A的外侧壁4A和环形单体锂离子动力电池1B的内侧壁5B通过散热鳍片固定连接成一体；环形单体锂离子动力电池1B的外侧壁4B和环形单体锂离子动力电池1C的内侧壁5C通过散热鳍片固定连接成一体。该组合电池加上外部散热鳍片后的最大直径为265mm，能量密度为223.7Wh/L，例如可应用于最大放电倍率小于或等于4C的领域。
特别地，图11示意性地示出用根据本发明的方法制造的第九种构型的锂离子动力组合电池。本构型的组合电池也包括内外相互嵌套设置的三个单体电池，从内到外分别是：直径100mm、高度180mm、容量100Ah、最大传热距离25mm的实心单体电池1A；内径100mm、外径170mm、容量200Ah、最大传热距离17.5mm的环形单体电池1B；和内径170mm、外径236mm、容量300Ah、最大传热距离16.5mm的环形单体电池1C。如图11所示，实心单体电池1A的外侧壁与环形单体电池1B的内侧壁重合，从而这两个单体电池具有共用的侧壁；环形单体电池1B的外侧壁与环形单体电池1C的内侧壁重合，从而这两个单体电池也具有共用的侧壁；环形单体电池1C的外侧壁上未设置散热鳍片。该组合电池的能量密度为282.1Wh/L，例如可应用于最大放电倍率小于或等于1C的领域。本领域技术人员可以认识到，在制造这种特殊构型的组合电池时，也可将嵌套在最内侧的实心电池1A替换成相应尺寸的环形单体电池。此外，还可选择在最外侧和/或最内侧的环形单体电池的侧壁上设置散热鳍片。
对于这种特殊的组合电池构型，每个单体电池自身的制造过程总体上与在上文中所述的过程相同，但是各个单体电池的制造和嵌套可一起进行。图12示出这样一种特殊构型的组合电池的制造装配分解图。该组合电池仍包括从内到外嵌套设置的三个单体电池1A、1B和1C，其中最内侧的单体电池1A为实心电池。在制造实心单体电池1A时，先制造出其实心芯体6A，但是先不将其实心芯体装入其外壳4A以及加装上、下盖板。同样，在制造环形单体电池1B或1C时，先用正极片、负极片和隔膜绕空心柱体卷针5B或5C卷绕以形成带有内侧壁的芯体6B或6C，但是先不将芯体装入相应的外壳4B或4C以及加装相应的上、下盖板。本领域技术人员能够理解，若将嵌套在最内侧的实心单体电池1A替换成环形单体电池，则其制造方式与环形单体电池1B或1C相同。还应指出，上述各个单体电池的制造顺序不受限制，而是可按任意先后顺序进行制造。此后，将实心芯体6A、带有内侧壁5B的芯体6B和带有内侧壁5C的芯体6C按任意顺序先后嵌套装入环形单体电池1C的外壳4C中，并按任意顺序先后加装各单体电池的上、下盖板7A-7C和8A-8C，从而基本得到如图11所示的组合电池，只是外壳4C上加设了散热鳍片。也就是说，在该组合电池的制造过程中，在制造相邻两个单体电池中嵌套在内的单体电池时，将这相邻两个单体电池中嵌套在外的单体电池的内侧壁用作所述嵌套在内的单体电池的外侧壁/外壳，由此同时完成了所述相邻两个单体电池之间的嵌套并且使得这相邻两个电池之间具有共用的侧壁。
在这种制造方法的一个变型中，仍然使各个单体电池的制造和嵌套一起进行，但是按所述多个单体电池的嵌套位置关系从内到外地连续制造和嵌套所述多个单体电池：仍以图12所示的组合电池为例，先制造出最内侧的单体电池芯体6A并给其加装外壳4A和上、下盖板7A、8A，由此制造出最内侧的实心单体电池1A(或者，将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕空心柱体卷针卷绕出最内侧的单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最内侧的环形单体电池)；然后围绕该外壳4A用涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片卷绕出另一个单体电池芯体6B并给其加装另一外壳4B和上、下盖板7B、8B，由此制造出嵌套在该最内侧的单体电池1A之外的另一个单体电池1B；以此类推直至制造出最外侧的单体电池芯体6C并给其加装外壳4C和上、下盖板7C、8C，由此制造出最外侧的单体电池1C，这样也同时实现了所述多个单体电池的相互嵌套。在上述过程中，以制造好的前一个单体电池的外壳为卷针卷绕出下一个单体电池的芯体，便于进行连续生产，提高生产率。另外应指出的是，各个单体电池的上、下盖板也可在所有单体电池的芯体都制造完且加装了外壳后统一进行装配。
在上述特殊构型的组合电池的制造方法及其变型中，若将相邻两个单体电池之间的共用的侧壁构造成包括两个壳壁的双壁结构，并且所述两个壳壁之间用散热鳍片连接成一体，则在保持制造简单的优点的同时可进一步增强各个单体电池之间的散热效果。与图12类似的图13示出了这种制造装配过程。图13与图12的不同之处仅在于，将相邻两个单体电池之间共用的侧壁替换成所述双壁结构，以及将嵌套在最内侧的实心电池1A替换成了环形电池1A。利用根据图13示出的制造装配过程能简便快速地制造出如图6所示的第四种构型的组合电池。
在制造上述第一至第三、第六和第七种构型的组合电池时，组合电池中的三个单体电池是可拆卸地嵌套装配在一起的。这样就提供了一种非常灵活的结构，可以根据需要增加或者减少组合电池中相互嵌套在一起的单体电池的数量，从而提供不同的组合电池容量。例如，仅将单体电池1A和1C用极柱导电片3连接在一起便可获得容量为400Ah的组合电池。此外，除了用极柱导电连接片3实现电连接以外，还可以通过本领域已知的任何适当方法对三个单体电池进行额外的机械连接，以增加组合电池的机械稳定性。例如，可以在组合电池外部另外设置一壳罩来容纳该组合电池，以便于组合电池整体的运输、安设等等。
在制造上述第四、第五、第八和第九种构型的组合电池时，使相邻的两个单体电池共用一个单层或双层的侧壁，不但简化了制造，还增加了组合电池的机械强度，使整个组合电池的结构更加稳定。尤其对于利用散热鳍片将相邻的两个单体电池的内、外侧壁固定连接成一体的双壁结构，还能进一步增强相邻两个单体电池之间的散热。另外，在相邻两个单体电池之间共用一个单层侧壁的情况下，可在该单层侧壁上打散热孔，由此也能增强电池之间的散热。
与比较构型的环形单体电池相比，用本发明的方法制造的上述各种构型的组合电池的能量密度都大大增加。同时，由于单体电池的散热性能决定了组合电池的整体散热性能，因此通过适当设置组合电池中的各个单体电池的最大厚度和/或相互间隙和/或利用散热鳍片的作用，能保证组合电池的散热效果。
虽然在上文中已经以具体实施例的方式对本发明进行了具体说明，但是本领域技术人员应当知道，本发明并不局限于此，而是在本公开的指导下能够由本领域技术人员容易想到的修改、替换和变型都被认为落在本发明的保护范围内。例如，在根据本发明的方法中，可将多个环形单体电池的高度、最大厚度、外形等等制造得各不相同。此外，也可根据需要适当地设定环形单体电池的最大厚度以及相邻单体电池之间的间隙，以便在能量密度和散热效果之间获得适当的平衡。在组合电池中相互嵌套的单体电池的数量也不限于上述实施例中的三个，而是根据需要也可为两个、四个或更多个；组合电池中各个单体电池的容量也不限于上述实施例中的具体值，而是根据需要可采用各种容量的单体电池。用本发明的方法制造出的上述各种构型的组合电池所适用的放电倍率也不限于上文所述的具体数值，而是可根据实际需要应用于各种放电倍率的场合。在上述实施例中，组合电池中的各个单体电池相互并联电连接，从而能提高组合电池的容量；但是，也可选择使各个单体电池相互串联电连接，由此来提高组合电池的电压。另外，在用本发明的方法制造组合电池时，散热鳍片的布置也不限于上述实施例，而是可根据实际需要和具体应用布置在任一个或任几个单体电池的任意选定的内侧壁和/或外侧壁的整个或部分表面上。本发明的保护范围由所附的权利要求书具体限定。

Claims (22)

1.一种制造组合电池的方法，包括以下步骤：
(a)制造多个单体电池；
(b)将所述多个单体电池以一个安插在另一个内的方式相互嵌套设置；
(c)使所述多个单体电池相互并联或串联电连接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括制造多个带有通孔的环形单体电池，其中每个环形单体电池包括限定所述通孔的内侧壁、限定所述环形单体电池的外周边的外侧壁以及位于内侧壁和外侧壁之间的芯体；所述步骤(b)包括将所述多个环形单体电池以一个安插在另一个的通孔内的方式相互嵌套设置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括制造一个实心单体电池和一个或多个带有通孔的环形单体电池，其中所述实心单体电池包括芯体和限定所述实心单体电池的外周边的外侧壁，每个环形单体电池包括限定所述通孔的内侧壁、限定所述环形单体电池的外周边的外侧壁以及位于内侧壁和外侧壁之间的芯体；所述步骤(b)包括将所述一个实心单体电池和所述一个或多个环形单体电池以一个安插在另一个的通孔内的方式相互嵌套设置。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括按下列步骤制造每一个环形单体电池：
(a1)将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕空心柱体卷针卷绕而制成所述环形单体电池的芯体，并以所述空心柱体卷针构成所述环形单体电池的内侧壁；
(a2)将带有所述内侧壁的所述芯体装配到外壳中，并以该外壳构成所述环形单体电池的外侧壁；
(a3)分别将上盖板和下盖板与所述环形单体电池的内侧壁和外侧壁装配在一起以封闭所述环形单体电池的芯体。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括按下列步骤制造每一个环形单体电池：
(a1)将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕空心柱体卷针卷绕而制成所述环形单体电池的芯体，并以所述空心柱体卷针构成所述环形单体电池的内侧壁；
(a2)将带有所述内侧壁的所述芯体装配到外壳中，并以该外壳构成所述环形单体电池的外侧壁；
(a3)分别将上盖板和下盖板与所述环形单体电池的内侧壁和外侧壁装配在一起以封闭所述环形单体电池的芯体；
所述步骤(a)还包括按下列步骤制造所述实心单体电池：
(a1’)制造所述实心单体电池的芯体；
(a2’)将所述实心单体电池的芯体装配到外壳中，并以该外壳构成所述实心单体电池的外侧壁；
(a3’)分别将上盖板和下盖板与所述实心单体电池的外侧壁装配在一起以封闭所述实心单体电池的芯体。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在要与所述空心柱体卷针的表面直接接触的正极片或负极片的最内端预留出没有涂覆浆料的内端集流体部，并且将所述内端集流体部的至少一部分焊接在所述空心柱体卷针的表面上。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述预留的内端集流体部绕所述空心柱体卷针的表面卷绕1圈以上。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在要卷绕在所述空心柱体卷针上最外侧的所述正极片或负极片的最外端预留出没有涂覆浆料的外端集流体部，并使该外端集流体部与所述外壳直接接触。
9.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，将相邻两个单体电池中嵌套在外的单体电池的内侧壁用作嵌套在内的单体电池的所述外侧壁，使得所述相邻两个单体电池之间具有共用的侧壁。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述相邻两个单体电池之间共用的侧壁构造成包括两个壳壁的双壁结构，所述两个壳壁之间用散热鳍片连接成一体。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)连同所述步骤(b)一起进行，其中，将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕空心柱体卷针卷绕出最内侧的单体电池芯体；将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕将用作该最内侧的单体电池芯体的外壳的另一空心柱体卷针卷绕出将嵌套在该最内侧的单体电池芯体之外的另一个单体电池芯体；以此类推直至制造出最外侧的单体电池芯体；将所有单体电池芯体和空心柱体卷针与所述最外侧的单体电池芯体的外壳统一嵌套组装在一起，并分别装配各单体电池芯体的上盖板和下盖板。
12.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)连同所述步骤(b)一起进行，其中，制造出最内侧的实心单体电池芯体；将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕将用作该最内侧的实心单体电池芯体的外壳的空心柱体卷针卷绕出将嵌套在该最内侧的实心单体电池芯体之外的另一个单体电池芯体；以此类推直至制造出最外侧的单体电池芯体；将所有单体电池芯体和空心柱体卷针与所述最外侧的单体电池芯体的外壳统一嵌套组装在一起，并分别装配各单体电池芯体的上盖板和下盖板。
13.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)连同所述步骤(b)一起进行，其中，按所述多个单体电池的嵌套位置关系从内到外地连续制造和嵌套所述多个单体电池：将涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片围绕空心柱体卷针卷绕出最内侧的单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最内侧的单体电池；然后围绕该外壳用涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片卷绕出另一个单体电池芯体并给其加装另一外壳和上、下盖板，由此制造出嵌套在该最内侧的单体电池之外的另一个单体电池；以此类推直至制造出最外侧的单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最外侧的单体电池，也同时实现了所述多个单体电池的相互嵌套。
14.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)连同所述步骤(b)一起进行，其中，按所述多个单体电池的嵌套位置关系从内到外地连续制造和嵌套所述多个单体电池：制造出最内侧的实心单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最内侧的所述一个实心单体电池；然后以该外壳作为卷针围绕该外壳用涂覆有浆料的正极片、隔膜和涂覆有浆料的负极片卷绕出另一个单体电池芯体并给其加装另一外壳和上、下盖板，由此制造出嵌套在该最内侧的单体电池之外的另一个单体电池；以此类推直至制造出最外侧的单体电池芯体并给其加装外壳和上、下盖板，由此制造出最外侧的单体电池，也同时实现了所述多个单体电池的相互嵌套。
15.如权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述外壳构造成包括两个壳壁的双壁结构，所述两个壳壁之间用散热鳍片连接成一体。
16.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，将每个环形单体电池的芯体的最大厚度制造得小于或等于35mm。
17.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，将相邻两个单体电池之间的间隙设置得大于或等于5mm。
18.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)还包括在所述多个单体电池中的至少一个单体电池的内侧壁和/或外侧壁上设置散热鳍片。
19.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述环形单体电池制造成空心圆柱体或空心棱柱体，以及使所述环形单体电池的通孔的中心线与该环形单体电池的几何中心线重合。
20.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述环形单体电池制造成空心圆柱体或空心棱柱体，并将所述实心单体电池制造成相应的实心圆柱体或实心棱柱体，以及使所述环形单体电池的通孔的中心线与该环形单体电池的几何中心线重合。
21.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述单体电池为锂离子电池。
22.一种用如权利要求1-21中任一项所述的方法制造的组合电池，其特征在于包括多个相互并联或串联电连接的单体电池，所述多个单体电池以一个安插在另一个内的方式相互嵌套设置。
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