CN102064347B - 具有叠层电池结构的大功率锂离子电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂离子电池，旨在提供一种具有叠层电池结构的大功率锂离子电池系统。该电池系统包括至少两个所述的单电池结构，相邻的单电池结构之间以隔板隔开，重复排列组成叠层电池结构；两端的隔板上分设电解液正、负极出口和入口通道，位于中间的隔板的两侧均刻有电解液流路，且两侧的流路不互通；电解液负极出口与正极进口通道之间、电解液正极出口与负极进口通道之间，分别设置压电泵与散热片，或者压电泵与散热片的位置互换。本发明能有效抑制锂离子电池在大电流充放电时电池的温升，避免电解液的汽化，有效防止锂离子电池因内压升高而发生的爆炸，提高了锂离子电池使用的安全性。

Description

具有叠层电池结构的大功率锂离子电池系统

技术领域

本发明涉及锂离子电池，特别是一种大功率锂离子电池系统，该电池系统具备叠层电池结构，利用电解液循环冷却控制大电流充放时锂电池的温度上升，防止因电解液汽化发生电堆爆炸。

背景技术

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，而且具有很低的自放电率、不含有毒物质等优点是它广泛应用的重要原因。目前锂离子电池使用钴酸锂（LiCoO₂）和磷酸铁锂（LiFePO₄）作为正极材料。自从1997年Padhi 等开创性的提出锂离子电池正极材料LiFePO₄以来, LiFePO₄已经成为可充电锂离子电池正极材料的研究热点之一。LiFePO₄具有（1）平稳的充放电电压平台使有机电解质在电池应用中更为安全；（2）很好的电极反应可逆性；（3）良好的化学稳定性与热稳定性；（4）廉价且易于制备；（5）无污染；（6）处理与操作时更为安全。但比LiCoO₂的容量（274 mAh/g）相对较低，为170 mAh/g 。

锂离子电池在充放电过程中，锂离子脱/嵌过程是在富锂相如LiCoO₂和LiFePO₄与/贫锂相CoO₂和FePO₄两相界面的脱/嵌过程。充电时，两相界面不断向内核推进，外层的富锂相不断转变为贫锂相，锂离子和电子不断通过新形成的两相界面以维持有效电流。对于大功率锂电池而言，大电流的充放电产生很大的热量，不断加热电解液。锂离子电池的电解液通常是将无机物如LiBF₄、LiPF₆、LiAsF₆溶于溶剂，溶剂通常为烷基碳酸盐（碳酸丙烯酯：PC，碳酸乙烯酯：EC）和线性酯如DMC（碳酸二甲酯）、DEC（碳酸二乙酯）的混合物，以PC+DEC，EC+DMC混合溶剂最为常用。线性酯的沸点较低，如DMC沸点为90 ^oC，非常容易汽化。因此大电流充放电产生的电解液温度上升导致电解液汽化使电池内压升高。另一方面，电解液温度的升高也将加剧电解液对电极材料的腐蚀而产生气体，同样导致电池内压的升高，容易造成锂电池在大电流充放过程中发生爆炸。

叠层电池（或迭层电池）是把单电池制作成长方形的小块，并多个叠加串联在一起，成为一个独立的电池。一般叠层电池与单电池性质相同，但其输出电压依赖于叠层块的数量。叠层电池具有体积小输出电压高的特点。

压电泵是种新型流体驱动器。它不需要附加驱动电机，而是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出或者利用压电振子产生波动来传输液体。压电泵由压电振子、泵阀和泵体组成。工作中，当压电振子两端施加交流电源U时，压电振子在电场作用下径向压缩，内部产生拉应力，从而使压电振子弯曲变形。当压电振子正向弯曲时，压电振子伸长，泵腔容积增大，腔内流体压力减小，泵阀打开，液体进入泵腔；当压电振子向反向弯曲时，压电振子收缩，泵腔容积减小，腔内流体压力增大，泵阀关闭，泵腔液体被挤压排出，形成平缓的连续不断的定向流动。由于压电泵具有传统泵所不具备的特点，结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰，可根据施加电压或频率控制输出微小流量。

本发明提出采用叠层电池结构，利用压电泵和散热片进行电解液循环冷却，控制大电流充放时锂电池的温度上升，防止因电解液汽化发生电堆爆炸的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够控制大电流充放时温度上升、可防止因电解液汽化发生电堆爆炸的大功率锂离子电池系统。

为了解决技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种具有叠层电池结构的大功率锂离子电池系统，是以涂覆了正极材料和负极材料的碳纸作为正极和负极，正极和负极均以涂覆侧相向与隔膜共同组成单电池结构；该电池系统包括至少两个所述的单电池结构，相邻的单电池结构之间以隔板隔开，按隔板、负极、隔膜、正极的顺序重复排列组成叠层电池结构；其中，一端的隔板上设置电解液正、负极出口通道，另一端的隔板上设置电解液正、负极入口通道，位于中间的隔板的两侧均刻有电解液流路，且两侧的流路不互通；电解液负极出口通道与电解液正极进口通道之间、电解液正极出口通道与电解液负极进口通道之间，分别设置压电泵与散热片，或者压电泵与散热片的位置互换。

本发明中，所述正极是通过下述方法制备获得的：锂离子电池正极材料LiCoO₂、LiMnO₂或LiFeO₄∶乙炔黑∶聚丙烯酸或Nafion溶液（5wt%）按质量比为95∶5∶5~20，机械混合10~30分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸上，阴干；在20~100 Kg cm^-2的压力下压制成型。

本发明中，所述负极是通过下述方法制备获得的：锂离子电池负极材料乙炔黑∶聚丙烯酸溶液或Nafion溶液（5wt%）按质量比1∶1~4，机械混合10~30分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸上，阴干；在20~100 Kg cm^-2的压力下压制成型。

本发明中，所述隔膜为Li离子型Nafion膜或微孔聚丙烯膜。

本发明中，所述Li离子型Nafion膜是通过是将Nafion膜浸入电解液中，在60℃加热30分钟后制得。

本发明中，电解液以LiPF₆为溶质，碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲酯（MC）与碳酸二甲酯（DMC）的混和物为溶剂，碳酸乙烯酯∶碳酸甲酯∶与碳酸二甲酯的质量比为4∶2∶4；电解液中LiPF₆的浓度为 1 mol/L。

本发明中，所述散热片上设有散热翅片。

本发明中，所述隔膜两端的边缘分别设正极密封圈和负极密封圈。

本发明中，正极和负极的电极材料侧相向与隔膜形成三明治结构，电解液通过隔板上的流路进行流动，通过碳纸渗透到正负极的电极材料层中。电解液通过流路流到压电泵、散热片，从而完成电解液的循环冷却，如图2所示。

本发明中，电解液的流向由密封圈、隔板的开口和隔板上的流路所决定。电解液通过隔板正负极两侧的流路分别流经正负极时，带走充放电时正负极所产生的热量，流经散热片时，散热片上的散热翅片与空气或水接触进行热交换，使电解液冷却，从而有效控制电堆在大电流充放电时的温升，避免电解液的汽化，从而有效提高锂离子电池的安全性。

使用压电泵输送电解液，没有转动部件，有利于系统一体化，其电源来源于电池，通过逆变器实现直流交流的转变，压电泵在交流电的作用下，使压电振子弯曲变形。当压电振子正向弯曲时，压电振子伸长，泵腔容积增大，腔内流体压力减小，泵阀打开，液体进入泵腔；当压电振子向反向弯曲时，压电振子收缩，泵腔容积减小，腔内流体压力增大，泵阀关闭，泵腔液体被挤压排出，形成平缓的连续不断的定向流动，从而保证电解液循环冷却的进行。

隔膜两侧的正极密封圈和负极密封圈既防止电解液渗漏，也防止正极电解液通道和负极电解液通道的贯通，减小电池系统的堆损耗，避免形成电池内部形成高电压区使电解液分解。

本发明具有的有益效果：本发明利用压电泵输送电解液，电解液作为传热的介质，通过散热片进行热交换，有效抑制锂离子电池在大电流充放电时电池的温升，避免电解液的汽化，有效防止锂离子电池因内压升高而发生的爆炸，提高了锂离子电池使用的安全性。利用压电泵输送电解液有利于系统一体化，方便模块式设计，减少因设置电解液散热系统所带来的电源系统能量密度和功率密度的降低。

附图说明

图1 为本发明叠层锂离子电池的结构。

图2 为本发明锂离子电池系统的构成及电解液流向。

图3 为正极侧流路与电解液正极通道的空间位置及密封圈。

图4 为负极侧流路与电解液负极通道的空间位置及密封圈。

图1中的附图标记为：101隔板、302正极密封圈、402正极密封圈、103正极碳纸、104正极、105隔膜、106负极、107负极碳纸。

图2中的附图标记为：201电池系统的电解液正极进口通道、202电池系统的电解液负极出口通道、203电池系统的电解液正极出口通道、204单电池、205散热片的电解液出口、206电池系统的电解液负极进口通道、207压电泵的出口、208压电泵的电解液进口、209散热片、210散热翅片、211压电泵、212散热片的电解液进口、213隔板。

图3中的附图标记为：201电池系统的电解液正极进口通道、202电池系统的电解液负极出口通道、203电池系统的电解液正极出口通道、206电池系统的电解液负极进口通道、301隔板正极侧的流路、302正极密封圈。

图4中的附图标记为：201电池系统的电解液正极进口通道、202电池系统的电解液负极出口通道、203电池系统的电解液正极出口通道、206电池系统的电解液负极进口通道、401隔板负极侧的流路、402负极密封圈。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步详细描述。

实施例一：空冷电池系统。

取锂离子电池正极材料（104）LiCoO₂与乙炔黑及聚丙烯酸（5wt%）按质量比95∶5∶5，机械混合10分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸（103）上，阴干。在20 Kg cm^-2的压力下压制成型作为正极。

取锂离子电池负极材料（106）乙炔黑及聚丙烯酸溶液（5wt%）按质量比1∶1，机械混合10分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸（107）上，阴干。在20 Kg cm^-2的压力下压制成型作为负极。

正极和负极的电极材料侧相向与隔膜（105）形成三明治结构，隔膜为微孔聚丙烯膜。正极和负极的碳纸侧分别用两侧刻有流路的隔板（101）将相邻的负极和正极隔开，将隔板、负极、隔膜、正极重复排列可得到叠层电池，如图1所示。电解液通过隔板上的流路进行流动，通过碳纸渗透到正负极的电极材料层中。电解液以LiPF₆为溶质，碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲酯（MC）与碳酸二甲酯（DMC）的混和物为溶剂，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯与碳酸二甲酯的质量比为EC:MC:DMC=4:2:4。

电池系统的电解液负极出口通道（202）与压电泵（211）的电解液进口（208）相接，压电泵的出口（207）与电池系统的电解液正极进口通道（201）相接，如图2所示。电解液通过隔板正极侧的流路（301）流向电池系统的电解液正极出口通道（203），如图3所示。电池系统的电解液正极出口通道（203）与散热片（209）的电解液进口（212）相接，散热片（209）的电解液出口（205）与电池系统的电解液负极进口通道（206）相接。电解液通过隔板负极侧的流路（401）流向电池系统的电解液负极出口通道（202），如图4所示。然后进入压电泵（211），从而完成电解液的循环。

隔膜两侧的正极密封圈（302）和负极密封圈（402）既防止电解液渗漏，也防止正极电解液通道和负极电解液通道的贯通，减小电池系统的堆损耗，避免形成高电压区使电解液分解。

散热片上的散热翅片（210）与空气接触进行热交换，使电解液冷却。

实施例二：水冷电池系统。

取锂离子电池正极材料（104）LiFePO₄与乙炔黑及Nafion溶液（5wt%）按质量比95∶5∶20，机械混合30分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸（103）上，阴干。在100 Kg cm^-2的压力下压制成型作为正极。

取锂离子电池负极材料（106）乙炔黑及Nafion溶液（5wt%）按质量比1∶4，机械混合30分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸（107）上，阴干。在50 Kg cm^-2的压力下压制成型作为负极。

正极和负极分别浸入锂离子电池电解液中60^oC加热30分钟，进行锂离子化处理，使得粘结剂Nafion树脂均以锂离子型Nafion树脂的形式存在。电解液以LiPF₆为溶质，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯与碳酸二甲酯的混和物为溶剂，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯与碳酸二甲酯的质量比为EC:MC:DMC=4:2:4。

正极和负极的电极材料侧相向与隔膜（105）形成三明治结构，隔膜为锂离子型Nafion膜。锂离子型Nafion膜通过将Nafion膜浸入上述锂离子电池电解液中60^oC加热30分钟制得。

正极和负极的碳纸侧分别用两侧刻有流路的隔板（101）将相邻的负极和正极隔开，将隔板、负极、隔膜、正极重复排列可得到叠层电池，如图1所示。电解液通过隔板上的流路进行流动，通过碳纸渗透到正负极的电极材料层中。

电池系统的电解液负极出口通道（202）与压电泵（211）的进口（208）相接，压电泵的出口（207）与电池系统的电解液正极进口通道（201）相接，如图2所示。电解液通过隔板正极侧的流路（301）流向电池系统的电解液正极出口通道（203），如图3所示。电池系统的电解液正极出口通道（203）与散热片（209）的电解液进口（212）相接，散热片（209）的电解液出口（205）与电池系统的电解液负极进口通道（206）相接。电解液通过隔板负极侧的流路（401）流向电池系统的电解液负极出口通道（202），如图4所示。然后进入压电泵（211），从而完成电解液的循环。

整个电池可浸没于水中，散热片上的散热翅片（210）与水接触进行热交换，使电解液更加快速冷却。

实施例三：风冷电池系统。

取锂离子电池正极材料（104）LiMnO₂与乙炔黑及聚丙烯酸（5wt%）按质量比95∶5∶10，机械混合20分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸（103）上，阴干。在50 Kg cm^-2的压力下压制成型作为正极。

取锂离子电池负极材料（106）乙炔黑及聚丙烯酸溶液（5wt%）按质量比1∶2，机械混合20分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸（107）上，阴干。在50 Kg cm^-2的压力下压制成型作为负极。

正极和负极的电极材料侧相向与隔膜（105）形成三明治结构，隔膜为微孔聚丙烯膜。正极和负极的碳纸侧分别用两侧刻有流路的隔板（101）将相邻的负极和正极隔开，将隔板、负极、隔膜、正极重复排列可得到叠层电池，如图1所示。电解液通过隔板上的流路进行流动，通过碳纸渗透到正负极的电极材料层中。电解液以LiPF₆为溶质，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯与碳酸二甲酯的混和物为溶剂，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯与碳酸二甲酯的质量比为EC:MC:DMC=4:2:4。

电池系统的电解液负极出口通道（202）与压电泵（211）的进口（208）相接，压电泵的出口（207）与电池系统的电解液正极进口通道（201）相接，如图2所示。电解液通过隔板正极侧的流路（301）流向电池系统的电解液正极出口通道（203），如图3所示。电池系统的电解液正极出口通道（203）与散热片（209）的电解液进口（212）相接，散热片（209）的电解液出口（205）与电池系统的电解液负极进口通道（206）相接。电解液通过隔板负极侧的流路（401）流向电池系统的电解液负极出口通道（202），如图4所示。然后进入压电泵（211），从而完成电解液的循环。

散热片上的散热翅片（210）上可设置微型风扇，强化与空气的流动进行热交换，使电解液以较快速度冷却。

最后，以上公布的仅是本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.具有叠层电池结构的大功率锂离子电池系统，是以涂覆了正极材料和负极材料的碳纸作为正极和负极，正极和负极均以涂覆侧相向与隔膜共同组成单电池结构；其特征在于，该电池系统包括至少两个所述的单电池结构，相邻的单电池结构之间以隔板隔开，按隔板、负极、隔膜、正极的顺序重复排列组成叠层电池结构；其中，一端的隔板上设置电解液正、负极出口通道，另一端的隔板上设置电解液正、负极入口通道，位于中间的隔板的两侧均刻有电解液流路，且两侧的流路不互通；电解液负极出口通道与电解液正极进口通道之间、电解液正极出口通道与电解液负极进口通道之间，分别设置压电泵与散热片，或者压电泵与散热片的位置互换；所述隔膜两侧分别设正极密封圈和负极密封圈。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池系统，其特征在于，所述正极是通过下述方法制备获得的：锂离子电池正极材料LiCoO₂或LiMnO₂∶乙炔黑∶聚丙烯酸或5wt%Nafion溶液按质量比为95∶5∶5~20，机械混合10~30分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸上，阴干；在20~100 Kg cm^-2的压力下压制成型。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池系统，其特征在于，所述负极是通过下述方法制备获得的：锂离子电池负极材料乙炔黑∶聚丙烯酸溶液或5wt%Nafion溶液按质量比1∶1 ~ 4，机械混合10~30分钟，调制成膏状，涂敷到碳纸上，阴干；在20~100 Kg cm^-2的压力下压制成型。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池系统，其特征在于，所述隔膜为Li离子型Nafion膜或微孔聚丙烯膜。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池系统，其特征在于，所述Li离子型Nafion膜是通过是将Nafion膜浸入电解液中，在60℃加热30分钟后制得。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池系统，其特征在于，电解液以LiPF₆为溶质，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯与碳酸二甲酯的混和物为溶剂，碳酸乙烯酯∶碳酸甲酯∶碳酸二甲酯的质量比为4∶2∶4；电解液中LiPF₆的浓度为 1 mol/L。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池系统，其特征在于，所述散热片上设有散热翅片。

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