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Abstract

本发明提供了一种片段式电池及其制备方法，片段式电池包括带有正极片和负极片的极组，所述的正极片和负极片中至少有一者是由多个极片片段构成，多个极片片段之间相互绝缘。本发明片段式电池简单、在结构上密封、接近真实电池体系，极片分成若干个片段，通过极耳将这些极片片段导出到外电路，可在外电路自由连接。以满足对电池反应过程中各区域的参数的准确测试，以及对电池内部反应均一性的模拟分析。

Description

一种片段式电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种片段式电池内部分区技术以及采用此方式制作的电池。
背景技术
锂离子电池与铅酸、镉镍等其他类型的电池相比具有比容量大、工作电压高、充电速度快、工作温度范围宽、循环寿命长、体积小、重量轻等优点。已在便携式电子设备、电动工具、电动汽车、电网储能等领域得到广泛的应用。
与传统的便携式电子设备相比，汽车行业和大型储能系统往往通过提高单体电池容量，以减少数量庞大的单体电池成组对电源管理系统带来的一系列复杂的问题，而大容量单体锂离子电电动工具和电动汽车用锂离子电池一般体积较大、容量较高、功率较大，这就对锂离子电池的能量密度、循环寿命、安全性提出更高的要求。
如何提高电池的充放电性能，满足市场要求，是摆在电池工作者面前的热点问题。为此，电池工作者在电池的结构设计、正负极组成、电池生产工艺等方面进行了不断的探索。
大容量电池的性能不仅受电极、电解液材料体系的影响，而且受电池结构如极片尺寸大小、极耳数量、极耳位置、集流体厚度以及使用时流过集流体的电流密度等影响。
电池内部的均一性是影响电池性能、寿命及安全性的关键因素，对大电池而言电场强度、电流密度及极片均一性的影响更为显著。电势较高、电流密度较大的区域反应剧烈，电极材料和电解液的结构变化较大，材料衰减严重，最终导致局部区域电池性能衰减、安全性降低。通常采取的增加极耳个数的方法解决电场分布的不均匀性的问题。
目前对于电池内部均匀性的研究多是基于理论计算的结果，还没有能实际的模拟验证。
发明内容
本发明提供了一种简单的、在结构上密封、接近真实电池体系的片段式结构的电池，将电极极片分成若干个片段，通过极耳将这些极片片段导出到外电路，可在外电路自由连接。以满足对电池反应过程中各区域的参数的准确测试，以及对电池内部反应均一性的模拟分析。
一种片段式电池，包括带有正极片和负极片的极组，所述的正极片和负极片中至少有一者是由多个极片片段构成，多个极片片段之间相互绝缘。
所述的片段式电池为锂离子电池或镍氢电池，不同类型的电池时，结构特点是相同的，仅是对应采用不同的材料，就材料本身而言，可以利用现有技术，本发明片段式电池优选锂离子电池，即片段式锂离子电池。
每个极片片段上带有至少一个极耳，不同的极片片段上的极耳之间相互绝缘。
本发明片段式电池可以根据用户需要将电池内部正极片和/或负极片分成若干相互独立的单元(通过绝缘材料隔离)，通过外电路自由组合连接组装成电池。通过这种片段式的组装结构可将电池各个区域的电极引出到外电路，不仅可以用于模拟电池使用过程中电池内部电场、电流密度、温度等的分布情况的研究，而且可用于电池安全失效等过程的研究分析。
极性相同的多个极片片段一般是至少两个，多个极片片段在空间位置上可以是相互隔离的，也可以是通过绝缘的连接部件相互连接。
通过绝缘的连接部件相互连接时，例如可以采用绝缘胶带将两个相邻的极片片段粘结在一起，且两个相邻的极片片段之间留有间隙。为了保证相互绝缘，所述的间隙一般至少为1mm。
作为单个极片片段而言，其结构及制法可以采用现有技术，例如在集流体箔材上涂覆有电极浆料，集流体箔材上带有用于连接外部电路的极耳。每个极片片段上的极耳可以是一个、两个或者更多。
另外为了进一步保证不同的极片片段上的极耳之间相互绝缘，在极耳的根部(靠近集流体箔材的部位)包裹有绝缘材料层。
所述的正极片和负极片之间通过隔膜(隔膜可采用现有技术)相互隔离，正极片、隔膜和负极片采用卷绕或叠置方式构成极组，即卷绕式极组或叠片式极组。极组可以通过现有技术手段封装在壳体之内，仅极耳的端头延伸出壳体。
正极片、隔膜和负极片采用卷绕方式构成极组时，所述的极组为柱状，截面为圆形、长圆形、矩形或椭圆形。
正极片、隔膜和负极片采用叠片方式构成极组时，所述的极组为多层叠置结构，每一层的形状为矩形。
所述的不同的极片片段上的极耳之间至少要求在壳体内部是相互绝缘的，引出到壳体外部后可以根据需要进行电路上的连接。
作为优选，每个极片片段上的极耳为两个，分别位于极片片段的两端，这两个极耳的朝向相反，例如其中一个极耳从极组或壳体的顶面延伸出来，而另一个极耳则从极组或壳体的底面延伸出来。
而这样的多个极片片段相互连接时，由于极耳位于极片片段的两端，因此相邻的两个极片片段中，在连接部位处有两个极耳，作为优选处于连接部位处的两个极耳的朝向相同。
本发明还提供了一种所述的片段式电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)按预定形状裁切极片；
(2)在裁切好的极片上焊接极耳，得到极片片段；
(3)将隔膜以及用于构成正极片和负极片的所有极片片段进行卷绕或叠置构成极组；
(4)将极组封装在壳体内得到所述的片段式电池。
步骤(4)中将极组封装在壳体内时，可以利用现有技术中的辅助部件，例如电池上、下垫片、电池盖帽等，封装的过程还包括了注电解液、预化成，真空排气、封口，以及必要的外电路连接。
正极片和/或负极片是由若干个容量、尺寸相对较小的极片片段组成，极片片段之间相互独立绝缘。可以是正极片采用片段式结构，也可以是负极片采用片段式结构或者正负极片同时采用片段式结构。
所述的壳体可以采用铝壳、钢壳、塑料、铝塑膜、PP膜等材料。
极组和电池外部集流器件的连接可以通过电池盖帽极柱也可以直接采用软包电池极耳热封到软包电池外部，作为外电路连接点。
作为优选，对步骤(2)的极片片段中极耳包裹绝缘材料(例如绝缘胶带)，以保证极耳间相互绝缘。
步骤(3)中可以先把多个极片片段通过绝缘连接部件连接成预定长度的极片后再进行卷绕或叠置，也可以将单个极片片段在卷绕或叠置过程中逐片插入。多个极片片段连接时，为了便于在电池外部进行连接，通常是将每个极片片段的两个极耳方向相反，片段连接时，邻近的两个片段上极耳方向相同。
多个极片片段通过绝缘连接部件连接时，相邻的极片片段之间应保持一定的距离。
隔膜以及用于构成正极片和负极片的所有极片片段进行叠置构成极组时，可以采用连续的负极片，将负极片的隔膜进行折叠，然后在每个叠层的对应位置插入正极片段；也可以采用正负极片都是片段式，逐层叠放负极片段和正极片段，正负极之间用隔膜进行隔离。然后将所有负极集流体焊接在同一极耳上，而正极各个片段直接由各片段上极耳引出到电池外部并保持在电池内部各个正极耳之间相互绝缘。
本发明所述的片段式电池结构灵活，可以制作成卷绕式或叠片式的电池。为研究电池内部电化学反应、电场变化及电池安全失效的研究提供准确可靠的模拟电池。
附图说明
图1为本发明片段式电池中极片片段的结构示意图；
图2为若干个图1中的极片片段相互绝缘连接后的结构示意图；
图3为另一种结构形式的若干个极片片段相互绝缘连接后的结构示意图；
图4为本发明一种片段式电池的内部结构示意图；
图5为图4中的片段式电池另一视角的结构示意图；
图6为图4中A部分放大图；
图7为本发明另一种实施方式的片段式电池的内部结构示意图；
图8为图7中的片段式电池另一视角的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本发明一种片段式电池(本实施例以及其他实施例均以锂离子电池为例)包括带有正极片和负极片的极组，正极片和负极片中至少有一者是由多个极片片段构成，多个极片片段之间相互绝缘。
参见图1，作为一种形式的极片片段，包括集流体箔材2，集流体箔材2上涂覆有电极浆料1，集流体箔材2两端焊接有用于连接外部电路的极耳4和极耳5，且极耳4和极耳5朝向相反。
为了保证不同的极片片段上的极耳之间相互绝缘，在极耳的根部包裹有绝缘材料层。例如极耳4根部包裹有绝缘材料层3。
参见图2，多个图1中的极片片段连接时，两个相邻的极片片段100和极片片段101之间采用绝缘胶带6(位置如虚线框所示)粘结在一起，极片片段100和极片片段101之间留有1mm间隙，以保证相互绝缘。绝缘胶带6所覆盖的连接部位处有两个极耳，这两个极耳的朝向相同。
参见图3，另一种结构形式的极片片段，每个极片片段仅有一个极耳，两个相邻的极片片段102和极片片段103之间采用绝缘胶带6(位置如虚线框所示)粘结在一起，极片片段102和极片片段103之间1mm间隙，所有极耳的朝向相同。
参见图4、5、6，一种片段式锂离子电池，负极片11是连续的结构，且带有负极耳8，正极片12由多个正极片段连接而成，每个正极片段均带有一个极耳，例如正极耳9。正极片段的个数可以为十个(图中仅示意性的表示了三个)。相邻的正极片段之间留有间隙10。
负极片11、隔膜13、正极片12卷绕构成柱状极组，极组截面大致为长圆形，极组封装在壳体7内。
整体电池的容量设计为3Ah。极耳用绝缘胶带包覆，以保证极耳间绝缘，极组封装在对应形状的电池壳内后，通过焊接的方式将极耳连接到多极柱电池盖帽的极柱上，后续封口工艺与常规电池相同。
实施例2
本实施例中负极片为常规连续极片，正极片包括八个相互独立的正极片段。在电芯极组制作过程中，负极片与隔膜连续卷绕成方柱状，而后将正极片段逐个插入对应的位置，并保证正极片段与负极片之间通过隔膜性相互隔离。
相邻的正极片段间保持一定距离(3mm)，而后极耳通过焊接的方式与外部集流器件连接，极组密封在在方形钢壳内，其他封口及化成工艺与常规电池相同。
实施例3
本实施例中负极片为常规连续极片，正极片包括八个相互独立的正极片段。在电芯极组制作过程中，负极片与隔膜连续卷绕成圆柱状，而后将正极片段逐个插入对应的位置，并保证正极片段与负极片之间通过隔膜性相互隔离。
相邻的正极片段间保持一定距离(3mm)，而后极耳通过焊接的方式与外部集流器件连接，极组密封在在圆筒形钢壳内，其他封口及化成工艺与常规电池相同。
实施例4
参见图7、8，本实施例中正、负极片都是由多个相互独立的极片片段组成，采用电池行业的叠片方式将负极片11、隔膜13、正极片12组装成极组。
将多个负极片段引出焊接到同一负极耳8上，与外电路导通，这样的结构适于高功率条件下使用。而每个正极片段之间仍保持相对的独立性，每个片段由一个单独的极耳(例如正极耳9)引出到外电路。
在本实施例中，极组密封在铝塑包装膜中，正、负极极耳是通过热熔胶与铝塑包装膜密封在一起，其他的预化成、排气封口等工艺与常规的软包装电池相同。

Claims (9)

1.一种能对电池反应过程中各区域的参数准确测试的片段式电池，包括带有正极片和负极片的极组，其特征在于，所述的正极片和负极片中至少有一者是由多个极片片段构成，其中，多个极片片段之间相互绝缘以将电池内部的正极片和/或负极片分成若干相互独立的单元，每个极片片段上带有至少一个极耳，不同的极片片段上的极耳之间至少在壳体内部是相互绝缘的，引出到壳体外部后进行电路上的连接。
2.如权利要求1所述的片段式电池为锂离子电池或镍氢电池。
3.如权利要求2所述的片段式电池，其特征在于，极性相同的多个极片片段在空间位置上相互隔离，或通过绝缘的连接部件相互连接，通过绝缘的连接部件相互连接时，两个相邻的极片片段之间留有间隙。
4.如权利要求3所述的片段式电池，其特征在于，所述的极耳的根部包裹有绝缘材料层。
5.如权利要求4所述的片段式电池，其特征在于，每个极片片段上的极耳为两个，分别位于极片片段的两端，这两个极耳的朝向相反，多个极片片段相互连接时，处于连接部位处的两个极耳的朝向相同。
6.如权利要求5所述的片段式电池，其特征在于，所述的正极片和负极片之间通过隔膜相互隔离，正极片、隔膜和负极片采用卷绕或叠置方式构成极组。
7.如权利要求6所述的片段式电池，其特征在于，所述的正极片、隔膜和负极片采用卷绕方式构成极组，所述的极组为柱状，截面为圆形、长圆形、矩形或椭圆形。
8.如权利要求1-7任一项所述的片段式电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按预定形状裁切极片；
(2)在裁切好的极片上焊接极耳，得到极片片段；
(3)将隔膜以及用于构成正极片和负极片的所有极片片段进行卷绕或叠置构成极组；
(4)将极组封装在壳体内得到所述的片段式电池。
9.如权利要求8所述的片段式电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中先把多个极片片段通过绝缘连接部件连接成预定长度的极片后再进行卷绕或叠置，或者将单个极片片段在卷绕或叠置过程中逐片插入。
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