CN102856591A

CN102856591A - 大容量锂锰电池的制备方法

Info

Publication number: CN102856591A
Application number: CN2012103781649A
Authority: CN
Inventors: 王兴贺; 陈雪梅; 王子佳; 牛长冬; 丁志强; 王平安; 荆有泽
Original assignee: CETC 18 Research Institute
Current assignee: CETC 18 Research Institute
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-10-08
Also published as: CN102856591B

Abstract

本发明涉及一种大容量锂锰电池的制备方法，其特点是包括：⑴制作包膜正极板；⑵装配极板组；⑶大容量锂锰电池的装配。本发明采用大孔率的三维材料作为正极集流体，在其两面涂布糊状正极混合物压制成薄型正极板，实现了电池高功率放电，放电倍率可达0.2C-0.4C，单体电池容量能够达到500Ah；单体电池串联成电池组，能够做为高功率、高能量的大型动力型电池组应用于高功率、高能量的大型动力装备中；采用电池中的极板组与电解液分隔存放的方式，电池在运输和长时间储存过程中正、负极之间没有电压，没有自放电，受外力或意外滥用时不会形成内部短路而激活释放能量，提高了电池安全性，延长了储存寿命，达到10～15年。

Description

大容量锂锰电池的制备方法

技术领域

本发明属于锂系列一次电池技术领域，特别是涉及一种大容量锂锰电池的制备方法。

锂锰电池1975年在日本首先研制成功，已发展成为目前市场应用最广、生产量最大的锂电池，是锂系列一次电池中价格最低、安全性最好的电池品种。目前公知的锂锰电池为圆柱形、扣式、软包装等荷电式的原电池。经过检索发现授权公告号为CN101916879B、名称为“高容量圆柱形锂锰电池结构及其制备方法”的发明专利，包括正极电芯外表面包裹有一隔膜，在隔膜与钢壳之间有锂带，盖组位于钢壳内的上端，正极芯柱位于盖组的中间位置，金属连接条与正极芯柱连接，盖组上有注液孔，有用于密封注液孔的密封钉，在钢壳内的底部有用于将正极片和锂带隔离的绝缘片。本发明虽然提高了电池容量，降低了材料成本，但还是难以满足容量在100Ah以上要求大型动力装置的使用，并且电池处于满荷电态，若长期置于装置中，装置在运输或不使用的状态下，由于电池的自放电，不仅存在安全隐患，还缩短电池的储存和使用寿命。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种单体电池最大容量可达500Ah，能够满足容量在100Ah以上装置的正常工作，并且电池在长期不使用的状态下不会自放电，储存和使用寿命长、安全性高的大容量锂锰电池的制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

大容量锂锰电池的制备方法，其特点是：包括以下制备过程：

⑴制作包膜正极板

选用矩形板状泡沫镍或泡沫铝作为正极集流体，在正极集流体一端靠近一侧焊接正极导耳；称取90.2wt%二氧化锰、1.6wt%聚偏二氟乙烯(PVDF)、6.3wt%乙炔黑和1.8wt%石墨，混合后加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)含量0.1wt%的溶液，用搅拌机搅拌形成糊状正极混合物，将正极混合物均匀涂布到正极集流体两面，在干燥箱中130℃干燥24h～48h，取出后将正极集流体上面的正极混合物压制成正极板；然后将正极板包上一层隔膜，再次压制，形成矩形包膜正极板，部分正极导耳位于隔膜的外面；

⑵装配极板组

在与正极集流体尺寸相同的锂箔一端靠近一侧焊接负极导耳形成负极板；将包膜正极板和负极板间隔整齐叠放，叠放后的全部正极导耳与正极柱冷压后铆接成一体、叠放后的全部负极导耳与负极柱冷压后铆接成一体，再将全部包膜正极板和负极板捆紧固定，构成极板组；

⑶大容量锂锰电池的装配：

将⑵中的极板组装入底部带有两个孔的方形不锈钢电池壳内，电池壳的两个孔均套有聚四氟乙烯绝缘密封垫，正极柱和负极柱分别从两个孔穿出，正极柱、负极柱分别绝缘密封紧固在电池壳下端，电池壳上端密封焊接带有注液孔的电池盖，注液孔上连接密封装置后，完成大容量锂锰电池的装配。

本发明还可以采用如下技术措施：

所述正极集流体为厚度为1.7mm的泡沫镍；所述正极导耳为0.1mm厚的镍片；所述隔膜为0.13mm厚的PP膜；所述包膜正极板的厚度为0.53mm；所述负极导耳为0.1mm厚的镍带；所述捆紧全部包膜正极板和负极板用材料为胶带；所述电池壳和电池盖的材料为不锈钢、铝、铜、镍、钛及其合金之一种。

所述电池盖的注液孔上密封焊接套有锁母的凸圈；所述密封装置为装有电解液的贮液器和将贮液器与电池盖密封连接成一体的激活装置。

所述贮液器包括底部制有一孔的贮液腔，孔下面密封焊有一外螺纹管，外螺纹管上螺纹连接沿孔壁、外轴横截面均带有凸台的压膜环，外螺纹管和压膜环之间密封压接有电液隔离膜，压膜环外轴上套有一锁母；所述激活装置包括连接所述两个孔的进液管，进液管内一横截面上有一与进液管为一体的管筋，管筋上面有一与进液管同轴的管套，进液管内管壁与管筋和管套外壁之间的空隙为流液口，管套底部中心处有一经管筋通向进液管外壁的进气孔；所述管套内固装有压膜圈，压膜圈底部与管套之间压有推刀膜，压膜圈中心处有能够在压膜圈内上下移动并且能够刺破所述电液隔离膜的切刀；靠近进液管外壁的进气孔一端固装有进气嘴；进气嘴的另一端连有控制高压气瓶开关的电爆阀门；所述进液管两端的轴上均制有连接电池部分中锁母和贮液器部分中锁母的螺纹，进液管的上端部制有套装压膜环下端的上圆槽、进液管的下端部制有套装凸圈上端的下圆槽，上圆槽和下圆槽内均套有密封垫圈；所述切刀包括刀刃、刀柄和刀柄根部的定位槽；所述压膜圈的内、外径均为上小下大台阶状的管，大管的管壁与进液管中的管套为螺纹连接、小管穿过刀柄置于切刀的定位槽中；所述进液管、压膜圈和刀柄位于同一中心线；压膜圈内刀柄的底面贴于推刀膜的上表面、刀刃位于电液隔离膜的下面。

所述高压气瓶中的气体为氩气或氦气；所述进液管、压膜圈的材料为不锈钢、铝、铜、镍、钛及其合金之一种；所述切刀的材料为不锈钢、钛及其合金之一种；所述推刀膜的材料为橡胶；所述电液隔离膜的材料为薄膜状的聚四氟乙烯、铝、铜及其合金之一种。

所述电池盖的注液孔上密封焊接有排气阀。

所述排气阀包括轴和孔均为台阶状的阀体，大孔为螺纹孔，螺纹孔螺纹连接带有通孔的丝堵；阀体与丝堵的端面之间自下至上依次置有密封圈、聚四氟乙烯膜防爆膜和密封圈；丝堵上端有一螺丝刀口。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明采用大孔率的三维铝或三维镍作为正极集流体，在正极集流体两面涂布糊状正极混合物压制成薄型正极板，实现了电池的高功率放电，电池放电倍率可达0.2C-0.4C，单体电池容量能够达到100Ah-500Ah；单体电池串联成电池组，能够做为高功率、高能量的大型动力型电池组应用于高功率、高能量的大型动力装备中；

2、本发明采用电池中的极板组与电解液分隔存放的方式，电池在运输和长时间储存过程中正、负极之间没有电压，没有自放电，受外力或意外滥用时不会形成内部短路而激活释放能量，提高了电池安全性，延长了储存寿命，达到10～15年。

3、本发明采用矩形正负极板叠片式极板组装配到金属电池壳中，正、负极导耳与极柱之间通过铆钉冷压铆接，提高了电池的机械强度，进一步提高了电池的安全应用。

附图说明

图1是本发明制备的大容量锂锰电池主视示意图；

图2是图1的左视局部剖视示意图；

图3是图1注液孔上密封连接激活装置的主视示意图；

图4是图3的左视局部剖视示意图；

图5是图4中进气管的主视剖视示意图；

图6是图4中进气管的俯视示意图；

图7是图4中压膜圈的主视剖视示意图；

图8是图4中压膜圈的俯视示意图；

图9是图4中切刀的主视示意图；

图10是图9的俯视示意图；

图11是1注液孔上密封连接排气阀的主视剖视示意图；

图12是图11的左视局部剖视示意图。

其中，1-贮液腔，2-电液隔离膜，3-压膜环，4-密封垫圈，5-切刀，6-锁母，7-进液管，8-压膜圈，9-推刀膜，10-进气嘴，11-电池盖，12-包膜正极板，13-负极板，14-铆钉，15-负极柱，16-正极柱，17-电池壳；18-管筋，19-管套，20-进气孔，21-凸圈，22-流液口，23-上圆槽，24-下圆槽，25-刀刃，26-定位槽，27-刀柄，28-大管，29-小管，30-外螺纹管，31-注液孔，32-丝堵，33-阀体，34-密封圈，35-防爆膜，36-排气阀。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

⑴制作包膜正极板

选用矩形板状泡沫镍或泡沫铝作为正极集流体，在正极集流体一端靠近一侧焊接正极导耳；称取90.2wt%二氧化锰、1.6wt%聚偏二氟乙烯(PVDF)、6.3wt%乙炔黑和1.8wt%石墨，混合后加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)含量0.1wt%的溶液，用搅拌机搅拌形成糊状正极混合物，将正极混合物均匀涂布到正极集流体两面，在干燥箱中130℃干燥24h～48h，取出后将正极集流体上面的正极混合物压制成88mg/cm²，形成正极板；然后将正极板包上一层隔膜，再次压制，形成矩形包膜正极板12，部分正极导耳位于隔膜的外面；

⑵装配极板组

在与正极集流体尺寸相同的锂箔一端靠近一侧焊接负极导耳形成负极板13；将包膜正极板和负极板间隔整齐叠放，叠放后的全部正极导耳与正极柱16冷压后铆接成一体、叠放后的全部负极导耳与负极柱15冷压后铆接成一体，再将全部包膜正极板和负极板捆紧固定，构成极板组；

⑶大容量锂锰电池的装配：

将⑵中的极板组装入底部带有两个孔的方形电池壳17内，电池壳的两个孔均套有聚四氟乙烯绝缘密封垫，正极柱和负极柱分别从两个孔穿出，正极柱、负极柱分别绝缘密封紧固在电池壳下端，电池壳上端密封焊接带有注液孔31的电池盖11，注液孔上连接密封装置后，完成如图1-2所示的本发明大容量锂锰电池的制作。

实施例1：参阅附图3-10：

1、制作包膜正极板

选用厚度为1.7mm的泡沫镍作为正极集流体，在泡沫镍一端靠近一侧焊接0.1mm厚的镍片作为正极导耳；称取粒径为400目的90.2wt%二氧化锰作为正极材料、1.6wt%聚偏二氟乙烯(PVDF)作为粘接剂、6.3wt%乙炔黑和1.8wt%石墨作为导电剂，混合后加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)含量0.1wt%的水溶液，用搅拌机搅拌形成糊状正极混合物，将正极混合物均匀涂布到正极集流体两面，在干燥箱中130℃干燥30h，取出后将泡沫镍上面的正极混合物压制成88mg/cm²，形成正极板；然后将正极板包上一层0.13mm厚的PP隔膜，再压制成厚度为0.53mm的矩形包膜正极板，位于正极集流体外部的正极导耳位于隔膜的外面；

2、装配极板组

裁切与正极板尺寸相同的矩形锂箔压平后作为负极板,在负极板一端靠近一侧焊接0.1mm厚的镍带作为负极导耳；将包膜正极板和负极板间隔整齐叠放，叠放后的全部正极导耳与正极柱冷压后用铆钉14铆接成一体、叠放后的全部负极导耳与负极柱冷压后用铆钉铆接成一体，再用胶带将全部包膜正极板和负极板捆紧固定，构成极板组；

3、装配电池

选用0.6mm厚的矩形不锈钢板作为电池盖的盖板，在盖板中心处打一圆孔作为注液孔；制出一个外径沿横截面带有凸台的不锈钢凸圈21，凸圈一端外轴套上一个锁母6，将凸圈套有锁母的一端与注液孔密封焊接成一体，制作成电池盖；将制成的极板组装入底部带有两个孔的方形不锈钢电池壳内，电池壳的两个孔均套有聚四氟乙烯绝缘密封垫，正极柱和负极柱分别从两个孔穿出，正极柱、负极柱分别绝缘密封紧固在电池壳下端，电池盖带锁母的一端向外，将电池盖焊接在电池壳的口上，注液孔上连接将装有电解液的贮液器和将贮液器与电池盖密封连接成一体的激活装置作为密封装置，制成如图3-图4所示的本实施例大容量锂锰电池的制作；下面说明本实施例密封装置中贮液器、激活装置的制作及连接过程：

⑴贮液器的制作，参照图3-4：

选用密封六方形不锈钢壳作为贮液腔1，在贮液腔的一面中心处打一圆孔；车制一个内径与贮液腔圆孔孔径相同的不锈钢外螺纹管30，并将外螺纹管一端与贮液腔圆孔密封焊接成一体；车制一个沿孔壁、外轴横截面均带有凸台的不锈钢压膜环3，压膜环一端至内凸台一面的孔加工成螺纹孔，锁母套在带有螺纹孔一端的外轴上；贮液腔内注满三元PC:DME:DOL＝6:3:1，1molLiClO₄有机电解液，将一薄膜铜作为电液隔离膜2放在外螺纹管端部后，再在电液隔离膜上放置密封垫圈4，最后将压膜环螺纹密封连接在外螺纹管上，确保外螺纹管的端部密封压紧电液隔离膜，完成贮液器的制作；

⑵激活装置的制作，参照图5-10：

如图5-10所示：选用不锈钢材料分别加工进液管7、压膜圈8和切刀5。

如图5-6所示，进液管两端的轴上分别加工出连接贮液器中锁母和电池部分中锁母的外螺纹，沿进液管内的横截面上有一条管筋18，管筋上面有一个与进液管外轴同轴的内螺纹状管套19，管套底部的中心处有一个经管筋通向进液管外壁的进气孔20，进液管的内管壁与其管筋和管套外壁之间的空隙作为流液口22，进液管的两个端面上各加工出一个圆槽，分别为上圆槽23和下圆槽24；在靠近进液管外壁的一端的进气孔内密封焊接一个进气嘴10；

如图7-8所示，压膜圈加工成内、外径均为上小下大台阶状的管，上面为小管29，其外圆上制出两两对称的四个平面，下面的大管28为外螺纹状；

如图9-10所示，切刀加工成上端为十字形的刀刃25，下面为圆柱形刀柄27，刀柄的根部与刀刃下面的连接处制成外圆大于刀柄的圆柱状的台接，沿台接面制出一个定位槽26；定位槽的大圆上制出两两对称的四个平面，并与压膜圈中小管相配合，定位槽的小圆与刀柄直径相同并同轴；

在进液管的管套中放置一片0.5mm厚具有伸缩性的橡胶圆片作为推刀膜9，然后将压膜圈的大管螺纹连接在管套中，将管套中的推刀膜压紧；切刀的刀柄插入压膜圈小管的孔中、定位槽套在压膜圈的小管轴上，所述进液管、压膜圈和刀柄位于同一中心线，保证切刀始终垂直于水平面上下移动。

⑶本实施例大容量锂锰电池连接过程，参照图3-10：

在进液管的上圆槽和下圆槽内分别放置一个密封垫圈后，将带有切刀一端的进液管与贮液器中的锁母螺纹锁紧，刀刃位于电液隔离膜的下面；进液管另一端与电池部分中的锁母螺纹密封锁紧，保证刀柄的底面贴在推刀膜的上表面；进气嘴通过连接管连接电爆阀门的一端，电爆阀门的另一端连在充满氮气的高压气瓶上，作为控制高压气瓶的开关，完成大容量锂锰电池的连接过程。上述多个电池部分并联或串联使用时，可用同一个带电爆阀门的高压气瓶。

电池工作时，给出电信号，电爆阀门打开，高压气瓶内的高压气体从进气嘴进入激活装置，推动弹性推刀膜，推刀膜鼓起，推动切刀向上移动刺破电液隔离膜，贮液器中的电解液靠重力流经流液口注入电池中，快速激活电池，电池及时处于工作状态。由于将极板组与电解液分隔开存放，电池在运输和长时间储存过程中不激活，正负极之间没有电压、没有自放电，受外力或意外滥用时不会形成内部短路而快速释放能量，提高了电池安全性，延长了储存寿命。

实施例2：参阅附图11-12：

本实施例中制作包膜正极板和装配极板组的过程同实施例1；

装配电池

选用0.6mm厚的矩形不锈钢板作为电池盖的盖板，在盖板中心处打一圆孔作为注液孔，注液孔上激光焊排气阀36作为密封装置，制成如图11-图12所示的本实施例大容量锂锰电池的制作；下面说明本实施例排气阀的制作过程：

排气阀的制作过程：将不锈钢棒制成轴和孔均为台阶状的阀体33，大孔为螺纹孔，再用不锈钢棒制成与阀体螺纹孔配合带有通孔和螺丝刀口的丝堵32，阀体激光焊接在注液孔内；在阀体大孔内依次放置密封圈34、聚四氟乙烯膜作为防爆膜35、密封圈，然后将丝堵密封螺纹连接在阀体上；完成本实施例排气阀的制作。

本实施例单体电池盖板上采用可更换式排气阀作为密封装置，阀上的防爆膜可以更换。简化了注液工艺；同时可以随时排出电池内多余气，有效解决电池鼓胀问题。不使用时，电池壳内可以不注入电解液，当电池使用时，再注入电解液，既延长了电池的储存和使用寿命，又提高了电池的安全性。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.大容量锂锰电池的制备方法，其特征在于：包括以下制备过程：

⑴制作包膜正极板

⑵装配极板组

⑶大容量锂锰电池的装配：

2.根据权利要求1所述的大容量锂锰电池的制备方法，其特征在于：所述正极集流体为厚度为1.7mm的泡沫镍；所述正极导耳为0.1mm厚的镍片；所述隔膜为0.13mm厚的PP膜；所述包膜正极板的厚度为0.53mm；所述负极导耳为0.1mm厚的镍带；所述捆紧全部包膜正极板和负极板用材料为胶带；所述电池壳和电池盖的材料为不锈钢、铝、铜、镍、钛及其合金之一种。

3.根据权利要求1或2所述的大容量锂锰电池的制备方法，其特征在于：所述电池盖的注液孔上密封焊接套有锁母的凸圈；所述密封装置为装有电解液的贮液器和将贮液器与电池盖密封连接成一体的激活装置。

4.根据权利要求3所述的大容量锂锰电池的制备方法，其特征在于：所述贮液器包括底部制有一孔的贮液腔，孔下面密封焊有一外螺纹管，外螺纹管上螺纹连接沿孔壁、外轴横截面均带有凸台的压膜环，外螺纹管和压膜环之间密封压接有电液隔离膜，压膜环外轴上套有一锁母；所述激活装置包括连接所述两个孔的进液管，进液管内一横截面上有一与进液管为一体的管筋，管筋上面有一与进液管同轴的管套，进液管内管壁与管筋和管套外壁之间的空隙为流液口，管套底部中心处有一经管筋通向进液管外壁的进气孔；所述管套内固装有压膜圈，压膜圈底部与管套之间压有推刀膜，压膜圈中心处有能够在压膜圈内上下移动并且能够刺破所述电液隔离膜的切刀；靠近进液管外壁的进气孔一端固装有进气嘴；进气嘴的另一端连有控制高压气瓶开关的电爆阀门；所述进液管两端的轴上均制有连接电池部分中锁母和贮液器部分中锁母的螺纹，进液管的上端部制有套装压膜环下端的上圆槽、进液管的下端部制有套装凸圈上端的下圆槽，上圆槽和下圆槽内均套有密封垫圈；所述切刀包括刀刃、刀柄和刀柄根部的定位槽；所述压膜圈的内、外径均为上小下大台阶状的管，大管的管壁与进液管中的管套为螺纹连接、小管穿过刀柄置于切刀的定位槽中；所述进液管、压膜圈和刀柄位于同一中心线；压膜圈内刀柄的底面贴于推刀膜的上表面、刀刃位于电液隔离膜的下面。

5.根据权利要求4所述的大容量锂锰电池的制备方法，其特征在于：所述高压气瓶中的气体为氩气或氦气；所述进液管、压膜圈的材料为不锈钢、铝、铜、镍、钛及其合金之一种；所述切刀的材料为不锈钢、钛及其合金之一种；所述推刀膜的材料为橡胶；所述电液隔离膜的材料为薄膜状的聚四氟乙烯、铝、铜及其合金之一种。

6.根据权利要求1或2所述的大容量锂锰电池的制备方法，其特征在于：所述电池盖的注液孔上密封焊接有排气阀。

7.根据权利要求6所述的大容量锂锰电池的制备方法，其特征在于：所述排气阀包括轴和孔均为台阶状的阀体，大孔为螺纹孔，螺纹孔螺纹连接带有通孔的丝堵；阀体与丝堵的端面之间自下至上依次置有密封圈、聚四氟乙烯膜防爆膜和密封圈；丝堵上端有一螺丝刀口。