CN103474598A

CN103474598A - 电池

Info

Publication number: CN103474598A
Application number: CN2012101876216A
Authority: CN
Inventors: 陈璞
Original assignee: Positec Power Tools Suzhou Co Ltd
Current assignee: Positec Power Tools Suzhou Co Ltd
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明揭示了一种电池，包括壳体，设于所述壳体内的正极，负极，电解液，其中所述电池还包括安全阀，所述壳体上设有通孔，所述安全阀包括具有中空部的阀体、选择地与打开或密闭所述中空部的阀以及至少部分盖住所述阀的阀盖，所述中空部与所述通孔相贯通，所述阀体与所述阀盖之间形成与大气连通的空腔，当所述壳体内的气压到达预设的开阀压时，所述阀打开所述中空部以使所述壳体通过空腔与大气相通，当所述壳体内的气压到达预设的闭阀压时，所述阀密闭所述中空部以使所述壳体处于密闭状态。本发明的电池寿命长，且安全可靠。

Description

电池

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种电池。

背景技术

人类对新能源的广泛运用，导致了二次电池市场的急速扩大。当前新能源体系中对二次电池的要求无处不在。无论是电动汽车，风能，太阳能并网还是电网调峰，都急需一种廉价，可靠，安全和寿命长的二次电池。目前所发展的二次电池主要集中在锂离子电池，高温钠硫电池，钠镍氯电池和钒液流电池。这些电池都具有各自的优点，比如锂离子电池和高温钠硫电池寿命长以及能量密度高，钒液流电池更是理论上具备无限的寿命等。但无论哪种电池，都无法同时满足廉价，可靠，安全和寿命长的要求。传统的锂离子电池过于昂贵，且有安全隐患；高温钠硫电池制造技术门槛高，售价昂贵；钒液流电池多项技术瓶颈目前都未能获得突破等。

为此很多研究者都致力于水系锂离子电池的研究，希望以此大幅降低锂离子电池的成本，并提出了一些以LiMn2O4为正极，钒的氧化物例如LiV3O8等为负极、水为电解液的电池，但此类电池在壳体内压力超过一定值时，可能发生壳体变形，影响寿命，且不够安全。

发明内容

本发明旨在提供一种寿命长、安全可靠的电池。

本发明提供了一种电池，包括壳体，设于所述壳体内的正极，负极和电解液，所述正极包括正极集流体和参与电化学反应的正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出-嵌入离子；所述负极至少包括负极集流体；所述电解液包括能够溶解电解质并使所述电解质电离的水溶液或者醇溶液中的至少一种；所述电解质能够电离出至少一种充放电过程中在所述负极发生还原-沉积和氧化-溶解的活性离子；其中所述电池还包括安全阀，所述壳体上设有通孔，所述安全阀包括具有中空部的阀体、选择地与打开或密闭所述中空部的阀以及至少部分盖住所述阀的阀盖，所述中空部与所述通孔相贯通，所述阀体与所述阀盖之间形成与大气连通的空腔，当所述壳体内的气压到达预设的开阀压时，所述阀打开所述中空部以使所述壳体通过空腔与大气相通，当所述壳体内的气压到达预设的闭阀压时，所述阀密闭所述中空部以使所述壳体处于密闭状态。

本发明的有益效果：由于在电池中设置了安全阀，当壳体内气压过高时排气，防止壳体变形或爆炸，从而提高了电池的寿命和安全性。

优选的，所述阀为设于所述阀体上的弹性体。

优选的，所述阀体设有突柱，所述通孔自所述突柱贯穿，所述弹性体为套设于所述突柱上的胶帽。

优选的，所述安全阀还包括位于所述阀盖和所述弹性体之间的第一防爆片。

优选的，所述安全阀还包括设于所述阀体上的第二防爆片，且所述第二防爆片与所述第一防爆片位于所述弹性体相背对的两侧。

优选的，所述阀包括球阀和促使所述球阀密闭所述中空部的弹簧，所述弹簧的一端抵靠于所述球阀，所述弹簧的另一端被所述阀盖止挡。

优选的，所述球阀与所述阀体之间设有密封圈。

优选的，所述阀体可拆卸地设于所述壳体上。

优选的，所述阀体与所述壳体之间设有密封垫。

优选的，所述壳体包括纵长延伸的侧壁及与所述侧壁相配接的端盖，所述安全阀设于所述端盖上。

附图说明

图1是本发明第一实施例中电池的结构示意图，此时阀处于打开状态；

图2是本发明第一实施例中电池的结构示意图，此时阀处于闭合状态；

图3是本发明第二实施例中安全阀的结构示意图；

图4是本发明第三实施例中安全阀的结构示意图；

图5是本发明第四实施例中安全阀的结构示意图，此时阀处于打开状态；

图6是本发明第四实施例中安全阀的结构示意图，此时阀处于闭合状态。

具体实施方式

本发明提供的电池不但具有较长的寿命，而且安全可靠，在如手机、笔记本电脑等便携式电子产品，电动汽车，电动工具等领域具有可观的应用前景。

如图1所示，本发明第一实施例揭示了一种电池，电池包括壳体20，设于壳体20内的正极(未图示)，负极(未图示)和电解液，所述正极包括正极集流体和参与电化学反应的正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出-嵌入离子；所述负极至少包括负极集流体；所述电解液包括能够溶解电解质并使所述电解质电离的水溶液或者醇溶液中的至少一种；所述电解质能够电离出至少一种充放电过程中在所述负极发生还原-沉积和氧化-溶解的活性离子。

正极集流体仅作为电子传导和收集的载体，不参与电化学反应，即在电池工作电压范围内，正极集流体能够稳定的存在于电解液中而没有任何副反应发生，从而保证电池具有稳定的循环性能。

本发明中正极活性物质参与正极反应，并且能够可逆脱出-嵌入离子或者官能团。优选的，正极活性物质能够可逆脱出-嵌入锂离子、钠离子、锌离子或者镁离子。

正极活性物质是符合通式Li_1+xMn_yM_zO_k的能够可逆脱出-嵌入锂离子的尖晶石结构的化合物，其中，-1≤x≤0.5，1≤y≤2.5，0≤z≤0.5，3≤k≤6，M选自Na、Li、Co、Mg、Ti、Cr、V、Zn、Zr、Si、Al中的至少一种。优选的，正极活性物质含有LiMn₂O₄。更优选的，正极活性物质含有经过掺杂或包覆改性的LiMn₂O₄。

正极活性物质是符合通式Li_1+xM_yM′_zM″_cO_2+n的能够可逆脱出-嵌入锂离子的层状结构的化合物，其中，-1<x≤0.5，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤c≤1，-0.2≤n≤0.2，M，M′，M″分别选自Ni、Mn、Co、Mg、Ti、Cr、V、Zn、Zr、Si或Al的中至少一种。优选的，正极活性物质含有LiCoO₂。

正极活性物质是符合通式Li_xM_1-yM′_y(XO₄)_n的能够可逆脱出-嵌入锂离子的橄榄石结构的化合物，其中，0<x≤2，0≤y≤0.6，1≤n≤1.5，M选自Fe、Mn、V或Co，M′选自Mg、Ti、Cr、V或Al的中至少一种，X选自S、P或Si中的至少一种。优选的，正极活性物质含有LiFePO₄。

在目前锂电池工业中，几乎所有正极活性物质都会经过掺杂、包覆等改性处理。但掺杂，包覆改性等手段造成材料的化学通式表达复杂，如LiMn₂O₄已经不能够代表目前广泛使用的“锰酸锂”的通式，而应该以通式Li_1+xMn_yM_zO_k为准，广泛地包括经过各种改性的LiMn₂O₄正极活性物质。同样的，LiFePO₄以及LiCoO₂也应该广泛地理解为包括经过各种掺杂、包覆等改性的，通式分别符合Li_xM_1-yM′_y(XO₄)_n和Li_1+xM_yM′_zM″_cO_2+n的正极活性物质。

本发明的正极活性物质为可逆脱出-嵌入锂离子化合物时，可以选用如LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiCoO₂、LiM_xPO₄、LiM_xSiO_y(其中M为一种变价金属)等化合物。此外，可脱出-嵌入钠离子的化合物如NaVPO₄F，可脱出-嵌入锌离子的化合物如γ-MnO₂，可脱出-嵌入镁离子的化合物如MgM_xO_y(其中M为一种金属，0.5<x<3，2<y<6)以及具有类似功能，能够脱出-嵌入离子或官能团的化合物都可以作为本发明电池的正极活性物质。

在具体的实施方式中，制备正极浆料时，除了正极活性物质之外，还需添加导电剂和粘结剂。

导电剂选自导电聚合物、活性碳、石墨烯、碳黑、碳纤维、金属纤维、金属粉末、以及金属薄片中的一种或多种。

粘结剂选自聚乙烯氧化物、聚丙烯氧化物，聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酯、聚醚、氟化聚合物、聚二乙烯基聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸中的一种、或上述聚合物的混合物及衍生物。在具体实施方式中，粘结剂选自聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)。

负极至少包括负极集流体，具体到第一实施方式中，负极仅包括负极集流体，并且负极集流体仅作为电子传导和收集的载体，不参与电化学反应。负极集流体的材料选自金属Ni、Cu、Ag、Pb、Mn、Sn、Fe、Al、Zn或经过钝化处理的上述金属中的至少一种，或者单质硅，或者碳基材料，其中，碳基材料包括石墨材料，比如商业化的石墨压制的箔，其中石墨所占的重量比例范围为90-100％。负极集流体的材料还可以选自不锈钢或经钝化处理的不锈钢。不锈钢包括但不仅限于不锈钢网和不锈钢箔，同样的，不锈钢的型号可以是300系列的不锈钢，如不锈钢304或者不锈钢316或者不锈钢316L。

另外，负极集流体还可以选自含有析氢电位高的镀/涂层的金属，从而降低负极副反应的发生。镀/涂层选自含有C、Sn、In、Ag、Pb、Co、Zn的单质，合金，或者氧化物中至少一种。镀/涂层的厚度范围为1-1000nm。例如：在铜箔或石墨箔的负极集流体表面镀上锡，铅或银。

另外，醇溶液包括但不仅限于乙醇或甲醇。

电池的充放电原理为：充电时，正极活性物质中脱出可逆脱出-嵌入的离子，同时伴随正极活性物质内变价金属被氧化，并放出电子；电子经由外电路到达电池负极，同时电解液中的活性离子在负极集流体得到电子被还原，并沉积在负极集流体上。放电过程则为充电的逆过程。

另外，电池在充电过程中，尤其是快接近充电后期时，由于充电电流将水分解，会释放出大量氢、氧气体。随着产生的氢气和氧气越来越多，电池壳体内的压力也在不断上升，当压力上升到一定值，电池壳体会发生变形。

如图1所示，本发明第一实施方式中的电池还包括设于壳体20上的安全阀22。当电池的壳体20内的压力到达预设的开阀压时，安全阀22打开，将压力释放，防止壳体变形，从而提高了电池的寿命和安全性。

另外，当壳体20内的压力到达预设的闭阀压时，安全阀22闭合，防止内部气体向外泄露。同时，也防止外部空气进入壳体内造成不良影响。且还可以防止析出的氢气遇明火时产生回火，从而引爆壳体内部气体。

再者，安全阀22能保证壳体20内有一定内压，促进壳体20内氧和氢复合，从而减少失水。

安全阀22的开阀压是为了防止因电池壳体内压力异常上升而使壳体变形或开裂而预先设定的压力值。若开阀压设计得较小，导致安全阀22开启频繁，增大失水，从而大大影响电池的寿命。而若开阀压设计得较大，会增大壳体20内压，引起壳体20变形或开裂。

一般情况下，开阀压设置为49kPa以下。当然，壳体20的材料不同，厚度不同时，选定的开阀压也应相应不同，以保证最优化的电池的使用性能，从而保证电池具有较长使用寿命的同时，也不会发生安全问题。

闭阀压是为了防止外部气体由安全阀22侵入而破坏电池性能，一般情况下，闭阀压设置为1kPa以上。

壳体20可设置为金属或塑料，如钢、铝、AB S、PP、尼龙等。

壳体20上设有通孔24。安全阀22包括具有中空部25的阀体26，选择地打开或密闭中空部25的阀28以及至少部分盖住阀28的阀盖30。中空部25与通孔24相贯通，而且阀体26与阀盖30之间形成了与大气连通的空腔29。这样，当壳体20内的气压到达预设的开阀压时，阀28打开中空部25以使壳体20通过空腔29与大气相通，从而释放壳体20内的气体，降低壳体20内的压力，避免壳体20变形或爆炸。

当壳体20内的气压降低到到达预设的闭阀压时，阀28密闭中空部25以使壳体20处于密闭状态，从而使壳体20内保持一定内压，促进壳体20内氧和氢复合，进而减少失水。

进一步的，阀28为设于阀体26上的弹性体28。从结构形式上，弹性体28可设置为帽状、柱状、柱塞状等。优选的，弹性体28设置为帽状。

优选的，弹性体28采用EPDM或FPM等材质。当然，也可采用SEBS、SBS、POE、PU等具有一定弹性和硬度的弹性材料。

阀体26上设有突柱31，通孔24自突柱31贯穿。优选的，弹性体28设置为胶帽28。胶帽28套设于突柱31上。

本优选实施例中，阀盖30上设有至少一个排气孔32。当然，也可不设置排气孔，利用阀盖30的装配间隙，只要保证阀盖30外的大气与阀体26和阀盖30之间形成的空腔29相通即可。如此，就可保证阀28打开中空部25时，释放壳体20内的气体，从而降低壳体20内的压力，避免壳体20变形。

如图1所示，当壳体20内的压力到达胶帽28的开阀压时，胶帽28发生形变，与阀体26部分脱开，通过排气孔31释放气体，从而降低壳体20内的压力，避免了壳体20变形或爆炸等。胶帽28利用自身的弹性胀开，从而与阀体26部分脱开，脱开后轴向上由阀盖30止挡。因此，胶帽28在变形过程中不会完全远离阀体，胶帽28保持轴向上与阀体部分叠合。

胶帽28具有底部32和自底部32垂直延伸的侧部33。优选的，为防止胶帽28脱开后再次闭合时扭曲变形。阀体26与胶帽28的底部33的贴合面34至阀盖30之间的距离H不大于侧部34的长度L的一半。这样，可确保当胶帽28脱开后由阀盖30止挡时，至少有一半以上的胶帽侧部33保持轴向上与阀体26叠合。

如图2所示，当壳体20内的压力降低到到达胶帽28的闭阀压时，胶帽28收缩以密闭中空部25。此时，壳体20处于密闭状态，从而使壳体20内保持一定内压，促进壳体20内氧和氢复合，进而减少失水。

当胶帽28密闭中空部25时，能够使得电池的密封可靠。当到达预设的开阀和闭阀极限压力时，胶帽28能够可靠的开闭。

上述要求不仅与胶帽28的结构、材质、加工工艺有关，而且与阀体26和胶帽28连接面处两者的光洁度均有关。

当把胶帽28套在阀体26上时，胶帽28就受到一个初始压力，也就是预压力，合理的预压力是保证密封的基本条件。当阀体26与胶帽28的表面光洁度不同时，相应地，预压力也不同。

预压力与开阀压具有一定的关系，一般情况下，预压力等于开阀压的2％～5％。

本实施例中，阀体26与壳体20一体设置，如此方便制造，降低了制造成本。另外，胶帽28为橡胶件。

阀盖30设于壳体20上，阀盖30通过螺钉(未图示)固定连接于壳体20上。当然，也可以通过铆接等其它方式固定。

壳体20包括纵长延伸的侧壁36及与侧壁36相配接的端盖37。

本优选实施例中，安全阀22设于端盖37上。当然，安全阀22也可以设置于侧壁36上。

另外，安全阀22中也可设置催化剂(未图示)。这样，可促使析出的氢气和氧气发生复合反应，从而使电池的失水率大大降低，提高了电池的使用寿命。催化剂是活性炭上沉积钯的碳基钯物质。

如图3所示，本发明的第二优选实施例。壳体38上同样设有通孔40，安全阀42同样包括设于通孔40处且中空的阀体43，设于阀体43上的弹性体44，至少部分盖住弹性体44的阀盖46。

该实施例与第一实施例的不同为，安全阀42作为一个独立的装置，可拆卸地安装于壳体38上。

阀体43可拆卸地设于壳体38上。本实施例中，阀体43通过螺钉连接于壳体38上。当然，也可通过铆接等其它方式连接。

阀盖46通过压入紧配合于阀体43上。当然，也可通过螺钉连接或铆接等其它方式连接。

另外，阀体43与壳体38之间设有密封垫50。这样，当壳体38内的压力到达预设的闭阀压，弹性体44处于闭合状态时，大大改善了电池的密封性，防止电池失水，提高了电池的寿命。

本优选实施例中，安全阀42同样可以设置于端盖或侧壁上。

另外，安全阀42中也可设置催化剂(未图示)。这样，可促使析出的氢气和氧气发生复合反应，从而使电池的失水率大大降低，提高了电池的使用寿命。

如图4所示，本发明的第三优选实施例。与第二实施例相同，安全阀54同样作为一个独立的装置，可拆卸地安装于壳体(未图示)上。安全阀54包括中空的阀体56，设于阀体56上的弹性体58，至少部分盖住弹性体58的阀盖60。

优选的，阀盖60上的排气孔62设置为倒锥形。这样，不但使壳体内的气体能均匀析出，而且使气体易出不易进，提高安全阀的防爆性能。

阀体56与壳体之间也设有密封垫64，进一步提高了电池的密封性。

安全阀54还包括第一防爆片66，以防止电池外部遇明火时爆炸。第一防爆片66位于阀盖60和弹性体58之间，也就是说，第一防爆片66的第一面68面向弹性体58，而与第一面68相背对设置的第二面70面向阀盖60设置。防爆片66选用铝合金或铝箔等防爆材料。

本优选实施例中，第一防爆片66设置于阀体56上。当然，第一防爆片66也可以设置于阀盖60上。

安全阀54还包括设于阀体56上的第二防爆片72，且第二防爆片72与第一防爆片66分别位于弹性体58相背对的两侧。从而进一步提高了电池的防爆性能。

进一步的，第二防爆片72的第三面74面向弹性体58，而与第三面74相背对设置的第四面76面向电池内部设置。

本优选实施例中，安全阀54同样可以设置于电池的端盖或侧壁上。

如图5所示，本发明的第四优选实施例。与第二实施例的不同为，阀78包括球阀82和促使球阀82密闭阀体84的中空部85的弹簧86。弹簧86的一端抵靠于球阀82，弹簧86的另一端被阀盖79止挡。

当电池壳体(未图示)内的气压到达预设的开阀压时，球阀82克服弹簧86的力以压缩弹簧向阀盖79的方向移动一定距离，球阀82打开阀体84的中空部85，以使壳体通过空腔87与大气相通，从而释放壳体内的气体，降低壳体内的压力，避免壳体变形或爆炸。

如图6所示，当壳体内的气压降低到到达预设的闭阀压时，弹簧86促使球阀82向壳体的方向移动一定距离，使球阀82闭合阀体84的中空部85，以使壳体处于密闭状态，从而使壳体内保持一定内压，促进壳体内氧和氢复合，进而减少失水。

进一步的，球阀82与阀体80之间设有密封圈88，当球阀82处于闭合状态时，可以更好地密封电池，提高电池性能。

尽管发明人已经对本发明的技术方案做了较详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例作出修改和/或变通或者采用等同的替代方案是显然的，都不能脱离本发明精神的实质，本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解，并不能构成对本发明的限制。

Claims

1.一种电池，包括壳体，设于所述壳体内的正极，负极和电解液，所述正极包括正极集流体和参与电化学反应的正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出-嵌入离子；

所述负极至少包括负极集流体；

所述电解液包括能够溶解电解质并使所述电解质电离的水溶液或者醇溶液中的至少一种；所述电解质能够电离出至少一种充放电过程中在所述负极发生还原-沉积和氧化-溶解的活性离子；

其特征在于：所述电池还包括安全阀，所述壳体上设有通孔，所述安全阀包括具有中空部的阀体、选择地打开或密闭所述中空部的阀以及至少部分遮盖所述阀的阀盖，所述中空部与所述通孔相贯通，所述阀体与所述阀盖之间形成与大气连通的空腔，当所述壳体内的气压到达预设的开阀压时，所述阀打开所述中空部以使所述壳体通过空腔与大气相通，当所述壳体内的气压到达预设的闭阀压时，所述阀密闭所述中空部以使所述壳体处于密闭状态。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述阀为设于所述阀体上的弹性体。

3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于：所述阀体设有突柱，所述通孔自所述突柱贯穿，所述弹性体为套设于所述突柱上的胶帽。

4.根据权利要求2所述的电池，其特征在于：所述安全阀还包括位于所述阀盖和所述弹性体之间的第一防爆片。

5.根据权利要求4所述的电池，其特征在于：所述安全阀还包括设于所述阀体上的第二防爆片，且所述第二防爆片与所述第一防爆片位于所述弹性体相背对的两侧。

6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述阀包括球阀和促使所述球阀密闭所述中空部的弹簧，所述弹簧的一端抵靠于所述球阀，所述弹簧的另一端被所述阀盖止挡。

7.根据权利要求6所述的电池，其特征在于：所述球阀与所述阀体之间设有密封圈。

8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述阀体可拆卸地设于所述壳体上。

9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于：所述阀体与所述壳体之间设有密封垫。

10.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述壳体包括纵长延伸的侧壁及与所述侧壁相配接的端盖，所述安全阀设于所述端盖上。