CN104409762A - 一种电池复合基片、一种电池复合极片、一种层叠式电池和一种层叠式电池系统 - Google Patents

一种电池复合基片、一种电池复合极片、一种层叠式电池和一种层叠式电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种层叠式电池，其特征在于采用双极基片(双金属或多金属复合基片)和平铺的大面积基片分别代替电芯之间的串联和并联结构，用于形成高电压和大容量。本发明所述电池结构简单、性能优良、可靠性高、成本低，适用于电动汽车、储能、电动工具等各种领域的电池。本申请包含四项发明：1.一种电池复合基片(双极基片)。2.一种电池复合极片(双极片)。3.一种层叠式电池。4.一种层叠式电池系统。摘要附图说明：摘要附图示例了包含三个子电芯9的层叠式电池的结构。双极片6由双极基片5的正极基体层1涂覆正极材料3负极基体层2涂覆负极材料4构成，整个电池由一个正极片10、两个双极片6、一个负极片11和三个隔膜电解液层8所组成。

Description

一种电池复合基片、一种电池复合极片、一种层叠式电池和一种层叠式电池系统
技术领域
本发明涉及电池以及汽车、储能、电动工具、消费类电子电器等电池的应用领域。特别提供了一种层叠式电池，由这种电池构成的电池系统比传统电池系统具有结构更简单、性能更好、成本(设计、测试、材料、制造、使用、维护、回收利用等)更低等诸多优点。
背景技术
在汽车(特别是电动汽车)、储能、电动工具、航空航天、采矿、机械、电子电器等各种工业、民用和军用领域，电池是一项关键技术。长期以来，电池技术虽然获得长足发展，但距离电动汽车和储能等关键应用的技术要求还有相当差距，成为这些技术走向市场的主要障碍。
具体来说，当前的电池系统基本上是先由若干小的单体电芯串并联形成模块，再由模块串并联组成电池系统。也有不通过模块直接由单体电芯组成的电池系统。
由于存在电芯、模组到系统的传统思维，这些技术和产品在概念上被割裂，使得电池系统内部存在许多不必要的零件和结构，例如单体电芯的外壳、盖帽、用来串并联电芯的金属导线以及卷芯的卷绕结构等，使得设计、材料采购、制造、使用、维护以及回收利用等产品生命周期里的每个步骤都非常复杂，但最终设计和制造出来的电池系统却有很多局限性，特别表现在以下这些方面：
1.能量密度(WhL)和比能量(Wh/kg)低。对于电动汽车来说，它能够装载电池的空间是有限的，能量密度低将导致续驶里程不够远，目前的技术只能到汽油车的几分之一。而且几百公斤的重量使得车重增加，影响了能量的使用效率，从而进一步缩短了续驶里程。
2.电流路径长而复杂，内阻较高。这会导致很多问题，例如：
1)功率密度(W/L)和比功率(W/kg)低。
2)快速充电特性差。
3)充放电时发热严重且温度分布不均匀，从而需要复杂的热管理系统。
4)系统的循环寿命和日历寿命比单体电芯成倍下降。
5)发热严重使得安全性能较差。
3.复杂的系统结构使得系统的可靠性较差。
4.电芯到模块再到电池包的设计思路使得在模块设计时必须兼顾很多因素。模块在降低系统成本的同时，也给某些应用的电池布局带来很大挑战。
发明内容
本发明的目的是拆除传统电池系统中电芯和电池包的界限，去除系统中电芯的外壳材料，去除系统中用于并联和串联电芯的金属导线，使得整个电池系统只包含必要的有效部件。
本发明包含以下相互关联的四项发明：
1.一种电池复合基片-双极基片，其特征在于：所述双极基片由正极基片和负极基片相互贴合或复合而成，作为电芯之间的串联结构。双极基片可以直接由铜箔和铝箔或其他正极基片和负极基片贴合、喷涂、焊接或电镀或用其他工艺复合而成。根据需要，双极基片的正极基片和负极基片之间可以有一层或多层其他金属。双极基片可以带有极耳，可以是带孔或不带孔的各种形状。
2.一种电池复合极片-双极片，其特征在于：所述双极片由在双极基片的正极基体表面涂覆正极材料和在负极基体表面涂覆负极材料而制成。正极片和负极片的基体的直接接触贴合或其他方式的复合的结构也是双极片的一种形式。双极片可以带有极耳，可以是各种平面或立体的形状或型状(折叠、卷绕或带有各种形状的孔等)。
3.一种层叠式电池，其特征在于：所述电池结构中使用了一种电池复合基片-双极基片(双金属或多金属复合基片)作为子电芯之间的串联结构，用于形成高电压(所有子电芯的电压之和)。所述电池内部相邻的两个串联的子电芯的处于低电位的子电芯的正极基片和处于高电位的子电芯的负极基片直接或通过其他金属层接触贴合或复合在一起。
4.一种层叠式电池系统，其特征在于：所述电池系统使用了前述的层叠式电池。
本发明的优点：
传统电池系统一般采用低压单体电芯通过串并联结构得到更高电压和更高容量。在这样的系统里面，有很多实际上不需要的零件和工艺流程，例如单体电芯的外壳、极耳、单体电芯之间的金属连接线，热管理系统、电芯卷绕工艺等等，但这些额外的零件和工艺却降低了产品性能，增加了材料成本和工艺成本。本发明去除了这些不利因素，使得电池系统做到材料精简、工艺精简、成本降低、性能提升。具体优点如下：
1.本发明只与电池结构有关，与正极材料和负极材料无关。
2.本发明将降低电池的各项成本。例如：
1)本发明简化了电池系统的结构，减少了很多零部件，降低了设计成本和材料采购成本。
2)本发明采用平板层叠结构时，可以省去电芯的卷绕设备和卷绕工艺或折叠设备和折叠工艺。
3)本发明因结构简单，减轻了重量，将降低运输的成本。
3.本发明将提高电池系统的性能。例如：
1)能量密度(Wh/L)估计提高大约1-3倍。参考计算：以18650电芯为例，它的容积大约是1.65321×10-5米-3，而一个1.3Ah的电芯的正负极片和隔膜的体积之和大约为2×950mm×56mm×0.09mm＝9.576×10-6米-3，只占了电芯有效容积的一半稍多。再加上电池系统里电连接和热管理等占的空间，使得系统有效部分只占到系统大约三分之一到四分之一的容积。本发明因此对比18650电芯构成的系统可以将能量密度提高2-3倍。
2)比能量(Wh/kg)估计提高大约10％-30％
3)功率密度(W/L)估计提高大约3-7倍。
4)比功率(W/kg)估计提高大约1-2倍。
5)低内阻，很短的电流路径。这将使快速充电特性得到提高。
6)正常充放电时发热极少而且内部温度分布均匀，这使得热管理极为简化或无需热管理。
7)循环寿命和日历寿命同条件下成倍延长。
8)因热性能的改善使得安全特性得到提高。
9)因内阻的降低使得电池的高低温性能得到改善。
10)形状灵活，可以设计成方形，圆形以及其他规则或不规则的形状或型状，有着极大的空间适应性。
11)较高的能量密度和能制成很扁平的形状的特性，给电池包的标准化带来了契机。
附图说明
图1图示了由两种金属构成的双极基片5。正极基体层1和负极基体层2可以是金属箔(如铜箔和铝箔)直接贴合，也可以是通过其他方式复合在一起。
图2图示了一种在中间金属箔7(如镍箔)两面分别贴合或复合了正极基体层1和负极基体层2所形成的双极基片5。
图3图示了双极片的结构。双极片6可以由正极基体层1和负极基体层2复合在一起的双极基片5在正极基体层1上涂覆正极材料3在负极基体层2上涂覆负极材料4而形成，也可以是分别在正极基片1上涂覆正极材料3制成正极片10，在负极基片2上涂覆负极材料4制成负极片11后，将正极片10和负极片11贴合在一起而形成。在实践中可以有各种组装顺序，但凡是这种结构都属于双极片结构。
图4图示了包含三个子电芯9的层叠式电池的结构。双极片6由双极基片5的正极基体层1涂覆正极材料3和负极基体层涂覆负极材料4形成，整个电池由一个正极片10、两个双极片6、一个负极片11和三个隔膜电解液层8所组成。双极基片5则由正极基体层1和负极基体层2复合而成。
图5图示了由层叠式电池进行串联和并联而形成的更大的电池。这种电池也是本专利的保护点。
图6图示了层叠式电池可以单独或者串并联后结合电池管理系统12形成功能更多更为复杂的电池系统。这种电池系统也是本专利的保护点。
具体实施方式
实施例1
图4给出了包含三个子电芯的层叠式电池的核心结构。根据需要可以把任意多的子电芯串联起来，以达到所需要的电压平台。平板的面积、涂覆的正负极材料以及涂层的厚度则决定了电池的安时容量。例如，当设计一个336V电压平台的电动汽车电池包时，如果用磷酸铁锂做正极材料，石墨做负极材料，则需要336V/3.2V＝105个子电芯串联起来。结构上就需要一个正极片、一个负极片、104个双极片和105个隔膜和电解液层。极片的大小和形状则可以根据电池安装位置尽可能充分利用空间。电动汽车动力电池最常见的是底盘安装方式，所以本发明应用到电动汽车时可以是一个扁平的长方体形状。
在实施中，层叠式电池一般需要一个总外壳。在外壳和子电芯之间可以填充密封导热硅胶或其他适用材料，以起到密封电解液、绝缘和导热的作用。电解液的密封也可以用环形胶条等方式。在实际应用中各层之间需要紧密贴合，而且可能还需要有固定、密封、防止短路、防水、安全阀、散热、极耳引出、正负极连接孔或螺柱等机构。复杂的应用也要附带电池管理系统。本图例为说明问题只图示了本发明核心部分的结构。
一个层叠式电池系统的工艺流程一般为：
1.准备正极基片、负极基片和双极基片。
2.制备正极浆料和负极浆料。
3.将正极浆料涂覆于正极基片来制备正极片，将负极浆料涂覆于负极基片来制备负极片，将正负极浆料分别涂覆于双极基片的正负极基体表面来制备双极片。
4.将制备好的电池极片按照负极片、【隔膜、双极片】、隔膜、正极片的顺序层叠起来。【】里的结构也可以是【隔膜、正极片、负极片】。【】里的结构可以按设计要求重复。如用正极片和负极片复合成双极片，它们的基片要接触贴合在一起。
5.将前面制备好的电池干燥后放入真空箱注入电解液(对于固态和胶体电解液则在前一步骤的隔膜中包含)。
6.放入外壳并进行密封。
7.化成。
8.连接电池管理系统。
9.其他系统功能测试。
10.包装。

Claims (9)

1.一种电池复合基片-双极基片，其特征在于：所述双极基片由正极基片和负极基片相互贴合或复合而成，作为电芯之间的串联结构。
2.根据权利要求1所述的电池复合基片-双极基片，其特征在于：所述双极基片可以直接由铜箔和铝箔或其他正极基片和负极基片贴合、喷涂、焊接或电镀或用其他工艺复合而成。
3.根据权利要求1所述的电池复合基片-双极基片，其特征在于：所述双极基片的正极基片和负极基片之间可以有一层或多层其他金属。
4.根据权利要求1所述的电池复合基片-双极基片，其特征在于：所述双极基片可以带有极耳，可以是带孔或不带孔的各种形状。
5.一种电池复合极片-双极片，其特征在于：所述双极片由在双极基片的正负极基体表面分别涂覆正负极材料而制成。正极片和负极片的基体的直接接触贴合或其他方式的复合的结构也是双极片的一种形式。
6.根据权利要求5所述的电池复合极片-双极片，其特征在于：所述双极片可以带有极耳，可以是各种平面或立体的形状或型状(折叠、卷绕或带有各种形状的孔等)。
7.一种层叠式电池，其特征在于：所述电池结构中使用了权利要求1所述的双极基片或权利要求5所述的双极片结构作为子电芯之间的串联结构，用于形成高电压(所有子电芯的电压之和)。
8.根据权利要求7所述的电池，其特征在于：所述电池内部相邻的两个串联的子电芯的处于低电位的子电芯的正极基片和处于高电位的子电芯的负极基片直接接触贴合或复合在一起。
9.一种层叠式电池系统，其特征在于：所述电池系统使用了权利要求7所述的层叠式电池。
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