CN105529427A - 一种改进的动力电池的内部组成结构 - Google Patents

Abstract

为了实现动力电池内部各部分电极材料更均衡的充、放电，从而有效延长电池寿命，延缓性能衰减速度，我们发明了一种新的内部结构，借助更大比例的极耳与金属集电极的有效电连接长度，配合上、下方向引出极耳，以及其它一些阻抗调整措施，提高了电池内部各部分的等效内阻的一致性，从而辅助提升了各部分的充、放电功率的一致性，有效实现了均衡，延长动力电池的使用寿命。

Description

一种改进的动力电池的内部组成结构

技术领域

本发明涉及一种改进的动力电池内部组成结构。通过扩大极耳与金属集电极的电连接长度，并同时配合调整极耳的引出方向，配置高度方向变化的金属集电极的电阻率，来实现更有效内部均衡，更长循环寿命的动力电池。属于电子工程、电力电子、能源应用领域。

背景技术

普通电池的放电倍率较小，主要表现为电池内阻过大，因此人们研发了适应大倍率放电的动力电池，除了正、负电极材料的调整改进之外，电池内部电流通路的阻抗特性改善是非常重要的一个环节。

现有动力电池的确减小了电池内阻，允许更大倍率的充、放电，但是电池内部各个放电单元的均衡一致性还是比较差，导致发热随机性集中，电池寿命显著下降，尤其是大电流负载和并联条件下，寿命严重降低，对于电动汽车一类需要配置昂贵电池组的应用来说，经济性较差。

为了在保持动力电池基本特性的基础上，进一步提高电池循环寿命，提高内部均衡水平十分重要，主要体现在电极材料的特性均衡，和不同位置的电阻率均衡上，前者是工艺水平决定的，而后者是设计水平决定的。通过改进设计，提高各部分等效内阻的一致性，才有可能有效延长电池寿命。

传统电池为了实现电连接，往往采用超声焊、点焊的方式，焊接部位是接触面的一部分，不可能全面积焊接，而没有焊接的部分可能是低阻抗导通的，也可能是较大阻抗导通的，整个接触面的电阻值没有得到很好的控制，也是造成内阻一致性降低的原因之一。

发明内容

一种改进的动力电池的内部组成结构，其特征是沿内部电极材料卷绕或层叠展开之后的长度方向，各个极耳与金属集电极实现有效电连接的长度总和，与整个展开长度的比例不小于60%，其中所谓的有效电连接是指两者实际连接面的电阻不大于完全理想焊接阻抗的150%，正、负极极耳分别从电池上、下两侧引出，也就是卷绕轴线或层叠轴线的上、下方向分别引出，而不是在同一侧引出，并且金属集电极在该轴线方向中部位置的电阻率与在上、下两端的电阻率是不同的，差异至少在±5%以上。

每一个电池包含的极耳可能是连续的一长片，也可能是多段尺寸近似相等的极耳，如果是多段极耳，则任意一个极耳与金属集电极在展开长度方向有效电连接的长度，与各个极耳平均的电连接长度的误差比例不大于±10%，极耳之间间隔距离与平均间隔距离的偏差不大于±10%。

在电池高度方向，也就是电芯卷绕轴线或层叠轴线的方向，处于某些不同位置的正、负极金属集电极的电阻率，可能配置为不同的，具体实现方式包括但不仅限于厚度变化，宽度变化，材质掺杂或热处理导致的电阻率改变等，其中一种最常见的实例是金属集电极上、下两端附近的电阻率被配置为略大于中部附近的电阻率。

极耳在电池高度方向，也就是电芯卷绕轴线或层叠轴线的方向，各不同位置的电阻率可能配置为不同的，具体实现方式包括但不仅限于厚度变化，宽度变化，材质掺杂或热处理导致的电阻率改变等。

一种实例是极耳与金属箔集电极之间、或引出的各个极耳之间，以及极耳与保护板导线延伸出来的金属片之间，需要实现电连接面积的某一部分涂覆或印刷较低电阻率的导电材料，然后相互贴合并夹紧，其中关键是导电材料涂覆之后的宽度应当与极耳的宽度基本一致，比例不小于80%，高度方向的位置误差不大于5%，且除去导电材料涂覆位置之外的其它可能形成接触的部位要进行绝缘隔离处理。

一种可能采用的导电材料的实例是石墨烯或碳基的纳米碳涂料。

根据权利要求1所述的结构，一种实例是极耳也可能由高度方向预留延伸出来的，没有涂覆正、负电极材料的，做好层间相互绝缘隔离处理的金属箔集电极的一部分来充当，而不必专门配置单独的极耳。

方法所依据的原理

影响电池使用寿命的主要因素是电流大小，其实就是化学反应期间的温度高低，温度越高，化学反应越剧烈，而化学反应的同时总是伴随着一定程度的性能衰减，所以如何控制温度是最根本的问题。

电池使用过程中总会面临化学反应，而动力电池则需要更大功率的反应，所以性能的衰减是不可避免的，我们需要做的是减缓衰减速度，而减缓的核心是把电池总功率平均分散到内部各个部位，从而把温升也平均分布到各个部位，避免集中于某些部分。能否实现有效的、尽可能平均的分散，就是延长电池寿命的关键因素。

为了实现分散，就要求实现电池内各部分的等效回路阻抗相同，微小的阻抗差异，都会因为内部各部分之间的等效并联关系被放大，导致很大的输出功率差异，因此我们必须从结构上改良，尽可能让电池内部各个部分感受到相同的回路阻抗，也就是具备近似相同的内阻。

改善卷绕或层叠展开的长度方向的阻抗一致性

电池内部，卷绕或层叠的电极材料，其实可以看做多段电极材料的并联，等效为多个小电池的并联。传统电池中，极耳在展开长度方向往往只有很短一段才与集电极连接，当电流被金属箔集电极收集起来之后，不同位置的电流需要经过不同长度的集电极路径才能到达极耳输出，因此所经历的电阻值大小是不等的。极耳附近电极所面临的阻抗小，远离极耳的电极所面临的阻抗大，不同位置的电池内部单元输出到极耳的电压、电流都不同，一致性不高，参见图1。

为了解决长度方向的一致性问题，我们必须把原本较窄的极耳变为很宽的极耳，并保证它与展开的集电极在长度方向大比例的电连接，尽可能确保电池各部分输出的电流可以直接从高度方向输出到极耳，而不必经历不同的长度路径，不同的电阻路径，参见图2。

改善高度方向的阻抗一致性

首先考虑正、负极耳的引出方向。流经高度方向不同位置电极材料的电流，其路径也是有差别的，如果像普通层叠动力电池那样在同一侧引出，则可以想象，电流总是试图走最短的路径，极耳另一侧相距它较远，电阻更大，电流更小，就容易造成不均衡，所以最好的方式是上、下两侧引出不同极性的极耳，而不是在单侧引出。

正、负电极的金属集电极的材质往往是不同的，因而同样几何尺寸条件下的电阻率可能是不同的，有的在负极集电极的路程更长，有的在正极集电极的路程更长，电流所经历的电阻也会存在差异，所以我们首先会把正、负集电极金属箔的电阻率调配到某一特定水平。比如正极采用铝箔，电阻率稍大，负极采用铜箔，电阻率稍小，我们可以通过调整厚度等措施来进行配置。

除了基本的独立直流条件下的电阻率考量之外，还有一个十分重要的就是不同高度位置，存在不同的外部并联电流引入量，从而会导致对电池各部分的等效阻抗造成改变【具体原理可以参见我们申请的另一个专利《一种利用并联输入电流调整等效电阻的方法》】。

为了平复这种因素造成的差异，需要调配不同高度位置的金属箔集电极的电阻率，具体计算比较复杂，但大致可以归结为中部高度位置的集电极电阻率要大于上、下两端位置的电阻率。

综合了上述三个措施之后，高度方向不同位置的阻抗一致性才能得以确保，参见图3。

电连接阻抗的一致性控制

阻抗的形成除了导体内部的物理特性之外，还有一个重点是各个连接位置的阻抗值，对于电池来说，主要包括极耳与金属箔集电极的电连接、极耳之间的电连接、极耳与电池电极片的连接，以及极耳与保护板导线的连接等。

传统动力电池多采用超声焊、点焊等措施来实现电连接，表面上看工艺成熟，质量可靠，但是有一个很大的问题就是单个焊接面积较小，对于极耳焊接这种大面积接触的应用来说，只能是多点焊接，实际上未被焊接到的位置可能是良好接触，也可能是不良接触的，由此也会带来内阻值的偏差。

为了控制电连接的低阻抗和各个连接位置的阻抗一致性，我们可以在需要连接的极耳、集电极、电池极片、保护板延伸金属条上合适的位置涂覆或丝印一定形状、一定面积的导电材料，比如石墨烯等。采用合适的工艺对准贴合并夹紧，确保接触低阻抗和一致性。同时为了避免其它位置的接触不确定性，除去涂覆了导电材料的位置之外的部位，都要做绝缘处理，参见图4。

极耳的可能替代

我们为了实现卷绕【或层叠】展开长度方向的大比例电连接，一种可能的方式是把金属箔集电极在上、下高度方向预留一段空白距离，不敷设电极材料，对他们做一定的绝缘处理，避免叠合之后短路的前提下，直接把这部分当做极耳来引出电流。它们同样在某一区域涂覆或印刷导电材料进行贴合，从而代替专门的极耳，可以简化工艺，节省成本。

附图说明

图1：电池内部各部分电阻构成的示意图

图2：极耳宽度扩大的改进示意图

图3：极耳引出方向由单一侧改为对称两侧的示意图

图4：涂覆导电材料来实现电连接的示意图。

Claims (7)

1.一种改进的动力电池的内部组成结构，其特征是沿内部电极材料卷绕或层叠展开之后的长度方向，各个极耳与金属集电极实现有效电连接的总长度之和，与整个展开长度的比例不小于70%，其中所谓的有效电连接是指两者实际连接面的电阻不大于完全理想焊接阻抗的150%，正、负极极耳分别从电池上、下两侧引出，也就是卷绕轴线或层叠轴线的上、下方向分别引出，而不是在同一侧引出，并且金属集电极或电极材料在该轴线方向中部位置的电阻率与在上、下两端的电阻率是不同的，差异至少在±5%以上。

2.根据权利要求1所述的结构，每一个电池包含的极耳可能是连续的一长片，也可能是多段尺寸近似相等的极耳，如果是多段极耳，则任意一个极耳与金属集电极在展开长度方向有效电连接的长度，与各个极耳平均的电连接长度的误差比例不大于±10%，极耳之间间隔距离与平均间隔距离的偏差不大于±10%。

3.根据权利要求1所述的结构，在电池高度方向，也就是电芯卷绕轴线或层叠轴线的方向，处于某些不同位置的正、负极金属集电极的电阻率，可能配置为不同的，具体实现方式包括但不仅限于厚度变化，宽度变化，材质掺杂或热处理导致的电阻率改变等，其中一种最常见的实例是金属集电极上、下两端附近的电阻率被配置为略大于中部附近的电阻率。

4.根据权利要求1所述的结构，极耳在电池高度方向，也就是电芯卷绕轴线或层叠轴线的方向，各不同位置的电阻率可能配置为不同的，具体实现方式包括但不仅限于厚度变化，宽度变化，材质掺杂或热处理导致的电阻率改变等。

5.根据权利要求1所述的结构，一种实例是极耳与金属箔集电极之间、或引出的各个极耳之间，以及极耳与保护板导线延伸出来的金属片之间，需要实现电连接面积的某一部分涂覆或印刷较低电阻率的导电材料，然后相互贴合并夹紧，其中关键是导电材料涂覆之后的宽度应当与极耳的宽度基本一致，比例不小于80%，高度方向的位置误差不大于5%，且除去导电材料涂覆位置之外的其它可能形成接触的部位要进行绝缘隔离处理。

6.根据权利要求5所述的方法，一种导电材料的实例是石墨烯或碳基的纳米碳涂料。

7.根据权利要求1所述的结构，一种实例是极耳也可能由高度方向预留延伸出来的，没有涂覆正、负电极材料的，做好层间相互绝缘隔离处理的金属箔集电极的一部分来充当，而不必专门配置单独的极耳。