CN105591162A - 组合式锂离子电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合式锂离子电池及其制作方法。组合式锂离子电池包括N个圆桶状壳体、N个盖帽和N个电芯，N个电芯通过卷绕在电芯上的极片直接相连，每个电芯连有正极极耳和负极极耳，相邻两个圆桶状壳体之间连接有通道，电芯位于圆桶状壳体中，连接极片位于通道中，盖帽盖在圆桶状壳体上，连接盖帽的通道盖盖在通道上，正、负极极耳分别和盖帽、壳底相连。制作方法为：用带有N个卷针的卷绕机同时卷绕N个电芯，将N个电芯装入N个圆桶状壳体中，再烘烤、注液，然后盖紧盖帽进行活化、化成和分容。本发明电池内部热量分布均匀，热量易散出，电流密度分布均匀，极化平衡，有效增大单体电池的容量，提高电池的各项电化学性能。

Description

组合式锂离子电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种有效提高电池电化学性能的组合式锂离子电池及其制作方法。
背景技术
目前越来越多的新能源汽车厂商已经将圆柱体电池作为动力电池的首选，圆柱体电池的电化学性能对整车具有举足轻重的影响。电动汽车对动力电池提出的要求是：高功率、高能量、高能量密度、高功率密度、低成本、长寿命、耐滥用/高安全、高可靠性、低温特性好、充电时间短和互换性好。目前市场上电动汽车用锂离子动力电池从结构上可分为卷绕、叠片和卷式叠片三种，从外壳材质来分可分为金属壳(钢、铝)和软包(铝塑膜)和塑胶壳等。
作为电动汽车用首选的圆柱体金属壳锂离子电池优势有很多，主要包括：
1、能量密度高、一致性相对较好：
圆柱体金属壳锂离子电池是采用紧密卷绕结构，然后放进固定体积的圆柱体钢壳里面。圆柱体电池电芯极片-隔膜-极片间接触非常紧密，并且外部钢壳强度很大不变形，这就比软包、方形金属壳电池有更高的能量密度，更好的循环一致性。
2、安全性能好：
圆柱体电池钢壳有很好的保护措施，电池过充过放产气后内部防爆片会反转切断电流回路；同时电流过大温度偏高的时候PTC热敏电阻会起作用，阻止电池继续工作；电池全金属外壳不容易发生变形，外壳不易破损等。这些都是其他类型电池无法比拟的。
但同时圆柱体金属壳锂离子电池也有一些缺点，主要包括：
1、循环性能、倍率性能相对较差：
由于圆柱体电池的特殊结构，相比较软包和方形电池注液量要偏少，同时循环过程中极片逐渐变厚，但由于空间有限，就会造成极片粉料粘连隔膜、粉料与基材间粘结强度变差；最主要的是由于电池有较大的半径，相对厚度较大，这就导致内部热量不易散出，最终导致循环性能、倍率性能变差。
2、一致性要求较高，组装繁琐，监控系统要求高：
虽然圆柱体电池能量密度高，但是由于单体圆柱体金属壳锂离子电池容量往往很低，对于电动汽车等所用大型电池包来说，则需要很多数量的单体电池进行串并联组合，这就要求电池要有更高的一致性；同时也会造成电池组组装过程繁琐，导线、焊接费时费力，也需要针对整个电池组有很好的监控系统。
发明内容
本发明主要解决原有圆柱体锂离子电池由于卷绕半径较大，相对厚度偏厚，导致内部热量分布不均，热量不易散出，电流密度分布不均，极化不平衡，最终导致电池循环性能等电化学性能变差，且单体电池容量较小，对电池一致性要求更高的技术问题；提供一种组合式锂离子电池及其制作方法，减小单个圆柱体锂离子电池的卷绕半径，减小相对厚度，确保内部热量分布均匀，热量易散出，电流密度分布均匀，极化平衡，提高电池循环性能等电化学性能，且有效增大单体电池的容量，有利于满足电池的一致性要求。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的组合式锂离子电池，包括壳体、设在壳体中的电芯、和电芯相连的正极极耳和负极极耳及盖在壳体上的盖帽，所述的电芯有N个，N个电芯通过卷绕在电芯上的极片直接相连，每个电芯的两端分别连有一个所述的正极极耳和一个所述的负极极耳，N≥2。电芯可以是2个、3个、4个等等。本技术方案中的电芯依然采用圆柱体紧密卷绕的方式，事先根据电池设计方案计算出所用极片的尺寸、留白的位置和极耳的位置，采用有多个卷针的卷绕机同时卷绕多个电芯。卷绕好后，多个电芯通过卷绕在电芯上的极片直接相连，电芯和正、负极极耳位置准确对应，负极极耳全面覆盖正极极耳，电芯不发生形变。本技术方案类似多个单体圆柱体电池进行并联连接，但最终性能要远远优于单体电池的并联结构。本技术方案是一个整体结构，不同电芯之间直接通过极片相连接，严格保证了电池的一致性，也有利于电池充放电过程中电流密度的均匀分布，降低了极化现象，而且电池极片的多重并联模式使电池整体欧姆内阻降低，过程产热更低，能量更高。本技术方案采用紧密卷绕结构，整体能量密度和常规圆柱体电池相比不会降低，类似于将一个大圆柱体电池分解成若干个小圆柱体电池，使单个圆柱体电池半径变小，散热效果大大提升，更有利于提高电池的电化学性能。使用时，可以根据实际情况来选择所要使用的正、负极位置和数量，具有很高的灵活和实用性。
作为优选，所述的壳体包括N个圆桶状壳体，相邻两个圆桶状壳体之间连接有底部封闭的通道，通道和所述的圆桶状壳体连通，通道的高度和圆桶状壳体的高度一致，所述的N个电芯一一对应地位于所述的N个圆桶状壳体中，并且所述的负极极耳和圆桶状壳体的壳底相连，连接相邻两个电芯的极片位于所述的通道中。N个圆桶状壳体可以排成一排，也可以采用其它排列结构。如三个圆桶状壳体可以排列成三角形叠放结构、四个圆桶状壳体可以排列成正方形叠放结构、五个圆桶状壳体可以排列成五角星形叠放结构等等。N个圆桶状壳体之间通过狭窄的通道相连，使单个圆桶状壳体不是一个密闭的圆柱体结构，在电芯后续膨胀时，使圆桶状壳体可以适量地缓解应力，更加有利于提高电池的电化学性能和安全性能。而传统的圆柱体电池壳体为四周封闭的圆柱体，根本无法达到释放应力的效果，会导致卷芯掉料、隔膜粘连等，最终导致电池的电化学性能急剧下降，同时也会存在安全隐患。
作为优选，所述的N个圆桶状壳体排成一排，圆桶状壳体的轴线和所述的通道的中心线在同一平面上。结构对称，进一步提高组合式锂离子电池各方面性能。
作为优选，所述的位于通道中的极片和通道之间留有空隙。保证整个电池壳体内部有一定的空腔，可以存储电池充放电过程中产生的气体，从而降低电池内压，也有利于使产生的气体从电芯内部溢出，保证电池的电化学性能。
作为优选，所述的盖帽包括N个盖帽，N个盖帽一一对应地盖在所述的N个圆桶状壳体上，盖帽的排列结构和所述的N个圆桶状壳体的排列结构相同，相邻两个盖帽之间连接有和所述的通道匹配的通道盖，通道盖和所述的盖帽连通，通道盖一一对应地盖在所述的通道上，所述的正极极耳和盖帽相连。本技术方案中，盖帽依然采用传统的带有CID(currentinterruptdevice电流切断装置)和PTC(PositiveTemperatureCoefficient正温度控制端子)的设计。盖帽紧扣在圆桶状壳体上，通道盖紧扣在通道上，形成一个整体的组合式锂离子电池盖帽结构，盖好后，再用激光焊接机将盖帽的边缘密封焊牢在圆桶状壳体上、将通道帽的边缘密封焊牢在通道上。密封牢固，制作方便，防止电池发生滥用，具备自我保护功能，达到不会发生危险的目的。
本发明的组合式锂离子电池的制作方法，包括下列步骤：
①用安装有N个卷针的卷绕机同时卷绕所述的N个电芯，卷绕好后，N个电芯之间用终止胶带固定；
②去除所述的终止胶带，将卷绕好的N个电芯装入所述的壳体中，并且使所述的负极极耳和壳体的壳底相连；
③将装有N个电芯的壳体放入烘箱中进行烘烤；
④烘烤结束后，从烘箱中取出装有N个电芯的壳体，在干燥房中向N个电芯注入电解液；
⑤将所述的正极极耳和所述的盖帽相连，将盖帽扣紧在所述的壳体上，并密封，最后对所述的组合式锂离子电池进行活化、化成和分容。
本技术方案中的电芯依然可以采用圆柱体紧密卷绕的方式，事先根据电池设计方案计算出所用极片的尺寸、留白的位置和极耳的位置。卷绕好后，电芯和正、负极极耳位置准确对应，负极极耳全面覆盖正极极耳，电芯不发生形变。本技术方案严格保证了电池的一致性，也有利于电池充放电过程中电流密度的均匀分布，降低了极化现象，降低电池整体欧姆内阻，过程产热更低，能量更高。本技术方案类似于将一个大圆柱体电池分解成若干个小圆柱体电池，单个电芯半径变小，散热效果大大提升，有效提高电池的电化学性能。
作为优选，所述的组合式锂离子电池的壳体包括N个圆桶状壳体，相邻两个圆桶状壳体之间连接有底部封闭的通道，通道和所述的圆桶状壳体连通，通道的高度和圆桶状壳体的高度一致，所述的N个电芯一一对应地位于所述的N个圆桶状壳体中，并且所述的负极极耳和圆桶状壳体的壳底相连，连接相邻两个电芯的极片位于所述的通道中；所述的步骤②为：在所述的负极极耳上安装绝缘垫片，将负极极耳内折，去除所述的终止胶带，负极极耳朝下，将卷绕好的N个电芯分别装入所述的N个圆桶状壳体中，连接在电芯之间的极片装入所述的通道中，采用电阻焊机将负极极耳焊接在圆桶状壳体的壳底。
N个圆桶状壳体之间通过狭窄的通道相连，使单个圆桶状壳体不是一个密闭的圆柱体结构，在电芯后续膨胀时，使圆桶状壳体可以适量地缓解应力，更加有利于提高电池的电化学性能和安全性能。并且位于通道中的极片和通道之间留有空隙，保证整个电池壳体内部有一定的空腔，可以存储电池充放电过程中产生的气体，从而降低电池内压，也有利于使产生的气体从电芯内部溢出，保证电池的电化学性能。
作为优选，所述的步骤③为：在所述的正极极耳上安装绝缘垫片，将装有N个电芯的壳体放入烘箱中以温度70～90℃烘烤11～13小时，期间每隔0.5～1.5小时向烘箱依次灌充和排放一次干燥氮气，以除去内部水份。
作为优选，所述的步骤⑤为：采用激光焊接机将所述的正极极耳焊接在所述的盖帽上，将盖帽扣紧在所述的壳体上，再用激光焊接机将盖帽的边缘密封焊牢在壳体上，最后对所述的组合式锂离子电池以温度35～55℃活化5～7小时，使电解液充分浸润，再在充放电测试柜上对组合式锂离子电池进行化成和分容。至此，完成组合式锂离子电池的制作。密封牢固，制作方便，防止电池发生滥用，具备自我保护功能，达到不会发生危险的目的。
本发明的有益效果是：减小单个圆柱体锂离子电池的卷绕半径，减小相对厚度，确保内部热量分布均匀，热量易散出，电流密度分布均匀，极化平衡，有效增大单体电池的容量，有利于满足电池的一致性要求，提高电池的各项电化学性能。而且工艺简单，可以根据需要灵活多变。本发明性价比很高，在锂电池电化学性能要求越来越高的的锂电市场具有很好的前景。
附图说明
图1是本发明组合式锂离子电池的一种立体结构示意图。
图2是本发明组合式锂离子电池中多个相连电芯的一种立体结构示意图。
图3是本发明组合式锂离子电池中壳体的一种立体结构示意图。
图4是本发明组合式锂离子电池中盖帽的一种立体结构示意图。
图中1.电芯，2.极片，3.正极极耳，4.负极极耳，5.圆桶状壳体，6.通道，7.盖帽，8.通道盖。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的组合式锂离子电池，如图1、图2所示，包括三个电芯1及由三个圆桶状壳体5相连而成的壳体、三个呈圆形的盖帽7相连而成的盖帽，三个电芯1通过卷绕在电芯1上的极片2直接相连，每个电芯1的两端分别连有一个正极极耳3和一个负极极耳4，如图3所示，三个圆桶状壳体5排成一排，相邻两个圆桶状壳体5之间连接有底部封闭的窄形通道6，通道6和其两侧的圆桶状壳体5连通，通道6的高度和圆桶状壳体5的高度一致，圆桶状壳体5的轴线和通道6的中心线都在同一平面上，三个电芯1一一对应地位于三个圆桶状壳体5中，并且负极极耳4和圆桶状壳体5的壳底通过电阻焊焊接相连，连接相邻两个电芯1的极片2位于通道6中，位于通道6中的极片2和通道6之间留有空隙。如图4所示，三个盖帽7排成一排，相邻两个盖帽7之间连接有和通道6匹配的通道盖8，通道盖8和其两侧的盖帽7连通，三个电芯的正极极耳3分别和三个盖帽7通过激光焊焊接相连，三个盖帽7一一对应地盖在三个圆桶状壳体5上，两个通道盖8一一对应地盖在两个通道6上，盖帽扣紧后，再用激光焊接机将盖帽的边缘及通道盖的边缘分别密封焊牢在圆桶状壳体及通道上。本实施例中，电芯的高度为60mm，电芯的外径为17.5mm，圆桶状壳体的高度为65mm、外径为18mm、壁厚0.2mm，通道的壁厚也为0.2mm，通道的高度为65mm、长度为3mm，通道的内部宽度为1mm。壳体及盖帽均采用不锈钢制成，只需要一次模具即可。
上述组合式锂离子电池的制作方法，包括下列步骤：
①按照电池总体容量7.8Ah，每个电芯容量为2.6Ah，材料为523三元/人造石墨体系进行实施；首先根据上述组合式锂离子电池设计方案分别计算出正极极耳、负极极耳的尺寸和留白的位置，本实施例中我们采用三极耳、负极包裹正极卷绕的方式进行实施；用安装有三个卷针的三卷针组合卷绕机同时卷绕三个电芯1，卷绕结束后卷针退出，为防止电芯松散，生成的三个电芯之间用终止胶带固定；
②在负极极耳4上安装绝缘垫片，将负极极耳4内折，去除终止胶带，负极极耳4朝下，将卷绕好的三个电芯1分别装入三个圆桶状壳体5中，连接在电芯1之间的极片2分别装入两个通道6中，采用电阻焊机将负极极耳4焊接在圆桶状壳体5的壳底；需要说明的是，因为通道的长度只为3mm，在电芯入壳时，一定要保证在两电芯之间预留出一定长度的极片，以便顺利地将极片装入通道中，同时要保证极片和隔膜有足够的张力；
③在正极极耳3上安装绝缘垫片，将装有三个电芯1的壳体放入烘箱中以温度80℃烘烤12小时，期间每隔1小时向烘箱依次灌充和排放一次干燥氮气，以除去内部水份；
④烘烤结束后，从烘箱中取出装有三个电芯1的壳体，在干燥房中向三个电芯1注入电解液，每个电芯中注入5.4g的电解液；
⑤采用激光焊接机将三个电芯的正极极耳3分别焊接在三个盖帽7上，将盖帽7扣紧在圆桶状壳体5的开口处，将通道盖8扣紧在通道6的开口上，再用激光焊接机将盖帽的边缘密封焊牢在圆桶状壳体上、将通道盖的边缘密封焊牢在通道上，最后对组合式锂离子电池以温度45℃活化6小时，使电解液充分浸润，再在充放电测试柜上对组合式锂离子电池进行化成和分容，完成组合式锂离子电池的制作。
本实施例制作的组合式锂离子电池，有三个相连的圆柱体电池及有三对正、负极，使用时，可以根据实际情况来选择所使用的正、负极位置和数量，具有很高的灵活性和实用性。通过对按照本实施例中方法进行制作的电池进行检测，同时对按照传统方法制作的186502.6Ah电池并联三个后的电池进行比较，结果显示，本实施例的组合式锂离子电池的各项电化学性能都优于普通电池。

Claims (9)

1.一种组合式锂离子电池，包括壳体、设在壳体中的电芯、和电芯相连的正极极耳和负极极耳及盖在壳体上的盖帽，其特征在于所述的电芯(1)有N个，N个电芯(1)通过卷绕在电芯(1)上的极片(2)直接相连，每个电芯(1)的两端分别连有一个所述的正极极耳(3)和一个所述的负极极耳(4)，N≥2。
2.根据权利要求1所述的组合式锂离子电池，其特征在于所述的壳体包括N个圆桶状壳体(5)，相邻两个圆桶状壳体(5)之间连接有底部封闭的通道(6)，通道(6)和所述的圆桶状壳体(5)连通，通道(6)的高度和圆桶状壳体(5)的高度一致，所述的N个电芯(1)一一对应地位于所述的N个圆桶状壳体(5)中，并且所述的负极极耳(4)和圆桶状壳体(5)的壳底相连，连接相邻两个电芯(1)的极片(2)位于所述的通道(6)中。
3.根据权利要求2所述的组合式锂离子电池，其特征在于所述的N个圆桶状壳体(5)排成一排，圆桶状壳体(5)的轴线和所述的通道(6)的中心线在同一平面上。
4.根据权利要求2或3所述的组合式锂离子电池，其特征在于所述的位于通道(6)中的极片(2)和通道(6)之间留有空隙。
5.根据权利要求2或3所述的组合式锂离子电池，其特征在于所述的盖帽包括N个盖帽(7)，N个盖帽(7)一一对应地盖在所述的N个圆桶状壳体(5)上，盖帽(7)的排列结构和所述的N个圆桶状壳体(5)的排列结构相同，相邻两个盖帽(7)之间连接有和所述的通道(6)匹配的通道盖(8)，通道盖(8)和所述的盖帽(7)连通，通道盖(8)一一对应地盖在所述的通道(6)上，所述的正极极耳(3)和盖帽(7)相连。
6.一种如权利要求1所述的组合式锂离子电池的制作方法，其特征在于包括下列步骤：
①用安装有N个卷针的卷绕机同时卷绕所述的N个电芯(1)，卷绕好后，N个电芯(1)之间用终止胶带固定；
②去除所述的终止胶带，将卷绕好的N个电芯(1)装入所述的壳体中，并且使所述的负极极耳(4)和壳体的壳底相连；
③将装有N个电芯(1)的壳体放入烘箱中进行烘烤；
④烘烤结束后，从烘箱中取出装有N个电芯(1)的壳体，在干燥房中向N个电芯(1)注入电解液；
⑤将所述的正极极耳(3)和所述的盖帽相连，将盖帽扣紧在所述的壳体上，并密封，最后对所述的组合式锂离子电池进行活化、化成和分容。
7.根据权利要求6所述的组合式锂离子电池的制作方法，其特征在于所述的组合式锂离子电池的壳体包括N个圆桶状壳体(5)，相邻两个圆桶状壳体(5)之间连接有底部封闭的通道(6)，通道(6)和所述的圆桶状壳体(5)连通，通道(6)的高度和圆桶状壳体(5)的高度一致，所述的N个电芯(1)一一对应地位于所述的N个圆桶状壳体(5)中，并且所述的负极极耳(4)和圆桶状壳体(5)的壳底相连，连接相邻两个电芯(1)的极片(2)位于所述的通道(6)中；所述的步骤②为：在所述的负极极耳(4)上安装绝缘垫片，将负极极耳(4)内折，去除所述的终止胶带，负极极耳(4)朝下，将卷绕好的N个电芯(1)分别装入所述的N个圆桶状壳体(5)中，连接在电芯(1)之间的极片(2)装入所述的通道(6)中，采用电阻焊机将负极极耳(4)焊接在圆桶状壳体(5)的壳底。
8.根据权利要求6或7所述的组合式锂离子电池的制作方法，其特征在于所述的步骤③为：在所述的正极极耳(3)上安装绝缘垫片，将装有N个电芯(1)的壳体放入烘箱中以温度70～90℃烘烤11～13小时，期间每隔0.5～1.5小时向烘箱依次灌充和排放一次干燥氮气，以除去内部水份。
9.根据权利要求6或7所述的组合式锂离子电池的制作方法，其特征在于所述的步骤⑤为：采用激光焊接机将所述的正极极耳(3)焊接在所述的盖帽上，将盖帽扣紧在所述的壳体上，再用激光焊接机将盖帽的边缘密封焊牢在壳体上，最后对所述的组合式锂离子电池以温度35～55℃活化5～7小时，使电解液充分浸润，再在充放电测试柜上对组合式锂离子电池进行化成和分容。
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