CN105977439B - 一种锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池及其制备方法,包括:装有电解液的壳体,设置在壳体内的支架,嵌入支架内的多个并联的电池芯和连接电池芯的接触电极;接触电极包括第一接触电极和第二接触电极;第一接触电极的一端连接所有电池芯的正极,另一端位于壳体外;第二接触电极的一端连接所有电池芯的负极,另一端位于壳体外。本发明实施例提供的技术方案,提高了循环使用寿命,各个电池芯都在一致的条件下充放电,减少了“短板效应”,减少了差异的累积;提高了电池容量,改善了电池的倍率性能,具体有高容量、大倍率、高安全性等特点。

Description

一种锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域,尤其涉及一种锂离子电池及其制备方法。
背景技术
自从1990年日本索尼公司率先研制成功锂离子电池并将其商品化以来,锂离子电池得到了迅猛发展。如今锂离子电池已经广泛地应用于民用及军用的各个领域。随着科技的不断进步,人们对电池的性能提出了更多更高的要求。电子设备的小型化和个性化发展,需要电池具有更小的体积和更高的比能量输出;航空航天能源要求电池具有循环寿命,更好的低温充放电性能和更高的安全性能;电动汽车需要大容量、低成本、高稳定性和安全性能的电池。
近年来,随着人们环保意识的不断增强,电动汽车代替燃油汽车的技术路线逐渐明朗。同时,中国部分城市对燃油汽车进行了严格的控制,燃油车购买和出行都受到了极大地限制。电动汽车的发展带动了锂离子动力电池的发展,但是,从数码消费品电源到大型动力电源的技术跨越并不仅是电池尺寸的增大,其间仍有许多技术缺陷等待解决。
首先大尺寸电池的确提高了电池的容量,但由于尺寸的增大,电池芯对于电解液的吸收成为巨大的难题,除此之外,当存在一个短路点即对整个电池造成严重的安全隐患;如果以小电池并联的方式替代大容量电池,电池组不同位置的温度差异也对电池性能的发挥造成了影响,同时单纯的并联并不能显著提高倍率性能;之前有过方形小电池芯并联的专利,但由于设计的结构不合理限制了电解液的注液量,从而影响电池在循环,倍率等方面的表现。
发明内容
克服现有技术大容量锂离子电池的电解液的吸收问题,提供一种容量大、寿命长的锂离子电池。
为此目的,本发明提出了一种锂离子电池,包括:
装有电解液的壳体,设置在所述壳体内的支架,嵌入所述支架内的多个并联的电池芯和连接所述电池芯的接触电极;
所述接触电极包括第一接触电极和第二接触电极;所述第一接触电极的一端连接所有电池芯的正极,另一端位于所述壳体外;所述第二接触电极的一端连接所有电池芯的负极,另一端位于所述壳体外。
优选的,所述支架包括多个通孔,所述多个并联的电池芯分别位于所述多个通孔内,每个通孔内设有一个电池芯。
优选的,所述支架为陶瓷材料。
优选的,该电池还包括:导流板,所述多个电池芯的极耳连接所述导流板,通过所述导流板将所述多个电池芯并联;
其中,所述电池芯的极耳弯曲,并穿过所述导流板上设置的缝隙贴附在所述导流板的表面。
优选的,所述电池芯的极耳与所述导流板之间设有保险部件,所述保险部件用于在所述锂离子电池的内部发生短路时断开所述极耳与所述导流板的连接。
优选的,所述导流板包括第一导流板和第二导流板,所述第一接触电极通过所述第一导流板连接所述多个电池芯的正极,所述第二接触电极通过所述导流板连接所述多个电池芯的负极。
优选的,所述壳体包括钢壳和盖板,所述钢壳与盖板连接形成密封壳体;所述接触电极穿过所述盖板与所述钢壳内的多个并联的电池芯连接;所述接触电极与所述盖板之间通过绝缘材料密封。
优选的,所述电池芯为采用卷绕方式制备的圆柱形电池芯。
另一方面,本发明还提供了上述任意一种锂离子电池的制备方法,包括:
形成支架,将多个电池芯嵌入所述支架内;
并联所述多个电池芯;
将嵌入多个电池芯的支架设置在壳体内;
形成连接电池芯和壳体外部的接触电极;
密封所述壳体,在壳体内注入电解液。
优选的,所述并联所述多个电池芯具体包括:
将所述多个电池芯的极耳通过导流板连接。
本发明实施例提供的锂离子电池及其制备方法,通过将电池芯嵌入支架内,支架对壳体内的电解液起到吸收和缓释作用,同时因为没有浮液的存在,提高了循环使用寿命;并且通过支架的热量分散作用,各个电池芯都在一致的条件下充放电,减少了“短板效应”,同时能够减少差异的累积;进一步的,通过将多个电池芯并联,提高了电池容量,改善了电池的倍率性能;因此,本发明实施例提供的锂离子电池,具体有高容量、大倍率、高质量的特点。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制,在附图中:
图1为本发明实施例提供的锂离子电池的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的电池芯嵌入支架的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的导流板结构示意图;
图4为本发明实施例提供的导流板与嵌入电池芯的支架组合结构示意图;
图5为本发明实施例提供的锂离子电池的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
如图1所示,本发明提供了一种锂离子电池,包括:
装有电解液的壳体,设置在所述壳体内的支架5,嵌入所述支架5内的多个并联的电池芯4和连接所述电池芯4的接触电极;
所述接触电极包括第一接触电极61和第二接触电极62;所述第一接触电极61的一端连接所有电池芯4的正极,另一端位于所述壳体外;所述第二接触电极62的一端连接所有电池芯4的负极,另一端位于所述壳体外。
本发明实施例提供的锂离子电池,通过将电池芯嵌入支架内,支架对壳体内的电解液起到吸收和缓释作用,同时因为没有浮液的存在,提高了循环使用寿命;并且通过支架的热量分散作用,各个电池芯都在一致的条件下充放电,减少了“短板效应”,同时能够减少差异的累积;进一步的,通过将多个电池芯并联,提高了电池容量,改善了电池的倍率性能;因此,本发明实施例提供的锂离子电池,具体有高容量、大倍率、高质量的特点。
如图2所示,在上述实施例的基础上,所述支架5包括多个通孔51,所述多个并联的电池芯4分别位于所述多个通孔51内,每个通孔51内设有一个电池芯4。其中,所述支架5可以通过陶瓷材料烧结而成,具有良好的绝缘性、导热性以及多孔的特点。多个并联的电池芯4的正极朝上放入支架5内,所述电池芯4可以为采用卷绕方式制备的圆柱形电池芯,如可以采用行业常规的18650规格的圆柱形小电池芯,其数量可以为6×6个。圆柱形的电池芯其内部结构紧凑,正负极板及隔膜之间的束缚力明显优于方形电池,由于支架5对电解液的吸收及缓释作用,电解液浸润效果优于传统的圆柱形电池,同时没有浮液的存在。现有技术中的方形电池循环寿命下降往往是因为电池胀气导致极片内部化学界面不均一,圆柱形电池寿命的衰减是因为电解液的耗尽干涸,而本发明卷绕方式制备的电池芯4嵌入支架5中,并通过支架5吸收电解液,提高了电池的循环寿命,规避了现有方形电池和圆柱形电池的缺陷。
如图3-4所示,在上述实施例的基础上,该锂离子电池还包括:导流板3,所述多个电池芯4的极耳41连接所述导流板3,通过所述导流板3将所述多个电池芯4并联。具体的,极耳41与导流板3之间以焊接方式连接,其中,电池芯4的极耳41弯曲,并穿过导流板3上设置的缝隙31贴附在所述导流板3的表面。其中,极耳41可以穿过导流板3上的缝隙31向45°角的方向弯折,以便使得支架5承受焊接压力。优选的,所述电池芯4的极耳41与所述导流板3之间设有保险部件,所述保险部件用于在所述锂离子电池的内部发生短路时断开所述极耳41与所述导流板3的连接。
其中,导流板3包括第一导流板和第二导流板,电池芯4正极朝上放入支架5的通孔51后,第一导流板连接所有电池芯4的正极,第二导流板连接所有电池芯4的负极,第一接触电极61通过与第一导流板的连接片32焊接,可以实现与所有电池芯的正极连接;第二接触电极62通过与第二导流板的连接片32焊接,可以实现与所有电池芯4的负极连接(图中未画出)。
本发明实施例在大倍率放电的情况下,由导流板3将电流分散到各个小电池芯4的极耳41上,再通过极耳41分散给每一个圆柱形小电池芯4,改善了电池的倍率性能。另外,保险部件能够在内短路情况下,及时切断电路,保证整体电池的安全性能。
在上述实施例的基础上,如图1所示,所述壳体包括钢壳1和盖板2,所述钢壳1与盖板2连接形成密封壳体;所述接触电极穿过所述盖板2与所述钢壳1内的多个并联的电池芯4连接;所述接触电极与所述盖板2之间通过绝缘材料密封。具体的,盖板2与钢壳1之间可以以激光焊接形式进行密封,形成一个密封的壳体。盖板2上的接触电极穿过盖板2与壳体内的并联的电池芯4连接,其中,可以通过将接触电极与导流板3通过焊接方式连接,来达到接触电极连接并联的电池芯4的目的。为了防止短路并形成密封的壳体,接触电极与盖板2之间可以通过高分子胶进行绝缘并密封。当然,为了防止短路,壳体内表面同样附带PP(Polypropylene,聚丙烯)层,防止电池内部短路。其中,盖板2上预留了注液孔,具体的,在将装有并联的电池芯4的支架5放入钢壳1内后,将盖板2上的接触电极与连接电池芯4的导流板3焊接,将盖板2与钢壳1焊接形成密封壳体,通过盖板2上预留的注液孔向壳体内注入电解液,该锂离子电池在注液后进行电化学激活。
另一方面,如图5所示,本发明还提供了一种上述实施例所述的锂离子电池的制备方法,该方法包括:
S1:形成支架,将多个电池芯嵌入所述支架内;
S2:并联所述多个电池芯;
S3:将嵌入多个电池芯的支架设置在壳体内;
S4:形成连接电池芯和壳体外部的接触电极;
S5:密封所述壳体,在壳体内注入电解液。
本发明实施例提供的锂离子电池的制备方法,通过将电池芯嵌入支架内,支架对壳体内的电解液起到吸收和缓释作用,同时没有浮液的存在,提高了循环使用寿命;并且通过支架的热量分散作用,各个电池芯都在一致的条件下充放电,减少了“短板效应”,同时能够减少差异的累积;进一步的,通过将多个电池芯并联,提高了电池容量,改善了电池的倍率性能;因此,本发明实施例提供的锂离子电池,具体有高容量、大倍率、高质量的特点。
优选的,所述并联所述多个电池芯具体包括:
将所述多个电池芯的极耳通过导流板连接。
下面,本发明对不同制备方式形成的锂离子电池进行了性能对比。
方案A:所有卷芯采用行业常规的18650规格的圆柱形小电池芯,其数量为6×6个。所属支架是由陶瓷材料烧结而成,具有绝缘性良好,导热性良好以及多孔等结构特点。所有小电池芯正极朝上放入支架内,极耳穿过导流板向45°角的方向弯折,以便使得支架承受焊接压力。所有极耳与导流板之间的以焊接方式连接,极耳与导流板之间存在保险部件。焊接好整体电池芯放入钢壳内,为了防止短路,钢壳附带PP层内衬防止短路。上盖板的正负极端子与盖板之间通过高分子胶进行绝缘,端子与导流板通过焊接方式连接。上盖板底面同样附带PP层内衬防止短路。上盖板具有预留注液孔,上盖与钢壳之间以激光焊形式进行密封。所述电池在注液后进行电化学激活。
方案B0:所有卷芯采用行业常规的18650规格的圆柱形小电池芯,其数量为6×6个。所属支架是由PET材料制成。所有小电池芯正极朝上放入支架内,极耳穿过导流板向45°角的方向弯折,以便使得支架承受焊接压力。所有极耳与导流板之间的以焊接方式连接,极耳与导流板之间存在保险部件。焊接好整体电池芯放入钢壳内,为了防止短路,钢壳附带PP层内衬防止短路。上盖板的正负极端子与盖板之间通过高分子胶进行绝缘,端子与导流板通过焊接方式连接。上盖板底面同样附带PP层内衬防止短路。上盖板具有预留注液孔,上盖与钢壳之间以激光焊形式进行密封。所述电池在注液后进行电化学激活。
方案B1:所有卷芯采用行业常规的18650规格的圆柱形小电池芯,其数量为6×6个。小电池芯采用紧密堆积方式排列,不采用支架,极耳朝向一致切穿过导流板向45°角的方向弯折,以便使得支架承受焊接压力。所有极耳与导流板之间的以焊接方式连接,极耳与导流板之间存在保险部件。焊接好整体电池芯放入钢壳内,为了防止短路,钢壳附带PP层内衬防止短路。上盖板的正负极端子与盖板之间通过高分子胶进行绝缘,端子与导流板通过焊接方式连接。上盖板底面同样附带PP层内衬防止短路。上盖板具有预留注液孔,上盖与钢壳之间以激光焊形式进行密封。所述电池在注液后进行电化学激活。
方案B2:所有卷芯采用行业常规的18650规格的圆柱形小电池芯,其数量为6×6个。所属支架是由陶瓷材料烧结而成,具有绝缘性良好,导热性良好以及多孔等结构特点。所有小电池芯正极朝上放入支架内,极耳穿过导流板向45°角的方向弯折,以便使得支架承受焊接压力。所有极耳与导流板之间的以焊接方式连接,极耳与导流板之间不存在保险部件。焊接好整体电池芯放入钢壳内,为了防止短路,钢壳附带PP层内衬防止短路。上盖板的正负极端子与盖板之间通过高分子胶进行绝缘,端子与导流板通过焊接方式连接。上盖板底面同样附带PP层内衬防止短路。上盖板具有预留注液孔,上盖与钢壳之间以激光焊形式进行密封。所述电池在注液后进行电化学激活。
方案B3:采用钢壳18650电池并联,其数量为6×6个。电池模组支架采用传统定位支架,支架内部镂空位置与外界通过气流流动贯穿,通过气流流动来实现内部散热。电池采用绝缘热缩套包裹。上下导流板均为平板,并通过电阻焊焊接方式与电池正负极端面进行焊接,导流板与端面之间存在保险部件。
方案B4:设计一个单体大电池,其容量为18650电池容量的36倍,采用钢壳结构封装,注液后进行电化学激活。钢壳盖板配有泄压结构以及切断结构。
对上述五种方案制备的电池进行性能测试。
(1)统一浸润48小时后拆解所有方案中的电池观察浸润情况及浮液情况,结果如表1所示。
表1浸润及浮液情况表
由于电解液浸润良好的电池才能够保证正负极化学界面均一,从而提高电池的各方面表现。可以预见浸润性良好的电池在倍率及循环中的表现更为良好。
由于浮液的存在提高了电池的内压,使得电池更容易发生鼓壳或者CID翻转。多孔支架的存在有效的吸收了浮液,同时随着循环对电解液的消耗,支架内的电解液又能够保证整体电池中的电解液量的平衡。
从表1中可以看出,方案A、B0、B1、B2、B3制备的电池浸润性好,即倍率及循环表现良好,方案A、B2制备的电池无浮液,寿命长。
(2)将所有方案制备的电池至于-10℃进行3C放电,对比低温倍率放电性能,结果如表2所示
表2低温倍率放电性能对比表
实验分组 A B0 B1 B2 B3 B4
低温倍率% 62.5% 62.8% 63.2% 62.0% 58.9% 40.8%
(3)电池温度一致性评估:将所有方案制备的电池在整体大电池底部预埋三个温度探头,分别分布在电池模组的最边缘,靠近电池模组最中心位置以及介于中心位置与最边缘的中间位置,对电池充放电过程中温度差值最大的时候采集温差值作为评估对象,分别记为▽Tmax充电和▽Tmax放电;结果如表3所示。
表3、充放电过程中,电池不同位置温度差别表
实验分组 A B0 B1 B2 B3 B4
▽Tmax充电/℃ 2℃ 10℃ 10℃ 2℃ 15℃ 25℃
▽Tmax放电/℃ 2℃ 10℃ 10℃ 2℃ 15℃ 25℃
该结果显示,有支架的热传导性能>无支架(PET支架)>空气传导>单颗大电池。
(4)电池组循环性能评估方法:电池组以1C的倍率进行充放电循环,某一循环的1C放电容量与最大放电容量之比称作锂离子电池的某一循环后的容量保持率,锂离子电池容量保持率为85%时的循环周数作为衡量循环性能的指标,对比结果如表4所示。
表4、循环至85%的周数对比表
实验分组 A B0 B1 B2 B3 B4
85%周数 1700 1400 1400 1700 1200 600
可见,由于支架的存在对于电解液的吸收及缓释作用,循环寿命有了显著的提高。B3方法由于浸润良好,循环表现也优于B4方案。
(5)安全性评估:所有方案在组成电池组之前在其中一个模组中预先安置一个内短路小电池芯,B4方案整个电池为内短路电池。该电池经过铜线电阻外短路打火,会激活该内短路点,该电池安放在电池模组的最中间位置。打火2s后,进行0.5C充放电,测量容量。测试结果如下表5所示:
表5外短路打火后容量对比表
实验分组 A B0 B1 B2 B3 B4
实验结果 96% 96% 96% 100% 96% 100%
可见,带有保险部件的电芯都在内短路发生后,熔断内短路的小电池芯,虽然容量减少了一个小电池芯的容量,但是切断了内短路电池对于整体电池的安全隐患。
经过上述对比可见,本发明实施例提供的内部并联加支架束缚的结构,在提高容量的同时,由于支架的导热性能提高了电池的整体电性能表现,由于保险部件的存在提高了安全性能。同时,多孔支架对于浮液的吸收及缓释作用也提高了电芯的寿命。现有的小电池并联技术由于温度的差异影响了电池的电性能表现。将极片尺寸进行简单放大制作的单颗大电池由于吸液差,导致整体电化学性能表现不良。
本发明实施例提供的锂离子电池,以支架固定的圆柱形小电池芯并联的形式克服现有技术方案中的缺陷,提高电池容量的同时也使得电池的倍率及安全性能有大幅提高。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池,其特征在于,包括:
装有电解液的壳体,设置在所述壳体内的支架,嵌入所述支架内的多个并联的电池芯和连接所述电池芯的接触电极;
所述接触电极包括第一接触电极和第二接触电极;所述第一接触电极的一端连接所有电池芯的正极,另一端位于所述壳体外;所述第二接触电极的一端连接所有电池芯的负极,另一端位于所述壳体外;
其中,所述电池芯为采用卷绕方式制备的圆柱形电池芯。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池,其特征在于,所述支架包括多个通孔,所述多个并联的电池芯分别位于所述多个通孔内,每个通孔内设有一个电池芯。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池,其特征在于,所述支架为陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池,其特征在于,还包括:导流板,所述多个电池芯的极耳连接所述导流板,通过所述导流板将所述多个电池芯并联;
其中,所述电池芯的极耳弯曲,并穿过所述导流板上设置的缝隙贴附在所述导流板的表面。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池,其特征在于,所述电池芯的极耳与所述导流板之间设有保险部件,所述保险部件用于在所述锂离子电池的内部发生短路时断开所述极耳与所述导流板的连接。
6.根据权利要求4所述的一种锂离子电池,其特征在于,所述导流板包括第一导流板和第二导流板,所述第一接触电极通过所述第一导流板连接所述多个电池芯的正极,所述第二接触电极通过所述导流板连接所述多个电池芯的负极。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池,其特征在于,所述壳体包括钢壳和盖板,所述钢壳与盖板连接形成密封壳体;所述接触电极穿过所述盖板与所述钢壳内的多个并联的电池芯连接;所述接触电极与所述盖板之间通过绝缘材料密封。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的锂离子电池的制备方法,其特征在于,包括:
形成支架,将多个电池芯嵌入所述支架内;
并联所述多个电池芯;
将嵌入多个电池芯的支架设置在壳体内;
形成连接电池芯和壳体外部的接触电极;
密封所述壳体,在壳体内注入电解液;
其中,所述电池芯为采用卷绕方式制备的圆柱形电池芯。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池的制备方法,其特征在于,所述并联所述多个电池芯具体包括:
将所述多个电池芯的极耳通过导流板连接。
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