CN106033823B - 一种注液量可控的高电压动力电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种注液量可控的内部层叠式高电压动力电池及其制备方法，通过在电芯表面施加压力，根据环形密封圈与双极性电极片的厚度差控制隔离层压缩后的厚度，使得隔离层内的电解液挤压出进入电极涂层，一方面可以方便有效地控制隔离层汲取的电解液量，实现电池内部各电池单元之间的注液量均匀性和一致性；另一方面从隔离层挤压出来的电解液可以均匀地浸入到正、负极涂层的微孔里，具有弹性特性的隔离层通过电池外部提供的持久应压力与相邻正、负极涂层紧密接触，能够有效提高电池内各电池单元之间力学上的一致性；本发明提供了一种高电压动力电池制作方法，操作方式简单有效，制作效率高。

Description

一种注液量可控的高电压动力电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及动力电池及其应用领域，尤其涉及一种可为纯电动汽车、混合动力汽车、电动摩托车等提供能量的高电压动力锂离子电池。
背景技术
目前，为了能够获得高能量密度和高输出功率密度的高电压电池，通常将多个工作电压在2.0～4.5V之间的单体电池在外部进行串联连接。然而，这种外部串联方式对于单体电池的一致性要求很高，而且外部的电器连接会增大整个电池组的电阻、质量和体积，降低电池组的能量密度和功率密度，增大制作成本和安全风险。
为解决该问题，中国专利201310512781.8公布了一种内部串联高电压动力电池，该动力电池电芯由若干个双极性电极片上下叠加组成，且在相邻的两个双极性电极片之间设有至少一层的隔离层，这种高电压动力电池具有较小的组件电阻以及质量和体积，可以提高电池的安全性、一致性和功率密度，降低电池制造成本，是电动汽车动力电池的重要发展方向。
然而，在电池制备过程中，电解液的注液方式以及如何控制注液的均匀和一致性是需要解决的着重问题。通常使用的单极性锂电池，在加工制作过程中，电解液在电池各部件组装完成后统一注液。由于高电压动力电池采用内部串联电池单元的方式，必须保证各个串联电池单元之间的电解液互不连通，因此，这种统一注液的方式不适用于制作高电压动力电池。
目前的高电压电池采用的注液方式是在组装电池同时进行注液，即每叠加一个电池单元均需在正负极片表面灌注电解液，然后完成电池组的密封。这种方式存在的问题是，一方面，注液效率低，电池单元封装时电解液容易从电池单元的侧边泄露；另一方面，很难控制每个电池单元内注液量的一致性和电解液分布的均匀性。
发明内容
为了解决内部串联层叠式高电压动力电池存在的上述注液问题，本发明的一个目的在于提供一种可以有效控制电解液注液量、保证每个电池单元的注液量均匀一致，并且操作方便的内部串联层叠式高电压动力电池；本发明另一个目的在于提供一种内部串联层叠式高电压动力电池的制备方法。
本发明提供技术方案如下：
一种注液量可控的高电压电池，外形呈圆饼形状，电池直径与电池高度比大于1，优选为5～20，电池直径8～150cm，优选为10～50cm，电池高度0.5～16cm，优选为1～8cm；所述高电压电池包括隔离层、双极性电极片、环形密封圈、电池壳，以及填充于隔离层孔隙与双极性电极片孔隙的电解液，其中环形密封圈位于呈圆形的双极性电极片的边缘，所述双极性电极片包括呈圆形的双极性集流体和分别涂覆在双极性集流体两侧面的正极涂层和负极涂层，正极涂层和负极涂层统称为电极涂层，电极涂层呈圆形；若干个设有环形密封圈的双极性电极片按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有隔离层，两相邻的双极性电极片和它们之间的隔离层共同构成一个电池单元，这样若干个电池单元上下叠加构成电芯；电池壳置于电芯外部；所述隔离层直径大于所述电极涂层直径，隔离层为具有微孔结构和压缩弹性的圆形片状的多孔材料，内部浸有电解液；当电池组装时，在上述电芯的上下表面施加压力0.5～8MPa；其特征在于：
所述环形密封圈的厚度h2大于双极性电极片的厚度h1；在上述电芯施加压力之前所述隔离层的厚度大于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)，施加压力后隔离层受到压缩，其压缩后的厚度等于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)；电极涂层孔隙内的电解液由隔离层受压时提供，压缩时隔离层孔隙内挤出的电解液的体积为电极涂层孔隙吸收电解液体积的1.0～1.05倍。
本发明中，所述环形密封圈的厚度(h2)高于双极性电极片的厚度(h1)，通过在电芯表面施加压力，根据环形密封圈与双极性电极片的厚度差(h2-h1)控制隔离层压缩后的厚度，一方面可以方便有效地控制隔离层汲取的电解液量，实现高电压电池内部串联的各电池单元之间的注液量均匀性和一致性；另一方面从隔离层挤压出来的电解液可以均匀地浸入到正、负极涂层的孔隙里，并且，具有弹性特性的隔离层通过电池外部提供的持久应压力与相邻正、负极涂层紧密弹性接触，在电池受外力破坏时，能够有效提高电池内各电池单元之间力学上的一致性。
由于电极涂层的厚度非常薄，电池组装压缩过程中，为了避免边缘处正极涂层与负极涂层接触发生电池短路，优选的，所述隔离层的直径大于电极涂层的直径。
所述环形密封圈的厚度h2为35～1250μm，高于双极性电极片的厚度h1，厚度差h2-h1为10～100μm。
所述隔离层是可吸收电解液的弹性多孔材料；所述隔离层可以是聚乙烯、聚丙烯、交联聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丁腈、丁苯、三元乙丙、氯丁二烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚乙烯醇缩甲醛、三聚氰胺、酚醛树脂、耐热聚苯乙烯、改性聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等耐电解液聚合物开孔泡沫材料中的一种或几种；或者所述隔离层也可以是目前已有的具有孔隙结构和压缩弹性的隔离层材料，如CN 102683628A，CN 103035864A，CN102751459A以及CN102464803A中所述的压缩弹性多孔隔离层；
或者，所述隔离层也可以是上述弹性多孔吸液材料浸渍聚合物凝胶后干燥而成，所述聚合物凝胶是通过将聚偏氟乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯中的一种或几种溶解在丙酮、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二甲酯等良溶剂中形成。
所述隔离层压缩前厚度为30～5000μm，直径为6～142cm，优选为8～46cm，孔隙率为50～99％，孔径范围0.5～100μm，由于锂离子传输内阻与隔离层厚度及孔隙率相关，隔离层压缩后的厚度要选择锂离子传输内阻小且又可保持隔离层压缩性的平衡点，隔离层压缩后的厚度与环形密封圈和双极性电极片的厚度差h2-h1相等。
所述双极性集流体材料是电子导电良好，且不会漏液的材料，可以是聚合物基或金属基复合导电薄膜，优选为中国专利CN 103219521 A或中国专利201310486469.6描述的双极性集流体，厚度为5～150μm，直径为7～145cm，优选为9～47cm。双极性集流体涂覆正极涂层的一面必须耐氧化，而涂覆负极涂层的一面必须耐还原。
所述正极涂层为正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物以及其它可脱嵌锂化合物中的一种或多种。
所述负极涂层为负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，负极活性材料为能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、锂硅氧化物、金属锂和石墨中的一种或多种。
所述正极涂层和负极涂层通过涂覆、喷涂、丝网印刷、转移涂布、喷墨打印等方式复合到双极性集流体的两面；所述正极涂层厚度为10～1000μm，优选为50～600μm，直径为6.5～140cm，优选为7.5～45cm，正极涂层为多孔涂层，孔隙率为25％～45％，所述负极涂层为多孔涂层，孔隙率为20％～40％，其厚度根据选用正负极活性材料的克容量和正极涂层的厚度，以保证负极容量过量10％～20％计算得到，负极涂层厚度一般为10～1200μm，优选为80～800μm，直径为6.5～140cm，优选为7.5～45cm。
进一步的，为了更好地保证电池的安全性，防止内部短路，所述正极涂层和负极涂层的表面可以包含通过涂覆、喷涂、溅射、丝网印刷、转移涂布、喷墨打印等方法复合到表面的多孔绝缘有机高分子聚合物涂层或者多孔绝缘无机涂层；所述多孔绝缘有机高分子聚合物可以是聚偏氟乙烯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯类中的一种或几种，所述多孔绝缘无机涂层可以是三氧化二铝、氧化锆、二氧化硅、二氧化钛中的一种或几种与聚偏氟乙烯、丁苯橡胶等有机粘合剂混合物；所述多孔绝缘有机高分子聚合物层或者多孔绝缘无机涂层的厚度为2～15μm。
所述环形密封圈是绝缘、耐电解液腐蚀、电化学稳定的有机绝缘材料，在压力下的变形率不超过2％，以起到对隔离层的支撑作用，所述有机绝缘材料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯类、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚、聚砜、聚醚腈、聚丙烯酸酯类、聚偏氟乙烯、改性聚烯烃中的一种或几种。
本发明高电压电池可以通过隔离层和电极涂层来控制电解液的注液量，隔离层为可压缩弹性材料，具有一定的孔隙率，在组装进电池前，可以吸收电解液；另外，本发明所用的电极涂层也是多孔涂层，电池组装时，通过外力挤压压缩隔离层，电解液从隔离层被挤压出进入电极涂层的孔隙内。因此，本发明可以根据隔离层的厚度和孔隙率以及吸液效果，和电极涂层的孔隙率以及吸液效果，技术人员可以通过有限次的实验，计算得出隔离层的压缩前后的厚度关系。下面是提供一种厚度差的计算方法：
根据喷涂在双极性集流体两侧的正极涂层的直径d1、厚度m1、以及孔隙率ρ1，负极涂层的直径d2、厚度m2、以及孔隙率ρ2，可计算出电极涂层的吸收电解液量为：那么，从隔离层挤压出来的电解液为电极涂层吸收的电解液量Q的1.0～1.05倍，使用隔离层的孔隙率为ρ3，直径d3，隔离层的吸液率为q(70％<q<100％)，电池组装完成后，被压缩后的隔离层厚度为(h2-h1)，则压缩前隔离层的厚度h3为：其中，k压缩时隔离层孔隙内挤出的电解液的体积为电极涂层孔隙吸收电解液体积Q的倍数，数值范围为1.0～1.05。
本发明的另一个目的在于提供一种上述高电压电池的制备方法：
(1)制备双极性电极片：在呈圆形的双极性集流体的正极面和负极面分别喷涂圆形的正极涂层和负极涂层，制得双极性电极片，其中双极性集流体的直径为7～145cm，优选为9～47cm，正极涂层直径为6.5～140cm，优选为7.5～45cm，厚度为10～1000μm，孔隙率为25％～45％，负极涂层直径为6.5～140cm，优选为7.5～45cm，厚度为80～800μm，孔隙率为20％～40％；并将环形密封圈包裹在双极性电极片的边缘，环形密封圈的外径10～50cm；
(2)组装电芯：将隔离层浸没在电解液中，放置10～60分钟，使得隔离层的孔隙内70％～100％浸满电解液；电芯包括若干个包裹有环形密封圈的双极性电极片、若干个隔离层、一个正极性单极电极片、一个负极性单极电极片，若干个设有环形密封圈的双极性电极片按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有浸有电解液的隔离层，组成电池单元，若干个电池单元上下层叠组成电芯；
(3)组装电池结构体：在上述步骤(2)制备的电芯的上表面设有正极弹性集流体和正极片，下表面设有负极弹性集流体和负极片，按照“负极片→负极弹性集流体→电芯→正极弹性集流体→正极片”的顺序整齐排列，组装成电池结构体；
(4)抽真空：将步骤(3)组装好的电池结构体置于真空罩内，进行抽真空，当真空罩内气压达到100～200Pa时，停止抽真空，静置5～30s；
(5)施加压应力：在真空环境下通过高电压电池压片机装置对电池两端的正极片和负极片缓慢施加压应力，施加应压力范围为0.5～8MPa，使得压缩后隔离层的厚度为环形密封圈与双极性电极片的厚度差，并保持现有应压力；在压应力下隔离层内的部分电解液被挤出进入电极涂层的孔隙内，其中隔离层压缩出的电解液量为电极涂层吸收电解液量的1.0～1.05倍；
(6)密封电池内部：电池内部密封主要包括环形密封圈之间的密封和电芯的密封，在步骤(5)施加并保持压应力后的相邻环形密封圈之间通过涂抹特氟龙密封胶，或者通过热封的方式进行密封，电芯边缘采用热封的方式进行密封；
(7)折边：在步骤(6)制备的电池结构体的正、负极片表面分别设有绝缘密封环，将电池壳放置在电池结构体配套位置，并对电池壳边缘施加挤压力进行折边，该挤压力不小于施加在电池两侧的正极片和负极片上的应压力，为5～50MPa，折边区域挤压在电池正、负极片的绝缘密封环上，折边完成后撤掉步骤(6)施加的应压力；
(8)引出电极端子：将折边后的电池从真空罩中取出，在正、负电极片的表面，通过焊接、粘接等方式分别固定连接柔性集流线，将电极端子引出，并在固定有柔性集流线的正、负电极片的表面分别涂覆一层导电胶粘剂；
(9)绝缘密封电池壳：使用一种塑料聚合物或填充有高导热无机材料颗粒的塑料聚合物，通过热塑成形方法包裹在电池壳表面，与柔性集流线连接的正极端子或负极端子穿过该绝缘壳引出，绝缘壳的材料优选为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种，其厚度优选为1～4mm，制得高电压电池。
上述制备方法中，隔离层为可吸收电解液的弹性多孔材料，根据双极性电极片的尺寸大小，电池正负极活性材料的不同以及正极涂层和负极涂层孔隙率的大小，预估每个电池单元所需的电解液量，根据不同隔离层吸液率的不同确定所需隔离层的种类和尺寸；隔离层厚度为30～5000μm、直径6～142cm，优选为8～46cm，孔隙率为50～99％，隔离层直径大于电极涂层的直径1～2mm。
本发明的技术优势体现在：
(1)本发明通过在电芯表面施加压力，根据环形密封圈与双极性电极片的厚度差控制隔离层压缩后的厚度，一方面可以方便有效地控制隔离层汲取的电解液量，实现高电压电池内部串联的各电池单元之间的注液量均匀性和一致性；另一方面从隔离层挤压出来的电解液可以均匀地浸入到正、负极涂层的孔隙里，并且，具有弹性特性的隔离层通过电池外部提供的持久应压力与相邻正、负极涂层紧密接触，在电池受外力破坏时，能够有效提高电池内各电池单元之间力学上的一致性；
(2)本发明提供了一种内部层叠式高电压动力电池制作方法，实施方便有效，通过环形密封圈与双极性电极片的厚度差控制隔离层的压缩后的厚度，工作方式统一，有效提高电池制作效率。
附图说明
图1为双极性电极片结构示意图，其中，(a)为双极性电极片结构示意图，(b)为双极性电极片截面结构示意图；101—双极性电极片；102—双极性集流体；103—正极涂层；104—负极涂层；
图2为包裹有环形密封圈的双极性电极片截面结构示意图，其中，201—环形密封圈；h1—双极性电极片的厚度；h2—环形密封圈的厚度；
图3为电池单元截面结构示意图，其中301—电池单元；302—隔离层；h3—压缩前隔离层厚度；
图4为电池单元受应压力P挤压后的截面结构示意图，其中，h2-h1—隔离层压缩后的厚度；
图5为电池组装结构示意图，其中，501—电芯；502—正极性单极电极片；503—负极性单极电极片；504—正极弹性集流体；505—正极片；506—绝缘密封环；507—负极弹性集流体；508—负极片；509—电绝缘层；510—电池壳；
图6为高电压电池结构示意图，其中，(a)为高电压电池截面结构示意图，(b)为高电压总体结构示意图；600—高电压电池；601—正极集流线；602—正极导电胶；603—正极端子；604—负极集流线；605—负极导电胶；606—负极端子；607—绝缘壳。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例一：
本发明中高电压动力锂离子电池，旨在满足各类不同电动车辆的供电需求，因此，根据该电池应用场合的不同，电芯电压设计值也不同，也就是组成电芯的电池单元叠加的数量不同。目前，小型电动车(包括电动自行车、电动摩托车以及电动观光车等)的工作电压一般分别为：36V、48V、64V、74V和80V，大中型电动汽车(包括纯电动乘务车、纯电动卡车、混合动力车、电动公交车等)的工作电压范围一般在120V～500V。
本实施例为纯电动乘务车动力电源，其工作电压为320V，选用的电芯工作电压平台为320V，电池单元叠加数量为100个。高电压动力锂离子电池外形呈圆饼形状，电池直径40cm，电池高度5.5cm。
本实施例中，高电压电池600包括隔离层302、双极性电极片101、环形密封圈201、以及填充于隔离层302孔隙与双极性电极片101孔隙的电解液，其中环形密封圈201位于呈圆形的双极性电极片101的边缘，所述双极性电极片101包括呈圆形的双极性集流体102和分别涂覆在双极性集流体102两侧面的正极涂层103和负极涂层104，正极涂层103和负极涂层104统称为电极涂层，电极涂层呈圆形；若干个设有环形密封圈201的双极性电极片101按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有隔离层302，两相邻的双极性电极片101和它们之间的隔离层302共同构成一个电池单元301，这样若干个叠加的电池单元301构成电芯501。其中，组成电芯501各部件的结构如表1所示：
表1 组成电芯501各部件结构
根据喷涂在双极性集流体两侧的正极涂层103的直径38.6cm、厚度140μm、以及孔隙率35％，负极涂层104的直径38.6cm、厚度120μm，以及孔隙率30％，可计算出电极涂层的吸收电解液量：
，那么，从隔离层302挤压出来的电解液量需等于电极涂层吸收的电解液量Q，使用孔隙率为 50％，直径39cm，吸液率q为90％的隔离层电池组装完成后，被压缩后的隔离层厚度为：
h2-h1＝360μm-340μm＝20μm，
则压缩前隔离层302的厚度为：
其中k取1。
本实施例中，环形密封圈201的厚度(h2)高于双极性电极片101的厚度(h1)，通过环形密封圈201与双极性电极片101的厚度差(h2-h1)控制隔离层压缩后的厚度，一方面可以方便有效地控制隔离层302汲取的电解液量，实现高电压电池600内部串联的各电池单元301之间的注液量均匀性和一致性；另一方面从隔离层302挤压出来的电解液可以均匀地浸入到正、负极涂层的孔隙里。
实施例二：
本实施例提供一种320V高电压电池600的制作方法：
步骤1：双极性电极片101的制备：在呈圆形的双极性集流体102的正极面和负极面采用喷涂的方式分别涂覆圆形的正极涂层103和负极涂层104，制得双极性电极片101，其中双极性集流体102选用金属基复合导电薄膜，直径为39.4cm，厚度80μm，喷涂在双极性集流体102两侧的正极涂层103直径为38.6cm，厚度为140μm，孔隙率为35％，负极涂层104直径为38.6cm，厚度为120μm，孔隙率为30％；并将环形密封圈201包裹在双极性电极片101的边缘，环形密封圈201与正、负极涂层接触，环形密封圈201的内径38.6cm，外径39.6cm，内径厚度为340μm，外径360μm，其中内径厚度等于双极性集流体102、正极涂层103和负极涂层104叠加的厚度；
步骤2：制备隔离层302：隔离层302为可吸收电解液的弹性多孔材料，根据电池正、负极活性材料的不同以及正极涂层和负极涂层孔隙率的大小，根据实施例一计算方法，估算每个电池单元301所需的电解液量，根据不同隔离层吸液率的不同确定所需隔离层的种类和尺寸；将厚度为37μm、孔隙率为50％的隔离层裁剪成直径为39cm的圆形；将制备好的上述隔离层302浸没在电解液中，放置60分钟，使得隔离层302的孔隙内95％以上浸有电解液；
步骤3：组装电芯501：将包裹有环形密封圈201的双极性电极片101、隔离层302、以及设有电绝缘层509的电池壳510进行组装，按照“正极单极性集流体片502→隔离层302→包裹有环形密封圈201的双极性电极片101→隔离层302→包裹有环形密封圈201的双极性电极片101→隔离层302……包裹有环形密封圈201的双极性电极片101→隔离层302→负极性单极电极片503”方式排列，组装成电芯其中，组成360V的电芯所需隔离层302数量为100个，所需双极性电极片101数量为99个，正极单极电极片502数量为1个，负极性单极电极片503数量为1个，环形密封圈201数量为101个；
步骤4：组装电池结构体，在所述电芯的上表面设有正极弹性集流体504和正极片505，下表面设有负极弹性集流体507和负极片508，按照：“负极片508→负极弹性集流体507→电芯501→正极弹性集流体504→正极片505”整齐排列，并放置到内侧设有电绝缘层的电池壳中，其中，正极片505和负极片508的边缘包裹有绝缘密封环506；
步骤5：抽真空：将步骤(5)组装好的电池结构体放置在真空罩中，开启连接在真空罩出气孔上的抽真空阀，进行抽真空，在真空罩内的真空抽到150Pa时，关闭抽真空阀，静置20s；
步骤6：施加压应力：通过高电压电池压片机装置对正极片505和负极片508缓慢施加压应力至5MPa，使得每个隔离层302的厚度为环形密封圈201与双极性电极片101的厚度差，保持现有应压力；
步骤7：电池内部密封：电池内部密封主要包括电池单元301之间的密封和电芯501的密封，将相邻环形密封圈201之间涂抹特氟龙密封胶密封，通过热封方式密封电芯501边缘；
步骤8：折边：将放置在电池结构体正上侧的电池壳510放置到与电池结构体相配的位置，对电池壳510上下两边进行折边，折边区域挤压在电池单元组集流体的绝缘密封环506上，同时撤掉施加在电池两侧的正极片和负极片上应压力，电池壳510的上下两边折边区域产生的挤压力约为10MPa，该挤压力大于等于施加在电池两侧的正极片505和负极片508上的应压力；
步骤9：引出电极端子：将折边后的电池从真空罩中取出，在电池壳的上下电极片的表面，通过激光焊接的方式分别固定连接有柔性集流线，正极片505焊接正极集流线601，负极片508上焊接负极集流体线604，正极集流线601上引出正极端子603，负极集流线604上引出负极端子606，并在固定有柔性集流线的正极片505表面分别涂覆一层正极导电胶602，负极片508表面分别涂覆一层负极导电胶605，以保证柔性集流线与电极片的电接触良好，集流均匀；
步骤10：电池壳绝缘密封：使用聚乙烯，通过热塑成形的方法包裹在电池壳表面，与柔性集流线连接的正极端子603或负极端子606穿过该绝缘壳607引出，绝缘壳607厚度优选为2mm，这样制得高电压电池600。
其它实施方式与实施例一相同。
实施例三：
本实施例中，根据喷涂在双极性集流体102两侧的正极涂层103的直径d1、厚度m1、 以及孔隙率ρ1，负极涂层104的直径d2、厚度m2、以及孔隙率ρ2，可计算出电极涂层的吸收电 解液量为：那么，从隔离层302挤压出来的电解液量大于或者 等于电极涂层吸收的电解液量Q，使用隔离层的孔隙率为ρ3，直径d3，隔离层的吸液率为q (70％<q<100％)，电池组装完成后，被压缩后的隔离层302厚度为(h2-h1)，则压缩前隔离层 的厚度h3为：
隔离层的吸液率q的测量方法如下：裁剪隔离层样品，隔离层302吸液前质量为a，预先将隔离层样品在电解液中浸渍60分钟，在电解液中浸泡60分钟后吸干表面液体后质量为b，隔离层压缩前厚度为h3，则
表2至表6为电池各部件在各实施例中的使用的材料和尺寸结构表。
表2 实施例中隔离层302材料及其尺寸结构
表3 实施例中使用正极涂层103材料及尺寸结构
实施例 材料 孔隙率 直径(cm) 涂层厚度(μm)
1 磷酸铁锂+炭黑+PVDF 35％ 38.6 140
2 磷酸铁锂+炭黑+PVDF 35％ 19.6 160
3 钴酸锂+炭黑+PVDF 40％ 48.6 140
4 磷酸铁锂+炭黑+PVDF 35％ 79.6 140
5 钴酸锂+炭黑+PVDF 35％ 99.6 160
表4 实施例中使用负极涂层104材料及尺寸结构
实施例 材料 孔隙率 直径(cm) 涂层厚度(μm)
负极涂层 石墨+PVDF 30％ 38.6 120
2 天然石墨+PVDF 30％ 19.6 120
3 天然石墨+SBR/CMC 35％ 48.6 80
4 天然石墨+PVDF 30％ 79.6 100
5 天然石墨+SBR/CMC 30％ 99.6 90
表5 实施例中使用双极性集流体102材料及尺寸结构
实施例 材料 直径(cm) 厚度(μm)
1 聚合物基复合导电薄膜 40 80
2 聚合物基复合导电薄膜 20.2 80
3 聚合物基复合导电薄膜 50.6 80
4 聚合物基复合导电薄膜 80.8 80
5 聚合物基复合导电薄膜 100.8 80
表6 实施例中使用环形密封圈201材料及尺寸结构
实施例 材料 内径(cm) 外径(cm) 内环厚度(μm) 外环厚度(μm)
1 聚四氟乙烯 38.6 40.6 340 360
2 聚四氟乙烯 19.6 20.8 360 375
3 聚四氟乙烯 48.6 51 300 312
4 聚四氟乙烯 79.6 81 320 340
5 聚四氟乙烯 99.6 101 350 370
其它实施方式与实施例一和实施例二相同。
本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (16)

1.一种注液量可控的高电压电池，包括隔离层、双极性电极片、环形密封圈、电池壳以及填充于隔离层孔隙与双极性电极片孔隙的电解液，其中环形密封圈位于呈圆形的双极性电极片的边缘，所述双极性电极片包括呈圆形的双极性集流体和分别涂覆在双极性集流体两侧面的正极涂层和负极涂层，正极涂层和负极涂层统称为电极涂层，电极涂层呈圆形；若干个设有环形密封圈的双极性电极片按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有隔离层，两相邻的双极性电极片和它们之间的隔离层共同构成一个电池单元，这样若干个电池单元上下叠加构成电芯；电池壳置于电芯外部；所述隔离层直径大于所述电极涂层直径，隔离层为具有孔隙结构和压缩弹性的圆形片状的多孔材料，内部浸有电解液；当电池组装时，在上述电芯的上下表面施加压力0.5～8MPa；其特征在于：
所述环形密封圈的厚度h2大于双极性电极片的厚度h1；在上述电芯施加压力之前所述隔离层的厚度大于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)，施加压力后隔离层受到压缩，其压缩后的厚度等于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)；电极涂层孔隙内的电解液由隔离层受压时提供，压缩时隔离层孔隙内挤出的电解液的体积为电极涂层孔隙吸收电解液体积的1.0～1.05倍。
2.如权利要求1所述的高电压电池，其特征在于：所述高电压电池外形呈圆饼形状，电池直径与电池高度比大于1，电池直径8～150cm，电池高度0.5～16cm。
3.如权利要求2所述的高电压电池，其特征在于：所述电池直径与电池高度比为5～20，所述电池直径为10～50cm，所述电池高度为1～8cm。
4.如权利要求1所述的高电压电池，其特征在于：所述环形密封圈的厚度h2为35～1250μm，高于双极性电极片的厚度h1，厚度差(h2-h1)为10～100μm。
5.如权利要求1所述的高电压电池，其特征在于：所述隔离层压缩前厚度为30～5000μm，直径为6～142cm，孔隙率为50～99％，孔径范围0.5～100μm；
所述隔离层是可吸收电解液的弹性多孔材料，包括聚乙烯、聚丙烯、交联聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丁腈、丁苯、三元乙丙、氯丁二烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚乙烯醇缩甲醛、三聚氰胺、酚醛树脂、耐热聚苯乙烯、改性聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物的耐电解液聚合物开孔泡沫材料中的一种或几种；或者所述隔离层也可以是目前已有的具有微孔结构和压缩弹性的隔离层材料；
或者，所述隔离层为上述弹性多孔吸液材料浸渍聚合物凝胶后干燥而成，所述聚合物凝胶是通过将聚偏氟乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯中的一种或几种溶解在良溶剂中形成，所述良溶剂包括丙酮、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二甲酯。
6.如权利要求5所述的高电压电池，其特征在于：所述直径为8～46cm。
7.如权利要求1所述的高电压电池，其特征在于：所述双极性集流体材料是电子导电良好，且不会漏液的材料，为聚合物基或金属基复合导电薄膜，厚度为5～150μm，直径为7～145cm；所述正极涂层和负极涂层通过涂覆、喷涂、丝网印刷、转移涂布、喷墨打印的方式复合到双极性集流体的两侧，涂覆正极涂层的一面必须耐氧化，涂覆负极涂层的一面必须耐还原。
8.如权利要求7所述的高电压电池，其特征在于：所述直径为9～47cm。
9.如权利要求1所述的高电压电池，其特征在于：所述正极涂层为正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物中的一种或多种；正极涂层厚度为10～1000μm，直径为6.5～140cm，正极涂层为多孔涂层，孔隙率为25％～45％。
10.如权利要求9所述的高电压电池，其特征在于：所述正极涂层厚度为50～600μm，所述直径为7.5～45cm。
11.如权利要求9所述的高电压电池，其特征在于：所述负极涂层为负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，负极活性材料为能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物、锂硅氧化物、金属锂和石墨中的一种或多种；负极涂层为多孔涂层，孔隙率为20％～40％，厚度为10～1200μm，直径为6.5～140cm。
12.如权利要求11所述的高电压电池，其特征在于：所述厚度为80～800μm，所述直径为7.5～45cm。
13.如权利要求11所述的高电压电池，其特征在于：所述正极涂层和负极涂层的表面包含通过涂覆、喷涂、溅射、丝网印刷、转移涂布、喷墨打印的方法复合到表面的多孔绝缘有机高分子聚合物涂层或者多孔绝缘无机涂层；所述多孔绝缘有机高分子聚合物是聚偏氟乙烯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯类中的一种或几种，所述多孔绝缘无机涂层是三氧化二铝、氧化锆、二氧化硅、二氧化钛中的一种或几种与有机粘合剂的混合物，所述有机粘合剂包括聚偏氟乙烯、丁苯橡胶；所述多孔绝缘有机高分子聚合物层或者多孔绝缘无机涂层的厚度为2～15μm。
14.如权利要求1所述的高电压电池，其特征在于：所述环形密封圈为绝缘、耐电解液腐蚀、电化学稳定的有机绝缘材料，在压力下的变形率不超过2％，以起到对隔离层的支撑作用，所述有机绝缘材料包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯类、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚、聚砜、聚醚腈、聚丙烯酸酯类、聚偏氟乙烯中的一种或几种。
15.一种如权利要求1-14所述的高电压电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备双极性电极片：在呈圆形的双极性集流体的正极面和负极面分别喷涂圆形的正极涂层和负极涂层，制得双极性电极片，其中双极性集流体的直径为7～145cm，正极涂层直径为6.5～140cm，厚度为10～1000μm，孔隙率为25％～45％，负极涂层直径为6.5～140cm，厚度为80～800μm，孔隙率为20％～40％；并将环形密封圈包裹在双极性电极片的边缘，环形密封圈的外径10～50cm；
(2)组装电芯：将隔离层浸没在电解液中，放置10～60分钟，使得隔离层的孔隙内70％～100％浸满电解液；电芯包括若干个包裹有环形密封圈的双极性电极片、若干个隔离层、一个正极性单极电极片、一个负极性单极电极片，若干个设有环形密封圈的双极性电极片按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有浸有电解液的隔离层，组成电池单元，若干个电池单元上下层叠组成电芯；
(3)组装电池结构体：在上述步骤(2)制备的电芯的上表面设有正极弹性集流体和正极片，下表面设有负极弹性集流体和负极片，按照“负极片→负极弹性集流体→电芯→正极弹性集流体→正极片”的顺序整齐排列，组装成电池结构体；
(4)抽真空：将步骤(3)组装好的电池结构体置于真空罩内，进行抽真空，当真空罩内气压达到100～200Pa时，停止抽真空，静置5～30s；
(5)施加压应力：在真空环境下通过高电压电池压片机装置对电池两端的正极片和负极片缓慢施加压应力，施加压应力范围为0.5～8MPa，使得压缩后隔离层的厚度为环形密封圈与双极性电极片的厚度差，并保持现有压应力；在压应力下隔离层内的部分电解液被挤出进入电极涂层的孔隙内，其中隔离层压缩出的电解液量为电极涂层吸收电解液量的1.0～1.05倍；
(6)密封电池内部：电池内部密封主要包括环形密封圈之间的密封和电芯的密封，在步骤(5)施加并保持压应力后的相邻环形密封圈之间通过涂抹特氟龙密封胶，或者通过热封的方式进行密封，电芯边缘采用热封的方式进行密封；
(7)折边：在步骤(6)制备的电池结构体的正、负极片表面分别设有绝缘密封环，将电池壳放置在电池结构体配套位置，并对电池壳边缘施加挤压力进行折边，该挤压力不小于施加在电池两侧的正极片和负极片上的压应力，该挤压力为5～50MPa，折边区域挤压在电池正、负极片的绝缘密封环上，折边完成后撤掉步骤(6)施加的压应力；
(8)引出电极端子：将折边后的电池从真空罩中取出，在正、负电极片的表面，通过焊接、粘接的方式分别固定连接柔性集流线，将电极端子引出，并在固定有柔性集流线的正、负电极片的表面分别涂覆一层导电胶粘剂；
(9)绝缘密封电池壳：使用一种塑料聚合物或填充有高导热无机材料颗粒的塑料聚合物，通过热塑成形方法包裹在电池壳表面，与柔性集流线连接的正极端子或负极端子穿过该绝缘壳引出，绝缘壳的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种，其厚度为1～4mm，制得高电压电池。
16.如权利要求15所述的高电压电池的制备方法，其特征在于：所述双极性集流体的直径为9～47cm，所述正极涂层直径为7.5～45cm，所述负极涂层直径为7.5～45cm。
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