CN106328835A - 一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海耐压聚合物固态锂离子动力电池制作方法,用于深海水下工程装备和水下科考设备进行大功率能源供给,包括硅胶囊袋的电池结构,电池外壳,单离子导体复合硅酯类耐压隔膜,三维不锈钢集流体,采用高低分子量相结合的方式做电解质。电池极片采用锂盐复合单离子导体方式,实现无液导离子和高强度耐压,隔膜采用单离子导体复合锂盐和小分子量的硅酯类聚合物,将锂盐固定与隔膜和极片之间,通过单离子导体和硅酯类聚合物,实现无间隙界面接触,保证耐压和电导率。电池外壳使用高弹性模量的硅胶和聚丙烯‑芳纶纤维复合,使之具有密封和耐压效果。极片采用不锈钢三维集流体和纳米无机粉末高强度压合方式,增加极片抗压性。

Description

一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池
技术领域
本发明涉及电池技术,具体的一种用于深海耐压聚合物固态锂离子动力电池,其可以为深海探测器和深海科研装备提供动力。
背景技术
锂离子电池比能量高达 200Wh/Kg,单体电压可达4V以上,是目前比能量最高的可充电电池。由于锂离子电池使用锂离子作电荷载体,六氟磷酸锂作电解质,具有怕水的特点,所以锂离子最终组装需要在一定低露点(湿度控制)环境下进行。
锂离子电池根据外包装的不同,可以分为钢壳、塑壳、铝壳、软包装等类型。 所有的包装必须严密,防止外界的潮湿气体进入。 对于水下使用的锂离子电池场合,例如潜水艇、水雷、鱼雷、水下科考设备,提高其使用的锂离子电池的耐压性是首要任务。 众所周知,球形容器的耐压性是最好的,但其制作工艺非常复杂,成本高昂。 耐压性其次的是圆柱形的旋转体。 其主要的弱点是盖帽部分耐压较差。 因此,如果要在深水场合使用,最优的选择是使用具有高弹性模量(一定程度变形后,可自恢复)结构的电池,可以保证具有最优的耐压和防水效果。
发明内容
本申请提供了一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,其可以在深海耐高压工作。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,包括电芯,电芯外壳,与电芯外壳相连接的硅胶囊袋,防爆阀,其特征在于电芯外壳为硅基复合材质、电芯包括高强度集流体和单离子导体复合硅基聚合物包覆的活性物质、芳纶基隔膜,采用与包覆活性物质同类的高低不同分子量的高电导率的硅基聚合物做电解质;深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池内部结构是电池壳体内和硅胶囊袋联通,囊袋用低分子量的硅基聚合物充满,电池壳体内用高分子量的硅基聚合物充满,做电解质和传导压力,使电池内部无空气。
所述的电芯外壳采用高弹性模量硅胶包覆聚丙烯-芳纶纤维复合材质,在上盖部分附有硅胶囊袋,通过机械密封与外壳连接。
所述的电池的正负极片的高强度集流体均采用三维不锈钢孔网,正极和负极的活性物质中添加单离子导体、高分子量的硅基聚合物和锂盐,与三维不锈钢孔网热压合而成,既有离子传导性又具有高耐压强度。
电池内外压力平衡部分,采用高弹性硅胶囊袋,硅胶囊袋和电池壳体内联通,囊袋充满低分子量的硅基聚合物,电池壳体内充满高分子量的硅基聚合物,采用高低聚合物密度和流动性不同相互配合做电解质和压力传导;当电池外壳受压,传递压力给低分子量硅基聚合物,低分子量硅基聚合物传递压力给高分子量的硅基聚合物,高分子量的硅基聚合物再传递压力给极片,实现电池内外压力平衡。
所述的电池壳的防爆阀采用气液分离膜,用于排空电池里面的气体,不允许外界的水分子进入,作为电池的排气阀。
所述的隔膜用高耐压芳纶基隔膜复合单离子导体和高分子硅基聚合物涂覆而成。
本发明设计的全新的深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,不改变原有锂离子电池工艺的情况下,仅采用新的配方和采用新的电池结构设计,即可实现锂离子电池的深海耐压特性,拓展了锂离子电池的使用范围。
附图说明
图1为使用高弹性模量的硅胶包覆聚丙烯-芳纶纤维的壳体。
图2为采用硅胶囊袋连接的传递压力的电池壳体。
图3为采用低分子量的硅基聚合物的电解质和高分子量的硅基聚合物的分离层示意。
图4为采用不锈钢的三维集流体的极片示意。
具体实施方式
实施例1:
采用传统的配方将正负极活性物质和导电碳和单离子导体粉末混合涂覆到PET基膜上(正极采用高容量高安全性的磷酸铁锰锂,负极采用硅碳复合负极),单离子导体质量比例为5-10%,优选为10%。然后采用高温热压合的方式将粉末转压到三维不锈钢基体上,多次滚压,使粉末间结合紧密,无空隙;用特制高强度芳纶复合隔膜(将单离子导体和锂盐加粘合剂涂覆与芳纶隔膜,烘干,操作需要在低露点下进行(露点为-45℃~-60℃)),做成电芯;电池放入包覆硅胶的聚丙烯壳体中,极片高度为电池壳体的2/3,灌注高分子量硅酯类化聚合物,静置排空空气,电解质的高度浸没过电池极片,后灌注低分子量的硅酯类聚合物做缓冲剂,连接灌满低分子量硅酯类聚合物的硅胶囊袋,静置,排气,使硅胶囊袋和电池内部无空气;在深水下,水压通过硅胶囊袋的收缩,传递压力给低分子量硅酯类聚合物,低分子量的硅脂类聚合物传递压力给高分子量的硅酯类聚合物,最后将压力分散至极片颗粒内部。最后用气液分离膜做防爆阀,密封电池,充放电测试。
表1:
实施例2:
采用传统的配方将正负极活性物质和导电碳和单离子导体粉末混合涂覆到PET基膜上(正极采用高容量的镍钴铝,负极采用针状焦石墨类负极),其中单离子导体质量比例为5-10%,优选为10%;然后采用高温热压合的方式将粉末转压到三维不锈钢基体上,多次滚压,使粉末间结合紧密,无空隙;用特制高强度芳纶复合隔膜(将单离子导体和锂盐加粘合剂涂覆与芳纶隔膜,烘干,操作需要在低露点下进行(露点为-45℃~-60℃)),做成电芯;电池放入包覆硅胶的聚丙烯壳体中,极片高度为电池壳体的2/3,灌注高分子量硅酯类化聚合物,静置排空空气,电解质的高度浸没过电池极片,后灌注低分子量的硅酯类聚合物做缓冲剂,连接灌满低分子量硅酯类聚合物的硅胶囊袋,静置,排气,使硅胶囊袋和电池内部无空气;在深水下,水压通过硅胶囊袋的收缩,传递压力给低分子量硅酯类聚合物,低分子量的硅脂类聚合物传递压力给高分子量的硅酯类聚合物,最后将压力分散至极片颗粒内部。最后用气液分离膜做防爆阀,密封电池,充放电测试。
表2:
实施例3:
采用传统的配方将正负极活性物质和导电碳和单离子导体粉末混合涂覆到PET基膜上(正极采用高容量高安全性的5V镍锰酸锂,负极采用硅碳复合负极),单离子导体质量比例为5-10%,优选为8%。然后采用高温热压合的方式将粉末转压到三维不锈钢基体上,多次滚压,使粉末间结合紧密,无空隙;用特制高强度芳纶复合隔膜(将单离子导体和锂盐加粘合剂涂覆与芳纶隔膜,烘干,操作需要在低露点下进行(露点为-45℃~-60℃)),做成电芯;电池放入包覆硅胶的聚丙烯壳体中,极片高度为电池壳体的2/3,灌注高分子量硅酯类化聚合物,静置排空空气,电解质的高度浸没过电池极片,后灌注低分子量的硅酯类聚合物做缓冲剂,连接灌满低分子量硅酯类聚合物的硅胶囊袋,静置,排气,使硅胶囊袋和电池内部无空气;在深水下,水压通过硅胶囊袋的收缩,传递压力给低分子量硅酯类聚合物,低分子量的硅脂类聚合物传递压力给高分子量的硅酯类聚合物,最后将压力分散至极片颗粒内部。最后用气液分离膜做防爆阀,密封电池,充放电测试。
表3:
负极 正极 电解液 首次充电比容量(0.2 C) 循环寿命 首次库伦效率(%)
石墨 镍锰酸锂 1mol LiPF6 硅酯类聚合物/FEC 125 1000 82%

Claims (6)

1.一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,包括电芯,电芯外壳,与电芯外壳相连接的硅胶囊袋,防爆阀,其特征在于电芯外壳为硅基复合材质、电芯包括高强度集流体和单离子导体复合硅基聚合物包覆的活性物质、芳纶基隔膜,采用与包覆活性物质同类的高低不同分子量的高电导率的硅基聚合物做电解质;深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池内部结构是电池壳体内和硅胶囊袋联通,囊袋用低分子量的硅基聚合物充满,电池壳体内用高分子量的硅基聚合物充满,做电解质和传导压力,使电池内部无空气。
2.按权利要求1所述一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,其特征在于:电芯外壳采用高弹性模量硅胶包覆聚丙烯-芳纶纤维复合材质,在上盖部分附有硅胶囊袋,通过机械密封与外壳连接。
3.按权利要求1所述一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,其特征在于:电池的正负极片的高强度集流体均采用三维不锈钢孔网,正极和负极的活性物质中添加单离子导体、高分子量的硅基聚合物和锂盐,与三维不锈钢孔网热压合而成,既有离子传导性又具有高耐压强度。
4.按权利要求1所述一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,其特征在于:电池内外压力平衡部分,采用高弹性硅胶囊袋,硅胶囊袋和电池壳体内联通,囊袋充满低分子量的硅基聚合物,电池壳体内充满高分子量的硅基聚合物,采用高低聚合物密度和流动性不同相互配合做电解质和压力传导;当电池外壳受压,传递压力给低分子量硅基聚合物,低分子量硅基聚合物传递压力给高分子量的硅基聚合物,高分子量的硅基聚合物再传递压力给极片,实现电池内外压力平衡。
5.按权利要求1所述一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,其特征在于:电池壳的防爆阀采用气液分离膜,用于排空电池里面的气体,不允许外界的水分子进入,作为电池的排气阀。
6.权利要求1所述一种深海耐压的聚合物固态锂离子动力电池,其特征在于:隔膜用高耐压芳纶基隔膜复合单离子导体和高分子硅基聚合物涂覆而成。
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