CN108336416A - 一种卷绕式多极耳电池及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卷绕式多极耳锂离子二次电池及终端。该电池有两个或两个以上正极耳和两个或两个以上负极耳，其中一对正/负极耳起到传统极耳的充放电电流传输的作用，其它的正负极耳起到辅助作用，包括电压内阻监测、以及电流微调的作用。该技术主要优势在于在电池的全寿命使用过程中，全程检测电池极片上各个位置的电压内阻分布，可以更好的监控电池的内阻、安全、寿命情况，防范安全事故的发生。该技术对于极片较长、极片面积较大的电池，以及大电流充放电的使用情况尤为适用。本发明同时公开了使用该锂离子二次电池的终端，用于控制、保护、平衡、修复该电池。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池技术领域，具体涉及一种卷绕式多极耳锂离子二次电池。
背景技术
锂离子二次电池有高电压、高能量密度等优点，被广泛应用于消费类电子产品、储能系统、动力系统的电源。近年来随着储能、电动车辆等需要大容量、大电流高倍率充放电的用电设备的需求，锂离子二次电池容量不断增加，有20Ah、50Ah甚至100Ah、200Ah的电池出现。卷绕式是一种制造效率高、结构简单的电池制造方法。充放电时，锂离子电池内部的电流、电压、阻抗分布不均匀，高容量、大体积的卷绕式电池在大电流充放电时，这种不均匀会表现的特别明显。而电流、电压、阻抗分布不均匀，尤其随着循环次数的增加，这种不均匀会加剧，有可能会导致电池局部析锂、局部材料失效、局部过热，导致循环性能下降，进而可能导致严重的安全事故。
另外，常规的锂离子电池有一对正负极极耳，这一对极耳既起到了传输电流的作用，又起到了检测电压的作用。在有电流经过的情况下，由于电流和极耳电阻带来的电压降导致极耳上检测的电压不准确，不能准确的检测监控到锂离子电池的工作状态。
如图1所示，即使在理想状态下，卷绕式电池充放电时，其极片上不同位置的电流电压和直流阻抗均随着其距极耳位置的远近发生变化。而从极耳处取得的电压和阻抗等信息，并不能准确的监控电池极片各个位置的实际情况，一般而言，距离极耳位置最远端的电流与极耳处差距最大。
发明内容
本发明的目的在于通过设计制造一种卷绕式多极耳电池和终端来解决现有卷绕式电池内部电流、电压、阻抗分布不均、且难以检测、难以控制的问题。
本发明提供了一种卷绕式多极耳电池，由一个或多个多极耳卷绕式卷芯、电解液、外壳和电极引出端构成，其特征在于：有两组或以上电极引出端，每组电极引出端包括至少一个正极引出端和至少一个负极引出端。
具体的，所述卷绕式多极耳电池由第一电极片、第二电极片和隔离膜卷绕而成，第一电极片和第二电极片均由箔材、涂覆在箔材上的活性物质以及连接在箔材上的极耳组成。第一电极片和第二电极片上均有两个或以上数量的极耳。为方便说明，定义第一电极片为负极，第二电极片为正极。
其极片设计可以如图2设计，包括第一电极片(1)，第一负极耳(11)，第二负极耳(12)，第二电极片(2)，第一正极耳(21)，第二正极耳(22)。第一负极耳(11)和第二负极耳(12) 分别位于第一电极片(1)的两端，第一正极耳(21)和第二正极耳(22)分别位于第二电极片(2)的两端，分别位于两端的原因是，在充放电过程中，电极极片两端的电流、电压差异最大。
图2设计的电极与隔膜经过卷绕形成的卷芯如图3所示，将该卷芯放入铝塑膜中封装、注液、化成后可以得到如图4所示的卷绕式多极耳电池。
在使用如图4所示的卷绕式多极耳电池时，第一正极耳和第一负极耳承担大电流充放电作用，第二负极耳和第二正极耳主要承担检测电极极片另一端电压内阻等电特性的作用。定义第一正极耳和第一负极耳之间的电压差为V0，第二正极耳和第二负极耳之间的电压差为 V1。当V0和V1差距较大时，外部控制电路可以选择关断保护、限制电流等保护措施，也可以通过辅助小电流减轻或消除电压差。
类似的，其极片可以如图5设计，这样经过卷绕、封装、注液、化成后得到如图6所示外形的极耳在两侧的卷绕式多极耳电池。类似的，可以再增加一对极耳，其极片可以如图7设计，这样经过卷绕、封装、注液、化成后得到如图8所示外形的卷绕式多极耳电池。
图4与图6的设计相比，图4的体积能量密度更高，因此优选的选用极耳在电芯同一侧引出的方案。
本发明还提供了一种使用该种卷绕式多极耳电池的终端，包括一个上述的多极耳卷绕式电池、至少两个含有保护电路的电池连接器、含有存储器和处理器的主板电路、充电电路和负载电路。其结构示意图可以如图10所示，充电电路可以给电池充电，负载电路为用电器件，主板电路可以读取两组不同的电池连接器中的保护电路的信息，当保护电路1或者保护电路 2到达保护阈值时，选择关断或限流动作，起到更好的保护作用。当电池的电极两端电压、阻抗等电性能指标差距过大时，主板电路也可以通过辅助的小电流给予补偿，从而减小或消除其差距。
这种终端也可以由两个或两个以上上述终端串联或并联或串并联组合而成。
对于容量大、电极面积大、电极长度长的卷绕式电池而言，在大电流充放电时，极片两端的电性能差距更大，这一结构的卷绕式多极耳电池和含有卷绕式多极耳电池的终端可能在需要高容量、大电流充放电的储能、电动汽车领域有着较好的应用。
本发明公开了一种卷绕式多极耳锂离子二次电池及终端。该电池有两个或两个以上正极耳和两个或两个以上负极耳，其中一对正/负极耳起到传统极耳的充放电电流传输的作用，其它的正负极耳起到电压内阻监测、以及电流微调的作用。该技术主要优势在于在电池的全寿命使用过程中，全程检测电池极片上各个位置的电压内阻分布，可以更好的监控电池的内阻、安全、寿命情况，防范安全事故的发生。该技术对于极片较长、极片面积较大的电池，以及大电流充放电的使用情况尤为适用。本发明同时公开了使用该锂离子二次电池的终端，用于控制、保护、平衡、修复该电池。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
在电池的全寿命使用过程中，全程检测电池极片上两端的电压内阻分布，可以更好的监控电池的内阻、安全、寿命情况，防范安全事故的发生。该技术对于极片较长、极片面积较大的电池，以及大电流充放电的使用情况尤为适用。
附图说明
图1传统单极耳卷绕电池电流分布示意图；
图2第一种极片结构设计示意图；
图3第一种卷芯截面图；
图4第一种多极耳电池外形图；
图5第二种极片结构示意图；
图6第二种多极耳电池外形图；
图7第三种极片结构示意图；
图8第三种多极耳电池外形图；
图9使用单极耳电池的终端功能结构示意图；
图10使用多极耳电池的终端功能结构示意图。
标记说明：
1 第一电极片(负极)
11 第一负极耳
12 第二负极耳
13 第三负极耳
2 第二电极片(正极)
21 第一正极耳
22 第二正极耳
23 第三正极耳
3 隔膜
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
电源电路广泛应用于现有能够同时采用电池以及交流电源供电的终端，这些终端由于采用电池供电，会同时为电池设计充电电路和放电电路，充电电路和放电电路均与电池的连接端相连接。为方便说明，本发明中仅以单一电池作为例子，实际上该终端可由多个电池串联或并联或串并联组合后为其供电。
电池制造说明：
正极极片的制备：正极活性材料钴酸锂、粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)导电剂Super-P按照96:2:2的重量比加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌匀浆制成正极浆料；将正极浆料双面涂布在正极集流体上，经过烘干、压实、分切、裁片、焊接极耳后得到正极极片。
负极极片的制备：负极活性材料人造石墨、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)，按照95:2.5:2.5的比例加入去离子水中搅拌匀浆制成负极浆料；将负极浆料双面涂布在负极集流体上，经过烘干、压实、分切、裁片、焊接极耳后得到负极极片。
电解液的制备：选用浓度为1M的六氟磷酸锂作为锂盐，以碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二乙酯(DEC)：碳酸甲乙酯(EMC)按照30:30:40的重量比作为溶剂，此外还含有其它确保性能的添加剂。
锂离子电池的制备：将根据前述工艺制备得到的负极极片和正极极片与隔膜进行组装，制得电池电芯，将电池电芯装入铝塑膜软包装中，向其内部注入电解液后封口，进行预充，并化成制得锂离子二次电池。
对比例
对比例为常规卷绕式锂离子电池，有一对正负极极耳，含有对比例电池的终端如图9所示，包括电池、一个含有保护电路的电池连接器、含有存储器和处理器的主板电路、充电电路和负载电路。在充放电时，保护电路和主板电路仅可获得如图1所示电极极片一端的电压和阻抗信息。
实施例1
极片结构如图2所示，包括第一电极片1，第一负极耳11，第二负极耳12，第二电极片 2，第一正极耳21，第二正极耳22。第一负极耳11和第二负极耳12分别位于第一电极片1的两端，第一正极耳21和第二正极耳22分别位于第二电极片2的两端。图2结构的电极与隔膜经过卷绕形成的卷芯如图3所示，将该卷芯放入铝塑膜中封装、注液、化成后可以得到如图4所示的卷绕式多极耳电池。
实施例2
极片结构如图5所示，包括第一电极片1，第一负极耳11，第二负极耳12，第二电极片 2，第一正极耳21，第二正极耳22。第一负极耳11和第二负极耳12分别位于第一电极片1的两端，第一正极耳21和第二正极耳22分别位于第二电极片2的两端。图5结构的电极与隔膜经过卷绕形成的卷芯如图3所示，将该卷芯放入铝塑膜中封装、注液、化成后可以得到如图6所示的卷绕式多极耳电池。图6所示的卷绕式多极耳电池经过组装匹配，可以得到如图10所示的终端。这一终端包括图6所示的电池，至少两个含有保护电路的电池连接器、含有存储器和处理器的主板电路、充电电路和负载电路。这一终端在工作时，主板电路可获得保护电路1提供的电极极片一端的电压和阻抗信息，也可以获得保护电路2提供的电极极片另一端的电压和阻抗信息。当任意一个保护电路到达保护阈值时，主板电路可以选择关断或限流动作，起到更好的保护作用。当电池的电极两端电压、阻抗等电性能指标差距过大时，主板电路也可以通过辅助的小电流给予补偿，从而减小或消除其差距。
实施例3
极片结构如图7所示，包括第一电极片1，第一负极耳11，第二负极耳12、第三负极耳 13，第二电极片2，第一正极耳21，第二正极耳22、第三正极耳23。第一负极耳11和第二负极耳12分别位于第一电极片1的两端，第三负极耳位于极片的中间，第一正极耳21和第二正极耳22分别位于第二电极片2的两端，第三正极耳位于极片的中间。图2结构的电极与隔膜经过卷绕后，将该卷芯放入铝塑膜中封装、注液、化成后可以得到如图8所示的卷绕式多极耳电池。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多极耳卷绕式电池，由一个或多个多极耳卷绕式卷芯、电解液、外壳和电极引出端构成，其特征在于：有两组或以上电极引出端，每组电极引出端包括至少一个正极引出端和至少一个负极引出端。
2.根据权利要求1所述的多极耳卷绕式卷芯，其特征在于：由第一电极片、第二电极片和隔离膜卷绕而成，第一电极片和第二电极片均由箔材、涂覆在箔材上的活性物质以及连接在箔材上的极耳组成，第一电极片和第二电极片上均有两个或以上数量的极耳。
3.根据权利要求2所述的多极耳卷绕式电池，其特征在于：极片上的多个极耳中，有两个极耳位于极片的两端。
4.根据权利要求1所述的多极耳卷绕式电池，其特征在于：两组电极引出端在电池外形的同一侧。
5.根据权利要求1所述的多极耳卷绕式电池，其特征在于：电池的外壳为金属塑料复合膜。
6.一种终端，其特征在于：所述终端包括一个权利要求1至5任一项所述的多极耳卷绕式电池、至少两个含有保护电路的电池连接器、含有存储器和处理器的主板电路、充电电路和负载电路。
7.一种终端，其特征在于：由两个或两个以上如权利要求6所述的终端串联或并联或串并联组合而成。
8.根据权利要求6所述的一种终端，其特征在于：该终端的主板电路可以读取两组不同的电池连接器中的保护电路的信息，根据两组保护电路的信息，选择关断或限流或恢复输入输出电流。
9.根据权利要求6所述的一种终端，其特征在于：该终端的主板电路可以根据两组不同的电池连接器反馈的信息数据，对该电池的两组极耳的输入输出电流进行分别控制。
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