CN109193022A - 一种异型锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异型锂离子电池，该异型锂离子电池包括：两个宽度相同长度不同的电芯、包覆在两个所述电芯外部的壳体和填充在所述壳体内部的电解液；其中，两个所述电芯的对应极耳相对设置且两个所述电芯叠放设置，以使所述电池呈阶梯状。本发明通过两个宽度相同长度不同的电芯对应极耳相对设且叠放设置，使得该电池呈阶梯状，以最大尺度的利用空间，提升电池的容量即提高设备电池的能量，进而延长了电池的续航时间，保证了续航能力，以提高该电池的使用时间，从而使该电池在智能可穿戴设备、无人机、巡检机器人等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种异型锂离子电池。
背景技术
锂离子电池因其具备良好的容量特性、功率特性、循环性能、自放电性能和安全特性，在各个领域得到了广泛的应用。
目前常用的锂离子电池有2种形状：圆形和方形，圆形电池由于受制备工艺的限制，电池容量通常不大（5Ah以下），主要应用于笔记本电脑、电动工具、电动自行车等场景；方形电池的容量则根据应用场景的不同，设计时的电池容量存在很大差异，容量小的只有几十毫安时到几百毫安时，主要应用于便携时电子设备中，容量大的则有上百安时，主要应用在电动汽车和储能领域。
近年来，智能可穿戴设备和无人机等得到广泛应用。智能可穿戴设备作为智能终端产业下一个热点已被市场广泛认同。目前可穿戴设备存在的最大问题是电池续航时间短，普通的智能手表电池使用时间在24小时左右，如果开启更多功能耗电量会增加，这样使用者不得不每天充电两次才能正常使用。无人机目前主要也是采用常规型号的电池，由于其内部留给电池的空间有限，常规型号电池不能重复利用装置的内部空间，导致出现工作时间短的问题，目前无人机最大的问题就是电池一次充电使用时间短，使用时间一般都在1小时以内,很大程度上限制了无人机的推广应用。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种异型锂离子电池，旨在解决现有锂离子电池续航时间段致使电池使用时间短的问题。
本发明提出了一种异型锂离子电池，该异型锂离子电池包括：两个宽度相同长度不同的电芯、包覆在两个所述电芯外部的壳体和填充在所述壳体内部的电解液；其中，两个所述电芯的对应极耳相对设置且两个所述电芯叠放设置，以使所述电池呈阶梯状。
进一步地，上述异型锂离子电池，各所述电芯均通过叠片工艺制作而成，其包括：正极片、负极片和设置在所述正极片与所述负极片之间的隔膜。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述正极片的各边长度均小于其对应的所述负极片对应的各边长度，所述负极片的各边长度均小于其对应的所述隔膜对应的各边长度。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述正极片由铝箔、正极材料、导电剂通过粘结剂粘合而成；其中，所述铝箔的厚度小于或等于20μm。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述正极材料为三元镍钴锰材料、三元镍钴铝材料、钴酸锂材料或富锂锰基材料；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纳米管中的一种或两种的组合，其用量不超过所述正极片质量的4%；所述粘结剂为聚偏氟乙烯，其用量不超过所述正极片质量的4.5%。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述负极片由铜箔、负极材料、导电剂通过粘结剂粘合而成；其中，所述铜箔的厚度为小于或等于12μm。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述负极材料为高容量人造石墨或硅碳复合材料；所述导电剂为炭黑、导电石墨、石墨烯中的一种或两种的组合，其用量不超过所述负极片质量的3.0%；所述粘结剂为聚偏氟乙烯，其用量不超过所述负极片质量的4.5%。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述隔膜为聚乙烯单层膜；或，所述隔膜（13）为聚丙烯膜、聚乙烯膜、和聚丙烯组成的复合膜。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述电解液的浓度在1.0-1.5M/L之间，其电解质为六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的两种或三种的组合。
进一步地，上述异型锂离子电池，所述电解液的注液量根据所述电池的电池容量计算。
本发明提供的异型锂离子电池，通过两个宽度相同长度不同的电芯对应极耳相对设且叠放设置，使得该电池呈阶梯状，以最大尺度的利用空间，提升电池的容量即提高设备电池的能量，进而延长了电池的续航时间，保证了续航能力，以提高该电池的使用时间，从而使该电池在智能可穿戴设备、无人机、巡检机器人等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的异型锂离子电池的主视图；
图2为本发明实施例提供的异型锂离子电池的侧视图；
图3为本发明实施例提供的第一电芯的第一正极片的主视图；
图4为本发明实施例提供的第一电芯的第一负极片的主视图；
图5为本发明实施例提供的第二电芯的第二正极片的主视图；
图6为本发明实施例提供的第二电芯的第二负极片的主视图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1和图2，其示出了本发明实施例提供的异型锂离子电池的结构示意图，异型锂离子电池包括：两个电芯1、壳体2以及电解液；其中，两个电芯1的宽度相同长度不同，两者的对应极耳相对设置即两个电芯1的正极耳111相对设置，两个电芯1的负极耳121相对设置，对应极耳之间均可通过超声波焊接机将其焊接；为重复利用电池所在装置内的内部空间例如智能可穿戴设备或无人机的内部空间，两个电芯1叠放设置，以使该异型锂离子电池的极耳端（如图2所示的上端）的厚度大于排气端（如图2所示的下端）的厚度，即该异型锂离子电池呈阶梯状，进而最大尺度的利用空间，提升了电池的容量，进而延长了电池的续航时间，保证了续航能力，以提高该电池的使用时间。
继续参见图1和图2，壳体2通过将铝塑膜材料包覆在两个所述电芯1的外部，并在高温下封装而形成，极大地降低了电池外壳的厚度，在电池厚度一定的前提下，有效地增大了电池的内部化成反应空间，进而提升了电池的续航能力；同时，为了方便后续电解液注入异性锂离子电池内部，并确保化成过程中产生的气体能够顺利的从所述异性锂离子电池内部排出，所述壳体2的底部（如图1所示的下端）还加封有排气管21，用作注液和排气，所述排气管21在化成作用完成之后可通过热封机封断。此外，两个电芯1的正极耳111和负极耳121均穿设于壳体2设置在壳体2外部，以便于电流的输出和输入。其中，封装温度为190-230℃。
电解液通过加封在所述壳体2底部的排气管21注入、并填充在所述壳体2内部的空隙中，以保证后续过程中所述异性锂离子电池化成作用的顺利进行，并确保所述异性锂离子电池功能的正常发挥。其中，注液量按照电池容量计算，每Ah注液量在6-8g之间；注液后可静置12-24h后，进行预充化成。
显然可以得知，本实施例中提供的异型锂离子电池，通过两个宽度相同长度不同的电芯1对应极耳相对设且叠放设置，使得该电池呈阶梯状，以最大尺度的利用空间，提升电池的容量即提高设备电池的能量，进而延长了电池的续航时间，保证了续航能力，以提高该电池的使用时间，从而使该电池在智能可穿戴设备、无人机、巡检机器人等领域具有广泛的应用前景。
继续参见图1和图2，电芯1由正极片11、负极片12以及设置在所述正极片与所述负极片之间的隔膜13通过叠片工艺制作而成，其中，正极片11、负极片12和隔膜13为长方形，以便使得其便于制造和量化生产，降低制造成本。其中，正极片11的上方左侧设有正极耳111，负极片12的上方右侧设有负极耳121，以便实现电流的输入或输出。
例如，本实施例以两个电芯1分别为第一电芯1a和第二电芯1b为例进行说明，第一电芯1a由第一正极片11a、第一负极片12a以及第一隔膜13a组成，第一正极片11a的上方左侧设有第一正极耳111a，第一负极片12a的上方右侧设有第一负极耳121a；第二电芯1b由第二正极片11b、第二负极片12b以及第二隔膜13b组成，第二正极片11b的上方左侧设有第二正极耳111b，第二负极片12b的上方右侧设有第二负极耳121b；其中，第一正极片11a长度范围80-140mm，宽度范围70-120mm，第二正极片11b长度范围50-70，宽度范围70-120；第一负极片12a尺寸在长度和宽度方向均比第一正极片11a大2-4mm，第二负极片12b尺寸在长度和宽度方向均比第二正极片11b大2-4mm；第一隔膜13a尺寸在长度和宽度方向均比第一负极片12a大2-4mm，第二隔膜13b尺寸在长度和宽度方向均比第二负极片12b大2-4mm。
同时，为了进一步保证隔膜阻隔作用的正常发挥，并增大所述锂离子电池的容量，每个电芯1的正极片11的各边长度均小于该电芯对应的负极片12对应的各边长度，并且额，每个电芯1的负极片12的各边长度均小于该电芯对应的隔膜13对应的各边长度；也就是说，对于两个电芯1而言，每个电芯1中，正极片11的长小于负极片12的长，正极片11的宽小于负极片12的宽，负极片12的长小于隔膜13的长，负极片12的宽小于隔膜13的宽。其中，长宽长度差可根据实际情况确定，例如可为2-4mm。
具体而言，正极片由铝箔、正极材料、导电剂、粘结剂组成；铝箔厚度不超过20μm，正极材料采用三元镍钴锰材料、三元镍钴铝材料、钴酸锂材料、富锂锰基材料中的一种；导电剂采用炭黑、导电石墨、碳纳米管中的1种或2种，用量不超过4%（质量百分比）；粘结剂采用聚偏氟乙烯（PVDF），用量不超过4.5%（质量百分比）；溶剂采用N-甲基吡咯烷酮（NMP），纯度不低于99.5%。负极片由铜箔、负极材料、导电剂、粘结剂组成；铜箔厚度不超过12μm，负极材料采用人造石墨或硅碳复合材料；导电剂采用炭黑、导电石墨、石墨烯中的1种或2种，用量不超过3.0%（质量百分比），粘结剂采用聚偏氟乙烯（PVDF），用量不超过4.5%（质量百分比），相同面积负极片容量相对正极片过量5-10%。隔膜采用聚乙烯（PE）单层隔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯（PP/PE/PP）三层复合隔膜，厚度不超过35μm；电解液采用LiPF6为电解质，采用碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）中的2种或3种作为溶剂，电解液浓度在1.0-1.5M/L之间；电池采用铝塑膜材料进行封装，铝塑膜厚度不超过155μm。
其中，电池容量可通过调整极片的尺寸和和数量来调节，容量调节范围为0.5-20Ah，厚度调节范围为3-12mm，电池在0.3C倍率放电时的质量能量密度大于180Wh/kg，最大持续放电电流2C，最大瞬间放电电流4C（大于15s）。
参见图1至图6，异性锂离子电池的制备过程：
（1）正极片制备：①在室温环境下将粘结剂PVDF和溶剂NMP在搅拌罐中混合搅拌，直至PVDF完全溶解；②加入导电剂，高速搅拌0.5-1小时；③加入正极活性物质搅拌10-20min，再加入NMP来调节浆料粘度至合适的范围，搅拌3-4小时；④对搅拌罐内抽真空至真空度≤-0.08MPa，再搅拌0.5-1小时；⑤将搅拌好的浆料转移至涂布机料槽，进行电极涂布，涂布方式采用双面间歇式涂布；⑥将涂布好的极片进行辊压，压实比控制在2.5-3.6之间；⑦通过切片机，将辊压后的正极片切成第一正极片11a和第二正极片11b的尺寸。
（2）负极片制备：①在室温环境下将粘结剂PVDF和溶剂NMP在搅拌罐中混合搅拌，直至PVDF完全溶解；②加入导电剂，高速搅拌0.5-1小时；③加入负极活性物质搅拌20-30min，再加入NMP来调节浆料粘度至合适的范围，搅拌2-4小时；④对搅拌罐内抽真空至真空度≤-0.08MPa，再搅拌0.5-1小时；⑤将搅拌好的浆料转移至涂布机料槽，进行电极涂布，涂布方式采用双面间歇式涂布；⑥将涂布好的极片进行辊压，压实比控制在1.2-1.6之间；⑦通过切片机，将辊压后的负极片切成第一负极片12a和第二负极片12b的尺寸。
（3）电芯装配：通过切片机将隔膜裁切成第一隔膜13a和第二隔膜13b的尺寸，将第一正极片11a、第一负极片12a和第一隔膜13a通过叠片方式进行装配组装为第一电芯1a，然后在此基础上将第二正极片11b、第二负极片12b和第二隔膜13b通过叠片方式进行装配组装为第二电芯1b，采用超声波焊接机分别进行正负极耳的焊接，然后用铝塑膜对电芯进行封装，封边宽度5-6mm，封装温度190-230℃，封装时在极耳相对的一侧封装一个排气管21，用作注液和排气。
（4）注液化成：通过排气管21将电解液注入电池内，注液量按照电池容量计算，每Ah注液量在6-8g之间，然后静置12-24h，进行预充化成。预充采用0.1C倍率对电池充放电1次，化成采用0.2C对电池充放电2次，通过排气管及时排出预充化成过程中产生的气体，化成结束后，用热封机将排气管封断，得到异型锂离子电池。
综上，本实施例提供的异性锂离子电池，通过两个宽度相同长度不同的电芯1对应极耳相对设且叠放设置，使得该电池呈阶梯状，以最大尺度的利用空间，提升电池的容量即提高设备电池的能量，进而延长了电池的续航时间，保证了续航能力，以提高该电池的使用时间，从而使该电池在智能可穿戴设备、无人机、巡检机器人等领域具有广泛的应用前景。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种异型锂离子电池，其特征在于，包括：两个宽度相同长度不同的电芯（1）、包覆在两个所述电芯（1）外部的壳体（2）和填充在所述壳体（2）内部的电解液；其中，
两个所述电芯（1）的对应极耳相对设置且两个所述电芯（1）叠放设置，以使所述电池呈阶梯状。
2.根据权利要求1所述的异型锂离子电池，其特征在于，
各所述电芯（1）均通过叠片工艺制作而成，其包括：正极片（11）、负极片（12）和设置在所述正极片（11）与所述负极片（12）之间的隔膜（13）。
3.根据权利要求2所述的异型锂离子电池，其特征在于，
所述正极片（11）的各边长度均小于其对应的所述负极片（12）对应的各边长度，所述负极片（12）的各边长度均小于其对应的所述隔膜（13）对应的各边长度。
4.根据权利要求2所述的异型锂离子电池，其特征在于，所述正极片（11）由铝箔、正极材料、导电剂通过粘结剂粘合而成；其中，
所述铝箔的厚度小于或等于20μm。
5.根据权利要求4所述的异型锂离子电池，其特征在于，
所述正极材料为三元镍钴锰材料、三元镍钴铝材料、钴酸锂材料或富锂锰基材料；
所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纳米管中的一种或两种的组合，其用量不超过所述正极片质量的4%；
所述粘结剂为聚偏氟乙烯，其用量不超过所述正极片质量的4.5%。
6.根据权利要求2所述的异型锂离子电池，其特征在于，所述负极片（12）由铜箔、负极材料、导电剂通过粘结剂粘合而成；其中，
所述铜箔的厚度为小于或等于12μm。
7.根据权利要求6所述的异型锂离子电池，其特征在于，
所述负极材料为高容量人造石墨或硅碳复合材料；
所述导电剂为炭黑、导电石墨、石墨烯中的一种或两种的组合，其用量不超过所述负极片质量的3.0%；
所述粘结剂为聚偏氟乙烯，其用量不超过所述负极片质量的4.5%。
8.根据权利要求2所述的异型锂离子电池，其特征在于，
所述隔膜（13）为聚乙烯单层膜；或，
所述隔膜（13）为聚丙烯膜、聚乙烯膜、和聚丙烯组成的复合膜。
9.根据权利要求8所述的异型锂离子电池，其特征在于，
所述电解液的浓度在1.0-1.5M/L之间，其电解质为六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的两种或三种的组合。
10.根据权利要求1至3任一项所述的异型锂离子电池，其特征在于，所述电解液的注液量根据所述电池的电池容量计算。
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