CN109244598B - 一种具有快速加热功能的复合正极极片、及采用其的电芯和电池 - Google Patents

一种具有快速加热功能的复合正极极片、及采用其的电芯和电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有快速加热功能的复合正极极片、及采用其的电芯和电池。所述复合正极极片包括两个正极片和至少一层热阻片，热阻片与正极片之间通过隔膜隔开，当所述热阻片的层数为两层以上时，相邻热阻片之间通过隔膜隔开，所述热阻片上设置有至少一个热阻片极耳。本发明的复合正极极片结构新颖，通过将热阻片极耳与外置电源或内置电源连接，通电后可以实现对复合正极极片的快速加热，这种加热方式热传导快，电芯内部产热均匀，有利于更好地控制电芯电压窗口，产生的热量大多能精准提升极片温度，热效率高，而且，该复合正极极片能提升电芯的容量效率和循环性能。

Description

一种具有快速加热功能的复合正极极片、及采用其的电芯和 电池
技术领域
本发明属于电池技术领域，涉及一种复合正极极片、及采用其的电芯和电池，尤其涉及一种具有快速加热功能的复合正极极片、及采用其的电芯和电池快速加热，提升电芯低温下放电性能。
背景技术
目前新能源汽车和储能获得了快速的发展，其中的核心部件为锂离子动力电池。锂离子动力电池包含正极、负极和电解液。目前使用的电解液一般为液态。液态电解液中由于自身的凝固点较高，因此低温性能变差，如0℃以下等，会导致功率降低或者无法放电等。尤其在军工领域或寒冷的北方，对于低温性能有更大的要求。
目前的解决方案是通过在模组中内置风冷和液冷或加热板使电芯加热。然而，这些方法加热时间都非常长，导致客户需要启动时或使用时需要较长的时间，而且加热不均匀，限制了电芯的使用温度窗口。这些都严重影响客户体验和使用效果。
CN 205882128U公开了一种电芯加热模块，包括电芯阵列和加热膜，所述电芯阵列包括多个单体电芯，所述加热膜环绕设置于多个单体电芯之间，所述加热膜的两端分别引出电芯阵列的外部，且加热膜的两端分别电连接有正极引出端和负极引出端。一方面，通过加热膜与电芯的侧壁直接接触，不需要通过空气进行传导，使加热膜产生的热量快速传递至单体电芯上，提高加热效率；另一方面，通过加热膜环绕于电芯阵列内部的同时，能够使电芯阵列内部和外部的单体电芯同时得到加热，避免了不同位置单体电芯加热温度不一致的问题，进而保证各单体电芯输出电压的一致性。但是，这种方式装配复杂，加热膜加热效率较低，无法从极片层级对电芯加热，加热一致性仍然较差。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种具有快速加热功能的复合正极极片、及采用其的电芯和电池。
本发明所述“快速加热功能”指：通过外电路或内电路对复合正极极片进行加热，可以在极片层级加热电芯，传递速度快，加热一致性好。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种复合正极极片，所述复合正极极片包括两个正极片和至少一层热阻片，热阻片与正极片之间通过隔膜隔开；
当所述热阻片的层数为两层以上时，相邻热阻片之间通过隔膜隔开；
所述热阻片上设置有至少一个热阻片极耳。
本发明所述复合正极极片的结构，相当于所述复合正极极片包括两个正极片及置于正极片之间的热阻三明治结构，热阻三明治结构包含隔膜和热阻片，热阻片和正极片之间通过隔膜隔开，热阻片和热阻片之间通过隔膜隔开。
本发明的复合正极极片具有快速加热功能，通过将热阻片极耳与外置电源或内置电源连接，通电后可以实现对复合正极极片的快速加热。其中，将热阻片极耳与内置电源连接以实现加热指：电池本身对其进行加热而无需外加电源。
以下列举本发明所述复合正极极片的两种优选技术方案，具体如下：
第一种优选技术方案：
此优选技术方案提供一种复合正极极片，所述复合正极极片包括两个正极片，且两个正极片之间含有一层热阻片，热阻片与两个正极片之间均通过隔膜隔开。
第二种优选技术方案：
此优选技术方案提供一种复合正极极片，所述复合正极极片包括两个正极片，且两个正极片之间含有两层以上热阻片，热阻片与相邻正极片之间通过隔膜隔开，相邻热阻片之间通过隔膜隔开。
优选地，所述复合正极极片中的隔膜包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或无纺布隔膜中的任意一种或至少两种形成的复合材料。但并不限于上述列举的种类，其他本领域常用的隔膜种类也可用于本发明。
作为本发明所述复合正极极片的优选技术方案，所述热阻片的厚度在5μm～100μm，例如5μm、8μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、65μm、70μm、75μm、85μm、90μm或100μm等。若厚度小于5μm，会导致热阻片过薄易断；若厚度大于100μm，会降低电芯的能量密度。
优选地，所述复合正极极片包含1～100层热阻片，所述层数例如1层、2层、3层、4层、5层、7层、10层、15层、20层、25层、30层、35层、40层、45层、50层、55层、60层、70层、75层、80层、90层或100层等，优选包含1-5层热阻片。
优选地，所述正极片为单面正极片或双面正极片中的任意一种，所述单面正极片为：该正极片仅在一侧表面具有含正极活性物质的浆料层，所述双面正极片为：该正极片在两侧表面均具有含正极活性物质的浆料层。
更优选地，所述正极片为单面正极片，且单面正极片的浆料层朝向复合正极极片的内部。
优选地，所述热阻片极耳与外置电源或内置电源连接，用于实现对复合正极极片的加热功能。
优选地，所述热阻片上设置有至少两个热阻片极耳。
优选地，所述至少两个热阻片极耳在热阻片上呈均匀分布。
本发明对热阻片极耳的朝向不作限定，设置在热阻片上的至少两个热阻片极耳的朝向可以相同，也可以不同。
本发明所述热阻片的材质包括铝、镍、铜、锌、铁或复合陶瓷中的任意一种的单一材质或至少两种隔成的复合材质。
第二方面，本发明提供一种裸电芯，包括正极、隔膜和负极，所述正极和负极分别位于隔膜两侧，所述正极为第一方面所述的复合正极极片，或者复合正极极片与正极片的组合。此处所述正极片为现有技术的正极片，例如是由正极集流体及形成于其上的含正极活性物质的浆料层构成的正极片，可以是单面正极片，也可以是双面正极片，所述单面正极片为：该正极片仅在一侧表面具有含正极活性物质的浆料层，所述双面正极片为：该正极片在两侧表面均具有含正极活性物质的浆料层。
本发明中，对裸电芯中的隔膜的具体种类不作限定，可以与复合正极极片中的隔膜种类相同，也可以不同。
本发明所述裸电芯可以是卷绕型电芯，也可以是叠片型电芯。
本发明对所述裸电芯的装配方式不作限定，可以是从正极往负极叠片或卷绕放置，也可以是从负极往正极叠片或卷绕放置。
优选地，所述裸电芯中，正极和负极上分别设置有正极极耳和负极极耳。所述正极极耳和负极极耳用于与电芯的顶盖连接。
本发明对正极极耳和负极极耳的朝向不作限定，朝向可以相同，也可以不同。
第三方面，本发明提供一种电芯，所述电芯包含第二方面所述的裸电芯。
本发明通过把负极、隔膜和正极(具体为：复合正极极片，或者复合正极极片与正极片的组合)进行卷绕或叠片，组成为裸电芯，通过内置电源或外置电源连接复合正极极片中的热阻片极耳，通电后使热阻片快速发热，进而从极片层级加热电芯，达到快速和均匀提升电芯温度的效果。
采用该裸电芯制备电芯的方法例如可以是：在正极和负极上分别设置正极极耳和负极极耳，将正极极耳和负极极耳分别与顶盖连接，将热阻片极耳引出到电芯外部，通过外电路控制策略控制加热，密封后、注入电解液，组装成电芯。
第四方面，本发明提供一种电池，所述电池包含第二方面所述的裸电芯。
本发明所述电池可以是软包电池，也可以是方形铝壳电池，还可以是圆柱电池。
本发明所述电池可以是锂离子电池、镍氢电池或其他类似的由正极、负极和隔膜组成的电池体系。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种新型结构的复合正极极片，其具有快速加热功能，以其制成电芯结构，通过内置电源或外置电源与热阻片极耳连接形成内电路或外电路，可以对此结构进行供电产热，可以从极片层级达到快速加热电芯的目的。
(2)本发明的复合正极极片的结构简单，在原有卷绕或叠片结构的基础上，增加热阻三明治结构，对卷绕设备或叠片设备的变动较小，操作简单方便，提升了电芯加工效率，成本低，适合工业化生产。
(3)本发明的复合正极极片结构设计新颖，能在极片层级加热电芯，可以快速提升电芯温度，并恒温在某一温度范围，大大提升了使用体验；这种加热方式热传导快，电芯内部产热均匀，有利于更好地控制电芯电压窗口，产生的热量大多能精准提升极片温度，热效率高，特别是在低温启动和低温应用中具有非常好的效果；
而且，本发明的复合正极极片能提升电芯的容量效率和循环性能。
(4)本发明的电芯能在使用前进行预热，也能在使用时同时加热，很好地提升了客户的低温条件下加热体验。
附图说明
图1是实施例1的复合正极极片的结构示意图，其中，1为复合正极极片，2为正极片，3为热阻三明治结构，301为热阻片，302为隔膜，4为热阻片极耳，5为正极极耳。
图2是实施例4和实施例5实验组裸电芯的装配方式示意图，其中，1为复合正极极片，2为正极片，3为热阻三明治结构，301为热阻片，302为第二隔膜，4为热阻片极耳，5为正极极耳，6为负极极耳，7为第一隔膜，8为负极。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：
本实施例提供一种复合正极极片1，所述复合正极极片1包括两个正极片2，两个正极片2之间设置有热阻三明治结构3，所述热阻三明治结构3包含两层隔膜302和置于两层隔膜302中间的一层热阻片301，所述热阻片301上设置有一定间距的两个热阻片极耳4。其中，所述正极片2为单面正极片，且单面正极片的浆料层朝向复合正极极片1的内部。
由以上结构可知，所述热阻片301与两个正极片2之间均通过隔膜302隔开。
本实施例的复合正极极片，通过内置电源或外置电源与热阻片极耳连接，通电后可以产热，从极片层级达到快速加热的目的。
优选地，本实施例的复合正极极片1还包括设置于复合正极极片1上的正极极耳5，其作用是在后续制备电芯时与顶盖连接。具体可以是设置到正极片2的集流体(比如铝箔)部分。
本实施例的复合正极极片的结构示意图参见图1。
实施例2
除将正极片2替换为双面正极片外，其他结构与实施例1相同。
本实施例的复合正极极片，通过内置电源或外置电源与热阻片极耳连接，通电后可以产热，从极片层级达到快速加热的目的。
实施例3
本实施提供一种电芯，包括正极、隔膜和负极，所述正极和负极分别位于隔膜两侧，所述正极为实施例1的复合正极极片，电芯的装配方式为：按照……负极、隔膜、复合正极极片、隔膜、负极、隔膜、复合正极极片、隔膜、负极……的顺序进行放置上述各部分，然后进行卷绕，得到裸电芯。
在正极和负极上分别设置正极极耳和负极极耳，将正极极耳和负极极耳分别与顶盖连接，将热阻片极耳引出到电芯外部，通过外电路控制策略控制加热，密封后、注入电解液，组装成电芯。
本实施例的复合正极极片，通过外电路通电产热，从极片层级达到快速加热电芯的目的。
实施例4
对比组：采用正极、负极和隔膜，按正常的方式卷绕成裸电芯，并制作成电芯，电芯在裸电芯中间内置感温线。12个电芯串联组成1P12S模组，模组侧边上加装加热片。
实验组：本实验组提供一种裸电芯及采用其组装成的电芯，裸电芯的装配方式如图2所示：按照……负极8、第一隔膜7、正极片2、第二隔膜302、热阻片301、第二隔膜302、正极片2、第一隔膜7、负极8、第一隔膜7……的装配方式，按层叠顺序卷绕成裸电芯。电芯在裸电芯中间内置感温线，然后组装成电芯，12个电芯串联组成1P12S模组，模组侧边上不加装加热片；
其中，两个第二隔膜302和位于这两个第二隔膜302中间的热阻片301构成热阻三明治结构3，两个正极片2和位于这两个正极片2中间的热阻三明治结构3构成复合正极极片1，热阻片301上设置有一定间距的热阻片极耳4，复合正极极片1和负极8上分别设置有正极极耳5和负极极耳6，正极极耳5和负极极耳6用于与电芯的顶盖进行连接；
所述负极8为双层负极片，所述正极片2为单层正极片，第一隔膜7和第二隔膜302的组成可以相同也可以不同。
测试流程：-30℃下，分别对本实施例中对比组的加热片通电加热和实验组的热阻片通电加热。记录电芯达到0℃的时间，达到0℃后，测试1C下的放电容量1次，除以常温容量得到容量效率，测试结果参见表1。
表1测试结果
达到0℃时间/min 容量效率/％
对比组 5.2 75
实验组 0.5 90
改善 4.7 15
实施例5
对比组：采用正极、负极和隔膜，按正常的方式卷绕成裸电芯，并制作成电芯，电芯在裸电芯中间内置感温线。12个电芯串联组成1P12S模组，模组底部液体加热板。
实验组：本实验组提供一种裸电芯及采用其组装成的电芯，裸电芯的装配方式如图2所示：按照……负极8、第一隔膜7、正极片2、第二隔膜302、热阻片301、第二隔膜302、正极片2、第一隔膜7、负极8、第一隔膜7……的装配方式，按层叠顺序叠片成裸电芯。电芯在裸电芯中间内置感温线，然后组装成电芯12个电芯串联组成1P12S模组，模组底部无加热板。
其中，两个第二隔膜302和位于这两个第二隔膜302中间的热阻片301构成热阻三明治结构3，两个正极片2和位于这两个正极片2中间的热阻三明治结构3构成复合正极极片1，热阻片301上设置有一定间距的热阻片极耳4，复合正极极片1和负极8上分别设置有正极极耳5和负极极耳6，正极极耳5和负极极耳6用于与电芯的顶盖进行连接；
所述负极8为双层负极片，所述正极片2为单层正极片，第一隔膜7和第二隔膜302的组成可以相同也可以不同。
测试流程：-40℃下，分别对本实施例中对比组的加热板通电加热和对实验组的热阻片通电加热。记录电芯达到0℃的时间，达到0℃后，测试1C下的放电容量1次，除以常温容量得到容量效率。
表2测试结果
达到0℃时间/min 容量效率/％
对比组 7.3 74
实验组 1.6 85
改善 6.7 11
由以上实施例可知，本发明的复合正极极片具有快速均匀加热功能，采用其的电芯能在极片层级实现加热，快速提升电芯温度，这种加热方式热传导快，电芯内部产热均匀有利于更好地控制电芯电压窗口，热效率高，容量效率高。而且，本发明的复合正极极片能提升电芯的加热速度，有利于使电芯保持在合适的温度下使用，提升电池的循环性能，增加客户使用体验。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (21)

1.一种复合正极极片，其特征在于，所述复合正极极片包括两个正极片，且两个正极片之间含有至少一层热阻片，热阻片与正极片之间通过隔膜隔开；
当所述热阻片的层数为两层以上时，相邻热阻片之间通过隔膜隔开；
所述热阻片上设置有至少一个热阻片极耳。
2.根据权利要求1所述的复合正极极片，其特征在于，所述复合正极极片中的隔膜包括聚丙烯、聚乙烯或无纺布隔膜中的任意一种或至少两种形成的复合材料。
3.根据权利要求1所述的复合正极极片，其特征在于，所述热阻片的厚度在5μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的复合正极极片，其特征在于，所述复合正极极片包含1～100层热阻片。
5.根据权利要求4所述的复合正极极片，其特征在于，所述复合正极极片包含1-5层热阻片。
6.根据权利要求1所述的复合正极极片，其特征在于，所述正极片为单面正极片或双面正极片中的任意一种，所述单面正极片为：该正极片仅在一侧表面具有含正极活性物质的浆料层，所述双面正极片为：该正极片在两侧表面均具有含正极活性物质的浆料层。
7.根据权利要求6所述的复合正极极片，其特征在于，所述正极片为单面正极片，且单面正极片的浆料层朝向复合正极极片的内部。
8.根据权利要求1所述的复合正极极片，其特征在于，所述热阻片极耳与外电路或内电路连通。
9.根据权利要求1所述的复合正极极片，其特征在于，所述热阻片上设置有至少两个热阻片极耳。
10.根据权利要求9所述的复合正极极片，其特征在于，所述至少两个热阻片极耳在热阻片上呈均匀分布。
11.根据权利要求9所述的复合正极极片，其特征在于，设置在热阻片上的至少两个热阻片极耳的朝向相同或不同。
12.根据权利要求1所述的复合正极极片，其特征在于，所述热阻片的材质包括铝、镍、铜、锌、铁或复合陶瓷中的任意一种的单一材质或至少两种组成的复合材质。
13.一种裸电芯，包括正极、隔膜和负极，所述正极和负极分别位于隔膜两侧，其特征在于，所述正极为权利要求1-12任一项所述的复合正极极片，或者复合正极极片与正极片的组合。
14.根据权利要求13所述的裸电芯，其特征在于，所述裸电芯中的隔膜与所述复合正极极片中的隔膜种类相同或不同。
15.根据权利要求13所述的裸电芯，其特征在于，所述裸电芯为卷绕型电芯或叠片型电芯中的任意一种。
16.根据权利要求13所述的裸电芯，其特征在于，所述裸电芯的装配方式为：从正极往负极叠片或卷绕放置，或者，从负极往正极叠片或卷绕放置。
17.根据权利要求13所述的裸电芯，其特征在于，所述裸电芯中，正极和负极上分别设置有正极极耳和负极极耳。
18.一种电芯，其特征在于，所述电芯包含权利要求13-17任一项所述的裸电芯。
19.一种电池，其特征在于，所述电池包含权利要求13-17任一项所述的裸电芯。
20.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述电池包括软包电池、方形铝壳电池或圆柱形电池中的任意一种。
21.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述电池包括锂离子电池或镍氢电池中的任意一种。
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