CN109244599A - 一种具有快速加热功能的复合负极极片、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负极极片、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负极极片、及采用其的电芯和电池。所述复合负极极片包括两个负极片和至少一层热阻片，热阻片与负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。本发明的复合负极极片结构新颖，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负极极片的快速加热，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，该复合负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负极极片、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，涉及一种复合负极极片、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负极极片、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
固态电池由于能量密度高和高的安全性能，是未来具有巨大潜力的动力电池。然而，固态电池由于使用固态电解质，低温和常温下电导率较低，需要在较高的温度下使用，部分固态电池需要在60℃的高温下才能正常工作。目前固态电池现有技术中通常采用外部加热的方式来提升电池组的环境温度，从而使固态电池达到可正常工作的温度。但外部加热，传输到电芯内部时间会比较长，且不同位置的温度不一致，这样影响电芯的使用效果。
CN 108336454A公开了一种具备自加热功能的固态电池，所述固态电池包括电芯和容纳电芯的外壳，所述电芯包括正极片、负极片、以及设置在正极片和负极片之间的固态电解质层，所述正极片设置有正极耳，所述负极片设置有负极耳，所述电芯一侧设置有金属薄片，该固态电池利用短路时金属薄片上的热效应来实现其自加热功能。保证了固态电池在低温环境下正常启动，降低了设计成本、热管理成本，提升了固态电池的可靠性。但是，该固态电池仅限于在电池短路时发挥自加热功能，其应用场景受限，用户体验差，且在电芯外部加热的方式存在加热速度慢、产热速率和温度均一性差的问题。
有鉴于此，确有必要对现有的固态电池作进一步的改进，以实现更快的加热速度，有效提升产热速率和温度一致性，提升客户使用体验。
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负极极片、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负极极片进行加热，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负极极片，所述复合负极极片包括两个负极片和至少一层热阻片，热阻片与负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。
本发明所述复合负极极片的结构，相当于所述复合负极极片包括两个负极片及置于负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，热阻片和负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。
本发明的复合负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负极极片的快速加热。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负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负极极片，所述复合负极极片包括两个负极片，且两个负极片之间含有一层热阻片，热阻片与两个负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负极极片，所述复合负极极片包括两个负极片，且两个负极片之间含有两层以上热阻片，热阻片与相邻负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负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，所述复合负极极片包含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，所述负极片为单面负极片或双面负极片中的任意一种，所述单面负极片指：该负极片仅在一侧表面具有含负极活性物质的浆料层，所述双面负极片指：该负极片在两侧表面均具有含负极活性物质的浆料层。
更优选地，所述负极片为单面负极片，且单面负极片的浆料层朝向复合负极极片的内部。
优选地，所述热阻片极耳与外置电源或内置电源连接，用于实现对复合负极极片的加热功能。
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，所述负极为第一方面所述的复合负极极片，或者复合负极极片与负极片的组合。此处所述负极片为现有技术的负极片，例如是由负极集流体及形成于其上的含负极活性物质的浆料层构成的负极片，可以是单面负极片，也可以是双面负极片，所述单面负极片为：该负极片仅在一侧表面具有含负极活性物质的浆料层，所述双面负极片为：该负极片在两侧表面均具有含负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，可以与复合负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。
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。
第三方面，本发明提供一种固态电芯，包括正极、负极和固态电解质，所述正极和负极分别位于固态电解质两侧，所述负极为第一方面所述的复合负极极片，或者复合负极极片与负极片的组合。此处所述负极片为现有技术的负极片，例如是由负极集流体及形成于其上的含负极活性物质的浆料层构成的负极片，可以是单面负极片，也可以是双面负极片，所述单面负极片为：该负极片仅在一侧表面具有含负极活性物质的浆料层，所述双面负极片为：该负极片在两侧表面均具有含负极活性物质的浆料层。
本发明所述固态电芯可以是卷绕型电芯，也可以是叠片型电芯。
本发明对所述固态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，所述固态电芯中，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。
本发明对固态电芯中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。
第四方面，本发明提供一种半固态电芯，包括正极、负极和半电池电解质，半固态电解质介于正极和负极之间，所述半固态电芯中的负极为第一方面所述的复合负极极片，或者复合负极极片与负极片的组合。此处所述负极片为现有技术的负极片，例如是由负极集流体及形成于其上的含负极活性物质的浆料层构成的负极片，可以是单面负极片，也可以是双面负极片，所述单面负极片为：该负极片仅在一侧表面具有含负极活性物质的浆料层，所述双面负极片为：该负极片在两侧表面均具有含负极活性物质的浆料层。
优选地，所述半固态电芯中，电解质为聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)以及单离子聚合物电解质的一种或几种。
优选地，所述半固态电芯为卷绕型电芯或叠片型电芯中的任意一种。
优选地，所述半固态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，所述半固态电芯中，正极和负极上分别设置有正极极耳和负极极耳。
本发明对半固态电芯中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。
本发明通过把正极、固态电解质/半电池电解质与本发明所述负极(具体为：复合负极极片，或者复合负极极片与负极片的组合)进行卷绕或叠片，组成为固态电芯/半固态电芯，通过内置电源或外置电源连接复合负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。
第五方面，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、第三方面所述的固态电芯或第四方面所述的半固态电芯中的任意一种或至少两种的组合。
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其他电池体系。
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负极极片，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)本发明的复合负极极片的结构简单，对现有生产变化较小，成本低，且极片层级加热电芯热传导快，电芯内部产热均匀，且大多产生的热烈能精准提升极片温度，热效率高，达到并稳定在一定的使用温度下，特别是固态电池中有非常好的效果。
(3)本发明的复合负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，本发明的复合负极极片能提升电芯的容量效率和循环性能，尤其适用于固态电芯/半固态电芯，从而有效改善现有固态电池存在的使用温度高而加热效果差等问题。
(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的复合负极极片的结构示意图，其中，1为复合负极极片，2为负极片，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为负极极耳。
图2是实施例4的固态电芯的结构示意图，其中，1为复合负极极片，5为负极极耳，6为正极，7为固态电解质，8为正极极耳。
图3是实施例5和实施例6实验组裸电芯的装配方式示意图，其中，1为复合负极极片，2为负极片，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为负极极耳，6为正极，8为正极极耳，9为第一隔膜。
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负极极片1，所述复合负极极片1包括两个负极片2，两个负极片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，所述负极片2为单面负极片，且单面负极片的浆料层朝向复合负极极片1的内部。
由以上结构可知，所述热阻片301与两个负极片2之间均通过隔膜302隔开。
本实施例的复合负极极片，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，本实施例的复合负极极片1还包括设置于复合负极极片1上的负极极耳5，其作用是在后续制备电芯时与顶盖连接。具体可以是设置到负极片2的集流体(比如铝箔)部分。
本实施例的复合负极极片的结构示意图参见图1。
实施例2
除将负极片2替换为双面负极片外，其他结构与实施例1相同。
本实施例的复合负极极片，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，所述负极为实施例1的复合负极极片，电芯的装配方式为：按照……正极、隔膜、复合负极极片、隔膜、正极、隔膜、复合负极极片、隔膜、正极……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。
本实施例的复合负极极片，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
本实施例提供一种固态电芯，包括正极6、复合负极极片1和固态电解质7，所述正极6和复合负极极片1分别位于固态电解质7两侧，所述复合负极极片1的结构参见实施例1。
本实施例的固态电芯还包括设置于复合负极极片1上的负极极耳5，以及设置于正极6上的正极极耳8。
本实施例的固态电芯的结构示意图参见图1。
本实施例的固态电芯，通过外电路对复合负极极片1通电产热，从极片层级达到快速加热电芯的目的。
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3所示：按照……正极6、第一隔膜9、负极片2、第二隔膜302、热阻片301、第二隔膜302、负极片2、第一隔膜9、正极6、第一隔膜9……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3，两个负极片2和位于这两个负极片2中间的热阻三明治结构3构成复合负极极片1，热阻片301上设置有一定间距的热阻片极耳4，复合负极极片1和正极6上分别设置有负极极耳5和正极极耳8，负极极耳5和正极极耳8用于与电芯的顶盖进行连接；
所述正极6为双层正极片，所述负极片2为单层负极片，第一隔膜9和第二隔膜302的组成可以相同也可以不同。
测试流程：25℃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60℃的时间，达到60℃后，测试0.2C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
实施例6
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……正极6、第一隔膜9、负极片2、第二隔膜302、热阻片301、第二隔膜302、负极片2、第一隔膜9、正极6、第一隔膜9……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3，两个负极片2和位于这两个负极片2中间的热阻三明治结构3构成复合负极极片1，热阻片301上设置有一定间距的热阻片极耳4，复合负极极片1和正极6上分别设置有负极极耳5和正极极耳8，负极极耳5和正极极耳8用于与电芯的顶盖进行连接；
所述正极8为双层正极片，所述负极片2为单层负极片，第一隔膜9和第二隔膜302的组成可以相同也可以不同。
测试流程：0℃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60℃的时间，达到60℃后，测试0.1C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
由以上实施例可知，本发明的复合负极极片具有快速均匀加热功能，采用其的电芯(包括固态电芯)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，而且，本发明的复合负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 (10)

1.一种复合负极极片，其特征在于，所述复合负极极片包括两个负极片和至少一层热阻片，热阻片与负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所述的复合负极极片，其特征在于，所述复合负极极片包括两个负极片，且两个负极片之间含有一层热阻片，热阻片与两个负极片之间均通过隔膜隔开；
优选地，所述复合负极极片包括两个负极片，且两个负极片之间含有两层以上热阻片，热阻片与相邻负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，所述复合负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或2所述的复合负极极片，其特征在于，所述热阻片的厚度在5μm～100μm；
优选地，所述复合负极极片包含1～100层热阻片，优选包含1-5层热阻片。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复合负极极片，其特征在于，所述负极片为单面负极片或双面负极片中的任意一种，所述单面负极片为：该负极片仅在一侧表面具有含负极活性物质的浆料层，所述双面负极片为：该负极片在两侧表面均具有含负极活性物质的浆料层；
优选地，所述负极片为单面负极片，且单面负极片的浆料层朝向复合负极极片的内部。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合负极极片，其特征在于，所述热阻片极耳与外电路或内电路连通；
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；
优选地，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。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合负极极片，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隔成的复合材质。
7.一种裸电芯，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，所述负极为权利要求1-6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；
优选地，所述裸电芯中的隔膜与所述复合负极极片中的隔膜种类相同或不同；
优选地，所述裸电芯为卷绕型电芯或叠片型电芯中的任意一种；
优选地，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。
8.一种固态电芯，包括正极、负极和固态电解质，所述正极和负极分别位于固态电解质的两侧，其特征在于，所述负极为权利要求1-6任一项所述的复合负极极片，或者复合负极极片与负极片的组合；
优选地，所述固态电芯为卷绕型电芯或叠片型电芯中的任意一种；
优选地，所述固态电芯的装配方式为：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；
优选地，所述固态电芯中，正极和负极上分别设置有正极极耳和负极极耳。
9.一种半固态电芯，包括正极、负极和半固态电解质，半固态电解质介于正极和负极之间，其特征在于，所述半固态电芯中的负极为权利要求1-6任一项所述的复合负极极片，或者复合负极极片与负极片的组合；
优选地，所述半固态电芯中，电解质为聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)以及单离子聚合物电解质的一种或几种；
优选地，所述半固态电芯为卷绕型电芯或叠片型电芯中的任意一种；
优选地，所述半固态电芯的装配方式为：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；
优选地，所述半固态电芯中，正极和负极上分别设置有正极极耳和负极极耳。
10.一种电池，其特征在于，所述电池包含权利要求7所述的裸电芯、权利要求8所述的固态电芯或权利要求9所述的半固态电芯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，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；
优选地，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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