CN109273778B - 呼吸式方形固态电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种呼吸式方形固态电池，包括连接负极耳的负极片、连接正极耳的正极片以及卷绕在负极片和正极片上的固态电解质膜，构成的方形固态电池极组，其特征是：所述方形固态电池极组的中心层设有方形弹性压力缓冲装置，构成呼吸式固态电芯。有益效果：本发明的方形压力缓冲装置具有较宽的压缩形变范围，其压缩强度小于固态电池内部的膨胀应力，吸收电芯向内的体积膨胀，用于构建呼吸式的电芯工作模式。呼吸式固态电芯支持呼吸式的工作模式，即：负极膨胀时，压力缓冲装置体积收缩；负极收缩时，压力缓冲装置体积恢复，避免电芯整体体积的突变，进而保证固态电池性能的稳定性。

Description

呼吸式方形固态电池
技术领域
本发明属于电池领域，尤其涉及一种呼吸式方形固态电池。
背景技术
提升离子电池能量密度的方法大致包括以下几个方向：首先，更轻、更小的电池组装设计及研究也是提升锂离子电池能量密度的主要路线；其次，减轻电池的重量，减小电池的体积，可以通过减轻和减小电池壳、箔材、隔膜及其他辅材的重量和体积的方法实现；从电池化学体系方面，提升正负极材料容量及电池电压，在此背景下三元材料的应用研究成为目前的研究热点，锂金属负极的研究也再次兴起。
但是，当前商业化的锂离子电池的电解液溶剂为低沸点小分子有机化合物，在电池发生内短路或内部热累积情况下，易气化并发生放热反应，直至发生放热连锁反应，引发大面积负极、正极、电解液和隔膜等材料的放热反应，最终导致锂离子电池发生热失控。所以，在不改变锂离子电池电解液的情况下，高能量密度锂离子电池的安全性问题变得越来越突出。
固态电池，作为具有本征安全属性的电池，利用固态电解质的化学惰性及高强度力学特征，可以抑制电池内部副反应发生，同时，可抑制锂枝晶形成，进而优化提升锂电池的安全性，为锂金属在锂离子电池中的应用提供了解决方案。
但是，固态锂电池在工作过程中会发生较大的体积变化，充电式体积膨胀，放电时体积收缩，上述体积变化会造成界面损伤，使固态锂电池性能发生严重衰减。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种呼吸式方形固态电池，通过高弹性的方形弹性压力缓冲装置吸收电芯向内的体积膨胀，可以避免因固态电池充放电过程中体积的膨胀收缩造成的电芯结构的破坏，进而保证固态电池性能的稳定性。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种呼吸式方形固态电池，包括连接负极耳的负极片、连接正极耳的正极片以及卷绕在负极片和正极片上的固态电解质膜，构成的方形固态电池极组，其特征是：所述方形固态电池极组的中心层设有方形弹性压力缓冲装置，构成呼吸式固态电芯。
所述方形弹性压力缓冲装置的厚度为0.5-10毫米。
所述方形弹性压力缓冲装置采用塑料、橡胶、单组份热塑性弹性聚合物中的一种或几种的混合弹性泡沫材料。混合弹性泡沫材料的组分，按重量百分比，塑料成分含量为10％-80％，橡胶成分含量为10％-60％，单组份热塑性弹性聚合物的成分含量为10％-60％。
所述方形弹性压力缓冲装置组分中的塑料为聚丙烯、聚乙烯或尼龙；橡胶为乙烯丙烯二烯烃M类橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶的天然或合成橡胶；所述单组份热塑性弹性体聚合物为苯乙烯嵌段共聚物及其共混物、热塑性聚氨酯或热塑性聚酯弹性体。
所述方形弹性压力缓冲装置的压缩形变范围为5％≤ε≤80％。
所述方形弹性压力缓冲装置可承受的压缩强度为0.1MPa≤σ≤20MPa，σ总是小于电池壳破裂强度。
有益效果：与现有技术相比，本发明的方形压力缓冲装置具有较宽的压缩形变范围，其压缩强度小于固态电池内部的膨胀应力，吸收电芯向内的体积膨胀，用于构建呼吸式的电芯工作模式。呼吸式固态电芯支持呼吸式的工作模式，即：负极膨胀时，压力缓冲装置体积收缩；负极收缩时，压力缓冲装置体积恢复，避免电芯整体体积的突变，进而可以避免因固态电池充放电过程中体积的膨胀收缩造成的电芯结构的破坏，进而保证固态电池性能的稳定性。
附图说明
图1是卷绕型固态电池极组结构示意图；
图2是叠片型固态电池极组结构示意图；
图3是弹性压力缓冲装置材料高弹性泡沫材料微观结构示意图。
图中：1、负极片，2、正极片，3、固态电解质膜，4、方形固态电池极组，5、方形弹性压力缓冲装置。
具体实施方式
下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
详见附图1、3，本实施例提供了一种呼吸式方形固态电池，包括方形卷绕式固态锂离子电池极组及方形弹性压力缓冲装置。方形固态电池包括连接负极耳的负极片1、连接正极耳的正极片2以及卷绕在负极片和正极片上的固态电解质膜3，构成的方形固态电池极组4，所述方形固态电池极组的中心层设有方形弹性压力缓冲装置5，构成呼吸式固态电芯。所述方形弹性压力缓冲装置的厚度为0.5-10毫米。所述方形弹性压力缓冲装置采用塑料、橡胶、单组份热塑性弹性聚合物中的一种或几种的混合弹性泡沫材料。混合弹性泡沫材料的组分，按重量百分比，塑料成分含量为10％-80％，橡胶成分含量为10％-60％，单组份热塑性弹性聚合物的成分含量为10％-60％。所述方形弹性压力缓冲装置组分中的塑料为聚丙烯、聚乙烯或尼龙；橡胶为乙烯丙烯二烯烃M类橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶的天然或合成橡胶；所述单组份热塑性弹性体聚合物为苯乙烯嵌段共聚物及其共混物、热塑性聚氨酯或热塑性聚酯弹性体。所述方形弹性压力缓冲装置的压缩形变范围为5％≤ε≤80％。所述方形弹性压力缓冲装置可承受的压缩强度为0.1MPa≤σ≤20MPa，σ总是小于电池壳破裂强度。需要说明的是，实际应用中，在方形弹性压力缓冲装置的正常压缩形变范围内，σ应总是小于电池壳破裂强度，以保证方形弹性压力缓冲装置在受到自壳体向电芯内部的压力时，体积收缩，以便方形弹性压力缓冲装置吸收向内的电芯体积膨胀。
方形弹性压力缓冲装置其制造材料为高弹性泡沫材料热塑性硫化橡胶(TPV)，其中塑料部分为聚乙烯PE，橡胶部分为乙烯丙烯二烯烃M类橡胶EPDM。PE/EPDM的质量比为1：3。方形压力缓冲装置厚度为2毫米，压力缓冲装置宽度×长度＝45毫米×35毫米，该固态锂离子电池的压力缓冲装置具有较宽的压缩形变范围，其压缩强度小于固态电池内部的膨胀应力，吸收电芯向内的体积膨胀，用于构建呼吸式的固态电芯工作机制，维持电芯内部体积不变。
所述的固态锂离子电池的方形弹性压力缓冲装置，其具有高弹性及较宽的压缩形变(ε)范围，并具有与电芯内部膨胀应力相匹配的压缩强度(σ)，σ总是小于电池壳(铝合金壳)破裂强度(3MPa)。压缩形变(m％)与压缩强度(σm)对应关系如表1：
表1、压缩形变与压缩强度对应关系：
Figure BDA0001810981960000041
实施例2
详见附图2、3，本实施例提供了一种叠片型固态电池极组，包括方形叠片式固态锂离子电池极组及方形固态方形弹性压力缓冲装置。方形弹性压力缓冲装置制造材料为高弹性泡沫材料热塑性硫化橡胶(TPV)，其中塑料部分为聚乙烯PE，橡胶部分为乙烯丙烯二烯烃M类橡胶EPDM。PE/EPDM的质量比为1：3方形弹性压力缓冲装置厚度为2毫米，压力缓冲装置宽度×长度＝45毫米×35毫米，该固态锂离子电池的压力缓冲装置具有较宽的压缩形变范围，其压缩强度小于固态电池内部的膨胀应力，吸收电芯向内的体积膨胀，用于构建呼吸式的固态电芯工作机制，维持电芯内部体积不变。
所述的固态锂离子电池的方形弹性压力缓冲装置，其具有高弹性及较宽的压缩形变(ε)范围，并具有与电芯内部膨胀应力相匹配的压缩强度(σ)，σ总是小于电池壳(铝合金壳)破裂强度(3MPa)。压缩形变(m％)与压缩强度(σm)对应关系如表2：
表2、压缩形变与压缩强度对应关系：
Figure BDA0001810981960000042
Figure BDA0001810981960000051
方形弹性压力缓冲装置应用于卷绕型固态电池极组或叠片型固态电池极组。固态电池极组包括正极、负极及固态电解质，其中，固态电解质为聚合物固态电解质或聚合物固态电解质及无机固态电解质组成的复合固态电解质。聚合物固态电解质包括PEO、PAN、PPC及其改性结构的一种或几种；所述无机固态电解质包括LLZO、LAGP等氧化物固态电解质及硫化物固态电解质中的一种或几种。方形压力缓冲装置具有较宽的压缩形变范围，其压缩强度小于固态电池内部的膨胀应力，吸收电芯向内的体积膨胀，用于构建呼吸式的电芯工作模式，维持电芯内部体积不变。该呼吸式固态电芯支持呼吸式的工作模式，即：负极膨胀时，压力缓冲装置体积收缩；负极收缩时，压力缓冲装置体积恢复，避免电芯整体体积的突变，进而可以避免因固态电池充放电过程中体积的膨胀收缩造成的电芯结构的破坏，进而保证固态电池性能的稳定性。
上述参照实施例对该一种呼吸式方形固态电池进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种呼吸式方形固态电池，包括连接负极耳的负极片、连接正极耳的正极片以及卷绕在负极片和正极片上的固态电解质膜，构成的方形固态电池极组，其特征是：所述方形固态电池极组的中心层设有方形弹性压力缓冲装置，所述方形弹性压力缓冲装置的压缩形变范围为5%≤ε≤80%，其压缩强度小于固态电池内部的膨胀应力，吸收电芯向内的体积膨胀，当负极膨胀时，压力缓冲装置体积收缩；负极收缩时，压力缓冲装置体积恢复，避免电芯整体体积的突变，保证固态电池性能的稳定性，用于构建呼吸式固态电芯，所述方形弹性压力缓冲装置采用塑料、橡胶、单组份热塑性弹性聚合物中的一种或几种的混合弹性泡沫材料；混合弹性泡沫材料的组分，按重量百分比，塑料成分含量为10%-80%，橡胶成分含量为10%-60%，单组份热塑性弹性聚合物的成分含量为10%-60%。
2.根据权利要求1所述的呼吸式方形固态电池，其特征是：所述方形弹性压力缓冲装置的厚度为0.5-10毫米。
3.根据权利要求1或2所述的呼吸式方形固态电池，其特征是：所述方形弹性压力缓冲装置组分中的塑料为聚丙烯、聚乙烯或尼龙；橡胶为乙烯丙烯二烯烃M类橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶的天然或合成橡胶；所述单组份热塑性弹性体聚合物为苯乙烯嵌段共聚物及其共混物、热塑性聚氨酯或热塑性聚酯弹性体。
4.根据权利要求3所述的呼吸式方形固态电池，其特征是：所述方形弹性压力缓冲装置可承受的压缩强度为0.1MPa≤σ≤20MPa，σ总是小于电池壳破裂强度。
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