CN109698372B - 复合式电池芯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合式电池芯，是借由多个独立的电能供应单元来予以相互串联/并联来构成电能供应单元群组，再将电能供应单元群组相互并联/串联，并借由外封装体予以封装形成高电压、高容量的电池芯，因每个电能供应单元都是独立模组，其电解质系统相互不流通，相邻电能供应单元间仅有电荷转移而不会进行电化学反应，因而使其相互连接所产生的高电压不会影响单一的电能供应单元而造成其电解质系统裂解，而能于复合式电池芯同时完成并联与串联，兼具高电压与高容量。

Description

复合式电池芯
技术领域
本发明涉及电池芯技术领域，特别是一种借由独立模组化的电能供应单元予以串联以及并联，而于电池芯内部同时完成并联与串联的高电压、高容量的复合式电池芯。
背景技术
近年来随着空气污染与地球暖化的加剧，电动车被赋予相当高的期待来取代现有的石化燃料的汽车，以减少排放二氧化碳等气体对于环境的影响。而目前现在电动车的主要瓶颈，仍旧是在于电池模组的部分；一般电池模组是借由多个电池芯来进行串联、并联或是串并联混合的方式来组成，使电池模组具有足够的电压以及容量来进行供电。
首先请参阅图1A、图1B，为目前最常见的作法，利用多组电池单元71相互并联后，再以壳体72予以封装构成电池芯73，然后再借由此电池芯73延伸出壳体72的导电柄74来加以外部进行串联连接以达到足够的电压，组成车用的电池模组75。另外一种方法则为采用单一壳体72包覆多组电池单元71，然后于壳体72内充填共享的电解液并加以封装，请参阅图2A、图2B，换句话说，其是以内部串联的方式来提高电池芯76的电压，然后在于外部并联多个电池芯76以达到足够的容量以组成车用的电池模组77；但是因现有的电解液大多只能承受5V左右的电压，其借由串联多组电池单元71来提高电压，再加上内部因结构问题势必会造成电场分布不均匀，一旦电压超过电解液所能承受范围，就会使得电解液裂解连带使得电池模组77失效，更严重者可能导致电池爆炸，因此目前市面上并未见到有此类的产品。
前案譬如美国专利公开第2004/0091771号申请案，其提出一种相邻电池模组采用共享集电层的作法，借此方式来克服前述电解液可能裂解的问题，但是因为采用此共享集电层的串联方式，其设计上就缺乏了弹性，因为其内部采用共享集电层的方式，因此仅能适用于内部串联，当要组成电池模组时，仍旧得要借由多个电池芯来进行外部的并联。
不论是上述何种方法，其受限于电池芯与其内部电池单元的结构问题，电池芯内部采用并联方式的话，就得于外部进行串联来提高整体电池模组的电压、而电池芯内部采用串联方式的话，就得于外部进行并联来提高整体电池模组的容量。外部的连接方式不论是采用打线、金属柄或金属棒等连接，会使得阻值上升而降低整体电池模组的效能，连带也使得其可靠度与安全性下降；且也因为需要外部再进行连接，势必会占用部分电池模组的体积，而会使得单位容量密度降低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种复合式电池芯，可直接于电池芯内部完成串联与并联，而提供高电压且大单位容量的电池芯，而可免除习知因为需要外部再进行连接所导致效能降低、单位容量密度下降等缺失。
再者，本发明的另一目的在于提供一种复合式电池芯，组成电池芯的电能供应单元之间仅进行电荷转移，而没有进行电化学反应，因而可不受限于电解液的容许最高电压来加以相互串联与并联，提高单位容量密度与电压。
基于此，本发明主要采用下列技术手段，来实现上述目的。
一种复合式电池芯，包含：多个电能供应单元群组，所述电能供应单元群组相互并联，且每一电能供应单元群组包含多个相互串联的电能供应单元，每一电能供应单元为相互独立且完整供电的模组，该电能供应单元的电解质系统相互不流通，且相邻的该电能供应单元仅具有电荷转移而无进行电化学反应；以及一外封装体，所述外封装体封装所述电能供应单元群组。
进一步，该电解质系统为胶态、液态、固态电解液或其组合。
进一步，该电能供应单元包含：一隔离层；两活性材料层，分别设置于该隔离层的两侧，该电解质系统含浸于两活性材料层中；两集电层，分别设置于所述活性材料层的外侧；以及一封装层，设置于该两集电层的周缘，所述封装层黏着两集电层并将该电解质系统封装于两集电层之间。
进一步，所述电能供应单元群组中仅最外侧的二电能供应单元的集电层延伸出一极耳。
进一步，每一电能供应单元群组的相同极性的该极耳连接于一导电柄。
进一步，所述导电柄延伸而外露于该外封装体。
进一步，所述复合式电池芯还包含一电路板模组，该电路板模组连接于所述导电柄且封装于外封装体内。
进一步，所述电能供应单元群组中每一电能供应单元是以该集电层与相邻的所述电能供应单元的该集电层直接接触来构成电性连接。
进一步，所述电能供应单元是以不同极性的该集电层相互接触构成串联。
进一步，所述电能供应单元的该封装层包含一硅胶层以及分别位于该硅胶层两侧的二改质硅胶层。
进一步，该外封装体为高分子膜、铝箔或金属罐。
一种复合式电池芯，包含：多个电能供应单元群组，所述电能供应单元群组相互串联，且每一电能供应单元群组包含多个相互并联的电能供应单元，每一电能供应单元为相互独立且完整供电的模组，该电能供应单元的电解质系统相互不流通，且相邻的该电能供应单元仅具有电荷转移而无进行电化学反应；以及一外封装体，所述外封装体封装所述电能供应单元群组。
较佳的，该电解质系统为胶态、液态、固态电解液或其组合。
较佳的，该电能供应单元包含有：一隔离层；两活性材料层，分别设置于该隔离层的两侧，该电解质系统含浸于所述活性材料层中；两集电层，分别设置于所述活性材料层的外侧；以及一封装层，设置于两集电层的周缘，所述封装层黏着两集电层并将该电解质系统封装于两集电层之间。
较佳的，每一电能供应单元的该集电层延伸出一极耳。
较佳的，该电能供应单元群组之中的该电能供应单元的相同极性的极耳相互连接而构成并联。
较佳的，最外侧的所述电能供应单元群组的所述极耳连接于一导电柄。
较佳的，该导电柄延伸而外露于该外封装体。
较佳的，所述复合式电池芯还包含一电路板模组，该电路板模组连接于该导电柄且封装于外封装体内。
较佳的，该电能供应单元是以该集电层与相邻的该电能供应单元的该集电层接触来构成电性连接。
较佳的，所述电能供应单元群组是以最外侧的该集电层与相邻的该电能供应单元群组的最外侧的该集电层直接接触来构成电性连接。
较佳的，所述电能供应单元群组是以不同极性的该集电层相互接触构成串联。
较佳的，该电能供应单元的该封装层包含有一硅胶层以及设置于硅胶层两侧的二改质硅胶层。
较佳的，该外封装体为高分子膜、铝箔或金属罐。
采用上述技术手段后，本发明复合式电池芯通过多个电能供应单元群组的结构设计，电能供应单元群组相互并联或串联来进行连接，再借由外封装体予以包覆封装成电池芯；且每一电能供应单元群组包含多个相互串联或并联的电能供应单元，每一电能供应单元包含有隔离层、两活性材料层、两集电层、电解质系统与封装层；两活性材料层分别设置于隔离层的两侧，而两集电层分别设置于活性材料层的外侧，然后电解质系统含浸于这些活性材料层中，并借由封装层设置于两集电层的周缘，用以黏着集电层并将电解质系统封装于两集电层之间，换句话说，每一电能供应单元为相互独立且完整供电的模组，电解质系统相互不流通，相邻的电能供应单元之间仅进行电荷转移，而没有进行电化学反应，因而可不受到电解质系统容许最高电压的限制来予以同时进行串联与并联，提高单位容量密度与电压，从而实现可直接于电池芯内部完成串联与并联，而提供高电压且大单位容量的电池芯，而可免除习知因为需要外部再进行连接所导致效能降低、单位容量密度下降等缺失的目的。
另一方面，电能供应单元之间、以及电能供应单元群组之间采用集电层直接接触的连接方式，其接触面积远大于习知采用打线等连接方式，因此可大幅降低电池模组的内部阻值，因而使得电池模组的效能几乎不会损耗；同时因为阻值的降低，也可使充电/放电的速度大幅提高，且发热的问题显著下降，电池模组的冷却系统得以简化，管控上易较为简便，进而使得整体电池模组的可靠度与安全性提升。
附图说明
图1A、图1B为习知电池芯与电池模组的第一实施例的示意图。
图2A、图2B为习知电池芯与电池模组的第二实施例的示意图。
图3为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的电能供应单元的示意图。
图4为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的电能供应单元的封装层的另一实施例示意图。
图5A为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的电能供应单元群组的第一实施例示意图。
图5B为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的电能供应单元群组的第二实施例示意图。
图6A为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的第一实施例示意图。
图6B为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的第二实施例示意图。
图7为本发明的实施例所提供的复合式电池芯连接于电路板模组的实施例示意图。
图8A为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的第一实施例中电路板模组予以整合入外封装体内的示意图。
图8B为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的第二实施例中电路板模组予以整合入外封装体内示意图。
【符号说明】
10 电能供应单元 11 隔离层
12 活性材料层 13 活性材料层
14 集电层 141 极耳
15 集电层 151 极耳
16 封装层 161 改质硅胶层
162 改质硅胶层 163 硅胶层
21 电能供应单元群组 22 电能供应单元群组
31 复合式电池芯 32 复合式电池芯
50 外封装体 51 导电柄
60 电路板模组 71 电池单元
72 壳体 73 电池芯
74 导电柄 75 电池模组
76 电池芯 77 电池模组。
具体实施方式
底下借由具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
本发明所揭露的一种复合式电池芯，其包含有多个电能供应单元群组，电能供应单元群组包含多个相互串联或并联的电能供应单元，然后再予以相互并联或串联后，以外封装体来封装构成复合式电池芯，换句话说，于电池芯内部可同时完成了串联与并联，相较于习知的电池芯，仅能于内部采用串联或是并联的其中一种连接方式，然后再于外部并联或串联构成所需的电池模组的作法有非常显著的不同。其中，本发明构成电能供应单元群组的电能供应单元为独立且完整的供电模组，电能供应单元并不共享电解质系统，以下先就此电能供应单元的部分配合图式来予以说明。
首先请参阅图3，为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的电能供应单元的示意图。电能供应单元10包含有隔离层11、两活性材料层12、13、两集电层14、15、电解质系统与封装层16，两活性材料层12、13分别设置于该隔离层的两侧，两集电层14、15分别设置于所述活性材料层12、13的外侧，隔离层11的材料可选自于高分子材料、陶瓷材料或玻璃纤维材料，其上具有微孔洞可供离子通过，微孔洞可为贯通孔或是蚁孔（非直线贯通的态样）的型态，甚至是直接采用多孔性材料来达成，同时还可以有多孔陶瓷绝缘材料分布于基板上的微孔洞内，其中陶瓷绝缘材料可为微米级与纳米级二氧化钛（TiO2）、 三氧化二铝（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）等材质或是烷基化的陶瓷颗粒所形成；多孔陶瓷绝缘材料中亦还可以包含高分子黏着剂，例如聚二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride；PVDF）、聚偏二氟乙烯－共－三氯乙烯（PVDF-HFP）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene；PTFE）、压克力酸胶（Acrylic Acid Glue）、环氧树脂（Epoxy）、聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯腈（PAN）或聚亚酰胺(PI)等。
电解质系统含浸于活性材料层12、13中，其可为液态、胶态、固态电解液、或是其任意组合的混合电解液，活性材料层12、13的活性材料可将化学能转成电能使用（供电）或将电能转换成化学能储存于系统之中（充电），而能同时达成离子的导通与迁移，而所产生的电子则可直接由集电层14、15向外导出。而集电层14、15的材料常见为铜以及铝，当然亦可是其它如镍、锡、银、金等金属或金属合金。
封装层16的材质可为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、热塑性聚亚胺、硅氧树脂、压克力树脂或紫外线硬化胶，其设置于两集电层14、15的周缘，用以黏着两集电层14、15并将电解质系统封装于两集电层14、15之间而不会外漏导致与其它电能供应单元10的电解质系统相互流通，因此，电能供应单元10为独立且完整供电的模组。
而为了使封装层16的封装效果更佳，可设计封装层16具有三层的结构，请参阅图4，上下两层为改质硅胶层161、162而中间为硅胶层163，两侧的改质硅胶层161、162为硅胶借由调整加成型硅胶与缩合型硅胶的组成比例来予以改质，使其适合黏接异质性的材料（也就是集电层14、15与中间的硅胶层163），借此设计则可使其接口间的接着力提高，同时，使得整体外观的完整性更高，生产良率亦提高。再者，亦较能阻绝水气的渗入，对内则可因硅胶层163为主体来予以阻挡极性溶剂与塑性剂的侵害，使整体封装结构更加完备。
而所组成的电能供应单元群组则可借由此电能供应单元10来加以相互连接构成，请参阅图5A，为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的电能供应单元群组的第一实施例示意图。
电能供应单元群组21是借由多个电能供应单元10加以串联所构成，因为电能供应单元10最外侧为集电层14、15，因此可直接与相邻的电能供应单元10的集电层14、15相互接触接合，来构成串联的电性连接，举例来说，如图中所绘示，譬如集电层14为正极、集电层15为负极，则最上层的电能供应单元10的集电层15与相邻（下方）的电能供应单元10的集电层14相接触，而此电能供应单元10的负极的集电层15则与其相邻的电能供应单元10的正极的集电层14相接触，如此依序堆叠，则可构成串联的型态的电能供应单元群组21；因为每一个电能供应单元10都为独立的供电模组，其电解质系统并不互相连通，因此，相邻的电能供应单元10的集电层14、15之间仅会进行电荷转移，而不会有电化学反应（换句话说，离子不会进行转移或导通），因此，即便串联多个电能供应单元10而造成高电压的情况，并不会影响个别单一的电能供应单元10内部的电解质系统，其内部电压仍旧维持单个电能供应单元10的电压，因此，可不受限于电解质系统的最高电压（一般为5V左右）串联堆叠成高电压的电能供应单元群组21。
而为了后续此串联型态的电能供应单元群组21要相互连接来形成复合式电池芯或是对外连接（容后详述），可于最外侧的电能供应单元10的集电层14、15来形成极耳141、151以便于连接，换句话说，以图中所绘示最上层的电能供应单元10的正极的集电层14具有极耳141、最下层的电能供应单元10的负极的集电层15具有极耳151，而其余中间的电能供应单元10则可不具有极耳141、151。
如图6A所示，由前述电能供应单元群组21（同时参照图5A）的第一实施例来予以构成的复合式电池芯31，因为电能供应单元群组21是采用串联，因此本实施例所提供的复合式电池芯31是借由多个电能供应单元群组21来加以并联，也就是将电能供应单元群组21一正一反的方式来堆叠，将电能供应单元群组21最外侧的电能供应单元10的集电层14、15予以相接触，然后再将相同极性的极耳141、151电性连接至对应的导电柄51，并利用外封装体50来予以包覆封装，外封装体50可为高分子膜以防止短路、或是常见的铝箔、金属罐等方式亦可；封装完成后导电柄51的部分会外露于外封装体50，请参阅图7，可借由导电柄51来连接譬如电路板模组60，来予以管理并对外界予供电。当然，此外封装体50的态样仅为示意，各种不同的封装型态，譬如袋状、桶状等接能予以适用。
因此，所构成的复合式电池芯31即已经于其内部（外封装体50内）同时完成了并联与串联，而兼具高电压与高容量的特性，与习知利用内部串联的电池芯再于外部进行并联的方式有相当大的差异（同时参照图2A、图2B），换句话说，本发明所提供的复合式电池芯31几乎可等同于习知电池模组，但是因为省去了外部的连接，因此不仅所占据的体积较小、提高单位容量密度，且管理上更为便利。
接着，请参阅图5B，为本发明的实施例所提供的复合式电池芯的电能供应单元群组的第二实施例示意图。电能供应单元群组22是借由多个电能供应单元10加以并联所构成，因为电能供应单元10最外侧为集电层14、15，因此可直接与相邻的电能供应单元10的相同极性的集电层14、15相互接触接合，然后再利用每一个电能供应单元10的集电层14、15都具有的极耳141、151，以相同极性来全部予以连接（譬如将其以翻折接触或焊接等方式），以构成并联的电性连接；举例来说，如图中所绘示，譬如集电层14为正极、集电层15为负极，则最上层的电能供应单元10的集电层15与相邻（下方）的电能供应单元10的集电层15相接触，而此电能供应单元10的正极的集电层14则与其相邻的电能供应单元10的正极的集电层14相接触，然后再利用极耳141、151完成整个并联。因为每一个电能供应单元10都为独立的供电模组，其电解质系统并不互相连通，因此，相邻的电能供应单元10的集电层14、15之间仅会进行电荷转移，而不会有电化学反应（换句话说，离子不会进行转移或导通）。
相同的，如图6B所示，由前述电能供应单元群组22（同时参照图5B）的第一实施例来予以构成的复合式电池芯32，因为电能供应单元群组22是采用并联，因此复合式电池芯32是借由多个电能供应单元群组22来加以串联所构成，也就是将电能供应单元群组22以相同方向来堆叠连接，使其最外侧的电能供应单元10的不同极性的集电层14、15相接触，并利用外封装体50来予以包覆封装成为复合式电池芯32，外封装体70可为高分子膜以防止短路、或是常见的铝箔、金属罐等方式亦可；而每一电能供应单元群组22的极耳141、151则予以翻折连通至相邻的电能供应单元群组22的不同极性的集电层14、15，仅留下最外侧的电能供应单元群组22的各一个极耳141、151来连接至导电柄51，同样地，封装完成后导电柄51的部分（前端）会外露于外封装体50，在此不重复赘述。因此，所构成的复合式电池芯32即已经于其内部完成了并联与串联，而兼具高电压与高容量的特性，与习知利用内部并联的电池芯再于外部进行串联的方式有相当大的差异（同时参照图1A、图1B），换句话说，本发明所提供的复合式电池芯32几乎可等同于习知电池模组，但是因为省去了外部的连接，因此不仅所占据的体积较小、提高单位容量密度，且管理上更为便利。
另一方面，为了使本发明所揭露的复合式电池芯更加便利，也可以将电路板模组60予以整合入外封装体50内，请参阅图8A、图8B，如此一来，所完成的复合式电池芯31、32则无需在连接外部的电路板模组60，于使用上将更加便利、设计上也更有弹性。
综合上述，本发明所提供的复合式电池芯利用独立且完整的电能供应单元来予以串联或并联构成电能供应单元群组，再利用电能供应单元群组予以相互并联或串来加以封装形成复合式电池芯；因此复合式电池芯即同时完成了并联与串联，而兼具高电压与高容量的特性，无需再如习知电池芯一样，需要在于外部进行串联、并联或是串联并联混合等连接，因此，不会因为外部连接而造成阻值提高，因此供电效能相当高，连带可靠度与安全性都有显著提升。
再者，因为电能供应单元是个别且完整的独立发电模组，因此相互接合构成电能供应单元群组时，相邻的电能供应单元仅有电荷转移而不会发生电化学反应，使得其内部的电解质系统不会受到高电压的影响而有裂解的可能，因而能有效提升其安全性。另一方面，电能供应单元群组相互的接合是借由电能供应单元的集电层的接触，因此整体阻值相当低，使得充电、放电速度能够大幅提高，同时发热的现象大幅降低，故冷却机制的设计可予以简化、整体系统的管控上也较为便利。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明权利要求所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (16)

1.一种复合式电池芯，其特征在于，包含：
多个叠置的电能供应单元群组，所述电能供应单元群组相互并联，且每一电能供应单元群组包含多个叠置且相互串联的电能供应单元，每一所述电能供应单元包含：
一隔离层；
两活性材料层，分别设置于所述隔离层的两侧；
一电解质系统，含浸于所述两活性材料层中；
两集电层，分别设置于所述两活性材料层的外侧；
一封装层，设置于所述两集电层的周缘，所述封装层黏着所述两集电层并将所述电解质系统封装于所述两集电层之间而不会外漏；
其中，每一所述电能供应单元为相互独立且完整供电的模组，所述电能供应单元的电解质系统相互不流通，且相邻的所述电能供应单元仅具有电荷转移而不进行电化学反应，所述电能供应单元群组中相邻的所述电能供应单元之间通过相邻的所述集电层直接接触来构成电性连接并形成串联；所述电能供应单元群组的最外侧的所述集电层与相邻的所述电能供应单元群组的最外侧的所述集电层直接接触来构成电性连接并形成并联；以及
一外封装体，所述外封装体封装所述电能供应单元群组。
2.根据权利要求1的复合式电池芯，其特征在于：所述电解质系统为胶态、液态、固态电解液或其组合。
3.根据权利要求1的复合式电池芯，其特征在于：所述电能供应单元群组中仅最外侧的二电能供应单元的集电层延伸出一极耳。
4.根据权利要求3的复合式电池芯，其特征在于：每一电能供应单元群组的相同极性的所述极耳连接于一导电柄。
5.根据权利要求4的复合式电池芯，其特征在于：所述导电柄延伸而外露于所述外封装体。
6.根据权利要求4的复合式电池芯，其特征在于：还包含一电路板模组，该电路板模组连接于所述导电柄且封装于所述外封装体内。
7.根据权利要求1的复合式电池芯，其特征在于：所述电能供应单元的所述封装层包含一硅胶层以及分别位于所述硅胶层两侧的二改质硅胶层。
8.根据权利要求1的复合式电池芯，其特征在于：所述外封装体为高分子膜、铝箔或金属罐。
9.一种复合式电池芯，其特征在于，包含：
多个叠置的电能供应单元群组，所述电能供应单元群组相互串联，且每一电能供应单元群组包含多个叠置的且相互并联的电能供应单元，每一所述电能供应单元包含：
一隔离层；
两活性材料层，分别设置于所述隔离层的两侧；
一电解质系统，含浸于所述两活性材料层中；
两集电层，分别设置于所述两活性材料层的外侧；
一封装层，设置于所述两集电层的周缘，所述封装层黏着所述两集电层并将所述电解质系统封装于所述两集电层之间而不会外漏；
其中，每一所述电能供应单元为相互独立且完整供电的模组，所述电能供应单元的电解质系统相互不流通，且相邻的所述电能供应单元仅具有电荷转移而不进行电化学反应，所述电能供应单元群组中相邻的所述电能供应单元之间通过相邻的所述集电层直接接触来构成电性连接并形成并联；所述电能供应单元群组的最外侧的所述集电层与相邻的所述电能供应单元群组的最外侧的所述集电层直接接触来构成电性连接并形成串联；以及
一外封装体，所述外封装体封装所述电能供应单元群组。
10.根据权利要求9的复合式电池芯，其特征在于：所述电解质系统为胶态、液态、固态电解液或其组合。
11.根据权利要求9的复合式电池芯，其特征在于：每一所述电能供应单元的所述集电层延伸出一极耳。
12.根据权利要求11的复合式电池芯，其特征在于：最外侧的所述电能供应单元群组的各一个所述极耳连接于一导电柄。
13.根据权利要求12的复合式电池芯，其特征在于：所述导电柄延伸而外露于所述外封装体。
14.根据权利要求12的复合式电池芯，其特征在于：还包含一电路板模组，所述电路板模组连接于所述导电柄且封装于所述外封装体内。
15.根据权利要求9的复合式电池芯，其特征在于：所述电能供应单元的所述封装层包含有一硅胶层以及设置于所述硅胶层两侧的二改质硅胶层。
16.根据权利要求9的复合式电池芯，其特征在于：所述外封装体为高分子膜、铝箔或金属罐。
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