CN109713372A - 一种锂电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池，包括密闭的壳体，其特征在于还包括充注于所述密闭壳体内的惰性气体；通过轴支承在壳体两内侧的若干个主带盘、正带盘和负带盘，以及负极带、正极带、对压辊机构和控制器。该电池设置了包括两个对压辊，并对负极带产生的锂枝晶进行辊压整形的对压辊机构。在控制器的作用下电机驱动主带盘及对压辊转动，由导向轮将正极带和负极带分离后引出，负极带进入对压辊，对负极带进行一次或多次辊压，从而消除锂枝晶。提高了电池的安全性，降低了电池的内阻，减少电池的无效重量，提高锂电池的能量总体使用效率。

Description

一种锂电池

技术领域

本发明涉及一种电池，具体为一种使用金属态的锂作为电池负极的锂金属电池。

背景技术

锂金属拥有3860mAh·g-1的高比容量，电极电势(-3.04V vs标准氢电极)低的优点，是理想的高能电池负极材料。但是，要把锂金属直接用做负极，在实际的应用中仍存在亟需解决的问题：(1)在锂电池充放电过程中，尤其是大电流快速充电时，由于锂的不均匀沉积生长等原因会形成锂枝晶，锂枝晶在金属锂层表面上不断生长最后会刺穿隔膜，导致电池内部短路，使电池快速升温甚至起火爆炸，从而引发电池安全问题；(2)锂枝晶的形成会使金属锂负极不断膨胀，同时锂枝晶生长断裂后会形成“死锂”；并且性质活泼的金属锂还会与电池隔膜吸收的有机电解液发生反应形成SEI( solid electrolyte interface)，导致锂和电解液的非正常消耗，引起电池的库伦效率降低，循环性能变差等缺点。只有解决上述问题，才能在实际应用中采用金属锂作为电池负极。产生上述问题的关键在于金属锂表面上的锂枝晶的生长，要解决锂枝晶的生长，可以利用金属锂本身的物理机械特性对锂电池结构进行改进从而解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决锂枝晶生长的使用金属状态的锂做为电池负极的锂电池。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案为：

一种锂电池，包括密闭的壳体，其特征在于还包括：

充注于所述密闭壳体内的惰性气体；

通过轴支承在壳体两内侧的若干个主带盘、 正带盘和负带盘，其中，一个主带盘对应一个负带盘和一个正带盘为一个电池单元；

一头固定并依序卷绕在主带盘上，另一头固定并依序卷绕在负带盘上的负极带；

一头固定并依序卷绕在主带盘上，另一头固定并依序卷绕在正带盘上的正极带；

设在所述的壳体内，包括两个对压辊，并对负极带产生的锂枝晶进行辊压整形的对压辊机构；

设在所述的壳体内，包括控制电路、电动机和传动机构的控制器，控制器控制所有主带盘、正负带盘和对压辊的转动控制。

所述的主带盘为工字轮形，两侧轮相互绝缘为导电材料制成，一侧轮为正极集流轮引出电源正极，另一侧轮为负极集流轮引出电源负极,盘芯与正极带和负极带固定连接。

所述的正负带盘为绝缘材料制成的工字轮形，盘芯与正极带或负极带的一端固定连接。

所述的正极带包括依序相互粘贴的柔性正基带、铝箔带、正极材料层和隔膜带；其中，铝箔带的一侧设置成与铝箔带面相互垂直的正导电层，并与正极集流轮紧贴连接。

所述的负极带包括依序相互粘贴的柔性负基带、铜箔带和负极材料层；其中，铜箔带的一侧设置成与铜箔带面相互垂直的负导电层，并与负极集流轮紧贴连接。

所述锂电池包括一个以上的若干电池单元。

所述正极材料层是包括镍钴锰三元材料。

以上结构的锂电池与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设置了包括两个对压辊，并对负极带产生的锂枝晶进行辊压整形的对压辊机构，利用金属锂熔点低易于熔化变形，硬度低容易在外力作用下变形的特性，当锂电池在充电过程中出现锂枝晶需要对负极带进行辊压整形消除。在控制器的作用下电机驱动主带盘及对压辊转动，由导向轮将正极带和负极带分离后引出，负极带进入对压辊，对负极带进行一次或多次辊压，从而消除锂枝晶。负极带完成辊压消除锂枝晶后，在控制器的作用下电机驱动主带盘反向转动，重新将正极带和负极带转移到主带盘上叠加卷绕组合成锂电池，完成充电。锂枝晶消除后，因锂枝晶刺穿电池隔膜引发的事故隐患降低，电池的安全性提高，可以采用更薄的电池隔膜，降低电池的内阻，减少电池的无效重量，提高锂电池的能量总体使用效率。

附图说明

图1是本发明壳体侧面剖视后的结构示意图；

图2是图1沿A-A线剖视的结构示意图；

图3是图1沿B-B线剖视的放大结构示意图；

图4是图1沿C-C线剖视的结构示意图；

图5是图1沿D-D线剖视的结构示意图；

在图中，壳体1，主带盘2，导向轮3，上辊4，下辊5，正极带6，负极带7，负带盘8，负带盘轴9，正带盘10，正带盘轴11，传动机构12，电动机13，控制电路14，控制线15，正极线16，负极线17，主带盘轴18, 负极集流轮19，正极集流轮20，正基带21， 铝箔带22， 正极材料层23，正导电层24，正绝缘层25，隔膜带26，锂枝晶27，负极材料层28，铜箔带29，负基带30，负导电层31，负绝缘层32。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

图1所示，是本发明壳体侧面剖视后的结构示意图，从图中可知，本发明包括密闭的壳体1，壳体1采用导热性能优异的铝合金制成，它承担着隔绝空气，为锂电池主体提供刚性保护，并作为散热器件把锂电池产生的热量散发到外界去。在壳体1内充注有惰性气体，一般为氩气。由于锂和空气、氧气和氮气接触都会产生对锂电池不良的反应，所以壳体1内部要充惰性气体进行保护，同时防止外界的空气倒流进来。在壳体1内，主带盘2、正带盘10和负带盘8分别通过主带盘轴18、正带盘轴11和负带盘轴9支承在壳体两内侧；其中，一个主带盘2对应一个负带盘8和一个正带盘10为一个电池单元；一个锂电池包括一个以上的若干电池单元。每一个主带盘2的两侧分别通过正极线16和负极线17引出正负电扱。

由图1可知，本发明还包括导向轮3、上辊4、下辊5、正极带6、负极带7、传动机构12、电动机13、控制电路14和控制线15；其中，负极带7一头固定并依序卷绕在主带盘2上，另一头固定并依序卷绕在负带盘8上；正极带一头固定并依序卷绕在主带盘上，另一头固定并依序卷绕在正带盘上；对压辊机构设在所述的壳体1内，包括上辊4和下辊5两个对压辊，并对负极带7产生的锂枝晶进行辊压整形，消除锂枝晶；控制器设在所述的壳体1内，它包括控制电路14、电动机13和传动机构12，控制器通过两根控制线15输入的控制信息控制电动机带动所有主带盘2、正负带盘10和8，以及上下压辊4和5的转动。导向轮3通过其轴和壳体1两侧支承，导向轮3的作用是引导正极带6和负极带7按要求线路顺利传动。

图2所示，是图1沿A-A线剖视的结构示意图，图中主要表达了主带盘2结构，从图中可知，所述的主带盘2为工字轮形，两侧轮19和20相互绝缘为导电材料制成，一侧轮为正极集流轮20通过正极线16引出电源正极，另一侧轮为负极集流轮19通过负极线17引出电源负极,盘芯与正极带7和负极带6固定连接，正极带7和负极带6依序绕卷在盘芯上。一个主带盘2和一个负带盘8与正带盘10为一个电池单元，一个锂电池包括若干电池单元，所以，在图中使用了省略号。同理，正极带6和负极带7绕卷在盘芯上也采用了省略号。所有主带盘2的转动受包括电动机13和传动机构12控制器的控制。

图3所示，是图1沿B-B线剖视的放大结构示意图，图中主要表达了上辊4和下辊5两个对压辊、正极带6和负极带7，以及锂枝晶27产生的结构。所述的正极带6包括依序相互粘贴的柔性正基带21、铝箔带22、正极材料层23和隔膜带26；其中，铝箔带22的一侧设置成与铝箔带面相互垂直的正导电层25，并与正极集流轮20紧贴连接，从正极集流轮20引出正极线16；所述正极材料层23是包括镍钴锰三元材料粘合在铝箔22上制成。为了使正极材料层23和隔膜带26与正极集流轮20之前间不产生电流，在靠正极集流轮20一侧设有正绝缘层25。所述的负极带7包括依序相互粘贴的柔性负基带30、铜箔带29和负极材料层28；其中，铜箔带29的一侧设置成与铜箔面相互垂直的导电层31，并与负极集流轮19紧贴连接，从负极集流轮19引出负极线17；负极材料层28包括金属态的锂；为了使负极材料层28与负极集流轮19之前间不产生电流，在靠负极集流轮19一侧设有负绝缘层31。在电池的充电过程中，会在负极材料层28上产生凹凸不平的锂金属层和锂枝晶27，对电池造成不利的影响。所以，将负极带7放在上辊4和下辊5两个对压辊之间进行辊压整形，消除锂金属层的凹凸不平和锂枝晶27，保证电池的正常运行。

图4所示，是图1沿C-C线剖视的结构示意图，图中主要表达了负带盘8和正带盘10的结构，所述的正负带盘10和8为由绝缘材料制成的工字轮形，盘芯与正极带6或负极带7的一端固定连接，在负带盘8的盘芯上绕卷有负极带7，在正带盘10的盘芯上绕卷有正极带6；正负带盘10和8分别由其各自的轴11和9支承于壳体1的内两侧。所有正负带盘10和8的转动受包括电动机13和传动机构12控制器的控制。一个电池单元包括一个正负带盘10和8。从图中还看到，所述的负导电层31与正导电层24分别在对应的两侧边上。结合图5一起来看，图5是图1沿D-D线剖视的结构示意图，当正极带6和负极带7叠绕在主带盘2上时，两极带上的负导电层31与正导电层24分别对应贴靠在两侧边的负极集流轮19与正极集流轮20上，保证了电流的流通并构成电源的正负极。

本发明的工作原理为：

本发明设置了包括上辊4和下辊5的两个对压辊，在控制器的控制下锂电池在充电过程中，电动机13和传动机构12驱动主带盘2、负带盘8和正带盘10，以及上辊4和下辊5两个对压辊转动，导向轮3把负极带送入滚动中的上辊4和下辊5之间，两对辊在转动过程中对负极带7进行辊压，对负极带7进行辊压整形，消除锂枝晶。即通过上辊4和下辊5的辊压使负极带7表面的锂金属层更为平整均匀，消除掉锂金属层表面上的毛刺、枝晶及不平整的突起，获得表面均匀平滑的锂金属层以及均匀平整的SEI层。

锂电池在充电或者放电过程中，当锂电池内部出现非正常升温过热时，通过控制器使电动机13的快速转动，使主带盘2上叠加在一起的正负极带6和7实现分离，使正极带6与负极带7完全分开不再叠加卷绕在一起，逐一暴露在壳体1内的惰性气体中，把锂电池内部积蓄的热量快速散发到外部环境中，同时使锂电池内部的非正常电化学反应完全中止。

主带盘2为工字轮形，两侧轮相互绝缘，并为分别为负极集流轮19与正极集流轮20，收集正极电流和负极电流，两集流轮各设有弹性紧压组件，将正负集流轮施予一定弹性压力，使之与正负极带的正导电层24和负导电层31紧压，实现良好的电接触，收集正负极带产生的电流，同时充当散热件，把电池内部产生的热量传递发散到电池以外去，降低电池内部的温度。

每一次充电，都对锂电池负极带进行辊压整形，使锂电池负极带的整体外形结构仍符合既定技术规范后，再和正极带重新叠加卷绕组合成锂电池，从而解决了锂电池在使用过程中因金属锂反复在负极不断沉积而产生的体积膨胀问题以及由此引发的其他问题。

本发明的柔性正极带和负极带上任意一点到正负极集流轮的最大垂直距离等于柔性正负极带的宽度而非长度，这个最大距离一般小于10厘米，远远小于现有锂离子电池中绝大多数电池部位到达正负极集流体的距离，锂电池只有很小的内阻和热阻，锂电池的整体充放电更均匀，更有利于减少电池内部能耗，降低锂电池的温度，也有利于提高锂电池的充放电电流，为动力设备提供大电流放电提高其动力性能，同时减少充电时间。直接使用金属状态的锂作为电池负极，省掉了锂离子电池中承载锂的负极材料，有效的减少了电池的无效重量，提高电池的能量密度。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂电池，包括密闭的壳体，其特征在于还包括：

充注于所述密闭壳体内的惰性气体；

通过轴支承在壳体两内侧的若干个主带盘、 正带盘和负带盘，其中，一个主带盘对应一个负带盘和一个正带盘为一个电池单元；

一头固定并依序卷绕在主带盘上，另一头固定并依序卷绕在负带盘上的负极带；

一头固定并依序卷绕在主带盘上，另一头固定并依序卷绕在正带盘上的正极带；

设在所述的壳体内，包括两个对压辊，并对负极带进行辊压整形的对压辊机构；

设在所述的壳体内，包括控制电路、电动机和传动机构的控制器，控制器控制所有主带盘、正负带盘和对压辊的转动。

2.根据权利要1所述的锂电池，其特征在于：

所述的主带盘为工字轮形，两侧轮相互绝缘为导电材料制成，一侧轮为正极集流轮引出电源正极，另一侧轮为负极集流轮引出电源负极,盘芯与正极带和负极带固定连接。

3.根据权利要1所述的锂电池，其特征在于：

所述的正负带盘为由绝缘材料制成的工字轮形，盘芯与正极带或负极带的一端固定连接。

4.根据权利要1所述的锂电池，其特征在于：

所述的正极带包括依序相互粘贴的柔性正基带、铝箔带、正极材料层和隔膜带；其中，铝箔带的一侧设置成与铝箔带面相互垂直的正导电层，并与正极集流轮紧贴连接。

5.根据权利要1所述的锂电池，其特征在于：

所述的负极带包括依序相互粘贴的柔性负基带、铜箔带和负极材料层；其中，铜箔带的一侧设置成与铜箔带面相互垂直的负导电层，并与负极集流轮紧贴连接。

6.根据权利要1所述的锂电池，其特征在于：

所述锂电池包括一个以上的若干电池单元。

7.根据权利要4所述的锂电池，其特征在于：

所述正极材料带包括镍钴锰三元材料。

8.根据权利要4所述的锂电池，其特征在于：

所述的惰性气体为氩气。