CN109904511A - 低阻耗手机充电电池 - Google Patents

Abstract

本发明属于手机上使用的充电电池，通过采用箔杆极耳、在集流体上等路程设置极耳及安装两块保护板这三种措施，使本发明中的手机电芯及手机电池的内阻都得到较大的降低，使本发明的手机电芯中同步阻压的理论值降低为现有手机的十六之一，可以有效地降低手机电池充电时的热耗，通过计算发现在电池中的正负极材料及隔膜都能承受大电流条件下，则本发明中的手机电池有可能在69.8分钟内完成充电，显然本发明有利于加快充电速度，保护电池延长电池寿命。

Description

低阻耗手机充电电池

技术领域

本发明属于手机上使用的充电电池；

背景技术

为便于陈述后面将手机上使用的充电电池简称为手机电池，将手机电池的电芯简称为手机电芯，手机电芯有两个宽大的扁平面和四个狭长的侧面，为进一步区分手机电芯的侧面本文将手机电芯中卷绕的层状物体的长边所形成的狭长侧面称为端面，将手机电芯中卷绕的层状物体弯折处所形成的狭长侧面称为弯面，当前手机电池的内阻主要由保护板的电阻(一般小于60毫欧)、手机电芯的电阻(一般小于60毫欧)两部分构成，为了保护电池及保证安全避免事故，我们要给手机电池安装保护板，该保护板要实现以下四个功能：①过充保护；②过放保护；③过流保护；④短路保护；当前手机电池中只有一块保护板且安装在手机电芯的端面附近，另一方面虽然当前手机电芯无论是锂离子电池还是聚合物电池的手机电芯要么采用叠片结构要么采用卷绕结构,采用叠片结构的手机电池虽然内阻小性能好但工艺复杂制造成本高，采用卷绕结构的手机电池正负极的极耳都是连接在靠近最里面卷层的相应集流体上，这种连接确实便于制造成本低，但这种连接导致电荷在集流体中流动的流程相差很大、内阻大性能差，为了降低手机电池的制造成本提高性能，本文主要针对卷绕结构的手机电池进行相关陈述，因此为便于陈述后文将具有卷绕结构的当前手机电芯简称为当前卷绕手机电芯，在手机电芯中，集流体都是采用金属箔，为便于表述后文将负极集流体称为负极箔，将正极集流体称为正极箔，充电时，大量电子从负极耳流入负极箔，在电压的作用下有的电子刚流进负极箔就会进入负极箔上的负极材料，同时与该负极材料相邻的正极材料中有相应数量的电子进入正极箔，按照此路径流过的这些电子所构成的电流在集流体中的流程只有几厘米，另外电子从负极耳流入负极箔后会有一部分流动到最外卷层的负极箔才进入负极箔上的负极材料，同时与该负极材料相邻的正极材料中有相应数量的电子进入正极箔，按照此路径流过的这些电子所构成的电流在集流体中的流程却可能超过100厘米，当采用大电流充电时，这种流程差不仅会使电池内部各点的电势差出现显著的差异而且导致电池有的地方充电电压太高，有的地方充电电压却太低，不仅降低了充电速度，还容易加速电池老化，

发明内容

为了减少保护板的电阻本文主张在手机电池的两个端面附近以并联的方式各安装一个保护板即要在手机电池中安装两块保护板，两个保护板在充电时可同时向手机电芯输入电流，这样就可以使保护板对手机电池产生的电阻由60毫欧以下降低到30毫欧以下，显然这是非常有效的手段，手机电芯的电阻由正负极材料及正负极材料中间的薄膜对电流的电阻、电流在集流体中流动时所遇到的电阻(后文将该电阻称为集流体电阻)以及极耳的电阻所构成，

后文将针对集流体电阻进行研究，为便于陈述本文将整个充电过程中电流在集流体中流动时，由于电阻的原因所产生的最小的热量简称为集流最小热，

为便于后面的推理，我们首先提出一个问题：在T时间内，电量为Q的电荷要流过电阻为R的导体，求该导体在此过程中由于电荷的流动产生的热量(焦耳热)W_R？

为解决该问题，我们将时间T切分为t₁、t₂、t₃……、t_(n-2)、t_(n-1)、t_n这n个相等的时间段即

t_i＝T/n (1)

(其中i为1、2、3……、n-1、n),

当n很大时,则在第i个时间段内，电流I_i可作为恒定电流来处理,

因此在第i个时间段内电量Q_i满足

Q_i＝I_it_i (2)

(其中i为1、2、3……、n-1、n),

因此根据焦耳定律则有：该导体在第i个时间段内电流热效应产生的热量W_i为：

W_i＝I_i ²Rt_i (3)

结合(1)、(2)、(3)式我们来推导电量Q在时间T内流过电阻R的焦耳热W_R：

W_R＝W₁+W₂+W₃+……+W_(n-2)+W_(n-1)+W_n

＝I₁ ²Rt₁+I₂ ²Rt₂+I₃ ²Rt₃+……+I_(n-2) ²Rt_(n-2)+I_(n-1) ²Rt_(n-1)+I_n ²Rt_n

＝R(I₁ ²t₁+I₂ ²t₂+I₃ ²t₃+……+I_(n-2) ²t_(n-2)+I_(n-1) ²t_(n-1)+I_n ²t_n)

＝R(Q₁ ²/t₁+Q₂ ²/t₂+Q₃ ²/t₃+……+Q_(n-2) ²/t_(n-2)+Q_(n-1) ²/t_(n-1)+Q_n ²/t_n)

＝R(nQ₁ ²/T+nQ₂ ²/T+nQ₃ ²/T+……+nQ_(n-2) ²/T+nQ_(n-1) ²/T+nQ_n ²/T)

＝nR(Q₁ ²+Q₂ ²+Q₃ ²+……+Q_(n-2) ²+Q_(n-1) ²+Q_n ²)/T

≥R(Q₁+Q₂+Q₃+……+Q_(n-2)+Q_(n-1)+Q_n)²/T

又因Q＝Q₁+Q₂+Q₃+……+Q_(n-2)+Q_(n-1)+Q_n，所以有

W_R≥RQ²/T

当各段时间内的电流相等即I_i＝Q/T时取等号，从上面的推论可以得到一个结论:在T时间内，电量为Q的电荷要流过电阻为R的导体，如果电流恒定即大小等于Q/T，则该导体产生最少的焦耳热且其大小为：

W＝RQ²/T (4)

参见图1，图中所示的物体是一个带状的充电电池，该电池是由正极耳1、负极耳2和电池箔9所构成，电池箔9的外形为狭长的长方形，参见图2，电池箔9由正极箔5、薄膜6、负极箔7和薄膜8这四层物体所构成，且其中所述正极箔5是指正极集流体金属箔，且该箔的正反面上没有连接正极耳1的地方都有均匀分布的正极材料，所述负极箔7是指负极集流体金属箔，且该箔的正反面上没有连接负极耳2的地方都有均匀分布的负极材料，所述薄膜6为以下两者之一：①聚合物薄膜；②多孔隔膜；在图1中所示的带状电池的正极耳1、负极耳2都在电池箔9的同一条短边的附近，且正极耳1连接在正极箔5上、负极耳2连接在负极箔7上；为了便于研究集流体对电流及电压的影响本文暂时忽略正极耳1、负极耳2这两者的电阻即先假设极耳的电阻为0且极耳与相应集流体的两条长边都接触到(参见图3中正极耳1、负极耳2)，因此下面将该电池的正极耳1、负极耳2附近且靠近短边的这段集流体都忽略，在此条件下根据电路特性可知当我们给该电池充电时正极箔5和负极箔7中电流就会如图3中所示进行流动，显然正极箔5和负极箔7这两者中电流的方向是相反的，因此本文将这种带状电池称为反向带电池，又因为正极材料、负极材料分别均匀的分布在正极箔5、负极箔7的表面上，因此我们认为反向带电池在整个充电过程中单位面积内从正极材料中进入正极箔5的电子数量是相等的，

设反向带电池一次完整的充电过程中充入电量为Q,集流体β(指正极箔和负极箔这两者之一)的有效长度(本文指能储存电能的这部分长度)为L,电阻率为ρ，参见图4，在集流体β上有电极材料(指正极材料和负极材料这二者之一)覆盖且在电极耳附近的地方选一个点为原点O，从原点O作一平行于电池箔9长边的直线为X轴，用x表示X轴上的坐标点，则从反向带电池充电开始到充电结束的这段时间内流过集流体β上点x处横截面(与X轴垂直，横截面面积为S)的电量为

Q_d＝Q(L-x)/L (5)

如果我们用垂直于X轴的平面将集流体β切分为许多小段的金属箔，则有R_d＝(ρ/S)dx (6)

上式中R_d表示微元的电阻，ρ表示集流体β的电阻率，S表示切口横截面的面积，dx表示对x的微分，

用W_d1表示微元在充电过程中集流最小热，Q_d表示从微元流过的电量，则根据(4)、(5)、(6)式可得

W_d1＝R_dQ_d ²/T

＝(ρ/S)Q_d ²/Tdx

＝ρQ_d ²/(TS)dx

＝ρ(Q(L-x)/L)²/(TS)dx

＝ρQ²(L-x)²/(L²TS)dx

即W_d1＝ρQ²(L-x)²/(L²TS)dx (7)

上式中ρ为集流体β的电阻率，Q表示一次完整的充电过程中充入的电量，L为集流体β有效长度,T为充电时间，S为集流体β横截面的面积，dx表示对x的微分，

用W表示集流体β在充电过程中的集流最小热，则根据(7)式积分可得

W＝∫₀ ^LρQ²(L-x)²/(L²TS)dx

＝ρQ²/(L²TS)∫₀ ^L(L-x)²/dx

＝ρQ²/(L²TS)∫₀ ^L(x-L)²/d(x-L)

＝ρQ²(L-L)³/(3L²TS)-ρQ²(0-L)³/(3L²TS)

＝ρQ²L/(3TS)

即W＝ρQ²L/(3TS) (8)

上式中ρ为集流体β的电阻率，Q表示一次完整的充电过程中充入的电量，L为集流体β的有效长度,T为充电时间，S为集流体β横截面的面积

设正极箔有效长度为L_c，正极箔的电阻率为ρ_c，横截面的面积为S_c，负极箔有效长度为L_a，负极箔的电阻率为ρ_a，横截面的面积为S_a，则根据(8)式则可得

W_c＝ρ_cQ²L_c/(3TS_c)式中W_c表示正极箔在整个充电过程中集流最小热

W_a＝ρ_aQ²L_a/(3TS_a)式中W_a表示负极箔在整个充电过程中集流最小热

W_z＝W_c+W_a＝Q²(ρ_cL_c/S_c+ρ_aL_a/S_a)/(3T)

即

W_z＝Q²(ρ_cL_c/S_c+ρ_aL_a/S_a)/(3T) (9)

又因在反向带电池中L_c＝L_a＝L，所以有

即W_z＝LQ²(ρ_c/S_c+ρ_a/S_a)/(3T) (10)

式中W_z表示反向带电池整个充电过程中的集流最小热，即从充电开始到充电结束正极箔5和负极箔7所产生的焦耳热之和的最小值，

反向带电池的集流体在整个充电过程中若要产生集流最小热，不仅要求充电器输入的电流大小不变，而且要求反向带电池里各点的充电速度相等，这要求反向带电池各处充电电压也相等，但由于集流体存在电阻导致集流体上必然出现电势降落，因此，即使充电器在整个充电过程中向反向带电池输入的电流始终不变，反向带电池里各点的充电电压也难以满足都相等,反向带电池的集流体在整个充电过程中产生的焦耳热肯定会大于集流最小热，为了进一步了解反向带电池的集流体发热情况，下面讨论反向带电池在充电器提供的充电电流恒定条件下的集流体产生最大焦耳热的问题：

为便于描述后文将本文涉及到的手机电池中的集流体在充电器提供的充电电流恒定条件下整个充电过程中所产生的最大焦耳热简称为集流最大热,

假设某充电器在时间T内给反向带电池输入一个恒定电流I，用W_d表示微元在充电过程中产生的焦耳热，R_d表示微元电阻，Q_d表示在时间T内从微元流过的电量，用t_i表示第i个时间段，用I_di表示在时间t_i从微元流过的电流，用Q_di表示在时间t_i从微元流过的电量，根据焦耳定律则有：微元在时间t_i内电流热效应产生的热量W_di为：

W_di＝I_di ²R_dt_i≤I_diIR_dt_i＝I_dit_iIR_d＝Q_diIR_d

所以有：

W_d＝W_d1+W_d2+W_d3+……+W_dn

≤Q_d1IR_d+Q_d2IR_d+Q_d3IR_d+……+Q_dnIR_d

＝IR_d(Q_d1+Q_d2+Q_d3+……+Q_dn)

＝IR_dQ_d

又因根据(5)可知Q_d＝Q(L-x)/L

根据(6)可知R_d＝(ρ/S)dx

所以有

W_d≤IQ_dR_d

＝I(Q(L-x)/L)(ρ/S)dx

＝IQρ(L-x)/(SL)dx

＝Qρ(Q/T)(L-x)/(SL)dx

＝Q²ρ(L-x)/(SLT)dx

则微元的最大焦耳热W_d2M为

W_d2M＝Q²ρ(L-x)/(SLT)dx (11)

用W_ma表示集流体β在整个充电过程中最大焦耳热，则根据(11)式积分可得，

W_ma＝∫₀ ^LQ²ρ(L-x)/(SLT)dx

＝-∫₀ ^LQ²ρ(x-L)/(SLT)dx

＝Q²ρL²/(2SLT)

＝Q²ρL/(2ST)

由此可知正极箔在整个充电过程中最大焦耳热W_maxc为：

W_maxc＝Q²ρ_cL_c/(2S_cT)

同理可得负极箔在整个充电过程中最大焦耳热W_maxa为：

W_maxa＝Q²ρ_aL_a/(2S_aT)

所以反向带电池的集流最大热为：

W_max＝Q²(ρ_cL_c/S_C+ρ_aL_a/S_a)/(2T)

又因在反向带电池中L_c＝L_a＝L，所以有

W_max＝LQ²(ρ_c/S_C+ρ_a/S_a)/(2T) (12)

通过前面的分析研究我们已经得到了集流最小热公式(10)及集流最大热公式(12)，集流最小热公式(10)无论充电过程是恒流还是变流都适用，但集流最大热公式(12)在恒流充电状态下才适用，但我们可以利用公式(12)推出集流体最大发热功率(后面简称最大发热功率)P_max为：

P_max＝W_max/T

＝LQ²(ρ_c/S_C+ρ_a/S_a)/(2T)/T

＝L(Q/T)²(ρ_c/S_C+ρ_a/S_a)/2

＝LI²(ρ_c/S_C+ρ_a/S_a)/2

即：

P_max＝LI²(ρ_c/S_C+ρ_a/S_a)/2 (13)

在(13)式中I为某一时刻的电流强度，其余参数含义请参见前文，公式(13)是用来描述手机电池集流体在某一瞬间所产生的最大发热功率，因此无论充电过程是恒流还是变流该公式都适用，我们可以通过最大发热功率P_max直接了解集流体的发热对手机电池安全威胁的情况，

另外我们可以将(10)式与焦耳定律结合计算得到集流体产生集流最小热时所对应的电阻(后面将该电阻称为下限电阻)，将(12)式与焦耳定律结合计算得到集流最大热时所对应的电阻(后面将该电阻称为上限电阻)，由于手机电芯中的集流体在充电过程中所表现的电阻与电流的分布有关，因此该电阻并非一成不变，但处在下限电阻与上限电阻之间，为便于后文的研究，本文将下限电阻与上限电阻的中间值称为中值电阻，下面计算中值电阻r:

r＝(下限电阻+上限电阻)/2

＝(L(ρ_c/S_c+ρ_a/S_a)/3+L(ρ_c/S_c+ρ_a/S_a)/2)/2

＝5L(ρ_c/S_c+ρ_a/S_a)/12

即：r＝5L(ρ_c/S_c+ρ_a/S_a)/12 (14)

中值电阻r能从一定程度上反映图1中所示反向带电池中集流体对电池内阻的影响，因此本文将中值电阻r作为集流体电阻，

如果电池在充电过程中，满足(7)式，即在充电过程中，不仅充电器输入的电流大小始终不变，而且在反向带电池中各点充电速度相等，充电进度也相等，本文将电池在充电过程中，满足恒流充电而且电池中各点充电速度相等，充电进度也相等的充电过程叫做同步充电，电池要实现同步充电就要满足电池中各点的充电电压相等，但由于集流体存在电阻，所以反向带电池中各点的充电电压不可能总是相等,也不可能都等于充电器的输入的电压，反向带电池中各点充电电压的差异取决于集流体的电阻及电流在集流体中的分布情况，因此我们有必要研究反向带电池中充电电压最大处与最小处这两个地方电压之差,该电压之差是在恒流充电的条件下由于集流体存在电阻所产生的，因此本文将该电压之差称为恒流阻压，反向带电池在充电过程中由于集流体存在电阻导致反向带电池中各点的充电电压不相同，进而导致反向带电池中各点的充电速度也不相同，但由于反向带电池中各点的储电能力相同，这样必然导致反向带电池中充电速度较快的地方提前充满，充电速度较慢的地方需要更长的时间才能充满，反向带电池中已经充满的地方不会吸收电流及提前接近充满的地方吸收的电流逐渐减小，这导致其他地方的电流会增大，所以反向带电池在输入恒流电流充电过程中集流体各处的电流大小会发生变化，因此会引起恒流阻压随时间出现变动，反向带电池上的恒流阻压不仅会受到正负极材料中间的薄膜、正极材料释放电子速度及负极材料吸收电子速度的影响，还会受到集流体电阻的影响，甚至会受到集流体中电流的方向的影响，这就是说同步充电难以实现，但是基于同步充电的条件推导出来的恒流阻压具有重要意义，因为她反映了同步充电所遇到的阻碍，为便于表述本文将基于同步充电的条件推导出来的恒流阻压叫做同步阻压，电池的同步阻压越大电池中各点充电速度和充电进度的差异就越大，电池的同步阻压越小电池中各点充电速度和充电进度就越接近，更容易使电池中更多的地方能达到充电电压要求，这样将电流分散到更多的地方，减少带电粒子在正负极材料及正负极材料中间的薄膜这些地方发生拥堵，从而使正负极材料及正负极材料中间的薄膜对带电粒子的阻碍也变小了，减少发热量，因此同步阻压越小正负极材料及正负极材料中间的薄膜对电流的电阻也会变小，

下面我们开始推导图1中所示的反向带电池同步阻压

设充电器给图1中所示的反向带电池能实现同步充电，集流体β的电阻率为ρ，集流体β的横截面积为S，在时间T内充入电量为Q，集流体β上坐标L处相对原点O处电压的绝对值为：

U₁＝∫₀ ^LI_d(ρ/S)dx

其中I_d表示流过微元的电流，dx表示对x的微分，又因满足(7)式，所以有

I_d＝Q_d/T其中Q_d表示流过微元的电量

U₁＝∫₀ ^LQ_dρ/(ST)dx

＝∫₀ ^L(Q(L-x)/L)ρ/(ST)dx将(5)式代入得到本行

＝∫₀ ^LρQ(L-x)/(LST)dx

＝-∫₀ ^LρQ(x-L)/(LST)d(x-L)

＝-ρQ(L-L)²/(2LST)+ρQ(0-L)²/(2LST)

＝LρQ/(2ST)

即U₁＝LρQ/(2ST)

由此可得，正极箔上坐标L处相对原点O处电压的绝对值为：

U_1c＝L_cρ_cQ/(2S_cT)

L_c、ρ_c、S_c、Q、T分别表示正极箔的有效长度，电阻率、横截面积、充入电量、充电时间，

负极箔上坐标L处相对原点O处电压的绝对值为：

U_1a＝L_aρ_aQ/(2S_aT)

L_a、ρ_a、S_a、Q、T分别表示负极箔的有效长度，电阻率、横截面积、充入电量、充电时间，

在同步充电时，且同步阻压ΔU_Syn等于正极箔、负极箔这两者上的压降之和，即

ΔU_Syn＝U_1c+U_1a＝L_cρ_cQ/(2S_cT)+L_aρ_aQ/(2S_aT)

即ΔU_Syn＝Q(L_cρ_c/S_c+L_aρ_a/S_a)/(2T)

又因在反向带电池中L_c＝L_a＝L，所以同步阻压ΔU_Syn为：

ΔU_Syn＝LQ(ρ_a/S_a+ρ_c/S_c)/(2T) (15)

完全满足(7)式时，要求充电电压无变动，这要求电阻率为0，这是不可能的，在实际应用中只能近似满足(7)式，此时我们仍然可用(15)来计算同步阻压ΔU_Syn，但恒流阻压可能会大于(15)式中的计算结果，因此我们不仅要考虑同步阻压，还要考虑电池中各点充电速度不相同甚至相差很大的情况下的整个充电过程中最大的恒流阻压，本文将该最大的恒流阻压叫做恒流阻压上限，为此我们设图1中反向带电池正极耳和负极耳之间电压为U,在时间T内以恒定电流I充进电量Q，该反向带电池的正极箔、负极箔的有效长度为L，并将该反向带电池的正极箔在0到x的这部分从数学上等分为n段，且用R_i表示在0到x的这部分正极箔上第i段的电阻，用I_i表示在0到x的这部分正极箔上第i段的电流，设该反向带电池的正极箔在0到x的这一段的电压为U_x1，则有：

U_x1＝R₁I₁+R₂I₂+R₃I₃+……+R_nI_n

≤R₁I+R₂I+R₃I+……+R_nI

＝(R₁+R₂+R₃+……+R_n)I

＝Q(R₁+R₂+R₃+……+R_n)/T

＝Q(xρ_c/S_c)/T(式中x为坐标值，ρ_c、S_c分别为正极箔电阻率、横截面积)

同法可以推出，该反向带电池的负极箔在x到0的这一段的电压U_x2有下面的不等式：

U_x2≤Q(xρ_a/S_a)/T

所以x处的充电电压满足下式：

U_x＝U-U_x1-U_x2

所以有

U_x≥U-Q(xρ_c/S_c)/T-Q(xρ_a/S_a)/T(式中x为坐标值，ρ_c、ρ_a分别为正、负极箔电阻率，S_c、S_a分别为正、负极箔横截面积，)

又因0≤x≤L,且U_x≤U

所以U-LQ(ρ_a/S_a+ρ_c/S_c)/T≤U_x≤U

由前面的推导过程可知当坐标L处的电流为Q/T时，图1中反向带电池坐标0处的充电电压为U，坐标L处的充电电压为U-LQ(ρ_a/S_a+ρ_c/S_c)/T，此时的恒流阻压为LQ(ρ_a/S_a+ρ_c/S_c)/T，该值恰好是充电电压U_x的最大值和最小值差值，由此可知恒流阻压上限ΔU_Max为：

ΔU_Max＝LQ(ρ_a/S_a+ρ_c/S_c)/T (16)

反向带电池在手机中是无法使用的，我们在制造手机电池的过程中也没必要制造反向带电池，但当前的手机电池可以看作是由反向带电池卷绕所形成的，如果我们将图1、图2中所示的反向带电池按照图5所示的卷绕方式进行卷绕，使薄膜8贴合在正极箔5上，制造成一块比较扁平的电池B，参见图6，如果电池B中薄膜8是绝缘膜，则电池B仅仅是由正极箔5、薄膜6、负极箔7、正极箔5上的正极材料、负极箔7上的负极材料和薄膜6附近的电解质构造的一卷电池，为便于区别本文将这卷电池称为平卷电芯，在实际应用中为了提高电池的能量密度,电池B中薄膜8和薄膜6采用同一种物质，则电池B是与当前卷绕手机电芯具有相同结构的手机电芯，此时电池B中正极箔5贴合到薄膜8上，正极箔5、薄膜8、负极箔7、正极箔5上的正极材料、负极箔7上的负极材料和薄膜8附近的电解质会构造另外一卷电池，为便于区别本文将这卷电池称为新卷电芯，当前卷绕手机电芯可以被认为是由平卷电芯和新卷电芯这两者构成，

参见图6，该手机电芯采用了卷绕结构，由于正极箔5和负极箔7在手机电芯边缘的弯折导致正极箔5和负极箔7这两者的有效长度不一致，手机电芯边缘的弯折形状大多采用直角和半圆角这两种，下面针对这两种情况进行分析：

参见图7，这是针对弯折形状是直角的手机电芯的边缘所建立的坐标系，该坐标系X轴在正极箔5一条弯折的长边所在的平面内，Y轴垂直于手机电芯的扁平面，图中折线F₁、F₃、F₅……F_2K-1(本文中K为卷绕的总圈数，如果圈数不是整数，可以将小数部分对应的卷层拿出来单独考虑，但该细节不影响后面的推论)分别表示正极箔5中的第1圈、第2圈、第3圈……第k圈的长边，F₂、F₄、F₆……F_2K表示负极箔7中的第1圈、第2圈、第3圈……第k圈的长边，折线F_i在X轴上的坐标为X_i，在Y轴上的坐标为Y_i，选择的原点O满足X_i＝Y_i,

根据手机电芯的结构可知，Y_i+2-Y_i+1＝Y_i+1-Y_i(此时i>0)

则此时负极箔7与正极箔5因弯折引起的长度差为：

ΔL＝4(((X₂+Y₂)+(X₄+Y₄)+(X₆+Y₆)+……+(X_2K+Y_2K))

-((X₁+Y₁)+(X₃+Y₃)+(X₅+Y₅)+……+(X_2K-1+Y_2K-1)))

＝4(((Y₂+Y₂)+(Y₄+Y₄)+(Y₆+Y₆)+……+(Y_2K+Y_2K))

-((Y₁+Y₁)+(Y₃+Y₃)+(Y₅+Y₅)+……+(Y_2K-1+Y_2K-1)))

＝8((Y₂+Y₄+Y₆+……+Y_2K)-(Y₁+Y₃+Y₅+……+Y_2K-1))

＝8((Y₂-Y₁)+(Y₄-Y₃)+(Y₆-Y₅)+……+(Y_2K-Y_2K-1))

＝4(((Y₂-Y₁)+(Y₄-Y₃)+(Y₆-Y₅)+……+(Y_2K-Y_2K-1))+

((Y₂-Y₁)+(Y₃-Y₂)+(Y₅-Y₄)+……+(Y_2K-1-Y_2K-2)))

＝4((-Y₁+Y₂-Y₃+Y₄-Y₅+Y₆-……-Y_2K-1+Y_2K)+

(Y₂-Y₁)+(-Y₂+Y₃-Y₄+Y₅-……-Y_2K-2+Y_2K-1))

＝4(Y_2K+Y₂-2Y₁)

≈4Y_2K

又因Y_2K等于手机电芯厚度的一半，所以ΔL约等于手机电芯厚度的两倍，

参见图8，这是针对弯折形状是半圆角的手机电芯的边缘所建立的坐标系，该坐标系X轴在正极箔5一条弯曲的长边所在的平面内，Y轴垂直于手机电芯的扁平面，图中曲线F₁、F₃、F₅……F_2K-1分别表示正极箔5中的第1圈、第2圈、第3圈……第k圈的长边，F₂、F₄、F₆……F_2K表示负极箔7中的第1圈、第2圈、第3圈……第k圈的长边，曲线F_i在X轴上的坐标为X_i，在Y轴上的坐标为Y_i，选择的原点O满足X_i＝Y_i,

根据手机电芯的结构可知，Y_i+2-Y_i+1＝Y_i+1-Y_i(此时i>0)

则此时负极箔7与正极箔5弯曲引起的长度差为：

ΔL＝2π((Y₂+Y₄+Y₆+……+Y_2K)-(Y₁+Y₃+Y₅+……+Y_2K-1))

＝2π((Y₂-Y₁)+(Y₄-Y₃)+(Y₆-Y₅)+……+(Y_2K-Y_2K-1))

＝π(((Y₂-Y₁)+(Y₄-Y₃)+(Y₆-Y₅)+……+(Y_2K-Y_2K-1))+

((Y₂-Y₁)+(Y₃-Y₂)+(Y₅-Y₄)+……+(Y_2K-1-Y_2K-2)))

＝π((-Y₁+Y₂-Y₃+Y₄-Y₅+Y₆-……-Y_2K-1+Y_2K)+

(Y₂-Y₁)+(-Y₂+Y₃-Y₄+Y₅-……-Y_2K-2+Y_2K-1))

＝π(Y_2K+Y₂-2Y₁)

≈πY_2K(π为圆周率)

又因Y_2K等于手机电芯厚度的一半，所以此时ΔL明显小于手机电芯厚度的两倍，我们通过对上面两种情况的分析可知正极箔5与负极箔7因卷绕所引起的有效长度差的绝对值不会明显比电池厚度的两倍大，又因当前卷绕手机电芯的厚度比较薄而电池中的集流体却比较长，因此我们可以忽略正极箔5与负极箔7因卷绕所引起的长度差，即认为正极箔5与负极箔7这两者的有效长度是相等的，

前面已提到当前卷绕手机电芯可以被认为是由平卷电芯和新卷电芯这两者构成，平卷电芯和新卷电芯这两者中能充电部分的长度略有差异，通常长度差异不会超过一圈，正极箔5上同一点相对正反两面的负极箔7的充电电压是不相同的，负极箔7上同一点相对正反两面的正极箔5的充电电压也是不相同的，但考虑到当前卷绕手机电芯卷层中的集流体长度相对手机电芯自身一圈的长度来讲还是比较长，且大部分集流体的正反面都有平均分布的电极材料，且在计算过程中我们可采用平卷电芯和新卷电芯这两者的有效长度的中值作为当前卷绕手机电芯的有效长度，这样得到当前卷绕手机电芯的有效长度与平卷电芯和新卷电芯有效长度的差异都比较小，因此就本文涉及的计算而言，当前卷绕手机电芯中新卷电芯中的电荷等效于被转移到平卷电芯中，则当前卷绕手机电芯等效于一个平卷电芯，而通过前面分析可知平卷电芯中的负极箔与正极箔这两者的长度是近似相等的，平卷电芯与图1中所示的反向带电池相比只是形状变化而已，因此我们可以采用(10)式、(12)式、(13)式、(14)式来分别计算当前卷绕手机电芯中的集流体在整个充电过程中的集流最小热、集流最大热、最大发热功率、集流体电阻，不仅如此，而且我们可采用(15)式、(16)式来计算当前卷绕手机电芯同步阻压和恒流阻压上限，

下面我们结合当前使用的手机电池说明问题，某品牌手机电池(为便于陈述，简称为H电池)标定的容量为4000mAh，拆解后实际测量得到正极箔和负极箔上有效长度L的平均值等于1米，正极箔是铝箔其宽度为85.1毫米，厚度为14.7微米，负极箔是铜箔其宽度为85.1毫米，厚度为12.8微米，已知铝电阻率为2.83×10^-8欧姆·米，铜电阻率为1.75×10^-8欧姆·米，根据(14)式可以计算出集流体电阻r约等于16.1毫欧，如果我们在表1中设定的时间内采用恒定电流向该手机电池中充入额定电量(等于电池容量)的条件下，依据(10)、(12)、(13)、(15)、(16)式分别计算该手机电池中的集流体在充电过程中的集流最小热、集流最大热、最大发热功率、同步阻压和恒流阻压上限，就可得到表1中的数据：

表1:

在实际应用中手机电池要充满电无法始终采用恒流充电，往往是先涓流充电，然后恒流充电，再恒压充电，因此如果手机电池要在上表中指定的时间内充满电，恒流充电时间会比整个充电过程的时间要小，但集流最小热公式(10)仍然适用整个充电过程，我们还可根据各个时间段分别计算得到更加接近真实情况的数值，例如根据实际观察得到前面所提到的H电池在充电过程中的第5分钟、第30分钟、第60分钟、第90分钟的充电进度分别为10％、56％、89％、100％这些数据，则可利用集流最小热公式(10)计算得到表2,

表2:

从表2中的数据可知，该手机电池在90分钟内完成一次额定电量的充电其集流最小热应大于646.986焦耳，该数值明显大于表一90分钟所对应的495.866焦耳，如果该手机电池要在60分钟内完成额定电量的充电，我们只要根据该手机电池的各个充电过程分别计算就可得到更加接近真实情况的集流最小热，同时我们会发现根据实际充电进度计算出来的集流最小热会明显大于表一中恒流充满时间60分钟所对应的集流最小热743.799焦耳，相对一块手机电池来讲743.799焦耳已经不是一个可以忽略的问题，而实际发热量却比该值还大，因此该手机电池的集流体实际发热量已经不容小觑，如果我们将(15)、(16)式进一步推导就会发现同步阻压和恒流阻压上限与电流强度成正比，由于手机电池在充电过程中的后段时间必须要等压充电且电流逐渐变小，因此导致手机电池必然在某个时间段内的电流强度比表一中恒流充满时间60分钟所对应的电流强度大的多，因此电池中的实际恒流阻压可能比表一中恒流充满时间60分钟所对应的恒流阻压上限0.155伏特还要大，这么大差异值容易导致该电池有的地方已经过充，有的地方充电电压还不够，这也是目前手机快充技术导致电池寿命较短的重要原因，因此我们完全有必要改变现有的电池结构，

如果我们把图1中的反向带电池修改为图9中的带状电池,即将图1中所显示的负极耳2移到负极箔7(参见图2)另一个短边处并与负极箔7连接好,则当我们给该电池充电时正极箔5和负极箔7中电流就会如图10中所示进行流动，由于正极箔5和负极箔7中电流的流动方向一致，因此本文将该带状电池称为同向带电池，显然图10中电流的分布形态与图3中电流的分布除了方向不一致，形态一样，因此我们仍可采用(10)式、(12)式、(13)式、(14)式来分别计算同向带电池中的集流体在整个充电过程中的集流最小热、集流最大热、最大发热功率、集流体电阻，但同步阻压和恒流阻压上限就要采用下面的计算方法，

图9中的同向带电池在同步充电过程中，正极箔5上正极耳1(对应坐标为原点O)处相对正极箔5上坐标值G处电压为：

U_CG＝(2GL-G²)ρ_cQ/(2LS_cT)(推算过程参考第8、9页U₁)

图9中的同向带电池在同步充电过程中，负极箔7上坐标值为G处相对负极箔7上负极耳2(对应坐标为L)电压为：

U_aG＝∫_G ^LI_d(ρ_a/S_a)dx其中I_d表示从负极箔微元流过的电流

＝∫_G ^LQ_aρ_a/(S_aT)dx其中Q_a表示从负极箔微元流过的电量

＝∫_G ^L(Qx/L)ρ_a/(S_aT)dx其中ρ_a表示负极箔的电阻率

＝(L²-G²)ρ_aQ/(2LS_aT)

如果图9中同向带电池在充电过程中，正极耳1相对负极耳2的电压为U，则在该电池上G处的充电电压U_G为

U_G＝U-U_aG-U_CG

＝U-(L²-G²)ρ_aQ/(2LS_aT)-(2GL-G²)ρ_cQ/(2LS_cT)

＝U+Q((ρ_a/S_a+ρ_c/S_c)G²-(2Lρ_c/S_c)G-L²ρ_a/S_a)/(2LT)

根据二次函数特性可推出在G＝(Lρ_c/S_c)/(ρ_c/S_c+ρ_a/S_a)处，充电电压U_G的电压最低，且其大小为

U_GSyn＝U-LQ((ρ_a/S_a)²+

(ρ_a/S_a)(ρ_c/S_c)+(ρ_c/S_c)²)/((ρ_a/S_a)+(ρ_c/S_c))/(2T)

又由于0≤G≤L，根据二次函数特性可知：U_G的最大值要么为G＝0时出现，要么在G＝L时出现，

当G＝0时，U_G0＝U-LQ(ρ_a/S_a)/(2T)

当G＝L时，U_GL＝U-LQ(ρ_c/S_c)/(2T)

当ρ_c/S_c≥ρ_a/S_a时，同步阻压ΔU_Syn为：

ΔU_Syn＝U_G0-U_GSyn＝U-LQ(ρ_a/S_a)/(2T)-(U-LQ((ρ_a/S_a)²+

(ρ_a/S_a)(ρ_c/S_c)+(ρ_c/S_c)²)/((ρ_a/S_a)+(ρ_c/S_c))/(2T))

即ΔU_Syn＝LQ(ρ_c/S_c)²/((ρ_a/S_a)+(ρ_c/S_c))/(2T)) (17)

当ρ_c/S_c≤ρ_a/S_a时，同步阻压ΔU_Syn为：

ΔU_Syn＝U_GL-U_GSyn＝U-LQ(ρ_c/S_c)/(2T)-(U-LQ((ρ_a/S_a)²+

(ρ_a/S_a)(ρ_c/S_c)+(ρ_c/S_c)²)/((ρ_a/S_a)+(ρ_c/S_c))/(2T))

即ΔU_Syn＝LQ(ρ_a/S_a)²/((ρ_a/S_a)+(ρ_c/S_c))/(2T)) (18)

前面讨论了同向带电池同步阻压，下面讨论同向带电池恒流阻压上限,

仿照前面(16)式的推导过程，我们可以推出同向带电池x处的充电电压U_x满足下式：

U+((ρ_a/S_a-ρ_c/S_c)x-Lρ_a/S_a)Q/T≤U_x≤U(式中x为坐标值，ρ_c、ρ_a分别为正、负极箔电阻率，S_c、S_a分别为正、负极箔横截面积，)

在ρ_c/S_c≥ρ_a/S_a的条件下，可以推出当x＝L时

U-Lρ_cQ/(TS_c)≤U_x≤U

由前面的推导过程可知当正极箔坐标L处的电流为Q/T时，同向带电池坐标0处的充电电压为U，坐标L处的充电电压为U-Lρ_cQ/(TS_c)，此时的恒流阻压为Lρ_cQ/(TS_c)，该值恰好是充电电压U_x的最大值和最小值的差值，由此可知此时恒流阻压上限ΔU_Max为：

ΔU_Max＝Lρ_cQ/(TS_c) (19)

在ρ_c/S_c≤ρ_a/S_a的条件下，可以推出当x＝0时

U-Lρ_aQ/(TS_a)≤U_x≤U

由前面的推导过程可知当负极箔坐标0处的电流为Q/T时，同向带电池坐标L处的充电电压为U，坐标0处的充电电压为U-Lρ_aQ/(TS_a)，此时的恒流阻压为Lρ_aQ/(TS_a)，该值恰好是充电电压U_x的最大值和最小值的差值，由此可知此时恒流阻压上限ΔU_Max为：

ΔU_Max＝Lρ_aQ/(TS_a) (20)

参见图11这是本文针对当前现有手机电芯的缺点提出的一种手机电芯，由于这种手机电芯中的电流在集流体中流动的方向一致(不包括与电极材料交换电荷时的方向)，且为以下两者之一：①顺时针；②逆时针，因此本文将这种手机电芯构成的电池称为同向电池，其中薄膜6和薄膜8采用同一种物质，该手机电芯与图6中所示的手机电芯的不同之处是没有将负极耳2连接在最里卷层的负极箔7上，而是将负极耳2连接在最外卷层的负极箔7上，如果我们将图9中所示的同向带电池按照图5所示的卷绕方式进行卷绕，并使薄膜8贴合在正极箔5上，就得到图11中所示的手机电芯，因此我们我们可以依据(10)、(12)、(13)、(14)式分别计算该手机电芯中的集流最小热、集流最大热、最大发热功率、集流体电阻，不仅如此，而且我们可采用(17)式和(18)式这两者之一来计算图11中所示手机电芯同步阻压、采用(19)和(20)式这两者之一来计算图11中所示手机电芯的恒流阻压上限，

根据(15)式和(18)式可知，当集流体长度L相等且ρ_c/S_c＝ρ_a/S_a在同等条件下同步充电时，图11中所示手机电芯同步阻压仅为当前卷绕手机电芯的25％，根据(16)式和(20)式可知，当集流体长度L相等且ρ_c/S_c＝ρ_a/S_a在同等条件下同步充电时，图11中所示手机电芯恒流阻压上限仅为当前卷绕手机电芯的50％，在充电过程中充电电池的同步阻压和恒流阻压上限越小，手机电芯内部各点的充电电压就越接近,越有利于充电电池内部各处的充电速度同步，就越利于加快充电速度，有利于充电器精准地控制充电电压，使手机电芯中各处产生的带电粒子比较均匀地穿过集流体中间的薄膜，减少带电粒子拥堵的发生，使带电粒子在大范围内比较顺畅地通过薄膜完成电荷转移，这样也降低了薄膜对带电粒子的阻碍也就是说相当于降低了薄膜的电阻，因此图11中所示手机电芯相对图6中所示的手机电芯而言，不仅集流最小热更加接近(10)式计算出来的发热量，而且降低了带电粒子通过薄膜时产生的热量，所以图11中所示手机电芯更加有利于加速充电缩短充电时间、避免过冲和保护电池延长寿命，

虽然图11中手机电芯相对当前卷绕手机电芯的性能有所改善，但在发热量方面改善仍不明显，为此本文提出三极耳手机电芯，

为了研究三极耳手机电芯，我们首先需要了解图12中所示的三极耳带电池，本段所述三极耳带电池其特征是该电池是由正极耳1、负极耳2、正极耳3和电池箔9所构成，该结构其实相当于将图1中所示的反向带电池中的负极耳2移动在负极箔7的中间位置并与负极箔7连接好，在正极箔5的另一条短边处加一片正极耳3并连接好，在图12中所示的三极耳带电池可以看作是由两块同向带电池并联而成，其中第一块是由正极耳1、负极耳2及电池箔9中处在正极耳1、负极耳2这两者之间部分所构成，第二块是由正极耳3、负极耳2及电池箔9中处在正极耳3、负极耳2这两者之间部分所构成，因此三极耳带电池其实仍然是同向电池,在三极耳带电池、反向带电池这两者的制造材料及容量都相同的条件下，我们不难实现三极耳带电池中每块同向带电池的集流体的有效长度为图1所示的反向带电池的一半即L/2(此处L表示反向带电池中集流体的有效长度)，同时实现三极耳带电池中每块同向带电池的容量也为图1所示的反向带电池的一半即Q/2(此处Q表示反向带电池容量)，因此在ρ_c/S_c＝ρ_a/S_a且在同等条件下同步充电时，根据上文的计算公式可以推算出充电过程中三极耳带电池中的集流最小热降为图1中所示的反向带电池的1/4，集流最大热降为反向带电池的1/4，集流体电阻也降为反向带电池的1/4，同步阻压降为反向带电池的1/16，恒流阻压上限降为反向带电池的1/8，由此可见三极耳带电池相对于反向带电池的性能已经有明星的改善，如果我们将三极耳带电池按照图5所示的卷绕方式进行卷绕，使薄膜8贴合在正极箔5上，就可得到图13中所示的三极耳手机电芯，前面用来计算三极耳带电池的集流最小热、集流最大热、集流体电阻、同步阻压、恒流阻压上限的公式在三极耳手机电芯中仍然适用，根据这些计算公式可以推出三极耳手机电芯的性能相对现有手机电芯会有较大的提高，

前文为了便于陈述忽略了极耳的电阻，但在现实中的手机电芯中极耳的电阻并非为零，通常接近1毫欧，尤其是负极耳如果不采用铜镀镍而是采用镍箔则该极耳的电阻可能会达到3毫欧，这会使体积占比很小的极耳在快速充电过程中温度过高，不仅如此当前手机中使用的极耳都是长条形的薄片，该薄片虽然较薄但相对手机中使用的集流体金属箔来讲就厚很多了，因此当前使用的极耳边沿容易使手机电芯内部产生皱褶生成气泡，造成内部接触不良内阻增加，阻碍充电，迫使充电时间增加，延长了整个充电进程，这不仅影响充电速度还影响手机电池寿命，当前卷绕手机电芯中的长条形极耳随着极耳的增加其副作用急剧增加，对三极耳及多极耳的手机电池的影响尤其大，为了改变这弊端，本文提出箔杆极耳，本文所述箔杆极耳是由箔杆端子和用于绝缘及密封的胶片(本文涉及到的所有图片都没有画出胶片)这两部分所构成,其中所述箔杆端子是由连接杆和一块比较宽大的箔片这两部分所构成，且这两部分是一个没有分割的整体，即箔杆端子的连接杆上有一块比较宽大的箔片，根据箔杆端子的外形将箔杆极耳分为六种：①L形箔杆极耳(参见图14、图15)，②匚形箔杆极耳(参见图16)、③Z形箔杆极耳(参见图17)，④一字形箔杆极耳(参见图18、图19)、⑤有两个连接杆的一字形箔杆极耳(参见图20)，⑥双连接杆的L形箔杆端子，所述双连接杆的L形箔杆端子相当于一个L形箔杆端子和一个一字形箔杆端子这两者的箔片连接在一起得到，如果我们将双连接杆的L形箔杆端子从箔片上的中心线(平行于连接杆)处切开就可得到一个L形箔杆端子和一个一字形箔杆端子，在制造手机电池时箔杆端子的箔片被焊接在集流体上，由于箔杆端子的箔片比较宽大，因此可以做的很薄，甚至与集流体的厚度相同，所以箔杆极耳可以有效地使手机电芯在正负极耳周围出现皱褶变小，减少电池内阻，提高电池的稳定性，并使前面推出的计算公式更加实用，为便于陈述后文将箔杆极耳中箔杆端子的连接杆简称为极耳杆,极耳杆被接在保护板上，极耳杆没有夹在手机电芯中，而是外露在手机电芯的端面附近，因此极耳杆可以做的比较厚，与箔杆端子的箔片相比极耳杆明显要厚，极耳杆的宽度也比较好控制，因此我们可以使箔杆极耳的电阻很小，极耳杆的形状为以下两者之一：①扁平的长条，②接近圆柱形的长条，采用箔杆极耳后保护板的连接位置不再局限于端面附近，参见图21由于极耳杆没有夹在手机电芯的卷层中，因此极耳杆可以做的比较长，甚至在手机电芯卷好后，我们可以将从手机电芯的不同端面的极耳杆弯曲成图22中所示，这样就可将保护板连接在手机电芯的弯面附近，

本文主张将当前在手机电芯中使用的长条形极耳替换为L形箔杆极耳(参见图14、图15)，在本文第2页已经提到要在手机电池中安装两块保护板，但前面所提到图6、图11、图13所示的手机电芯都不适合安装两块保护板，但如果我们将图6、图11、图13所示的手机电芯中的极耳替换为图16中所示的匚形箔杆极耳，则这三者被修改后的手机电芯都可安装两块保护板,不仅如此我们还可将图6、图11、图13所示的手机电芯中的极耳替换为图17中所示的Z形箔杆极耳，则这三者被修改后的手机电芯也可安装两块保护板,

通过测量计算得到数据，前面提到的H电池的内阻为91.6毫欧，保护板的充电路的电阻为46.8毫欧，如果我们将该电池采用图26中所示的三极耳手机电芯进行制造，并安装两块保护板，并将匚形箔杆极耳22(负极耳)直接焊接在两块保护板上，这样改造后的新电池内阻为多少呢？该新电池在两块保护板并联板后，保护板对手机内阻的影响已经减少了46.8/2＝23.4(毫欧)，在前文已经算出H电池没改造之前的集流体电阻为16.1毫欧，改造为新电池后集流体电阻为4.0毫欧，即集流体电阻减少了12.1毫欧，又因采用了箔杆极耳该技术至少可降低1毫欧的电阻，根据前面所述可知总计可以降低23.4+12.1+1＝36.5(毫欧)的电阻，显然改造后的新电池内阻为91.6-36.5＝55.1(毫欧),下面首先假设新电池中的正负极材料及隔膜都能承受改造后出现的大电流，且改造后的新电池散热能力和H电池相同，并认为H电池的平均发热功率已经达到手机及手机电池允许的平均散热功率的上限，则新电池的平均发热功率不能超过H电池的平均发热功率，则有：

I₀ ²R₀≥I²R (21)

式中I₀、R₀分别表示H电池的平均电流、内阻，

I、R分别表示新电池的平均电流、内阻，

由(21)式得：

(Q₀/T₀)²R₀≥(Q/T)²R (22)

式中Q₀、T₀分别表示H电池的容量、能冲满电的时间，

Q、T分别表示，新电池的容量、能冲满电的时间

又因Q₀＝Q

所以可由(22)得到

T≥T₀(R/R₀)^0.5＝90(55.1/91.6)^0.5＝69.8(分钟)

这个结果表明，如果新电池中的正负极材料及隔膜都能承受改造后出现的大电流，则改造后的新电池有可能在69.8分钟内完成充电，相对H电池来讲，新电池可能缩短20.2分钟，另外前面已经提到同步阻压越小正负极材料及正负极材料中间的薄膜对电流的电阻也会变小，因此如果考虑到这点，则上述所推出来的充电时间有望进一步缩短，

为进一步减小手机电芯的内阻，下面提出单边外露的手机电芯，参见图27、图28、图29，单边外露的手机电芯的特征是正极箔5上一条长边(卷绕的边)及靠近该长边的部分从薄膜6和薄膜8的夹层中伸出与保护板相连，负极箔7上一条长边(卷绕的边)及靠近该长边的部分从薄膜6和薄膜8的夹层中伸出与保护板相连，如果将H电池的手机电芯改造为单边外露的手机电芯，则可根据(14)式可以计算出单边外露的手机电芯的集流体电阻r约等于0.12毫欧，显然单边外露的手机电芯比其他手机电芯的性能更好，充电时,电流从单边外露的手机电芯的正极箔上外露的长边流向另一端的负极箔上外露的长边，显然电流在该手机电芯中的流动方向不存在折返的可能，因此利用单边外露的手机电芯造出的手机电池仍然是同向电池，

附图说明

图1：反向带电池

图2：电池箔的层结构

图3：反向带电池充电时的电流示意图

图4：在反向带电池上建立坐标

图5：手机电芯卷绕方式示意图

图6：当前卷绕手机电芯结构

图7：为计算直角手机电芯中正负极集流体的长度差建立坐标系并画出集流体部分边线图

图8：为计算圆角手机电芯中正负极集流体的长度差建立坐标系并画出集流体部分边线图

图9：同向带电池

图10：同向电池带充电时的电流示意图

图11：同向手机电芯结构

图12：三极耳带电池

图13：三极耳手机电芯

图14：L形箔杆极耳

图15：L形箔杆极耳的立体图形

图16：匚形箔杆极耳

图17：Z形箔杆极耳

图18：一字形箔杆极耳

图19：一字形箔杆极耳的立体图形

图20：有两个连接杆的一字形箔杆极耳

图21：L形箔杆极耳从手机电芯两端引出的同向手机电芯结构

图22：L形箔杆极耳从手机电芯两端引出并将连接杆弯曲在弯面附近的手机电芯(便于在弯面连接保护板)

图23：采用L形箔杆极耳的反向手机电芯

图24：采用L形箔杆极耳的同向手机电芯

图25：采用三个L形箔杆极耳的手机电芯

图26：采用三个匚形箔杆极耳的手机电芯(两组极耳)

图27：单边外露的手机电芯的层结构

图28：单边外露的手机电芯的俯视图

图29：单边外露的手机电芯的B-B剖面图(只画出了几层)

图30：开缝的集流体

图31：采用四个L形极耳的手机电芯

具体实施方式

本发明第一个实施例为采用L形箔杆极耳的反向手机电池

参见图23这是在本实施例中所采用的手机电芯，该手机电芯由正极箔5、薄膜6、负极箔7、薄膜8这四者卷绕而成，且在正极箔5的最里面的卷层连接了正极耳11，且在负极箔7的最里卷层连接了负极耳12，由于这种手机电芯中的电流在正负集流体中流动的方向是相反的，因此这种手机电芯构成的电池属于反向电池，本段及后文中所述正极箔5的正反面都有正极材料，本段及后文中所述负极箔7的正反面都有负极材料，本段及后文中所述薄膜6和薄膜8的正反面都有电解质，且所述薄膜6为以下两者之一：①聚合物薄膜；②多孔隔膜，且所述薄膜8为以下两者之一：①聚合物薄膜；②多孔隔膜；本实施例中所提出的手机电芯与现有手机电芯(参见图6)的不同之处是将长条形的极耳换成了L形箔杆极耳，即正极耳11和负极耳12都是L形箔杆极耳,并且这两个极耳的极耳杆被焊接在保护板上,本段及后文中所述焊接在保护板上是指以下三者之一：①焊接在保护板上元件的引脚上，②植入保护板上元件里即成为元件的一个引脚，③焊接在与保护板上元件的引脚相连的线路上，该手机电芯在安装好保护板、加装外壳后就是一块完整的手机电池,本段及后文中所述外壳为以下三者之一:①钢壳，②铝壳，③软包装(铝塑膜只是其中一种)，

本发明第二个实施例为采用L形箔杆极耳的同向手机电池

参见图24这是在本实施例中所采用的手机电芯，该手机电芯由正极箔5、薄膜6、负极箔7、薄膜8这四者卷绕而成，且在正极箔5的最里面的卷层连接了正极耳11，且在负极箔7的最外卷层连接了负极耳12，由于这种手机电芯中的电流在正负集流体中流动的方向是相同的，因此这种手机电芯构成的电池属于同向电池，本实施例中所提出的手机电芯与现有手机电芯(参见图6)的不同之处是将长条形的极耳换成了L形箔杆极耳,即正极耳11和负极耳12都是L形箔杆极耳，并且没有将负极耳12连接在负极箔7的最里卷层，而是将负极耳12连接在负极箔7的最外卷层，并且这两个L形箔杆极耳的极耳杆被焊接在保护板上,该手机电芯在安装好保护板、加装外壳后就是一块完整的手机电池,

本发明第三个实施例为采用三个L形箔杆极耳的手机电池

参见图25，本实施例中的电池采用三个L形箔杆极耳的手机电芯，该手机电芯由正极箔5、薄膜6、负极箔7、薄膜8这四者卷绕而成，且不仅在正极箔5的最里卷层连接了正极耳11而且在正极箔5的最外卷层也连接了正极耳13，且在负极箔7的中间位置连接了负极耳12，本段所述正极耳11、负极耳12和正极耳13都是L形箔杆极耳,并且这三个极耳的极耳杆被焊接在保护板上,该手机电芯在安装好保护板、外壳后就是一块完整的手机电池,

在前面的三个实施例中，制造者可以将L形箔杆极耳替换为图18、图19所示的一字形箔杆极耳，

本发明第四个实施例为采用三个匚形箔杆极耳的手机电池(两组极耳)

参见图26，本实施例中的电池为采用三个匚形箔杆极耳的手机电芯，该手机电芯由正极箔5、薄膜6、负极箔7、薄膜8这四者卷绕而成，且不仅在正极箔5的最里卷层连接了匚形箔杆极耳21(正极耳)而且在在正极箔5的最外卷层连接了匚形箔杆极耳23(正极耳)，且在负极箔7的中间位置连接了匚形箔杆极耳22(负极耳)，并且三个匚形箔杆极耳两端的连接杆被焊接在保护板上,该手机电芯在装好保护板、加装外壳后就是一块完整的手机电池,且该手机电池的两端不仅各有一组极耳还各有一块保护板,即该手机电池有两组极耳、两块保护板,且正极耳21和正极耳23连接在一起，

在第四个实施例中，制造者可以将匚形箔杆极耳替换为图17中所示的Z形箔杆极耳，还可将匚形箔杆极耳替换为图20中所示的有两个连接杆的一字形箔杆极耳，

在前面的四个实施例中，我们可以采用薄膜袋代替薄膜6和薄膜8，提高该电池的性能，制造者在制造前面四个实施例中的手机电芯时不仅要对极耳做好绝缘措施防止短路和还要密封好极耳与电极箔相互接触的边沿，以防止电解材料侵入极耳与集流体之间的缝隙，

本发明第五个实施例为单边外露的手机电池：

参见图27、图28、图29，单边外露的手机电池的手机电芯由正极箔5、薄膜6、负极箔7和薄膜8这四层物体卷绕而成，且正极箔5上一条长边(卷绕的边)及靠近该长边的部分从薄膜6和薄膜8的夹层中伸出与保护板相连，且负极箔7上一条长边(卷绕的边)及靠近该长边的部分从薄膜6和薄膜8的夹层中伸出与保护板相连，该手机电芯中的电流在集流体中流动的方向一致且从手机电芯的一端流向另一端(不包括与电极材料交换电荷时的方向)，参见图29，薄膜6和薄膜8是同一张薄膜，且在该薄膜的中线位置折叠，使折叠线靠近负极箔7上没有与保护板相连的长边(卷绕的边)并包住负极箔7的大部分表面，为了使本实施例中手机电池更安全，将正极箔5上没有与保护板焊接的这条长边(卷绕的边)两面的薄膜的边缘连接一起，即将薄膜6和薄膜8这两者的边缘连接在一起，使薄膜6和薄膜8包住正极箔5上没有外露的这条长边(卷绕的边)并包住正极箔5的大部分表面，该手机电芯在安装好保护板再加装外壳后就是一块完整的手机电池，

前文所涉及实施例中卷绕的层结构从里到外依次为正极箔5、薄膜6、负极箔7、薄膜8，在实际应用中我们可以根据实际情况进行调整，可以将前文所涉及实施例中卷绕的层结构从里到外依次修改为负极箔7、薄膜6、正极箔5、薄膜8，并将负极耳从最里层引出来，并调整其余的极耳，

本发明第六个实施例为无线充电手机电池：

手机在无线充电过程中，手机被置于无线充电器产生的不断变动电磁场中，由于不断变动电磁场不仅会使线圈产生电流和电压，还会使手机电芯中的集流体产生涡流，该涡流会使集流体产生热量，这不仅会浪费能量，而且会影响电池寿命甚至酿成事故，因此必须采取措施控制，参见图30，以第五个实施例为基础，在正极箔5和负极箔7上切割出缝隙，以减少涡流，

本发明第七个实施例为采用四个L形箔杆极耳的手机电池

参见图31，本实施例中的电池采用四个L形箔杆极耳的手机电芯，该手机电芯由正极箔5、薄膜6、负极箔7、薄膜8这四者卷绕而成，且在正极箔5上连接了正极耳11、正极耳13，且在负极箔7上连接了负极耳12、负极耳14，本段所述正极耳11、负极耳12、正极耳13和负极耳14都是L形箔杆极耳,并且正极耳11和负极耳12从同一个端面的卷层中引出来，且这两个极耳的连接杆焊接在一个保护板上,并且正极耳13和负极耳14从另一个端面的卷层中引出来，且这两个极耳的连接杆焊接在另一个保护板上,沿正极箔5的长边运动，正极耳11到正极箔5最外卷层短边的路程与到正极箔5最里卷层短边的路程的比值约等于1/3，正极耳13到正极箔5最里卷层短边的路程与到正极箔5最外卷层短边的路程的比值约等于1/3，沿负极箔7的长边运动，负极耳12到负极箔7最外卷层短边的路程与到负极箔7最里卷层短边的路程的比值约等于1/3，负极耳14到负极箔7最里卷层短边的路程与到负极箔7最外卷层短边的路程的比值约等于1/3，该手机电芯在安装好保护板、外壳后就是一块完整的手机电池,

如果我们运用前文中的理论对本实施例进行分析就会发现本实施例其实相当于将四个反向的电池并联在一起，在可以比较的条件下，本实施例比第一至第四个实施例的性能改善了许多，并且接近第五个实施例，但制造难度及成本比第五个实施例低，

在本实施例中，制造者可以将L形箔杆极耳替换为图18、图19所示的一字形箔杆极耳，我们还可以将四个极耳从同一个端面的卷层中引出来并焊接在同一块保护板上，

尽管已经参照本文的给定优选实施例示出并描述了本文，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离如所附权利要求所限定的本文的精神和范围的条件下，可以在这里进行形式和细节上的各种变化。

Claims (11)

1.一种手机电池，其特征是：

该电池包括电芯和箔杆极耳，

所述箔杆极耳是由箔杆端子和用于绝缘及密封的胶片这两部分所构成,其中所述箔杆端子是由连接杆和一块箔片这两部分所构成，且连接杆的厚度为箔片厚度的两倍以上,且箔片厚度不超过集流体厚度的两倍，且箔片宽度超过10毫米，且箔杆端子的箔片连接在集流体上，且箔杆端子的连接杆连接在保护板上，且根据箔杆端子的外形箔杆极耳为以下六者之一：①L形箔杆极耳，②匚形箔杆极耳、③Z形箔杆极耳，④一字形箔杆极耳、⑤有两个连接杆的一字形箔杆极耳，⑥双连接杆的L形箔杆端子。

2.一种手机电池，其特征是：

该电池包括电芯和箔杆极耳，

所述箔杆极耳是由箔杆端子和用于绝缘及密封的胶片这两部分所构成,其中所述箔杆端子是由连接杆和一块箔片这两部分所构成，且连接杆的厚度为箔片厚度的两倍以上,且箔片厚度不超过集流体厚度的两倍，且箔片宽度超过10毫米，且箔杆端子的箔片连接在集流体上，且箔杆端子的连接杆连接在保护板上，

所述电芯中有两张卷绕的集流体，在这两张集流体上一共连接了两个以上箔杆极耳，且为以下七者之一：①都是L形箔杆极耳，②都是匚形箔杆极耳、③都是Z形箔杆极耳，④都是一字形箔杆极耳、⑤都是有两个连接杆的一字形箔杆极耳，⑥双连接杆的L形箔杆端子，⑦由L形箔杆极耳、匚形箔杆极耳、Z形箔杆极耳、一字形箔杆极耳、有两个连接杆的一字形箔杆极耳、双连接杆的L形箔杆端子这六种极耳中的两种以上组合而成。

3.根据权利要求2所述的手机电池，其特征是：

所述电芯中每张集流体上连接了一个箔杆极耳，且所述箔杆极耳和集流体的位置关系为以下四者之一：①其中一张集流体的最里卷层连接了一个箔杆极耳，另一张集流体的最里卷层连接了另一个箔杆极耳；②其中一张集流体的最里卷层连接了一个箔杆极耳，另一张集流体的最外卷层连接了另一个箔杆极耳；③其中一张集流体的最外卷层连接了一个箔杆极耳，另一张集流体的最外卷层连接了另一个箔杆极耳；④其中一张集流体的中间位置连接了一个箔杆极耳，另一张集流体的中间位置连接了另一个箔杆极耳。

4.根据权利要求2所述的手机电池，其特征是：

所述电芯中两张集流体上一共连接了两组箔杆极耳，且两组极耳分别从两个端面的卷层中引出来，每个端面都有一个正极耳和一个负极耳。

5.根据权利要求2所述的手机电池，其特征是：

所述电芯中两张集流体上一共连接了三个箔杆极耳，且其中一张集流体不仅在最里卷层连接了一个箔杆极耳还在最外卷层连接了一个箔杆极耳，另一张集流体的中间位置连接了另一个箔杆极耳。

6.根据权利要求2所述的手机电池，其特征是：

所述电芯中两张集流体上一共连接了两组箔杆极耳，且两组极耳分别从两个端面的卷层中引出来，每个端面都有三个极耳且这三个极耳中既有正极耳又有负极耳。

7.根据权利要求2所述的手机电池，其特征是：

所述电芯中的正极集流体、负极集流体上分别均匀地连接了M个箔杆极耳，N个箔杆极耳，且|M-N|≤1，M和N都为正整数，设正极集流体长边的长度为L_c、负极集流体长边的长度为L_a,则M+N个箔杆极耳相互的位置关系为以下三者之一：①当M-N＝1时，正极集流体两条短边附近各自连接了一个箔杆极耳，从正极集流体上的任意一个箔杆极耳出发沿着正极集流体长边运动，运动0.5L_c/(M-1)的路程时就会在相邻卷层的负极集流体上有一个箔杆极耳，运动L_c/(M-1)的路程时正极集流体上就会有一个箔杆极耳；②当N-M＝1时，负极集流体两条短边附近各自连接了一个箔杆极耳，从负极集流体上的任意一个箔杆极耳出发沿着负极集流体长边运动，运动0.5L_a/(N-1)的路程时就会在相邻卷层的正极集流体上有一个箔杆极耳，运动L_a/(N-1)的路程时负极集流体上就会有一个箔杆极耳；③当M＝N>1时，从正极集流体上的每条短边出发沿着正极集流体长边运动0.5L_c/M的路程时在正极集流体上就会有一个箔杆极耳，从正极集流体上的任意一个箔杆极耳出发沿着正极集流体长边运动L_c/M的路程正极集流体上就会有一个箔杆极耳，同时在相邻卷层的负极集流体上也有一个箔杆极耳。

8.一种手机电池，其特征是：

该电池包括电芯，且该电芯的每张集流体有一条卷绕的长边从电芯的卷层中伸出来被焊接在一块与保护板相连，且该电池的电芯的每张集流体有一条卷绕的长边被薄膜包裹，且薄膜的长边与相邻卷层中薄膜的长边被连接在一块，其中所述薄膜为以下两者之一：①聚合物薄膜；②多孔隔膜。

9.根据权利要求8所述的手机电池，其特征是：集流体上有窄缝隙。

10.一种手机电池，其特征是：

该电池包括电芯和两个极耳，

所述两个极耳的其中一个极耳连接在一张集流体的最外卷层，另一个极耳连接在另一张集流体的最里卷层。

11.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9或10所述的手机电池，其特征是：有两块保护板与电芯相连。