CN110299495A - 增强气体排放的电池单元及排气装置制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池单元，作为容纳电极和电解质的电池单元，包括用于排出由电极和电解质之间的化学反应产生的气体的孔，以及设置在所述孔中，在允许排出所述气体的同时阻止所述电解液排出的排气装置，所述排气装置由复合纳米纤维构成的无纺布和支撑所述无纺布的框架构成，所述无纺布由碳纳米管和用于支撑所述碳纳米管的主要原料为聚合物的纳米纤维构成。

Description

增强气体排放的电池单元及排气装置制造方法

技术领域

本发明涉及一种电池单元，尤其涉及一种具备用于有效地排出电池中产生的气体，并防止电解质泄露的排气装置的电池单元。

背景技术

电池单元包括由正极板和负极板构成的电极组件以及电解质。能量由电极板和电解质溶液之间的电化学反应产生。此时，由于电化学反应在电池单元内部产生气体。

也就是说，每当进行此类化学反应时，由于电池中产生热量在一部分电解质蒸发的同时产生气体，因此，为防止爆炸应将产生的气体排放到外部。

图1是现有技术中用于阻断电池电解质泄漏和排出气体的装置结构示意图。

参照图1，电池内部产生的气体通过壳体11排出，并且壳体11与外壳一体形成在电池外壳的上表面。

在电池外壳20中形成单元，并且容纳有正极板21、负极板22、隔膜23和电解质，并且壳体11通过通气孔与外壳20的电池连通。

将阀13插入通气孔中，且通气孔上端周围形成用于增强与阀13的粘合性的密封件(15)。

壳体11的内周面形成螺纹，通气盖12经螺纹配合连接到壳体11。通气盖12通过弹簧14连接到所述壳体11，使得在上下移动时排出气体而不排出电解质。

现有方法是根据弹簧14的弹性排出电池内部产生的气体。当气体产生至超过一定压力时会自动排出。但是，在现有方法中，若弹簧14质量不佳则气体不能顺畅地排出，存在着整体结构复杂，部件数量多，制造工序复杂等问题。

如果弹簧被腐蚀，则弹性变弱，即使气压较低，阀门也会打开，导致电解质可能泄漏。

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明提出一种具有排气装置的电池单元，所述排气装置不管电池内部压力如何都仅排出气体，并防止电解质的排出或泄漏。

本发明提供一种通过由碳纳米管构成的复合纳米复合材料组成、不因电池内部的高压而破裂的高强度排气装置，使得气体通过而液体不通过的电池单元及其制造方法。

解决技术问题的技术手段

根据本实施例的纳有电极和电解质溶液的电池单元，包含排出由电极和电解质之间的化学反应产生的气体的孔，以及设置在所述孔中，且在允许排出气体的同时阻断所述电解质排出的通气装置，所述通气装置由复合纳米纤维构成的无纺布和支撑所述无纺布的框架构成，所述无纺布由碳纳米管和用于支撑所述碳纳米管的主要原料为聚合物的纳米纤维构成。

有益效果

根据本实施方式，不仅能够平稳排出仅在电池内部产生的气体，还具有如下优点：即便在电池中设置这样的气体排出孔，由于存在复合纳米纤维构成的无纺布，电解质也完全不会被排出。

附图说明

图1是现有技术中用于阻断电池电解质泄漏和排出气体的装置结构示意图。

图2是设有本实施例的排气装置的电池单元示意图。

图3和图4是根据本实施例的用于排出电池单元的气体的排气装置示意图。

图5是根据实施例的构成无纺布的复合纳米纤维示意图。

图6是根据实施例的复合纳米纤维的制造方法流程图。

图7是根据本实施例的复合纳米纤维的制造装置示意图。

图8是根据本实施例的由纳米纤维支撑碳纳米管的复合纳米纤维结构示意图。

图9是根据实验例的复合纳米纤维的TEM图像。

图10是碳纳米管以不同比例包含在纳米纤维中时的不同强度比较图像。

图11和图12是根据本发明另一实施例的电池单元示意图。

具体实施方式

图2是设有本实施例的排气单元的电池单元示意图。

图2所示的电池单元100可以是单个电池，或者是如图11所示在内部形成有多个电池单元的电池。

在电池单元100内部容纳有由正极板和负极板构成的电极组件和电解质，通过这些电极板和电解质之间的电化学反应产生能量。

由这样的电化学反应产生的气体应该从所述电池单元100排出，且电池内部的电解质不应该被排出或泄漏，因此根据本实施例，在电池单元100的上表面设置有排气装置200。

所述排气装置200将电池单元100中产生的气体排出到外部，同时防止电解质排出。排气装置200由复合纳米纤维体构成，复合纳米纤维体允许气体通过但不允许液体通过。也就是说，在电池单元100的一部分表面形成有可以排出气体的孔，并且所述孔被排气装置200密封。此外，所述排气装置200包括由复合纳米纤维制成的无纺布，通过所述无纺布，可以在排出气体的同时阻断电解质的排出。

在下文中，将描述所述排气装置200的构造，并且将详细描述构成所述排气装置200的无纺布及其制造方法。

图3和图4是根据本实施例的用于排出电池单元的气体的排气装置示意图。

如图3和图4所示，实施例的排气装置200构造成插入形成在电池单元100中的孔中，尽管图中未示出，但是可以进一步形成其他按压构件或附加构件，使得所述排气装置200更加紧密地与所述电池单元100中的孔的内壁接触。

根据本实施例，具备可以紧密附着并嵌入在电池单元100中形成的孔的排气装置200，而所述排气装置200可以通过嵌入电池单元100的孔中而实现简便安装。

所述排气装置200包括由复合纳米纤维形成的无纺布220，覆盖所述无纺布220上侧的第一框架210，和覆盖所述无纺布220下侧的第二框架230。

根据本实施方式的排气装置制造方法，包括准备由复合纳米纤维形成的无纺布的步骤，和准备用于固定所述无纺布的框架的步骤。

特别地，所述准备无纺布的步骤将在下文中描述。

所述无纺布220由复合纳米纤维制成以使得液体不能通过，由于其本身暴露于电解质溶液中也没有任何影响，所以所述第一框架210和所述第二框架230不必形成。

由于所述第一框架和第二框架用于覆盖通过无纺布排出电池单元100的内部气体的孔，因此可以具有不同的形状或结构。

以下，对由复合纳米纤维构成的无纺布220的结构及其制造方法进行说明。

图5是根据实施例的构成无纺布的复合纳米纤维示意图。

根据本实施方式，构成排气装置的无纺布由复合纳米纤维300构成，所述复合纳米纤维300如图5所示，包括碳纳米管302，和用于支撑碳纳米管302的纳米纤维303。

在本说明书中，“纳米纤维”是指纳米级直径的纤维(平均纤维直径为约1000nm以下，优选为500nm以下的纤维)。

根据实施例的复合纳米纤维300如果残存作为纤维的结构时，可以形成为各种形态。由于这样的复合纳米纤维300液体通不过仅气体能通过，所以它们非常适合用作仅排出电池单元内气体的排气装置200的无纺布220。

关于复合纳米纤维300，至少一部分碳纳米管302包含在纳米纤维303的内部。

碳纳米管302被制造为通过场致发射包含在纳米纤维303中，所述碳纳米管302大大提高了复合纳米纤维的强度。

由于配置于电池的排气装置为了不因电池内部的高压而发生撕裂需要高强度，在本实施例中复合纳米纤维300的强度可以通过碳纳米管302大大提高。

以下将描述使用碳纳米管302制造复合纳米纤维300的方法。

纳米纤维303使用聚合物作为其主要原料。聚合物材料可单独或组合使用以下类型，例如聚乙烯醇(PVA)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚氨酯(PU)，聚丙烯(PP)，聚乙酸乙烯酯(PVAc)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)对苯二甲酸酯(PB)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰胺(PA)，聚丙烯腈(PAN)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚乳酸(PLA)等。作为聚合物材料，优选使用聚乙烯醇(以下简称为“PVA”)作为主要组分。在本实施例中，构成纳米纤维303的聚合物材料是PVA。

在本发明的说明书中，聚合物材料的术语“主要组分”是指它在构成纳米纤维的整个聚合物材料中占据大部分，例如，它可以是在整个聚合物材料中占80％或更多重量的材料。

纳米纤维303可以包括除聚合物材料之外的添加剂。当聚合物材料包含PVA作为主要组分时，优选纳米纤维303用水进行不溶化处理。所述不溶化处理为，例如可以通过在聚合物材料中添加戊二醛进行场发射后使纳米纤维与氯化氢发生反应来进行。

还有，相对于纳米纤维303，碳纳米管302的量可以是30wt％或更少。需要调整碳纳米管302的量相对于纳米纤维303的量，使得在制造时碳纳米管302不会过度聚集。

图6是根据实施例的复合纳米纤维的制造方法流程图。图7是根据实施例的复合纳米纤维的制造装置示意图。图7是施加电场时的状态示意图。

复合纳米纤维的制造方法的特征在于，如图6所示，准备由诸如PVA的材料形成的纳米纤维303和碳纳米管302，并且所述碳纳米管302通过电场辐射由纳米纤维303支撑。

在根据实施方式的复合纳米纤维制造工艺中，将碳纳米管的至少一部分302插入纳米纤维303中以制造复合纳米纤维300。生产复合纳米纤维的工艺按照：纺丝溶液生产步骤(S22)，场发射步骤(S24)和不溶化步骤(S26)的顺序进行。

在纺丝溶液生产步骤(S22)中，将作为纳米纤维303原料的聚合物材料溶解在溶剂中以制备聚合物溶液，然后，将碳纳米管302添加到聚合物溶液中并搅拌,以产制造作为复合纳米纤维300的原料的纺丝溶液。至于聚合物材料，可以使用在对复合纳米纤维300的说明中所提到的各种材料。在本实施例中，聚合物材料是PVA。并且，在该实施例中，为了随后的不溶化步骤(S26)，将戊二醛添加到纺丝溶液中。

电场辐射步骤(S24)是使用纺丝溶液施加电场辐射的步骤。电场辐射步骤(S24)，例如，可以通过使用如图7所示的设备来执行。

在图7中，附图标记406表示纺丝溶液，附图标记402表示包含纺丝溶液的溶液罐，附图标记404表示阀，附图标记416表示喷嘴，附图标记418是收集器，并且在410处示出的是电源。

在本实施例中，复合纳米纤维300可通过沉积在收集器(418)上的无纺布(408)获得。

复合纳米纤维300也可以直接用作无纺布220，可以通过提取(分馏)各种纤维来实施形成纱线的制造过程，也可以通过加捻整个无纺布220来实施形成纱线的加工过程。

此外，在图7中，尽管平面构件被示出为收集器(418)，但本发明并不限于这样的形状。收集器可以是鼓形可旋转的或者带式输送器形可旋转的(即，可以连续制造长篇无纺布)。

不溶化步骤(S26)作为实施电场施加步骤(S24)之后进行的步骤，是对纳米纤维303进行对水的不溶化处理的步骤。不溶化步骤(S26)，例如，可以通过将复合纳米纤维300暴露于氯化氢来进行。

在本发明的说明书中，“不溶化”是指降低与不溶化处理前相比液体的溶解度，但这并不意味着完全消除液体中的溶解度。在使用中没有问题的范围内，可以保留一定程度的溶解度。

通过以上的工序，可以制造本实施例的复合纳米纤维300。

图8是根据本实施例生产的强度增强纳米纤维的示意图，图9是根据本实施例制造的复合纳米纤维的TEM照片。

首先，如图8所示，由PVA等材料制成的纳米纤维所支撑的碳纳米管以可识别线的形式排列，或者大量的碳纳米管可能会像红圈一样错综复杂地缠绕在一起，并像块一样聚集。

尽管通过所述电场纺丝工艺将纳米碳管有效地包含在纳米纤维中，所容纳的碳纳米管的形状可以以复杂缠绕团体的形式，和其中各个碳纳米管线性排列的单独形式被容纳。

根据本实施例，纳米纤维的强度因碳纳米管而大幅增加，但是，和碳纳米管相互缠绕群集化的比率相比，优选增加沿着纳米纤维线性或单独排列的纳米管的比率。

参考图9，示出了实实际制造的复合纳米纤维的SEM图像，其中包括被配置为具有线性或单独的排列形式而没有形成碳纳米管簇的第一碳纳米管302a，和成簇的第二碳纳米管302b。

第一碳纳米管302a，和第二碳纳米管302b都大大增加了复合纳米纤维的强度，优选增加线状/分散配置的第一碳纳米管302a的占有率。

如上所述制造的无纺布，即由复合纳米纤维构成的无纺布由用于密封与电池单元内部连通的孔的排气装置构成的无纺布防止了电解质的泄漏，并且只有电池内部产生的气体才能有效排出。

图10是碳纳米管以不同比例包含在纳米纤维中时的不同强度比较图像。

使用构成纳米纤维的聚合物作为PVA，将未包含碳纳米管时(PVA图)表示为红色，将碳纳米管相对PVA重量比增加至1wt％，2wt％，3wt％和6wt％的同时进行实验。

如图所示，与完全不含碳纳米管的情况相比增加，当碳纳米管的含量为1wt％时，可以确认碳纳米管的拉伸强度增加，特别地，当碳纳米管相对于PVA含量为6wt％时，可以确认其拉伸强度大大增加。

但是，为了使含有碳纳米管的纳米纤维的强度(拉伸强度)最大化，优选含有7wt％以下范围的碳纳米管。这是因为，如果以超过7wt％的重量比包含碳纳米管，则在带电的碳纳米管之间发生聚集(aggregation)，并且不能再增加碳纳米管的强度，甚至可能降低强度。

图11和图12是根据本发明另一实施例的电池单元示意图。

图11和图12示出了由多个电池单元501,502通过单独的联接构件结合以增加其容量的电池模块500。由于在电解质和电极被容纳并在两者之间发生化学反应的地方产生气体，所以在每个电池单元中形成用于排出气体的多个排气装置200。

但是，如图12所示，在构成电池模块500的每个电池单元中产生的气体由排气装置200排出时，由于电池单元内部压力的增加而自然排出的气体，可以经由独立气体收集部分(600)通过排出部分(610)设置其排出路径。

Claims (5)

1.一种容纳有电极和电解质的电池单元，其特征在于：

包括排出由所述电极和电解质之间的化学反应产生的气体的孔；以及

设置在所述孔中，在允许排出气体的同时阻止所述电解液排出的排气装置，

所述排气装置由复合纳米纤维构成的无纺布和支撑所述无纺布的框架构成，

所述无纺布由碳纳米管和用于支撑所述碳纳米管的主要原料为聚合物的纳米纤维构成。

2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，

所述聚合物由聚乙烯醇(PVA)制成，

所述碳纳米管相对于所述聚乙烯醇的含量在1wt％至6wt％范围内。

3.一种结合到排放由电池中电极和电解质之间的化学反应产生的气体的孔的排气装置制造方法，其特征在于包括：

准备由复合纳米纤维构成的在允许排出气体的同时阻断电解质排出的无纺布的步骤，和准备用于固定所述无纺布的框架的步骤，

所述复合纳米纤维的制造方法包括：1)通过将作为纳米纤维原料的聚合物材料溶解在溶剂中以制备聚合物溶液，向所述聚合物溶液中加入碳纳米管并搅拌以制备纺丝溶液的步骤，和2)对所述纺丝溶液进行电场辐射的步骤。

4.根据权利要求3所述的排气装置制造方法，其特征在于，

用于支撑所述碳纳米管的所述纳米纤维，可由聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、对苯二甲酸酯(PB)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、聚氨酯(PU)、聚丙烯腈(PAN)和聚醚酰亚胺(PEI)中任意一种或其混合物构成。

5.根据权利要求3所述的排气装置制造方法，其特征在于，

在所述纺丝溶液施加电场纺丝步骤之后，进一步实施不溶化步骤，

所述不溶化步骤，是将戊二醛添加到所述纳米纤维中进行场发射后通过使所述纳米纤维和氯化氢发生反应而进行。