CN110635175A - 一种内部串联式电芯和内部串联式电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种内部串联式电芯和内部串联式电池，涉及电池技术领域，该内部串联式电芯，包括外层负极件、外层正极件和电芯串联组，电芯串联组的两端分别具有正极端和负极端，外层负极件与负极端连接，外层正极件与正极端连接，电芯串联组包括多个重叠设置的内部电芯极片，每相邻两个内部电芯极片之间设置有用于阻隔电子通过的内部隔膜，且每相邻两个内部电芯极片相互构成一个供电单元，多个供电单元串联在一起。能够得到较高的输出电压，同时，结构简单，并且电子在电芯串联组内部跑的路径短，降低了电芯的整体内阻，且没有内部极耳占用空间，可以提升电芯的能量密度，也没有内部极耳集流发热，接触均匀，电芯的可靠性高，一致性好。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种内部串联式电芯和内部串联式电池。
背景技术
目前的锂电池电芯结构由正极片、负极片及隔膜组成，通过隔膜隔开正极片与负极片形成电芯结构，电芯电压平台3-4V。
现有单电芯输出电压低，制作日常使用(电动车船、工具等)时需要多个电芯串联来提升输出电压。这时需要Pack工艺来实现，结构复杂。
有鉴于此，设计制造出一种能够直接提升电芯输出电压，降低电芯的整体内阻，同时结构简单，工艺实现难度低的内部串联式电芯就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内部串联式电芯，能够直接提升电芯输出电压，降低电芯的整体内阻，同时结构简单，工艺实现难度低。
本发明的另一目的在于提供一种内部串联式电池，输出电压高，且结构简单，工艺实现难度低。
本发明是采用以下的技术方案来实现的。
在一方面，本发明提供了一种内部串联式电芯，包括外层负极件、外层正极件和电芯串联组，所述电芯串联组的两端分别具有正极端和负极端，所述外层负极件与所述负极端连接，所述外层正极件与所述正极端连接，所述电芯串联组包括多个重叠设置的内部电芯极片，每相邻两个所述内部电芯极片之间设置有用于阻隔电子通过的内部隔膜，且每相邻两个所述内部电芯极片相互构成一个供电单元，多个所述供电单元串联在一起。
进一步地，每个所述内部电芯极片包括内部集流体、正极料层和负极料层，所述正极料层和所述负极料层分别涂覆设置在所述内部集流体的两侧表面，每个所述正极料层与相邻的所述负极料层之间设置有所述内部隔膜，且所述正极料层和所述负极料层分别与对应的所述内部隔膜相贴合。
进一步地，所述内部集流体包括相互贴合的第一金属层和第二金属层，所述第一金属层远离所述第二金属层的表面涂覆设置有所述正极料层，所述第二金属层远离所述第一金属层的表面涂覆设置有所述负极料层。
进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层分体设置并粘接在一起，所述第一金属层为铝膜层，所述第二金属层为铜膜层。
进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层一体设置，且均为铝膜层。
进一步地，所述外层负极件包括负极集流体和外层负极层，所述外层负极层涂覆设置在所述负极集流体的一侧表面，且所述外层负极层与所述负极端之间设置有内部隔膜。
进一步地，所述负极集流体的边缘设置有负极外接极耳，所述负极外接极耳由所述外层负极层的边缘向外伸出。
进一步地，所述外层正极件包括正极集流体和外层正极层，所述外层正极层涂覆设置在所述正极集流体的一侧表面，且所述外层正极层与所述负极端之间设置有内部隔膜。
进一步地，所述正极集流体的边缘设置有正极外接极耳，所述正极外接极耳由所述外层正极层的边缘向外伸出。
一种内部串联式电池，包括壳体和内部串联式电芯，内部串联式电芯包括外层负极件、外层正极件和电芯串联组，所述电芯串联组的两端分别具有正极端和负极端，所述外层负极件与所述负极端连接，所述外层正极件与所述正极端连接，所述电芯串联组包括多个重叠设置的内部电芯极片，每相邻两个所述内部电芯极片之间设置有用于阻隔电子通过的内部隔膜，且每相邻两个所述内部电芯极片相互构成一个供电单元，多个所述供电单元串联在一起。所述电芯串联组设置在所述壳体内。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种内部串联式电芯，直接将多个内部电芯极片重叠设置在一起，并形成电芯串联组，在电芯串联组的正极端连接有外层正极件，在电芯串联组的负极端连接有外层负极件，在实际通电时，相邻两个内部电芯极片形成供电单元，多个供电单元串联在一起，从而能够得到较高的输出电压，同时，多个内部电芯极片直接重叠设置，结构简单，并且电子在电芯串联组内部跑的路径短，降低了电芯的整体内阻，且没有内部极耳占用空间，可以提升电芯的能量密度，也没有内部极耳集流发热，接触均匀，电芯的可靠性高，一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的内部串联式电芯的结构示意图；
图2为图1中内部电芯极片的结构示意图；
图3为图1中外层负极件的结构示意图；
图4为图1中外层正极件的结构示意图。
图标100-内部串联式电芯；110-外层负极件；111-负极集流体；113-外层负极层；115-负极外接极耳；130-外层正极件；131-正极集流体；133-外层正极层；135-正极外接极耳；150-电芯串联组；170-内部电芯极片；171-内部集流体；1711-第一金属层；1713-第二金属层；173-正极料层；175-负极料层；190-内部隔膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。
第一实施例
结合参见图1至图4，本实施例提供了一种内部串联式电芯100，其输出电压高，且内阻小，同时结构简单，工艺实现难度低。
本实施例提供的内部串联式电芯100，包括外层负极件110、外层正极件130和电芯串联组150，电芯串联组150的两端分别具有正极端和负极端，外层负极件110与负极端连接，外层正极件130与正极端连接，电芯串联组150包括多个重叠设置的内部电芯极片170，每相邻两个内部电芯极片170之间设置有用于阻隔电子通过的内部隔膜190，且每相邻两个内部电芯极片170相互构成一个供电单元，多个供电单元串联在一起。
在本实施例中，电芯串联组150容置在电池壳体中，且电池串联组的四周通过绝缘胶粘接在一起，相邻的内部电芯极片170之间填充有电解液，其充放电原理可参见现有的锂离子电池的充放电原理，在此不详细描述。
在本实施例中，内部电芯极片170与隔膜之间紧密贴合，从而缩小多个内部电芯极片170的占用空间，进而使得整个电池的体积减小。
每个内部电芯极片170包括内部集流体171、正极料层173和负极料层175，正极料层173和负极料层175分别涂覆设置在内部集流体171的两侧表面，每个正极料层173与相邻的负极料层175之间设置有内部隔膜190，且正极料层173和负极料层175分别与对应的内部隔膜190相贴合，能够进一步缩减整体电芯的体积。
需要说明的是，本实施例中所提及的内部隔膜190，与现有电池中所采用的隔膜结构上一致，市场化的隔膜材料主要是以聚乙烯(polyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)为主的聚烯烃(Polyolefin)类隔膜，其中PE产品主要由湿法工艺制得，PP产品主要由干法工艺制得。主要的隔膜材料产品有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP和三层PP/PE/PP等，其中前两类产品主要用于3C小电池领域，后几类产品主要用于动力锂电池领域。对于隔膜的拆料，在此不作具体限定。
在本实施例中，内部集流体171呈板状，且内部集流体171的一侧表面涂覆正极材料和负极材料，正极材料中的主要活性物质为锰酸锂、钴酸锂和磷酸亚铁锂等或者其混合物，负极材料中的主要活性物质为钛酸锂或者石墨等或者其混合物。当然，此处正极材料和负极材料仅仅是举例说明，对于其具体采用哪种材料并不作限定。
需要说明的是，本实施例中内部隔膜190的尺寸应大于内部集流体171的尺寸，具体地，内部隔膜190的边缘伸出电芯串联组150的距离在0.5-2mm之间，能够完全隔离相邻两个内部电芯极片170之间电气连接。
在本实施例中，正极料层173和负极料层175的厚度相同，且均在0.1-2mm之间，内部隔膜190的厚度在30-80μm之间，内部隔膜190能够阻挡两侧的电子通过，保证电气隔离的效果。
需要说明的是，本实施例中内部电芯极片170的数量可根据输出电压的实际需求进行匹配。通过不同数量的内部电芯极片170的叠加，可以实现不同的输出电压。
内部集流体171包括相互贴合的第一金属层1711和第二金属层1713，第一金属层1711远离第二金属层1713的表面涂覆设置有正极料层173，第二金属层1713远离第一金属层1711的表面涂覆设置有负极料层175。此处第一金属层1711和第二金属层1713之间电性接触，起到串联多个供电单元的作用。
在本实施例中，内部集流体171为金属箔，其由第一金属层1711和第二金属层1713复合而成。第一金属层1711和第二金属层1713分体设置并粘接在一起，第一金属层1711为铝膜层，第二金属层1713为铜膜层。当然，此处第一金属层1711和第二金属层1713的材料仅仅是举例说明，并不起到具体限定作用，在本发明其他较佳的实施例中，第一金属层1711和第二金属层1713也可以是其他导电金属材料，例如金、银或者其他合金材料。
在本发明其他较佳的实施例中，第一金属层1711和第二金属层1713一体设置，且均为铝膜层。具体地，第一金属层1711和第二金属层1713一体成型且材料相同，即内部集流体171为单层结构，其同样能够起到串联多个供电单元的作用。
外层负极件110包括负极集流体111和外层负极层113，外层负极层113涂覆设置在负极集流体111的一侧表面，且外层负极层113与负极端之间设置有内部隔膜。
需要说明的是，本实施例中负极集流体111与电芯串联组150的负极端之间并不仅仅限于设置单层的外层负极层113，也可以额外设置隔膜、正极层和额外的负极层，即负极集流体111与负极端之间并不仅仅限于单层结构，也可以是多层结构，其只要能够满足串联条件即可。
在本实施例中，负极集流体111的边缘设置有负极外接极耳115，负极外接极耳115由外层负极层113的边缘向外伸出。通过负极外接极耳115作为整个电芯的负极。
值得注意的是，此处负极集流体111也呈板状，并采用了金属材料制成，其在单侧涂覆负极材料而形成了外层负极层113，此处负极材料的选用于前述的负极材料相同。
外层正极件130包括正极集流体131和外层正极层133，外层正极层133涂覆设置在正极集流体131的一侧表面，且外层正极层133与负极端之间设置有内部隔膜。
需要说明的是，本实施例中正极集流体131与电芯串联组150的正极端之间并不仅仅限于设置单层的外层正极层133，也可以额外设置隔膜、负极层和额外的正极层，即正极集流体131与正极端之间并不仅仅限于单层结构，也可以是多层结构，其只要能够满足串联条件即可。
在本实施例中，正极集流体131的边缘设置有正极外接极耳135，正极外接极耳135由外层正极层的边缘向外伸出。通过正极外接极耳135作为整个电芯的正极。
值得注意的是，此处正极集流体131也呈板状，并采用了金属材料制成，其在单侧涂覆正极材料而形成了外层正极层133，此处正极材料的选用于前述的负极材料相同。
还需要说明的是，本实施例中内部隔膜、内部隔膜与设置在多个内部电芯极片170之间的内部隔膜190在结构上一致，均是为了阻止电子通过，其使得外层正极层133与相邻的负极料层175之间形成供电单元、外层负极层113与相邻的正极料层173之间形成供电单元。
综上所述，本实施例提供的内部串联式电芯100，其通过多个内部电芯极片170的重叠，实现多个供电单元的直接串联，提高了电芯的输出电压，可实现12V、24V、48V等高电压电芯输出。同时电子在电芯内部跑的路径短、降低了电芯的整体内阻，而电芯串联组150内没有内部极耳占用空间，可以提升电芯的能量密度，并且没有内部极耳集流发热，电芯的可靠性大大提高，一致性好。
第二实施例
本实施例提供了一种内部串联式电池，包括壳体和内部串联式电芯100，此处内部串联式电芯100的基本结构和原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。
内部串联式电芯100包括外层负极件110、外层正极件130和电芯串联组150，电芯串联组150的两端分别具有正极端和负极端，外层负极件110与负极端连接，外层正极件130与正极端连接，电芯串联组150包括多个重叠设置的内部电芯极片170，每相邻两个内部电芯极片170之间设置有用于阻隔电子通过的内部隔膜190，且每相邻两个内部电芯极片170相互构成一个供电单元，多个供电单元串联在一起。电芯串联组150设置在壳体内。
在本实施例中，外层负极件110和外层正极件130分设在壳体两端并伸出壳体，作为外接极耳，由于多个内部电芯极片170相互重叠，能够大大缩小电池的提及，并且提高输出电压。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种内部串联式电芯，其特征在于，包括外层负极件、外层正极件和电芯串联组，所述电芯串联组的两端分别具有正极端和负极端，所述外层负极件与所述负极端连接，所述外层正极件与所述正极端连接，所述电芯串联组包括多个重叠设置的内部电芯极片，每相邻两个所述内部电芯极片之间设置有用于阻隔电子通过的内部隔膜，且每相邻两个所述内部电芯极片相互构成一个供电单元，多个所述供电单元串联在一起。
2.根据权利要求1所述的内部串联式电芯，其特征在于，每个所述内部电芯极片包括内部集流体、正极料层和负极料层，所述正极料层和所述负极料层分别涂覆设置在所述内部集流体的两侧表面，每个所述正极料层与相邻的所述负极料层之间设置有所述内部隔膜，且所述正极料层和所述负极料层分别与对应的所述内部隔膜相贴合。
3.根据权利要求2所述的内部串联式电芯，其特征在于，所述内部集流体包括相互贴合的第一金属层和第二金属层，所述第一金属层远离所述第二金属层的表面涂覆设置有所述正极料层，所述第二金属层远离所述第一金属层的表面涂覆设置有所述负极料层。
4.根据权利要求3所述的内部串联式电芯，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层分体设置并粘接在一起，所述第一金属层为铝膜层，所述第二金属层为铜膜层。
5.根据权利要求3所述的内部串联式电芯，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层一体设置，且均为铝膜层。
6.根据权利要求1所述的内部串联式电芯，其特征在于，所述外层负极件包括负极集流体和外层负极层，所述外层负极层涂覆设置在所述负极集流体的一侧表面，且所述外层负极层与所述负极端之间设置有内部隔膜。
7.根据权利要求6所述的内部串联式电芯，其特征在于，所述负极集流体的边缘设置有负极外接极耳，所述负极外接极耳由所述外层负极层的边缘向外伸出。
8.根据权利要求1所述的内部串联式电芯，其特征在于，所述外层正极件包括正极集流体和外层正极层，所述外层正极层涂覆设置在所述正极集流体的一侧表面，且所述外层正极层与所述负极端之间设置有内部隔膜。
9.根据权利要求8所述的内部串联式电芯，其特征在于，所述正极集流体的边缘设置有正极外接极耳，所述正极外接极耳由所述外层正极层的边缘向外伸出。
10.一种内部串联式电池，其特征在于，包括壳体和如权利要求1-9任一项所述的内部串联式电芯，所述电芯串联组设置在所述壳体内。
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2019
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