CN111540850A - 一种压力补偿式锂离子蓄电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力补偿式锂离子蓄电池，包括：电芯；壳体套设于电芯外周；壳体一端设置有注液口；补偿机构为第一端开口，第二端封闭的中空结构，且通过开口与壳体连通，中空部分与壳体围成一密闭空间，通过注液口向密闭空间内部注满电解液；在外界压力作用下，补偿机构发生体积形变，来补偿壳体内部电解液的压力，平衡外界压力。此发明解决了传统蓄电池不能承受外界高压流体的问题，通过在蓄电池上设置补偿机构，使得在外界高压流体环境下，自动调节内部密闭空间的体积，以平衡外部流体的压力，缓解了蓄电池的破坏，提高了作为水下装备供电的可靠性，拓宽了应用领域，降低了维护成本，满足了深海潜航器的动力需求。

Description

一种压力补偿式锂离子蓄电池

技术领域

本发明涉及锂离子蓄电池技术领域，具体涉及一种压力补偿式锂离子蓄电池。

背景技术

地球70％的面积是海洋，50％的面积是深海(公海)，深海不仅矿藏资源丰富，而且水文环境复杂、难以感知，因此深海资源开发价值和战略价值高。在陆地与浅海资源不断枯竭和技术进步的双重作用下，深海将成为人类经济社会发展的动力源，深海开发是大势所趋。

深海技术是各国竞相发展的技术，人类利用潜航器可以到海洋的各种深度。基于潜航器工作环境的特殊性，电池是潜航器水下工作的唯一动力源，同时也成为制约潜航器发展的关键技术。随着潜航器的发展，电池也经历了铅酸电池、锌银电池、燃料电池、镉镍电池、氢镍电池和锂离子蓄电池的阶段，现阶段以锌银电池和锂离子蓄电池为主流。

应用于潜航器上的电池，随着下潜深度增加，电池承受的压力也相应增加。传统的做法是将锌银电池放置于潜航器耐压舱外部，以充油压力补偿的方式将多个单体电池组成的电池组置于充油皮囊中，直接承受70MPa～100MPa左右的压力，但锌银二次电池寿命只有几十次，不可以大倾角使用，维护成本高。

近年来随着动力型大容量锂离子电池技术的进步，其能量密度高，比功率大，工作温度宽，环境适应性好，循环寿命是锌银二次电池百倍以上，且易维护，安装及使用位置不受限制，已成为最具前景的水下潜航器的供电电源。

如1989年竣工的日本“Shinkai6500”号载人潜航器起初搭载了锌银电池，2004年升级为锂离子蓄电池。美国深海挑战者号“Deepsea Challenger”也搭载了锂离子蓄电池。中国研制的彩虹鱼11000米全海深载人潜水器的动力系统也采用了锂离子蓄电池。

目前潜航器中的锂离子蓄电池组使用方式有常压型和充油型，常压型锂离子蓄电池组安装在耐压壳体中，单体锂离子蓄电池本身不需要耐压，但随着潜航器设计深度的增加，耐压壳体自身厚度、重量会不断增加，严重影响潜航器的有效载荷，该使用方式蓄电池或电路出现故障只能直接报废，并且这种方式使用会增加锂离子蓄电池的危险性，缺点显著。

申请号为201310729577.1的发明专利1；申请号为201510014240.1的发明专利2；申请号为201310238446.3的发明专利3；申请号为201310258104.8为发明专利4；所述的蓄电池组/包为充油型锂离子蓄电池组，其原理与前述的充油压力补偿式锌银电池组类似，通常采用软包装或聚合物锂离子蓄电池，蓄电池组安装在充满液压油的电池箱中，海水压力通过液压油传递给锂离子蓄电池，而无需增加电池箱体的厚度和重量，可有效提升潜航器的性能。

但锂离子蓄电池本身需要耐受压力，当流体压力过大或电池内部气体较多时仍有可能因为蓄电池壳体局部变形而挤压电池内部结构，造成性能劣化，甚至引发安全事故。

除以上承压式蓄电池组外，申请号为201920398269.8的发明专利5采用直接承压式的硬壳(金属壳)封装的单体蓄电池，但其采取的途径是采用强力密封圈加固，防止外界流体尤其是水的进入，对蓄电池壳体封装材料结构强度要求较高，并不具备压力补偿功能，未实际解决深水超大压力下蓄电池的安全可靠问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力补偿式锂离子蓄电池。此蓄电池旨在解决传统硬壳单体蓄电池不能承受外界高压流体的问题，通过在硬壳锂离子蓄电池上设置内部贯通的体积补偿机构，使得该蓄电池在外界高压流体环境下，自动调节内部密闭空间的体积，以平衡外部流体的压力，缓解蓄电池的破坏，提高作为水下装备供电的可靠性，拓宽应用领域，降低维护成本，满足深海潜航器的动力需求。

为达到上述目的，本发明提供了一种压力补偿式锂离子蓄电池，包括电芯、壳体和补偿机构；壳体套设于电芯外周；壳体一端设置有注液口，用于向壳体内部注入电解液；补偿机构为第一端开口，第二端封闭的中空结构，且通过开口与壳体连通，补偿机构的中空部分与壳体围成一密闭空间，通过壳体上的注液口向密闭空间内部注满电解液；

在外界压力的作用下，补偿机构发生体积形变，以自行补偿壳体的体积变化，来补偿壳体内部电解液的压力，平衡该压力补偿式锂离子蓄电池外界压力。

最优选的，壳体上设置有通孔；壳体通过通孔与补偿机构的开口连通。

最优选的，通孔的个数与补偿机构的个数相对应。

最优选的，该压力补偿式锂离子蓄电池还包括保护套，套设于补偿机构外周，且第一端与壳体连接，第二端开口，用于保护补偿机构；且补偿机构是由波纹管实现的。

最优选的，保护套外周还套设有底座，与壳体连接，且与外界贯通。

最优选的，底座上设置有开孔，补偿机构通过保护套的第二端和开孔与外界贯通。

最优选的，壳体包括：

壳体本体，套设于电芯外周；

盖板，可拆卸设置于壳体本体一端，且注液口设置于盖板上；

盖板的边缘通过电子束焊接、氩弧焊、激光焊接或离子束焊接等方式其中一种与壳体本体的一端焊接。

最优选的，盖板上的注液口处设置有密封钉，用于电解液补充完成后密封该压力补偿式锂离子蓄电池。

最优选的，盖板上对称设置有正负极引出端子，通过正负极引出端子与电芯连接。

最优选的，盖板与正负极引出端子之间还设置有绝缘垫片，用于密封盖板；绝缘垫片为玻璃烧结物或绝缘高分子材料。

运用此发明，解决了传统硬壳单体蓄电池不能承受外界高压流体的问题，通过在硬壳锂离子蓄电池上设置内部贯通的体积补偿机构，使得该蓄电池在外界高压流体环境下，自动调节内部密闭空间的体积，以平衡外部流体的压力，缓解了蓄电池的破坏，提高了作为水下装备供电的可靠性，拓宽了应用领域，降低了维护成本，满足了深海潜航器的动力需求。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的压力补偿式锂离子蓄电池通过在硬壳锂离子蓄电池上设置内部贯通的体积补偿机构，并加注满电解液，使得该蓄电池处于外界高压流体环境下，该锂离子蓄电池由于外部流体压力的变化，自动调节该蓄电池内部密闭空间的体积，以平衡该蓄电池内部与外部流体的压力，保证蓄电池的主体部分不会发生形变，缓解了高压非匀质流体对该蓄电池的破坏，提高了该蓄电池作为潜航器等水下装备在水下供电时的可靠性，拓宽了硬壳锂离子蓄电池的应用领域，可批量生产，维护成本低，能满足深海潜航器动力需求。

2、本发明提供的压力补偿式锂离子蓄电池中的补偿机构采用波纹管，蓄电池外部压力的变化，将推动波纹管封闭端轴向移动，导致波纹管轴向伸缩，从而迫使波纹管内电解液的体积压缩或膨胀，以自行达到平衡蓄电池外部流体压力的目的。

3、本发明提供的压力补偿式锂离子蓄电池设置补偿机构，保证该蓄电池只受到电解液的三向静水压力，排除了蓄电池外部高压流体侵入蓄电池内部的可能性，提高了安全可靠性，充分发挥了锂离子蓄电池的电性能，更适合在深海的潜航作业。

4、本发明提供的压力补偿式锂离子蓄电池采用多孔承重底座的设计，方便锂离子蓄电池在大气环境下的安防，同时为蓄电池的串并联组合结构设计提供便利，使得该压力补偿式硬壳锂离子蓄电池更有利于组合设计。

附图说明

图1为本发明提供的压力补偿式锂离子蓄电池的分解结构示意图；

图2为本发明提供的壳体与补偿机构的连接示意图；

图3为本发明提供的压力补偿式锂离子蓄电池的整装结构示意图；

图4为本发明提供的波纹管结构示意图；

图5为本发明提供的保护套结构示意图；

图6为本发明提供的底座结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明是一种压力补偿式锂离子蓄电池，如图1所示，包括电芯1、壳体2和补偿机构6。

其中，电芯1包括正极、负极及隔膜；电芯1选用磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、钴酸锂、锰酸锂以及其中任意几种混合作为正极；电芯1选用石墨或钛系作为负极；电芯1采取卷绕式或叠片式制造。

壳体2套设于电芯1外周；壳体2的一端设置有注液口3，用于向壳体2内部注入电解液。

如图2所示，补偿机构6为第一端开口4，第二端封闭的中空结构，且通过开口4与壳体2连通，补偿机构6的中空部分与壳体2围成一密闭空间，适用于深海高流体压力环境，通过壳体2上的注液口3向密闭空间内部注满电解液；

在外界深海高流体压力的作用下，电芯1外侧的壳体2体积被压缩，推动补偿机构6发生体积形变，以自行补偿壳体2的体积变化，来补偿壳体2内部电解液的压力，平衡该压力补偿式锂离子蓄电池外界高流体的压力。

在本实施例中，补偿机构6设置于壳体2的底部，且补偿机构6的开口4设置于其顶端，与壳体2的底部连通。

如图2所示，壳体2上设置有通孔5；壳体2通过通孔5与补偿机构6的开口4连通；通孔5的个数与补偿机构6的个数相对应，则通孔5的个数为1个或多个，与通孔5连通的补偿机构6的个数对应为1个或多个。

在本实施例中，壳体2的底部设置有1个通孔5，则补偿机构6对应为1个；1个补偿机构6通过其顶端的开口4与壳体2底部的通孔5连通。

壳体2包括壳体本体和盖板9；壳体本体套设于电芯1外周；盖板9的边缘通过激光焊接或超声焊的方式焊接于壳体本体一端，且注液口3设置于盖板9上；盖板9上的注液口3处设置有密封钉10，用于电解液补充完成后密封该压力补偿式锂离子蓄电池。

在本实施例中，盖板9设置于壳体2的顶端，注液口3设置于壳体2顶端的盖板9上，通过注液口3向壳体2和补偿机构6的中空部分围成的密闭空间内部注满电解液。

如图3所示，盖板9上对称设置有正负极引出端子11，通过正负极引出端子11分别与电芯1的正极和负极，采用激光焊或超声焊的方式连接。

其中，盖板9的材料为不锈钢或钛合金；在本实施例中，盖板9为不锈钢材质。

盖板9与正负极引出端子11之间还设置有绝缘垫片12，用于隔绝正负极引出端子11与壳体2接触，且承受外界高流体压力且保持盖板9的密封性。

其中，绝缘垫片12的材料为玻璃烧结物或绝缘高分子材料；在本实施例中，绝缘垫片12为玻璃烧结物，以避免外界高流体压力发生形变。

如图4所示，补偿机构6是由波纹管实现的；波纹管6的第一端开口4，第二端封闭，且第一端开口4与壳体2的通孔5连通，在外界深海高流体压力的作用下，壳体2及其内部的电解液体积被压缩，推动波纹管6的封闭端轴向移动，轴向发生伸缩形变，从而迫使波纹管6内部的电解液体积压缩或膨胀，以自行支撑壳体2内部的压缩体积的变化，来补偿壳体2内部电解液的压力，完成平衡该压力补偿式锂离子蓄电池外部流体压力。同时，波纹管6还排除了该压力补偿式锂离子蓄电池外部高压流体侵入蓄电池内部的可能性，安全可靠性高。

如图5所示，该压力补偿式锂离子蓄电池还包括保护套7，保护套7套设于波纹管6外周，且第一端与壳体2连接，第二端开口，用于保护波纹管6。

波纹管6和保护套7的横截面为圆形、方形或多边形；波纹管6的长度和横截面宽度根据外界深海高流体的压力引起该压力补偿式锂离子蓄电池内部电解液压缩的压缩量设计，使得波纹管6在外界深海高流体压力下的体积变形足已支撑电解液的压缩体积。

在本实施例中，波纹管6和保护套7均为圆筒型，且保护套7横截面的直径大于波纹管6横截面的直径，便于降低外界深海高压流体对波纹管6横向的非均匀传递；保护套7的长度超过波纹管6的长度。

波纹管6的顶端开口4，底端封闭，通过顶端开口4与壳体2底部的通孔5连通；且顶端开口4与壳体2底部的通孔5采用氩弧焊、离子束或电子束的焊接方式；波纹管6的底端封闭处还设置有挡板，用于加厚密封。

其中，波纹管6的材料为金属、不锈钢；在本实施例中，波纹管6为金属材质；波纹管6底端的挡板为不锈钢材质。

如图6所示，补偿机构6的保护套7外周还套设有底座8，与壳体2连接，且与外界贯通。底座8上设置有开孔，补偿机构6通过保护套7的第二端和开孔与外界贯通，用于外界深海高流体引入底座8内部，与波纹管6直接接触；底座8也用于支撑该压力补偿式锂离子蓄电池的重量。

在本实施例中，底座8为顶端敞开的正方体结构，且四个侧面和底面均设置有开孔，保证保护套7与外界贯通；底座8通过顶端四周与壳体2的底部连接，为该压力补偿式锂离子蓄电池承重以及便于该压力补偿式锂离子蓄电池外部的高压流体快速流通，调节由于外界流体压力快速变化引起的该压力补偿式锂离子蓄电池内部压力的变化。

其中，底座8的材料为不锈钢或钛合金；在本实施例中，底座8为不锈钢材质。

电芯1置入壳体本体内部，将电芯1的正极和负极与壳体2的盖板9上的正负极引出端子11连接，盖上壳体2的盖板9，并将两者焊接为一体，则壳体2和中空的波纹管6形成密闭空间，通过盖板9上的注液口3与外界相通；对包含电芯1的由壳体2、盖板9和波纹管6组成的密闭空间进行真空烘烤，使其整体含水量足够低；继而在干燥环境下，通过盖板9上的注液口3向密闭空间内部注满电解液，静置后抽出蓄电池内部残留的气体，重复多次，保证壳体2内部和波纹管6内部组成的密闭空间内部充满电解液；采用密封钉10将盖板9上的注液口3密封，使得该压力补偿式锂离子蓄电池的电芯1进行化成分容反应，并将化成分容反应后产生的气体抽出；打开密封钉10，继续向密闭空间中补充电解液至加满，最后将密封钉10焊接在注液口3处，完成该压力补偿式锂离子蓄电池制作。

在外界深海高流体压力的作用下，该压力补偿式锂离子蓄电池中壳体2及其内部电解液的体积被压缩，推动波纹管6的封闭端轴向移动，轴向发生伸缩形变，从而迫使波纹管6内部的电解液体积压缩或膨胀，以自行支撑壳体2内部的压缩体积的变化，来补偿壳体2内部电解液的压力，完成平衡该压力补偿式锂离子蓄电池外部流体的压力。

本发明的工作原理：

在外界深海高流体压力的作用下，该压力补偿式锂离子蓄电池中壳体及其内部电解液的体积被压缩，推动波纹管的封闭端轴向移动，轴向发生伸缩形变，从而迫使波纹管内部的电解液体积压缩或膨胀，以自行支撑壳体内部的压缩体积的变化，来补偿壳体内部电解液的压力，完成平衡该压力补偿式锂离子蓄电池外部流体的压力。

综上所述，本发明一种压力补偿式锂离子蓄电池，解决了传统硬壳单体蓄电池不能承受外界高压流体的问题，通过在硬壳锂离子蓄电池上设置内部贯通的体积补偿机构，使得该蓄电池在外界高压流体环境下，自动调节内部密闭空间的体积，以平衡外部流体的压力，缓解了蓄电池的破坏，提高了作为水下装备供电的可靠性，拓宽了应用领域，降低了维护成本，满足了深海潜航器的动力需求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，包括：

电芯；

壳体，套设于所述电芯外周；所述壳体一端设置有注液口，用于向所述壳体内部注入电解液；

补偿机构，第一端开口，第二端封闭的中空结构，且通过所述开口与所述壳体连通，所述补偿机构的中空部分与所述壳体围成一密闭空间，通过所述壳体上的所述注液口向所述密闭空间内部注满电解液；

在外界压力的作用下，所述补偿机构发生体积形变，以自行补偿所述壳体的体积变化，来补偿所述壳体内部电解液的压力，平衡该压力补偿式锂离子蓄电池外界压力。

2.如权利要求1所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述壳体上设置有通孔；所述壳体通过所述通孔与所述补偿机构的开口连通。

3.如权利要求2所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述通孔的个数与所述补偿机构的个数相对应。

4.如权利要求1所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，该压力补偿式锂离子蓄电池还包括保护套，套设于所述补偿机构外周，且第一端与所述壳体连接，第二端开口，用于保护所述补偿机构；且所述补偿机构是由波纹管实现的。

5.如权利要求4所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述保护套外周还套设有底座，与所述壳体连接，且与外界贯通。

6.如权利要求5所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述底座上设置有开孔，所述补偿机构通过所述保护套的第二端和所述开孔与外界贯通。

7.如权利要求1所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述壳体包括：

壳体本体，套设于所述电芯外周；

盖板，焊接于所述壳体本体一端，且所述注液口设置于所述盖板上；所述盖板的边缘通过电子束焊接、氩弧焊、激光焊接或离子束焊接等方式其中一种与所述壳体本体的一端焊接。

8.如权利要求7所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述盖板上的所述注液口处设置有密封钉，用于电解液补充完成后密封该压力补偿式锂离子蓄电池。

9.如权利要求7所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述盖板上对称设置有正负极引出端子，通过所述正负极引出端子与所述电芯连接。

10.如权利要求9所述的压力补偿式锂离子蓄电池，其特征在于，所述盖板与所述正负极引出端子之间还设置有绝缘垫片，用于密封所述盖板；所述绝缘垫片为玻璃烧结物或绝缘高分子材料。

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