CN113611921A - 一种内置超声波的超声波固态锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内置超声波的超声波固态锂电池，包括电池外壳安装于电池外壳上的正极体、负极体、固态电解质、内置于正极体和/或负极体和/或固态电解质内部的超声波振动模块，超声波振动模块包括超声波振动元件及包覆于超声波振动元件四周表面的绝缘材料层，在正极体和/或负极体和/或固态电解质的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件相电性连接的接线端子。本发明具有充放电效率极高、防鼓胞、爆炸、安全性极高、性能优良、耐寒、使用寿命长，且构造简单、容易生产等优点，其与传统的电池相比，有效地解决了传统的非超声波的这类电池所存在的结晶、结晶剌穿、起鼓胞、钝化、漏液、爆炸、充放电慢、不耐寒、性能低等不足。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池领域，特别是一种具有超声波空化效应的蓄电池。
背景技术
铅酸电池，是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。现有的铅酸电池，在电池使用一端时间后，在电极板表面会附着上硫酸铅晶体，随着硫酸铅晶体的增多，会阻碍到电极板与电解液的接触，进而影响到铅酸电池蓄电性能、充放电性能。久而久之，最终造成铅酸蓄电池的电极板还没完全损耗完，铅酸蓄电池就已无法蓄电和充放电了。
为此，针对铅酸电池，本申请人于2018年09月20日向国家知识产权局提出申请了一份专利申请号为201811098611.9、名称为“一种超声波铅酸蓄电池”的技术方案，该方案大致包括电池壳、电池盖、集群组、超声波换能器、振动条等部件。该方案将超声波换能器安装在电池顶部，振动条插入到正极板与隔板之间、及负极板与隔板之间的间隙，利用超声波换能器工作时，驱动振动条作高频超声波运动，来防止电池极板表面有硫酸铅结晶，使电池极板与电解液之间保持充分、全面接触，能极大地缓解蓄电池蓄电性能的衰减，延长蓄电池的使用寿命。虽然该技术方案与传统的铅酸蓄电池相比，大大缓解蓄电池蓄电性能的衰减，延长蓄电池的使用寿命，但是与其相伴而来的，也在一定程度上增加了电池构造的复杂性与体积，不是最优的解决方案。
锂离子电池主要由正极（LiMn2O4材料）、负极（石墨材料）、电解质与隔膜构成。在电源给电池充电时，正极上的电子从通过外部电路跑到负极上，锂离子从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。在电池放电时，负极上的电子从通过外部电路跑到正极上，锂离子从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。锂离子首先会从正极出发，经过电解质后抵达负极，而在电池首次充放电池，电极与液态电解质之间会形成固态电解质特性的钝化层，其名为固态电解质界面（SEI）。SEI 拥有双重身分，为电子绝缘体同时也是锂离子的优良导体，而该薄膜可保护电池、避免发生有害反应，并让锂离子在电极跟电解质之间来回穿梭，对锂离子电池性能来说，SEI可说是关键要点，若SEI性能不佳，电池会存有许多问题。一旦SEI开始衰退，成堆问题便接踵而来，像是在多次充放电之后，锂电极就容易沉积不均匀并长出结晶，这些锂金属结晶会对锂离子移动构造遮挡，影响锂离子的移动，进而造成电池容量损失、充放电效率降低，或者是，随着锂金属结晶的不断增长，会刺穿隔膜，使正、负极短路，最终导致电池起火。此外，锂离子电池的工作环境温度为0-40℃，当环境温度低于0℃后，隔膜上的毛细孔，也俗称“小洞”，因热胀冷缩的原理而收缩变小，令锂离子较难或无法穿过隔膜，锂离子在电解液中也容易发生凝结，移动起较慢，造成锂离子电池无法正常充、放电，整体性能就会下降。因而，如何在寒冷气候环境保证锂离子电池正常充、放电，也是亟待解决的技术问题。
为此，针对锂电池，本申请人于2019年03月27日向国家知识产权局提出申请了一份专利申请号为201910235529.4、名称为“一种超声波智能升温防结晶锂电池”的技术方案，该方案大致包括锂电池、超声波换能器、温度传感器、控制电路板模块、超声波发生器、金属壳体等部件。该方案通过将超声波换能器设置于锂电池的金属壳体上，利用超声波换能器工作时产生的空化效应，减少或缓解锂电池内部的锂金属结晶形成，防止结晶遮挡或刺穿隔膜，延长锂电池的使用寿命；以及在寒冷气候环境下，也可以利用超声波的空化效应，能令锂电池内部的锂离子加速运动，促使其内部发生升温，解决锂电池在寒冷气候环境下的充、放电问题。虽然该方案与传统锂电池的相比，能很大程度在上解决了锂电池的结晶与在寒冷气候环境下的充、放电问题，但是与其相伴而来的，也在一定程度上增加了电池构造的复杂性与体积，而且在外部施以超声波，效率不高，不是最优的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题和不足，提供一种内置超声波的超声波固态锂电池，该超声波固态锂电池通过将超声波振动元件置于正极体和/或负极体和/或固态电解质的内部，工作时直接作用于正极体和/或负极体和/或固态电解质上，促进正极体和/或负极体和/或固态电解质内部的分子运动，消除正极体和/或负极体和/或固态电解质的结晶，以及正极体和/或负极体和/或固态电解质的物质分子表面的钝化，避免影响到正极体与固态电解质、或负极体与固态电解质之间相互化学反应，进而提升和延长了固态锂电池使用寿命；而且，通过超声波振动元件所带来的物质分子的快速运动，还能加速电流电子运动，提升充放电效率；而且电流电子运动迅速、畅顺了，还能避免电池发生鼓胞、爆炸的问题；并且在极寒环境下，还能辅助电池升温，解决电池在冬天充放电效率低、无法正常工作的问题，此外还能大幅度降低超声波电池构造的复杂程度，使其可以往轻量化、模块化方向发展。
本发明的技术方案是这样实现的：一种内置超声波的超声波固态锂电池，包括电池外壳安装于电池外壳上的正极体、负极体、固态电解质，其特点在于包括内置于正极体和/或负极体和/或固态电解质内部的超声波振动模块，所述超声波振动模块包括超声波振动元件及包覆于超声波振动元件四周表面的绝缘材料层，在正极体和/或负极体和/或固态电解质的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件相电性连接的接线端子。
优选地，所述超声波振动元件为1MHz或以上的超声波换能器。
优选地，所述超声波振动元件为1万转速或以上的超声波振动马达。
本发明的有益效果：（1）本发明通过将超声波振动元件置于正极体和/或负极体和/或固态电解质的内部，工作时直接作用于正极体和/或负极体和/或固态电解质上，促进正极体和/或负极体和/或固态电解质内部的分子运动，消除正极体和/或负极体和/或固态电解质的结晶，以及正极体和/或负极体和/或固态电解质的物质分子表面的钝化，避免影响到正极体与固态电解质、或负极体与固态电解质之间相互化学反应，进而提升和延长了固态锂电池使用寿命。
（2）正极体和/或负极体和/或固态电解质的物质分子表面之所以会发生钝化，原由在于正极体与固态电解质、极体与固态电解质之间在充放电过程中，会产生充电或放电的化学反应，化学反应就会先从物质的表面入手，每化学反应后，就会产生分解后的无用物质，这些分解物质就会依附于正极体和/或负极体和/或固态电解质的表面上，进而就影响到了它们之间的化学反应，从而最终导致固态锂电池充放电性能、储电性能大大下降，使用寿命缩短，于是就有了固态锂电池的充放电次数的说法。然而，本发明通过在正极体和/或负极体和/或固态电解质的内部加入了超声波振动元件，利用了超声波工作时所带来的空化效应而形成的物质内部分子剧烈运动，产生分子之间相互摩擦，使分解后的无用物质掉落，进而使未解、未化学反应的表面，重新显现出，使电池在充放电过程中，电子能与其相接触到，参与化学反应，保持其性能。
（3）通过超声波振动元件所带来的物质分子的快速运动，还能加速电流电子运动，提升充放电效率；而且电流电子运动迅速、畅顺了，还能避免电池发生鼓胞、爆炸、钝化的问题；并且在极寒环境下，还能辅助电池升温，解决电池在冬天充放电效率低、无法正常工作的问题，此外还能大幅度降低超声波电池构造的复杂程度，使其可以往轻量化、模块化方向发展。
（4）本发明具有充放电效率极高、防鼓胞、爆炸、安全性极高、性能优良、耐寒、使用寿命长，且构造简单、容易生产，符合产业化发展等优点，其与传统的电池相比，有效地解决了传统的非超声波的这类电池所存在的结晶、结晶剌穿、起鼓胞、钝化、漏液、爆炸、充放电慢、不耐寒、性能低等等不足。
附图说明
图1为本发明的超声波固态锂电池的原理示意图之一。
图2为本发明的超声波固态锂电池的原理示意图之二。
图3为本发明的超声波振动模块的原理示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明所述的一种内置超声波的超声波固态锂电池，包括电池外壳5安装于电池外壳5上的正极体1、负极体2、固态电解质4等；为了实现本发明的目的，本发明还包括内置于正极体1和/或负极体2和/或固态电解质4内部的超声波振动模块3，所述超声波振动模块3包括超声波振动元件31及包覆于超声波振动元件31四周表面的绝缘材料层32，在正极体1和/或负极体2和/或固态电解质4的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件31相电性连接的接线端子33。具体来说，如图1和图2所示，所述接线端子33可以安装于电池外壳5的顶面上，即正极体1、负极体2、固态电解质4的顶端外。所述超声波振动元件31为1MHz或以上的超声波换能器。所述超声波振动元件31为1万转速或以上的超声波振动马达。
在前述方案的基础上，本发明可以根据实际需要，制造出如图1所示的方案，即仅在固态电解质4中安装有超声波振动模块3的实施方案。也可以如图2所示，在固态电解质4、正极体1、负极体2中同时安装有超声波振动模块3的实施方案。还可以是仅在正极体1中、或者仅在负极体2中、或者同时仅在正极体1和负极体2中安装有超声波振动模块3的实施方案等等，如此类推，在前述方案的基础上，可以组合出七种具体的实施方案。
以上结构方案的阐述，为本发明的优选实施方式的体现，但其并不代表对本发明技术方案保护范围的局限。在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些变形和改进均属于本发明的保护范围，均落入了本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种内置超声波的超声波固态锂电池，包括电池外壳（5）安装于电池外壳（5）上的正极体（1）、负极体（2）、固态电解质（4），其特征在于：包括内置于正极体（1）和/或负极体（2）和/或固态电解质（4）内部的超声波振动模块（3），所述超声波振动模块（3）包括超声波振动元件（31）及包覆于超声波振动元件（31）四周表面的绝缘材料层（32），在正极体（1）和/或负极体（2）和/或固态电解质（4）的顶端上或顶端外还分别设有与超声波振动元件（31）相电性连接的接线端子（33）。
2.根据权利要求1所述内置超声波的超声波固态锂电池，其特征在于：所述超声波振动元件（31）为1MHz或以上的超声波换能器。
3.根据权利要求1所述内置超声波的超声波固态锂电池，其特征在于：所述超声波振动元件（31）为1万转速或以上的超声波振动马达。
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Legal Events
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