CN113690479A

CN113690479A - 充电电池及电子设备

Info

Publication number: CN113690479A
Application number: CN202010424221.7A
Authority: CN
Inventors: 李光胤; 何志明
Original assignee: Beijing Xiaomi Mobile Software Co Ltd
Current assignee: Beijing Xiaomi Mobile Software Co Ltd
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: CN113690479B

Abstract

本公开是关于一种充电电池及电子设备。该充电电池包括：电池壳体；位于电池壳体内的N片正极板，所述N片正极板并联，其中，N为大于或等于2的正整数；位于电池壳体内且与所述N片正极板交替排布的M片负极板，所述M片负极板并联，其中，所述M为大于或等于2的正整数；其中，至少两片所述正极板的最大充放电速度能力不同；和/或，至少两片所述负极板的最大充放电速度能力不同。采用本公开实施例的技术方案，不同的电池基板具有不同的充电速度，匹配充电过程中的不同电压，从而提升电池容量的同时，实现快速充电。

Description

充电电池及电子设备

技术领域

本公开涉及电子技术领域，尤其涉及一种充电电池及电子设备。

背景技术

随着电子设备的快速发展，尤其是5G产品的逐步普及，对电子设备的电池要求也越来越高。电池的能量密度与充电速度往往是相互矛盾的因素，充电速度快的电池，能量密度低，续航能力差；而能量密度高，续航能力强的电池，则存在充电速度慢的问题。因此，如何在兼顾电池充电速度的同时，提升电池能量密度，成为本领域亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本公开提供一种充电电池及电子设备。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种充电电池，包括：

电池壳体；

位于电池壳体内的N片正极板，所述N片正极板并联，其中，所述N为大于或等于2的正整数；

位于电池壳体内且与所述N片正极板交替排布的M片负极板，所述M片负极板并联，其中，所述M为大于或等于2的正整数；

其中，至少两片所述正极板的最大充放电速度能力不同；和/或，至少两片所述负极板的最大充放电速度能力不同。

在一些实施例中，所述N片正极板按照最大充放电速度能力的大小顺序层叠排布；

和/或，

所述M片负极板按照所述最大充放电速度能力的大小顺序层叠排布。

在一些实施例中，任意所述正极板的组成材料包括：第一正极材料和/或第二正极材料；

所述第一正极材料的能量密度小于所述第二正极材料；

其中，具有不同的最大充放电速度能力的所述正极板包含的正极材料不同，或者，具有不同的最大充放电速度能力的所述正极板包含的所述第一正极材料和所述第二正极材料之间的比值不同。

在一些实施例中，所述第一正极材料与所述第二正极材料均包含钴酸锂颗粒；其中，

所述第一正极材料所包含钴酸锂颗粒的粒径，不同于所述第二正极材料所包含钴酸锂颗粒的粒径；

和/或，

所述第一正极材料所包含钴酸锂颗粒的掺杂离子，不同于所述第二正极材料所包含钴酸锂颗粒的掺杂离子。

在一些实施例中，所述第一正极材料和/或第二正极材料所包含的掺杂离子包括：金属离子。

在一些实施例中，任意所述负极板的组成材料包括：第一负极材料和/或第二负极材料；

所述第一负极材料的能量密度小于所述第二负极材料；

具有不同的最大充放电速度能力的所述负极板包含的负极材料不同，或者，具有不同的最大充放电速度能力的所述负极板包含的所述第一负极材料和所述第二负极材料之间的比值不同。

在一些实施例中，所述第一负极材料与所述第二负极材料均包含石墨颗粒；其中，

所述第一负极材料所包含石墨颗粒的粒径，不同于所述第二负极材料所包含石墨颗粒的粒径；

和/或，

所述第一负极材料所包含石墨颗粒的掺杂离子，不同于所述第二负极材料所包含石墨颗粒的掺杂离子。

在一些实施例中，所述石墨颗粒的掺杂离子包括：金属离子和非金属离子。

在一些实施例中，所述正极板的数量N等于所述负极板的数量M减去1。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种电子设备，包括：

设备外壳；

位于所述设备外壳内的如上述任一所述的充电电池；

位于所述设备外壳内的主板，与所述充电电池连接；其中，所述充电电池用于为所述主板供电；

位于所述设备外壳内的充电电路，与所述充电电池连接，用于为所述充电电池充电。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：采用本公开实施例技术方案所提供的电池结构，采用具有不同充电速度的电池极板，分别匹配充电过程不同阶段中不同大小的充电电流，从而在维持较高的充电速度的同时，提升了电池整体的能量密度；可适用于大屏幕、高通信性能等对于电池续航能力具有较高要求的电子产品。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种充电电池的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的充电电池充电原理示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的充电电池中电极板的分布示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的结构示意图；

图5是根据一例性实施例示出的一种充电电池在宽度方向上的截面示意图；

图6是根据一例性实施例示出的一种充电电池在长度方向上的截面示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的实体结构框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是根据一示例性实施例示出的一种充电电池的结构示意图，如图1所示，该充电电池100包括：

电池壳体110；

位于电池壳体110内的N片正极板120，所述N片正极板并联，其中，N为大于或等于2的正整数；

位于电池壳体110内且与所述N片正极板120交替排布的M片负极板130，所述M片负极板130并联，其中，所述M为大于或等于2的正整数；

其中，至少两片所述正极板120的最大充放电速度能力不同；和/或，至少两片所述负极板130的最大充放电速度能力不同。

在本公开实施例中，电池由多片正极板和负极板交替堆叠形成，在电池中每片正极板与负极板之间具有隔膜。膈膜具有电子绝缘性，用于阻挡正负极板之间的电子。同时，隔膜具有孔径和孔隙，从而具有低电阻和高离子电导率。电池的正极板采用金属离子化合物，常用的有锂离子化合物，例如：钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂以及磷酸铁锂等等。电池的负极板一般采用碳材料，例如：石墨、碳纳米管、石墨烯以及碳纤维等。在电池充电过程中正负极材料发生极化现象，正极材料中的锂离子脱离正极板，穿透隔膜进入负极材料，从而在正负极之间形成电场，并储存电能。

为了便于充电和放电，电池壳体上还可包括：正电极111和负电极112；正电极和负电极分别有一端位于电池壳体内部，另一端位于电池壳体的外部。正极板并联在正电极位于电池壳体内部的一端；负极板并联在负电极位于电池壳体内部的一端。正电极和负电极位于电池壳体外部的一端用于与外部的电路连接。

对于不同的材料，包括材料的类型、结构和/或杂质等等都可能影响电极板的充电速率，而具有不同充电速率的电极板也会相应地具有不同的能量密度，并且充电速率越高的电极板，能量密度可能越低。

本公开实施例中，电极板的最大充放电速度能力代表了电极板在整个充电和/或放电过程中，最大的电荷转移速率。电极板的最大充放电速度能力越强，代表整体的充电速度越快，也就能够在越短的时间内完成充电。同时，电极板的最大充放电速度能力越强，则对应的充电电流也就越大。相应地，放电的过程中，最大充放电速度能力越强，则能够以越大的电流放电，从而承载更大的负载。因此，电极板的最大充放电速度能力可以用电极板在充电过程中的最大的充电速度或者最大的电流来衡量。电极板的最大充放电速度能力越强，则对应的能量密度越低，也就是能够存储的电量越少。

在本公开实施例中，多片电极板采用了不同的材料，从而使得电极板具有不同的最大充放电速度能力和能量密度。可以理解的是，在电池的多片电极板中，至少包括第一电极板的最大充放电速度能力大于第二电极板的最大充放电速度能力；且第一电极板的能量密度小于第二电极板的能量密度，其中，第一电极板与第二电极板为相同极性的不同电极板。

在电池充电过程中，如图2所示，具有预充电阶段11、恒流充电阶段12和恒压充电阶段13的几个不同阶段，其中，预充电阶段11是在电池电量较低，电池电压V低于预设值时进行的充电，以较低的充电电流I，使得电池电压V升高到预设值V1。然后进入恒流充电阶段12，使得电池电压V持续升高，此过程充电电流I最大，对于充电速度高的电池，电池快速响应充电电流I，则会在较短的时间内完成恒流充电，电池达到预设的恒压充电的电压值V2。然后进入恒压充电阶段13，充电电流I会逐渐降低，直至电池充满。

在本公开实施例中，不同的电极板具有不同的充电速度，并且相同极性的电池板相互并联。因此，在恒流充电阶段，充电速度较快的电极板能够快速响应，在恒流充电的作用下快速提升电池电压，从而保证较快的充电速度。而进入恒压充电阶段后，充电电流逐渐降低，充电速度较慢的电池板则也能够匹配此阶段的充电电流，并且由于这些极板具有较大的能量密度，因此能够储存更多的电能。

此外，在充电过程中以及充电完成后，由于各电极板的并联关系，因此各电极板间存在自发的电能平衡，使得所有电池板的电压稳定于相同的电压值，完成最终的储能。

如此，相对于相关技术中，采用相同的电极板来进行充电，如果电极板均具有高充电速率，则很快就充满电量，但只能具有很低的能量密度；或者电极板均具有较高的能量密度，则在充电过程中难以快速响应较大的充电电流，导致充电速度过慢的情况，本申请实施例中的方式，采用不同性能的电极板适应于不同的充电阶段，从而在整体快速充电的基础上，能够较大地提升电池的能量密度。因此，本申请实施例中的充电电池兼具快速充电和高能量密度的良好性能。

和/或，

在本公开实施例中，正极板与负极板均可以按照充电速度的大小顺序层叠排布，这样，正极板与负极板之间能够具有相互匹配的充电性能，便于电池的设计和制造。

所述第一正极材料的能量密度小于所述第二正极材料；

在本公开实施例中，多片正极板可以采用两种不同的正极材料制成，即第一正极材料和第二正极材料。第一正极材料与第二正极材料可以是不同化学成分的正极材料，和/或是具有不同物理结构或者含有不同杂质的正极材料。第一正极材料与第二正极材料的能量密度不同，因而对应的电极板的充电速度也不同。

对于多片正极板，可以包括只包含一种正极材料的正极板，也可以包括含有两种正极材料的正极板。含有两种正极材料的正极板中，第一正极材料与第二正极材料的比值不同。由于第一正极材料的能量密度小于第二正极材料，因此，一片正极板中，第一正极材料含量比上第二正极材料含量的比值越大，该片正极板的能量密度越大，相应的充电速度也就越慢。而第一正极材料的含量比上第二正极材料的含量的比值越小，则该片正极板的能量密度越小，相应的充电速度也就越快。

因此，在本公开实施例中，每片正极板使用不同的第一正极材料与第二正极材料的含量的比值，则可以具有各种不同大小的能量密度和充电速度。

和/或，

在本公开实施例中，第一正极材料与第二正极材料可以均为以钴酸锂颗粒为主要材料的正极材料。钴酸锂颗粒可用于提供锂离子。影响正极板充电速度与能量密度的因素可以有很多种，包括材料颗粒的粒径和/或材料中的杂质元素等等。

第一正极材料与第二正极材料中，钴酸锂颗粒的粒径不同，则对应的能量密度以及充电速度也就不同；或者，对第一正极材料以及第二正极材料中掺入不同类型或者不同浓度的杂质离子，也能够得到不同的充电性能。当然，第一正极材料与第二正极材料也可以同时具有不同的粒径和掺杂离子，因而具有不同的充电性能，即能量密度和充电速度。

对于正极材料，可以含有多种杂质离子。金属离子可能会对电极板的充电性能产生较大的影响，例如：铜、铁、镍、铝以及钠、钾离子等金属离子或离子杂质。第一正极材料与第二正极材料中所包含的掺杂离子可以是具有不同类型的离子，也可以是相同类型不同浓度的离子，还可以是不同类型一种或多种杂质离子或不同浓度的一种或多种杂质离子。例如，第一正极材料和第二正极材料掺杂的金属原子不同，或者，掺杂相同的金属原子但是掺杂浓度不同。

所述第一负极材料的能量密度小于所述第二负极材料；

与正极材料相对应，负极材料也采用两种具有不同的充电性能的负极材料，即第一负极材料和第二负极材料。各片负极板中，可以有仅包含一种负极材料的负极板；也可以包含具有两种负极材料的负极板，并且不同的极板中所含有的第一负极材料与第二负极材料的含量的比值不同，从而使得不同的负极板的充电性能不同。

和/或，

第一负极材料与第二负极材料可以为主要化学成分不同的材料，和/或为相同化学成分，而具有不同物理结构的材料：例如，颗粒粒径不同，或者晶体结构不同等等，还可以是含有不同类型或不同浓度的杂质离子。

与正极材料类似，负极材料中，石墨颗粒中掺杂有不同的杂质离子，例如金属离子或者非金属离子，也会对石墨的性能造成影响，从而改变负极板的充电速度和能量密度。

在本公开实施例中，正极板的数量比负极板的数量少1，如图3所示。由于与电池壳体相接近的电极应当为相同电极，从而保证电池安全，也就是说，在最外层的电极应当为相同极性的电极。因此，正负电极的数量往往会相差1片。此外，由于负电极的物理结构稳定，机械强度较强，受热不易变形，因此，可以将负极板作为外层的电极板，从而使得负极板的数量多于正极板的数量。

图4是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的结构示意图，如图4所示，该电子设备400包括：

设备外壳410；

位于所述设备外壳410内的如上述任一所述的充电电池100；

位于所述设备外壳410内的主板420，与所述充电电池100连接；其中，所述充电电池100用于为所述主板420供电；

位于所述设备外壳410内的充电电路430，与所述充电电池100连接，用于为所述充电电池100充电。

上述电子设备可以为手机、笔记本电脑、平板电脑、智能手表、智能眼镜以及其他各种类型的需要充电电池的电子设备。充电电池在放电过程中可以为电子设备的主板供电，在充电过程中，则通过充电电路与外部电源连接并获取电能。

采用上述实施例中的充电电池，能够使电子设备具有较快的充电速度，同时具有较好的续航能力，有效提升了用户对电子设备的使用体验。

本公开实施例还提供以下示例：

电池的能量密度与充电速度是一对相互矛盾的充电性能，对于既定的电池(电池尺寸、材料体系一致)，能量密度高的电池充电速度慢，充电速度快的电池能量密度低。因此，充电电池往往难以实现快速充电的同时还能保持较大的能量密度。

图5为充电电池在宽度方向上的截面示意图，图6位充电电池在长度方向上的部分截面的示意图。充电电池由相互交叠分布的N层负极板和N-1层正极板堆叠而成，在正负极板之间有隔膜(图中未示出)。在相关技术中，N层负极板采用相同的负极材料构成，N-1层正极板采用相同的正极材料构成。这样，如果电池的充电速度较快，那么电池的能量密度会比较低。

在本公开实施例中，对N片负极板采用不同的组成材料或设计，使得N片负极板具有不同的充放电速度能力，即不同的最大充放电速度能力。对应的，N-1片正极板也采用不同的组成材料或设计，使得N-1片正极板具有不同的最大充放电速度能力。

正极板和负极板可以分别按照充电速度从快至慢的顺序依次堆叠。

正极板可以采用LCO1、LCO2即两种型号的钴酸锂材料制成。LCO1的能量密度大于LCO2的能量密度，但是LCO1的充电速度小于LCO2的充电速度。与之匹配的，可以使用两种型号的石墨材料Gr1和Gr2，Gr1的能量密度大于Gr2的能量密度，对应的，Gr1的充电速度也小于Gr2的充电速度。

如果N-1片正极板采用LCO2，N片负极板采用Gr2，那么电池可以达到较高的充电速度，但是却大大缩小了电池总的能量密度。

因此，在本公开实施例中，N-1片正极片中，由第一片至第N-1片含有的LCO2的含量比重逐渐降低，含有的LCO1的比重逐渐增加；N片负极片中，由第一片至第N片，GR2的比重逐渐降低，Gr1的比重逐渐增加。

在充电电流逐渐降低的过程中，充电电流依次为I0，I1，I2……，能够依次对应于第一片至第N-1片的正极板或者第一片至第N片负极板的充电能力，因此，充电电池能够始终具有较高的充电速度，同时，由于各电极片中存在高能量密度的材料，因此，能量密度也得到了很大的提升。由于各片的能量密度存在差异，而相同极性的各电极片为并联关系，因此，在充电过程中以及停止充电后，各电极片会自发平衡电量，达到相同的电位。

这样，通过不同的材料设计，使得电池能够在快速充电的同时，有效提升了电池的能量密度。

图7是根据一示例性实施例示出的一种电子设备700的实体结构框图。例如，电子设备700可以是移动电话、计算机、数字广播终端、消息收发设备、游戏控制台、平板设备、医疗设备、健身设备、个人数字助理等。

参照图7，电子设备700可以包括以下一个或多个组件：处理组件701，存储器702，电源组件703，多媒体组件704，音频组件705，输入/输出(I/O)接口706，传感器组件707，以及通信组件708。

处理组件701通常控制电子设备700的整体操作，诸如与显示、电话呼叫、数据通信、相机操作和记录操作相关联的操作。处理组件701可以包括一个或多个处理器710来执行指令，以完成上述的方法的全部或部分步骤。此外，处理组件701还可以包括一个或多个模块，便于处理组件701和其他组件之间的交互。例如，处理组件701可以包括多媒体模块，以方便多媒体组件704和处理组件701之间的交互。

存储器710被配置为存储各种类型的数据以支持在电子设备700的操作。这些数据的示例包括用于在电子设备700上操作的任何应用程序或方法的指令、联系人数据、电话簿数据、消息、图片、视频等。存储器702可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、磁存储器、快闪存储器、磁盘或光盘。

电源组件703为电子设备700的各种组件提供电力。电源组件703可以包括：电源管理系统，一个或多个电源，及其他与为电子设备700生成、管理和分配电力相关联的组件。

多媒体组件704包括在所述电子设备700和用户之间提供一个输出接口的屏幕。在一些实施例中，屏幕可以包括液晶显示器(LCD)和触摸面板(TP)。如果屏幕包括触摸面板，屏幕可以被实现为触摸屏，以接收来自用户的输入信号。触摸面板包括一个或多个触摸传感器以感测触摸、滑动和触摸面板上的手势。所述触摸传感器可以不仅感测触摸或滑动动作的边界，而且还检测与所述触摸或滑动操作相关的持续时间和压力。在一些实施例中，多媒体组件704包括一个前置摄像头和/或后置摄像头。当电子设备700处于操作模式，如拍摄模式或视频模式时，前置摄像头和/或后置摄像头可以接收外部的多媒体数据。每个前置摄像头和/或后置摄像头可以是一个固定的光学透镜系统或具有焦距和光学变焦能力。

音频组件705被配置为输出和/或输入音频信号。例如，音频组件705包括一个麦克风(MIC)，当电子设备700处于操作模式，如呼叫模式、记录模式和语音识别模式时，麦克风被配置为接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器710或经由通信组件708发送。在一些实施例中，音频组件705还包括一个扬声器，用于输出音频信号。

I/O接口706为处理组件701和外围接口模块之间提供接口，上述外围接口模块可以是键盘、点击轮、按钮等。这些按钮可包括但不限于：主页按钮、音量按钮、启动按钮和锁定按钮。

传感器组件707包括一个或多个传感器，用于为电子设备700提供各个方面的状态评估。例如，传感器组件707可以检测到电子设备700的打开/关闭状态、组件的相对定位，例如所述组件为电子设备700的显示器和小键盘，传感器组件707还可以检测电子设备700或电子设备700的一个组件的位置改变，用户与电子设备700接触的存在或不存在，电子设备700方位或加速/减速和电子设备700的温度变化。传感器组件707可以包括接近传感器，被配置为在没有任何的物理接触时检测附近物体的存在。传感器组件707还可以包括光传感器，如CMOS或CCD图像传感器，用于在成像应用中使用。在一些实施例中，该传感器组件707还可以包括加速度传感器、陀螺仪传感器、磁传感器、压力传感器或温度传感器。

通信组件708被配置为便于电子设备700和其他设备之间有线或无线方式的通信。电子设备700可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi、2G或3G，或它们的组合。在一个示例性实施例中，通信组件708经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。在一个示例性实施例中，所述通信组件708还包括近场通信(NFC)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于射频识别(RFID)技术、红外数据协会(IrDA)技术、超宽带(UWB)技术、蓝牙(BT)技术或其他技术来实现。

在示例性实施例中，电子设备700可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述方法。

在示例性实施例中，还提供了一种包括指令的非临时性计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器702，上述指令可由电子设备700的处理器710执行以完成上述方法。例如，所述非临时性计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由移动终端的处理器执行时，使得移动终端能够执行上述实施例中提供的任一种方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种充电电池，其特征在于，包括：

电池壳体；

2.根据权利要求1所述的充电电池，其特征在于，所述N片正极板按照最大充放电速度能力的大小顺序层叠排布；

和/或，

3.根据权利要求1所述的充电电池，其特征在于，任意所述正极板的组成材料包括：第一正极材料和/或第二正极材料；

所述第一正极材料的能量密度小于所述第二正极材料；

4.根据权利要求3所述的充电电池，其特征在于，所述第一正极材料与所述第二正极材料均包含钴酸锂颗粒；其中，

和/或，

5.根据权利要求4所述的充电电池，其特征在于，所述第一正极材料和/或第二正极材料所包含的掺杂离子包括：金属离子。

6.根据权利要求1至5任一所述的充电电池，其特征在于，任意所述负极板的组成材料包括：第一负极材料和/或第二负极材料；

所述第一负极材料的能量密度小于所述第二负极材料；

7.根据权利要求6所述的充电电池，其特征在于，所述第一负极材料与所述第二负极材料均包含石墨颗粒；其中，

和/或，

8.根据权利要求7所述的充电电池，其特征在于，所述石墨颗粒的掺杂离子包括：金属离子和非金属离子。

9.根据权利要求1所述的充电电池，其特征在于，所述正极板的数量N等于所述负极板的数量M减去1。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

设备外壳；

位于所述设备外壳内的如权利要求1至9任一所述的充电电池；