CN114188639A - 一种复合材料模块化电池结构、装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合材料模块化电池结构、装置及制备方法，电池结构包括：外壳和电芯；外壳包括第一壁板、第二壁板、第三壁板、第四壁板、上壁板和下壁板，第一壁板和第二壁板对应设置，第三壁板和第四壁板对应设置，上壁板向内凹陷形成第一凹槽，第一凹槽内设置有三个安装孔；下壁板向内凹陷形成第二凹槽，第二凹槽内设置有二个安装孔；电芯包括正电极片、负电极片和隔膜，隔膜设置在正电极片和负电极片之间，正电极片、隔膜和负电极片按照M型层叠形成电芯。本发明用复合材料块化结构电池来代替传统新能源设备中的承力结构，能有效提高空间的利用率，减轻结构重量。
Description
技术领域
本发明涉及储能材料技术领域，特别是涉及一种复合材料模块化电池结构、装置及制备方法。
背景技术
随着电池技术的迅速发展，锂电池在航空领域的有很大的发展前景，但由于传统电池集中放置在机身上，占用很大的内部储存空间，减少了机身空间使用率，因此传统动力电池结构体积大，重量大，不易拆卸，力学性能不好等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合材料模块化电池结构、装置及制备方法，以减小电池结构体积和重量。
为实现上述目的，本发明提供了一种复合材料模块化电池结构，所述电池结构包括：
外壳和电芯；所述电芯设置在所述外壳内部；
所述外壳包括第一壁板、第二壁板、第三壁板、第四壁板、上壁板和下壁板，所述第一壁板和所述第二壁板对应设置，所述第三壁板和所述第四壁板对应设置，所述第一壁板和所述第二壁板为倾斜壁板，所述上壁板向内凹陷形成第一凹槽，所述第一凹槽内设置有三个安装孔，用于安装两个电极和防爆装置；所述下壁板向内凹陷形成第二凹槽，所述第二凹槽内设置有二个安装孔，用于安装两个电极；
所述电芯包括正电极片、负电极片和隔膜，所述隔膜设置在所述正电极片和所述负电极片之间，所述正电极片、所述隔膜和所述负电极片按照M型层叠形成电芯。
可选地，组成所述第一凹槽和所述第二凹槽的侧壁均为斜面，且斜面的倾斜角度为80°。
可选地，在所述正电极片上设置有正电极引脚，在所述负电极片上设置有负电极引脚，所述正电极引脚与所述负电极引脚分别与安装在所述上壁板上的两个电极和安装在所述下壁板上的两个电极连接。
可选地，在所述外壳的四周设置有连接结构，用于实现相邻的两个电池结构之间互锁。
可选地，所述连接结构包括凹槽构件和凸起构件；所述凹槽构件和所述凸起构件采用凹凸的连接方式实现相邻的两个电池结构之间互锁；
所述凹槽构件和所述凸起构件交替设置在所述上壁板四周和所述下壁板四周，所述上壁板上的所述凹槽构件与所述下壁板上的所述凸起构件对应设置，所述上壁板上的所述凸起构件与所述下壁板上的所述凹槽构件对应设置。
可选地，所述凹槽构件由预浸料和金属螺母组成，所述金属螺母预埋在所述预浸料中；所述凸起构件的两端设置有通孔，以使螺钉穿过所述通孔与所述凹槽构件中的所述金属螺母连接。
可选地，所述电极包括电极螺杆、第一特氟龙垫圈、第二特氟龙垫圈、第一防滑垫圈和电极螺母，在所述电极螺杆上依次放置所述第一特氟龙垫圈、所述第二特氟龙垫圈、所述第一防滑垫圈和所述电极螺母，所述第一特氟龙垫圈设置在安装孔的内侧，所述第二特氟龙垫圈设置在安装孔的外侧。
可选地，所述防爆装置包括：
防爆螺杆、第三特氟龙垫圈、第四特氟龙垫圈、第二防滑垫圈、防爆螺母和防爆片；在所述防爆螺杆上依次设置所述第三特氟龙垫圈、所述第四特氟龙垫圈、所述第二防滑垫圈、所述防爆螺母和所述防爆片，所述第三特氟龙垫圈设置在安装孔的内侧，所述第四特氟龙垫圈设置在安装孔的外侧。
本发明还提供一种复合材料模块化电池装置，所述装置包括：至少两个上述电池结构，相邻的两个所述电池结构互锁连接。
本发明还提供一种复合材料模块化电池结构制备方法，所述方法用于制备上述电池结构，所述方法包括：
制备壁板：采用模压成型的方法制作各壁板，将上壁板向内凹陷形成第一凹槽，在所述第一凹槽内设置三个用于安装两个电极和防爆装置的安装孔；将下壁板向内凹陷形成第二凹槽，在所述第二凹槽内设置有二个用于安装两个电极的安装孔；
组装壳体：将第一壁板、第二壁板、第三壁板、第四壁板和下壁板放入模具中组装胶接，形成一个梯形体的壳体；
制备电芯：将混合均匀的电极浆料涂布在集流体上后获得正电极片和负电极片，将正电极片、负电极片在隔膜两侧对称放置，按照M型层叠形成电芯；
装入电芯，固化成型：将电芯放入制备好的壳体中，连接下侧电极，放上上壁板并连接上侧电极，最后固化成型；
注电解液，密封：注入电解液，并使用防爆片对防爆装置进行密封。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
首先，本发明采用M型层叠形成电芯，在电池变形时可以靠层间间隙来抵消位移，减小层间应力，提高了电池的安全性。然后，本发明电池上下均有电极，电池之间可以根据使用实现并联和串联的自由组合。最后，本发明用复合材料块化结构电池来代替传统新能源设备中的承力结构，能有效提高空间的利用率，减轻结构重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明复合材料模块化电池结构示意图；
图2为本发明电极示意图；
图3为本发明防爆装置示意图；
图4为本发明金属螺母剖视图；
图5为本发明的防爆装置剖视图；
图6为本发明的连接结构示意图；
图7为本发明的上壁板示意图；
图8为本发明的下壁板示意图；
图9为本发明侧壁板示意图；
图10为本发明下侧泡沫板示意图；
图11为本发明上侧泡沫板示意图；
图12为本发明电池复合材料壳体结构图；
图13为电芯放入壳体中示意图；
图14为模块化电池组装示意图；
符号说明：1-上壁板，2-第一壁板，3-第三壁板，4-第四壁板，5-凸起构件，6-凹槽构件，7-电极，8-防爆装置，9-金属螺母，10-通孔，11-正电极引脚，12-负电极引脚，13-负电极片，14-隔膜，15-正电极片，701-电极螺母，702-电极螺杆，703-第一防滑垫圈，704-第二特氟龙垫圈，705-第一特氟龙垫圈，801-防爆螺母，802-防爆螺杆，803-第三特氟龙垫圈，804-第四特氟龙垫圈，805-第二防滑垫圈，806-防爆片。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种复合材料模块化电池结构、装置及制备方法，以减小电池结构体积和重量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种复合材料模块化电池结构，所述电池结构包括：外壳和电芯；所述电芯设置在所述外壳内部；所述外壳包括第一壁板2、第二壁板(图中未画出)、第三壁板3、第四壁板4、上壁板1和下壁板(图中未画出)，所述第一壁板2和所述第二壁板对应设置，所述第三壁板3和所述第四壁板4对应设置，所述第一壁板2和所述第二壁板为倾斜壁板，所述上壁板1向内凹陷形成第一凹槽，所述第一凹槽内设置有三个安装孔，用于安装两个电极7和防爆装置8；所述下壁板向内凹陷形成第二凹槽，所述第二凹槽内设置有二个安装孔，用于安装两个电极7。上壁板1如图7所示，下壁板如图8所示，倾斜壁板如图9所示。本实施例中壳体为梯形壳体。
如图13所示，所述电芯包括正电极片15、负电极片13和隔膜14，所述隔膜14设置在所述正电极片15和所述负电极片13之间，所述正电极片15、所述隔膜14和所述负电极片13按照M型层叠形成电芯。
本实施例中，采用复合材料进行制备所述外壳的各壁板，所述复合材料可以选为碳纤维预浸料或玻璃纤维预浸料，优先碳纤维预浸料。每块壁板的厚度均为0.5mm，碳纤维预浸料的单层厚度为0.125mm，铺层方向为0°、45°、-45°、90°，总共铺设4层，采用模压成型的方法进行铺设。
本实施例中，所述第一凹槽、所述第二凹槽的深度均为7mm，用来保护安装的电极7和防爆装置8。组成所述第一凹槽和所述第二凹槽的侧壁均为斜面，且斜面的倾斜角度为80°，方便壁板铺层和制作。
本实施例中，在所述正电极片15上设置有正电极引脚11，在所述负电极片13上设置有负电极引脚12，所述正电极引脚11与所述负电极引脚12分别与安装在所述上壁板1上的两个电极7和安装在所述下壁板上的两个电极7连接。
具体地，隔膜14上侧设置正电极片15，下侧设置负电极片13，在电芯上下两侧对称布置相同的短、长电极引脚，上侧短电极引脚(即正电极引脚11)连接正电极片15，长电极引脚(即负电极引脚12)连接负电极片13。下侧短电极引脚(即负电极引脚12)连接负电极片13，长电极引脚(即正电极引脚11)连接正电极片15，如图13所示。电极引脚成对角分布，这样设计的原因是相邻两块电池之间并联连接时，两块电池电极7距离更近，方便模块化组装。然后将4个电极螺杆702分别焊接4个在电极引脚上。
本实施例中，在所述外壳的四周设置有连接结构，用于实现相邻的两个电池结构之间互锁。具体地，如图6所示，所述连接结构包括凹槽构件6和凸起构件5，凹槽构件6如图6中(a)图所示，凸起构件5如图6中(b)图所示；所述凹槽构件6和所述凸起构件5采用凹凸的连接方式实现相邻的两个电池结构之间互锁。所述凹槽构件6和所述凸起构件5交替设置在所述上壁板1四周和所述下壁板四周，所述上壁板1上的所述凹槽构件6与所述下壁板上的所述凸起构件5对应设置，所述上壁板1上的所述凸起构件5与所述下壁板上的所述凹槽构件6对应设置。
如图6中(a)图所示，所述凹槽构件6由预浸料和金属螺母9组成，所述金属螺母9预埋在所述预浸料的两个端部，所述金属螺母9为上窄下宽的金属螺母，上窄下宽的金属螺母如图4所示；凹槽构件6的高度为3mm，凹槽构件6内凹槽的深度为2.5mm，两侧为倾斜的平面，倾斜角度为80°。所述凹槽构件6和所述凸起构件5实现相邻的两个电池结构之间互锁，限制电池的水平移动，如图14所示。
如图6中(b)图所示，在所述凸起构件5的两端设置有通孔10，以使螺钉穿过所述通孔10与所述凹槽构件6中的所述金属螺母9进行螺纹连接，限制电池的纵向位移。
如图2所示，本发明所述电极7包括电极螺杆702、第一特氟龙垫圈705、第二特氟龙垫圈704、第一防滑垫圈703和电极螺母701，在所述电极螺杆702上依次放置所述第一特氟龙垫圈705、所述第二特氟龙垫圈704、所述第一防滑垫圈703和所述电极螺母701，所述第一特氟龙垫圈705设置在安装孔的内侧，所述第二特氟龙垫圈704设置在安装孔的外侧。
如图3和图5所示，所述防爆装置8包括：防爆螺杆802、第三特氟龙垫圈803、第四特氟龙垫圈804、第二防滑垫圈805、防爆螺母801和防爆片806；在所述防爆螺杆802上依次设置所述第三特氟龙垫圈803、所述第四特氟龙垫圈804、所述第二防滑垫圈805、所述防爆螺母801和所述防爆片806，所述第三特氟龙垫圈803设置在安装孔的内侧，所述第四特氟龙垫圈804设置在安装孔的外侧。
本实施例中，所述电池结构还包括：下侧泡沫板和上侧泡沫板，所述下侧泡沫板用于放入壳体的下壁板上，所述上侧泡沫板用于放入壳体的上壁板1上，所述下侧泡沫板和所述上侧泡沫板均用于密封与固定电芯的作用，所述下侧泡沫板的结构如图10所示，所述上侧泡沫板的结构如图11所示。
实施例2
本发明还提供一种复合材料模块化电池装置，所述装置包括：至少两个实施例1中的电池结构，相邻的两个所述电池结构互锁连接，如图14所示。
实施例3
本发明还提供一种复合材料模块化电池结构制备方法，所述方法用于制备实施例1中的电池结构，所述方法包括：
制备壁板：采用模压成型的方法制作各壁板，将上壁板1向内凹陷形成第一凹槽，在所述第一凹槽内设置三个用于安装两个电极7和防爆装置8的安装孔；将下壁板向内凹陷形成第二凹槽，在所述第二凹槽内设置有二个用于安装两个电极7的安装孔。
组装壳体：将第一壁板2、第二壁板、第三壁板3、第四壁板4和下壁板放入模具中组装胶接，形成一个梯形体的壳体。
制备电芯：将混合均匀的电极浆料涂布在集流体上后获得正电极片15和负电极片13，将正电极片15、负电极片13在隔膜14两侧对称放置，按照M型层叠形成电芯。
装入电芯，固化成型：将电芯放入制备好的壳体中，连接下侧电极7，放上上壁板1并连接上侧电极7，最后固化成型。
注电解液，密封：注入电解液，并使用防爆片806对防爆装置8进行密封。
下面详细介绍各个步骤的具体步骤：
制备壁板：采用模压成型的方法使用碳纤维预浸料制备各壁板，铺层方向为0°、45°、-45°、90°，总共铺设4层，碳纤维预浸料的单层厚度为0.125mm，因此每块壁板的厚度均为0.5mm。各壁板包括第一壁板2、第二壁板、第三壁板3、第四壁板4、上壁板1和下壁板；其中上壁板1和下壁板在中央位置均向下凹陷一块面积，凹陷深度为7mm，用来保护安装的电极7和防爆装置8；上下壁板凹陷处侧壁均为斜面，倾斜角度为80°，方便壁板铺层和制作，上壁板1中凹陷的位置留出3个用于安装电极7和防爆装置8的安装孔，下壁板中凹陷的位置留出2个用于安装电极7的安装孔。
在组装壳体之前还包括：制备连接结构：连接结构中的凹槽构件6由预浸料和金属螺母9组成，金属螺母9预埋在预浸料的两端；凹槽构件6的高度为3mm，凹槽深度为2.5mm，两侧为倾斜的平面，倾斜角度为80°，所述金属螺母9为上窄下宽的金属螺母；所述凸起构件5两端设置有通孔10，以使螺钉穿过通孔10与凹槽构件6内的金属螺母9拧紧，限制电池的纵向位移。
组装壳体：将第一壁板2、第二壁板、第三壁板3、第四壁板4、下壁板以及连接结构放入模具中组装胶接，形成一个梯形体的壳体，接着将如图10所示的下侧泡沫板放入壳体里面下壁板位置，如图12所示。
制备电芯：将混合均匀的电极浆料涂布在集流体上，将涂布好电极浆料的集流体放入真空干燥箱中干燥，然后碾压，使电极浆料和集流体紧密粘接在一起形成电极片，最后剪切成大小宽度合适的正电极片15和负电极片13，然后将正电极片15和负电极片13在隔膜14两侧对称放置，然后按照M型层叠得到电芯；本实施例中，隔膜14上侧为正电极片15，下侧为负电极片13，在电芯上下两侧对称布置相同的短、长电极引脚，上侧短电极引脚连接正电极片15，长电极引脚连接负电极片13；下侧短电极引脚连接负电极片13，长电极引脚连接正电极片15；电极引脚成对角分布，这样设计的原因是相邻两块电池结构之间并联连接时，两块电池电极7距离更近，方便模块化组装。本发明将4个电极螺杆702分别焊接在4个电极引脚上，以实现方便连接。
装入电芯，固化成型：将电芯放入制备好的壳体中，连接下侧电极7，放上上壁板1并连接上侧电极7，最后固化成型。具体地：如图13所示，将电芯放入制备好的壳体中，预先在下侧的电极螺杆702上放一个带凸起的第一特氟龙垫圈705，然后将电极螺杆702穿过安装孔，然后在外侧依次放上第二特氟龙垫圈704和第一防滑垫圈703，然后拧紧电极螺母701，完成下侧电极7连接；然后依次放入如图11所示的上侧泡沫板和上壁板1；先将第三特氟龙垫圈803套在中空的防爆螺杆802上，然后将防爆螺杆802穿过上侧的安装孔，接着依次放上第四特氟龙垫圈804和第二防滑垫圈805，接着拧紧防爆螺母801。防爆装置8先不安装防爆片806，待注入电解液之后再安装防爆片806。在上侧的电极螺杆702上套上第一特氟龙垫圈705，让上侧的电极螺杆702穿过上壁板1的安装孔，盖上上壁板1，使用与下侧电极7相同的安装方法安装上侧电极7，安装完毕后，再次将电池结构放入模具中固化成型。连接上侧电极7与连接下侧电极7的方式相同，在此不再一一赘述。
注电解液，密封：注入电解液，并使用防爆片806对防爆装置8进行密封；具体地：注入电解液，然后使用激光焊接的方法将防爆片806焊在防爆装置8内侧，对电池密封。
与现有技术相比，本发明采用的以上技术方案具有以下技术效果：
本发明采用复合材料构建外壳，将电芯包裹，使电池结构具有良好的抵抗破坏的性能。
本发明采用M型层叠形成电芯，在电池变形时可以靠层间间隙来抵消位移，减小层间应力，提高了电池的安全性。
本发明电池上下均有电极7，电池之间可以根据使用实现并联和串联的自由组合。
本发明电池梯形体外形能够更好的传递弯曲载荷。模块化的设计能够将单个电池拼接成一个大型电池，可以作为承力部件放在整体结构中，单块电池也可单独取出。电池可以横向组装，也可以纵向组装。
传统的新能源电池由于体积大，重量大，会占用很大的可用空间，承力部件处的空间会有很大的浪费，因此本发明用复合材料块化结构电池来代替传统新能源设备中的承力结构，能有效提高空间的利用率，减轻结构重量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种复合材料模块化电池结构，其特征在于，所述电池结构包括：
外壳和电芯；所述电芯设置在所述外壳内部；
所述外壳包括第一壁板、第二壁板、第三壁板、第四壁板、上壁板和下壁板，所述第一壁板和所述第二壁板对应设置，所述第三壁板和所述第四壁板对应设置，所述第一壁板和所述第二壁板为倾斜壁板，所述上壁板向内凹陷形成第一凹槽，所述第一凹槽内设置有三个安装孔，用于安装两个电极和防爆装置；所述下壁板向内凹陷形成第二凹槽，所述第二凹槽内设置有二个安装孔，用于安装两个电极；
所述电芯包括正电极片、负电极片和隔膜，所述隔膜设置在所述正电极片和所述负电极片之间，所述正电极片、所述隔膜和所述负电极片按照M型层叠形成电芯。
2.根据权利要求1所述的复合材料模块化电池结构，其特征在于，组成所述第一凹槽和所述第二凹槽的侧壁均为斜面，且斜面的倾斜角度为80°。
3.根据权利要求1所述的复合材料模块化电池结构，其特征在于，在所述正电极片上设置有正电极引脚，在所述负电极片上设置有负电极引脚，所述正电极引脚与所述负电极引脚分别与安装在所述上壁板上的两个电极和安装在所述下壁板上的两个电极连接。
4.根据权利要求1所述的复合材料模块化电池结构，其特征在于，在所述外壳的四周设置有连接结构，用于实现相邻的两个电池结构之间互锁。
5.根据权利要求4所述的复合材料模块化电池结构，其特征在于，所述连接结构包括凹槽构件和凸起构件；所述凹槽构件和所述凸起构件采用凹凸的连接方式实现相邻的两个电池结构之间互锁；
所述凹槽构件和所述凸起构件交替设置在所述上壁板四周和所述下壁板四周，所述上壁板上的所述凹槽构件与所述下壁板上的所述凸起构件对应设置，所述上壁板上的所述凸起构件与所述下壁板上的所述凹槽构件对应设置。
6.根据权利要求5所述的复合材料模块化电池结构，其特征在于，所述凹槽构件由预浸料和金属螺母组成，所述金属螺母预埋在所述预浸料中；所述凸起构件的两端设置有通孔，以使螺钉穿过所述通孔与所述凹槽构件中的所述金属螺母连接。
7.根据权利要求1所述的复合材料模块化电池结构，其特征在于，所述电极包括电极螺杆、第一特氟龙垫圈、第二特氟龙垫圈、第一防滑垫圈和电极螺母，在所述电极螺杆上依次放置所述第一特氟龙垫圈、所述第二特氟龙垫圈、所述第一防滑垫圈和所述电极螺母，所述第一特氟龙垫圈设置在安装孔的内侧，所述第二特氟龙垫圈设置在安装孔的外侧。
8.根据权利要求1所述的复合材料模块化电池结构，其特征在于，所述防爆装置包括：
防爆螺杆、第三特氟龙垫圈、第四特氟龙垫圈、第二防滑垫圈、防爆螺母和防爆片；在所述防爆螺杆上依次设置所述第三特氟龙垫圈、所述第四特氟龙垫圈、所述第二防滑垫圈、所述防爆螺母和所述防爆片，所述第三特氟龙垫圈设置在安装孔的内侧，所述第四特氟龙垫圈设置在安装孔的外侧。
9.一种复合材料模块化电池装置，其特征在于，所述装置包括：至少两个如权利要求1-8任一项所述的电池结构，相邻的两个所述电池结构互锁连接。
10.一种复合材料模块化电池结构制备方法，其特征在于，所述方法用于制备权利要求1-8任一项所述的电池结构，所述方法包括：
制备壁板：采用模压成型的方法制作各壁板，将上壁板向内凹陷形成第一凹槽，在所述第一凹槽内设置三个用于安装两个电极和防爆装置的安装孔；将下壁板向内凹陷形成第二凹槽，在所述第二凹槽内设置有二个用于安装两个电极的安装孔；
组装壳体：将第一壁板、第二壁板、第三壁板、第四壁板和下壁板放入模具中组装胶接，形成一个梯形体的壳体；
制备电芯：将混合均匀的电极浆料涂布在集流体上后获得正电极片和负电极片，将正电极片、负电极片在隔膜两侧对称放置，按照M型层叠形成电芯；
装入电芯，固化成型：将电芯放入制备好的壳体中，连接下侧电极，放上上壁板并连接上侧电极，最后固化成型；
注电解液，密封：注入电解液，并使用防爆片对防爆装置进行密封。
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