CN114597507A - 一种高电压钠离子电池卷绕结构及其使用方法 - Google Patents

一种高电压钠离子电池卷绕结构及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高电压钠离子电池卷绕结构及其使用方法，具有：正极极片、双极极片和负极极片，双极极片设置在正极极片和负极极片之间；正极极片具有铝箔集流体，正极极片的铝箔集流体两侧设有正极涂层；负极极片具有铝箔集流体，负极极片的铝箔集流体两侧设有负极涂层；双极极片具有铝箔集流体，双极极片的铝箔集流体两侧分别设有正极涂层和负极涂层；双极极片的正极涂层与负极极片相对；双极极片的负极涂层与正极极片相对，使单体电芯的电压成倍增加，有利于减少串联模组中成组电芯的数量，减少电芯一致性差异。

Description

一种高电压钠离子电池卷绕结构及其使用方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种高电压钠离子电池卷绕结构及其使用方法。
背景技术
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
电能作为这一种清洁能源，近年在储能、动力等领域备受瞩目。锂离子电池作为一种广泛应用的电池体系，在近两年大宗商品普遍涨价紧缩的环境下，其原材料供应收到了巨大的挑战，这其中的主要原因之一就是锂矿资源的有限性。在此背景下，钠离子电池作为锂离子电池的替代品，有望在储能和二轮车等对能量密度要求相对较低的场景中替代锂离子电池成为下一代电池体系。
钠离子电池与锂离子电池原理类似，被称作“摇椅式电池”，其电极由负极极片和正极极片组成，溶剂化的离子在面面相对的正极和负极间穿梭。传统的锂离子电池工艺较为成熟，无论是叠片还是卷绕工艺的锂电池电芯，都可以视为多层电芯的并联，故单体电芯电压均视材料体系在3V左右，故单体电芯的电压不能满足大部分的电池使用场景，需要多个电芯串联成模组以提高总电压。多电芯模组方案是目前储能或动力领域通用的方案，但电芯数量增加，也意味着电芯结构件的增加，占用更多重量及体积，降低了整体的能量密度。同时，过多数量电芯的串联，更易发生“木桶效应”，即性能最差的电芯单体决定整个模组的性能。故而，如能够提高单体电芯的电压，则更有利于电芯模组或电池包的设计。
1)对于小型储能的使用场景通常需要的几十伏充放电使用场景而言，锂电池往往需要多个电池串联成模组，一方面放大了电芯一致性差异带来的品质问题，另一方面串联所用的结构件也占据了更多空间和重量。
2)锂离子电池正负极对集流体材料要求更为苛刻，铝箔作为负极易和锂离子发生合金化反应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使单体电芯的电压成倍增加，有利于减少串联模组中成组电芯的数量，减少电芯一致性差异的高电压钠离子电池卷绕结构及其使用方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高电压钠离子电池卷绕结构，具有：
正极极片、双极极片和负极极片，所述双极极片设置在正极极片和负极极片之间；
所述正极极片具有铝箔集流体，正极极片的铝箔集流体两侧设有正极涂层；
所述负极极片具有铝箔集流体，负极极片的铝箔集流体两侧设有负极涂层；
所述双极极片具有铝箔集流体，双极极片的铝箔集流体两侧分别设有正极涂层和负极涂层；所述双极极片的正极涂层与负极极片相对；双极极片的负极涂层与正极极片相对。
所述正极极片、双极极片、负极极片之间通过隔膜分隔。
所述负极材料为人造石墨材料，面密度为0.008g/cm2，压密为1.5g/cm3。
所述正极为含钠的层状材料，面密度为0.015g/cm2，压密为3.0g/cm3。
所述双极极片的正极涂层与正极极片的正极涂层的材料和面密度相同，双极极片的负极涂层与负极极片的负极涂层的材料和面密度相同；双极极片的整体压密2.3g/cm3。
所述隔膜材质为PP隔膜；电解液为含1mol/L六氟磷酸钠的有机电解液。
一种上述的高电压钠离子电池卷绕结构的使用方法，在铝箔集流体两面分别涂布阳极涂层和阴极涂层的极片，夹在电芯阴阳极之间，极耳从正、负极极片引出，变为双层或多层串联结构；放电时，外电路的电子由负极流向正极，离子的迁移由负极极片脱出，嵌入双极极片的正极涂层侧，对应的负极涂层释放电子通过铝箔直接被正极涂层接受，并析出离子向正极极片迁移，形成两个相互串连的电化学反应；使单体电芯的外电压成倍数增加。
依次层叠双极极片、正极极片、双极极片、负极极片形成叠层结构，将叠层结构卷绕成电芯。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，使单体电芯的电压成倍增加，有利于减少串联模组中成组电芯的数量，减少电芯一致性差异。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的高电压钠离子电池卷绕结构的结构示意图；
图2为图1的高电压钠离子电池卷绕结构的结构示意图；
图3为图1的高电压钠离子电池卷绕结构的卷绕电芯的结构示意图；
图4为图1的高电压钠离子电池卷绕结构的充放电曲线图；
上述图中的标记均为：1、正极涂层，2、铝箔集流体，3、负极涂层。
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。
参见图1-4，一种高电压钠离子电池卷绕结构，具有：正极极片、双极极片和负极极片，双极极片设置在正极极片和负极极片之间；正极极片具有铝箔集流体，正极极片的铝箔集流体两侧设有正极涂层；负极极片具有铝箔集流体，负极极片的铝箔集流体两侧设有负极涂层；双极极片具有铝箔集流体，双极极片的铝箔集流体两侧分别设有正极涂层和负极涂层；双极极片的正极涂层与负极极片相对；双极极片的负极涂层与正极极片相对。正极极片、双极极片、负极极片之间通过隔膜分隔。
一种上述的高电压钠离子电池卷绕结构的使用方法，引入了双极极片夹层，即在铝箔集流体两面分别涂布阳极涂层和阴极涂层的极片(如图1所示)，夹在传统电芯阴阳极之间，极耳从正负极极片引出，使原本单层的电池结构变为双层或多层串联结构。放电时，外电路的电子由负极流向正极，离子的迁移由负极极片脱出，嵌入双极极片的正极涂层侧，对应的负极涂层释放电子通过铝箔直接被正极涂层接受，并析出离子向正极极片迁移，形成两个相互串连的电化学反应(如图2所示)。通过该结构可以使单体电芯的外电压成倍数增加。
依次层叠双极极片、正极极片、双极极片、负极极片形成叠层结构，将叠层结构卷绕成电芯。相比一般卷绕电芯，需要增加两层双极极片共同卷绕(如图3所示)，使每层正负极片之间均有一层双极极片。需要注意的是极耳的位置位于正负极极片上，双极极片不设置极耳。
对上述设计的样品电芯进行1/3C放电测试，测试电压上下限取3.0-7.4V，充放电曲线如图4，电芯容量可达设计值。可见样品电芯的外电压明显大于常规的锂离子电池及钠离子电池。
对以上专利使用软包电芯进行验证，制备电芯样品。样品软包电芯使用卷绕工艺，引入上述双极极片进行卷绕，电芯层数10层；负极材料使用人造石墨材料，面密度0.008g/cm2，压密1.5g/cm3；正极使用含钠的层状材料，面密度0.015g/cm2，压密3.0g/cm3；双极电芯夹层中的正负极涂层面密度与正负极极片一致，整体压密2.3g/cm3；隔膜使用PP材质隔膜；电解液为含1mol/L六氟磷酸钠的有机电解液。
1)本专利针对电芯内部的卷芯结构进行设计，上述样品电芯极片的材料、面密度、压密等参数可以根据需要进行更改；2)本专利原则上适合所有类型和尺寸的电芯，包括但不限于方形硬壳、圆柱、软包；3)本专利所述的电压提升方法主要在于双极极片的夹层，不限于夹层的层数，一般而言，夹层层数越多单体电芯的电压越高，本案例仅夹层一层以验证设计的可行性。
采用上述的方案后，使单体电芯的电压成倍增加，有利于减少串联模组中成组电芯的数量，减少电芯一致性差异带来的“短板效应”。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”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，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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种高电压钠离子电池卷绕结构，其特征在于，具有：
正极极片、双极极片和负极极片，所述双极极片设置在正极极片和负极极片之间；
所述正极极片具有铝箔集流体，正极极片的铝箔集流体两侧设有正极涂层；
所述负极极片具有铝箔集流体，负极极片的铝箔集流体两侧设有负极涂层；
所述双极极片具有铝箔集流体，双极极片的铝箔集流体两侧分别设有正极涂层和负极涂层；所述双极极片的正极涂层与负极极片相对；双极极片的负极涂层与正极极片相对。
2.如权利要求1所述的高电压钠离子电池卷绕结构，其特征在于，所述正极极片、双极极片、负极极片之间通过隔膜分隔。
3.如权利要求2所述的高电压钠离子电池卷绕结构，其特征在于，所述负极材料为人造石墨材料，面密度为0.008g/cm2，压密为1.5g/cm3。
4.如权利要求3所述的高电压钠离子电池卷绕结构，其特征在于，所述正极为含钠的层状材料，面密度为0.015g/cm2，压密为3.0g/cm3。
5.如权利要求4所述的高电压钠离子电池卷绕结构，其特征在于，所述双极极片的正极涂层与正极极片的正极涂层的材料和面密度相同，双极极片的负极涂层与负极极片的负极涂层的材料和面密度相同；双极极片的整体压密2.3g/cm3。
6.如权利要求5所述的高电压钠离子电池卷绕结构，其特征在于，所述隔膜材质为PP隔膜；电解液为含1mol/L六氟磷酸钠的有机电解液。
7.一种如权利要求1-6所述的高电压钠离子电池卷绕结构的使用方法，其特征在于，在铝箔集流体两面分别涂布阳极涂层和阴极涂层的极片，夹在电芯阴阳极之间，极耳从正、负极极片引出，变为双层或多层串联结构；放电时，外电路的电子由负极流向正极，离子的迁移由负极极片脱出，嵌入双极极片的正极涂层侧，对应的负极涂层释放电子通过铝箔直接被正极涂层接受，并析出离子向正极极片迁移，形成两个相互串连的电化学反应；使单体电芯的外电压成倍数增加。
8.如权利要求7所述的高电压钠离子电池卷绕结构的使用方法，其特征在于，依次层叠双极极片、正极极片、双极极片、负极极片形成叠层结构，将叠层结构卷绕成电芯。
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