CN114824445A - 一种可再生锂离子电池及其再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可再生锂离子电池及其再生方法，包括封装于封装膜内的电芯，在封装膜上设有补液通道，通过补液通道对电池进行补液，所述补液通道由表面包覆有PP层的铝塑膜材料构成，所述补液通道一端位于封装膜外部，另一端跨越封装膜的顶封区进入封装膜内，位于封装膜外部的补液通道上设有密封隔离区，密封隔离区为处于封装状态下的一部分补液通道。本发明实现了电池的持续可再生利用，大大提高了电池的循环性能和使用寿命。

Description

一种可再生锂离子电池及其再生方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种可再生的锂离子电池结构及其再生方法。

背景技术

目前锂离子电池的使用寿命受电池材料体系影响相对比较大。像磷酸铁锂电池，循环寿命几本能够达到3000次以上，如果每天充放电一次那也能使用9年以上时间，但该体系电池的能量密度小，续航能力较差，目前主要还是在储能项目上使用。像动力汽车目前还是以三元材料为主，但循环性能差不多降了一半，差不多能够使用5年时间；但是由于后期由于电池内部电解液消耗，电池的一致性会受到一定的影响。同样的，在3C数码的产品，由于电池更关注于体积能量密度，因此，3C数码电池通常了是以钴酸锂材料为主，目前行业内电池的循环寿命通常在700cls左右，也就是说电池的使用寿命在2年左右。当然，电池的使用寿命要远小于电池手机硬件的寿命。

锂离子电池，由正极、负极、电解液、隔膜及密封码等组成。其中电解液在电池中起着十分重要的作用，电池内部的锂离子的传导需要通过电解液。而电池在每次充放电过程中都会有一定电解液的损耗，通常电池在循环后期常常由于电解液的消耗而出现衰减的问题。综合所有电池成本，电解液成本几乎只占电池成本的5％左右，而如果仅仅只是因为电池电解液不足而导致电池无法使用所造成的浪费相对还是非常的庞大。

发明内容

本发明针对现有技术中目前电池相对比较短的循环寿命性能及较高的生产成本问题，通过电芯结构设计，开发了一种可对电芯进行重复补注电解液(补液)的锂离子电池产品及其补注电解液的方法，避免电池内部因电解液的消耗导致的电池寿命快速衰减，实现了电池的持续可再生利用，大大提高了电池的循环性能和使用寿命。

具体的，本发明首先提供一种可再生锂离子电池，包括封装于封装膜内的电芯，在封装膜上设有补液通道，所述补液通道由表面包覆有PP层的铝塑膜材料构成，所述补液通道一端位于封装膜外部，另一端跨越封装膜的顶封区进入封装膜内，位于封装膜外部的补液通道上设有密封隔离区，密封隔离区为处于封装状态下的一部分补液通道。

其中，所述补液通道与封装膜的顶封区的重合部分通过表面熔合密封，构成衔接密封区。

进一步，包含衔接密封区所在的位置的至少一段补液通道的外表面上具有PP层加厚段。

其中，补液通道进入封装膜内的内端部位于顶封内未封区中部。

其中，所述顶封区的宽度方向的两侧分别具有顶封外未封区和顶封内未封区，顶封外未封区宽度不小于0.2mm，顶封内未封区宽度不小于0.8mm；补液通道进入封装膜内顶封内未封区的部分形成通道内未封区，通道内未封区宽度为0.2-0.8mm，优选为0.2-0.6mm。

其中，顶封区和密封隔离区的宽度不小于1mm。

其中，所述补液通道以多层折叠的方式放置于顶封区上方。

其中，所述补液通道位于封装膜之外的初始长度为3-50mm，优选为7-50mm。

其中，所述电池包括钴酸锂、三元、或锰酸锂电池体系。

一种可再生锂离子电池的再生方法，采用上述可再生锂离子电池，通过补液通道对电池进行补液，每次需要补液时，将补液通道上的密封隔离区自一端剪除，使补液通道与外界连通，然后完成补液注液操作，再将补液通道的一部分进行重新封装形成新的密封隔离区，完成一次补液操作。

其中，所述密封隔离区使用封头在180℃下进行封装形成。

其中，补液时处部环境露点低于-55℃。

其中，补液周期为每500±200圈循环补液1次，共补液1-3次。

本发明开发的可再生锂离子电池及其再生方法，可快速方便的对电池进行多次补液操作，避免电池因内部电解液的消耗而寿命快速衰减，大大提高循环性能和使用寿命。同时通过对补液通道相关结构的优化，提高了结构的可靠性并避免空间占用，无需增加多余的容纳空间。另外注液周期和频率的优化一方面配合优化了结构尺寸，另一方面满足了最小频次下将循环性能延长至1500圈以内容量保有率不小于80％的最优应用需求。

附图说明

图1为电池的一般结构示意图。

图2为本发明电芯封装后的主视方向结构示意图。

图3为本发明电芯封装后的侧视方向结构示意图。

图4为图3中补液通道部分的局部放大结构示意图。

图5为本发明在钴酸锂电池体系中循环实验测试结果。

图6为本发明在三元电池体系中循环实验测试结果。

图7为本发明在锰酸锂电池体系中循环实验测试结果。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，给出了本发明的较佳实施例。但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。

电池的一般结构设计如图1所示，电芯1-1通过被隔膜隔离的正极极片和负极极片经卷绕或叠片形成，电芯1-1被封装于由外壳体7-1和顶部盖板7-2围合而成的中空壳体中，电芯1-1经过电解液注液后，被封装于封装膜1-2内，自电芯1-1上引出的极耳通过封装膜1-2的顶封区6-4延伸至外部，并分别通过引线7-3与设置在盖板7-2上的正负极接线柱连接。所述极耳可分别为铝极耳2-1和镍极耳3-1，且分别通过铝极耳密封胶2-2和镍极耳密封胶3-2与顶封区6-4结合密封。一些现有设计考虑到可能需要对电池进行补液，会在盖板7-2上设置补液孔，但壳体上补液孔的设计并未考虑到如何能够更好的使电解液穿过封装膜1-2的封装进入电芯1-1，并且实现对电芯1-1中的多次重复补液。封装膜1-2一般采用铝塑膜材料，若想实现对电芯1-1中进行多次补液，需要涉及对封装电芯1-1的封装膜1-2进行多次拆封，不仅工艺复杂，容易造成电解液污染，同时容易使电芯1-1的反复封装出现不稳定的现象，影响电池的性能和使用。

本发明为实现对电芯进行重复补液，如图2所示，在封装膜1-2上增设了一条补液通道4-1，所述补液通道4-1由表面包覆有PP层的铝塑膜材料构成，所述补液通道4-1一端位于封装膜1-2外部，另一端跨越顶封区6-4进入封装膜1-2内，位于封装膜1-2外部的补液通道4-1上设有密封隔离区5-1，密封隔离区5-1由补液通道4-1的一部分被密封封装构成。

本发明的上述方案中，通过在封装膜1-2上增设由铝塑膜材料制成的补液通道4-1，实现了后期对电芯1-1中多次注液的可操作性。由于补液通道4-1与封装膜1-2均采用铝塑膜材料，二者表面均包覆有PP层，因此二者可以通过表面的PP层在外周实现良好的表面熔合密封，构成衔接密封区5-3，形成通畅的能够直通电芯1-1内部的补液通道4-1，同时，铝塑膜材料具有良好的可封装性能以及耐压性，能够在补液注液过程中有效承载压力，并且，铝塑膜材料具有良好的柔性，无需如硬质材料一般预留固定的通道空间，可排气并收缩补液通道4-1，减少空间占用以及消除电芯内多余空间留存。铝塑膜材料良好的封装和易裁剪性能，可在每次需要补液时，将补液通道4-1上的密封隔离区5-1自一端剪除，使补液通道4-1与外界连通，然后完成补液注液操作，再将补液通道4-1外部靠近端口的一部分进行重新封装形成新的密封隔离区5-1，完成一次补液操作。每次补液后新的密封隔离区5-1将会在下次补液时被剪除，因此每次补液会由于剪除密封隔离区5-1的一段使外部的补液通道4-1长度进行一次减小，预留足够长度的补液通道4-1即可满足多次重复补液的需要。密封隔离区5-1可以使用常规的密封方法对铝塑膜进行封装形成，例如在180℃下使用封头在补液通道4-1的外端部进行封装。

为进一步保证补液通道4-1的稳定性，提高通道畅通的同时降低密封连接处可能对补液通道4-1造成的局部损伤，包含衔接密封区5-3所在的位置的至少一段补液通道4-1的外表面上具有PP层加厚段4-2，该PP层加厚段4-2可以为铝塑膜材料表面原有的PP层在制作时经局部加厚而形成的单层加厚，也可以为另外在该部位另外包覆一层PP层而形成的双层加厚。

为了保证电芯1-1的封装可靠性，顶封区6-4一般具有足够的宽度，同时，如图3-4所示，在顶封区6-4宽度方向的两侧分别形成顶封外未封区6-1和顶封内未封区6-2，顶封外未封区6-1由顶封区6-4外边沿至封装膜1-2顶部外边沿的一段未封装空间宽度区域构成，顶封内未封区6-2由顶封区6-4内边沿至电芯1-1顶部外边沿的一段未封装空间宽度区域构成。为保证补液时的注液通畅，补液通道4-1进入封装膜1-2内的内端部需位于顶封内未封区6-2中部，即，使电解液快速进入电芯1-1顶部外边沿与顶封区6-4内边沿之间的空隙中，有利于电解液快速均匀分散并进入电芯1-1中。

为进一步优化对电芯1-1封装的可靠性，需保证顶封区6-4边缘清晰，因此顶封外未封区6-1可以预留一定的宽度，一般以不小于0.2mm为佳，同时在保证封装膜1-2内顶封内未封区6-2需要预留足够的宽度保证电解液的快速分散，同时需要预留足够的使补液通道4-1进入该区域中部的空间，因此一般以不小于0.8mm为佳，补液通道4-1进入封装膜1-2内顶封内未封区6-2部分形成的通道内未封区6-3也需要预留一定的宽度，结合电解液的分散需求以及通道连接的稳定，同时考虑到防止补液通道4-1与电芯1-1硬接触，通道内未封区6-3宽度可以为0.2-0.8mm，以0.2-0.6mm为佳。另外，顶封区6-4和密封隔离区5-1的宽度一般不小于1mm。

补液通道4-1由于采用柔性材料，可以以多层折叠的方式放置于封装电芯的顶封区6-4上方，如图4所示，可以其对空间的占用。为了控制折叠后的补液通道4-1无需占用更多的壳体内空间，可以考虑控制优化补液通道4-1的外部长度，同时满足多次补液过程中长度减小的需要。为此我们进一步探索了最优的补液操作方式。

我们分别制作了含有上述补液通道4-1的三种电池体系，分别为钴酸锂、三元、锰酸锂电池体系，其他结构部分的制作方法同现有技术方法，仅在封装膜1-2的顶封区6-4封装前将补液通道4-1插入，然后对顶封区6-4进行180℃的封装专用封头进行封装，再对补液通道4-1外端部进行封装形成密封隔离区5-1，经过化成后即可进行循环测试。实验1-6、实验7-12、实验13-18分别为上述三种电池体系在不同补液周期下进行不同补液次数的循环实验。为确保补液时电解液的稳定，补液时外部环境须露点低于-55℃。具体实验设置列于表1中。循环测试条件为：(1)静置5min；(2)1.5C CC to 4.2V，CV to 0.05C；(3)静置5min；(4)0.7C DC to 3.0V。训话测试结果如图5-7所示。

表1

结合图5-7的循环测试结果可知，三个电池体系中，经过补液后的电池的循环性能均会有大幅度的提高。随着循环圈数的持续增加，电池总容量也不断降低，满足循环应用需求一般提出要求循环周期内电池容量保有率不低于80％，以不小于1500圈为佳。如钴酸锂体系实验1-6所示，仅进行一次补液即可提高循环性能(实验2-4)，并且在500圈左右为周期时循环性能提升最佳(实验3)，若800圈之后再进行补液，可能由于循环容量快速衰减导致补液效果降低或失效，因此补液周期以500±200圈为限；实验3、5、6显示了补液次数的提升也大大提高了循环性能，以补液3次为佳(实验6)，但超过3次容量总保有率降低至80％以下。三元和锰酸锂电池体系实验显示了同钴酸锂体系相同的趋势。因此，补液次数最高为3次即可满足电池循环寿命使用要求。

考虑到密封隔离区5-1的宽度控制(不小于1mm)，补液通道4-1每次补液长度消耗可为2-4mm，因此补液通道4-1外部长度以不小于3mm为佳(至少1次补液长度需要)，进一步以不小于7mm为佳(至少3次补液长度需要)。同时为减小空间占用，考虑到补液通道4-1材料单层厚度为0.1-0.15mm，并控制折叠后折叠总厚度不高于电芯1-1本体厚度8-1，同时折叠弯折避免产生刚性折痕，需要控制折叠层数，因此补液通道4-1外部长度以不大于50mm为佳。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可再生锂离子电池，包括封装于封装膜(1-2)内的电芯(1-1)，在封装膜(1-2)上设有补液通道(4-1)，所述补液通道(4-1)由表面包覆有PP层的铝塑膜材料构成，所述补液通道(4-1)一端位于封装膜(1-2)外部，另一端跨越封装膜(1-2)的顶封区(6-4)进入封装膜(1-2)内，位于封装膜(1-2)外部的补液通道(4-1)上设有密封隔离区(5-1)，密封隔离区(5-1)为处于封装状态下的一部分补液通道(4-1)。

2.根据权利要求1所述的可再生锂离子电池，其特征在于，所述补液通道(4-1)与封装膜(1-2)的顶封区(6-4)的重合部分通过表面熔合密封，构成衔接密封区(5-3)。

3.根据权利要求2所述的可再生锂离子电池，其特征在于，包含衔接密封区(5-3)所在的位置的至少一段补液通道(4-1)的外表面上具有PP层加厚段(4-2)。

4.根据权利要求1所述的可再生锂离子电池，其特征在于，补液通道(4-1)进入封装膜(1-2)内的内端部位于顶封内未封区(6-2)中部。

5.根据权利要求1所述的可再生锂离子电池，其特征在于，所述顶封区(6-4)的宽度方向的两侧分别具有顶封外未封区(6-1)和顶封内未封区(6-2)，顶封外未封区(6-1)宽度不小于0.2mm，顶封内未封区(6-2)宽度不小于0.8mm；补液通道(4-1)进入封装膜(1-2)内顶封内未封区(6-2)的部分形成通道内未封区(6-3)，通道内未封区(6-3)宽度为0.2-0.8mm，优选为0.2-0.6mm。

6.根据权利要求1所述的可再生锂离子电池，其特征在于，顶封区(6-4)和密封隔离区(5-1)的宽度不小于1mm；

所述补液通道(4-1)以多层折叠的方式放置于顶封区(6-4)上方；

所述补液通道(4-1)位于封装膜(1-2)之外的初始长度为3-50mm，优选为7-50mm。

7.根据权利要求1所述的可再生锂离子电池，其特征在于，所述电池包括钴酸锂、三元、或锰酸锂电池体系。

8.一种可再生锂离子电池的再生方法，采用权利要求1-7任一项所述的可再生锂离子电池，通过补液通道(4-1)对电池进行补液，每次需要补液时，将补液通道(4-1)上的密封隔离区(5-1)自一端剪除，使补液通道(4-1)与外界连通，然后完成补液注液操作，再将补液通道(4-1)的一部分进行重新封装形成新的密封隔离区(5-1)，完成一次补液操作。

9.根据权利要求8所述的可再生锂离子电池的再生方法，其特征在于，所述密封隔离区(5-1)使用封头在180℃下进行封装形成；

补液时处部环境露点低于-55℃。

10.根据权利要求8所述的可再生锂离子电池的再生方法，其特征在于，补液周期为每500±200圈循环补液1次，共补液1-3次。

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