CN117154254A - 一种可控电化学反应的电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控电化学反应的电池及其制备方法，包括包括内阻调节机构，所述内阻调节机构分布设置于所述隔膜表面，所述内阻调节机构不允许所述电解液中的电解质离子通过；所述内阻调节机构受外界控制改变对所述隔膜表面的覆盖面积，所述覆盖面积与电池内部所述正极和所述负极之间的内阻抗呈正相关。

Description

一种可控电化学反应的电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及电池领域，具体指有一种可控电化学反应的电池及其制备方法。

背景技术

电池的主要部分，正极，负极，电解质，隔膜，壳体五个部分组成，其中，锂电池隔膜作为锂离子电池的重要组成部分，起着分隔正、负极，防止电池内部短路，允许电解质离子自由通过，完成电化学充放电过程的作用。

现有技术中，隔膜作为电池中一个独立的组件，其一直处于低内阻状态。当电池短路、高温、被物理破坏等情况下，低内阻的隔膜反而成了使电池快速化学反应从而着火的基础组件。现有技术难以在电池层面阻断电池在异常状态下的快速化学反应。

针对上述的现有技术存在的问题设计一种可控电化学反应的电池及其制备方法是本发明研究的目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种可控电化学反应的电池及其制备方法，能够有效解决上述现有技术存在的至少一个问题。

本发明的技术方案是：

一种可控电化学反应的电池，包括被密封在壳体内的正极、负极、隔膜和电解质，所述的正极包括正极集电体和涂敷在正极集电体上的正极活性物质，所述的负极包括负极集电体和涂敷在负极集电体上的负极活性物质，所述电解质填充在所述壳体内，所述隔膜将所述正极和所述负极隔离，所述隔膜允许所述电解液中的电解质离子通过；其特征在于：

包括内阻调节机构，所述内阻调节机构分布设置于所述隔膜表面，所述内阻调节机构不允许所述电解液中的电解质离子通过；所述内阻调节机构受外界控制改变对所述隔膜表面的覆盖面积，所述覆盖面积与电池内部所述正极和所述负极之间的内阻抗呈正相关。

进一步地，所述内阻调节机构受外界控制可膨胀或收缩，所述内阻调节机构膨胀后可增大对所述隔膜表面的覆盖面积，所述内阻调节机构包括铺设于所述隔膜表面的气囊，所述气囊受外界气压源驱动从而膨胀或收缩。

进一步地，所述气囊分布有诸多贯穿于所述气囊的通孔，所述气囊膨胀后可收缩所述通孔的孔径，从而使所述气囊增大对所述隔膜表面的覆盖面积。

进一步地，所述通孔的孔径为100-400nm。

进一步地，所述气囊连通连接至所述外界气压源，所述外界气压源可向所述气囊内充气从而时所述气囊膨胀。

进一步地，所述壳体为可弹性形变材质制成，所述电池安装于密闭空间内，所述气囊内封装有气体，所述密闭空间连通连接至所述外界气压源，所述外界气压源可调节所述密闭空间内的气压，所述外界气压源使所述密闭空间内的气压增大后，使所述电池受压增大，从而使所述气囊被压缩收缩，所述外界气压源使所述密闭空间内的气压降低后，使所述电池受压减小，从而使所述气囊被膨大膨胀。

进一步地，所述内阻调节机构包括两块挡板，两块所述挡板均对位设置有孔洞，两块所述挡板受外界控制可错位从而增大对所述隔膜表面的覆盖面积。

进一步地，所述孔洞的孔径为100-400nm。

进一步地，包括控制系统，以及震动传感器、温度传感器、电流传感器其中的一种或多种，

所述控制系统通过震动传感器感知到所述电池受到的震动量大于预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构膨胀；

所述控制系统通过温度传感器感知到所述电池的温度超过预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构膨胀；

所述控制系统通过电流传感器感知到所述电池的电流超过预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构膨胀。

一种可控电化学反应的电池的制备方法，用于制备所述一种可控电化学反应的电池，包括以下步骤：

对气囊焊轧成型，使气囊存在诸多通孔，制得所述内阻调节机构；

将所述内阻调节机构附着于所述隔膜表面；

将附着有所述内阻调节机构的隔膜、正极、负极和电解质通过所述壳体封装，得到可控电化学反应的电池。

因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

本申请当电池异常发热、外界剧烈震动等情况下，内阻调节机构可以被控制膨胀，膨胀状态的内阻调节机构使隔膜较少的表面暴露或者完全覆盖于隔膜的表面，从而使隔膜只有一小部分的暴露表面可以用于电解质离子通过，甚至使隔膜完全不能通过电解质离子，此时隔膜处于高内阻状态或绝缘状态。从而能够避免电池着火等情况，将电池优化为可控化学反应速率。

本申请通过气囊膨胀从而挤压通孔，使通孔的孔径减小，此时只有少量的隔膜的表面暴露，电解质离子难以自由通过，此时隔膜被气囊遮挡后呈现较高的内阻。从而实现了对膈膜暴露面积的控制结构基础。

本申请通过对通孔孔径的选择，使隔膜在通孔的掩模下可以工作于低内阻和高内阻之间快速切换的状态。

应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

附图说明

图1为本发明的其中第一个实施例的结构示意图。

图2为可调内阻机构的结构示意图。

图3为气囊收缩状态下的形态示意图。

图4为气囊膨胀状态下的形态示意图。

图5为本发明的第二个实施例的结构示意图。

图6-7为气囊的SEM照片。

图8为本发明第三个实施例的结构示意图。

图9为本发明第三个实施例的使电池内阻增大时的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：

参考图1，一种可控电化学反应的电池，包括被密封在壳体1内的正极2、负极3、隔膜4和电解质5，所述的正极2包括正极集电体和涂敷在正极集电体上的正极活性物质，所述的负极3包括负极集电体和涂敷在负极集电体上的负极活性物质，所述电解质5填充在所述壳体1内，所述隔膜4将所述正极2和所述负极3隔离，所述隔膜4允许所述电解液5中的电解质离子通过。

本实施例中，隔膜4作为电解质离子电池的重要组成部分，起着分隔正、负极，防止电池内部短路，同时允许电解质5中的离子自由通过，完成电化学充放电过程的作用。在电池内，当电解质离子从负极向正极移动时，电池充电，当电解质离子从正极向负极移动时，电池放电。电解质离子可自由穿过隔膜4，从而在汇聚在正极或负极。隔膜4可以隔离正极和负极，使其无法接触避免短路，同时，隔膜4具有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对电解质离子有很好的透过性。电池的结构、工作原理为现有技术。本实施例中，电池可以是锂电池，电解质离子是锂离子，隔膜4是PP、PE复合隔膜。

包括内阻调节机构6，所述内阻调节机构6分布设置于所述隔膜4表面，所述内阻调节机构6不允许所述电解液5中的电解质离子通过；所述内阻调节机构6受外界控制可改变对所述隔膜4表面的覆盖面积，所述覆盖面积与电池内部所述正极2和所述负极3之间的内阻抗呈正相关。

本试试的所述内阻调节机构6受外界控制可膨胀或收缩，所述内阻调节机构6膨胀后可增大对所述隔膜4表面的覆盖面积，

内阻调节机构6是本申请的核心结构。在上述中提到，隔膜4具有对电解质离子良好的透过性，因此，在现有技术中，单独的隔膜4呈现低阻抗性。为了调节电池的内阻，本申请通过内阻调节机构6设置在隔膜4上实现。内阻调节机构6可膨胀或收缩，而且内阻调节机构6不允许电解质离子通过，也就是说内阻调节机构6是绝缘材质。在正常情况下，内阻调节机构6处于收缩状态，收缩状态的内阻调节机构6使隔膜4较多的表面暴露，从而使隔膜4较多的暴露表面可以用于电解质离子通过，此时隔膜4处于低内阻状态。当电池异常发热、外界剧烈震动等情况下，内阻调节机构6可以被控制膨胀，膨胀状态的内阻调节机构6使隔膜4较少的表面暴露或者完全覆盖于隔膜4的表面，从而使隔膜4只有一小部分的暴露表面可以用于电解质离子通过，甚至使隔膜4完全不能通过电解质离子，此时隔膜4处于高内阻状态或绝缘状态。

通过可膨胀或收缩的内阻调节机构6的机械结构，可以控制正负集流体之间的电解液中的电解质离子的流通速率，让电池内的电化学反应得到安全的控制。让电池只接受控制，从而控制电池的电化学反应速率。

进一步地，所述内阻调节机构6包括铺设于所述隔膜4表面的气囊，所述气囊受外界气压源驱动从而膨胀或收缩。

本实施例中，内阻调节机构6为气囊，气囊可以被外界气压源，例如气泵，进行充气或放气。充气时，气囊膨胀，从而气囊的覆盖面积增大，放气时，气囊收缩，气囊的覆盖面积减小。从而控制隔膜4的暴露面积。

进一步地，所述气囊分布有诸多贯穿于所述气囊的通孔601，所述气囊膨胀后可收缩所述通孔601的孔径，从而使所述气囊增大对所述隔膜4表面的覆盖面积。

本实施例中，气囊采用PEEK材料，PEEK具有耐温高、耐酸碱的特性，同时其弹性可满足本申请的功能，其制成的气囊的气密性也满足本申请的需求。

参考图3，图3为气囊收缩状态下的形态。该状态下，通孔601张开，使得气囊对隔膜4的覆盖面积较小，此时仍然有大量的隔膜4的表面暴露，电解质离子可以自由通过，此时隔膜4相比未设置有气囊的隔膜4的内阻稍微提高，但仍然表现为较低的内阻。

参考图4，图4为气囊膨胀状态下的形态。该形态下，气囊膨胀从而挤压通孔601，使通孔601的孔径减小，此时只有少量的隔膜4的表面暴露，电解质离子难以自由通过，此时隔膜4被气囊遮挡后呈现较高的内阻。

进一步地，所述通孔601的孔径为100-400nm。

该孔径下，在气囊膨胀后可以快速地调节隔膜4的内阻，从而在快速地在低内阻和高内阻之间切换。若通孔601大于400nm，则通孔601的直径被缩小后难以快速提高电池的内阻，若通孔601小于100nm，则通孔601在自然状态下难以使隔膜4有足够的表面积用于电解质离子通过。本实施例中，通孔601的孔径是指气囊再未膨胀下通孔601的直径。

进一步地，所述气囊连通连接至所述外界气压源7，所述外界气压源7可向所述气囊内充气从而时所述气囊膨胀。

进一步地，包括控制系统和震动传感器，所述控制系统通过震动传感器感知到所述电池受到的震动量大于预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构6膨胀。

本实施例中，电池受到剧烈震动时，电池内部的正极、负极之间可能产生枝晶从而将隔膜4刺穿，同时在外界受力下电池也可能被破坏从而到时正负极导通，该情况下电池剧烈升温，容易引发火灾。在该情况下，控制系统可以控制所述内阻调节机构6膨胀，从而主动降低隔膜4的暴露面积，使电解质离子难以通过，主动提高电池内阻甚至关闭电池内的化学反应，提高电池的安全性。本实施例中，震动量的预设阈值可以根据经验进行设定，在此不做限定。

进一步地，包括控制系统和温度传感器，所述控制系统通过温度传感器感知到所述电池的温度超过预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构6膨胀。

本实施例中，电池短路等情况，电池的温度急剧升高，容易引发火灾。在该情况下，控制系统可以控制所述内阻调节机构6膨胀，从而主动降低隔膜4的暴露面积，使电解质离子难以通过，主动提高电池内阻甚至关闭电池内的化学反应，使电池内发热源径被切断。本实施例中，温度的预设阈值可以根据经验进行设定，在此不做限定。

进一步地，包括控制系统和电流传感器，所述控制系统通过电流传感器感知到所述电池的电流超过预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构6膨胀。

本实施例中，电池短路等情况，电池的电流较大，容易引发火灾。在该情况下，控制系统可以控制所述内阻调节机构6膨胀，从而主动降低隔膜4的暴露面积，使电解质离子难以通过，主动提高电池内阻甚至关闭电池内的化学反应，使电池的内阻较大，降低电池的电流。本实施例中，电流的预设阈值可以根据经验进行设定，在此不做限定。

进一步提供一种可控电化学反应的电池的制备方法，用于制备任意一项所述一种可控电化学反应的电池，包括以下步骤：

S1，对气囊焊轧成型，使气囊存在诸多通孔，制得所述内阻调节机构；

本实施例中，对气囊焊轧成型可以采用超声波滚针等进行轧制切割出通孔，同时将通孔的边缘连接，形成多网孔装的气囊。

S2，将所述内阻调节机构附着于所述隔膜表面；

S3，将附着有所述内阻调节机构的隔膜、正极、负极和电解质通过所述壳体封装，得到可控电化学反应的电池。

本实施例中，将隔膜、正极、负极和电解质通过所述壳体封装的过程，与现有电池的组装过程相同，在此不展开。

实施例二

可选地，参考图5，所述壳体1为可弹性形变材质制成，所述电池安装于密闭空间内，所述气囊内封装有气体，所述密闭空间连通连接至所述外界气压源7，所述外界气压源7可调节所述密闭空间内的气压，所述外界气压源7使所述密闭空间内的气压增大后，使所述电池受压增大，从而使所述气囊被压缩收缩，所述外界气压源7使所述密闭空间内的气压降低后，使所述电池受压减小，从而使所述气囊被膨大膨胀。

本实施例与实施例一基本相同，不同处在于，本实施例的外界气压源7不连通至气囊。气囊内封装有气体，气体可以是在常温下容易被气化或液化的气体，从而在气囊内的气体容易被控制压缩或膨胀。壳体1为可弹性形变材质制成为气囊的形变提供了空间，也为外界气压从壳体1传递到气囊提供了结构基础。

实施例三

进一步地，所述内阻调节机构6包括两块挡板，两块所述挡板均对位设置有孔洞602，两块所述挡板受外界控制可错位从而增大对所述隔膜4表面的覆盖面积。

进一步地，所述孔洞602的孔径为100-400nm。

参考图8-9，图8为两块所述挡板未受外界控制下的状态，其孔洞相对，从而减少对隔膜4的覆盖面积，开放电解质离子通过的通道。图9为挡板错位设置的状态，此时挡板的孔洞602被互相遮挡，从而增大对隔膜4表面的覆盖面积，增大电池的内阻。本实施例中，其中一个挡板固定设置，另一个挡板通过电磁铁或电动缸等进行驱动升降，从而改变两块挡板之间的位置，实现对孔洞602的遮挡或开放。

实验数据

采用实施例一提供的电池，气囊的孔径601设置为400nm，通过外界气源7对气囊充气或放气，并对不同的气囊状态下的电池测试其内阻，得到表1所示的实验数据。

表1，外界气源对气囊与电池内阻实验数据

外界气源对气囊的压力(bar)	电池内阻(毫欧)
		0.8	8
1.0	50
		1.1	250
1.5	无限大

说明，控制外界气源控制气囊的膨胀程度，可以控制电池的内阻，从而实现使电池在低内阻、高内阻、绝缘之间的状态进行切换。并且，在气囊压力为1.5bar之后，将其压力降低为0.8bar，电池内阻回到8毫欧，说明气囊的形变是可逆的，气囊压力释放后，电池回到正常工作状态。

参考图6，图6为气囊未膨胀状态的SEM照片，参考图7，图7为气囊膨胀状态的SEM照片。说明气囊在外界气源下可改变通孔的孔径。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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。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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种可控电化学反应的电池，包括被密封在壳体内的正极、负极、隔膜和电解质，所述的正极包括正极集电体和涂敷在正极集电体上的正极活性物质，所述的负极包括负极集电体和涂敷在负极集电体上的负极活性物质，所述电解质填充在所述壳体内，所述隔膜将所述正极和所述负极隔离，所述隔膜允许所述电解液中的电解质离子通过；其特征在于：

包括内阻调节机构，所述内阻调节机构分布设置于所述隔膜表面，所述内阻调节机构不允许所述电解液中的电解质离子通过；所述内阻调节机构受外界控制改变对所述隔膜表面的覆盖面积，所述覆盖面积与电池内部所述正极和所述负极之间的内阻抗呈正相关。

2.根据权利要求1所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：所述内阻调节机构受外界控制可膨胀或收缩，所述内阻调节机构膨胀后可增大对所述隔膜表面的覆盖面积，所述内阻调节机构包括铺设于所述隔膜表面的气囊，所述气囊受外界气压源驱动从而膨胀或收缩。

3.根据权利要求2所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：所述气囊分布有诸多贯穿于所述气囊的通孔，所述气囊膨胀后可收缩所述通孔的孔径，从而使所述气囊增大对所述隔膜表面的覆盖面积。

4.根据权利要求3所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：所述通孔的孔径为100-400nm。

5.根据权利要求3所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：所述气囊连通连接至所述外界气压源，所述外界气压源可向所述气囊内充气从而时所述气囊膨胀。

6.根据权利要求3所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：所述壳体为可弹性形变材质制成，所述电池安装于密闭空间内，所述气囊内封装有气体，所述密闭空间连通连接至所述外界气压源，所述外界气压源可调节所述密闭空间内的气压，所述外界气压源使所述密闭空间内的气压增大后，使所述电池受压增大，从而使所述气囊被压缩收缩，所述外界气压源使所述密闭空间内的气压降低后，使所述电池受压减小，从而使所述气囊被膨大膨胀。

7.根据权利要求1所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：所述内阻调节机构包括两块挡板，两块所述挡板均对位设置有孔洞，两块所述挡板受外界控制可错位从而增大对所述隔膜表面的覆盖面积。

8.根据权利要求7所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：所述孔洞的孔径为100-400nm。

9.根据权利要求1所述的一种可控电化学反应的电池，其特征在于：包括控制系统，以及震动传感器、温度传感器、电流传感器其中的一种或多种，

所述控制系统通过震动传感器感知到所述电池受到的震动量大于预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构膨胀；

所述控制系统通过温度传感器感知到所述电池的温度超过预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构膨胀；

所述控制系统通过电流传感器感知到所述电池的电流超过预设阈值时，所述控制系统驱动所述内阻调节机构膨胀。

10.一种可控电化学反应的电池的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1-6任意一项所述一种可控电化学反应的电池，包括以下步骤：

对气囊焊轧成型，使气囊存在诸多通孔，制得所述内阻调节机构；

将所述内阻调节机构附着于所述隔膜表面；

将附着有所述内阻调节机构的隔膜、正极、负极和电解质通过所述壳体封装，得到可控电化学反应的电池。