CN1588688A - 锂离子动力电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池，包括带有正、负极柱的外壳，还包括多组能量单元，所述能量单元设置在外壳内，并沿外壳的最大侧表面的长度方向排列。所述外壳呈长方体结构，所述能量单元竖向设置在外壳内，其侧表面的窄面与外壳的侧表面的宽面平行，其侧表面的宽面与外壳的侧表面的窄面平行。所述能量单元为由正、负极片通过隔膜间隔卷绕多圈而成的卷芯。相对现有技术，本发明具有结构简单，制作工艺简单、能量密度高、损耗率低、形变小、安全性能好等特点。

Description

锂离子动力电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子二次电池，更详细地是为电动自行车、电动摩托车和电动汽车等高能耗设备提供能源的锂离子动力电池。

技术背景

锂离子电池是Li嵌入化合物为正负极的可充电电池，正极采用锂化合物LiCoO₂，LiNiO₂，LiMn₂O₄或LiFePO₄，负极采用锂-碳层间化合物LiXC₆。电解质为溶解有LiPF₆、LiASF₆等锂盐的有机溶液。在充放电过程中，锂离子Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象地称为″摇椅电池″(Rocking Chair Batteries，缩写为RCB)。从人们发明锂金属材料做电池，构成高电压和高比能的锂离子电池以来，当今世界已生产出两大类型的锂离子电池，最早是液态的，九十年代后又发展出固态的聚合物电池。锂离子电池的阳极和阴极分别由碳质材料和金属氧化物制成，具有促进锂离子重覆迁移的层状结构。“摇椅”作用使锂离子电池有长的贮存寿命，和长的循环寿命。本文叙述的锂离子动力电池是在液态和固态聚合物锂离子电池的基础上，研究和发展了一种新结构的胶态的大容量、大功率的锂离子动力电池。该项发明填补了世界上在大容量大功率电池领域里的空白。

随着电驱动技术广泛深入到人们生活中，电力驱动即将成为人类生活使用的主要动力能源。由于电能对环境友好，而且其来源具有相对永恒性，因此电力驱动技术也许会延续一千年。而蒸汽机、内燃机、涡轮机等技术都是以燃烧方式作功的技术，只是人类社会发展过程中一个短短的插曲，它们的产生虽然促进了社会的发展，但也深深地伤害了人们赖以生存的地球环境。伴随着世界性燃料储量的危机，以及越来越严重的环境污染，发展以蓄电池为主要动力能源的交通工具正在快速发展。但传统蓄电池做为一种大功率、大容量的动力电源，并没有解决其本身的致命弱点，人们在成千上万次的试验中，发现根本消除不了现有电池存在的两大问题：

(1)比能量低(一次性充电达不到理想的续驶里程)

(2)比功率小(加速爬坡能力低，在大电流放电时很难趋于平衡状态)

锂离子动力电池的产生，对使用大功率大能量的驱动设备展现了新的憧憬。根据锂离子动力电池的性能(包括：充放电特性、温度特性、循环寿命、自放电性和安全性)的综合分析和实际验证，已有一致的结论认为：锂离子动力电池的应用前景之广阔，使用范围之宽广，是无法估量的。

现有的锂离子动力电池普遍采用卷绕式，如采用1组正、负极片卷绕成电池组，但一般认为现有技术不可能使电池卷芯无限扩大(如：大于2Ah的园柱电池热安全性将急剧下降)。进步的是将多组卷绕式电池组合成电池组，如中国专利02285475.4就介绍了一种将多个单体电池叠合组装成电池组的方法，其中单体电池沿外壳的窄面排列，它们的宽面互相叠合，这种电池存在的主要缺陷是：①由于现有电池内部应力是不可回避，该专利回避了以往由外壳约束内部应力的方法，而用内部弹性体吸收内部应力，其后果是电池内部层间间距变化，这将导致电池性能的稳定发挥；②该电池内部单体电池排布方向不利于对极片层间距离的约束，既电池外壳侧面的宽面垂直方向的约束力最弱；③此类电池结构的初衷之一是不希望内部单体电池容量过大，而按照该发明所述单体电池排列方向，实际应用中不可能作出较大容量的电池(如：大于100Ah)。

另外，也有采用叠片式的，如中国专利00228495.2介绍了一种叠片式锂离子动力电池。然而，它们均由于极片面积过大，在电池复杂的装配过程和充放电过程中很易导致散热不畅、变形、掉粉、极片松紧不一致等缺陷，造成安全隐患。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单、性能优良、生产装配工艺简便的电池结构。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种锂离子动力电池，包括带有正、负极柱的外壳，还包括多组能量单元，所述能量单元设置在外壳内，并沿外壳的最大侧表面的长度方向排列。

所述外壳可以呈长方体结构，所述能量单元竖向设置在外壳内，能量单元之侧表面的窄面与外壳之侧表面的宽面平行，能量单元之侧表面的宽面与外壳之侧表面的窄面平行。

所述能量单元可以为由正、负极片通过隔膜间隔卷绕多圈而成的卷芯。

所述卷芯的正、负极片上可以分别导电连接有正、负极耳。

所述所有能量单元的正、负极耳可以分别连接至外壳的正、负极柱。

所述正、负极耳可以分别通过铝制带或镍制带连接正、负极柱。

所述能量单元可以有2～100组。

所述卷芯的卷绕圈数可以为2～100圈。

在上述技术方案中，本发明采用多组单独的能量单元组合成电池的电池组，并且将所有能量单元沿外壳的最大侧面的长度方向排列，与现有技术相比，具有如下优点：

1、充分利用了电池壳体短边抗变形能力强的特点，不仅使极片主要沿卷芯轴向的膨胀获得了更强的约束力，而且把外壳厚度变形巧妙的转化到外壳长度变形上，从而使充放电引起的形变得到了有效控制，使用户最关心的电池厚度变形得到了保障；

2、由于能量单元沿外壳的最大侧面的长度方向排列，从而使极片主要向外壳最大侧面传导热量，增大了散热面积，利于热量的扩散，显著提高了热安全性；

3、由于采用多卷芯能量单元内部并联组合，从而具有短路率低的特点，可有效避免大面积短路，大大提高了电池的破坏安全性；

4、由于所有能量单元均为并联连接，并且它们共用电解液，从而降低了电池的内阻和内阻变化。相对于仅采用1组极片卷绕成大卷芯的普通电池而言，本发明充分保证了电池大电流放电性能，经测试，在1C倍率的大电流放电的情况下，放电容量达到0.1C倍率放电容量的75％以上；

5、由于采用卷绕方式的多卷芯组合，便于检测和控制微短路现象，使电池提高了荷电保持性能，放置一个月后，其能量保持率仍在89％以上；

6、由于采用多个独立的能量单元，相当于传统的叠片方式，本发明便于生产过程的短路检测及维修，明显降低生产报废率，对于大电池生产具有重要的实际意义；

7、制作方便，可以充分利用现有电芯的制备设备；

附图说明

附图1为本发明锂离子动力电池的立体结构示意图；

附图2为本发明锂离子动力电池的一个能量单元的纵向剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参考附图1，本发明锂离子动力电池，由外壳1、若干组能量单元3构成。

所述外壳1呈长方体结构，其顶面上设置有正、负极柱2、5以及注液孔6，其侧表面的宽面10为其一个最大侧表面，与宽面10相邻接的侧表面即为窄面11。

所述能量单元3可以有2～100组，其组数的不同决定电池容量的不同。它们均竖向设置在外壳1内，并沿外壳的最大侧表面10的长度方向排列成一排。所述所有能量单元3的侧表面之窄面与外壳1之侧表面的宽面10等距平行，其侧表面的宽面与外壳1的侧表面的窄面11平行。这种能量单元沿最大侧表面长度方向排列设置的结构将有助于制作大容量锂电池。

参考附图2，所述能量单元3为由正、负极片32、33通过隔膜34间隔卷绕多圈(可以为2～100圈，其圈数根据整体电池容量、外壳尺寸和单体电池容量综合优化确定)而成的卷芯。且正、负极片32、33上分别导电连接有正、负极耳30、31。所述正、负极耳30、31分别通过铝制带或镍制带4连接至外壳1的正、负极柱2、5，从而使各个能量单元之间为并联联接，达到提高电流通过能力和减小电池内阻的目的。

本发明的加工过程如下：

1、正极片32采用活性材料LiMO₂(M＝Co、Mn、Ni或者它们的复合氧化物)，LiMPO₄(M＝Fe、Co、Mn、Ni、V等或者它们的复合氧化物)。将正极活性材料与乙炔黑、聚偏氟乙烯、导电石墨等按比例溶解在N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺中混合制成浆液，将浆液涂覆于铝箔(或铝网)的两面，在80～150℃下干燥后，碾轧、裁剪得到正极极片；

2、负极片33采用MCMB、石墨或其他低电位嵌锂材料，将其按一定比例与乙炔黑、CMC、丁苯橡胶等混合后溶于水中制成浆液，将浆液均匀地涂覆于铜箔(或铜网)的两面，在80～150℃下干燥后，碾轧、裁剪得到负极片；

3、用聚丙烯或聚乙烯薄膜34将正、负极片隔开并对齐后卷成卷芯形成独立能量单元3，将粘好胶带的卷芯沿长边装入金属或塑料电池壳中；

4、将装有多个能量单元的电池经过极耳焊接、沉底、焊接、烘烤、注液、封装后得到大容量、高安全性锂离子动力电池。

按照上述制作方法，可制作一个100Ah锂离子动力电池，其规格如下：

电池外形：550×120×160(长×宽×高  单位：mm)

能量单元尺寸：50×100×150(长×宽×高  单位：mm)

卷芯数：10

正极片尺寸：1600×150(单位：mm)

负极片尺寸：1620×154(单位：mm)

将单个卷芯的正负极耳分别由铝带和铜带连接起来后用铆钉固定后与电池极柱连接，检测性能，用激光将壳体与盖板焊接起来，经过5-20小时烘烤后注液、封口、化成后即得100Ah大功率锂离子动力电池。

采用测试方法为：先恒流充电至4.2V，再转恒压充电100分钟左右，然后再恒流放电至截止电压为2.75V。采用的对比测试对象为：叠片式锂离子电池、多卷芯(卷芯沿外壳的窄面排列)锂离子电池和本发明的锂离子动力电池。采用的测试参数为：重量比能量参数、循环性能(即循环充电或放电300次后的充放电效率值)、电池厚度变化率(即100只电池在循环使用后电池的变形率值)。可测得三种锂离子电池的性能对比列表如下：

	叠片式锂离子电池	多卷芯锂离子电池	本发明
				重量比能量(Wh/kg)	100	120	150
循环性能(300次)	79％	70％	90％
				电池厚度(100只)	±7％	±10％	±1％

从上述测试性能对比结果可以看出，本发明相对现有技术中的锂离子电池，明显更加经久耐用，损耗率低，性能更加优良。

Claims (8)

1、一种锂离子动力电池，包括带有正、负极柱的外壳，其特征在于：还包括多组能量单元，所述能量单元设置在外壳内，并沿外壳的最大侧表面的长度方向排列。

2、如权利要求1所述锂离子动力电池，其特征在于：所述外壳呈长方体结构，所述能量单元竖向设置在外壳内，而且能量单元之侧表面的窄面与外壳的侧表面的宽面平行，能量单元之侧表面的宽面与外壳的侧表面的窄面平行。

3、如权利要求1或2所述锂离子动力电池，其特征在于：所述能量单元为由正、负极片通过隔膜间隔卷绕多圈而成的卷芯。

4、如权利要求3所述锂离子动力电池，其特征在于：所述卷芯的正、负极片上分别连接有正、负极耳。

5、如权利要求4所述锂离子动力电池，其特征在于：所述所有能量单元的正、负极耳分别连接至外壳的正、负极柱。

6、如权利要求5所述锂离子动力电池，其特征在于：所述正、负极耳分别通过铝制带或镍制带连接正、负极柱。

7、如权利要求1所述锂离子动力电池，其特征在于：所述能量单元有2～100组。

8、如权利要求3所述锂离子动力电池，其特征在于：所述卷芯的卷绕圈数为2～100圈。