CN202633451U

CN202633451U - 一种可监控电解液残余量的锂离子电池

Info

Publication number: CN202633451U
Application number: CN2012201383553U
Authority: CN
Inventors: 张小细
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2022-04-05

Abstract

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可持续监控电解液残余量的锂离子电池，包括电芯、用于容纳所述电芯的包装袋，以及灌注于所述包装袋内的电解液，所述电芯由正极片、负极片和间隔于正极片与负极片之间的隔膜组成，所述电芯内设有泡沫金属块，所述泡沫金属块通过位于所述泡沫金属块两端的金属丝引出至位于电池前端的导出电极。相对于现有技术，本实用新型通过有效电极电路的设计，通过监控有效电路中与电解液相关的电阻变化情况，分析判断出电解液在电池中的残余情况，进一步推测出电池的性能状态，从而提升对锂离子电池的使用控制。对锂离子电池的安全使用具有较强的指导意义，有较高的实用价值。

Description

一种可监控电解液残余量的锂离子电池

技术领域

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可持续监控电解液残余量的锂离子电池。

背景技术

电解液是锂离子电池的重要组成部分，其作用是为锂离子电池提供锂离子载体，保障锂离子能够在电池正极与负极之间迁移，从而实现能量的存储和释放。但是由于电池使用和存储的过程中，副反应持续发生，导致电解液不断被消耗，从而了削弱了锂离子在电池中的有效迁移能力。因此监控锂离子电池在使用过程中电解液的残余量，能够一定程度上反映锂离子电池的性能状态。然而在现有的技术中，尚无方法有效分析封装后的锂离子电池中电解液残余量情况。

电阻是评判电解液性能的一个重要参数，其与电解液的电导率及测试电极的接触面积相关。当电解液在电池使用过程中，其电导率会随着电解液的锂离子浓度及溶剂的粘度变化而变化；同时，在此过程中由于电解液的消耗，电解液的残余量会随之变化，即在一定体积中的电解液量会随之减小。

所以如果能够实时监控锂离子电池中电解液电阻的变化情况，即能够对锂离子电池中电解液的残余量做出有力判断。

有鉴于此，确有必要提供一种可监控电解液残余量的锂离子电池。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种可监控电解液残余量的锂离子电池。

为了达到上述目的，本实用新型所采用如下技术方案：

一种可监控电解液残余量的锂离子电池，包括电芯、用于容纳所述电芯的包装袋，以及灌注于所述包装袋内的电解液，所述电芯由正极片、负极片和间隔于正极片与负极片之间的隔膜组成，所述电芯内设有泡沫金属块，所述泡沫金属块通过位于所述泡沫金属块两端的金属丝引出至位于电池前端的导出电极。

其中，泡沫金属块的作用在于提供一定的电阻，并能够吸收一定量的电解液，将其放置在阻隔电池正负极的隔膜上时，由于隔膜和泡沫金属的毛细作用，能够保证泡沫金属块中电解液的浓度与隔膜中相同。其在电池的使用或者存储过程中始终保持一定的表面积和厚度并且稳定存在。

金属丝的作用为连接内部泡沫金属块和外部导出电极，并且能在电池系统中稳定存在，在电池存储和使用过程中不参与化学反应。

导出电极的作用为连接外测试电路，能够测试出电极之间的电阻变化情况。所以其自身电阻较小并且具备一定强度的机械加工能力。按照电池电极的摆放情况，可以选用任意合适尺寸的金属镍或者金属铜等作为导出电极使用。

作为本实用新型可监控电解液残余量的锂离子电池的一种改进，所述泡沫金属块贴合在隔膜上。

作为本实用新型可监控电解液残余量的锂离子电池的一种改进，所述泡沫金属块的厚度为5um-25um。尺寸的选择标准是以不影响电池的长度和宽度及电池正负极的摆放为基本要求。

作为本实用新型可监控电解液残余量的锂离子电池的一种改进，所述泡沫金属块为圆柱体、正方体或长方体。

作为本实用新型可监控电解液残余量的锂离子电池的一种改进，所述泡沫金属块为泡沫镍块或泡沫铜块。泡沫镍块和泡沫铜块具有化学性质稳定的优点。

作为本实用新型可监控电解液残余量的锂离子电池的一种改进，所述金属丝为金属铝丝、金属铜丝或金属镍丝。金属铝丝、金属铜丝和金属镍丝的电导率较大。

作为本实用新型可监控电解液残余量的锂离子电池的一种改进，所述金属丝的直径为5um-25um。尺寸的选择标准是以不影响电池的长度和宽度及电池正负极的摆放为基本要求。

相对于现有技术，本实用新型通过有效电极电路的设计，通过监控有效电路中与电解液相关的电阻变化情况，分析判断出电解液在电池中的残余情况，进一步推测出电池的性能状态，从而提升对锂离子电池的使用控制。对锂离子电池的安全使用具有较强的指导意义，有较高的实用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行详细的说明，其中：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图，对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

请参见图1，本实用新型一种可监控电解液残余量的锂离子电池，包括电芯4、用于容纳所述电芯4的包装袋5，以及灌注于所述包装袋5内的电解液，所述电芯4由正极片、负极片和间隔于正极片与负极片之间的隔膜组成，所述电芯4内设有泡沫金属块3，所述泡沫金属块3通过位于所述泡沫金属块3两端的金属丝2引出至位于电池前端的导出电极1。

其中，泡沫金属块3的作用在于提供一定的电阻，并能够吸收一定量的电解液，将其放置在阻隔电池正负极的隔膜上时，由于隔膜和泡沫金属的毛细作用，能够保证泡沫金属块3中电解液的浓度与隔膜中相同。其在电池的使用或者存储过程中始终保持一定的表面积和厚度并且稳定存在。

金属丝2的作用为连接内部泡沫金属块3和外部导出电极1，并且能在电池系统中稳定存在，在电池存储和使用过程中不参与化学反应。

导出电极1的作用为连接外测试电路，能够测试出电极之间的电阻变化情况。所以其自身电阻较小并且具备一定强度的机械加工能力。按照电池电极的摆放情况，可以选用任意合适尺寸的金属镍或者金属铜等作为导出电极使用。

其中，所述泡沫金属块3贴合在隔膜上。

所述泡沫金属块3的厚度为5um-25um。尺寸的选择标准是以不影响电池的长度和宽度及电池正负极的摆放为基本要求。

所述泡沫金属块3为圆柱体、正方体或长方体。

所述泡沫金属块3为泡沫镍块或泡沫铜块。泡沫镍块和泡沫铜块具有化学性质稳定的优点。

所述金属丝2为金属铝丝、金属铜丝或金属镍丝。金属铝丝、金属铜丝和金属镍丝的电导率较大。

所述金属丝2的直径为5um-25um。尺寸的选择标准是以不影响电池的长度和宽度及电池正负极的摆放为基本要求。

本实用新型的工作原理可描述如下：当电解液吸附于泡沫金属块3中时，其组成的电阻相当于泡沫金属自身电阻与其内电解液形成的电阻并联而成，如图2所示，泡沫金属电阻R3与吸附其中的电解液电阻Re相互并联，然后与导出电极电阻R1及金属丝电阻R2相互串联。根据电路计算公式可以得出，此电路的总电阻RT＝R1+R2+(R3×Re)/(R3+Re)。其中R1、R2和R3为固定电阻，在电池工作及存储过程中，其阻值大小不发生改变；在电池工作和存储过程中，电解液因为副反应而不断消耗，其在泡沫金属块3中的量会逐渐减小，即Re会随着电池的工作和存储进行而不断增大；进而使总电阻RT随着Re的增加而增加。分别测试两个不同状态下的总电阻时，我们可以得到如下等式：

RT1＝R1+R2+(R3×Re1)/(R3+Re1)——(1)

RT2＝R1+R2+(R3×Re2)/(R3+Re2)——(2)

通过等式变换，我们即可得到：

1/(RT1-R1-R2)-1/(RT2-R1-R2)＝(1/Re1)-(1/Re2)——(3)

即通过监控RT的变化情况，即能分析出电路中Re的变化情况。

根据电阻的计算公式R＝ρL/S，其中ρ为物质电阻率，L为电阻长度，S为电阻截面积。在不同状态下，电解液在泡沫金属块3中的量会发生改变，电解液在泡沫金属块3中的接触面积会发生改变，也即电解液电阻的截面积会变化，所以可以将式(3)变换为：

1/(RT1-R1-R2)-1/(RT2-R1-R2)＝(S1-S2)/ρeL——(4)

电解液在泡沫金属块3中的量可以用其在泡沫金属中的体积体现V＝LSθ(θ为泡沫金属的孔隙率)，由此可以得出等式：

V1-V2＝ρeθL2(RT2-RT1)/((RT1-R1-R2)(RT2-R1-R2))——(5)

即通过分析在不同状态下的如图2所示电路电阻的变化情况，即可推断出泡沫金属块3中电解液量的情况。由于泡沫金属块3中电解液的浓度与隔膜中相同，因此可以评估出电池中电解液总量的变化情况。

此外，为了提升RT对于Re的分辨率，需保证(R1+R2)/((R3×Re)/(R3+Re))≤0.5。当泡沫金属块3完全被新鲜电解液浸润时，泡沫金属电阻R3与新鲜电解液电阻会有相同的L和S，根据公式R＝ρL/S，通过对比新鲜电解液电阻率和泡沫金属的电阻率(泡沫金属电阻率ρ3＝Kρ0/(1-θ)，ρ0为此致密金属的电阻率，K为泡沫金属材料性质常数)，即可通过泡沫金属的电阻R3推算出当泡沫金属中完全吸收新鲜电解液后电解液的阻值Re。即需要根据新鲜电解液的电阻率情况分别选用合适的R1、R2以及R3。

具体实施方式1

选用一块长度和宽度为0.1cm，厚度为5×10^-4cm的泡沫镍作为泡沫金属块3置于锂离子电池中，此泡沫镍的孔隙率为95％，其材料常数为4。

则可以根据致密镍的电阻常数ρ0＝9×10⁶Ωcm，算出此泡沫镍的电阻率为：

ρ3＝Kρ0/(1-θ)＝4×9×10⁶/(1-95％)Ωcm＝7.2×10⁸Ωcm

则R3＝ρ3L/S＝7.2×10⁸×0.1/(0.1×5×10^-4)Ω＝1.44×10¹²Ω

取某款电阻率为ρe＝5×10²Ωcm的电解液作为此锂离子电池的电解液使用，当其消耗量大于20％时，即会造成电芯容量急剧跳水。当把此电解液完全吸附在上述泡沫金属片中时，与电解液相关的电阻：

Re＝ρeL/S＝5×10²×0.1/(0.1×5×10^-4)Ω＝1×10⁶Ω

则由R3和Re组成的并联电路电阻为：

(R3×Re)/(R3+Re)＝(1.44×10¹²Ω×1×10⁶Ω)/(1.44×10¹²Ω+1×10⁶Ω)≈1×10⁶Ω

则选用的金属丝和导出电极需要满足R1+R2≤5×10⁵Ω。

选取选用合适尺寸的金属丝和导出电极满足R1+R2＝1×10⁵Ω的金属材料相互组合。组合后连接泡沫镍片封装在电池中。电池的生产工艺与传统锂离子电池相同，正极极片与负极极片之间通过隔膜阻隔并封装在包装袋中，通过灌注电解液后激活，便可得到所需的锂离子电池。金属镍片处于电池中央正极极片与负极极片之间，三者之间通过隔膜相互阻隔，彼此之间无物理接触。

在电池激活后，我们可以测得本实用新型所使用的监控电路的总电阻为：

RT1＝R1+R2+(R3×Re)/(R3+Re)＝1.1×10⁶Ω

将此电池在常温条件下进行循环500次后，再此测量本监控电路的总电阻。测量值RT2＝1.3×10⁶Ω。

根据式(5)，我们可以计算出：

V1-V2＝V1-V2＝ρeθL2(RT2-RT1)/((RT1-R1-R2)(RT2-R1-R2))＝5×1 0²×95％×0.1×0.1×(1.3×10⁶-1.1×10⁶)/(1.3×10⁶-1×10⁵)//(1.1×10⁶-1×105)≈7 92×10^-7cm³

V1＝S×L×θ＝0.1×0.1×5×10^-4×95％＝4.75×10^-6cm³

由此可得：

(V1-V2)/V1≈16.67％

即可解析出，电解液在500循环后，其总量被消耗了约16.67％＜20％。由此可以判断，此电芯的循环寿命并未终止，还能够继续循环使用。

综上所述，利用本实用新型的锂离子电池和方法，能够有效判断出在锂离子电池工作前后电解液在电池中的消耗情况，从而根据不同电解液在电池体系中的性质，即能够指导电池的使用管理。此方法简便实用，能够为锂离子电池的使用提供更加直接有效的评估方法，具有极强的实用价值。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims

1.一种可监控电解液残余量的锂离子电池，包括电芯、用于容纳所述电芯的包装袋，以及灌注于所述包装袋内的电解液，所述电芯由正极片、负极片和间隔于正极片与负极片之间的隔膜组成，其特征在于：所述电芯内设有泡沫金属块，所述泡沫金属块通过位于所述泡沫金属块两端的金属丝引出至位于电池前端的导出电极。

2.根据权利要求1所述的可监控电解液残余量的锂离子电池，其特征在于：所述泡沫金属块贴合在隔膜上。

3.根据权利要求1所述的可监控电解液残余量的锂离子电池，其特征在于：所述泡沫金属块的厚度为5um-25um。

4.据权利要求1所述的可监控电解液残余量的锂离子电池，其特征在于：所述泡沫金属块为圆柱体、正方体或长方体。

5.据权利要求1所述的可监控电解液残余量的锂离子电池，其特征在于：所述泡沫金属块为泡沫镍块或泡沫铜块。

6.据权利要求1所述的可监控电解液残余量的锂离子电池，其特征在于：所述金属丝为金属铝丝、金属铜丝或金属镍丝。

7.据权利要求1所述的可监控电解液残余量的锂离子电池，其特征在于：所述金属丝的直径为5um-25um。