CN205564891U - 一种极板分离式锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种极板分离式锂离子电池，包括正、负极腔体，正、负极腔体之间连通有两个以上的管道，正、负极腔体及管道中均设有搅拌器并灌充有电解液，正、负极腔体中分别设有正、负极集流体，正极集流体和设在正极腔体上的正极极柱相连，负极集流体和设在负极腔体上的负极极柱相连，正、负极腔体的盖板上各设有排气孔，排气孔盖有密封盖或塞有密封塞。本实用新型中，正、负极分开设置于不同腔体，能完全避免正、负极极片的接触，提高安全性能，可以使用硅负极，提高能量密度，拆装方便，便于修复维护，有效消除电池充放电过程中的浓差极化，使电池有更好的综合性能。

Description

一种极板分离式锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种便于修复、提高能量密度和安全性能的极板分离式锂离子电池。

背景技术

和传统的蓄电池比较起来，锂离子电池凭借其极高的能量密度、较长循环的寿命、快速充电与放电等诸多方面的优势以及不断降低的生产制作成本，在各个应用领域极具发展前景，已经成为今后十至二十年中电动汽车的首选电池。如今锂离子电池的技术优化升级已经成为科研机构及企业高度关注的重要课题。

当前，中国已将新能源汽车业列为今后一个时期大力发展的战略性新兴产业之一，这就为锂离子电池打开了更为广阔的市场空间。同时，在电动自行车领域、航天领域、军事领域，锂离子电池也具有非常好的发展前景。随着锂离子电池技术的进一步发展，锂离子电池所具有的性能必然会愈来愈高，其应用价值也会越来越大，并朝着高能量密度化、高功率化、大型化等趋势继续发展。

目前锂电池行业里面成熟且应用广泛的电池材料有很多种，但一些新型材料由于生产技术和工艺的原因，暂时无法商业化应用，如锰基正极材料、硅负极材料、新型电解液等。特别是高能量密度的硅负极材料，一直受到锂电行业的青睐。但是由于硅材料本身特性所致，目前存在很多问题，一直难以进行商业化应用，特别是如何解决或者应对硅使用过程中的膨胀问题一直困扰着整个锂电行业。

锂离子电池的安全性也是极为重要的判断锂电质量的标准，但是由于其自身的工作特点，常规的锂离子电池我们根本无法保证其使用过程中的绝对安全。如何进一步提高安全性能也是锂离子电池的一个极为重要的研究课题。

另外，电池从制作完成进行使用一直到其寿命结束的整个过程中，无法对电池进行容量提升等修复操作，最终的报废电池只能进行部分材料回收利用。事实上，电池使用过程中可能只因为一种材料的衰退或者工艺上的因素而导致电池性能变差。如负极材料使用过程中比容量衰减过快，而正极良好；电解液的量不足，后期严重贫液等。其实这些性能的变差，只需通过更换负极片或者增补电解液就能对电池进行修复。但是传统的锂电池结构严格密封，极片间空间狭小，正、负极片必须用隔离膜隔开，根本无法实现修复操作，故最终只能整体报废。

发明内容

本实用新型主要解决原有锂电池结构严格密封，正、负极片必须用隔离膜隔开，导致电池使用过程中无法进行修复维护，只能整体报废的技术问题；提供一种极板分离式锂离子电池，正、负极片完全独立，能完全避免正、负极极片的接触，提高安全性能，而且拆装方便，电池使用过程中可以方便地进行修复维护，不用整体报废，达到节材减耗的目的。

本实用新型同时解决原有锂电池结构中极片间空间狭小，不适合采用使用过程中会发生膨胀的硅负极材料，从而影响电池的能量密度的技术问题；提供一种极板分离式锂离子电池，正、负极片完全独立设置，有足够的安装空间，完全能容纳硅负极膨胀带来的厚度变化，提高电池能量密度。

本实用新型还有一个目的是提供一种极板分离式锂离子电池，通过搅拌器，加快电解液的循环流动，有效消除电池充放电过程中的浓差极化，提高电池性能。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括正极腔体和负极腔体，正极腔体和负极腔体之间连通有两个以上的管道，正极腔体、负极腔体及管道中灌充有电解液，正极腔体、负极腔体中分别设有正极集流体和负极集流体，正极集流体和设在正极腔体上的正极极柱相连，负极集流体和设在负极腔体上的负极极柱相连。传统的锂离子电池中，正极、负极和隔膜进行紧密接触，采用卷绕或者叠片的方式组合在一起，然后注入电解液再进行密封。而本发明中，正极部分、负极部分分别独立地设于正极腔体、负极腔体中，完全分开隔离，且完全去除隔膜。正极部分和负极部分处于两个不同的空间中，因此能完全避免正、负极的接触，提高安全性能。同时，由于正、负极分开设置，故拆装方便，可分别进行更换、修复维护。如负极材料使用过程中比容量衰减过快，而正极良好，此时只需对负极进行更换、修复维护，不用整体报废，达到节材减耗的目的。而且由于正、负极部分完全独立设置，各自都有足够的安装空间，故当负极集流体采用硅负极极板时，负极腔体完全能容纳硅负极膨胀带来的厚度变化，使得高能量密度的硅负极的商业化应用得以实现，从而有效提高电池能量密度。当采用两个管道时，两个管道分别连接于正、负极腔体的顶部和底部，构成“口”字型回路，电解液分布于正、负极腔体和管道中，在电池充放电过程中，电解液在“口”字型回路中循环流动。管道的数量和长度可以根据电池的设计要求进行调整，一般管道的数量为两个，为了提高电池更高的倍率等性能，管道的数量可以增加到更多。电解液选取具有极高电导率的锂离子电池电解液。

作为优选，所述的正极腔体、负极腔体均设有盖板，所述的正极极柱嵌装在正极腔体的盖板上，所述的正极集流体和正极极柱之间连接有正极极耳，正极集流体上涂敷有正极浆料层；所述的负极极柱嵌装在负极腔体的盖板上，所述的负极集流体和负极极柱之间连接有负极极耳，负极集流体上涂敷有负极浆料层。整个电池拆装方便，根据需要，可更换正、负极集流体，也可更换正、负极极柱，修复维护方便。本技术方案中，正、负极极片依然采用现有涂敷技术将正、负极粉料涂敷到导电集流体上。正、负极极片面积大小和涂敷粉料的厚度可以根据实际使用要求进行调整和设计。为保证更高的能量密度，可以采用多个正极极片并联连接构成正极集流体、采用多个负极极片并联连接构成负极集流体的结构，只需加大正、负极腔体体积即可，同时还可添加搅拌器，对准每个极片表面。

作为优选，所述的正极集流体、负极集流体上均布满有槽孔，正极集流体、负极集流体的顶端均设有留白区，正极集流体上的留白区和所述的正极极耳的一端相连，负极集流体上的留白区和所述的负极极耳的一端相连，正极集流体的槽孔中填充有正极浆料，负极集流体的槽孔中填充有负极浆料。当将正极浆料涂敷到正极集流体上构成正极浆料层时，正极浆料同时也填充到正极集流体上的槽孔中；当将负极浆料涂敷到负极集流体上构成负极浆料层时，负极浆料同时也填充到负极集流体上的槽孔中。确保涂敷后的正、负极集流体有很好的表面状态，提高集流体和浆料的粘结力度，使得经长时间充放电，粉料也不会脱落。正、负集流体的机械强度高，使用过程中不会发生形变；有很好的电子传输性能，能够保证一定倍率的充放电过程中的电子传输速率。

作为优选，所述的正极腔体、负极腔体的盖板上各设有排气孔，排气孔盖有密封盖或塞有密封塞。便于排气孔的打开或封闭。排气孔打开时，电池使用过程中产生的气体可以通过排气孔排出到电池外，通过排气孔还可补充或更换电解液，实现对电池的修复维护。

作为优选，所述的管道中设有若干个搅拌器，设在同一管道中的搅拌器沿管道的长度方向依次相间隔分布，所述的搅拌器的传动杆露出于所述的管道外。根据管道的长短，可设置不同数量的搅拌器。搅拌器的传动杆和位于电池外部的驱动设备相连，驱动动力可以采用电力或磁力驱动，也可采用电力和磁力混合驱动。如采用电机驱动搅拌器，电机的转轴和搅拌器的传动杆相连，启动电机，带动搅拌器旋转，加快电解液的循环流动。搅拌器的运转速度可以根据实际使用要求进行调整。如需要大倍率电流时，加快搅拌速度；如果所需电流倍率较小，则搅拌速度可适当变慢。为了防止受到电解液溶剂的腐蚀，搅拌器的材质选用难以被腐蚀的塑料材质。

作为优选，所述的正极腔体、负极腔体内各设有搅拌器，正极腔体内的搅拌器朝向所述的正极集流体表面，负极腔体内的搅拌器朝向所述的负极集流体表面，所述的搅拌器的传动杆露出于正、负极腔体外。搅拌器的传动杆和位于电池外部的驱动设备相连，驱动动力可以采用电力或磁力驱动，也可采用电力和磁力混合驱动。如采用电机驱动搅拌器，电机的转轴和搅拌器的传动杆相连，启动电机，带动搅拌器旋转，加快电解液的循环流动，有效消除电池充放电过程中的浓差极化，保证从正、负极集流体上脱嵌下来的Li⁺能够快速脱离锂电极表面的双电层区域进入到电解液中，从而提高电池性能。

作为优选，构成正、负极腔体及管道的外壳采用高致密性且密度较低的材料制成，该材料具有以下特点：严格的透湿性，在一定的湿度环境下，能够保证水分不能渗透壳体；极强的抗腐蚀和抗氧化性能，能够适应电解液的酸性和有机溶剂环境，不被电解液腐蚀和溶解，在外部恶劣环境下，如强紫外线下不易老化变质，较高温度下不易燃；具有一定的热传导性能，电池内部产生的热量能够通过外壳向外传输；具有一定的强度，能够承受一定的纵向横向应力，如电池内部压力、外界重物撞击等，在高温下、低温下壳体不变形，不脆化等。

本实用新型的有益效果是：正、负极分开设置于不同腔体，能完全避免正、负极极片的接触，提高安全性能，而且拆装方便，正、负极可以作为两个独立的单元进行更换，电解液也可进行补液和更换，可以方便地进行电池的修复维护，不用整体报废，达到节材减耗的目的。负极腔体有足够的安装空间，完全能容纳硅负极膨胀带来的厚度变化，使得硅负极的普及应用得以实现，提高电池能量密度。搅拌器的设置，加快了电解液的循环流动，有效消除电池充放电过程中的浓差极化，提高电池性能。本发明制作方便，工艺简单，根据需要可灵活多变。本发明的锂离子电池具有更高的能量密度、更好的综合性能及极高的安全性能。

附图说明

图1是本实用新型的一种剖视结构示意图。

图2是本实用新型中正极集流体的一种主视结构示意图。

图3是本实用新型中搅拌器的一种立体结构示意图。

图4是本实用新型中盖板的一种立体结构示意图。

图中1.正极腔体，2.负极腔体，3.管道，4.正极集流体，5.负极集流体，6.正极极柱，7.负极极柱，8.排气孔，9.搅拌器，10.盖板，11.正极极耳，12.正极浆料层，13.负极极耳，14.负极浆料层，15.槽孔，16.留白区，17.电解液，91.叶轮，92.传动轴。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种极板分离式锂离子电池，如图1所示，包括呈“回”字型结构的外壳，外壳的左侧是正极腔体1，外壳的右侧是负极腔体2，连接在正、负极腔体的顶部及底部之间的是两个管道3，管道和正、负极腔体连通，正极腔体1、负极腔体2的顶部均盖有密封连接的盖板10，如图4所示，盖板10背面有个凸台，凸台塞到正、负极腔体中，盖板再和正、负极腔体密封连接，盖板10上有排气孔8，排气孔8中塞有密封胶塞，排气孔是一个联通的通道，打开时，用来排出电池内部产生的气体，同时电解液也可以通过排气孔进行更换或补液。正极极柱6嵌装在正极腔体1的盖板10上，负极极柱7嵌装在负极腔体2的盖板10上，正极腔体1、负极腔体2及管道3中灌充有电解液17。正极腔体1、负极腔体2中分别安装有正极集流体4和负极集流体5，如图2所示，正极集流体4、负极集流体5表面有大量均匀分布的微小的槽孔15，正极集流体4、负极集流体5的顶端均有留白区16，正极极耳11的一端和正极集流体4上的留白区焊接相连，正极极耳11的另一端和正极极柱6焊接相连，负极极耳13的一端和负极集流体5上的留白区焊接相连，负极极耳13的另一端和负极极柱7焊接相连。正极集流体4上涂敷有正极浆料层12，涂敷时，正极浆料很好地嵌入到正极集流体4的槽孔15中；负极集流体5上涂敷有负极浆料层14，涂敷时，负极浆料很好地嵌入到负极集流体5的槽孔15中。从而增加接触面积，提高电子导电离。正极腔体1、负极腔体2及管道中均安装有搅拌器9，如图3所示，搅拌器9包括相连的叶轮91和传动杆92，叶轮由三片有弧度的齿叶组成，正极腔体1内的搅拌器9的叶轮朝向正极集流体4表面，负极腔体2内的搅拌器9的叶轮朝向负极集流体5表面，位于同一管道3中的多个搅拌器9沿管道3的长度方向依次相间隔分布，搅拌器9的传动杆92均露出于外壳外，分别和位于锂离子电池外部的电机相连，电机提供搅拌动力。

本实施例中，正极集流体为厚度1mm、宽度200mm、长度600mm的经过处理的铝板，在铝板表面造孔，孔径约为0.2mm，使铝板表面均布有大量的槽孔15。正极浆料使用日本住友的NCA(镍钴铝酸锂)材料作为主料，导电添加剂为SP(超导炭黑)和KS-15(鳞片石墨)，粘结剂为法国阿克玛的PVDF900(聚偏氟乙烯)，各物质的比例为NCA∶SP∶KS-15∶PVDF＝95∶1.5∶1∶2.5，溶剂为NMP(N-甲基吡咯烷酮)，进行匀浆，最终制得粘度为7000mPa.S、固含量为65％的正极浆料。将正极浆料在干燥环境下均匀地涂敷到铝板表面，分别在不同温度下进行烘烤，除去NMP，然后在碾压机下进行碾压，使厚度达到本实施例的工艺要求，紧接着对极片进一步烘烤除去多余的水分。

本实施例中，正极粉料的面密度为500g/m²，压实密度为3.6g/m³，最终水分控制在300ppm一下，制作成正极集流体4。

负极集流体为厚度1mm、宽度200mm、长度600mm的经过处理的铜板，铜板表面造孔，孔径为0.1mm，使铜板表面均布有大量的槽孔15。负极浆料使用日本某公司产的Si/C硅碳负极材料，该材料克容量可达1000mAh/g，导电剂为SP(超导炭黑)，粘结剂为SBR(丁苯胶乳)和CMC(羧甲基纤维素钠)，各物质的比例为Si/C∶SP∶SBR∶CMC＝94∶1.5∶3∶1.5，溶剂为去离子水，进行匀浆，最终制得粘度为2000mPa.S、固含量为45％的负极浆料。将负极浆料均匀地涂敷到铜板表面，分别在不同温度下进行烘烤，除去水，然后在碾压机下进行碾压，使厚度达到本实施例的工艺要求，紧接着对极片进一步烘烤除去多余的水分。

本实施例中，负极粉料的面密度为100g/m²，压实密度为1.4g/m³，最终水分控制在300ppm一下，制作成负极集流体5。

分别在正极集流体4、负极集流体5的留白区16焊接上铝质正极极耳11和铜质负极极耳13，正极极耳11的另一端和盖板下方的正极极柱相焊接，负极极耳13的另一端和盖板下方的负极极柱相焊接，将正极集流体4放入正极腔体1中，将负极集流体5放入负极腔体2中，盖上盖板，四周用密封胶进行密封处理。通过排气孔8向正极腔体1及负极腔体2中注入电解液17，直到电解液完全浸没正、负极集流体，并使上、下管道3中均灌充有电解液17，本实施例中的电解液采用有机锂盐和无机锂盐相混合的混合锂盐电解液，溶剂为特质低粘度的有机溶剂，该电解液有很好的离子电导率，然后在排气孔8中塞入密封胶塞，进行密封处理。静置一段时间，待电解液17完全浸润正极集流体4和负极集流体5后，开启电机，启动搅拌器9，再对锂离子电池依次进行活化、化成和分容，正、负极柱连接充电设备进行充电，极板分离式锂离子电池就成型了。

本实施例的极板分离式锂离子电池，负极极片处在有很富裕空间的负极腔体中，完全能够适应硅碳负极使用过程中的膨胀，同时由于正、负极极片完全分开，后续可以很好地对正、负极极片进行更换。盖板上留有排气孔，可以随时排出电池内部产生的气体，也方便对电解液进行更换和补液，具有很高的灵活性和实用性，可方便地对电池进行后期的修复操作。搅拌器的设置，加快了电解液的循环流动，有效消除电池充放电过程中的浓差极化。通过对按照本实施例中方法进行制作的锂离子电池进行检测，结果显示，本实施例的锂离子电池的各项电化学性能都优于普通电池，且不存在任何安全问题。

本实施例的极板分离式锂离子电池和传统的锂离子电池相比，各方面性能均得到了很大的提升。极板分离式锂离子电池的质量能量密度大于300W h/kg，体积能量密度大于700W h/L，循环次数大于800次。极板分离式锂离子电池性价比很高，在锂电池电化学性能要求越来越高的的锂电市场具有很好的前景。

Claims (7)

1.一种极板分离式锂离子电池，其特征在于包括正极腔体(1)和负极腔体(2)，正极腔体(1)和负极腔体(2)之间连通有两个以上的管道(3)，正极腔体(1)、负极腔体(2)及管道(3)中灌充有电解液(17)，正极腔体(1)、负极腔体(2)中分别设有正极集流体(4)和负极集流体(5)，正极集流体(4)和设在正极腔体(1)上的正极极柱(6)相连，负极集流体(5)和设在负极腔体(2)上的负极极柱(7)相连。

2.根据权利要求1所述的一种极板分离式锂离子电池，其特征在于所述的正极腔体(1)、负极腔体(2)均设有盖板(10)，所述的正极极柱(6)嵌装在正极腔体(1)的盖板(10)上，所述的正极集流体(4)和正极极柱(6)之间连接有正极极耳(11)，正极集流体(4)上涂敷有正极浆料层(12)；所述的负极极柱(7)嵌装在负极腔体(2)的盖板(10)上，所述的负极集流体(5)和负极极柱(7)之间连接有负极极耳(13)，负极集流体(5)上涂敷有负极浆料层(14)。

3.根据权利要求2所述的一种极板分离式锂离子电池，其特征在于所述的正极集流体(4)、负极集流体(5)上均布满有槽孔(15)，正极集流体(4)、负极集流体(5)的顶端均设有留白区(16)，所述的正极极耳(11)和正极集流体(4)上的留白区(16)相连，所述的负极极耳(13)和负极集流体(5)上的留白区(16)相连，正极集流体(4)的槽孔(15)中填充有正极浆料，负极集流体(5)的槽孔(15)中填充有负极浆料。

4.根据权利要求2或3所述的一种极板分离式锂离子电池，其特征在于所述的正极腔体(1)、负极腔体(2)的盖板上各设有排气孔(8)，排气孔(8)盖有密封盖或塞有密封塞。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种极板分离式锂离子电池，其特征在于所述的管道(3)中设有若干个搅拌器(9)，设在同一管道(3)中的搅拌器(9)沿管道(3)的长度方向依次相间隔分布，所述的搅拌器(9)的传动杆(92)露出于所述的管道(3)外。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种极板分离式锂离子电池，其特征在于所述的正极腔体(1)、负极腔体(2)内各设有搅拌器(9)，正极腔体(1)内的搅拌器(9)朝向所述的正极集流体(4)表面，负极腔体(2)内的搅拌器(9)朝向所述的负极集流体(5)表面，所述的搅拌器(9)的传动杆(92)露出于正、负极腔体(1、2)外。

7.根据权利要求5所述的一种极板分离式锂离子电池，其特征在于所述的正极腔体(1)、负极腔体(2)内各设有搅拌器(9)，正极腔体(1)内的搅拌器(9)朝向所述的正极集流体(4)表面，负极腔体(2)内的搅拌器(9)朝向所述的负极集流体(5)表面，所述的搅拌器(9)的传动杆(92)露出于正、负极腔体(1、2)外。