CN207883741U - 软体融合型外压力自适应电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种软体融合型外压力自适应电池，由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构、混合共聚粘流体薄层、卷绕成螺旋状的电池芯、极耳、电池保护板以及导线组成。所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3‑5层，所述弹性模量梯度是指所述混合共聚弹性体多层结构的弹性模量从内侧到外侧以指数分布的方式逐渐增加，所述的内侧是指靠近电池芯一侧，所述的外侧是指远离电池芯一侧。所述电池芯的正负极由极耳引出，电池保护板与极耳连接后引出导线。所述电池芯、电池保护板以及极耳由混合共聚粘流体薄层裹覆，并封装于混合共聚弹性体多层结构内。本实用新型提供一种安全可靠、成本低廉、适应外压范围极广（0至2000个大气压）的可满足深水至太空环境下装备需求的软体复合结构电池。
Description
技术领域
本实用新型涉及到一种软体融合型外压力自适应电池，属于电池领域。
背景技术
海洋面积占了地球表面积的百分之七十以上，而人类已探索的海底只占了百分之五。海底拥有大量的矿产、石油以及天然气等资源，因此，对海洋特别是海底的探索显得尤为重要。而深海中的巨大压力环境对水下探测器的能源供给是一个很大的难题，传统的深水电池是利用在电池外面套上极厚的钛合金或陶瓷外壳来保证电池不被水压压坏，但这样会增加电池的体积及重量，加大耗能，占用探测装备有限空间等，且价格昂贵，很难大规模地生产制造。公开号为CN 206059557 U的专利公开了一种由充满绝缘液体的柔性外壳封装的锂离子电池。柔性外壳由刚性顶板与柔性外囊组成。采用充液可变形柔性外壳容器封装电池芯可以防止在100～11000米水深压力下造成的对电池芯的损坏。但是该技术未做到全软体，刚性顶板与柔性外囊的连接部位容易产生可靠性低下等问题。此外，尽管海洋最深处大约为11000米，但是在实际的深海作业中，电池很有可能与周围环境发生接触甚至碰撞与挤压，此时电池受到的压力将会高于该水深处的静水压力。因此，设计一种全软体的、能承受超过11000米水深压力的新型电池非常有必要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决传统硬质外壳深水潜用电池存在的质量大、体积大、成本高、加工困难等问题，提供一种满足深潜装备需求的软体融合型外压力自适应电池。有别于已有的以部分柔性外壳封装的电池，本实用新型电池利用分层封装技术形成具有弹性模量梯度的多层式全软体密封外壳，能承受相当于20000米水深的静水压力，并且和非全软体密封外壳相比具有更高的可靠性。
本实用新型提供的技术方案是：
一种软体融合型外压力自适应电池，其特征在于，由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构、混合共聚粘流体薄层、卷绕成螺旋状的电池芯、极耳、电池保护板以及导线组成，所述弹性模量梯度是指所述混合共聚弹性体多层结构的弹性模量从内侧到外侧以线性分布的方式逐渐增加，所述的内侧是指靠近电池芯一侧，所述的外侧是指远离电池芯一侧；所述电池芯的正负极由极耳引出，电池保护板与极耳连接后引出导线，所述电池芯、电池保护板以及极耳由混合共聚粘流体薄层裹覆，并封装于具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构内；优选的，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3-5层。
进一步地，所述的电池可通过混合共聚弹性体多层结构与混合共聚粘流体薄层的逐级自适应变形将外界的压剪复杂载荷转化为施加在电池芯表面的均匀静水压力，并能有效防止在高外压环境下由于软体包覆结构与硬质电池芯变形不同而引起的应力集中和界面脱离破裂。
进一步地，所述电池可承受200MPa(相当于20000米水深，接近地球上最深的海沟——马里亚纳海沟深度11000米的2倍)的静水压力。
进一步地，所述弹性模量的指数分布方式满足公式：E(x)＝E0[(h-x)/h]n，其中，x为弹性体多层结构中任意一层中心点位置与最外层中心点位置的距离，E(x)为弹性体多层结构中任意一层的杨氏模量，E0为弹性体多层结构的参考杨氏模量，h为弹性体多层结构的厚度，n为分布指数，其取值范围为所有实数。优选的，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3层。
进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构交联程度高，具有抗剪切能力，为可产生非线性变形的超弹性固体。
进一步地，所述混合共聚粘流体薄层交联程度低，具有流动性和粘性，抗剪切能力弱，其状态介于固体与液体之间。
进一步地，所述混合共聚粘流体薄层与混合共聚弹性体多层结构的质量比为1:5-1:10。
进一步地，所述混合共聚粘流体薄层以及混合共聚弹性体多层结构为硅橡胶与丙烯酸酯共聚而成的复合高分子材料，通过改变硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及固化剂的质量比来控制固化后材料的流动性和弹性模量。
进一步地，所述混合共聚粘流体薄层由质量比为100:100:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP(过氧化二异丙苯)固化剂固化而成。
进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构中最外侧的一层具有参考杨氏模量E0，由质量比为10:10:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成。
进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3层，所述具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层式结构从内到外分别由质量比为4:4:1、7:7:1、10:10:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成。
进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构与混合共聚粘流体薄层组成的复合包覆结构为全软体密封结构。
进一步地，所述电池芯内部正极膜片与负极膜片的毛刺高度小于6微米。
进一步地，所述混合共聚粘流体薄层的厚度为2-3mm。
进一步地，所述混合共聚弹性体多层结构的总厚度为20～30mm。
进一步地，所述电池芯内部致密无气泡。所述具有弹性模量梯度的弹性体多层结构与粘流体薄层本身的低热导率使得电池芯在深海低温环境下能够维持正常工作所需温度。
进一步地，所述的电池，通过串联或并联构成电池组从而增加输出功率。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本实用新型的电池为全软体密封包覆结构，具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构和混合共聚粘流体薄层共同形成柔性包覆结构，使电池与外界隔离，避免了电池受海水腐蚀，避免了外部线路之间的短路，此外，可为电池在运输过程中提供缓冲减震的作用。
2.全软体密封包覆结构，在受到深海压力情况下，能产生自适应变形，避免使内部结构受到剪切载荷。进一步的，具有弹性模量梯度的分层式软体外壳，由外到内弹性模量呈指数形式降低，在受到外界复杂载荷后可通过逐级自适应变形将其转化为施加在电池芯表面的均匀静水压力，从而使该电池经过200MPa(相当于20000米水深)的压力测试后仍可进行正常的充放电。
3.混合共聚的包覆材料体系，可以方便调节机械性能和电性能，并且由于软体与硬体材料间有粘流层作用，可以有效防止在高外压环境下由于软、硬结构变形不同而引起的应力集中和界面脱离破裂，此外，通过选取与内部电芯、电极等硬结构所用的材料成分相近的共聚单体，可以形成强界面，使包覆结构与内部硬结构牢固粘接。
4.易于变形，可满足复杂空间下的工作需求。
5.与传统硬质外壳相比，对生物更加友好。
6.结构简单，经济可靠，绿色环保，可大规模生产。
本实用新型能够在水下机器人、水下探测器、水下照明等领域有着广泛应用。
附图说明
图1为软体融合型外压力自适应电池整体结构主视剖视示意图。
图中所示：1.具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构，2.混合共聚粘流体薄层，3.电池芯，3-1.电池芯外壳，3-2.电解液，3-3.正极膜片，3-4.隔膜，3-5.负极膜片，4.极耳，5.电池保护板，6.导线。
图2为软体融合型外压力自适应电池在静水耐压试验(200MPa，相当于20000米深水压力)后进行放电测试，其电压与内阻随放电量的变化关系。
具体实施方式
如图1所示，软体融合型外压力自适应电池由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1、混合共聚粘流体薄层2、卷绕成螺旋状的电池芯3、极耳4、电池保护板5以及导线6组成。所述弹性模量梯度是指所述混合共聚弹性体多层结构1的弹性模量从内侧到外侧以指数分布的方式逐渐增加，所述的内侧是指靠近电池芯3一侧，所述的外侧是指远离电池芯3一侧。所述电池芯3的正负极由极耳4引出，电池保护板5与极耳4连接后引出导线6。所述电池芯3、电池保护板5以及极耳4由混合共聚粘流体薄层2裹覆，并封装于具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1内。
所述弹性模量的指数分布方式满足公式：E(x)＝E0[(h-x)/h]n，其中，x为弹性体多层结构1中任意一层中心点位置与最外层中心点位置的距离，E(x)为弹性体多层结构1中任意一层的杨氏模量，E0为弹性体多层结构1的参考杨氏模量，h为弹性体多层结构1的厚度，n为分布指数。在本实施方式中，n取为1，h为30mm，E0由弹性体多层结构1最外侧一层的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂的质量比决定。
所述混合共聚弹性体多层结构1交联程度高，具有抗剪切能力，为可产生非线性变形的超弹性固体。所述混合共聚粘流体薄层2交联程度低，具有流动性，抗剪切能力弱，其状态介于固态与液态之间。
所述混合共聚弹性体多层结构1与混合共聚粘流体薄层2均为硅橡胶与丙烯酸酯共聚而成的复合高分子材料，如此设置，混合共聚弹性体多层结构1与混合共聚粘流体薄层2为同一种材料，相互可紧密粘接，而共聚单体硅橡胶与硅基材料的粘合性好，易于与电池芯3以及电池保护板5形成强界面从而不易脱粘。此外，混合共聚的材料体系，可以方便调节机械性能，包括弹性模量、流动性、粘性，以及导电性能。
所述混合共聚粘流体薄层2的厚度为3mm。
所述混合共聚弹性体多层结构1的总厚度为30mm。
所述的具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1，其层数为3层，所述混合共聚粘流体薄层2由质量比为100:100:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成，所述具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1从内到外分别由质量比为4:4:1、7:7:1、10:10:1的硅橡胶母液、丙烯酸酯母液以及DCP固化剂固化而成。如此设置，可在满足性能要求的基础上降低工艺复杂程度。
所述混合共聚粘流体薄层2与混合共聚弹性体多层结构1的质量比为1:10，如此设置，电池的可靠性得到提高。
所述混合共聚弹性体多层结构1与混合共聚粘流体薄层2组成的复合包覆结构为全软体密封结构。
所述电池芯3，可以是锂电池、铅酸电池、镍氢电池、燃料电池等各类电池。
所述电池芯3，卷曲成螺旋形，如此设置，可以节省空间。
所述电池芯3，制造时，正极膜片3-3与负极膜片3-5采取滚压工艺使得毛刺高度小于6微米，如此设置，可以防止电池在深海环境下受挤压时由于毛刺刺穿隔膜3-4而导致正负极接通短路。
所述电池芯3，在对其侧边热复合前，对其内部进行多次抽真空并反复压实，保证电池芯3内部致密无气泡，如此设置，可以防止电池在深海环境下受挤压时由于内部孔隙而产生应力集中进而引起结构损伤破坏。
本发明具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构1和混合共聚粘流体薄层2共同形成的柔性包覆结构能通过逐级自适应变形将外界的拉压剪复杂载荷转化为施加在电池芯3表面的均匀静水压力，并能有效防止在高外压环境下由于软体包覆结构与硬质电池芯变形不同而引起的应力集中和界面脱离破裂。所述具有弹性模量梯度的弹性体多层结构1与粘流体薄层2本身的低热导率使得电池芯3在深海低温环境下能够维持正常工作所需温度。
结合图1说明本实用新型的原理：混合共聚弹性体多层结构1受到深海压力载荷时，产生相应的逐级自适应变形，将外界的复杂载荷相对均匀地传递给电池芯3表面的混合共聚粘流体薄层2；混合共聚粘流体薄层2由于自身的流动性，保证了内部电池芯3仅受到完全均匀的静水压应力。电池芯3受到静水压应力后的变形不足以破坏正极膜片2-3与负极膜片2-5之间的隔膜2-4，保证了电池芯结构的完好。此外，密封的混合共聚弹性体多层结构1隔绝了外界导电的海水，既避免了电池受海水腐蚀，也避免了电池外部线路之间的短路。
本实用新型经过200MPa(相当于20000米深水压力)的静水耐压试验。在此压力下，将电池完全放电结束试验。试验结束后检查电池，其外观及性能完好。然后在标准大气压下进行充电并再次放电，电池仍可正常工作。如图2所示，为本实用新型在200MPa静水耐压试验前后的放电电压曲线与电池内阻曲线，从图2中可以看到，本实用新型在经过200MPa静水耐压试验后所受影响很小，说明本实用新型的电池具有很好的耐压效果。
Claims (12)
1.一种软体融合型外压力自适应电池，其特征在于，所述的电池由具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构、混合共聚粘流体薄层、卷绕成螺旋状的电池芯、极耳、电池保护板以及导线组成，所述弹性模量梯度是指所述混合共聚弹性体多层结构的弹性模量从内侧到外侧以指数分布的方式逐渐增加，所述的内侧是指靠近电池芯一侧，所述的外侧是指远离电池芯一侧；所述电池芯的正负极由极耳引出，电池保护板与极耳连接后引出导线，所述电池芯、电池保护板以及极耳由混合共聚粘流体薄层裹覆，并封装于具有弹性模量梯度的混合共聚弹性体多层结构内。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3-5层。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池可承受200MPa的静水压力。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述弹性模量的指数分布方式满足公式：E(x)＝E0[(h-x)/h]n，其中，x为弹性体多层结构中任意一层中心点位置与最外层中心点位置的距离，E(x)为弹性体多层结构中任意一层的杨氏模量，E0为弹性体多层结构的参考杨氏模量，h为弹性体多层结构的厚度，n为分布指数,其取值范围为所有实数。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3层。
6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述混合共聚粘流体薄层与混合共聚弹性体多层结构的质量比为1:5-1:10。
7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述混合共聚弹性体多层结构的层数为3层。
8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述混合共聚弹性体多层结构与混合共聚粘流体薄层组成的复合包覆结构为全软体密封结构。
9.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池芯内部正极膜片与负极膜片的毛刺高度小于6微米。
10.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述混合共聚粘流体薄层的厚度为2～3mm。
11.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述混合共聚弹性体多层结构的总厚度为20～30mm。
12.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池芯内部致密无气泡。
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| CN201721408768.8U CN207883741U (zh) | 2017-10-27 | 2017-10-27 | 软体融合型外压力自适应电池 |
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| CN (1) | CN207883741U (zh) |
Cited By (1)
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| CN109728206A (zh) * | 2017-10-27 | 2019-05-07 | 浙江大学 | 软体融合型外压力自适应电池 |
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2017
- 2017-10-27 CN CN201721408768.8U patent/CN207883741U/zh active Active
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| CN109728206A (zh) * | 2017-10-27 | 2019-05-07 | 浙江大学 | 软体融合型外压力自适应电池 |
| CN109728206B (zh) * | 2017-10-27 | 2024-04-09 | 浙江大学 | 软体融合型外压力自适应电池 |
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