CN215299337U - 一种叠片型三电极电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种叠片型三电极电池；所述叠片型三电极电池包括：叠片设置的隔膜、n片正极极片、n+2片负极极片、1片参比电极，n≥2；所述参比电极由锂箔和铜网组成；所述锂箔与所述铜网紧密贴合；在准备放置参比电极的位置，用所述参比电极代替正极极片，并通过隔膜将所述参比电极与其两侧的负极极片隔开。本实用新型提供的叠片型三电极电池，在精确地检测正负极电位变化的同时，避免了对电池本身电化学性能的影响，并且降低了安全风险。同时，通过参比电极监测正负极的电压变化，能够避免电流过大导致负极发生析锂，很大程度上提升了电池的安全性能。

Description

一种叠片型三电极电池

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种叠片型三电极电池。

背景技术

锂离子电池具有比能量高、循环性能好、没有记忆效应等诸多优点，近年来在军工电源、消费类电子、新能源汽车中得到了广泛的应用，并且在持续增长中。随着新能源汽车产业迅速发展，车用动力电池的市场需求进一步爆发，消费者对于新能源汽车的快速充电要求逐渐提升，对于其安全性能愈发重视。

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液组成，在实际使用中，电路中测得的电压为正负极的电压差，表现了电池的整体性能。随着充电电流的提升，电池正极和负极极化同时增加，负极的电位接近甚至低于0V，出现表面析锂的可能性，一方面导致电池可逆锂损失，另一方面析出的金属锂容易引发电池内短路等安全问题。

为了分别研究电池正负极的电化学特性，研究者们通常将常规电池改装为三电极电池，通过引入金属锂、铂、金、铜基体或磷酸铁锂、钛酸锂极片等作为参比电极，观察充电过程中正负极的极化行为。在现有的技术中，叠片型锂离子电池通常由n和n+1张正负极极片组成，卷绕电芯由一片正极和一片负极卷绕组成，参比电极通常放置于正极极片和负极极片之间。

然而，将参比电极放置于电池内部的正负极极片之间，相当于在电池中引入异物，当电池外部受到压力时，其边缘位置容易刺穿隔膜，引发电池内短路，并且两侧的极片之间脱嵌锂的反应受到阻碍，不仅降低了局部的锂离子传输速度，增加了电化学反应的极化，同时还增加了局部析锂的风险。

CN109585907A以镀锂的铜丝和磷酸铁锂极片作为参比电极，放置在正负极极片之间，用于测试正负极的电位变化。然而，铜丝表面镀锂，对于镀锂电流的控制要求较高，且锂层不稳定，在电池的寿命周期中需要多次镀锂，效率比较低。

CN108630980A将锂片碾压在金属镍极耳上，用隔膜包覆后制成参比电极，放置在正负极极片之间进行组装。CN208093666U将锂箔通过碾压固定在铜箔上，铜箔与金属极耳相连，制作成参比电极。金属镍或铜箔与金属锂的表面直接通过碾压进行连接，接触性较差，组装过程中可能出现脱落现象。

CN105470577A选用金丝、银丝或铂丝作为参比电极，制成一种软包锂离子三电极电池。但上述几种金属成本较高，且测得的数据在使用时要转换成相对于Li/Li⁺的电位，数据直观性差。

与上述专利文件类似的方法很多，但是在应用上同时具有一个局限性：参比电极通过隔膜进行分隔，放置在正极极片和负极极片之间，一方面导致参比电极两侧的正负极活性物质无法参与电化学反应，参比电极边缘的活性物质虽然参与反应，但是由于锂离子传输距离增大，反应活性降低，局部容易发生析锂；另一方面，当电池受到外部压力时，正负极极片之间的参比电极相当于异物，其边缘可能在外力的作用下刺穿隔膜，发生内短路，影响电池的安全性能。

鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种叠片型三电极电池。

具体而言，所述叠片型三电极电池包括：叠片设置的隔膜、n片正极极片、n+2片负极极片、1片参比电极，n≥2；

所述参比电极由锂箔和铜网组成；所述锂箔与所述铜网紧密贴合；

在准备放置参比电极的位置，用所述参比电极代替正极极片，并通过隔膜将所述参比电极与其两侧的负极极片隔开。

相比于传统的由n片正极极片和n+1片负极极片交替叠片得到的锂离子电池，本实用新型提出的叠片型三电极电池由n片正极极片、n+2片负极极片以及1个参比电极构成；在叠片过程中，在特定位置连续叠2片负极极片，与正常的叠片方式相同，均由隔膜隔开；参比电极放置在上述相邻的2片负极极片之间，并且通过隔膜与负极极片分隔，对于电池的电化学反应没有任何影响。

本实用新型中，采用n层正极极片和n+2层负极极片以及1片参比电极组成叠片型三电极电池，并将参比电极放置于两层负极极片和隔膜之间，避免了传统方法中参比电极阻碍两侧的正负极极片之间脱嵌锂的问题，同时为参比电极的凸起提供了缓冲空间，降低了极片的局部形变对电池性能的影响。

本实用新型中，参比电极的基材选用铜网，与电池体系没有电化学反应，具有良好的导电性，并且与锂箔之间结合性良好。

在上述技术方案中，所述锂箔与所述铜网通过碾压的方式紧密贴合，使所述锂箔完全嵌入所述铜网，确保了二者良好的接触性；其中，所述碾压的压力为0.01～0.2MPa。

作为上述技术方案的优选，所述铜网的厚度为20～500μm。

作为上述技术方案的优选，在所述参比电极上，含锂箔部分剪裁成边长3～20mm的正方形，其中一侧留长度为3～10mm不含锂箔的铜网。

作为上述技术方案的优选，所述叠片型三电极电池还包括：金属镍极耳；

所述不含锂箔的铜网与所述金属镍极耳焊接。

作为上述技术方案的优选，用隔膜包裹所述铜网。

本实用新型中，所述叠片型三电极电池的叠片按照“负极极片-隔膜-正极极片-隔膜……”的顺序进行，在特定位置(即准备放置参比电极的位置)暂停，取消1片正极极片的放置，继续按照“负极极片-隔膜-正极极片-隔膜……”的顺序进行叠片，最后一层为负极极片，制成裸电芯，裸电芯按照正常工序进行预焊和焊接。

作为上述技术方案的优选，所述参比电极从裸电芯的侧边插入取消的1片正极极片的位置，即相邻的两层负极极片之间；所述参比电极的极耳从非气袋侧引出，极耳胶与电池侧边的封装位置平齐。

作为上述技术方案的优选，所述裸电芯设置在两层冲坑的铝塑膜之间；使用常规工艺进行密封。

作为上述技术方案的优选，所述密封后的电池按照常规工艺进行后续的注液、化成、老化等工步。

作为上述技术方案的优选，所述正极极片的活性物质为镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂中的一种或几种。

作为上述技术方案的优选，所述负极极片的活性物质为石墨、硅碳材料、硅氧碳材料、钛酸锂、金属氧化物、金属锂中的一种或几种。

作为上述技术方案的优选，所述隔膜为聚乙烯、聚丙烯、芳纶中的一种或几种。

在具体的实施方式中，所述参比电极的极耳连接到电压测试仪的负极端，电池的负极或正极极耳连接测试仪的正极端，记录电池在充放电过程中负极或是正极的电压变化。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的叠片型三电极电池，在精确地检测正负极电位变化的同时，避免了对电池本身电化学性能的影响，并且降低了安全风险。同时，通过参比电极监测正负极的电压变化，能够避免电流过大导致负极发生析锂，很大程度上提升了电池的安全性能。

附图说明

图1为本实用新型中参比电极的示意图；

图2为本实用新型中叠片型三电极电池的叠片示意图；

图3为本实用新型中叠片型三电极电池的示意图；

图4为实施例1中叠片型三电极电池0.33C充放电曲线；

图中：11、金属镍极耳；12、焊点；13、锂箔和铜网；14、隔膜；21、负极极片；22、正极极片；23、参比电极；31、负极极耳；32、正极极耳。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型提供一种叠片型三电极电池，如图1和图3所示，包括：叠片设置的隔膜14、n片正极极片22、n+2片负极极片21、1片参比电极23，n≥2；

所述参比电极23由锂箔和铜网组成；所述锂箔与所述铜网紧密贴合；

在准备放置参比电极的位置，用所述参比电极23代替正极极片22，并通过隔膜14将所述参比电极23与其两侧的负极极片21隔开。

所述铜网的厚度为20～500μm。

在所述参比电极23上，含锂箔部分剪裁成边长3～20mm的正方形，其中一侧留长度为3～10mm不含锂箔的铜网。

还包括：金属镍极耳11；

所述不含锂箔的铜网与所述金属镍极耳11焊接。

用隔膜14包裹所述铜网。

所述参比电极23从裸电芯的侧边插入相邻的两层负极极片之间；所述参比电极23的极耳从非气袋侧引出，极耳胶与电池侧边的封装位置平齐。

所述裸电芯设置在两层冲坑的铝塑膜之间。

本实用新型的叠片型三电极电池，其叠片方式如图2所示，叠片顺序为：隔膜-负极极片21-隔膜-正极极片22-隔膜-负极极片21-隔膜-参比电极23-隔膜-负极极片21-隔膜-正极极片22-隔膜-负极极片21-隔膜；图2仅为一种叠片方法的示例，具体的叠片层数和参比电极的位置根据实际需求而定。

实施例1

(1)在本实施例中，负极极片的活性物质采用人造石墨，正极极片活性物质为LiNi_0.5Co_0.3Mn_0.2O₂，隔膜采用厚度为15μm的聚乙烯隔膜，单面涂覆厚度为2μm陶瓷层，电池额定容量为25Ah；

(2)参比电极的采用厚度为50μm的铜网，锂箔厚度为100μm；将辊压机辊缝调节为100μm，锂箔与铜网重叠后进行辊压；含锂部分尺寸剪裁为5mm*5mm，一侧的空铜网长度为3mm，焊接到镍极耳上，铜网表面包裹一层隔膜；

(3)将负极极片、隔膜以及正极极片按照图2所示方式进行叠片，当叠层为11片负极和10片正极时，取消放入第11层正极极片，继续按照“负极-隔膜-正极-隔膜”的方式叠11层负极和10层正极；即本实施例的叠片型三电极电池，含有20层正极，22层负极。

(4)将叠片后的裸电芯焊接正负极极耳；

(5)将参比电极从正极侧插入相邻的两层负极极片中间，极耳胶内侧距离裸电芯边缘5mm；

(6)放好参比电极的裸电芯夹在冲坑后的铝塑膜之间，进行密封；

(7)按照常规工序进行电池的注液、预充化成以及老化工艺；

(8)使用本实施例中的叠片型三电极电池进行0.33C充放电，同时使用电压测试通道同步测试负极极耳与参比电极之间的电压；其结果如图4所示，参比电极能够准确指示负极电压的变化情况。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种叠片型三电极电池，其特征在于，包括：叠片设置的隔膜、n片正极极片、n+2片负极极片、1片参比电极，n≥2；

所述参比电极由锂箔和铜网组成；所述锂箔与所述铜网紧密贴合；

在准备放置参比电极的位置，用所述参比电极代替正极极片，并通过隔膜将所述参比电极与其两侧的负极极片隔开。

2.根据权利要求1所述的叠片型三电极电池，其特征在于，所述铜网的厚度为20～500μm。

3.根据权利要求2所述的叠片型三电极电池，其特征在于，在所述参比电极上，含锂箔部分剪裁成边长3～20mm的正方形，其中一侧留长度为3～10mm不含锂箔的铜网。

4.根据权利要求3所述的叠片型三电极电池，其特征在于，还包括：金属镍极耳；

所述不含锂箔的铜网与所述金属镍极耳焊接。

5.根据权利要求4所述的叠片型三电极电池，其特征在于，用隔膜包裹所述铜网。

6.根据权利要求5所述的叠片型三电极电池，其特征在于，所述参比电极从裸电芯的侧边插入相邻的两层负极极片之间；所述参比电极的极耳从非气袋侧引出，极耳胶与电池侧边的封装位置平齐。

7.根据权利要求6所述的叠片型三电极电池，其特征在于，所述裸电芯设置在两层冲坑的铝塑膜之间。

8.根据权利要求1所述的叠片型三电极电池，其特征在于，所述正极极片的活性物质为镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂中的一种。

9.根据权利要求1所述的叠片型三电极电池，其特征在于，所述负极极片的活性物质为石墨、硅碳材料、硅氧碳材料、钛酸锂、金属氧化物、金属锂中的一种。

10.根据权利要求1所述的叠片型三电极电池，其特征在于，所述隔膜为聚乙烯、聚丙烯、芳纶中的一种。

Images