CN220544164U - 一种固态叠层高压电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固态叠层高压电池，包括外壳、两个电芯模组、导电弹片、PTC、防爆阀和正极盖帽，外壳底部固定有负极板；两个电芯模组、导电弹片、PTC和防爆阀从下到上依次放置在外壳内部，且两个电芯模组之间放置有双面镀镍PTC；每个电芯模组均包括从下到上依次分布的负极块、电解质隔膜和正极块；正极盖帽与外壳开放顶部焊接为一体。本实用新型的正极和负极均为块状结构，且两者之间设置固态电解质隔膜，同时电芯模组之间放置双面镀镍PTC，各个部件堆叠形成整体，简化了电池结构，提高了安全性。

Description

一种固态叠层高压电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，更具体的说是涉及一种固态叠层高压电池。

背景技术

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池结构包括正负极、隔膜、负极、有机电解液和电池外壳，目前锂电池制造生产工艺通常包括以下步骤：1)正负极材料制备(配料)：制造正极材料和负极材料，其中正极材料通常是由锂化合物(如锂钴酸锂、三元、锂铁磷酸盐等)和导电剂、溶剂、粘结剂(如碳黑)混合而成，负极材料通常是由石墨和导电剂混合而成；2)混合和涂布：将正负极材料与粘结剂混合，形成电极浆料，然后，将电极浆料涂布在铜箔(正极)和铝箔(负极)上，形成电极片；3)卷绕：将正负极电极片与隔膜(通常是聚合物薄膜)交替叠放，并通过卷绕机构将它们卷绕成一个电极组；4)注液和封装：将电极组放入电池壳体中，并注入电解液(通常是含锂盐的有机溶液)，然后，密封电池壳体，确保电解液不泄漏；5)成型和测试：将密封的电池壳体进行成型，通常是通过压制或加热，然后，对成型后的电池进行测试。可知，目前锂电池存在结构复杂，制造周期长，生产工艺复杂及安全性差问题。

因此，提供一种简化的固态叠层高压电池是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种固态叠层高压电池，简化结构，提高安全性。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种固态叠层高压电池，包括：

外壳，所述外壳底部固定有负极板；

多个电芯模组、导电弹片、PTC和防爆阀，多个所述电芯模组、所述导电弹片、所述PTC和所述防爆阀从下到上依次放置在所述外壳内部，且相邻两个所述电芯模组之间放置有双面镀镍PTC；每个所述电芯模组均包括从下到上依次分布的负极块、电解质隔膜和正极块；

正极盖帽，所述正极盖帽与所述外壳开放顶部焊接为一体。

通过采取以上方案，本实用新型的有益效果是：

正极和负极均为块状结构，且两者之间设置固态电解质隔膜，同时电芯模组之间放置双面镀镍PTC，各个部件堆叠形成整体，简化了电池结构，提高了安全性。

进一步的，所述负极块为锂基/铜基活性材质。

进一步的，所述电解质隔膜为氧氯化锆锂材质。

进一步的，所述正极块为铝基高镍活性材质。

进一步的，所述外壳为塑料或金属材质。

进一步的，所述负极板为导电镀镍钢片。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本实用新型提供的实施例1中一种固态叠层高压电池的结构示意图；

图2附图为本实用新型提供的实施例2中一种固态叠层高压电池的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本实用新型实施例公开了一种固态叠层高压电池，电压为7.4v，包括外壳1、两个电芯模组、导电弹片5、PTC6、防爆阀7和正极盖帽8，外壳1底部固定有负极板；两个电芯模组、导电弹片5、PTC6和防爆阀7从下到上依次放置在外壳1内部，且两个电芯模组之间放置有双面镀镍PTC9；每个电芯模组均包括从下到上依次分布的负极块2、电解质隔膜3和正极块4；正极盖帽8与外壳1开放顶部焊接为一体。本实用新型的正极和负极均为块状结构，且两者之间设置固态电解质隔膜3，同时电芯模组之间放置双面镀镍PTC9，各个部件堆叠形成整体，简化了电池结构，提高了安全性。

具体的，负极块2为锂基/铜基活性材质。在本实施例中，负极基材为泡沫锂或泡棉铜；负极活性物质为石墨；负极粘接剂为1％的PVDF或SBR或UHMWPE；负极导电剂为乙炔黑或CNT或导电石墨。

具体的，电解质隔膜3为氧氯化锆锂材质，由水合氢氧化锂、氯化锂、氯化锆进行合成，成本较低。

具体的，正极块4为铝基高镍活性材质。在本实施例中，正极基材为泡沫铝，成本低，质量轻；正极活性物质为高镍三元材料；正极粘接剂为1％的PVDF或UHMWPE；正极导电剂为乙炔黑或CNT或导电石墨。

具体的，外壳1为塑料或金属材质。在本实施例中，塑料材质为PE或PVC或PP，金属材质为钢或铝等。

具体的，负极板为导电镀镍钢片。

本实用新型的制造工艺，包括以下步骤：首先，按照从下到上顺序依次将负极块2、电解质隔膜3、正极块4、双面镀镍PTC9、负极块2、电解质隔膜3、正极块4、导电弹片5、PTC6和防爆阀7装配到外壳1内部(外壳1将他们包裹起来)，最后将正极盖帽8盖合在外壳1开放顶部且采用超声波焊接形成密封。

具体的，在生产外壳1时，将导电镀镍钢片放入注塑机模具中，热塑成型。

具体的，制造正极块4、负极块2大体上均是经原材料称重→过磁→真空搅拌→振动填充→挤压成型工序制作出来，以下是极块(正极块4、负极块2简称为极块)的湿法制作工艺：1)按照配方称重各个原材料的用量，使用指定工具添加原材料倒入搅拌罐进行搅拌，指定工具添加是为了防止物料之间交叉污染，对主材添加要进行一个过磁器，对原材料的一个筛选杂质，把含铁等磁性杂质过滤出来，搅拌罐中抽真空-80KPa左右，在搅拌罐中搅拌时间长了会产生高温度，造成搅拌浆料结块，发生氧化反应，因此需要在搅拌过程中给搅拌罐外加冷却水降温，让浆料均匀搅拌并且保证浆料的温度20-40度之间，冷却水的温度一般在12-18度之间；2)搅拌完成后对浆料进行粘度测试、固含量测试、颗粒度测试，按工艺文件执行，不符合则继续搅拌，直至测试合格后才能进行下一个工序；3)使用高频振动设备进行原材料与基材的填充，简称振动填充，由于基材是泡棉结构金属，含有大量微孔，搅拌完成的浆料倒入基材进行高频振动填充，填充完成后检测体积密度是否符合设计要求，不符合则继续振动填充浆料，直至测试合格后才能进行下一个工序；4)将填充完成的极板(基材与浆料填充完成后简称：极板)由专用托盘盛放，与托盘一起放入真空-100pka、高温85度环境下烘烤12-24小时后，检测体积密度和水含量否符合设计要求，不符合则继续烘烤，直至测试合格后才能进行下一个工序；5)将烘烤完成的极板放入冲压模具中进行冲压成型，冲压的形状是由模具决定，厚度是有冲压压缩比来决定，冲压形状可以是圆形、方形等，冲压后测量厚度、体积密度否符合设计要求，不符合则继续调整冲压设备的压缩比，直至测试合格后才能进行下一个工序；6)冲压后检测合格的简称未极块。

本实用新型的工作原理：

1)由于正极块4和负极块2基材为铝和铜，不能直接连接(直接连接会发生电化学腐蚀导致虚接)，所以需要镍来过渡金属材料本身的电位差，而使用双面镀镍PTC9能够保护电芯工作电流以及充放电电流密度的一致性，可恢复过流保险丝，双面镀镍PTC9额定工作电流1A，当电芯充放电超过额定工作电流后会截止充放电，移除负载或者等双面镀镍PTC9冷却后即可恢复；

2)电解质隔膜3为固态，固态电解质相较于传统的液态电解质，具有以下特点：高安全性：固态电解质具有较高的化学和热稳定性，能够有效抑制电池内部的热失控反应，相比于液态电解质，固态电解质在高温、外力冲击等极端条件下更加稳定，降低了电池发生热失控的风险；无渗漏风险：固态电解质是固体形态，不会发生泄漏或溢出，避免了液态电解质可能引起的电池泄漏问题，这也意味着固态电池可以设计得更加紧凑和轻便；抑制锂金属枝晶生长：固态电解质能够有效抑制锂金属在充放电过程中的枝晶生长，减少了锂金属电池发生短路和内部短路的风险，这对于提高电池的安全性和循环寿命非常重要；抗过充和过放：固态电解质具有较高的电化学稳定性，能够抵抗过充和过放等异常工况，这有助于减少电池在充放电过程中的能量损失和安全风险；另外在锂电池测试项目中针刺和挤压，对本实用新型高压电池并没有什么影响，因为本实用新型为堆层结构，不是卷绕结构，正极块、电解质隔膜、负极块都是立体形态，针刺入后外壳是绝缘塑料，针刺入正极块或者电解质隔膜、负极块都不会形成电子回路，就不会造成热失控；正极块和负极块本身就是冲压成型，对挤压破坏性实验就无所畏惧；抑制热失控风险：固态电解质具有较高的热稳定性，能够有效抑制电池内部的热失控反应，相比于液态电解质，固态电解质在高温、外力冲击等极端条件下更加稳定，降低了电池发生热失控的风险；抑制外部短路：固态电解质的固态特性可以有效阻止外部物质进入电池内部，减少了外部短路的风险。

实施例2：

如图2所示，本实用新型实施例公开了一种固态叠层高压电池，电压为11.1V，包括外壳1、三个电芯模组、导电弹片5、PTC6、防爆阀7和正极盖帽8，外壳1底部固定有负极板；三个电芯模组、导电弹片5、PTC6和防爆阀7从下到上依次放置在外壳1内部，且相邻两个电芯模组之间放置有双面镀镍PTC9；每个电芯模组均包括从下到上依次分布的负极块2、电解质隔膜3和正极块4；正极盖帽8与外壳1开放顶部焊接为一体。本实用新型的正极和负极均为块状结构，且两者之间设置固态电解质隔膜3，同时电芯模组之间放置双面镀镍PTC9，各个部件堆叠形成整体，简化了电池结构，提高了安全性。

具体的，负极块2为锂基/铜基活性材质。在本实施例中，负极基材为泡沫锂或泡棉铜；负极活性物质为石墨；负极粘接剂为1％的PVDF或SBR或UHMWPE；负极导电剂为乙炔黑或CNT或导电石墨。

具体的，电解质隔膜3为氧氯化锆锂材质，由水合氢氧化锂、氯化锂、氯化锆进行合成，成本较低。

具体的，正极块4为铝基高镍活性材质。在本实施例中，正极基材为泡沫铝，成本低，质量轻；正极活性物质为高镍三元材料；正极粘接剂为1％的PVDF或UHMWPE；正极导电剂为乙炔黑或CNT或导电石墨。

具体的，外壳1为塑料或金属材质。在本实施例中，塑料材质为PE或PVC或PP，金属材质为钢或铝等。

具体的，负极板为导电镀镍钢片。

本实用新型的制造工艺，包括以下步骤：首先，按照从下到上顺序依次将负极块2、电解质隔膜3、正极块4、双面镀镍PTC9、负极块2、电解质隔膜3、正极块4、双面镀镍PTC9、负极块2、电解质隔膜3、正极块4、导电弹片5、PTC6和防爆阀7装配到外壳1内部(外壳1将他们包裹起来)，最后将正极盖帽8盖合在外壳1开放顶部且采用超声波焊接形成密封。本实用新型的负极块2和正极块4由冲压工艺制造而成，代替级片生产工艺，省去涂布、分条、滚压、制片、卷绕及注液工艺，在装配时只需将各部分按照顺序堆叠在一起，简化了锂电池制造工艺，生产周期短。

具体的，在生产外壳1时，将导电镀镍钢片放入注塑机模具中，热塑成型。

具体的，制造正极块4、负极块2大体上均是经原材料称重→过磁→真空搅拌→振动填充→挤压成型工序制作出来，以下是极块(正极块4、负极块2简称为极块)的湿法制作工艺：1)按照配方称重各个原材料的用量，使用指定工具添加原材料倒入搅拌罐进行搅拌，指定工具添加是为了防止物料之间交叉污染，对主材添加要进行一个过磁器，对原材料的一个筛选杂质，把含铁等磁性杂质过滤出来，搅拌罐中抽真空-80KPa左右，在搅拌罐中搅拌时间长了会产生高温度，造成搅拌浆料结块，发生氧化反应，因此需要在搅拌过程中给搅拌罐外加冷却水降温，让浆料均匀搅拌并且保证浆料的温度20-40度之间，冷却水的温度一般在12-18度之间；2)搅拌完成后对浆料进行粘度测试、固含量测试、颗粒度测试，按工艺文件执行，不符合则继续搅拌，直至测试合格后才能进行下一个工序；3)使用高频振动设备进行原材料与基材的填充，简称振动填充，由于基材是泡棉结构金属，含有大量微孔，搅拌完成的浆料倒入基材进行高频振动填充，填充完成后检测体积密度是否符合设计要求，不符合则继续振动填充浆料，直至测试合格后才能进行下一个工序；4)将填充完成的极板(基材与浆料填充完成后简称：极板)由专用托盘盛放，与托盘一起放入真空-100pka、高温85度环境下烘烤12-24小时后，检测体积密度和水含量否符合设计要求，不符合则继续烘烤，直至测试合格后才能进行下一个工序；5)将烘烤完成的极板放入冲压模具中进行冲压成型，冲压的形状是由模具决定，厚度是有冲压压缩比来决定，冲压形状可以是圆形、方形等，冲压后测量厚度、体积密度否符合设计要求，不符合则继续调整冲压设备的压缩比，直至测试合格后才能进行下一个工序；6)冲压后检测合格的简称极块。

本实用新型的工作原理：

3)由于正极块4和负极块2基材为铝和铜，不能直接连接(直接连接会发生电化学腐蚀导致虚接)，所以需要镍来过渡金属材料本身的电位差，而使用双面镀镍PTC9能够保护电芯工作电流以及充放电电流密度的一致性，可恢复过流保险丝，双面镀镍PTC9额定工作电流1A，当电芯充放电超过额定工作电流后会截止充放电，移除负载或者等双面镀镍PTC9冷却后即可恢复；

4)电解质隔膜3为固态，固态电解质相较于传统的液态电解质，具有以下特点：高安全性：固态电解质具有较高的化学和热稳定性，能够有效抑制电池内部的热失控反应，相比于液态电解质，固态电解质在高温、外力冲击等极端条件下更加稳定，降低了电池发生热失控的风险；无渗漏风险：固态电解质是固体形态，不会发生泄漏或溢出，避免了液态电解质可能引起的电池泄漏问题，这也意味着固态电池可以设计得更加紧凑和轻便；抑制锂金属枝晶生长：固态电解质能够有效抑制锂金属在充放电过程中的枝晶生长，减少了锂金属电池发生短路和内部短路的风险，这对于提高电池的安全性和循环寿命非常重要；抗过充和过放：固态电解质具有较高的电化学稳定性，能够抵抗过充和过放等异常工况，这有助于减少电池在充放电过程中的能量损失和安全风险；另外在锂电池测试项目中针刺和挤压，对本实用新型高压电池并没有什么影响，因为本实用新型为堆层结构，不是卷绕结构，正极块、电解质隔膜、负极块都是立体形态，针刺入后外壳是绝缘塑料，针刺入正极块或者电解质隔膜、负极块都不会形成电子回路，就不会造成热失控；正极块和负极块本身就是冲压成型，对挤压破坏性实验就无所畏惧；抑制热失控风险：固态电解质具有较高的热稳定性，能够有效抑制电池内部的热失控反应，相比于液态电解质，固态电解质在高温、外力冲击等极端条件下更加稳定，降低了电池发生热失控的风险；抑制外部短路：固态电解质的固态特性可以有效阻止外部物质进入电池内部，减少了外部短路的风险。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种固态叠层高压电池，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳底部固定有负极板；

多个电芯模组、导电弹片、PTC和防爆阀，多个所述电芯模组、所述导电弹片、所述PTC和所述防爆阀从下到上依次放置在所述外壳内部，且相邻两个所述电芯模组之间放置有双面镀镍PTC；每个所述电芯模组均包括从下到上依次分布的负极块、电解质隔膜和正极块；

正极盖帽，所述正极盖帽与所述外壳开放顶部焊接为一体。

2.根据权利要求1所述的一种固态叠层高压电池，其特征在于，所述负极块为锂基/铜基活性材质。

3.根据权利要求1所述的一种固态叠层高压电池，其特征在于，所述电解质隔膜为氧氯化锆锂材质。

4.根据权利要求1所述的一种固态叠层高压电池，其特征在于，所述正极块为铝基高镍活性材质。

5.根据权利要求1所述的一种固态叠层高压电池，其特征在于，所述外壳为塑料或金属材质。

6.根据权利要求1所述的一种固态叠层高压电池，其特征在于，所述负极板为导电镀镍钢片。