CN220569726U - 被构造成容易执行soc测量的lfp电池电芯 - Google Patents

被构造成容易执行soc测量的lfp电池电芯 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及被构造成容易执行SOC测量的LFP电池电芯，为了能够容易测量LFP电池电芯的SOC，所述LFP电池电芯包括：电极组件，所述电极组件包括至少一个第一单电芯和至少一个第二单电芯；以及电池壳体，所述电池壳体容纳所述电极组件，其中，所述第一单电芯和所述第二单电芯各自包括在相对的方向上形成的正极接头和负极接头，并且所述第一单电芯的正极接头在与所述第二单电芯的正极接头相同的方向上突出，并且不与所述第二单电芯的正极接头交叠。

Description

被构造成容易执行SOC测量的LFP电池电芯
技术领域
本申请要求于2021年10月18日提交的专利申请号为2021-0138151的韩国专利申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本实用新型涉及一种包括电极组件的LFP电池电芯，该电极组件被构造成使得使用NCM作为正极活性材料的一个单电芯和使用LFP作为正极活性材料的多个单电芯被堆叠，由此容易测量使用LFP作为正极活性材料的电池电芯的SoC。
背景技术
随着手机、笔记本电脑、数码相机等移动装置的技术发展以及对其需求的增加，已经积极地对能够充电和放电的二次电池进行研究。此外，作为替代引起空气污染的化石燃料的能源的二次电池已经应用于电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(P-HEV)和能量存储系统(ESS)。
通常，锂二次电池包括电极组件和被构造成容纳电极组件和电解液的电池壳体。
这里，电极组件通常被分类为：啫喱卷型组件，其被构造成具有长片材型正极和长片材型负极在隔膜被插入其间的状态下被卷绕的结构；堆叠型组件，其被构造成具有矩形正极和矩形负极在隔膜被插入其间的状态下堆叠的结构；堆叠和折叠型电极组件，其被构造成具有使用长分离膜来卷绕单元电芯的结构；或层压和堆叠型组件，其被构造成具有电池电芯在隔膜被插入其间的状态下被堆叠并且然后彼此附接的结构。
在图1和图2中示出了常规堆叠电极组件的一般结构，其中，堆叠多个单电芯，每个单电芯被构造成使得正极10、隔膜30、负极20和隔膜30被依次堆叠。
在堆叠多个单电芯之后，正极接头11通过焊接彼此接合以形成正极接头束，并且负极接头21也彼此接合以形成负极接头束。
锂钴类氧化物、锂镍类氧化物、锂锰类氧化物或锂复合氧化物用作正极活性材料。
传统上，在充电和放电容量和工作电压方面具有优势的锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMnzO2(x+y+z＝1)，NCM)主要用作正极活性材料。然而，随着与电动车辆(EV)领域中的电池安全相关的问题的最近出现，使用表现出相对高的安全性并且具有低的材料成本的磷酸铁锂(LiFePO4，LFP)作为正极活性材料的电池已经引起了关注。
因此，如专利文献1中已经进行了使用磷酸铁锂制造正极活性材料并制造具有应用该正极活性材料的电池的各种尝试。
另外，所制造的电池被用作各种类型的装置的电源，并且关于电池的充电状态(SoC)的准确信息对于稳定地使用电池是至关重要的。
使用各种SoC测量方法，并且广泛使用测量电压的方法，尽管取决于温度而发生错误，但这是最简单的方法。
然而，如图3所示，具有应用到其上的LFP的电池具有在适当的使用时段期间开路电压(OCV)的变化小于另一种锂离子电池的特性。也就是说，电压为平坦的时段较长，由此难以准确地测量SoC。
因此，难以预测应用了LFP的电池的充电状态，并且SoC的测量值可能不同于实际容量。
另外，专利文献2公开了一种校准LFP电池的SoC的方法；然而，包括被构造成单独地接收电压值和电流值、执行校准、并且确定SoC的电压和电流测量单元、温度测量单元、存储器单元和控制器，由此该结构非常复杂。
(现有技术文献)
(专利文献1)韩国专利申请公开号2014-0066414
(专利文献2)韩国专利申请公开号2018-0079771
实用新型内容
技术问题
鉴于上述问题，已经进行本实用新型，并且本实用新型的目的是提供一种被构造成使得能够容易地执行SoC测量的LFP电池电芯。
本实用新型的另一个目的是提供一种被构造成使得改善测量的SoC值的可靠性的LFP电池电芯。
技术方案
根据本实用新型的用于实现上述目的的一种LFP电池电芯，所述LFP电池电芯包括：电极组件，所述电极组件包括至少一个第一单电芯和至少一个第二单电芯；以及电池壳体，所述电池壳体被构造成容纳所述电极组件，其中，所述第一单电芯和所述第二单电芯中的每一者包括正极接头和负极接头，所述正极接头在所述正极接头彼此面对的方向上形成，所述负极接头在所述负极接头彼此面对的方向上形成，并且所述第一单电芯的正极接头在与所述第二单电芯的正极接头相同的方向上突出，但所述第一单电芯的正极接头不与所述第二单电芯的正极接头交叠。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述第一单电芯和所述第二单电芯中的每一者可以是被构造成使得正极、隔膜、负极和隔膜被依次堆叠的单电芯。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述第一单电芯和所述第二单电芯中的每一者可以是被构造成使得负极、隔膜、正极和隔膜被依次堆叠的单电芯。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述第一单电芯的负极接头和所述第二单电芯的负极接头可以彼此交叠以形成负极接头束。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，第一单电芯的正极110可以是使用锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMnzO2，NCM)作为活性材料而形成的。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，第二单电芯的正极210可以是使用磷酸铁锂(LiFePO4，LFP)作为活性材料而形成的。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述电极组件可以仅包括一个所述第一单电芯。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述电极组件可以包括两个或更多个第二单电芯。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述第一单电芯可以位于堆叠的第二单电芯之间。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述电极组件还可以包括半电芯，所述半电芯被构造成使得隔膜、负极和隔膜被依次堆叠在所述电极组件的最上部分和最下部分中的至少一者上。
此外，在根据本实用新型的LFP电池电芯中，所述半电芯可以被堆叠在最外电极是正极的电极组件的最上部分和最下部分中的任一者上。
此外，根据本实用新型的一种制造LFP电池电芯的方法包括以下步骤：a)制造第一单电芯，所述第一单电芯包括使用锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMnzO2，NCM)作为正极活性材料而形成的正极，并且制造第二单电芯，所述第二单电芯包括使用磷酸铁锂氧化物(LiFePO4，LFP)作为正极活性材料而形成的正极，b)堆叠至少一个第一单电芯和至少一个第二单电芯以制造电极组件，以及c)在电池壳体中容纳所述电极组件。
此外，在根据本实用新型的方法中，第一单电芯和第二单电芯中的每一者可以包括正极接头和负极接头，并且第一单电芯的正极接头可以在与第二单电芯的正极接头相同的方向上突出，但是在制造电极组件之后可以不与第二单电芯的正极接头交叠。
此外，在根据本实用新型的方法中，步骤b)可以包括堆叠半电芯，该半电芯被构造成使得隔膜、负极和隔膜被依次形成在电极组件的最上部分和最下面部分中的至少一者上。
有益效果
根据本实用新型的LFP电池电芯的优点在于，包括使用NCM作为正极活性材料而形成的第一单电芯，并且测量第一单电芯的电压，由此可以容易且准确地测量LFP电池电芯的SoC。
此外，根据本实用新型的LFP电池电芯的优点在于，包括半电芯以便制造负极，使得负极的容量更大，由此即使在诸如过充电的情况下也能够抑制锂沉积。
附图说明
图1是示意性地示出由两个堆叠的常规单电芯构成的电极组件的分解立体图。
图2是示意性地示出由两个堆叠的常规单电芯构成的电极组件的立体图。
图3是示意性地示出LFP电池和通用锂离子电池中的每一者的OCV-SoC曲线的曲线图。
图4是示意性地示出根据本实用新型实施方式的由第一单电芯和第二单电芯构成的电极组件的分解立体图。
图5是在根据图4所示的实施方式的单电芯被堆叠的状态下的电极组件的立体图。
图6是根据图5所示的实施方式的电极组件的平面图。
图7是示意性地示出根据本实用新型另一实施方式的由第一单电芯、第二单电芯和半电芯构成的电极组件的分解立体图。
图8是根据图7所示的另一实施方式的单电芯和半电芯被堆叠的状态下的电极组件的立体图。
具体实施方式
在本申请中，应当理解，术语“包括”、“具有”、“包含”等指定所述特征、数字、步骤、操作、元件、组件或其组合的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、组件或其组合。
此外，贯穿附图将使用相同的附图标记来指代执行类似功能或操作的部件。在本说明书中，一个部件被称为连接到另一个部件的情况下，不仅可以直接将一个部件连接到另一个部件，而且还可以经由又一个部件间接地将一个部件连接到另一个部件。另外，包括某一元件并不意味着排除其它元件，而是意味着除非另有说明，否则可进一步包含此类元件。
在下文中，将参照附图详细描述根据本实用新型的LFP电池电芯。
通常，被构造成使得在电池壳体中容纳电极组件和电解液的电池电芯可以根据电池壳体的形状被分类为棱柱形电池电芯、圆柱形电池电芯或袋型电池电芯。
袋型壳体通常被构造成具有包括内层、金属层和外层的层压片材结构。内层被设置成与电极组件直接接触，因此内层必须表现出高绝缘性能和对电解液的高抵抗力。此外，内层必须表现出高密封性，以便将袋型壳体与外部气密密封，即，内层之间的热接合密封部分必须表现出优异的热接合强度。
内层可以由选自聚烯烃类树脂的材料制成，诸如，聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯酸酯、或聚丁烯、聚氨酯树脂和聚酰亚胺树脂，所述材料表现出优异的耐化学性和高密封性。然而，本实用新型不限于此，可以使用表现出优异的机械性能(诸如，拉伸强度、刚性、表面硬度和抗冲击性)以及优异的耐化学性的各种聚合物材料。
设置为与内层邻接的金属层对应于阻挡层，所述阻挡层被构造成防止湿气或各种气体从外部渗透到电池中。轻质且容易成形的铝薄膜可以用作金属层的优选材料。
外层被设置在金属层的另一表面上。外层可以由耐热聚合物制成，该耐热聚合物表现出优异的拉伸强度、耐湿气渗透和耐空气传输，使得外层在保护电极组件的同时表现出高耐热性和耐化学性。作为示例，外层可以由尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成；然而，本实用新型不限于此。
图4是示意性地示出根据本实用新型的实施方式的由第一单电芯和第二单电芯构成的电极组件的分解立体图，图5是在根据图4所示的实施方式的单电芯被堆叠的状态下的电极组件的立体图，并且图6是根据图5所示的实施方式的电极组件的平面图。
参照图4至图6，被应用于LFP电池电芯(该LFP电池电芯被构造成使得容易执行充电状态(SoC)测量)的电极组件1000被构造成具有至少一个第一单电芯100和至少一个第二单电芯200被堆叠的结构。
这里，第一单电芯100是被构造成使得正极110、隔膜130、负极120和隔膜130被依次堆叠并且正极接头111和负极接头121在正极接头和负极接头彼此面对的方向上突出的单电芯。
此外，第二单电芯200是被构造成使得正极210、隔膜230、负极220和隔膜230被依次堆叠并且正极接头211和负极接头221在正极接头和负极接头彼此面对的方向上突出的单电芯。
在图4至图6中，第一单电芯100和第二单电芯200中的每一者被示出为具有正极、隔膜、负极和隔膜被依次堆叠的结构；然而，本实用新型不限于此，并且单电芯中的每一者还可以被构造成使得负极、隔膜、正极和隔膜被依次堆叠。
当第一单电芯100和第二单电芯200被堆叠以形成电极组件时，如图4至图6所示，第一单电芯的正极接头111和第二单电芯的正极接头211在相同的方向上突出但不彼此交叠。
结果，仅第二单电芯的正极接头211彼此交叠以形成正极接头束，并且第一单电芯的正极接头111被单独地定位，如图5所示。
相比之下，第一单电芯的负极接头121和第二单电芯的负极接头221在相同的方向上突出，同时彼此交叠以形成负极接头束。
这里，第二单电芯200的正极210可以使用磷酸铁锂(LiFePO4，LFP)作为活性材料来形成。
如前所述，使用LFP作为正极活性材料的LFP电池电芯在安全性方面具有优势，但是难以使用电压来测量SoC以便检查电池电芯的充电状态。
因此，为了容易地测量LFP电池电芯的SoC，优选的是通过堆叠使用锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMnzO2，NCM)作为正极活性材料而形成的第一单电芯100和第二单电芯200来形成电极组件1000。
这里，优选x、y和z是满足x+y+z＝1的常数；然而，本实用新型不限于此，并且可以使用已知的NCM电池电芯。
当LFP单电芯和NCM单电芯被堆叠时，可以使用NCM(其中电压变化在操作电压时段中线性地发生)准确地测量SoC。也就是说，当电极组件1000仅通过添加第一单电芯100而形成时，可以更准确地测量LFP电池电芯的SoC。
另外，第一单电芯100和第二单电芯200可以使用相同的隔膜130和230以及相同的负极120和220来形成。
图4和图5示出了一个第一单电芯100和两个第二单电芯200在第一单电芯位于两个第二单电芯之间的状态下被堆叠。然而，根据本实用新型的电极组件1000不限于此，并且电极组件1000可以被构造成具有各种其他结构中的任一结构，诸如，包括一个第一单电芯100和三个或更多个第二单电芯200的结构、包括多个第一单电芯100和多个第二单电芯200的结构以及包括一个第一单电芯100和一个第二单电芯200的结构。
当使用一个第一单电芯100和两个或更多个第二单电芯200时，第一单电芯100可以位于电极组件1000的外部。然而，更优选的是，第一单电芯100被插入在第二单电芯200之间，以便提高测量整个电池电芯的SoC的准确性。
图7是示意性地示出根据本实用新型的另一实施方式的由第一单电芯、第二单电芯和半电芯构成的电极组件的分解立体图，并且图8是根据图7所示的另一实施方式的单电芯和半电芯被堆叠的状态下的电极组件的立体图。
除了半电芯被进一步堆叠之外，图7和图8中所示的根据本实用新型的另一实施方式的电极组件在结构上与根据参照图4至图6描述的实施方式的电极组件相同。因此，在下文中，将仅给出与半电芯相关的描述。
半电芯300被构造成使得隔膜330、负极320和隔膜330被堆叠。半电芯300被堆叠的原因在于需要将负极设置为电极组件1000的最外电极。
如上所述，添加半电芯300使得在电极组件1000中负极的数量大于正极的数量的原因是，负极的容量被构造成大于正极的容量，由此即使在过充电的情况下也能够抑制锂沉积。
图7示出了半电芯300位于顶部，然而，其仅是示例，并且显而易见的是，半电芯300可以通过改变或调整构成第一单电芯100和第二单电芯200的正极和负极的位置而位于底部。
包括上述NCM单电芯的LFP电池电芯可以构成电池模块或电池组，以便用于诸如膝上型计算机的移动装置或车辆的电池中。此外，NCM单电芯可以用于测量LFP电池电芯的电压。
在下文中，将描述制造被构造成使得容易执行SoC测量的LFP电池电芯的方法。
LFP电池电芯制造方法包括：a)制造第一单电芯的步骤，该第一单电芯包括使用锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMnzO2，NCM)作为正极活性材料而形成的正极；b)制造第二单电芯的步骤，该第二单电芯包括使用磷酸铁锂氧化物(LiFePO4，LFP)作为正极活性材料而形成的正极；c)堆叠至少一个第一单电芯和至少一个第二单电芯以制造电极组件的步骤；以及d)在电池壳体中容纳电极组件的步骤。
如前所述，优选x、y和z是满足x+y+z＝1的常数；然而，本实用新型不限于此。
在步骤c)中，第一单电芯和第二单电芯中的每一者包括正极接头和负极接头，并且第一单电芯和第二单电芯被堆叠成使得第一单电芯的正极接头和第二单电芯的正极接头在相同的方向上突出但不彼此交叠。
尽管在制造包括使用LiNixCoyMnzO2(NCM)作为正极活性材料而形成的正极的第一单电芯的步骤a)之后执行制造包括使用LiFePO4(LFP)作为正极活性材料而形成的正极的第二单电芯的步骤b)，但是可以同时执行步骤a)和步骤b)，或者在步骤b)之后执行步骤a)。
此外，步骤c)可以包括堆叠半电芯的步骤，该半电芯被构造成使得隔膜、负极和隔膜被依次形成在电极组件的最上部分和最下面部分中的至少一者上。
电解液注入步骤、激活步骤和密封步骤与已知的电池电芯制造步骤相同，因此将省略其详细描述。
尽管已经详细描述了本实用新型的具体细节，但是本领域技术人员将理解，其详细描述仅公开了本实用新型的优选实施方式，因此不限制本实用新型的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本实用新型的类别和技术构思的情况下，各种改变和修改是可能的，并且显而易见的是，这些改变和修改落入所附权利要求的范围内。
(附图标记的描述)
1000：电极组件
100：第一单电芯
110：第一单电芯的正极
111：第一单电芯的正极接头
120：第一单电芯的负极
121：第一单电芯的负极接头
130：第一单电芯的隔膜
200：第二单电芯
210：第二单电芯的正极
211：第二单电芯的正极接头
220：第二单电芯的负极
221：第二单电芯的负极接头
230：第二单电芯的隔膜
300：半电芯
320：半电芯的负极
321：半电芯的负极接头
330：半电芯的隔膜。

Claims (9)

1.一种LFP电池电芯，其特征在于，所述LFP电池电芯包括：
电极组件，所述电极组件包括至少一个第一单电芯和至少一个第二单电芯；以及
电池壳体，所述电池壳体被构造成容纳所述电极组件，
其中，所述第一单电芯和所述第二单电芯中的每一者包括正极接头和负极接头，所述正极接头在所述正极接头彼此面对的方向上形成，所述负极接头在所述负极接头彼此面对的方向上形成，并且
所述第一单电芯的正极接头在与所述第二单电芯的正极接头相同的方向上突出，但所述第一单电芯的正极接头不与所述第二单电芯的正极接头交叠。
2.根据权利要求1所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述第一单电芯和所述第二单电芯中的每一者是被构造成使得正极、隔膜、负极和隔膜被依次堆叠的单电芯。
3.根据权利要求1所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述第一单电芯和所述第二单电芯中的每一者是被构造成使得负极、隔膜、正极和隔膜被依次堆叠的单电芯。
4.根据权利要求1所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述第一单电芯的负极接头和所述第二单电芯的负极接头彼此交叠以形成负极接头束。
5.根据权利要求1所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述电极组件仅包括一个所述第一单电芯。
6.根据权利要求5所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述电极组件包括两个或更多个第二单电芯。
7.根据权利要求6所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述第一单电芯位于堆叠的第二单电芯之间。
8.根据权利要求1所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述电极组件还包括半电芯，所述半电芯被构造成使得隔膜、负极和隔膜被依次堆叠在所述电极组件的最上部分和最下部分中的至少一者上。
9.根据权利要求8所述的LFP电池电芯，其特征在于，所述半电芯被堆叠在最外电极是正极的电极组件的最上部分和最下部分中的任一者上。
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