WO2014032594A1

WO2014032594A1 - 电池

Info

Publication number: WO2014032594A1
Application number: PCT/CN2013/082479
Authority: WO
Inventors: 陈璞; 颜竞; 刘洋
Original assignee: 苏州宝时得电动工具有限公司
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-03-06
Also published as: CN103682476A; CN107293811B; CN107293811A; CN107093773B; CN107093773A; CN103682476B

Abstract

本发明揭示了一种电池，包括壳体，设置于壳体中的正极、负极、水系电解液和隔膜，所述正极包括复合集流体和正极活性物质，所述复合集流体具有相对设置的两面，其中，至少所述复合集流体与所述负极相对的一面上设置有正极活性物质；所述电池包括n对所述正极和负极，n≥2，相邻的两个正极共用位于两个正极之间的负极，相邻的两个负极共用位于两个负极之间的正极，所述正极、负极交替的层叠排列于所述壳体中。本发明提供的电池具有良好的循环性能以及较高的能量，电池有望在大型储能、电网调峰等领域获得广泛的运用。

Description

电池技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种电池。

背景技术

人类对新能源的广泛运用，导致了二次电池市场的急速扩大。当前新能源体系中对二次电池的要求无处不在。无论是电动汽车，风能，太阳能并网还是电网调峰，都急需一种廉价，可靠，安全和寿命长的二次电池。目前所发展的二次电池主要集中在锂离子电池，高温钠硫电池，钠镍氯电池和钒液流电池。这些电池都具有各自的优点，比如裡离子电池和高温钠 υ电池寿命长以及能量密度高，钒液流电池更是理论上具备无限的寿命等。但无论哪种电池，都无法同时满足廉价，可靠，安全和寿命长的要求。传统的锂离子电池过于昂贵，且有安全隐患；高温钠硫电池制造技术门槛高，售价昂贵；钒液流电池多项技术瓶颈目前都未能获得突破等。

为此很多研究者都致力于水系锂离子电池的研究，希望以此大幅降低锂离子电池的成本并提高安全性，并提出了一些以 LiMn₂0₄为正极，钒的氧化物例如 LiV₃0₈等为负极、水为电解液的电池，但因此类负极在水中充放电的稳定性差以及钒具有一定的毒性，从而限制了此类电池的发展。截至目前，已经提出的水系锂离子二次电池的结构都未能摆脱基于锂离子脱出 -嵌入原理的结构，比如已经有报道的 V0₂/LiMn₂0₄ , LiV₃0₈/LiNi。.₈₁Co。.₁₉0₂ , TiP₂0₇/LiMn₂0₄ , LiTi₂(P0₄)₃/LiMn₂0₄ , LiV₃0₈/LiCo0₂等。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、低成本、安全可靠及循环寿命较长的电池。

本发明提供了一种电池，包括壳体，设置于所述壳体中的正极、两个负极、水系电解液和隔膜，所述正极包括复合集流体和正极活性物质，所述复合集流体包括正极集流体和包覆在所述正极集流体上的导电膜，所述复合集流体具有相对设置的第一面和第二面，所述正极活性物质设置在所述第一面和第二面上，所述正极活性物质能够可逆脱出 -嵌入离子；所述负极选自金属、合金或碳基材料；所述水系电解液包括电解质，所述电解质至少能够电离出活性离子，所述活性离子在充电时被还原沉积在所述负极形成负极活性物质，所述负极活性物质在放电时被氧化溶解在所述水系电解液中；所述隔膜保持所述水系电解液；所述正极和负极层叠排布于所述壳体中，所述正极置于所述两个负极之间，所述两个负极共用所述正极，所述隔膜位于所述正极和负极之间。

本发明还提供了一种电池，包括壳体，设置于所述壳体中的两个正极、负极、水系电解液和隔膜，所述正极包括复合集流体和正极活性物质，所述复合集流体包括正极集流体和包覆在所述正极集流体上的导电膜，所述复合集流体具有相对设置的第一面和第二面，所述第一面与所述负极相对，至少所述第一面上设置有所述正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出 - 嵌入离子；所述负极选自金属、合金或碳基材料；所述水系电解液包括电解质，所述电解质至少能够电离出活性离子，所述活性离子在充电时被还原沉积在所述负极形成负极活性物质，所述负极活性物质在放电时被氧化溶解在所述水系电解液中；所述隔膜保持所述水系电解液；所述正极和负极层叠排布于所述壳体中，所述负极置于所述两个正极之间，所述两个正极共用所述负极，所述隔膜位于所述正极和负极之间。

本发明还提供了一种电池，包括壳体，设置于所述壳体中的正极、负极、水系电解液和隔膜，所述正极包括复合集流体和正极活性物质，所述复合集流体包括正极集流体和包覆在所述正极集流体上的导电膜，所述复合集流体具有相对设置的两面，其中，至少所述复合集流体与所述负极相对的一面上设置有正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出 -嵌入离子；所述电池包括 n对所述正极和负极， n>2 , 相邻的两个正极共用位于两个正极之间的负极，相邻的两个负极共用位于两个负极之间的正极；所述负极选自金属、合金或碳基材料；所述水系电解液包括电解质，所述电解质至少能够电离出活性离子，所述活性离子在充电时被还原沉积在所述负极形成负极活性物质，所述负极活性物质在放电时被氧化溶解在所述水系电解液中；所述隔膜保持所述水系电解液；所述正极、负极交替的层叠排列于所述壳体中，所述隔膜位于所述正极和负极之间。

本发明提供的电池可以很好的解决自放电问题，电池操作安全、制作方式简单、循环性能优良并且寿命长久，同时可以根据使用需求设置具有不同输出放电容量的电池，电池具有广泛的用途。

优选的，所述壳体为方形。优选的，所述正极、隔膜和负极形成平板状。

优选的，所述正极、隔膜和负极卷绕成形。

优选的，所述壳体为圆柱筒形，所述正极、所述隔膜和所述负极以及所述壳体同轴排列。

优选的，所述正极、所述隔膜与所述负极通过卷绕形成圆柱形设置于所述壳体内。

优选的，所述导电膜的材料包括聚合物和导电填料。

优选的，所述聚合物选自聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚酰胺，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲醛，聚苯醚，聚砜，聚醚砜、丁苯橡胶或氟树脂中的至少一种。

优选的，所述导电填料选自导电聚合物、碳基材料或金属氧化物。

优选的，所述导电膜的材料选自导电聚合物。

优选的，所述壳体设置为铝塑膜。

优选的，所述壳体上设有补液口，所述补液口用于补充所述水系电解液。优选的，所述电池还包括用于控制所述壳体内压力的安全阔。

优选的，所述正极活性物质具有尖晶石结构、层状结构或橄榄石结构。优选的，所述正极集流体的材料选自玻璃碳、石墨箔、石墨片、碳布、碳毡、碳纤维中的一种，或 Ni、 Al、 Fe、 Cu、 Pb、 Ti、 Cr、 Mo、 Co、 Ag或经过飩化处理的上述金属中的一种，或不锈钢、碳钢、 A1合金、 Ni合金、 Ti 合金、 Cu合金、 Co合金、 Ti-Pt合金、 Pt-Rh合金或经过飩化处理的上述合金中的一种。

优选的，所述负极的材料选自金属 Zn、 Ni、 Cu、 Ag、 Pb、 Sn、 Fe、 Al 或经过飩化处理的所述金属中的至少一种，或含有上述金属的合金中的至少一种，或石墨箔、石墨片、碳布、碳毡、碳纤维中的至少一种，或铜镀锡，或黄铜。

优选的，所述活性离子包括金属离子，金属选自 Zn、 Fe、 Cr、 Cu、 Mn、 Ni、 Sn中的至少一种。

优选的，所述活性离子以盐酸盐、硫酸盐、醋酸盐、硝酸盐或甲酸盐中的至少一种形式存在于所述水系电解液中。

本发明还提供了一种电池，包括壳体，设于所述壳体内的正引出电极、至少一个双极性电极、负引出电极和水系电解液，所述正引出电极包括正极集流体和设置在所述正极集流体一面的正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出 -嵌入离子；所述双极性电极设置在所述正引出电极和负引出电极之间，所述双极性电极包括双极性集流体和所述正极活性物质，所述双极性集流体有相对设置的第一面和第二面，所述正极活性物质设置在所述双极性集流体的第一面上；所述水系电解液包括电解质，所述电解质至少能够电离出活性离子，所述活性离子在充电时被还原沉积在所述双极性集流体的第二面形成负极活性物质，所述负极活性物质在放电时被氧化溶解在所述水系电解液中；所述负引出电极选自金属、合金或碳基材料；所述水系电解液设置在所述正引出电极和负引出电极之间；所述正引出电极、双极性电极和负引出电极层叠排布于所述壳体中。

本发明提供的一种电池操作安全、制作方式简单、循环性能优良并且寿命长久，同时可以根据使用需求设置具有不同输出电压的电池，电池具有广泛的用途。

优选的，所述壳体设置为方形。

优选的，所述正引出电极、所述双极性电极和所述负引出电极形成平板状。

优选的，所述电池还包括隔膜，所述隔膜保持所述水系电解液。

优选的，所述正极集流体上包覆有导电膜。

优选的，所述双极性集流体的外周部设置有用于密封所述水系电解液的密封部。

优选的，所述双极性集流体的材料包括导电塑料、不锈钢或经过飩化处理的不锈钢。

优选的，所述导电塑料的材料选自导电聚合物。

优选的，所述导电塑料的材料包括聚合物和导电剂。

优选的，所述壳体设置为铝塑膜。

优选的，所述壳体上设有补液口，所述补液口用于补充所述电解液。优选的，所述电池还包括用于控制所述壳体内压力的安全阔。

优选的，所述负引出电极的材料选自金属 Zn、 Ni、 Cu、 Ag、 Pb、 Sn、 Fe、 Al或经过飩化处理的所述金属中的至少一种，或含有上述金属的合金中的至少一种，或石墨箔、石墨片、碳布、碳毡、碳纤维中的至少一种，或铜镀锡，或黄铜。

本发明还提供了一种电池，包括壳体，设于所述壳体内的正极、隔膜、负极和水系电解液，所述正极包括正极集流体和参与电化学反应的正极活性物质，所述正极活性物质包括能够可逆脱出 -嵌入离子的化合物；所述负极选自金属、合金或碳基材料；所述水系电解液包括电解质，所述电解质至少能够电离出活性离子，所述活性离子在充电时被还原沉积在所述负极形成负极活性物质，所述负极活性物质在放电时被氧化溶解在所述水系电解液中；所述正极、所述隔膜和所述负极层叠排布于所述壳体中，所述隔膜位于所述正极和所述负极之间。

本发明提供的电池，电池结构简单、操作安全，生产成本低，具有可观的使用寿命，适合作为大型储能领域的储能体系以及铅酸电池的替代品。

优选的，所述壳体为方形。

优选的，所述正极、隔膜和负极形成平板状。

优选的，所述正极、隔膜和负极卷绕成形。

优选的，所述壳体为铝塑膜。

优选的，所述活性离子包括金属离子，金属选自 Zn、 Fe、 Cr、 Cu、 Mn、 Ni、 Sn 中的至少一种。

本发明还提供了电池，包括壳体，设于所述壳体内的正极、隔膜、负极和水系电解液，所述正极包括正极集流体和参与电化学反应的正极活性物质，所述正极活性物质包括能够可逆脱出-嵌入离子的化合物；所述负极选自金属、合金或碳基材料；所述水系电解液包括电解质，所述电解质至少能够电离出活性离子，所述活性离子在充电时被还原沉积在所述负极形成负极活性物质，所述负极活性物质在放电时被氧化溶解在所述水系电解液中；所述正极、所述隔膜和所述负极层叠排布于所述壳体中，所述隔膜位于所述正极和所述负极之间。

本发明提供的电池，具有能量密度高，安全无毒，环保，容易回收且成本低廉，本发明中的电池作为新一代的绿色能源，非常适合作为大型储能领域的储能体系以及铅酸电池的替代品。

优选的，所述壳体设置为圆柱筒形，所述正极、隔膜和所述负极以及所述壳体同轴排列。

优选的，所述正极、隔膜与负极通过卷绕形成圆柱形设置于所述壳体内。优选的，所述负极和所述隔膜均为圆柱筒形，所述正极集流体为圆柱形，所述正极活性物质设置于所述隔膜与所述正极集流体之间。

优选的，所述电池还包括固定环，所述固定环固定所述正极集流体、所述隔膜、所述负极以及所述壳体；所述固定环的材质为聚氯乙烯，所述固定环为两个，分别设置于所述壳体的两端。

优选的，所述固定环包括上层环和下层环，所述上层环和所述下层环为一体成型，所述上层环固定所述正极集流体与所述隔膜，所述下层环固定所述隔膜与所述负极。优选的，所述上层环的外径与所述负极的内径相同，所述上层环的内径与所述正极集流体的直径相同；所述下层环的外径与所述隔膜的内径相同，所述下层环的内径与所述正极集流体的直径相同。

优选的，所述壳体为铝塑膜。

附图说明

图 1是实施方式一提供的电池整体结构的剖面示意图；

图 2是图 1 中复合集流体的结构示意图；

图 3是图 1 中电芯的结构示意图，其中，概略的示出了电池单元；图 4是实施方式二提供的电池整体结构的剖面示意图；

图 5是实施方式二提供的电池整体结构的剖面示意图，其中，复合集流体相对设置的两面上均设置有正极活性物质；

图 6是实施方式三提供的电池整体结构的剖面示意图，其中，电池包括两对正极和负极；

图 7是实施方式三提供的电芯的剖面示意图，其中，位于最外层的正极复合集流体相对设置的两面上均设置有正极活性物质；图 8是实施方式三提供的电池整体结构的剖面示意图，其中，正极和负极的对数大于 2;

图 9是实施方式四提供的电池整体结构的剖面示意图；

图 10是图 9 中双极性电极的结构示意图；

图 11是图 9 中电池结构的示意图，其中，概略的示出了电池单元；图 12是实施方式四提供的电池的充电原理示意图；

图 13是实施方式五提供的电池整体结构的剖面示意图；

图 14是图 13 中电池结构示意图，其中，概略的示出了电池单元；图 15疋头施方式六提供的电池整体结构的剖面示意图；

图 16疋头施方式七提供的电池整体结构的剖面示意图；

图 17疋头施方式八提供的电池的结构示意图；

图 18是实施方式八提供的电池的结构示意图，隔隔膜膜以以 ZZ字字型型折折叠叠:；图 19是图 18 中电池的展开状态示意图；

图 20疋头施方式八提供的电池的结构示意图，其其中中，，电电池池卷卷绕绕成成形图 21是实施方式九中电池的结构拆分示意图；

图 22是图 21 中电池中固定环的结构示意图；

图 23为实施例 1提供的电池充放电循环性能图。

其巾：

1.电池 2, 72.正极 4, 74, 160.负极

6, 78.水系电解液 8.复合集流体 10, 82.正极活性物质

12, 80, 152.正极集流体 14.导电膜 16, 76, 156.隔膜

20.电池单元 22, 70.壳体 24, 84.盖体

26, 86.密封帽 28, 88.安全阔 81.第一面

82.第二面 30, 40, 50.电池 100.电池

52.双极性电极 54.正引出电极 56.双极性集流体

61.第一面 62.第二面 58.负引出电极

60.密封部 64, 68.电池单元 90.平面

110, 120, 130.电池 140, 150.电池 92.弧形部

94.正极卷绕终止端 96.负极卷绕终止端 154.固定环

158.正极活性物质 162.上层环 164.下层环具体实施方式

本发明提供的电池具有较高的能量密度，稳定的循环性能，在如手机、笔记本电脑等便携式电子产品，电动汽车，电动工具等领域具有可观的应用前景。

【具有内部并联结构的电池】

一种电池，电池具有内部并联结构。下面结合附图以及具体实施方式来阐述具有内部并联结构的电池。

实施方式一

请参阅图 1所示，一种电池 1 , 包括壳体 22 ,设置于壳体 22中的正极 2、两个负极 4、水系电解液 6和隔膜 16。正极 2和负极 4层叠排布于壳体中 22 , 正极 2置于两个负极 4之间，两个负极 4共用正极 2 , 隔膜 16位于正极 2和负极 4之间，隔膜 16保持水系电解液 6。

壳体 22可设置为金属、塑料或金属与塑料的复合膜，如钢、铝、丙烯腈 -丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS)、聚丙烯（PP)、尼龙或铝塑膜等。优选的，壳体 22设置为铝塑膜，从而使得壳体较薄，减少电池重量的同时，也增加了电池内部的空间。铝塑膜包括一层铝片和设置于铝片一侧的塑料片。优选的，铝塑膜包括一层铝片和设置于铝片两侧的第一层塑料片和第二层塑料片。

壳体 22可以设置为方形。

具体的，按照负极 4、隔膜 16、正极 2、隔膜 16和负极 4的次序层叠排布形成平板状，置于壳体 22中，如图 1所示。从而，电池 1可设计为方形电池，如长方体或正方体。该电池结构简单、方便制造、成本简单。

另外，按照负极 4、隔膜 16、正极 2、隔膜 16和负极 4的次序层叠排布形成平板状，然后卷绕成形，从而形成平板状电芯。优选的，正极 2、隔膜 16和负极 4均设置为长条状。根据电池设计需要卷绕成不同的圏数。

壳体还可以设置为圆柱筒形（未图示）。

具体的，按照负极 4、隔膜 16、正极 2、隔膜 16和负极 4的次序层叠排布形成平板状，然后通过卷绕形成圆柱形电芯设置于壳体内，正极 2、隔膜 16、负极 4和壳体同轴排列。从而，电池可设计为圆柱形电池，电池结构简单，方便制造。

具体到实施方式一中，电池还包括与壳体 22 相连接的盖体 24 , 正极 2 延伸穿出盖体 24 , 正极 2延伸穿出盖体 24的端部设有密封帽 26。密封帽 26 需要具有较好的导电性和化学稳定性。另外，密封帽 26还可防止水系电解液从正极 2穿出的孔蒸发，从而减少水系电解液 6的消耗。正极 2与外电路相连接。

负极 4也延伸穿出盖体 24 , 从而与外电路连接。同样，负极 4延伸穿出盖体 24的端部设有密封帽（未图示）。

另外，电池 1在充电过程中，尤其是快接近充电后期时，由于水系电解液 6 的分解，会产生氢、氧气体，电池壳体内的压力也会上升，当压力上升到一定值，电池壳体 22会发生变形。因此，电池 1 还包括用于控制壳体 22 内压力的安全阔 28。当电池的壳体 22 内的压力到达预设的开阔压时，安全阔 28打开，将压力释放，防止壳体 22变形，从而提高了电池 1 的寿命和安全性。

另外，当壳体 22 内的压力到达预设的闭阔压时，安全阔 28 闭合，防止内部气体向外泄露。同时，也防止外部空气进入壳体 22 内造成不良影响。且还可以防止析出的氢气遇明火时产生回火，从而引爆壳体 22 内部气体。

壳体 22上还可设置有用于补充水系电解液 6 的补液口（未图示）。这样，当水系电解液消耗时，可通过补液口注入电解液。

优选的，补液口为安装安全阀 28处的安装孔（未图示）。

正极 2设置在两个负极 4之间，正极 2与负极 4之间设置有水系电解液 6 , 正极 2 包括复合集流体 8和正极活性物质 10 , 复合集流体 8具有相对设置的第一面 81和第二面 82 , 正极活性物质 10设置在第一面 81和第二面 82 上，如图 2所示。

正极 2的制作方式没有特别限制，正极活性物质 10可以是通过涂覆的方式附着于复合集流体 8上，例如将正极活性物质 10制成浆料，然后通过拉浆法涂覆在复合集流体 8上；还可以通过层叠的方式将正极活性物质 10附着于复合集流体 8上，例如将按预定大小成型的复合集流体 8和正极活性物质 10 进行压制，使正极活性物质 10与复合集流体 8之间电接触良好，形成正极 2。正极活性物质 10的涂覆密度范围为 100- 1000g/m²。

具体的，正极活性物质 10具有尖晶石结构、层状结构或橄榄石结构。具体的，正极活性物质 10能够可逆脱出 -嵌入锂离子、钠离子或镁离子。正极活性物质 10可以是符合通式 Li_{1 +x}Mn_yM_zO_k的能够可逆脱出 -嵌入锂离子的尖晶石结构的化合物，其中， - l≤x≤0.5 , 1 < y <2.5 , 0< z <0.5 , 3< k <6 , M选自 Na、 Li、 Co、 Mg、 Ti、 Cr、 V、 Zn、 Zr、 Si、 Al、 Ni中的至少一种。优选的，正极活性物质含有 LiMn₂0₄。更优选的，正极活性物质含有经过掺杂或包覆改性的 LiMn₂0₄。

正极活性物质 10 可以是符合通式 Li_{1 +x}M_yM'_zM"_c0_2+n 的能够可逆脱出- 嵌入裡离子的层状结构的化合物，其中， - l < x≤0.5 , 0< y <1 , 0< z <1 , 0< c < 1 , -0.2< n <0.2 , M , Μ' , Μ"分别选自 Ni、 Mn、 Co、 Mg、 Ti、 Cr、 V、 Zn、 Zr、 Si或 Al的中至少一种。优选的，正极活性物质含有 LiCo0₂。

正极活性物质 10 可以是符合通式 LixM yM' XC^ 的能够可逆脱出-嵌入裡离子的橄榄石结构的化合物，其中， 0< x≤2 , 0< y <0.6 , 1 < n < 1 .5 , M 选自 Fe、 Mn、 V或 Co , M'选自 Mg、 Ti、 Cr、 V或 Al的中至少一种， X选自 S、 P或 Si中的至少一种。优选的，正极活性物质含有 LiFeP0₄。

目前锂电池工业中，几乎所有正极活性物质都会经过掺杂、包覆等改性处理。但掺杂，包覆改性等手段造成材料的化学通式表达复杂，如 LiMn₂0₄ 已经不能够代表目前广泛使用的 "锰酸锂 "的通式，而应该以通式 Li_{1 +x}Mn_yM_zO_k为准，广泛地包括经过各种改性的 LiMn₂0₄正极活性物质。同样的， LiFeP0₄以及 LiCo0₂也应该广泛地理解为包括经过各种掺杂、包覆等改性的，通式分别符合 Li_xMi__yM'_y(X0₄)_n ^ Li_{1 +x}M_yM'_zM"_c0_2+n的正极活性物质。

正极活性物质 10 为裡离子脱出-嵌入化合物时，可以选用如 LiMn₂0₄、 LiFeP0₄、 LiCo0₂、 LiM_xP0₄、 LiM_xSiO_y (其中 M为一种变价金属）等化合物。

此外，可脱出-嵌入钠离子的化合物 NaVP0₄F , 可脱出-嵌入镁离子的化合物 MgM_xO_y (其中 M为一种金属， 0.5< x <3 , 2< y <6)以及具有类似功能，能够脱出 -嵌入离子或官能团的化合物都可以作为本发明电池的正极活性物质，因此，本发明并不局限于锂离子电池。

在具体的实施方式中，在制备正极时，还会在正极浆料中添加粘结剂，粘结剂有利于使正极活性物质 10均匀的粘结在一起。粘结剂在正极浆料中固含量的重量百分比范围为 0.5- 10%。具体的，粘结剂选自但不仅限于聚合物，聚合物选自聚四氟乙烯（PTFE)、聚偏氟乙烯（PVDF)、羧曱基纤维素钠（CMC)、羧曱基纤维素钠衍生物（CMC derivation) , 丁苯橡胶（SBR)、丁苯橡胶衍生物 (SBR derivation)中的至少一种。丁苯橡胶衍生物如通过化学修饰获得的具有亲水性的丁苯橡胶（PSBR100)。在具体的实施方式中，在制备正极时，还会在正极浆料中添加导电剂，导电剂主要起到提高正极活性物质 10的导电子能力，导电剂在正极浆料中固含量的重量百分比范围为 0.5-30%。导电剂包括选自导电聚合物、碳纳米管、活性碳、石墨烯、碳黑、石墨、碳纤维、导电陶瓷中的至少一种。碳黑包括但不仅限于乙炔黑、科琴碳黑（Ketjen black , KB )以及 super-p碳黑。导电剂还可以包括金属氧化物。金属氧化物包括但不仅限于氧化铅和氧化锡。

图 2 为复合集流体 8 的概略示意图，复合集流体 8 包括正极集流体 12 和包覆在正极集流体 12上的导电膜 14。

包覆在正极集流体 12上的导电膜 14必须满足在水系电解液中可以稳定存在、不溶于电解液、不发生溶胀、高电压不能被氧化、易于加工成致密、不透水并且导电的膜。一方面，导电膜对正极集流体可以起到保护作用，避免水系电解液对正极集流体的腐蚀。另一方面，有利于降低正极活性物质与正极集流体之间的接触内阻，提高电池的能量。

为了有效的发挥导电膜 14的作用，导电膜 14的厚度需要有效的控制。导电膜 14厚度太薄容易破损，厚度均一性也不好，并且水系电解液 6容易穿透；导电膜 14太厚则影响导电能力。优选的，导电膜 14的厚度为 10 μηι-2ηιηι , 导电膜 14不仅能够有效的起到保护正极集流体 12的作用，而且有利于降低正极活性物质 10与正极集流体 12之间的接触内阻。

正极集流体 12 具有相对设置的第一面和第二面，优选的，正极集流体 12的第一面和第二面均包覆有导电膜 14。

导电膜 14可以通过粘结剂粘接、热压复合或抽真空的方法包覆在正极集流体 12上，示例的，将正极集流体 12置于两片导电膜 14之间，通过加热复合，使导电膜 14 包覆正极集流体 12 , 并保证导电膜 14 比正极集流体 12多出的部分密封完好。

导电膜 14 包含作为必要组分的聚合物，聚合物占导电膜的重量比重为 50-95 % , 优选的，聚合物选自热塑性聚合物。为了使导电膜能够导电，有两种可行的形式：（1 )聚合物为导电聚合物；（2)导电膜还包含导电填料。

导电聚合物选材要求为具有导电性能但电化学惰性，即不会作为电荷转移介质的离子导电。具体的，导电聚合物包括但不仅限于聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯硫醚、聚苯胺、聚丙烯腈、聚喹啉、聚对苯撑（polyparaphenylene) 及其任意混合物。导电聚合物本身就具有导电性，但还可以对导电聚合物进行掺杂或改性以进一步提高其导电能力。从导电性能和电池中的稳定使用考量，导电聚合物优选聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚乙炔。

同样的，导电填料的选材要求为表面积小、难于氧化、结晶度高、具有导电性但电化学惰性，即不会作为电荷转移介质的离子导电。

导电填料的材料包括但不仅限于导电聚合物、碳基材料或金属氧化物。导电填料在导电膜中的质量百分比范围为 5-50%。导电填料的平均粒径并没有特别限定，通常范围在 l OOnm到 100μηι。

优选的，导电填料为碳基材料，碳基材料的形态或机械性能没有特别要求，示例的，碳基材料选自石墨、碳纳米管或无定形碳中的一种。无定形碳包括但不仅限于活性炭和碳黑。碳基材料优选碳黑和石墨，其具有大电位窗口，从而对较宽范围的正负极电势稳定并具有高的导电性。金属氧化物包括但不仅限于氧化铅、氧化锡。

当导电膜中包含导电填料时，导电膜中的聚合物优选包含起到结合导电填料作用的非导电聚合物，非导电聚合物增强了导电填料的结合，改善了电池的可靠性。优选的，非导电聚合物为热塑性聚合物。

具体的，热塑性聚合物包括但不仅限于聚烯烃如聚乙烯、聚丙烯，聚丁烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚酰胺，聚碳酸酯，聚曱基丙烯酸曱酯，聚曱醛，聚苯醚，聚砜，聚醚砜、丁苯橡胶或聚偏氟乙烯中的一种或多种。其中，优选为聚烯烃、聚酰胺和聚偏氟乙烯。这些聚合物容易通过热而熔化，因此容易与正极集流体和正极片复合在一起。此外，这些聚合物具有大电位窗口，从而使正极稳定并为电池输出密度节省重量。

具体的，可以通过制备含有热塑性聚合物的浆料并涂布和固化浆料来形成导电膜。当然，导电填料可以额外的包含于浆料中，具体的，将聚合物和导电填料以一定的复合方式如分散复合、层级复合进行加工获得具有导电性能的导电膜。优选的，将聚合物单体和导电填料混合，由于聚合物单体为小分子，导电填料能够很好的分散在聚合物单体中，然后在引发剂的作用下使聚合物单体发生聚合，制备导电膜。

正极集流体 12主要是作为电子传导和收集的载体，不参与电化学反应，即在电池 1工作电压范围内，正极集流体 12能够稳定的存在于水系电解液 6 中，从而保证电池 1具有稳定的循环性能。正极集流体 12需要满足表面积大、机械性能好、导电性能好等要求。正极集流体 12的材料包括碳基材料、金属或合金中的一种。

碳基材料选自玻璃碳、石墨箔、石墨片、泡沫碳、碳毡、碳布、碳纤维中的一种。在具体的实施方式中，正极集流体为石墨，如商业化的石墨压制的箔，其中石墨所占的重量比例范围为 90- 100%。

金属包括 Ni、 Al、 Fe、 Cu、 Pb、 Ti、 Cr、 Mo、 Co、 Ag或经过飩化处理的上述金属中的一种。在具体的实施方式中，正极集流体 12为泡沫镍。含有泡沫镍的复合集流体，在水系电解液 6 中不易被腐蚀，从而使得含有这种复合集流体 8的正极 2性能更加稳定。

将金属进行飩化处理的主要目的是使金属的表面形成一层飩化膜，从而在电池充放电过程中，能起到稳定的收集和传导电子的作用，而不会参与正极反应，保证电池性能。

合金包括不锈钢、碳钢、 A1合金、 Ni合金、 Ti合金、 Cu合金、 Co合金、 Ti-Pt合金、 Pt-Rh合金或经过飩化处理的上述金属中的一种。

不锈钢包括不锈钢网、不锈钢箔，不锈钢的型号包括但不仅限于不锈钢 304或者不锈钢 316或者不锈钢 316L中的一种。

同样的，将不锈钢进行飩化处理也是使其能够稳定的起到收集和传导电子的作用，而不会参与电极反应，保证电池性能。在具体实施方式中，飩化不锈钢的具体过程为：在 50 °C下，将不锈钢置入 20%的硝酸中半小时，使不锈钢表面形成一层飩化膜。飩化后的不锈钢作为集流体使用。

正极集流体 12 的厚度对正极 2 的电化学性能有一定影响，正极集流体 12的厚度太薄，会影响正极集流体 12的机械强度；正极集流体 12的厚度太厚，会增加正极 2的重量，从而影响正极 2的能量密度，在本发明中，为了使电池具有高的能量密度输出，优选的，正极集流体 12的厚度为 10μηι- 100μηι。

优选的，在使用正极集流体 12之前，正极集流体 12经过飩化、冲孔、打磨或弱酸腐蚀处理，经过处理的正极集流体 12具有较大的比表面积，有利于提高正极集流体 12 和导电膜 14 的复合程度，从而降低正极活性物质 10 和复合集流体 8之间的接触内阻。

在本发明中，正极 2釆用复合集流体 8 , 即在正极集流体 12的表面包覆导电膜 14 , 导电膜 14 釆用具有优异导电性能的聚合物或复合聚合物，一方面，导电膜 14能够进一步提高正极集流体 12的导电子能力，从而提高电池大倍率性能；另一方面，包覆在正极集流体 12 上的导电膜 14 , 避免了正极集流体 12与水系电解液 6直接接触，解决了水系电解液 6对正极集流体 12 潜在的腐蚀问题，保证正极集流体 12的稳定性，解决电池 1可能的自放电问题，从而使电池 1具有稳定的循环性能。

负极 4选自金属、合金或碳基材料，负极集流体的厚度范围为 20至 500μηι。具体的，负极 4选自金属 Zn、 Ni、 Cu、 Ag、 Pb、 Sn、 Fe、 Al或经过飩化处理的金属中的至少一种，或含有上述金属的合金中的至少一种，或石墨箔、石墨片、碳布、碳毡、碳纤维中的至少一种，或铜镀锡，或黄铜。

在一个负极 4的实施方式中，负极 4仅包括负极集流体，负极集流体作为电子传导和收集的载体，不参与电化学反应。负极集流体的材料选自但不仅限于金属 Cu、 Ag、 Pb、 Sn、 Fe、 Al或经过飩化处理的上述金属中的至少一种，或者碳基材料，或者不锈钢。其中，碳基材料包括石墨材料，比如商业化的石墨压制的箔，其中石墨所占的重量比例范围为 90- 100%。不锈钢材料包括但不仅限于不锈钢 304或者不锈钢 316或者不锈钢 316L。

负极 4还可以选自含有析氢电位高的镀 /涂层的金属，从而降低负极副反应的发生。镀 /涂层选自含有 C、 Sn、 In、 Ag、 Pb、 Co、 Zn 的单质，合金，或者氧化物中至少一种。镀 /涂层的厚度范围为 l - 1000nm。例如：在铜的负极集流体表面镀上铅或银，或者以涂覆的形式覆盖一层碳。

在另一个负极 4的实施方式中，负极 4仅包括负极集流体，但是负极集流体的选材与电解液中活性离子的对应，即负极集流体的材料为活性离子的单质，如电解液中活性离子为 Ζη²⁺ , 负极 4对应为金属 Zn。此时，负极 4不仅是作为活性离子的沉积载体，同时也可以参与电池反应。

在另一个负极 4的实施方式中，负极 4包括负极集流体和负极活性物质，负极活性物质的选材与电解液中活性离子的对应，即负极活性物质的材料为活性离子的单质，如电解液中活性离子为 Zn²⁺ ,负极活性物质对应为金属 Zn。示例的，负极 4 包括黄铜箔和锌箔，黄铜箔作为负极集流体，锌箔对应负极活性物质，可参与负极 4反应。

水系电解液 6 包括电解质，电解质至少能够电离出活性离子，活性离子在充电时被还原沉积在负极 4 形成负极活性物质（未图示），负极活性物质在放电时被氧化溶解在水系电解液 6 中。

活性离子包括金属离子，金属选自 Zn、 Fe、 Cr、 Cu、 Mn、 Ni、 Sn中的至少一种。在优选的实施方式中，活性离子为 Zn²⁺。活性离子的浓度范围为 0.5- 15mol/L。

更优选的，水系电解液 6 中还包括一种电解质，这种电解质可以电离出对应在正极能够发生可逆脱出-嵌入的离子。

水系电解液 6中含有能够可逆脱出-嵌入的离子，从而可以提高正极活性物质 10与水系电解液 6 中离子交换速度。具体的，正极活性物质 10为能够可逆脱出-嵌入锂离子的化合物，电解质中对应的还包括能够电离出锂离子的锂盐。可逆脱出-嵌入的离子包括锂离子或钠离子或镁离子，可逆脱出 -嵌入的离子在水系电解液中的浓度范围为 0.1 - 10mol/L。

活性离子以盐酸盐、硫酸盐、醋酸盐、硝酸盐或甲酸盐中的至少一种形式存在于水系电解液中。

为了保证电池容量，水系电解液 6 中的活性离子的浓度必须达到一定范围，当水系电解液过碱时，会影响电解液中活性离子的溶解度；当水系电解液过酸时，则会出现电极材料腐蚀和充放电过程中质子共嵌入等问题，因此，水系电解液的 pH值范围为 3-7。

隔膜 16设置在正极 2与负极 4之间，一方面，隔膜 16防止电池 1短路；另一方面，隔膜 16可以保持水系电解液 6 , 具体的，将负极 4、隔膜 16、正极 2、隔膜 16和负极 4层叠排列好后，将其置于壳体 22 , 注入一定量的水系电解液 6后封装，隔膜 16浸泡在水系电解液 6 中，即隔膜 16 中吸收了水系电解液 6 , 保证了正极 2和负极 4之间的离子传导路径；除此之外，也可以先将隔膜 16 浸泡在水系电解液 6 中，然后再将吸收了水系电解液 6 的隔膜 16放置在正极 2和负极 4之间。

隔膜 16可以使用多孔隔膜、无纺织布或玻璃纤维。多孔隔膜包括但不仅限于聚乙婦（PE)、聚丙婦（PP) , 聚酰亚胺中的一种，或 PE-PP、 PP-PE-PP 的叠层隔膜。无纺织布包括但不仅限于人造丝、醋酸纤维、尼龙。水系电解液在隔膜中的含浸量可以在隔膜的保持能力范围内，也可以超过保持范围，因为电池 1设置有壳体，可以防止水系电解液 6泄漏。

请参阅图 1和图 3所示，正极 2层叠地设置在负极 4之间，负极 4共用正极 2 , 电子从正极集流体 12和负极 4导出或导入，电池 1相当于 2个电池单元 20 内部并联，在每个电池单元 20中都有正极 2、负极 4、水系电解液 6 和隔膜 16 , 隔膜 16保持水系电解液 6。在本发明提供的电池结构中，由于电池单元 20之间是并联的，水系电解液 6可以在任意电池单元 20 中穿梭而不会造成电池单元 20短路，电池 1 能够正常、稳定的工作。

本发明提供的电池的充放电原理为：在一个电池单元 20中，充电时，能够可逆脱出 -嵌入离子的正极活性物质 10 中脱出该离子，同时水系电解液 6 中的活性离子在负极 4得到电子被还原，并沉积在负极 4上，形成负极活性物质。放电过程则为充电的逆过程。

本发明中，正极 2釆用复合集流体 8 , 包覆在正极集流体 12上的导电膜 14相当于保护膜，可以有效的防止水系电解液 6对正极集流体 12 的腐蚀，改善电池 1 自放电的影响。除此之外，相对于现有技术中以独立电池单元并联构成的电池，本发明中巧妙的仅釆用一个正极 2构成具有并联结构的电池 1 , 两个负极 4共用一个正极 2 , 充分的利用了复合集流体 8 的第一面 81 和第二面 82 , 并在第一面 81和第二面 82上同时设置正极活性物质 10 , 不仅节约了正极材料，而且使电池 1 结构更加紧凑，减轻了电池 1 的重量，因此本发明中的电池 1 具有优异的能量密度和功率密度。除此之外，本发明中的电池 1 釆用水系电解液 6 , 相对于目前商业化的釆用有机系电解液的锂离子电池更加安全、环保。

本发明中的电池制备工艺简单，可以通过层叠的方式制备电池，具体的，负极、浸有水系电解液的隔膜、正极和负极依次层叠排布置于壳体中，然后对其进行封装即可。电池 1相当于 2个电池单元 20并联形成，电池单元 20 与电池单元 20之间不用特别设置密封部件，具有这种内部并联结构的电池 1 能够正常、稳定的工作，具有优异的充放电性能，并且电池 1 能够输出更高的容量，电池 1应用广泛。

实施方式二

请参阅图 4所示，实施方式二提供了一种电池 30 , 包括壳体 22 , 设置于壳体 22中的两个正极 2、负极 4、水系电解液 6和隔膜。正极 2和负极 4层叠排布于壳体 22中，负极 4设置在两个正极 2之间，两个正极 2共用负极 4 , 负极 4与正极 2之间设置有隔膜，隔膜保持水系电解液。

正极 2包括复合集流体 8和正极活性物质 10 , 复合集流体 8 包括正极集流体 12和包覆在正极集流体上的导电膜 14。复合集流体 8具有相对设置的第一面 81 和第二面 82 , 第一面 81 与负极 4相对，正极活性物质 10至少设置在第一面 81上，当然，没有特别限定的，正极活性物质 10也可以同时设置在第二面 82上，如图 5所示。负极 4选自金属、合金或碳基材料；水系电解液包括电解质，电解质至少能够电离出活性离子，活性离子在充电时被还原沉积在负极 4 形成负极活性物质（未图示），负极活性物质在放电时被氧化溶解在水系电解液 6中。

正极活性物质 10、复合集流体 8、负极和水系电解液 6在实施方式一中已经介绍，这里就不再重复。

同样的，导电膜 14一方面可以进一步提高正极集流体 12的导电能力，另一面导电膜 14主要隔绝正极集流体 12与水系电解液 6的接触，从而避免水系电解液 6对正极集流体 12的腐蚀，保证正极集流体 12的稳定性。

壳体 22可以设置成方形或圆柱筒形，对应的，电池 30可设计为方形电池或圆柱形电池。

具体的，正极 2、隔膜 16、负极 4、隔膜 16和正极 2层叠排布形成平板状，置于壳体 22中，如图 4所示。从而，电池 30可设计为方形电池，如长方体或正方体。该电池结构简单、方便制造、成本简单。

另外，正极 2、隔膜 16、负极 4、隔膜 16和正极 2层叠排布形成平板状，然后卷绕成形，从而形成平板状电芯。优选的，正极 2、隔膜 16和负极 4均设置为长条状。根据电池设计需要卷绕成不同的圏数。

壳体 22还可以设置为圆柱筒形。

具体的，正极 2、隔膜 16、负极 4、隔膜 16和正极 2层叠排布形成平板状，然后通过卷绕形成圆柱形电芯设置于壳体 22 内，正极 2、隔膜 16、负极 4和壳体 22同轴排列。从而，电池可设计为圆柱形电池，电池结构简单，方便制造。

实施方式二中电池 30其余构成同实施方式一，这里不再——赘述。实施方式一、二中的电池都是相当于两个电池单元并联，区别是，实施方式一中的电池 1是两个负极 4共用一个正极 2 , 而实施方式二中的电池 30 是两个正极 2共用一个负极 4 , 因此，本发明提供的电池具有灵活的选择，在实际制造电池时，可以结合制作工艺、正负极的重量、材料成本等因素，选择制作如实施方式一或二中所示结构的电池，使最终获得的电池更具有成本和性能优势。

本发明中的电池，正极釆用复合集流体，即釆用具有导电膜包覆的正极集流体，导电膜作为正极集流体的保护膜，防止水系电解液对正极集流体的腐蚀，改善了电池潜在的自放电问题，电池具有稳定的循环性能。电池具有内部并联结构，相比于现有技术中的并联结构电池，本发明中的电池更加节省材料并且结构紧凑、轻便，使得本发明中的电池在能量密度和体积上具有明显的优势；其次，电池釆用水系电解液，水系电解液具有相对更高的离子传导率，改善了电池的倍率性能；电池使用安全、环保并且制作工艺简单，在制备过程中，可以根据使用需求制备具有不同输出容量的电池，电池用途广泛，具有产业化应用前景。

实施方式三

请参阅图 6所示，一种电池 40 , 包括壳体 22 , 设置于壳体 22中的正极 2、负极 4、水系电解液 6和隔膜。

电池包括 n对正极 2和负极 4 , n>2 , 正极 2、负极 4交替设置，相邻的两个正极 2共用位于两个正极 2之间的负极 4 , 相邻的两个负极 4共用位于两个负极 4之间的正极 2。具体到图 6中，电池 300包括两对正极 2和负极 4 , 相邻的两个正极 2共用位于两个正极 2之间的负极 4 , 相邻的两个负极 4共用位于两个负极 4之间的正极 2。

正极 2包括复合集流体 8和正极活性物质 10 , 复合集流体 8 包括正极集流体 12和包覆在正极集流体 12上的导电膜 14 , 复合集流体 8具有相对设置的两面，其中，至少复合集流体 8与负极 4相对的一面上设置有正极活性物质 10 , 正极活性物质能够可逆脱出 -嵌入离子。

具体的，请参阅图 6所示，正极复合集流体 8具有相对设置的两面，当正极 2位于两个负极 4之间时，复合集流体 8相对设置的两面均与负极 4相对，因此复合集流体 8相对设置的两面上均需设置正极活性物质 10 ; 而对于位于最外层的正极 2 , 复合集流体 8仅有一面与负极 4相对，因此至少复合集流体 8与负极 4相对的一面上设置正极活性物质 10 , 复合集流体 8与负极 4 相背的一面没有特别限定，可以根据实际制作工艺选择性的设置正极活性物质，图 7 中概略的示出了位于最外层正极中，与负极相背的复合集流体的一面上也设置有正极活性物质 10。

负极 4选自金属、合金或碳基材料；水系电解液包括电解质，电解质至少能够电离出活性离子，活性离子在充电时被还原沉积在负极 4形成负极活性物质（未图示），负极活性物质在放电时被氧化溶解在水系电解液 6 中。实施方式三中正极的选材以及制作方法，负极和水系电解液同实施方式一，这里不再重复介绍。图 6 中示出的电池 40含有两对正极和负极，相当于 3个电池单元（未示出）并联，但是在实际制作电池时，本发明提供的电池结构可以容易的根据使用需求来增加正极、或负极、或正极和负极，例如在电池 40最外层的正极处叠加负极、或依次叠加负极和正极，或者在电池 40最外层的负极处叠加正极、或依次叠加正极和负极，叠加的正极和负极交替排列。正极和负极的个数根据使用需求确定，如图 8 所示，虽然电池 50 总的输出电压没变，但是电池 50具有更高的容量，电池结构灵活，用途广泛，具有产业化应用前景。

在含有中性水系电解液的电池体系中，很难找到同时满足既有一定机械性能、优良的导电性能，又能在中性水系电解液中稳定存在的正极集流体，因此水系电池的商业化进程一直停滞不前。本发明提供的电池正好能够解决这一问题，电池的正极釆用复合集流体，复合集流体釆用导电膜包覆的正极集流体，导电膜一方面可以提高正极集流体的导电性能，更重要的是对正极集流体起到保护作用，隔绝中性水系电解液对正极集流体的腐蚀，使正极集流体在放电过程中可以稳定的收集并导出电子，从而保证电池具有稳定的循环性能，本发明提供的电池具有很好的商业化前景。

【双极性电池】

本发明还提供了一种电池，具体的，电池为水系双极性电池。下面通过具体的实施方式来介绍水系双极性电池。

实施方式四

请参阅图 9和图 10所示，一种电池 100 , 包括壳体（未图示），设于壳体内的正引出电极 54、至少一个双极性电极 52、负引出电极 58和水系电解液 6。正引出电极 54、双极性电极 52和负引出电极 58层叠排布于壳体内，正引出电极 54和负引出电极 58分别位于最上层和最下层，双极性电极 52和水系电解液 6设置在正引出电极 54和负引出电极 58之间。具体到图 9 中，电池 100 包括两个双极性电极 52。

壳体可以设置为方形。具体的，正引出电极 54、双极性电极 52 和负引出电极 58层叠排布形成平板状，置于壳体中。从而，电池 100可设计为方形电池，如长方体或正方体。该电池 100结构简单、方便制造、成本简单。

壳体的选材同设置同实施方式一，同样的，实施方式四中电池 100还包括与壳体相连接的盖体（未图示），正引出电极 54和负引出电极 58 延伸穿出盖体，与外电路连接，并且正引出电极 54和负引出电极 58延伸穿出盖体的端部设有密封帽，密封帽可以防止水系电解液从正引出电极 54和负引出电极 58穿出的孔蒸发，从而减少水系电解液 6的消耗。

同样的，电池 100 还包括安全阀和设置在壳体上的补液口（未图示），安全阔和补液口的设置参照实施方式一，这里就不再重复介绍。

正引出电极 54包括正极集流体 12和设置在正极集流体 12—面的正极活性物质 10 , 正极活性物质 10能够可逆脱出 -嵌入离子。在实施方式一中已经介绍了正极活性物质 10和正极集流体 12 , 这里就不再重复介绍。

图 10 为构成电池 100 的双极性电极 52 的概略剖面图，双极性电极 52 包括双极性集流体 56和正极活性物质 10 , 双极性集流体 56有相对设置的第一面 61和第二面 62 , 正极活性物质 10设置在双极性集流体 56的第一面 61 上。双极性集流体 56的第一面 61和第二面 62极性相反，第一面 61相当于正极，而第二面 62相当于负极。

双极性电极 52的制作方式没有特别限制，正极活性物质 10可以是通过涂覆的方式附着于双极性集流体 56上，例如将正极活性物质 10制成浆料，然后通过拉浆法涂覆在双极性集流体 56上；也可以在压制成型的正极活性物质 10上涂覆双极性集流体 56 ; 还可以通过层叠的方式将正极活性物质 10附着于双极性集流体 56上，例如将按预定大小成型的双极性集流体 56和正极活性物质 10进行压制，使正极活性物质 10与双极性集流体 56之间电接触良好，形成双极性电极 52。正极活性物质 10 的厚度范围为 100-400μηι。双极性电极 52中的正极活性物质 10和正引出电极 54中的正极活性物质 10具体可参照实施方式一中正极活性物质。

双极性集流体 56的材料可以是导电塑料，优选的，双极性集流体 56的厚度范围为 50至 100μηι。

导电塑料的材料选自导电聚合物，具体的，导电聚合物包括但不仅限于聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯硫醚、聚苯胺、聚喹啉或聚对苯撑中的至少一种。导电聚合物本身就具有导电性，但还可以对导电聚合物进行掺杂或改性以进一步提高其导电能力。

导电塑料还可以是复合型的导电塑料，复合型导电塑料以聚合物为主要基质，并在其中掺入导电剂配制而成，这里，聚合物本身是否导电没有特别限制，复合型的导电塑料的导电能力主要是靠导电剂实现。具体的，导电塑料包括聚合物和导电剂，聚合物包括但不仅限于聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚酰胺，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲醛，聚苯醚，聚砜，聚醚砜、丁苯橡胶或氟树脂中的至少一种。具体的，聚合物可以是氟树脂中的聚四氟乙烯，还可以是共聚物，如聚四氟乙烯（PTFE)和丁苯橡胶（SBR)的共聚物。

导电剂包括碳基材料、金属或金属氧化物。导电剂在导电塑料中的质量百分比范围为 10-90%。

碳基材料选自石墨、碳纳米管或无定形碳中的一种。无定形碳包括但不仅限于活性炭和碳黑。

金属的形式不限，可以是金属粉、金属薄片、金属丝条、金属纤维。金属氧化物包括但不仅限于氧化铅、氧化锡。

具体的，将聚合物和导电剂以一定的复合方式如分散复合、层级复合进行加工获得的具有导电性能的塑料。

双极性集流体 56的材料还可以是不锈钢或经过飩化处理的不锈钢，不锈钢的机械性能优于导电塑料，因此，当使用不锈钢作为双极性集流体 56 时，双极性集流体 56的厚度可以更薄，具体的，双极性集流体 56的厚度范围为 20- 100μηι。

不锈钢飩化处理的方法没有限制，可以是物理方法飩化、化学方法飩化或电化学方法飩化。飩化的目的是为了提高双极性集流体 56与水系电解液 6 的相容性，从而减少副反应的发生，使电池具有稳定的循环性能。

本发明中，对于构成双极性电极 52的双极性集流体 56的机械性能要求不高，即可以釆用重量较轻的导电塑料或厚度较薄的不锈钢作为双极性集流体 56 ,电池 100整体重量得到降低，因此电池 100的能量密度得到显著提高。

负引出电极 58选自选自金属、合金或碳基材料。

具体的，负引出电极 58 选自金属 Zn、 Ni、 Cu、 Ag、 Pb、 Sn、 Fe、 Al 或经过飩化处理的金属中的至少一种，或含有上述金属的合金中的至少一种，或石墨箔、石墨片、碳布、碳毡、碳纤维中的至少一种，或铜镀锡，或黄铜。

负引出电极 58 还可以选自含有析氢电位高的镀 /涂层的金属，从而降低负极副反应的发生。镀 /涂层选自含有 C、 Sn、 In、 Ag、 Pb、 Co、 Zn的单质，合金，或者氧化物中至少一种。镀 /涂层的厚度范围为 l - 1000nm。例如：在铜的负引出电极 58表面镀上铅或银，或者以涂覆的形式覆盖一层碳。正极集流体 12和负引出电极 58的厚度范围为 l - 10mm。负引出电极 58 同实施方式一中的负极 4 , 即负引出电极 58 可以仅作为电子收集和传导的基体不参与电极反应，或负引出电极 58 包括负极集流体和负极活性物质，如负引出电极 58为黄铜箔和锌箔，锌箔与负极活性物质一致。

水系电解液 6设置在正引出电极 54和负引出电极 58之间，正引出电极 54、双极性电极 52和负引出电极 58层叠设置，当电池 100中双极性电极 52 为一个时，正引出电极 54和相邻的双极性电极 52之间、双极性电极 52和相邻的负引出电极 58之间均设置有水系电解液 6。当电池 100中双极性电极 52 不止一个时，正引出电极 54和相邻的双极性电极 52之间、相邻的双极性电极 52之间、双极性电极 52和相邻的负引出电极 58之间均设置有水系电解液 6。

水系电解液 6 包括电解质，电解质至少能够电离出活性离子，活性离子在充电时被还原沉积在双极性集流体 56的第二面形成负极活性物质，负极活性物质在放电时被氧化溶解在水系电解液 6中，活性离子以盐酸盐、硫酸盐、醋酸盐、硝酸盐或甲酸盐中的至少一种形式存在于水系电解液 6 中。

水系电解液 6和活性离子在实施方式一中已经介绍，这里就不再赘述。优选的，水系电解液 6 中还包括与正极活性物质 10 能够可逆脱出 -嵌入离子相对应的离子，离子包括锂离子、钠离子或镁离子中的至少一种。具体的，如正极活性物质 10 能够可逆脱出-嵌入锂离子时，那么水系电解液 6 中对应的还含有锂离子，这样，可以提高正极活性物质 10与水系电解液 6中的离子交换速度，提高电池 100的大倍率充放电性能。

实施方式四中的电池 100还包括隔膜 16 , 隔膜 16设置在正引出电极 54 与相邻的双极性电极 52之间、双极性电极 52与相邻的负引出电极 58之间，实施方式四中电池 100 包括两个双极性电极 52 , 因此，在相邻的双极性电极 52之间也设置有隔膜 16。一方面，隔膜 16 用于保持水系电解液 6 , 另一方面隔膜 16防止电池 100短路。

隔膜 16可以使用多孔隔膜、无纺织布或玻璃纤维。多孔隔膜包括但不仅限于聚乙婦（ΡΕ)、聚丙婦（ΡΡ) , 聚酰亚胺中的一种，或 ΡΕ-ΡΡ、 ΡΡ-ΡΕ-ΡΡ 的叠层隔膜。无纺织布包括但不仅限于人造丝、醋酸纤维、尼龙。水系电解液 6在隔膜 16 中的含浸量可以在隔膜 16 的保持能力范围内，也可以超过保持范围，因为电池 100设置有密封部 60 , 可以防止水系电解液 6泄漏。

双极性集流体 56 的外周部设置有用于密封水系电解液 6 的密封部 60 , 没有特别限定的，密封部 60可以釆用密封圏，密封圏的形状优选为矩形，密封圏的选材只要是在电池 100的使用环境下可以实现优异的密封效果即可。

没有特别限定的，密封部 60的材料为橡胶，橡胶选自但不仅限于硅类橡胶、氟类橡胶、烯烃类橡胶、腈类橡胶中的一种，其中，烯烃类橡胶包括但不仅限于丁苯橡胶（SBR) , 氯丁橡胶（CR)。这些密封用的橡胶类树脂具有良好的密封性（液密性）、耐酸碱性、耐药品性、耐久性、耐候性和耐热性，并且可以在电池 100 的使用环境下长期保持这些优异的性能而不会劣化，因此可以有效地防止水系电解液 6从电池 100 中渗出，从而防止由于水系电解液 6 的泄漏而引起的电池 100短路，保证电池 100的循环稳定性能。

此外，只要是可以有效的实现本发明的作用效果的，如具有耐酸性和密封性的各种橡胶均可作为本发明密封部 60的材料。

没有特别限制的，当密封部 60釆用密封圏时，隔膜 16的面积小于密封圏的包围面积，并且密封圏的高度不小于隔膜 16和正极活性物质 10的厚度之和，在组装电池时，将浸有水系电解液 6的隔膜 16放置在密封圏的圏内，隔膜 16不参与密封，这样可以避免因釆用多孔隔膜而可能造成的水系电解液 6 的泄露。当然，隔膜 16 的面积也可以大于设置在双极性电极 52外周部的密封部 60的包围面积，只要隔膜 16与密封部 60最终一体成型，不会导致水系电解液 6泄露就行。

请参阅图 11所示，双极性电极 52层叠地设置在正引出电极 54和负引出电极 58 之间，电子仅从正引出电极 54和负引出电极 58 导出或导入，电池 100相当于 3 个电池单元 64 内部串联，在每个电池单元 64 中都有正极、负极、水系电解液和隔膜，水系电解液 6通过密封部 60密封，避免由于水系电解液 6的泄露而造成的电池单元 64之间的短路，从而保证电池 100的正常工作。

例如，其中一个电池单元 64 包括正极集流体 12、正极活性物质 10、隔膜 16、水系电解液 6、密封部 60和作为负极的双极性集流体 56的第二面 62。密封部 60 用于密封每个电池单元 64 中的水系电解液 6 , 以避免因水系电解液 6的泄露而造成电池 100的短路。图 11 中示出的电池 100仅包括二个双极性电极 52 , 但实际上可以很容易的根据使用需求来设置电池 100中双极性电极 52的个数，从而制备具有不同输出电压的电池以及具有高输出电压的电池，本发明提供的电池具有广泛的用途。本发明中的电池制备工艺简单，可以通过层叠的方式制备电池，具体的，在负引出电极上层叠地放置矩形密封圏，密封圏与负引出电极的外周部贴合，然后在密封圏的圏内放置浸有水系电解液的隔膜，再依次层叠双极性电极和正引出电极，正引出电极和双极性电极中的正极活性物质同时朝向负引出电极放置，水系电解液通过密封圏密封。双极性电极的个数决定电池最后的输出电压，因此，可以根据使用需求来设置双极性电极的个数，电池具有广泛的用途。

请参照图 12所示，本发明提供的电池 100的充放电原理为：在一个电池单元 64中，充电时，能够可逆脱出 -嵌入离子的正极活性物质 10 中脱出该离子，同时水系电解液 6 中的活性离子在双极性集流体 56的第二面 62得到电子被还原，并沉积在第二面 62 上，形成负极活性物质。在含有负引出电极 58的电池单元 64中，活性离子在负引出电极 58上得到电子被还原，沉积在负引出电极 58上。放电过程则为充电的逆过程。

本发明中，构成电池 100的双极性电极 52仅在双极性集流体 56的第一面 61设置正极活性物质 10 ,而双极性集流体 56的第二面 62则相当于负极，为活性离子得电子还原-沉积提供载体，活性离子存在于水系电解液 6中，相对于现有技术中在双极性集流体 56的第一面 61和第二面 62均设置正极活性物质 10 , 本发明中的电池 100结构更加紧凑，电池 100具有优异的能量密度和功率密度。除此之外，本发明中的电池 100 釆用水系电解液 6 , 相对于目前商业化的釆用有机系电解液的锂离子电池更加安全、环保。

本发明中的电池 100 , 相当于若干个电池单元 64 串联形成，每一个电池单元 64都通过密封部 60得到很好的密封，从而防止由于水系电解液 6的泄漏而引起的短路。另外，本发明的电池即使不设置特殊的防漏部件或绝缘部件，也可防止电池单元间的短路，从而提供具有优异离子传导率、充放电性能的双极性电池。除此之外，可以根据使用需求设置不同数量的双极性电极 52 , 从而制备具有不同输出电压的电池 100 , 电池 100用途非常广泛。

实施方式五

请参阅图 13所示，实施方式五提供了一种电池 110 , 电池 110 包括壳体 (未示出），设于壳体内的正引出电极 54、至少一个双极性电极 52、负引出电极 58和水系电解液 6。双极性电极 52层叠的设置在正引出电极 54和负引出电极 58之间，正引出电极 54和负引出电极 58分别位于最上层和最下层。正引出电极 54包括正极集流体 12和设置在正极集流体 12—面的正极活性物质 10 , 与实施方式五的区别是，正极集流体 12包覆有导电膜 14。

导电膜 14可以通过粘结剂粘接、热压复合或真空覆膜的方法包覆在正极集流体 12 的一面，然后再在导电膜 14上设置正极活性物质 10 , 导电膜 14 的厚度为 0.01 -0.2mm。具体到图 13 中，正极集流体 12的两面上均包覆有导电膜 14。

导电膜 14的材料在实施方式一中已经详细介绍，这里就不再重复。

一方面，釆用导电聚合物或含有导电剂的复合物作为导电膜 14能够提高正极集流体 12的导电子能力；另一方面，包覆在正极集流体上的导电膜 14 , 避免了正极集流体 12与水系电解液 6直接接触，解决了水系电解液 6对正极集流体 12潜在的腐蚀问题，保证正极集流体 12的稳定性，改善电池 1 10可能的自放电问题，从而使电池 1 10具有稳定的循环性能。

请参阅图 14所示，电池单元 68通过密封部 60密封，密封部 60设置在双极性集流体 56的外周部，用于密封水系电解液 6。

实施方式五中电池 110其余构成以及组装方式同实施方式四，这里不再 ——赘述。

实施方式五中提供的电池，釆用导电膜包覆的正极集流体，杜绝了水系电解液对正极集流体潜在的腐蚀问题，使电池除了具有高输出电压、安全、环保等特点之外，进一步提高了电池的循环稳定性能。

实施方式六

请参阅图 15所示，实施方式六提供了一种电池 120 , 电池 120 包括壳体 (未示出），设于壳体内的正引出电极 54、至少一个双极性电极 52、负引出电极 58和水系电解液 6。双极性电极 52层叠的设置在正引出电极 54和负引出电极 58之间，正引出电极 54和负引出电极 58分别位于最上层和最下层。与实施方式四的区别是，电池 120不包括隔膜。

同样的，电池单元（未示出）通过密封部 60 密封，密封部 60设置在双极性集流体 56 的外周部，用于密封水系电解液 6。示例的，密封部 60可以釆用密封圏，密封圏的高度大于正极活性物质 10的厚度，通过具有一定高度的密封圏，使得正引出电极 54与相邻的双极性电极 52的双极性集流体 56之间和双极性电极 52的双极性集流体 56与相邻的负引出电极 58之间保持一定距离，以避免电池 120短路。当电池 120 中双极性电极 52的个数不止一个时、相邻的双极性电极 52的双极性集流体 56与双极性集流体 56之间同样设置有密封部 60。

制备实施方式六中的电池时，可以先将按预定规格制备好的正引出电极 54、双极性电极 52和负引出电极 58进行排列并密封。具体的，正引出电极 54和双极性电极 52上的正极活性物质 10 同时朝向负引出电极 58排列，密封部 60可以釆用具有高出正极活性物质 10厚度的橡胶材料如密封圏，将密封圏设置在双极性集流体 56的外周部，最后通过注射的方式注入水系电解液 6 ; 密封部 60还可以釆用热塑性橡胶材料，在初步密封时，可以仅在双极性集流体 56三边的外周部设置热塑性橡胶材料，保留一边开口，将正引出电极 54、双极性电极 52和负引出电极 58排列好后，通过加热或加热加压使橡胶固化成型，再通过未密封的一边处注入预定量的水系电解液 6 , 最后再将所有电池单元完全密封。

实施方式六中电池 120其余构成以及组装方式同实施方式四，这里不再 ——赘述。

实施方式六中的电池 120没有釆用隔膜，电池 120不仅能够给正常、持续的工作，而且由于重量更轻，因此电池 120具有更优异的能量密度和比功率。另外，在制备电池 120时，可以很容易的形成密封部 60 , 防止由于水系电解液 6的泄漏而引起的短路。电池 120即使不设置特殊的防漏部件，即可防止电池单元间的短路，电池 120具有具有优异的循环性能以及循环寿命。

实施方式七

请参阅图 16所示，实施方式七提供了一种电池 130 , 电池 130 包括壳体 (未示出），设于壳体内的正引出电极 54、至少一个双极性电极 52、负引出电极 58和水系电解液 6。双极性电极 52层叠的设置在正引出电极 54和负引出电极 58之间，正引出电极 54和负引出电极 58分别位于最上层和最下层。

正引出电极 54包括正极集流体 12和设置在正极集流体 12—面的正极活性物质 10 , 与实施方式六的区别是，正极集流体 12包覆有导电膜 14。

导电膜 14的选材、成型方式同实施方式一，这里就不再——赘述。实施方式七中的电池 130 , 包覆在正极集流体 12上的导电膜 14 隔绝了正极集流体 12与水系电解液 6的接触，提高了正极集流体 12的稳定，从而保证电池 130具有稳定的循环性能。没有使用隔膜的电池 130重量更加轻便，在便于使用者携带的同时，提供优异的性能。本发明中的电池，双极性电极中的双极性集流体可以釆用导电塑料或厚度较薄的不锈钢，在保证电池正常工作的同时，电池的重量更加轻便，使得本发明中的电池在能量密度和体积上具有明显的优势；其次，电池釆用水系电解液，水系电解液具有相对更高的离子传导率，改善了电池的倍率性能；电池使用安全、环保并且制作工艺简单，在制备过程中，可以根据使用需求制备具有不同输出电压的电池，电池用途广泛，具有产业化应用前景。

本发明中提供含有双极性电极的电池，仅在双极性电极的一面涂覆正极活性物质，双极性电极同涂有正极活性物质相对的一面上在电池首次充放电前没有负极活性材料，负极的活性离子存在于水系电解液中，在对电池进行充电时，沉积在双极性电极未涂覆正极活性物质的一面，电池具有优异的循环性能。同时，电池釆用的是水系电解液，相对于釆用有机系电解液的锂离子电池，本发明中的电池更加安全、环保。除此之外，通过设置双极性电极的个数可以制备具有不同输出电压、具有高输出电压的电池，电池用途广泛并且制备工艺简单，电池具有商业化应用潜力。

【板式结构电池】

本发明还提供了一种电池，电池具有板式结构。

实施方式八

如图 17所示，一种电池 140 , 电池 140 包括壳体 70 , 设于壳体 70 内的正极 72、负极 74、隔膜 76和水系电解液 78。且隔膜 76设置于正极 72和负极 74之间。

正极 72 包括正极集流体 80和参与电化学反应的正极活性物质 82 , 正极活性物质 82 包括能够可逆脱出-嵌入离子的化合物；负极 74选自金属、合金或碳基材料；水系电解液 78 包括电解质，电解质至少能够电离出活性离子，活性离子在充电时被还原沉积在负极 74形成负极活性物质，负极活性物质在放电时被氧化溶解在水系电解液 78 中。

正极 72、负极 74、水系电解液 78和隔膜 76 同实施方式一，这里就不再重复介绍。

正极 72、隔膜 76和负极 74形成平板状，且隔膜 76位于正极 72和负极 74之间。相应的，壳体 70设置为方形。从而，电池可设计为方形电池，如长方体或正方体。该电池结构简单、方便制造、成本简单。

电池 140设计为层叠式。正极 72、隔膜 76和负极 74层叠排布形成平板状，且隔膜 76位于正极 72和负极 74之间。相应的，壳体 70也设置为方形。具体到图 17 中，正极 72设置为 4个，负极 74设置为 5个，最靠近壳体 70的为负极 74。

电池还可设置为包括若干独立的电池单元，独立的电池单元包括独立的正极、隔膜和负极。其中电池单元以并联方式连接。独立的电池单元可设置为 2~ 10组。当然，也可根据不同需要把独立的电池单元设置成不同组数，如 12组或以上等。另外，独立的电池单元也可根据需要以串联方式连接。

壳体 70可设置为金属、塑料或金属与塑料的复合膜，如钢、铝、丙烯腈 -丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS)、聚丙烯（PP)、尼龙或铝塑膜等。优选的，壳体 70设置为铝塑膜，从而使得壳体较薄。减少电池重量的同时，也增加了电池内部的空间。铝塑膜包括一层铝片和第一层塑料片。优选的，铝塑膜还包括相对于第一层塑料片设置于上述铝片另一侧的第二层塑料片。

电池还包括与壳体 70相连接的盖体 84 ,正极集流体 80延伸穿出盖体 84 , 正极集流体 80延伸穿出盖体 84 的端部设有密封帽 86。密封帽 86需要具有较好的导电性和化学稳定性。另外，密封帽 86还可防止水系电解液 78从正极集流体 80穿出的孔蒸发，从而减少水系电解液 78的消耗。正极 72与外电路相连接。

负极 74也延伸穿出盖体 84 , 从而与外电路连接。同样，负极 74延伸穿出盖体 24的端部设有密封帽（未图示）。

另外，电池在充电过程中，尤其是快接近充电后期时，由于充电电流将水分解，会释放出大量氢、氧气体。随着产生的氢气和氧气越来越多，电池壳体内的压力也在不断上升，当压力上升到一定值，电池壳体会发生变形。因此，电池还包括用于控制壳体 70 内压力的安全阔 88。当电池的壳体 70 内的压力到达预设的开阔压时，安全阔 88打开，将压力释放，防止壳体变形，从而提高了电池的寿命和安全性。

另外，当壳体 70 内的压力到达预设的闭阔压时，安全阔 88 闭合，防止内部气体向外泄露。同时，也防止外部空气进入壳体 70 内造成不良影响。且还可以防止析出的氢气遇明火时产生回火，从而引爆壳体 70 内部气体。

壳体 70上还可设置有用于补充水系电解液 78的补液口（未图示）。这样，当水系电解液 78较少时，可通过补液口注入水系电解液 78。

优选的，补液口为安装安全阀 88处的安装孔（未图示）。请参阅图 18和 19所示，电池为层叠式。具体的，隔膜 76为整体式的带状结构，且隔膜 76以 Z字型折叠。正极 72和负极 74层叠排布于隔膜 76的叠缝处。此时，隔膜 76位于正极 72和负极 74之间，从而使正极 72和负极 74之间彼此绝缘。

正极 72、隔膜 76和负极 74 同样被压制成方形平板状。相应的，壳体 70 也设置为方形，如长方体或正方体，从而，电池可设计为方形电池。

请参阅 20所示，电池为卷绕式，电池包括正极 72、负极 74和隔膜 76。正极 72、隔膜 76和负极 74卷绕成形，从而形成平板状电芯，且隔膜 76位于正极 72和负极 74之间。相应的，壳体 70也设置为方形，如长方体或正方体，从而，本实施例中的电池可设计为方形电池。

优选的，正极 72、隔膜 76和负极 74均设置为长条状。可根据需要卷绕成不同的圏数。

具体的，平板状电芯包括相对的两平面 90 , 连接上述两平面 90 且相对设置的两弧形部 92。正极卷绕终止端 94和负极卷绕终止端 96中的至少一个位于平板状电芯的弧形部 92处。

优选的，正极卷绕终止端 94和负极卷绕终止端 96分别位于平板状电芯相对设置的两弧形部 92处。

优选的，正极卷绕终止端 94和负极卷绕终止端 96位于平板状电芯的同一弧形部 92处。

当电池在充放电过程中，极片厚度会膨胀，从而导致平板状电芯整体厚度增加。而把正极卷绕终止端 94和负极卷绕终止端 96设置在弧形部 92处，由于弧形部 92与壳体 70之间留有空间，该空间为平板状电芯的膨胀起到了緩冲作用。从而使得不会在弧形部 92处产生较大的应力集中，进而避免了弧形部 92处出现明显的褶皱，有效减少了可逆脱出-嵌入的离子的结晶。

图 20中，平板状电芯的卷绕方法为，从内圏开始，隔膜 76卷绕为两层，且两层隔膜 76相互贴合，根据设计要求，当两层隔膜 76贴合一定长度后再卷绕第二圏，此时从内圏开始，依次为两层隔膜 76 , 负极 74 , 卷绕到第二圏的隔膜 76 , 正极 72 , 卷绕到第二圏的隔膜 76 , 然后继续卷绕负极 74 , 隔膜 76 , 正极 72 , 隔膜 76到所设计的圏数即可。当然，如本领域技术人员所知，还有其它的卷绕方法，只要保证正极和负极绝缘即可。

本发明提供的一种电池，具有能量密度高（可达锂离子电池的 60% - 80 % ) , 功率密度大（可望达到锂离子电池的 200% ,甚至更高），易于制造，完全无毒，环保，容易回收且成本低廉（同样容量的电池，可望达到铅酸电池的 60% , 锂离子电池的 20% , 甚至更低）等特点，并且具有很好的循环性能，在具体实施方式中，电池在循环 4000周后容量仍维持在 90%以上。因此，本发明中的电池作为新一代的绿色能源，非常适合作为大型储能领域的储能体系以及铅酸电池的替代品。

【柱式结构电池】

本发明还提供了一种电池，电池具有圆柱式结构。

实施方式九

一种电池，电池包括壳体，设于壳体内的正极、负极、隔膜和水系电解液，隔膜设置于正极和负极之间。

正极包括正极集流体和参与电化学反应的正极活性物质，正极活性物质包括能够可逆脱出-嵌入离子的化合物；负极选自金属、合金或碳基材料；水系电解液包括电解质，电解质至少能够电离出活性离子，活性离子在充电时被还原沉积在负极形成负极活性物质，负极活性物质在放电时被氧化溶解在水系电解液中。

正极集流体、正极活性物质、负极、水系电解液和隔膜同实施方式一，这里就不再——赘述。

同样的，负极的设置同实施方式一，即负极包括负极集流体，此时负极可以仅作为电子收集和传导的基体不参与电极反应；或负极包括负极集流体和负极活性物质，如负极为黄铜箔和锌箔，锌箔与负极活性物质一致。

壳体设置为圆柱筒形，正极、隔膜、负极以及壳体同轴排列。

具体的，电池中的正极、隔膜与负极可通过卷绕形成圆柱形电芯设置于壳体内。

请参阅图 21和 22所示，电池 150的负极 160和隔膜 156均为圆柱筒形，正极集流体 152为圆柱形，正极活性物质 158设置于隔膜 156与正极集流体 152之间。电池 150还包括固定环 154 , 固定环 154 固定正极集流体 152、隔膜 156、负极 160以及壳体（未示出）。固定环 154的材质为聚氯乙烯，固定环 154为两个，分别设置于壳体的两端。固定环 154 包括上层环 162和下层环 164 , 上层环 162和下层环 164为一体成型，上层环 162 固定正极集流体 152 与隔膜 156 , 下层环 164 固定隔膜 156与负极 160。上层环 162的外径与负极 160 的内径相同，上层环 162 的内径与正极集流体 152 的直径相同；下层环 164的外径与隔膜 156 的内径相同，下层环 164的内径与正极集流体 152的直径相同。

在正极集流体 152为圆柱形的实施方式中，具体的，如图 21和图 22中所示：一种电池 150 , 包括正极集流体 152、正极活性物质 158、隔膜 156、负极 160、水系电解液（图中未示出）、固定环 154 和壳体；正极集流体 152 与正极活性物质 158、隔膜 156、负极 160以及壳体同轴排列；负极 160和隔膜 156均为圆柱筒形；正极活性物质 158设置于正极集流体 152与隔膜 156 之间；隔膜 156设置于正极活性物质 158与负极 160之间；负极 160设置于隔膜 156与壳体之间；水系电解液设置于壳体内；固定环 154设置于壳体的一端，固定环 154 固定正极集流体 152与隔膜 156 以及负极 160 ; 优选的，正极集流体 152为石墨棒。

具体的，固定环 154的材质为聚氯乙烯，固定环 154为两个，分别设置于电池中壳体的两端，一个设置于电池的顶端，另一个设置于电池的底端。如图 22中所示：固定环 154 包括上层环 162和下层环 164 , 上层环 162和下层环 164为一体成型，上层环 162 固定正极集流体 152与隔膜 156 , 下层环 164 固定隔膜 156与负极 160。上层环 162的外径与负极 160的内径相同，上层环 162的内径与正极集流体 152的直径相同；下层环 164的外径与隔膜 156 的内径相同，下层环 164的内径与正极集流体 152的直径相同。

在正极集流体为圆柱形的实施方式中，电池还包括正极导电剂，正极导电剂与正极活性物质 158混合均勾后一起设置于正极集流体 152与隔膜 156之间。具体的，先将圆柱形正极集流体 152、圆柱筒形隔膜 156以及设置于电池底端的固定环 154组装好，正极导电剂、正极活性物质 158和溶剂一起混合均匀形成正极浆料，再将正极浆料倒入隔膜 156与正极集流体 152组成的间隙中，干燥，即在正极集流体 152与隔膜 156之间形成正极导电剂与正极活性物质 158。正极导电剂选自导电聚合物、活性碳、石墨烯、碳黑、碳纤维、金属纤维、金属粉末、以及金属薄片中的一种或多种。溶剂选自去离子水或乙醇。

在正极集流体为圆柱形的实施方式中，圆柱筒形的负极 160可以是先形成圆柱筒形的负极集流体，将圆柱形正极集流体 152、圆柱筒形的隔膜 156、圆柱筒形的负极集流体以及设置于电池底端的固定环固定后，再将负极活性物质加入到圆柱筒形的隔膜 156与圆柱筒形的负极集流体之间得到；也可以是先将负极活性物质通过涂覆、电镀或溅射的方法形成于负极集流体上后，再形成圆柱筒形的负极 160。

本发明提供的电池，具有能量密度高，功率密度大，易于制造，安全无毒，环保，容易回收且成本低廉等特点，并且电池具有很好的循环性能，因此，本发明中的电池作为新一代的绿色能源，非常适合作为大型储能领域的储能体系以及铅酸电池的替代品。

本发明中的重量、体积百分比中的单位是本领域技术人员所熟知的，例如体积百分比是指在 100毫升的溶液中溶质的重量。除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

下面结合实施例，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例。

实施例 1

将 LiMn₂0₄(湖南杉杉， LMO021型）、导电炭黑（TIMCAL , super P)、粘接剂羧甲基纤维素钠（斯比凯可， 30000)和水按照质量比 90:6 : 1 : 50 的比例混合均匀，加入 3份丁苯橡胶乳液（韩国大金），继续混合 l Omin制成活性物质浆料。以长 80毫米、宽 60毫米、厚 20微米的铝箔作为正极集流体，将铝箔置于 2片厚 50微米的导电膜中间，导电膜尺寸比铝箔稍大，通过加热复合使导电膜包覆在铝箔上，并保证导电膜比铝箔多出部分密封完好。将活性物质浆料均匀涂覆在复合集流体的第一面和第二面，涂覆密度为 700g/m² ,在 60 °C 下烘干，与辊压机上施加 10吨压力碾压，得到正极。

具体的，导电膜为含有聚丙烯和导电炭黑的复合材料。

隔膜为厚度 2毫米的 AGM玻璃纤维隔膜，尺寸为 70x70 毫米。负极为厚 50 微米的锌板，尺寸与隔膜相当。电解液为 2mol/L 的 ZnS0₄和 l mol/L 的 Li₂ S 0₄的混合水溶液。

电池按照以下方式组装：将得到的正极置入两个负极之间，正极与负极之间各设置一片隔膜，组装完成后，注入 12毫升电解液，静止 3小时，即可开始充放电测试。

实施例 2

在实施例 2 中，正极集流体为铜箔，电池其余构成以及测试方法同实施例 1。

实施例 3

在实施例 3 中，正极集流体为不锈钢箔，电池其余构成以及测试方法同实施例 1。

实施例 4

在实施例 4中，导电膜厚度为 100 ^敫米，电池其余构成以及测试方法同实施例 1。

电池性能测试

将实施例 1至 4 中的电池在室温下进行充放电循环测试。充放电循环测试的条件为：以 0.25C恒定电流下充电到 2. I V , 停止 10分钟，再在 1 C恒定电流下放电到 1 .4V , 再停止 10分钟，作为一个循环。

图 23为实施例 1 中电池充放电循环性能图，从图中可以看出，电池能够正常工作，并且在多次循环后性能非常稳定。同样的，实施例 2至 4 中的电池可以持续、稳定的工作。

实施例 5

将正极活性物质 LiMn₂0₄、导电剂乙炔黑（ AB )、粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF) 按照重量比 80: 10 : 10混合，以 N-甲基吡咯烷酮作为溶剂，制作正极浆料，在厚度为 Ι ΟΟμηι的集流体的一面上涂布正极浆料，放入到真空干燥箱中，在 60 °C 下干燥 0.5h , 形成厚度为 400μηι的双极性电极。集流体釆用导电塑料，具体的，导电塑料为含有的聚丙烯和导电炭黑的复合材料。

正极集流体和负引出电极的材料为不锈钢 .箔，通过热压复合在正极集流体的一面包覆一层厚度为 50μηι的导电膜，导电膜为聚乙烯和碳黑的复合膜，按照制备双极性电极的过程，在正极集流体涂有导电膜的一面涂覆相同厚度的正极活性物质。正极集流体和负引出电极的厚度为 2mm。

水系电解液为含有浓度为 1 mol/L硫酸锂和 2mol/L硫酸锌的水溶液；隔膜釆用玻璃纤维（AGM) , 隔膜的面积小于矩形密封圏的包围面积，隔膜的厚度为 600μηι; 密封部釆用高度为 1 mm的矩形密封圏，矩形密封圏的面积略小于引出电极和集流体的面积。

在负引出电极上层叠矩形密封圏，然后在密封圏的圏内放置浸有水系电解液的隔膜，再依次层叠双极性电极和正引出电极，双极性电极和正引出电极涂有正极活性物质的一面面向负引出电极放置，密封圏用于密封设置在正引出电极与相邻的双极性电极和双极性电极与相邻的负引出电极之间的水系电解液。

电池性能测试

将实施例 5 中的电池在室温下进行充放电循环测试。充放电循环测试的条件为：在 1 C恒定电流下充电到 4.2V , 停止 10分钟，再在 1C恒定电流下放电到 2.8V , 再停止 10分钟，作为一个循环。

实施例 6

在实施例 6 中，双极性电极的个数为 3个，电池其余构成以及制备方法同实施例 5。

电池性能测试

将实施例 6 中的电池在室温下进行充放电循环测试。充放电循环测试的条件为：在 1 C恒定电流下充电到 8.4V , 停止 10分钟，再在 1C恒定电流下放电到 5.6V , 再停止 10分钟，作为一个循环。

实施例 7

在实施例 7 中，双极性电极的个数为 5个，电池其余构成以及制备方法同实施例 5。

电池性能测试

将实施例 7 中的电池在室温下进行充放电循环测试。充放电循环测试的条件为：在 1 C恒定电流下充电到 12.6V , 停止 10分钟，再在 1 C恒定电流下放电到 8.4V , 再停止 10分钟，作为一个循环。

实施例 8

在实施例 8 中，双极性电极的集流体釆用不锈钢，厚度为 50μηι , 电池其余构成、制备方法以及电池性能测试同实施例 5。

实施例 9

在实施例 9 中，正极集流体的一面没有包覆导电膜，电池其余构成、制备方法以及电池性能测试同实施例 5。

表 1 为实施例 5到 9 中的电池在 1C倍率下充放电，充放电循环 100次的电池性能：

表 1 实双极正极导双极性

正极活容量保库伦放电平施性集集流电电解液电极个

性物质持率效率均电压例流体体数

5 1 80% 98% 3.6V 导电

6 3 81% 98% 7.2V 塑料

7 有 5 84% 98% 10.8V 不锈 Li₂S0₄

LiMn₂0₄ 不锈

8 钢 ZnS0₄ 1 78% 97% 3.6V 钢

导电

9 无 1 77% 97% 3.6V 塑料

实施例 10

将正极活性物质 LiMn₂0₄、 super-p碳黑、粘接剂 PVDF按照重量比例 8： 1： 1 混合均匀，以 NMP作为溶剂，制得正极浆料，均勾涂覆在厚度 80μηι的正极集流体石墨箔上，随后干燥、压制得到正极；负极包括锌箔和厚度 50μηι的石墨箔，金属锌镀在石墨箔上作为负极活性物质；隔膜为玻璃毡布。

将所得正极、隔膜及负极通过卷绕形成圆柱形电芯，设置于圆柱筒形的壳体中；电池中加入的电解液为含有 2 mol/L醋酸锂和 1.5 mol/L醋酸锌的水溶液，通过向电解液中滴加 0.1 mol/L的 LiOH溶液调节电解液的 pH为 4。室温下，电池静置 12h后，以 100mA的电流充电和放电，电压范围为 1.5-2.35V。

实施例 11

与实施例 10相同的方式制造电池，所不同的是：用经过飩化的 316型不锈钢代替实施例 10负极中的石墨箔。

实施例 12

与实施例 10相同的方式制造电池，所不同的是：用铜箔代替实施例 10负极中的石墨箔。

实施例 13

一种电池，正极集流体为石墨棒，直径为 4mm, 长度为 62mm; 隔膜的材质为无纺布，隔膜为圆柱筒形，隔膜的外径为 11mm, 隔膜的内径为 10mm, 隔膜的长度为 58mm; 负极包括铜箔和锌，锌通过溅射形成于铜箔上，得到圆柱筒形负极，负极的外径为 17mm,负极的内径为 16mm,负极的长度为 58mm, 负极上设有 0.1mm厚的铜极耳，引出电池；壳体的材质为聚氯乙烯（PVC), 壳体的内径为 17mm, 壳体的外径为 18mm, 壳体的长度为 60mm; 固定环的材质为聚氯乙烯（PVC), 固定环有两个，分别设置于电池的两端，置于电池顶端的为第一固定环，至于电池底端的为第二固定环，固定环包括上层环和下层环，上层环和下层环为一体成型，上层环的内径为 4mm,上层环的外径为 10mm, 上层环的厚度为 3mm, 下层环的内径为 4mm, 下层环的外径为 16mm, 下层环的厚度为 lmm。

具体电池的装配过程为：以 LiMn₂0₄为正极活性物质，将正极活性物质、导电剂 S uper- P、按照 90： 10的重量比例混合在去离子水中，混合均匀制得正极浆料；先将隔膜与第二固定环以及石墨棒组装好后，将正极浆料倒入隔膜与石墨棒形成的间隙中，倒入正极浆料量为 10g, 在 80°C下干燥，得到正极，隔膜内正极活性物质与导电剂的混合物为 5g; 再在圆柱筒形隔膜外设置圆柱筒形负极，圆柱筒形负极外设置圆柱筒形壳体；电解液为 544g氯化锌和 21g无水氯化锂，溶于 600g去离子水，再往电解液中滴定 0.1mol/L氢氧化锂将电解液的 pH值调为 4.3, 再用去离子水定容至 1L得到，本实施例的电池中加入 5g该电解液。将隔膜、第二固定环、石墨棒、正极、负极、壳体以及电解液组装好后，静置 12小时，随后开始以 100mA的电流充电和放电，充放电电压区间为 1.5-2.35V。

实施例 14

一种电池，正极集流体为石墨棒，直径为 4mm, 长度为 62mm; 隔膜的材质为无纺布，隔膜为圆柱筒形，隔膜 3的外径为 11mm, 隔膜的内径为 10mm, 隔膜的长度为 58mm; 负极包括铜箔和锌，负极的外径为 17mm, 负极的内径为 16mm, 负极的长度为 58mm, 负极上设有 0.1mm厚的铜极耳，引出电池；壳体的材质为聚氯乙烯（PVC), 壳体的内径为 17mm, 壳体的外径为 18mm, 壳体的长度为 60mm; 固定环的材质为聚氯乙烯（PVC), 固定环有两个，分别设置于电池的两端，置于电池顶端的为第一固定环，至于电池底端的为第二固定环，固定环包括上层环和下层环，上层环和下层环为一体成型，上层环的内径为 4mm, 上层环的外径为 10mm, 上层环的厚度为 3mm, 下层环的内径为 4mm, 下层环的外径为 16mm, 下层环的厚度为 lmm。

具体电池的装配过程为：以 LiMn₂0₄为正极活性物质，将正极活性物质 22、导电剂 Super-P、按照 90: 10的重量比例混合在去离子水中，混合均匀制得正极浆料；先将隔膜与第二固定环以及石墨棒组装好后，将正极浆料倒入隔膜中，倒入正极浆料量为 12g , 在 80 °C下干燥，得到正极，隔膜内正极活性物质与导电剂的混合物为 6g ; 将圆柱筒形的铜箔与石墨棒、圆柱筒形的隔膜以及第二的固定环固定好后，再将锌加入到圆柱筒形的隔膜与圆柱筒形的铜箔之间得到圆柱筒形负极；电解液为 544g氯化锌和 21 g无水氯化锂，溶于 600g 去离子水，再往电解液中滴定0. 111101/1^氢氧化锂将电解液的 11值调为4.3 , 再用去离子水定容至 1 L得到，本实施例的电池中加入 6g该电解液。将隔膜、第二固定环、石墨棒、正极、负极、壳体以及电解液组装好后，静置 12小时，随后开始以 100mA的电流充电和放电，充放电电压区间为 1 .5-2.35V。

实施例 15

与实施例 13相同的方式制造电池，所不同的是：用石墨箔代替负极中的铜箔。

实施例 10到 15 中所提供的电池，电池具有良好的循环性能。

尽管发明人已经对本发明的技术方案做了较详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例作出修改和 /或变通或者釆用等同的替代方案是显然的，都不能脱离本发明精神的实质，本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解，并不能构成对本发明的限制。

Claims

权利要求书

1. 一种电池，包括壳体，设置于所述壳体中的正极、两个负极、水系电解液和隔膜，

所述正极包括复合集流体和正极活性物质，所述复合集流体包括正极集流体和包覆在所述正极集流体上的导电膜，所述复合集流体具有相对设置的第一面和第二面，所述正极活性物质设置在所述第一面和第二面上，所述正极活性物质能够可逆脱出 -嵌入离子；

所述负极选自金属、合金或碳基材料；

所述水系电解液包括电解质，所述电解质至少能够电离出活性离子，所述活性离子在充电时被还原沉积在所述负极形成负极活性物质，所述负极活性物质在放电时被氧化溶解在所述水系电解液中；

所述隔膜保持所述水系电解液；

所述正极和负极层叠排布于所述壳体中，所述正极置于所述两个负极之间，所述两个负极共用所述正极，所述隔膜位于所述正极和负极之间。

2. —种电池，包括壳体，设置于所述壳体中的两个正极、负极、水系电解液和隔膜，

所述正极包括复合集流体和正极活性物质，所述复合集流体包括正极集流体和包覆在所述正极集流体上的导电膜，所述复合集流体具有相对设置的第一面和第二面，所述第一面与所述负极相对，至少所述第一面上设置有所述正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出 -嵌入离子；

所述负极选自金属、合金或碳基材料；

所述隔膜保持所述水系电解液；

所述正极和负极层叠排布于所述壳体中，所述负极置于所述两个正极之间，所述两个正极共用所述负极，所述隔膜位于所述正极和负极之间。

3. —种电池，包括壳体，设置于所述壳体中的正极、负极、水系电解液和隔膜，

所述正极包括复合集流体和正极活性物质，所述复合集流体包括正极集流体和包覆在所述正极集流体上的导电膜，所述复合集流体具有相对设置的两面，其中，至少所述复合集流体与所述负极相对的一面上设置有正极活性物质，所述正极活性物质能够可逆脱出 -嵌入离子；

所述电池包括 n对所述正极和负极， n>2 , 相邻的两个正极共用位于两个正极之间的负极，相邻的两个负极共用位于两个负极之间的正极；所述负极选自金属、合金或碳基材料；

所述隔膜保持所述水系电解液；

所述正极、负极交替的层叠排列于所述壳体中，所述隔膜位于所述正极和负极之间。

据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述壳体为方形。据权利要求 4所述的电池，其特征在于：所述正极、隔膜和负极形成平板状。

据权利要求 5所述的电池，其特征在于：所述正极、隔膜和负极卷绕成形。

据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述壳体为圆柱筒形，所述正极、所述隔膜、所述负极以及所述壳体同轴排列。

据权利要求 7所述的电池，其特征在于：所述正极、隔膜与负极通过卷绕形成圆柱形设置于所述壳体中。

据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述导电膜的材料包括聚合物和导电填料。

根据权利要求 9 所述的电池，其特征在于：所述聚合物选自聚乙烯，聚丙烯，聚丁烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚酰胺，聚碳酸酯，聚曱基丙烯酸曱酯，聚曱醛，聚苯醚，聚砜，聚醚砜、丁苯橡胶或氟树脂中的至少一种。根据权利要求 9 所述的电池，其特征在于：所述导电填料选自导电聚合物、碳基材料或金属氧化物。

根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述导电膜的材料选自导电聚合物。

根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述壳体设置为铝塑膜。根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述壳体上设有补液口，所述补液口用于补充所述水系电解液。

根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述电池还包括用于控制所述壳体内压力的安全阔。

根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述正极活性物质具有尖晶石结构、层状结构或橄榄石结构。

根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述正极集流体的材料选自玻璃碳、石墨箔、石墨片、碳布、碳毡、碳纤维中的一种，或 Ni、 Al、 Fe、 Cu、 Pb、 Ti、 Cr、 Mo、 Co、 Ag或经过飩化处理的上述金属中的一种，或不锈钢、碳钢、 A1合金、 Ni合金、 Ti合金、 Cu合金、 Co 合金、 Ti-Pt合金、 Pt-Rh合金或经过飩化处理的上述合金中的一种。

根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述负极的材料选自金属 Zn、 Ni、 Cu、 Ag、 Pb、 Sn、 Fe、 Al或经过飩化处理的所述金属中的至少一种，或含有上述金属的合金中的至少一种，或石墨箔、石墨片、碳布、碳毡、碳纤维中的至少一种，或铜镀锡，或黄铜。

根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述活性离子包括金属离子，金属选自 Zn、 Fe、 Cr、 Cu、 Mn、 Ni、 Sn中的至少一种。根据权利要求 1 -3 中任意一项所述的电池，其特征在于：所述活性离子以盐酸盐、硫酸盐、醋酸盐、硝酸盐或甲酸盐中的至少一种形式存在于所述水系电解液中。