鋰離子動力電池的製作方法
2023-07-04 18:39:26 1
專利名稱：鋰離子動力電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鋰離子二次電池，更詳細地是為電動自行車、電動摩託車和電動汽車等高能耗設備提供能源的鋰離子動力電池。
技術背景鋰離子電池是Li嵌入化合物為正負極的可充電電池，正極採用鋰化合物LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4或LiFePO4，負極採用鋰-碳層間化合物LiXC6。電解質為溶解有LiPF6、LiASF6等鋰鹽的有機溶液。在充放電過程中，鋰離子Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，被形象地稱為″搖椅電池″(Rocking Chair Batteries，縮寫為RCB)。從人們實用新型鋰金屬材料做電池，構成高電壓和高比能的鋰離子電池以來，當今世界已生產出兩大類型的鋰離子電池，最早是液態的，九十年代後又發展出固態的聚合物電池。鋰離子電池的陽極和陰極分別由碳質材料和金屬氧化物製成，具有促進鋰離子重覆遷移的層狀結構。「搖椅」作用使鋰離子電池有長的貯存壽命，和長的循環壽命。本文敘述的鋰離子動力電池是在液態和固態聚合物鋰離子電池的基礎上，研究和發展了一種新結構的膠態的大容量、大功率的鋰離子動力電池。該項實用新型填補了世界上在大容量大功率電池領域裡的空白。
隨著電驅動技術廣泛深入到人們生活中，電力驅動即將成為人類生活使用的主要動力能源。由於電能對環境友好，而且其來源具有相對永恆性，因此電力驅動技術也許會延續一千年。而蒸汽機、內燃機、渦輪機等技術都是以燃燒方式作功的技術，只是人類社會發展過程中一個短短的插曲，它們的產生雖然促進了社會的發展，但也深深地傷害了人們賴以生存的地球環境。伴隨著世界性燃料儲量的危機，以及越來越嚴重的環境汙染，發展以蓄電池為主要動力能源的交通工具正在快速發展。但傳統蓄電池做為一種大功率、大容量的動力電源，並沒有解決其本身的致命弱點，人們在成千上萬次的試驗中，發現根本消除不了現有電池存在的兩大問題(1)比能量低(一次性充電達不到理想的續駛裡程)(2)比功率小(加速爬坡能力低，在大電流放電時很難趨於平衡狀態)鋰離子動力電池的產生，對使用大功率大能量的驅動設備展現了新的憧憬。根據鋰離子動力電池的性能(包括充放電特性、溫度特性、循環壽命、自放電性和安全性)的綜合分析和實際驗證，已有一致的結論認為鋰離子動力電池的應用前景之廣闊，使用範圍之寬廣，是無法估量的。
現有的鋰離子動力電池普遍採用卷繞式，、如採用1組正、負極片卷繞成電池組，但一般認為現有技術不可能使電池卷芯無限擴大(如大於2Ah的園柱電池熱安全性將急劇下降)。進步的是將多組卷繞式電池組合成電池組，如中國專利02285475.4就介紹了一種將多個單體電池疊合組裝成電池組的方法，其中單體電池沿外殼的窄面排列，它們的寬面互相疊合，這種電池存在的主要缺陷是①由於現有電池內部應力是不可迴避，該專利迴避了以往由外殼約束內部應力的方法，而用內部彈性體吸收內部應力，其後果是電池內部層間間距變化，這將導致電池性能的穩定發揮；②該電池內部單體電池排布方向不利於對極片層間距離的約束，既電池外殼側面的寬面垂直方向的約束力最弱；③此類電池結構的初衷之一是不希望內部單體電池容量過大，而按照該實用新型所述單體電池排列方向，實際應用中不可能作出較大容量的電池(如大於100Ah)。
另外，也有採用疊片式的，如中國專利00228495.2介紹了一種疊片式鋰離子動力電池。然而，它們均由於極片面積過大，在電池複雜的裝配過程和充放電過程中很易導致散熱不暢、變形、掉粉、極片鬆緊不一致等缺陷，造成安全隱患。
實用新型內容本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種結構簡單、性能優良、生產裝配工藝簡便的電池結構。
為了解決上述技術問題，本實用新型所採取的技術方案是一種鋰離子動力電池，包括帶有正、負極柱的外殼，還包括多組能量單元，所述能量單元設置在外殼內，並沿外殼的最大側表面的長度方向排列。
所述外殼可以呈長方體結構，所述能量單元豎向設置在外殼內，能量單元之側表面的窄面與外殼之側表面的寬面平行，能量單元之側表面的寬面與外殼之側表面的窄面平行。
所述能量單元可以為由正、負極片通過隔膜間隔卷繞多圈而成的卷芯。
所述卷芯的正、負極片上可以分別導電連接有正、負極耳。
所述所有能量單元的正、負極耳可以分別連接至外殼的正、負極柱。
所述正、負極耳可以分別通過鋁製帶或鎳制帶連接正、負極柱。
所述能量單元可以有2～100組。
所述卷芯的卷繞圈數可以為2～100圈。
在上述技術方案中，本實用新型採用多組單獨的能量單元組合成電池的電池組，並且將所有能量單元沿外殼的最大側面的長度方向排列，與現有技術相比，具有如下優點1、充分利用了電池殼體短邊抗變形能力強的特點，不僅使極片主要沿卷芯軸向的膨脹獲得了更強的約束力，而且把外殼厚度變形巧妙的轉化到外殼長度變形上，從而使充放電引起的形變得到了有效控制，使用戶最關心的電池厚度變形得到了保障；2、由於能量單元沿外殼的最大側面的長度方向排列，從而使極片主要向外殼最大側面傳導熱量，增大了散熱面積，利於熱量的擴散，顯著提高了熱安全性；3、由於採用多卷芯能量單元內部並聯組合，從而具有短路率低的特點，可有效避免大面積短路，大大提高了電池的破壞安全性；4、由於所有能量單元均為並聯連接，並且它們共用電解液，從而降低了電池的內阻和內阻變化。相對於僅採用1組極片卷繞成大卷芯的普通電池而言，本實用新型充分保證了電池大電流放電性能，經測試，在1C倍率的大電流放電的情況下，放電容量達到0.1C倍率放電容量的75％以上；5、由於採用卷繞方式的多卷芯組合，便於檢測和控制微短路現象，使電池提高了荷電保持性能，放置一個月後，其能量保持率仍在89％以上；6、由於採用多個獨立的能量單元，相當於傳統的疊片方式，本實用新型便於生產過程的短路檢測及維修，明顯降低生產報廢率，對於大電池生產具有重要的實際意義；7、製作方便，可以充分利用現有電芯的製備設備；
附圖1為本實用新型鋰離子動力電池的立體結構示意圖；附圖2為本實用新型鋰離子動力電池的一個能量單元的縱向剖面結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合說明書附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
參考附圖1，本實用新型鋰離子動力電池，由外殼1、若干組能量單元3構成。
所述外殼1呈長方體結構，其頂面上設置有正、負極柱2、5以及注液孔6，其側表面的寬面10為其一個最大側表面，與寬面10相鄰接的側表面即為窄面11。
所述能量單元3可以有2～100組，其組數的不同決定電池容量的不同。它們均豎向設置在外殼1內，並沿外殼的最大側表面10的長度方向排列成一排。所述所有能量單元3的側表面之窄面與外殼1之側表面的寬面10等距平行，其側表面的寬面與外殼1的側表面的窄面11平行。這種能量單元沿最大側表面長度方向排列設置的結構將有助於製作大容量鋰電池。
參考附圖2，所述能量單元3為由正、負極片32、33通過隔膜34間隔卷繞多圈(可以為2～100圈，其圈數根據整體電池容量、外殼尺寸和單體電池容量綜合優化確定)而成的卷芯。且正、負極片32、33上分別導電連接有正、負極耳30、31。所述正、負極耳30、31分別通過鋁製帶或鎳制帶4連接至外殼1的正、負極柱2、5，從而使各個能量單元之間為並聯聯接，達到提高電流通過能力和減小電池內阻的目的。
本實用新型的加工過程如下1、正極片32採用活性材料LiMO2(M＝Co、Mn、Ni或者它們的複合氧化物)，LiMPO4(M＝Fe、Co、Mn、Ni、V等或者它們的複合氧化物)。將正極活性材料與乙炔黑、聚偏氟乙烯、導電石墨等按比例溶解在N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙醯胺中混合製成漿液，將漿液塗覆於鋁箔(或鋁網)的兩面，在80～150℃下乾燥後，碾軋、裁剪得到正極極片；2、負極片33採用MCMB、石墨或其他低電位嵌鋰材料，將其按一定比例與乙炔黑、CMC、丁苯橡膠等混合後溶於水中製成漿液，將漿液均勻地塗覆於銅箔(或銅網)的兩面，在80～150℃下乾燥後，碾軋、裁剪得到負極片；3、用聚丙烯或聚乙烯薄膜34將正、負極片隔開並對齊後捲成卷芯形成獨立能量單元3，將粘好膠帶的卷芯沿長邊裝入金屬或塑料電池殼中；4、將裝有多個能量單元的電池經過極耳焊接、沉底、焊接、烘烤、注液、封裝後得到大容量、高安全性鋰離子動力電池。
按照上述製作方法，可製作一個100Ah鋰離子動力電池，其規格如下電池外形550×120×160(長×寬×高單位mm)能量單元尺寸50×100×150(長×寬×高單位mm)卷芯數10正極片尺寸1600×150(單位mm)負極片尺寸1620×154(單位mm)將單個卷芯的正負極耳分別由鋁帶和銅帶連接起來後用鉚釘固定後與電池極柱連接，檢測性能，用雷射將殼體與蓋板焊接起來，經過5-20小時烘烤後注液、封口、化成後即得100Ah大功率鋰離子動力電池。
採用測試方法為先恆流充電至4.2V，再轉恆壓充電100分鐘左右，然後再恆流放電至截止電壓為2.75V。採用的對比測試對象為疊片式鋰離子電池、多卷芯(卷芯沿外殼的窄面排列)鋰離子電池和本實用新型的鋰離子動力電池。採用的測試參數為重量比能量參數、循環性能(即循環充電或放電300次後的充放電效率值)、電池厚度變化率(即100隻電池在循環使用後電池的變形率值)。可測得三種鋰離子電池的性能對比列表如下
從上述測試性能對比結果可以看出，本實用新型相對現有技術中的鋰離子電池，明顯更加經久耐用，損耗率低，性能更加優良。
權利要求1.一種鋰離子動力電池，包括帶有正、負極柱的外殼，其特徵在於還包括多組能量單元，所述能量單元設置在外殼內，並沿外殼的最大側表面的長度方向排列。
2.如權利要求1所述鋰離子動力電池，其特徵在於所述外殼呈長方體結構，所述能量單元豎向設置在外殼內，而且能量單元之側表面的窄面與外殼的側表面的寬面平行，能量單元之側表面的寬面與外殼的側表面的窄面平行。
3.如權利要求1或2所述鋰離子動力電池，其特徵在於所述能量單元為由正、負極片通過隔膜間隔卷繞多圈而成的卷芯。
4.如權利要求3所述鋰離子動力電池，其特徵在於所述卷芯的正、負極片上分別連接有正、負極耳。
5.如權利要求4所述鋰離子動力電池，其特徵在於所述所有能量單元的正、負極耳分別連接至外殼的正、負極柱。
6.如權利要求5所述鋰離子動力電池，其特徵在於所述正、負極耳分別通過鋁製帶或鎳制帶連接正、負極柱。
7.如權利要求1所述鋰離子動力電池，其特徵在於所述能量單元有2～100組。
8.如權利要求3所述鋰離子動力電池，其特徵在於所述卷芯的卷繞圈數為2～100圈。
專利摘要本實用新型公開了一種鋰離子動力電池，包括帶有正、負極柱的外殼，還包括多組能量單元，所述能量單元設置在外殼內，並沿外殼的最大側表面的長度方向排列。所述外殼呈長方體結構，所述能量單元豎向設置在外殼內，其側表面的窄面與外殼的側表面的寬面平行，其側表面的寬面與外殼的側表面的窄面平行。所述能量單元為由正、負極片通過隔膜間隔卷繞多圈而成的卷芯。相對現有技術，本實用新型具有結構簡單，製作工藝簡單、能量密度高、損耗率低、形變小、安全性能好等特點。
文檔編號H01M10/40GK2722447SQ20042006633
公開日2005年8月31日 申請日期2004年6月30日 優先權日2004年6月30日
發明者劉立君, 駱宏鈞 申請人:北京格林動力電源技術有限公司, 北京科技經營管理學院