專利名稱：一種片段式電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，尤其涉及一種片段式電池內(nèi)部分區(qū)技術(shù)以及采用此方式制作的電池。
背景技術(shù)：
鋰離子電池與鉛酸、鎘鎳等其他類型的電池相比具有比容量大、工作電壓高、充電速度快、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長、體積小、重量輕等優(yōu)點。已在便攜式電子設(shè)備、電動工具、電動汽車、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的便攜式電子設(shè)備相比，汽車行業(yè)和大型儲能系統(tǒng)往往通過提高單體電池容量，以減少數(shù)量龐大的單體電池成組對電源管理系統(tǒng)帶來的一系列復(fù)雜的問題，而大容量單體鋰離子電電動工具和電動汽車用鋰離子電池一般體積較大、容量較高、功率較大，這就對鋰離子電池的能量密度、循環(huán)壽命、安全性提出更高的要求。如何提高電池的充放電性能，滿足市場要求，是擺在電池工作者面前的熱點問題。 為此，電池工作者在電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計、正負極組成、電池生產(chǎn)工藝等方面進行了不斷的探索。大容量電池的性能不僅受電極、電解液材料體系的影響，而且受電池結(jié)構(gòu)如極片尺寸大小、極耳數(shù)量、極耳位置、集流體厚度以及使用時流過集流體的電流密度等影響。電池內(nèi)部的均一性是影響電池性能、壽命及安全性的關(guān)鍵因素，對大電池而言電場強度、電流密度及極片均一性的影響更為顯著。電勢較高、電流密度較大的區(qū)域反應(yīng)劇烈，電極材料和電解液的結(jié)構(gòu)變化較大，材料衰減嚴重，最終導(dǎo)致局部區(qū)域電池性能衰減、 安全性降低。通常采取的增加極耳個數(shù)的方法解決電場分布的不均勻性的問題。目前對于電池內(nèi)部均勻性的研究多是基于理論計算的結(jié)果，還沒有能實際的模擬驗證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種簡單的、在結(jié)構(gòu)上密封、接近真實電池體系的片段式結(jié)構(gòu)的電池，將電極極片分成若干個片段，通過極耳將這些極片片段導(dǎo)出到外電路，可在外電路自由連接。以滿足對電池反應(yīng)過程中各區(qū)域的參數(shù)的準確測試，以及對電池內(nèi)部反應(yīng)均一性的模擬分析。一種片段式電池，包括帶有正極片和負極片的極組，所述的正極片和負極片中至少有一者是由多個極片片段構(gòu)成，多個極片片段之間相互絕緣。所述的片段式電池為鋰離子電池或鎳氫電池，不同類型的電池時，結(jié)構(gòu)特點是相同的，僅是對應(yīng)采用不同的材料，就材料本身而言，可以利用現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明片段式電池優(yōu)選鋰離子電池，即片段式鋰離子電池。每個極片片段上帶有至少一個極耳，不同的極片片段上的極耳之間相互絕緣。本發(fā)明片段式電池可以根據(jù)用戶需要將電池內(nèi)部正極片和/或負極片分成若干相互獨立的單元(通過絕緣材料隔離)，通過外電路自由組合連接組裝成電池。通過這種片段式的組裝結(jié)構(gòu)可將電池各個區(qū)域的電極引出到外電路，不僅可以用于模擬電池使用過程中電池內(nèi)部電場、電流密度、溫度等的分布情況的研究，而且可用于電池安全失效等過程的研究分析。極性相同的多個極片片段一般是至少兩個，多個極片片段在空間位置上可以是相互隔離的，也可以是通過絕緣的連接部件相互連接。通過絕緣的連接部件相互連接時，例如可以采用絕緣膠帶將兩個相鄰的極片片段粘結(jié)在一起，且兩個相鄰的極片片段之間留有間隙。為了保證相互絕緣，所述的間隙一般至少為1mm。作為單個極片片段而言，其結(jié)構(gòu)及制法可以采用現(xiàn)有技術(shù)，例如在集流體箔材上涂覆有電極漿料，集流體箔材上帶有用于連接外部電路的極耳。每個極片片段上的極耳可以是一個、兩個或者更多。另外為了進一步保證不同的極片片段上的極耳之間相互絕緣，在極耳的根部(靠近集流體箔材的部位)包裹有絕緣材料層。所述的正極片和負極片之間通過隔膜(隔膜可采用現(xiàn)有技術(shù))相互隔離，正極片、 隔膜和負極片采用卷繞或疊置方式構(gòu)成極組，即卷繞式極組或疊片式極組。極組可以通過現(xiàn)有技術(shù)手段封裝在殼體之內(nèi)，僅極耳的端頭延伸出殼體。正極片、隔膜和負極片采用卷繞方式構(gòu)成極組時，所述的極組為柱狀，截面為圓形、長圓形、矩形或橢圓形。正極片、隔膜和負極片采用疊片方式構(gòu)成極組時，所述的極組為多層疊置結(jié)構(gòu)，每一層的形狀為矩形。所述的不同的極片片段上的極耳之間至少要求在殼體內(nèi)部是相互絕緣的，引出到殼體外部后可以根據(jù)需要進行電路上的連接。作為優(yōu)選，每個極片片段上的極耳為兩個，分別位于極片片段的兩端，這兩個極耳的朝向相反，例如其中一個極耳從極組或殼體的頂面延伸出來，而另一個極耳則從極組或殼體的底面延伸出來。而這樣的多個極片片段相互連接時，由于極耳位于極片片段的兩端，因此相鄰的兩個極片片段中，在連接部位處有兩個極耳，作為優(yōu)選處于連接部位處的兩個極耳的朝向相同。本發(fā)明還提供了一種所述的片段式電池的制備方法，包括如下步驟(1)按預(yù)定形狀裁切極片；(2)在裁切好的極片上焊接極耳，得到極片片段；(3)將隔膜以及用于構(gòu)成正極片和負極片的所有極片片段進行卷繞或疊置構(gòu)成極組；(4)將極組封裝在殼體內(nèi)得到所述的片段式電池。步驟中將極組封裝在殼體內(nèi)時，可以利用現(xiàn)有技術(shù)中的輔助部件，例如電池上、下墊片、電池蓋帽等，封裝的過程還包括了注電解液、預(yù)化成，真空排氣、封口，以及必要的外電路連接。正極片和/或負極片是由若干個容量、尺寸相對較小的極片片段組成，極片片段之間相互獨立絕緣。可以是正極片采用片段式結(jié)構(gòu)，也可以是負極片采用片段式結(jié)構(gòu)或者正負極片同時采用片段式結(jié)構(gòu)。所述的殼體可以采用鋁殼、鋼殼、塑料、鋁塑膜、PP膜等材料。極組和電池外部集流器件的連接可以通過電池蓋帽極柱也可以直接采用軟包電池極耳熱封到軟包電池外部，作為外電路連接點。作為優(yōu)選，對步驟O)的極片片段中極耳包裹絕緣材料(例如絕緣膠帶)，以保證極耳間相互絕緣。步驟(3)中可以先把多個極片片段通過絕緣連接部件連接成預(yù)定長度的極片后再進行卷繞或疊置，也可以將單個極片片段在卷繞或疊置過程中逐片插入。多個極片片段連接時，為了便于在電池外部進行連接，通常是將每個極片片段的兩個極耳方向相反，片段連接時，鄰近的兩個片段上極耳方向相同。多個極片片段通過絕緣連接部件連接時，相鄰的極片片段之間應(yīng)保持一定的距
1 O隔膜以及用于構(gòu)成正極片和負極片的所有極片片段進行疊置構(gòu)成極組時，可以采用連續(xù)的負極片，將負極片的隔膜進行折疊，然后在每個疊層的對應(yīng)位置插入正極片段；也可以采用正負極片都是片段式，逐層疊放負極片段和正極片段，正負極之間用隔膜進行隔離。然后將所有負極集流體焊接在同一極耳上，而正極各個片段直接由各片段上極耳引出到電池外部并保持在電池內(nèi)部各個正極耳之間相互絕緣。本發(fā)明所述的片段式電池結(jié)構(gòu)靈活，可以制作成卷繞式或疊片式的電池。為研究電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)、電場變化及電池安全失效的研究提供準確可靠的模擬電池。


圖1為本發(fā)明片段式電池中極片片段的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為若干個圖1中的極片片段相互絕緣連接后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為另一種結(jié)構(gòu)形式的若干個極片片段相互絕緣連接后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明一種片段式電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4中的片段式電池另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖4中A部分放大圖；圖7為本發(fā)明另一種實施方式的片段式電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖7中的片段式電池另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例1本發(fā)明一種片段式電池(本實施例以及其他實施例均以鋰離子電池為例)包括帶有正極片和負極片的極組，正極片和負極片中至少有一者是由多個極片片段構(gòu)成，多個極片片段之間相互絕緣。參見圖1，作為一種形式的極片片段，包括集流體箔材2，集流體箔材2上涂覆有電極漿料1，集流體箔材2兩端焊接有用于連接外部電路的極耳4和極耳5，且極耳4和極耳 5朝向相反。
為了保證不同的極片片段上的極耳之間相互絕緣，在極耳的根部包裹有絕緣材料層。例如極耳4根部包裹有絕緣材料層3。參見圖2，多個圖1中的極片片段連接時，兩個相鄰的極片片段100和極片片段 101之間采用絕緣膠帶6 (位置如虛線框所示)粘結(jié)在一起，極片片段100和極片片段101 之間留有Imm間隙，以保證相互絕緣。絕緣膠帶6所覆蓋的連接部位處有兩個極耳，這兩個極耳的朝向相同。參見圖3，另一種結(jié)構(gòu)形式的極片片段，每個極片片段僅有一個極耳，兩個相鄰的極片片段102和極片片段103之間采用絕緣膠帶6 (位置如虛線框所示)粘結(jié)在一起，極片片段102和極片片段103之間Imm間隙，所有極耳的朝向相同。參見圖4、5、6，一種片段式鋰離子電池，負極片11是連續(xù)的結(jié)構(gòu)，且?guī)в胸摌O耳8， 正極片12由多個正極片段連接而成，每個正極片段均帶有一個極耳，例如正極耳9。正極片段的個數(shù)可以為十個(圖中僅示意性的表示了三個)。相鄰的正極片段之間留有間隙10。負極片11、隔膜13、正極片12卷繞構(gòu)成柱狀極組，極組截面大致為長圓形，極組封裝在殼體7內(nèi)。整體電池的容量設(shè)計為3Ah。極耳用絕緣膠帶包覆，以保證極耳間絕緣，極組封裝在對應(yīng)形狀的電池殼內(nèi)后，通過焊接的方式將極耳連接到多極柱電池蓋帽的極柱上，后續(xù)封口工藝與常規(guī)電池相同。實施例2本實施例中負極片為常規(guī)連續(xù)極片，正極片包括八個相互獨立的正極片段。在電芯極組制作過程中，負極片與隔膜連續(xù)卷繞成方柱狀，而后將正極片段逐個插入對應(yīng)的位置，并保證正極片段與負極片之間通過隔膜性相互隔離。相鄰的正極片段間保持一定距離(3mm)，而后極耳通過焊接的方式與外部集流器件連接，極組密封在在方形鋼殼內(nèi)，其他封口及化成工藝與常規(guī)電池相同。實施例3本實施例中負極片為常規(guī)連續(xù)極片，正極片包括八個相互獨立的正極片段。在電芯極組制作過程中，負極片與隔膜連續(xù)卷繞成圓柱狀，而后將正極片段逐個插入對應(yīng)的位置，并保證正極片段與負極片之間通過隔膜性相互隔離。相鄰的正極片段間保持一定距離(3mm)，而后極耳通過焊接的方式與外部集流器件連接，極組密封在在圓筒形鋼殼內(nèi)，其他封口及化成工藝與常規(guī)電池相同。實施例4參見圖7、8，本實施例中正、負極片都是由多個相互獨立的極片片段組成，采用電池行業(yè)的疊片方式將負極片11、隔膜13、正極片12組裝成極組。將多個負極片段引出焊接到同一負極耳8上，與外電路導(dǎo)通，這樣的結(jié)構(gòu)適于高功率條件下使用。而每個正極片段之間仍保持相對的獨立性，每個片段由一個單獨的極耳 (例如正極耳9)引出到外電路。在本實施例中，極組密封在鋁塑包裝膜中，正、負極極耳是通過熱熔膠與鋁塑包裝膜密封在一起，其他的預(yù)化成、排氣封口等工藝與常規(guī)的軟包裝電池相同。
權(quán)利要求
1.一種片段式電池，包括帶有正極片和負極片的極組，其特征在于，所述的正極片和負極片中至少有一者是由多個極片片段構(gòu)成，多個極片片段之間相互絕緣。
2.如權(quán)利要求書1所述的片段式電池為鋰離子電池或鎳氫電池。
3.如權(quán)利要求2所述的片段式電池，其特征在于，每個極片片段上帶有至少一個極耳， 不同的極片片段上的極耳之間相互絕緣。
4.如權(quán)利要求3所述的片段式電池，其特征在于，極性相同的多個極片片段在空間位置上相互隔離，或通過絕緣的連接部件相互連接，通過絕緣的連接部件相互連接時，兩個相鄰的極片片段之間留有間隙。
5.如權(quán)利要求4所述的片段式電池，其特征在于，所述的極耳的根部包裹有絕緣材料層。
6.如權(quán)利要求5所述的片段式電池，其特征在于，每個極片片段上的極耳為兩個，分別位于極片片段的兩端，這兩個極耳的朝向相反，多個極片片段相互連接時，處于連接部位處的兩個極耳的朝向相同。
7.如權(quán)利要求6所述的片段式電池，其特征在于，所述的正極片和負極片之間通過隔膜相互隔離，正極片、隔膜和負極片采用卷繞或疊置方式構(gòu)成極組。
8.如權(quán)利要求7所述的片段式電池，其特征在于，所述的正極片、隔膜和負極片采用卷繞方式構(gòu)成極組，所述的極組為柱狀，截面為圓形、長圓形、矩形或橢圓形。
9.如權(quán)利要求1 8任一項所述的片段式電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)按預(yù)定形狀裁切極片；(2)在裁切好的極片上焊接極耳，得到極片片段；(3)將隔膜以及用于構(gòu)成正極片和負極片的所有極片片段進行卷繞或疊置構(gòu)成極組；(4)將極組封裝在殼體內(nèi)得到所述的片段式電池。
10.如權(quán)利要求9所述的片段式電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)中先把多個極片片段通過絕緣連接部件連接成預(yù)定長度的極片后再進行卷繞或疊置，或者將單個極片片段在卷繞或疊置過程中逐片插入。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種片段式電池及其制備方法，片段式電池包括帶有正極片和負極片的極組，所述的正極片和負極片中至少有一者是由多個極片片段構(gòu)成，多個極片片段之間相互絕緣。本發(fā)明片段式電池簡單、在結(jié)構(gòu)上密封、接近真實電池體系，極片分成若干個片段，通過極耳將這些極片片段導(dǎo)出到外電路，可在外電路自由連接。以滿足對電池反應(yīng)過程中各區(qū)域的參數(shù)的準確測試，以及對電池內(nèi)部反應(yīng)均一性的模擬分析。
文檔編號H01M10/058GK102299294SQ201110197820
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者于申軍, 朱靜, 王朝陽 申請人:杭州萬好萬家動力電池有限公司