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一种长循环寿命电池的制作方法

文档序号:24850455发布日期:2021-04-27 22:02
一种长循环寿命电池的制作方法

1.本实用新型涉及电池制备技术领域,特别涉及一种长循环寿命电池。


背景技术:

2.现今生产的储能电站用锂离子电池单体追求体积和质量能量密度,单体内部贫液,电池电解液是电池中离子传输的载体,电解液在电池正、负极之间起到传导离子的作用,是电池获得高电压,高比能等优点的保证。电池中的电解液随着使用之后,电解液会逐步减少,使得电池的寿命不长,这使得由目前形式单体集成的储能电站难以匹配风光发电站的服务寿命(25年)。
3.为了对锂离子电池的电解液进行补充,现有技术中主要通过在电池壳体上设置单向的注液装置,此装置的缺陷在于,该注液装置与电池腔内气压不连通,电池内腔气压大于大气压使得注液装置的加液较为困难,必须使用动力装置进行加液,对于密闭的电池而言,也难以直观获得电池腔内电解液的液位情况。且由于这种单向的加液过程会使电池腔内容纳气体的空间更加狭小,导致电池腔内气压增大导致电池鼓壳甚至爆炸。因此,加液之后又必须打开排气阀对电池腔内进行减压排气,减压排气的过程中破坏了电池腔体的密闭状态,增加了水汽和空气进入了电池内部的风险。水分的引入,不但能导致电解质锂盐的分解产生hf,而且对正负极材料的成膜和稳定性产生恶劣影响,导致电池的电化学特性,诸如容量、内阻、产品特性都会产生较为明显的恶化。


技术实现要素:

4.基于此,本实用新型的目的是提供一种长循环寿命电池,能够解决现有技术中电池补液过程中,电池腔内气压大于大气压造成的电解液加入困难,加液之后导致电池内气压增大的问题,以及电解液的监控和净化等问题。
5.为了解决以上技术问题,本实用新型采用以下方案,一种长循环寿命电池,所述电池为密闭体系,所述电池包括:
6.壳体,所述壳体内部具有容纳电解液的腔体;
7.电极组件,设于所述腔体内,所述电极组件包括至少两个电极;
8.补液装置,设于所述壳体外部;
9.第一通道,所述第一通道第一端连通所述补液装置,所述第一通道第二端连通所述腔体,使得所述补液装置中的流体能够引入至所述腔体内;
10.第二通道,所述第二通道第一端连通所述腔体,所述第二通道第二端连通所述补液装置,使得所述腔体内的流体能够引入至所述补液装置中。
11.作为可选的技术方案,所述补液装置包括电解液储存装置,用于储存电解液;
12.所述第一通道第一端在垂直方向上的高度低于所述电解液储存装置内所述电解液的液面,所述第一通道第二端在垂直方向上的高度低于所述腔体内所述电解液的液面,使得所述电解液储存装置中的电解液能够引入至所述腔体内;
13.所述第二通道第一端在垂直方向上的高度高于所述腔体内所述电解液的最高液面,所述第二通道第二端在垂直方向上的高度高于所述电解液储存装置内所述电解液的最高液面,使得所述腔体内的气体能够引入至所述电解液储存装置中。
14.所述电解液储存装置出液口在垂直方向的高度高于所述电极组件的顶部,所述电解液储存装置顶部在垂直方向上的高度低于所述腔体的顶部;
15.优选地,所述第一通道第一端设于所述电解液储存装置底部;和/或
16.所述第二通道第一端设于所述腔体顶部,所述第二通道第二端设于所述电解液储存装置顶部。
17.作为可选的技术方案,所述电解液储存装置为透明结构;
18.优选地,所述电解液储存装置的容量为所述腔体实际储液量的0.1-1倍。
19.作为可选的技术方案,所述补液装置还包括;
20.添加剂储存装置,设于所述壳体外部,用于储存添加剂;
21.所述添加剂储存装置顶部连接有第二通气管,所述第二通气管一端连通所述添加剂储存装置,所述第二通气管另一端通过通气总管连通所述第二通道;
22.所述添加剂储存装置底部连接有第二放料管,所述第二放料管一端连通所述添加剂储存装置,所述第二放料管另一端连接所述腔体,所述第二放料管上设置有用于控制所述添加剂释放至所述腔体中的阀门。
23.作为可选的技术方案,所述补液装置还包括;
24.溶剂储存装置,设于所述壳体外部,用于储存溶剂;
25.所述溶剂储存装置顶部连接有第三通气管,所述第三通气管一端连通所述溶剂储存装置,所述第三通气管另一端通过通气总管连通所述第二通道;
26.所述溶剂储存装置底部连接有第三放料管,所述第三放料管一端连通所述溶剂储存装置,所述第三放料管另一端连接所述腔体,所述第三放料管上设置有用于控制所述溶剂释放至所述腔体中的阀门;
27.所述第二通道上设置有第二通道第三端,所述第二通道第三端连接通气总管,所述第二通气管和所述第三通气管并联接入所述通气总管。
28.作为可选的技术方案,所述补液装置还包括:
29.储备储存装置,设于所述壳体上部;
30.所述储备储存装置顶部连接有第一通气管,所述第一通气管一端连通所述储备储存装置,所述第一通气管另一端通过通气总管连通所述第二通道;
31.所述储备储存装置底部连接有第一放料管,所述第一放料管一端连通所述储备储存装置,所述第一放料管另一端连接所述腔体,所述第一放料管上设置有用于控制所述储备储存装置中的内容物释放至所述腔体中的阀门。
32.作为可选的技术方案,所述第二通道上设置有第三端,所述第三端连接通气总管,所述第一通气管、所述第二通气管和所述第三通气管并联接入所述通气总管。
33.作为可选的技术方案,所述电池还包括电解液净化装置和电解液运输动力装置;
34.所述电解液净化装置和所述电解液运输动力装置接入所述第二通道中,所述电解液净化装置和所述电解液运输动力装置将所述第二通道分为前通道段、中通道段和后通道段;
35.所述前通道段第一端为所述第二通道第一端;所述前通道段第二端连通所述电解液运输动力装置入口;
36.所述电解液运输动力装置出口连通中通道段的第一端,所述中通道段的第二端连通所述电解液净化装置的入口;
37.所述电解液净化装置出口连通所述后通道段第一端;所述后通道段的第二端为所述第二通道第二端。
38.作为可选的技术方案,还包括添加剂储存装置和溶剂储存装置;
39.所述添加剂储存装置,设于所述壳体外部,用于储存添加剂;所述添加剂储存装置顶部连接有第二通气管,所述第二通气管一端连通所述添加剂储存装置,所述第二通气管另一端通过通气总管连通所述腔体;所述添加剂储存装置底部连接有第二放料管,所述第二放料管一端连通所述添加剂储存装置,所述第二放料管另一端连接所述腔体,所述第二放料管上设置有用于控制所述添加剂释放至所述腔体中的阀门;
40.所述溶剂储存装置,设于所述壳体外部,用于储存溶剂;所述溶剂储存装置顶部连接有第三通气管,所述第三通气管一端连通所述溶剂储存装置,所述第三通气管另一端通过通气总管连通所述腔体;所述溶剂储存装置底部连接有第三放料管,所述第三放料管一端连通所述溶剂储存装置,所述第三放料管另一端连接所述腔体,所述第三放料管上设置有用于控制所述溶剂释放至所述腔体中的阀门;
41.所述所述第二通气管和所述第三通气管并联接入所述通气总管;
42.优选地,还包括储备储存装置:所述储备储存装置设于所述壳体上部,所述储备储存装置顶部连接有第一通气管,所述第一通气管一端连通所述储备储存装置,所述第一通气管另一端通过通气总管连通所述腔体,所述储备储存装置底部连接有第一放料管,所述第一放料管一端连通所述储备储存装置,所述第一放料管另一端连接所述腔体,所述第一放料管上设置有用于控制所述储备储存装置中的内容物释放至所述腔体中的阀门;所述第一通气管、所述第二通气管和所述第三通气管并联接入所述通气总管。
43.所述第一通气管、所述第二通气管和所述第三通气管并联接入所述通气总管。
44.作为可选的技术方案,所述电池为注液系数5.0-20.0的电池;优选地,所述电池为磷酸铁锂电池;和/或所述电池为储能系统用锂离子电池或车用动力锂离子电池。
45.作为可选的技术方案,所述电极根据其表面活性材料极性的不同分为正极极板和负极极板,所述正极极板和所述负极极板按照交叉的方式在所述腔体内沿电极的厚度方向上层叠设置;
46.优选地,两两相邻的所述电极之间分开形成一间隙;
47.优选地,所述间隙的取值范围是0.01-1mm;优选地,所述间隙的取值范围是0.05-0.5mm。
48.作为可选的技术方案,所述电极包括集流体、以及设置在所述集流体至少一个外表面上的含有活性材料的活性材料层;
49.其中,所述集流体包括:
50.一夹层空间,配置为容纳电解液;
51.一集流部,所述集流部具有至少一活性材料设置表面,配置为安置活性材料;
52.所述活性材料设置表面开设有与所述夹层空间相连通的至少一个通孔,以使所述
电解液中的锂离子可通过所述通孔进入所述活性材料和/或所述活性材料中的锂离子可通过所述通孔进入所述电解液;
53.优选地,所述活性材料层的厚度的取值范围是0.1-10mm;
54.优选地,其正极活性材料层厚度的取值范围是0.1-0.5mm;和/或其负极活性材料层厚度的取值范围是0.1-0.4mm。
55.作为可选的技术方案,所述集流部包括:
56.第一集流部和第二集流部,所述第一集流部和所述第二集流部之间分开形成所述夹层空间;
57.在所述第一集流部上和所述第二集流部上均开设有若干个所述通孔;
58.所述夹层空间设置有连接所述第一集流部和所述第二集流部的至少一个连接部。
59.作为可选的技术方案,所述电池还包括电解液促扩散装置,所述电解液促扩散装置设置于所述壳体外部;
60.所述电解液促扩散装置的两端分别通过管道与所述腔体连通;
61.所述管道包括第一管道和第二管道;
62.所述第一管道第一端连通所述电解液促扩散装置出口端,所述第一管道第二端连通所述腔体;所述第二管道第一端连通所述腔体,所述第二管道第二端连通所述电解液促扩散装置入口端;
63.其中,所述集流体包括:
64.第一集流部和第二集流部,所述第一集流部和所述第二集流部之间分开形成所述夹层空间;
65.在所述第一集流部上和所述第二集流部上均开设有若干个所述通孔;
66.所述夹层空间设置有连接所述第一集流部和所述第二集流部的至少一个连接部;
67.所述连接部包括连接条,所述连接条设置于所述夹层空间的边缘并围合所述夹层空间,使得所述夹层空间在高度方向上封闭;
68.其中,在电极组件中,所述电极组件为将所有电极采用短管进行首尾串联组成,所述短管设置在所述电极长度方向的端部并连通所述电极的夹层空间,使得两两相邻的电极的所述夹层空间内的电解液可以进行流动,且同一个电极上设置的两根短管在所述电极的长度方向上远离彼此设置;
69.位于所述电极组件厚度方向一个末端电极的夹层空间连通第一管道第二端,且所述第一管道第二端在该电极的长度方向上远离该电极上设置的短管;所述电极组件厚度方向另一个末端的电极其夹层空间连通第二管道第一端,且所述第二管道第一端在该电极的长度方向上远离该电极上设置的短管。
70.本实用新型与现有技术相比,具有的有益效果是:通过在补液装置两端设置与电池内部连通的管道,使加液装置和电池腔内的气压保持一致,解决了电解液加液困难以及加液后电池内部气压增大的问题。进一步地,提供基于连通器原理制作的电解液储存装置对腔体进行电解液补充,其补液过程是自动发生的,补液过程中不需要对待补入的电解液提供一个外部推动力,注液过程电池始终维持密闭状态,将电解液储存装置设置为透明,便于对电池腔内电解液液位进行监控。进一步地,补液装置还可包括添加剂储存装置、溶剂储存装置和储备储存装置,能够对腔体内电解液成分进行调整。进一步地,该电池还包括电解
液净化装置能够对电池内电解液进行净化,通过对电解液进行净化,并对净化后的电解液按照需求加入不同组分的电解液成分,使净化后的电解液其成分更加接近新鲜电解液,使得电池内的电解液始终能够保持最初的状态。
附图说明
71.此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于说明本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
72.图1为本申请中实施例提供的一种长循环寿命电池的分解示意图;
73.图2为本申请提供的一种长循环寿命电池的一种具体实施方式的结构示意图;
74.图3为图2的正视方向内部结构示意图;
75.图4为图2中绝缘框架的结构示意图;
76.图5为本申请提供的一种长循环寿命电池的另一种具体实施方式的结构示意图;
77.图6为本申请提供的一种长循环寿命电池的又一种具体实施方式的结构示意图;
78.图7为本申请提供的一种长循环寿命电池的又一种具体实施方式的结构示意图;
79.图8为汇流排的一个面的结构示意图;
80.图9为汇流排的另一个面的结构示意图;
81.图10为本申请实施例中集流体c1的结构示意图;
82.图11为图9中m部分的局部放大图;
83.图12为本申请实施例中集流体c1的内部结构示意图;
84.图13为本申请实施例中电极p1的结构示意图;
85.图14为a组、b组和c组电池的循环性能图;
86.附图标记:电极组件q1、电极p1、正极极板p11、负极极板p12、间隙13、集流体c1、集流部2、第一集流部21、第二集流部22、通孔212、连接部23、连接立柱231、连接条232、活性材料设置表面26、冲孔区261、非冲孔区262、活性材料层3、第一通道41、第一通道第一端41-a、第一通道第二端41-b、第二通道42、第二通道第一端42-a、第二通道第二端42-b、第二通道第三端42-c、前通道段421、中通道段422、后通道段423、第一管道43、第二管道44、短管45、支管道46、通气总管47、第一通气管471、第二通气管472、第三通气管473、第一放料管481、第二放料管482、第三放料管483、防漏料层-5、壳体6、腔体61、绝缘框架62、条状孔621、通流孔622、汇流排63、正极汇流排63-1、负极汇流排63-2、第一表面631、第二表面632、导电条633、导电板634、顶板64、安装孔641、侧壁65、侧壁开孔651、抽气口69、夹层空间-7、电解液促扩散装置81、电解液储存装置82、储备储存装置83、添加剂储存装置84、溶剂储存装置85、电解液净化装置86、电解液运输动力装置87、短管91、连接管92、总管道93、支管道94。
具体实施方式
87.下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
88.除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时,应当明白,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被说明为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
89.在本申请的描述中,需要理解的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
90.在本申请的描述中,需要理解的是,方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,在未作相反说明的情况下,这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请保护范围的限制;方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
91.本申请旨在于提供一种长循环寿命电池,该电池通过设置补液装置,在电池内电解液损失后,补液装置能够对电池补充电解液。通过在补液装置两端设置与电池内部连通的管道,能够避免现有技术中,加液困难以及加液后电池内部气压增大的问题。本申请还提供了适合以上电池结构的电极和集流体的结构,本申请提供的一种长循环寿命电池,适合于注液系数5.0-20.0的电池、具有大、厚电极设计的电池,例如作为储能系统用电池或车用动力电池。以下结合附图对本申请进行详细说明。
92.图1-13示出了本申请提供的一种长循环寿命电池外部和内部的结构示意图,从图1可以看出,所述电池包括壳体6,所述壳体6内部具有容纳电解液的腔体61;在所述腔体内设置有电极组件q1,所述电极组件q1包括至少两个电极p1;在所述壳体6外部设置有补液装置;该补液装置通过第一通道41和第二通道42与电池的腔体相连通,该第一通道41,所述第一通道第一端41-a连通所述补液装置,所述第一通道第二端41-b连通所述腔体61,使得所述补液装置中的流体能够引入至所述腔体61内;第二通道42,所述第二通道第一端42-a连通所述腔体61,所述第二通道第二端42-b连通所述补液装置,使得所述腔体61内的流体能够引入至所述补液装置中,所述腔体61、所述补液装置、所述第一通道41和所述第二通道42均与外界环境隔离。在本申请中,所述补液装置可以为电池提供电解液以及仅含有部分电解液成分的物质,可以是电解液、电解质、溶剂或者添加剂等,所述流体是指能够流动的物质,例如可以是气体、液体或者具有较好流动性的固体,更具体地,对本申请而言,气体可以是电池制作时腔体内充入的惰性气体、电池腔内物质经挥发形成的蒸汽、电池腔内物质进行化学反应产生的气体等或上述物质的混合物,只要是在腔体61内电解液上方空腔内能够流动的物质即可。
93.作为一种具体的实施方案,如图2所示,所述补液装置为电解液储存装置82,其用于储存电解液;所述第一通道第一端41-a在垂直方向上的高度低于所述电解液储存装置82内所述电解液的液面,所述第一通道第二端41-b在垂直方向上的高度低于所述腔体61内所
述电解液的液面,使得所述电解液储存装置82中的电解液能够引入至所述腔体61内;所述第二通道第一端42-a在垂直方向上的高度高于所述腔体61内所述电解液的最高液面,所述第二通道第二端42-b在垂直方向上的高度高于所述电解液储存装置82内所述电解液的最高液面,使得所述腔体61内的气体能够引入至所述电解液储存装置82中。图2所示电解液储存装置82对腔体61进行补液的原理是基于连通器,当腔体61电解液随电池循环消耗后,腔体61内液面下降,此时,根据连通器原理,电解液储存装置82中的电解液可对腔体61内电解液进行补充,直至腔体61和电解液储存装置82内的电解液液面齐平。其补液过程是自动发生的,补液过程中不需要对待补入的电解液提供一个外部推动力,且电解液储存装置82上方的未装液空间能够为电池腔体61内的气体提供更多容纳空间,不会因电解液补充后腔体61上方未装液空间变小而使电池内气压增大,其补充电解液之后也不需要对电池腔体61进行排气处理,避免了排气过程中电池腔体61与外界环境的接触。
94.作为上述实施方案的优选方式,所述电解液储存装置82的安装高度可根据腔体61内的电解液液面以及电极组件q1的高度进行调整,在本申请中,为了有效利用所述电解液储存装置82的存储空间,所述电解液储存装置82出液口在垂直方向的高度高于所述电极组件q1的顶部,所述电解液储存装置82顶部在垂直方向上的高度低于所述腔体61的顶部;具体地,所述第一通道第一端41-a设于所述电解液储存装置82底部;和/或所述第二通道第一端42-a设于所述腔体61顶部,所述第二通道第二端42-b设于所述电解液储存装置82顶部。
95.进一步地,将所述电解液储存装置82为透明结构,可直观了解腔体61内的电解液液面情况,通过在透明材质制成的电解液储存装置82上进行刻度,即可定量了解电解液的使用情况,电池无需额外增加液位计,电解液储存装置82其材质不受特别的限制,选自透明、满足容器要求能够在使用状态下保持一定的形状且不与电解液发生反应即可。进一步地,所述电解液储存装置82的形状不受特别的限制,例如,可采用常规的加液罐的形状设置为圆柱体结构,且所述圆柱体的高度低于所述圆柱体横截面的外径以增大电解液储存装置82中注入的电解液体积;进一步地,所述电解液储存装置82的容量为所述腔体61实际储液量的0.1-1倍,所述腔体61的注液系数为5.0-20.0,注液系数的含义是所述腔体61内部实际电解液质量除以所有电极板可提供的电池容量。在本申请中,所述腔体61实际储液量是指腔体61内实际容纳的电解液的体积,该体积不包括电极组件q1等固件。
96.电池的电解液主要含有电解质锂盐、溶剂以及添加剂等,对于储能中常用的磷酸铁锂体系来讲,正极与电解液发生副反应较少,副反应主要为溶剂主要组成部分ec和添加剂被负极还原,反应同时消耗负极中的活性锂,主要生成物质为lif、li2co3、烷基碳酸锂和聚烯烃(简称sei),这些物质会沉积到负极活性物质颗粒表面。石墨循环过程是反复膨胀与收缩的,膨胀与收缩过程中会导致sei的破损,破损位子需要ec和添加剂以及活性锂参与修复,当添加剂消耗完时和ec比例下降时,破损位子跟其它溶剂反应,形成的sei相对更不稳定。因此导致活性锂的长期消耗,循环容量衰减加快,因此,及时对电解液中某一种或者某几种组分进行添加,使得腔体61内电解液组分始终保持平衡,有利于保持sei的稳定,降低循环容量的衰减速度。
97.基于此,本申请还提供另一种具体的实施方案来解决上述问题,如图5所示,所述补液装置还包括添加剂储存装置84,设于所述壳体6外部,用于储存添加剂;所述添加剂储存装置84顶部连接有第二通气管472,所述第二通气管472一端连通所述添加剂储存装置
84,所述第二通气管472另一端通过通气总管47连通所述第二通道42;所述添加剂储存装置84底部连接有第二放料管482,所述第二放料管482一端连通所述添加剂储存装置84,所述第二放料管482另一端连接所述腔体61,所述第二放料管482上设置有用于控制所述添加剂释放至所述腔体61中的阀门。
98.所述补液装置还包括溶剂储存装置85,设于所述壳体6外部,用于储存溶剂,根据本实用新型的实施方案,溶剂储存装置85用于储存ec,ec熔点为38℃,可以预先加热至液体再加入溶剂储存装置85;所述溶剂储存装置85顶部连接有第三通气管473,所述第三通气管473一端连通所述溶剂储存装置85,所述第三通气管473另一端通过通气总管47连通所述第二通道42;所述溶剂储存装置85底部连接有第三放料管483,所述第三放料管483一端连通所述溶剂储存装置85,所述第三放料管483另一端连接所述腔体61,所述第三放料管483上设置有用于控制所述溶剂释放至所述腔体61中的阀门。
99.所述补液装置还可以包括储备储存装置83,设于所述壳体6上部,依据选用的电池类型不同,该储备储存装置83可以用于储存电解质、不同于添加剂储存装置84中的另一种添加剂、或者不同于溶剂储存装置85中的另一种溶剂,可根据实际需要决定是否设置储备储存装置83。所述储备储存装置83顶部连接有第一通气管471,所述第一通气管471一端连通所述储备储存装置83,所述第一通气管471另一端通过通气总管47连通所述第二通道42,所述储备储存装置83底部连接有第一放料管481,所述第一放料管481一端连通所述储备储存装置83,所述第一放料管481另一端连接所述腔体61,所述第一放料管481上设置有用于控制所述电解质释放至所述腔体61中的阀门,打开阀门,即可实现储备储存装置83中内容物的添加。
100.所述第二通道42上设置有第二通道第三端42-c,所述第二通道第三端42-c连接通气总管47,所述第一通气管471、所述第二通气管472和所述第三通气管473并联接入所述通气总管47,使得上述储备储存装置83、添加剂储存装置84和溶剂储存装置85与腔体61内气压相同。优选地,上述装置中的阀门为计量阀。
101.其工作原理是,通过壳体6上的取样口对电解液取样检测,当检测到电池腔内61电解液成分变化需要调整时,可按需求通过添加剂储存装置84、储备储存装置83或溶剂储存装置85上的计量阀进行补充不同电解液组分,直至获得所需成分的电解液。
102.电池在生产、运输和使用过程中,稍有问题,就容易使得电解液中酸度和水分超标,水分的引入,不但能导致电解质锂盐的分解产生hf,而且对正负极材料的成膜和稳定性产生恶劣影响,导致电池的电化学特性,诸如容量、内阻、产品特性都会产生较为明显的恶化。
103.基于此,本申请提供的另一种具体的实施方案,如图6所示,所述电池包括电解液储存装置82、电解液净化装置86和电解液运输动力装置87;所述电解液净化装置86用于对所述腔体61内的电解液进行除水降酸,所述电解液净化装置86和所述电解液运输动力装置87接入所述第二通道42中,所述电解液净化装置86和所述电解液运输动力装置87将所述第二通道42分为前通道段421、中通道段422和后通道段423;所述前通道段421第一端为所述第二通道第一端42-a;所述前通道段421第二端连通所述电解液运输动力装置87入口,所述电解液运输动力装置87出口连通中通道段422的第一端,所述中通道段422的第二端连通所述电解液净化装置86的入口以使所述腔体61中的电解液运输至电解液净化装置86中进行
净化;所述电解液净化装置86出口连通所述后通道段423第一端;所述后通道段423的第二端为所述第二通道第二端42-b,以使经净化处理的电解液能够储存在所述电解液储存装置中。在该实施方案中,所述电解液运输动力装置87采用常规的液体泵装置即可,例如蠕动泵。所述电解液净化装置86可以采用常规的电解液净化装置,例如采用吸附或者过滤的方式对电解液进行净化,所述电解液净化装置86的主要目的是对电解液进行除水降酸。
104.目前常使用分子筛或者活性炭对电解液进行吸附净化,为了解决电池腔体61内电解液随着电池循环带来的电解液中ec和添加剂等成分的减少的问题,同时,在使用过程中,分子筛或者活性炭也存在对电解液中某种物质的特异性吸附,导致在吸附净化的过程会带来电解液成分的变化,为了维持电池电解液成分的平衡,有必要对净化后的电解液进行成分调整,基于此,本申请提供又一种具体的实施方案,能够很好的解决电解液净化之后电解液成分发生变化的问题,如图7所示,该电池在图6的基础上,还包括储备储存装置83、添加剂储存装置84和溶剂储存装置85;所述储备储存装置83设于所述壳体6上部,其作用如上所述,所述储备储存装置83顶部连接有第一通气管471,所述第一通气管471一端连通所述储备储存装置83,所述第一通气管471另一端通过通气总管47连通所述腔体61,所述储备储存装置83底部连接有第一放料管481,所述第一放料管481一端连通所述储备储存装置83,所述第一放料管481另一端连接所述腔体61,所述第一放料管481上设置有用于控制其中内容物释放至所述腔体61中的阀门。所述添加剂储存装置84,设于所述壳体6外部,用于储存添加剂;所述添加剂储存装置84顶部连接有第二通气管472,所述第二通气管472一端连通所述添加剂储存装置84,所述第二通气管472另一端通过通气总管47连通所述腔体61;所述添加剂储存装置84底部连接有第二放料管482,所述第二放料管482一端连通所述添加剂储存装置84,所述第二放料管482另一端连接所述腔体61,所述第二放料管482上设置有用于控制所述添加剂释放至所述腔体61中的阀门。所述溶剂储存装置85,设于所述壳体6外部,用于储存溶剂;所述溶剂储存装置85顶部连接有第三通气管473,所述第三通气管473一端连通所述溶剂储存装置85,所述第三通气管473另一端通过通气总管47连通所述腔体61;所述溶剂储存装置85底部连接有第三放料管483,所述第三放料管483一端连通所述溶剂储存装置85,所述第三放料管483另一端连接所述腔体61,所述第三放料管483上设置有用于控制所述溶剂释放至所述腔体61中的阀门。所述第一通气管471、所述第二通气管472和所述第三通气管473并联接入所述通气总管47。
105.其工作原理是,通过壳体6上的取样口对电解液取样检测,当检测到电池腔内61电解液需要净化时,打开电解液运输动力装置87,将腔内61的电解液转入电解液净化装置86中进行净化,净化后的电解液引入电解液储存装置82(其引入可以利用电解液自身的重力、或者在电解液净化装置86出液端设动力装置)进行暂存,并最终转移至腔体61中,净化后的电解液与腔体61原有电解液发生混合,待腔体61内电解液成分达到平衡后,再次取样检测,经计算后,可按需求通过添加剂储存装置84、储备储存装置83、溶剂储存装置85上的计量阀进行补充不同电解液组分,直至获得所需成分的电解液。
106.以上对电池的补液装置、电解液净化装置86等进行了描述,以下结合电池内部的结构进一步说明本申请的技术方案。
107.如图3所示,该电极组件q1包括至少两个电极p1,根据其表面活性材料的极性的不同,电极p1又可分为正极极板p11和负极极板p12,所述正极极板p11和所述负极极板p12按
照交叉的方式在所述腔体61内沿电极p1的厚度方向层叠设置。可以理解的是,本文所述的交叉的方式,是指按照一层正极极板p11接着一层负极极板p12的方式,反之亦然,只要使得正极极板p11或负极极板p12不直接与相同极性电极相邻即可。本申请所指的层叠设置是指将电极p1沿某一个方向依次进行排列,并不以此限定两两相邻的电极p1是否需要直接接触。
108.进一步,两两相邻的电极p1之间分开形成一间隙13,传统电极组件中两两相邻的电极是通过隔膜紧密贴合的,隔膜的导热系数最低,由于隔膜的存在,使得电池在电极组件厚度方向上的传热非常缓慢,两两相邻的电极之间会聚集大量热量,通过间隙13的设置能够使得两两相邻的电极p1之间充满电解液,电极p1活性材料的热量能够很快的通过间隙13之间的电解液进行传热,电解液扩散装置81则能够使热量更快从间隙13间扩散到电极组件q1的外部电解液中,从而改善电极p1的散热问题。具体地,所述间隙13的取值范围是0.01-1mm;优选地,所述间隙13的取值范围是0.05-0.5mm。间隙13高度过大,则电池内设置的电极p1的数量越少则活性材料占比过小,同时也会加大正负极之间锂离子的扩散距离;若间隙13的高度过小,则相邻电极p1之间能够容纳的电解液的体积过小,浓差极化严重。
109.所述电极p1包括集流体c1;以及设置在集流体c1的至少一个外表面上的含有活性材料的活性材料层3;且所述活性材料层3厚度的取值范围是0.1~10mm,本申请中定义的厚电极是指其电极上活性材料层的厚度大于常规电极,更具体地,本申请定义的厚电极是指其上活性材料层3的厚度大于0.1mm。其正极活性材料层3厚度的取值范围是0.1-0.5mm;和/或其负极活性材料层3厚度的取值范围是0.1-0.4mm。在一些较佳的实施方案中,如图13所示,可以在集流体c1的两个外表面均设置活性材料层3提高集流体c1的利用率,所述活性材料层3设置于所述第一集流部21和所述第二集流部22的冲孔区261。活性材料层3可以通过粘接或者涂覆的方式在集流体c1外表面形成,其活性材料层3可以是正极活性材料或者负极活性材料,正极活性材料的应用实例包括能够可逆脱出和嵌入锂离子的化合物,例如具有层状结构的钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂和三元材料;还包括具有尖晶石结构的锂镍锰氧化物和具有橄榄石结构的磷酸铁锂。负极极活性材料的应用实例包括能够嵌入和脱出锂离子碳材料、锂金属、硅和锡。
110.具体地,本申请中的集流体c1采用创新集流体设计,如图10-11所示,其包括一夹层空间7,配置为容纳电解液;一集流部2,所述集流部2具有至少一活性材料设置表面26,配置为安置活性材料;其中,所述活性材料设置表面26开设有与所述夹层空间7相连通的至少一个通孔212,以使所述电解液中的锂离子可通过所述通孔212进入所述活性材料和/或所述活性材料中的锂离子可通过所述通孔212进入所述电解液。所述通孔212的大小和形状没有特别的限制,能够使得锂离子通过即可。在较佳的实施方案中,在所述第一集流部21上和所述第二集流部22上均开设有若干个所述通孔212。为了使电解液促扩散装置81能够对所述夹层空间7内的电解液发挥直接作用,所述第一管道43第二端设于所述夹层空间7旁,以使所述电解液促扩散装置81能够驱动所述夹层空间7内的电解液流动。
111.图10中m部位的局部放大见图11所示,通过图11可以看出,所述集流部2包括第一集流部21和第二集流部22,所述第一集流部21和所述第二集流部22之间分开形成所述夹层空间7;所述夹层空间7边缘或内部设置有连接所述第一集流部21和所述第二集流部22的至少一个连接部23。
112.根据一些具体的实施方案,如图2-4所示,为了便于对电解液促扩散装置81进行维护,将所述电解液促扩散装置81设置于所述壳体6的外部;所述电解液促扩散装置81的两端分别通过管道与所述腔体61连通。具体地,所述管道包括第一管道43和第二管道44;所述第一管道43第一端连通所述电解液促扩散装置81出口端,所述第一管道43第二端连通所述腔体61;所述第二管道44第一端连通所述腔体61,所述第二管道44第二端连通所述电解液促扩散装置81入口端。
113.具体地,例如该电解液促扩散装置81可以是蠕动泵,只要能够驱动腔体61内的电解液进行流动即可。所述电解液促扩散装置81可安装在壳体6的顶板64上,并通过顶板64上的两个安装孔641分别将第一管道43和第二管道44插入至腔体61内,使得该电解液促扩散装置81能够接通所述腔体61内的电解液。为了使得正极极板p11的夹层空间7与负极极板p12的夹层空间7内的锂离子能够直接进行运输交换,其采用的集流体c1结构如图12所示,根据图12,其示出了一种集流体c1的结构,所述夹层空间7边缘设置有连接所述第一集流部21和所述第二集流部22的一个连接部23,所述连接部23包括连接条232,所述连接条232设置于所述夹层空间7的边缘并围合所述夹层空间7,使得所述夹层空间7在高度方向上封闭;根据图2-4,其中,在电极组件q1中,所述电极组件q1为将所有电极p1采用短管45进行首尾串联组成,所述短管45设置在所述电极p1长度方向的端部并连通所述电极p1的夹层空间7,使得两两相邻的电极p1的所述夹层空间7内的电解液可以进行流动,且同一个电极p1上设置的两根短管45在所述电极p1的长度方向上远离彼此设置;位于所述电极组件q1厚度方向一个末端电极p1的夹层空间7连通第一管道43第二端,且所述第一管道43第二端在该电极p1的长度方向上远离该电极p1上设置的短管45;所述电极组件q1厚度方向另一个末端的电极p1其夹层空间7连通第二管道44第一端,且所述第二管道44第一端在该电极p1的长度方向上远离该电极p1上设置的短管45。
114.以下以电池的充电过程为例来说明该优选实施例的工作原理,充电时,li
+
从正极脱出,经过电解质嵌入负极,正极周围的电解液中的锂离子高于平均值,即正极极板p11的夹层空间7以及正极的活性材料层3外表面周围的电解液为富锂状态;负极周围电解液中锂离子低于平均值,即负极极板p12的夹层空间7以及负极的活性材料层3外表面周围的电解液为贫锂状态。正极极板p11的夹层空间7中的锂离子自然运输至负极极板p12的夹层空间7的距离较远,正极极板p11和负极极板p12夹层空间7内电解液的锂离子浓度恢复正常的时间较长;通过短管45将正极极板p11和负极极板p12夹层空间7连通,并利用第一管道43和第二管道44将电解液促扩散装置81和电极组件q1末端的两个电极p1的夹层空间7连通,当开启电解液促扩散装置81之后,正极极板p11夹层空间7内的高浓度锂电解液和负极极板p12的夹层空间7内的低浓度锂电解液将发生直接接触,正极极板p11夹层空间7和负极极板p12的夹层空间7内的电解液的浓度得到了快速平衡,极大地缩短了正极极板p11夹层空间7和负极极板p12夹层空间7内的电解液恢复平衡的时间,解决了本申请创新集流体厚电极集流体侧电解液中锂离子在正负极之间传输困难的问题。
115.为了便于对电极组件q1的安装并控制上述间隙13的高度,所述电池还可包括绝缘框架62,图3-4示出了所述绝缘框架62的结构,所述绝缘框架62设置于所述壳体6的内部;且所述绝缘框架62设置在所述电极组件q1的外部;所述绝缘框架62的形状按所述电极组件q1的形状对应设置,所述绝缘框架62的两个相对面开设有条状通孔621,至少两个的所述电极
p1分别插设在所述绝缘框架62的条状通孔621内,且所述电极p1的两端在所述绝缘框架62的外部露出。所述绝缘框架62上还开设有便于电解液流通的通流孔622。所述绝缘框架62的材质,宜选择质轻、强度大,对电解液不发生作用且绝缘的材质。在两两相邻的电极p1之间可根据需要设置隔膜(图中未示出),所述隔膜采用绝缘框架62进行固定即可。
116.为了将正极极板p11和负极极板p12的电流汇集,该电池还包括正极汇流排63-1和负极汇流排63-2;如图8-9所示,所述汇流排63具有相对的第一表面631和第二表面632,所述第一表面631设置有至少一导电条633用于电连接所述电极p1的集流部2;所述第二表面632设置有一凸出的导电板634,所述导电板634垂直于所述第二表面632,所述导电板634插入所述壳体6的侧壁65的侧壁开孔651中,且所述导电板634在所述壳体6外部伸出形成正极端子或者负极端子从而导出电流。
117.作为一种较佳的实施方案,所述汇流排63为刚性结构,所述导电条633与所述集流部2为固定连接例如焊接加工的方式,使得所述电极组件q1和所述绝缘框架62能够固定于所述电池b1壳体6内部。在本申请中,绝缘框架62与壳体6之间可不直接产生作用力,绝缘框架62通过电极组件q1的作用力设置在腔体61内。
118.常规集流体制作的电池,其单面正极厚度一般是60-80μm,负极厚度一般是55-65μm。在本申请中,其集流体c1具有夹层空间7,其表面开设的通孔212与中间的夹层空间7连通后形成独特的锂离子运输通道,锂离子运输距离减半,因此,单纯从锂离子扩散路径上看,采用本申请的集流体,在活性材料层3厚度增加至常规厚度的两倍时可以保证电池的各项电化学性能不降低。与此同时,本申请的集流体在装配成电池使用后,其夹层空间7内充满了电解液,相比传统电池的贫液状态,其集流体内为富液状态,能够进一步综合提升电池的各项性能,最终,其电极厚度(即活性材料层3的厚度)能够达到常规集流体电池的4-6倍,以下通过试验证明当电极厚度达到常规厚度的6倍时,其电池性能的测试数据。
119.试验分三组,按下述条件分别制备电池并测试不同倍率放电容量、能量效率和循环性能数据:
120.试验分组:
121.a组:传统集流体,正极13um铝箔,负极8um铜箔,单面正极活性物质厚度为72.5um,负极54.0um;
122.b组:传统集流体,正极13um铝箔,负极8um铜箔,单面正极活性物质厚度为435um,负极324um;
123.c组:使用本申请集流体(如图10),其中:
124.正极:集流体1 0.2mm铝板,60%圆孔,圆孔直径0.5mm;集流体2 0.2mm铝板,60%圆孔,圆孔直径0.5mm,集流体1和2间距0.1mm;单面正极活性物质厚度为435um;
125.负极:集流体1 0.15mm铜板,70%圆孔,圆孔直径0.8mm;集流体2 0.15mm铜板,70%圆孔,圆孔直径0.8mm,集流体1和2间距0.1mm),负极活性材料涂覆厚度为324um;
126.以上a、b、c三组电池设计容量都为4100mah,详细设计如表1所示:
127.表1三组电池详细参数配置
[0128][0129]
将以上三组电池,分别在0.33-3c的放电倍率下进行放电容量和充放能量效率测试,结果见表2:
[0130]
表2不同倍率放电容量及能量效率
[0131][0132][0133]
由上表2可以看出,b组在不同倍率下的放电容量和1c充放能量效率上看,均低于a组,且大倍率下,其放电容量降低幅度有增大的趋势,在0.33c倍率下,其放电容量相比a组降低6.1%,在3c倍率下,其放电容量相比a组降低了9.9%,在1c倍率下其充放能量效率相比a组降低2.5%;可见,采用常规集流体制作厚电极会导致电池的放电容量和充放能量效率下降。
[0134]
从不同倍率下的放电容量和1c充放能量效率上看,在0.33c-1c倍率下,c组的放电容量以及1c充放能量效率略低,随着倍率增加,在2c和3c倍率下,c组的放电容量高于a组,因此,从充放电性能上看,c组与a组总体持平,均明显优于b组。
[0135]
综上可见,在正/负极活性物质涂覆厚度相同的情况下,与常规集流体相比,采用本申请提供的集流体其放电容量在0.33c-3c倍率下的放电容量以及1c充放能量效率均能够有效提升,达到了常规薄电极的电池充放电性能,且在高放电倍率下,其电池充放电性能
更优。
[0136]
在温度为25摄氏度下测试0.5c/0.5c循环性能,结果见图14所示,图14显示,b组电池的容量保持率随着循环圈数增多下降较快,在循环圈数为461次时其容量保持率为80%;a组和c组电池的容量保持率随着循环圈数增多下降趋势较b组更慢,且c组的电池循环性能测试结果好于a组。
[0137]
可见,b组采用常规集流体高厚度涂覆正/负极活性物质会使得电池容量随循环次数增加电池容量衰减较快,降低电池的循环寿命,采用本申请的集流体6倍厚度涂覆正/负极活性物质没有使得电池的循环性能下降。
[0138]
本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。
[0139]
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换,其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。
再多了解一些
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