卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，由負(fù)極集流器殼體、正極集流器殼體、絕緣圈、正電極片、集流體空白、負(fù)電極片、隔離層組成，其特征在于由隔離層分開(kāi)正電極和負(fù)電極卷繞成盤狀的高徑長(zhǎng)比電芯，集流體空白超過(guò)隔離層提供在電極和集流器殼體良好的接觸，同時(shí)將集流體空白層進(jìn)行整形，使之成為一個(gè)緊密的平面，再直接將電極集流體空白端面焊接到集流器殼體。不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于組裝，而且安全性高。該裝置其制備方法經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，電池的活性材料利用率高、高倍率充放電性能優(yōu)良，在設(shè)計(jì)、制作高功率電化學(xué)儲(chǔ)能裝置方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電池制造領(lǐng)域，特別是一種卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子行業(yè)的不斷進(jìn)步，以功率先進(jìn)的電子設(shè)備，尤其是為了滿足便攜電子設(shè)備小型化、輕量化發(fā)展需求，較舊的電池配置(如鉛酸、鎳鎘、鎳氫等傳統(tǒng)二次電池)往往是不合適的，這就加大了對(duì)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置性能的要求，需要提供的更高的能量密度、效率和安全性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上可行的電化學(xué)裝置，以滿足日益增加的需求。出于環(huán)保和效率的關(guān)注，提供電力設(shè)備的覆蓋范圍已擴(kuò)大到新的領(lǐng)域，包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車、電磁炮、風(fēng)光大規(guī)模儲(chǔ)能等。理想情況下，電化學(xué)裝置將提供高電流密度，降低了電池的內(nèi)阻，并有效地管理電化學(xué)裝置，以增加該裝置的壽命的熱輸出，同時(shí)又能保證該裝置的安全性能。
[0003]這些功能可以通過(guò)提供電極和電池集電體間的大量和/或大表面面積的連接實(shí)現(xiàn)。一般以每千克(如w/kg，Wh/kg等)維持高比能量和比功率，目前的技術(shù)和設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這些目標(biāo)。高功率裝置的第二個(gè)關(guān)鍵特征是內(nèi)部的散熱。高功率外部電路一般產(chǎn)生在很短的時(shí)間內(nèi)持續(xù)對(duì)電池的能量以熱的像量。溫升過(guò)高會(huì)破壞(如融化的微孔聚合物隔膜或自燃的易燃有機(jī)電解液)或顯著縮短鋰離子電池的使用壽命。高功率裝置的第三個(gè)關(guān)鍵特征是對(duì)安全性提出了極高的要求。高功率不僅會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)熱，而且會(huì)把局部反應(yīng)的不均勻性極大放大，從而導(dǎo)致極大的安全隱患。
[0004]目前，傳統(tǒng)的卷繞式儲(chǔ)能裝置大多采用單個(gè)或多個(gè)極耳作為集流方式，電流的導(dǎo)出和引入局限在有限的幾個(gè)焊點(diǎn)上，通導(dǎo)能力較低，內(nèi)阻較高，充放電過(guò)程中電流分布不均勻，難以實(shí)現(xiàn)大電流充放電。另外，大電流充放電時(shí)，由于電池內(nèi)阻大，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，電池溫度過(guò)高，從而引起安全隱患。而目前的層疊式結(jié)構(gòu)采用多片正負(fù)極片并聯(lián)機(jī)構(gòu)，極片、裝配制作工藝復(fù)雜、效率低，電池一致性差，電池外形只能做成方型；這些都制約著現(xiàn)有的大容量鋰離子電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域的實(shí)用性。因此提高電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置的功率性能和安全性已成為目前的研究焦點(diǎn)之一。大多數(shù)的研究致力于提高正、負(fù)極活性材料和電解液的性能，且取得了一定的效果，但功率特性仍制約了電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置(如鋰離子電池等)在動(dòng)力儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。電極的端面集流技術(shù)已成功應(yīng)用于堿性二次電池，大大提高了該電池的功率性能。將電極的端面集流技術(shù)引入新的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置(如鋰離子電池等)也有人進(jìn)行了嘗試，如CN2817081Y中電芯左端的正極片具有裸露的鋁箔構(gòu)成正極流體，電芯右端負(fù)極片具有裸露的銅箔構(gòu)成負(fù)極流體，在正、負(fù)集流體的端面相貼或焊接一個(gè)集流盤后再與極柱相貼。這種端面集流結(jié)構(gòu)可以有效改善電池的匯流效果，有利于大電流性能。但是，由于其可靠性及安全性能方面的改善有限，尤其對(duì)于高功率、大容量電池時(shí)，其安全性能還是不能得到有效保證。也有人采用相似技術(shù)，提高鋰離子電池的功率密度，如CN201717327 U等，但由于僅限于電極的端面集流技術(shù)，其大電流充放電性能不僅改善有限，尤其對(duì)于大容量或超高功率電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置來(lái)說(shuō)，還需要復(fù)雜的安全保護(hù)裝置，這不僅增加了工藝的復(fù)雜性和失效的可能性，而且降低了能量密度和轉(zhuǎn)換效率。因此，需要對(duì)電芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，增大端面引流面積以進(jìn)一步提高電池的大電流充放電性能和安全性倉(cāng)泛。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，該卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便而且能大大提高效率。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種卷繞式高徑長(zhǎng)比電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，由一組集流器殼體、絕緣圈及電芯組成，集流器殼體為分離式上下蓋板構(gòu)成，上下蓋板分別覆蓋在電芯正負(fù)極端部，絕緣圈沿集流器殼體邊緣圍成一圈，將電芯密封在集流體殼體和絕緣圈組合成的密封圈內(nèi)，電芯為高徑長(zhǎng)比電芯，由正電極片、隔離層、負(fù)電極片三層疊片構(gòu)成，電芯的正電極片、隔離層、負(fù)電極片三層疊片以一側(cè)邊為卷繞軸，卷繞構(gòu)成。
[0006]進(jìn)一步的，正電極片和負(fù)電極片的結(jié)構(gòu)為:極片任意一側(cè)沿長(zhǎng)度方向預(yù)留寬0.5?5mm集流體空白。
[0007]進(jìn)一步的，電芯正電極片、隔離層、負(fù)電極片疊片的結(jié)構(gòu)為:所述正電極片集流體空白處在隔離層頂端的上方，負(fù)電極片的集流體空白處在隔離層頂端的下方，所述隔離層的高度比正電極片和負(fù)電極片矮1-1Omm ;正電極片和負(fù)電極片的集流體空白對(duì)稱分布在隔離層的兩端部，所述集流體空白端面與集流器殼體焊接連接。
[0008]進(jìn)一步的，集流器殼體為矮圓柱體或矮立方體。
[0009]進(jìn)一步的，所述的高徑長(zhǎng)比不小于I。
[0010]制備卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置的方法步驟包括涂布，烘干、卷繞電芯、整形、修邊、組裝、焊接、注液和密封，涂布工藝為:將磷酸鐵鋰和超導(dǎo)碳黑按磷酸鐵鋰:超導(dǎo)碳黑:聚偏氯氟乙烯-92: 3: 5的比例加入到膠液中，攪拌均勻后涂布于20Mm厚的鋁箔的兩面中，攪拌均勻后涂敷于集流體的兩面，涂敷時(shí)極片一側(cè)沿長(zhǎng)度方向預(yù)留寬0.5?5mm集流體空白。
[0011]在本發(fā)明的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置有益效果在于:通過(guò)獨(dú)特的卷繞式高徑長(zhǎng)比結(jié)構(gòu)和正負(fù)極端面整形集流方式，達(dá)到動(dòng)力電池在進(jìn)行高倍率充放電時(shí)電流密度均勻分布，大大降低了大電流充放電過(guò)程中的極化現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)匯流效果更好、更安全可靠、散熱性能更好且使電池中各組分最大程度發(fā)揮本身的性能，該電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置不僅提高了安全性能(如針刺、擠壓等測(cè)試)、能量密度和大功率充放電過(guò)程中的效率，而且保證了更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，大大降低了成本，滿足了大容量動(dòng)力電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的高功率充放電過(guò)程中的使用要求，能大力推動(dòng)動(dòng)力電化學(xué)儲(chǔ)能裝置(如鋰離子電池)的廣泛應(yīng)用。
[0012]本發(fā)明的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于組裝，而且安全性高。其制備方法經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，電池的活性材料利用率高、高倍率充放電性能優(yōu)良，在設(shè)計(jì)、制作高功率電化學(xué)儲(chǔ)能裝置方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1:本發(fā)明的正極片結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2:本發(fā)明的負(fù)極片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3:本發(fā)明的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4:本發(fā)明實(shí)施例1的鋰離子電池的在不同荷電狀態(tài)下的直流內(nèi)阻與常規(guī)圓柱形鋰離子電池的比較；
圖5:本發(fā)明實(shí)施例1的鋰離子電池的倍率放電曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0014]一種卷繞式高徑長(zhǎng)比電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置由絕緣圈2，正極集流器殼體6，負(fù)極集流器殼體I及電芯7組成，正極集流器殼體6覆蓋在正機(jī)和電芯7正極端部，負(fù)極集流器殼體I覆蓋在正機(jī)和電芯7負(fù)極端部，通過(guò)絕緣圈2連接正極集流器殼體6和負(fù)極集流器殼體1，電芯7為高徑長(zhǎng)比電芯，由隔離層將正電極片3和負(fù)電極片4隔離然后卷繞而成。如圖1-3所示，本發(fā)明中集流體空白5超過(guò)隔離層2，提供在正電極3與正極集流器殼體6以及負(fù)電極4與負(fù)極集流器殼體I之間良好的接觸，同時(shí)將集流體空白5進(jìn)行整形，使之成為一個(gè)緊密的平面，再直接將電極集流體空白5端面焊接到正極集流器殼體6和負(fù)極集流器殼體I。集流體空白5超過(guò)隔離層2的集流體空白5經(jīng)過(guò)一定整形處理后組成端面集流結(jié)構(gòu)，提供在電極和集流器殼體之間良好的面接觸，且能直接將電極集流體空白5端面焊接到正極集流器殼體6和負(fù)極集流器殼體I上。端面集流結(jié)構(gòu)的整形處理是用高能量振蕩器設(shè)備進(jìn)行處理，使之成為一個(gè)緊密的整體結(jié)構(gòu)。
[0015]實(shí)施例1
采用此方法制作的16Ah的卷繞式高徑長(zhǎng)比，徑為150mm，高度為15mm的鋰離子電池。正極活性物質(zhì)采用磷酸鐵鋰材料，負(fù)極活性物質(zhì)采用天然石墨材料。將聚偏氯氟乙烯溶于適量的N-甲基吡咯烷酮制成膠液，將磷酸鐵鋰和超導(dǎo)碳黑按磷酸鐵鋰:超導(dǎo)碳黑:聚偏氯氟乙烯-92:3:5的比例加入到膠液中，攪拌均勻后涂布于20μπι厚的鋁箔的兩面，涂布時(shí)一側(cè)正反兩面預(yù)留0.5mm寬的空白，經(jīng)干燥、輥壓后分切得到涂層寬12mm、空白寬Imm的正極片。將天然石墨、SBR、CMC和超導(dǎo)碳黑按比例為94.5:2.25:2.25:1加入去離子水中，攪拌均勻后涂布在9 μ m厚的銅箔上，涂布時(shí)一側(cè)預(yù)留Imm寬的空白，經(jīng)干燥、輥壓后分切得到涂層寬13mm、空白寬0.5mm的負(fù)極片2。負(fù)極片沿寬度方向每邊包正極片0.5mm,上下兩端露出正負(fù)極片集流體空白5，中間擱置隔膜后卷繞形成電芯7。把卷繞電芯7的兩個(gè)端面用高能量振蕩器進(jìn)行整形、修邊處理。電芯裝殼后，焊接、注液和密封。電池化成、分容后進(jìn)行高倍率性能測(cè)試，以及不同荷電狀態(tài)下的直流阻抗測(cè)試。從圖5放電曲線可以看出，本發(fā)明提供的卷繞式高徑長(zhǎng)比的鋰離子電池與常規(guī)的單極耳鋰離子電池相比，大電流放電平臺(tái)明顯升高，放電容量明顯增加，大電流放電性能大大提高。從圖4-5放電曲線可以看出，本發(fā)明提供的卷繞式高徑長(zhǎng)比的鋰離子電池與常規(guī)的單極耳鋰離子電池相比，其在200ms，500A的脈沖下，其直流內(nèi)阻大大降低，同一荷電狀態(tài)下，其交流內(nèi)阻比常規(guī)的單極耳鋰離子電池約降低了 30%。
[0016]實(shí)施例2
采用此卷繞式高徑長(zhǎng)比結(jié)構(gòu)制作的6Ah高倍率鋰離子電池，直徑90mm，高度42mm，正極活性物質(zhì)采用尖晶石錳酸鋰，負(fù)極活性物質(zhì)采用人造復(fù)合石墨，正極中錳酸鋰:超導(dǎo)碳黑:聚偏氯氟乙烯的比例為94.5: 2.5: 2.5，制成漿料攪拌均勻后涂布于20Mm厚的鋁箔的兩面，涂布時(shí)一側(cè)正反兩面預(yù)留5mm寬的空白，經(jīng)干燥、輥壓后分切得到涂層寬40mm、空白寬5mm的正極片。將中間相碳微球、SBR、CMC和超導(dǎo)碳黑按比例為94.5:2.25:2.25:1加入去離子水中，攪拌均勻后涂布在9Mm厚的銅箔上，涂布時(shí)一側(cè)預(yù)留5mm寬的空白，經(jīng)干燥、輥壓后分切得到涂層寬41mm、空白寬5mm的負(fù)極片。負(fù)極片沿寬度方向每邊包正極片0.5mm,上下兩端露出正負(fù)極片集流體空白5，在正負(fù)極片中間夾雜隔膜后卷繞成電芯7。把卷繞電芯7的兩個(gè)端面用高能量振蕩器進(jìn)行整形、修邊處理。電芯7裝殼后，焊接、注液和密封。電池化成、分容后進(jìn)行高倍率性能測(cè)試，以及不同荷電狀態(tài)下的直流阻抗測(cè)試。性能測(cè)試結(jié)果類似于實(shí)施例1。
[0017]實(shí)施例3
采用本發(fā)明所述的卷繞式高徑長(zhǎng)比結(jié)構(gòu)制作的8Ah高倍率鋰離子電池直徑80mm，高度14mm,正極活性物質(zhì)采用鋰鎳鈷錳氧三元材料，負(fù)極活性物質(zhì)采用中間相碳微球。極片的制作過(guò)程同上，其中正極片的涂層寬8mm、空白寬1mm，負(fù)極片涂層寬9、空白寬1mm。負(fù)極片沿寬度方向每邊包正極片0.5mm，上下兩端露出正負(fù)極片集流體空白5，在正負(fù)極片中間夾雜隔膜后卷繞成電芯7。把卷繞電芯7的兩個(gè)端面用高能量振蕩器進(jìn)行整形、修邊處理。電芯裝殼后，焊接、注液和密封。電池化成、分容后進(jìn)行高倍率性能測(cè)試，以及不同荷電狀態(tài)下的直流阻抗測(cè)試。性能測(cè)試結(jié)果與實(shí)施例1雷同。
[0018]實(shí)施例4
采用此卷繞式高徑長(zhǎng)比結(jié)構(gòu)制作的4.5Ah高倍率鋰離子電池直徑50mm，高度50mm，正極活性物質(zhì)采用尖晶石錳酸鋰材料，負(fù)極活性物質(zhì)采用鈦酸鋰材料，正極中錳酸鋰:超導(dǎo)碳黑:聚偏氯氟乙烯的比例為95: 2.5: 2.5，制成漿料攪拌均勻后涂布于20Mm厚的鋁箔的兩面，涂布時(shí)一側(cè)正反兩面預(yù)留Imm寬的空白，經(jīng)干燥、輥壓后分切得到涂層寬47mm、空白寬Imm的正極片。將鈦酸鋰:超導(dǎo)碳黑:聚偏氯氟乙烯的比例為94: 3: 3,制成楽；料攪拌均勻后涂布于20Mm厚的招箔的兩面,涂布時(shí)一側(cè)正反兩面預(yù)留Imm寬的空白，經(jīng)干燥、棍壓后分切得到涂層寬48mm、空白寬Imm的負(fù)極片。負(fù)極片沿寬度方向每邊包正極片0.5mm，上下兩端露出正負(fù)極片集流體空白5，在正負(fù)極片中間夾雜隔膜后卷繞成電芯7。把卷繞電芯7的兩個(gè)端面用高能量振蕩器進(jìn)行整形、修邊處理。電芯裝殼后，焊接、注液和密封。電池化成、分容后進(jìn)行高倍率性能測(cè)試，以及不同荷電狀態(tài)下的直流阻抗測(cè)試。性能測(cè)試結(jié)果類似于實(shí)施例1。
【權(quán)利要求】
1.一種卷繞式高徑長(zhǎng)比電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，由一組集流器殼體、絕緣圈及電芯組成，集流器殼體為分離式上下蓋板構(gòu)成，上下蓋板分別覆蓋在電芯正負(fù)極端部，所述絕緣圈沿集流器殼體邊緣圍成一圈，將電芯密封在集流體殼體和絕緣圈組合成的密封圈內(nèi)；所述電芯為高徑長(zhǎng)比電芯，由正電極片、隔離層、負(fù)電極片三層疊片構(gòu)成，其特征在于:所述電芯的正電極片、隔離層、負(fù)電極片三層疊片以一側(cè)邊為卷繞軸，卷繞構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述正電極片和負(fù)電極片的結(jié)構(gòu)為:極片任意一側(cè)沿長(zhǎng)度方向預(yù)留寬0.5?5mm集流體空白。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述電芯正電極片、隔離層、負(fù)電極片疊片的結(jié)構(gòu)為:所述正電極片集流體空白處在隔離層頂端的上方，負(fù)電極片的集流體空白處在隔離層頂端的下方，所述隔離層的高度比正電極片和負(fù)電極片矮正電極片和負(fù)電極片的集流體空白對(duì)稱分布在隔離層的兩端部，所述集流體空白端面與集流器殼體焊接連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述集流器殼體為矮圓柱體或矮立方體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的聞徑長(zhǎng)比大于等于1。
6.制備如權(quán)利要求1所述的卷繞式高徑長(zhǎng)比的電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置的方法步驟包括涂布，烘干、卷繞電芯、整形、修邊、組裝、焊接、注液和密封，其特征在于:所述涂布工藝為將磷酸鐵鋰和超導(dǎo)碳黑按磷酸鐵鋰:超導(dǎo)碳黑:聚偏氯氟乙烯-92: 3: 5的比例加入到膠液中，攪拌均勻后涂布于正極片20Mm厚的鋁箔的兩面，攪拌均勻后涂敷于集流體的兩面，涂敷時(shí)極片一側(cè)沿長(zhǎng)度方向預(yù)留寬0.5?5_集流體空白；將天然石墨、SBR、CMC和超導(dǎo)碳黑按比例為94.5:2.25:2.25:1的比例加入到膠液中，攪拌均勻后涂布于正極片20Mm厚的鋁箔的兩面，攪拌均勻后涂敷于集流體的兩面，涂敷時(shí)極片一側(cè)沿長(zhǎng)度方向預(yù)留寬0.5?5mm集流體空白。
【文檔編號(hào)】H01M10/0587GK104393350SQ201410372681
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】王杰, 靳承鈾, 薛馳, 趙映軍, 繆永華 申請(qǐng)人:中天儲(chǔ)能科技有限公司