專利名稱：具有疊層電池結(jié)構(gòu)的大功率鋰離子電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池，特別是一種大功率鋰離子電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)具備疊 層電池結(jié)構(gòu)，利用電解液循環(huán)冷卻控制大電流充放時鋰電池的溫度上升，防止因電解液汽 化發(fā)生電堆爆炸。
背景技術(shù)：
鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，因而得到了普遍應(yīng)用?，F(xiàn)在 的許多數(shù)碼設(shè)備都采用了鋰離子電池作電源。鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同 重量的鎳氫電池的1.5 2倍，而且具有很低的自放電率、不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點是它廣泛應(yīng) 用的重要原因。目前鋰離子電池使用鈷酸鋰(LiCoO2)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)作為正極材料。 自從1997年I^dhi等開創(chuàng)性的提出鋰離子電池正極材料LiFePO4以來，LiFePO4已經(jīng)成 為可充電鋰離子電池正極材料的研究熱點之一。LiFePO4具有(1)平穩(wěn)的充放電電壓平臺 使有機電解質(zhì)在電池應(yīng)用中更為安全；(2)很好的電極反應(yīng)可逆性；(3)良好的化學(xué)穩(wěn)定性 與熱穩(wěn)定性；(4)廉價且易于制備；(5)無污染；(6)處理與操作時更為安全。但比LiCoA 的容量(274 mAh/g)相對較低，為170 mAh/g。鋰離子電池在充放電過程中，鋰離子脫/嵌過程是在富鋰相如LiCoA和LiFePO4 與/貧鋰相( 和FePO4兩相界面的脫/嵌過程。充電時，兩相界面不斷向內(nèi)核推進，外層 的富鋰相不斷轉(zhuǎn)變?yōu)樨氫囅啵囯x子和電子不斷通過新形成的兩相界面以維持有效電流。 對于大功率鋰電池而言，大電流的充放電產(chǎn)生很大的熱量，不斷加熱電解液。鋰離子電池的 電解液通常是將無機物如LiBF4、LiPF6, LiAsF6溶于溶劑，溶劑通常為烷基碳酸鹽(碳酸丙 烯酯PC，碳酸乙烯酯EC)和線性酯如DMC (碳酸二甲酯)、DEC (碳酸二乙酯)的混合物，以 PC+DEC，EC+DMC混合溶劑最為常用。線性酯的沸點較低，如DMC沸點為90 °C，非常容易汽 化。因此大電流充放電產(chǎn)生的電解液溫度上升導(dǎo)致電解液汽化使電池內(nèi)壓升高。另一方面， 電解液溫度的升高也將加劇電解液對電極材料的腐蝕而產(chǎn)生氣體，同樣導(dǎo)致電池內(nèi)壓的升 高，容易造成鋰電池在大電流充放過程中發(fā)生爆炸。疊層電池(或迭層電池)是把單電池制作成長方形的小塊，并多個疊加串聯(lián)在一 起，成為一個獨立的電池。一般疊層電池與單電池性質(zhì)相同，但其輸出電壓依賴于疊層塊的 數(shù)量。疊層電池具有體積小輸出電壓高的特點。壓電泵是種新型流體驅(qū)動器。它不需要附加驅(qū)動電機，而是利用壓電陶瓷的逆壓 電效應(yīng)使壓電振子產(chǎn)生變形，再由變形產(chǎn)生泵腔的容積變化實現(xiàn)流體輸出或者利用壓電振 子產(chǎn)生波動來傳輸液體。壓電泵由壓電振子、泵閥和泵體組成。工作中，當壓電振子兩端施 加交流電源U時，壓電振子在電場作用下徑向壓縮，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而使壓電振子彎曲 變形。當壓電振子正向彎曲時，壓電振子伸長，泵腔容積增大，腔內(nèi)流體壓力減小，泵閥打 開，液體進入泵腔；當壓電振子向反向彎曲時，壓電振子收縮，泵腔容積減小，腔內(nèi)流體壓力 增大，泵閥關(guān)閉，泵腔液體被擠壓排出，形成平緩的連續(xù)不斷的定向流動。由于壓電泵具有 傳統(tǒng)泵所不具備的特點，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾，可根據(jù)施加電壓或頻率控制輸出微小流量。本發(fā)明提出采用疊層電池結(jié)構(gòu)，利用壓電泵和散熱片進行電解液循環(huán)冷卻，控制 大電流充放時鋰電池的溫度上升，防止因電解液汽化發(fā)生電堆爆炸的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠控制大電流充放時溫度上升、可防止 因電解液汽化發(fā)生電堆爆炸的大功率鋰離子電池系統(tǒng)。為了解決技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是
提供一種具有疊層電池結(jié)構(gòu)的大功率鋰離子電池系統(tǒng)，是以涂覆了正極材料和負極 材料的碳紙作為正極和負極，正極和負極均以涂覆側(cè)相向與隔膜共同組成單電池結(jié)構(gòu)；該 電池系統(tǒng)包括至少兩個所述的單電池結(jié)構(gòu)，相鄰的單電池結(jié)構(gòu)之間以隔板隔開，按隔板、負 極、隔膜、正極的順序重復(fù)排列組成疊層電池結(jié)構(gòu)；其中，一端的隔板上設(shè)置電解液正、負極 出口通道，另一端的隔板上設(shè)置電解液正、負極入口通道，位于中間的隔板的兩側(cè)均刻有電 解液流路，且兩側(cè)的流路不互通；電解液負極出口通道與電解液正極進口通道之間、電解液 正極出口通道與電解液負極進口通道之間，分別設(shè)置壓電泵與散熱片，或者壓電泵與散熱 片的位置互換。本發(fā)明中，所述正極是通過下述方法制備獲得的鋰離子電池正極材料LiCo02、 LiMnO2或Lii^eO4 乙炔黑聚丙烯酸或Nafion溶液(5wt%)按質(zhì)量比為95 5 5 20， 機械混合1(Γ30分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙上，陰干；在2(T100 Kg cm_2的壓力下壓制成 型。本發(fā)明中，所述負極是通過下述方法制備獲得的鋰離子電池負極材料乙炔黑 聚丙烯酸溶液或Nafion溶液(5wt%)按質(zhì)量比1 廣4，機械混合10 30分鐘，調(diào)制成膏狀， 涂敷到碳紙上，陰干；在2(T100 Kg cm-2的壓力下壓制成型。本發(fā)明中，所述隔膜為Li離子型Nafion膜或微孔聚丙烯膜。本發(fā)明中，所述Li離子型Nafion膜是通過是將Nafion膜浸入電解液中，在60°C 加熱30分鐘后制得。本發(fā)明中，電解液以LiPF6為溶質(zhì)，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲酯(MC)與碳酸二甲酯 (DMC)的混和物為溶劑，碳酸乙烯酯碳酸甲酯與碳酸二甲酯的質(zhì)量比為4 2 4 ；電 解液中LiPF6的濃度為1 mol/L。本發(fā)明中，所述散熱片上設(shè)有散熱翅片。本發(fā)明中，所述隔膜兩端的邊緣分別設(shè)正極密封圈和負極密封圈。本發(fā)明中，正極和負極的電極材料側(cè)相向與隔膜形成三明治結(jié)構(gòu)，電解液通過隔 板上的流路進行流動，通過碳紙滲透到正負極的電極材料層中。電解液通過流路流到壓電 泵、散熱片，從而完成電解液的循環(huán)冷卻，如圖2所示。本發(fā)明中，電解液的流向由密封圈、隔板的開口和隔板上的流路所決定。電解液通 過隔板正負極兩側(cè)的流路分別流經(jīng)正負極時，帶走充放電時正負極所產(chǎn)生的熱量，流經(jīng)散 熱片時，散熱片上的散熱翅片與空氣或水接觸進行熱交換，使電解液冷卻，從而有效控制電 堆在大電流充放電時的溫升，避免電解液的汽化，從而有效提高鋰離子電池的安全性。使用壓電泵輸送電解液，沒有轉(zhuǎn)動部件，有利于系統(tǒng)一體化，其電源來源于電池，通過逆變器實現(xiàn)直流交流的轉(zhuǎn)變，壓電泵在交流電的作用下，使壓電振子彎曲變形。當壓 電振子正向彎曲時，壓電振子伸長，泵腔容積增大，腔內(nèi)流體壓力減小，泵閥打開，液體進入 泵腔；當壓電振子向反向彎曲時，壓電振子收縮，泵腔容積減小，腔內(nèi)流體壓力增大，泵閥關(guān) 閉，泵腔液體被擠壓排出，形成平緩的連續(xù)不斷的定向流動，從而保證電解液循環(huán)冷卻的進 行。隔膜兩側(cè)的正極密封圈和負極密封圈既防止電解液滲漏，也防止正極電解液通道 和負極電解液通道的貫通，減小電池系統(tǒng)的堆損耗，避免形成電池內(nèi)部形成高電壓區(qū)使電 解液分解。本發(fā)明具有的有益效果本發(fā)明利用壓電泵輸送電解液，電解液作為傳熱的介質(zhì)， 通過散熱片進行熱交換，有效抑制鋰離子電池在大電流充放電時電池的溫升，避免電解液 的汽化，有效防止鋰離子電池因內(nèi)壓升高而發(fā)生的爆炸，提高了鋰離子電池使用的安全性。 利用壓電泵輸送電解液有利于系統(tǒng)一體化，方便模塊式設(shè)計，減少因設(shè)置電解液散熱系統(tǒng) 所帶來的電源系統(tǒng)能量密度和功率密度的降低。


圖1為本發(fā)明疊層鋰離子電池的結(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明鋰離子電池系統(tǒng)的構(gòu)成及電解液流向。圖3為正極側(cè)流路與電解液正極通道的空間位置及密封圈。圖4為負極側(cè)流路與電解液負極通道的空間位置及密封圈。圖1中的附圖標記為101隔板、302正極密封圈、402正極密封圈、103正極碳紙、 104正極、105隔膜、106負極、107負極碳紙。圖2中的附圖標記為201電池系統(tǒng)的電解液正極進口通道、202電池系統(tǒng)的電解 液負極出口通道、203電池系統(tǒng)的電解液正極出口通道、204單電池、205散熱片的電解液出 口、206電池系統(tǒng)的電解液負極進口通道、207壓電泵的出口、208壓電泵的電解液進口、209 散熱片、210散熱翅片、211壓電泵、212散熱片的電解液進口、213隔板。圖3中的附圖標記為201電池系統(tǒng)的電解液正極進口通道、202電池系統(tǒng)的電解 液負極出口通道、203電池系統(tǒng)的電解液正極出口通道、206電池系統(tǒng)的電解液負極進口通 道、301隔板正極側(cè)的流路、302正極密封圈。圖4中的附圖標記為201電池系統(tǒng)的電解液正極進口通道、202電池系統(tǒng)的電解 液負極出口通道、203電池系統(tǒng)的電解液正極出口通道、206電池系統(tǒng)的電解液負極進口通 道、401隔板負極側(cè)的流路、402負極密封圈。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明進一步詳細描述。實施例一空冷電池系統(tǒng)。取鋰離子電池正極材料(104) LiCoO2與乙炔黑及聚丙烯酸(5wt%)按質(zhì)量比 95 5 5，機械混合10分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙(103)上，陰干。在20 Kg cm—2的 壓力下壓制成型作為正極。取鋰離子電池負極材料(106)乙炔黑及聚丙烯酸溶液(5wt%)按質(zhì)量比1 1，機
5械混合10分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙(107)上，陰干。在20 Kg cm_2的壓力下壓制成型 作為負極。正極和負極的電極材料側(cè)相向與隔膜(105)形成三明治結(jié)構(gòu)，隔膜為微孔聚丙烯 膜。正極和負極的碳紙側(cè)分別用兩側(cè)刻有流路的隔板(101)將相鄰的負極和正極隔開，將隔 板、負極、隔膜、正極重復(fù)排列可得到疊層電池，如圖1所示。電解液通過隔板上的流路進行 流動，通過碳紙滲透到正負極的電極材料層中。電解液以LiPF6為溶質(zhì)，碳酸乙烯酯(EC)、 碳酸甲酯(MC)與碳酸二甲酯(DMC)的混和物為溶劑，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯與碳酸二甲酯 的質(zhì)量比為 EC:MC:DMC=4:2:4。電池系統(tǒng)的電解液負極出口通道(202 )與壓電泵(211)的電解液進口( 208 )相接， 壓電泵的出口( 207 )與電池系統(tǒng)的電解液正極進口通道(201)相接，如圖2所示。電解液通 過隔板正極側(cè)的流路(301)流向電池系統(tǒng)的電解液正極出口通道(203)，如圖3所示。電池 系統(tǒng)的電解液正極出口通道(203)與散熱片(209)的電解液進口(212)相接，散熱片(209) 的電解液出口(205)與電池系統(tǒng)的電解液負極進口通道(206)相接。電解液通過隔板負極 側(cè)的流路(401)流向電池系統(tǒng)的電解液負極出口通道(202)，如圖4所示。然后進入壓電泵 (211)，從而完成電解液的循環(huán)。隔膜兩側(cè)的正極密封圈(302)和負極密封圈(402)既防止電解液滲漏，也防止正 極電解液通道和負極電解液通道的貫通，減小電池系統(tǒng)的堆損耗，避免形成高電壓區(qū)使電 解液分解。散熱片上的散熱翅片(210)與空氣接觸進行熱交換，使電解液冷卻。實施例二 水冷電池系統(tǒng)。取鋰離子電池正極材料(104) LiFePO4與乙炔黑及Nafion溶液(5wt%)按質(zhì)量比 95 5 20，機械混合30分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙(103)上，陰干。在100 Kg cnT2 的壓力下壓制成型作為正極。取鋰離子電池負極材料(106)乙炔黑及Nafion溶液(5wt%)按質(zhì)量比1 4，機械 混合30分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙(107)上，陰干。在50 Kg cm_2的壓力下壓制成型作 為負極。正極和負極分別浸入鋰離子電池電解液中60°C加熱30分鐘，進行鋰離子化處理， 使得粘結(jié)劑Nafion樹脂均以鋰離子型Nafion樹脂的形式存在。電解液以LiPF6為溶質(zhì)， 碳酸乙烯酯、碳酸甲酯與碳酸二甲酯的混和物為溶劑，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯與碳酸二甲酯 的質(zhì)量比為 EC:MC:DMC=4:2:4。正極和負極的電極材料側(cè)相向與隔膜(105)形成三明治結(jié)構(gòu)，隔膜為鋰離子型 Nafion膜。鋰離子型Nafion膜通過將Nafion膜浸入上述鋰離子電池電解液中60°C加熱 30分鐘制得。正極和負極的碳紙側(cè)分別用兩側(cè)刻有流路的隔板(101)將相鄰的負極和正極隔 開，將隔板、負極、隔膜、正極重復(fù)排列可得到疊層電池，如圖1所示。電解液通過隔板上的 流路進行流動，通過碳紙滲透到正負極的電極材料層中。電池系統(tǒng)的電解液負極出口通道(202 )與壓電泵(211)的進口( 208 )相接，壓電泵 的出口(207)與電池系統(tǒng)的電解液正極進口通道(201)相接，如圖2所示。電解液通過隔板 正極側(cè)的流路(301)流向電池系統(tǒng)的電解液正極出口通道(203)，如圖3所示。電池系統(tǒng)的電解液正極出口通道(203 )與散熱片(209 )的電解液進口( 212 )相接，散熱片(209 )的電解 液出口(205)與電池系統(tǒng)的電解液負極進口通道(206)相接。電解液通過隔板負極側(cè)的流 路(401)流向電池系統(tǒng)的電解液負極出口通道(202 )，如圖4所示。然后進入壓電泵(211)， 從而完成電解液的循環(huán)。整個電池可浸沒于水中，散熱片上的散熱翅片(210)與水接觸進行熱交換，使電解 液更加快速冷卻。實施例三風冷電池系統(tǒng)。取鋰離子電池正極材料(104) LiMnO2與乙炔黑及聚丙烯酸(5wt%)按質(zhì)量比 95 5 10，機械混合20分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙(103)上，陰干。在50 Kg cm—2的 壓力下壓制成型作為正極。取鋰離子電池負極材料(106)乙炔黑及聚丙烯酸溶液(5wt%)按質(zhì)量比1 2，機 械混合20分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙(107)上，陰干。在50 Kg cm_2的壓力下壓制成型 作為負極。正極和負極的電極材料側(cè)相向與隔膜(105)形成三明治結(jié)構(gòu)，隔膜為微孔聚丙烯 膜。正極和負極的碳紙側(cè)分別用兩側(cè)刻有流路的隔板(101)將相鄰的負極和正極隔開，將 隔板、負極、隔膜、正極重復(fù)排列可得到疊層電池，如圖1所示。電解液通過隔板上的流路 進行流動，通過碳紙滲透到正負極的電極材料層中。電解液以LiPF6為溶質(zhì)，碳酸乙烯酯、 碳酸甲酯與碳酸二甲酯的混和物為溶劑，碳酸乙烯酯、碳酸甲酯與碳酸二甲酯的質(zhì)量比為 EC:MC:DMC=4:2:4。電池系統(tǒng)的電解液負極出口通道(202 )與壓電泵(211)的進口( 208 )相接，壓電泵 的出口(207)與電池系統(tǒng)的電解液正極進口通道(201)相接，如圖2所示。電解液通過隔板 正極側(cè)的流路(301)流向電池系統(tǒng)的電解液正極出口通道(203)，如圖3所示。電池系統(tǒng)的 電解液正極出口通道(203 )與散熱片(209 )的電解液進口( 212 )相接，散熱片(209 )的電解 液出口(205)與電池系統(tǒng)的電解液負極進口通道(206)相接。電解液通過隔板負極側(cè)的流 路(401)流向電池系統(tǒng)的電解液負極出口通道(202 )，如圖4所示。然后進入壓電泵(211)， 從而完成電解液的循環(huán)。散熱片上的散熱翅片(210)上可設(shè)置微型風扇，強化與空氣的流動進行熱交換，使 電解液以較快速度冷卻。最后，以上公布的僅是本發(fā)明的具體實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明 公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.具有疊層電池結(jié)構(gòu)的大功率鋰離子電池系統(tǒng)，是以涂覆了正極材料和負極材料的碳 紙作為正極和負極，正極和負極均以涂覆側(cè)相向與隔膜共同組成單電池結(jié)構(gòu)；其特征在于， 該電池系統(tǒng)包括至少兩個所述的單電池結(jié)構(gòu)，相鄰的單電池結(jié)構(gòu)之間以隔板隔開，按隔板、 負極、隔膜、正極的順序重復(fù)排列組成疊層電池結(jié)構(gòu)；其中，一端的隔板上設(shè)置電解液正、負 極出口通道，另一端的隔板上設(shè)置電解液正、負極入口通道，位于中間的隔板的兩側(cè)均刻有 電解液流路，且兩側(cè)的流路不互通；電解液負極出口通道與電解液正極進口通道之間、電解 液正極出口通道與電解液負極進口通道之間，分別設(shè)置壓電泵與散熱片，或者壓電泵與散 熱片的位置互換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池系統(tǒng)，其特征在于，所述正極是通過下述方 法制備獲得的鋰離子電池正極材料LiCo02、LiMnO2或Lii^eO4 乙炔黑聚丙烯酸或 5wt%Nafi0n溶液按質(zhì)量比為95 5 5 20，機械混合10 30分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳 紙上，陰干；在2(T100 Kg cm-2的壓力下壓制成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池系統(tǒng)，其特征在于，所述負極是通過下述方法制 備獲得的鋰離子電池負極材料乙炔黑聚丙烯酸溶液或5wt%Nafi0n溶液按質(zhì)量比1 1 4，機械混合10 30分鐘，調(diào)制成膏狀，涂敷到碳紙上，陰干；在2(T100 Kg cm_2的壓力下壓 制成型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池系統(tǒng)，其特征在于，所述隔膜為Li離子型Nafion 膜或微孔聚丙烯膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰離子電池系統(tǒng)，其特征在于，所述Li離子型Nafion膜是通 過是將Nafion膜浸入電解液中，在60°C加熱30分鐘后制得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池系統(tǒng)，其特征在于，電解液以LiPF6為溶質(zhì)，碳酸 乙烯酯、碳酸甲酯與碳酸二甲酯的混和物為溶劑，碳酸乙烯酯碳酸甲酯與碳酸二甲酯 的質(zhì)量比為4 2 4;電解液中LiPF6W濃度為1 mol/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池系統(tǒng)，其特征在于，所述散熱片上設(shè)有散熱翅片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池系統(tǒng)，其特征在于，所述隔膜兩側(cè)分別設(shè)正極密 封圈和負極密封圈。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋰離子電池，旨在提供一種具有疊層電池結(jié)構(gòu)的大功率鋰離子電池系統(tǒng)。該電池系統(tǒng)包括至少兩個所述的單電池結(jié)構(gòu)，相鄰的單電池結(jié)構(gòu)之間以隔板隔開，重復(fù)排列組成疊層電池結(jié)構(gòu)；兩端的隔板上分設(shè)電解液正、負極出口和入口通道，位于中間的隔板的兩側(cè)均刻有電解液流路，且兩側(cè)的流路不互通；電解液負極出口與正極進口通道之間、電解液正極出口與負極進口通道之間，分別設(shè)置壓電泵與散熱片，或者壓電泵與散熱片的位置互換。本發(fā)明能有效抑制鋰離子電池在大電流充放電時電池的溫升，避免電解液的汽化，有效防止鋰離子電池因內(nèi)壓升高而發(fā)生的爆炸，提高了鋰離子電池使用的安全性。
文檔編號H01M2/16GK102064347SQ20101059596
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者劉賓虹, 李洲鵬 申請人:浙江大學(xué)