一種高電壓動(dòng)力電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動(dòng)力電池及其應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種可為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)摩托車等提供能量的高電壓動(dòng)力鋰離子電池。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)展電動(dòng)汽車是能夠緩解能源危機(jī)和環(huán)境惡化的有效手段，而發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)力電池。由于鋰離子電池具有比能量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在未來極有可能大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源。
[0003]目前開發(fā)應(yīng)用的單體動(dòng)力鋰離子電池，無論是方形還是圓柱形，電池內(nèi)部一般由一個(gè)電池單元構(gòu)成，單體電池的工作電壓范圍大致在2.0?4.5V之間。因此，要滿足電動(dòng)車輛的高電壓負(fù)荷(20?500V)，必須串聯(lián)多個(gè)單體電池構(gòu)成能夠高電壓輸出的動(dòng)力電池組。外部串聯(lián)單體電池的方式對(duì)于單體電池的一致性有很高的要求，而且外部電氣連接會(huì)使連接電阻增大，同時(shí)也會(huì)使制作成本增加，安全系數(shù)降低。
[0004]為克服以上缺陷，中國專利CN101719562A發(fā)明了一種高電壓鋰離子電池的電芯，這種電芯內(nèi)部采用串聯(lián)雙極性電極片的方式對(duì)外提供幾十甚至幾百伏特的高電壓輸出。但是，如何能夠保證電芯內(nèi)阻小、密封特性好、絕緣特性好，是制作該類電池的技術(shù)難點(diǎn)。
[0005]目前的動(dòng)力電池從形狀上說主要包括:圓柱形、方形和軟包裝三種結(jié)構(gòu)。它們各有局限性:圓柱形電池導(dǎo)電能力有限，不宜做大容量電池；方形電池耐熱性能差，存在直角形夾角，容易導(dǎo)致內(nèi)部受壓不均勻；軟包裝電池引流受限制，受力能力差，容易遭受破壞。對(duì)于在電動(dòng)車輛上使用的動(dòng)力電池，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常會(huì)遭受劇烈振蕩甚至碰撞，上述三種結(jié)構(gòu)均不適宜應(yīng)用于制作內(nèi)部串聯(lián)的高電壓動(dòng)力鋰離子電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種大型扣式高電壓動(dòng)力鋰離子電池，通過電池殼的折邊區(qū)域和電池內(nèi)部的彈性墊片為電芯邊緣的環(huán)形密封圈提供持久的壓應(yīng)力，保證電芯內(nèi)部各電池單元的電解質(zhì)不泄露，并將電芯整體密封于電池殼內(nèi)，保證了良好的密封特性和內(nèi)阻特性。
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明涉及一種高電壓動(dòng)力電池，其特征在于:該高電壓動(dòng)力電池外形呈圓餅形狀，電池直徑與電池高度比大于1，優(yōu)選為5?20，電池直徑8?150cm，優(yōu)選為10?50cm，電池高度0.5?16cm，優(yōu)選為I?8cm。根據(jù)本發(fā)明，上述高電壓動(dòng)力電池包括:電芯、彈性墊片、電池凹座、電池蓋、絕緣殼和柔性集流線。其中，電池凹座與電池蓋配套組成電池殼，電芯的上下表面分別粘接有彈性墊片，且電芯與彈性墊片置于電池殼內(nèi)部，絕緣殼將整個(gè)電池殼外部密封，正、負(fù)極柔性集流線分別固定連接在電池殼的上下表面并穿過絕緣殼引出，便于與外部連接。特別地，所述電芯由兩個(gè)或兩個(gè)以上的電池單元疊加組成，每個(gè)電池單元由兩個(gè)圓形雙極性電極片上下疊加組成，且在相鄰的兩個(gè)雙極性電極片之間設(shè)有至少一層的隔離層，防止電池單元內(nèi)部短路。所述雙極性電極片側(cè)邊周圍包裹有環(huán)形密封圈。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，將電芯、彈性墊片和電池蓋一起置入電池凹座后，施加軸向機(jī)械載荷使得電池凹座的突出邊緣徑向向內(nèi)彎曲，發(fā)生塑性變形，形成了電池殼的折邊區(qū)域。
[0010]并且，根據(jù)本發(fā)明，電池殼的折邊區(qū)域形成的軸向擠壓力作用于彈性墊片，使電芯邊緣的環(huán)形密封圈受到持久的彈性壓應(yīng)力，以保證電芯內(nèi)部串聯(lián)的電池單元之間接觸緊密，降低電池內(nèi)阻。優(yōu)選的電池折邊區(qū)域?qū)﹄娦井a(chǎn)生的壓應(yīng)力為0.5?lOMPa。當(dāng)電池在使用過程受到外在的軸向擠壓時(shí)，彈性墊片的彈性力作用可為電芯提供向外抗擠壓的緩沖力，避免電芯內(nèi)部因受劇烈擠壓而遭受破壞，導(dǎo)致電池短路，提高了電池的耐沖擊力；當(dāng)該電池受到外在的軸向拉伸時(shí)，彈性墊片的彈性力作用可為電芯提供向內(nèi)彈進(jìn)的力，避免電池工作中因拉伸力導(dǎo)致電池內(nèi)阻突然增大甚至開路，使得動(dòng)力電池在使用過程中具有較強(qiáng)的耐沖擊力。
[0011]上述雙極性電極片包括圓形的雙極性集流體、包裹在雙極性集流體邊緣的環(huán)形密封圈、以及分別粘接在雙極性集流體上下表面的負(fù)極涂層和正極涂層，負(fù)極涂層和正極涂層統(tǒng)稱為電極涂層。這樣，每個(gè)串聯(lián)電池單元由雙極性集流體隔開。雙極性集流體是聚合物基或金屬基復(fù)合導(dǎo)電薄膜，厚度為5?100 μ m,優(yōu)選為中國專利CN103219521A或中國專利201310486469.6描述的雙極性集流體。其中，雙極性集流體粘接有正極涂層的一面必須耐氧化，而粘接有負(fù)極涂層的一面必須耐還原；雙極性集流體起到電子導(dǎo)電作用的同時(shí)，必須阻隔鋰離子在相鄰電池單元之間的遷移。所述電極涂層呈圓形，粘接在雙極性集流體表面，且電極涂層的直徑小于或者等于環(huán)形密封圈的內(nèi)徑，電極涂層厚度為100?800 μ m。雙極性電極片中環(huán)形密封圈的厚度高于或等于電極涂層與雙極性集流體的疊加厚度，厚度差優(yōu)選為O?300 μ m。
[0012]環(huán)形密封圈的材料優(yōu)選為PE (聚乙烯)或者PP (聚丙烯)。根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)環(huán)形密封圈因受到來自電池殼折邊區(qū)域的壓力，環(huán)形密封圈厚度減小，而直徑變長，保證了每個(gè)電池單元的絕緣密封。
[0013]所述正極涂層為正極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的混合物，正極活性材料為磷酸鐵鋰、磷酸錳鋰、硅酸鋰、硅酸鐵鋰、硫酸鹽化合物、鈦硫化合物、鑰硫化合物、鐵硫化合物、摻雜鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰鈦氧化物、鋰釩氧化物、鋰鎳錳氧化物、鋰鎳鈷氧化物、鋰鎳鈷錳氧化物、鋰鐵鎳錳氧化物以及其它可脫嵌鋰化合物中的一種或多種；所述負(fù)極涂層為負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的混合物，負(fù)極活性材料為能夠可逆嵌鋰的鋁基合金、硅基合金、錫基合金、鋰鈦氧化物(Li4Ti5012)、鋰硅氧化物、金屬鋰和石墨中的一種或多種。
[0014]進(jìn)一步，本發(fā)明在每兩個(gè)雙極性電極片之間設(shè)有至少一層的圓形隔離層組成一個(gè)電池單元。
[0015]所述隔離層材料為聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或其它電子不導(dǎo)電的多孔聚合物材料，或者，所述的隔離層材料為玻璃纖維無紡布、合成纖維無紡布、陶瓷纖維紙或其它電子不導(dǎo)電的無機(jī)非金屬材料與有機(jī)聚合物的復(fù)合多孔材料，或者所述隔離層材料為含可部分除去的少孔或無孔聚合物隔離層。
[0016]電池單元內(nèi)充滿含鋰離子的液體或膠體或聚合物的電解質(zhì)，環(huán)形密封圈承受電池殼折邊區(qū)域產(chǎn)生的壓力，使電池單元之間相互彈性擠壓并密封，電池單元之間的電解質(zhì)互不泄露接觸，電池充放電時(shí)鋰離子的遷移被限制在各個(gè)電池單元內(nèi)部，避免了電解質(zhì)泄露或與空氣接觸，同時(shí)使電芯內(nèi)部的電池單元之間緊密接觸，降低電池內(nèi)阻，提高電池能量轉(zhuǎn)換效率。
[0017]進(jìn)一步，本發(fā)明電芯由上述兩個(gè)或兩個(gè)以上的電池單元疊加組成，優(yōu)選疊加數(shù)量為8?160個(gè)。其中，位于電芯最上面以及位于最下面的雙極性集流體的外表面為電芯的表面電極(表面正極或表面負(fù)極)，表面電極不粘接電極涂層。
[0018]電芯的表面正極和表面負(fù)極通過導(dǎo)電粘接劑分別粘接固定有一個(gè)彈性墊片。上述彈性墊片是一種具備壓縮回彈性的導(dǎo)電金屬復(fù)合體，包括圓形墊片和彈性體；圓形墊片表面為平面，與電芯的表面電極通過導(dǎo)電粘接劑粘接固定在一起，圓形墊片直徑大于等于所述電芯的環(huán)形密封圈的外徑；彈性體置于圓形墊片的表面，依靠彈性力與電池殼的內(nèi)表面緊密接觸。其中，彈性體可以為泡沫鎳、泡沫鋁等彈性多孔金屬，或者為凹凸形、波浪形等具有壓縮回彈性的金屬片。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，上述電芯和彈性墊片置于電池殼內(nèi)，所述電池殼由電池凹座和電池蓋配套組成。其中，電池蓋是邊緣包裹有塑料環(huán)的圓形鍍鎳鋼片；圓形鍍鎳鋼片厚度0.5?6mm,優(yōu)選為0.8?3mm ;塑料環(huán)厚度0.2?4mm,優(yōu)選為0.6?2mm ；電池蓋與彈性墊片靠彈性力緊密接觸；電池凹座為桶狀金屬殼，金屬殼底部與導(dǎo)電彈性墊片依靠彈性力緊密接觸。
[0020]上述電池凹座使用一種有鍍層的復(fù)合金屬材料，其中該復(fù)合金屬材料包括一層鎳、一層銅和位于其中間的一層鋼或優(yōu)質(zhì)鋼的復(fù)合材料，即所謂的三金屬，其厚度為0.5?6mm,優(yōu)選為0.8?3mm。
[0021]在本發(fā)明中，為了防止外部沖擊對(duì)電芯造成破壞，同時(shí)對(duì)電池內(nèi)部起到絕緣密封的作用，在電池凹座的側(cè)邊區(qū)域內(nèi)側(cè)壁緊密粘接一層電絕緣層，該電絕緣層可隨電池凹座同時(shí)折邊，擠壓在電池蓋邊緣的塑料環(huán)上，電絕緣層厚度為0.05?1mm。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，所述電池凹座內(nèi)徑 > 電池蓋直徑>彈性墊片直徑>環(huán)形密封圈外徑>圓形鍍鎳鋼片直徑 > 環(huán)形密封圈內(nèi)徑。電池凹座折邊后擠壓在電池蓋的塑料環(huán)上，電池殼上的塑料環(huán)使電池蓋的圓形鍍鎳鋼片與電池凹座在空間上和電學(xué)上分開，保證圓形鍍鎳鋼片與電池凹座之間滿足絕緣距離，同時(shí)將電池殼內(nèi)部密封。
[0023]進(jìn)一步，在電池殼的上下表面，通過焊接、粘接等方式分別固定連接有柔性集流線。所述柔性集流線為網(wǎng)狀或者螺旋狀的金屬片或金屬絲，其材料為銀、銅、鋁或鍍有銀的金屬材料中的一種或幾