CN202930468U - 一种大容量高输出比功率聚锂电池结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型主要公开一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，包括若干单片电池极片，将所有单片电池极片等分成若干单片小组，同一单片小组中的单片电池极片同一极性的极耳压合整形，由正、负极夹具焊接夹固，相邻组之间叠放有正极辅助电极铝导电金属片和聚四氟乙烯隔板薄片，各组同一极性的夹具由输出连接器统一连接，最终铝塑包装膜封装而成。本实用新型突破制约传统聚合物锂离子电池高输出比功率大电流放电应用的瓶颈。大幅度的改善大容量电池在高输出比功率大电流放电的工作条件电池的极化效应和热效应的积累，电池工作温度同比传统聚合物锂离子电池结构要下降30%，输出容量提高38%，电池极化效应降低，热失控平台提高温度80℃-95℃。

Description

一种大容量高输出比功率聚锂电池结构

技术领域

本实用新型涉及聚合物锂离子电池的高输出比功率大电流放电应用技术领域，特别与一种大容量高输出比功率聚锂电池结构有关。

背景技术

随着现代化社会的发展，聚合物锂离子电池以它优异的性能条件越来越广泛的行业能源需求及应用。但对于大容量高输出比功率大电流放电应用技术领域中，对于具有苛刻使用要求（放电温度低、放电容量比高）运行的单体大容量电池，由于它的极耳金属片截面输出额定电流密度与单体大容量电池在高输出比功率大电流放电的工作电流密度在不对称条件下工作，必然导致电池内部极片组极化条件恶劣，而造成电池内部热效应聚集过快，造成电池容量在该工作条件下输出电能过低，而且工作时温度过高，严重的影响聚合物锂离子电池在电池高输出比功率大电流放电的正常使用。成为制约聚合物锂离子电池高输出比功率大电流放电应用的瓶颈。

从电化学原理分析可知，大容量电池在高输出比功率大电流放电条件下，放电倍率越高，电池内部的极化现象就越严重。过渡的极化导致电池内部局部电流密度过大，太大的电流密度使得电池中的活性材料（阴极）的性质发生改变甚至导致阴极材料晶格塌陷，从而使得不可逆容量增大，容量产生衰减。而且这种恶性循环，部分材料晶体的破坏会导致电池内部更为严重的极化现象，如此循环下去，电池性能也会加速下降。因此系统（正负极连接器、辅助电极、聚四氟乙烯隔片、极片对应隔离分组）调整电池内部的电流密度的分布，均衡电流密度的一致性，是改善电池高倍率放电性能和提高大容量电池循环性能的有效途径。

对于高倍率聚合物锂离子电池在高输出比功率大电流放电连续工作条件下，其电池的极化现象必然是非常严重的，而且由于电池在的随着局部电流密度的增大，其极化均匀程度破坏，极化现象极为严重。

如图1所示，在传统传统聚合物锂离子电池的单个极片成分构成包括：一片铜集流体金属薄片10、两片铝集流体金属薄片20、两片正极材料薄膜30、两片20固态电解质隔膜40、两片负极材料薄膜50。两片铝集流体金属薄片20位于最外侧，在每个铝集流体金属薄片20内侧向内依次叠放一片正极材料薄膜30、一片20固态电解质隔膜40、一片负极材料薄膜50，在两片负极材料薄膜50之间叠放一片铜集流体金属薄片10。上述极片经过封装后，形成如图2所示的单片电池极片60，铜集流体金属薄片10和铝集流体金属薄片20上引出部分热压后分别形成正极极耳71和负极极耳72。

又参见图3、图4，单体电池组是由若干单片电池极片60叠放形成，所有单片电池极片60的同一极性的极耳成组压合整形，然后输出导电体80夹在整体极耳上焊接固定。再如图5所示，输出导电体80上焊接正负导电金属片90，形成单体电池完整结构，最后如图6所示，采用铝塑包装后形成传统聚合物锂离子电池100。

由于在极耳整体压合时，极耳数量较多，使得外侧极耳弯折幅度大，导致极耳金属薄片导流面积受限及和高输出比功率大电流放电的电流密度不对称，在该条件放电时，内阻增大，温度急剧升高，极化现象严重，必然导致电池循环性能急剧恶化现象严重。

为了解决上述问题，本发明人设计出一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，有效降低聚合物锂离子电池组大电流放电的温度，提高循环寿命，有效提高电池组高倍率放电的工作性能。

为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，包括若干单片电池极片，将所有单片电池极片等分成若干单片小组，同一单片小组中的单片电池极片同一极性的极耳压合整形，由正、负极夹具焊接夹固，相邻组之间叠放有正极辅助电极铝导电金属片和聚四氟乙烯隔板薄片，各组同一极性的夹具由输出连接器统一对应连接，最终铝塑包装膜封装而成。

所述的正极辅助电极铝导电金属片和正极夹具为整体结构。

所述的铝塑包装膜封装后，在该结构单体电池四周具有加热固化成型的绝缘散热定型胶体层。

所述的输出连接器包括绝缘板和导电金属片，每个夹具上引出导电金属片，同一极性的导电金属片固定在同一绝缘板上。

所述的绝缘板采用PPC高分子树脂材料与导电金属片相隔后，置入固定工装，热压合成的加工方式形成输出连接器整体结构。

所述的绝缘板采用PPC高分子树脂材料和导电金属片定型固定在模具中高压注塑成型，形成连接器整体结构。

所述的导电金属片，其正极采用高纯度铝金属薄片，负极采用高纯度铜或镍金属薄片，其厚度控制为0.01-0.5毫米。

所述的绝缘板厚度控制为0.01-0.6毫米。

所述的聚四氟乙烯隔板薄片厚度为0.1-0.4毫米。

所述的导电金属片，其表面均有厚度为0.005-0.015毫米的镀银层。

采用上述方案后，本实用新型具有诸多有益效果：

本实用新型解决传统大容量聚合物锂离子电池内的极片组正负极集中而由于极片叠层数过多、过厚和边缘极片导流金属极片过长带来的焊接难度，容易震断，焊接电流太大，频率太高，使焊接极片受损伤的问题。严重的造成极片组击穿短路。采用多层极耳输出连接器的结构，金属薄片层数对应于极片分组使极片叠层数减薄、边缘极片导流金属极片离焊点中心变短，无损伤和击穿现象，工序成品率提高60%。

同时，使用耐高温耐酸聚四氟乙烯薄隔离片使电池的热效应均布极大的改善了电池的极化性能。

由于采用大容量电池极片组的分组效应，有效提高了电池极片一致性的筛选率，从而使电池的一致性制造良品率得到提高。

总之，本实用新型提出的技术方案，可以有效的突破制约聚合物锂离子电池高输出比功率大电流放电应用的瓶颈，大幅度的改善在电池高输出比功率大电流放电的工作条件电池的极化效应和热效应的积累，电池工作温度同比传统聚合物锂离子电池结构要下降30%，输出容量提高38%，电池极化效应降低，热失控平台提高80-95度。

附图说明

图1为传统聚合物锂离子电池的极片成分构成示意图；

图2为传统聚合物锂离子电池的单片电池极片示意图；

图3为传统聚合物锂离子电池的电池极片组示意图；

图4为传统聚合物锂离子电池成组压合整形及导电金属片构成示意图；

图5为传统聚合物锂离子电池成组正负极耳导电金属片完整结构示意图；

图6为传统聚合物锂离子电池铝塑包装后示意图；

图7为本实用新型较佳实施例中分组电池极片叠放示意图； 

图8为本实用新型较佳实施例中分组电池极片成组压合整形示意图；

图9为本实用新型较佳实施例中正极辅助电极铝导电金属片在电池内放置及连接方式示意图；

图10为本实用新型较佳实施例中聚四氟乙烯隔板薄片安放结构示意图；

图11为本实用新型较佳实施例中含正极辅助电极铝导电金属片、聚四氟乙烯隔板薄片的单片小组结构示意图；

图12为本实用新型较佳实施例中多个单片小组结构示意图；

图13为本实用新型较佳实施例中各分组组合示意图；

图14为本实用新型较佳实施例中多个单片小组输出连接器安装示意图；

图15为本实用新型较佳实施例中用铝塑包装后的示意图；

图16为本实用新型较佳实施例固化后结构示意图。

具体实施方式

结合图7至图16，对本实用新型较佳实施例做进一步详细说明。

一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，包含有至少两个如图7所示单片电池极片1所构成的单片小组2。

单片电池极片1内部结构与传统聚合物锂离子电池组中的单片电池极片结构相同，按照次序整齐叠放，每个单片电池极片1上的正极极耳11和负极极耳12都整齐对应。

在一个单片小组2中，将正极极耳11和负极极耳12分别压合整形，如图8所示。由于采用分组的形式，极片叠层数不多，厚度小，边缘极片的极耳变形小。

结合图9，一个单片小组2的边缘叠放正极辅助电极铝导电金属片3，其形状和尺寸与单片电池极片1相同。同时在正极辅助电极铝导电金属片3上对应正极极耳11的位置处，延伸形成正极夹具31，正极夹具31将压合整形的正极极耳11夹住。如图10、图11所示，在正极辅助电极铝导电金属片3的外侧再叠放有聚四氟乙烯隔板薄片4，使得聚四氟乙烯隔板薄片4位于相邻两个单片小组2之间，聚四氟乙烯隔板薄片4的厚度宜为0.1-0.4毫米之间，如图12、图13所示，然后在负极极耳12上也同样采用负极夹具32夹固。

各组之间排列整齐后，采用输出连接器4将各组之间的极耳组形成统一连接，如图14所示，输出连接器5主要包括绝缘板51和导电金属片52。导电金属片52从每个夹具上焊接固定引出，然后由绝缘板51将其相隔固定。

输出连接器5主要可以由两种工艺方式完成，其一绝缘板51使用片状PPC（聚碳酸亚丙酯）高分子材料，与各导电金属片52相隔后，置入固定工装，热压合成的加工方式完成多层正极的输出连接器5整体结构。多层负极输出连接器4整体结构与多层正极输出连接器整体结构同理工艺形成。

其二绝缘板51同样使用PPC高分子树脂材料，和各导电金属片52定型固定在模具中高压注塑成型，完成多层正极的输出连接器5整体结构。多层负极输出连接器5整体结构与多层正极输出连接器整体结构同理工艺形成。上述两种成型工艺形式均无需机械连接加固和焊接解决界面结合问题。

其中导电金属片52，正极极耳所用为高纯度铝金属薄片，负极为高纯度铜或镍金属薄片，其厚度控制为0.01-0.5毫米。另外在导电金属片52的表面镀有一镀银层，其厚度为0.005-0.015毫米。绝缘板51厚度控制为0.01-0.6毫米。

当输出连接器4安装完成后，在外表面采用铝塑包装膜6封装，形成单体电池，如图15。最后为克服传统聚合物锂离子电池外形一致性差、电池边缘强度低及散热条件不足的属性，在根据设计规定电池外形尺寸的模具腔内，采用树脂、阻燃剂、石墨烯、热扩散传导剂、粘接剂、固化剂、混合绝缘胶体，并将胶体注入固化膜腔将腔内流平，加热固化成型，形成绝缘散热定型胶体层7。固化层厚度与电池芯中心部位厚度尺寸一致，沿电池芯周边放大3～4毫米固化定型。形成电池组后，电池外型完全一致。

通过工程塑料模腔定型固化成型，周边强度有效增强，具有良好的导热性和稳定的散热层。该工艺即解决了电池外型一致性的问题，同时又加强整体强度和散热性。加热固化时间为0.5～1小时，常温固化时间为3～4小时。

本实用新型与传统工艺相比，有效降低内阻30%，电池内极片一致性匹配率提高85%，电池正负极端部电池温升减低15%，电池与电池组在高输出比功率大电流负载15-20C倍率技术条件下工作，输出容量提高36%。电池极化现象大大降低，热效应积累速率比原来降低23%。如在20AH容量的异型电芯串联后，20C倍率放电2分45秒（截止电压2.9V）情况下最高温度（最后20秒）72℃，平均温度小于53℃，有效降低聚合物锂离子动力电池组大电流放电的温度。循环寿命提高43%，有效提高电池组高倍率放电的工作性能。

在实施例中输出连接器形成的装配工艺简单，所有零件实现标准化制造。同一输出连接器机构根据多层极耳金属薄片数可以实现多路功能输出，采用正负极多层极耳输出连接器结构可以有效提高装配性和导电电流的热功率降低。本实用新型提高电池组的安全性和可靠性，消除因焊接产生的热量传递电芯带来的不良隐患，大幅度的改善在电池高输出比功率大电流放电的工作条件电池的极化效应和热效应的积累，电池工作温度同比传统聚合物锂离子电池结构要下降30%，输出容量提高38%，电池极化效应降低，热失控平台提高温度80-95度。

上述实施例仅用于解释说明本实用新型的发明构思，而非对本实用新型权利保护的限定，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：包括若干单片电池极片，将所有单片电池极片等分成若干单片小组，同一单片小组中的单片电池极片同一极性的极耳压合整形，由正、负极夹具焊接夹固，相邻组之间叠放有正极辅助电极铝导电金属片和聚四氟乙烯隔板薄片，各组同一极性的夹具由输出连接器统一对应连接，最终铝塑包装膜封装而成。

2.如权利要求1所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的正极辅助电极铝导电金属片和正极夹具为整体结构。

3.如权利要求1所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的铝塑包装膜封装后，在该结构单体电池四周具有加热固化成型的绝缘散热定型胶体层。

4.如权利要求1所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的输出连接器包括绝缘板和导电金属片，每个夹具上引出导电金属片，同一极性的导电金属片固定在同一绝缘板上。

5.如权利要求4所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的绝缘板采用PPC高分子树脂材料片与导电金属片相隔后，置入固定工装，热压合成的加工方式形成输出连接器整体结构。

6.如权利要求4所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的绝缘板采用PPC高分子树脂材料和导电金属片定型固定在模具中高压注塑成型，形成连接器整体结构。

7.如权利要求1所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的导电金属片，其正极采用高纯度铝金属薄片，负极采用高纯度铜或镍金属薄片，其厚度控制为0.01-0.5毫米。

8.如权利要求4所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的绝缘板厚度控制为0.01-0.6毫米。

9.如权利要求1所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的聚四氟乙烯隔板薄片厚度为0.1-0.4毫米。

10.如权利要求1所述的一种大容量高输出比功率聚锂电池结构，其特征在于：所述的导电金属片，其表面均有厚度为0.005-0.015毫米的镀银层。

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