一种注液量可控的高电压动力电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种注液量可控的内部层叠式高电压动力电池及其制备方法，通过在电芯表面施加压力，根据环形密封圈与双极性电极片的厚度差控制隔离层压缩后的厚度，使得隔离层内的电解液挤压出进入电极涂层，一方面可以方便有效地控制隔离层汲取的电解液量，实现电池内部各电池单元之间的注液量均匀性和一致性；另一方面从隔离层挤压出来的电解液可以均匀地浸入到正、负极涂层的微孔里，具有弹性特性的隔离层通过电池外部提供的持久应压力与相邻正、负极涂层紧密接触，能够有效提高电池内各电池单元之间力学上的一致性；本发明专利技术提供了一种高电压动力电池制作方法，操作方式简单有效，制作效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及动力电池及其应用领域，尤其涉及一种可为纯电动汽车、混合动力汽车、电动摩托车等提供能量的高电压动力锂离子电池。
技术介绍
目前，为了能够获得高能量密度和高输出功率密度的高电压电池，通常将多个工作电压在2.0～4.5V之间的单体电池在外部进行串联连接。然而，这种外部串联方式对于单体电池的一致性要求很高，而且外部的电器连接会增大整个电池组的电阻、质量和体积，降低电池组的能量密度和功率密度，增大制作成本和安全风险。为解决该问题，中国专利201310512781.8公布了一种内部串联高电压动力电池，该动力电池电芯由若干个双极性电极片上下叠加组成，且在相邻的两个双极性电极片之间设有至少一层的隔离层，这种高电压动力电池具有较小的组件电阻以及质量和体积，可以提高电池的安全性、一致性和功率密度，降低电池制造成本，是电动汽车动力电池的重要发展方向。然而，在电池制备过程中，电解液的注液方式以及如何控制注液的均匀和一致性是需要解决的着重问题。通常使用的单极性锂电池，在加工制作过程中，电解液在电池各部件组装完成后统一注液。由于高电压动力电池采用内部串联电池单元的方式，必须保证各个串联电池单元之间的电解液互不连通，因此，这种统一注液的方式不适用于制作高电压动力电池。目前的高电压电池采用的注液方式是在组装电池同时进行注液，即每叠加一个电池单元均需在正负极片表面灌注电解液，然后完成电池组的密封。这种方式存在的问题是，一方面，注液效率低，电池单元封装时电解液容易从电池单元的侧边泄露；另一方面，很难控制每个电池单元内注液量的一致性和电解液分布的均匀性。
技术实现思路
为了解决内部串联层叠式高电压动力电池存在的上述注液问题，本专利技术的一个目的在于提供一种可以有效控制电解液注液量、保证每个电池单元的注液量均匀一致，并且操作方便的内部串联层叠式高电压动力电池；本专利技术另一个目的在于提供一种内部串联层叠式高电压动力电池的制备方法。本专利技术提供技术方案如下：一种注液量可控的高电压电池，外形呈圆饼形状，电池直径与电池高度比大于1，优选为5～20，电池直径8～150cm，优选为10～50cm，电池高度0.5～16cm，优选为1～8cm；所述高电压电池包括隔离层、双极性电极片、环形密封圈、电池壳，以及填充于隔离层孔隙与双极性电极片孔隙的电解液，其中环形密封圈位于呈圆形的双极性电极片的边缘，所述双极性电极片包括呈圆形的双极性集流体和分别涂覆在双极性集流体两侧面的正极涂层和负极涂层，正极涂层和负极涂层统称为电极涂层，电极涂层呈圆形；若干个设有环形密封圈的双极性电极片按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有隔离层，两相邻的双极性电极片和它们之间的隔离层共同构成一个电池单元，这样若干个电池单元上下叠加构成电芯；电池壳置于电芯外部；所述隔离层直径大于所述电极涂层直径，隔离层为具有微孔结构和压缩弹性的圆形片状的多孔材料，内部浸有电解液；当电池组装时，在上述电芯的上下表面施加压力0.5～8MPa；其特征在于：所述环形密封圈的厚度h2大于双极性电极片的厚度h1；在上述电芯施加压力之前所述隔离层的厚度大于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)，施加压力后隔离层受到压缩，其压缩后的厚度等于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)；电极涂层孔隙内的电解液由隔离层受压时提供，压缩时隔离层孔隙内挤出的电解液的体积为电极涂层孔隙吸收电解液体积的1.0～1.05倍。本专利技术中，所述环形密封圈的厚度(h2)高于双极性电极片的厚度(h1)，通过在电芯表面施加压力，根据环形密封圈与双极性电极片的厚度差(h2-h1)控制隔离层压缩后的厚度，一方面可以方便有效地控制隔离层汲取的电解液量，实现高电压电池内部串联的各电池单元之间的注液量均匀性和一致性；另一方面从隔离层挤压出来的电解液可以均匀地浸入到正、负极涂层的孔隙里，并且，具有弹性特性的隔离层通过电池外部提供的持久应压力与相邻正、负极涂层紧密弹性接触，在电池受外力破坏时，能够有效提高电池内各电池单元之间力学上的一致性。由于电极涂层的厚度非常薄，电池组装压缩过程中，为了避免边缘处正极涂层与负极涂层接触发生电池短路，优选的，所述隔离层的直径大于电极涂层的直径。所述环形密封圈的厚度h2为35～1250μm，高于双极性电极片的厚度h1，厚度差h2-h1为10～100μm。所述隔离层是可吸收电解液的弹性多孔材料；所述隔离层可以是聚乙烯、聚丙烯、交联聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丁腈、丁苯、三元乙丙、氯丁二烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚乙烯醇缩甲醛、三聚氰胺、酚醛树脂、耐热聚苯乙烯、改性聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等耐电解液聚合物开孔泡沫材料中的一种或几种；或者所述隔离层也可以是目前已
有的具有孔隙结构和压缩弹性的隔离层材料，如CN 102683628A，CN 103035864A，CN102751459A以及CN102464803A中所述的压缩弹性多孔隔离层；或者，所述隔离层也可以是上述弹性多孔吸液材料浸渍聚合物凝胶后干燥而成，所述聚合物凝胶是通过将聚偏氟乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯中的一种或几种溶解在丙酮、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二甲酯等良溶剂中形成。所述隔离层压缩前厚度为30～5000μm，直径为6～142cm，优选为8～46cm，孔隙率为50～99％，孔径范围0.5～100μm，由于锂离子传输内阻与隔离层厚度及孔隙率相关，隔离层压缩后的厚度要选择锂离子传输内阻小且又可保持隔离层压缩性的平衡点，隔离层压缩后的厚度与环形密封圈和双极性电极片的厚度差h2-h1相等。所述双极性集流体材料是电子导电良好，且不会漏液的材料，可以是聚合物基或金属基复合导电薄膜，优选为中国专利CN 103219521 A或中国专利201310486469.6描述的双极性集流体，厚度为5～150μm，直径为7～145cm，优选为9～47cm。双极性集流体涂覆正极涂层的一面必须耐氧化，而涂覆负极涂层的一面必须耐还原。所述正极涂层为正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物以及其它可脱嵌锂化合物中的一种或多种。所述负极涂层为负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，负极活性材料为能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、锂硅氧化物、金属锂和石墨中的一种或多种。所述正极涂层和负极涂层通过涂覆、喷涂、丝网印刷、转移涂布、喷墨打印等方式复合到双极性集流体的两面；所述正极涂层厚度为10～1000μm，优选为50～600μm，直径为6.5～140cm，优选为7.5～45cm，正极涂层为多孔涂层，孔隙率为25％～45％，所述负极涂层为多孔涂层，孔隙率为20％～40％，其厚度根据选用正负极活性材料的克容量和正极涂层的厚度，以保证负极容量过量10％～20％计算得到，负极涂层厚度一般为10～1200μm，优选为80～800μm，直径为6.5～140cm，优选为7.5～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种注液量可控的高电压电池，包括隔离层、双极性电极片、环形密封圈、电池壳以及填充于隔离层孔隙与双极性电极片孔隙的电解液，其中环形密封圈位于呈圆形的双极性电极片的边缘，所述双极性电极片包括呈圆形的双极性集流体和分别涂覆在双极性集流体两侧面的正极涂层和负极涂层，正极涂层和负极涂层统称为电极涂层，电极涂层呈圆形；若干个设有环形密封圈的双极性电极片按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有隔离层，两相邻的双极性电极片和它们之间的隔离层共同构成一个电池单元，这样若干个电池单元上下叠加构成电芯；电池壳置于电芯外部；所述隔离层直径大于所述电极涂层直径，隔离层为具有孔隙结构和压缩弹性的圆形片状的多孔材料，内部浸有电解液；当电池组装时，在上述电芯的上下表面施加压力0.5～8MPa；其特征在于：所述环形密封圈的厚度h2大于双极性电极片的厚度h1；在上述电芯施加压力之前所述隔离层的厚度大于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2‑h1)，施加压力后隔离层受到压缩，其压缩后的厚度等于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2‑h1)；电极涂层孔隙内的电解液由隔离层受压时提供，压缩时隔离层孔隙内挤出的电解液的体积为电极涂层孔隙吸收电解液体积的1.0～1.05倍。...

【技术特征摘要】
1.一种注液量可控的高电压电池，包括隔离层、双极性电极片、环形密封圈、电池壳以及填充于隔离层孔隙与双极性电极片孔隙的电解液，其中环形密封圈位于呈圆形的双极性电极片的边缘，所述双极性电极片包括呈圆形的双极性集流体和分别涂覆在双极性集流体两侧面的正极涂层和负极涂层，正极涂层和负极涂层统称为电极涂层，电极涂层呈圆形；若干个设有环形密封圈的双极性电极片按照不同极性涂层相对放置的顺序上下串联层叠，且每相邻两个双极性电极片之间设有隔离层，两相邻的双极性电极片和它们之间的隔离层共同构成一个电池单元，这样若干个电池单元上下叠加构成电芯；电池壳置于电芯外部；所述隔离层直径大于所述电极涂层直径，隔离层为具有孔隙结构和压缩弹性的圆形片状的多孔材料，内部浸有电解液；当电池组装时，在上述电芯的上下表面施加压力0.5～8MPa；其特征在于：所述环形密封圈的厚度h2大于双极性电极片的厚度h1；在上述电芯施加压力之前所述隔离层的厚度大于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)，施加压力后隔离层受到压缩，其压缩后的厚度等于环形密封圈和双极性电极片的厚度差(h2-h1)；电极涂层孔隙内的电解液由隔离层受压时提供，压缩时隔离层孔隙内挤出的电解液的体积为电极涂层孔隙吸收电解液体积的1.0～1.05倍。2.如权利要求1所述的高电压动力电池，其特征在于：所述高电压动力电池外形呈圆饼形状，电池直径与电池高度比大于1，优选为5～20，电池直径8～150cm，优选为10～50cm，电池高度0.5～16cm，优选为1～8cm。3.如权利要求1所述的高电压动力电池，其特征在于：所述环形密封圈的厚度h2为35～1250μm，高于双极性电极片的厚度h1，厚度差h2-h1为10～100μm。4.如权利要求1所述的高电压动力电池，其特征在于：所述隔离层压缩前厚度为30～5000μm，直径为6～142cm，优选为8～46cm，孔隙率为50～99％，孔径范围0.5～100μm；所述隔离层是可吸收电解液的弹性多孔材料，包括聚乙烯、聚丙烯、交联聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丁腈、丁苯、三元乙丙、氯丁二烯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚乙烯醇缩甲醛、三聚氰胺、酚醛树脂、耐热聚苯乙烯、改性聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等耐电解液聚合物开孔泡沫材料中的一种或几种；或者所述隔离层也可以是目前已有的具有微孔结构和压缩弹性的隔离层材料；或者，所述隔离层为上述弹性多孔吸液材料浸渍聚合物凝胶后干燥而成，所述聚合物凝胶是通过将聚偏氟乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯中的一种或几种溶解在丙酮、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二甲酯等良溶剂中形成。5.如权利要求1所述的高电压动力电池，其特征在于：所述双极性集流体材料是电子导
\t电良好，且不会漏液的材料，为聚合物基或金属基复合导电薄膜，厚度为5～150μm，直径为7～145cm，优选为9～47cm；所述正极涂层和负极涂层通过涂覆、喷涂、丝网印刷、转移涂布、喷墨打印等方式复合到双极性集流体的两侧，涂覆正极涂层的一面必须耐氧化，涂覆负极涂层的一面必须耐还原。6.如权利要求1所述的高电压动力电池，其特征在于：所述正极涂层为正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物以及其它可脱嵌锂化合物中的一种或多种；正极涂层厚度为10～1000μm，优选为50～600μm，直径为6.5～140cm，优选为7.5～45cm，正极涂层为多孔涂层，孔隙率为25％～45％。7.如权利要求1所述的高电压动力电池，其特征在于：所述负极涂层为负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，负极活性材料为能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、锂硅氧化物、金属锂和石墨中的一种或多种；负极涂层为多孔涂层，孔隙率为20％～40％，厚度为10～1200μm，优选为80～800μm，直径为6.5～140cm，优选为7.5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永翀，张晓虎，何颖源，张艳萍，张萍，
申请(专利权)人：北京好风光储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11