一种具有支撑导流线缆的锂浆料电池电芯及锂浆料电池
技术领域
本发明涉及锂浆料电池领域,具体地涉及一种具有支撑导流线缆的锂浆料电池电芯及锂浆料电池。
背景技术
锂浆料电池是指含有全部或部分浆料电极形态的锂电池或锂离子电池,其浆料态的电极可以避免传统锂离子电池中电极材料发生脱落或松动造成的循环寿命衰减问题,并增加活性材料在电池系统中的相对比例,可以提高电池系统整体的能量密度,降低电池生产成本。与传统锂离子电池相比,锂浆料电池具有可换液再生的特点,但锂浆料电池的电极片间距有限且极片较厚,因此不利于电池注液、换液以及电解液的均匀浸润,而电解液的浸润性好坏直接影响到电池的性能。
发明内容
针对以上存在的问题,本发明提供一种具有支撑导流线缆的锂浆料电池,该锂浆料电池在正极片与负极片之间设置有支撑导流线缆。支撑导流线缆使得可以在正极片与负极片之间形成可供电解液流动的通道,因此可以提高电解液在锂浆料电池内部的流动性,并且提高电解液对正极片和负极片的浸润性。此外,支撑导流线缆还可以对正极片和负极片提供支撑,减轻正极片和负极片的变形以及对隔离层产生的压力,进而避免了隔离层破损或短路问题的产生,提高了锂浆料电池的安全性。另外,锂浆料电池可以通过更换或补充电解液来改善电池循环性能以及提高电池寿命,通过支撑导流线缆在正极片与负极片之间所形成的空间能够有效地提高电解液补充或更换的可操作性。
本发明提供的技术方案如下:
一种锂浆料电池电芯,该锂浆料电池电芯包括交叉叠置的多个正极片和负极片以及位于正极片与负极片之间的隔离层,其中,该锂浆料电池电芯还包括柔性的支撑导流线缆。支撑导流线缆沿正极片或负极片的表面布设于正极片与负极片之间,用以对正极片和负极片进行支撑,并且在正极片与负极片之间间隔出供电解液流动的空间。支撑导流线缆位于如下位置中的一个或多个:正极片与隔离层之间、负极片与隔离层之间或者多个隔离层之间。通过支撑导流线缆,既可以对正极片和负极片起到支撑的作用,又可以在正极片与负极片之间间隔出一定距离以便于电解液流入正极片与负极片之间的空间中。柔性的支撑导流线缆的目的是使得支撑导流线缆便于弯折和缠绕。支撑导流线缆可以为实心结构、空心结构或包覆结构等。支撑导流线缆的直径可以为0.005mm~2mm,支撑导流线缆的铺设间距可以为0.1mm~50mm。支撑导流线缆可以沿锂浆料电池电芯的竖直方向布设;或者支撑导流线缆可以以与锂浆料电池电芯的竖直方向小于90度的方向布设,也就是说沿与竖直方向成一锐角的方向布设。支撑导流线缆的布设方向将影响到电解液的流动方向和流动速度。此处应当指出,本发明中提及的竖直方向、上、下等是基于锂浆料电池正常使用时的方向或方位,仅是为了便于说明本发明的内容,而不起到任何限制的作用。
下面,将对锂浆料电池的正极片和负极片进行说明。应当指出,锂浆料电池的正极片和负极片并不仅限于下文的示例中所进行的描述。锂浆料电池的正极片和负极片的结构和材料可以为任意已知的锂浆料电池正极片和负极片的结构和材料。
正极片可包括正极活性层和多孔正极集流层。正极活性层含有部分或者全部非粘接固定的正极导电颗粒,正极活性层的厚度可以为0.5mm~10mm。正极活性层可包括正极导电颗粒和粘结剂或者仅包括正极导电颗粒。正极导电颗粒平均粒径可以为0.05μm~500μm,正极导电颗粒为正极活性材料与导电剂的复合物或混合物,其中正极活性材料与导电剂的质量比优选为20~98:80~2,且粘结剂的质量比不超过10%。
正极活性层的正极活性材料可以为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、硫碳复合物、硫单质、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、锂镍钴铝氧化物、锂镍铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物以及其它可嵌锂化合物等中的一种或多种。粘结剂为电位窗口宽且对正负极活性材料及电解液稳定的聚合物材料,聚合物材料可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、改性聚烯烃、聚乙炔、聚吡咯及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚对苯撑乙烯及其衍生物、聚对苯及其衍生物、聚芴及其衍生物等中的一种或几种。导电剂可以为碳黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、金属导电颗粒等中的一种或几种。
正极活性层中的正极导电颗粒可以部分或全部位于多孔正极集流层的孔隙内,多孔正极集流层是厚度为0.01μm~2000μm的具有通孔结构的电子导电层,其通孔孔隙率可以为10%~90%,孔径范围可以为0.05mm~2mm。多孔正极集流层可以为导电金属层,导电金属层为金属网或金属丝编织网,网孔可以为方形、菱形、长方形或多边形等;或者,导电金属层为具有通孔结构的泡沫金属网;或者,导电金属层为多孔金属板或多孔金属箔,导电金属层的材料可以为不锈钢、铝或银等。或者,多孔正极集流层可以为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合的导电布,金属丝的材料可以为铝、合金铝、不锈钢或银等,有机纤维丝可以包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等中的一种或几种。或者,多孔正极集流层为表面涂覆导电涂层或镀有金属薄膜的金属导电层、导电布、无机非金属材料、多孔有机材料,导电涂层为导电剂与粘结剂的混合物或者导电涂层为导电剂、正极活性材料与粘结剂的混合物,混合的方式为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合,多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等,无机非金属材料包括玻璃纤维无纺布、陶瓷纤维纸等,导电剂为碳黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、金属导电颗粒和金属导电纤维等中的一种或几种,金属导电颗粒或者金属导电纤维的材料可以为铝、不锈钢或银等,粘结剂可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和改性聚烯烃等中的一种或几种。或者,多孔正极集流层为上述任意两种或几种所组成的组合体。
负极片可包括负极活性层和多孔负极集流层。负极活性层可以为含锂金属体或者负极活性层可以含有部分或者全部非粘接固定的负极导电颗粒。在负极活性层含有负极导电颗粒和粘结剂的情况下,负极活性层的厚度可以为0.5mm~10mm,负极导电颗粒的平均粒径可以为0.05μm~500μm,负极导电颗粒为负极活性材料与导电剂的复合物或混合物,其中负极活性材料与导电剂的质量比优选为20~98:80~2,且粘结剂的质量比不超过10%。在负极活性层为含锂金属体的情况下,负极活性层的厚度可以为0.001mm~2mm。
负极活性层的负极导电颗粒中的负极活性材料为在充电过程中可逆脱嵌锂的材料,包括可嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、锂硅氧化物、金属锂粉和石墨等。负极导电颗粒中的导电剂可以是碳黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、金属导电颗粒等中的一种或几种。负极活性层中的含锂金属体的材料可以为金属锂或锂基合金。锂基合金可以是Li-Al、Li-Si、Li-Mg、Li-Sn、Li-Bi、Li-Sb等,可以是二元、三元或者是多元合金,合金中可包括Mg、Ca、Al、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、Pt、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等可与锂进行固溶和/或加成反应的元素,其中非锂元素的含量不大于50%。
多孔负极集流层为厚度为0.01μm~2000μm的具有通孔结构的电子导电层,其通孔孔隙率可以为10%~90%,孔径范围可以为0.05mm~2mm。多孔负极集流层可以为导电金属层,导电金属层可以为金属网或金属丝编织网,网孔可以为方形、菱形、长方形或多边形等;或者,导电金属层可以为具有多孔结构的多孔泡沫金属层;或者,导电金属层可以为多孔金属板或多孔金属箔,导电金属层的材料可以为不锈钢、铜、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜等。或者,多孔负极集流层可以为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合的导电布,金属丝的材料可以为不锈钢、铜、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜等;有机纤维丝包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等中的一种或几种。或者,多孔负极集流层可以为表面涂覆导电涂层或镀有金属薄膜的金属导电层、导电布、无机非金属材料、多孔有机材料,导电涂层可以为导电剂与粘结剂或导电剂、负极可嵌锂材料与粘结剂的复合物,复合的方式可以为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合等,多孔有机材料可以包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等,无机非金属材料可以包括玻璃纤维无纺布和陶瓷纤维纸等,导电薄膜的材料可以为不锈钢、铜、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜等,导电剂可以为碳黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、金属导电颗粒和金属导电纤维中的一种或几种,金属导电颗粒或者金属导电纤维的材料可以为铜、不锈钢或镍等,粘结剂可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和改性聚烯烃等中的一种或几种。或者,多孔负极集流层可以为上述任意两种或多种的组合。
设置于正极片与负极片之间的支撑导流线缆可以是多条平行排列的支撑导流线缆,支撑导流线缆沿交叉叠置的多个正极片和负极片中的各极片的表面延伸并在电极片边缘处弯折从而形成连续缠绕。例如,在一正极片上平行铺设多条支撑导流线缆,之后在支撑导流线缆上依次叠加一隔离层、负极片和另一隔离层,然后将多条平行支撑导流线缆翻折并沿上述另一隔离层的平面铺设,接下来在支撑导流线缆上叠加另一正极片,如此重复电极片、隔离层叠加和支撑导流线缆铺设及翻转的过程直至铺设完成整个电芯。
当在正极片或负极片的四周边缘设有绝缘密封框时,单条或多条支撑导流线缆可围绕绝缘密封框进行螺旋缠绕。例如,先将支撑导流线缆的一端固定于绝缘密封框的顶边一端,之后将支撑导流线缆绕绝缘密封框的顶边和底边连续螺旋缠绕,最后将缠绕后的支撑导流线缆的另一端固定于绝缘密封框层底边的与顶边一端相对角的一端。或者,可以将支撑导流线缆制成多个与绝缘密封框的尺寸相匹配的套圈,然后将多个套圈平行套于绝缘密封框上。优选地,套圈可以为具有一定张力的弹性套圈。
另外,可以在锂浆料电池电芯中设置多个支撑框,支撑框的形状和尺寸可以类似于电极片的绝缘密封框。例如,支撑框可以为与正极片和负极片的大小一致的“回字型”边框。支撑框的厚度可以根据需要来确定,例如支撑框的厚度可以为0.01mm~2mm。支撑框优选地由具有一定刚度的材料制成,也就是说支撑框可以抵抗一定的外力不产生变形。支撑导流线缆可以螺旋缠绕于支撑框或连接固定于支撑框、或者由支撑导流线缆制成的多个套圈平行套于支撑框上。支撑导流线缆螺旋缠绕于支撑框以及制成多个套圈平行套于支撑框的方式与上述缠绕于电极片的绝缘密封框的方式一致,此处不再赘述。支撑导流线缆连接固定于支撑框的方式可以包括:在支撑框的边条上设有多个通孔,将支撑导流线缆穿过边条上的通孔并在支撑框的边条之间形成跨接;或者,在支撑框的边条上设有多个挂环或挂钩,将支撑导流线缆套于挂环或挂钩并在支撑框的边条之间形成跨接;或者,在支撑框的边条上设有多个支柱,将支撑导流线缆缠绕于支柱并在支撑框的边条之间形成跨接;或者,在支撑框的边条上设有多个凹槽,将支撑导流线缆固定于凹槽中并在支撑框的边条之间形成跨接;或者,将支撑导流线缆粘接于支撑框的边条上并在支撑框的边条之间形成跨接,等等。上述的在支撑框的边条之间实现跨接也就是在支撑框的边条内形成由支撑导流线缆构成的平行、交叉或弯折的线缆网络。支撑导流线缆连接固定于支撑框的方式也可以适用于支撑导流线缆与电极片的绝缘密封框的连接固定。另外,在支撑框的上边条和下边条上还可以设有多个通道或沟槽,从而便于电解液经由通道和沟槽进入正极片与负极片之间。
绝缘密封框和支撑框的材料可以为绝缘耐电解液的聚合物材料,该聚合物材料可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、改性聚烯烃等中的一种或几种。
支撑导流线缆的材料可以为耐电解液腐蚀的电子不导电的绝缘材料,该绝缘材料可以为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等;或者,支撑导流线缆可以为耐电解液腐蚀的纤维长丝或几种纤维长丝的合捻物,该纤维长丝可以包括涤纶聚脂纤维、尼龙纤维、天然棉麻、芳纶、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、碳纤维、导电金属纤维等。另外,支撑导流线缆的材料可以为耐电解液腐蚀的金属,该金属可以为铝、铜、合金铝、不锈钢、银、锡、钛、镀镍铜、镀锡铜等。
支撑导流线缆的材料或表面包覆材料优选地为具有弹性的材料,当支撑导流电缆受到电极片的压力作用与隔离层接触时,支撑导流线缆的接触表面产生弹性变形,并且在线缆长度方向上也可产生一定弹性变形,产生弹性变形的支撑导流线缆可以避免由于硬性接触而对隔离层产生的损坏并且对来自电极片的压力进行缓冲。更优选地,支撑导流线缆由具有中空结构的弹性材料制成。中空结构可以起到进一步缓冲压力的作用并且可以减轻重量。弹性材料例如可以为涤纶、尼龙、天然棉麻、芳纶、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等。
在支撑导流线缆的材料为耐电解液腐蚀的金属的情况下,位于正极片与隔离层之间的支撑导流线缆可以通过一个或多个电子导电的金属线或金属板相互连接并从电池引出从而形成正极极耳;并且位于负极片与隔离层之间的支撑导流线缆可以通过一个或多个电子导电的金属线或金属板相互连接并从电池引出从而形成负极极耳。另外,正极片和负极片还可以具有从多孔正极集流层、多孔负极集流层或含锂金属体引出的极耳。
在正极片与负极片之间仅设有较薄隔离层的情况下,电解液难以流入正极片与负极片之间,因此将影响到电极片的充分浸润。利用支撑导流线缆可以在正极片与负极片之间形成一定空间,该空间便于电解液的流入,并且将支撑导流线缆的布设方向设置成竖直方向或与竖直方向倾斜小于90度角的方向可以对电解液起到向下导流的作用,这里的竖直方向是针对电池正常使用时而言。此外,支撑导流线缆还可以对正极片和负极片提供支撑。电极片在内部浆料压力的作用下可能会产生轻微变形,并进而对与之接触的隔膜产生压力。通过在电极片的表面铺设支撑导流线缆,可以通过线缆的约束力减轻电极片的变形和对隔离层产生的压力,进而避免了隔离层破损或短路问题的产生,提高了锂浆料电池的安全性。另外,锂浆料电池可以通过更换或补充电解液来改善电池循环性能以及延长电池寿命,通过支撑导流线缆在正极片与负极片之间所形成的空间可以提高电解液补充或更换的可操作性并提高工作效率。
本发明还提供了一种锂浆料电池,该锂浆料电池包括:上述的锂浆料电池电芯、电池壳体、正极端子、负极端子以及注液口,其中,锂浆料电池电芯设置于电池壳体中,锂浆料电池电芯的正极极耳电连接于正极端子,锂浆料电池电芯的负极极耳电连接于负极端子,正极端子和负极端子从电池壳体伸出并且与电池壳体之间流体密封,通过注液口向电池壳体中注入电解液使得电解液沿锂浆料电池电芯的支撑导流线缆进入锂浆料电池电芯并将锂浆料电池电芯的正极片和负极片充分浸润。由此,可以有利于实现锂浆料电池的注液、补液和换液。
本发明的优势在于:
1)位于正极片与负极片之间的支撑导流线缆能够为电解液起到导流的作用,提高电解液的流动速度,同时能够为电解液的流动提供空间,提高正极片和负极片浸润的均匀性。
2)支撑导流线缆可以对正极片和负极片形成支撑,减轻正极片和负极片的变形及对隔离层的压力,避免对隔离层造成硬性压力损伤。当支撑导流线缆为电子导电体时,同时可起到集流作用。
3)支撑导流线缆形成的流道结构提高了锂浆料电池进行注液、补液和换液的可操作性。
附图说明
图1为根据本发明的锂浆料电池的截面示意图;
图2为根据本发明的锂浆料电池电芯的示意图;
图3为根据本发明的锂浆料电池电极片的示意图;
图4为根据本发明的支撑框的示意图。
附图标记列表
1—锂浆料电池电芯
101—正极片
102—负极片
103—隔离层
103a—第一正极隔离层
103b—第二正极隔离层
103c—第一负极隔离层
103d—第二负极隔离层
104—支撑导流线缆
105—绝缘密封框
2—电池壳体
3—正极端子
4—负极端子
5—注液口
6—支撑框
601—边条
602—通孔
603—通道
具体实施方式
下面将结合附图,通过实施例对本发明做进一步说明。
图1为根据本发明的锂浆料电池的截面示意图。锂浆料电池包括锂浆料电池电芯1、电池壳体2、正极端子3、负极端子4以及注液口5。锂浆料电池电芯1包括正极片101、负极片102、隔离层103和支撑导流线缆104,其中正极片101与负极片102交叉叠置,隔离层103以紧贴正极片101的方式设置在正极片101与负极片102之间,支撑导流线缆104设置在隔离层103与负极片102之间从而在正极片101与负极片102之间间隔出大于零的距离d并因此形成可供电解液流入的空间。在锂浆料电池注液、补液及换液的过程中,通过注液口5对电池壳体2内注入电解液,正极片101与负极片102之间的空间和支撑导流线缆104为电解液提供了流动通道,电解液沿着支撑导流线缆104进入位于正极片101与负极片102之间的流动通道中并对正极片和负极片进行充分浸润,支撑导流线缆对电解液起到导流的作用并且对正极片和负极片起到支撑的作用。
图2为根据本发明的锂浆料电池电芯的示意图。在图2中示出的锂浆料电池电芯中,在正极片两侧设有第一正极隔离层103a和第二正极隔离层103b,并且在负极片两侧设有第一负极隔离层103c和第二负极隔离层103d,也就是说,在正极片与负极片之间设有两层隔离层。多条支撑导流线缆104沿着第一正极隔离层103a的不与正极片101接触的一面平行铺设(沿竖直方向Y),然后在正极片101的边缘处弯折,之后在正极片的第二正极隔离层103b与负极片的第一负极隔离层103c之间平行铺设(沿竖直方向Y),接下来在负极片102的边缘处弯折,直至沿锂浆料电池电芯中的各个正极片和负极片均进行缠绕。其中,支撑导流线缆的材料为尼龙纤维长丝的合捻物,支撑导流线缆在与其两侧的隔离层压力接触时会产生一定的表面弹性变形,因此不会因与隔离层的硬性接触而导致隔离层的损伤。
图3为根据本发明的锂浆料电池电极片的示意图。图中示出了锂浆料电池的正极片,正极片在其四周边缘设有绝缘密封框105。支撑导流线缆104的一端粘接固定于绝缘密封框的顶边的一端,然后将支撑导流线缆104在与正极片竖直方向Y倾斜一锐角θ的方向上进行连续螺旋缠绕,在对整个正极片进行缠绕后将支撑导流线缆104的另一端作为正极极耳引出。其中支撑导流线缆的材料为铝。
图4为根据本发明的支撑框的示意图。支撑框6具有四个边条601,在上边条和下边条的侧面设有多个通孔602。支撑导流线缆104在上、下两个边条601的通孔602中来回穿插,从而在支撑框内部形成跨接边条的多条平行线缆(沿竖直方向Y)。在支撑框的上、下边条601上分别设有相互交错开的多个通道603,通道603可以便于电解液流入支撑框内。支撑导流线缆为中空结构,其材料为聚乙烯。
本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。