一種注液量可控的高電壓動力電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種注液量可控的內(nèi)部層疊式高電壓動力電池及其制備方法，通過在電芯表面施加壓力，根據(jù)環(huán)形密封圈與雙極性電極片的厚度差控制隔離層壓縮后的厚度，使得隔離層內(nèi)的電解液擠壓出進(jìn)入電極涂層，一方面可以方便有效地控制隔離層汲取的電解液量，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部各電池單元之間的注液量均勻性和一致性；另一方面從隔離層擠壓出來的電解液可以均勻地浸入到正、負(fù)極涂層的微孔里，具有彈性特性的隔離層通過電池外部提供的持久應(yīng)壓力與相鄰正、負(fù)極涂層緊密接觸，能夠有效提高電池內(nèi)各電池單元之間力學(xué)上的一致性；本發(fā)明提供了一種高電壓動力電池制作方法，操作方式簡單有效，制作效率高。
【專利說明】
一種注液量可控的高電壓動力電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及動力電池及其應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種可為純電動汽車、混合動力汽 車、電動摩托車等提供能量的高電壓動力鋰離子電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，為了能夠獲得高能量密度和高輸出功率密度的高電壓電池，通常將多個(gè)工 作電壓在2. 0~4. 5V之間的單體電池在外部進(jìn)行串聯(lián)連接。然而，這種外部串聯(lián)方式對于 單體電池的一致性要求很高，而且外部的電器連接會增大整個(gè)電池組的電阻、質(zhì)量和體積， 降低電池組的能量密度和功率密度，增大制作成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。
[0003] 為解決該問題，中國專利201310512781. 8公布了一種內(nèi)部串聯(lián)高電壓動力電池， 該動力電池電芯由若干個(gè)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，這種高電壓動力電池具有較小的組件電阻以及質(zhì)量和體積，可以 提高電池的安全性、一致性和功率密度，降低電池制造成本，是電動汽車動力電池的重要發(fā) 展方向。
[0004] 然而，在電池制備過程中，電解液的注液方式以及如何控制注液的均勻和一致性 是需要解決的著重問題。通常使用的單極性鋰電池，在加工制作過程中，電解液在電池各部 件組裝完成后統(tǒng)一注液。由于高電壓動力電池采用內(nèi)部串聯(lián)電池單元的方式，必須保證各 個(gè)串聯(lián)電池單元之間的電解液互不連通，因此，這種統(tǒng)一注液的方式不適用于制作高電壓 動力電池。
[0005] 目前的高電壓電池采用的注液方式是在組裝電池同時(shí)進(jìn)行注液，即每疊加一個(gè)電 池單元均需在正負(fù)極片表面灌注電解液，然后完成電池組的密封。這種方式存在的問題是， 一方面，注液效率低，電池單元封裝時(shí)電解液容易從電池單元的側(cè)邊泄露；另一方面，很難 控制每個(gè)電池單元內(nèi)注液量的一致性和電解液分布的均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決內(nèi)部串聯(lián)層疊式高電壓動力電池存在的上述注液問題，本發(fā)明的一個(gè)目 的在于提供一種可以有效控制電解液注液量、保證每個(gè)電池單元的注液量均勻一致，并且 操作方便的內(nèi)部串聯(lián)層疊式高電壓動力電池；本發(fā)明另一個(gè)目的在于提供一種內(nèi)部串聯(lián)層 疊式高電壓動力電池的制備方法。
[0007] 本發(fā)明提供技術(shù)方案如下：
[0008] -種注液量可控的高電壓電池，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1~ 8cm ;所述高電壓電池包括隔離層、雙極性電極片、環(huán)形密封圈、電池殼，以及填充于隔離層 孔隙與雙極性電極片孔隙的電解液，其中環(huán)形密封圈位于呈圓形的雙極性電極片的邊緣， 所述雙極性電極片包括呈圓形的雙極性集流體和分別涂覆在雙極性集流體兩側(cè)面的正極 涂層和負(fù)極涂層，正極涂層和負(fù)極涂層統(tǒng)稱為電極涂層，電極涂層呈圓形；若干個(gè)設(shè)有環(huán)形 密封圈的雙極性電極片按照不同極性涂層相對放置的順序上下串聯(lián)層疊，且每相鄰兩個(gè)雙 極性電極片之間設(shè)有隔離層，兩相鄰的雙極性電極片和它們之間的隔離層共同構(gòu)成一個(gè)電 池單元，這樣若干個(gè)電池單元上下疊加構(gòu)成電芯；電池殼置于電芯外部；所述隔離層直徑 大于所述電極涂層直徑，隔離層為具有微孔結(jié)構(gòu)和壓縮彈性的圓形片狀的多孔材料，內(nèi)部 浸有電解液；當(dāng)電池組裝時(shí)，在上述電芯的上下表面施加壓力0. 5~8MPa ;其特征在于：
[0009] 所述環(huán)形密封圈的厚度112大于雙極性電極片的厚度h 1;在上述電芯施加壓力之前 所述隔離層的厚度大于環(huán)形密封圈和雙極性電極片的厚度差Oi2-Ii 1)，施加壓力后隔離層受 到壓縮，其壓縮后的厚度等于環(huán)形密封圈和雙極性電極片的厚度差Oi2-I ll);電極涂層孔隙 內(nèi)的電解液由隔離層受壓時(shí)提供，壓縮時(shí)隔離層孔隙內(nèi)擠出的電解液的體積為電極涂層孔 隙吸收電解液體積的I. 0~1. 05倍。
[0010] 本發(fā)明中，所述環(huán)形密封圈的厚度（h2)高于雙極性電極片的厚度Oi1),通過在電 芯表面施加壓力，根據(jù)環(huán)形密封圈與雙極性電極片的厚度差Oi 2-Ill)控制隔離層壓縮后的 厚度，一方面可以方便有效地控制隔離層汲取的電解液量，實(shí)現(xiàn)高電壓電池內(nèi)部串聯(lián)的各 電池單元之間的注液量均勻性和一致性；另一方面從隔離層擠壓出來的電解液可以均勻地 浸入到正、負(fù)極涂層的孔隙里，并且，具有彈性特性的隔離層通過電池外部提供的持久應(yīng)壓 力與相鄰正、負(fù)極涂層緊密彈性接觸，在電池受外力破壞時(shí)，能夠有效提高電池內(nèi)各電池單 元之間力學(xué)上的一致性。
[0011] 由于電極涂層的厚度非常薄，電池組裝壓縮過程中，為了避免邊緣處正極涂層與 負(fù)極涂層接觸發(fā)生電池短路，優(yōu)選的，所述隔離層的直徑大于電極涂層的直徑。
[0012] 所述環(huán)形密封圈的厚度112為35~1250 μ m，高于雙極性電極片的厚度h i，厚度差 h2-h^ 10 ~100 μL?ο
[0013] 所述隔離層是可吸收電解液的彈性多孔材料；所述隔離層可以是聚乙烯、聚丙烯、 交聯(lián)聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、丁腈、丁苯、三元乙丙、氯丁二烯、丙烯腈/ 丁二烯/苯 乙烯共聚物、聚乙烯醇縮甲醛、三聚氰胺、酚醛樹脂、耐熱聚苯乙烯、改性聚氨酯、乙烯-醋 酸乙烯共聚物等耐電解液聚合物開孔泡沫材料中的一種或幾種；或者所述隔離層也可以是 目前已有的具有孔隙結(jié)構(gòu)和壓縮彈性的隔離層材料，如CN 102683628Α，CN 103035864Α， CN102751459A以及CN102464803A中所述的壓縮彈性多孔隔離層；
[0014] 或者，所述隔離層也可以是上述彈性多孔吸液材料浸漬聚合物凝膠后干燥而成， 所述聚合物凝膠是通過將聚偏氟乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯中的一 種或幾種溶解在丙酮、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二甲酯等良溶劑中形成。
[0015] 所述隔離層壓縮前厚度為30~5000 μ m，直徑為6~142cm，優(yōu)選為8~46cm，孔 隙率為50~99%，孔徑范圍0. 5~100 μ m，由于鋰離子傳輸內(nèi)阻與隔離層厚度及孔隙率相 關(guān)，隔離層壓縮后的厚度要選擇鋰離子傳輸內(nèi)阻小且又可保持隔離層壓縮性的平衡點(diǎn)，隔 離層壓縮后的厚度與環(huán)形密封圈和雙極性電極片的厚度差I(lǐng)i 2-Ill相等。
[0016] 所述雙極性集流體材料是電子導(dǎo)電良好，且不會漏液的材料，可以是聚合物基或 金屬基復(fù)合導(dǎo)電薄膜，優(yōu)選為中國專利CN 103219521 A或中國專利201310486469. 6描述 的雙極性集流體，厚度為5~150 μ m，直徑為7~145cm，優(yōu)選為9~47cm。雙極性集流體 涂覆正極涂層的一面必須耐氧化，而涂覆負(fù)極涂層的一面必須耐還原。
[0017] 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、鉬硫化合物、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。
[0018] 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（Li 4Ti5O12)、鋰硅氧化物、金屬鋰和 石墨中的一種或多種。
[0019] 所述正極涂層和負(fù)極涂層通過涂覆、噴涂、絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移涂布、噴墨打印等方式 復(fù)合到雙極性集流體的兩面；所述正極涂層厚度為10~1000 μ m，優(yōu)選為50~600 μ m，直 徑為6. 5~140cm，優(yōu)選為7. 5~45cm，正極涂層為多孔涂層，孔隙率為25 %~45%，所述 負(fù)極涂層為多孔涂層，孔隙率為20%~40%，其厚度根據(jù)選用正負(fù)極活性材料的克容量和 正極涂層的厚度，以保證負(fù)極容量過量10%~20%計(jì)算得到，負(fù)極涂層厚度一般為10~ 1200 μ m，優(yōu)選為80~800 μ m，直徑為6. 5~140cm，優(yōu)選為7. 5~45cm。
[0020] 進(jìn)一步的，為了更好地保證電池的安全性，防止內(nèi)部短路，所述正極涂層和負(fù)極涂 層的表面可以包含通過涂覆、噴涂、濺射、絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移涂布、噴墨打印等方法復(fù)合到表面 的多孔絕緣有機(jī)高分子聚合物涂層或者多孔絕緣無機(jī)涂層；所述多孔絕緣有機(jī)高分子聚合 物可以是聚偏氟乙烯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯類中的一種或幾種， 所述多孔絕緣無機(jī)涂層可以是三氧化二鋁、氧化鋯、二氧化硅、二氧化鈦中的一種或幾種與 聚偏氟乙烯、丁苯橡膠等有機(jī)粘合劑混合物；所述多孔絕緣有機(jī)高分子聚合物層或者多孔 絕緣無機(jī)涂層的厚度為2~15 μ m。
[0021] 所述環(huán)形密封圈是絕緣、耐電解液腐蝕、電化學(xué)穩(wěn)定的有機(jī)絕緣材料，在壓力下的 變形率不超過2 %，以起到對隔離層的支撐作用，所述有機(jī)絕緣材料為聚氯乙烯、聚乙烯、聚 丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸酯類、聚酰胺、聚酰亞胺、聚芳醚、聚砜、聚醚腈、 聚丙烯酸酯類、聚偏氟乙烯、改性聚烯烴中的一種或幾種。
[0022] 本發(fā)明高電壓電池可以通過隔離層和電極涂層來控制電解液的注液量，隔離層為 可壓縮彈性材料，具有一定的孔隙率，在組裝進(jìn)電池前，可以吸收電解液；另外，本發(fā)明所用 的電極涂層也是多孔涂層，電池組裝時(shí)，通過外力擠壓壓縮隔離層，電解液從隔離層被擠壓 出進(jìn)入電極涂層的孔隙內(nèi)。因此，本發(fā)明可以根據(jù)隔離層的厚度和孔隙率以及吸液效果，和 電極涂層的孔隙率以及吸液效果，技術(shù)人員可以通過有限次的實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出隔離層的壓 縮前后的厚度關(guān)系。下面是提供一種厚度差的計(jì)算方法：
[0023] 根據(jù)噴涂在雙極性集流體兩側(cè)的正極涂層的直徑Cl1、厚度Hi1、以及孔隙率P i， 負(fù)極涂層的直徑(12、厚度m2、以及孔隙率P2，可計(jì)算出電極涂層的吸收電解液量為：
，那么，從隔離層擠壓出來的電解液為電極涂層吸收的電解 液量Q的1.0~1.05倍，使用隔離層的孔隙率為P3，直徑d3，隔離層的吸液率為q(70% <q〈100% )，電池組裝完成后，被壓縮后的隔離層厚度為Qi2-Ill)，則壓縮前隔離層的厚度h 3
其中，k壓縮時(shí)隔離層孔隙內(nèi)擠出的電解液的體積為電極涂層 孔隙吸收電解液體積Q的倍數(shù)，數(shù)值范圍為I. 〇~1. 05。
[0024] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種上述高電壓電池的制備方法：
[0025] (1)制備雙極性電極片：在呈圓形的雙極性集流體的正極面和負(fù)極面分別噴涂圓 形的正極涂層和負(fù)極涂層，制得雙極性電極片，其中雙極性集流體的直徑為7~145cm，優(yōu) 選為9~47cm，正極涂層直徑為6. 5~140cm，優(yōu)選為7. 5~45cm，厚度為10~1000 μ m， 孔隙率為25 %~45%，負(fù)極涂層直徑為6· 5~140cm，優(yōu)選為7· 5~45cm，厚度為80~ 800 μ m，孔隙率為20 %~40 %;并將環(huán)形密封圈包裹在雙極性電極片的邊緣，環(huán)形密封圈的 外徑10~50cm ;
[0026] (2)組裝電芯：將隔離層浸沒在電解液中，放置10~60分鐘，使得隔離層的孔隙 內(nèi)70%~100%浸滿電解液；電芯包括若干個(gè)包裹有環(huán)形密封圈的雙極性電極片、若干個(gè) 隔離層、一個(gè)正極性單極電極片、一個(gè)負(fù)極性單極電極片，若干個(gè)設(shè)有環(huán)形密封圈的雙極性 電極片按照不同極性涂層相對放置的順序上下串聯(lián)層疊，且每相鄰兩個(gè)雙極性電極片之間 設(shè)有浸有電解液的隔離層，組成電池單元，若干個(gè)電池單元上下層疊組成電芯；
[0027] (3)組裝電池結(jié)構(gòu)體：在上述步驟（2)制備的電芯的上表面設(shè)有正極彈性集流體 和正極片，下表面設(shè)有負(fù)極彈性集流體和負(fù)極片，按照"負(fù)極片一負(fù)極彈性集流體一電芯一 正極彈性集流體一正極片"的順序整齊排列，組裝成電池結(jié)構(gòu)體；
[0028] (4)抽真空：將步驟（3)組裝好的電池結(jié)構(gòu)體置于真空罩內(nèi)，進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空 罩內(nèi)氣壓達(dá)到100~200Pa時(shí)，停止抽真空，靜置5~30s ;
[0029] (5)施加壓應(yīng)力：在真空環(huán)境下通過高電壓電池壓片機(jī)裝置對電池兩端的正極片 和負(fù)極片緩慢施加壓應(yīng)力，施加應(yīng)壓力范圍為〇. 5~8MPa，使得壓縮后隔離層的厚度為環(huán) 形密封圈與雙極性電極片的厚度差，并保持現(xiàn)有應(yīng)壓力；在壓應(yīng)力下隔離層內(nèi)的部分電解 液被擠出進(jìn)入電極涂層的孔隙內(nèi)，其中隔離層壓縮出的電解液量為電極涂層吸收電解液量 的I. 0~1. 05倍；
[0030] (6)密封電池內(nèi)部：電池內(nèi)部密封主要包括環(huán)形密封圈之間的密封和電芯的密 封，在步驟（5)施加并保持壓應(yīng)力后的相鄰環(huán)形密封圈之間通過涂抹特氟龍密封膠，或者 通過熱封的方式進(jìn)行密封，電芯邊緣采用熱封的方式進(jìn)行密封；
[0031] (7)折邊：在步驟（6)制備的電池結(jié)構(gòu)體的正、負(fù)極片表面分別設(shè)有絕緣密封環(huán)， 將電池殼放置在電池結(jié)構(gòu)體配套位置，并對電池殼邊緣施加擠壓力進(jìn)行折邊，該擠壓力不 小于施加在電池兩側(cè)的正極片和負(fù)極片上的應(yīng)壓力，為5~50MPa，折邊區(qū)域擠壓在電池 正、負(fù)極片的絕緣密封環(huán)上，折邊完成后撤掉步驟（6)施加的應(yīng)壓力；
[0032] (8)引出電極端子：將折邊后的電池從真空罩中取出，在正、負(fù)電極片的表面，通 過焊接、粘接等方式分別固定連接柔性集流線，將電極端子引出，并在固定有柔性集流線的 正、負(fù)電極片的表面分別涂覆一層導(dǎo)電膠粘劑；
[0033] (9)絕緣密封電池殼：使用一種塑料聚合物或填充有高導(dǎo)熱無機(jī)材料顆粒的塑料 聚合物，通過熱塑成形方法包裹在電池殼表面，與柔性集流線連接的正極端子或負(fù)極端子 穿過該絕緣殼引出，絕緣殼的材料優(yōu)選為聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的一種或幾種，其 厚度優(yōu)選為1~4_，制得高電壓電池。
[0034] 上述制備方法中，隔離層為可吸收電解液的彈性多孔材料，根據(jù)雙極性電極片的 尺寸大小，電池正負(fù)極活性材料的不同以及正極涂層和負(fù)極涂層孔隙率的大小，預(yù)估每個(gè) 電池單元所需的電解液量，根據(jù)不同隔離層吸液率的不同確定所需隔離層的種類和尺寸； 隔離層厚度為30~5000 μ m、直徑6~142cm，優(yōu)選為8~46cm，孔隙率為50~99%，隔離 層直徑大于電極涂層的直徑1~2_。
[0035] 本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在：
[0036] (1)本發(fā)明通過在電芯表面施加壓力，根據(jù)環(huán)形密封圈與雙極性電極片的厚度差 控制隔離層壓縮后的厚度，一方面可以方便有效地控制隔離層汲取的電解液量，實(shí)現(xiàn)高電 壓電池內(nèi)部串聯(lián)的各電池單元之間的注液量均勻性和一致性；另一方面從隔離層擠壓出來 的電解液可以均勻地浸入到正、負(fù)極涂層的孔隙里，并且，具有彈性特性的隔離層通過電池 外部提供的持久應(yīng)壓力與相鄰正、負(fù)極涂層緊密接觸，在電池受外力破壞時(shí)，能夠有效提高 電池內(nèi)各電池單元之間力學(xué)上的一致性；
[0037] (2)本發(fā)明提供了一種內(nèi)部層疊式高電壓動力電池制作方法，實(shí)施方便有效，通過 環(huán)形密封圈與雙極性電極片的厚度差控制隔離層的壓縮后的厚度，工作方式統(tǒng)一，有效提 高電池制作效率。
【附圖說明】
[0038] 圖1為雙極性電極片結(jié)構(gòu)示意圖，其中，（a)為雙極性電極片結(jié)構(gòu)示意圖，（b)為雙 極性電極片截面結(jié)構(gòu)示意圖；101-雙極性電極片；102-雙極性集流體；103-正極涂層； 104-負(fù)極涂層；
[0039] 圖2為包裹有環(huán)形密封圈的雙極性電極片截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，201-環(huán)形密封 圈九一雙極性電極片的厚度；h 2-環(huán)形密封圈的厚度；
[0040] 圖3為電池單元截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中301-電池單元；302-隔離層；113-壓縮前 隔離層厚度；
[0041] 圖4為電池單元受應(yīng)壓力P擠壓后的截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，h2-h「隔離層壓縮后 的厚度；
[0042] 圖5為電池組裝結(jié)構(gòu)示意圖，其中，501-電芯；502-正極性單極電極片；503-負(fù) 極性單極電極片；504-正極彈性集流體；505-正極片；506-絕緣密封環(huán)；507-負(fù)極彈性 集流體；508-負(fù)極片；509-電絕緣層；510-電池殼；
[0043] 圖6為高電壓電池結(jié)構(gòu)示意圖，其中，（a)為高電壓電池截面結(jié)構(gòu)示意圖，（b)為高 電壓總體結(jié)構(gòu)示意圖；600-高電壓電池；601-正極集流線；602-正極導(dǎo)電膠；603-正極 端子；604-負(fù)極集流線；605-負(fù)極導(dǎo)電膠；606-負(fù)極端子；607-絕緣殼。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0045] 實(shí)施例一：
[0046] 本發(fā)明中高電壓動力鋰離子電池，旨在滿足各類不同電動車輛的供電需求，因此， 根據(jù)該電池應(yīng)用場合的不同，電芯電壓設(shè)計(jì)值也不同，也就是組成電芯的電池單元疊加的 數(shù)量不同。目前，小型電動車（包括電動自行車、電動摩托車以及電動觀光車等）的工作電 壓一般分別為：36V、48V、64V、74V和80V，大中型電動汽車（包括純電動乘務(wù)車、純電動卡 車、混合動力車、電動公交車等）的工作電壓范圍一般在120V~500V。
[0047] 本實(shí)施例為純電動乘務(wù)車動力電源，其工作電壓為320V，選用的電芯工作電壓平 臺為320V，電池單元疊加數(shù)量為100個(gè)。高電壓動力鋰離子電池外形呈圓餅形狀，電池直徑 40cm，電池高度5. 5cm。
[0048] 本實(shí)施例中，高電壓電池600包括隔離層302、雙極性電極片101、環(huán)形密封圈201、 以及填充于隔離層302孔隙與雙極性電極片101孔隙的電解液，其中環(huán)形密封圈201位于 呈圓形的雙極性電極片101的邊緣，所述雙極性電極片101包括呈圓形的雙極性集流體102 和分別涂覆在雙極性集流體102兩側(cè)面的正極涂層103和負(fù)極涂層104,正極涂層103和 負(fù)極涂層104統(tǒng)稱為電極涂層，電極涂層呈圓形；若干個(gè)設(shè)有環(huán)形密封圈201的雙極性電極 片101按照不同極性涂層相對放置的順序上下串聯(lián)層疊，且每相鄰兩個(gè)雙極性電極片之間 設(shè)有隔離層302,兩相鄰的雙極性電極片101和它們之間的隔離層302共同構(gòu)成一個(gè)電池單 元301，這樣若干個(gè)疊加的電池單元301構(gòu)成電芯501。其中，組成電芯501各部件的結(jié)構(gòu) 如表1所示：
[0049] 表1組成電芯501各部件結(jié)構(gòu)
[0051] 根據(jù)噴涂在雙極性集流體兩側(cè)的正極涂層103的直徑38. 6cm、厚度140 μ m、以及 孔隙率35%，負(fù)極涂層104的直徑38. 6cm、厚度120 μ m，以及孔隙率30%，可計(jì)算出電極涂 層的吸收電解液量：
那么，從隔離層302擠壓出來的電解液量需等于電極涂層吸收的電解液量Q，使用孔隙率為 50%，直徑39cm，吸液率q為90%的隔離層電池組裝完成后，被壓縮后的隔離層厚度為：
[0053] Ii2-Ii1 = 360 μ m-340 μ m = 20 μ m，
[0054] 則壓縮前隔離層302的厚度為：
[0055]
[0056] 其中k取1。
[0057] 本實(shí)施例中，環(huán)形密封圈201的厚度（h2)高于雙極性電極片101的厚度Oi 1)，通 過環(huán)形密封圈201與雙極性電極片101的厚度差Ql2-Ill)控制隔離層壓縮后的厚度，一方面 可以方便有效地控制隔離層302汲取的電解液量，實(shí)現(xiàn)高電壓電池600內(nèi)部串聯(lián)的各電池 單元301之間的注液量均勻性和一致性；另一方面從隔離層302擠壓出來的電解液可以均 勻地浸入到正、負(fù)極涂層的孔隙里。
[0058] 實(shí)施例二：
[0059] 本實(shí)施例提供一種320V高電壓電池600的制作方法：
[0060] 步驟1 :雙極性電極片101的制備：在呈圓形的雙極性集流體102的正極面和負(fù)極 面采用噴涂的方式分別涂覆圓形的正極涂層103和負(fù)極涂層104,制得雙極性電極片101， 其中雙極性集流體102選用金屬基復(fù)合導(dǎo)電薄膜，直徑為39. 4cm，厚度80 μ m，噴涂在雙極 性集流體102兩側(cè)的正極涂層103直徑為38. 6cm，厚度為140 μ m，孔隙率為35%，負(fù)極涂 層104直徑為38. 6cm，厚度為120 μ m，孔隙率為30% ;并將環(huán)形密封圈201包裹在雙極性 電極片101的邊緣，環(huán)形密封圈201與正、負(fù)極涂層接觸，環(huán)形密封圈201的內(nèi)徑38. 6cm，外 徑39. 6cm，內(nèi)徑厚度為340 μ m，外徑360 μ m，其中內(nèi)徑厚度等于雙極性集流體102、正極涂 層103和負(fù)極涂層104疊加的厚度；
[0061] 步驟2 :制備隔離層302 :隔離層302為可吸收電解液的彈性多孔材料，根據(jù)電池 正、負(fù)極活性材料的不同以及正極涂層和負(fù)極涂層孔隙率的大小，根據(jù)實(shí)施例一計(jì)算方法， 估算每個(gè)電池單元301所需的電解液量，根據(jù)不同隔離層吸液率的不同確定所需隔離層的 種類和尺寸；將厚度為37 μπκ孔隙率為50%的隔離層裁剪成直徑為39cm的圓形；將制備 好的上述隔離層302浸沒在電解液中，放置60分鐘，使得隔離層302的孔隙內(nèi)95%以上浸 有電解液；
[0062] 步驟3 :組裝電芯501 :將包裹有環(huán)形密封圈201的雙極性電極片101、隔離層302、 以及設(shè)有電絕緣層509的電池殼510進(jìn)行組裝，按照"正極單極性集流體片502 -隔離層 302 -包裹有環(huán)形密封圈201的雙極性電極片101 -隔離層302 -包裹有環(huán)形密封圈201 的雙極性電極片101 -隔離層302……包裹有環(huán)形密封圈201的雙極性電極片101 -隔離 層302 -負(fù)極性單極電極片503"方式排列，組裝成電芯其中，組成360V的電芯所需隔離層 302數(shù)量為100個(gè)，所需雙極性電極片101數(shù)量為99個(gè)，正極單極電極片502數(shù)量為1個(gè)， 負(fù)極性單極電極片503數(shù)量為1個(gè)，環(huán)形密封圈201數(shù)量為101個(gè)；
[0063] 步驟4 :組裝電池結(jié)構(gòu)體，在所述電芯的上表面設(shè)有正極彈性集流體504和正極片 505,下表面設(shè)有負(fù)極彈性集流體507和負(fù)極片508,按照："負(fù)極片508 -負(fù)極彈性集流體 507 -電芯501 -正極彈性集流體504 -正極片505"整齊排列，并放置到內(nèi)側(cè)設(shè)有電絕緣 層的電池殼中，其中，正極片505和負(fù)極片508的邊緣包裹有絕緣密封環(huán)506 ;
[0064] 步驟5 :抽真空：將步驟（5)組裝好的電池結(jié)構(gòu)體放置在真空罩中，開啟連接在真 空罩出氣孔上的抽真空閥，進(jìn)行抽真空，在真空罩內(nèi)的真空抽到150Pa時(shí)，關(guān)閉抽真空閥， 靜置20s ;
[0065] 步驟6 :施加壓應(yīng)力：通過高電壓電池壓片機(jī)裝置對正極片505和負(fù)極片508緩慢 施加壓應(yīng)力至5MPa，使得每個(gè)隔離層302的厚度為環(huán)形密封圈201與雙極性電極片101的 厚度差，保持現(xiàn)有應(yīng)壓力；
[0066] 步驟7 :電池內(nèi)部密封：電池內(nèi)部密封主要包括電池單元301之間的密封和電芯 501的密封，將相鄰環(huán)形密封圈201之間涂抹特氟龍密封膠密封，通過熱封方式密封電芯 501邊緣；
[0067] 步驟8 :折邊：將放置在電池結(jié)構(gòu)體正上側(cè)的電池殼510放置到與電池結(jié)構(gòu)體相配 的位置，對電池殼510上下兩邊進(jìn)行折邊，折邊區(qū)域擠壓在電池單元組集流體的絕緣密封 環(huán)506上，同時(shí)撤掉施加在電池兩側(cè)的正極片和負(fù)極片上應(yīng)壓力，電池殼510的上下兩邊折 邊區(qū)域產(chǎn)生的擠壓力約為lOMPa，該擠壓力大于等于施加在電池兩側(cè)的正極片505和負(fù)極 片508上的應(yīng)壓力；
[0068] 步驟9 :引出電極端子：將折邊后的電池從真空罩中取出，在電池殼的上下電極 片的表面，通過激光焊接的方式分別固定連接有柔性集流線，正極片505焊接正極集流線 601，負(fù)極片508上焊接負(fù)極集流體線604,正極集流線601上引出正極端子603,負(fù)極集流 線604上引出負(fù)極端子606,并在固定有柔性集流線的正極片505表面分別涂覆一層正極導(dǎo) 電膠602,負(fù)極片508表面分別涂覆一層負(fù)極導(dǎo)電膠605,以保證柔性集流線與電極片的電 接觸良好，集流均勻；
[0069] 步驟10 :電池殼絕緣密封：使用聚乙烯，通過熱塑成形的方法包裹在電池殼表面， 與柔性集流線連接的正極端子603或負(fù)極端子606穿過該絕緣殼607引出，絕緣殼607厚 度優(yōu)選為2mm，這樣制得高電壓電池600 〇
[0070] 其它實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
[0071] 實(shí)施例三：
[0072] 本實(shí)施例中，根據(jù)噴涂在雙極性集流體102兩側(cè)的正極涂層103的直徑Cl1、厚度 Hi1、以及孔隙率P i，負(fù)極涂層104的直徑d2、厚度m2、以及孔隙率P 2，可計(jì)算出電極涂層的 吸收電解液量為：
那么，從隔離層302擠壓出來的電解液量 大于或者等于電極涂層吸收的電解液量Q，使用隔離層的孔隙率為P 3，直徑d3，隔離層的吸 液率為q (70 % <q〈100 % )，電池組裝完成后，被壓縮后的隔離層302厚度為Oifh1)，則壓縮 前隔離層的厚度匕為：
[0073] 隔離層的吸液率q的測量方法如下：裁剪隔離層樣品，隔離層302吸液前質(zhì)量為 a，預(yù)先將隔離層樣品在電解液中浸漬60分鐘，在電解液中浸泡60分鐘后吸干表面液體后 質(zhì)量為b，隔離層壓縮前厚度為h3，貝
[0074] 表2至表6為電池各部件在各實(shí)施例中的使用的材料和尺寸結(jié)構(gòu)表。
[0075] 表2實(shí)施例中隔離層302材料及其尺寸結(jié)構(gòu)
[0076]

[0085] 其它實(shí)施方式與實(shí)施例一和實(shí)施例二相同。
[0086] 本發(fā)明具體實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離 本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出 許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方 案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均 仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種注液量可控的高電壓電池，包括隔離層、雙極性電極片、環(huán)形密封圈、電池殼以 及填充于隔離層孔隙與雙極性電極片孔隙的電解液，其中環(huán)形密封圈位于呈圓形的雙極性 電極片的邊緣，所述雙極性電極片包括呈圓形的雙極性集流體和分別涂覆在雙極性集流體 兩側(cè)面的正極涂層和負(fù)極涂層，正極涂層和負(fù)極涂層統(tǒng)稱為電極涂層，電極涂層呈圓形；若 干個(gè)設(shè)有環(huán)形密封圈的雙極性電極片按照不同極性涂層相對放置的順序上下串聯(lián)層疊，且 每相鄰兩個(gè)雙極性電極片之間設(shè)有隔離層，兩相鄰的雙極性電極片和它們之間的隔離層共 同構(gòu)成一個(gè)電池單元，這樣若干個(gè)電池單元上下疊加構(gòu)成電芯；電池殼置于電芯外部；所 述隔離層直徑大于所述電極涂層直徑，隔離層為具有孔隙結(jié)構(gòu)和壓縮彈性的圓形片狀的多 孔材料，內(nèi)部浸有電解液；當(dāng)電池組裝時(shí)，在上述電芯的上下表面施加壓力0. 5~8MPa ;其 特征在于： 所述環(huán)形密封圈的厚度匕大于雙極性電極片的厚度h1;在上述電芯施加壓力之前所述 隔離層的厚度大于環(huán)形密封圈和雙極性電極片的厚度差（hfhi)，施加壓力后隔離層受到壓 縮，其壓縮后的厚度等于環(huán)形密封圈和雙極性電極片的厚度差（hfhi);電極涂層孔隙內(nèi)的 電解液由隔離層受壓時(shí)提供，壓縮時(shí)隔離層孔隙內(nèi)擠出的電解液的體積為電極涂層孔隙吸 收電解液體積的1. 〇~1. 05倍。2. 如權(quán)利要求1所述的高電壓動力電池，其特征在于：所述高電壓動力電池外形呈圓 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1~8cm。3. 如權(quán)利要求1所述的高電壓動力電池，其特征在于：所述環(huán)形密封圈的厚度h 2為 35~1250 μ m，高于雙極性電極片的厚度h，厚度差h2_h$ 10~100 μ m。4. 如權(quán)利要求1所述的高電壓動力電池，其特征在于：所述隔離層壓縮前厚度為 30~5000 μ m，直徑為6~142cm，優(yōu)選為8~46cm，孔隙率為50~99%，孔徑范圍0· 5~ 100 μ m ； 所述隔離層是可吸收電解液的彈性多孔材料，包括聚乙烯、聚丙烯、交聯(lián)聚乙烯、聚對 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 烯醇縮甲醛、三聚氰胺、酚醛樹脂、耐熱聚苯乙稀、改性聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等耐 電解液聚合物開孔泡沫材料中的一種或幾種；或者所述隔離層也可以是目前已有的具有微 孔結(jié)構(gòu)和壓縮彈性的隔離層材料； 或者，所述隔離層為上述彈性多孔吸液材料浸漬聚合物凝膠后干燥而成，所述聚合物 凝膠是通過將聚偏氟乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯中的一種或幾種溶 解在丙酮、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二甲酯等良溶劑中形成。5. 如權(quán)利要求1所述的高電壓動力電池，其特征在于：所述雙極性集流體材料是電子 導(dǎo)電良好，且不會漏液的材料，為聚合物基或金屬基復(fù)合導(dǎo)電薄膜，厚度為5~150 μ m，直 徑為7~145cm，優(yōu)選為9~47cm ;所述正極涂層和負(fù)極涂層通過涂覆、噴涂、絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn) 移涂布、噴墨打印等方式復(fù)合到雙極性集流體的兩側(cè)，涂覆正極涂層的一面必須耐氧化，涂 覆負(fù)極涂層的一面必須耐還原。6. 如權(quán)利要求1所述的高電壓動力電池，其特征在于：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、鉬硫化合物、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；正極涂層厚度為10~1000 μm，優(yōu)選為50~600 μm，直徑 為6. 5~140cm，優(yōu)選為7. 5~45cm，正極涂層為多孔涂層，孔隙率為25 %~45%。7. 如權(quán)利要求1所述的高電壓動力電池，其特征在于：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（Li 4Ti5012)、鋰硅氧化物、金屬鋰和石墨中的一種或多種；負(fù)極涂層為多 孔涂層，孔隙率為20 %~40 %，厚度為10~1200 μ m，優(yōu)選為80~800 μ m，直徑為6. 5~ 140cm，優(yōu)選為 7. 5 ~45cm。8. 如權(quán)利要求6和權(quán)利要求7所述的正極涂層和負(fù)極涂層，其特征在于：所述正極涂 層和負(fù)極涂層的表面包含通過涂覆、噴涂、濺射、絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移涂布、噴墨打印等方法復(fù)合 到表面的多孔絕緣有機(jī)高分子聚合物涂層或者多孔絕緣無機(jī)涂層；所述多孔絕緣有機(jī)高 分子聚合物是聚偏氟乙烯及其共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯類中的一種或幾 種，所述多孔絕緣無機(jī)涂層是三氧化二鋁、氧化鋯、二氧化硅、二氧化鈦中的一種或幾種與 聚偏氟乙烯、丁苯橡膠等有機(jī)粘合劑混合物；所述多孔絕緣有機(jī)高分子聚合物層或者多孔 絕緣無機(jī)涂層的厚度為2~15 μ m。9. 如權(quán)利要求1所述的高電壓動力電池，其特征在于：所述環(huán)形密封圈為絕緣、耐電解 液腐蝕、電化學(xué)穩(wěn)定的有機(jī)絕緣材料，在壓力下的變形率不超過2%，以起到對隔離層的支 撐作用，所述有機(jī)絕緣材料包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚對苯 二甲酸酯類、聚酰胺、聚酰亞胺、聚芳醚、聚砜、聚醚腈、聚丙烯酸酯類、聚偏氟乙烯、改性聚 烯烴中的一種或幾種。10. -種如權(quán)利要求1-9所述的高電壓電池的制備方法，包括以下步驟： (1) 制備雙極性電極片：在呈圓形的雙極性集流體的正極面和負(fù)極面分別噴涂圓形的 正極涂層和負(fù)極涂層，制得雙極性電極片，其中雙極性集流體的直徑為7~145cm，優(yōu)選為 9~47cm，正極涂層直徑為6. 5~140cm，優(yōu)選為7. 5~45cm，厚度為10~1000 μ m，孔隙率 為25 %~45 %，負(fù)極涂層直徑為6. 5~140cm，優(yōu)選為7. 5~45cm，厚度為80~800 μ m，孔 隙率為20%~40%;并將環(huán)形密封圈包裹在雙極性電極片的邊緣，環(huán)形密封圈的外徑10~ 50cm ； (2) 組裝電芯：將隔離層浸沒在電解液中，放置10~60分鐘，使得隔離層的孔隙內(nèi) 70 %~100 %浸滿電解液；電芯包括若干個(gè)包裹有環(huán)形密封圈的雙極性電極片、若干個(gè)隔 離層、一個(gè)正極性單極電極片、一個(gè)負(fù)極性單極電極片，若干個(gè)設(shè)有環(huán)形密封圈的雙極性電 極片按照不同極性涂層相對放置的順序上下串聯(lián)層疊，且每相鄰兩個(gè)雙極性電極片之間設(shè) 有浸有電解液的隔離層，組成電池單元，若干個(gè)電池單元上下層疊組成電芯； (3) 組裝電池結(jié)構(gòu)體：在上述步驟（2)制備的電芯的上表面設(shè)有正極彈性集流體和正 極片，下表面設(shè)有負(fù)極彈性集流體和負(fù)極片，按照"負(fù)極片一負(fù)極彈性集流體一電芯一正極 彈性集流體一正極片"的順序整齊排列，組裝成電池結(jié)構(gòu)體； (4) 抽真空：將步驟（3)組裝好的電池結(jié)構(gòu)體置于真空罩內(nèi)，進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空罩內(nèi) 氣壓達(dá)到100~200Pa時(shí)，停止抽真空，靜置5~30s ; (5) 施加壓應(yīng)力：在真空環(huán)境下通過高電壓電池壓片機(jī)裝置對電池兩端的正極片和負(fù) 極片緩慢施加壓應(yīng)力，施加應(yīng)壓力范圍為〇. 5~8MPa，使得壓縮后隔離層的厚度為環(huán)形密 封圈與雙極性電極片的厚度差，并保持現(xiàn)有應(yīng)壓力；在壓應(yīng)力下隔離層內(nèi)的部分電解液被 擠出進(jìn)入電極涂層的孔隙內(nèi)，其中隔離層壓縮出的電解液量為電極涂層吸收電解液量的 1. 0 ~1. 05 倍； (6) 密封電池內(nèi)部：電池內(nèi)部密封主要包括環(huán)形密封圈之間的密封和電芯的密封，在 步驟（5)施加并保持壓應(yīng)力后的相鄰環(huán)形密封圈之間通過涂抹特氟龍密封膠，或者通過熱 封的方式進(jìn)行密封，電芯邊緣采用熱封的方式進(jìn)行密封； (7) 折邊：在步驟（6)制備的電池結(jié)構(gòu)體的正、負(fù)極片表面分別設(shè)有絕緣密封環(huán)，將電 池殼放置在電池結(jié)構(gòu)體配套位置，并對電池殼邊緣施加擠壓力進(jìn)行折邊，該擠壓力不小于 施加在電池兩側(cè)的正極片和負(fù)極片上的應(yīng)壓力，為5~50MPa，折邊區(qū)域擠壓在電池正、負(fù) 極片的絕緣密封環(huán)上，折邊完成后撤掉步驟（6)施加的應(yīng)壓力； (8) 引出電極端子：將折邊后的電池從真空罩中取出，在正、負(fù)電極片的表面，通過焊 接、粘接等方式分別固定連接柔性集流線，將電極端子引出，并在固定有柔性集流線的正、 負(fù)電極片的表面分別涂覆一層導(dǎo)電膠粘劑； (9) 絕緣密封電池殼：使用一種塑料聚合物或填充有高導(dǎo)熱無機(jī)材料顆粒的塑料聚合 物，通過熱塑成形方法包裹在電池殼表面，與柔性集流線連接的正極端子或負(fù)極端子穿過 該絕緣殼引出，絕緣殼的材料優(yōu)選為聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的一種或幾種，其厚度 優(yōu)選為1~4_，制得高電壓電池。
【文檔編號】H01M10/0525GK106033823SQ201510105352
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月11日
【發(fā)明人】陳永翀, 張曉虎, 何穎源, 張艷萍, 張萍
【申請人】北京好風(fēng)光儲能技術(shù)有限公司