一種改進(jìn)的動(dòng)力電池的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】一種改進(jìn)的動(dòng)力電池的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的動(dòng)力電池內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)。通過擴(kuò)大極耳與金屬集電極的電連接長(zhǎng)度，并同時(shí)配合調(diào)整極耳的引出方向，配置高度方向變化的金屬集電極的電阻率，來實(shí)現(xiàn)更有效內(nèi)部均衡，更長(zhǎng)循環(huán)壽命的動(dòng)力電池。屬于電子工程、電力電子、能源應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]普通電池的放電倍率較小，主要表現(xiàn)為電池內(nèi)阻過大，因此人們研發(fā)了適應(yīng)大倍率放電的動(dòng)力電池，除了正、負(fù)電極材料的調(diào)整改進(jìn)之外，電池內(nèi)部電流通路的阻抗特性改善是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。
[0004]現(xiàn)有動(dòng)力電池的確減小了電池內(nèi)阻，允許更大倍率的充、放電，但是電池內(nèi)部各個(gè)放電單元的均衡一致性還是比較差，導(dǎo)致發(fā)熱隨機(jī)性集中，電池壽命顯著下降，尤其是大電流負(fù)載和并聯(lián)條件下，壽命嚴(yán)重降低，對(duì)于電動(dòng)汽車一類需要配置昂貴電池組的應(yīng)用來說，經(jīng)濟(jì)性較差。
[0005]為了在保持動(dòng)力電池基本特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提聞電池循環(huán)壽命，提聞內(nèi)部均衡水平十分重要，主要體現(xiàn)在電極材料的特性均衡，和不同位置的電阻率均衡上，前者是工藝水平?jīng)Q定的，而后者是設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定的。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高各部分等效內(nèi)阻的一致性，才有可能有效延長(zhǎng)電池壽命。
[0006]傳統(tǒng)電池為了實(shí)現(xiàn)電連接，往往采用超聲焊、點(diǎn)焊的方式，焊接部位是接觸面的一部分，不可能全面積焊接，而沒有焊接的部分可能是低阻抗導(dǎo)通的，也可能是較大阻抗導(dǎo)通的，整個(gè)接觸面的電阻值沒有得到很好的控制，也是造成內(nèi)阻一致性降低的原因之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—種改進(jìn)的動(dòng)力電池的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，其特征是沿內(nèi)部電極材料卷繞或?qū)盈B展開之后的長(zhǎng)度方向，各個(gè)極耳與金屬集電極實(shí)現(xiàn)有效電連接的長(zhǎng)度總和，與整個(gè)展開長(zhǎng)度的比例不小于60%，其中所謂的有效電連接是指兩者實(shí)際連接面的電阻不大于完全理想焊接阻抗的150%，正、負(fù)極極耳分別從電池上、下兩側(cè)引出，也就是卷繞軸線或?qū)盈B軸線的上、下方向分別引出，而不是在同一側(cè)引出，并且金屬集電極在該軸線方向中部位置的電阻率與在上、下兩端的電阻率是不同的，差異至少在±5%以上。
[0008]每一個(gè)電池包含的極耳可能是連續(xù)的一長(zhǎng)片，也可能是多段尺寸近似相等的極耳，如果是多段極耳，則任意一個(gè)極耳與金屬集電極在展開長(zhǎng)度方向有效電連接的長(zhǎng)度，與各個(gè)極耳平均的電連接長(zhǎng)度的誤差比例不大于±10%，極耳之間間隔距離與平均間隔距離的偏差不大于±10%。
[0009]在電池高度方向，也就是電芯卷繞軸線或?qū)盈B軸線的方向，處于某些不同位置的正、負(fù)極金屬集電極的電阻率，可能配置為不同的，具體實(shí)現(xiàn)方式包括但不僅限于厚度變化，寬度變化，材質(zhì)摻雜或熱處理導(dǎo)致的電阻率改變等，其中一種最常見的實(shí)例是金屬集電極上、下兩端附近的電阻率被配置為略大于中部附近的電阻率。
[0010]極耳在電池高度方向，也就是電芯卷繞軸線或?qū)盈B軸線的方向，各不同位置的電阻率可能配置為不同的，具體實(shí)現(xiàn)方式包括但不僅限于厚度變化，寬度變化，材質(zhì)摻雜或熱處理導(dǎo)致的電阻率改變等。
[0011]—種實(shí)例是極耳與金屬箔集電極之間、或引出的各個(gè)極耳之間，以及極耳與保護(hù)板導(dǎo)線延伸出來的金屬片之間，需要實(shí)現(xiàn)電連接面積的某一部分涂覆或印刷較低電阻率的導(dǎo)電材料，然后相互貼合并夾緊，其中關(guān)鍵是導(dǎo)電材料涂覆之后的寬度應(yīng)當(dāng)與極耳的寬度基本一致，比例不小于80%，高度方向的位置誤差不大于5%，且除去導(dǎo)電材料涂覆位置之外的其它可能形成接觸的部位要進(jìn)行絕緣隔離處理。
[0012]一種可能采用的導(dǎo)電材料的實(shí)例是石墨烯或碳基的納米碳涂料。
[0013]根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，一種實(shí)例是極耳也可能由高度方向預(yù)留延伸出來的，沒有涂覆正、負(fù)電極材料的，做好層間相互絕緣隔離處理的金屬箔集電極的一部分來充當(dāng)，而不必專門配置單獨(dú)的極耳。
[0014]方法所依據(jù)的原理
影響電池使用壽命的主要因素是電流大小，其實(shí)就是化學(xué)反應(yīng)期間的溫度高低，溫度越高，化學(xué)反應(yīng)越劇烈，而化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)總是伴隨著一定程度的性能衰減，所以如何控制溫度是最根本的問題。
[0015]電池使用過程中總會(huì)面臨化學(xué)反應(yīng)，而動(dòng)力電池則需要更大功率的反應(yīng)，所以性能的衰減是不可避免的，我們需要做的是減緩衰減速度，而減緩的核心是把電池總功率平均分散到內(nèi)部各個(gè)部位，從而把溫升也平均分布到各個(gè)部位，避免集中于某些部分。能否實(shí)現(xiàn)有效的、盡可能平均的分散，就是延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵因素。
[0016]為了實(shí)現(xiàn)分散，就要求實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)各部分的等效回路阻抗相同，微小的阻抗差異，都會(huì)因?yàn)閮?nèi)部各部分之間的等效并聯(lián)關(guān)系被放大，導(dǎo)致很大的輸出功率差異，因此我們必須從結(jié)構(gòu)上改良，盡可能讓電池內(nèi)部各個(gè)部分感受到相同的回路阻抗，也就是具備近似相同的內(nèi)阻。
[0017]改善卷繞或?qū)盈B展開的長(zhǎng)度方向的阻抗一致性
電池內(nèi)部，卷繞或?qū)盈B的電極材料，其實(shí)可以看做多段電極材料的并聯(lián)，等效為多個(gè)小電池的并聯(lián)。傳統(tǒng)電池中，極耳在展開長(zhǎng)度方向往往只有很短一段才與集電極連接，當(dāng)電流被金屬箔集電極收集起來之后，不同位置的電流需要經(jīng)過不同長(zhǎng)度的集電極路徑才能到達(dá)極耳輸出，因此所經(jīng)歷的電阻值大小是不等的。極耳附近電極所面臨的阻抗小，遠(yuǎn)離極耳的電極所面臨的阻抗大，不同位置的電池內(nèi)部單元輸出到極耳的電壓、電流都不同，一致性不高，參見圖1。
[0018]為了解決長(zhǎng)度方向的一致性問題，我們必須把原本較窄的極耳變?yōu)楹軐挼臉O耳，并保證它與展開的集電極在長(zhǎng)度方向大比例的電連接，盡可能確保電池各部分輸出的電流可以直接從高度方向輸出到極耳，而不必經(jīng)歷不同的長(zhǎng)度路徑，不同的電阻路徑，參見圖2。
[0019]改善高度方向的阻抗一致性
首先考慮正、負(fù)極耳的引出方向。流經(jīng)高度方向不同位置電極材料的電流，其路徑也是有差別的，如果像普通層疊動(dòng)力電池那樣在同一側(cè)引出，則可以想象，電流總是試圖走最短的路徑，