[发明专利]双极性电池和双极性储能装置

说明书

技术领域

本发明涉及电池制造领域，具体的是一种双极性电池和双极性储能装置。 

背景技术

锂离子电池具有单体电池工作电压高、比能量高、自放电小、工作温度范围宽广、环境污染小等优势，已经在通讯、便携式电器等方面获得了广泛应用，并且也被普遍认为是电动车动力的理想电源之一。然而，传统结构的动力型锂离子电池也有其缺点：不能进行大功率充放电，否则会很容易发生热失控而引起燃烧或爆炸等安全性问题，且单体电池容量越大，安全风险越高，因此，传统结构的动力型锂离子电池容量和功率都不宜设计太大；同时，为了满足电动车等场合对动力电源容量和工作电压的应用需求，需要将几十个甚至几百个单体电池进行串并联组合形成大容量、高电压的蓄电池组或模块，但由于各单体电池间的一致性差异及电池筛选方法的限制，造成电池组合后整体性能表现远不如单体电池，表现为电池组的可用容量和功率均大幅下降、循环寿命也缩短、安全风险增加等问题，而单体电池数量众多的电池组也对电池组管理系统BMS提出了更高要求；上述缺点成为制约其在动力领域得到广泛应用的主要因素。引起锂离子电池上述问题的主要原因是由于电池的发热和电池内部化学反应的不均匀性造成的。现有的锂离子电池由于采用有机电解液，其内阻比水溶液体系的电池大很多；而且其结构仍采取传统的极板提供或接收电子、极耳集流导流的结构形式（如同铅酸蓄电池等），这样，在电池内部不同的极板之间以及同一片极板的不同部位之间其电流密度和散热环境都不一样，活性物质的反应程度和老化程度也不一样，因而很容易出现电池内部反应的不均匀性问题；并且由于极耳是电池与外界进行能量传递的主要载体，大电流充放电过程中，很容易出现过热，而使电池的整体温度偏高，导致其大电流充放电性能和循环性能变差，也容易出现热失控。如果电池容量很小（如手机电池），电池进行充放电反应时电流密度也很小，那么电池内部的这种差异还不足以在短时间内造成后果，但电池的寿命无疑是缩短了。在电池容量增大的时候，由于我们在设计电 池的时候，习惯上都按容量的倍率设计工作电流，这样电池的发热量就与容量的平方成正比，而且电池内部的不均匀性和散热环境都迅速恶化，所以当电池大到一定的容量之后，电池的可靠性就会迅速降低，甚至出现灾难性的后果。虽然可以通过优化极耳结构设计，采用导电导热性能更好的极耳材质可以在一定程度上提高电池的充放电倍率性能，并改善其散热速率，但仍不能从根本上解决电池内部反应不均一和散热不均匀的问题。 

如果改变电池的结构，即由极耳导流方式改为双极性结构，情况就完全不一样。首先，电子的导电路径几十倍甚至几百倍地缩短，导电面积几十倍甚至几百倍地增加，从而使电池的欧姆热降到可以忽略不计，而且电池内部每一部分的散热环境可以做到基本一致；其次，电池每一片极板、每一片极板的每一个部位，电流密度都是相等的，而且电流密度还会非常小，这样电池内部就会不存在活性物质反应程度和老化程度不同的均衡性问题；另外，对于容量、功率要求大的电池，例如电动车电池，双极性电池有独特的优势，因为双极性这种结构适合电池的小容量高电压。对于一定功率要求的电池组来说，电压越高，意味着电流或电流密度越小，而且有利于配套的电机、电器和控制系统（它们一般是按120V或220V设计的，如果电池组电压太低，还要考虑设计电流变换装置和升压装置，而且无论如何，大电流都不利于电池容量的发挥和电池寿命）。由于电流密度进一步减小，双极性的大功率锂离子电池组仍然可以比手机电池比能更高、寿命更长、更安全可靠。对于双极性电池的结构，铅酸蓄电池研究较多，但铅酸蓄电池一时找不到合适的双极板而难以应用。对于锂离子电池，双极板的基板材料当然不成问题，但锂离子电池极板和活性物质的厚度都非常小，只有100μm左右，如果按传统的双极性铅酸蓄电池的结构，在如此小的尺寸内安排注液口几乎是做不到的，即使做了注液口由于有机电解液的黏度大也不可能完成电解液的注入，因此必须改变双极性电池的结构形式。 

同样，超级电容器和镍氢电池等也均是应用非常广泛的储能组件，但由于目前单体组件的工作电压都比较低，也需要靠多只串联组合提供高电压，组合匹配直接影响到成组后的性能和寿命，这就需要非常复杂的电路来保证每只单体电容的均压问题，因而成本也较高。如果设计成双极性结构，具有结构紧凑、内阻低、电流分布均匀、比能量高、比功率高等优点，不仅能够优化储能组件的串并联连接，省略极耳焊接工序，减少连接导线，还可大幅度降低组件的内 阻，极大地提高其功率输出能力更适于电动车动力电源的使用。但双极性结构同样面临与锂离子电池相同的问题，即在箔带型电极结构中很难设计合适的注液口。 

发明内容