高压能量模块及其制备方法与流程

1.本发明属于锂离子电池制备技术领域，涉及锂离子电池结构及辅助材料体系，具体地说是一种高压能量模块及其制备方法。


背景技术：

2.目前国内外锂离子电池均采用将裸体电芯注液封装单体化成制备成低电压容量单元——单体电芯，再将单体电芯分容、分组后串并联制成高压电池包，工艺复杂、效率低下、零部件耗材用量大。锂离子电池作为能量聚集体，安全性能差、能量密度低、制造成本高、循环寿命短已成普遍问题。为解决锂离子电池的安全性能差的问题，国内外技术研究一直致力于将外包装加固、密封、阻燃、热管理等方法，工艺复杂，辅助耗材用量大，生产成本高。
3.电池充放电的原理就是电池材料的电化学反应，输入输出电流加大，电化学反应就会加剧，这就引发了安全性的问题，若是短时间内释放全部能量，就可能导致燃爆。因此，想要将外包装加固、密封、阻燃、热管理当作提高安全性能和降低制造成本的手段是不可能的，也是不现实的，而且还会极大地缩小锂离子电池的可适用范围。


技术实现要素：

4.本发明的目的，是要提供一种高压能量模块及其制备方法，以实现简化结构，提高安全性，降低成本，适应工业大规模生产。
5.本发明为实现上述目的，所采用的技术方法如下：一种高压能量模块，它包括至少两个浸有电解液的裸电芯，记为n1、n2、n3、
……
、n
m
（m≥2）；裸电芯n
p
（1≤p≤m
‑
1）和裸电芯n
p+1
之间通过绝缘层连接于一体；每一裸电芯为由正极膜、负极膜以及夹持于相应裸电芯正极膜与负极膜之间的隔离膜经折叠、堆叠或卷绕而成的一体式结构；裸电芯n
x
（1≤x≤m）的正极膜上连接有正极导电接线片；裸电芯n
y
（1≤y≤m且y≠x）的负极膜上连接有负极导电接线片；非裸电芯n
x
和非裸电芯n
y
的裸电芯n
q
（1≤q≤m且q≠x、q≠y）的正极膜，都必须与且只与非裸电芯n
y
的其它一个裸电芯n
r
（1≤r≤m且r≠q、r≠y）的负极膜电连接；并且，裸电芯n
q
的负极膜都必须与且只与非裸电芯n
x
的其它一个裸电芯n
s
（1≤s≤m且s≠q、s≠x）的正极膜电连接。
6.作为限定：所述高压能量模块还包括带有内腔的绝缘外壳，所述裸电芯n1～n
m
于所述内腔内依次两两相邻堆叠分布。
7.作为进一步限定：裸电芯n1上表面与绝缘外壳之间通过绝缘层连接于一体，裸电芯n
m
下表面与绝缘外壳之间通过绝缘层连接于一体，所述正极导电接线片连接于裸电芯n1的正极膜上；所述负极导电接线片连接于裸电芯n
m
的负极膜上；
裸电芯n2～n
m
的每一相应正极膜，分别和与其相邻的裸电芯n1～n
m－1
的相应负极膜电连接，而使所有裸电芯n1～n
m
间成串联于一体的结构。
8.作为另一种限定：裸电芯n
m
上表面与绝缘外壳之间通过绝缘层连接于一体，裸电芯n1下表面与绝缘外壳之间通过绝缘层连接于一体，所述正极导电接线片连接于裸电芯n
m
的正极膜上；所述负极导电接线片连接于裸电芯n1的负极膜上；裸电芯n1～n
m
‑1的每一相应正极膜，分别和与其相邻的裸电芯n2～n
m
的相应负极膜电连接，而使所有裸电芯n1～n
m
间成串联于一体的结构。
9.作为限定：绝缘层为阻燃复合绝缘双面胶带结构，弹性形变量为3～75%，介电强度大于或等于500v。
10.作为进一步限定：电连接为由导电联接片将相应正极膜和负极膜间相连接；导电联接片、正极导电接线片及负极导电接线片，均为电子良导体；正极导电接线片或负极导电接线片，与相应的正极膜之间或与相应的负极膜之间，通过导电树脂胶粘接于一体；导电联接片与相应的正极膜之间或与相应的负极膜之间，通过导电树脂胶粘接于一体，或者，通过超声焊焊接与一体，或者通过铆钉铆接于一体。
11.作为更进一步限定：绝缘外壳包括紧贴且包裹所有裸电芯的绝缘胶带内层和紧贴且包裹绝缘胶带的铝箔胶带外层，绝缘胶带内层为pp、pe或pet材质的结构，铝箔胶带外层为铝箔材质的结构。
12.本发明还提供了上述高压能量模块的一种制备方法，该制备方法包括依次进行的以下步骤：s1、将每一裸电芯的正极膜、负极膜以及夹持于相应裸电芯正极膜与负极膜之间的隔离膜通过堆叠制备出相应的裸电芯n1、n2、n3、
……
、n
m
（m≥2）；s2、裸电芯n
p
（1≤p≤m
‑
1）和裸电芯n
p+1
之间通过绝缘层连接于一体，进行堆叠；s3、将除裸电芯n
x
和裸电芯n
y
以外的所有裸电芯中，每一裸电芯的正极膜都必须和除裸电芯n
y
以外其它一个裸电芯的负极膜电连接，并且每一裸电芯正极膜的电连接关系仅有一个；除裸电芯n
x
和裸电芯n
y
以外的裸电芯中，每一裸电芯的负极膜都必须和除裸电芯n
x
以外其它的一个裸电芯的正极膜电连接，并且每一裸电芯负极膜的电连接关系仅有一个，实现裸电芯之间的串联；s4、裸电芯n
x
的正极膜上连接一个正极导电接线片，裸电芯n
y
的负极膜上连接一个负极导电接线片；s5、将堆叠的所有裸电芯浸泡电解液，正极导电接线片和负极导电接线片与高压充放电柜连接后激活裸电芯的正极膜和负极膜，即得高电压能量模块。
13.本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：（1）本发明提供的高压能量模块，通过裸电芯之间依次两两相邻布置且依次串联，并通过绝缘外壳封装，结构简单，零部件耗材用量少，降低了制造成本；通过在相邻的两个裸电芯之间设置阻燃复合绝缘双面胶带结构，有效地避免了高压能量模块燃烧现象的出现；绝缘外壳通过采用绝缘胶带内层和铝箔胶带外层的双层结构，有效地避免的高压能量模块爆炸现象的出现，安全性高，适合大规模工业生产和推广应用；（2）本发明提供的高压能量模块的制备方法，生产工艺简单，适合大规模工业生产和推广应用。
14.本发明的制备方法适用于制备高压能量模块，所制的高压能量模块适用于新能源汽车及各种化学储能。
附图说明
15.下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
16.图1为本发明实施例1所制高压能量模块的剖面结构示意图；图2为图1中每一裸电芯的结构示意图；图中：1、绝缘外壳；2、正极导电接线片；3、绝缘层；41、正极膜；42、隔离膜；43、负极膜；5、导电联接片；6、负极导电接线片。
具体实施方式
17.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本发明权利要求保护的范围之内。
18.实施例1一种高压能量模块及其制备方法一种高压能量模块，如图1所示，包括绝缘外壳1，和于绝缘外壳1内部相互间上下堆叠分布的浸有六氟磷酸锂电解液的三十二个裸电芯，自上而下依次记为n1、n2……
n
32
，图中省略了中间二十八个裸电芯。
19.裸电芯n
p
（1≤p≤31）和裸电芯n
p+1
之间通过绝缘层3连接于一体；裸电芯n1上表面与绝缘外壳1之间通过绝缘层3连接于一体，裸电芯n
32
下表面与绝缘外壳1之间通过绝缘层3连接于一体；每一裸电芯为由正极膜41、负极膜43以及夹持于相应裸电芯正极膜41与负极膜43之间的隔离膜42经折叠而成的一体式结构，如图2所示；裸电芯n1的正极膜41上通过pvdf混合3%碳纳米管的导电树脂胶粘接有正极导电接线片2，裸电芯n
32
的负极膜43上通过pvdf混合3%碳纳米管的导电树脂胶粘接有负极导电接线片6；裸电芯n2～n
32
的每一相应正极膜41，分别与其上方相邻的裸电芯n1～n
31
的相应负极膜43通过导电联接片5电连接，而使所有裸电芯n1～n
32
间成串联于一体的结构，导电联接片5通过pvdf混合3%碳纳米管的导电树脂胶与相应的正极膜41之间或与相应的负极膜43之间粘接于一体；正极导电接线片2和负极导电接线片6均引出至绝缘外壳1的外部。
20.本实施例中裸电芯n1～n
32
为磷酸铁锂裸电芯，它们的正极膜41为375mm
×
4700mm、224wh/
㎡
的磷酸铁锂材料；负极膜43为378mm
×
4700mm、228wh/
㎡
的人造石墨材料；隔离膜42为381mm
×
4700mm，厚度为12μm的聚丙烯材料，裸电芯n1～n
32
中每一个的电压为3.2v、容量为100ah。
21.本实施例中绝缘层3采用sbr阻燃复合绝缘双面胶带结构，每个绝缘层3的厚度为0.6mm,弹性形变量为50%，介电强度为1000v；绝缘外壳1为包括紧贴且包裹所有裸电芯的绝缘胶带内层和紧贴且包裹绝缘胶带的铝箔胶带外层，绝缘胶带内层为pp、pe或pet材质的结构，铝箔胶带外层为铝箔材质的结构；导电联接片5、正极导电接线片2、负极导电接线片6均为厚度为0.3mm的电子导电复合镍片。
22.本实施例高压能量模块制备方法包括以下步骤：s1、分别将相应的正极膜41、负极膜43以及夹持于相应正极膜41与负极膜43之间
的隔离膜42通过堆叠，制备出三十二个裸电芯n1～n
32
；s2、所有裸电芯n1～n
32
由上至下布置，裸电芯n
p
（1≤p≤31）和裸电芯n
p+1
之间通过sbr阻燃复合绝缘双面胶带粘接，进行堆叠；s3、将除裸电芯n1和裸电芯n
32
以外的所有裸电芯中，每一裸电芯的正极膜41都必须和除裸电芯n
32
以外其它一个裸电芯的负极膜43通过导电联接片5电连接，并且每一裸电芯的正极膜41的电连接关系仅有一个；除裸电芯n1和裸电芯n
32
以外的所有裸电芯中，每一裸电芯的负极膜43都必须和除裸电芯n1以外其它一个裸电芯的正极膜41通过导电联接片5电连接，并且每一裸电芯的负极膜43的电连接关系仅有一个，实现裸电芯之间的串联；导电联接片5通过pvdf混合3%碳纳米管的导电树脂胶粘接在裸电芯的相应负极膜43或相应正极膜41上；s4、裸电芯n1的正极膜41上通过pvdf混合3%碳纳米管的导电树脂胶粘接一个正极导电接线片2，裸电芯n
32
的负极膜43上通过pvdf混合3%碳纳米管的导电树脂胶粘接一个负极导电接线片6；s5、将堆叠的三十二个裸电芯浸泡六氟磷酸锂电解液，采用绝缘胶带内层紧贴包裹堆叠的三十二个裸电芯，再采用铝箔胶带外层紧贴包裹绝缘胶带内层，完成堆叠的三十二个裸电芯的封装；正极导电接线片2和负极导电接线片6均引出至绝缘外壳1的外部，正极导电接线片2和负极导电接线片6与200v/200a的高压充放电柜连接后激活裸电芯的正极膜41和负极膜43，即得高电压能量模块。
23.本实施例制得的高压能量模块的电压为102.4v,容量为100ah，能量密度为187wh/kg,室温1c充放电循环3500次soc保持85%容量，制造成本450元/kwh，采用标准针刺方法穿刺无燃爆现象发生。
24.每一裸电芯的结构除本实施例外，还可以以由正极膜41、负极膜43以及夹持于相应裸电芯正极膜41与负极膜43之间的隔离膜42经堆叠或卷绕而成的结构来替代，也应在本发明的保护范围内。
25.裸电芯n1～n
32
的相对位置关系还可以是自下向上分布，目的是为了进行串联连接时，节省空间，操作方便，因此只要裸电芯n1～n
m
两两相邻分布，均应在本发明的保护范围内。
26.所有裸电芯之间的串联结构除本实施例外，可以采用如下的连接关系：裸电芯n
x
（1≤x≤32）的正极膜41上连接有正极导电接线片2,裸电芯n
y
（1≤y≤32,且y≠x）的负极膜43上连接有负极导电接线片6；除裸电芯n
x
和裸电芯n
y
以外的所有裸电芯中，每一裸电芯的正极膜41都必须和除裸电芯n
y
以外其它一个裸电芯的负极膜43电连接，并且每一裸电芯正极膜41的电连接关系仅有一个；除裸电芯n
x
和裸电芯n
y
以外的所有裸电芯中，每一裸电芯的负极膜43都必须和除裸电芯n
x
以外其它一个裸电芯的正极膜41电连接，并且每一裸电芯负极膜43的电连接关系仅有一个。除此之外，所有裸电芯之间的串联结构还可以采用的连接关系：裸电芯n
32
的正极膜41上连接有正极导电接线片2,裸电芯n1的负极膜43上连接有负极导电接线片6；除电芯n
32
以外的所有裸电芯之间经每一正极膜41与其下方相邻的裸电芯的负极膜43的电连接，而形成串联结构。上述所有裸电芯之间的串联结构均应在本发明的保护范围内。
27.绝缘胶带内层除本实施例的结构外，还可以采用pe或pet材质的结构，均应在本发
明的保护范围内。
28.导电联接片与相应的正极膜之间或与相应的负极膜之间的连接关系除本实施例外，还可以通过超声焊焊接与一体，或者通过铆钉铆接于一体。上述导电联接片与相应的正极膜之间或与相应的负极膜之间的连接关系均应在本发明的保护范围内。
29.实施例2一种高压能量模块及其制备方法本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，与实施例1相同，参照实施例1中的解释，在此不再进行赘述。
30.本实施例与实施例1的不同之处为：绝缘层3为sbr复合绝缘双面胶，弹性形变量为3%，介电强度等于500v，制得的高压能量模块的电压为102.4v,容量为100ah，能量密度为187wh/kg,室温1c充放电循环3500次soc保持85%容量，制造成本450元/kwh，高压能量模块充放电循环中略有体积变形、未见击穿，说明在高压能量模块中，sbr阻燃复合绝缘双面胶的弹性形变量3%已是最小临界数值，介电强度500v合适或有冗余。
31.实施例3一种高压能量模块及其制备方法本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，与实施例1中相同，参照实施例1中的解释，在此不再进行赘述。
32.本实施例与实施例1的不同之处为：绝缘层3为sbr复合绝缘双面胶，弹性形变量为75%，介电强度等于500v，制得的高压能量模块的电压为102.4v,容量为100ah，能量密度为187wh/kg,室温1c充放电循环3500次soc保持85%容量，制造成本450元/kwh，高压能量模块充放电循环中未见体积变形和击穿、起火爆炸，说明在高压能量模块中，sbr阻燃复合绝缘双面胶的弹性形变量75%与介电强度500v合适或有冗余。