专利名称：动力型聚合物锂离子电源及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种动力型聚合物锂离子电源的设计及生产工艺。为了实现产品高能量、高功率和高安全性的三高要求，在本发明的电源设计和生产中，使用一系列新材料和新工艺，例如大容量高功率聚合物锂离子电池单体组合电源技术、多功能填料应用于电源热量管理系统、高强度金属外壳和塑料端盖作为电源外包装等，较好地解决了锂离子动力电池普遍存在的安全性、可靠性和一致性问题，同时提高了生产效率和成品率、降低了产品成本。使用该技术生产的动力型聚合物锂离子电源可以用于各种大容量高功率移动设备，例如电动自行车、电动摩托车、电动汽车、电动游艇、卫星通讯机、无人驾驶飞机、火箭发射器、潜艇用通讯电源和军事装备电源等等。
背景技术：
在所有能源中，电能是最清洁、最环保、使用最方便和转化效率最高的能源形式。因此，高效率地储存电能，然后在各种场合中使用是现代社会的普遍需求。特别是在日趋严重的环境污染和日益衰竭的石油资源的背景下，研制和发展电动车或混合动力车已成为当今世界各国优先发展的行业。全球因工业废气和汽车尾气已经造成严重的环境危害城市空气品质下降，污染的空气导致肺、呼吸道、心脏、皮肤和其它人体器官病变。大气污染成分中的63％来自汽车尾气排放每1000辆汽车每天排放出3000千克一氧化碳CO和二氧化碳CO2，150千克氮氧化合物NOx，400千克碳氢化合物，70千克铅、酚和粉尘等有毒物质。燃油汽车尾气排放出的大量有毒物质，持续和长远地恶化人类的生存环境，直接危害人体的健康。
此外，据2000年联合国环境署公布的专家预测数据表明工业废气和汽车尾气导致了地球温室效应。温室效应正在加速全球温度上升的速度，本世纪全球温度上升的速度将从上个世纪每百年0.2度增加到每百年5～7度。全球温度升高会造成许多灾难性后果，其一是南、北两极古冰岛和高山冰雪层融化流入海洋，使海平面升高，许多岛屿和陆地的海边城市将被淹没；其二是热和冷气流之间的温差加大，异常气候增多，台风或旋风破坏力加强，风力可能从最强12级增到最强20级，超强台风会带来大量雨水并造成沿海地区频繁的水灾和风灾破坏；其三是与沿海地区的水灾与风灾相反，在内陆地区干旱加剧，江河断流期延长，甚至全年干涸，水库枯竭，土地沙化加剧，沙漠面积迅速扩大，从而大大压缩了人类的生存空间，环境和资源都被严重破坏。近几年来，在全球范围内频繁出现的超强飓风和台风等自然灾害，导致风灾和水灾造成财产的损失和人命的伤害，已经证明了环境和资源被破坏的严重程度。
日益衰竭的石油资源和日趋增加的燃油消耗是问题的另一个方面，全球的石油储量只够开采50年，然而，世界石油消耗量以每年20％速度持续增长。石油危机将会导致经济、政治、军事、社会和生活等各方面激烈动荡。使用电力作为各种交通工具的动力是解决环境污染和石油危机的最佳选择。因此，电力单车、电力摩托车、电力汽车和电力飞行器等清洁交通工具，已经被世界发达国家高度重视和大力发展。动力电池是电动车的核心部件。在各种大功率动力电池中，大型锂离子动力电池是首选的最佳动力来源。
由于技术性能上比铅酸和镍氢电池优越许多，例如，高能量密度和无记忆效应，锂离子动力电池正在引起越来越多的重视。但是，现有技术生产的锂离子动力电池存在四个致命弱点。其一是安全性差。众所周知，锂离子动力电池的电解质是液态的。由于有机液体电解质的闪点较低，稳定性差，容易受热分解、起火燃烧。在电池充放电过程中，电池内部的缺陷或者外部的不当使用，会使电池过热，放出大量热量，有机液体电解质首先分解和燃烧，产生极高的内压而导致电池失火甚至爆炸。国内外的媒体对电动车用锂离子动力电池在使用过程中，发生燃烧和爆炸的事件已有多次报道。其二是可靠性低。为了解决锂离子动力电池中存在的安全性问题，现有技术是使用小型手机聚合物锂离子电池技术，简单地几何放大电池的尺寸，来制备大型锂离子动力电池。小型手机聚合物锂离子电池的外壳使用铝塑复合膜作为软包装材料，虽然对于小型电池具有轻便和安全的特点，但是对于大型电池来说，软包装外壳容易在生产、运输和使用过程中破损，也会影响电池的安全性和可靠性。其三是一致性差。电动车用动力电池必须由多个单体电池串联使用，以增高输出电压，达到电动车要求的大功率。虽然，在电池组生产和组装过程中，对单体电池可以采用多项指标分选的方法，搭配组合来满足一致性的要求。但是，在电池使用过程中，由于反复充放电使电极片膨胀、车辆行驶过程中外界的震动和电池内电解液分解气化等原因，液体锂离子动力电池中的正负电极片之间的间距会发生变化，而导致电池内阻改变，造成电池一致性变坏，使电池组的技术性能和安全性能变差。其四是高成本。大容量锂离子电池的生产难度大，材料损耗高，成品合格率低，产品综合成本高。与铅酸和镍氢电池相比，现有技术生产的锂离子动力电池的价格是铅酸电池的2～4倍，比镍氢电池的价格高10～30％。上述缺陷妨碍和限制了锂离子动力电池的应用和发展。
发明内容
为了克服上述四大问题，在本发明专利中提供一种高能量、高功率和高安全性的聚合物锂离子电源的设计方法及其生产工艺。本发明专利的技术特点是采用凝胶体电解质制备电池单体、组合电池结构设计、多功能填料应用于电源热量管理系统和金属/塑料组合电池外壳等，来克服上述的电池安全性、可靠性和一致性的缺点，制备出的动力型聚合物锂离子电池，可以在3～20C倍率下长时间安全放电工作。
本发明的技术内容有二个方面第一方面，对本发明专利解决上述安全性问题的技术原理进行说明。
现有技术生产的锂离子动力电池安全性差的原因是复杂的。对大量的电池安全测试数据进行分析表明，电池失火爆炸的原因是由于电池在异常状态(电池内或外部短路、超限电流冲放电或受到超限温度烘烤)下，电池材料之间产生异常化学反应并发出热量，导致电池内部温度异常和急速地上升；电池过热反过来促使材料之间的异常化学反应加剧，当电池内部热量和压力积累到一定程度时，电池即出现失火爆炸。其中主要异常化学反应有如下三个1、负极表面保护膜破坏电池负极表面有一层绝缘保护膜，保护负极不与电解液发生反应。但是，该保护膜不稳定，在90～120℃时，会与电解液反应发生分解，同时放出热量和气体。使电池继续升温和升压。当负极表面的绝缘保护膜破坏之后，电解液直接与负极中的锂化碳(LixC6)和粘结剂(PVDF)发生反应，发出更多的热量。
2、电解液分解电解液是由锂盐和有机溶剂组成。有机溶剂易燃、易分解，闪点低。在100℃左右，电解液开始分解，释放出大量气体和热能，加速电池升温和内压增长。
3、正极过度氧化在200℃左右和氧化状态下，正极活性物质本身放热分解，并放出氧气；正极活性物质同时与电解液发生反应，释放出更多的气体和热能，最终导致电池失火爆炸。
综上所述，锂离子动力电池各种不安全现象都直接与电解液和电池过热联系在一起。换句话说，电解液异常反应和电池过热是锂离子动力电池安全性的核心问题。为了解决大型锂离子动力电池安全性问题，首先要做的是，从电池中消除电解液，取而代之的是凝胶体聚合物电解质。与电解液相反，凝胶体聚合物的闪点较高，化学活性低，稳定性较好，受热分解和挥发少，电池因此而变得安全多了。
其次，要避免电池过热，即解决好电池的减热和散热问题。众所周知，按照国际电池行业的有关规定，为了安全地使用锂离子电池，必须在电池上装备电路管理系统(简称为电管系统或保护板)，即充电时均衡充电和防过充电，以及放电时防过放电、防短路和防过电流。但是，许多人忽略了另外一个方面，即除了使用电管系统外，锂离子电池还必须同时使用热量管理系统(简称为热管系统)。锂离子电池的工作温度上限是60℃，如上所述，电池过热也是锂离子动力电池安全性的核心问题之一。在本发明专利中提供一种锂离子动力电池的热管系统，有效地解决了电池的减热和散热问题。详细内容在下节说明。
第二方面，多功能填料应用于电源热量管理系统。
现有技术生产的锂离子动力电池都没有考虑热管系统，电池在工作时产生的热量，仅仅依靠电池外壳与空气的接触自然散热。对于小体积和小容量电池来说，由于电池发热量少，电池通过外壳与空气的接触可以满足散热要求。但是，对于大体积和大容量电池，不仅单体电池本身发出大量热能，而且，十几个、几十个电池组成的电源时，产生的热能汇聚效应，使电池通过外壳与空气的接触自然散热将无法到达降温和散热目的。长期在过热状态下工作的电池，轻则损坏电池的技术特性，例如，容量衰减过快，内阻增加，一致性变差，循环寿命减少；重则产生电池安全事故。此外，在发生异常状况时(电池内/外部短路、超限电流冲放电或受到超限温度烘烤)，电池内部热量增长过速是导致电池失火爆炸主要因素。例如，电池内部热量急速上升，迅速冲过隔膜带的安全闭孔温度135℃，电池因过热失控，必将导致失火爆炸；反之，在发生电池内/外部短路、超限电流冲放电或受到超限温度烘烤时，如果能够控制电池内部热量缓慢上升，给隔膜带在135℃温度附近有足够时间产生安全闭孔效应，关闭正负电极之间的锂离子通道，内阻增至无穷大，电池因失效而变得安全了。
在本发明专利中提供一种锂离子动力电源的热管系统，可以有效地解决电池在正常工作时的减热和散热问题，及其在电池异常状况时，实现控制电池内部热量缓慢上升的目的。电源热管系统由下列元件组成1、薄型设计的单体聚合物锂离子电池大容量电源由若干薄型设计的单体聚合物锂离子电池并联而成。单体电池的容量小于20安时。每个单体电池都使用胶体聚合物电解质，电池厚度小于8毫米，宽度和长度尽可能大，使电池内部热能到达电池铝塑复合膜外壳的距离短，散热快。
2、金属外壳和塑料端盖为了保护聚合物锂离子电池，避免受到磨损、震动和冲击，以及为了便于电池散热，电源四周面外壳使用刚性金属材料，例如铝和钢，或者合金材料。上下端盖使用塑料，例如聚乙烯、聚丙稀、聚氯乙烯和聚酯。上下塑料端盖与四周面金属外壳的连接，是金属外壳嵌入塑料端盖中，然后用自攻螺丝固定。在极端状态下，上下塑料端盖可以起到防爆阀的作用。采用金属外壳和塑料端盖的结构制备电源外壳，除了安全方面的优点外，还有方便生产和降低成本的优点。
3、多功能相变吸热和导热填料在薄型单体聚合物锂离子电池之间，以及在电池与金属外壳之间都留有缝隙，其缝隙大小为0.05～16毫米。在缝隙中填入多功能相变吸热和导热材料。该材料可以从下面举例的化合物中选择一种单独使用或多种混合使用石蜡、高密度聚乙烯石蜡、硬脂酸、烷烃、酯、醇化合物。石蜡由高分子碳氢化合物所构成，其化学通式为CnH2n+2，式中碳原子数n＝17～36，n越大，石蜡的熔点越高，其熔点在52～70℃连续可调。相对密度为0.86～0.94，分子量约为240～450。石蜡的化学活性较低，呈中性，化学性质稳定，在通常条件下不与酸和碱性溶液发生作用。石蜡在140℃以下不容易分解碳化；且具有一定的强度和良好的塑性，不易开裂。石蜡具有较大的导热系数～0.348W/(m·K)，在发生相变时，吸热可达150kJ/kg～250kJ/kg。
使用石蜡等相变吸热和导热材料作为电池填充剂组成电源热管系统，可以到达如下目的(1)通过对电池吸热和散热来提升电源的安全性石蜡是目前最好的吸热和散热材料，其熔点在52～70℃，对应锂离子电池的工作温度上限60℃。如果电池出现异常状态(例如内/外部短路、超限电流冲放电)导致温度上升，到达石蜡的熔点时，石蜡由固态转变为液态，其固-液相变过程中吸收大量的热能，保护电池免于过热或者控制内部温度缓慢上升。熔融液态下的石蜡，不但本身继续吸热，而且其导热系数很高，可以迅速将每个电池的热能传递到外壳，通过金属外壳散发，由此到达吸热和散热，对电池热量调控的目的。当电池的异常状态结束时，温度回落，熔融石蜡缓慢再结晶，由液态转变为固态，以备下一次使用。石蜡的固-液相变吸收热能过程，是完全可逆的，可以循环往复使用无限次。其次，石蜡的密度为0.86～0.94，比水还轻。在电源中使用石蜡作为电池热管系统不会大幅增加重量。其三，石蜡的化学活性较低和化学性质稳定，是惰性物质，在电源中使用石蜡作为电池热管系统不会带来新的安全风险。
(2)通过对单体电池分隔来提升整体电源的安全性大容量锂离子电池中，电池材料总量重达数千克。从前一节中对电池安全问题的分析可见，电池中大多数材料，包括负极、电解液和正极都可能参与异常化学反应，导致电池失火爆炸。目前积累的大量锂离子电池安全性测试数据显示，单体容量小于40安时的锂离子电池容易通过国家和国际安全标准检测；单体容量大于40安时的锂离子电池难以通过国家和国际安全标准检测。在本发明中，每个单体电池之间由多功能相变吸热和导热填料分隔，所有单体电池的容量小于20安时，一方面单体电池中包含的可燃材料有限，单体电池出现的异常状态时不会导致安全事故；另一方面单个电池异常化学反应时产生的热量可以迅速被填料吸收，避免波及到其它电池。使用多功能相变吸热和导热填料对小容量电池分隔可以显著提升大容量电源的安全性。
(3)保护单体聚合物锂离子电池和铝塑复合膜外壳以增强电源可靠性金属壳锂离子电池，使用激光机焊接外壳，焊缝具有刚性和强度，牢固可靠。与金属壳电池不同，聚合物锂离子电池使用铝塑复合薄膜作为软包装外壳，软包装外壳接缝是依靠铝塑复合膜内层CPP薄膜通过热熔连接。CPP薄膜厚度只有0.03mm，热熔连接的强度差，可靠性低。特别是在外来震动、机械冲击和冷热张力的复杂环境路况条件下，聚合物锂离子电池的铝塑复合膜软包装外壳容易受到损坏，热熔连接处可能开裂，导致电池失效。
在本发明专利中使用石蜡包裹每个电池外壳，一方面有助于固定铝塑复合膜软包装外壳的热熔连接缝，防止其开裂；二方面可以吸收外来冲击力和震动能量，减少和避免外力对聚合物锂离子电池和铝塑复合膜软包装外壳的破坏；三方面可以减缓外界温度急剧变化对电池的影响。总之，使用石蜡等相变吸热和导热材料作为电池填充剂可以增强电源的可靠性。
(4)控制单体聚合物锂离子电池膨胀形变维护一致性锂离子动力电池为了实现大容量和高功率输出，一般都采用叠片式由几十、甚至几百对正负电极片夹隔膜带层叠构成电池芯。在液态电解质的环境下，这些电极片是松散的，容易在电池反复冲放电时出现体积膨胀变形，导致电池性能衰减，一致性变差。在本发明专利中的聚合物锂离子电池使用胶体电解质，正负电极片与隔膜带被胶体电解质粘接在一起，薄型电池之间有惰性物质作为填充剂约束电极片的变形。因此，电池在反复冲放电时的体积膨胀得到有效控制，电池的一致性增强。
为了更好地发挥多功能相变吸热和导热填料的特性，可以在石蜡中加入各种添加剂，例如二氧化硅SiO2粉末和二氧化钛TiO2粉末。这些固体粉末的特点是轻质、高强、高稳定性，将它们加入到石蜡中，可以增加石蜡的强度和热稳定性。二氧化硅SiO2粉末和二氧化钛TiO2粉末的比表面积为0.2～1000平方米/克，在石蜡中的加入量为0～30％。高密度聚乙烯石蜡是将石蜡作为子相混入高密度聚乙烯的母相中，由高密度聚乙烯形成多孔载体，石蜡熔入高密度聚乙烯形成的孔隙中。石蜡在高密度聚乙烯的混合量为10～60％。其它有机化合物，例如硬脂酸、烷烃、酯、醇化合物具有与石蜡相似的特性，也可以用作相变吸热和导热填料单独使用，或者与石蜡、高密度聚乙烯以及二氧化硅SiO2粉末和二氧化钛TiO2粉末制备成固溶体或混合体使用。
综上所述，本发明专利工艺方法的特点是1、使用本发明提供的生产工艺制备动力型聚合物锂离子电源，较好地解决了电源的安全性、可靠性和一致性问题；2、由于安全性问题得到解决，采用本发明提供的生产工艺，根据客户需求，由单体聚合物锂离子电池组合成各种容量输出的电源，电源输出容量可以高达1000安时，能量密度可达130瓦时/千克，功率密度可达950瓦/千克。
3、可以降低产品综合成本。动力型锂离子电池的容量高达几十甚至几百安时，生产过程中任何一个环节的失误，都有可能导致废品，造成材料和人工的损失。按照本发明提供的方法，制备容量小于20安时的单体电池，然后将单体电池组合成客户需求的大容量电源，一方面生产小容量单体电池的难度低，成品率高；另一方面即使出现废品，材料和人工的损失大幅度降低。因此，产品的综合成本大幅度减少。
通过参照附图和详细描述本发明动力型聚合物锂离子电源的构造和各个元件，可以更清楚地描述本发明的特点和优点。其中
图1是本发明提供的动力型聚合物锂离子电源正视剖面示意图。在动力型聚合物锂离子电源10中，有薄型胶态电解质聚合物锂离子电池单体11，金属外壳12，CPP极耳封接胶带13，极耳电极片14，电极柱块15，装配止旋销16，电极柱螺母17，电极柱密封垫片18，上塑料端盖与金属外壳连接螺钉19，上塑料端盖20，多功能相变吸热和导热填料22，下塑料端盖23。
图2是本发明提供的动力型聚合物锂离子电源侧视剖面示意图。其中11是胶态电解质薄型聚合物锂离子电池单体，14是极耳电极片，15是电极柱块，18是电极柱密封垫片，19是上塑料端盖与金属外壳连接螺钉，20是上塑料端盖，22是多功能相变吸热和导热填料，23是下塑料端盖。
详细描述以下优选实施例，将会更好地了解本发明的优越性。
实例1(1)负电极的制备(1.1)将1560克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，首先加入20克草酸，然后加500克乙炔黑，最后加入22000克石墨粉。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的负极浆料。
(1.2)涂膜按照电池产品设计的要求，将负极浆料均匀地涂覆在16微米厚的铜箔正反两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在160±10微米。
(1.3)辊压将负极极片在一定压力下辊压到指定的厚度，控制极片膜密度和极片膜的孔隙率。电极带经辊压后的厚度控制在110±5微米。
(1.4)制片按照电池产品设计的尺寸，将负电极带切裁成菜刀型刀把为未涂膜的铜箔，用作集流极，面积为30×10mm2；菜刀为电极片，面积为156×266mm2。
(2)正电极的制备(2.1)制浆将4000克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加2530克乙炔黑，最后加入50000克锂锰氧化物。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的正极浆料。
(2.2)涂膜按照电池产品设计的要求，将制成的浆料均匀地涂覆在25微米厚铝金属箔的正反二个表面，在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在180±10微米。
(2.3)辊压将正极极片在一定压力下辊压到指定的厚度，来控制极片膜密度和极片膜的孔隙率。电极带经辊压后的厚度控制在125±5微米。
(2.4)制片按照电池产品设计的尺寸，将正电极带切裁成菜刀型刀把为未涂膜的铝箔，用作集流极，面积为30×10mm2；菜刀为电极片，面积为150×260mm2。
(3)隔膜将复合聚乙-丙烯隔膜纸裁切成电池产品设计的尺寸，制成隔膜带。
(4)叠片式电池芯将正、负电极片和厚度为25微米、宽度为270mm的聚乙-丙烯隔膜带按负电极片/隔膜片/正电极片/隔膜片/负电极片顺序叠好，叠成6.5×160×270mm3的电池芯。电池芯共有正极片36层、负电极片37层和聚乙-丙烯隔膜带74层。使用事先热封好CPP胶带的铝极耳和镍极耳焊接在正、负电极引线刀把上。单体电池芯的设计容量为20安时。
(5)装配在上述制备好的电池芯装入铝塑复合膜中，使用热封机进行顶封和侧封，留出底部边作为注液口。
(6)单体、引发剂和电解液混合液配制单体为乙二醇丙烯酸酯(Ethyleneglycol diacrylate)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(Ethylene glycoldimethacrylate)和乙烯基吡咯啉(vinyl pyrrolidone)三元混合体系，比例为1∶1∶1；引发剂选用偶氮二异丁腈(Diisopropyl peroxydi)等。单体和引发剂的配比为1000∶4。单体在电解液中的浓度为5％。电解液是由电解质盐和有机溶剂组成。电解质盐可选用六氟磷酸锂LiPF6。有机溶剂可选用碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙脂EMC和碳酸二乙脂DEC三元系统，混合比例为1∶1∶1。电解质盐在有机溶剂中的浓度为每升1.2克分子。
(7)注液把事先配制好的单体、引发剂和电解液混合液按电池产品设计的数量70克，注到入电池芯中。然后，密封注液边。
(8)现场热聚合化学反应在100℃加热和加压0.5兆帕条件下，经过1600秒，注入到电池芯内的低分子单体、引发剂和电解液混合液会发生高分子聚合和凝胶化反应，转变成正常的胶态聚合物电解质，把正、负电极与隔膜紧密地粘接在一起，使电池芯形成一个具有自身整体强度和刚性的整体。
(9)化成和放置用专用的电池充放电设备对成品电池进行慢速充电化成，在负电极表面形成保护膜.然后放置数周后，再作放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待装配成电源。到此工序，薄型胶态电解质聚合物锂离子电池单体制备完成。
(10)电源装配首先，将厚度为5毫米的下塑料端盖与厚度为2毫米的铝外壳装配好，将10片薄型胶态电解质聚合物锂离子电池单体分别浸入熔融石蜡液体中，然后提拉出来。每片电池表面都涂覆上一层石蜡，厚度约为0.5毫米。其次，将该10片电池装入铝壳，在电池与铝壳的间隙处浇入熔融石蜡液体，石蜡填料的高度为淹没CPP胶片3毫米为准。其它工艺方法还有浸泡、浇注、浇铸、注射和喷注等。第三步，将正负电池片分别与正负电极柱连接好，将上塑料端盖装配上，安装固定螺钉和电极柱螺母。第四步，对装配完毕的电源进行测试。由此方法生产的电源，其放电容量为200安时。
实例2(1)负电极的制备(1.1)将1560克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，首先加入20克草酸，然后加500克乙炔黑，最后加入35000克非晶锡锂复合氧化物SnLiρPBχOψ。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的负极浆料。
(1.2)涂膜按照电池产品设计的要求，将负极浆料均匀地涂覆在16微米厚的铜箔正反两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在150±10微米。
(1.3)辊压将负极极片在一定压力下辊压到指定的厚度，控制极片膜密度和极片膜的孔隙率。电极带经辊压后的厚度控制在100±5微米。
(1.4)制片按照电池产品设计的尺寸，将负电极带切裁成面积为266×1050mm2条型电极片。然后在未涂膜的起始铜箔面上点焊一条厚度0.1毫米和宽度10毫米镍引线。
(2)正电极的制备(2.1)制浆将3650克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加2530克乙炔黑，最后加入25000克锂钴氧化物和25000克锂锰氧化物。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的正极浆料。
(2.2)涂膜按照电池产品设计的要求，将制成的浆料均匀地涂覆在25微米厚铝金属箔的正反二个表面，在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在170±10微米。
(2.3)辊压将正极极片在一定压力下辊压到指定的厚度，来控制极片膜密度和极片膜的孔隙率。电极带经辊压后的厚度控制在115±5微米。
(2.4)制片按照电池产品设计的尺寸，将正电极带切裁成条形面积为260×1040mm2；然后在未涂膜的起始铜箔面上点焊一条厚度0.1毫米和宽度10毫米铝引线。
(3)隔膜将复合聚乙-丙烯隔膜纸裁切成电池产品设计的尺寸，制成隔膜带。
(4)卷绕式电池芯将正、负电极带，其中间夹有厚度为25微米、宽度为270mm的聚乙-丙烯隔膜带按负电极带/隔膜带/正电极带/隔膜带顺序整理好，将三对正电极带、隔膜带、负电极带交叉排列，同心卷绕成6×160×270mm3的电池芯。将三个铝引线并排焊接在事先热封好CPP胶带、宽度为30毫米的铝极耳上，铝极耳的厚度为0.1毫米；将三个镍引线并排焊接在事先热封好CPP胶带、宽度为30毫米的镍极耳上，镍极耳的厚度为0.1毫米。单体电池芯的设计容量为18安时。
(5)装配在上述制备好的电池芯装入铝塑复合膜中，使用热封机进行顶封和侧封，留出底部边作为注液口。
(6)单体、引发剂和电解液混合液配制单体为甲基丙烯酸甲酯(Methylmethacrylate)和乙二醇二甲基丙烯酸酯(Ethylene glycol dimethacrylate)二元混合体系，比例为1∶1；引发剂选用偶氮二异丁腈(Diisopropylperoxydi)等。单体和引发剂的配比为1000∶3。单体在电解液中的浓度为6％。电解液是由电解质盐和有机溶剂组成。电解质盐可选用六氟磷酸锂LiPF6。有机溶剂可选用碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙脂EMC和碳酸二乙脂DEC三元系统，混合比例为1∶1∶1。电解质盐在有机溶剂中的浓度为每升1.2克分子。
(7)注液把事先配制好的单体、引发剂和电解液混合液按电池产品设计的数量65克，注到入电池芯中。然后，密封注液边。
(8)现场热聚合化学反应在90℃加热和加压0.5兆帕条件下，经过2000秒，注入到电池芯内的低分子单体、引发剂和电解液混合液会发生高分子聚合和凝胶化反应，转变成正常的胶态聚合物电解质，把正、负电极与隔膜紧密地粘接在一起，使电池芯形成一个具有自身整体强度和刚性的整体。
(9)化成和放置用专用的电池充放电设备对成品电池进行慢速充电化成，在负电极表面形成保护膜.然后放置数周后，再作放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待装配成电源。到此工序，薄型胶态电解质聚合物锂离子电池单体制备完成。
(10)电源装配首先，配置硬脂酸与二氧化硅SiO2粉末添加剂混合熔液。硬脂酸有许多种，例如，甘油硬脂酸(Sterin acid)和花生酸(Arachidicacid)。将比表面积为10平方米/克的二氧化硅SiO2粉末，作为添加剂加入到甘油硬脂酸，加入量为10％，制备成混合填料，熔融温度为70℃。其次，将厚度为5毫米的下塑料端盖与厚度为2毫米的铝外壳装配好。第三步，将6片薄型胶态电解质聚合物锂离子电池单体分别浸入熔融混合填料中。然后，将电池从混合熔液中提拉出来。每片电池表面都涂覆上一层混合填料，厚度约为0.5毫米。第四步，将该6片电池装入铝壳，在电池与铝壳的间隙处浇入熔融混合熔液，混合填料的高度为淹没CPP胶片3毫米为准。第五步，将正负电池片分别与正负电极柱连接好，将上塑料端盖装配上，安装固定螺钉和电极柱螺母。最后，对装配完毕的电源进行测试。由此方法生产的电源，其放电容量为108安时。
权利要求
1.一种动力型聚合物锂离子电源，其特征是(1)多个薄型胶体电解质聚合物锂离子电池单体并联组合；(2)多功能相变吸热和导热填料构成电源热量管理系统；(3)金属外壳和塑料端盖作为电源外壳。
2.根据权利要求1所述的单体聚合物锂离子电池，主要由正电极、负电极、位于正、负电极之间的隔膜、胶体聚合物电解质和铝塑复合膜作为电池软包装外壳五种元件构成。
3.所述的凝胶态聚合物电解质，存在于正电极与隔膜之间和负电极与隔膜之间的各元件的表面上，将正、负电极与隔膜牢固地粘结在一起，形成一个刚性整体。
4.根据权利要求1所述的动力型聚合物锂离子电源，在薄型单体聚合物锂离子电池之间，以及在电池与金属外壳之间都留有缝隙，其缝隙大小为0.05～16毫米。在缝隙中填入多功能相变吸热和导热材料。
5.根据权利要求1所述的动力型聚合物锂离子电源中，使用多功能相变吸热和导热填料构成电源热量管理系统。该填料可以从下面举例的化合物中选择一种单独使用或多种混合使用石蜡、高密度聚乙烯石蜡、硬脂酸、烷烃、酯、醇化合物。
6.根据权利要求5所述的多功能相变吸热和导热石蜡填料，其化学通式为CnH2n+2，式中碳原子数n＝17～36，其熔点在52～70℃连续可调，相对密度为0.86～0.94，分子量约为240～450。
7.根据权利要求5所述的多功能相变吸热和导热填料，可以与二氧化硅SiO2粉末和二氧化钛TiO2粉末添加剂混合使用。二氧化硅SiO2粉末和二氧化钛TiO2粉末的比表面积为0.2～1000平方米/克，添加剂的加入量为0～30％。
8.根据权利要求5所述的石蜡熔入高密度聚乙烯的孔隙中，构成高密度聚乙烯石蜡。石蜡在高密度聚乙烯的混合量为10～60％。
9.根据权利要求1所述的动力型聚合物锂离子电源中，采用浸泡、浇注、浇铸、注射和喷注的工艺方法，将多功能相变吸热和导热填料引入薄型单体聚合物锂离子电池之间和电池与金属外壳之间的缝隙中。
10.根据权利要求1所述的动力型聚合物锂离子电源，使用金属外壳和塑料端盖作为电源外壳。金属外壳采用铝和不锈钢；塑料端盖采用聚乙烯、聚丙稀、聚氯乙烯和聚酯。
全文摘要
为了实现高能量、高功率和高安全性的三高要求，本发明使用一系列新材料和新工艺，例如聚合物锂离子电池单体组合电源技术、多功能填料应用于电源热量管理系统、金属外壳和塑料端盖作为电源外包装等，较好地解决了锂离子动力电池普遍存在的安全性、可靠性和一致性问题，同时提高了生产效率和成品率、降低了产品成本。使用该技术生产的动力型聚合物锂离子电源，其输出容量可达1000安时，能量密度可达130瓦时/千克，功率密度可达950瓦/千克。产品将应用于各种大容量高功率移动设备，例如电动车、卫星通讯机、无人驾驶飞机、火箭发射器、潜艇用通讯电源和军事装备电源等等。
文档编号H01M10/38GK1971998SQ20051010133
公开日2007年5月30日 申请日期2005年11月21日 优先权日2005年11月21日
发明者黄穗阳 申请人:黄穗阳