一种具有高电位的电能存储装置及制作方法

专利名称：：一种具有高电位的电能存储装置及制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种电能存储装置。特别是指一类采用电池极片内部串联来提高电池化学电位的一类装置。
背景技术：
：化学电池是一类电能存储的装置，通常包含集流体电极(collector)、电荷存储材料、电解质、隔膜、外包装等。金属锂或锂离子电池通常具有电位高、容量大、体积小、充放电次数多等优点，广泛应用于移动电话、手提计算机、仪器仪表、电动工具、电动车等领域，并逐渐成为主流的一次或二次化学电池。图1为公开技术的锂离子电池装置示意图，包括金属箔正集流体电极10，布置在所述金属箔正集流体电极10上的正极材料11，金属箔负集流体电极14，布置在所述金属箔负集流体电极14上的负极材料13，布置在所述正负极间的多孔绝缘隔膜12，布置在以上所述部件外的包装15(未标出)，布置在以上所述外包装内的电解质16(未标出)寸。通常正集电流体电极由很薄的金属铝箔(30微米)制成，正极材料如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等与导电碳黑、粘接剂(PVDF)、溶剂(NMP)混合后涂覆在上述铝箔上，经干燥、辊压制成正极，该正极材料的厚度通常为80微米。正电极通常是采用双面涂敷来得到大容量，其电极的结构如图2所示。通常负集流体电极是由很薄的金属铜箔(20微米)制成，负极材料如导电碳黑、石墨(人造)、碳纤维、钛酸锂等与粘结剂(PVDF)、溶剂(NMP、水)混合后涂覆在上述铜箔上，经干燥、辊压制成负极，该负极材料的厚度通常为50微米。负电极通常也是采用双面涂敷来得到大容量，负电极的结构同图2所示的相同。负极也可以把硅合金、锡合金直接做在铜箔上制成。负极材料直接采用锂金属箔则制成锂一次电池。正负电极之间通常放置多孔状的离子导通电子绝缘的隔膜以防止电极间短路。多空隔膜材料通常为PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)等高分子的复合膜，其厚度通常为30微米。以上所述正负电极由多孔薄膜隔开，用卷绕、叠层方法装入不锈钢、镀镍碳钢、铝金属、塑料等容器或塑料金属复合软膜的包装中，在干燥气体保护下注入电解质(如LiPF6的碳酸脂混合有机溶剂)，或直接采用聚合物固体电解质兼用隔膜制成聚合物锂电池。引出正、负电极接线端子即电极耳制成通常的内电极片并联式锂离子二次电池。上述锂离子电池在充电过程中，正极材料上的锂离子离开正电极使该极带正电，锂离子在外电动势与电解质的作用下到达碳或其他已知层间材料负极，形成碳锂化合物(LiC6)或其他层间化合物。充电完成后，正负极形成高电位差，该电位差可以推动外电路的负载，即锂离子电池的放电过程。上述双面涂敷的正(A)、负(B)极片电池，对于采用卷绕结构的电池来讲是A/B型的(/代表隔膜)，其电池电压等于A、B正负极材料的化学电位差。对于通常双面涂敷的正㈧、负⑶极片的叠层结构电池，其极片是A/BB/.../AA/B型，通过A与B电极耳片(tablet)的并联，引出的电压还是等于A、B正负极材料的化学电位差，其电池内部的等效电路如图3所示。虽然采用上述A/B结构的单元锂电池，其容量也可以做得很大，如lAh、IOAh甚至高达lOOAh，但其工作电压通常为3.7V(钴酸锂)。在仪器仪表、电动工具、电动车等产品中的应用中，通常都需要较高的电压。为了满足这些应用的要求，一般是通过多节单体电池的串联来得到合适的电压，例如通常手提电脑电池组电压为12V，通常采用3节以上的(如18650)单体电池串联。电动车驱动马达电压为300V以上，通常需要约100节单体电池的串联。然而多组电池的串联链接需要单体电池有非常好的电流、电压、温度、循环特性的一致性，这就需要对生产出的单体电池进行严格的筛选；即使经过严格筛选的单体电池，在应用时还要加上复杂的平衡电路以保证电池组工作时的一致性，这些措施都显著地提高了成本。如果单体电池能够直接满足应用中对电压、电流的需求，例如在手提电脑应用中，如果能提供12V，2Ah的单体电池，这将会给应用带来非常大的便利，而且还可以显著地降低成本，如不需要或降低筛选标准。
发明内容本发明提供一种锂电池装置及制造方法，包括集流极、正负电荷存储材料、电解质、隔膜、外包装等。具体发明是除电池的最外两侧集流极电极分成正负两极且是单独制成的外，中间的集流体采用由低脱出功函数和高脱出功函数导电材料制成的双面导电箔，该集流体的截面如图4所示。正负电荷存储材料分别涂敷在低脱出功函数与高脱出功函数双面导电材料表面上制成电极，此电极的结构如图5所示。上述双面电极用具有离子导通性的电子绝缘隔膜分开制成多层叠层并注入电解液，制成本发明所述的多层对电极片即ABAB式串联电池，该电池的结构如图6所示。该电池的电压是所用电极对数η的整倍数，即nV(正负材料的化学电位差)。在同样容量下，本发明的单元电池具有比通常ABBA式多电极片并联单元电池的电压高、而电流小等优点。在使用上采用本发明的技术，可以采用单体电池即可获得所需电压，而无需像使用公开技术的ABBA型电池那样，要得到高于单体电池的电压，必须采用多个电池组串联。图4-6为本发明电池装置示意图，包括由低脱出功函数材料制成的正集流体10，布置在所述正集流体10上的正极材料锂盐11，由高脱出功函数制成的负集流体14，布置在所述负集流体14上的负极材料13，除电池的最外两侧集流极电极分成正负两极且是单独制成的外，内部集流极都是由10与14两种箔片复合而成的单体电极，布置在所述电极间的多孔绝缘隔膜12，布置在以上所述部件外的包装15(未标出)，布置在以上所述外包装内的电解质16(未标出)等。本发明还公开了一种制造锂电池装置的方法。本发明的目的是提供的一种锂电池装置及制造方法。特别是，本发明的目的是提供一种高电压的锂电池装置及制造方法。本发明是通过以下方案实现的一种高电压电能储放装置，该装置中含有外包装，在外包装内设置正负集流体，在集流体上设置正负电荷存储材料，在电极及电荷存储材料之间设置的多孔绝缘隔膜，在外包装内、以上材料中的电解质。4上述装置所述的集电流电极，除电池的最外两侧集流极电极分成正负两极且是单独制成的外，集流体是由低脱出功函数和高脱出功函数导电材料制成的双面导电箔。上述的装置，所述的双面集流体电极分为正极与负极，由导电材料制成，如铝、铜、银、铁等金属箔；含有以上所述金属的合金箔；镀有铝、铜、银、镍等金属薄膜的非金属膜；至少一面由共轭、非共轭导电聚合物膜制成。上述的装置，其特征在于，所述的正电荷存储材料为锂盐，其含有的锂离子在内、外电路的作用下可以在正负电极间移动。锂盐可以是钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等；磷酸钴锂、磷酸锰锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、硅酸铁锂等已知正极材料；上述材料的混合物。所述锂盐材料涂敷在所述的集流极的正电极上。锂盐材料也可以加入其他功能材料提高其性能。上述的装置，所述的负电荷存储材料为导电性碳材料如无定性碳、石墨、碳纤维钛酸锂、硅合金、锡合金等已知材料，该材料涂敷上集流体的负极表面。无定型碳负极材料也可以加入其他功能材料提高其性能。上述的装置，使用涂敷正、负极材料的集流体电极用上述隔膜隔开，采取绕曲、叠层等制造成电池装置。本发明的积极进步效果在于1、本发明所述的装置，正负集流体电极由低脱出功函数材料与高脱出功函数材料双面箔片复合而成单体电极。2、本发明所述的装置，正负电荷存储材料涂敷在上述复合双面集流体上。3、本发明所述的装置，涂敷正负电荷存储材料的复合双面集流体用隔膜隔开形成内部串联链接，得到的电压是电极对的整倍数。4、本发明所述的装置，集流体、电荷存储材料、隔膜、电解质、生产工艺同公开的生产技术兼容，但不需要制备电极耳和进行电极耳链接。图1公开技术的锂电池结构示意图。图2公开技术的锂电池正电极截面示意图。图3公开技术的锂电池内部电路原理图。图4本发明的锂电池集流体截面示意图。图5本发明的锂电池电极截面示意图。图6本发明的锂电池结构示意图。图7本发明的锂电池内部电路原理图。图8本发明的卷绕型锂电池结构示意图。图9实施例1样品的充电特性曲线。图10实施例1样品的放电特性曲线。图11实施例1样品的充放电循环特性曲线。具体实施例方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。本发明中的上方和下方、前方和后方以说明书附图中的方向为准，但并不是用来对其进行限定。图1-3所述已公开的锂电池装置，图4-8所述本发明的锂电池装置。同公开技术相比，本发明不同之处在于采用的集流体电极由低脱出功函数材料与高脱出功函数材料双面箔片复合而成(除电池的最外两侧集流极电极分成正负两极且是单独制成的外)。所述电极导电箔，由金属、无机、有机或有机无机复合物及辅助性功能材料制成。复合电极分为正极与负极两个面，满足本发明要求的金属导电材料要具有高的电导率，良好的环境稳定性、容易制成高强度薄膜，如铝、铜、铁、镍、钛、银、金等金属箔；以上所述金属合金薄膜而成；金属箔厚度优选的范围在5微米-20毫米，以利于同现有的锂电池生产兼容。导电箔也可以采用是高分子聚合物片镀金属薄膜制成。可选用的高分子材料有聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯氰，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚酰亚胺等，以上聚合物的混合物、共聚物等。可选用镀膜金属有铝、钛、镍、铁、银、铜等。镀膜方法包括真空蒸镀、磁控溅射、化学镀膜等物理与化学方法。导电箔可以采用导电聚合物制成。导电高分子材料包括聚苯及其衍生物，聚芴及其衍生物，聚对苯乙烯撑及其衍生物等，聚乙炔及其衍生物等，聚噻吩及其衍生物，聚吡啶及其衍生物，聚乙烯基吡啶及其衍生物等，以上聚合物的共聚物，以上聚合物的混合物。正电荷存储材料为锂盐，其含有的锂离子在内、外电路的作用下可以在正负电极间移动。锂盐可以是钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等；磷酸钴锂、磷酸锰锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、硅酸铁锂等已知正极材料；上述材料的混合物。所述锂盐颗粒材料在涂敷在所述的双面集流体的正电极表面。锂盐材料也可以加入其他功能材料，提高其性能。负电荷存储材料为导电性碳材料如无定性碳、石墨、碳纤维和钛酸锂等已知材料，该材料涂敷所述的双面集流体的负极表面。无定型碳负极材料也可以加入其他功能材料，提供其性能。上述正负极材料双面涂敷的集流体电极、用隔膜隔开和固体聚合物，采取绕曲、叠层等制造成电池装置。实施例一本实施例中的锂电池装置采用图4-6所示的结构。本实施例设计6V，IAh叠层软包装锂离子电池。正极材料选用磷酸铁锂，容量130mAh/g,负极材料采用MCMB(中间相微碳球)，容量300mAh。两种材料的化学电位差为3.2V。设计6V的单体电池，选用2对A/BA/B电极片。其中最外侧A与B单层电极为单层涂敷，内部BA双面复合电极为双面涂敷。本实施例单层正电极A(10，11)采用20微米的金属铝箔，宽度65mm，长度500mm。单层负电极B(ll，13)采用10微米的金属铜箔，宽度65mm，长度500mm。AB复合电极采用上述AB金属极片用激光焊接链接而成。正极材料磷酸(亚)铁锂，该材料与导电碳黑、粘接剂(PVDF)、溶剂(NMP)按一定比例混合后涂覆在A单电极或AB复合电极的A面上。经干燥、辊压控制正极材料总厚度100微米。负极材料选用MCMB与导电碳黑，该材料与粘结剂(PVDF)、溶剂(NMP)按一定比例混合后涂覆在由B单电极或AB复合电极的B面上。经干燥、辊压且控制负极材料总厚度50微米。在正负极之间填充入电解质，并按A/BA/B顺序折叠装入铝塑复合膜软包装中，在A、B电极片外侧引出电极，经真空封装制成标称容量为IAh的矩形软包锂电池。上述电池经化成(预充放电)后进行充放电循环性能测试，电池充满后的电压为6.4V，容量为1.02Ah。图9是采用本发明方式制作的电池在IC电流倍率下的首次、第100次及第200次的充电曲线。图10是电池在IC电流倍率下的首次、第100次及第200次的放电曲线。图11是电池在IC电流倍率下的充放循环寿命衰减曲线，采用本发明方式制备的电池在IC充放电200次循环下容量衰减小于5%。以上实验结果显示该高压电池具有良好的充放电特性、循环特性。下面对实施例A/BA/B锂电池工作原理进行说明。如图7所示上述锂电池在充电过程中，磷酸(亚)铁锂中的锂在外电动势作用下离开该电极，变成磷酸铁，锂在外电动势与电解质的作用下到达碳材料负极，变成碳锂化合物(CLi6)，磷酸铁锂正极中的锂消耗掉即完成充电过程。正磷酸铁与锂形成的约3.2V的电动势，推动外电路的负载即是电池的放电或工作过程。本实施例锂电池采用的是金属纤维电流集电极，正负电荷储放材料同金属纤维有很大的接触面积，该锂电池可充、放电量都接近理论值，即该电池可在较短时间内充满电，能大电流放电，本发明电池这些特性更适合在功率类产品上的应用如电动工具、电动汽车等。本发明电池在实践上具有制造简单、同现有电池生产兼容、单体电池即可满足应用的电压、容量要求等优点。实施例二本实施例的装置与原理同实施例一基本相同，不同之处在于电池用卷绕方式装入不锈钢壳包装中，制成圆筒形电池(32650型)，其他条件同实施例一相同，如图8所示。实施例三本实施例的装置与原理同实施例一基本相同，不同之处在于AB双面复合电极制作采用的不是激光焊接，而是用铝、铜箔机械压扎而成。实施例四本实施例的装置与原理同实施例一、二基本相同，不同之处在于AB双面复合电极采用20微米铜箔(B)加上0.1微米真空或化学镀铝膜(A)制成。实施例五本实施例的装置与原理同实施例一、二基本相同，不同之处在于AB双面复合电极采用20微米铝箔(A)加上0.1微米真空或化学镀铜膜(B)制成，其他条件同实施例一相同。实施例六本实施例的装置与原理同实施例一至例三基本相同，不同之处在于双面复合电极采用20微米铁或铁合金箔(C)加上一面真空或化学镀铝(A面)0.1微米，另一面真空或化学镀铜(B面)0.1微米，制成ACB双面复合电极，其他条件同实施例一与二相同。实施例七本实施例的装置与原理同实施例一至六基本相同，不同之处在于正极材料由钴酸锂制成。实施例八本实施例的装置与原理同实施例一至六基本相同，不同之处在于正极材料由锰酸锂制成。实施例九本实施例的装置与原理同实施例一至六基本相同，不同之处在于正极选用钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等二元或三元系材料；磷酸钴锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、硅酸铁锂等已知材料一种以上的混合物。实施例十本实施例的装置与原理同实施例一至六基本相同，不同之处在于负极材料选用钛酸锂。实施例i^一本实施例的装置与原理同实施例一至六基本相同，不同之处在于负极材料选用硅合金、锡合金。实施例十二本实施例的装置与原理同以上实施例一、二基本相同，不同之处在于AB复合电极的B为金属锂制成的锂一次电池。本领域技术人员应该理解针对本发明的实施例已经进行了描述，在不脱离本发明的精神和附加权利要求书的范围基础上可以进行各种变化和修改。权利要求1.一种高电位的能量存储装置，其特征在于，该装置中含有外包装，在外包装内设置正负集电流电极(集流体)，在正负集电流电极上设置有电荷存储材料，在正负集电流电极电荷存储材料之间用具有离子导通性的电子绝缘隔膜分开制成多层并注入电解质，或直接使用聚合物固体电解质薄膜隔开并制成多层。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的正负集电流电极含有一种或和一种以上高或低脱出功函数的导电薄膜(箔)，由金属、无机、有机或有机无机复合物制成，除上下或前后最外侧的两个正负电极外，其它集电流电极由上述正负导电薄膜内层连通在外层导电材料上形成双面单体集电流电极。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的导电薄膜由铝、钛、锡、铟、铁、镍、铬、铜、银、金等薄膜制成；含有以上所述金属的合金薄膜而成；镀有铝、钛、锡、铟、铁、镍、铬、铜、银、金等金属薄膜的非金属薄膜而成；共轭或非共轭导电聚合物等薄膜材料而成。4.根据权利要求2、3所述装置，其特征在于，导电薄膜具有高电导率、高机械强度、环境稳定等特性，采用拉伸、压扎、浇注、蒸镀、焊接等方法制造。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的正电荷存储材料为锂盐，其含有的锂离子在内、外电路、锂盐电解液的作用下可以在正负电极间移动，正电荷存储材料是氧化锰、氧化钒、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、钒酸锂、铌酸锂等已知正极材料或其混合物或衍生物，制备在所述的双面导电薄膜中的低脱出功函数金属膜的一面上。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的负电荷存储材料为导电性碳材料如无定性碳、中间相碳微球(MCMB)、石墨、碳纤维、碳纳米管、富勒烯，氧化锡、钛酸锂、硅化物、氮化物等已知材料，设置在所述的双面导电薄膜中的高脱出功函数金属膜的一面上。7.根据权利要求1-6所述的装置，其特征在于，上述双面电极用具有离子导通性的电子绝缘隔膜分开制成多层叠层并注入电解质，或直接使用聚合物固体电解质薄膜隔开，上述多层电极片对按ABAB方式内部串联，使所述能量存储装置的输出电位是每一正负电极对的整数倍；上述多层电极片可以采取绕曲起来制成卷曲式电池或采用叠片方式制成叠片电池。8.根据权利要求1-7所述的装置，其特征在于，该装置含有内置控制电路，能对该装置的电荷储量、温度、开路、短路进行监测和保护。9.根据权利要求1-8所述的装置，其特征在于，该装置应用于无需要配置外电源的设备、工具、仪器、仪表上。全文摘要本发明公开了一种高电位的能量存储装置，其特征在于，该装置中含有外包装，在外包装内设置正负集电流电极(集流体)，在正负集电流电极上设置有电荷存储材料，在正负集电流电极电荷存储材料之间用具有离子导通性的电子绝缘隔膜分开制成多层并注入电解质，或直接使用聚合物固体电解质薄膜隔开并制成多层。本发明还公开了一种制造锂电池装置的方法。文档编号H01M10/0525GK102013512SQ201010153940公开日2011年4月13日申请日期2010年4月22日优先权日2010年4月22日发明者孙润光,汤昊申请人:孙润光,汤昊