一种热均衡式双极性电池堆的制作方法

本发明涉及电池领域，具体地涉及一种双极性电池。

背景技术：

双极性电池的电池堆由两个单极性电极片、若干个双极性电极片、隔离层和电解液组成。双极性电极片是指在双极板两侧分别涂覆正极材料层和负极材料层后具有两个极性的电极片，单极性单极片是指在单极板一侧涂覆正极材料层或负极材料层后具有单极性的电极片。由于双极性电池堆的电池单元由电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板构成，每个电池单元都具有独立的电化学结构，因而可以通过增加双极性电极片的数量来增加电池单元的个数，进而提高电池的总体电压。双极性电池具有电池单元之间电阻能耗小、电极表面电流和电位分布均匀、电池充放电速度快等优势，因此适用于电动汽车、电力储能等领域。

双极性电池堆为了满足应用需求，需要堆叠若干个电极片以提高电池堆的工作电压。但是，电极片层叠数量越多，电池堆中间区域的电池单元的热量就越无法尽快散出，因此容易引发电池堆热失控，造成安全事故；另外，电池堆中间区域的电池单元与侧边区域的电池单元之间存在温度梯度，特别在大倍率充放电过程中，电池堆内电池单元之间的温度不均衡现象更加严重，进而使得电池单元之间不一致的问题更加突出，电池堆长时间工作在温度不均匀的环境中，将降低电池堆性能，缩短电池堆寿命。

技术实现要素：

针对以上存在的问题，本发明提供一种热均衡式双极性电池堆，在该热均衡式双极性电池堆的全部或部分电极片中，电极片的电极板从电极片的绝缘密封框的边缘向外延伸，从而形成能够与周围环境进行热交换的翅片状的电极板热交换部，因此可以实现双极性电池堆的冷却、加热以及热均衡。

本发明提供的技术方案如下：

根据本发明提供一种热均衡式双极性电池堆，该热均衡式双极性电池堆包括隔离层以及设有电极板、电极材料层和绝缘密封框的电极片。电极片分为双极性电极片和单极性电极片，两个单极性电极片分别设置于多个双极性电极片的整体两侧，电极片按照不同极性的电极材料层相对放置的顺序上下串联层叠，隔离层设置于相邻的电极片之间，绝缘密封框围绕电极片的电极板的四周边缘设置。其中，热均衡式双极性电池堆中的各个电极片可以为第一电极片或第二电极片，第一电极片的绝缘密封框完全包绕第一电极片的电极板的四周边缘，第二电极片的电极板从绝缘密封框的一个或多个侧面伸出从而形成能够与周围环境进行热交换的翅片状的电极板热交换部，第一电极片的数量≥0，第二电极片的数量≥1。在绝缘密封框为一体成型的结构时，可以在绝缘密封框的侧面上形成沟槽，第二电极片的电极板可以从沟槽向外引出；在绝缘密封框为分体结构时，可以将分体结构的绝缘密封框分别固定连接于第二电极片的电极板的两侧，将第二电极片的电极板的电极板热交换部置于绝缘密封框边缘的外侧。电极板热交换部可以从绝缘密封框的一个或多个侧面伸出，优选地电极板热交换部从绝缘密封框的一组相对侧面或两组相对侧面(即，全部四个侧面)伸出。

热均衡式双极性电池堆中的电极片可以全部为第二电极片，从而在每两个相邻的第二电极片的电极板热交换部之间形成间隔空间。另外，在热均衡式双极性电池堆的全部电极片中，也可以在每两个相邻的第二电极片之间设有至少一个第一电极片，从而在每两个相邻的第二电极片的电极板热交换部之间形成间隔空间。也就是说，在热均衡式双极性电池堆中，可以设有第一电极片或者可以不设有第一电极片，但是需设有至少一个第二电极片。在每两个第二电极片之间的第一电极片的数量大于等于零。通过在热均衡式双极性电池堆中有序地设置第二电极片，可以将第二电极片的电极板热交换部与绝缘导热材料、换热介质、相变材料、换热流体等接触，从而能够很好地控制双极性电池堆内电极板热交换部温度的一致性，进而有效地控制各个电池单元温度的一致性。第二电极片的电极板的厚度可以大于等于第一电极片的电极板的厚度。优选地，第二电极片的电极板的厚度大于第一电极片的电极板的厚度，这样在保证散热的情况下同时可以减轻电池重量。

为了防止相邻的电极板热交换部发生导电接触，同时为了提高电极板热交换部的强度和结构稳定性，热均衡式双极性电池堆还可以包括支撑体，支撑体能够对第二电极片的电极板热交换部进行支撑并且将相邻的电极板热交换部进行绝缘隔离。例如，在位于热均衡式双极性电池堆相对两侧的间隔空间中，多个支撑体可以分别设置于全部的间隔空间中；或者，在位于热均衡式双极性电池堆相对两侧的间隔空间中，多个支撑体可以以上下交错的方式分别设置于相对两侧的间隔空间中；或者，在位于热均衡式双极性电池堆相对两侧的间隔空间中，多个支撑体可以以左右对称的方式分别设置于相对两侧的间隔空间中。当第二电极片的电极板热交换部从第二电极片的相对的两个侧面伸出时，支撑体可以沿着双极性电池堆的相对两侧填充于间隔空间中；当第二电极片的电极板热交换部从第二电极片的四个侧面伸出时，支撑体可以分别沿着双极性电池堆的两组相对侧面以相同或不同的方式填充于间隔空间中。在双极性电池堆的每组相对的侧面中，支撑体可以填充全部的间隔空间，或者以上下错开的方式填充部分间隔空间，或者以左右相互对称的方式填充部分间隔空间。

支撑体可以为多孔绝缘支撑体，多孔绝缘支撑体能够部分地或完全地填充间隔空间，其中，多孔绝缘支撑体可以由内芯和包覆层构成，内芯的材料优选地为导热多孔材料，包覆层的材料优选地为绝缘导热材料；或者其中，多孔绝缘支撑体可以全部由多孔的绝缘导热材料制成。通过多孔绝缘支撑体，既可以对电极板热交换部之间进行绝缘，又可以对电极板热交换部进行热量传导，从而使得各个电极板热交换部之间的温度均衡一致。导热多孔材料可以为泡沫铝、泡沫铜、泡沫石墨等中的一种或几种组合，绝缘导热材料可以为导热有机复合材料、绝缘导热硅胶和氧化铝等中的一种或几种组合。由于在多孔支撑体中存在孔洞，因此可以在多孔支撑体中注入相变材料，相变材料可以为蜂蜡、聚乙二醇(例如聚乙二醇1000)、月桂酸、正十八烷、六水溴化锶、醋酸钠、三水合醋酸钠、溴化锶和卤化金属等中的一种或几种混合，通过相变材料可以利用其相变过程吸收电池内部产生的热量，并且在周围环境温度降低时释放热量以减小电池内部的温度变化率，保证电池温度的均匀性。另外，也可以在多孔支撑体中注入传热介质，通过传热介质可以提高电极板热交换部的传热效率。传热介质可以为水、乙二醇、烃类导热油、硅基导热油和二卞基甲苯导热油等中的一种或几种混合。

支撑体也可以为无孔绝缘支撑体，无孔绝缘支撑体与电极板热交换部接触部分的面积小于电极板热交换部的表面积，无孔绝缘支撑体的材料可以为绝缘材料。绝缘材料可以为聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、cpp(流延聚丙烯)和硅胶等中的一种或几种组合。也就是说，无孔绝缘支撑体主要起到支撑电极板热交换部以及将相邻的电极板热交换部进行绝缘隔离的作用。无孔绝缘支撑体具有与电极板热交换部相互接触的部分，该部分的面积应小于电极板热交换部的表面积，从而使得电极板热交换部上的与无孔绝缘支撑体非接触的部分可以与周围环境进行热交换。因此，无孔绝缘支撑体的形状和结构不受到限制，只要其上下端面的表面积小于电极板热交换部的表面积即可。

为了保证相邻的电极板热交换部之间的电绝缘，还可以在第二电极片的电极板热交换部的表面上设有绝缘层，绝缘层的材料可以为绝缘导热材料。绝缘导热材料可以为导热有机复合材料、绝缘导热硅胶和氧化铝等中的一种或几种组合。通过由绝缘导热材料制成的绝缘层，既可以保证相邻的电极板热交换部之间的电绝缘，又可以确保电极板热交换部与周围环境之间的热交换。绝缘层可以以涂覆、浸渍、包覆、套接、阳极氧化等方式设置于电极板热交换部上。

在双极性电池堆中，由于电池堆的有效导热系数较低，在电池持续工作条件下会导致电池堆上下表面温度低而芯部温度高，电池堆内温度梯度过大会使电池内部的电化学反应不一致，影响电池性能与寿命。因此，可在热均衡式双极性电池堆的单极性电极片的电极板的外侧设置覆盖层，通过覆盖层能够协调热均衡式双极性电池堆的位于中部的电极片与位于两侧的电极片的传热热阻，从而使得各个电极片的温度达到均匀。覆盖层的材料可以为陶瓷、玻璃、塑料、有机树脂和石棉等中的一种或几种。

热均衡式双极性电池堆还可以包括外壳，串联层叠的电极片可以容置于外壳中，在外壳中能够注入传热介质或相变材料。传热介质可以为水、乙二醇、烃类导热油、硅基导热油和二卞基甲苯导热油等中的一种或几种混合。相变材料可以为蜂蜡、聚乙二醇、月桂酸、正十八烷、、六水溴化锶、醋酸钠、三水合醋酸钠、溴化锶和卤化金属等中的一种或几种组合。通过外壳中的传热介质/相变材料与电极板热交换部的导热接触，可以使得各个电极板热交换部之间的温度达到均衡。

另外，在外壳上可设有注入端口和排出端口。通过经由注入端口和排出端口持续注入和排出传热流体能够保持外壳内的传热流体的温度，传热流体可以为空气、氮气、氦气、惰性气体、水、乙二醇、水与乙二醇混合液、无锂盐电解液(即，电解液溶剂，例如碳酸乙烯酯(ec)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸甲乙酯(emc)等)、电解液、烃类导热油、硅基导热油和二卞基甲苯导热油等中的一种或几种混合。通过利用传热流体对双极性电池堆进行加热，可以提高双极性电池堆的低温性能；通过利用传热流体对双极性电池堆进行冷却，可以提高双极性电池堆的安全性能。

本发明的优势在于：

1)在双极性电池堆内设有第二电极片，第二电极片的电极板从绝缘密封框的一个或多个侧面伸出从而形成能够与周围环境进行热交换的翅片状的电极板热交换部，电极板热交换部通过与绝缘导热材料、换热介质、相变材料、换热流体等接触，能够很好地控制双极性电池堆内电极板热交换部温度的一致性，进而有效地控制各电池单元温度的一致性，提高电池堆倍率特性、循环寿命和能量利用率。

2)双极性电池堆的外壳内设有导热流体，导热流体与电极板热交换部接触，通过控制导热流体的温度，能够有效地控制电极板热交换部的温度，进而达到加热或冷却电池堆的目的。

3)基于电极板热交换部的双极性电池堆，既能够有效地为双极性电池堆提供加热、冷却功能，又能够保证双极性电池堆内各个电池单元温度的一致性，结构简单、性能良好。

附图说明

图1为根据本发明的热均衡式双极性电池堆的立体示意图；

图2为根据本发明的热均衡式双极性电池堆的第二电极片的截面示意图；

图3为根据本发明的热均衡式双极性电池堆的第二电极片的立体示意图，其中，图3(a)和图3(b)分别示出了第二电极片的不同示例；

图4为根据本发明第一实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图；

图5为根据本发明第二实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图；

图6为根据本发明的热均衡式双极性电池堆的无孔绝缘支撑体的示意图；

图7为根据本发明第三实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图，其中，图7(a)和图7(b)示出了多孔绝缘支撑体的不同设置形式；

图8为根据本发明第四实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图，其中，图8(a)和图8(b)分别示出了绝缘层；

图9为根据本发明第五实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图，其中，图9(a)和图9(b)分别示出了热均衡式双极性电池堆的分解图和组装图；

图10为根据本发明第六实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图，其中，图10(a)和图10(b)分别示出了热均衡式双极性电池堆的分解图和组装图。

附图标记列表

1——固定板

2a——正极极柱

2b——负极极柱

3a——第一电极片

3b——第二电极片

4a——双极性电极片

401——双极板

4b——单极性电极片

402——单极板

5——电极板热交换部

6——正极材料层

7——负极材料层

8——绝缘密封框

801——沟槽

9——隔离层

10——电池单元

11——覆盖层

12——间隔空间

13a——无孔绝缘支撑体

13b——多孔绝缘支撑体

14——绝缘层

15a——顶盖

15b——下壳体

15c——中部开口

15d——注入端口

15e——排出端口

具体实施方式

下面将结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

图1为根据本发明的热均衡式双极性电池堆的立体示意图。热均衡式双极性电池堆包括多个串联层叠的电极片，在电极片上设有翅片状的电极板热交换部5。在多个电极片的上下两侧分别设有固定板1，固定板可以起到提高双极性电池堆的强度的作用。正极极柱2a和负极极柱2b分别从两侧的固定板引出。通过螺栓和螺母进行紧固，从而完成整个热均衡式双极性电池堆的组装。

图2为根据本发明的热均衡式双极性电池堆的第二电极片的截面示意图。第二电极片可包括双极板401、正极材料层6、负极材料层7和绝缘密封框8。绝缘密封框8固定连接于双极板401，从而将双极板401分别位于绝缘密封框8外侧的电极板热交换部5以及位于绝缘密封框8内侧的部分，正极材料层6和负极材料层7分别涂覆于双极板401上的位于绝缘密封框8内侧的部分。

图3为根据本发明的热均衡式双极性电池堆的电极片的立体示意图，其中，图3(a)和图3(b)分别示出了第二电极片的不同示例。在图3(a)中，绝缘密封框为一体结构，在绝缘密封框8的相对侧面上设有沟槽801，双极板从绝缘密封框8的沟槽801中伸出从而形成电极板热交换部5。在图3(b)中，绝缘密封框为分体结构，分体结构的绝缘密封框从双极板的上下两侧相对应地固定于双极板上。双极板的尺寸大于绝缘密封框8的尺寸，位于绝缘密封框8外侧的双极板的部分即为双极板热交换部5。

图4为根据本发明第一实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图。在双极性电池堆中包括位于上侧和下侧的单极性电极片4b以及置于两个单极性电极片4b之间的多个双极性电极片4a。单极性电极片4b设有单极板402、涂覆于单极板一侧的单极性电极材料层以及设置于单极性电极片的四周边缘的绝缘密封框。双极性电极片4a设有双极板401、涂覆于双极板两侧的正极材料层和负极材料层以及设置于双极性电极片的四周边缘的绝缘密封框。以不同极性的电极材料层相对放置的顺序将电极片进行串联叠置，在不同极性的材料层之间设置有隔离层9，由一电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板构成电池单元10。该实施方式中的单极性电极片4b和双极性电极片4a均为设有电极板热交换部5的第二电极片。也就是说，单极板和双极板全部设有电极板热交换部5，电极板热交换部5从绝缘密封框的边缘伸出，从而完成电极板与周围环境的热交换。在单极性电极片4b的外侧设有覆盖层11，覆盖层11覆盖于单极性电极片4b的单极板402上，从而可以避免双极性电池堆两侧的传热效率高于双极性电池堆中部的传热效率的问题。覆盖层11的材料为塑料。

图5为根据本发明第二实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图。在图5所示的热均衡式双极性电池堆中，全部电极片均为设有电极板热交换部的第二电极片，在相邻的两个电极板热交换部之间形成有间隔空间12，在各个间隔空间12中分别设有由聚四氟乙烯制成的无孔绝缘支撑体13a。在图6中示出了无孔绝缘支撑体的示意图，其中，无孔绝缘支撑体13a的形状为中空长方体，其高度大约等于间隔空间的高度，其与电极板热交换部5接触部分的面积s2(由图6中网格线部分所示)小于电极板热交换部5的表面积s1(由图6中斜线部分所示)。

图7为根据本发明第三实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图。在图7所示的热均衡式双极性电池堆中，全部电极片均为设有电极板热交换部的第二电极片，在相邻的两个电极板热交换部之间形成有间隔空间12，其中，图7(a)和图7(b)示出了多孔绝缘支撑体的不同设置形式。多孔绝缘支撑体13b的内芯由泡沫铝制成，多孔绝缘支撑体13b的包覆层由氧化铝陶瓷制成。多孔绝缘支撑体13b可以完全填满整个间隔空间12。在图7(a)所示的示例中，在双极性电池堆的相对侧面上，多孔绝缘支撑体13b分别在两侧以上下交错的方式设置于间隔空间12中；在图7(b)所示的示例中，在双极性电池堆的相对侧面上，多孔绝缘支撑体13b分别在两侧以左右对称的方式设置于间隔空间12中。

图8为根据本发明第四实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图。在图8(a)所示的热均衡式双极性电池堆中，两个单极性电极片为不设有电极板热交换部的第一电极片3a，全部双极性电极片为设有电极板热交换部的第二电极片3b。在电极板热交换部5上包覆一层绝缘层14，绝缘层14的材料采用绝缘导热硅胶。在图8(b)所示的热均衡式双极性电池堆中，两个单极性电极片为不设有电极板热交换部的第一电极片3a，双极性电极片分为不设有电极板热交换部的第一电极片3a和设有电极板热交换部的第二电极片3b。在双极性电极片中，第一电极片3a和第二电极片3b交替布置，换句话说，在两个第一电极片3a之间设有一个第二电极片3b。在电极板热交换部5上包覆一层绝缘层14，绝缘层的材料采用氧化铝陶瓷。

图9为根据本发明第五实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图，其中，图9(a)和图9(b)分别示出了热均衡式双极性电池堆的分解图和组装图。在该实施方式中，热均衡式双极性电池堆还包括外壳，外壳由顶盖15a和下壳体15b构成。顶盖15a可以为具有中部开口15c的回形板，在将电极柱和紧固螺栓从回形板的中部开口15c中引出后，将回形板的中部开口15c的内边缘与双极性电池堆的顶部的固定板1密封连接。在下壳体15b的底面上也可设有中部开口，在将电极柱和紧固螺栓从下壳体15b的底面上的中部开口中引出后，将中部开口的内边缘与双极性电池堆的底部的固定板密封连接。在外壳内可容置硅基导热油，使得硅基导热油与电极板热交换部进行热量交换。

图10为根据本发明第六实施方式的热均衡式双极性电池堆的截面示意图，其中，图10(a)和图10(b)分别示出了热均衡式双极性电池堆的分解图和组装图。图10所示的外壳与图9所示的外壳的区别在于，在图10所示的外壳的下壳体15b上还设有注入端口15d和排出端口15e，通过注入端口15d和排出端口15e可以向外壳内注入传热流体以及将外壳内的传热流体排出，传热流体例如可以为经过加热或冷却的氮气。

本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。