CN101847745B - 低内阻储能器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低内阻储能器件及其制造方法。该储能器件的极片制造时的集流体留有一定的空白边沿，芯包由正、负极片、隔膜、组成，其正负极的集流体分别从芯包两端伸出；储能器件芯包的正负极集流体采用透壁焊接的工艺分别焊接在带有引出接线柱的正负极端板上；本方法适合的储能器件包括由电化学原理进行储能的器件和由物理原理进行储能的器件，如锂离子电池、超级电容器、双电层电容器、电容电池、大功率电池等。能够大幅度降低储能器件极耳的引出电阻，提高其功率性能；不用过渡极耳，进一步提高了储能器件内部空间的利用率，使储能器件的体积功率密度、体积能量密度更高；与铆接和压接相比，激光焊接有利于进一步提高器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能器件制造领域，具体涉及一种低内阻储能器件及其制造方法。
背景技术
电源是各种电路都不可缺少的重要部分。在没有市电的情况下，只有采取将电能存储的方式才能满足电路使用，因此各种储能器件是移动用电***的重要组成部分，其性能直接关系到移动用电器的使用寿命、功率特性等重要指标。
目前储能器件有一次电池、二次电池、超级电容器等。一次电池不可充电，无法反复使用，综合使用成本高。二次电池可反复充放电，是目前许多移动用电器的首选储能器件；目前，常见二次电池有：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、超级电容器等。铅酸电池、镍镉电池有铅、镉重金属的污染，正逐步被世界各国限制使用；由于镍的价格不断上涨，镍氢电池的性价比也在不断下降。锂离子电池和超级电容器是近年来出现的新型储能器件，具有明显的性能优势。锂离子电池能量密度高，但功率密度较低，寿命较短(1000次左右)；超级电容器寿命长(可达10万次以上)，功率密度大，但能量密度较低。
电动汽车、脉冲电源等装置都对其储能器件的功率性能提出了更高的要求。在提高储能器件功率性能方面，可以考虑的措施有：①改善电极材料配方，提高电极的功率能力；②改进电解液，减小电阻；③改善电极的极耳引出方式，减少接触电阻。在改善电极配方和改进电解液方面，许多研究者进行了大量研究，也取得了较大进展。当电极电阻和电解液电阻都降低到一定程度后，电极极耳的引出电阻在整个储能器件总电阻中就逐渐上升到重要位置；即需要改进电极极耳引出结构才能进一步降低储能器件的总电阻，才能达到进一步提高储能器件功率性能的目的。但在电极的引出方式上，虽然也有一些改进，但进展不大，如：(1)将极耳用超声波或刺铆的方式焊接在正负极集流体上，再将极耳焊接在端板的金属连接片上，这种连接方式焊接次数多，需在器件内部预留极耳和连接片空间；(2)在电极片上焊接多个极耳，将多个极耳焊接在一个小金属板上，金属板通过卡簧结构与端板连接，这种方式对卡簧的制造精度要求高，并易引起接触不良；(3)电极片上焊接极耳，在芯包的心部留一个孔，用点焊机通过该孔将芯包的一个电极极耳焊接在壳的底部，另一极用点焊机将极耳焊接在端板上，这种方式仍然要用极耳，焊点少，内阻仍较大。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术在电极引出技术上存在的不足，提供一种低内阻储能器件及其该器件的制造方法，从而使储能器件的内阻减小、体积减小、体积功率密度提高、体积能量密度提高。
为实现上述目的本发明提供一种新的储能器件，即该器件电极极耳的引出方法及结构，采用激光透壁焊接的方式，直接将储能器件的正负极集流体分别焊接在正负极端板上，该方法非常有利于降低储能器件的内阻，提高其功率性能。本发明采取以下技术方案：一种低内阻储能器件，包括器件壳体、置于壳体内的芯包和正、负极端板，其特征是：芯包由带有正极集流体的正极极片、隔膜和带有负极集流体的负极极片组成并用卷绕方式制造，储能器件的正、负极片制造时的集流体至少一边留有空白边沿，正、负极集流体分别从芯包两端伸出，该正负极集流体用激光焊接机采用透壁焊接工艺分别直接焊接在带有引出接线柱的正负极端板上；所述的储能器件包括由电化学原理进行储能的器件和由物理原理进行储能的器件。
本方法适合的储能器件包括由电化学原理进行储能的器件和由物理原理进行储能的器件，如锂离子电池、超级电容器、混合电容器、电化学电容器、双电层电容器、电容电池、大功率电池等。
本发明所述的正负极集流体的材质为铝箔、铝合金箔、镁箔、镁合金箔、铜箔、铜合金箔、镍箔、镍合金箔、不锈钢箔中的至少1种。
本发明所述的正负极端板上至少其中的一个设有用于加注电解液的注液孔；正负极端板上设有与其成一体的金属接线柱，接线柱可采用螺栓型接线柱、铆接型接线柱、焊接型接线柱中的一种；正负极集流体分别用金属材料并采用激光透壁焊接工艺焊接在带有引出接线柱的正负极端板内面，端板与芯包集流体焊接处可设有厚度较小的焊接凹槽，以有利于实施激光透壁焊接。
本发明所述正负极端板的制造材料是铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、镍、镍合金、不锈钢中的至少1种。所述的正负极端板中的其中一个端板可以与储能器件外壳制造为一体；另一个端板的外沿设有绝缘材料；该绝缘材料可以是橡胶、塑料中的一种或它们的复合材料。在芯包的端部还可以放置环形的塑料或橡胶类绝缘材料，以防止芯包正负极短路；芯包设计结构为圆柱形或长方体形。
根据上述结构，本发明提供一种制造低内阻储能器件的方法，其特征是该储能器件采用下述方法制备：
1)浆料配制涂布：将配制好的正极浆料均匀地涂在铝箔集流体上、负极浆料涂在铜箔集流体上，并使集流体的至少一边留有空白边沿；
2)极片轧制分切：用对辊轧机将涂好电极材料的正负电极片分别轧制为更加密实的极片，用分切机将轧制好的极片分切成适当大小，并使集流体至少在一边保留有未涂电极材料的空白边沿；
3)卷绕芯包、装壳：将正负电极片与隔膜一起卷绕制成芯包，并使正负极的集流体分别向芯包两端伸出，再将芯包放入与下端板成一体的外壳中，将上端板盖上，使上、下端板的内面与芯包两端的集流体接触良好，并用旋封机将上端板封在外壳上；
4)焊接：用激光焊接机采用透壁焊接工艺从端板的外面将芯包两端伸出的正、负集流体焊接在正负极端板内面；
5)干燥：将焊接好的制品放入100～120℃的真空干燥箱烘干10～48小时，使芯包中的水份从注液孔挥发；
6)注电解液：在真空条件下，从端板的注液孔向已干燥好的制品中注入电解液，注好后将外壳上的注液孔暂时封闭；
7)老练、封口：将注液的制品放于电池老练机上(也称化成设备)，其正负极分别与老练机的正负极相连接，用老练机进行老练6～8小时后，用不锈钢钢珠将注液孔封闭。
本发明的特点是：由于采用激光透壁焊接的方式直接将储能器件的正负极集流体分别焊接在正负极端板上，因此不用过渡极耳，能够大幅度降低储能器件极耳的引出电阻，提高其功率性能；进一步提高了储能器件内部空间的利用率，从而使储能器件的内阻减小、体积减小，使储能器件的体积功率密度、体积能量密度更高；体积功率密度提高、体积能量密度更高。与铆接和压接相比，激光焊接焊点多、焊接可靠，有利于进一步提高器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明两边留有空白边沿的集流体结构示意图。
图2为一边未涂电极材料留有空白边沿的集流体结构示意图。
图3为芯包剖面示意图。
图4为储能器件壳体示意图。
图5为端板俯视图。
图6为端板纵截面图。
图7为本发明器件整体剖面示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进行详细说明，同时提供对比例说明本发明的效果。下面的例子只是符合本发明技术内容的几个实例，并不说明本发明仅限于下述实例所述的内容，本行业中的技术人员依照本发明权利要求项制造的产品均属本发明内容。
实施例1：
①正极浆料配制(以重量计)：将商业化的锂离子电池用锰酸锂95％，导电炭黑2％，商用锂离子电池粘结剂L135(3％)以及总量为上述固体样总量5倍的水，在真空行星搅拌机内混合8小时形成均匀的浆料。
②负极浆料配制(以重量计)：将商业化锂离子电池用人造石墨91％，导电炭黑2％，粘结剂SBR(5％)、CMC(2％)以及总量为上述固体样总量3.8倍的去离子水，在真空行星搅拌机内混合8小时形成均匀的浆料。
③浆料涂布：用涂布机分别将上述配制好的正极浆料均匀地涂在铝箔集流体上、负极浆料涂在铜箔集流体上，并使集流体1两边分别留有10mm的空白边沿12，如图1所示，图中的2表示涂覆的电极材料。
④极片轧制：用对辊轧机将涂好电极材料2(如图1所示)的正负电极片分别轧制为更加密实的极片，以进一步增加结合强度、减小电阻。
⑤极片分切：用分切机将上步轧制好极片分切成适当大小，并使集流体1在一边保留有空白边沿12，即在集流体1一边留有一定的宽度不涂电极材料，如图2所示。
⑥卷绕芯包、装壳：将极片与商用锂离子电池隔膜3一起卷绕成圆柱形芯包10，并使正极的集流体1a、负极的集流体1b分别向芯包两端伸出，其芯包剖面如图3所示；将芯包10放入设计好的外壳4中，外壳的结构如图4所示，外壳4与下端板7为一体；再将上端板6(如图5、图6所示)盖上，上端板的外沿设有绝缘材料8，使上、下端板(6、7)的内面与芯包10两端的正负极的集流体(1a、1b)接触良好，并用旋封机将上端板6封在外壳4上；
⑦焊接：正负极端板上设有与其成一体的金属接线柱5，正负极集流体分别焊接在带有引出接线柱5的正负极端板内面，方法是使用激光焊接机11采用透壁焊接工艺从端板的外面将芯包的正、负集流体(1a、1b)焊接在上、下端板的内面，如图7所示。
⑧干燥：将焊接好的制品放入120℃的真空干燥箱烘干36小时，使芯包10中的水份从注液孔9中挥发。
⑨注电解液：在真空下，从端板的注液孔9向已干燥好的制品中注入锂离子电池商用电解液，电解液注好后，用透明胶带将外壳上的注液孔暂时封上。
⑩老练、封口：将注液的制品放于电池老练机上(也称化成设备)，其正负极分别与老练机的正负极相连，启动老练机进行老练，老练8小时后用不锈钢钢珠将注液孔9封闭。
对比例1：
①正极浆料配制：同实施例1的第①步。
②负极浆料配制：同实施例1的第②步。
③浆料涂布：用涂布机分别将上述配制好的正极浆料均匀地涂在铝箔集流体上、负极浆料涂在铜箔集流体上，并利用涂布机的间隙涂布功能使每隔830mm就留15mm宽的间隙不涂电极浆料，以便后步焊极耳。
④极片轧制：同实施例1的第④步。
⑤极片分切、极耳焊接：用分切机将上步轧制好极片分切成适当大小，并将宽度为10mm的极耳用超声波焊接在极片涂布的间隙处。
⑥卷绕芯包、装壳：将焊好极耳的极片与商用锂离子电池隔膜一起卷绕成圆柱形芯包；将芯包放入商用锂离子电池长方体形不锈钢外壳中。
⑦焊接：用超声波焊机将极耳与商用锂离子电池端板的极耳连接片焊接在一起，再用激光焊接机将电池的端板与电池外壳焊接在一起。
⑧干燥：同实施例1的第⑧步。
⑨注电解液：同实施例1的第⑨步。
⑩老练、封口：同实施例1的第⑩步。
实施例2：
①正极浆料配制(以重量计)：将商业化的有机超级电容器用活性炭85％，导电炭黑8％，商用锂离子电池粘结剂L133(7％)以及总量为上述固体样总量5倍的水，在真空行星搅拌机内混合8小时形成均匀的浆料。
②负极浆料配制：与实施例2的第①步相同。
③浆料涂布：与实施例1的第③步相同。
④极片轧制：与实施例1的第④步相同。
⑤极片分切：与实施例1的第⑤步相同。
⑥卷绕芯包、装壳：与实施例1的第⑥步相同。
⑦焊接：与实施例1的第⑦步相同。
⑧干燥：与实施例1的第⑧步相同。
⑨注电解液：在真空下，从端板的工艺孔向已干燥好的制品中注入有机超级电容器商用电解液(1M Et4NBF4溶剂为乙腈)，电解液注好后，用不锈钢珠将端板上的注液孔封上。
⑩老练、封口：将注液的制品放于超级电容器老练设备上，其正负极分别与超级电容器老练机的正负极相连，启动老练机进行老练，老练8小时后进行检测。
对比例2：
①正极浆料配制：同实施例2的第①步。
②负极浆料配制：同实施例2的第②步。
③浆料涂布：同对比例1的第③步。
④极片轧制：同实施例1的第④步。
⑤极片分切、极耳焊接：同对比例1的第⑤步。
⑥卷绕芯包、装壳：同实施例1的第⑥步。
⑦焊接：同对比例1的第⑦步。
⑧干燥：同实施例2的第⑧步。
⑨注电解液：同实施例2的第⑨步。
⑩老练、封口：同实施例2的第⑩步。
实施例3：
①正极浆料配制(以重量计)：将商业化的锂离子电池用磷酸亚铁锂85％，活性炭7.5％，导电炭黑0.5％，粘结剂SBR(5％)、CMC(2％)以及总量为上述固体样总量3.8倍的去离子水，在真空行星搅拌机内混合8小时形成均匀的浆料。
②负极浆料配制(以重量计)：将商业化的锂离子电池用中间相碳微球85％，导电炭黑10％，商用有机超级电容器活性炭0.5％，商用锂离子电池粘结剂L135(4.5％)以及总量为上述固体样总量5倍的水，在真空行星搅拌机内混合8小时形成均匀的浆料。
③浆料涂布：与实施例1的第③步相同。
④极片轧制：与实施例1的第④步相同。
⑤极片分切：与实施例1的第⑤步相同。
⑥卷绕为芯包、装壳：与实施例1的第⑥步相同。
⑦焊接：与实施例1的第⑦步相同。
⑧干燥：与实施例1的第⑧步相同。
⑨注电解液：在真空下，从端板的注液孔向已干燥好的制品中注入电解液，电解液组成：
溶剂为碳酸乙异丙酯含量30％、碳酸甲丁酯含量40％、二甲氧甲烷20％、四氢呋喃10％；溶质LiPF6(其重量为溶剂总重的10％)、LiBF4(为溶剂总重的5％)；电解液注好后，用透明胶带将外壳上的注液孔暂时封上。
⑩老练、封口：与实施例1的第⑩步相同。
检测：用电池充放电测试仪对制成的混合超级电容器进行测试，以1C进行充放电，其放电容量为22.5Ah，直流内阻为2.7mΩ。
对比例3：
①正极浆料配制：同实施例3的第①步。
②负极浆料配制：同实施例3的第②步。
③浆料涂布：同对比例1的第③步。
④极片轧制：同实施例3的第④步。
⑤极片分切、极耳焊接：同对比例1的第⑤步。
⑥卷绕芯包、装壳：同实施例3的第⑥步。
⑦焊接：同对比例1的第⑦步。
⑧干燥：同实施例3的第⑧步。
⑨注电解液：同实施例3的第⑨步。
⑩老练、封口：同实施例3的第⑩步。
Claims (1)
1.一种低内阻储能器件，包括由电化学原理进行储能和由物理原理进行储能的器件，该低内阻储能器件包括壳体、置于壳体内的芯包和正、负极端板，正、负极端板上设有与其成一体的金属接线柱，芯包由带有正极集流体的正极极片、隔膜和带有负极集流体的负极极片组成并用卷绕方式制造，储能器件的正、负极片制造时的集流体至少一边留有空白边沿，其特征是：正、负电极片与隔膜一起卷绕制成的芯包置入与下端板成一体的外壳中，并使正、负极集流体分别向芯包两端伸出，上端板封在外壳上，使上、下端板的内面与芯包两端的集流体接触良好； 用激光焊接机采用透壁焊接工艺从端板的外面将芯包的正、负集流体分别焊接在带有引出接线柱的上、下端板的内面。
2、根据权利要求1所述的低内阻储能器件，其特征在于：该储能器件为锂离子电池、超级电容器、混合电容器、电容电池。
3、根据权利要求1所述的低内阻储能器件，其特征在于：所述的正、负极集流体的材质为铝箔、铝合金箔、镁箔、镁合金箔、铜箔、铜合金箔、镍箔、镍合金箔、不锈钢箔中的至少1种。
4、根据权利要求1所述的低内阻储能器件，其特征在于：所述的正、负极端板上至少其中的一个设有用于加注电解液的注液孔；端板与集流体焊接处设有焊接凹槽。
5、根据权利要求1所述的低内阻储能器件，其特征还在于：所述的正、负极端板中的其中一个端板与储能器件外壳制造为一体；另一个端板的外沿设有绝缘材料；在芯包的端部还放置环形的绝缘材料。
6、根据权利要求1或5所述的低内阻储能器件，其特征在于：所述的正、负极端板的制造材料是铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金、镍、镍合金、不锈钢中的至少1种。
7、根据权利要求5所述的低内阻储能器件，其特征在于：所述的绝缘材料是橡胶、塑料中的一种或它们的复合材料。
8、根据权利要求1所述的低内阻储能器件，其特征在于：所述的芯包为圆柱形或长方体形。
9、根据权利要求1所述的低内阻储能器件，其特征在于：所述的接线柱为螺栓型接线柱、铆接型接线柱、焊接型接线柱中的一种。
10、一种如权利要求1～9任一项所述低内阻储能器件的制造方法，其特征在于该储能器件采用下述方法制备：
1）浆料配制涂布：将配制好的正极浆料均匀地涂在铝箔集流体上，负极浆料涂在铜箔集流体上，并使集流体的至少一边留有空白边沿；
2）极片轧制分切：用对辊轧机将涂好电极材料的正、负电极片分别轧制为更加密实的极片，用分切机将轧制好的极片分切成适当大小，并使集流体至少在一边保留有未涂电极材料的空白边沿；
3）卷绕芯包、装壳：将正、负电极片与隔膜一起卷绕制成芯包，并使正、负极集流体分别向芯包两端伸出，再将芯包置入与下端板成一体的外壳中，将上端板盖上，使上、下端板的内面与芯包两端的集流体接触良好，并用旋封机将上端板封在外壳上；
4）焊接：用激光焊接机采用透壁焊接工艺从端板的外面将芯包两端伸出的正、负集流体焊接在正、负极端板内面；
5）干燥：将焊接好的制品放入100～120℃的真空干燥箱烘干10～48小时，使芯包中的水份从注液孔挥发；
6）注电解液：在真空下，从端板的注液孔向已干燥好的制品中注入电解液，注好后将外壳上的注液孔暂时封闭；
7）老练、封口：将注液的制品放于电池老练机上，其正、负极分别与老练机的正负极相连接，用老练机进行老练6～8小时后，用不锈钢钢珠将注液孔封闭。
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