CN111740071B - 一种具有电解液促扩散功能的二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池制备技术领域，特别涉及一种具有电解液促扩散功能的二次电池，所述电池包括：电极组件，所述电极组件包括至少两个电极；壳体，所述壳体内部具有容纳电解液的腔体，所述电极组件设置于所述腔体内；电解液促扩散装置，所述电解液促扩散装置能够驱动所述电解液流动。通过本发明提供的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，能够解决现有技术中厚电极设计集流体侧电解液中锂离子在正负极之间传输困难的问题以及厚电极带来的局部发热和散热难的问题。

Description

一种具有电解液促扩散功能的二次电池

技术领域

本发明涉及电池制备技术领域，特别涉及一种具有电解液促扩散功能的二次电池。

背景技术

目前的储能技术主要包括机械储能、化学储能、电磁储能和相变储能。与其它几种方式相比，电化学储能具有使用方便、环境污染少，不受地域限制，在能量转换上不受卡诺循环限制、转化效率高、比能量和比功率高等优点。传统的电化学储能以铅酸电池为主，铅酸电池使用寿命一般在2～3年，根本无法匹配风能和太阳能站的服务寿命。锂离子电池自1991商业化以来，在数码和电动汽车领域发展迅速，并已经占据主导地位。近几年风光发电大力发展极大拉动了储能锂离子电池的发展并提出更多的挑战。

现今生产的储能电站用锂离子电池单体容量基本小于500Ah，维持了3C和EV的设计理念，追求体积和质量能量密度，单体内部贫液，无法实现单体内部监控和维护。储能电站为了达到设计储能容量和电压需要进行大量的串并联工作，需要从单体的几十到上百瓦时，集成到几十到上百兆瓦时，这样就极大的增加了单体电芯的监控成本。单体电池容量太小会降低电芯生产效率。厚电极设计可大幅增加集流体上活性材料负载，大大增加单体电芯容量，降低了非活性组分比率，从而提高电池能量密度，同时降低成本。但是，将电极厚度增加会延长电子和锂离子传输路径，增加了电池阻抗，电池倍率性能和电极反应动力学差，而且电极涂层结合强度低，容易脱落等一系列问题，因此，无限增加电极厚度时，材料利用率降低，电池能量密度反而会降低。

锂离子的传输，包括3个部分：1)锂离子在电解液中的传输过程，特别是集流体侧活性材料中锂离子的分布；2)锂通过SEI膜的扩散过程，受SEI膜成分、厚度等影响；3)锂在电极材料固体颗粒内部的扩散，与原材料的基本特性相关。随着电极厚度的增大，锂离子在电极孔隙中的传输成为电池充放电过程中的决速步骤，因此，现有技术中厚电极设计方案集中于对活性材料层进行改进，例如，如孔径大小及其分布，孔隙连通性，孔隙喉道特征等。针对活性材料的改进又带来了一系列问题，例如，降低了电池能量密度，涂层在集流体上的结合强度大大下降。

鉴于此，提出一种新的思路来解决厚电极设计中的上述问题十分必要。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种具有电解液促扩散功能的二次电池，能够解决现有技术中厚电极设计集流体侧电解液中锂离子在正负极之间传输困难的问题以及厚电极带来的局部发热和散热难的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有电解液促扩散功能的二次电池，所述电池包括：

壳体，所述壳体内具有容纳电解液的腔体；

电极组件，设于所述腔体内，所述电极组件包括至少两个电极，两两相邻的所述电极之间分开形成一间隙；

电解液促扩散装置，用于驱动所述电解液流动。

作为可选的技术方案，所述电解液促扩散装置设于所述壳体的外部；

所述电解液促扩散装置的两端分别通过管道与所述腔体连通；

所述管道包括第一管道和第二管道；

所述第一管道第一端连通所述电解液促扩散装置出口端，所述第一管道第二端连通所述腔体；所述第二管道第一端连通所述腔体，所述第二管道第二端连通所述电解液促扩散装置入口端。

作为可选的技术方案，所述电极根据其表面活性材料极性的不同分为正极极板和负极极板，所述正极极板和所述负极极板按照交叉的方式在所述腔体内沿电极的厚度方向上层叠设置。

作为可选的技术方案，所述电极包括集流体、以及设置在所述集流体至少一个外表面上的含有活性材料的活性材料层；

其中，所述集流体包括：

一夹层空间，配置为容纳电解液；

一集流部，所述集流部具有至少一活性材料设置表面，配置为安置活性材料；

所述活性材料设置表面开设有与所述夹层空间相连通的至少一个通孔，以使所述电解液中的锂离子可通过所述通孔进入所述活性材料和/或所述活性材料中的锂离子可通过所述通孔进入所述电解液；

所述第一管道第二端设于所述夹层空间旁，以使所述电解液促扩散装置能够驱动所述夹层空间内的电解液流动。

作为可选的技术方案，所述集流部包括：

第一集流部和第二集流部，所述第一集流部和所述第二集流部之间分开形成所述夹层空间；

在所述第一集流部上和所述第二集流部上均开设有若干个所述通孔；

所述夹层空间设置有连接所述第一集流部和所述第二集流部的至少一个连接部；

所述连接部包括连接条，所述连接条设置于所述夹层空间的边缘并围合所述夹层空间，使得所述夹层空间在高度方向上封闭；

其中，在电极组件中，所述电极组件为将所有电极采用短管进行首尾串联组成，所述短管设置在所述电极长度方向的端部并连通所述电极的夹层空间，使得两两相邻的电极的所述夹层空间内的电解液可以进行流动，且同一个电极上设置的两根短管在所述电极的长度方向上远离彼此设置；

位于所述电极组件厚度方向一个末端电极的夹层空间连通第一管道第二端，且所述第一管道第二端在该电极的长度方向上远离该电极上设置的短管；所述电极组件厚度方向另一个末端的电极其夹层空间连通第二管道第一端，且所述第二管道第一端在该电极的长度方向上远离该电极上设置的短管。

作为可选的技术方案，当所述电极组件的活性材料层与所述壳体底部所在平面平行时，所述第一管道第二端的垂直高度高于所述第二管道第一端。

作为可选的技术方案，在所述活性材料设置表面上根据是否有通孔分布，分为两个非冲孔区和一个冲孔区，所述冲孔区位于所述集流部长度方向的中部，所述冲孔区的两侧为非冲孔区；所述短管的两端、所述第一管道第二端、所述第二管道第一端设置于所述非冲孔区。

作为可选的技术方案，所述第一管道位于所述腔体内的部分连通有若干根支管道，所述支管道彼此之间相互并接设置于所述第一管道上，所述支管道的数量与所述电极组件中电极的数量相匹配，所述支管道远离所述第一管道的一端设置于所述电极的夹层空间旁，使得所述电解液促扩散装置能够驱动所述电极夹层空间内的电解液进行流动；所述第二管道第一端设置于所述腔体的顶部。

作为可选的技术方案，所述电极组件的活性材料层与所述壳体底部所在平面平行；或所述电极组件的活性材料层与所述壳体底部所在平面垂直。

作为可选的技术方案，所述第一集流部和所述第二集流部相互平行设置；

优选地，所述第一集流部和所述第二集流部均为平面结构；

优选地，所述第一集流部和所述第二集流部为大小和形状相同的矩形结构；

优选地，所述连接部垂直设置于所述第一集流部所在平面。

作为可选的技术方案，所述连接部还包括连接立柱；

优选地，所述连接立柱在所述夹层空间内均匀分布。

作为可选的技术方案，所述间隙的取值范围是0.01-1mm；优选地，所述间隙的取值范围是0.05-0.5mm。

作为可选的技术方案，还包括绝缘框架，所述绝缘框架设置于所述壳体的内部；且所述绝缘框架设置在所述电极组件的外部；

所述绝缘框架的形状按所述电极组件的形状配套设置，所述绝缘框架的两个相对面开设有条状通孔，至少两个的所述电极分别插设在所述绝缘框架的条状通孔内，且所述电极的两端在所述绝缘框架的外部露出。

作为可选的技术方案，还包括正极汇流排和负极汇流排；

所述汇流排具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面设置有至少一导电条用于电连接所述电极的集流部；所述第二表面设置有一凸出的导电板，所述导电板垂直于所述第二表面，所述导电板***所述壳体的侧壁，且所述导电板在所述壳体外部伸出形成正极端子或者负极端子。

作为可选的技术方案，所述汇流排为刚性结构，所述导电条与所述集流部为固定连接，使得所述电极组件和所述绝缘框架能够固定于所述壳体内部。

作为可选的技术方案，所述第一集流部和所述第二集流部均为刚性结构，所述第一集流部和所述第二集流部厚度各自独立的取值范围是0.05-0.5mm；

优选地，所述夹层空间高度的取值范围是0.01-1mm。

作为可选的技术方案，所述活性材料层的厚度的取值范围是0.1-10mm；

优选地，其正极活性材料层厚度的取值范围是0.1-0.5mm；和/或其负极活性材料层厚度的取值范围是0.1-0.4mm。

作为可选的技术方案，所述电池为锂离子电池，优选地，所述锂离子电池的注液系数5.0-20.0；更优选地，所述锂离子电池为磷酸铁锂电池；和/或所述电池为储能***用电池或车用动力电池。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：本申请提供一种具有电解液促扩散功能的二次电池，该电池具有电解液促扩散装置，该电解液促扩散装置能够驱动电池腔体内电解液的流动扩散，通过驱动腔体内电解液的扩散，能够使得正极/负极集聚的局部高浓度锂离子以较快速度和其余部位电解液进行交换，从而提高电池的充放性能，并且能够有效将正极/负极间的热量快速散发除去，减少局部过热带来的危害。进一步地，本申请中，利用短管、第一管道和第二管道的连接，将电池的正极极板的夹层空间和负极极板的夹层空间直接连通，在电解液促扩散装置的作用下，正极极板的夹层空间和负极极板的夹层空间内含高低浓度的电解液将直接发生交换作用，从而加快集流体侧电解液中锂离子在正负极之间的传输。进一步地，本申请通过在两两相邻的电极之间设置间隙，通过间隙的设置能够使得两两相邻的电极之间充满电解液，所述电解液能够对电极上靠近集流体侧活性材料充分的浸润，有效改善厚电极中电解液浸润时间长和润润不均匀带来的反应界面反应活性不均匀及容量发挥低的问题；另外通过间隙中流动的电解液设计还能使整个容器中心部位的热量快速传递到容量边沿部位，有效改善大电芯的散热问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请中实施例提供的一种具有电解液促扩散功能的二次电池的分解示意图；

图2为本申请提供的一种具有电解液促扩散功能的二次电池的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为图2的正视方向内部结构示意图；

图4为图2中绝缘框架的结构示意图；

图5为本申请提供的一种具有电解液促扩散功能的二次电池的另一种具体实施方式的结构示意图；

图6为图5的俯视方向内部结构示意图；

图7为图5中绝缘框架的结构示意图；

图8为本申请提供的一种具有电解液促扩散功能的二次电池的另一种具体实施方式的结构示意图；

图9为汇流排的一个面的结构示意图；

图10为汇流排的另一个面的结构示意图；

图11为本申请实施例所提供的厚电极用集流体C1的结构示意图；

图12为图11中M部分的局部放大图；

图13为本申请实施例所提供的厚电极用集流体C1的半剖结构示意图；

图14为集流体上连接部与通孔布置在一种具体实施例中的结构示意图；

图15为集流体上连接部与通孔布置在另一种具体实施例中的结构示意图；

图16为集流体上连接部与通孔布置在另一种具体实施例中的结构示意图；

图17为集流体上连接部与通孔布置在另一种具体实施例中的结构示意图；

图18为集流体上连接部与通孔布置在另一种具体实施例中的结构示意图；

图19为本申请实施例所提供的电极P1的结构示意图；

图20为集流体上连接部与通孔布置在另一种具体实施例中的结构示意图；

图21为A组、B组和C组电池的循环性能图；

附图标记：电池B1、电极组件Q1、电极P1、正极极板P11、负极极板P12、间隙13、集流体C1、集流部2、第一集流部21、第二集流部22、通孔212、连接部23、连接立柱231、连接条232、活性材料设置表面26、冲孔区261、非冲孔区262、活性材料层3、第一管道43、第二管道44、短管45、支管道46、防漏料层-5、壳体6、腔体61、绝缘框架62、条状孔621、通流孔622、汇流排63、正极汇流排63-1、负极汇流排63-2、第一表面631、第二表面632、导电条633、导电板634、顶板64、安装孔641、侧壁65、侧壁开孔651、抽气口69、夹层空间-7、电解液促扩散装置811、短管91、连接管92、总管道93、支管道94。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

本申请旨在于提供一种具有电解液促扩散功能的二次电池，该二次电池通过采用电解液促扩散装置81，其中的电解液能够在电池的腔体61内循环流动扩散，能够改变传统锂离子电池电解液流动缓慢或几乎不流动的状态，有效降低正负极附近电解液中锂离子浓度差，并且使充放电过程中极板附近的热量扩散至腔体中其他部位防止电池局部过热。本申请提供的一种具有电解液促扩散功能的二次电池结构，适合用于锂离子电池，特别适合具有大、厚电极设计的锂离子电池，非常适合作为储能***用电池或车用动力电池。以下结合附图对本申请进行详细说明。

根据图1-20所示，本申请提供一种具有电解液促扩散功能的二次电池，该电池B1包括壳体6，所述壳体6内部具有容纳电解液的腔体61，电极组件Q1，设于所述腔体61内，所述电极组件Q1包括至少两个电极P1；电解液促扩散装置81，所述电解液促扩散装置81能够驱动所述电解液流动，通过驱动腔体61内电解液的扩散，能够使得正极/负极活性物质周围的电解液浓度保持更加稳定，从而降低浓差极化及提高电池的充放性能，并且能够有效将正极/负极间的热量快速散发出去，减少局部过热带来的危害。进一步，两两相邻的电极P1之间分开形成一间隙13，传统电极组件中两两相邻的电极是通过隔膜紧密贴合的，隔膜的导热系数最低，由于隔膜的存在，使得电池在电极组件厚度方向上的传热非常缓慢，两两相邻的电极之间会聚集大量热量，通过间隙13的设置能够使得两两相邻的电极P1之间充满电解液，电极P1活性材料的热量能够很快的通过间隙13之间的电解液进行传热，电解液扩散装置81则能够使热量更快从间隙13间扩散到电极组件Q1的外部电解液中，从而改善电极P1的散热问题。

根据一些具体的实施方案，为了便于对电解液促扩散装置81进行维护，将所述电解液促扩散装置81设置于所述壳体6的外部；所述电解液促扩散装置81的两端分别通过管道与所述腔体61连通。具体地，所述管道包括第一管道43和第二管道44；所述第一管道43第一端连通所述电解液促扩散装置81出口端，所述第一管道43第二端连通所述腔体61；所述第二管道44第一端连通所述腔体61，所述第二管道44第二端连通所述电解液促扩散装置81入口端。

具体地，例如该电解液促扩散装置81可以是蠕动泵，只要能够驱动腔体61内的电解液进行流动即可。所述电解液促扩散装置81可安装在壳体6的顶板64上，并通过顶板64上的两个安装孔641分别将第一管道43和第二管道44***至腔体61内，使得该电解液促扩散装置81能够接通所述腔体61内的电解液。

根据另一些具体的实施方案，该电极组件Q1包括至少两个电极P1，根据其表面活性材料的极性的不同，电极P1又可分为正极极板P11和负极极板P12，所述正极极板P11和所述负极极板P12按照交叉的方式在所述腔体61内沿电极P1的厚度方向层叠设置。可以理解的是，本文所述的交叉的方式，是指按照一层正极极板P11接着一层负极极板P12的方式，反之亦然，只要使得正极极板P11或负极极板P12不直接与相同极性电极相邻即可。本申请所指的层叠设置是指将电极P1沿某一个方向依次进行排列，并不以此限定两两相邻的电极P1是否需要直接接触。

根据本申请提供的另一种具体实施方式，其涉及所述一种具有电解液促扩散功能的二次电池中电极P1的结构，所述电极P1包括集流体C1；以及设置在集流体C1的至少一个外表面上的含有活性材料的活性材料层3；且所述活性材料层3厚度的取值范围是0.1～10mm，本申请中定义的厚电极是指其电极上活性材料层的厚度大于常规电极，更具体地，本申请定义的厚电极是指其上活性材料层3的厚度大于0.1mm。

在一些较佳的实施方案中，如图19所示，可以在集流体C1的两个外表面均设置活性材料层3提高集流体C1的利用率，所述活性材料层3设置于所述第一集流部21和所述第二集流部22的冲孔区261。活性材料层3可以通过粘接或者涂覆的方式在集流体C1外表面形成，其活性材料层3可以是正极活性材料或者负极活性材料，正极活性材料的应用实例包括能够可逆脱出和嵌入锂离子的化合物，例如具有层状结构的钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂和三元材料；还包括具有尖晶石结构的锂镍锰氧化物和具有橄榄石结构的磷酸铁锂。负极极活性材料的应用实例包括能够嵌入和脱出锂离子碳材料、锂金属、硅和锡。

具体地，本申请中的集流体C1采用创新集流体设计，其包括一夹层空间7，配置为容纳电解液；一集流部2，所述集流部2具有至少一活性材料设置表面26，配置为安置活性材料；其中，所述活性材料设置表面26开设有与所述夹层空间7相连通的至少一个通孔212，以使所述电解液中的锂离子可通过所述通孔212进入所述活性材料和/或所述活性材料中的锂离子可通过所述通孔212进入所述电解液。所述通孔212的大小和形状没有特别的限制，能够使得锂离子通过即可。在较佳的实施方案中，在所述第一集流部21上和所述第二集流部22上均开设有若干个所述通孔212。为了使电解液促扩散装置81能够对所述夹层空间7内的电解液发挥直接作用，所述第一管道43第二端设于所述夹层空间7旁，以使所述电解液促扩散装置81能够驱动所述夹层空间7内的电解液流动。

图11中M部位的局部放大见图12所示，通过图12可以看出，所述集流部2包括第一集流部21和第二集流部22，所述第一集流部21和所述第二集流部22之间分开形成所述夹层空间7；所述夹层空间7边缘或内部设置有连接所述第一集流部21和所述第二集流部22的至少一个连接部23。

根据一些具体的实施方案，为了使得正极极板P11的夹层空间7与负极极板P12的夹层空间7内的锂离子能够直接进行运输交换，其采用的方案如图2-7所示，其采用的集流体C1结构如图20所示，根据图20，其示出了一种集流体C1的结构，所述夹层空间7边缘设置有连接所述第一集流部21和所述第二集流部22的一个连接部23，所述连接部23包括连接条232，所述连接条232设置于所述夹层空间7的边缘并围合所述夹层空间7，使得所述夹层空间7在高度方向上封闭；根据图2-7，其中，在电极组件Q1中，所述电极组件Q1为将所有电极P1采用短管45进行首尾串联组成，所述短管45设置在所述电极P1长度方向的端部并连通所述电极P1的夹层空间7，使得两两相邻的电极P1的所述夹层空间7内的电解液可以进行流动，且同一个电极P1上设置的两根短管45在所述电极P1的长度方向上远离彼此设置；位于所述电极组件Q1厚度方向一个末端电极P1的夹层空间7连通第一管道43第二端，且所述第一管道43第二端在该电极P1的长度方向上远离该电极P1上设置的短管45；所述电极组件Q1厚度方向另一个末端的电极P1其夹层空间7连通第二管道44第一端，且所述第二管道44第一端在该电极P1的长度方向上远离该电极P1上设置的短管45。

以下以锂离子电池的充电过程为例来说明该优选实施例的工作原理，充电时，Li⁺从正极脱出，经过电解质嵌入负极，正极周围的电解液中的锂离子高于平均值，即正极极板P11的夹层空间7以及正极的活性材料层3外表面周围的电解液为富锂状态；负极周围电解液中锂离子低于平均值，即负极极板P12的夹层空间7以及负极的活性材料层3外表面周围的电解液为贫锂状态。正极极板P11的夹层空间7中的锂离子自然运输至负极极板P12的夹层空间7的距离较远，正极极板P11和负极极板P12夹层空间7内电解液的锂离子浓度恢复正常的时间较长；通过短管45将正极极板P11和负极极板P12夹层空间7连通，并利用第一管道43和第二管道44将电解液促扩散装置81和电极组件Q1末端的两个电极P1的夹层空间7连通，当开启电解液促扩散装置81之后，正极极板P11夹层空间7内的高浓度锂电解液和负极极板P12的夹层空间7内的低浓度锂电解液将发生直接接触，正极极板P11夹层空间7和负极极板P12的夹层空间7内的电解液的浓度得到了快速平衡，极大地缩短了正极极板P11夹层空间7和负极极板P12夹层空间7内的电解液恢复平衡的时间，解决了本申请创新集流体厚电极集流体侧电解液中锂离子在正负极之间传输困难的问题。

根据一些优选的实施方案，如图2-4所示为电极组件Q1在腔体61内的一种设置方式，所述电极组件Q1的活性材料层3与所述壳体6底部所在平面平行时活性材料层3在电池使用过程中，所述第一管道43第二端垂直高度高于所述第二管道44第一端，此时，电解液在上下层电极P1之间的流动方向与电解液促扩散装置81产生的驱动力方向一致，电解液促扩散装置81具有的驱动力能够发挥更好的电解液驱动效果。

图3-7所示为电极组件Q1在腔体61内的另一种设置方式，所述电极组件Q1的活性材料层3与所述壳体6底部所在平面垂直，此时活性材料层3在使用过程中对集流体C1不产生垂直集流体C1大面的作用力，能够避免集流体C1在使用过程中变形或折断。

根据另一些具体的实施方案，如图8所示，所述第一管道43位于所述腔体61内的部分连通有若干根支管道46，所述支管道46彼此之间相互并接设置于所述第一管道43上，所述支管道46的数量与所述电极组件Q1中电极P1的数量相匹配，所述支管道46远离所述第一管道43的一端设置于所述电极P1的夹层空间7旁，使得所述电解液促扩散装置81能够驱动所述电极P1夹层空间7内的电解液进行流动；所述第二管道44第一端设置于所述腔体61的顶部。该设计方式中，利用电解液促扩散装置81加快各电极P1夹层空间7内的电解液与电极组件Q1四周电解液的交换，缩短腔体61内锂离子浓度恢复到正常状态所需要的时间，从而提高电池的充放性能。

以下以锂离子电池的充电过程为例来说明该优选实施例的工作原理，充电时，Li⁺从正极脱出，经过电解质嵌入负极，正极周围的电解液中的锂离子高于平均值，即正极极板P11的夹层空间7以及正极的活性材料层3外表面周围的电解液为富锂状态；负极周围电解液中锂离子低于平均值，即负极极板P12的夹层空间7以及负极的活性材料层3外表面周围的电解液为贫锂状态。正极极板P11的夹层空间7中的锂离子自然运输至负极极板P12的夹层空间7的距离较远，正极极板P11和负极极板P12夹层空间7内电解液的锂离子浓度恢复正常的时间较长；通过电解液促扩散装置81的作用，能够驱动正极极板P11夹层空间7中高浓度锂离子电解液排出夹层空间7，正极极板P11周围的电解液补充进夹层空间7，在正极极板P11夹层空间7电解液锂离子浓度快速平衡的时候，其中的热量也得到了散发。相应地，负极极板P12夹层空间7内低浓度锂离子电解液的锂离子浓度也将快速得到平衡。

以下对本申请涉及的集流体C1中的结构作进一步描述，图11-20示出了集流体C1的结构：

在本申请中，该连接部23与第一集流部21和第二集流部22可采用一体成型铸造工艺或者采用折弯工艺制作。此外，所述第一集流部21上和所述第二集流部22上均开设有允许锂离子通过的若干通孔212，保证至少部分所述通孔212与所述夹层空间7相连通保证集流部2侧的活性材料中的锂离子能够通过通孔212进出夹层空间7内。

本申请提供的创新集流体C1与现有技术中常规的集流体相比，其集流体C1具有夹层空间7，在装配的电池使用中，其夹层空间7内充满了电解液，相比传统锂离子电池的贫液状态，其集流体C1内为富液状态，其表面开设的通孔212与中间的夹层空间7连通后形成独特的锂离子运输通道，锂离子运输距离减半，以第一集流部21为例，涂覆活性材料后，位于第一集流部21侧的活性材料中的锂离子可通过通孔212和夹层空间7之间的通道流动至电解液中，能够显著缩短锂离子在活性材料颗粒中的运输距离的一半，改变了常规技术中，集流部侧的活性材料锂离子运输路径长的问题，且夹层空间7设计，改变了传统锂离子电池贫液状态，活性材料能够得到很好的浸润，提高了锂离子在活性材料中的扩散速度，通过设置电解液促扩散装置，能够提高锂离子在电解液中的扩散速度，基于此，能够实现电池的厚电极设计。

根据本申请的一种具体实施方案，如图20所示，在所述集流部2的活性材料设置表面26上根据是否有通孔212分布分为两个非冲孔区262和一个冲孔区261，所述冲孔区261位于所述集流部2长度方向的中部，所述冲孔区261的两侧为非冲孔区262；并且，最好集流部2的两个外表面均采用上述设计利于降低非活性材料比例。所述短管45和所述第一管道43和第二管道44设置于所述非冲孔区262。所述冲孔区261为矩形区域，所述冲孔区261长度L₁为所述第一集流部21长度L的1/2-4/5。

作为一种具体的实施方案，为了便于大批量制作集流体C1并便于后续的活性材料的设置，本申请附图11-12示出的集流体C1中，所述第一集流部21和所述第二集流部22之间采用上下平行设置；所述第一集流部21和所述第二集流部22均为平面结构；所述第一集流部21和所述第二集流部22为大小和形状相同的矩形结构；所述连接部23垂直设置于所述第一集流部21所在平面。

作为一种具体的实施方案，为了使制作的集流体C1能够保证其中的夹层空间7在使用过程中其容量相对稳定，并利于进行活性材料的设置，所述第一集流部21和所述第二集流部22均为刚性结构，所述第一集流部21和所述第二集流部22厚度各自独立的取值范围是0.05-0.5mm。

所述第一集流部21和所述第二集流部22其材料没有特别的限制，只要其不在制造的一种具有电解液促扩散功能的二次电池中造成化学变化且具有高导电性即可，当其作为正极集流体使用时，其材质可由不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳或者用碳、镍、钛、银等表面处理过的铝或不锈钢制成。另外，可以包括膜、片、箔、网、多孔结构、泡沫和无纺布的各种形式中的任何形式使用的集流体。当其作为负极集流体使用时，其材质可以由铜、不锈钢、铝、镍、钛、烧结碳、用碳、镍、钛或银表面处理过的铜或不锈钢，和铝-镉合金制成。另外，可以以包括膜、片、箔、网、多孔结构、泡沫和无纺布的各种形式中任何形式使用的集流体。

在本申请中，设置连接部23能够有效将第一集流部21和第二集流部22分开，维持夹层空间7的容量和形状相对稳定，更重要的，连接部23能够有效提升集流部2的刚度，所述连接部23材质没有特别的限制，能够与集流部之间进行固定连接并具有一定的刚度即可，其形状可以是针状、棒状、柱状、长条状、片状等任意形状，其截面形状可以是圆形、星形以及多边形等。

以下对连接部23的结构进行详细描述，作为连接第一集流部21和所述第二集流部22的连接部23，该连接部23通过将第一集流部21和所述第二集流部22进行固定连接，能够大大提高集流体的刚性度，该连接部23与第一集流部21和所述第二集流部22之间可采用铸造、粘接、焊接或者折弯等工艺设计制作，所述连接部23可以是连接立柱231和/或连接条232，其中，连接部23在夹层空间7内的分布方法可以采用规则或者不规则的分布方式，所述连接立柱231的横截面可以是圆形和多边形等，所述连接条232的形成为长条状，连接条232的长度的取值范围是集流部2宽度的1/4倍至1倍。

以下结合附图14-18以及20进行分别说明：作为一种具体的实施方案，如图14或15所示，其采用的连接部23为连接立柱231，其横截面为圆形，所述连接立柱231在所述夹层空间7内均匀分布，作为另一种实施方案，如图16所示，其连接部23包括和连接条232和连接立柱231，其中连接立柱231在夹层空间7的中部(覆盖活性材料的部分)均匀分布，所述连接条232为设置于所述夹层空间7的左右两侧的外缘的两根，两根所述连接条232分别将所述第一集流部21和所述第二集流部22的左右两侧固定连接。作为另一种实施方案，如图17所示，其连接部23为连接条232，所述连接条232在夹层空间7的长度方向上均匀分布。如图18所示，其连接部23为长度不同的连接条232，位于两侧的连接条232选择集流体等宽，中部的连接条的长度可采用上下交叉的方式排布，使所得集流体在保持较好的刚度情况下，相比图17中的集流体，其内部的电解液可以在集流体长度方向上更好的流通。图20所示集流体的作用在上文已经阐述，此处不做过多的赘述。

以下对通孔212的设置进行详细描述，根据图11所示，在所述集流部2的活性材料设置表面26上根据是否有通孔212分布分为两个非冲孔区262和一个冲孔区261，所述冲孔区261位于所述集流部2长度方向的中部，所述冲孔区261的两侧为非冲孔区262；并且，最好集流部2的两个外表面均采用上述设计利于降低非活性材料比例。所述冲孔区261为矩形区域，所述冲孔区261长度L₁为所述第一集流部21长度L的1/2-4/5。

通孔212在所述第一集流部21表面或者第二集流部22的表面可以采用规则分布或者不规则分布，通孔的形状包括但不限于圆形、星形、椭圆形、半圆形以及任何一种多边形等，以圆形较好。

作为一种具体的实施方式，在图14-15中，若干个所述通孔212在所述冲孔区261呈矩形阵列式分布，图14和图15示出了两种矩形阵列式分布方式，且以图15所示分布方式更佳；同样地，图中所述连接立柱231在所述夹层空间7呈矩形阵列式分布；所述通孔212与所述连接部23在所述冲孔区261错开排布。

作为一种具体的实施方式，所述集流体C1的孔隙率为40-80％，可以理解的是，孔隙率是指集流体涂覆活性材料所在面的开孔面积和总面积的百分比。其孔隙率过小，则活性材料中靠近集流体表面的部分与夹层空间7中的电解液接触面过小，影响此部分活性材料中锂离子的移动，若孔隙率过大，则集流体的刚性不足。所述第一集流部21上或者第二集流部22所述通孔212内径的取值范围为0.001-10mm，较佳地，所述通孔212内径的取值范围是0.05-0.5mm。

当通孔212内径较小时，其表面涂覆的活性材料不易通过通孔脱落，无需增加防漏料层5。通孔212内径设置的较大时，通孔212上的活性材料存在脱落风险，则需要增加一层防漏料层5。防漏料层5可以设置在第一集流部21和/或第二集流部22内表面或者外表面。其大小至少覆盖集流体C1上的冲孔区261；防漏料层5的材质，能够使得锂离子通过即可，其材料的具体选择包括但不限于膜、片、箔、网、多孔结构、泡沫、无纺布、带微孔的箔材或者隔膜，其中，以带微孔的箔材或者隔膜较优。

作为一种较佳的实施方案，如图19所示，所述第一集流部21上的冲孔区261的内表面复合有防漏料层5，所述第二集流部22上的冲孔区261的内表面复合有防漏料层5。将防漏料层5设置在第一集流部21/第二集流部22的内表面的优点在于，防漏料层5不但能够起到阻止通孔212内活性材料的脱落，还能与通孔212共同在第一集流部21/第二集流部22的外表面形成多个内凹的圆槽，圆槽内可填充活性材料，从而降低电极非活性材料的比例，还能够增强活性材料与第一集流部21/第二集流部22的结合力。

根据一些具体实施的实施方案，如图3，6或8所示，两两相邻的电极P1之间分开形成一间隙13，通过间隙13的设置能够使得两两相邻的电极P1之间充满电解液，这与传统的电池中相邻的电极间彼此贴合设置的方式是不同的，传统电池中，两两相邻的极板间，其活性材料层是紧密贴合在一起的，其电池体系为贫液状态，电解液在两两相邻的极板间以及活性材料层内部是通过毛细作用进行扩散的，电解液对活性材料的浸润完全度较差，这种浸润差的情况在厚电极中尤为突出。本申请通过在两两相邻的电极P1之间设置间隙13，通过间隙13的设置能够使得两两相邻的电极P1之间充满电解液，电解液能够对电极P1上活性材料充分的浸润，有效改善电解液浸润差和浸润不均匀带来的反应界面反应活性不均匀的问题；间隙13的设计还能有效改善电极P1的散热问题。

优选地，所述间隙13的高度取值范围是，间隙13高度过大，则电池内设置的电极P1的数量越少则活性材料占比过小，同时也会加大正负极之间锂离子的扩散距离；若间隙13的高度过小，则相邻电极P1之间能够容纳的电解液的体积过小，浓差极化严重。

为了便于对电极组件Q1的安装并控制上述间隙13的高度，所述二次电池还可包括绝缘框架62，图3-4以及6-7示出了所述绝缘框架62的结构，所述绝缘框架62设置于所述壳体6的内部；且所述绝缘框架62设置在所述电极组件Q1的外部；所述绝缘框架62的形状按所述电极组件Q1的形状对应设置，所述绝缘框架62的两个相对面开设有条状通孔621，至少两个的所述电极P1分别插设在所述绝缘框架62的条状通孔621内，且所述电极P1的两端在所述绝缘框架62的外部露出。所述绝缘框架62上还开设有便于电解液流通的通流孔622。所述绝缘框架62的材质，宜选择质轻、强度大，对电解液不发生作用且绝缘的材质。在两两相邻的电极P1之间可根据需要设置隔膜(图中未示出)，所述隔膜采用绝缘框架62进行固定即可。

为了将正极极板P11和负极极板P12的电流汇集，该电池还包括正极汇流排63-1和负极汇流排63-2；如图9-10所示，所述汇流排63具有相对的第一表面631和第二表面632，所述第一表面631设置有至少一导电条633用于电连接所述电极P1的集流部2；所述第二表面632设置有一凸出的导电板634，所述导电板634垂直于所述第二表面632，所述导电板634***所述壳体6的侧壁65的侧壁开孔651中，且所述导电板634在所述壳体6外部伸出形成正极端子或者负极端子从而导出电流。

作为一种较佳的实施方案，所述汇流排63为刚性结构，所述导电条633与所述集流部2为固定连接例如焊接加工的方式，使得所述电极组件Q1和所述绝缘框架62能够固定于所述电池B1壳体6内部。在本申请中，绝缘框架62与壳体6之间可不直接产生作用力，绝缘框架62通过电极组件Q1的作用力设置在腔体61内。

本申请提供的上述一种具有电解液促扩散功能的二次电池结构，非常适合作为锂离子电池，本发明电池结构尤其适合注液系数5.0-20.0的锂离子电池；优选地，所述锂离子电池为磷酸铁锂电池；和/或所述电池为储能***用电池或车用动力电池。

常规集流体制作的电池，其单面正极厚度一般是60-80μm，负极厚度一般是55-65μm。在本申请中，其集流体C1具有夹层空间7，其表面开设的通孔212与中间的夹层空间7连通后形成独特的锂离子运输通道，锂离子运输距离减半，因此，单纯从锂离子扩散路径上看，采用本申请的集流体，在活性材料层3厚度增加至常规厚度的两倍时可以保证电池的各项电化学性能不降低。与此同时，本申请的集流体在装配成电池使用后，其夹层空间7内充满了电解液，相比传统锂离子电池的贫液状态，其集流体内为富液状态，能够进一步综合提升电池的各项性能，最终，其电极厚度(即活性材料层3的厚度)能够达到常规集流体电池的4-6倍，以下通过试验证明当电极厚度达到常规厚度的6倍时，其电池性能的测试数据。

试验分三组，按下述条件分别制备电池并测试不同倍率放电容量、能量效率和循环性能数据：

试验分组：

A组：传统集流体，正极13um铝箔，负极8um铜箔，单面正极活性物质厚度为72.5um，负极54.0um；

B组：传统集流体，正极13um铝箔，负极8um铜箔，单面正极活性物质厚度为435um，负极324um；

C组：使用本申请集流体，其中：

正极：集流体1 0.2mm铝板，60％圆孔，圆孔直径0.5mm；集流体2 0.2mm铝板，60％圆孔，圆孔直径0.5mm，集流体1和2间距0.1mm；单面正极活性物质厚度为435um；

负极：集流体1 0.15mm铜板，70％圆孔，圆孔直径0.8mm；集流体2 0.15mm铜板，70％圆孔，圆孔直径0.8mm，集流体1和2间距0.1mm)，负极活性材料涂覆厚度为324um；

以上A、B、C三组电池设计容量都为4100mAh，详细设计如表1所示：

表1三组电池详细参数配置

将以上三组电池，分别在0.33-3C的放电倍率下进行放电容量和充放能量效率测试，结果见表2：

表2不同倍率放电容量及能量效率

由上表2可以看出，B组在不同倍率下的放电容量和1C充放能量效率上看，均低于A组，且大倍率下，其放电容量降低幅度有增大的趋势，在0.33C倍率下，其放电容量相比A组降低6.1％，在3C倍率下，其放电容量相比A组降低了9.9％，在1C倍率下其充放能量效率相比A组降低2.5％；可见，采用常规集流体制作厚电极会导致电池的放电容量和充放能量效率下降。

从不同倍率下的放电容量和1C充放能量效率上看，在0.33C-1C倍率下，C组的放电容量以及1C充放能量效率略低，随着倍率增加，在2C和3C倍率下，C组的放电容量高于A组，因此，从充放电性能上看，C组与A组总体持平，均明显优于B组。

综上可见，在正/负极活性物质涂覆厚度相同的情况下，与常规集流体相比，采用本申请提供的集流体其放电容量在0.33C-3C倍率下的放电容量以及1C充放能量效率均能够有效提升，达到了常规薄电极的电池充放电性能，且在高放电倍率下，其电池充放电性能更优。

在温度为25摄氏度下测试0.5C/0.5C循环性能，结果见图10所示，图10显示，B组电池的容量保持率随着循环圈数增多下降较快，在循环圈数为461次时其容量保持率为80％；A组和C组电池的容量保持率随着循环圈数增多下降趋势较B组更慢，且C组的电池循环性能测试结果好于A组。

可见，B组采用常规集流体高厚度涂覆正/负极活性物质会使得电池容量随循环次数增加电池容量衰减较快，降低电池的循环寿命，采用本申请的集流体6倍厚度涂覆正/负极活性物质没有使得电池的循环性能下降。

本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims (25)

1.一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述电池包括：

壳体，所述壳体内具有容纳电解液的腔体；

电极组件，设于所述腔体内，所述电极组件包括至少两个电极，两两相邻的所述电极之间分开形成一间隙；

电解液促扩散装置，用于驱动所述电解液流动；

所述电解液促扩散装置设于所述壳体的外部；

所述电解液促扩散装置的两端分别通过管道与所述腔体连通；

所述管道包括第一管道和第二管道；

所述第一管道第一端连通所述电解液促扩散装置出口端，所述第一管道第二端连通所述腔体；所述第二管道第一端连通所述腔体，所述第二管道第二端连通所述电解液促扩散装置入口端；

所述电极包括集流体、以及设置在所述集流体至少一个外表面上的含有活性材料的活性材料层；

其中，所述集流体包括：

一夹层空间，配置为容纳电解液；

一集流部，所述集流部具有至少一活性材料设置表面，配置为安置活性材料；

所述活性材料设置表面开设有与所述夹层空间相连通的至少一个通孔，以使所述电解液中的锂离子可通过所述通孔进入所述活性材料和/或所述活性材料中的锂离子可通过所述通孔进入所述电解液；

所述第一管道第二端设于所述夹层空间旁，以使所述电解液促扩散装置能够驱动所述夹层空间内的电解液流动；

所述集流部包括：

第一集流部和第二集流部，所述第一集流部和所述第二集流部之间分开形成所述夹层空间；

在所述第一集流部上和所述第二集流部上均开设有若干个所述通孔；

所述夹层空间设置有连接所述第一集流部和所述第二集流部的至少一个连接部；

所述连接部包括连接条，所述连接条设置于所述夹层空间的边缘并围合所述夹层空间，使得所述夹层空间在高度方向上封闭；

其中，在电极组件中，所述电极组件为将所有电极采用短管进行首尾串联组成，所述短管设置在所述电极长度方向的端部并连通所述电极的夹层空间，使得两两相邻的电极的所述夹层空间内的电解液可以进行流动，且同一个电极上设置的两根短管在所述电极的长度方向上远离彼此设置；

位于所述电极组件厚度方向一个末端电极的夹层空间连通第一管道第二端，且所述第一管道第二端在该电极的长度方向上远离该电极上设置的短管；所述电极组件厚度方向另一个末端的电极其夹层空间连通第二管道第一端，且所述第二管道第一端在该电极的长度方向上远离该电极上设置的短管。

2.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述电极根据其表面活性材料极性的不同分为正极极板和负极极板，所述正极极板和所述负极极板按照交叉的方式在所述腔体内沿电极的厚度方向上层叠设置。

3.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，当所述电极组件的活性材料层与壳体底部所在平面平行时，所述第一管道第二端的垂直高度高于所述第二管道第一端。

4.根据权利要求1或3所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，在所述活性材料设置表面上根据是否有通孔分布，分为两个非冲孔区和一个冲孔区，所述冲孔区位于所述集流部长度方向的中部，所述冲孔区的两侧为非冲孔区；所述短管的两端、所述第一管道第二端、所述第二管道第一端设置于所述非冲孔区。

5.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述第一管道位于所述腔体内的部分连通有若干根支管道，所述支管道彼此之间相互并接设置于所述第一管道上，所述支管道的数量与所述电极组件中电极的数量相匹配，所述支管道远离所述第一管道的一端设置于所述电极的夹层空间旁，使得所述电解液促扩散装置能够驱动所述电极夹层空间内的电解液进行流动；所述第二管道第一端设置于所述腔体的顶部。

6.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述电极组件的活性材料层与壳体底部所在平面平行；或所述电极组件的活性材料层与所述壳体底部所在平面垂直。

7.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述第一集流部和所述第二集流部相互平行设置。

8.根据权利要求7所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述第一集流部和所述第二集流部均为平面结构。

9.根据权利要求7所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述第一集流部和所述第二集流部为大小和形状相同的矩形结构。

10.根据权利要求7所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述连接部垂直设置于所述第一集流部所在平面。

11.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述连接部还包括连接立柱。

12.根据权利要求11所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述连接立柱在所述夹层空间内均匀分布。

13.根据权利要求1-3,5-12任一项所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述间隙的取值范围是0.01-1mm。

14.根据权利要求13所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述间隙的取值范围是0.05-0.5mm。

15.根据权利要求13所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，还包括绝缘框架，所述绝缘框架设置于所述壳体的内部；且所述绝缘框架设置在所述电极组件的外部；

所述绝缘框架的形状按所述电极组件的形状配套设置，所述绝缘框架的两个相对面开设有条状通孔，至少两个的所述电极分别插设在所述绝缘框架的条状通孔内，且所述电极的两端在所述绝缘框架的外部露出。

16.根据权利要求15所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，还包括正极汇流排和负极汇流排；

所述汇流排具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面设置有至少一导电条用于电连接所述电极的集流部；所述第二表面设置有一凸出的导电板，所述导电板垂直于所述第二表面，所述导电板***所述壳体的侧壁，且所述导电板在所述壳体外部伸出形成正极端子或者负极端子。

17.根据权利要求16所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述汇流排为刚性结构，所述导电条与所述集流部为固定连接，使得所述电极组件和所述绝缘框架能够固定于所述壳体内部。

18.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述第一集流部和所述第二集流部均为刚性结构，所述第一集流部和所述第二集流部厚度各自独立的取值范围是0.05-0.5mm。

19.根据权利要求18所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述夹层空间高度的取值范围是0.01-1mm。

20.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述活性材料层的厚度的取值范围是0.1-10mm。

21.根据权利要求1所述的一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，其正极活性材料层厚度的取值范围是0.1-0.5mm；和/或其负极活性材料层厚度的取值范围是0.1-0.4mm。

22.根据权利要求1所述一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述电池为锂离子电池。

23.根据权利要求22所述一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述锂离子电池的注液系数5.0-20.0。

24.根据权利要求23所述一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述锂离子电池为磷酸铁锂电池。

25.根据权利要求23所述一种具有电解液促扩散功能的二次电池，其特征在于，所述电池为储能***用电池或车用动力电池。

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