CN111916777B - 一种轻量化贫液结构的盐水电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化贫液结构的盐水电池，包括封装膜和密封在其内的电芯；所述电芯由浸润过电解液的一体化电极片和隔膜按照Z字型叠加组装而成，所述一体化电极片由集流体基体和负载在其上下表面的电极活性物质层组成；所述集流体基体采用金属集流体基体或非金属集流体基体，所述金属集流体基体的厚度为0.01～2.0mm；所述非金属集流体基体的厚度为0.5～5.0mm；所述电极活性物质层的厚度为0～3mm；所述隔膜的厚度为0.2～5mm；所述电解液中添加降低固液界面的表面张力的表面活性剂。本发明的轻量化贫液结构的盐水电池，可以有效减轻电池的重量。

Description

一种轻量化贫液结构的盐水电池

技术领域

本发明涉及一种轻量化贫液结构的盐水电池。

背景技术

规模储能技术是新能源推广和能源革命的基础，是国家能源战略需求布局的重要组成部分，对国家能源结构优化和电网安全稳定运行具有重要作用。电化学储能电池由于高转化效率、组装灵活、不受地理环境约束等优点，成为储能技术的研究热点，应用逐渐从示范开始商业化运营。规模储能技术面临“低成本、长寿命、高安全、易回收”的研发应用目标，加快技术瓶颈突破和新技术探索尤为必要。基于有机电解液的锂离子电池发展已相当成熟，广泛地应用到便携式移动电子设备、电动汽车、以及各类高比能用途场景中。但作为规模集成储能应用(1MWh级以上规模)，受到单体电池一致性和集成控制难度等影响，近年在全球发生一系列储能***和电站安全(燃烧)事故。规模储能由于投资较大、运维周期长等特点，电池本质的安全性受到越来越多的重视，也是目前储能电池规模推广急需解决的难题。采用水性电解液的储能电池一般具有较高的安全性。如铅酸电池，其发展已经有150年的历史，但存在环境污染、寿命短等问题。近几年，基于水性电解液(pH呈中性)的盐水储能电池引起了研究者的广泛关注，该技术的一个主要特征为电解质体系偏中性，较为环保，此外，其正负极通过离子嵌脱电化学反应或者混合反应储存电量，存在较少的不可逆反应。根据电解质中迁移离子的种类分为锂离子、钠离子、钾离子、锌离子、钙离子和铝离子等或者混合离子体系，匹配相应的正负极材料组成不同体系的盐水电池，如水系钠离子电池、水系锌离子电池或水系钙离子电池等。

常规的盐水电池的结构由正负极活性物质和隔膜组成的电池单元、密封的电池壳和充斥在壳体中的电解液组成。电解液一般为无机盐水溶液，由于受到无机盐溶解度和电池隔膜吸液率的限制，电解液为富液状态，过量的电解液负载增加了电池的质量和体积使得非活性物质的质量占比较高，在同样输出能量的情况下，电池的质量较重。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种轻量化贫液结构的盐水电池，可以有效减轻电池的重量，提升电池的质量比能量和体积比能量。

实现上述目的的技术方案是：一种轻量化贫液结构的盐水电池，包括封装膜和密封在其内的电芯；所述电芯由浸润过电解液的一体化电极片和隔膜按照Z字型叠加组装而成，所述一体化电极片由集流体基体和负载在其上下表面的电极活性物质层组成；

所述集流体基体采用金属集流体基体或非金属集流体基体，所述金属集流体基体的厚度为0.01～2.0mm；所述非金属集流体基体的厚度为0.5～5.0mm；

所述电极活性物质层的厚度为0～3mm；

所述隔膜的厚度为0.2～5mm。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，所述电极活性物质层通过拉浆、流延、涂布或模压工艺负载在所述集流体基体上，并通过多次磙压增加所述活性物质层和集流体基体的接触。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，其特征在于，所述一体化电极片包括一体化正极电极片和一体化负极电极片，所述电极活性物质层包括正极活性物质层和负极活性物质层；

所述一体化正极电极片由集流体基体和负载在其上下表面的正极活性物质层组成；

所述一体化负极电极片由集流体基体和负载在其上下表面的负极活性物质层组成；

所述电芯由浸润过电解液的一体化负极电极片、隔膜和一体化正极电极片按照Z字型叠加组装而成。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，所述金属集流体基体的材质包括但不限于铝箔、铜箔、镍带、锌带、铁带和不锈钢带中的至少一种；

所述金属集流体基体的形状采用箔、编制网、冲刺网、冲孔网、栅板、毡或泡沫；

所述非金属集流体基体采用包括但不限于柔性石墨、碳布、碳毡、泡沫碳、浸渍石墨和碳纤维布的至少一种；

所述隔膜采用包括但不限于玻璃纤维隔膜、聚合物隔膜、凝胶态隔膜和纤维无纺布中的至少一种。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，所述隔膜的宽度尺寸为所述一体化电极片的宽度尺寸的105～110％。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，所述封装膜采用铝塑膜或聚合物-金属复合层叠膜。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，所述电解液采用无机盐水溶液，所述无机盐水溶液中无机盐的阳离子包括钠离子、锂离子、锌离子、锰离子、钾离子、铝离子和镁离子中的至少一种，阴离子包括硫酸根、磷酸根、氢氧根、醋酸根、硝酸根或高氯酸根中的至少一种；

所述电解液中添加表面活性剂，且所述电解液中表面活性剂的质量分数为0.01～5％；所述表面活性剂采用阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂、非离子表面活性剂或有机溶剂。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，所述阴离子表面活性剂包括但不限于硬脂酸类、高级脂肪醇或磺酸化物；

所述阳离子表面活性剂包括但不限于季铵化物；

所述两性离子表面活性剂包括但不限于卵磷脂；

所述非离子表面活性剂包括但不限于聚氧乙烯型或多元醇型；

所述有机溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇或正丁醇。

上述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其中，采用“浸润-叠片-封装”的装配工序装配单个的盐水电池即单体电池，先用浸润过电解液的一体化电极和隔膜进行叠片装配电芯，然后将装配好的电芯采用封装膜进行密封形成单体电池，使用时根据电芯的不同能量或功率需求对单体电池进行串并联连接。

本发明的轻量化贫液结构的盐水电池，具有以下优点：

(1)一体化电极片是电极活性物质和集流体的紧密结合体，大大减少了电池内部的接触阻抗，利于实现电池组的大倍率输出；

(2)封装膜(铝塑膜)包装的轻重量和电解液用量的精确计算可大大提高电池中的活性物质质量占比，不但构紧凑，并且极大减轻了由自由水分解产生的析气副反应；

(3)电池在装配过程中不需要注液工序，使得装配流程更加简单；

(4)存在于隔膜内的电解液极大缩短了充放电过程中离子迁移距离，同时添加在电解液中的表面活性剂可以降低固液界面的表面张力，使得反应界面的离子浓度维持恒定，可实现大倍率输出；

(5)密封的封装膜(铝塑膜)包装可延缓电解液挥发速率。

附图说明

图1为本发明的轻量化贫液结构的盐水电池的结构图；

图2为对比例和实施例的电池的循环性能对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的实施例，一种轻量化贫液结构的盐水电池，包括封装膜(图中未显示)和密封在其内的电芯100；电芯100由浸润过电解液的一体化电极片和隔膜4按照Z字型叠加组装而成，一体化电极片由集流体基体1和负载在其上下表面的电极活性物质层组成。

集流体基体1采用金属集流体基体或非金属集流体基体，金属集流体基体的材质采用包括但不限于铝箔、铜箔、镍带、锌带、铁带和不锈钢带中的至少一种；金属集流体基体的形状采用箔、编制网、冲刺网、冲孔网、栅板、毡或泡沫；金属集流体1基体的厚度为0.01～2.0mm；非金属集流体基体采用包括但不限于柔性石墨、碳布、碳毡、泡沫碳、浸渍石墨和碳纤维布的至少一种，非金属集流体基体的厚度为0.5～5.0mm；电极活性物质层通过拉浆、流延、涂布、模压等方法负载在集流体基体上，并可通过多次磙压增加电极活性物质和集流体基体的接触；电极活性物质层的厚度为0～3mm；隔膜采用包括但不限于玻璃纤维隔膜、聚合物隔膜、凝胶态隔膜和纤维无纺布中的至少一种，隔膜4的厚度为0_.2～5mm。切取所需尺寸的一体化电极片和隔膜，隔膜的宽度尺寸为一体化电极片的宽度尺寸的105～110％，以防止电极短路。封装膜采用铝塑膜或聚合物-金属复合层叠膜。

电解液采用无机盐水溶液，无机盐水溶液中无机盐的阳离子包括钠离子、锂离子、锌离子、锰离子、钾离子或镁离子中的至少一种，阴离子包括硫酸根、磷酸根、氢氧根、醋酸根、硝酸根或高氯酸根离子；电解液中添加降低固液界面的表面张力、增加固液表面润湿性的表面活性剂，且电解液中表面活性剂的质量分数为0.01～5％；所述表面活性剂采用阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂、非离子表面活性剂或有机溶剂。阴离子表面活性剂包括但不限于硬脂酸类、高级脂肪醇或磺酸化物；阳离子表面活性剂包括但不限于季铵化物；两性离子表面活性剂包括但不限于卵磷脂；非离子表面活性剂包括但不限于聚氧乙烯型或多元醇型；有机溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇或正丁醇。

采用水系钠离子电池进行以下对比例和实施例的对比，其中正极活性物质层采用锰基氧化物，负极活性物质层采用钛磷氧化物。

本实施例中，一体化电极片包括一体化正极电极片A和一体化负极电极片B，电极活性物质层包括正极活性物质层2和负极活性物质层3；一体化正极电极片A由集流体基体1和负载在其上下表面的正极活性物质层2组成；一体化负极电极片B由集流体基体1和负载在其上下表面的负极活性物质层3组成；电芯100由浸润过电解液的一体化负极电极片B、隔膜4和一体化正极电极片A按照Z字型叠加组装而成。采用冲刺网的不锈钢带(50μm厚)作为集流体基体，通过拉浆的方式使正、负极活性物质层附着在集流体基体上，通过多次辊压使其紧密结合，裁切为60mm*60mm的一体化电极片。根据电解液需求量计算，1mm厚的玻璃纤维隔膜可以满足电池循环需求，添加质量分数1％的十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂，将一体化正、负极电极片和隔膜在电解液中浸润20min后，按照Z字型叠加组装成电芯100，而后采用铝塑膜密封后进行测试。

对比例：

正负极活性物质通过模压的方式压制成120mm*120mm的正负电极，相同厚度(50μm)的不锈钢作为集流体，隔膜采用常规使用的0.2mm的聚丙烯隔膜，按照“不锈钢集流体-正极-隔膜-负极-不锈钢集流体”的顺序进行叠片装配，为保证活性物质和集流体的紧密接触，电池两侧增加140mm(L)*140mm(W)*10mm(H)厚的PVC板作为加压装置，用6mm的螺杆/螺母锁紧。装配好的电芯放入160mm*160mm的ABS外壳中，注满电解液、密封后进行测试。

请参阅图2，实施例和对比例的电池设计容量均为100Wh，采用相同的测试方案进行测试，可以看出在两者循环性能基本一致的情况下(见图2)，本发明的轻量化贫液结构的盐水电池质量下降了30％，电池体积降低了45％，结果见表1:

表1

本发明的轻量化贫液结构的盐水电池，采用高强度、高吸液率、耐酸碱且具有一定厚度的隔膜、添加表面活性剂的电解液，结合与之匹配的一体化电极，采用“浸润-叠片-封装”的装配工序装配单个的盐水电池即单体电池，先用浸润过电解液的一体化电极和隔膜进行叠片装配电芯，然后将装配好的电芯采用封装膜进行密封形成单体电池，使用时根据电芯的不同能量或功率需求对单体电池进行串并联连接。

综上所述，本发明的轻量化贫液结构的盐水电池，可以有效减轻电池的重量。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种轻量化贫液结构的盐水电池，其特征在于，包括封装膜和密封在其内的电芯；一体化电极片由集流体基体和负载在其上下表面的电极活性物质层组成；

所述一体化电极片包括一体化正极电极片和一体化负极电极片，所述电极活性物质层包括正极活性物质层和负极活性物质层；

所述一体化正极电极片由集流体基体和负载在其上下表面的正极活性物质层组成；

所述一体化负极电极片由集流体基体和负载在其上下表面的负极活性物质层组成；

所述电芯由浸润过电解液的一体化负极电极片、隔膜和一体化正极电极片按照Z字型叠加组装而成；

所述集流体基体采用金属集流体基体或非金属集流体基体，所述金属集流体基体的厚度为0.01～2.0mm；所述非金属集流体基体的厚度为0.5～5.0mm；

所述电极活性物质层的厚度为0～3mm；

所述隔膜的厚度为0.2～5mm。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其特征在于，所述电极活性物质层通过拉浆、流延、涂布或模压工艺负载在所述集流体基体上，并通过多次磙压增加所述活性物质层和集流体基体的接触。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其特征在于，所述金属集流体基体的材质包括铝箔、铜箔、镍带、锌带、铁带和不锈钢带中的至少一种；

所述非金属集流体基体采用柔性石墨、碳布、碳毡、泡沫碳和浸渍石墨中的至少一种；

所述隔膜采用玻璃纤维隔膜、凝胶态隔膜和纤维无纺布中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其特征在于，所述隔膜的宽度尺寸为所述一体化电极片的宽度尺寸的105～110％。

5.根据权利要求1所述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其特征在于，所述封装膜采用聚合物-金属复合层叠膜。

6.根据权利要求1所述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其特征在于，所述电解液采用无机盐水溶液，所述无机盐水溶液中无机盐的阳离子包括钠离子、锂离子、锌离子、锰离子、钾离子、铝离子和镁离子中的至少一种，阴离子包括硫酸根、磷酸根、醋酸根、硝酸根和高氯酸根中的至少一种；

所述电解液中添加表面活性剂，且所述电解液中表面活性剂的质量分数为0.01～5％；所述表面活性剂采用阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂或非离子表面活性剂。

7.根据权利要求1所述的一种轻量化贫液结构的盐水电池，其特征在于，采用“浸润-叠片-封装”的装配工序装配单个的盐水电池即单体电池，先用浸润过电解液的一体化电极和隔膜进行叠片装配电芯，然后将装配好的电芯采用封装膜进行密封形成单体电池，使用时根据电芯的不同能量或功率需求对单体电池进行串并联连接。

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