一种新型电池单体及其电池模块的制作方法

1.本实用新型属于电池技术领域，具体涉及一种新型电池单体及其电池模块。


背景技术：

2.为了减轻传统燃油汽车带来的全球环境问题和资源问题，世界各国都在大力发展电动汽车产业。锂离子动力电池是电动汽车上的关键组成部分，直接影响和制约着电动汽车的动力性、经济型、可靠性和安全性。锂离子动力电池对工作温度要求很高，20-50摄氏度是最佳工作温度，夏天要求快速散热，冬天要求快速加热，才能保证电池稳定高效工作。
3.目前，构成锂离子动力电池的主要材料是锰类、钴类、三元类和磷酸铁锂类化合物，这些材料都是导热性能差的材料，属于不良导热体的无机盐。由于目前电池结构的缺陷，厚度大的电池的热量很难从内部传出和导入，存在夏天无法快速均匀散热和和冬天无法快速均匀加热的严峻问题，使电动车无法在高热和高寒地区使用，需要安装复杂和昂贵的散热和加热系统，并消耗过多的能源，从而影响电池的寿命，甚至导致热失控，严重威胁车辆和人员安全。因此，如何使锂离子动力电池快速有效地散热和加热，已成为一个急待解决的技术问题。
4.目前电动汽车上普遍采用的动力电池散热系统主要是通过液冷或者风冷的方式将热量从动力电池单体的表面带走。但是，由于电池单体内部通常是由正极、隔膜、负极三层组件循环交替叠加构成的复合结构，并且隔膜的导热性较差，因此通过电池单体表面散热时，电池表面散热比电池内部快，使电池单体内部产生较大的温度梯度，导致电池芯温度不均匀，进而导致电池单体各部位衰降速率不一致，严重影响电池单体的使用寿命，而且表面接触散热效率较低。
5.现有常用的散热手段如：如申请号为201910949761.4的中国专利申请，公开了一种基于极耳散热的电动汽车软包动力电池包，其特征是：包括可闭合的壳体，所述壳体内设置有至少两列软包动力电池组，每列电池组具有多层软包动力电池单体；两列电池组之间设置有若干层液冷管道，所述液冷管道包括设置在两侧的进水管和设置在中间的出水管，所述软包动力电池单体具有正极耳和负极耳，所述正极耳和负极耳通过导热硅胶与液冷管道的外表面紧密贴合。
6.或者，更进一步地，每列电池组具有2n层电池单体，液冷管道具有n层，且每两层电池单体之间设置一液冷管道，电池单体的正极耳和负极耳设置于对应的液冷管道上/下表面。
7.该技术是在电池外部即两个单体电池之间设置导热硅胶，通过导热硅胶与液冷管道的外表面紧密贴合将电池产生的热量排出，其能够增强电池单体的散热效果，同时提高了电池单体之间的温度一致性。但是由于电池组或电池包是一定数量的电池单体密堆积的组合体，密集的导热硅胶和液冷管道都使电池组或电池包的体积大幅增加，占用了珍贵的电池组或电池包的体积，显著降低了电池组或电池包的成组率和电池系统的单位体积能量密度。
8.由上可见，现有电池单体的散热一般都是从电池单体的两个侧面进行散热，电池中间部分的热量无法及时导出，因此，电池各部分的温度不均匀。
9.其次，由于锂离子的活性高低取决于环境温度，温度越高，锂离子的活性越大，反之就越低。
10.当温度降低，锂离子的活性变低后，电池里的电解液会变得更加凝固，那么锂离子在电解液中流动时受到的阻力就比较大，很多锂离子都无法从负极到正极，那么电池输出的电流就会变小，进而导致纯电动车的续航里程下降。特别是在我国的北方地区，寒冷的天气可能直接导致纯电动车的续航严重缩水。
11.对于低温环境续航能力差的问题，当前车企用得较多的方式是通过加装ptc加热系统，就是在电池包周边加装ptc加热片，加热空气传热使得电池升温。有的汽车还在ptc 加热系统的基础上加装了柴油加温系统对电池包周围管路内的液体进行加热。
12.但此种对电池进行外部加热改善低温性能的技术手段，同样由于电池体积大，由外向内传热慢，电池内外存在温度阶梯差，即使电池外表面温度很高，可能电池内部温度依然很低，因此电池的温度并不均衡，无法有效提高低温性能。
13.综上所述，当前锂电池存在以下三个技术问题亟待解决其一：电池包的散热问题：电池内部热量无法及时导出，电池包不能有效散热。
14.其二：低温状态电池性能低：低温环境导致电池续航能力差。
15.其三：结构复杂且单位体积能量密度低。
16.因此，需要一种能够及时散热并具有良好的低温性能，结构简单、单位能量密度高电池的新型电池及电池包来满足实际需要。


技术实现要素：

17.本实用新型的目的之一在于提供一种利用极片集流体导热的电池单体，其具有导热快，体积小的优点，能快速有效散热和自加热并保证电池具有高的单位体积能量密度。
18.本实用新型的目的之二在于提供一种电池模块，包含若干个电池单体和模块壳体，其具有导热快，体积小的优点，能快速有效散热和自加热并保证电池模块具有高的单位体积能量密度。
19.实现本实用新型目的一的技术方案有三种，分别如下：
20.第一种技术方案：
21.一种新型电池单体，包含电池外壳、端盖、若干层循环交替堆叠的正极片、隔膜和负极片，所述正极片、隔膜和负极片封闭于电池外壳内，所述正极片包含正极集流体和覆盖在其一侧面或两侧面上的正极活性材料层、所述负极片包含负极集流体和覆盖在其一侧面或两侧面上的负极活性材料层，相邻的正极片和负极片之间具有隔膜，其特征在于：所述正极集流体至少一个侧边向外延伸超出正极活性材料层及隔膜的边缘，此同一侧边负极集流体的边缘与负极活性材料层的边缘短于隔膜的边缘，但不短于正极活性材料层的边缘；所述正极集流体延伸至和与其相邻的电池外壳壳体或端盖连接，或延伸至与第一导热体连接，所述第一导热体和与其相邻的电池外壳壳体或端盖连接；所述正极集流体的延伸部分与第一导热体封闭于电池内；与正极集流体或第一导热体连接的电池外壳壳体或端盖作为电池的正极散热面，所述的第一导热体由导热材料制成，将每一片正极集流体上的热量以
相同的最短导热距离导至电池外壳壳体或端盖。
22.第二种技术方案
23.一种新型电池单体，包含电池外壳、端盖、若干层循环交替堆叠的正极片、隔膜和负极片，所述正极片、隔膜和负极片封闭于电池外壳内，所述正极片包含正极集流体和覆盖在其一侧面或两侧面上的正极活性材料层、所述负极片包含负极集流体和覆盖在其一侧面或两侧面上的负极活性材料层，相邻的正极片和负极片之间具有隔膜，其特征在于：所述负极集流体至少一个侧边向外延伸超出负极活性材料层及隔膜的边缘，此同一侧边的正极集流体的边缘与正极活性材料层边缘短于隔膜的边缘，且不超出负极活性材料层边缘；所述负极集流体延伸至和与其相邻的电池外壳壳体或端盖连接，或延伸至与第二导热体连接，所述第二导热体和与其相邻的电池外壳壳体或端盖连接；所述负极集流体的延伸部分与第二导热体封闭于电池外壳内；与负极集流体或第二导热体连接的电池外壳壳体或端盖作为电池的负极散热面；所述的第二导热体由导热材料制成，将每一片负极集流体上的热量以相同的最短导热距离导至电池外壳壳体或端盖。
24.第三种技术方案
25.在第一种方案的基础上，所述负极集流体至少一个侧边向外延伸并超出负极活性材料层及隔膜的边缘，此同一侧边的正极集流体的边缘与正极活性材料层边缘短于隔膜的边缘，且不超出负极活性材料层边缘；所述向外延伸的正极集流体侧边和负极集流体侧边分别位于不同的侧边；所述负极集流体延伸至和与其相邻的电池外壳壳体或端盖连接，或延伸至与第二导热体连接，所述第二导热体和与其相邻的电池外壳壳体或端盖接触连接；所述负极集流体的延伸部分与第二导热体封闭于电池外壳内；与负极集流体或第二导热体连接的电池外壳壳体或端盖作为电池的负极散热面；所述第二导热体由导热材料制成，将每一片负极集流体上的热量以相同的最短导热距离导至电池外壳壳体或端盖。
26.为了达到更好的技术效果，本实用新型上述技术方案的技术特点还可以具体为以下技术特征：
27.1.进一步地，所述正极集流体的延伸部分直接或弯折后和与其相邻的电池外壳壳体或端盖直接接触连接或锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接。
28.2.进一步地，所述正极集流体的延伸部分直接或弯折后与第一导热体直接接触连接或锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接。
29.3.进一步地，所述负极集流体的延伸部分直接或弯折后与和与其相邻的电池外壳壳体或端盖直接接触连接或锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接。
30.4.进一步地，所述负极集流体的延伸部分直接或弯折后与第二导热体直接接触连接或锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接。
31.5.更进一步地，若干个或所有的正极集流体延伸部分紧固连接。
32.6.更进一步地，若干个或所有的负极集流体延伸部分紧固连接。
33.7.所述第一导热体和/或第二导热体为导热硅胶、金属片或多金属片或热交换器或散热翅片或流体管道的一种。
34.8.所述电池单体沿正极片、隔膜、负极片的堆叠方向的厚度大于正极集流体或负
极集流体的长度/或宽度。
35.实现本实用新型第二个实用新型目的的两个技术方案分别如下：
36.一种电池模块，包含若干个电池单体和模块壳体，其特征在于：所述电池单体为如第一个实用新型目的所述的三个技术方案之一所述的电池单体，电池单体之间相互电连接，所有电池单体相互紧密排列。
37.一种电池模块，包含若干个电池单体和模块壳体，其特征在于：所述电池单体为如第一个实用新型目的所述的三个技术方案之一所述的电池单体，所述若干个电池单体分为若干列，每一列中的所有电池单体之间相互电连接且相互紧密排列，列与列之间为相互紧密排列。
38.为了达到更好的技术效果，进一步地，模块壳体内部设置散热装置与电池单体外壳的正和或/负极散热面接触。
39.与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果为：
40.1.本实用新型通过在正、负集流体的侧边设置延伸部分，使每个极片的集流体都成为导热部件，将每一片集流体上的热量以相同的最短导热距离导至电池外壳壳体或端盖，能直接快速地导出电池单体内部的热量，大幅度增强了电池单体的散热效果，通过集流体自身将电池单体中每个极片工作过程中产生的热量导出，导热快速且均匀，散热效果稳定；同时，又能通过集流体导热从而对电池内部进行自加热，使电池内部升温快速且均匀。
41.2.提高了电池单体内部各区域之间的温度一致性，显著降低了电池单体内部的温度差异；
42.3.本实用新型可以利用电池单体中每个集流体都构成导热件，利用每个集流体的延伸部分构成导热通道直接或通过导热体与电池外壳连接散热，与现有技术中只能通过每个电池单体的两个侧面进行散热的方式相比，本实用新型的电池单体导热的面积显著增大，散热效果好，在组成电池模块后，本实用新型的优势尤其明显。
43.4.利用本实用新型的电池单体组成的电池模块，所有电池单体可以相互紧密排列；电池单体分成几列时，每一列电池中的所有电池单体也可以相互紧密排列，有效提高电池模块和电池包的单位体积能量密度，极具优越性。
44.5.由于采用了集流体延伸部分导热实现了电池单体快速均匀导热，能实现电池内部的热量的快速传导，实现快速均匀散热及自加热，有效提高电池性能，进而提高电池单体的单位体积能量密度。
45.6.所述电池单体沿正极片、隔膜、负极片的堆叠方向的厚度可以大于正极集流体或负极集流体的长度/或宽度，以提高电池单体的容量。
46.7.采用本实用新型技术方案的电池，在电池单体组成的电池模块中，所有电池单体可以密堆积以有效提高电池的单位体积能量密度，相同容量需求情况下可显著减少电池包的体积。提高汽车的整体性能。
47.8.本实用新型利用电池单体中固有的正、负极集流体进行散热，实现散热功能的同时又实现了简明的结构设计，减少了零部件数量，从而提高了散热管理系统的可靠性，降低了批量生产成本。
附图说明
48.本实用新型的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。
49.图1为本实用新型的一种新型电池单体的第一个实施例结构示意图
50.图2为图1所示新型电池单体的主视图
51.图3为图2所示新型电池单体的b-b剖面示意图
52.其中，100为电池单体，1为正极片，11为正集流体，111为正极集流体边缘，12为正极活性材料层，121为正极活性材料层边缘；2为负极片，21为负极集流体，211为负极集流体边缘，22为负极活性材料层，221为负极活性材料层边缘；3为隔膜，31为隔膜边缘，6为电池外壳，61为外壳壳体，611为外壳壳体底部，62为端盖，101为电池单体外壳的正极散热面，102为电池单体外壳的负极散热面。
53.图4为本实用新型的新型电池单体的第二个实施例结构示意图
54.图5为图4所示新型电池单体的主视图
55.图6为图2所示新型电池单体的b-b剖面示意图
56.图7为应用本实用新型技术方案一所述电池单体构成的电池模块的一个实施例的结构示意图其中，100为电池单体，1为正极片，11为正极集流体，111为正极集流体边缘，12为正极活性材料层，121为正极活性材料层边缘；2为负极片，21为负极集流体，211为负极集流体边缘，22为负极活性材料层，221为负极活性材料层边缘；3为隔膜，31为隔膜边缘，4 为第一导热体，5为第二导热体，6为电池外壳，61为外壳壳体，62为端盖，611为外壳壳体底部。101为电池单体外壳的正极散热面，102为电池单体外壳的负极散热面。
具体实施方式：
57.为了更好地理解本实用新型的技术方案，以下结合附图1-6对本实用新型技术方案的一个实施例进行详细描述。
58.实施例一：
59.如图1-3所示，一种新型电池单体100，包含电池外壳6、若干层循环交替堆叠的正极片1、隔膜3和负极片2，电池外壳6包含壳体61和端盖62，所述正极片1、隔膜32和负极片2 封闭于电池外壳6内，所述正极片1包含正极集流体11和覆盖在其一侧面或两侧面上的正极活性材料层12,；所述负极片2包含负极集流体21和覆盖在其一侧面或两侧面上的负极活性材料层22，相邻的正极片1和负极片2之间具有隔膜3。本实施例中，所述正极集流体11的一个侧边向外延伸超出正极活性材料层12的边缘121及隔膜3的边缘31，此同一侧边负极集流体21的边缘211和负极活性材料层的边缘221短于隔膜3的边缘31，但不短于正极活性材料层的边缘121；所述正极集流体11延伸至和与其相邻端盖62连接，所述与正极集流体11连接的端盖62作为电池的正极散热面101；
60.同时，本实施中，所述负极集流体21的一个侧边向外延伸超出负极活性材料层22及隔膜3 的边缘，此同一侧边的正极集流体的边缘111与正极活性材料层边缘121短于隔膜的边缘 31，且不超出负极活性材料层22的边缘221；所述负极集流体21延伸至和与其相邻的外壳底部611的内侧连接，所述与负极集流体连接的外壳底部611作为电池的负极散热面102，再通过外壳对外散热。
61.本实施例中，正极集流体11、负极集流体21的延伸部分直接与外壳连接，将每一片负极集流体21上的热量以相同的最短导热距离导至电池外壳壳体61或端盖62。
62.所述正极集流体的延伸部分、负极集流体的延伸部分封闭于电池外壳6内。
63.实际应用中，为了实现更好的技术效果，所述向外延伸的正极集流体侧边和负极集流体侧边分别位于不同的侧边；所述正极集流体和/或负极集流体也可以两个或多个侧边同时向外延伸。
64.优选地，本实施例中，所述向外延伸的正极集流体侧边和负极集流体侧边互为对侧侧边。
65.本实施例中，所述正极集流体11和负极集流体21的延伸部分分别直接和与其相邻的端盖62、外壳壳体61的底部611接触连接，实际应用中，还可以采用锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接的方式进行连接。
66.实际应用中，所述正极集流体或负极集流体的延伸部分还可以弯折后和与其相邻的电池外壳壳体或端盖直接接触连接或锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接。
67.实际应用中，还可以将若干个或所有的正极集流体延伸部分紧固连接后与电池外壳壳体或端盖连接。
68.实际应用中，还可以将若干个或所有的负极集流体延伸部分紧固连接后与电池外壳壳体或端盖连接。
69.也可以同时将若干个或所有的正极集流体和负极集流体的延伸部分别紧固连接后再分别与相邻的电池外壳壳体或端盖连接。
70.实际应用中，由于采用了集流体延伸导热实现了电池单体快速均匀导热，所述电池单体沿正极片、隔膜、负极片的堆叠方向的厚度可以大于正集流体或负集流体的长度/或宽度。在电池单体组成的电池模块中，所有电池单体可以密堆积以提高电池的体积能量密度。
71.实施例二：
72.如图4-6所示，与第一个实施例中不同的是，本实施例中，所述正极集流体延伸至与第一导热体4连接，所述负极集流体延伸至与第二导热体5连接，所述第一导热体4和与其相邻的电池端盖62连接，所述第二导热体5和与其相邻的电池外壳底部611的内侧连接；所述正极集流体的延伸部分、负极集流体的延伸部分、第一导热体4、第二导热体5封闭于电池外壳6内。
73.本实施例中，正极集流体11、负极集流体21的延伸部分分别与第一导热体4、第二导热体5连接，第一导热体4、第二导热体5与电池的外壳连接，将每一片负极集流体21 上的热量以相同的最短导热距离导至电池外壳壳体61或端盖62。
74.所述第一导热体和/或第二导热体为导热硅胶、金属片或多金属片或热交换器或散热翅片或流体管道的一种。
75.实际应用中，为了实现更好的技术效果，所述向外延伸的正极集流体侧边和负极集流体侧边分别位于不同的侧边；
76.优选地，本实施例中，所述向外延伸的正极集流体和负极集流体互为对侧侧边。
77.本实施例中，所述正极集流体和负极集流体延伸至分别直接与第一导热体、第二
导热体直接接触连接，实际应用中，还可以采用锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接的方式进行连接。
78.实际应用中，所述正极集流体或负极集流体的延伸部分还可以弯折后分别与第一导热体、第二导热体直接接触连接或锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接。
79.实际应用中，还可以将若干个或所有的正极集流体延伸部分紧固连接后与第一导热体连接。
80.实际应用中，还可以将若干个或所有的负极集流体延伸部分紧固连接后与第二导热体连接。
81.也可以同时将若干个或所有的正极集流体和负极集流体延伸部分分别紧固连接后再分别与第一导热体、第二导热体连接。
82.所述第一导热体、第二导热体与电池外壳壳体或端盖为接触连接或锁紧连接、贴合连接或压紧连接或焊接连接或粘合连接或紧固连接。
83.实际应用中，由于采用了集流体延伸及第一导热体、第二导热体导热实现了电池单体快速均匀导热；所述电池单体沿正极片、隔膜、负极片的堆叠方向的厚度可以大于正极集流体或负极集流体的长度/或宽度。在电池单体组成的电池模块中，所有电池单体可以密堆积以提高电池的体积能量密度。
84.实施例三：
85.如图7所示为应用本实用新型技术方案一所述电池单体构成的电池模块的一个实施例，以下结合附图7对其进行详细描述。
86.图7中200为电池模块，201为电池列，202为电池模块外壳壳体，203为电池模块端盖。100为电池单体，101为电池单体外壳的正极散热面。
87.如图7所示，本实用新型技术方案所述的一种电池模块，包含若干个电池单体100 和模块外壳壳体202，所述电池单体100为上述第一个实用新型目的所述的三个技术方案之一所述的电池单体，电池单体之间相互电连接，所有电池单体100相互紧密排列。本实施例中只给出八个电池单体的示意图，实际应用中每个电池模块可以包含更多数量的电池单体。
88.本实施例中，电池单体外壳的正极散热面101朝向模块外壳的端盖203，负极散热面朝向模块外壳壳体202的底部内侧。
89.更进一步的，本实施例中，为了更好地说明电池模块的排列方式，本实施例中，将所述八个电池单体分为两个电池列201，每一列中的四个电池单体100之间相互电连接且相互紧密排列，两个电池列201之间也为相互紧密排列。
90.为了达到更好的技术效果，进一步地，模块壳体内部还可以设置散热装置与电池单体外壳的正和或/负极散热面接触。
91.采用本实用新型技术方案的电池单体及其电池模块，能实现电池内部的热量的快速传导和散热，使电池及模块导热性能好，有效提高电池单体的单位体积能量密度，相同容量需求情况下显著减少电池单体、电池模块、电池包的体积。
92.上述内容为本实用新型的几个优选实施例，对于其中未详细描述的结构及元件，应理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法实现。
93.本实用新型上述实施例及其附图仅为帮助理解本实用新型所述技术方案，不用于限制本实用新型的技术方案及其保护范围。对采用等同技术手段、等同设备等对本实用新型权利要求及说明书所公开的技术方案的改进应当认为是没有超出本实用新型权利要求书及其说明书的范围。
94.应用本实用新型技术方案提供的电池单体及电池模块可以广泛应用于需要电池的领域特别是需要大容量电池的领域。