一种高电压动力电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及动力电池及其应用领域，尤其涉及一种可为纯电动汽车、混合动力汽车、电动摩托车等提供能量的高电压动力锂离子电池。
【背景技术】
[0002]发展电动汽车是能够缓解能源危机和环境恶化的有效手段，而发展电动汽车的关键技术是动力电池。由于锂离子电池具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点，因此在未来极有可能大规模应用于电动汽车的动力电源。
[0003]目前开发应用的单体动力锂离子电池，无论是方形还是圆柱形，电池内部一般由一个电池单元构成，单体电池的工作电压范围大致在2.0?4.5V之间。因此，要满足电动车辆的高电压负荷(20?500V)，必须串联多个单体电池构成能够高电压输出的动力电池组。外部串联单体电池的方式对于单体电池的一致性有很高的要求，而且外部电气连接会使连接电阻增大，同时也会使制作成本增加，安全系数降低。
[0004]为克服以上缺陷，中国专利CN101719562A发明了一种高电压锂离子电池的电芯，这种电芯内部采用串联双极性电极片的方式对外提供几十甚至几百伏特的高电压输出。但是，如何能够保证电芯内阻小、密封特性好、绝缘特性好，是制作该类电池的技术难点。
[0005]目前的动力电池从形状上说主要包括:圆柱形、方形和软包装三种结构。它们各有局限性:圆柱形电池导电能力有限，不宜做大容量电池；方形电池耐热性能差，存在直角形夹角，容易导致内部受压不均匀；软包装电池引流受限制，受力能力差，容易遭受破坏。对于在电动车辆上使用的动力电池，工作环境恶劣，经常会遭受剧烈振荡甚至碰撞，上述三种结构均不适宜应用于制作内部串联的高电压动力锂离子电池。
【发明内容】
[0006]为解决上述问题，本发明提供一种大型扣式高电压动力锂离子电池，通过电池壳的折边区域和电池内部的弹性垫片为电芯边缘的环形密封圈提供持久的压应力，保证电芯内部各电池单元的电解质不泄露，并将电芯整体密封于电池壳内，保证了良好的密封特性和内阻特性。
[0007]本发明采用以下技术方案:
[0008]本发明涉及一种高电压动力电池，其特征在于:该高电压动力电池外形呈圆饼形状，电池直径与电池高度比大于1，优选为5?20，电池直径8?150cm，优选为10?50cm，电池高度0.5?16cm，优选为I?8cm。根据本发明，上述高电压动力电池包括:电芯、弹性垫片、电池凹座、电池盖、绝缘壳和柔性集流线。其中，电池凹座与电池盖配套组成电池壳，电芯的上下表面分别粘接有弹性垫片，且电芯与弹性垫片置于电池壳内部，绝缘壳将整个电池壳外部密封，正、负极柔性集流线分别固定连接在电池壳的上下表面并穿过绝缘壳引出，便于与外部连接。特别地，所述电芯由两个或两个以上的电池单元叠加组成，每个电池单元由两个圆形双极性电极片上下叠加组成，且在相邻的两个双极性电极片之间设有至少一层的隔离层，防止电池单元内部短路。所述双极性电极片侧边周围包裹有环形密封圈。
[0009]根据本发明，将电芯、弹性垫片和电池盖一起置入电池凹座后，施加轴向机械载荷使得电池凹座的突出边缘径向向内弯曲，发生塑性变形，形成了电池壳的折边区域。
[0010]并且，根据本发明，电池壳的折边区域形成的轴向挤压力作用于弹性垫片，使电芯边缘的环形密封圈受到持久的弹性压应力，以保证电芯内部串联的电池单元之间接触紧密，降低电池内阻。优选的电池折边区域对电芯产生的压应力为0.5?lOMPa。当电池在使用过程受到外在的轴向挤压时，弹性垫片的弹性力作用可为电芯提供向外抗挤压的缓冲力，避免电芯内部因受剧烈挤压而遭受破坏，导致电池短路，提高了电池的耐冲击力；当该电池受到外在的轴向拉伸时，弹性垫片的弹性力作用可为电芯提供向内弹进的力，避免电池工作中因拉伸力导致电池内阻突然增大甚至开路，使得动力电池在使用过程中具有较强的耐冲击力。
[0011]上述双极性电极片包括圆形的双极性集流体、包裹在双极性集流体边缘的环形密封圈、以及分别粘接在双极性集流体上下表面的负极涂层和正极涂层，负极涂层和正极涂层统称为电极涂层。这样，每个串联电池单元由双极性集流体隔开。双极性集流体是聚合物基或金属基复合导电薄膜，厚度为5?100 μ m,优选为中国专利CN103219521A或中国专利201310486469.6描述的双极性集流体。其中，双极性集流体粘接有正极涂层的一面必须耐氧化，而粘接有负极涂层的一面必须耐还原；双极性集流体起到电子导电作用的同时，必须阻隔锂离子在相邻电池单元之间的迁移。所述电极涂层呈圆形，粘接在双极性集流体表面，且电极涂层的直径小于或者等于环形密封圈的内径，电极涂层厚度为100?800 μ m。双极性电极片中环形密封圈的厚度高于或等于电极涂层与双极性集流体的叠加厚度，厚度差优选为O?300 μ m。
[0012]环形密封圈的材料优选为PE (聚乙烯)或者PP (聚丙烯)。根据材料力学，当环形密封圈因受到来自电池壳折边区域的压力，环形密封圈厚度减小，而直径变长，保证了每个电池单元的绝缘密封。
[0013]所述正极涂层为正极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钥硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物以及其它可脱嵌锂化合物中的一种或多种；所述负极涂层为负极活性材料、导电剂和胶粘剂的混合物，负极活性材料为能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5012)、锂硅氧化物、金属锂和石墨中的一种或多种。
[0014]进一步，本发明在每两个双极性电极片之间设有至少一层的圆形隔离层组成一个电池单元。
[0015]所述隔离层材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或其它电子不导电的多孔聚合物材料，或者，所述的隔离层材料为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸或其它电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料，或者所述隔离层材料为含可部分除去的少孔或无孔聚合物隔离层。
[0016]电池单元内充满含锂离子的液体或胶体或聚合物的电解质，环形密封圈承受电池壳折边区域产生的压力，使电池单元之间相互弹性挤压并密封，电池单元之间的电解质互不泄露接触，电池充放电时锂离子的迁移被限制在各个电池单元内部，避免了电解质泄露或与空气接触，同时使电芯内部的电池单元之间紧密接触，降低电池内阻，提高电池能量转换效率。
[0017]进一步，本发明电芯由上述两个或两个以上的电池单元叠加组成，优选叠加数量为8?160个。其中，位于电芯最上面以及位于最下面的双极性集流体的外表面为电芯的表面电极(表面正极或表面负极)，表面电极不粘接电极涂层。
[0018]电芯的表面正极和表面负极通过导电粘接剂分别粘接固定有一个弹性垫片。上述弹性垫片是一种具备压缩回弹性的导电金属复合体，包括圆形垫片和弹性体；圆形垫片表面为平面，与电芯的表面电极通过导电粘接剂粘接固定在一起，圆形垫片直径大于等于所述电芯的环形密封圈的外径；弹性体置于圆形垫片的表面，依靠弹性力与电池壳的内表面紧密接触。其中，弹性体可以为泡沫镍、泡沫铝等弹性多孔金属，或者为凹凸形、波浪形等具有压缩回弹性的金属片。
[0019]根据本发明，上述电芯和弹性垫片置于电池壳内，所述电池壳由电池凹座和电池盖配套组成。其中，电池盖是边缘包裹有塑料环的圆形镀镍钢片；圆形镀镍钢片厚度0.5?6mm,优选为0.8?3mm ;塑料环厚度0.2?4mm,优选为0.6?2mm ；电池盖与弹性垫片靠弹性力紧密接触；电池凹座为桶状金属壳，金属壳底部与导电弹性垫片依靠弹性力紧密接触。
[0020]上述电池凹座使用一种有镀层的复合金属材料，其中该复合金属材料包括一层镍、一层铜和位于其中间的一层钢或优质钢的复合材料，即所谓的三金属，其厚度为0.5?6mm,优选为0.8?3mm。
[0021]在本发明中，为了防止外部冲击对电芯造成破坏，同时对电池内部起到绝缘密封的作用，在电池凹座的侧边区域内侧壁紧密粘接一层电绝缘层，该电绝缘层可随电池凹座同时折边，挤压在电池盖边缘的塑料环上，电绝缘层厚度为0.05?1mm。
[0022]根据本发明，所述电池凹座内径 > 电池盖直径>弹性垫片直径>环形密封圈外径>圆形镀镍钢片直径 > 环形密封圈内径。电池凹座折边后挤压在电池盖的塑料环上，电池壳上的塑料环使电池盖的圆形镀镍钢片与电池凹座在空间上和电学上分开，保证圆形镀镍钢片与电池凹座之间满足绝缘距离，同时将电池壳内部密封。
[0023]进一步，在电池壳的上下表面，通过焊接、粘接等方式分别固定连接有柔性集流线。所述柔性集流线为网状或者螺旋状的金属片或金属丝，其材料为银、铜、铝或镀有银的金属材料中的一种或几