电池序列、电池包及电动车的制作方法

1.本发明涉及电池领域，具体涉及一种电池序列、电池包及电动车。


背景技术：

2.随着新能源汽车的不断普及，对新能源汽车中动力电池的使用要求变得越来越高。现有的电池在外壳大多采用方形铝壳，对于方形铝壳电池，为了电池的循环性能、方便装配入壳且不划伤隔膜通常会在极芯与铝壳之间留有一定的装配间隙，间隙太大除了会造成空间利用不充分，电池容量浪费，还会导致电池内极芯窜动,且在充放电过程产气引起界面状态不良，锂离子无法通过较差的界面扩散发生析锂，影响电池安全及寿命。


技术实现要素：

3.本技术内容旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，在本技术的第一个方面，提供一种电池序列，所述电池序列包括多个依次排列的电池，所述电池包括壳体以及位于所述壳体内的极芯，所述极芯包括极片，所述极片包括集电体以及负载在所述集电体上的敷料层；所述电池序列的结构满足以下公式一：
4.(1-jr
w
)+(sr
w
–
1)＝10％～15％(公式一)；
5.其中，所述jr
w
为电池内部极芯在第一方向上的膨胀空间，所述sr
w
为电池外部在第一方向上的膨胀空间，所述第一方向为所述电池的厚度方向；
6.所述jr
w
＝p
w
/(cell
w-k
w-c
w
)，其中，所述p
w
为敷料层在第一方向上任意时刻的长度，所述cell
w
为电池在第一方向上未使用时的长度，所述k
w
为所述壳体在第一方向上的长度，所述c
w
为极芯中在第一方向上的不可压缩长度；
7.所述sr
w
＝(m
w-mn
w
)/(cell
n
×
cell
w
)，其中，所述m
w
为电池序列在第一方向上的长度，所述mn
w
为电池序列在第一方向上的不可压缩长度，所述cell
n
为电池的个数。
8.在本技术的一个实施例中，所述p
w
＝jr
厚度-c
w
，其中，所述jr
厚度
为电池内部极芯在第一方向上任意时刻的长度。
9.在本技术的一个实施例中，所述p
w
＝x
正
×
y
正
×
(1+s
正
)+x
负
×
y
负
×
(1+s
负
)；其中所述极片包括间隔设置的正极片和负极片，所述x
正
为所述正极片的层数，所述y
正
为单层所述正极片中敷料层在第一方向上的长度，所述s
正
为所述正极片中敷料层的膨胀系数；所述x
负
为所述负极片的层数，所述y
负
为单层所述负极片中敷料层在第一方向上的长度，所述s
负
为所述负极片中敷料层的膨胀系数。
10.在本技术的一个实施例中，所述敷料层包括活性物质，所述敷料层在电池充放电情况下能够膨胀或者收缩。
11.在本技术的一个实施例中，所述极芯中不可压缩长度包括极芯中的隔膜、集电体或者绝缘纸中的长度。
12.在本技术的一个实施例中，所述电池序列外部设有外壳体，所述外壳体包括位于第一方向两侧的端板；所述外壳体与所述电池序列之间还包括不可压缩绝热棉；所述电池
序列中的不可压缩厚度包括所述端板和所述不可压缩绝热棉的厚度。
13.在本技术的一个实施例中，所述电池在出厂状态未充满电时，jr
w
≤94％；所述电池在出厂状态充满电时，jr
w
≤100％。
14.在本技术的一个实施例中，所述电池序列的结构还满足以下公式二：
15.88％≤jr
l
≤92％(公式二)；
16.其中，所述jr
l
为电池内部极芯在第二方向上的膨胀空间，所述第二方向为所述电池的高度方向；
17.所述jr
l
＝p
l
/(cell
l-k
l-c
l
)，其中，所述p
l
为敷料层在第二方向上任意时刻的长度，所述cell
l
为电池在第二方向上未使用时的长度，所述k
l
为所述壳体在第二方向上的长度，所述c
l
为极芯中在第二方向上的不可压缩长度。
18.在本技术的一个实施例中，所述p
l
＝jr
高度-c
l
，其中，所述jr
高度
为电池内部极芯在电池第二方向上任意时刻的长度。
19.在本技术的一个实施例中，所述p
l
＝x
正
×
y
正二
×
(1+s
正
)+x
负
×
y
负二
×
(1+s
负
)；其中所述极芯包括间隔设置的正极片和负极片，所述x
正
为所述正极片的层数，所述y
正二
为单层所述正极片中敷料层在第二方向上的长度，所述s
正
为所述正极片中敷料层的膨胀系数；所述x
负
为所述负极片的层数，所述y
负二
为单层所述负极片中敷料层在第二方向上的长度，所述s
负
为所述负极片中敷料层的膨胀系数。
20.在本技术的一个实施例中，相邻两个所述电池之间设有限位结构。
21.在本技术的一个实施例中，相邻两个所述电池的壳体之间设有限位结构和隔热材料，所述隔热材料设置在所述限位结构上。
22.在本技术的一个实施例中，所述壳体沿第一方向具有相对的两个第一表面，至少一个所述第一表面向壳体内部凹陷形成凹陷部。
23.在本技术的一个实施例中，所述两个第一表面均向壳体内部凹陷，以夹持极芯。
24.在本技术的第二个方面，提供一种电池包，包括多个上面任意一项所述的电池序列。
25.在本技术的第三个方面，提供一种电动车，包括上面所述的电池包。
26.本发明的有益效果：在本技术中，电池序列通过调控jr
w
与sr
w
，将电池序列与电池的结构和/或选材满足上述公式一，可以控制膨胀间隙并改善极片界面与电池性能。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明一实施例提供的一种电池序列的结构示意图。
29.图2为本发明一实施例提供的一种电池的结构示意图。
30.图3为本发明一实施例提供的一种电池序列的立体示意图。
31.图4为本发明另一实施例提供的一种电池序列的立体示意图。
32.图5为本发明另一实施例提供的一种电池的剖面结构图。
33.图6为本发明一实施例提供的一种电池的立体示意图。
34.图7为本发明一实施例提供的一种电池包。
具体实施方式
35.以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.电池厚度变化分可逆和不可逆两类，其中可逆包括热膨胀和因脱嵌锂引起的体积变化，同样的soc下能恢复初始厚度，上述过程不会对电池产生不可逆损伤。电池受到结构件的拘束，充电后正极和负极中的敷料层会膨胀，极芯内多孔结构(多孔电极，隔膜)中的电解液会被排出。随着充电的进行，残余电解液的量增加，在充电结束的阶段液面最高。此时，极芯厚度方向产生最大程度膨胀，对应电池受到最大的膨胀力，放电过程电解液吸收回到孔结构，该过程可理解为电池的充放电呼吸效应。电池可逆膨胀通常反映正负极材料特性，可通过材料体系优化减小膨胀比率。
40.请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种电池序列20，电池序列20包括多个依次排列的电池10，电池10包括壳体100以及位于壳体100内的极芯201，极芯201包括极片，极片包括集电体以及负载在集电体上的敷料层。其中，敷料层包括活性物质，敷料层在电池充放电情况下能够膨胀或者收缩。
41.电池序列201的结构满足以下公式一：
42.(1-jr
w
)+(sr
w
–
1)＝10％～15％(公式一)；
43.其中，jr
w
为电池10内部极芯201在第一方向x上的膨胀空间，sr
w
为电池10外部在第一方向x上的膨胀空间，第一方向x为电池的厚度方向；
44.jr
w
＝p
w
/(cell
w-k
w-c
w
)；
45.其中，p
w
为敷料层在第一方向x上任意时刻的长度。其中任意时刻包括敷料层在未膨胀时的、膨胀中的、以及膨胀后的任一时刻，并且敷料层在第一方向x上的长度是指第一
方向x上所有敷料层长度的总和，一般极芯201是由多层极片层叠或者较长的极片间隔卷绕得到的，一般极片包括正极片和负极片，由正极片、隔膜、负极片层叠而成或者正极片、隔膜、负极片卷绕而成，正极片包括正极集电体及负载在正极集电体上的正极辅料层，可以单面辅料也可以双面辅料；负极片包括负极集电体及负载在负极集电体上的负极辅料层，可以单面辅料也可以双面辅料，必要的情况下，极芯201还包括外包覆的绝缘纸。
46.cell
w
为电池10在第一方向x上未使用时的长度，所述电池10未使用时的长度包括所述电池10的壳体100来料时的长度或者是电池10的壳体100在装配前时的长度或者是壳体100在装配好后既没有膨胀也没有收缩时的长度。
47.k
w
为壳体100在第一方向x上的厚度，c
w
为极芯201中在第一方向x上的不可压缩长度。进一步的，极芯201中不可压缩长度包括极芯201中的隔膜、集电体或者绝缘纸中的长度。在一些实施例中，所述极芯201中不可压缩长度还包括压缩气体的长度，当电池在使用时会产生气体，气体在电池壳体内积压会占一定的长度，因此，在本实施例中，不可压缩长度包括压缩气体的长度。
48.sr
w
＝(m
w-mn
w
)/(cell
n
×
cell
w
)；
49.其中，m
w
为电池序列20在第一方向x上的长度，mn
w
为电池序列20在第一方向x上的不可压缩长度，cell
n
为电池10的个数。本实施例中，电池序列20外部设有外壳体210，外壳体210包括位于第一方向x两侧的端板211；外壳体210与电池序列20之间还包括不可压缩绝热棉220；此实施例中，电池序列20中的不可压缩长度包括端板211和不可压缩绝热棉220的厚度。其中，m
w
为电池序列20在第一方向x上的长度，是指电池序列20在正常使用或者不使用时任意时刻的在第一方向x上的长度。
50.本技术中，所述电池序列20的结构包括电池序列20在空间位置上的结构以及材料。只要结构设计和/或材料选择满足上述公式一，即为本技术的电池序列20。
51.在第一方向x上，如果jr
w
+sr
w
的总预留空间不足，电池10在长期循环过程会承受拘束力过大，充电时电解液挤出，正负极片界面间电解液不足，锂离子无法嵌入正极，发生析锂现象，导致循环快速衰减；反之预留空间过大，会存在电池10极片界面差问题，同时会牺牲电池和电池包体能量密度。
52.在本技术中，通过调控jr
w
与sr
w
，将电池序列20的结构和/或选材满足上述公式一，可以控制膨胀间隙并改善极片界面与电芯性能。
53.在进一步的实施例中，p
w
＝jr
厚度-c
w
，其中，jr
厚度
为电池10内部极芯201在第一方向x上任意时刻的长度。在公式一中，电池10内部极芯201在第一方向x上任意时刻的长度，即为电池10不管是膨胀还是没有膨胀时均满足上述公式一，当极芯201在第一方向x上膨胀的长度达到极值时仍然满足上述公式一，即可避免因电池10膨胀而破坏极片界面。
54.在另一些实施例中，p
w
＝x
正
×
y
正
×
(1+s
正
)+x
负
×
y
负
×
(1+s
负
)；其中极片包括间隔设置的正极片和负极片，x
正
为正极片的层数，y
正
为单层正极片中敷料层在第一方向x上的长度，s
正
为正极片中敷料层的膨胀系数；x
负
为负极片的层数，y
负
为单层负极片中敷料层在第一方向x上的长度，s
负
为负极片中敷料层的膨胀系数。在该实施例的表示方式中，由敷料层的膨胀长度本身来表示敷料层在第一方向上任意时刻的长度。
55.电池在化成段负压抽出电池内气体，防止气体多导致锂离子脱嵌困难以及带来界面差问题；电池外部大气压大于电芯内压，壳体100受到向内的收缩力紧贴并固定极芯201，
循环过程中极芯201承受来自于凹陷壳体100的压力，负压持续吸出电电池内部产气，同时腔体在充放电呼吸作用下向外膨胀，充放电呼吸效应反应敷料层的膨胀系数s，可以通过正负极材料材质、正负极压实、正负极面密度、辊压工艺(一次辊压、二次辊压)、辊压后装配前极片反弹时间等方式调控，同时考虑电池在不同温度循环能力的要求。在进一步的实施例中，电池在出厂状态未充满电时，jr
w
≤94％；电池在出厂状态充满电时，jr
w
≤100％。
56.通过控制jr/sr可以提高电芯循环寿命；抽取负压后壳体100凹陷，内凹深度保证壳体贴住处于不同带电状态的极芯201；内凹壳体，尤其是内凹铝壳体可简化电池设计，电池大面在膨胀时可占用凹陷部分的空间，减少在电池序列中的两电池之间的间隙设计，简化结构设计，在保证极片界面的基础上控制膨胀比，提高装配生产效率。
57.当极芯201是由比较长的极片间隔卷绕得到的时，在卷绕的第二方向y上，敷料层也具有膨胀能力，因此，在进一步的实施例中，电池序列20的结构还满足以下公式二：
58.88％≤jr
l
≤92％(公式二)；
59.其中，jr
l
为电池10内部极芯201在第二方向y上的膨胀空间，第二方向y为电池10的高度方向；具体为，所述第二方向为电池内部卷绕极芯侧边具有弧形区域的方向，所述弧形区域具有层叠设置的极片，因而该方向上具有膨胀能力。需要说明的是，在另一实施例中，极芯201在电池内的放置方向不同时，第二方向y也可能是电池的长度方向，如极芯201侧边具有弧形区域的方向朝向电池的长边，此时，所述第二方向y为电池10的高度方向；如极芯201侧边具有弧形区域的方向朝向电池的窄侧边，此时，所述第二方向y为电池10的长度方向。
60.jr
l
＝p
l
/(cell
l-k
l-c
l
)，其中，p
l
为敷料层在第二方向y上任意时刻的长度，其中任意时刻包括敷料层在未膨胀时的、膨胀中的、以及膨胀后的任一时刻，并且敷料层在第二方向y上的长度是指第二方向y上所有敷料层长度的总和。cell
l
为电池10在第二方向y上未使用时的的长度，k
l
为壳体100在第二方向y上的长度，c
l
为极芯中在第二方向y上的不可压缩长度；同样的，极芯201中不可压缩长度包括极芯201中的隔膜、集电体或者绝缘纸中的长度。在其他实施例中，极芯201中不可压缩长度还包括压缩气体的长度，同上所述。
61.将电池序列20在第一方向x和第二方向y上分别满足上述公式一和公式二，可更好的控制膨胀间隙并改善极片界面与电芯性能。
62.在进一步的实施例中，p
l
＝jr
高度-c
l
，其中，jr
高度
为电池10内部极芯201在电池第二方向y上任意时刻的长度。
63.在进一步的实施例中，p
l
＝x
正
×
y
正二
×
(1+s
正
)+x
负
×
y
负二
×
(1+s
负
)；其中极芯201包括间隔设置的正极片和负极片，x
正
为正极片的层数，y
正二
为单层正极片中敷料层在第二方向y上的长度，s
正
为正极片中敷料层的膨胀系数；x
负
为负极片的层数，y
负二
为单层负极片中敷料层在第二方向y上的长度，s
负
为负极片中敷料层的膨胀系数。
64.请参阅图3，在进一步的实施例中，相邻两个电池10之间设有限位结构300。为了保证电池10间间隙的均匀性，以此提高电池10间循环性能一致性，避免受力不均使个别电池10发生极片界面不良进而影响模组及整包电性能，本技术中电池10大面自然凹陷后，电池间减小限位结构厚度，节省限位材料；电池膨胀时先占用凹陷空间，同时保证循环过程界面质量。本技术中，所述限位结构300为限位框。
65.请参阅图4，在另一实施例中，相邻两个电池10的壳体100之间设有限位结构300和
隔热材料400，隔热材料400设置在限位结构300上。电池间还需放置隔热材料，防止电池在极端环境下失效进而发生热扩散。
66.请参阅图5，在另一实施例中，壳体100沿第一方向x具有相对的两个第一表面，至少一个第一表面向壳体100内部凹陷形成凹陷部110。
67.在进一步的实施例中，两个第一表面均向壳体100内部凹陷，以夹持极芯201。
68.请参阅图6，在进一步的实施例中，电池中包括多个极芯201，多个极芯201分成多个串联连接的极芯组200，极芯组200中可以含有一个极芯201也可以含有多个极芯201，含有多个极芯201时，多个极芯201并联形成所述极芯组200；极芯组200沿第三方向z排列，极芯组200之间串联，极芯组200的长度沿第三方向z延伸；第一表面包括多个凹陷部110，一个凹陷部110与一个极芯组200对应设置。在其他实施例中，两个相对设置的第一表面同时设有多凹陷部110，极芯组200被两侧的凹陷部110夹持。
69.请参阅图7，本发明实施例还提供一种电池包30，包括上述任一项实施例所述的电池序列20。电池序列20包括若干电池10；若干个电池10沿第一方向x依次排列以形成电池序列20；换句话说，若干个电池100沿电池厚度方向排列成电池序列。
70.电池序列20可以有1个也可以有多个，每个电池序列20中的电池10可以有1个也可以有多个，在实际生产中，电池10的数量可以根据实际需要进行设定，电池序列20的数量也可以根据实际需要进行设定，本技术对此不做具体限定。
71.本发明还提供一种电动车，包括上述电池包30。
72.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。