复合式电极、电池、电池系统和电动汽车

1.本发明涉及新能源电池技术领域，具体涉及一种复合式电极、电池、电池系统和电动汽车。


背景技术：

2.锂离子电池由于其能量密度高，倍率性能好，自放电低等优点已广泛应用于新能源电动汽车领域。随着技术的持续进步，用于新能源电动汽车的动力电池的市场需求达到了高峰。动力电池通常采用锂离子电池，但是在动力电池实际应用工况下，电池自身内部隐藏缺陷或衰减导致的电池结构和材料变化等因素可能会诱发锂电池内部例如析锂、内短路、热失控等严重的安全问题。然而这些问题通常体现在电池内部结构、性能和状态的变化，无法明显地反映在常规的电池外特性上（如，电压、电流、表面温度等）。比如电池表面温度的检测无法准确的反应电池的内部温度，使得电池内部的温度异常无法及时地被发现，从而增大了热失控的风险。再比如电池内部在持续高倍率工况条件下可能会发生机械形变老化，然而该状态无法通过常规的外置检测装置准确监测，同样会带来潜在的安全问题。
3.因此，有必要在电池内部植入传感器对其进行监测，然而，现有的锂离子电池内置传感器技术主要存在如下缺点：(1)现有的技术大多将传感器置于正常工作的正负极之间，但这样会影响锂离子电池局部的液相传质和电极反应，进而影响最终的电池性能。
4.(2)无法有效防止锂离子电池电解液对内置传感器件的腐蚀。由于电池内部的电解液存在强腐蚀性，并且电池工作过程中内部会存在电势差，会造成传感器件的化学腐蚀和电化学腐蚀，导致内置传感器件寿命短。现有的技术大多都直接将传感器嵌入电解液浸渍的区域，而电解液的腐蚀性会降低器件的使用寿命。少部分的技术利用电芯的隔膜或聚合物保护膜防止电解液腐蚀，虽然可以一定程度上起到保护作用，但长期使用条件下聚合物薄膜的低致密性无法有效防止电解液的渗透，进而保护作用大打折扣。
5.(3)传感器件的植入方法应该尽量减小对现有电池工艺的影响。以软包叠片型电池为例，现有的技术通常将传感器植入这一步添加到标准化的电芯组装过程当中，这种将电芯组装工序和传感器植入工序耦合的方式会降低传感器内置集成的灵活性，并且增加了现有标准电池工艺的复杂度。


技术实现要素：

6.本发明主要解决的技术问题是提供一种复合式电极、电池、电池系统和电动汽车。
7.根据本技术的第一方面，本技术提供一种复合式电极，包括：复合柔性传感组件以及两个单面电极；所述复合柔性传感组件位于所述两个单面电极之间，所述单面电极包括：集流体和活性物质层，所述集流体具有第一面和第二面，所述活性物质层涂覆于所述第一面，所述两个单面电极的所述第二面均朝向所述复合柔性传感组件；所述复合柔性传感组件包括：柔性绝缘基底膜，片状柔性传感器本体以及柔性绝缘封装膜；所述柔性绝缘基底膜
与所述柔性绝缘封装膜相互复合，所述片状柔性传感器本体设于所述柔性绝缘基底膜与所述柔性绝缘封装膜之间。
8.一种实施例中，所述复合柔性传感组件还包括：正极引线和负极引线，所述片状柔性传感器本体具有正极连接端和负极连接端，所述正极引线的一端与所述正极连接端连接，所述正极引线的另一端经所述两个单面电极之间引出至所述复合式电极的外部，所述负极引线的一端与所述负极连接端连接，所述负极引线的另一端经所述两个单面电极之间引出至所述复合式电极的外部。
9.一种实施例中，所述复合柔性传感组件的厚度均匀。
10.一种实施例中，所述柔性绝缘基底膜的形状、所述柔性绝缘封装膜的形状、所述集流体的形状均相同，且所述柔性绝缘基底膜的大小、所述柔性绝缘封装膜的大小、所述集流体的大小均相同。
11.一种实施例中，所述柔性绝缘基底膜和所述柔性绝缘封装膜均为聚酰亚胺（pi）薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）薄膜中的其中一种。
12.一种实施例中，所述片状柔性传感器本体为片状柔性温度传感器、片状柔性压力传感器、片状柔性应力传感器中的至少一种。
13.根据本技术的第二方面，本技术提供一种电池，包括：至少一个所述的复合式电极。
14.一种实施例中，还包括：m个叠片单元，所述叠片单元包括：依次层叠设置的第一极片，第一隔膜，第二极片，第二隔膜；所述第一极片包括：第一极片本体和两个分别涂覆在所述第一极片本体两面的第一活性物质层，所述第二极片包括：第二极片本体和两个分别涂覆在所述第二极片本体两面的第二活性物质层；（m-x）个叠片单元层叠在复合式电极的一侧，（m-y）个叠片单元层叠在复合式电极的另一侧，且所述第二极片朝向所述复合式电极；所述第二极片本体的极性与所述集流体的极性、以及所述第一极片本体的极性均相反；其中，m为大于等于1的正整数，x、y均为自然数，x、y均小于m，且（m-x） （m-y）=m。
15.根据本技术的第三方面，本技术提供一种电池系统，包括：所述的电池，还包括：电池管理模块，所述电池管理模块与所述电池连接。
16.根据本技术的第四方面，本技术提供一种电动汽车，包括：所述的电池系统。
17.依据上述实施例的复合式电极、电池、电池系统和电动汽车，复合式电极将复合柔性传感组件设置在两个单面电极之间，相较于其他采用聚合物封装传感器和使传感器浸渍在电解液中的方案，能够有效阻隔电解液的渗透，并且，本方案直接利用了电池内部的组件，无需添加额外的防护措施，降低了对电池带来的潜在安全风险。在电池制作工序中，复合式电极相当于一个极片，可将该复合式电极与电池组装工序耦合，最大程度降低对电池组装工艺的影响。
附图说明
18.图1为本技术提供的复合式电极的爆炸图；图2为本技术提供的复合式电极的侧视图；
图3为本技术提供的复合式电极中两个单面电极的示意图；图4为本技术提供的复合式电极中复合柔性传感组件的侧视图；图5为本技术提供的复合式电极的正面示意图；图6为本技术提供的复合式电极的复合柔性传感组件中片状柔性传感器本体分布在柔性绝缘基底膜的示意图；图7为本技术提供的电池的爆炸图；图8为本技术提供的电池的侧视图；图9为本技术提供的电池系统的结构示意图。
具体实施方式
19.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
20.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
21.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
22.本技术提供了一种复合式电极、电池、电池系统和电动汽车，其中，电池为主要应用于电动汽车的锂离子电池，锂离子电池通常由依次层叠设置的正极极片、隔膜、负极极片、隔膜组成，复合式电极相当于锂离子电池中的正极极片或负极极片，例如，若复合式电极相当于正极极片时，形成的锂离子电池由正极极片、隔膜、负极极片、隔膜、复合式电极、隔膜、负极极片、隔膜、正极极片组成，若复合式电极相当于负极极片时，形成的锂离子电池由负极极片、隔膜、正极极片、隔膜、复合式电极、隔膜、正极极片、隔膜、负极极片组成。该复合式电极将复合柔性传感组件设置在两个单面电极之间，单面电极是指集流体的其中一面涂覆活性物质层，而未涂覆活性物质层的另一面则均朝向复合柔性传感组件，集流体为金属材质制作的集流体，可有效避免电解液渗透至复合柔性传感组件，以避免电解液对复合柔性传感组件的腐蚀，有效延长电池使用寿命。采用复合柔性传感组件可对成品电池内部诸如温度、压力、应力等至少一种参数进行监测，同时，采用本复合式电极，可最大程度降低对现有电池工艺的影响。
23.实施例一、本实施例提供了一种复合式电极，参见图1-图6所示，本实施例所提供的复合式电极100包括：复合柔性传感组件10以及两个单面电极20，两个单面电极20复合为一个整体，
并将复合柔性传感组件10设置在两个单面电极20之间，两个单面电极20可采用粘合压实的方式将复合柔性传感组件10夹在二者之间，单面电极20意指其中一面未涂覆物质，将未涂覆物质的一面都朝向复合柔性传感组件10，并通过胶黏粘合连接，例如，可采用抗电解液腐蚀的胶体，使得两个单面电极20之间达到密封状态。
24.本实施例中，复合柔性传感组件10的厚度均匀，以保证两个单面电极20之间粘合压实的均匀度。
25.单面电极20包括：集流体21和活性物质层22，前述的物质即指活性物质层22，集流体21具有第一面211和第二面212，活性物质层22涂覆于第一面211，第二面212未涂覆活性物质，两个单面电极20的第二面212均朝向复合柔性传感组件10。
26.集流体21可以是采用铝箔制作而成的正极极片或者采用铜箔制作而成的负极极片，本实施方式中，在集流体21上还设置有极耳23。当集流体21采用铝箔制作而成的正极极片时，活性物质层22可以是锰酸锂、或者钴酸锂、或者镍钴锰酸锂等材料，当集流体21采用铜箔制作而成的负极极片时，活性物质层22可以是石墨或者近似石墨结构的碳等材料。图1中，集流体21为采用铜箔制作而成的负极极片。两个单面电极20采用相同极性的集流体21，例如，都采用正极极片或者负极极片，将复合柔性传感组件10设置在两个单面电极20之间，两个单面电极20相当于一个极片，例如，相当于正极极片或者负极极片。复合柔性传感组件10为柔性传感器件，换言之，将柔性传感器件复合至极片内部，也就是说，形成一个内置有柔性传感器件的极片，在将该极片组装成成品电池后，两侧的集流体21能够避免电解液渗透，进而可避免对柔性传感器件的化学腐蚀和电化学腐蚀，延长柔性传感器件的使用寿命。
27.复合柔性传感组件10包括：柔性绝缘基底膜11，片状柔性传感器本体12以及柔性绝缘封装膜13。柔性绝缘基底膜11与柔性绝缘封装膜13相互复合，片状柔性传感器本体12设于柔性绝缘基底膜11与柔性绝缘封装膜13之间。也可以认为是将片状柔性传感器本体12先固定在柔性绝缘基底膜11上，再将柔性绝缘封装膜13封装在片状柔性传感器本体12上，并与柔性绝缘基底膜11固定连接。
28.柔性绝缘基底膜11和柔性绝缘封装膜13对片状柔性传感器本体12起到电气绝缘和机械性保护的作用，本实施方式中，柔性绝缘基底膜11和柔性绝缘封装膜13均为聚酰亚胺（pi）薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）薄膜中的其中一种。也就是说，柔性绝缘基底膜11可以是聚酰亚胺（pi）薄膜或者聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）薄膜，柔性绝缘封装膜13可以是聚酰亚胺（pi）薄膜或者聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）薄膜。
29.本实施例中，柔性绝缘基底膜11、片状柔性传感器本体12、柔性绝缘封装膜13都为厚度很薄的片状结构，由柔性绝缘基底膜11、片状柔性传感器本体12、柔性绝缘封装膜13组成的复合柔性传感组件10的厚度也相对较薄，当将复合柔性传感组件10设置在两个单面电极20之间时，两个单面电极20采用胶黏压合的方式连接，可避免二者之间存在间隙，避免电解液进入。
30.当然，在其他实施例中，也可采用抗电解液腐蚀的密封胶密封在两个单面电极20之间或者周向侧边，用于对两个单面电极20之间可能存在的间隙进行密封。
31.片状柔性传感器本体12是复合柔性传感组件10的核心部件，能够对复合式电极中的相应参数进行测量。例如，片状柔性传感器本体12可以是片状柔性温度传感器121、片状柔性压力传感器122、片状柔性应力传感器123中的至少一种，换言之，片状柔性传感器本体
12可以是片状柔性温度传感器121、片状柔性压力传感器122、片状柔性应力传感器123、片状柔性温度传感器121与片状柔性压力传感器122的组合、片状柔性温度传感器121与片状柔性应力传感器123的组合、片状柔性压力传感器122与片状柔性应力传感器123的组合、片状柔性温度传感器121与片状柔性压力传感器122和片状柔性应力传感器123的组合。片状柔性温度传感器121能够测量所形成的成品电池内部的温度变化情况，片状柔性压力传感器122能够测量所形成的成品电池内部因电解液排气所引起的极片受力变化情况，片状柔性应力传感器123能够测量所形成的成品电池内部极片应力变化情况，如此，可集成三种不同种类传感器，以有效对电池内部的温度、压力、应力等参数进行监测，提高电池使用安全性。
32.本实施例中，片状柔性传感器本体12是片状柔性温度传感器121与片状柔性压力传感器122和片状柔性应力传感器123的组合。如图6所示，将片状柔性温度传感器121、片状柔性压力传感器122、片状柔性应力传感器123设置在柔性绝缘基底膜11上，其中，片状柔性温度传感器121设置在柔性绝缘基底膜11的左下侧区域，片状柔性压力传感器122设置在柔性绝缘基底膜11的中部偏右区域，片状柔性应力传感器123设置在柔性绝缘基底膜11的右下方区域，该柔性应力传感器123具有两个应力检测单元。
33.当然，图6仅是给出了一种设置片状柔性温度传感器121、片状柔性压力传感器122、片状柔性应力传感器123位置的示例，在其他实施例中，也可将片状柔性温度传感器121、片状柔性压力传感器122、片状柔性应力传感器123设置在其他不同的位置，具体根据实际需要进行设置。
34.如图5和图6所示，复合柔性传感组件10还包括：正极引线14和负极引线15，片状柔性传感器本体12具有正极连接端和负极连接端，正极引线14的一端与正极连接端连接，正极引线14的另一端经两个单面电极20之间引出至复合式电极100的外部，负极引线15的一端与负极连接端连接，负极引线15的另一端经两个单面电极20之间引出至复合式电极100的外部。
35.正极引线14与负极引线15经两个单面电极20之间引出至复合式电极100的外部的方式中，可以将正极引线14与负极引线15从柔性绝缘基底膜11或者柔性绝缘封装膜13引出后，再紧贴集流体21的第二面212引出至复合式电极100的外部，或者，直接从柔性绝缘基底膜11与柔性绝缘封装膜13之间引出后，经两个单面电极20之间引出至复合式电极100的外部。
36.本实施例中，片状柔性温度传感器121、片状柔性压力传感器122、片状柔性应力传感器123都具有正极连接端和负极连接端，正极引线14的一端与片状柔性温度传感器121的正极连接端、片状柔性压力传感器122的正极连接端、片状柔性应力传感器123的正极连接端都连接，负极引线15的一端与片状柔性温度传感器121的负极连接端、片状柔性压力传感器122的负极连接端、片状柔性应力传感器123的负极连接端都连接。
37.本实施例中，柔性绝缘基底膜11的形状、柔性绝缘封装膜13的形状、集流体21的形状均相同，并且，柔性绝缘基底膜11的大小、柔性绝缘封装膜13的大小、集流体21的大小均相同。如此，形成形状、大小均与集流体21相同的复合柔性传感组件10，以便于后续制作成品电池。
38.实施例二、
参见图7和图8所示，本实施例提供了一种电池1000，该电池1000包括：至少一个实施例一中的复合式电极100。
39.该电池1000还包括：m个叠片单元200，各叠片单元200都包括：依次层叠设置的第一极片201，第一隔膜202，第二极片203，第二隔膜204。如图8所示，图8仅示出了第一极片201的结构，第一极片201包括：第一极片本体2011和两个分别涂覆在第一极片本体201两面的第一活性物质层2012，图8中，在第一极片本体2011上还设置有第一极耳2013，第二极片203包括：第二极片本体和两个分别涂覆在第二极片本体两面的第二活性物质层，相应的，在第二极片本体上还设置有第二极耳。
40.（m-x）个叠片单元200层叠在复合式电极100的一侧，（m-y）个叠片单元200层叠在复合式电极100的另一侧，并且，（m-x）个叠片单元200中靠近复合式电极100一侧的叠片单元中的第二极片203与（m-y）个叠片单元200中靠近复合式电极100另一侧的叠片单元中的第二极片203均朝向复合式电极100。当然，其他叠片单元200同样按照第二极片203朝向复合式电极100的方式设置。本实施方式中，第二极片本体的极性与集流体21的极性、以及第一极片本体2011的极性均相反。
41.其中，m为大于等于1的正整数，x、y均为自然数，x、y均小于m，且（m-x） （m-y）=m。
42.具体而言，如图7和图8所示，集流体21的极性为负极，第二极片本体的极性为正极，第一极片本体2011的极性为负极，第一隔膜202和第二隔膜204都可采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜等材料制作而成。当然，在其他实施例中，集流体21的极性也可以是正极，相应的，第二极片本体的极性为负极，第一极片本体2011的极性为正极。
43.继续参见图7和图8所示，两个叠片单元200分别设置在复合式电极100的两侧，则，m为2，x、y均为1。当然，也可仅在复合式电极100的一侧设置一个叠片单元200，则，m为1，x为0或1，y为1或0。
44.在其他实施例中，可设置五个叠片单元200，其中，三个叠片单元200设置在复合式电极100的一侧，两个叠片单元200设置在复合式电极100的另一侧。在另一些实施例中，也可设置六个叠片单元200和两个复合式电极100，两两叠片单元200层叠成一组，形成三组叠片单元组，将两个复合式电极100分别设置在相邻两组叠片单元组之间，从而使复合式电极100能够处于电池中心位置或等分设置在数量相同的叠片单元组成的叠片单元组之间，能够保证通过复合柔性传感组件12测量的数据的准确性。关于叠片单元200的设置数量，也可为根据实际情况设置为其他数量。
45.本实施例中，在制作电池时，仅需将复合式电极100按照集流体21的极性，将其设定为第一极片201或者第二极片203，以耦合原有电池组装工艺，可最大程度降低对原有电池组装工艺的影响。同时，本方案直接利用了电池内部的组件，无需添加额外的防护措施，降低了对电池带来的潜在安全风险。
46.实施例三、本实施例提供了一种电池系统，该电池系统包括：实施例二中的电池1000，该电池系统还包括：电池管理模块2000，电池管理模块2000与前述的电池1000连接，具体而言，电池管理模块2000可与前述的电池1000通过有线或者无线的方式通讯连接，电池管理模块2000能够有效的监控前述的电池1000的复合集流体10中通过片状柔性传感器本体12所监测到的电池内部例如温度、压力、应力等相关参数的变化，以提高电池系统的安全性和管理
效率。
47.实施例四、本实施例提供一种电动汽车，包括：实施例三中的电池系统，该电池系统可应用到电动汽车中，电动汽车可以是混合动力汽车、纯电动汽车等。本实施方式中，通过将上述电池系统应用在电动汽车中，能够提高电池系统的管理效率和安全性。
48.综上所述，本技术所提供的复合式电极、电池、电池系统和电动汽车中，复合式电极将复合柔性传感组件设置在两个单面电极之间，相较于其他采用聚合物封装传感器和使传感器浸渍在电解液中的方案，能够有效阻隔电解液的渗透，并且，本方案直接利用了电池内部的组件，无需添加额外的防护措施，降低了对电池带来的潜在安全风险。在电池制作工序中，复合式电极相当于一个极片，可将该复合式电极与电池组装工序耦合，最大程度降低对电池组装工艺的影响。
49.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。