一种电池单体、动力电池、车辆辅助电池以及电池包的制作方法

1.本技术实施例涉及电池设计技术，尤指一种电池单体、动力电池、车辆辅助电池以及电池包。


背景技术：

2.目前二次电池可以为三元锂离子电池，三元锂电池可以包括：阴极、阳极、隔膜和电解液。三元锂离子电池作为驱动电池、车辆辅助电池以及其他电池包存在低温性能差的问题，即，低温时充放电受限制，并且-30℃以下无法支持冷启动，并且三元锂离子电池通过化学反应，具体主要依靠锂离子在正负极之间的往返嵌入和脱嵌来工作，实现能量的存储和释放，循环寿命较低；目前也有关于超级电容的一些研究，超级电容超低温特性好，工作温度范围宽-40℃～ 70℃，但是能量密度不高，输出功率不够，所以需要额外的变压器设备与超级电容配合工作，总体结构涉及连接等关系，相对比较复杂。因此开发一款全工况(包括低温工况下)高倍率充放电、能量密度高、使用寿命长的电池非常重要。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种电池单体、动力电池、车辆辅助电池以及电池包，能够提升电池的寿命，提升低温充放电倍率，并保证电池的能量密度。
4.本技术实施例提供了一种电池单体，包括：阴极、阳极、位于所述阴极和所述阳极之间的隔膜，以及所述阴极和所述阳极内各自填充的电解液；
5.所述阴极包括：三元材料与活性炭的混合物；所述活性炭为超级电容采用的活性炭，所述活性炭占混合物的比例包括5％-50％；
6.所述阳极包括多孔微晶石墨，多孔微晶石墨的孔隙排列为无序排列；所述阳极包括多孔微晶石墨，多孔微晶石墨的孔隙排列为无序排列；所述多孔微晶石墨的有效比表面积大于三元锂离子电池的阳极石墨的有效比表面积；所述多孔微晶石墨的电导率大于三元锂离子电池的电导率；
7.所述阴极和阳极采用干法电极制造工艺制造而成。
8.在本技术的示例性实施例中所述三元材料包括：按照预设比例混合的镍、钴和锰，并且混合后的镍、钴和锰中添加有富锰，所述镍所占的占比越高，所述电池单体的能量密度越大，所述钴和锰的占比越高，所述电池单体的稳定性越高。
9.在本技术的示例性实施例中，所述电解液在三元锂离子电池的电解液中添加有在预设温度下粘度低于预设粘度的添加剂。
10.在本技术的示例性实施例中，所述预设温度包括-20℃至-22℃，所述预设粘度包括0.7mpa.s-0.9mpa.s。
11.在本技术的示例性实施例中，所述添加剂可以为环己基b添加剂和/或frey氏培养基添加剂。
12.在本技术的示例性实施例中，所述隔膜可以为纳米纤维或纸质隔膜，所述隔膜的
孔隙大于三元锂离子电池的隔膜的孔隙。
13.在本技术的示例性实施例中，所述阴极包括铝箔，所述混合物附着于铝箔上；
14.所述阳极包括铜箔，所述多孔微晶石墨附着于铜箔上。
15.本技术的实施例还公开了一种动力电池，包括以上所述的电池单体，至少两个所述电池单体串联设置，该动力电池能够在超级电容的工作温度范围内工作。
16.本技术的实施例还公开了一种车辆辅助电池，包括以上所述的电池单体，至少两个所述电池单体串联设置，所述辅助电池能够在超级电容的工作温度范围内用于给车辆电子元器件供电，所述辅助电池还可以在超级电容的工作温度范围内用于给车辆需要加热的元器件加热至工作温度。
17.本技术的实施例还公开了一种电池包，包括以上所述的电池单体，至少两个所述电池单体串联设置。
18.与相关技术相比，本技术实施例的电池单体包括：阴极、阳极、位于所述阴极和所述阳极之间的隔膜以及所述阴极和所述阳极内各自填充的电解液；所述阴极包括：三元材料与活性炭的混合物；所述活性炭为超级电容采用的活性炭；所述阳极包括多孔微晶石墨。由于在阴极增加了活性炭，且活性炭在混合物中的占比为5％-50％，提高了电池单体的放电倍率，为了配合阴极的变化，阳极采用多孔微晶石墨，多孔微晶石墨的孔隙排列为无序排列；所述多孔微晶石墨的有效比表面积和电导率大于三元锂离子电池的阳极石墨的有效比表面积和电导率，提高了阳极的孔隙的总面积，有利于提高放电倍率；同时由于阳极采用该多孔微晶石墨，以及孔隙排布的无序性，阴极加入5％-50％活性炭，不但增加了孔隙的总面积而且有利于锂离子的脱嵌，降低了阳极材料的损伤，有利于提高电池单体的寿命，另外由于活性炭加入阴极，同时阳极采用多孔微晶石墨，使得电池单体可以通过吸附作用实现能量的存储和释放，该过程是物理过程，对材料的损伤远远小于三元锂离子电池的化学反应的损伤，进一步提高电池单体的寿命，同时该特征具有超级电容的特征，该电池单体具有较好的低温充放电性能；通过控制阴极加入5％-50％活性炭，同时所述阴极和阳极采用干法电极制造工艺制造而成，所述阴极和阳极不含有溶剂残留，保证了电池单体的能量密度与普通三元锂离子电池的能量密度相当，保证自放电满足要求。因此，本技术实施例提供了一种电池单体、动力电池、车辆辅助电池以及电池包，同时兼备了提升电池的寿命，提升低温充放电倍率，并保证能量密度的优势。
19.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
20.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
21.图1为本技术实施例的电池单体的内部结构示意图；
22.图2为本技术实施例的电池组的排列连接示意图；
23.图3为本技术实施例的低温工况下，随着荷电状态的变化，电池单体与三元锂离子电池单体的输出功率对比图。
具体实施方式
24.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
25.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
26.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
27.目前二次电池可以为三元锂离子电池，三元锂电池可以包括：阴极、阳极、隔膜和电解液。三元锂离子电池作为驱动电池、车辆辅助电池以及其他电池包使用，存在低温性能差的问题，即，低温时充放电受限制，并且-30℃以下无法支持冷启动，并且三元锂离子电池通过化学反应，具体主要依靠锂离子在正负极之间的往返嵌入和脱嵌来工作，实现能量的存储和释放，循环寿命较低；目前也有关于超级电容的一些研究，超级电容超低温特性好，工作温度范围宽-40℃～ 70℃，但是能量密度不高，输出功率不够；本技术的电池单体综合考量以上优势和不足，开发出一款新型的电池单体，同时兼顾提升电池的寿命，提升低温充放电倍率，并保证能量密度的要求。
28.在本技术的示例性实施例中，本技术实施例方案的电池单体：在三元锂电池体系的基础上结合超级电容结构对锂电池正极、负极、电解液、隔膜等进行相互具有强相关性的调整，使得电池单体兼备三元锂离子电池的优势和超级电容的优势，即具有三元锂离子电池的高能量密度，也可以称为高功率密度，同时具有超级电容的低温充放电性能。
29.本技术实施例提供了一种电池单体10，如图1所示，可以包括：阴极1、阳极7以及位于所述阴极1和所述阳极7之间的隔膜6，以及位于阴极的部分电解液5和位于阳极的部分电解液5；所述阴极1包括：三元材料2与活性炭3的混合物；所述活性炭3为超级电容采用的活性炭；所述阳极7包括多孔微晶石墨8，所述多孔微晶石墨的有效比表面积和电导率大于三元锂离子电池的阳极石墨的有效比表面积和电导率。本实施例的技术方案，在三元锂离子电池单体的基础上，调整了阴极的成分，主要是增加了活性炭成分，虽然使得原三元材料的比重有所下降，但是加入的活性炭成分提高了电池的充放电倍率，阴极充放电倍率提高，为
了适应这一变化，阳极需要对应调整，以增加电荷的吸附能力，本技术的实施例中采用多孔微晶石墨方案，所述多孔微晶石墨的有效比表面积和电导率大于三元锂离子电池的阳极石墨的有效比表面积和电导率，提高了阳极的孔隙的总面积，有利于提高放电倍率，还可以与阴极通过物理吸附作用实现能量的存储和释放，由于是物理吸附，相对于普通三元锂离子电池而言，材料损伤更小，有利于提高电极的使用寿命，进而提高电池的使用寿命。在本技术的示例性实施例中，多孔微晶石墨的孔隙排列为无序排列；相对于层状的石墨，吸附于多孔微晶石墨的孔隙的电荷比层状排序的电荷更容易脱嵌，能够降低阴极的内阻。另外单位体积内，多孔微晶石墨的孔隙的数量比三元锂离子电池的石墨电极的孔隙更多，多孔微晶石墨的孔隙的大小比三元锂离子电池的石墨电极的孔隙更大，电荷嵌入和脱嵌更容易，物理吸附也更好。
30.在本技术的示例性实施例中，为了保证能量密度，本实施例中的活性炭在混合物中的占比为5％-50％，同时，所述阴极和阳极可以采用干法电极制造工艺制造而成，所述阴极和阳极不需要额外添加粘结剂，保证了电池单体的能量密度与普通三元锂离子电池的能量密度相当，保证自放电满足要求。
31.在本技术的示例性实施例中，阴极1可以由三元材料2与活性炭3混合而成附着在铝箔4上，阳极7可以由多孔微晶石墨8构成附着在铜箔9上，阴极1与阳极7之间存在隔膜6。
32.在本技术的示例性实施例中，三元材料2(ni、co、mn按照一定比列混合的化合物)与活性炭3(超级电容的主要电极材料)的混合物，使得本技术实施例的电池具备与当前的三元锂离子电池同级别的能量密度(略低于三元锂离子电池)，通过活性炭来使本技术实施例的电池具备超级电容物理吸附的高倍率充放电特性以及低温充放电特性；参加图3，图3为低温工况下，随着荷电状态(soc)的变化，本技术的电池单体与三元锂离子电池单体的输出功率(p)对比图，其中图中虚线为三元锂离子电池的输出功率随着荷电状态变化而变化的曲线，图中实线为本技术的电池单体的输出功率随着荷电状态变化而变化的曲线，可以看出相同的荷电状态下，本技术的额电池单体的输出功率大于三元锂离子电池的输出功率，该图对应的温度为-20
゜
。
33.在本技术的示例性实施例中，所述三元材料2可以包括：按照预设比例混合的镍、钴和锰，并且混合后的镍、钴和锰中添加有富锰；所述镍所占的占比越高，所述电池单体的能量密度越大，所述钴和锰的占比越高，所述电池单体的稳定性越高。ni(镍)co(钴)、mn(锰)的比例可以根据电池单体的应用环境不同进行调整，其中一种实施方式中，ni(镍)co(钴)、mn(锰)的比例可以为1：1：1，可以实现高放电倍率下兼顾电芯的稳定性。
34.在本技术的示例性实施例中，阳极7的多孔微晶石墨具有更小的粒径，使阳极7具备更多的空隙表面，该阳极特性结合阴极特性，使得放电倍率成倍增加，从而提升充放电倍率，但多孔微晶石墨容量略低于普通石墨，使得本技术实施例的电池的能量密度略低于当前的三元电池，虽然容量略有降低，但仍能够满足要求。
35.在本技术的示例性实施例中，所述电解液在三元锂电电解液中添加有在温度低于预设温度时粘度低于预设粘度的添加剂。
36.在本技术的示例性实施例中，通过在电解液中添加低粘度添加剂，降低电解液在低温时的内阻，改善了本技术实施例的电池的低温性能以及充放电性能。
37.在本技术的示例性实施例中，所述预设温度可以包括-20℃至-22℃，所述预设粘
度可以包括0.7mpa.s-0.9mpa.s。
38.在本技术的示例性实施例中，在其中一种电池单体的应用场景中，所述添加剂的一种选取标准为温度低于所述预设温度-20
゜
，粘度低于预设粘度0.7mpa.s。
39.所述添加剂可以包括：环己基b添加剂和/或frey氏培养基添加剂。
40.在本技术的示例性实施例中，采用了复配技术，即在原三元锂离子电池的电解液基础上，增加多元化的b基(环己基b)、f基(frey氏培养基)功能添加剂(电池体系不同添加剂使用不同)，该添加剂是匹配整个电池体系做的专用添加剂，匹配电芯体系实现了高倍率输出以及改善低温性能。
41.在本技术的示例性实施例中，所述隔膜可以为纳米纤维或纸质隔膜。
42.在本技术的示例性实施例中，相比于当前三元锂离子电池的pc(polycarbonate，聚碳酸酯)/pe(polyethene聚乙烯)隔膜，本技术实施例的隔膜6采用纸质隔膜，或采用高孔低透、耐高温型复合纳米纤维，具备大空隙特点，适应高充放电倍率，并降低了内阻。
43.在本技术的示例性实施例中，阴极和阳极采用超级电容的干法电极制造工艺，大幅提升了电极稳定性以及容量，一定程度上减小了阴极混合活性炭和阳极多孔微晶石墨带来的容量降低的程度，保证了本技术实施例的电池相比于三元锂离子电池在能量密度上相当。
44.在本技术的示例性实施例中，正负极均采用干法电极工艺(不含溶剂残留)，提升了电芯能量密度以及放电倍率，并通过卷绕形成圆筒型电芯。
45.在本技术的示例性实施例中，本技术实施例方案的电池单体，可以应用于车辆的动力电池、车用辅助电池以及电池包。
46.在本技术的示例性实施例中，如图2所示，车辆的动力电池、车用辅助电池以及电池包，标记为100，包括至少两个串联设置的所述电池单体10，为了满足各个电池的压力需求，也可以包括并联设置的电池单体。
47.在本技术的示例性实施例中，车辆的动力电池包括至少两个串联设置的所述电池单体，该动力电池能够在超级电容的工作温度范围内工作。
48.在本技术的示例性实施例中，车辆辅助电池包括至少两个串联设置的所述电池单体，所述辅助电池能够在超级电容的工作温度范围内用于给车辆电子元器件供电，所述辅助电池还可以在超级电容的工作温度范围内用于给车辆需要加热的元器件加热至工作温度。
49.在本技术的示例性实施例中，除了上述两种电池，还可以为其他电池包，包括至少两个所述电池单体串联设置，为了满足各个电池的压力需求，也可以包括并联设置的电池单体。
50.在本技术的示例性实施例中，当然动力电池可以为主要应用于混动车辆的电池，具有低电量高功率输出，良好的低温性能(满足-40℃)的使用要求。本技术实施例方案的电池相比与三元锂离子电池而言，由于阴极材料混合了超级电容的活性炭以及阳极改良过的多孔微晶石墨，结合低粘度电解液和高孔隙率的纸质隔膜，可以保证相同电量下大幅度提升充放电功率，特别是低温充放电性能大幅提升(可以满足-40℃工作)，并且使得电池具备部分超级电容物理充放电的特性(物理吸附)，大幅延长了电池的寿命，可以达到当前三元锂电池的10倍。
51.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。