一种具有预嵌锂功能的锂离子储能器件

1.本发明属于锂离子储能器件技术领域，具体涉及一种具有预嵌锂功能的锂离子储能器件。


背景技术：

2.锂离子储能器件为锂离子电容器、锂离子电池或具有内并联结构的锂离子电池电容。对于需要进行预嵌锂的锂离子储能器件，通常是采用软包装的封装方法，如中国发明专利cn104008893a所公开的，将电极极片和隔膜按照正极/隔膜/负极的顺序叠片或卷绕制成电芯，将电芯放入铝塑复合膜壳体中，将铝塑复合膜壳体的顶边和第一侧边热封口，电芯的正极和负极的极耳从顶边伸出铝塑复合膜壳体，金属锂电极放入铝塑复合膜壳体中，金属锂电极与电芯相邻放置并用隔膜隔开，金属锂电极的极耳从第二侧边伸出铝塑复合膜壳体；向铝塑复合膜壳体注入过量电解液，然后热封口铝塑复合膜壳体的第二侧边；以恒电流方式，以负极为工作电极，以金属锂电极为对电极，对负极进行预嵌锂；取出金属锂电极，倒出多余的电解液，真空热封口铝塑复合膜壳体的第二侧边，最后得到锂离子混合型电容器。但是这种方法不适用于钢壳的锂离子储能器件。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出了一种具有预嵌锂功能的锂离子储能器件，其可以实现钢壳锂离子储能器件的预嵌锂，锂离子储能器件的结构还能使锂箔与极芯接触更为紧密，更方便于锂离子的扩散，从而加快预嵌锂过程，提高预嵌锂效率。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种具有预嵌锂功能的锂离子储能器件，包括壳体、极芯和电解液，所述的极芯是按隔膜、负极片、隔膜、正极片、隔膜...负极片、隔膜、正极片、隔膜、负极片、隔膜的顺序叠片制成，极芯的最外层由隔膜包裹；所述极芯设置在壳体内部；所述极芯的正极片与正极极柱相连接，极芯的负极片与负极极柱相连接；所述壳体包括正极盖板、负极盖板、正面壳体、侧面壳体，所述正面壳体或侧面壳体还设有凸起部，在凸起部上设置有锂箔，在预嵌锂过程结束后，锂箔消失。
6.进一步地，所述壳体和凸起部为不锈钢、铜或镍材质。
7.进一步地，所述凸起部为弹性体。
8.进一步地，所述凸起部的厚度为0.1～5mm。
9.进一步地，所述凸起部与极芯的间距小于或等于5mm。
10.进一步地，所述极芯的负极片与负极极柱的连接方式为超声波焊接、激光焊接、铆接或电阻焊连接。
11.进一步地，所述正极盖板与正极极柱之间用正极极柱绝缘垫隔开，负极极柱与负极盖板相接触，两者电连接，所述的负极盖板与正面壳体电连接；所述凸起部居于正面壳体的中部，且凸起部与正极片、负极片的排布方向相平行，凸起部的长度为极芯长度的0.5～
1.0倍，凸起部的宽度为极芯宽度的0.5～1.0倍；所述凸起部上设置的锂箔的长度为凸起部长度的0.5～1.0倍，锂箔的宽度为凸起部宽度的0.5～1.0倍，锂箔的厚度为0.01～10mm。
12.进一步地，所述正极盖板与正极极柱之间用正极极柱绝缘垫隔开，负极极柱与负极盖板之间用负极极柱绝缘垫隔开；所述凸起部居于正面壳体的中部，且凸起部与正极片、负极片的排布方向相平行，凸起部的长度为极芯长度的0.5～1.0倍，凸起部的宽度为极芯宽度的0.5～1.0倍；所述凸起部上设置的锂箔的长度为凸起部长度的0.5～1.0倍，锂箔的宽度为凸起部宽度的0.5～1.0倍，锂箔的厚度为0.01～10mm。
13.进一步地，所述正极盖板与正极极柱之间用正极极柱绝缘垫隔开，负极极柱与负极盖板之间用负极极柱绝缘垫隔开；在侧面壳体上设置凸起部，凸起部居于侧面壳体的中部，且凸起部与正极片、负极片的排布方向相垂直，凸起部的长度为极芯长度的0.5～1.0倍，凸起部的宽度为极芯厚度的0.5～1.0倍；所述凸起部上设置的锂箔的长度为凸起部长度的0.5～1.0倍，锂箔的宽度为凸起部宽度的0.5～1.0倍，锂箔的厚度为0.01～10mm。
14.进一步地，所述正极盖板与正极极柱之间用正极极柱绝缘垫隔开，负极极柱与负极盖板相接触，两者电连接，所述的负极盖板与侧面壳体电连接；在侧面壳体上设置凸起部，凸起部居于侧面壳体的中部，且凸起部与正极片、负极片的排布方向相垂直，凸起部的长度为极芯长度的0.5～1.0倍，凸起部的宽度为极芯厚度的0.5～1.0倍；所述凸起部上设置的锂箔的长度为凸起部长度的0.5～1.0倍，锂箔的宽度为凸起部宽度的0.5～1.0倍，锂箔的厚度为0.01～10mm。
15.有益效果：
16.本发明提出的技术方案，可以克服现有技术中只能对软包锂离子储能器件进行预嵌锂而不能对钢壳锂离子储能器件进行预嵌锂的不足，实现钢壳锂离子储能器件的预嵌锂功能；采用本技术方案后，还能方便锂离子沿极芯侧面方向扩散，从而加快预嵌锂过程，提高预嵌锂效率；采用弹性凸起部后，使锂箔与极芯接触更为紧密，锂离子扩散路径变短、预嵌锂时间缩短；如在侧面壳体设置锂箔，也不需要采用带有贯穿孔的集流体，可进一步降低生产成本。
附图说明
17.图1是本发明实施例1的锂离子储能器件的结构侧面视图；
18.图2是本发明实施例1锂离子储能器件的结构正面视图，图中虚线的方框代表凸起部；
19.图3是本发明实施例2锂离子储能器件的结构侧面视图；
20.图4是本发明实施例2锂离子储能器件的结构正面视图，图中虚线的方框代表凸起部；
21.图5是本发明实施例3锂离子储能器件的结构侧面视图；
22.图6是本发明实施例3锂离子储能器件的结构正面视图；
23.图7是本发明实施例4锂离子储能器件的结构侧面视图；
24.图8是本发明实施例4锂离子储能器件的结构正面视图。
25.其中，101-正极极柱，102-负极极柱；201-正极盖板，202-负极盖板，203-正面壳体，204-侧面壳体；4-凸起部，5-极芯；601-正极极柱绝缘垫，602-负极极柱绝缘垫；7-防爆
口，8-注液口，9-锂箔。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.如图1,3,5,7所示，本发明的锂离子储能器件包括壳体、极芯5和电解液，所述的极芯5是按隔膜、负极片、隔膜、正极片、隔膜...负极片、隔膜、正极片、隔膜、负极片、隔膜的顺序叠片制成，极芯5的最外层由隔膜包裹；极芯5的正极片与正极极柱101相连接，极芯5的负极片与负极极柱102相连接；壳体包括正极盖板201、负极盖板202、正面壳体203、侧面壳体204，正面壳体203或侧面壳体204还设有凸起部4，在凸起部4上设置有锂箔9，在预嵌锂过程结束后，锂箔9消失。所述壳体为金属材料，为不锈钢或铜或镍材质。
28.本发明的锂离子储能器件可以为锂离子电容器、锂离子电池或具有内并联结构的锂离子电池电容。其中，锂离子电容器包括电容型的正极片和电池型的负极片，其正极片由电容材料起主导作用，负极片由电池材料起主导作用。锂离子电池电容至少有一个电极由电池材料与电容材料形成所谓的“内并联结构”，即可等效看作一个电池元件与一个电容元件共存于同一个储能器件中，形成内部并联结构。
29.本发明的锂离子储能器件的负极片包括负极集流体和其上的涂覆层，负极集流体为铜箔、带有贯穿孔的穿孔铜箔、泡沫铜或导电碳布；负极集流体的厚度为3～20微米。本发明的锂离子储能器件的正极片包括正极集流体和其上的涂覆层，正极集流体为铝箔、带有贯穿孔的穿孔铝箔、泡沫铝或导电碳布；正极集流体的厚度为5～20微米。所述穿孔铜箔的孔隙率为2～50％。所述涂覆层的组成为：粘结剂质量百分比为3～30％、导电剂质量百分比为5～15％、负极活性材料质量百分比为55～92％。通过机械混合、涂布和裁切得到负极片和正极片。所述机械混合的方法包括但不限于采用行星式球磨机球磨物料、采用行星式搅拌机混合物料、采用高速匀浆机混合物料、采用螺杆机通过挤压方式混合、采用混炼和挤压成膜的干法工艺。所述涂布是指将混合好的浆料均匀涂覆在负极、正极集流体上，涂覆的方法包括但不限于转移式涂布、挤压式涂布、双面挤压式涂布、电极薄膜压覆等方法。
30.隔膜为多孔高分子绝缘隔离膜，可采用纤维素隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯/聚丙烯复合隔膜、聚酰亚胺隔膜等，这些隔膜材料均可采用市售商品。
31.本发明的锂离子储能器件可采用电化学预嵌锂的方法，可以包括以下3种：(1)将金属锂电极与外电源的负极相连接，将负极电极片与外电源的正极相连接，恒电流放电，使嵌锂总量达到设计值，所述电流为0.01～0.5c；(2)将金属锂电极与外电源的正极相连接，将负极电极片与外电源的负极相连接，恒电流充电，使嵌锂总量达到设计值，所述电流为0.01～0.5c；(3)将金属锂电极与外电源的正极相连接，将负极电极片与外电源的负极相连接，以0.01～0.5c的电流恒电流充电至0v；然后，以恒电压u0进行恒电压充电，使嵌锂总量达到设计值，0《u0≤0.15v。其中，所述c的意义，根据《qb/t2502-2000锂离子蓄电池总规范》，表示电池以5小时率放电至终止电压时的容量，即：1c表示1倍容量的电流值，5c表示5倍容量的电流值。
32.本发明锂离子储能器件还可以采用短路预嵌锂的方法，将正极、隔板、负极叠置，在最上层部分和最下层部分上各设置隔板，用胶带将四边固定，并通过超声波焊接法将正极集电体的端子焊接部分和负极集电体的端子焊接部分分别焊接到铝正极端子和铜负极端子上，得到电极叠层单元。在电极叠层单元的上部和下部各设置一个锂电极，通过电阻焊接法将锂极集电体的端子焊接部分焊接到负极端子部分上。注入电解液、封口后，放置20天，将电池分解，发现金属锂被完全消耗，由此判断预嵌锂过程结束。
33.在本发明所提供的技术方案中，极芯按隔膜、负极片、隔膜、正极片、隔膜...负极片、隔膜、正极片、隔膜、负极片、隔膜的顺序叠片制成，图1,3,5,7中虚线方向表示正极片、隔膜和负极片的排列方向。极芯的正极片与正极柱相连接，极芯的负极片与负极柱相连接，连接方式为超声波焊接、激光焊接、铆接或电阻焊连接。
34.下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
35.实施例1
36.如图1，图2所示，实施例1中，正极盖板201与正极极柱101之间用正极极柱绝缘垫601隔开，负极极柱102与负极盖板202相接触，两者电连接；负极盖板202与正面壳体203电连接。
37.在正面壳体203上设置凸起部4，凸起部4采用不锈钢、铜或镍材质，凸起部4居于正面壳体203的中部，且凸起部4与正极片、负极片的排布方向相平行，凸起部4的长度为极芯5长度的0.5～1.0倍，凸起部4的宽度为极芯5宽度的0.5～1.0倍。凸起部4的厚度为0.1～5mm。凸起部4与极芯5的间距为小于或等于5mm。正极盖板201、负极盖板202、正面壳体203、侧面壳体204可以是一体化设计，也可以是在放入极芯5时在氩气气氛中组装。在正极盖板上设置防爆口7，在锂离子储能器件壳休的内部压力大于设计压力时，防爆口7打开，释放壳体内的气体。
38.本实施例锂离子储能器件的制备方法为：在凸起部上4固定锂箔9，锂箔的厚度为0.01～10mm，将正极盖板201、负极盖板202、正面壳体203、侧面壳体204组装成壳体，极芯5放入壳体内组装成锂离子储能器件，从注液口8注入电解液后封闭注液口8，此时凸起部4、正面壳体203与负极极柱102和负极盖板202之间为电连接，发生锂箔的溶解和锂离子嵌入至负极片中，将锂离子储能器件放置至正极极柱101与负极极柱102之间电压不再变化，此时锂箔完全溶解，完成预嵌锂工艺。对锂离子储能器件进行1～5次充放电后，完成对锂离子储能器件的化成，真空抽除产生的气体，对注液口8进行最终封闭，获得锂离子储能器件。凸起部4还可以采用弹性体，其为具有弹性的材料或结构。采用实施例1可以实现一体化的预嵌锂功能，无需重新拆开壳体取出金属锂电极；通过调整凸起部4与极芯5的间隙和凸起部的厚度，可以很方便地调整金属锂电极与极芯5的贴合程度，进而调整锂离子的传输距离，缩短预嵌锂时间。
39.实施例2
40.如图3，图4所示，正极盖板201与正极极柱101之间用正极极柱绝缘垫601隔开，负极极柱102与负极盖板202之间用负极极柱绝缘垫602隔开。
41.在正面壳体203上设置凸起部4，凸起部4采用不锈钢、铜或镍材质，凸起部4居于正面壳体203的中部，且凸起部4与正极片、负极片的排布方向相平行，凸起部4的长度为极芯5长度的0.5～1.0倍，凸起部4的宽度为极芯5宽度的0.5～1.0倍。凸起部4与极芯5的间距为
小于或等于5mm。在正极盖板上设置防爆口7，在锂离子储能器件壳休的内部压力大于设计压力时，防爆口7打开，释放壳体内的气体。
42.本实施例锂离子储能器件的制备方法：在凸起部4上固定锂箔9，锂箔9的厚度为0.01～10mm，将正极盖板201、负极盖板202、正面壳体203、侧面壳体204组装成壳体，将极芯5放入壳体内组装成锂离子储能器件，从注液口8注入电解液后封闭注液口8，此时凸起部4、正面壳体203与负极极柱102和负极盖板202之间没有电连接，将锂离子储能器件的负极极柱102与新威充放电仪的正极相连接，正面壳体203与新威充放电仪的负极柱102相接触，采用电化学放电的方法进行预嵌锂，发生锂箔的溶解和锂离子嵌入至负极片中。
43.或采用电化学放电的方法进行部分的预嵌锂后，使负极极柱102与正面壳体203相连接，通过短路的方法完成剩余部分的预嵌锂。对锂离子储能器件进行1～5次充放电后，完成对锂离子储能器件的化成，真空抽除产生的气体，对注液口进行最终封闭，获得锂离子储能器件。
44.实施例3
45.如图5，图6所示，正极盖板201与正极极柱101之间用正极极柱绝缘垫601隔开，负极极柱102与负极盖板202之间用负极极柱绝缘垫602隔开。
46.在侧面壳体204上设置凸起部4，凸起部4采用不锈钢、铜或镍材质，凸起部4居于侧面壳体204的中部，且凸起部4与正极片、负极片的排布方向相垂直，凸起部4的长度为极芯5长度的0.5～1.0倍，凸起部4的宽度为极芯5厚度的0.5～1.0倍。凸起部4与极芯5的间距为小于或等于5mm。在正极盖板上设置防爆口7，在锂离子储能器件壳休的内部压力大于设计压力时，防爆口7打开，释放壳体内的气体。
47.本实施例锂离子储能器件的制备方法：在凸起部4上固定锂箔9，锂箔9的厚度为0.01～10mm，将正极盖板201、负极盖板202、正面壳体203、侧面壳体204组装成壳体，将极芯5放入壳体内组装成锂离子储能器件，从注液口8注入电解液后封闭注液口8，将锂离子储能器件的负极极柱102与新威充放电仪的正极相连接，正面壳体203与新威充放电仪的负极极柱102相接触，采用电化学放电的方法进行预嵌锂，此时凸起部4、正面壳体203与负极极柱102和负极盖板202之间没有电连接。对锂离子储能器件进行1～5次充放电后，完成对锂离子储能器件的化成，真空抽除产生的气体，对注液口8进行最终封闭，获得锂离子储能器件。由于凸起部4与正极片、负极片的排布方向相垂直，在预嵌锂过程中，锂离子从极芯的侧面扩散进入极芯，对于具有二维结构的极片而言，从侧面扩散具有更快的扩散速率，电化学预嵌锂时间从两天缩短至2～8小时。
48.对于凸起部4与正极片、负极片的排布方向相平行的结构，由于在预嵌锂时锂离子需要通过层叠的负极片和正极片，负极片和正极片需要采用具有贯穿孔结构的集流体，而贯穿孔结构集流体的成本要比无贯穿孔结构集流体成本高50％～200％，会带来成本的增加。对于凸起部4与正极片、负极片的排布方向相垂直的结构，由于预嵌锂时锂离子不需要通过层叠的负极片和正极片，负极片和正极片不需要采用具有贯穿孔结构的集流体，会带来集流体成本的大幅降低。
49.对于凸起部4与正极片、负极片的排布方向相平行的结构，由于在预嵌锂时锂离子需要通过层叠的负极片和正极片，负极片和正极片需要采用具有贯穿孔结构的集流体，在注入电解液后、电化学预嵌锂过程中，而锂离子每穿过一片负极极片电位下降v，锂离子每
穿过一片正极极片电位下降v，因此极芯的厚度有一定的极限，当极芯厚度超过某一厚度值时，会产生较大的电化学极化，或者由于预嵌锂电流过小而导致预嵌锂时间过长。而采用凸起部4与正极片、负极片的排布方向相垂直的结构时，就不存在对极芯厚度的限制。
50.贯穿孔结构集流体的成本要比无贯穿孔结构集流体成本高50％～200％，会带来成本的增加。对于凸起部4与正极片、负极片的排布方向相垂直的结构，由于预嵌锂时锂离子不需要通过层叠的负极片和正极片，负极片和正极片不需要采用具有贯穿孔结构的集流体，会带来集流体成本的大幅降低。
51.也可采用电化学放电的方法进行30％～90％的预嵌锂后，使负极极柱102与正面壳体203相连接，通过短路的方法完成剩余部分的预嵌锂，提高新威充放电仪的使用效率，节约电能和生产成本。
52.实施方式4
53.如图7，图8所示，正极盖板201与正极极柱101之间用正极极柱绝缘垫601隔开，负极极柱102与负极盖板202相接触，两者电连接，负极盖板202与侧面壳体204电连接。
54.在侧面壳体204上设置凸起部4，凸起部4采用不锈钢、铜或镍材质，凸起部4居于侧面壳体204的中部，且凸起部4与正极片、负极片的排布方向相垂直，凸起部4的长度为极芯5长度的0.5～1.0倍，凸起部4的宽度为极芯5厚度的0.5～1.0倍。凸起部4与极芯5的间距为小于或等于5mm。在正极盖板上设置防爆口7，在锂离子储能器件壳休的内部压力大于设计压力时，防爆口7打开，释放壳体内的气体。
55.本实施例锂离子储能器件制备方法：在凸起部4上固定锂箔9，锂箔的厚度为0.01～10mm，将正极盖板201、负极盖板202、正面壳体203、侧面壳体204组装成壳体，极芯5放入壳体内组装成锂离子储能器件，从注液口8注入电解液后封闭注液口8，此时凸起部4、正面壳体203与负极极柱102和负极盖板202之间为电连接，发生锂箔的溶解和锂离子嵌入至负极片中，将锂离子储能器件放置至正极极柱101与负极极柱102之间电压不再变化，此时锂箔完全溶解，完成预嵌锂工艺。对锂离子储能器件进行1～5次充放电后，完成对锂离子储能器件的化成，真空抽除产生的气体，对注液口进行最终封闭，获得锂离子储能器件。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。