一種大功率快速離子循環型鋰電池結構設計

陳胡興

（江蘇省宜興中等專業學校 機電系，江蘇 宜興 214206）

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰離子電池目前由液態鋰離子和聚合物鋰離子電池兩類。其中液態鋰離子電池是指Li＋嵌入化合物為正、負極的二級電池。正極采用鋰化合物，負極采用鋰－碳層間化合物。鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質量輕、能量高、無記憶效應、無污染、自放電小、循環壽命長，是21世紀發展的理想能源。

目前市場上的鋰電池均存在安全性差，有發生爆炸的危險。鋰離子電池實際上是一種離子濃度差電池，當前主流的鋰離子電池離子交換是通過電場力的驅動使離子自發遷移，受到遷移速度的限制，較難實現大電流充放電的大幅改善。為了提高離子交換速度，必須讓正極體和負極體相鄰靠近，中間采用較薄的隔膜用作絕緣隔離，使得安全性降低。因此急需一種能夠提供快速充放電并具有較高安全性的新型結構的鋰電池。

現有技術中，有采用外部冷卻法對鋰電池進行冷卻的，但是這種方法只能讓接觸冷卻體部分的鋰電池降溫，并不能達到整體降溫根本性降溫的技術效果，可以說還有待改進。

1 設計概述

為了解決上述技術問題，本文設計了一種大功率快速離子循環型鋰電池結構，包括正極體、負極體以及位于括正極體和負極體之間的微孔隔片，正極體上設有正極集流體，負極體上設有負極集流體，在正極體和負極體之間連通有一條管道，管道上設有循環泵，用于循環正極體和負極體內的電解液，進行快速離子交換和強制散熱；循環泵連接一驅動電路，驅動電路分別連接正極集流體和負極集流體供電。具體結構見圖1。

圖1 方塊形快速離子循環型鋰電池

通過強制循環電解液，鋰電池可以獲得極高的充電、放電速率，極高的熱安全性，并且最大充放電電流可控，一定程度上可簡化保護電路。由于存在強制循環回路，所述電池的低溫充放電性能有極大改善。由于內部的熱量將被循環系統帶出，必要時可進行強制散熱，使得電池的大電流充放電的安全性有極大提高。由于存在強制循環回路，可加快離子交換速率以及活性，使電池的低溫充放電性能有極大改善。

2 方案設計要素

鋰電池設計中快速充放電與發熱是一組無法避免的矛盾體，因此本文在設計中需要考慮以下幾個方面的問題：

（1）文中設計的散熱片為被動式散熱系統，在超大容量（≥20AH）電池或是大容量動力電池中有需要時設置。通過強制循環電解液，電池可以獲得極高的過熱安全性，內部的熱量將被循環系統帶出，必要時可進行強制散熱（超大容量電池或是大容量動力電池），使得電池的大電流充放電的安全性有極大提高。

（2）設計中考慮的微孔隔片為微孔陶瓷片，微孔徑為10～30μ，開孔率≥60%，板厚0.3～1mm。從而保證了流體通過性。本電池結構使用陶瓷隔膜作為絕緣分割，陶瓷上微孔并不阻止離子遷移（電解液循環）。當未開始強制循環時，由于電場力存在，可同樣實現小電流放電，一旦啟動循環泵，離子遷移速度大幅提升，可以獲得很高的充放電性能（0.1L/min的流量可以實現約160A以上的充放電電流）。

（3）電池的正極體和負極體也是設計需要注意的關鍵問題，正極體由常規的鋰離子電池正極材料（含錳酸鋰，鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，三元材料等）通過發泡燒結成塊狀的含疏孔的結構，控制合理的開孔率以及密度并加入導電性增強的添加劑可以獲得各種符合需求的容量性/動力型電池正極體。負極體由常規的鋰離子電池負極材料（炭黑，活性炭，石墨，錫硅合金等）通過發泡燒結成塊狀的含疏孔的結構，控制合理的開孔率以及密度并加入導電性增強的添加劑可以獲得各種符合需求的容量性/動力型電池負極體。

（4）設計中要考慮微量循環泵（100Ah電池要求最大流量不小于100mL/min），循環泵驅動電路、電池檢測保護電路（可以通過檢測放電電流控制泵開啟以及流量控制）、輔助電池（提供泵啟動所需的電流，大容量電池時需要）構成了電解液循環系統。電池檢測保護電路提供放電檢測，過壓過溫等保護。該種結構的電池當外部保護失效發生短路、過放、過充時，在必要時可以切斷循環，切斷電池內部的充放電回路，以避免危險發生。

3 設計方案確定

根據設計要求，圖2是本文設計的結構原理圖。

如圖2所示，本設計中包括正極體1a、負極體1b以及位于正極體和負極體之間的微孔隔片1c，正極體上設有正極集流體1d，負極體上設有負極集流體1e，在正極體和負極體之間連通有一條管道1f，管道上設有循環泵1g，用于循環正極體和負極體內的電解液，進行快速離子交換和強制散熱；循環泵連接有一驅動電路1h，驅動電路分別連接正極集流體和負極集流體供電，同時驅動電路連接一塊輔助電池1i。正極體和負極體之間的管道上設有散熱片1j。驅動電路連接有一電池檢測保護電路1k，用于檢測鋰電池的電流，并觸發驅動電路驅動循環泵運行。正極集流體為網狀結構鋁材，并嵌入正極體中。該負極集流體為網狀結構銅材，并嵌入負極體中。

圖2 大功率快速循環型鋰電池結構原理圖

本文所設計的大功率快速離子循環型鋰電池結構包括方塊形鋰電池結構及圓柱形共兩種。文中以方形結構進行說明，如圖3所示，圖4為圓柱形鋰電池結構示意圖。

圖3 方塊形的鋰電池剖視結構示意圖

圖4 圓柱形鋰電池剖視結構示意圖

圖3為方塊形的鋰電池剖視結構示意圖，主要包括負極集流體1、端蓋2、安全閥、注液排氣孔3、負極體4、方形外殼5、底蓋6、集成體7（電解液循環系統、電池檢測保護電路及散熱系統）、正極集流體8、正極體9、微孔陶瓷隔片10、電解液存儲腔11。其中，正極體9、正極集流體8、負極體4以及負極集流體1設置在方形外殼5內部，端蓋2位于方形外殼5上端，安全閥、注液排氣孔3位于端蓋2上，微孔陶瓷隔片10位于負極集流體1和正極集流體8下方，微孔陶瓷隔片10位于負極集流體1、負極體4、極集流體8、正極體9的下方，方形外殼5內嵌集成體7，集成體7包括了循環泵、循環泵驅動電路、輔助電池、電池檢測保護電路以及散熱系統。

集流體1主要起集中傳導電子和均勻分布電流的作用，負極集流體1為鋁材，正極集流體8為銅材，為增強大電流性能，負極集流體及正極集流體制成網狀結構分別嵌入所述負極體及正極體。安全閥、注液排氣孔3就是電池頂部的放氣孔，電池內部壓力上升到一定數值時，安全閥自動打開，保證電池的使用安全性。負極體4由常規的鋰離子電池負極材料（炭黑，活性炭，石墨，錫硅合金等）通過發泡燒結成塊狀的含疏孔的結構。正極體9由常規的鋰離子電池正極材料（含錳酸鋰，鈷酸鋰，磷酸鐵鋰，三元材料等）通過發泡燒結成塊狀的含疏孔的結構。

集成體7中電解液循環系統當未開始強制循環時，由于電場力存在，可同樣實現小電流放電，一旦啟動循環泵，離子遷移速度大幅提升，可以獲得很高的充放電性能（0.1L/min的流量可以實現約160A以上的充放電電流）。同時，由于電解液循環，可以將電池內部的熱量帶出，獲得較高的高溫安全性。同時，離子遷移不再局限于由電場力而自發形成的離子遷移，使得電池的低溫性能獲得很大改善。集成體7中電池檢測保護電路提供放電檢測，過壓過溫等保護。集成體7中散熱系統為被動式散熱系統，在超大容量電池或是大容量動力電池中有需要時設置。

微孔陶瓷隔片10使用陶瓷隔膜作為絕緣分割，陶瓷上微孔并不阻止離子遷移（電解液循環），與常規鋰電池在使用過程中由于某種原因（如管理系統損壞）而導致電池充電電壓過高，負極中剩余的一部分鋰就會脫出，經電解液到負極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶，枝晶刺穿隔膜，形成內部短路，而本文所設計的使用陶瓷隔膜就避免了此種危險。

當所設計的鋰電池未進行任何工作（充電或放電）時，循環泵處于截止狀態，電解液中處于靜止狀態。此時由于電池中正負極相隔較遠，鋰離子靠電場力自發遷移能力較弱，電池的自放電很小。當開始充電時，循環泵接收到保護板的充電信號開始啟動，此時循環泵分流小部分充電電流進行工作，電解液處于循環狀態。Li＋不斷從正極脫出，被電解液快速帶往負極，在負極中Li＋得到電子后形成鋰原子嵌入負極體中，循環過程中無法及時得到電子從而嵌入負極體中的Li＋會被電解液再次帶入正極進行下次循環。正極體周邊的電解液中的Li＋濃度由于電解液的快速循環會降低，有利于實現大電流充電。根據保護板的充電電流大小以及電池的容量狀態控制循環泵的驅動速度，從而控制電解液的循環速度，當電池容量水平較低時，循環泵會全速循環，使充電電流達到預期的最大速度，從而加快電池的充電速度，當充電電流超過電池限制時由于電解液的循環能力限制也不會發生過充現象。當電池已經充滿，循環泵會自動截止，結束電解液循環，防止過充電。

當電池檢測保護電路檢測到放電信號時，啟動循環泵。如果是超大容量或大功率型電池時，循環泵接有微型輔助電池作為啟動電源從而啟動循環泵工作，當電池正常放電時，輔助電池電源脫開，循環泵采用電池的部分放電電流作為工作能源（不超過電池容量1%）。循環泵工作后加速電解液在正極與負極中的流動，鋰原子失去電子后從變為Li＋從負極體中脫出，經過電解液循環快速進入正極體，從而嵌入正極體中。負極體周邊的電解質中，Li＋濃度會降低，確保負極體中Li＋快速脫出，從而可以實現大電流放電。

當電池處于未工作狀態時，由于循環泵的截止使得Li＋自由遷移能力較弱，所以電池即使出現外部短路也不會出現危險。由于工作時啟用了循環泵，大大加速了離子遷移速度且其速度可控，因此可以安全的獲得很高的充放電性能（0.1L/min的流量可以實現約160A以上的充放電電流）。同時，由于電解液循環，可以將電池內部的熱量帶出，獲得較高的高溫安全性。同時，離子遷移不再局限于由電場力而自發形成的離子遷移，使得電池的低溫性能獲得很大改善。

4 結論

本設計是在Inventor的基礎上進行的，對整個設計采用了三維動態仿真。本文提供的鋰電池通過強制循環電解液，電池可以獲得極高的充電、放電速率，極高的熱安全性。由于存在強制循環回路，所述電池的低溫充放電性能有極大改善。相比傳統的疊層或是卷片工藝的鋰離子電池，所述結構的電池工藝簡單可靠，無須傳統的電池隔膜（PE之類），成本也較低。但本設計提供的鋰電池結構適用于殼體類大容量（≥10AH）電池，比如圓柱形或方塊形等類型，不適用于軟包裝類或薄片狀電池。

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