[发明专利]受压锂金属聚合物电池组

说明书

一种锂金属聚合物电池组，包括刚性外壳和至少一个电化学电池；该电池组没有装配主动机械压力系统。

本申请是申请号为201780038084.X、申请日为2017年4月13日、发明名称为“受压锂金属聚合物电池组”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种在各温度下工作的锂金属聚合物电池组，并且更具体地，涉及一种锂金属聚合物电池组，该电池组没有用来将电池组的电化学电池保持在压力下的机械系统。

背景技术

锂金属聚合物电池组通常被制成20千瓦时及以上的大容量电池组，以使用在电动汽车中；在固定应用中，其用于提供后备以确保无法承受电网停电、例如电信站点，数据中心等的应用的持续性；或者在工业或居民住宅中为调峰目的而提供备用电源。

锂金属聚合物电池组由包括薄层的一个或更多个基本电化学电池迭层片构成，每一个迭层片包含由锂或锂合金金属薄片层制成的负电极或阳极，由扩散到金属集流片中的聚合物盐粘合剂中的电活性活性材料制成的正电极或阴极薄膜层，以及固体电解质，该固体电解质包括将正电极和负电极分开并在电极之间提供离子导电性的锂盐混合物和聚合物的薄层。更具体地，正电极由电化学活性材料粒子、导电添加剂和固体聚合物电解质组成，固体聚合物电解质充当粘合剂，并且在电化学活性粒子和相邻的固体电解质隔离物之间提供所需的离子路径。

众所周知，通过保持电化学电池迭层片的各层在压缩状态下，锂金属聚合物电池组的性能和使用寿命显著提高。在压缩状态下，不同界面处的离子迁移得到改进并且锂金属板的表面上的潜在枝晶生长显著降低。当相邻电池之间的强制接触被保持时，电化学电池堆叠的热传导特性也显著改进。通过用机械压力系统保持迭层片上的压力，改进的性能和使用寿命得以实现，该机械压力系统包括一系列弹簧型元件，弹簧型元件在整个电池组循环(充电-放电)中对迭层片的相对表面上施加压缩力。

在锂金属聚合物电池组的设计中包括机械压力系统的必要性将此类电池组的结构限于方形布局，该方形布局由一个堆叠在另一个上面的多个迭层片组成以形成方形电化学电池，多个方形电化学电池一个堆叠在另一个上面以形成大规格电池组。或者，锂金属聚合物电池组可以由单一的迭层片制成，该迭层片被螺旋卷绕以形成圆柱形电池组，或者扁平卷绕以形成扁平缠绕的方形电池组，但机械压力系统会更加复杂并且难以装配在圆柱形或半圆柱形的容器或外壳内。

机械压力系统需要弹簧型机构，因为周期性的体积变化发生在锂金属聚合物电化学电池的充电和放电循环中。由于锂离子在锂金属阳极与阴极材料的晶格结构之间的迁移，电化学电池的体积在充电和放电循环中分别扩大或缩小。在充电循环期间，锂离子从阴极材料的晶格结构中迁移出，并被电镀在阳极的锂金属板的表面上，从而增加了阳极的厚度，因此其体积增加多达8％。在放电循环中，阳极的锂金属板的表面上电镀的锂离子迁移回到阴极并插入回到阴极材料的晶格结构中，从而减小了阳极的厚度且其体积减少同样的8％。

锂金属聚合物电池组使用固体聚合物电解质，固体聚合物电解质使得这项技术极其安全。然而，为了获得最优的离子导电性并因此获得最优性能，电化学电池必须被加热至60℃到80℃的温度。因此，锂金属聚合物电池组包括加热系统以将电池组保持在约40℃的标称温度并在工作中快速提高电化学电池的温度至60℃和80℃之间。电化学电池的温度的升高也导致电池的体积热膨胀额外的3％。

在包括处于层叠结构中的一些薄膜电化学电池的模块或电池组中，由离子迁移和热膨胀导致的体积变化是复合的，使得整体的体积变化是显著的且必须得到适应。

为了适应由一组电化学电池的充电和放电循环导致的电化学电池体积的这些复合变化，包括与容器或外壳的壁相邻的弹簧型元件的主动机械压力系统通常被用于吸收这些大的体积变化，同时在充电/放电循环期间的整个体积扩大或体积缩小过程中对电化学电池叠层保持均匀分布的压力。对于大型电池组应用，主动机械压力系统通常包括对金属板施加压力的多个金属弹簧，该金属板在整个体积扩大或缩小过程中能产生必要的压缩力，并且也可包括位于电池堆叠内的相邻电化学电池之间的弹簧插件以增强电池堆叠内的压缩力的分布。