一种水平式双极性电池结构

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种水平式双极性电池结构。

背景技术

经过多年的发展，市面上的电池种类越来越多，如镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池和燃料电池等。目前，受限于资源短缺，广泛使用的锂离子电池的成本居高不下。随着储能需求的日益增长，如何开发更低成本的储能电池备受人们关注。

钠离子电池资源丰富、材料成本低，是一个最具潜力的开发对象。但是，钠离子电池的能量密度低、使用寿命有限，仅从材料改性研究对电池的能量提升有限。目前，大多数的钠离子电池都是采用垂直结构提升能量密度，但是，垂直结构难以将电池容量放大、还容易发生窜液，且堆积起来容易发生结构塌陷。而水平结构的双极性电池更容易将电池的容量放大化。专利申请CN114824151A公开了一种水平结构的双极性电池，其包括至少一组正负极片、至少一个双极片、隔膜、电解液和电池壳体，所述双极片包括正极段和负极段，中间预留空箔隔离；该方案将正负极涂在同一集流体上，由于正负极涂布厚度、压实等存在较大差异，这样设计给涂布和辊压带来了很大困难，容易导致极片压实和极片厚度难以达到设计值，且极片易发生打皱甚至断带等问题，极大地降低了良品率。专利申请CN113270627A也采用了类似的水平结构设计，除了具有上述存在的问题外，还具有密封性问题，而且容易发生窜液的情况。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种水平式双极性电池结构，旨在解决现有双性电芯电池结构在涂布和辊压时存在正负极厚度差异大、压实差异大、涂布容易褶皱、辊压容易断带等问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种水平式双极性电池结构，包括至少两个并联连接的电池单元；每个所述电池单元至少包括呈垂直设置的第一水平单元和第二水平单元，所述第一水平单元与所述第二水平单元串联连接；

所述第一水平单元包括第一正极片、第一负极片、第二正极片和第二负极片；所述第二水平单元包括第三负极片、第三正极片、第四负极片和第四正极片；

所述第一正极片与所述第一负极片之间、所述第二正极片与所述第二负极片之间、以及所述第三正极片与所述第四负极片之间均通过断路密封连接块连接；所述第一负极片与所述第二正极片之间、所述第三负极片与所述第三正极片之间、以及所述第四负极片与所述第四正极片之间均通过通路密封连接件连接。

作为优选的实施方式，所述第一正极片与所述第三负极片连接，所述第三正极片与所述第一负极片连接，所述第二正极片与所述第四负极片连接。

作为优选的实施方式，相邻的两个所述电池单元之间、所述第一水平单元与所述第二水平单元之间均设置有隔膜。

作为优选的实施方式，两个所述电池单元包括第一电池单元和第二电池单元；所述第一电池单元的第二水平单元与所述第二电池单元的第一水平单元连接。

作为优选的实施方式，所述第二电池单元的第一正极片与所述第一电池单元的第三负极片连接，所述第一电池单元的第三正极片与所述第二电池单元的第一负极片连接，所述第二电池单元的第二正极片与所述第一电池单元的第四负极片连接。

作为优选的实施方式，所述第一正极片远离所述第一负极片的一端设置有外引正极耳，所述第二负极片远离所述第二正极片的一端设置有外引负极耳；所述第一电池单元与所述第二电池单元通过所述外引正极耳、所述外引负极耳实现并联连接。

作为优选的实施方式，所述通路密封连接块为叠加式通路密封连接块或内凹式通路密封连接块；所述断路密封连接块为叠加式断路密封连接块或内凹式断路密封连接块。

作为优选的实施方式，所述叠加式通路密封连接块包括极耳连接片、两片第一软连接片和两层第一密封层；两片所述第一软连接片对称设置于所述极耳连接片的两侧，两层所述第一密封层对称设置于所述第一软连接片远离所述极耳连接片的侧面上；所述极耳连接片分别与相邻的正极片、负极片连接。

作为优选的实施方式，所述极耳连接片包括第一正极耳连接片和第一负极耳连接片，所述第一正极耳连接片的一端与所述第一负极耳连接片的一端叠合设置，所述第一正极耳连接片的另一端与相邻的正极片连接，所述第一负极耳连接片的另一端与相邻的负极片连接。

在本申请实施例中，第一正极耳连接片和第一负极耳连接片可以采用超声波焊接，由于极耳连接片的箔材比较薄，容易焊穿、焊断，通过采用与集流体材质相同的软连接片，可以辅助超声焊，避免极耳连接片被焊穿、焊断。

作为优选的实施方式，所述叠加式断路密封连接块包括第二正极耳连接片、第二负极耳连接片、第二密封层和两层第三密封层，所述第二正极耳连接片、所述第二负极耳连接片和所述第二密封层均设置于两层所述第三密封层之间，所述第二密封层设置于所述第二正极耳连接片和所述第二负极耳连接片之间；所述第二正极耳连接片与相邻的正极片连接，所述第二负极耳连接片与相邻的负极片连接。

作为优选的实施方式，所述内凹式通路密封连接块包括中空通路层、第三正极耳连接片、第三负极耳连接片、两片第二软连接片和两层第四密封层；两片所述第二软连接片对称设置于所述中空通路层的内侧；两层所述第四密封层对称设置于所述中空通路层的两侧；所述第三正极耳连接片与所述第三负极耳连接片设置于所述中空通路层内，所述第三正极耳连接片与所述第三负极耳连接片焊接连接，且所述第三正极耳连接片与所述第三负极耳连接片均与所述第二软连接片连接；所述第三正极耳连接片与相邻的正极片连接，所述第三负极耳连接片与相邻的负极片连接。

作为优选的实施方式，所述内凹式断路密封连接块包括断路层、第四正极耳连接片、第四负极耳连接片、两片第三软连接片和两层第五密封层；所述断路层的两端对称设置有第一凹槽和第二凹槽，其中一片所述第三软连接片对称弯折后设置于所述第一凹槽内，另一片所述第三软连接片对称弯折后设置于所述第二凹槽内；所述第四正极耳连接片设置于所述第一凹槽内，且所述第四正极耳连接片与所述第三软连接片抵接；所述第四负极耳连接片设置于所述第二凹槽内，且所述第四负极耳连接片与所述第三软连接片抵接；所述第四正极耳连接片与相邻的正极片连接，所述第四负极耳连接片与相邻的负极片连接；两层所述第五密封层对称设置于所述断路层的两侧。

在本申请实施例中，中空通路层的材质一般为金属箔材，优选为铝金属箔材。软连接片的材质一般为金属材质，优选为铝金属材质。段路层的材质一般与绝缘层材质一致。软连接片与极耳连接后可以粘接高温胶。

通过设置通路密封连接块或断路密封连接块，保证密封区域平滑，没有焊接条纹或点状从而加强密封性，有效防止窜液。通路密封连接块或断路密封连接块一般采用热压的方式进行密封，可进一步防止窜液现象。

作为优选的实施方式，所述第一密封层、所述第二密封层、所述第三密封层、所述第四密封层和所述第五密封层均包括绝缘层和设置于所述绝缘层两侧面的粘合层。

作为优选的实施方式，所述第一密封层的厚度与所述第三密封层的厚度相同；所述第四密封层的厚度与所述第五密封层的厚度相同；所述第二密封层的厚度小于所述第三密封层的厚度。

作为优选的实施方式，所述绝缘层的材质为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)或聚氨酯类热熔胶(PUR)等；所述粘合层的材质为改性聚丙烯酸类(PAA)、直链烷烃类橡胶、聚酰胺类(PA)或聚酯酰胺类(PEA)等。

作为优选的实施方式，所述第一正极片、所述第二正极片、所述第三正极片和所述第四正极片均为双面涂覆正极浆料的正极片；所述第一负极片、所述第二负极片、所述第三负极片和所述第四负极片均为双面涂覆负极浆料的负极片。

作为优选的实施方式，所述正极片和所述负极片的边缘均设置有空箔区，所述空箔区与所述通路密封连接块或所述断路密封连接块连接。

作为优选的实施方式，所述空箔区的宽度为0.5cm～3cm；所述空箔区为全空箔区、多段空箔区(两段及以上空箔区)或单段空箔。

作为优选的实施方式，所述隔膜为双面涂PVDF的PP涂胶膜或双面涂PVDF的PE涂胶膜。

相对于现有技术，本申请结构具有如下技术效果：本申请的水平式双极性电池结构通过分段式的水平结构进行内串联和内并联，能够有效提高单体电池的容量和电压，同时，能够有效防止窜液，实现电池的高倍率性能和高安全性，也能使得电池保持较高的能量密度、使用寿命和安全性。此外，分段式设计可避免涂布和辊压时遇到的正负极厚度、压实差异大等客观因素，从而有效解决涂布容易褶皱、辊压容易断带等问题。本申请结构简单、成本较低、制备时间短，易于实现大规模的工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的水平式双极性电池结构的纵向剖面结构示意图；

图2为图1的水平式双极性电池结构的电流流向及外引极耳示意图；

图3为图1的水平式双极性电池结构的叠加式通路密封连接块的纵向剖面结构示意图；

图4为图1的水平式双极性电池结构的叠加式断路密封连接块的纵向剖面结构示意图；

图5为另一实施例的内凹式通路密封连接块的纵向剖面结构示意图；

图6为另一实施例的内凹式断路密封连接块的纵向剖面结构示意图；

图7为本发明实施例的各种正极片的正面结构示意图，其中A为全空箔区正极片，B为多段空箔区正极片，C为单段空箔区正极片；

图8为本申请实施例的密封层的纵向剖面结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

具体的，如图1至图2所示，本发明实施例提供一种水平式双极性电池结构，包括至少两个并联连接的电池单元A；每个所述电池单元A至少包括呈垂直设置的第一水平单元10和第二水平单元20，所述第一水平单元10与所述第二水平单元20串联连接；

所述第一水平单元10包括第一正极片11、第一负极片12、第二正极片13和第二负极片14；所述第二水平单元20包括第三负极片21、第三正极片22、第四负极片23和第四正极片24；

所述第一正极片11与所述第一负极片12之间、所述第二正极片13与所述第二负极片14之间、以及所述第三正极片22与所述第四负极片23之间均通过断路密封连接块30连接；所述第一负极片12与所述第二正极片13之间、所述第三负极片21与所述第三正极片22之间、以及所述第四负极片23与所述第四正极片24之间均通过通路密封连接件40连接。

作为优选的实施方式，所述第一正极片11与所述第三负极片21连接，所述第三正极片22与所述第一负极片12连接，所述第二正极片13与所述第四负极片23连接。

作为优选的实施方式，相邻的两个所述电池单元A之间、所述第一水平单元10与所述第二水平单元20之间均设置有隔膜50。

作为优选的实施方式，两个所述电池单元A包括第一电池单元A1和第二电池单元A2；所述第一电池单元A1的第二水平单元20与所述第二电池单元A2的第一水平单元10连接。

作为优选的实施方式，所述第二电池单元A2的第一正极片11与所述第一电池单元A1的第三负极片21连接，所述第一电池单元A1的第三正极片22与所述第二电池单元A2的第一负极片12连接，所述第二电池单元A2的第二正极片13与所述第一电池单元A1的第四负极片23连接。

作为优选的实施方式，所述第一正极片11远离所述第一负极片12的一端设置有外引正极耳60，所述第二负极片14远离所述第二正极片13的一端设置有外引负极耳70；所述第一电池单元A1与所述第二电池单元A2通过所述外引正极耳60、所述外引负极耳70实现并联连接。

作为优选的实施方式，所述通路密封连接块40为叠加式通路密封连接块41或内凹式通路密封连接块42；所述断路密封连接块30为叠加式断路密封连接块31或内凹式断路密封连接块32。

在本申请实施例中，根据实际使用的需要，叠加式通路密封连接块41或内凹式通路密封连接块42可以单独使用，也可以交替使用；叠加式断路密封连接块31或内凹式断路密封连接块32可以单独使用，也可以交替使用。

作为优选的实施方式，如图3所示，所述叠加式通路密封连接块41包括极耳连接片411、两片第一软连接片412和两层第一密封层413；两片所述第一软连接片412对称设置于所述极耳连接片411的两侧，两层所述第一密封层413对称设置于所述第一软连接片412远离所述极耳连接片411的侧面上；所述极耳连接片411分别与相邻的正极片、负极片连接。

作为优选的实施方式，所述极耳连接片411包括第一正极耳连接片4111和第一负极耳连接片4112，所述第一正极耳连接片4111的一端与所述第一负极耳连接片4112的一端叠合设置，所述第一正极耳连接片4111的另一端与相邻的正极片连接，所述第一负极耳连接片4112的另一端与相邻的负极片连接。

在本申请实施例中，第一正极耳连接片4111和第一负极耳连接片4112可以采用超声波焊接，由于极耳连接片的箔材比较薄，容易焊穿、焊断，通过采用与集流体材质相同的软连接片，可以辅助超声焊，避免极耳连接片被焊穿、焊断。

作为优选的实施方式，如图4所示，所述叠加式断路密封连接块31包括第二正极耳连接片311、第二负极耳连接片312、第二密封层313和两层第三密封层314，所述第二正极耳连接片311、所述第二负极耳连接片312和所述第二密封层313均设置于两层所述第三密封层314之间，所述第二密封层313设置于所述第二正极耳连接片311和所述第二负极耳连接片312之间；所述第二正极耳连接片311与相邻的正极片连接，所述第二负极耳连接片312与相邻的负极片连接。

作为优选的实施方式，如图5所示，所述内凹式通路密封连接块42包括中空通路层421、第三正极耳连接片422、第三负极耳连接片423、两片第二软连接片424和两层第四密封层425；两片所述第二软连接片424对称设置于所述中空通路层421的内侧；两层所述第四密封层425对称设置于所述中空通路层421的两侧；所述第三正极耳连接片422与所述第三负极耳连接片423设置于所述中空通路层421内，所述第三正极耳连接片422与所述第三负极耳连接片423焊接连接，且所述第三正极耳连接片422与所述第三负极耳连接片423均与所述第二软连接片424连接；所述第三正极耳连接片422与相邻的正极片连接，所述第三负极耳连接片423与相邻的负极片连接。

作为优选的实施方式，如图6所示，所述内凹式断路密封连接块32包括断路层321、第四正极耳连接片322、第四负极耳连接片323、两片第三软连接片324和两层第五密封层325；所述断路层321的两端对称设置有第一凹槽B和第二凹槽C，其中一片所述第三软连接片324对称弯折后设置于所述第一凹槽B内，另一片所述第三软连接片324对称弯折后设置于所述第二凹槽C内；所述第四正极耳连接片322设置于所述第一凹槽B内，且所述第四正极耳连接片322与所述第三软连接片324抵接；所述第四负极耳连接片323设置于所述第二凹槽C内，且所述第四负极耳连接片323与所述第三软连接片324抵接；所述第四正极耳连接片322与相邻的正极片连接，所述第四负极耳连接片323与相邻的负极片连接；两层所述第五密封层325对称设置于所述断路层321的两侧。

在本申请实施例中，中空通路层的材质一般为金属箔材，优选为铝金属箔材。软连接片的材质一般为金属材质，优选为铝金属材质。段路层的材质一般与绝缘层材质一致。软连接片与极耳连接后可以粘接高温胶。

通过设置通路密封连接块或断路密封连接块，保证密封区域平滑，没有焊接条纹或点状从而加强密封性，有效防止窜液。通路密封连接块或断路密封连接块一般采用热压的方式进行密封，可进一步防止窜液现象。

作为优选的实施方式，如图8所示，所述第一密封层413、所述第二密封层313、所述第三密封层314、所述第四密封层425和所述第五密封层325均包括绝缘层E和设置于所述绝缘层E两侧面的粘合层F。具体的，绝缘层E和粘合层F的厚度可以根据实际使用的需要进行设置。

作为优选的实施方式，所述第一密封层413的厚度与所述第三密封层314的厚度相同；所述第四密封层425的厚度与所述第五密封层325的厚度相同；所述第二密封层313的厚度小于所述第三密封层314的厚度。

作为优选的实施方式，所述绝缘层E的材质为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)或聚氨酯类热熔胶(PUR)等；所述粘合层F的材质为改性聚丙烯酸类(PAA)、直链烷烃类橡胶、聚酰胺类(PA)或聚酯酰胺类(PEA)等。

作为优选的实施方式，所述第一正极片、所述第二正极片、所述第三正极片和所述第四正极片均为双面涂覆正极浆料的正极片；所述第一负极片、所述第二负极片、所述第三负极片和所述第四负极片均为双面涂覆负极浆料的负极片。

作为优选的实施方式，如图7所示，所述正极片和所述负极片的边缘均设置有空箔区80，所述空箔区80与所述通路密封连接块30或所述断路密封连接块40连接。

作为优选的实施方式，所述空箔区80的宽度为0.5cm～3cm；所述空箔区80为全空箔区81(如图7中A所示)、多段空箔区82(两段及以上空箔区，如图7中B所示，两段空箔区82之间设置有空隙)或单段空箔83(如图7中C所示)。

作为优选的实施方式，所述隔膜50为双面涂PVDF的PP涂胶膜或双面涂PVDF的PE涂胶膜。

通过本申请结构，能够在水平方向上实现内串联，正极片与负极片通过密封连接块连接，每连接一个密封连接块视为一个串联；同时，在垂直方向采用叠片实现内并联，每一水平层需要添加至少一层隔膜，并联个数算法为n-1，n为水平层的数量。水平式双极性电池结构可以通过铝塑膜材质外壳进行封装。

本申请的水平式双极性电池结构通过分段式的水平结构进行内串联和内并联，能够有效提高单体电池的容量和电压，同时，能够有效防止窜液，实现电池的高倍率性能和高安全性，也能使得电池保持较高的能量密度、使用寿命和安全性。此外，分段式设计可避免涂布和辊压时遇到的正负极厚度、压实差异大等客观因素，从而有效解决涂布容易褶皱、辊压容易断带等问题。本申请结构简单、成本较低、制备时间短，易于实现大规模的工业化生产。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。