一种电芯及其制作方法、弧形电池和电池模组

技术领域

本发明涉及一种弧形电池及其封装工艺，以及由该弧形电池组成的电池模组。

背景技术

动力电池由于具有能量密度高、安全性好、放电性能稳定、使用简便、后期维护简单等优势，成为无人水下航行器动力推进能源的首选。

传统的无人水下航行器的电池组多设计为圆柱状，电池舱壳体内壁设置有两条滑轨，电池架上设置有相应的滑槽，通过滑槽与滑轨的配合，将动力电池固定在电池舱段内，这样设计便于电池组的更换和维护。然而，这样的总体设计使得电池组工作时中心温度和外围温度差异较大，电池组的外围紧贴着无人水下航行器的内壁，散热较快，但电池组中心热量不容易导出，局部升温较快，造成热量累积。这种情况极易导致电池使用时出现热失控爆炸、起火等安全事故。同时，电池组是由若干个单体电池通过串和/或并联方式成组，然而在成组的过程中为便于将单体电池固定和连接，会引入外在的结构设计，这就导致电池组的能量密度下降，使得电池舱段的空间利用率下降。

对于无人水下航行器的电池组散热方面，行业内普遍的做法是在电池单体外壁添加散热硅脂、为电池组添加导热片等，这些方法在一定程度上能平衡电池的散热均匀性，但在控制温升和散热速率上效果不是很明显。

在提升电池舱段的空间利用率方面，由于市场上通用电池型号的限制，目前提升空间利用率的办法就是在有限的空间内增加单体电池数量，但该方法对电池舱段空间利用率的不但提升不明显，反而影响散热。

公开号为CN103401024A的专利文献中公开了一种弧形电池单体，通过采用弧形电池单体能够解决电池舱段的散热和空间利用率问题，但是该文献中公开的弧形电池单体因不能实现高倍率放电而不适用于水下航行器。并且，其制备封装工艺较为复杂，增加了制作成本。

发明内容

为了更低成本地有效解决水下航行器电池舱段的空间利用率问题和散热问题，本发明提供了一种电芯及其制作方法、弧形电池和电池模组。

本发明的技术方案是：

一种电芯的制备方法，包括以下步骤：

第一步、裁切正极集流体和负极集流体；

第二步、制作m个正极片和m个负极片；

第三步、叠片；

第四步、极耳焊接；

其特殊之处在于：

所述第二步制作的m个正极片和m个负极片，是利用3D打印技术分别将正、负极电极浆料按照设定的等间隔分布的、相同的多个打印区域分别涂覆在所述正极集流体和负极集流体上得到的，所得到的m个正极片通过未打印区域的正极集流体连接于一体，m个负极片通过未打印区域的负极集流体连接于一体；相邻两个打印区域之间的间隔s满足：2h≤s≤4h；h为涂覆的电极浆料厚度；

所述第三步是将正极片、隔膜、负极片对齐叠放，然后沿相邻两个正极片/负极片之间的未打印区域正反交替折叠；

所述第一步中正极集流体和负极集流体上分别具有m个正极极耳和m个负极极耳，其位置应满足：经第三步叠片后，m个正极耳位置重合，m个负极耳位置重合，且m个正极耳与m个负极耳位置错开；

2≤m≤q；q与材料厚度有关，应保证叠片后，m个正极极耳和m个负极极耳均不发生错位。

进一步地，第一步中

正极集流体包括矩形正极集流体主体和位于矩形正极集流体主体长边同侧的m个正极极耳；若将矩形正极集流体主体Z字形折叠形成m个尺寸相同的子矩形时，m个正极极耳的位置重合；

负极集流体包括矩形负极集流体主体和位于矩形负极集流体主体长边同侧的m个负极极耳；若将矩形负极集流体主体Z字形折叠形成m个尺寸相同的子矩形时，m个负极极耳的位置重合；

所述Z字形折叠是指沿平行于矩形短边的m-1条直线正反交替折叠m-1次；

矩形正极集流体主体和矩形负极集流体主体的尺寸一致；当矩形正极集流体主体和矩形负极集流体主体沿其长边Z字形折叠后，m个正极极耳与m个负极极耳之间具有间距。

进一步地，第二步具体为：

2.1搅拌正极电极浆料和负极电极浆料；

2.2打印区域设置：

将矩形正极集流体主体沿其长边划分为m个相同的待打印的子矩形区域，相邻两个子矩形区域之间的间隙宽度为s；

将矩形负极集流体主体也沿其长边划分为m个相同的待打印的子矩形区域，相邻两个子矩形区域之间的间隙宽度也为s；

矩形正极集流体主体上的m个子矩形区域与矩形负极集流体主体上的m个子矩形区域的位置、尺寸一一对应；

2.3利用3D打印涂覆电极浆料

将搅拌好的正极电极浆料仅涂覆在矩形正极集流体主体上的m个子矩形区域内，得到m个通过集流体相连于一体相连的正极片；

将搅拌好的正极电极浆料仅涂覆在矩形负极集流体主体上的m个子矩形区域内，得到m个通过集流体相连于一体的负极片；

2.3烘干

将打印好的正极片和负极片均放置在真空干燥箱中进行烘干。

进一步地，第三步具体为：

3.1将第二步制备好的正极片和负极片叠放在一起，叠放时涂覆有正极电极浆料和负极电极浆料的相对，并在二者之间放置隔膜，利用隔膜将正极电极浆料和负极电极浆料隔开；

3.2将步骤3.1叠放好的极片和隔膜整体，沿着相邻两个子矩形区域之间的间隙，按照Z字形折叠方式折叠。

本发明同时提供了一种电芯；其特殊之处在于：所述电芯采用上述的方法制作而成。

本发明还提供了一种弧形电池，包括电芯、电解液和封装袋；其特殊之处在于：所述电芯采用上述的方法制作而成；封装袋包裹所述电芯和电解液，整体借助模具压制呈弧形。

进一步地，所述封装袋的初始容积大于等于所述电芯体积的1.55倍。

进一步地，所述封装袋的初始容积等于所述电芯体积的1.55倍。

本发明还提供了一种电池模组，包括多个单体电池、电池托架组件、紧固件和绝热层；

其特殊之处在于：

所述单体电池为上述的弧形电池；

电池托架组件包括多个平行设置的圆环形电池托架，各电池托架通过沿轴向设置的紧固件相互连接；

多个所述弧形电池沿圆周排布通过串和/或并联构成多个中空圆柱状电池单元；一个中空圆柱状电池单元通过两个所述圆环形电池托架承载固定；

绝热层设置在中空圆柱状电池单元内部中空处，用于防止电池产生的热量向中心处传递。

进一步地，各电池托架组件还通过四根滑轨连接紧固；所述滑轨还与电池舱壳体内壁滑轨相适配，用于将电池模组滑动安装至电池舱壳体内。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明根据后续叠片工艺特殊设计了相应的正、负极集流体结构，再利用3D打印技术将电极浆料按照预先计算设置好的待打印区域，分别精准地打印在矩形正、负极集流体主体上，形成m(m≥2)个间隔设置的相同的涂覆区域，每个涂覆区域即为一个极片，从而得到m个通过集流体相连于一体的正、负极片，然后将打印好的正、负极片用隔膜隔开并整体对齐叠放后，沿相邻两个涂覆区域之间的间隙折叠，形成能够高倍率放电的电芯；相比现有工艺，本发明省去了裁切极片以及后续叠放时需要多次对齐极片的环节，简化了电芯的制作流程，降低了时间成本；并且由于本发明的各正极片之间、各负极片之间是通过集流体连接于一体的，在后续焊接极耳时，若发生少量虚焊、漏焊情况，不会影响电芯的正常功能，提高了产品的合格率。

2.本发明电极片上的电极浆料是通过3D打印涂覆在集流体上的，能够保证涂覆的均匀性和尺寸精度，相比现有涂布技术，造成的边角余料比较少，能够避免材料浪费。

3.本发明可以根据设计要求打印各种尺寸的矩形极片，只需要通过CAD等绘图类软件对3D打印机要打印的矩形区域尺寸进行修改设置，而传统方式需要相应的裁切模具进行裁剪，一旦尺寸超过裁切模具的可调范围，需要重新设计新的裁切模具。

4.本发明在封装环节，制作的封装袋的容积大于等于1.55倍电芯体积，一方面能够使压实电芯并抽气时褶皱全部发生在封装袋四个角的多余体积处，确保后续化成环节产生的少量气体仅留存在封装袋四个角的褶皱处，后续该褶皱处被热封裁掉，防止最终制成的单体电池漏液；当等于1.55倍时，还能避免材料余量太大导致浪费。

5.本发明的弧形电池其外部形状能够与水下航行器电池舱段壳体内壁形状匹配，按照环形方式排布构成电池模组能嵌合圆桶状的电池舱段，提升电池舱段的空间利用率，增大电池模组的能量密度；由于电池模组外壁本身散热面积较传统圆柱形电池模组有所增大，因此提高了散热速率。

6.本发明的电池模组中采用四根滑轨和两根紧固件同时固定电池托架，使得由该电池模组在外界冲击载荷下不容易被破坏，同时与壳体接触面积更大，散热效果也更强。

7.本发明的电池模组中空处设有隔热层，能有效的将电池工作散发出的热量隔离，从而中心空间可以充分的利用(例如可以在其中放置电子器件、走线等)，进一步提升了电池舱段空间利用率。

8.本发明不但能够用于水下航行器，还能用于其他需要动力电池提供动力的各种设备。

附图说明

图1为本发明单体电池的正极片集流体实施例的结构示意图。

图2为本发明单体电池的负极片集流体实施例的结构示意图。

图3为本发明单体电池的正极片浆料3D打印示例图。

图4为本发明单体电池的负极片浆料3D打印示例图。

图5为本发明单体电池的极片叠放后、折叠前的示意图。

图6为图5中A-A处剖视图。

图7为图6中C处放大图。

图8为本发明单体电池的制作工艺流程图。

图9为制袋示意图。

图10为本发明单体电池定形模具的结构示意图。

图11为本发明单体电池的外部形状示意图。

图12为本发明电池架的结构示意图。

图13为本发明电池模组的结构示意图。

附图标记说明：

1-正极集流体；2-负极集流体；3-正极电极材料；4-负极电极材料；5-电池隔膜；6-上模；7-螺栓；8-下模；9-弧形单体电池；10-电池托架组件；11-滑轨；12-绝热层；13-紧固件；14-正极极耳；15-负极极耳；16-矩形正极集流体主体；17-矩形负极集流体主体；18-电池托架。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明所提供的弧形电池，包括正极片、负极片和位于正极片与负极片之间的隔膜；正极片和负极片上分别设有正极耳和负极耳；参照图8，本发明的弧形电池是按照如下方法制备的：

第一步、裁切集流体

使用激光切割技术裁剪出如图1所示结构的正极集流体1和如图2所示结构的负极集流体2，正极集流体1和负极集流体2的具体尺寸均根据弧形电池的容量和后续叠片环节的制作工艺确定。

正极集流体1包括矩形正极集流体主体16和位于矩形正极集流体主体16长边同一侧的m个正极极耳14；若将矩形正极集流体主体16沿其长边Z字形折叠形成m个尺寸相同的子矩形时，m个正极极耳14的位置重合；

负极集流体2包括矩形负极集流体主体17和位于矩形负极集流体主体1长边同一侧的m个负极极耳15；若将矩形负极集流体主体17沿其长边Z字形折叠形成m个尺寸相同的子矩形时，m个负极极耳15的位置重合；

上述Z字形折叠具体是指沿平行于矩形短边的m-1条直线正反交替折叠m-1次；

矩形正极集流体主体16和矩形负极集流体主体17的尺寸一致；当矩形正极集流体主体16和矩形负极集流体主体17沿其长边Z字形折叠后，m个正极极耳14与m个负极极耳15之间具有间距，防止短路。

为保证高倍率放电，上述2≤m≤q；q与材料厚度有关，应保证后续Z形折叠后，m个正极极耳14和m个负极极耳15均不发生错位。

本实施例中，m＝6；正极集流体1采用铝箔裁剪而成，负极集流体2采用铜箔裁剪而成。

第二步、制作电池极片

2.1搅拌正极电极浆料和负极电极浆料；

2.2打印区域设置：

将矩形正极集流体主体16沿其长边划分为m个相同的待打印的子矩形区域，相邻两个子矩形区域之间的间隙宽度为s；

将矩形负极集流体主体17也沿其长边划分为m个相同的待打印的子矩形区域，相邻两个子矩形区域之间的间隙宽度也为s；

矩形正极集流体主体16上的m个子矩形区域与矩形负极集流体主体17上的m个子矩形区域的位置、尺寸一一对应一致；

2.3利用3D打印涂覆电极浆料

将搅拌好的正极电极浆料涂覆在矩形正极集流体主体16上的m个子矩形区域内，相邻两个子矩形区域之间的间隙处不涂覆，得到m个通过集流体相连于一体相连的正极片；

将搅拌好的正极电极浆料涂覆在矩形负极集流体主体17上的m个子矩形区域内，相邻两个子矩形区域之间的间隙处不涂覆，得到m个通过集流体相连于一体的负极片；

上述步骤2.2中的间隙宽度s应大于等于涂覆浆料厚度的2倍，小于等于涂覆浆料厚度的4倍，以防止后续折叠的过程中造成电极材料破坏，以及正负极集流体接触而短路；

2.3烘干

将打印好的正极片和负极片均放置在真空干燥箱中进行烘干。

第三步、叠片

3.1将第二步制备好的正极片和负极片叠放在一起，叠放时涂覆有正极电极浆料3和负极电极浆料2的相对，并在二者之间放置隔膜5，利用隔膜5将正极电极浆料3和负极电极浆料2隔开，叠放后结构如图5-7所示，正极片和负极片一一对齐且正极极耳14和负极极耳15均位于正极片和负极片的同侧；在其他实施例中，正极极耳14与负极极耳15也可以位于极片两侧；

3.2将步骤3.1叠放好的极片和隔膜5整体，沿着相邻两个子矩形区域之间的间隙，按照Z字形折叠方式折叠；

第四步、极耳焊接

将6个正极极耳焊接于一体，将6个负极极耳焊接于一体，得到电池电芯。

为了防止在后续抽真空环节，极片发生错位，可以在焊接极耳后，用胶带将极片固定住。

第五步：制袋预封

5.1在电芯的极耳根部套设极耳胶；

5.2将经5.1处理后的电芯放置在两张铝塑膜之间，调整位置，使得极耳端部伸出铝塑膜边缘，套设极耳胶的区域位于铝塑膜待热封区域；

5.3将铝塑膜的四边进行热密封，并在其中一边预留一个开口，该开口用于注液和抽真空，且该开口必须位于极耳的侧方。

本发明制作的封装袋的容积应大于等于1.55倍电芯体积，以保证在后续注液时的抽气环节使褶皱全部发生在封装袋四角的多余体积处；

第六步、注液、压弯封口

6.1通过封装袋上预留的开口，向封装袋内注入电解液；

6.2如图10所示，将装有电芯和电解液的封装袋放置在上模6和下模8之间，并且使预留的开口位于模具外，使用螺栓7施加预紧力进行压实固定(压力不可过大防止破坏电芯)，在压实的同时进行抽真空处理，由于在抽真空的同时利用模具压实了电芯，因而抽真空的过程中电池的外形结构不会发生形变。根据实际需求改变上模6和下模8的弧度，可以改变制成的弧形电池的弧度。

6.3当真空度达到设定要求后，将开口立即热封，热封完毕后再关闭抽气泵，得到弧形电池。

第七步、化成

第八步、封装

电池化成之后会产生少量的气体，由于此时弧形电池仍然被上下模具压实，因此气体仅会留置在封装袋的褶皱处，再次靠近电池处进行热密封，之后裁剪掉褶皱处的铝塑膜。

第九步、拆除模具

拆除上模6和下模8。

第十步、绝缘检测。

绝缘检测合格后，即可得到如图11所示的弧形单体电池9。

上述第四、五、六、七、九、十步与现有的制备封装工艺方法相同。

需要说明的是，上述仅以矩形极片为例进行了说明，在其他应用场合，根据需求，上述打印的子矩形区域还可以为三角形、平行四边形等，相应的沿相邻两个打印区域之间的间隙折叠的方式会适应性的调整，只要最终能够使打印出的m个区域在折叠后重合即可，同样后续压弯时的放置方向也要做适应性调整，此处不再赘述。

利用本发明的弧形单体电池按照首尾相接形成中空圆柱的方式排布成组，能够有效解决水下航行器电池舱段的散热和空间利用率问题。

以下结合附图对利用弧形单体电池构造的水下航行器电池模组的方案进行说明。

如图12、13所示，利用本发明的弧形单体电池组成的水下航行器的电池模组，包括弧形单体电池9、电池托架组件10、紧固件13、滑轨11和绝热层12。

如图12所示，电池托架组件10包括多个平行设置的圆环形电池托架18，各电池托架18通过沿轴向设置的紧固件13相互连接；紧固件13有两根，对称设置，有利于水下航行器电池舱段的质心调整；电池托架18与弧形单体电池9相接触的端面上设有用于定位弧形单体电池9的多个沿同一圆周排布的弧形凹槽；

如图13所示，多个弧形单体电池9分别安装在电池托架18上的各弧形凹槽内，并通过串和/或并联构成一个呈中空圆柱状的电池单元；一个电池单元通过两个电池托架18承载紧固，相邻两个电池单元可以共用一个电池托架18；p个电池单元沿电池舱体轴向逐层设置在相应的电池托架18上，构成一个电池模组；本实施例中p＝5。

除了采用紧固件13外，本发明还使用四根滑轨11将各电池托架10进一步紧固，滑轨11与电池托架10之间可采用螺钉连接。紧固件13和滑轨11均采用轻质航空铝合金材料，并作绝缘处理(喷涂铁氟龙等)。

绝热层12设置在中空圆柱状的电池模组的内部，隔绝电池工作时候产生的热量，防止热量向中心地方传递。如此，电池模组中间空隙能够被有效利用，例如可以放置电子元器件，布线等。

上述的实施例仅仅是对一个电池模组的描述，一个完整的无人水下航行器电池舱段由若干个这样的电池模组并联构成。

将本发明的电池模组安装在水下航行器电池舱段壳体内后，电池模组的外围上的四根滑轨11直接和水下航行器电池舱段壳体上的滑轨接触进行散热，同时电池模组的电池表面自身散热面积也较大，热量通过空气传至电池舱段壳体上，散热效果在一定程度上得到明显提升。