一种大功率快速离子循环型锂电池结构设计

陈胡兴

（江苏省宜兴中等专业学校 机电系，江苏 宜兴 214206）

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池目前由液态锂离子和聚合物锂离子电池两类。其中液态锂离子电池是指Li＋嵌入化合物为正、负极的二级电池。正极采用锂化合物，负极采用锂－碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是21世纪发展的理想能源。

目前市场上的锂电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。锂离子电池实际上是一种离子浓度差电池，当前主流的锂离子电池离子交换是通过电场力的驱动使离子自发迁移，受到迁移速度的限制，较难实现大电流充放电的大幅改善。为了提高离子交换速度，必须让正极体和负极体相邻靠近，中间采用较薄的隔膜用作绝缘隔离，使得安全性降低。因此急需一种能够提供快速充放电并具有较高安全性的新型结构的锂电池。

现有技术中，有采用外部冷却法对锂电池进行冷却的，但是这种方法只能让接触冷却体部分的锂电池降温，并不能达到整体降温根本性降温的技术效果，可以说还有待改进。

1 设计概述

为了解决上述技术问题，本文设计了一种大功率快速离子循环型锂电池结构，包括正极体、负极体以及位于括正极体和负极体之间的微孔隔片，正极体上设有正极集流体，负极体上设有负极集流体，在正极体和负极体之间连通有一条管道，管道上设有循环泵，用于循环正极体和负极体内的电解液，进行快速离子交换和强制散热；循环泵连接一驱动电路，驱动电路分别连接正极集流体和负极集流体供电。具体结构见图1。

图1 方块形快速离子循环型锂电池

通过强制循环电解液，锂电池可以获得极高的充电、放电速率，极高的热安全性，并且最大充放电电流可控，一定程度上可简化保护电路。由于存在强制循环回路，所述电池的低温充放电性能有极大改善。由于内部的热量将被循环系统带出，必要时可进行强制散热，使得电池的大电流充放电的安全性有极大提高。由于存在强制循环回路，可加快离子交换速率以及活性，使电池的低温充放电性能有极大改善。

2 方案设计要素

锂电池设计中快速充放电与发热是一组无法避免的矛盾体，因此本文在设计中需要考虑以下几个方面的问题：

（1）文中设计的散热片为被动式散热系统，在超大容量（≥20AH）电池或是大容量动力电池中有需要时设置。通过强制循环电解液，电池可以获得极高的过热安全性，内部的热量将被循环系统带出，必要时可进行强制散热（超大容量电池或是大容量动力电池），使得电池的大电流充放电的安全性有极大提高。

（2）设计中考虑的微孔隔片为微孔陶瓷片，微孔径为10～30μ，开孔率≥60%，板厚0.3～1mm。从而保证了流体通过性。本电池结构使用陶瓷隔膜作为绝缘分割，陶瓷上微孔并不阻止离子迁移（电解液循环）。当未开始强制循环时，由于电场力存在，可同样实现小电流放电，一旦启动循环泵，离子迁移速度大幅提升，可以获得很高的充放电性能（0.1L/min的流量可以实现约160A以上的充放电电流）。

（3）电池的正极体和负极体也是设计需要注意的关键问题，正极体由常规的锂离子电池正极材料（含锰酸锂，钴酸锂，磷酸铁锂，三元材料等）通过发泡烧结成块状的含疏孔的结构，控制合理的开孔率以及密度并加入导电性增强的添加剂可以获得各种符合需求的容量性/动力型电池正极体。负极体由常规的锂离子电池负极材料（炭黑，活性炭，石墨，锡硅合金等）通过发泡烧结成块状的含疏孔的结构，控制合理的开孔率以及密度并加入导电性增强的添加剂可以获得各种符合需求的容量性/动力型电池负极体。

（4）设计中要考虑微量循环泵（100Ah电池要求最大流量不小于100mL/min），循环泵驱动电路、电池检测保护电路（可以通过检测放电电流控制泵开启以及流量控制）、辅助电池（提供泵启动所需的电流，大容量电池时需要）构成了电解液循环系统。电池检测保护电路提供放电检测，过压过温等保护。该种结构的电池当外部保护失效发生短路、过放、过充时，在必要时可以切断循环，切断电池内部的充放电回路，以避免危险发生。

3 设计方案确定

根据设计要求，图2是本文设计的结构原理图。

如图2所示，本设计中包括正极体1a、负极体1b以及位于正极体和负极体之间的微孔隔片1c，正极体上设有正极集流体1d，负极体上设有负极集流体1e，在正极体和负极体之间连通有一条管道1f，管道上设有循环泵1g，用于循环正极体和负极体内的电解液，进行快速离子交换和强制散热；循环泵连接有一驱动电路1h，驱动电路分别连接正极集流体和负极集流体供电，同时驱动电路连接一块辅助电池1i。正极体和负极体之间的管道上设有散热片1j。驱动电路连接有一电池检测保护电路1k，用于检测锂电池的电流，并触发驱动电路驱动循环泵运行。正极集流体为网状结构铝材，并嵌入正极体中。该负极集流体为网状结构铜材，并嵌入负极体中。

图2 大功率快速循环型锂电池结构原理图

本文所设计的大功率快速离子循环型锂电池结构包括方块形锂电池结构及圆柱形共两种。文中以方形结构进行说明，如图3所示，图4为圆柱形锂电池结构示意图。

图3 方块形的锂电池剖视结构示意图

图4 圆柱形锂电池剖视结构示意图

图3为方块形的锂电池剖视结构示意图，主要包括负极集流体1、端盖2、安全阀、注液排气孔3、负极体4、方形外壳5、底盖6、集成体7（电解液循环系统、电池检测保护电路及散热系统）、正极集流体8、正极体9、微孔陶瓷隔片10、电解液存储腔11。其中，正极体9、正极集流体8、负极体4以及负极集流体1设置在方形外壳5内部，端盖2位于方形外壳5上端，安全阀、注液排气孔3位于端盖2上，微孔陶瓷隔片10位于负极集流体1和正极集流体8下方，微孔陶瓷隔片10位于负极集流体1、负极体4、极集流体8、正极体9的下方，方形外壳5内嵌集成体7，集成体7包括了循环泵、循环泵驱动电路、辅助电池、电池检测保护电路以及散热系统。

集流体1主要起集中传导电子和均匀分布电流的作用，负极集流体1为铝材，正极集流体8为铜材，为增强大电流性能，负极集流体及正极集流体制成网状结构分别嵌入所述负极体及正极体。安全阀、注液排气孔3就是电池顶部的放气孔，电池内部压力上升到一定数值时，安全阀自动打开，保证电池的使用安全性。负极体4由常规的锂离子电池负极材料（炭黑，活性炭，石墨，锡硅合金等）通过发泡烧结成块状的含疏孔的结构。正极体9由常规的锂离子电池正极材料（含锰酸锂，钴酸锂，磷酸铁锂，三元材料等）通过发泡烧结成块状的含疏孔的结构。

集成体7中电解液循环系统当未开始强制循环时，由于电场力存在，可同样实现小电流放电，一旦启动循环泵，离子迁移速度大幅提升，可以获得很高的充放电性能（0.1L/min的流量可以实现约160A以上的充放电电流）。同时，由于电解液循环，可以将电池内部的热量带出，获得较高的高温安全性。同时，离子迁移不再局限于由电场力而自发形成的离子迁移，使得电池的低温性能获得很大改善。集成体7中电池检测保护电路提供放电检测，过压过温等保护。集成体7中散热系统为被动式散热系统，在超大容量电池或是大容量动力电池中有需要时设置。

微孔陶瓷隔片10使用陶瓷隔膜作为绝缘分割，陶瓷上微孔并不阻止离子迁移（电解液循环），与常规锂电池在使用过程中由于某种原因（如管理系统损坏）而导致电池充电电压过高，负极中剩余的一部分锂就会脱出，经电解液到负极表面以金属锂的形式沉积形成枝晶，枝晶刺穿隔膜，形成内部短路，而本文所设计的使用陶瓷隔膜就避免了此种危险。

当所设计的锂电池未进行任何工作（充电或放电）时，循环泵处于截止状态，电解液中处于静止状态。此时由于电池中正负极相隔较远，锂离子靠电场力自发迁移能力较弱，电池的自放电很小。当开始充电时，循环泵接收到保护板的充电信号开始启动，此时循环泵分流小部分充电电流进行工作，电解液处于循环状态。Li＋不断从正极脱出，被电解液快速带往负极，在负极中Li＋得到电子后形成锂原子嵌入负极体中，循环过程中无法及时得到电子从而嵌入负极体中的Li＋会被电解液再次带入正极进行下次循环。正极体周边的电解液中的Li＋浓度由于电解液的快速循环会降低，有利于实现大电流充电。根据保护板的充电电流大小以及电池的容量状态控制循环泵的驱动速度，从而控制电解液的循环速度，当电池容量水平较低时，循环泵会全速循环，使充电电流达到预期的最大速度，从而加快电池的充电速度，当充电电流超过电池限制时由于电解液的循环能力限制也不会发生过充现象。当电池已经充满，循环泵会自动截止，结束电解液循环，防止过充电。

当电池检测保护电路检测到放电信号时，启动循环泵。如果是超大容量或大功率型电池时，循环泵接有微型辅助电池作为启动电源从而启动循环泵工作，当电池正常放电时，辅助电池电源脱开，循环泵采用电池的部分放电电流作为工作能源（不超过电池容量1%）。循环泵工作后加速电解液在正极与负极中的流动，锂原子失去电子后从变为Li＋从负极体中脱出，经过电解液循环快速进入正极体，从而嵌入正极体中。负极体周边的电解质中，Li＋浓度会降低，确保负极体中Li＋快速脱出，从而可以实现大电流放电。

当电池处于未工作状态时，由于循环泵的截止使得Li＋自由迁移能力较弱，所以电池即使出现外部短路也不会出现危险。由于工作时启用了循环泵，大大加速了离子迁移速度且其速度可控，因此可以安全的获得很高的充放电性能（0.1L/min的流量可以实现约160A以上的充放电电流）。同时，由于电解液循环，可以将电池内部的热量带出，获得较高的高温安全性。同时，离子迁移不再局限于由电场力而自发形成的离子迁移，使得电池的低温性能获得很大改善。

4 结论

本设计是在Inventor的基础上进行的，对整个设计采用了三维动态仿真。本文提供的锂电池通过强制循环电解液，电池可以获得极高的充电、放电速率，极高的热安全性。由于存在强制循环回路，所述电池的低温充放电性能有极大改善。相比传统的叠层或是卷片工艺的锂离子电池，所述结构的电池工艺简单可靠，无须传统的电池隔膜（PE之类），成本也较低。但本设计提供的锂电池结构适用于壳体类大容量（≥10AH）电池，比如圆柱形或方块形等类型，不适用于软包装类或薄片状电池。

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