一种可充电电池及可充电电池模组

摘要

本发明公开了一种可充电电池及可充电电池模组，包括壳体和位于壳体内的电芯，电芯包括负极活性物质，单位转换系数γ、电芯的容量Q、负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50负、壳体的表面积与体积比值S以及壳体的导热率λ满足以下关系式：0.05≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤20。本发明使得在设计可充电电池时，只要保证可充电电池满足特定关系式，就能保证可充电电池具有优异的快速充电能力，降低了可充电电池的设计难度，缩短了可充电电池的开发周期，有利于可充电电池的进一步推广。

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种可充电电池及可充电电池模组。

背景技术

可充电电池，又称二次电池，具有重量轻、能量密度高、无污染、无记忆效应、使用寿命长等突出特点，被广泛应用于手机、电脑、家用电器、电动工具等领域。

目前，可充电电池的充电时间和使用寿命越来越受到终端消费者的重视，也是限制可充电电池进一步普及的重要因素。

为了缩短充电时间，具有快速充电能力的可充电电池被研发并陆续投入市场，给终端消费者带来了极大的使用便利。

一般情况下，从技术原理来说，决定可充电电池充电速度的关键是负极极片，而在负极极片设计中，负极活性材料的粒径分布又是至关重要的。后来也有研究表明，可充电电池的充电速度还与散热有关。于是，现有技术在设计具有快速充电能力的可充电电池时，往往需要花费大量时间去调整各个要因，并进行反复实验验证，从而导致了可充电电池的设计开发周期很长，并且还有可能存在设计出的可充电电池的快速充电能力始终达不到要求的情况。

因此，如何快速设计出一种具有优异的快速充电能力的可充电电池是目前亟待解决的问题。

以上信息作为背景信息给出只是为了辅助理解本公开，并没有确定或者承认任意上述内容是否可用作相对于本公开的现有技术。

发明内容

本发明提供一种可充电电池及可充电电池模组，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种可充电电池，包括壳体和位于所述壳体内的电芯，所述电芯包括负极活性物质，所述可充电电池满足以下关系式：

0.05≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤20；

其中，

γ为单位转换系数；

Q为所述电芯的容量；

D50负为所述负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径；

S为所述壳体的表面积与体积比值；

λ为所述壳体的导热率。

进一步地，所述可充电电池中，所述可充电电池满足以下关系式：

0.07≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤10。

进一步地，所述可充电电池中，所述电芯的容量Q满足以下关系式：

5Ah≤Q≤250Ah。

进一步地，所述可充电电池中，所述负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50负满足以下关系式：

4μm≤D50负≤20μm。

进一步地，所述可充电电池中，所述负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50负满足以下关系式：

6μm≤D50负≤16μm。

进一步地，所述可充电电池中，所述壳体的表面积与体积比值S满足以下关系式：

50m

进一步地，所述可充电电池中，所述壳体的表面积与体积比值S满足以下关系式：

60m

进一步地，所述可充电电池中，所述壳体的导热率λ满足以下关系式：

λ≥10W/(m·K)。

进一步地，所述可充电电池中，所述壳体的导热率λ满足以下关系式：

200W/(m·K)≤λ≤400W/(m·K)。

第二方面，本发明实施例提供一种可充电电池模组，包括至少两个可充电电池，所述可充电电池为如上述第一方面所述的可充电电池。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的一种可充电电池及可充电电池模组，通过合理匹配单位转换系数、电芯的容量、负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径、壳体的表面积与体积比值以及壳体的导热率之间的关系，使得在设计可充电电池时，只要保证可充电电池满足特定关系式，就能保证可充电电池具有优异的快速充电能力，降低了可充电电池的设计难度，缩短了可充电电池的开发周期，有利于可充电电池的进一步推广。

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获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种可充电电池(壳体和电芯)的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的负极活性物质的结构示意图。

附图标记：

壳体1，电芯2，负极活性物质3。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

有鉴于上述现有的可充电电池快速充电技术存在的缺陷，本申请人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以希望创设能够解决现有技术中缺陷的技术，使得可充电电池快速充电技术更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

请参考图1-2，本发明实施例提供一种可充电电池，包括壳体1和位于所述壳体1内的电芯2，所述电芯2包括负极极片，所述负极极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体至少一个表面上的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性物质3，所述可充电电池满足以下关系式：

0.05≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤20；

其中，

γ为单位转换系数，γ＝100000000W/(m3·Ah·K)；

Q为所述电芯2的容量，单位为Ah；

D50负为所述负极活性物质3累计体积百分数达到50％时所对应的粒径，单位为μm；

S为所述壳体1的表面积与体积比值，单位为m

λ为所述壳体1的导热率，单位为W/(m·K)。

需要说明的是，对于如何设计一种具有优异的快速充电能力的可充电电池，申请人在经过研究后发现，影响可充电电池快速充电能力的要因不是简单的一种或两种，而是有若干种，这若干种要因相互影响、相互制约，需要合理匹配单它们之间的关系，才能最终设计出具有优异快速充电能力的可充电电池。在本实施例中，这若干种要因具体包括单位转换系数γ、电芯2的容量Q、负极活性物质3累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50负、壳体1的表面积与体积比值S以及壳体1的导热率λ，当它们之间的关系满足关系式：0.05≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤20时，就能保证设计出的可充电电池具有优异的快速充电能力。

另外，可以理解的是，所述壳体1内还包括除上述提及内容以外的其它组成设计，比如正极极片、电解液、隔膜和顶盖等，该些组成设计的具体作用是保证可充电电池的各功能正常工作，鉴于该些组成设计在现有技术中已多有实现，也不是本实施例设计的重点，在此不做深入的阐述。

在本实施例中，所述可充电电池需要满足的关系式可进一步优化为：

0.07≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤10。

需要说明的是，如果说所述可充电电池在满足了以下这一关系式，即0.05≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤20时，能够保证所述可充电电池具有优异的快速充电能力，那么当所述可充电电池在满足了以下这一关系式，即0.07≤(γ·Q·D50负)/(S·λ)≤10时，能够保证所述可充电电池具有更加优异的快速充电能力。

在本实施例中，所述电芯2的容量Q满足以下关系式：

5Ah≤Q≤250Ah。

需要说明的是，也就是说，在设计所述可充电电池时，所述电芯2的容量Q可以在5Ah-250Ah这一区间范围内任意选择。

在本实施例中，所述负极活性物质3累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50负满足以下关系式：

4μm≤D50负≤20μm。

需要说明的是，也就是说，在设计所述可充电电池时，所述负极活性物质3累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50可以在4μm-20μm这一区间范围内任意选择。

4μm-20μm这一区间范围可以避免因粒径太小而与电解液产生较多的副反应，从而避免影响对电池快速充电能力的改善效果，还可以避免因粒径太大而阻碍锂离子在负极活性物质3内部固相传导，从而避免影响对电池快速充电能力的改善效果。

另外，所述负极活性物质3的粒径D50在区间范围内取小，会有利于锂离子在颗粒内部传输，加速锂离子在负极活性材料内部的扩散速度和扩散深度，但粒径小相应的比表面积大，会消耗更多的活性锂形成SEI膜，SEI膜占比变大，电池的界面阻抗增大。

优选地，所述负极活性物质3累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50负需要满足的关系式可进一步优化为：

6μm≤D50负≤16μm。

需要说明的是，在6μm-16μm这一区间范围内选择负极活性物质3累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50负能够更好地提升所述可充电电池的动力学性能，使其具有更优异的快速充电能力。

在本实施例中，所述壳体1的表面积与体积比值S满足以下关系式：

50m

需要说明的是，也就是说，在设计所述可充电电池时，所述壳体1的表面积与体积比值S可以在50m

所述壳体1的表面积越大，散热效果越好，但表面积太大可能容积利用率低，从而所述电芯2的能量密度和体积能量密度较低。

优选地，所述壳体1的表面积与体积比值S需要满足的关系式可进一步优化为：

60m

需要说明的是，在60m

在本实施例中，所述壳体1的导热率λ满足以下关系式：

λ≥10W/(m·K)。

需要说明的是，也就是说，在设计所述可充电电池时，所述壳体1的导热率λ可以在10W/(m·K)-无穷大这一区间范围内任意选择。

优选地，所述壳体1的导热率λ需要满足的关系式可进一步优化为：

200W/(m·K)≤λ≤400W/(m·K)。

需要说明的是，在200W/(m·K)-400W/(m·K)这一区间范围内选择所述壳体1的导热率λ能够更好地提升所述可充电电池的动力学性能，使其具有更优异的快速充电能力。

为了证明本实施例提供内容的可行性，本实施例进行了动力学性能测试，四组实施例和四组对比例的测试结果如表1所示：

表1：四组实施例和四组对比例的测试结果

其中，U表示(γ·Q·D50负)/(S·λ)。

由表1可以看出，四个实施例均在U的优选范围内，即四个实施例均具有优异的快速充电能力，而且在优选范围内，U值越小，快充能力越强。对比例一由于使用导热率λ差的壳体1，导致散热差、快充温升大，从而快速充电能力差；对比例二中壳体1的表面积与壳体体积比值S小，散热差，从而快速充电能力差；对比例三中壳体1的表面积与壳体体积比值S大，快充效果好，但壳体1的容积利用率低，体积能量密度和质量能量密度低；对比例四中负极活性物质3累计体积百分数达到50％时所对应的粒径D50过大，从而快速充电能力差。

尽管本文中较多的使用了壳体、电芯、负极活性物质等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明实施例提供的一种可充电电池，通过合理匹配单位转换系数、电芯的容量、负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径、壳体的表面积与体积比值以及壳体的导热率之间的关系，使得在设计可充电电池时，只要保证可充电电池满足特定关系式，就能保证可充电电池具有优异的快速充电能力，降低了可充电电池的设计难度，缩短了可充电电池的开发周期，有利于可充电电池的进一步推广。

实施例二

本发明实施例提供一种可充电电池模组，包括至少两个可充电电池，所述可充电电池为如上述实施例一所述的可充电电池。

需要说明的是，本实施例中的所述可充电电池模组可以但不限于应用于电子装置、电动车辆或电力储存系统等电子设备中。其中，电子装置例如可为使用可充电电池模组作为驱动电源的各种电脑、手机、显示屏等设备。电动车辆例如可为利用可充电电池模组作为驱动电源的电动汽车、电动三轮车、电动自行车等。电力储存系统例如可以为利用可充电电池模组作为电力储存源的电力储存系统。

在这些电子设备中，可充电电池模组可与用电元件电连接，以为用电元件提供电能。由于本申请提供的可充电电池模组的快速充电能力较为优异，这样有利于电子设备用于户外储能、短时备电以及移动储能等应用场景中，从而使电子设备的应用场景更加广泛。

本发明实施例提供的一种可充电电池模组，通过合理匹配单位转换系数、电芯的容量、负极活性物质累计体积百分数达到50％时所对应的粒径、壳体的表面积与体积比值以及壳体的导热率之间的关系，使得在设计可充电电池时，只要保证可充电电池满足特定关系式，就能保证可充电电池具有优异的快速充电能力，降低了可充电电池的设计难度，缩短了可充电电池的开发周期，有利于可充电电池的进一步推广。

至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。

提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。

在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。

当元件或者层称为是“在……上”、“与……接合”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或层，其可以是直接在另一个元件或者层上、与另一个元件或层接合、连接到或者联接到另一个元件或层，也可以存在介于其间的元件或者层。与此相反，当元件或层称为是“直接在……上”、“与……直接接合”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或层，则可能不存在介于其间的元件或者层。其他用于描述元件关系的词应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”和“直接在……之间”、“相邻”和“直接相邻”等)。在此使用的术语“和/或”包括该相关联的所罗列的项目的一个或以上的任一和所有的组合。虽然此处可能使用了术语第一、第二、第三等以描述各种的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受到这些术语的限制。这些术语可以只用于将一个元件、组件、区域或部分与另一个元件、组件、区域或部分区分。除非由上下文清楚地表示，在此使用诸如术语“第一”、“第二”及其他数值的术语不意味序列或者次序。因此，在下方论述的第一元件、组件、区域、层或者部分可以采用第二元件、组件、区域、层或者部分的术语而不脱离该示例实施例的教导。

空间的相对术语，诸如“内”、“外”、“在下面”、“在……的下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可出于便于描述的目的使用，以描述如图中所示的一个元件或者特征和另外一个或多个元件或者特征之间的关系。空间的相对术语可以意指包含除该图描绘的取向之外该装置的不同的取向。例如如果翻转该图中的装置，则描述为“在其他元件或者特征的下方”或者“在元件或者特征的下面”的元件将取向为“在其他元件或者特征的上方”。因此，示例术语“在……的下方”可以包含朝上和朝下的两种取向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或者其他取向)并且以此处的空间的相对描述解释。