一种安全型方形金属壳锂离子电池

技术领域

本发明涉及电池制造技术领域，具体指一种方形金属壳包装的安全型锂离子电池。

背景技术

在低碳经济、碳中和的共识下，全球主要国家均提出了支持新能源汽车发展的战略规划。新能源汽车锂离子电池包带电量大，带有电量10KWH至150KWH；锂离子电池能量密度高，通常达100-300WH/Kg。使用锂离子电池作为动力的新能源汽车在交通事故中或类似剧烈碰撞、挤压等滥用的场合，锂离子电池芯内部发生严重内短路，内短路产生的高温触发正极材料发生释氧发应，直接为锂离子电池内部电解液等原材料燃烧提供了氧气，易引起火灾、甚至爆炸，危及人员生命安全及财产安全。因此很有必要提高锂离子电池的安全性能。

申请号CN201510438316.3，发明名称“动力电池顶盖结构及动力电池”，公开了一种动力电池顶盖结构及动力电池，通过顶盖结构中设计第一短路部件和第二短路部件，并被设置为当动力电池内部压力增大时，第一短路部件和第二短路部件向上动作，以使第一、第二极柱电连接形成保护回路，且形成保护回路时第一短路部件与电阻呈并联关系，达到使动力电池在过充和穿钉滥用下分别形成独立的保护回路，对动力电池进行有效地保护。

上述发明专利利用顶盖短路部件解决动力电池在过充和穿钉滥用下对动力电池进行有效保护，但仍然无法解决在交通事故中或类似剧烈碰撞、挤压等滥用的场合，锂离子电池内部发生严重内短路引发的安全问题。

发明内容

为了改善锂离子电池作为动力的新能源汽车在交通事故中或类似剧烈碰撞、挤压等滥用的场合下的安全性问题，本发明提出一种安全型方形金属壳锂离子电池。

为克服现有技术的不足，本发明采取以下技术方案：

一种安全型方形金属壳锂离子电池，包括锂离子电池芯和方形金属壳，其特征在于：方形金属壳通过正极柱上的导电塑胶密封件与锂离子电池芯的正极柱、正极转接片、正极极片进行电导通；正极极片两面采用隔离膜进行包覆，即与正极极片相对应的负极极片面有隔离膜包覆以保持正极极片与负极极片电子绝缘；电池芯两个主体面最外层为负极极片的铜箔层，且铜箔层的外面没有隔离膜包覆；锂离子电池芯外表面包覆有绝缘膜保护套件，实现电池芯与方形金属壳内腔保持绝缘电隔离；绝缘膜保护套件由两片绝缘膜拼接而成，拼接位置位于电池芯两个主体面中心区域。

所述正极柱上的导电塑胶密封件材质可选为聚醚类塑料PPS，通过添加导电剂、调色剂，形成黑色导电塑胶。

所述绝缘膜拼接方式可选择对两片绝缘层重叠部分利用绝缘胶带粘贴，或者对重叠部分局部热熔固定。

所述负极极片、负极转接片、负极极柱电导通，其中负极极柱通过负极极柱绝缘塑胶密封件与顶盖盖板保持绝缘电隔离。

所述电池芯为叠片工艺制造，电池芯两个主体面最外层为负极极片的铜箔层可以选择单面涂布活性材料，并且可以选择比内层负极极片采用的铜箔更厚的铜箔，以加强电池芯外短路模式下的导电、传热效果、强化安全性能。

所述电池芯为卷绕工艺制造，绝缘膜保护套件的拼接位置设置在电池芯两个主体面中心区域，或者电池芯两个主体面中心区域、电池芯两个侧面中心区域均进行设置。

所述金属壳可以选择铝壳或不锈钢壳，优选铝壳。

所述绝缘膜保护套件材质优选聚丙烯。

所述负极极柱绝缘塑胶密封件材质优选为聚醚类塑料PPS。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明为锂离子电池受到外部挤压或受到金属异物穿刺（与穿钉失效机理一致）时的短路释放能量设计方案，直接利用电池芯外表面的负极铜箔与带正电的金属壳内腔接触形成电短路，通过电池芯外短路放电的方式更快速的释放锂离子电池的能量，缓解电池芯内短路产生的能量对正极材料的伤害，进而对锂离子电池进行有效地安全保护。

本发明将电池芯最外层负极极片的铜箔层、具有拼接位的绝缘膜保护套件、金属壳、正极极柱导电塑胶密封件、正极极柱、正极转接片、正极极片设计成潜在的电池芯外短路结构。电池芯外层铜箔层外面没有隔离膜层，采用绝缘膜保护套件包覆电池芯，维持正常状态下电池芯与金属壳电隔离。当新能源汽车发生交通事故或类似剧烈碰撞、挤压等滥用的场合下，通过上述电池芯外短路结构快速释放锂离子电池能量，缓解电池芯内短路产生的能量对正极材料的伤害，进而对锂离子电池进行有效地安全保护。

附图说明

图1：一种安全型方形金属壳锂离子电池设计方案及其锂离子电池安全防护机制示意图。

图2：叠片工艺锂离子电池极片成型A方案示意图。

图3：叠片工艺锂离子电池极片成型B方案示意图。

图4：卷绕工艺锂离子电池极片成型方案示意图。

图5：绝缘膜保护套件装配示意图。

图6：一种安全型方形金属壳锂离子电池设计方案及其锂离子电池关键部件装配示意图。

图中，单面负极极片1、正极极片2、隔离膜3、双面负极极片4、负极极耳5-1、正极极耳5-2、负极转接片6-1、正极转接片6-2、负极极柱7-1、正极极柱7-2、负极极柱绝缘塑胶密封件8-1、正极极柱导电塑胶密封件8-2、顶盖盖板9、顶盖内塑胶件10、金属壳11、绝缘膜保护套件12、绝缘膜保护套件与顶盖内塑胶件热融合区13、绝缘胶带14。

具体实施方式

现结合附图，对本发明进一步具体说明。

参考附图2、图3、图4说明单面负极极片1、双面负极极片4成型加工方案。

参考附图2，在铜箔上双面涂覆负极活性材料，经烘干、辊压后，利用五金模具冲切或激光切割生成双面负极极片4。在铜箔上单面涂覆负极活性材料，经烘干、辊压后，利用五金模具冲切或激光切割生成单面负极极片1。其中单面负极极片1所使用的铜箔可以选择比双面负极极片4所使用的铜箔更厚，以加强电池芯外短路模式下的导电、传热效果、强化锂离子电池安全性能。当选择叠片工艺时，为优选的单面负极极片1加工方案。

参考附图3、图4，在铜箔上一面连续涂覆负极活性材料，另一面间隙涂覆负极活性材料，经烘干、辊压后，利用五金模具冲切或激光切割生成单面负极极片1、双面负极极片4。

正极极片2采用铝箔作为基材，涂覆正极活性材料，加工方法与双面负极极片4类似。

电池芯的制作工艺可以选择叠片工艺或卷绕工艺。

选择叠片工艺时，第一片及最后一片为单面负极极片1，并且保持将单面负极极片1的铜箔层朝向电池芯外面，中间层依次为隔离膜3、正极极片2、隔离膜3、双面负极极片4、隔离膜3、正极极片2、隔离膜3等。叠片完毕，利用绝缘胶带14固定电池芯四边防止极片松脱错位。

选择卷绕工艺时，正极极片2、隔离膜3、双面负极极片4、隔离膜3依据产品设计尺寸对位卷绕，卷绕至设计层数，再利用与双面负极极片4相连的单面负极极片1包覆电池芯一圈，并且保持单面负极极片1的铜箔层朝向电池芯外面。卷绕完毕后，利用绝缘胶带14固定单面负极极片1的铜箔收尾处防止极片松脱错位。

叠片或卷绕之后，将电池芯进行冷压或热压整形，再进行绝缘测试挑出内短路电池芯。

参考图1、图6，说明锂离子电池的装配过程。负极极耳5-1与负极转接片6-1通过超声波焊接的方式连接在一起。负极转接片6-1与负极极柱7-1通过激光焊接的方式连接在一起。正极极耳5-2与正极转接片6-2通过超声波焊接的方式连接在一起。正极转接片6-2与正极极柱7-2通过激光焊接的方式连接在一起。对超声波焊接位、激光焊接位进行整形、除尘、贴绝缘胶带防护。

折叠正负极极耳及转接片。

参考图5说明绝缘膜保护套件12加工制作方法。绝缘膜12-1按图中平面图实线冲裁、虚线折叠。

参考图5、图6，两片绝缘膜12-1组合在一起包覆电池芯之后，利用绝缘胶带14固定两片绝缘膜12-1的拼接处，形成绝缘膜保护套件12。利用热熔方式，形成绝缘膜保护套件与顶盖内塑胶件热融合区13，将绝缘膜保护套件12与顶盖内塑胶件10固定在一起。

参考图6，将包覆绝缘膜保护套件12的电池芯装入到铝壳11中。再利用激光焊接的方式将铝壳11与顶盖盖板9连接在一起。

顶盖盖板9上面还集成有注液孔、防爆阀，为业内常规技术，图中未标注。

对锂离子电池进行高温真空烘烤除去水份、灌注电解液、化成激活、利用密封钉通过激光焊接的方式对注液孔进行密封、锂离子电池外部包覆绝缘膜等业内常规技术完成锂离子电池的制造。

当锂离子电池受到外部挤压（对应附图1所示110-1#失效模式）时，绝缘膜保护套件两片绝缘膜受到不均匀力拉扯、错位裂开，电池芯外表面的负极铜箔直接与带正电的金属壳内腔接触形成电池芯外短路，通过电池芯外短路放电的方式更快速的释放锂离子电池能量，电池芯外短路放电产生的热量通过导热性良好的铜箔及金属壳散开，缓解了锂离子电池能量的快速释放产生的局部高温而诱发的正极材料高温下的释氧发应，而从提高锂离子电池的安全性能。特别是改善锂离子电池作为动力的新能源汽车在交通事故中或类似剧烈碰撞、挤压等滥用场合的安全性。

当锂离子电池受到金属异物穿刺（对应附图1所示110-2#失效模式）时，电池芯外表面的负极铜箔、金属异物、带正电的金属壳接触形成电池芯外短路。通过电池芯外短路放电的方式更快速的释放锂离子电池能量，电池芯外短路放电产生的热量通过导热性良好的铜箔及金属壳散开，缓解了锂离子电池能量的快速释放产生的局部高温而诱发的正极材料高温下的释氧发应，而从提高锂离子电池的安全性能。特别是改善锂离子电池作为动力的新能源汽车在交通事故中或类似剧烈碰撞产生对锂离子电池产生穿刺等滥用场合的安全性。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。