CN101267023B - 塑料壳体锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型塑料壳体锂离子电池及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明提供的塑料壳体电池：包括电池芯体、壳体，其中壳体上设置有正极极柱和负极极柱，其特征在于：壳体包括处于最里层的耐腐蚀层、最外层的保护层以及设置于耐腐蚀层和保护层之间的金属隔离层。本发明采用了独特的电池结构，增强了塑料壳体的密封效果，为锂离子电池领域提供一种安全可靠，且廉价易得的小体积塑料壳体电池，能替代现有的金属壳体电池。

Description

塑料壳体锂离子电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型塑料壳体锂离子电池及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。

技术背景

由于锂离子电池能量密度高、寿命长、体积小、无污染，广泛用于电动车辆、航天航空、通讯设备以及各类便携式电器，是最理想的移动电源。目前，市场上的锂离子电池主要有三种类型：

一、金属外壳的锂离子电池，主要以不锈钢壳体和铝壳体为主。这两种金属壳体的电池占据了锂离子电池市场的绝大部分。这种金属外壳的锂离子电池的优势，在于组装成电池后气密性较为可靠；外壳有一定的机械强度，可以承受适当的机械冲击；并且金属壳体的散热性能优异。但是由于这种电池内部结构过于紧凑，如果在使用过程中发生短路等一些滥用情况，会导致电芯鼓胀，甚至发生电池爆炸，由于壳体为金属物体，电池爆炸相当于小型炸弹，对使用者造成极大的人身安全。

二、采用复合铝塑膜作为外包装的锂离子电池。这种采用复合铝塑膜包装的电池，其安全性能较金属外壳电池有了很大的改善，并且质量比能量自了显著的提升。但铝塑膜抗划性差，在外力的作用铝塑膜易被划伤，造成电池损伤，铝塑膜失去保护作用。

三、注塑成型的塑料壳体锂离子电池，即所谓“塑壳电池”。由于塑料廉价易得，又便于成型，它弥补了以上两种电池包装材料的不足，开始作为一种较为新颖的锂离子电池包装材料。但是，由于而塑料自身的特性决定，现有的塑壳电池的塑壳厚度在10mm以上才能防止电池漏气、漏液，故而为了保证其使用寿命和安全性能，现有塑壳电池只有体积较大的方形电池。而对于各类便携式电器的小体积电池，特别是圆柱形电池，采用塑料壳体会导致离子电池漏气、漏液，无法满足使用寿命和安全性能，只能采用金属外壳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种气密性好，安全可靠的小体积塑料壳体电池，替代现有的金属壳体电池。

本发明的技术方案：

包括塑料制作的密闭的壳体以及设置在壳体中的电池芯体，壳体包括下壳体和上盖板，正极极柱和负极极柱固定设置壳体上，电池芯体的正极极耳和负极极耳分别与正极极柱和负极极柱电连接，其特征在于：下壳体包括处于最里层的耐腐蚀层、处于最外层的保护层以及设置于耐腐蚀层和保护层之间的金属隔离层。

为了保证电池的气密性，保护层、耐腐蚀层和金属隔层配合紧密，优选的方案是：金属隔离层紧密包裹在耐腐蚀层外表面，在保护层和金属隔离层之间用环氧树脂胶固化密封。所述环氧树脂胶是指：环氧树脂E44及相应固化剂(聚胺脂，热熔胶等)。

其中，正极极柱设置在壳体的上盖板上，负极极柱可以设置在壳体底部或上盖板上。上盖板可采用PP或PET材料注塑成型，厚度2-2.5mm，还设置有注液孔、抽真空孔。

进一步地，下壳体的耐腐蚀层由耐腐蚀的工程塑料注塑成型，保护层由抗压耐磨的工程塑料注塑成型，下壳体的底部设置有通孔，在壳体底部通孔内镶嵌金属嵌件为负极极柱。

本发明塑料壳体电池的电池芯体是锂离子电池常用电池芯体，由正、负极极片和隔膜卷绕而成。为了防止极耳在装配过程中碰到电池芯体发生短路，本发明塑壳电池还包括绝缘片，负极极耳穿过绝缘片与负极极柱连接，正极极耳穿过绝缘片与正极极柱连接。绝缘片是具有可供电池芯体的正负极极耳穿过，并防止极耳与芯体接触的缝隙的薄片，厚度可为0.5～1mm，材料为PP，PE等非导电高分子材料。本领域技术人员可以根据绝缘片的作用任意设计绝缘片的结构，比如可以设计为如图5所示，电池芯体的极耳从绝缘片边上的缝穿过，再用超声焊接机焊接在正、负极柱上，避免了极耳在装配过程中碰到电池芯体发生短路的情况。

进一步地，壳体最里层的耐腐蚀层由厚度为0.5～1mm的耐腐蚀的工程塑料(如PP或PET等)注塑成型，上部全开口且向外有外沿，底部有直径4～5mm的通孔以供电池芯体负极极耳穿过。中间层为10～20μm厚的金属隔离层(如铝箔)，主要功能是阻隔气体、液体，防止电池漏气漏液。最外层的保护层由厚度为0.5～1mm的抗压耐磨的工程塑料(如ABS或SBS等)注塑成型，上部全开口底部有直径4～5mm的通孔；耐腐蚀层底部的通孔与保护层底部的通孔相通，直径9-10mm、厚度0.3～0.5mm的金属嵌件镶嵌在耐腐蚀层或保护层的底部的通孔内作为负极极柱。

进一步地，内层的耐腐蚀层比外层的保护层高1.0-1.5mm，且耐腐蚀层上部开口端的外沿与保护层配合精确；金属嵌件的边缘设计为锯齿状与壳体紧密配合作为负极极柱。

塑料壳体的形状，根据需要可以是圆柱形、多边棱柱(如横切面为正方形、长方形、六边形等多边形)等形状。

本发明的有益效果：

本发明采用了独特的电池结构和相应的电池制作工艺体系，增强了塑料壳体的密封效果，在保证电池的安全性能和放电性能的同时节约成本；采用超音波焊接的方式作为电池上盖板和塑料壳体密封的方式，可以在满足壳体气密性的前提下，最大限度地保证电池尺寸的精度，制备的小体积塑料壳体电池，能够替代现有的金属壳体电池。本发明电池不但可以满足普通放电要求，也可以满足电动工具等类型电池所需的高倍率放电要求。

附图说明

图1是塑壳电池的剖视图，其中1是上盖板，2是正极极柱，3是注液孔，4是抽真空孔，5视绝缘片，6是耐腐蚀层，7是保护层，8是金属隔层，9是负极极柱，10是电池芯体，11是正极极耳，12是负极极耳。

图2是上盖板剖视图。

图3是塑壳电池的下壳体剖视图。

图4是塑壳电池的壳体剖视图。

图5是一种绝缘片示意图。

具体实施方式

具体地，本发明塑料壳体电池的一种方案，其剖面图见图1，包括塑料制作的密闭的壳体以及设置在壳体中的电池芯体，壳体包括下壳体和上盖板1，正极极柱2和负极极柱9固定设置壳体上，电池芯体的正极极耳11和负极极耳12分别与正极极柱2和负极极柱9电连接，其特征在于：下壳体包括处于最里层的耐腐蚀层6、处于最外层7的保护层以及设置于耐腐蚀层和保护层之间的金属隔离层8。在壳体底部设置有与电池芯体负极极耳12相适配的通孔，通孔内镶嵌有金属嵌件作为负极极柱9，负极极耳12与负极极柱(金属嵌件)9连接，上盖板1上设置有正极极柱2、注液孔3、抽真空孔4，正极极耳11与正极极柱2连接。

进一步地，在保护层7和中间铝箔层8之间用环氧树脂胶固化密封，并在整个壳体底部用环氧树脂胶固化密封；另外，采用超声波焊接方式焊接将上盖板1与耐腐蚀层6和保护层7焊接为一个整体，可以有效保证塑壳电池的气密性。

进一步地，耐腐蚀层6的厚度为0.5～1mm，是由耐腐蚀的工程塑料注塑成型，上部全开口，底部有直径4～5mm的通孔以供电池芯体负极极耳穿过；中间层为10～20μm厚的金属隔离层8；最外层保护层7的厚度为0.5～1mm，是由抗压耐磨的工程塑料注塑成型，上部全开口，底部有直径4～5mm的通孔与耐腐蚀层6底部的通孔相通；直径910mm、厚度0.3～0.5mm的金属嵌件镶嵌在耐腐蚀层6或保护层7底部通孔内，暴露的部分作为外接负极极柱与用电器连接。

本发明塑料壳体电池的电池芯体是锂离子电池常用电池芯体，由正、负极极片和隔膜卷绕而成。为了防止极耳在装配过程中碰到电池芯体发生短路，本发明塑壳电池还包括绝缘片，负极极耳穿过绝缘片与负极极柱连接，正极极耳穿过绝缘片与正极极柱连接。绝缘片是具有可供电池芯体的正负极极耳穿过，并防止极耳与芯体接触的缝隙的薄片，厚度可为0.5～1mm，材料为PP，PE等非导电高分子材料。本领域技术人员可以根据绝缘片的作用任意设计绝缘片的结构，比如可以设计为如图5所示，电池芯体的极耳从绝缘片边上的缝穿过，再用超声焊接机焊接在正、负极柱上，避免了极耳在装配过程中碰到电池芯体发生短路的情况。

为了保证电池的气密性，保护层、耐腐蚀层和金属隔层配合紧密，优选的的方案是耐腐蚀层6比保护层7高1.0-1.5mm，且耐腐蚀层6上部开口端的外沿与保护层7配合精确；另外，金属隔离层8紧密包裹在耐腐蚀层6外表面，保护层7和金属隔离层8之间用环氧树脂胶固化密封为一个整体，从而达到隔水隔气的目的。金属嵌件的边缘设计为锯齿状与壳体紧密配合，作为负极极柱9，增加金属嵌件与注塑成型的外壳之间的强度和气密性，从而达到阻隔气体、液体，防止电池漏气漏液的目的。

塑料壳体的形状根据实际需要和用电器的设计，可以是圆柱形或口香糖式等多边棱柱。

本发明塑壳电池壳体的制备方法，包括以下步骤：

①制备电池芯体；准备金属隔离层(8)；

由工程塑料注塑成具有周边、底部和上部全开口的耐腐蚀层(6)，在底部设置有通孔；

由工程塑料材料注塑成具有周边、底部和上部全开口的保护层(7)，在底部镶嵌有作为负极极柱(9)的金属嵌件；

由工程塑料注塑成带有正极极柱(2)、注液孔(3)、抽真空孔(4)的上盖板；

②将电池芯体(10)放入耐腐蚀层(6)中，电池芯体的负极极耳(12)穿过耐腐蚀层(6)底部通孔；

③用金属隔离层包裹耐腐蚀层(6)，装入保护层(7)中，电池芯体的负极极耳(12)与保护层(7)底部的负极极柱(9)焊接；

④电池芯体的正极极耳(11)焊接在上盖板(1)的正极极柱(2)上；并将上盖板与耐腐蚀层(6)和保护层(7)焊接为一个整体；

⑤真空烘箱内干燥充分后，注液，化成，密封注液孔(3)、抽真空孔(4)后即得。

本领与技术人员根据实际情况也可以将作为负极极柱(9)的金属嵌件镶嵌在耐腐蚀层(6)底部，保护层(7)底部设置通孔，负极极柱(9)通过保护层(7)底部的通孔突出，与用电器连接。

具体实施方法之一：

①由PP或PET等耐腐蚀的工程塑料注塑成耐腐蚀层6，厚度0.5～1，上部全开口且向外有外沿，底部有直径4～5mm的通孔以供电池芯体负极极耳穿过；

由ABS等耐磨抗压工程塑料材料注塑成保护层7，上部全开口，底部有直径4～5mm的通孔，且瞳孔内嵌有直径9-10mm，厚度0.3～0.5mm的圆型薄片的金属嵌件作为电池外接负极极柱与用电器连接；可以将金属嵌件的边缘设计为锯齿状，增加金属嵌件与注塑成型的外壳之间的强度和气密性；

由厚度2-2.5mm的PP，PET等耐摩抗压工程塑料注塑成带有正极极柱、注液孔、抽真空孔的上盖板；

制备电池芯体；准备金属隔离层。

②电池芯体两端的极耳穿过绝缘片，放入耐腐蚀层6内，负极极耳穿过其底部通孔，用厚度10～20μm的金属隔层(铝箔层)，包裹在内层外表面，并嵌入保护层7中；

③电池芯体负极极耳通过常规电阻点焊焊接方式与保护层7底部暴露的金属嵌件9焊接；可在外壳和中间铝箔层之间用环氧树脂胶固化密封，并在整个壳体底部用环氧树脂胶固化密封；

④正极极耳焊接在上盖板1的金属极柱，正极极柱2上；并将上盖板与耐腐蚀层6和保护层7焊接为一个整体；为了提高焊接的精度和强度，同时使得电池外部形貌比较美观，可采用超声波焊接方式焊接；

⑤真空烘箱内干燥充分后，注液，化成，密封注液孔后即得。

具体实施方法之二：

①由PP，PET等耐腐蚀的工程塑料注塑成方型内壳体，即耐腐蚀层6，厚度0.5～1mm，上部全开口且向外有外沿，底部有直径4～5mm的通孔，通孔内镶嵌有直径9-10mm，厚度0.3～0.5mm的圆型薄片的金属嵌件为外接负极极柱9；

由ABS等抗压耐磨的工程塑料注塑成方型外壳体，即保护层7，上部全开口，底部有直径4～5mm的通孔与耐腐蚀层6的通孔匹配；

由耐磨抗压工程塑料注塑成带有正极极柱、注液孔、抽真空孔的上盖板；

制备电池芯体；准备金属隔离层。

②电池芯体两端的极耳穿过绝缘片，放入内壳体中，负极极耳与方型外壳体底部通孔处的金属嵌件焊接；

③用厚度10～20μm的铝箔层包裹在耐腐蚀层6外表面，并嵌入外壳体中，金属嵌件通过外壳体底部通孔，作为电池外接负极极柱9；

④正极极耳焊接在上盖板1的正极极柱2上；并将上盖板与内壳体和外壳体焊接为一个整体；

⑤真空烘箱内干燥充分后，注液，化成，密封注液孔后即得。

以下是具体实施例，本领域技术人员可以根据以下实施例的思路制备出国家标准尺寸的其它的塑壳电池。

实施例1本发明塑壳电池的制备

以国家标准电池尺寸18650为例，本发明塑壳电池的具体制备方法如下：

1、由ABS材注塑成厚度为1mm，上部全开口，底部有直径为9-10mm的通孔的圆柱形外壳，并在外壳镶嵌直径9-10mm的镍金属嵌件，镍金属嵌件与外壳底部通孔紧密配合；外径Φ18mm，高度62.5mm。

由PP材料注塑成厚度为0.5mm，上部开口并有0.5mm的的外沿，底部有直径4-5mm通孔的圆柱形内壳；外径φ17mm或φ25mm，高度62.5mm。

由PET材料注塑成带有正极极柱、注液孔、抽真空孔的上盖板；

2、将正极极片、负极极片和隔膜卷绕成柱形电池芯体，电池芯体两端的极耳穿过绝缘片，放入内壳中，负极极耳穿过其底部通孔；

3、用厚度12μm的铝箔层紧密包裹在内壳外表面，然后将其嵌入外壳中，并将负极极耳和外壳底部的镍金属嵌件采用电阻焊方式焊接好；并在铝箔层和外壳之间以及壳体底部用环氧树脂胶(环氧树脂E44及相应固化剂)进行固化密封；

4、正极极耳焊接在上盖板的金属极柱上；

5、采用超声波焊接方式焊接将上盖板与内壳和外壳焊接为一个整体。

6、真空烘箱内干燥充分后，注液，密封后进行测试。

本发明塑壳电池的性能测试

测试结果如下：

1、电池在化成和循环测试过程中，未产生气体，封口处没有破损痕迹。

2、实际容量基本达到了设计容量。

3、倍率放电性能：

5C：放电时间12～12.6min，

10C：放电时间～6min，

15C：放电时间：3.1～3.9min。

4、倍率充放电性能测试：

5、高倍率充放电容量循环测试。

用3C电流充电和10C电流放电进行容量循环测试，95周后电池仍未鼓胀。

上述结果显示：本发明的塑壳锂离子电在高倍率充放电严酷条件下电池外观沒有发生变化，并保持电池正常的充放电性能，说明本发明塑料壳体的密封效果良好，在保证电池的安全性能同时又具有良好充放电性能，制备的小体积塑料壳体电池，能够替代现有的金属壳体电池。

Claims (9)

1.塑料壳体锂离子电池，包括塑料制作的密闭的壳体以及设置在壳体中的电池芯体，壳体包括下壳体和上盖板，正极极柱(2)和负极极柱(9)固定设置壳体上，电池芯体的正极极耳(11)和负极极耳(12)分别与正极极柱(2)和负极极柱(9)电连接，其特征在于：下壳体包括处于最里层的耐腐蚀层(6)、处于最外层的保护层(7)以及设置于耐腐蚀层(6)和保护层(7)之间的金属隔离层(8)；其中，耐腐蚀层(6)的厚度为0.5～1mm，是由耐腐蚀的工程塑料注塑成型；金属隔离层(8)的厚度为10～20μm；保护层(7)的厚度为0.5～1mm，是由抗压耐磨的工程塑料注塑成型。

2.根据权利要求1所述的塑料壳体锂离子电池，其特征在于：金属隔离层(8)紧密包裹在耐腐蚀层(6)外表面，在保护层(7)和金属隔离层(8)之间用环氧树脂胶固化密封。

3.根据权利要求1所述的塑料壳体锂离子电池，其特征在于：正极极柱(2)设置在上盖板(1)上，上盖板(1)上设置有注液孔(3)和抽真空孔(4)；下壳体的底部设置有通孔，负极极柱(9)设置在下壳体的底部的通孔中。

4.根据权利要求3所述的塑料壳体锂离子电池，其特征在于：负极极柱(9)采用金属嵌件，金属嵌件的边缘设计为锯齿状并于下壳体注塑成型时与其制作为一体结构。

5.根据权利要求4所述的塑料壳体锂离子电池，其特征在于：电池芯体的两端端面分别设置有绝缘片(5)，电池芯体的正极极耳(11)和负极极耳(12)分别穿过绝缘片(5)与正极极柱(2)和负极极柱(9)电连接。

6.塑料壳体锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：

①制备电池芯体；准备金属隔离层(8)；

由工程塑料注塑成具有周边、底部和上部全开口的耐腐蚀层(6)，在底部设置有通孔；

由工程塑料材料注塑成具有周边、底部和上部全开口的保护层(7)，在底部镶嵌有作为负极极柱(9)的金属嵌件；

由工程塑料注塑成带有正极极柱(2)、注液孔(3)、抽真空孔(4)的上盖板；

②将电池芯体(10)放入耐腐蚀层(6)中，电池芯体的负极极耳(12)穿过耐腐蚀层(6)底部通孔；

③用金属隔离层包裹耐腐蚀层(6)，装入保护层(7)中，电池芯体的负极极耳(12)与保护层(7)底部的负极极柱(9)焊接；

④电池芯体的正极极耳(11)焊接在上盖板(1)的正极极柱(2)上；并将上盖板与耐腐蚀层(6)和保护层(7)焊接为一个整体；

⑤真空烘箱内干燥充分后，注液，化成，密封注液孔(3)、抽真空孔(4)后即得。

7.根据权利要求6所述的塑料壳体锂离子电池的制备方法，其特征在于：将作为负极极柱(9)的金属嵌件镶嵌在耐腐蚀层(6)底部通孔内。

8.根据权利要求6所述的塑料壳体锂离子电池的制备方法，其特征在于：步骤③中，在保护层(7)和金属隔离层(8)之间用环氧树脂胶固化密封，并在整个壳体底部用环氧树脂胶固化密封。

9.根据权利要求6所述的塑料壳体锂离子电池的制备方法，其特征在于：步骤④采用超声波焊接方式焊接将上盖板(1)与耐腐蚀层(6)和保护层(7)焊接为一个整体。

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