CN101286555B - 一种置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统，涉及锂离子电池内部结构领域，该系统包括：置于锂离子电池极耳和极柱之间的金属材料，该金属材料在外短路电流通过时能够延时破坏在极耳和极柱之间的电连接；以及用于将极柱和电池壳密封到一起的易熔绝缘密封垫圈。该系统可以在短路2s之后破坏电池极耳和极柱的连接，达到进一步提高锂离子电池的安全性的目的。

Description

一种置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统
技术领域
本发明涉及锂离子电池内部结构领域，特别是涉及一种锂离子动力电池极柱和极耳部分的外短路保护系统。
背景技术
锂离子二次电池自发明以来，以其突出的能量密度和功率密度，受到人们的广泛关注，其在多个应用领域中被寄予厚望，而另一方面，其安全性一直遭到市场的诟病，使其难以进入诸如电动交通工具等对于容量、功率以及安全性都有较高要求的应用领域。近年来，随着更为安全的正极材料、电解液、隔膜以及更可靠的保护电路的出现，锂离子二次电池已经开始逐渐进入电动自行车和混合动力车领域。
目前对于锂离子动力电池的安全性要求，甚为重要的一条就是短路后可以冒烟，但是不能起火，更不能爆炸，锂离子动力电池在满足这一要求的前提下，配以可靠的外保护电路，可以将电池爆炸事故的可能性降低到市场可以接受的水平。其中，外保护电路可以认为是短路保护的“第一道防线”，电池自身短路不起火、不爆炸是短路保护的“第二道防线”。
即便如此，当外保护电路因故障失效，或有异物引起电池组中个别电池外短路时，当“第二道防线”开始起作用时，其带给消费的恐惧感和可能给消费者带来的安全问题也不容忽视。
为了进一步降低电池或电池组外短路可能造成的损失和可能给消费者带来的心理阴影，人们开始在上述两道防线之间增加新的防护措施。譬如在物电池内部极耳上安装热敏电阻元件来进行过流保护，这种方法使得电池成本上升明显且影响电池内部空间，尤其是对于多极耳的大功率锂离子动力电池而言劣势更为明显；还有的方法是在电池外部安装热熔断器来进行过流保护，这个也会使得成本上升明显，且占用了外部空间影响了电池组的布置和能量密度。此外，额外增加元件的方法还会存在因元件失效的潜在危险。
为此，本发明公开了置于电池内部的成本低廉、可靠性强、几乎不占用电池内部空间、适用电池体系广的外短路保护系统。
发明内容
本发明涉及一种置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统，优选地，特别适用于多极耳、大功率、高能量密度锂离子动力电池，其特征在于在极耳和极柱之间预置了1-5mm厚的金属材料，并在极柱部分使用熔点大于等于120℃且小于等于300℃的绝缘密封垫圈来将极柱与电池壳密封到一起。电池正常工作时，金属材料能保证极耳和极柱的可靠电连接，并且对于电池的内阻影响很小，但当短路电流通过极柱2s后，金属材料开始发生物理或者化学变化从而在5s内破坏极耳和极柱之间的连接，达到迅速减小或切断短路电流的目的。
具体实施方式
对比例1
此对比例涉及一个具有多个单体电芯、多个极耳、两个极柱的大功率高能量密度方形铝壳的锂离子电池，该电池使用锰酸锂正极材料，正极使用铝极耳，正极柱使用铝极柱，负极使用铜极耳，负极柱使用铜极柱，正极极耳被直接焊接在正极极柱上，负极极耳被直接焊接在负极极柱上。
电池容量为10Ah，可4C充放电循环，满充后2次内的10C(100A)完全放电不会造成电池外观损坏。
实施例1
与对比例1的不同之处在于，在对于负极极耳和负极极柱的超声焊接工序中，在负极极耳和负极柱之间置入5mm厚的镍片后焊接，其余工序不变。
实施例2
与对比例1的不同之处在于，在对于正极极耳和正极极柱的超声焊接工序中，在正极极耳和正极柱之间置入1mm厚的锌片后焊接，其余工序不变。
实施例3
与对比例1的不同之处在于，在正极极耳和正极极柱之间置入3mm厚的镍片后焊接，并且在负极极耳和负极柱之间置入3mm厚的锌片后焊接，其余工序不变。
实施例4
具体实施步骤同实施例1，不同之处在于，其中极耳、镍片、极柱的连接方式为用导电胶粘接后，再在粘接处包覆一层热熔胶作为保护。
实施例5
具体实施步骤同实施例4，不同之处在于，其中在极耳和极柱之间置入3mm厚的铅锑合金。
对比例1在满充后进行外短路测试，其最大短路电流超过500A，短路电流在10s内降至300A，1分钟内降至200A，3分钟内降至100A，5分钟内电流接近0A；电池安全阀在5s内开起，极柱垫圈底部有不明显的融化迹象，但能保持大致形状，电池冒烟，不起火、不爆炸。
实施例1-3，电池满充后进行外短路测试，其最大短路电流也超过500A，2s后装有保护系统的极柱的垫圈底部因预置金属材料的发热开始明显融化，电池失密封，预置的金属材料被迅速氧化，破坏了极耳和极柱之间的连接，在短路5s内短路电流即跌至80A以下，电池安全。
实施例4-5，电池满充后进行外短路测试，其最大短路电流超过450A，2s后因预置金属材料的发热或熔融而破坏了导电胶、热熔胶的粘接和保护效果，从而5s内短路电流即跌至10A以下，电池安全。
如意外的外短路时间小于2s，电池还可继续使用，但容量和循环寿命会受到影响。
上述实施例是对本发明的说明，不意图完全限定本发明的实施细节，任何在本发明基础上的简单改变、等效、替换或组合后的结构均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统，其特征在于，该系统具有：金属材料，该金属材料置于锂离子电池的一极或两极的极耳和相应极柱之间且与所述极耳和所述相应极柱电连接，当短路电流通过时所述金属材料能够延时破坏在所述极耳和所述相应极柱之间的电连接；以及用于将极柱和电池壳密封到一起的易熔绝缘密封垫圈，
其特征在于，所述金属材料是包括镍的纯金属。
2.如权利要求1所述的置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统，其特征在于：所述金属材料的厚度在1-5mm之间。
3.如权利要求1所述的置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统，其特征在于：所述易熔绝缘密封垫圈的熔点大于等于120℃，且小于等于300℃。
4.如权利要求1所述的置于锂离子电池内部的外短路延时保护系统，其特征在于：该保护系统在短路2s之后5s以内破坏极柱和极耳之间的连接。
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