CN101847749A - 一种锂电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到锂电池技术领域。一种锂电池，包括电池壳体和位于电池壳体内的电芯，电池壳体上端为具有正极柱的盖帽，电池壳体下端为电池底壳。盖帽由环形的防爆圈和连接在防爆圈内部的正极端组件构成，防爆圈沿径向的剖面呈V字形，泄压部设于V字形防爆圈的凹底处，该泄压部为线段状刻痕。防爆圈与正极端组件通过焊接方式连接成盖帽。电注液孔设置在电池底壳上，并通过钢珠焊接密封。位于电池壳体内的电芯可以是卷绕电芯，也可以是碳包式电芯。本发明在电池正极盖帽上设计了防爆结构，使单一的气室位于电池上部，内压直接作用于防爆圈，敏感度增大，而且避免了双气室内压传导的问题。同时该结构还使得电池内部有效空间增大，便于提高电池设计容量。

Description

一种锂电池

技术领域

本发明涉及到锂电池技术领域，特别涉及卷绕式及碳包式一次锂电池防爆结构的改进。

背景技术

安全性是锂电池重要的技术指标之一，为了保证电池的安全，通常在锂电池的外部加装保护电路对锂电池的使用情况进行管理。常规的保护方法是在电池的外部加装保险丝、PTC和二极管等来防止电池短路和防止电池反极性。但是当电池的保护电路或者其中的元器件失效，或者在用户滥用甚至拆装的情况下，外部电路的保护就失去作用，使得电池存在安全隐患，所以需要从电芯的结构设计以及电化学设计方面，做更多的保护措施。

卷绕式锂电池是一种主要的锂电池类型，现有卷绕式锂电池的结构以及装配方式参见图1、2。其结构是在桶状壳体或者是由直筒壳体底部压入电池底壳11焊接后形成的桶状电池壳体3，在其底部放入底膜7，然后将正极6碳片与负极5锂片借助于隔膜隔离后相互卷绕形成卷绕电芯，将该电芯放入的电池壳体3中定位。其中正极碳片、负极锂片与电池壳体之间通过边膜4隔离开；接着在电池壳体3上端通过上盖膜2设置盖帽1。其中盖帽上设置有正极柱和用于密封注液口的密封钉8。由负极5锂片引出的负极引出极耳10与电池上端的电池壳体部分连接，而由正极6碳片的集流体上引出的正极引出极耳9则与盖帽上的正极柱连接。上述两个结构的锂电池基本结构类似，区别在于图2所示的卷绕式锂电池的电池底壳11相比图1的卷绕式锂电池底壳11增加了防爆阀。

以上现有卷绕锂电池结构存在着以下的缺陷：

1、图1所示的锂电池结构，无防爆阀泄压结构设计，在短路及加热的情况下，存在着安全隐患；

2、图2所示的带防爆阀结构的锂电池，其防爆阀放于底部，可以起到安全泄压的作用；但是存在着上下两个气室，内压传导慢，防爆阀对于内压的敏感性降低；另外，因防爆阀放于电池底部，内部有效空间变小(实际内部卷心的高度会变低)，电池设计的容量降低。

碳包式锂电池是另外一种常见的一次锂电池。以锂/亚硫酰氯电池为例，此类电池以金属锂为负极、亚硫酰氯为正极活性物质和电解液，以碳为反应载体，附图3是现有锂/亚硫酰氯电池的基本结构。其包括电池壳体3，电池壳体3底部的电池底壳11设为防爆底，电池底壳11内层设有保持平整的金属片13，金属片上设有底膜7。在电池壳体3的上端借助上盖膜2连接盖帽1，盖帽上设置有正极柱和用于密封注液口的密封钉8。上述电池壳体内电芯由依次套装在电池壳体内的锂片负极5、边膜4、碳包正极6构成，碳包正极引出的集流体12连接在盖帽上的正极柱上。

上述碳包式锂电池同样存在安全隐患：

1、这种结构防爆阀放于电池底部，虽可以起到安全泄压的作用；但也存在着上下两个气室，且两气室之间的内压传导被正极碳包完全隔断，传导困难，防爆阀对于电池整体的内压的敏感性降低，无法有效的进行泄压。

2、防爆阀放于底部，电池内部有效空间变小，电池设计的容量会降低；而且防爆阀存于下部负极锂片加工需要定位，在装入碳包后，容易凹陷在底部造成电池内部短路、容量损失等不良状况，再者为保持平整还需加入金属片又增加了成本和工艺难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种安全性能高的锂电池，该结构的锂电池可改善电池在高温及短路状态下的安全性能，并提高电池的最大设计容量。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种锂电池，包括电池壳体和位于电池壳体内的电芯，电池壳体上端为具有正极柱的盖帽，电池壳体下端为电池底壳，所述盖帽由环形的防爆圈和连接在防爆圈内部的正极端组件构成，所述防爆圈上设置可在预定压力下被撕裂的泄压部。

作为上述方案的改进，所述的防爆圈沿径向的剖面大致呈V字形，泄压部设于防爆圈的V字形凹底处，该泄压部包括线段状刻痕。

作为上述方案的更进一步改进，所述泄压部还包括沿周向的剖面大致呈倒V字形的突起，所述突起在所述防爆圈的V字形凹底处形成，所述线段状刻痕沿周向贯穿所述突起。

所述防爆圈的中部形成有竖沿，该竖沿向电池底壳方向延伸，且与正极端组件固定连接，优选地，防爆圈与正极端组件通过焊接方式连接成盖帽。其中所述的正极端组件包括盖体和设置在盖体上的正极柱，所述正极柱与盖体间绝缘材料密封，盖体沿径向的剖面大致呈倒凹字形，所述盖体的厚度为1～2毫米。

上述技术方案中，电池注液孔设置在电池底壳上，注液孔通过钢珠焊接密封。

本发明技术方案中的电芯可以是卷绕电芯，也可以是碳包式电芯。卷绕式电芯由正极碳片与负极锂片借助于隔膜隔离并相互卷绕所形成，其中正极碳片、负极锂片与电池壳体之间通过边膜隔离开，电芯与电池壳体底部通过底膜隔离，而电池壳体上端设有上盖膜并与盖帽连接，由负极锂片引出的负极引出极耳与电池上端的电池壳体连接，而由正极碳片的集流体上引出的正极引出极耳则与正极端组件上的正极柱连接。

碳包式电芯由依次套装电池壳体内的锂片负极边膜、碳包正极构成，碳包正极引出的集流体连接在正极端组件上的正极柱。

本发明相对现有技术具有如下优点：

本发明提供的具有防爆结构的锂电池，解决了短路及高温内压过高的安全问题，能实现有效的安全泄压，大大提高了锂电池的安全性。

本发明在电池正极盖帽上设计了防爆结构，使单一的气室位于电池上部，内压直接作用于防爆圈，敏感度增大，而且避免了双气室内压传导的问题。同时该结构还使得电池内部有效空间增大，便于提高电池设计容量。

本发明中连接在正极端组件上的防爆圈沿径向的剖面大致呈V字形，且泄压部设于防爆圈的V字形凹底处，这种结构可以实现二级泄压方式。要使防爆圈凹底的泄压口撕裂，必须要防爆圈首先发生膨胀变形，只有防爆圈变形才能使防爆圈V形凹陷槽上的刻痕型泄压口受力。当电池内压升高时，首先防爆圈整体发生膨胀变形，提供一个电池内部的扩大空间，缓解内压升高，之后当电池内压进一步升高时，V形凹陷槽泄压部突起被拉伸，最终导致刻痕泄压口由于应力集中而被撕裂，达到喷出电解液以泄压的目的。本发明的二级泄压方式更加安全可靠。

附图说明

图1现有卷绕式锂电池结构示意图；

图2现有的带有防爆阀的卷绕式锂电池结构示意图；

图3现有的带有防爆阀的碳包式锂电池结构示意图；

图4是本发明锂电池的盖帽俯视结构示意图；

图5是本发明锂电池的盖帽截面示意图；

图6是本发明实施例1结构示意图；

图7是本发明实施例2结构示意图。

具体实施方式

本发明的创新之处在于将泄压作用的防爆阀结构设计巧妙地融入到电池盖帽中。本发明提出的锂电池结构不但可以提高电池设计容量，而且能通过防爆圈实现两级降压和泄压，降低电池意外爆炸的可能性。

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明安全性锂电池结构原理作进一步详细描述。

实施例1

本实施例以卷绕式锂/亚硫酰氯电池为例说明，该电池包括电池壳体和位于电池壳体内的电芯。电池壳体3上端为具有正极柱的盖帽，电池壳体下端为电池底壳。电池底壳上设有注液孔，注液孔通过钢珠15焊接密封。

盖帽由环形的防爆圈14和连接在防爆圈内部的正极端组件100构成，防爆圈14与正极端组件100通过焊接方式连接成盖帽。正极端组件100包括圆形盖体和设置在圆形盖体上的正极柱，其中正极柱与盖体间通过绝缘材料密封，本实施例中正极柱与盖体间采用玻璃绝缘子密封，实际生产中正极柱与盖体间密封方式也可以采用其它的绝缘密封方式，根据不同的电池或电池类型而定。为便于组装，所采用的盖体沿径向的剖面大致呈倒凹字形，倒凹字形盖体可进一步并提高电池设计容量。

本发明设计的防爆圈上设置有可在预定压力下被撕裂的泄压部141。防爆圈沿径向的剖面大致呈V字形。泄压部141为从防爆圈的V字形凹底处的突起，所述突起的剖面大致呈倒V字形，具体地突起沿周向的剖面大致呈倒V字形。该突起上设置的沿周向贯穿该突起的线段状刻痕作为泄压口。

设计制造时，根据预测的电池内部过热导致的压力值范围来设定泄压部撕裂所需的预定压力，也就是泄压部上的线段状刻痕以及泄压部的材质以及厚度由电池处以危险状态下的内压决定。电池内压升高时，防爆圈整体首先向外膨胀变形，提供一个电池内部的扩大空间，缓解内压升高。防爆圈变形的同时，线段状刻痕处发生应力集中。之后当泄压部由于电池内压进一步升高而进一步变形时，突起上的刻痕由于应力集中而被撕裂泄压，避免电池爆炸。

本发明中连接在正极端组件上的防爆圈沿径向的剖面大致呈V字形，且泄压部设于防爆圈的V字形凹底处，这种结构可以实现二级泄压方式。防爆圈径向的剖面大致呈V字形的结构可以有充分的受压缓冲空间。要使防爆圈凹底的泄压口撕裂，必须要防爆圈首先发生膨胀变形，只有防爆圈变形才能使防爆圈V形凹陷槽上的刻痕型泄压口受力。当电池内压升高时，首先防爆圈整体发生膨胀变形，提供一个电池内部的扩大空间，缓解内压升高，之后当电池内压进一步升高时，V形凹陷槽泄压部突起被拉伸，最终导致刻痕泄压口由于应力集中而被撕裂，达到喷出电解液以泄压的目的。

为防止电池内压升高时防爆圈或正极端组件脱离盖体导致设备损坏或人员伤亡，同时方便防爆圈与正极端组件之间的组装连接，在防爆圈的中部形成有竖沿，该竖沿向电池底壳方向延伸。制造时，防爆圈中部的竖沿与正极端组件的盖体焊接。

位于电池壳体内的卷绕式电芯由正极6碳片与负极5锂片借助于隔膜隔离并相互卷绕所形成，其中正极6碳片、负极5锂片与电池壳体3之间通过边膜4隔离开，电芯与电池壳体底部通过底膜7隔离。而电池壳体3上端设有上盖膜2并与盖帽连接，由负极5锂片引出的负极引出极耳10与电池上端的电池壳体连接，而由正极6碳片的集流体上引出的正极引出极耳9则与正极端组件上的正极柱连接。

加工制造时，先将正极端组件与防爆圈焊接，电池壳体与电池底壳焊接，然后将预先制备好的卷绕电芯组装在电池壳体内，注液后再进行密封。

当电池处于短路、加热等滥用情况下，电池内部过热导致内压力增大，则盖帽部分由于受压向上鼓起，此时会减小电池内部的压力，若继续过热压力增大，设置在防爆圈上面的薄弱点泄压部会由于应力集中而开启泄压。为使得电池内部压力达到预定压力时能均匀地从防爆圈泄压部泄压，加工时把正极端组件的盖体加厚以增加其抗压强度，保证其在防爆圈泄压时正极端组件不会变形。实际应用时正极端组件盖体的厚度以1～2毫米为宜。

本实施例锂电池结构具有下述显著优点。

1、解决了短路及高温内压过高的安全问题，能实现有效的安全泄压；2、单一的气室位于电池上部，直接作用于防爆圈，敏感度增大；3、内部有效空间增大，电池设计容量提高；4、盖帽结构统一烧结，有利于统一型号降低成本。5、底部采用底盖结构，其厚度不易变形，内部压力作用不用分散，将全部作用在顶部的防爆圈。

实施例2

本实施例以碳包式锂/亚硫酰氯电池为例说明，该电池包括电池壳体和位于电池壳体内的电芯。电池壳体3上端为具有正极柱的盖帽，盖帽由环形的防爆圈14和连接在防爆圈内部的正极端组件100构成。电池壳体下端为电池底壳。电池底壳上设有注液孔，注液孔通过钢珠15焊接密封。

本实施例与实施例1的电池壳体结构基本一致，不同在于位于电池壳体内的电芯是碳包式结构。碳包式电芯由依次套装电池壳体内的锂片负极5、边膜4、碳包正极6构成，碳包正极引出的集流体12连接在正极端组件上的正极柱。

本实施例锂电池结构具有下述显著优点：

1、解决了短路及高温内压过高的安全问题，能实现有效的安全泄压；2、单一的气室位于电池上部，直接作用于防爆圈，敏感度增大；避免了双气室内压传导的问题。3、内部有效空间增大，电池设计容量提高；4、盖帽结构统一烧结，有利于统一型号降低成本。5、电池底部平整，不会产生凹陷。6、底部采用底盖结构，其厚度不易变形，内部压力作用不用分散，将全部作用在顶部的防爆圈。

由上述两实施例得知，本发明的设计思路是在电池正极盖帽上设置防爆结构，一般来说具有盖帽的壳体式锂离子电池都适用，而不局限于实施例所列举的卷绕式锂/亚硫酰氯电池和碳包式锂/亚硫酰氯电池。可以推广到锂/亚硫酰氯Li/SOCl2、锂/硫酰氯Li/SO2Cl2、锂/二氧化硫Li/SO2、锂/二氧化锰Li/MnO2、锂/二硫化铁Li/FeS2和锂/硫磺Li/S等化学体系的一次电池，以及锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池等二次电池，该装置也可以应用于电化学电容器的设计中。但特别是针对使用不锈钢材料作为钢壳的电池，主要是指锂/亚硫酰氯电池、锂/硫酰氯电池、锂/二氧化硫电池等具有不可燃电解液的锂电池。

Claims (10)

1.一种锂电池，包括电池壳体和位于电池壳体内的电芯，电池壳体(3)上端为具有正极柱的盖帽，电池壳体下端为电池底壳，其特征在于：

所述盖帽由环形的防爆圈(14)和连接在防爆圈内部的正极端组件(100)构成，所述防爆圈上设置有可在预定压力下被撕裂的泄压部(141)。

2.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述的防爆圈沿径向的剖面大致呈V字形，泄压部设于防爆圈的V字形凹底处，该泄压部包括线段状刻痕。

3.根据权利要求2所述的锂电池，其特征在于：所述泄压部还包括剖面大致呈倒V字形的突起，所述突起在所述防爆圈的V字形凹底处形成，所述线段状刻痕沿周向贯穿所述突起。

4.根据权利要求1～3所述的锂电池，其特征在于：所述防爆圈(14)的中部形成有竖沿，该竖沿向电池底壳方向延伸，且与正极端组件(1)固定连接。

5.根据权利要求4所述的锂电池，其特征在于：防爆圈(14)与正极端组件(1)通过焊接方式连接成盖帽。

6.根据权利要求5所述的锂电池，其特征在于：正极端组件(100)包括盖体和设置在盖体上的正极柱，所述正极柱与盖体间绝缘材料密封。

7.根据权利要求6所述的锂电池，其特征在于：所述盖体沿径向的剖面大致呈倒凹字形，盖体的厚度为1～2毫米。

8.根据权利要求7所述的锂电池，其特征在于：所述电池底壳上设有注液孔，注液孔通过钢珠(15)焊接密封。

9.根据权利要求8所述的锂电池，其特征在于：所述的电芯为卷绕式电芯，该电芯由正极(6)碳片与负极(5)锂片借助于隔膜隔离并相互卷绕所形成，其中正极(6)碳片、负极(5)锂片与电池壳体(3)之间通过边膜(4)隔离开，电芯与电池壳体底部通过底膜(7)隔离，而电池壳体(3)上端设有上盖膜(2)并与盖帽(1)连接，由负极(5)锂片引出的负极引出极耳(10)与电池上端的电池壳体连接，而由正极(6)碳片的集流体上引出的正极引出极耳(9)则与正极端组件上的正极柱连接。

10.根据权利要求8所述的锂电池，其特征在于：所述的电芯为碳包式结构，该电芯由依次套装电池壳体内的锂片负极(5)、边膜(4)、碳包正极(6)构成，碳包正极引出的集流体(12)连接在正极端组件(100)上的正极柱。

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