CN102214840B - 一种采用ptc材料进行分区隔离的锂离子电池 - Google Patents

一种采用ptc材料进行分区隔离的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用PTC材料进行分区隔离的锂离子电池，其内部分为至少两个容量单元，不同容量单元中极性相同极耳延伸并汇集到一起，形成所述的锂离子电池的阳极极耳或阴极极耳，在所述的阳极极耳和/或阴极极耳中，来自不同容量单元的极耳之间通过PTC材料层相互隔离。本发明锂离子电池内部被PTC材料分隔成几个小的容量单元区域，当电池在滥用或破坏情况下发生内部失效时，内部由于短路引起局部电流过高，同时引起温度加速上升，当温度达到PTC材料的工作温度时，电阻瞬时增大，阻断电流的传导路径，将发生失效的区域隔离，使失效反应的速度得到控制，防止引发更为严重的连锁式反应。

Description

一种采用PTC材料进行分区隔离的锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种采用PTC材料对内部进行分区隔离的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池与铅酸、镉镍等其他类型的电池相比具有比容量大、工作电压高、充电速度快、工作温度范围宽、循环寿命长、体积小、重量轻等优点。目前，已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、电动工具等领域，并且其应用范围越来越广泛。
随着锂离子电池使用范围的扩大，我们习惯上把应用于动力电源系统的化学电源称为动力电池，如应用于电动工具、电动车等领域，较为复杂的工况条件和大功率输出对电池的安全性能提出了更高的要求。目前传统意义上的动力电池较多的采用铅酸电池和镉镍电池，这两种电池在提供较高的输出功率的同时又有着优良的安全性能。因此，要想采用锂离子电池作为动力电池必须在目前的基础上进一步提高锂离子电池的安全性能。
汽车行业和大型储能系统往往要求单体电池拥有更高的单体容量，这样可以极大的减少数量庞大的单体电池成组对电源管理系统带来的一系列复杂的问题，而大容量单体锂离子电池一旦在滥用条件下发生失效，其内部能量的瞬间释放所带来的破坏程度是难以估计的。
发明内容
本发明针对大容量单体锂离子动力电池的安全应用问题，对现有的动力电池模式进行优化，提供一种锂离子电池，在电池内部对电池容量单元进行分区，并采用PTC(正温度系数热敏电阻材料)材料进行隔离，可有效的解决大容量锂离子电池在失效时所引起的大范围破坏式连锁反应，使电池在内部失效时的破坏反应的速度和规模得到了控制。
一种采用PTC材料进行分区隔离的锂离子电池，其内部分为至少两个容量单元，不同容量单元中极性相同极耳延伸并汇集到一起，形成所述的锂离子电池的阳极极耳或阴极极耳，在所述的阳极极耳和/或阴极极耳中，来自不同容量单元的极耳之间通过PTC材料层相互隔离。
来自不同容量单元的极耳之间通过PTC材料层相互隔离，既是空间结构上的隔离，也是电路上的隔离，使来自不同容量单元的极耳之间没有发生电路的直接连通。
所述的锂离子电池的阳极极耳或阴极极耳均是由至少两个来自不同容量单元的极耳汇集而成，作为一种实施方式在阳极极耳和阴极极耳中来自不同容量单元的相邻的极耳之间设有有PTC材料层。作为另一种实施方式仅选择阳极极耳和阴极极耳中的一者，其中来自不同容量单元的相邻的极耳之间设有有PTC材料层。
所述的PTC材料层可以是单独的层结构，但作为优选所述的PTC材料层包裹在自同一容量单元的极耳的外部，这样便于加工，使来自不同容量单元的极耳之间无论以何种方式排列，相邻的极耳之间总会有PTC材料层相互隔离。
本发明将锂离子电池内部按照容量的要求分为几个有限的容量单元，每个容量单元中带有有一个或者多个卷芯，每个卷中有阳极板和阴极板，且分别带有极耳，同一容量单元中的所有卷芯极性相同的极耳相互连接并且电路导通。
例如电池内部采用十个1Ah卷芯并联，可以将其分为五个2Ah的独立容量单元，每个容量单元中有两个卷芯，以阳极为例，同一容量单元中的所有卷芯内阳极板的极耳相互连接并且导通，这样就得到五个来自不同单元的极耳，而这五个来自不同单元的极耳的外表均涂覆有PTC材料层，尽管这5个来自不同单元的极耳延伸并汇集到一起，但彼此之间并没有发生电路的直接连通。
同理，电池内部也可以分为十个1Ah的容量单元，每个容量单元中有一个1Ah卷芯，所有卷芯中极板的极耳外表都涂覆隔PTC材料层，同极极耳汇集到一起，但彼此之间并没有发生电路的直接连通。
所述的PTC材料就其本身而言可以采用现有材料，例如由导电聚合物、热敏陶瓷、热敏金属等多种材料混合。在常温及低温下有着优良的导电性，并在电解液体系中有着良好的化学稳定性。
所述的PTC材料的工作温度范围应该在80～130℃之间。
所述的PTC材料在常温以及低温下阻止保持稳定，与电解液不发生化学反应可以稳定的存在，不会影响电池的电化学性能，PTC材料在温度超过80度后阻值明显增大，在电池滥用情况下发生失效内部温升超过一定程度后，PTC发生作用，阻值增大，阻断失效单元的电流传导，将失效的反应控制在一定的速度和范围之内。
本发明锂离子电池内部采用叠层式结构或者多极组并联结构，并且其内部被PTC材料分隔成几个小的容量单元区域，当电池在滥用或破坏情况下发生内部失效时，内部由于短路引起局部电流过高，同时引起温度加速上升，当温度达到PTC材料的工作温度时，PTC材料发生作用，电阻瞬时增大，阻断电流的传导路径，将发生失效的区域隔离，使失效反应的速度得到控制，防止引发更为严重的连锁式反应，可以起到明显的安全保护作用。
附图说明
图1为现有技术中的锂离子电池的内部结构示意图；
图2为本发明采用PTC材料隔离的锂离子电池的内部结构示意图；
图3为本发明锂离子电池中电芯的正面结构示意图。
具体实施方式
本发明一种锂离子电池的电芯可为方形卷绕结构，电池内部采用多卷芯并联的结构，本实施例卷芯数量为十个，单支卷芯的容量为1Ah，十个卷芯正、负极板分别通过极耳引出，整体电池的容量为10Ah。
参见图1，现有技术中是将十个卷芯的正极和负极引出极耳1通过焊接方式进行连接，然后连接到外部的集流结构组件上。
参见图2、3，在本发明中，将10Ah的容量，平均分成五个2Ah的容量单元，每两个卷芯为一单独的容量单元，其中
卷芯3、卷芯4的极耳汇集且相互导通，形成第一极耳；
卷芯5、卷芯6的极耳汇集且相互导通，形成第二极耳；
卷芯7、卷芯8的极耳汇集且相互导通，形成第三极耳；
卷芯9、卷芯10的极耳汇集且相互导通，形成第四极耳；
卷芯11、卷芯12的极耳汇集且相互导通，形成第五极耳；
第一极耳、第二极耳、第三极耳、第四极耳和第五极耳这五个极耳彼此相邻的部位均通过PTC材料层2隔离，PTC材料层可以使通过涂覆的方式分别覆着在第一极耳、第二极耳、第三极耳、第四极耳和第五极耳的外表面(本图中只显示了一端的极耳结构，正负极极耳结构相同)。
本发明锂离子电池在极耳的相互连接方式上做了改进，而其他结构或制备方法可采用现有电池工艺。

Claims (4)

1.一种采用PTC材料进行分区隔离的锂离子电池，其特征在于，其内部分为至少两个容量单元，其中，每两个相邻卷芯为一单独的容量单元，所述卷芯正、负极板分别通过极耳引出，该相邻卷芯的极耳汇集且相互导通形成汇集极耳，所述汇集极耳的数量与容量单元相同，这些汇集极耳彼此相邻的部位均通过PTC材料层隔离。
2.如权利要求1所述的采用PTC材料进行分区隔离的锂离子电池，其特征在于，所述的PTC材料层为单独的层结构。
3.如权利要求2所述的采用PTC材料进行分区隔离的锂离子电池，其特征在于，所述的PTC材料层包裹在自同一容量单元的极耳的外部。
4.如权利要求1-3之一所述的采用PTC材料进行分区隔离的锂离子电池，其特征在于，所述的PTC材料的工作温度在80～130℃之间。
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