CN102437370A

CN102437370A - 一种锂离子电池

Info

Publication number: CN102437370A
Application number: CN2010105034345A
Authority: CN
Inventors: 吴强
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池，包括电池盖板、电池壳体、极芯、电解液和制冷器，极芯、电解液和制冷器位于电池壳体内，电池盖板与电池壳体密封连接，其中，电池盖板和/或电池壳体上设有安全阀，制冷器能在80～150℃下和/或受到10Kg.f以上压力时释放阻燃气体。本发明的电池在误用或滥用发生意外时，内部的制冷器能迅速吸收电池内部热量，降低电池内部温度，实现制冷，特别是能释放阻燃气体，不仅能有助于安全阀灵敏实现开启断电保护，而且产生阻燃气体有利于降低电池内部的含氧量，降低电池内部的反应活性，电池内部环境有利于及时有效终止电池热反应，从根本上控制热量及气体的产生，有效提高锂电池的安全性能。

Description

一种锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池领域。

背景技术

锂离子电池由于其工作电压高、能量密度大、循环寿命长、记忆效应小、自放电率低、轻捷方便、绿色环保等优点，作为便携式电源在手机、笔记本、数码电子产品等小型电源驱动设备方面得到广泛应用，并在未来高比能、高功率的储能电池市场显示出明显竞争优势，特别是电动汽车EV，混合动力汽车HEV、电动工具等领域受到广泛关注，其性能要求也越来越高，特别是安全性能一直是人们关注的热点和难点。

锂离子电池因其高能量密度及采用有机易燃电解液体系，当发生误用或滥用时，正极材料具有很强的氧化作用，使电解液中溶剂(碳氢化合物)发生强烈氧化分解，分解释放出的氧气能够催化电解液的分解产生大量热，负极上沉积的活性锂易与溶剂反应放热使化学能转换成热能电池的温度迅速升高，正极材料分解，热量和氧气积累会引发热失控的危险，易导致起火燃烧、爆炸等严重事故；特别对于动力电池系统的电池组，若个单体电池处于非均衡状态，则对某一特定单体电池，无异于处于滥用状态，该单体电池的安全隐患可能引起整个电池组的安全性问题。

现有技术有通过在电池上设置电流截断装置(CID)当电池在过充时内部气压或温度升高异常时实现CID断电保护、热敏电阻(PTC)或翻转片启动切断电路，防止热失控；已有设置防爆片，当电池在过充内压聚积升高时，防爆片破裂开启泄压，避免电池内压继续增加发生爆炸。来实现电池的断电及泄压保护，但化学反应一般进行较快，且不能控制，当电池在剧烈撞击、运输、滥用等情况下可能会发生剧烈的内部短路，而此种装置响应并不及时，仍然存在较大的安全隐患，特别是安全性能要求较高且时常处于颠簸状态的汽车动力电池其要求更高。已有研究通过改性电池隔膜，利用电池在过充或短路时温度的升高，高温使隔膜熔化闭孔，从而切断电流，但大电流产生的热量很大，在切断电流后，反应并不能迅速终止，且温度的升高可能还会加剧反应，电池的温度仍会迅速继续上升，不能有效保证电池的安全性能。现有大量的研究向电解液中添加过充添加剂，通过改性电解液，在电池在过充时，添加剂能在正极表面形成一层绝缘膜，增加电池的内阻，从而限制电流过大，起到保护电池的作用，同时添加剂化合物聚合时会产生气体增加电池的内压，启动电池上设置的保护装置切断电路，来达到改善电池安全性的目的，但此种方式并不能有效的迅速切断反应，也不能使温度得到有效降低，而电池的温度高有可能还会加剧反应，电池的温度还会迅速上升，电池组的热量的聚集，极易造成电池发生爆炸等严重安全事故。特别是对于现在电池的大量使用，其工作环境各异，很多处于高温工作状态，热量的聚集，较易发生爆炸等严重安全事故，现有技术并不能达到理想要求。特别对于大功率电池或大量电池并串使用，现有技术仍然存在较大的安全隐患，安全事故仍时有发生。

现有也有尝试在电池外设置冷却系统，例如在电池外设置吸热块，靠向电池的面为吸热面，另一面为散热面，来降低电池的温度。已有公开将锂离子电池放入一阻燃放爆装置中，阻燃放爆装置是由下壳、上盖组成的盒体，在下壳内装有水，浸泡着锂离子电池，盒体上装有安全阀，安全阀包括通气管及弹性薄膜两部分，通气管与盒体相通，弹性薄膜套于通气管的出口处。一旦电池工作(或充电时)过热，会将盒体内的水汽化，当盒内压力增加到超过弹性薄膜的耐压时，则弹性薄膜爆裂，水汽排出，电池的热量被水汽带走，而不会燃烧，直至热量耗尽。但此种水冷外置结构在电池出现异常情况下，瞬间制冷效果差、电池降温速度慢，安全阀反应不灵敏，不能有效终止电池内部反应，且外置结构占用了大量空间，降低了电池体积比容量，结构复杂，效果不理想。

发明内容

本发明为了解决现有技术的电池在误用或滥用发生意外时不能有效控制电池温度及终止或减缓电池内部反应，电池安全隐患较大，安全性能不理想的问题，提供一种能及时降低电池温度，及时有效终止电池内部反应，安全性能非常高的锂离子电池。包括电池盖板、电池壳体、极芯、电解液和制冷器，极芯、电解液和制冷器位于电池壳体内，电池盖板与电池壳体密封连接，其中，电池盖板和/或电池壳体上设有安全阀，制冷器能在80～150℃下和/或受到10Kg.f以上压力时释放阻燃气体。

本发明的电池在误用或滥用发生意外时，内部的制冷器能迅速吸收电池内部热量，降低电池内部温度，实现制冷，特别是能释放阻燃气体，不仅能有助于安全阀灵敏实现开启断电保护，而且产生阻燃气体有利于降低电池内部的含氧量，降低电池内部的反应活性，电池内部环境有利于及时有效终止电池热反应，从根本上控制热量及气体的产生，防止电池的热反应失控，解决电池安全的核心问题，气体的溢出使电池内部迅速处于低温、低压、无氧的环境，电池内部反应终止，彻底消除冒烟、起火、爆炸等安全隐患。有效提高锂电池的安全性能，特别为动力电池组提供有效的安全保障。

附图说明

图1是本发明的一种电池优选实施方式的剖面结构示意图；

图2是本发明的电池内部的制冷器的剖面结构示意图；

图3是本发明的电池内部的制冷器的俯视结构示意图；

图4是本发明的电池内部的制冷器的另一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种锂离子电池，包括电池盖板、电池壳体、极芯、电解液和制冷器，极芯、电解液和制冷器位于电池壳体内，电池盖板与电池壳体密封连接，其中，电池盖板和/或电池壳体上设有安全阀，制冷器能在电池异常时释放阻燃气体。本发明的电池在误用或滥用发生意外时能及时降低电池温度，及时有效终止电池内部反应，彻底消除冒烟、起火、爆炸等安全隐患。有效提高锂电池的安全性能，特别为动力电池组提供有效的安全保障。

其中，制冷器位于电池内部，可以在任意位置，其作用是在电池异常时，吸收热量及释放阻燃气体，降低电池内部温度，阻止电池内部热反应。为更好的提高电池的安全灵敏性，且定位极芯，使极芯卷绕更容易，更紧凑，本发明优选制冷器置于极芯中，进一步优选当极芯为卷绕极芯时，制冷器位于卷绕极芯的中心，即极芯卷绕在制冷器的表面；当层叠时，也可以置于中间，节约空间，同时工艺易实现。制冷器的形状本发明没有特别限制，一般优选与极芯配合，例如当极芯压实后为扁平状时，制冷器为方形，长高小于等于极芯的长高，宽度较薄。当卷绕极芯为圆柱形，优选制冷器为圆柱形，即制冷器为卷绕极芯的中心轴，工艺制作时，即用其贴换卷绕针即可，简单易实现，此时制冷器高度可等于极芯高度，外径与极芯中心孔紧配合。

制冷器本发明可以选择本领域技术人员公知的各种吸热制冷，在温度高于电池危险温度时或受到机械力破坏时能释放阻燃气体的装置，本发明所述的阻燃气体是指可以降低电池内部氧含量或可燃气体浓度的气体。可以是惰性气体，使电池内部环境中可燃气体浓度或氧含量浓度处于可燃浓度下；优选是可以与电池内部活性物质、电解液(碳氢化合物)中活性游离基H、OH、O等发生反催化或负催化反应，生成稳定的H₂O、CO₂及活性较低的游离基R，彻底清除燃烧所必需的活性游离基H、OH、O等气体。

本发明优选采用制冷器包括一密封容器及密封容器内的制冷剂来简单实现。

可以优选通过两种方式来实现本发明的目的，例如密封容器的材料可以选择低熔点的材料，当温度升高，达到电池危险温度时，其能自动融化，释放气体。一般密封容器的熔点为80～150℃，此时材料为高分子材料或选自Bi、Sn、Pb、In、Cd、Ga和Hg中的两种或两种以上的合金材料，当为合金材料时一般还在合金材料表明设置绝缘层，防止密封容器对电池的影响。此时一般利用电池在滥用、受到挤压或过充等异常情况下，电池内部发生反应，放出大量的热，电池温度升高，达到危险温度，通过电池内部温度熔融密封容器启动制冷器，释放阻燃气体。也可以不选用低熔点的材料，而选用耐压性较差的材料，例如可以用0.1～0.5mm厚的铜板、铝板、低碳钢板或不锈钢板制成，此时一般在密封容器表明设置绝缘层，防止密封容器与电解液或电极的反应或电接触。更可以优选在密封容器上刻痕或设置安全阀等，利用电池在滥用、受到挤压或过充等异常情况下，电池内部发生反应，释放大量气体，电池内部压力变化，制冷器受外机械压力，密封容器破损开启，或电池内部温度达到危险温度，制冷器中的制冷剂发生反应释放气体，密封容器内部压力增大，密封容器破损开启，释放阻燃气体。

绝缘层本发明优选为聚四氟乙烯涂层，避免密封容器与电解液或正负极材料及添加剂发生反应，进一步优化电池内部环境，稳定电池性能。

这两种实施方式对制冷剂均没有特别限制，只要能在密封容器开启后释放阻燃气体即可，阻燃气体可以是在密封容器内产生也可以是在密封容器熔融或破损后产生。阻燃气体可以为制冷剂本身，也可以为制冷剂变化或发生反应产生的气体。

制冷剂可以选自阻燃气体，即本身为阻燃气体，例如惰性气体，在密封容器受热熔融或机械压力破损时，阻燃气体释放，降低电池内部氧含量或可燃气体浓度，同时气体受热膨胀，也增加了电池内部压力，有助于开启电池安全阀，电池卸压，有助于带走电池内部热量，降低电池内部温度；也可以选自80～150℃下或大于10Kg.f压力时发生化学反应生成阻燃气体的物质，此时物质本身可以为气体也可以为固态或液态，其只需当温度达到电池的危险温度时或达到危险内压时达到物质的反应条件，生成阻燃气体，反应为吸热反应，优选为液态或固态物质，反应产生气体时也有利于增大密封容器内部压力，有利于进一步提高制冷器开启的灵敏度，提高电池的安全灵敏性。还可以选自80～150℃下或大于10Kg.f压力气化后释放阻燃气体的物质，可以是气化后本身是阻燃气体，例如高压液态惰性气体，其吸热汽化释放阻燃气体；也可以是气化后发生反应产生阻燃气体，例如高压液态氟利昂，其吸热分解生成阻燃物质。也可以为他们中的一种或几种。

本发明优选制冷剂为0.6-6Mpa压力下为液态或固态，吸热或释压后能释放阻燃气体的物质。进一步优选制冷剂选自液化卤代烃中的一种或几种。优选制冷剂为液化CF₃Br或CF₂ClBr，其不仅气化具有高效的吸热能力，快速降低电池内部温度，而且热分解产生活性游离基Br或Cl，能快速与电池内部碳氢化合物中的活性游离基H、OH、O等结合，产生非常稳定的物质H₂O、CO₂及活性较低的游离基R，彻底清除燃烧所必需的活性游离基H、OH、O等，从根本上解决安全问题。

本发明优选以电解液的量为基准，制冷剂的质量百分含量为10％-20％。进一步优化条件，使电池内部达到危险温度时能迅速降低温度，迅速断电卸压，同时卸压稳定，避免大量气体迅速聚集，释放不及时的情况发生，保证电池内部压力。

本发明的安全阀可以设置在盖板上，也可以设置在电池壳体上，例如，可以在电池盖板上设置本领域技术人员公知的电流截断装置(CID)或在电池盖板上或壳体上刻防爆痕，方式采用本领域技术人员公知。

下面结合附图对本发明做进一步详述。

实施例1

本发明以1865电池为例，电池主要包括电池盖板组件1、电池壳体2、极芯3、电解液及制冷器5。电池盖板组件包括电池盖板11及安置于电池盖板内的安全阀(CID)12。极芯3由正极片、负极片及处于正负极片之间的隔膜卷绕成螺旋状，在该极芯的中央具有卷针留下的特定空间，圆柱形制冷器5位于此特定空间中，圆柱形制冷器5的高度为60mm，外径5mm，与螺旋状极芯3的中心孔紧配合，作为极芯的轴芯，可以有效防止极芯松动变形，改善电池安全性能。其中正、负极片分别由集流体铝薄、铜薄及覆盖在其表面的活性物质构成。极芯3容纳于圆柱形电池壳体2的内腔中，负极集流体与电池壳体2熔接。电解液灌注于容纳极芯的电池壳体2中。将正极集流体与CID12熔接，采用压力设备将电池壳体2与电池盖板11密封，完成电池的装配。其中，圆柱形制冷器5由熔点为120℃的BiSnIn易熔合金制作的密封容器51及封装在此密封容器51中10g(为电解液的12％)的液态制冷剂52高压液态CF₃Br组成，在密封容器51表面涂覆有聚四氟乙烯(PTFE)保护层。当电池误用或滥用发生意外时，电池温度升高达到120℃，制冷器5的密封容器51熔融开启，制冷剂52外泄，同时液态制冷剂52气化吸热，吸收电池内部热量，降低电池内部温度，释放阻燃气体，降低电池内部氧含量和可燃气体浓度，且制冷剂能热分解产生活性游离基Br与电池内部活性物质、电解液(碳氢化合物)中的活性游离基H、OH、O等发生反催化或负催化反应，生成稳定的H₂O、CO₂及活性较低的游离基R，彻底清除燃烧所必需的活性游离基H、OH、O等气体，同时CID12开启断电保护，制冷剂52能产生一定的内压，当内压超过设定值时安全阀12的防爆片开启泄压，电池内部热量伴随着气体一起被排泄。此状态下，CID12已开启断电保护，电池内部低温、低压、低氧，内腔充满惰性阻燃气体，有效防止热失控，彻底消除冒烟、起火、爆炸等一切有安全隐患。

实施例2

本发明以1865电池为例，电池主要包括电池盖板组件1、电池壳体2、极芯3、电解液及制冷器5。电池盖板组件包括电池盖板11及安置于电池盖板内的安全阀(CID)12。极芯3由正极片、负极片及处于正负极片之间的隔膜卷绕成螺旋状，在该极芯的中央具有卷针留下的特定空间，圆柱形制冷器5位于此特定空间中，圆柱形制冷器5的高度为60mm，外径5mm，与螺旋状极芯3的中心孔紧配合，作为极芯的轴芯。其中正、负极片分别由集流体铝薄、铜薄及覆盖在其表面的活性物质构成。极芯3容纳于圆柱形电池壳体2的内腔中，负极集流体与电池壳体2熔接。电解液灌注于容纳极芯的电池壳体2中。将正极集流体与CID12熔接，采用压力设备将电池壳体2与电池盖板11密封，完成电池的装配。其中，制冷器5由不锈钢316制作的带有多条各种形状的0.1mm深的刻痕511的壁厚为0.2mm的密封容器51及封装在此密封容器51中12.5g(为电解液的13％)的液态制冷剂52高压液态CF₂ClBr组成，在密封容器51表面涂覆有PTFE保护层。当电池误用或滥用发生意外时，电池内部发生反应，产生气体，电池内部压力增大，同时电池温度升高达到120℃，制冷剂52吸热膨胀，制冷器5在电池内部压力及密封容器51内部压力下或者电池遭到撞击、挤压、针刺、枪击等制冷器5遭受机械力破坏时，制冷器5的密封容器51上的刻痕511破例开启，制冷剂52外泄，制冷剂52不仅能吸收电池内部热量，降低电池内部温度，释放阻燃气体，降低电池内部氧含量和可燃气体浓度，同时制冷剂能热分解产生活性游离基Br、Cl与电池内部活性物质、电解液(碳氢化合物)中的活性游离基H、OH、O等发生反催化或负催化反应，生成稳定的H₂O、CO₂及活性较低的游离基R，彻底清除燃烧所必需的活性游离基H、OH、O等气体，而且其释放能产生一定的内压，当内压超过设定值时安全阀12的防爆片开启泄压，电池内部热量伴随着气体一起被排泄，而且充斥电池内部能有效防止热失控，彻底消除冒烟、起火、爆炸等一切有安全隐患。

对比例1

采用与实施例1相同的方法制备电池，不同的是极芯的中央具有卷针留下的特定空间内不放置制冷器，直接封装为电池。而将整个电池封装于一阻燃防爆装置中，阻燃防爆装置是由下壳、上盖组成的盒体，在下壳内装有水，浸泡着锂离子电池，盒体上装有安全阀。

性能测试：

对实施例1、实施例2及对比例1制备的电池于1C电流下充电恒压至4.35v，100mA截止，将直径为3mm的钢针(类似铁钉)以8mm/sec速度从电池侧壁刺穿，观察针刺实验结果，实施例1制备的电池通过率为100％；实施例2制备的电池通过率为100％；对比例1制备的电池针刺实验结果为通过率为30％，20％起火，30％冒烟，20％爆炸。本发明制备的电池安全性能高，从根本上消除了安全隐患。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括电池盖板、电池壳体、极芯、电解液和制冷器，所述极芯、电解液和制冷器位于电池壳体内，所述电池盖板与电池壳体密封连接，所述电池盖板和/或电池壳体上设有安全阀，所述制冷器能在80～150℃下和/或受到10Kg.f以上压力时释放阻燃气体。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述制冷器包括密封容器及密封容器内的制冷剂。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述密封容器的熔点为80～150℃；

所述密封容器的材料为高分子材料；

或选自Bi、Sn、Pb、In、Cd、Ga和Hg中的两种或两种以上的合金材料，所述合金材料表面设置有绝缘层。

4.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述密封容器由0.1～0.5mm厚的铜板、铝板、不锈钢板或低碳钢板制成，所述密封容器上设有刻痕；所述密封容器表面设置有绝缘层。

5.根据权利要求3或4所述的锂离子电池，其特征在于，所述绝缘层为聚四氟乙烯涂层。

6.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述制冷剂选自阻燃气体、80～150℃下或10Kg.f以上压力下能发生化学反应生成阻燃气体的物质、和80～150℃下或10Kg.f以上压力下气化后释放阻燃气体的物质中的一种或几种。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述制冷剂为0.6-6Mpa压力下为液态或固态，吸热或释压后释放阻燃气体的物质。

8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述制冷剂选自液化卤代烃中的一种或几种。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述制冷剂为液化CF₃Br和/或CF₂ClBr。

10.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，以电解液的量为基准，所述制冷剂的质量百分含量为10％-20％。

11.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述极芯卷绕在制冷器表面。