CN102447133B

CN102447133B - 一种车用锂离子动力电池

Info

Publication number: CN102447133B
Application number: CN201010504528.4A
Authority: CN
Inventors: 田启友; 张亮; 郑荣鹏; 毛焕宇
Original assignee: Shenzhen Bak Battery Co Ltd; Bak International Tianjin Ltd
Current assignee: Shenzhen Bak Power Battery Co Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: CN102447133A; HK1169747A1

Abstract

本发明公开了一种车用锂离子动力电池，该电池包括：提供能量的电芯，包括正极片、负极片、隔离膜和电解液；电芯导流装置，包括正负极电流引出端子；电芯包装材料铝塑复合膜；电芯粘结剂，包括导热硅胶或具备粘结、导热、绝缘功能的材料；电池外壳，包括方型铝壳盖、多电芯并联后的正负极电流端、塑料密封绝缘垫片；防爆泄压装置，包括电芯泄压阀和壳体防爆阀。该电池组具有高密封、长寿命、高安全的特点。

Description

一种车用锂离子动力电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，尤其是一种车用锂离子动力电池。

背景技术

“绿色能源”、“低碳生活”、“节能减排”等一系列的倡导低污染低耗能的宣传思想已经深入人心。在全人类进行现代生活方式和能量消耗方式思考的时候，和人类最直接接触的能源消耗和环境污染大户——汽车引起了大家的重点关注。传统的汽车动力是化学燃料石油，而石油是非可再生能源，同时汽车在使用石油的过程中，会排放大量的CO₂，存在着大量的污染。如果能把庞大的汽车群的动力源转化为无污染或者低污染的电池，则既可以减少对环境的污染，又可以降低能源的消耗(石油燃烧能量转换效率要低于电池电能转化)。

然而车用动力对电池的要求比较严格，车用动力电池要满足高能量密度、高安全、长寿命等的要求。在现代技术下，金属氢化物镍电池，锂离子动力电池、铅酸电池可以进行实用化尝试。但是，金属氢化物镍电池和铅酸电池的能量密度均要远低于锂离子动力电池，而且其寿命也要比锂离子动力电池逊色不少，在安全性上，锂离子动力电池已经和金属氢化物镍电池和铅酸电池媲美。

因此寻找一种高安全、长寿命的锂离子动力电池用于车载动力，对能源和环境的意义重大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种具有高密封、长寿命、高安全的车用锂离子动力电池。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明提供一种车用锂离子动力电池，该电池包括：一个或相互并联的多个电芯体、电芯粘结材料和外壳，电芯体之间以及电芯体与外壳之间通过电芯粘结材料相互粘结。

上述电芯由正极片、负极片、隔离膜和电解液组成。其中正极片包括金属铝箔集流体和涂覆在铝箔上的活性正极粉料，铝箔厚度为15～30μm，正极粉料涂覆厚度为140～170μm；负极片包括金属铜箔集流体和涂覆在铜箔上的活性负极粉料，铜箔厚度为10～15μm，负极粉料涂覆厚度为100～130μm；隔离膜为具有孔隙结构的单层PE、PP和/或它们的多层复合薄膜，孔隙率在40～50％之间，厚度在20～40μm之间，关断温度在130～140℃之间，熔化温度在150～170℃之间。

电芯结构为正极片、负极片和隔膜，以层叠式或卷绕式结合在一起，同时正极铝箔从一侧延伸出隔膜，负极铜箔从另一侧延伸出隔膜，两端成180°角，极片延伸出隔膜后，正极电流引出端子与正极铝箔相连，负极电流引出端子与负极箔相连。

正极和负极电流引出端子上设置有与铝塑复合膜具有良好溶解效果的连接胶，正极电流引出端子为厚度0.1～0.3mm的纯铝片，负极电流引出端子为厚度0.1～0.3mm的纯铜片或表面镀镍层的铜片。

铝塑复合膜选择由PP或其改性物质、铝、尼龙、PET中一种或多种物质复合的薄膜材料，薄膜厚度为80～170μm，具备至少5mm深的拉伸能力。

铝塑复合膜与正、负极电流引出端子的连接胶热熔焊在一起，其余两边铝塑复合膜自身熔焊在一起，电解液密封在铝塑复合膜中间。

相互并联的多个电芯体的正极电流引出端子和负极电流引出端子分别相连。

电芯粘结材料为导热硅胶或具备粘结、导热、绝缘功能的材料，厚度为0.1～0.3mm。

电池外壳厚度为0.5～1.0mm，外壳上设置的防爆阀为一薄膜结构件，且防爆阀的防爆压力小于泄压阀压力。

电池还包括与外壳密封连接的上盖板和下盖板，且上盖板和下盖板上分别设置有穿透盖板的绝缘垫片，且绝缘垫片上嵌入设置有电池导流端子，电池导流端子在电池内部分别与正极和负极电流引出端子相连。

电池导流端子在电池内部连接有一导流片，正极或负极电流引出端子弯折成“S”型后再与导流片相连。

另外，本发明还提供一种提高产品成品率和使产品具有高密封、长寿命的组合方式，该方式是先制作具备动力电能装置的铝塑复合膜结构电芯，然后挑选性能优良电芯组合成上述具备两层密封设置和防爆装置的锂离子电池。

由于采用了以上技术方案，使本发明具备了以下有益效果：

电芯的两套密封设置保证了电池具有长久的密封性和耐候性，导热硅胶的设计保证了多电芯并联的热扩散和热均匀，两套防爆装置提高了电池使用的安全性。

以上措施使得该锂离子动力电池具有高密封、长寿命、高安全的特征。

附图说明

以下附图说明更利于对本发明的理解，图中尺寸不是按照结构比例给出。

图1为本发明的一种正、负极片的结构图；

图2为本发明一种正极片、负极片和隔膜卷绕式结构图；

图3为本发明的一种电流引出端子与卷绕式结构连接图；

图4为本发明的一种电芯整体结构图；

图5为本发明的一种电芯体与盖板连接图；

图6为本发明的一种电池组上下盖板结构图；

图7为本发明的一种壳体结构和防爆阀结构图；

图8为本发明的一种电芯泄压阀结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明专利提供了一种高密封、长寿命、高安全的锂离子动力电池方案，为汽车动力提供了一种优越的动力源。

本发明专利提供一种车用锂离子动力电池，该电池包括：多个电芯体，每个电芯体包括电芯、导流装置和电芯包装材料铝塑复合膜组成，是提供能量的根本；导热硅胶或具备粘结、导热、绝缘功能的材料，电芯体的主要平面及外壳通过硅胶粘结和导热；电池外壳，采用拉伸方型铝壳，起保护电芯体和导热作用；电池上下盖，采用铝材质，与外壳通过激光焊接方式熔焊密闭；嵌在上下盖板中的绝缘塑料垫片，起到与盖绝缘和密封锂离子电池组的作用；嵌在上下盖板绝缘塑料垫片中的正负极导流端子，起导电作用。在电池内部把电芯体电流引出端子焊接到电池导流端子上；防爆泄压阀，包括电芯铝塑复合膜上的泄压阀和锂离子电池外壳或上下盖上的防爆阀。

其中，电芯由正极片、负极片、隔离膜、电解液、铝塑复合膜、正负电流引出端子组成。极片包括金属铝箔集流体和涂覆在铝箔上的活性正极粉料，选择15～30μm厚的铝箔，正极粉料的涂覆厚度140～170μm。负极片包括金属铜箔集流体和涂覆在铜箔上的活性负极粉料，选择10～15μm厚的铜箔，负极粉料的涂覆厚度100～130μm。隔离膜选择具有孔隙结构的单层PE、PP和/或他们的多层复合薄膜，选择孔隙率在40～50％，厚度20～40μm，shutdown温度在130～140℃，熔化温度在150～170℃。电解液选择以LiPF6溶质，溶剂为DEC(碳酸二乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)、EC(碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)等中的一种或几种混合，溶质的浓度选择0.7～1.5mol/L，离子导电率达到10^-3S/cm级；为了达到特殊目的，可以加如VC(碳酸亚乙烯酯)、PS(亚硫酸丙烯酯)等添加剂。铝塑复合膜选择由PP或其改性物质、铝、尼龙、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，其中一种或多种物质复合的薄膜材料，选择薄膜厚度在80～170μm，具备至少5mm深的拉伸能力，具备足够的阻隔水分的能力。正负电流引出端子选择具有连接胶的薄铝片和薄铜片或者镀镍铜片。连接胶选择与铝塑复合膜具有良好溶解效果的PP或者其改性物质，中间或需复合具备较高熔点的隔热效果好的其他材料，譬如无纺布等。正极电流引出端子一般选择薄的纯铝片，厚度在0.1～0.3mm；负极电流引出端子一般选择薄的纯铜片或者表面镀镍层的铜片，厚度在0.1～0.3mm。

其中，正极片、负极片的极片构成方式采用一侧出箔，一侧出涂布粉料的结构。正极片、负极片和隔膜，以层叠式或者卷绕式结合在一起，但两种结合方式的共同之处都是一层隔膜把正极片和负极片隔开，避免正极片和负极片直接物理接触，同时正极箔从一侧延伸出隔膜，负极箔从另一侧延伸出隔膜，两端成180°角。

进一步，正极电流引出端子与正极箔(多层)通过超声波焊接在一起，负极电流引出端子与负极箔(多层)通过超声波焊接在一起。铝塑复合膜与正、负极电流引出端子的连接胶热熔焊在一起，其余两边铝塑复合膜自身熔焊在一起，电解液密封在铝塑复合膜中间。

其中，电芯体是由一个或多个电芯组合并联而成，对应的正极电流引出端子通过超声波或者铆接焊接在一起，对应的负极电流引出端子通过超声波或者铆接焊接在一起。电芯体中的电芯通过导热硅胶等具备粘结、导热、绝缘功能的材料粘结在一起，厚度控制在0.1～0.3mm之间。

其中，壳体采用纯铝材质做成长筒形状的方体，壳体厚度选择0.5～1.0mm，既要起到导热、支架作用，也要容易与上下盖板之间的焊接。上下盖板采用复合结构件，基体是与壳体同样材质的铝板，四边缘要保证与壳体的搭配。在盖体的某个合适部分，一般选择中间部位，嵌入塑料密封绝缘垫片，要保证垫片与盖体结构搭配得当，同时塑料密封绝缘垫片要具备足够的机械性能。绝缘塑料垫片中间嵌入电池的导流端子，采用方便进行电池多个串并联方式的螺栓连接。导流端子内部通过铆接等方式连接一导流片，该导流片与电芯体电流引出端子通过超声波或者铆接焊接在一起。电芯体电流引出端子与导流片焊接后，通过“S”型结构引出，保证使用过程中对连接焊点的保护。

其中，电芯的非电流导出端的一侧边熔焊时，留个熔焊薄弱点，即电芯泄压阀。该泄压阀要求既要能保证熔焊的密闭性，又要保证泄压安全性。电池的壳体侧边或上下盖处要留一防爆阀，该防爆阀要与电芯防爆阀搭配使用，要小于电芯泄压阀压力。该防爆阀的结构可以采用壳体焊接一薄膜结构件方式，为了保证制作中薄膜的稳定性，也可以采用较厚薄膜中进行刻痕的方式。

进一步，电池的壳体防爆阀也可以采用铅酸电池中弹簧加压的方式，用一压缩弹簧加压一垫片，该垫片密封住电池，当电池内部气压大于弹簧加压力时，垫片被顶起，起到泄压防爆作用。此种方式优选在电池上下盖上。

其中，电芯的正极涂料的活性物质选择LiFePO4、LiMn204、Li(MnxCoyNiz)02(x+y+z＝1)一种或者几种混合，或者具备相似结构的其他富含Li的物质。电芯的负极涂料的活性物质选择石墨、硬碳、硅基化合物等一种或者几种混合，或者具备吸收Li的物质。

另外，本发明还提供了一种在提高产品成品率和高密封、长寿命的组合方式，也即先行制作具备动力电能装置的铝塑复合膜结构电芯，而后挑选性能优良电芯组合成本发明专利中具备两层密封设置的电池。制作成本降低的同时，具备两层密封结构的电池抗候性更好。

实施例一：

用本发明专利制作15Ah电池组，由3个电芯组成。

正极活性物质使用LiFePO4，PVDF(聚偏氟乙烯)为粘结剂，炭黑SP为导电剂，NMP(N-甲基吡咯烷酮)为溶剂，按照LiFePO4∶PVDF∶SP＝90∶5∶5(质量比)混合，用NMP溶剂溶解，最终搅拌的浆料的粘度控制在3000～5000cp之间。

负极活性物质使用改性天然石墨，PVDF为粘结剂，炭黑SP为导电剂，NMP为溶剂，按照石墨：PVDF∶SP＝93∶4∶3(质量比)混合，用NMP溶剂溶解，最终搅拌的浆料的粘度控制在2000～4000cp之间。

浆料涂布采用喷涂方式，在箔材的横向上，粉料和空箔成规律性出现，其粉料尺寸为电芯所需粉料宽度，空箔宽度为电芯集流端。正极片铝箔集流体优选厚度为25μm，正极粉料涂布厚度优选为150μm(双面)；负极片铜箔集流体优选厚度为15μm，负极粉料涂布厚度优选为110μm(双面)。

极片分切成卷，极片展开方式如图1所示，其中，1是箔材(正极为铝箔，负极为铜箔)，2是粉料。此实施例中，采用卷绕式结构。

隔膜采用PP/PE/PP三层复合膜，其孔隙率为43％，厚度优选25μm，shutdown温度为135℃，熔化温度为155℃。

卷芯采用卷绕式结构，如图2所示，其中，3是正极片、负极片、隔膜叠加体，4是隔膜的终止处，5是正极铝箔集流体，6是负极铜箔集流体。卷绕后的电芯经压合整型成类似方型的结构体。

卷绕结构体的两端集流体，经过整型，使铝箔或铜箔结合紧密，而后，把带有连接胶的电流引出端子通过超声波与对应的箔材集流体焊接在一起。正极电流引出端子材质为铝板，厚度优选0.1mm；负极电流引出端子材质为镀镍铜板，厚度优选0.1mm。连接胶选择三层复合胶PP/无纺布/PP，优选单层厚度为0.1mm。焊接电流引出端子后的电芯结构如图3所示，其中，3是正极片、负极片、隔膜叠加体，7是电流引出端子，8是连接胶，9为电流引出端子与箔材集流体焊接处。电流引出端子是电流的导体，其上的连接胶是为了密封电流引出端子和熔焊电芯包装材料铝塑复合膜。

带有电流引出端子的电芯体，用铝塑复合膜进行熔焊。熔焊后的结构如图4所示，其中，7是电流引出端子，8是连接胶，10是电芯体，11是包装铝塑复合膜。在电芯的非导流端，制作一个熔焊薄弱环节，当电芯内压过大时进行自动泄压。此结构如图8所示，其中，24是电芯内侧熔焊处，25是电芯外侧熔焊处，26是电芯内侧未熔焊处，27是电芯外侧未熔焊处。此处熔焊薄弱环节处26和27的交接处尺寸优选2mm。

电芯在用铝塑复合膜完全密封前，要注入电芯内部电解液，电解液要具备足够的Li+的传输通道。此处电解液优选，1mol/L的溶质LiPF6，溶剂DEC+EC+EMC(v％1∶1∶1)。

优选的电芯进行组合并联配对，优选电芯电压差＜5mV，内阻差＜1mohm。电芯之间用导热硅胶粘结，粘结厚度优选0.2mm，导热硅胶导热系数优选1.2，粘结后常温放置1天，保证粘结剂固化。

电芯体电流引出端子通过超声波焊接在一起，而后入到方型铝壳中间，铝壳与电芯体之间也要用导热硅胶连接。电芯体超声波焊接后电流引出端子再通过超声波与盖体导流端子的导流片焊接在一起，为了保证在使用过程中焊接点免受拉扯外力，采用“S”折弯电流导出端子。完成折弯后的组合体结构如图5所示，其中，12是电芯，13是导热硅胶，14是电芯电流引出端子超声波焊接处，15是电芯体电流引出端子与电池导流端子的导流片焊接处，16是导流端子。电流通过电芯电流引出端子传导到导流片，而后再导通到电池导流端子。

图6是电池上下盖体结构体，其中，16是导流片，17是导流端子，18是绝缘塑料垫片，19是上下盖基体铝板。塑料绝缘垫片起到绝缘导流端子和盖体、密封电池的作用。本实用实施例中，导流端子采用螺栓结构，这样方便多个电池的串并联，易于实现标准化，本15Ah电池优选M5螺栓。

电池壳体中设置一防爆阀，具体结构如图7所示，其中，20是方型铝壳体，厚度优选0.7mm，结构坚固而且易于与盖体实现激光焊焊接。21是防爆阀，防爆阀设置在与电芯泄压阀对应处。22是防爆薄膜，壳体防爆采用的是薄膜结构，此薄膜优选铝箔，厚度优选50μm，防爆压力0.4～0.6Mpa。23是固定防爆薄膜和壳体的铆钉。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种车用锂离子动力电池，包括一个或多个相互并联的电芯体、电芯粘结材料和外壳，所述电芯体之间以及电芯体与外壳之间通过电芯粘结材料相互粘结，其特征在于：

所述电芯体包括电芯、导流装置和电芯包装材料铝塑复合膜，所述导流装置包括正负极电流引出端子，所述铝塑复合膜上设置有泄压阀；所述铝塑复合膜非电流导出端侧边自身熔焊在一起，熔焊时，预留熔焊薄弱点作为泄压阀；

所述外壳上与铝塑复合膜相对应的位置设置有防爆阀，所述防爆阀为薄膜结构；所述防爆阀的防爆压力小于泄压阀压力。

2.如权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述电芯包括正极片、负极片、隔离膜、电解液；

所述正极片包括金属铝箔集流体和涂覆在铝箔上的活性正极粉料，其中铝箔厚度为15～30μm，正极粉料涂覆厚度为140～170μm；

所述负极片包括金属铜箔集流体和涂覆在铜箔上的活性负极粉料，其中铜箔厚度为10～15μm，负极粉料涂覆厚度100～130μm；

所述隔离膜为具有孔隙结构的单层PE、PP和/或它们的多层复合薄膜，孔隙率在40～50％之间，厚度在20～40μm之间，关断温度在130～140℃之间，熔化温度在150～170℃之间。

3.根据权利要求2所述的锂离子动力电池，其特征是：所述正极片、负极片和隔膜，以层叠式或者卷绕式结合在一起，同时正极铝箔从一侧延伸出隔膜，负极铜箔从另一侧延伸出隔膜，两端成180°角，极片延伸出隔膜后，正极电流引出端子与正极箔相连，负极电流引出端子与负极箔相连。

4.根据权利要求2或3所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述铝塑复合膜选择由铝、及PP或其改性物质、尼龙、PET中一种或多种物质复合的薄膜材料，薄膜厚度在80～170μm，具备至少5mm深的拉伸能力。

5.如权利要求4所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述正极和负极电流引出端子上设置有与铝塑复合膜具有良好溶解效果的连接胶，正极电流引出端子为厚度0.1～0.3mm的纯铝片，负极电流引出端子为厚度0.1～0.3mm的纯铜片或表面镀镍层的铜片；

铝塑复合膜与正、负极电流引出端子的连接胶热熔焊在一起，其余两边铝塑复合膜自身熔焊在一起，电解液密封在铝塑复合膜中间；

6.根据权利要求2、3、5中任意一项所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述电池还包括与外壳密封连接的上盖板和下盖板，且所述上盖板和下盖板上分别设置有穿透盖板的绝缘垫片，且绝缘垫片上嵌入设置有电池导流端子，电池导流端子在电池内部分别与正极和负极电流引出端子相连。

7.根据权利要求6所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述电池导流端子在电池内部连接有一导流片，正极或负极电流引出端子弯折成“S“型后再与导流片相连。

8.根据权利要求1～3任意一项所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述电芯粘结材料为导热硅胶，厚度为0.1～0.3mm。

9.根据权利要求1～3任意一项所述的锂离子动力电池，其特征在于：外壳厚度为0.5～1.0mm。