CN103022388B - 一种电池的密封组件及其制作方法、以及一种锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池的密封组件及其制作方法，所述密封组件包括：陶瓷环、金属环以及芯柱，所述陶瓷环的中部形成有通孔，所述金属环套接于所述陶瓷环外侧，所述芯柱连接于所述陶瓷环的通孔中，所述芯柱包括陶瓷体和金属体，所述金属体形成于所述陶瓷体和陶瓷环之间。所述制作方法包括下述步骤：将陶瓷体相对于陶瓷环定位，在陶瓷体与陶瓷环之间形成间隙，将金属液注入所述间隙中，冷却后在陶瓷体与陶瓷环之间形成金属体，得到所述的电池的密封组件。本发明还提供了采用这种密封组件的锂离子电池，本发明采用金属陶瓷复合芯柱，能够克服陶瓷环与芯柱之间的热膨胀系数的差异，使得密封组件整体的热膨胀系数相匹配，整个密封组件的连接可靠。

Description

一种电池的密封组件及其制作方法、以及一种锂离子电池

技术领域

本发明涉及电池的密封技术领域；具体而言，本发明涉及一种电池的密封组件及其制作方法、以及一种锂离子电池。

背景技术

目前，在常用的电池的封装工艺中，按照封装材料可以分为塑料封装、玻璃封装和陶瓷封装三大类；其中，塑料封接从使用寿命角度考虑，较难满足长寿命（20年以上）储能电池及可靠性动力电池的使用要求。在现有的锂离子电池的密封中，密封组件的盖板和芯柱主要是通过玻璃体封接。例如：CN2419690公开了一种锂离子电池的盒盖。电池盒盖板和电极引芯用玻璃体固封；在电池盒盖板上开有注液孔，注液孔用安全阀片焊封。电池盒、玻璃体和电极引芯的温度系数应相同或相近。能确保电池的密封和危险压力的释放，从而提高锂离子电池的效率和安全性能。

但是，在锂离子电池长期使用和储存后，与锂离子电池的电解液直接接触的玻璃体下层会被腐蚀。例如：法国SAFT公司通过加速老化试验方法对玻璃体进行抗腐蚀测试，将密封组件与锂离子电池本体组装成锂离子电池后，在150℃下放置7天，结果发现玻璃体表面被腐蚀，密封组件的气密性降低，小于1.0×10^-7m³·Pa/s。产生这种现有的主要原因是：金属锂会还原玻璃中的二氧化硅，且会不断地渗入到玻璃体中，不仅降低玻璃的绝缘性能，更会造成锂电池的漏液。目前，国外解决此类问题主要通过开发不含二氧化硅的抗腐蚀性绝缘玻璃，而这种玻璃的封接温度较高，对设备及工艺条件的要求都非常苛刻。为了解决此技术问题，CN201397827公开了一种锂电池密封绝缘子，包括开有通孔的上盖和通过所述通孔穿插在上盖上的芯柱，通孔内设置有玻璃体，并通过玻璃体对上盖和芯柱进行封接，通孔内且位于玻璃体的下方设置有碳氟化合物。通过设置碳氟化合物能够有效保护玻璃体不被腐蚀，从而避免出现锂电池的漏液和短路现象，提高了锂电池的使用寿命。

然而，需要进一步指出的是，目前电池所用芯柱多为4J系列的Kovar（可伐）合金，随着电池容量的逐步增大，芯柱的长度、直径相应增大，由于合金具有较高的电阻率，会影响电池的正常工作。因此为满足锂离子电池的高容量化以及轻量化发展趋势的要求，新的技术方案是使用铝材和铜材分别作为电池的正、负极芯柱的材料，因为两者具有低的电阻率，可以大幅度降低芯柱的实际电阻值；并采用铝或铝合金外壳以达到减重及提高散热性能的目的。然而，铝和铜的熔点偏低，分别为660℃和1083℃，一般玻璃体的封接温度则在1000℃左右，因而，当采用玻璃体封接铝芯柱时，由于需要在铝的熔点以下进行封接，无法满足玻璃体的封接要求，难以实现对铝芯柱的封接；而当采用玻璃体封接铜芯柱时，也因接近铜的熔点，难以保证封接质量；同时，玻璃封接工艺还存在力学性能不足的特点，不适合动力电池使用。

因而，陶瓷密封成为本领域技术人员重点研究的方向，然而，目前陶瓷密封工艺需要克服的技术问题是，陶瓷与铝、铜的热膨胀系数存在巨大差异，在产品制备以及后续使用过程（冷热循环）中，陶瓷与铝、铜的连接处存在因热失配导致密封失效的风险。

发明内容

本发明为解决现有技术中电池的密封组件采用陶瓷进行封接，陶瓷与铝、铜的热膨胀系数存在差异，从而存在因热失配导致密封失效的风险的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电池的密封组件，包括：陶瓷环、金属环以及芯柱，所述陶瓷环的中部形成有通孔，所述金属环套接于所述陶瓷环外侧，所述芯柱连接于所述陶瓷环的通孔中，所述芯柱包括陶瓷体和金属体，所述金属体形成于所述陶瓷体和陶瓷环之间。

在本发明所述的电池的密封组件中，优选地，所述金属体包覆于所述陶瓷体的外侧。

在本发明所述的电池的密封组件中，优选地，所述金属体包覆于所述陶瓷体的侧面，所述陶瓷体的上、下两端贯穿所述金属体。

在本发明所述的电池的密封组件中，优选地，所述陶瓷环的膨胀系数大于所述陶瓷体的膨胀系数。

在本发明所述的电池的密封组件中，优选地，所述密封组件满足以下公式：R=（y·α₃·△T）/〔（y－x）·α₂·△T + x·α₁·△T〕， R=0.75-1.25；其中，x为陶瓷体的半径、α₁为陶瓷体的膨胀系数；y为陶瓷环的内半径、α₃为陶瓷环的膨胀系数；y-x为金属体的厚度，α₂为金属体的膨胀系数。

在本发明所述的电池的密封组件中，优选地，所述电池的密封组件为电池正极的密封组件，所述金属体为铝或铝合金熔铸体。

在本发明所述的电池的密封组件中，优选地，所述电池的密封组件为电池负极的密封组件，所述金属体为铜或铜合金熔铸体。

本发明还提供了上述电池的密封组件的制作方法，包括下述步骤：将陶瓷体相对于陶瓷环定位，在陶瓷体与陶瓷环之间形成间隙，将金属液注入所述间隙中，冷却后在陶瓷体与陶瓷环之间形成金属体；并将金属环套接于陶瓷环的外侧，得到所述的电池的密封组件。

在本发明所述的制作方法中，优选地，所述制作方法还包括在金属体上制作连接结构。

在本发明所述的制作方法中，优选地，所述金属环采用钎焊工艺套接于陶瓷环的外侧， 所述钎焊工艺所采用的焊料为Al-Si合金、Al-Mg合金或Al-Si-Mg合金焊料，钎焊工艺的温度为570-660℃，气氛为真空或惰性气体气氛；所述金属液选自铝或铝合金的熔液、铜或铜合金的熔液中的一种。

本发明进一步提供了一种锂离子电池，包括：至少一端开口的壳体、密封于所述壳体的开口端的密封组件，所述壳体与密封组件之间形成密封空间，所述密封空间内收容有极芯和电解液，所述密封组件采用如上所述的电池的密封组件，其中，所述金属环与壳体相连接，所述芯柱的金属体与所述极芯相连接。

在本发明的电池的密封组件中，金属环与芯柱之间通过设置陶瓷环进行连接，使得壳体与芯柱之间保持绝缘并形成密封封接；所述芯柱为金属陶瓷复合芯柱，包括陶瓷体和金属体，所述金属体用于与电池的极芯电连接，金属体形成于所述陶瓷体和陶瓷环之间，本发明的芯柱通过设置陶瓷体，热膨胀系数较低，并且通过将陶瓷体和金属体的热膨胀系数与陶瓷环的热膨胀系数相匹配，相较于单纯采用金属作为芯柱，使得芯柱与金属环的连接更可靠。另外，由于金属体通过熔融后注入陶瓷体和陶瓷环之间，与陶瓷环的结合更紧密；总之，通过采用金属陶瓷复合芯柱，能够克服陶瓷环与芯柱之间的热膨胀系数的差异，使得密封组件整体的热膨胀系数相匹配，整个密封组件的连接可靠，避免锂离子电池的漏液现象，能够有效提高锂离子电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的电池的密封组件的示意图。

图2是本发明的第二实施例的电池的密封组件的示意图。

图3是本发明的第三实施例的电池的密封组件的示意图。

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。

下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。本文中，相同附图标记表示相同组成部分。并且，应当理解，在本发明的描述中，“上”、“下”等相对方位术语，表示密封组件中的各部件及其组成部分在图1-3所示的密封组件的剖视图中的相对位置，以便于对各部件及其组成部分进行描述；但并不用于对这些部件及其组成部分在锂离子电池中的实际安装和位置关系进行限定，其可能与实际安装情况不相同，并不用于限制本发明的范围。

本发明的电池的密封组件用于电池的密封，更多地用于锂离子电池的密封，尤其是大功率锂离子电池，例如：锂离子动力电池、锂离子储能电池的密封。本领域的技术人员知道锂离子电池主要包括：至少一端开口的壳体、放置于壳体内的极芯、以及收容于壳体内的电解液。为了避免电解液的漏出，采用密封组件对壳体的开口端进行密封。其中，所述壳体一般为铝壳或钢壳，用于放置极芯和容纳电解液，其至少一端开口。所述极芯由正极片、隔膜、负极片依次叠置或卷绕形成，极芯的结构和制作方法可通过现有技术实现，在此不做赘述。

本实用新型的改进之处主要在于密封组件，如图1所示，本发明第一实施例的电池的密封组件为电池正极的密封组件，包括：陶瓷环1、芯柱2、金属环3，金属环3套接于所述陶瓷环1的外侧，陶瓷环1的中部形成有通孔11，芯柱2穿设于所述通孔11，并与所述通孔11相连接；在本发明中，所述芯柱2为陶瓷金属复合芯柱，包括陶瓷体21和金属体22，所述金属体22形成于所述陶瓷体21和陶瓷环1之间。

具体来说，所述金属环3为铝环或者铝合金环，金属环3与锂离子电池的壳体相焊接，以使密封组件密封壳体的开口端；当然，所述金属环3还可以为与壳体相同材质的其它金属板，例如：钢板，金属环3用于与锂离子电池的壳体相连接（一般通过焊接实现连接），以实现本发明的整个密封组件与锂离子电池主体的密封连接。所述金属环3的中部形成安装孔31，安装孔31的孔径等于陶瓷环1的外径，用于连接陶瓷环1。值得一提的是，因为芯柱2用作电池的一极，而壳体一般可作为电池的另一极，金属环3与壳体相连接，因而需要保证芯柱2与金属环3相绝缘，在本发明中，通过陶瓷环1的设置，将芯柱2与金属环3相连接并保证它们之间的绝缘。

陶瓷环1用于连接芯柱2与金属环3，进而将芯柱2固定于金属环3上，并保证芯柱2与金属环3之间的绝缘；陶瓷环1的耐腐蚀性能非常好，不会被电解液腐蚀，能够保证锂离子电池的使用寿命；并且陶瓷环1的抗冲击强度、抗热震性能优于玻璃体，使得密封组件的结构更稳定，密封效果更佳。

本发明的主要改进之处在于芯柱2，由于金属的热膨胀系数大于陶瓷的热膨胀系数，本发明采用金属陶瓷复合芯柱，来克服陶瓷环与芯柱之间的热膨胀系数的差异。具体来说，本发明的芯柱2包括陶瓷体21和金属体22，在陶瓷体21与陶瓷环1之间形成有间隙，所述金属体22形成于所述陶瓷体21和陶瓷环1之间, 所述金属体22为铝或铝合金的熔铸体，通过将铝或铝合金的熔液注入陶瓷体21与陶瓷环1之间的间隙中再冷却后形成。所述陶瓷环1、陶瓷体21可以采用氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硼、氮化硅中的一种制作而成。在优选的情况下，所述陶瓷环1的膨胀系数大于所述陶瓷体21的膨胀系数，使得陶瓷体21与金属体22整体的热膨胀系数与陶瓷环1的热膨胀系数相匹配。

本发明的发明人进一步的研究发现，当电池的密封组件满足以下公式：R=（y·α₃·△T）/〔（y－x）·α₂·△T + x·α₁·△T〕，其中，x为陶瓷体的半径、α₁为陶瓷体的膨胀系数；y为陶瓷环的内半径、α₃为金属体的膨胀系数；y-x为金属体的厚度，α₂为金属体的膨胀系数，△T为温度变化值；当R=0.75-1.25，能够使得密封组件整体的热膨胀系数得到较好的匹配；优选地，当R=0.85-1.15时，整个密封组件的热膨胀系数的匹配性更好；在理论情况下，当R=1时，即当y·α₃·△T=（y－x）·α₂·△T + x·α₁·△T时，为最优选的情况。

具体参阅图1，在本实施例中，所述陶瓷体21采用氧化铝陶瓷（热膨胀系数α₁=7.5ppm/K）；陶瓷环1采用氧化锆陶瓷（热膨胀系数α₃=10.5ppm/K），金属体22采用纯铝（热膨胀系数α₂=23.2ppm/K），使它们的材料和参数的选择满足以下公式：y·α3·△T=（y－x）·α₂·△T+x·α₁·△T，即y·10.5·△T=（y－x）·23.2·△T+x·7.5·△T，y=1.236x；如果陶瓷体21的半径x=5mm，则陶瓷环1的内半径y=6.18mm，金属体的厚度y－x=1.18mm；可以理解的是，当陶瓷环1、陶瓷体21、金属体22的材质确定，即可知道热膨胀系数α_1、α_2、α₃的取值，然后只需确定陶瓷环或者陶瓷体的半径，即可确定陶瓷环1、陶瓷体21、金属体22的径向尺寸，采用这种尺寸和材质的陶瓷环1、陶瓷体21、金属体22，能够使得密封组件整体的热膨胀系数得到良好的匹配。

另外，在本实施例中，所述金属体22包覆于所述陶瓷体21的侧面，陶瓷体21的上、下两端贯穿所述金属体22，所述金属体22的上、下端设有螺纹连接结构23，金属体22的上端露出陶瓷环1可用于负极引出端，外接用电设备；其下端露出陶瓷环1，用于与锂离子电池的极芯电性连接，以实现锂离子电池的内部和外部的电连接。在本实施例中，陶瓷体1、金属体的高取18mm，陶瓷环4的外半径取11mm，高取10mm。

本发明提供了上述的电池的密封组件的制作方法，包括下述步骤：

步骤1、将陶瓷体相对于陶瓷环定位，在陶瓷体与陶瓷环之间形成间隙，将金属液注入所述间隙中，冷却后在陶瓷体与陶瓷环之间形成金属体；

在本实施例，由于为电池正极的密封组件的制作，因而，所述金属液为铝或铝合金的熔液。在本步骤中，优选地，在10^-3真空下将金属液注入陶瓷体与陶瓷环形成的间隙中。

步骤2、将金属环套接于陶瓷环的外侧；在本步骤中，所述金属环与陶瓷环采用钎焊工艺相焊接，所述钎焊工艺需要在金属母材熔点以下使用助焊剂实现焊接，钎焊工艺所采用的焊料可为Al-Si合金、Al-Mg合金、Al-Si-Mg合金等用于焊接陶瓷和铝的焊料，在优选情况下，钎焊工艺所采用的焊料为Al-Si-Mg合金，其中，Si的含量为0-12wt%，Mg的含量为0-12wt%，余量为Al，使得焊接效果更佳；钎焊工艺的温度为570-660℃，气氛为真空或惰性气体气氛，所述惰性气体气氛优选为氮气气氛。在钎焊后，在所述金属环与陶瓷环之间形成助焊剂层4，金属环与陶瓷环通过所述助焊剂层相连接。

值得一提的是，因为熔融金属的温度比金属环的焊接温度高，因而步骤1需要在步骤2之前进行。

优选地，所述电池的密封组件的制作方法还包括：步骤3、在金属体上制作连接结构。在本实施例中，在金属体22的上、下两端设置螺纹连接结构23，用于分别与极芯和盖帽相连接。

参阅图2，本发明第二实施例的电池的密封组件与第一实施例的电池的密封组件的结构基本相似，区别之处在于，本发明第二实施例的电池的密封组件为电池负极的密封组件，所述芯柱2′包括陶瓷体21′和金属体22′，所述陶瓷体21′位于芯柱的中部，所述金属体22′包覆于所述陶瓷体21′的外侧，所述金属体22′为铜或铜合金熔铸体；所述金属体22′的上、下两端设置有连接结构23′，所述连接结构23′为凸台。

参阅图3，本发明第三实施例的电池的密封组件与第二实施例的电池的密封组件的结构基本相似，区别之处在于，所述陶瓷体21′′位于芯柱的上部，所述金属体22′′包覆于所述陶瓷体21′′的外侧。

可以理解的是，只要是采用金属陶瓷复合芯柱，金属体形成于陶瓷体与陶瓷环之间，使得金属体与陶瓷体的热膨胀系数与陶瓷环的热膨胀系数相匹配的结构形式均可用于本发明，并不限于上述三个实施例的结构形式。

将上述电池的密封组件用于组装整个锂离子电池时，例如：以将锂离子电池的壳体作为正极，将密封组件的芯柱作为负极为例，密封组件为电池负极的密封组件，壳体的一端开口，将极芯放置于壳体内，并向壳体内注液（或者后续通过金属环上的注液孔进行注液，已为本领域技术人员所知），然后将密封组件安装于壳体的该开口端，在这个过程中，将密封组件的金属环与壳体相焊接，并将密封组件的芯柱与极芯相连接（具体来说，极芯的正极片通过正极耳与壳体相连接，极芯的负极片通过负极耳与芯柱相连接，具体结构可通过现有技术实现），安装后，密封组件与壳体之间形成密封空间，在该密封空间内收容有极芯和电解液，壳体和芯柱分别作为锂离子电池的两极，可外接用电设备。

再例如：以壳体的两端均开口，分别安装密封组件，其中一密封组件为电池正极的密封组件，而另一密封组件为电池负极的密封组件为例，将该两个密封组件分别安装于壳体的两开口端，在此过程中，将该两个密封组件的金属环与壳体相焊接，并将该两个密封组件的芯柱与极芯相连接（具体来说，极芯的正极片通过正极耳与电池正极的密封组件的芯柱相连接，极芯的负极片通过负极耳与电池负极的密封组件的芯柱相连接，具体结构可通过现有技术实现），安装后，该两个密封组件与壳体之间形成密封空间，在该密封空间内收容有极芯和电解液，该两个密封组件的芯柱分别作为锂离子电池的两极，外接用电设备。

综上所述，本发明具有以下特点：在本发明的电池的密封组件中，金属环与芯柱之间通过设置陶瓷环进行连接，使得壳体与芯柱之间保持绝缘并形成密封封接；所述芯柱为金属陶瓷复合芯柱，包括陶瓷体和金属体，所述金属体用于与电池的极芯电连接，金属体形成于所述陶瓷体和陶瓷环之间，本发明的芯柱通过设置陶瓷体，热膨胀系数较低，并且通过将陶瓷体和金属体的热膨胀系数与陶瓷环的热膨胀系数相匹配，相较于单纯采用金属作为芯柱，使得芯柱与金属环的连接更可靠。另外，由于金属体通过熔融后注入陶瓷体和陶瓷环之间，与陶瓷环的结合更紧密；总之，通过采用金属陶瓷复合芯柱，能够克服陶瓷环与芯柱之间的热膨胀系数的差异，使得密封组件整体的热膨胀系数相匹配，整个密封组件的连接可靠，避免锂离子电池的漏液现象，能够有效提高锂离子电池的使用寿命。

本领域技术人员容易知道，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。本发明的保护范围由权利要求书确定。

Claims (9)

1.一种电池的密封组件，其特征在于，包括：陶瓷环、金属环以及芯柱，所述金属环套接于所述陶瓷环外侧，所述芯柱连接于所述陶瓷环的通孔中，所述芯柱包括陶瓷体和金属体，所述金属体形成于所述陶瓷体和陶瓷环之间；所述陶瓷环的膨胀系数大于所述陶瓷体的膨胀系数；所述密封组件满足以下公式：R=（y·α₃·△T）/〔（y－x）·α₂·△T + x·α₁·△T〕， R=0.75-1.25；其中，x为陶瓷体的半径、α₁为陶瓷体的膨胀系数；y为陶瓷环的内半径、α₃为陶瓷环的膨胀系数；y-x为金属体的厚度，α₂为金属体的膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的电池的密封组件，其特征在于，所述金属体包覆于所述陶瓷体的外侧。

3.根据权利要求1所述的电池的密封组件，其特征在于，所述金属体包覆于所述陶瓷体的侧面，所述陶瓷体的上、下两端贯穿所述金属体。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的电池的密封组件，其特征在于，所述电池的密封组件为电池正极的密封组件，所述金属体为铝或铝合金熔铸体。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的电池的密封组件，其特征在于，所述电池的密封组件为电池负极的密封组件，所述金属体为铜或铜合金熔铸体。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的电池的密封组件的制作方法，包括下述步骤：

将陶瓷体相对于陶瓷环定位，在陶瓷体与陶瓷环之间形成间隙，将金属液注入所述间隙中，冷却后在陶瓷体与陶瓷环之间形成金属体；并将金属环套接于陶瓷环的外侧，得到所述的电池的密封组件。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括在金属体上制作连接结构。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述金属环采用钎焊工艺套接于陶瓷环的外侧， 所述钎焊工艺所采用的焊料为Al-Si合金、Al-Mg合金或Al-Si-Mg合金焊料，钎焊工艺的温度为570-660℃，气氛为真空或惰性气体气氛；所述金属液选自铝或铝合金的熔液、铜或铜合金的熔液中的一种。

9.一种锂离子电池，包括：至少一端开口的壳体、密封于所述壳体的开口端的密封组件，所述壳体与密封组件之间形成密封空间，所述密封空间内收容有极芯和电解液，其特征在于，所述密封组件采用如权利要求1-5任意一项所述的电池的密封组件，其中，所述金属环与壳体相连接，所述芯柱的金属体与所述极芯相连接。