CN104882640B - 安全锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安全锂离子电池，包括一底座、一卷柱、一壳体、一盖帽、及一电芯；所述卷柱设置在所述底座上，所述电芯绕卷在所述卷柱的外表面，所述壳体罩于所述电芯的外表面，并且两端分别与所述底座及所述盖帽连接设置，密封所述电芯，所述安全锂离子电池进一步包括一安全结构体，所述安全结构体设置在所述卷柱与所述电芯之间，所述安全结构体包括一弹性层及多个针状物，所述多个针状物设置在所述弹性层内且具有多个尖端，该多个尖端指向所述电芯设置。

Description

安全锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种安全锂离子电池。
背景技术
近年来，锂离子电池由于具有电压高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上得到广泛的应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面。
随着锂离子电池的广泛应用，锂离子电池的安全受到越来越多的重视。现有技术中的锂离子电池在充放电过程中，由于电极片膨胀、电池内电解液分解气化等原因，锂离子电池中的正负电极片之间的间距会发生变化，而导致电池内阻改变，使电池安全性能变差，当电池内气体累积，内压过高，容易造成锂离子电池燃烧或发生爆炸。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种安全锂离子电池。
一种安全锂离子电池，包括一底座、一卷柱、一壳体、一盖帽、及一电芯；所述卷柱设置在所述底座上，所述电芯绕卷在所述卷柱的外表面，所述壳体罩于所述电芯的外表面，并且两端分别与所述底座及所述盖帽连接设置，密封所述电芯，所述安全锂离子电池进一步包括一安全结构体，所述安全结构体设置在所述卷柱与所述电芯之间，所述安全结构体包括一弹性层及多个针状物，所述多个针状物设置在所述弹性层内且具有多个尖端，该多个尖端指向所述电芯设置。
相对于现有技术，本发明提供的安全锂离子电池具有以下有益效果：卷柱与电芯之间设置安全结构体，该安全结构体包括弹性层及多个针状物，多个针状物设置在弹性层内且具有多个尖端，该多个尖端指向所述电芯设置。当电池内部膨胀超过一定设置，整体电池的力会挤压所述安全结构体，在挤压力的作用下弹性层收缩，弹性层内部的多个针状物从弹性层中伸出暴露，直接接触所述电芯并刺破电芯，导致电池正负极之间接触，从内部将该电池造成内部短路，对该电池进行短路放电，保证实现锂离子电池的安全性。另外，当锂离子电池受到外部撞击或外部剧烈挤压时，也会使多个针状物与电芯的接触并刺破电芯，导致电池正负极之间接触，从而使锂离子电池进行小倍率的放电，导致锂离子电池从内部进行失效，达到安全模式。
附图说明
图1是本发明安全锂离子电池池的立体示意图。
图2是本发明安全锂离子电池的元件分解图。
图3是本发明安全锂离子电池的沿III-III线剖面图。
图4是本发明安全锂离子电池的卷柱及底座组成的结构体的立体示意图。
图5是本发明安全锂离子电池的多个针状物设置在弹性层内的剖面图。
图6是本发明安全锂离子电池的弹性层被挤压前后的状态图。
图7是本发明安全锂离子电池的电芯的立体示意图。
图8是本发明安全锂离子电池的盖帽沿VII-VII线剖面图。
主要元件符号说明
安全锂离子电池 100
底座 10
抽气孔 11
卷柱 20
筒壁 21
开口 22
壳体 30
盖帽 40
顶盖 41
芯柱 42
第一部分 421
第二部分 422
安全结构体 50
弹性层 51
针状物 52
电芯 60
正极极片 61
正极空箔材 611
隔膜 62
负极 63
负极空箔材 631
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的安全锂离子电池作进一步的详细说明。
请参阅图1、图2及图3，本发明第一实施例提供安全锂离子电池100。所述安全锂离子电池100包括一底座10、一卷柱20、一壳体30、一盖帽40、及一电芯60，所述卷柱20设置在所述底座10上，所述电芯60绕卷在所述卷柱20的外表面，所述壳体30罩于所述电芯60的外表面，并且两端分别与所述底座10及所述盖帽40连接设置，密封所述电芯60，所述安全锂离子电池100进一步包括一安全结构体50，所述安全结构体50设置在所述卷柱20与所述电芯60之间，所述安全结构体50包括一弹性层51及多个针状物52，所述多个针状物52设置在所述弹性层51内且具有多个尖端，该多个尖端指向所述电芯60设置。
请参阅图3及图4，所述底座10起支撑作用，用于支撑所述卷柱20。所述底座10上可设置一抽气孔11，可通过施加一定压力，从所述抽气孔11抽取在使用过程中所述安全锂离子电池100内部产生的气体，使其形成负压，保证所述安全锂离子电池100的安全性。优选地，所述抽气孔11设置在所述底座10的中心，与所述卷柱20对应设置。所述底座10的外边缘可具有螺纹（图未示），以方便与所述壳体30连接设置。所述底座10的材料为导电材料。本实施例中，所述底座10的材料为硬质轻型铝材。
所述卷柱20设置在所述底座10上，优选地，该卷柱20为一空心结构，所述卷柱20包括一筒壁21。另外，该筒壁21上可具有一开口22，所述开口22用于固定所述电芯60的一端。所述开口22的长度可依据所述电芯60的宽度设置。进一步地，该卷柱20为一两端开口的空心结构，该卷柱20与所述底座10连接一端的开口与所述抽气孔11对应且连通。所述底座10与所述卷柱20可以为两个元件连接也可以一体成型。本实施例中，所述卷柱20的筒壁21上具有一所述开口22，所述底座10与所述卷柱20为一体成型结构。所述卷柱20的材料为导电材料，从而所述卷柱20及所述底座10可作为所述安全锂离子电池100的负极极耳使用。所述卷柱20的材料可与所述底座10材料的一致也可不一致。本实施例中，所述卷柱20的材料与所述底座10材料的一致，为硬质轻型铝材。
所述安全结构体50设置在所述卷柱20的至少部分外表面。当所述卷柱20的筒壁21上具有一所述开口22时，所述安全结构体50设置在所述卷柱20的至少部分外表面，并使所述开口22暴露不被所述安全结构体遮盖，以便所述电芯60可通过该开口22固定。所述安全结构体50包括弹性层51及多个针状物52，该多个针状物52设置在所述弹性层51内。该多个针状物52具有多个尖端，该多个尖端指向所述电芯60。
所述安全锂离子电池100可包括一个所述安全结构体50或多个所述安全结构体50。当所述安全锂离子电池100包括一个所述安全结构体50时，所述安全结构体50可绕卷在所述卷柱20的整个外表面，或设置在所述卷柱20的部分外表面。当所述安全锂离子电池100包括多个所述安全结构体50时，所述多个安全结构体50可间隔设置或并排接触设置在所述卷柱20的至少部分外表面。所述多个安全结构体50可沿着所述卷柱20的轴向排列，也可环绕所述卷柱20排列。
所述弹性层51至少部分设置在所述多个针状物52与所述电芯60之间。所述弹性层51具有一定的弹性收缩性，在所述安全锂离子100多次充放电过程中或在挤压的情况下，能够使所述多个尖端暴露且接触所述电芯60并且刺破所述电芯60形成短路。另外，所述弹性层51的硬度只要确保后续所述电芯60在卷绕过程中不被挤压使所述多个针状物52的尖端暴露并与所述电芯60接触即可。
只要能够保证所述多个针状物52的多个尖端指向所述电芯60且不与所述电芯60接触，所述多个针状物52设置在所述弹性层51内的方式不限。具体地，所述弹性层51可具有一空间，所述多个针状物52设置在所述弹性层51的所述空间内；所述多个针状物52也可包埋在所述弹性层51内。所述弹性层51的形状不限，可根据实际需要设置，可为层状、柱状或管状。如图5（a）所示，所述所述弹性层51为管状，所述弹性层51可具有一空间，所述多个针状物52设置在所述弹性层51的所述空间内。如图5（b）所示，所述所述弹性层51为柱状，所述多个针状物52也可包埋在所述弹性层51内。只要能够保证所述多个针状物52的多个尖端指向所述电芯60，所述多个针状物52的固定方式不限。具体地，所述多个针状物52可直接设置在所述卷柱20上固定在所述卷柱20的外表面，也可包埋在所述弹性层51中通过所述弹性层51固定。所述弹性层51的材料为耐腐蚀的非导电材料。所述多个针状物52的材料为导电金属。本实施例中，所述弹性层51为一层状结构，所述多个针状物52包埋在所述弹性层51内通过所述弹性层51固定，所述多个针状物52的材料为金。
在电池的内部充放电过程中，电池极片中不可逆的容量会导致电池极片变厚发生副反应，导致电池内部膨胀，极片之间进行内部互相挤压。请参阅图6，当电池内部膨胀超过一定设置，整体电池的力会挤压所述安全结构体50，在挤压力的作用下所述弹性层51收缩，所述弹性层51内部的所述多个针状物52从所述弹性层51中伸出暴露，直接接触所述电芯60并刺破所述电芯60的隔膜，导致电池正负极之间接触，从内部将该电池造成内部短路，对该电池进行短路放电，保证实现锂离子电池的安全性。另外，当锂离子电池受到外部撞击或外部剧烈挤压时，也会使所述多个针状物52与所述电芯60的接触，刺破所述电芯60的隔膜，导致电池正负极之间接触，从而使锂离子电池进行小倍率的放电，导致锂离子电池从内部进行失效，达到安全模式。
所述电芯60的一端通过所述卷柱20上的开口22固定，整体卷绕在所述安全结构体50的外表面。在制作所述安全锂离子电池100过程中，为了避免使所述多个针状物52的尖端暴露在所述弹性层51的外部，并与所述电芯60接触，在所述安全结构体50的外表面卷绕所述电芯60时，也可通过控制卷绕所述电芯60的力度来保证所述弹性层51不被过分挤压。具体地，通过调整锂离子电池的卷绕设备，可以对卷绕所述电芯60时松紧度进行调整，当卷绕靠近所述安全结构体50的第一圈时，调整力的大小使其不对所述安全结构体50进行过分挤压，以避免在所述安全锂离子电池100的制造过程中造成多个针状物52的尖端暴露并与所述电芯60接触。
所述电芯60包括层叠设置的一正极极片61、一隔膜62及一负极极片63。具体地，可以按照电池常用卷绕工艺，使得所述正极极片61、所述隔膜62及所述负极极片63相互层叠地卷绕在所述卷柱20上，形成一卷绕体。该卷绕体内的所述正极极片61及所述负极极片63之间通过所述隔膜62间隔设置。
请参阅图7，所述正极极片61、所述隔膜62及所述负极极片63层叠设置。所述正极极片61的端部具有一正极空箔材611，所述负极极片63的端部具有一负极空箔材631。所述空箔材是指没有涂覆活性材料的箔片。具体地，所述正极极片61、所述隔膜62及所述负极极片63具有一宽度方向D1及一长度方向D2。当所述电芯60卷绕在所述卷柱20上时，所述宽度方向D1与所述底座10垂直。所述长度方向D2与所述宽度方向D1垂直。所述负极空箔材631设置在所述负极极片63的沿长度方向D2的一端，且在所述长度方向D2上不与所述正极极片61及所述隔膜62重叠。所述正极空箔材611设置在所述正极极片61沿宽度方向D1的一端，且在所述宽度方向D1上不与所述所述负极极片63及所述隔膜62重叠。
所述负极极片63的负极空箔材631通过所述筒壁21上的开口22固定在所述卷柱20上。所述负极极片63的空箔材631通过所述开口22固定在所述卷柱20上方式不限，只要保证所述负极极片63的负极空箔材631固定在所述卷柱20上即可。本实施例中，所述负极极片63的负极空箔材631通过所述开口22伸入到所述卷柱20内，在所述开口22处设置一卡扣装置将伸入到所述卷柱20内的所述负极极片63的负极空箔材631卡住固定，起到固定所述负极极片63的作用。该种方式由于没有采用传统的焊接方式将所述负极极片63固定于所述卷柱20上，减少了焊接设备的使用，能够降低生产能耗。
在所述宽度方向D1上，所述正极极片61的长度大于所述隔膜62及所述负极极片63的长度。具体地，在所述宽度方向D1上，所述正极极片61的长度长于所述隔膜62及所述负极极片63的部分为所述正极空箔材611。因此，当所述电芯60卷绕在所述卷柱21后，所述正极极片61会不与所述隔膜62及所述负极极片63其平，高于所述隔膜62及所述负极极片63，并且所述正极空箔材611，可作为所述安全锂离子电池100的正极极耳。
所述壳体30的形状不限，可根据实际需要选择。所述壳体30的材料为绝缘材料。本实施例中，所述壳体30的形状为圆筒状，所述壳体30的材料为陶瓷。
请参阅图3，所述壳体30罩于所述电芯60的外表面，包括相对设置的第一端及第二端。所述第一端与所述底座10连接设置，所述第二端与盖帽40连接设置。所述第一端及第二端可具有螺纹（图未示），以方便与所述底座10及所述盖帽40连接设置。优选地，在所述壳体30的第一端与所述底座10连接前，可在所述壳体30的第一端与所述底座10的螺纹上涂覆耐电解液腐蚀的材料。本实例中，所述第一端具有内螺纹结构，可与所述底座10的外螺纹相互配合，使所述壳体30与所述底座10固定在一起。
请参阅图1、图2及图3，所述盖帽40与所述壳体30连接，并同所述底座10一起密封所述电芯60。具体地，请参阅图2、图8，所述盖帽40包括一顶盖41及一芯柱42，所述芯柱42与所述顶盖41连接。所述顶盖41与所述壳体30连接，所述芯柱42的一端与所述卷柱20连接，从而使所述所述盖帽40与所述壳体30连接设置。
只要能够保证于与所述壳体30连接，所述顶盖41的形状不限，可为一具有凹槽的结构体或一平板结构体。所述顶盖41是一导电结构，可与所述正极极片61的正极空箔材611电接触设置，作为所述安全锂离子电池100的正极极耳。通过该种设置方式，使所述安全锂离子电池100的极耳外露多，电池的极化变小。所述顶盖41的材料可以为导电材料。所述顶盖41的形状不限，只要能够保证所述顶盖41与所述壳体30能够连接在一起即可。本实施例中，所述顶盖41的形状为一具有凹槽的结构体，呈类似倒U型。
所述芯柱42是由第一部分421及第二部分422组成的实体圆柱形结构。所述第一部分421与所述第二部分422的直径不同，所述第一部分421的直径大于与述第二部分422的直径。所述芯柱42的材料为耐电解液且不易导电的材料。本实施例中，所述芯柱42的材料为聚四氟乙烯。
具体地，所述顶盖41与所述壳体30连接，所述第一部分421与所述顶盖41连接，所述第二部分422与所述卷柱20连接。所述顶盖41与所述壳体30、所述第一部分421与所述顶盖41、及所述第二部分422与所述卷柱21连接方式不限，只要能够保证所述顶盖41与所述壳体30连接，所述第一部分421与所述顶盖41连接，所述第二部分422与所述卷柱20连接即可。具体地，可采用粘结、卡固的形式，将所述顶盖41与所述壳体30、所述第一部分421与所述顶盖41、及所述第二部分422与所述卷柱20连接。本实施例中，在所述顶盖41与所述壳体30连接处、所述第一部分421与所述顶盖41连接处、及所述第二部分422与所述卷柱21连接处均设置纹螺纹用于连接。
所述芯柱42的第二部分422的直径等于筒状所述卷柱20的内径。所述芯柱42的第一部分421与第二部分422的半径差等于所述卷柱20的筒壁21的厚度。
本发明提供的安全锂离子电池具有以下有益效果：卷柱与电芯之间设置安全结构体，该安全结构体包括弹性层及多个针状物，多个针状物设置在弹性层内且具有多个尖端，该多个尖端指向所述电芯设置。当电池内部膨胀超过一定设置，整体电池的力会挤压所述安全结构体，在挤压力的作用下弹性层收缩，弹性层内部的多个针状物从弹性层中伸出暴露，直接接触所述电芯并刺破电芯，导致电池正负极之间接触，从内部将该电池造成内部短路，对该电池进行短路放电，保证实现锂离子电池的安全性。另外，当锂离子电池受到外部撞击或外部剧烈挤压时，也会使多个针状物与电芯的接触并刺破电芯，导致电池正负极之间接触，从而使锂离子电池进行小倍率的放电，导致锂离子电池从内部进行失效，达到安全模式。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种安全锂离子电池，包括一底座、一卷柱、一壳体、一盖帽、及一电芯，所述卷柱设置在所述底座上，所述电芯绕卷在所述卷柱的外表面，所述壳体罩于所述电芯的外表面，并且两端分别与所述底座及所述盖帽连接设置，密封所述电芯，其特征在于，所述安全锂离子电池进一步包括一安全结构体，所述安全结构体设置在所述卷柱与所述电芯之间，所述安全结构体包括一弹性层及多个针状物，所述多个针状物设置在所述弹性层内且具有多个尖端，该多个尖端指向所述电芯设置。
2.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述弹性层具有弹性收缩性，在所述安全锂离子电池内部膨胀或在所述安全锂离子电池被挤压的情况下，能够使所述多个尖端伸出所述弹性层并刺破所述电芯以造成所述安全锂离子电池短路。
3.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述安全结构体设置在所述卷柱的至少部分外表面。
4.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述安全锂离子电池包括一个所述安全结构体，该安全结构体绕卷在所述卷柱的整个外表面。
5.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述安全锂离子电池包括多个安全结构体，所述多个安全结构体间隔设置在所述卷柱的至少部分外表面。
6.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述安全锂离子电池包括多个安全结构体，所述多个安全结构体并排接触设置在所述卷柱的至少部分外表面。
7.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述弹性层至少部分设置在所述多个针状物与所述电芯之间。
8.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述弹性层具有一空间，所述多个针状物设置在所述弹性层的所述空间内。
9.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述多个针状物包埋在所述弹性层内。
10.如权利要求1所述的安全锂离子电池，其特征在于，所述电芯包括层叠设置的正极极片、隔膜及负极极片，所述正极极片具有正极空箔材，所述正极空箔材与所述盖帽电接触设置，使盖帽作为正极极耳。
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