CN106207016A - 动力电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种动力电池，其包括：电芯；壳体，容置电芯且上部具有开口；顶盖，设置于壳体上部的开口；以及绝缘片，固定在电芯的至少两个正表面上；其中，绝缘片的弹性模量为150MPa～950MPa，绝缘片的泊松比为0.28～0.45。绝缘片能够在一定的压力范围内发生弹性形变，可随电芯在充放电过程中的膨胀发生对应的弹性变形，缓冲电芯的膨胀对壳体产生的刚性应力，可明显降低电芯膨胀对壳体的挤压，减少单个动力电池在寿命终止前对壳体的膨胀，从而有效降低单个动力电池在循环过程中的膨胀对模组和电池包的挤压，提高模组的使用可靠性，并有效降低模组的成本。

Description

动力电池
技术领域
本发明涉及储能器件领域，尤其涉及一种动力电池。
背景技术
锂离子电池有着体积能量密度和质量能量密度高、寿命长、自放电低以及环保等优点，广泛应用在移动通讯设备、笔记本电脑等便携式电子设备、及其电动汽车等领域。而再生能源及大气环境问题加速了汽车用动力电池的开发。目前国内外各大高校和锂电企业纷纷致力于推动汽车用锂离子二次电池的研发和应用。
汽车用动力电池最终应用在汽车上是以电池包的形式代替传统燃油车的动力系统，它由很多个单电池通过不同的串并联形式组成，远比传统消费类电子产品的锂离子电池要复杂。而目前国内大多企业和高校都将资源投在单电池的开发和应用，而较少涉及到电池组装，模组设计及整车应用。研究这块的也只是少数与汽车企业有真正的新能源汽车项目在合作的锂电企业或电池包(PACK)组装厂。其实在单电池的研究中发现，电池在循环过程中，正负极极片在发生膨胀和收缩，且随着循环进行，正极颗粒易破碎，形成较高的厚度膨胀，而负极随着SEI膜的不断修复，石墨颗粒的膨松，也产生非常大的厚度膨胀。不同的正负极材料会略有差别，以三元材料和人造石墨为例，通常情况下在整个循环过程中正极厚度膨胀在12-18％，阳极在25-30％左右。如此高的厚度反弹最终导致电池外壳变形膨胀，行业通俗形容为“鼓肚子”。
当存在“鼓肚子”可能的电池组装成电池包时，这将给整个电池系统带来很大风险，多数情况下模组端板会严重变形，甚至被撑破。这对于正在行驶过程中的用户是非常危险。不仅存在动力系统突然失效风险，还存在电池短路风险。一些实验数据已经表现了因电池膨胀导致模组端板变形严重，甚至出现撑破模组的情况。大家通常会通过不断的加强端板强度来固定。选用什么样的端板，多大强度的端板，与单电池在循环过程中膨胀产生的力息息相关。可以通过单电池的膨胀力去模拟模组端板承受的力。若单电池在循环过程中产生很大的膨胀，这将给端板选材，焊接工艺，固定方式等带来了很大的难度。高强材质端板，或用更厚金属的端板，同时还需要配套固定端板用的高强螺钉或高强度焊接工艺等等，带来一系列的成本提高，还增加了电池包的重量。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种动力电池，其能减少电芯的膨胀对壳体的影响进而能提高模组的使用可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种动力电池，其包括：电芯；壳体，容置电芯且上部具有开口；顶盖，设置于壳体上部的开口；以及绝缘片，固定在电芯的至少两个正表面上；其中，绝缘片的弹性模量为150MPa～950MPa，绝缘片的泊松比为0.28～0.45。
本发明的有益效果如下：
绝缘片能够在一定的压力范围内发生弹性形变，可随电芯在充放电过程中的膨胀发生对应的弹性变形，缓冲电芯的膨胀对壳体产生的刚性应力，可明显降低电芯膨胀对壳体的挤压，减少单个动力电池在寿命终止前对壳体的膨胀，从而有效降低单个动力电池在循环过程中的膨胀对模组和电池包的挤压，提高模组的使用可靠性，并有效降低模组的成本。
附图说明
图1为根据本发明的动力电池的电芯和顶盖组装在一起的立体图；
图2为根据本发明的动力电池的绝缘片的立体图；
图3为图1的组装件装配图2的绝缘片后的立体图；
图4为图3的组装件置入动力电池的壳体后的立体图；
图5为实施例与对比例的动力锂离子电池的循环性能曲线图；
图6为实施例与对比例的动力锂离子电池的夹具力随循环的变化曲线图；
图7为对比例与实施例组装成的模组在循环过程中端板压力的变化曲线图。
其中，附图标记说明如下：
1电芯 2壳体
11上表面 3顶盖
12正表面 31热熔柱
13侧表面 4绝缘片
14底表面 41定位孔
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的动力电池。
参照图1至图4，根据本发明的动力电池包括：电芯1；壳体2，容置电芯1且上部具有开口；顶盖3，设置于壳体2上部的开口；以及绝缘片4，固定在电芯1的至少两个正表面12上；其中，绝缘片4的弹性模量为150MPa～950MPa，绝缘片4的泊松比为0.28～0.45。在此说明的是，尽管图1中示出顶盖3固定连接于电芯1的上表面11，但是不限于此，顶盖3还可以固定连接于电芯1的侧表面13。
在根据本发明的动力电池中，绝缘片4不仅具有绝缘功能，还因其弹性模量为150MPa～950MPa且泊松比为0.28～0.45而能够在一定的压力范围内发生弹性形变，可随电芯1在充放电过程中的膨胀收缩发生对应的弹性变形，缓冲电芯1的膨胀对壳体2产生的刚性应力，可明显降低电芯膨胀对壳体2的挤压，减少单个动力电池在寿命终止前对壳体2的膨胀，从而有效降低单个动力电池在循环过程中的膨胀对模组和电池包(PACK)的挤压，提高模组的使用可靠性，并有效降低模组的成本。
当绝缘片4的弹性模量低于150Mpa，将绝缘片4在压力下极易发生变形，一般不具备可恢复性，如同橡皮泥或及软的橡胶一样；难以在充放电过程中随电芯1一起发生膨胀与收缩，不利于动力电池在充放电过程中的界面保持，动力电池的循环性能会有一定的下降。另外，且此类材料太软不适宜电池生产加工。若绝缘片4的弹性模量太高，绝缘片4密度一般很高，将牺牲较大的电芯1的重量能量密度，电池生产厂商一般难以接受，且不足以在一定程度上缓冲电芯产生的膨胀。
同样地，若绝缘片4的泊松比超过0.45，绝缘片4在在压力下极易发生横向变形，而对电芯其他地方产生一定的挤压。若绝缘片4的泊松比低于0.28，绝缘片4往往弹性形变也很少，密度高，难以满足本发明的技术效果。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，壳体2可由金属制成。在一实施例中，金属可为铝或钢。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，绝缘片4的材质可选自乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、聚醋酸乙烯酯PVAc、聚酰胺PA以及聚氨酯PU中的至少一种。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，绝缘片4的材质可选自发泡聚丙烯PP、发泡聚乙烯PE、发泡聚对苯二甲酸二乙酯PET以及发泡聚氯乙烯PVC中的至少一种。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，绝缘片4的厚度可为0.25mm～0.8mm。当绝缘层的弹性模量低于本发明，而厚度太厚(>0.8mm)，将很不利于电池在循环过程中保持良好的界面，带来循环性能变差或存在差异。若弹性模量大于本发明，首先其重量和体积的大幅度增加将大大降低了电池重量能量密度和体积能量密度，一般难以接受，而且弹性模量超出本发明范围，其对电芯膨胀力的缓冲作用降低；同样当绝缘层的厚度太薄(<0.25mm)，不具备可用的空间去缓冲电芯循环过程中的膨胀，有效效果很低。在一实施例中，绝缘片4的厚度可为0.4mm～0.6mm。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，绝缘片4的泊松比可为0.3～0.4。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，参照图1至图3，绝缘片4还可固定在电芯1的两个侧表面13上。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，参照图1至图3，绝缘片4还可固定在电芯1的底表面14上。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，绝缘片4可为一体片(参照图2)或分体片。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，绝缘片4可通过热熔或贴胶固定于电芯1的相应表面上。在一实施例中，参照图1至图3，顶盖3上设置有热熔柱31，绝缘片4上设置有与热熔柱31对应的定位孔41，将图2的绝缘片4弯折成型之后，将弯折成型后的绝缘片4固定到图1的电芯上，使绝缘片4的定位孔41套入顶盖3的热熔柱31，形成图3所示的组装件之后，用热压治具把热熔柱31烫平，能有效地将绝缘片4与电芯4紧凑地固定在一起。
在根据本发明的动力电池的一实施例中，动力电池可为动力锂离子电池。
下面说明根据本发明的动力电池的实施例、对比例、测试过程以及测试结果。
实施例1
以欧洲PHEV/BEV标准model(26148)设计和制备动力锂离子电池，设计群域度为93.8％。正极采用三元材料LiNi5Co2Mn3O2，压密3.3g/cm3，负极采用人造石墨，压密1.55g/cm3，隔离膜为20μm的PE隔离膜。正极极片、隔离膜和负极极片经卷绕热压等工序得到电芯1，将电芯1与顶盖3组装在一起。绝缘片4采用厚度为0.35mm的发泡聚乙烯PE，弹性模量为700～800Mpa，泊松比为0.39～0.41。绝缘片4通过热熔固定在电芯1的两个正表面12上。入壳注液。壳体2采用厚度为1mm的铝壳，电解液为1M LiPF6的EC/EMC/DEC电解液(EC:EMC:DEC的质量比为5:3:2)。焊接密封，再经化成，老化工艺制得动力锂离子电池。
实施例2
除以下不同外，其余与实施例1相同，需特殊指出，因选择的绝缘片厚度不同，在相同群裕度设计下，涂布重量或卷绕层数会做适当调整。
绝缘片4采用厚度为0.5mm的TPU材质，弹性模量为150MPa～180MPa，泊松比为0.369～0.391。
实施例3
除以下不同外，其余与实施例1相同，需特殊指出，因选择的绝缘片厚度不同，在相同群裕度设计下，涂布重量或卷绕层数会做适当调整。
绝缘片4采用厚度为0.8mm的TPU材质，弹性模量为200MPa～250MPa，泊松比为0.388～0.421。
实施例4
除以下不同外，其余与实施例1相同，需特殊指出，因选择的绝缘片厚度不同，在相同群裕度设计下，涂布重量或卷绕层数会做适当调整。
绝缘片4采用厚度为0.8mm的发泡PVC材质，弹性模量为300MPa～400MPa，泊松比为0.367～0.384。
实施例5
除以下不同外，其余与实施例1相同，需特殊指出，因选择的绝缘片厚度不同，在相同群裕度设计下，涂布重量或卷绕层数会做适当调整。
绝缘片4采用厚度为0.15mm的弹性模量为200～250MPa、泊松比为0.368～0.39的PA材质的绝缘膜。
对比例1
除以下不同外，其余与实施例1相同，需特殊指出，因选择的绝缘片厚度不同，在相同群裕度设计下，涂布重量或卷绕层数会做适当调整。
绝缘片4采用厚度为0.15mm的PP绝缘膜，其弹性模量>10GPa，泊松比为0.12～0.14。
对比例2
除以下不同外，其余与对比例1相同，需特殊指出，因选择的绝缘片厚度不同，在相同群裕度设计下，涂布重量或卷绕层数会做适当调整。
绝缘片4采用厚度为0.8mm的聚四氯乙烯绝缘膜，其弹性模量1.2～1.4GPa，泊松比为0.34～0.35。
对比例3
除以下不同外，其余与对比例1相同，需特殊指出，因选择的绝缘片厚度不同，在相同群裕度设计下，涂布重量或卷绕层数会做适当调整。
绝缘片4采用厚度为0.8mm的高压聚乙烯绝缘膜，其弹性模量0.12～0.14GPa，泊松比为0.322～0.365。
对实施例1-5和对比例1-3制备的动力锂离子电池进行45℃1C/1C循环，电压2.8-4.2V，循环前测量满充下电池的厚度，电池带上夹具，施加5000N的夹具力模拟模组组装过程中端板对电池施加的力。然后进行带夹具循环，并监控循环过程中的夹具力变化。拆掉夹具，静置12H，测量电池的厚度变化。
表1为实施例1-5和对比例1-3的动力锂离子电池经过循环后的夹具力及厚度测量结果。过程夹具力每500循环时取对应的夹具力作为代表，并测量实验结束后电池的厚度膨胀(卸夹具后静置12H，满充)。另外，取对比例1十个电池和实施例2十个电池的动力锂离子电池分别组装成2P5S的模组，进行45℃1C/1C(2.8-4.2V)循环，监控循环过程中端板承受的压力变化，其结果见图7。
表1实施例1-5与对比例1-3的测试结果
从图5可以看出，采用本发明的绝缘片4的动力锂离子电池(实施例1-5)的循环性能与传统电池(对比例1-3)基本保持一致，其中对比3略差一些，因为选择的是弹性模量低于本发明的绝缘片，其在循环过程中不利于保持电芯内部良好界面，因为电芯在充放电过程中会发生膨胀与收缩。从表1中实施例1-4可以看出，本发明可以有效降低电池在循环过程中的膨胀厚度及膨胀力。通过监控夹具力的变化可直接反应在模组中电池因循环膨胀对端板造成的膨胀力情况。相对于传统电池(对比例1)，实施例1-4明显降低了循环过程中的夹具力，对比例2选择的虽然是非传统PP绝缘膜，但其选择的是绝缘膜的弹性模量大于本发明的聚四氯乙烯绝缘膜，其所带来的夹具力增加虽没有对比例1高，但也高出本发明的实施例1-4。实施例5因厚度偏薄超出本发明范围，其对夹具力的贡献很弱，与对比例2接近。另外，对比例3循环前期虽然膨胀力小，这是因为选用弹性模量超低的材料，但这类材料有制造加工难，量产可行性低，循环性能差等缺点，但循环后期膨胀力增长速率将与常规电芯一样，如对比例1一样，所以在图5中能明显发现对比例3其后期膨胀力增长速率远大于实施例。因实验时间，本发明只取到2000个循环的数据。
也可以从图6中看到整个夹具力随循环的变化趋势。最终在2000个循环左右卸掉夹具，静置12H，满充后测厚度，其结果也直接表明了本发明的有益效果。为了更直截了当表征本发明对模组的有益效果，取对比例1和实施例2分别组装成2P5S的模组来加以说明，组装时施用5000N的端板压力，其循环过程中端板压力的变化见图7。从结果可以看出实施例2的模组力整体趋势都比对比例1低，直观表明了本发明的有益效果。综上所述，本发明公开的动力电池有更低的循环膨胀力，更小的循环膨胀厚度，可以有效降低模组在循环过程中单电池对端板的挤压力，提高模组的使用可靠性，节约模组成本。

Claims (10)

1.一种动力电池，包括：
电芯(1)；
壳体(2)，容置电芯(1)且上部具有开口；
顶盖(3)，设置于壳体(2)上部的开口；以及
绝缘片(4)，固定在电芯(1)的至少两个正表面(12)上；
其特征在于，绝缘片(4)的弹性模量为150MPa～950MPa，绝缘片(4)的泊松比为0.28～0.45。
2.根据权利要求1所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)的材质选自乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚酰胺(PA)以及聚氨酯(PU)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)的材质选自发泡聚丙烯(PP)、发泡聚乙烯(PE)、发泡聚对苯二甲酸二乙酯(PET)以及发泡聚氯乙烯(PVC)中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)的厚度为0.25mm～0.8mm。
5.根据权利要求4所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)的厚度为0.4mm～0.6mm。
6.根据权利要求1所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)的泊松比为0.3～0.4。
7.根据权利要求1所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)还固定在电芯(1)的两个侧表面(13)上。
8.根据权利要求1所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)还固定在电芯(1)的底表面(14)上。
9.根据权利要求7或8所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)为一体片或分体片。
10.根据权利要求7或8所述的动力电池，其特征在于，绝缘片(4)通过热熔或贴胶固定于电芯(1)的相应表面上。
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