CN106207252A - 锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置 - Google Patents

锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置，圆盘形保险装置包括：第一环形导电体，电连接于锂离子电池的第一电极；第二环形导电体，包含相互隔离的第一金属环和第二金属环，第一金属环电连接于锂离子电池的第二电极；保险丝，电连接于第一金属环和第二金属环；环形绝缘基材，填充于第一环形导电体和第二环形导电体之间；导电孔，开设于第一环形导电体并贯穿环形绝缘基材和第二金属环，导通第一环形导电体和第二金属环。本发明两电极通过电镀的内圈表面或者通孔连通，顶部电极蚀刻出两个金属区域，两个金属区域分别与锂离子电池的正负电极连接，并在该两个金属区域之间形成保险丝，能够在过电流时切断通过电池的电流来阻止着火和爆炸。

Description

锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置
技术领域
本发明涉及电子保险丝领域，尤其涉及一种锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置，在过电流状态时对电池进行保护以防止爆炸和起火。
背景技术
在30年前，圆柱锂离子电池已经应用于消费类移动设备。在过冲电或短路情况下，可充电的锂离子电池容易着火或爆炸。为了在过电流的情况下保护电池，使用了一种圆盘形热敏电阻(Positive Temperature Coefficient，简称PTC)材料的保险丝，该PTC圆盘保险丝结构如图1和图2所示。这种PTC材料的电阻在过流状况下会急剧增加，因而将电流减少到一个安全的水平。受限于材料自身的特性，如材料的高导电率，PTC产品的性能局限于工作电流低于10A，电压在20-30V。随着电动汽车和能源储存系统对圆柱形锂离子电池应用的增长(例如：通用的18650和26650电池)，PTC圆盘保险丝在这种超出其工作电压及电流的应用领域就不再适用了，即使在电动汽车和能源储存系统的电池管理系统(BMS)内有很多的传感器和控制器可以减轻电池失效的风险，可是在一些不安全的条件下，电池仍然有潜在的爆炸风险，如电池内部的短路，这仍然是对人员生命和财产的主要的损害。因此，研发一种安装在电池内部的保险装置仍然是必要的。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足，提供了一种锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置，安装在圆柱电池内，能够在过电流时切断通过电池的电流来阻止着火和爆炸。
为实现上述技术效果，本发明公开了一种锂离子电池用圆盘形保险装置，包括：
第一环形导电体，电连接于锂离子电池的第一电极；
第二环形导电体，包含相互隔离的第一金属环和第二金属环，所述第一金属环电连接于锂离子电池的第二电极；
保险丝，电连接于所述第一金属环和所述第二金属环；
环形绝缘基材，填充于所述第一环形导电体和所述第二环形导电体之间；以及
导电孔，开设于所述第一环形导电体并贯穿所述环形绝缘基材和所述第二金属环，导通所述第一环形导电体和所述第二金属环。
所述锂离子电池用圆盘形保险装置进一步的改进在于，所述第一金属环和所述第二金属环之间通过蚀刻区相互隔离，所述蚀刻区内设有导通所述第一金属环和所述第二金属环的保险功能区，所述保险丝形成于所述保险功能区。
所述锂离子电池用圆盘形保险装置进一步的改进在于，所述蚀刻区的宽度大于等于0.1mm。
所述锂离子电池用圆盘形保险装置进一步的改进在于，所述保险功能区上镀有锡体。
所述锂离子电池用圆盘形保险装置进一步的改进在于，所述锡体上设有覆盖所述保险功能区的灭弧层。
所述锂离子电池用圆盘形保险装置进一步的改进在于，所述导电孔的孔壁上镀有金属导电层。
所述锂离子电池用圆盘形保险装置进一步的改进在于，所述第一金属环位于所述第二金属环的外侧，所述导电孔为所述第一环形导电体、所述环形绝缘基材及所述第二金属环的中心孔。
本发明还公开了一种锂离子电池用圆柱形保险装置，包括：
第一环形导电体，电连接于锂离子电池的第一电极；
第二环形导电体，电连接于锂离子电池的第二电极；
环形绝缘基材，填充于所述第一环形导电体和所述第二环形导电体之间；
第一导电孔，开设于所述第一环形导电体并深入所述环形绝缘基材中，所述第一导电孔与所述第一环形导电体导通；
第二导电孔，开设于所述第二环形导电体并深入所述环形绝缘基材中，所述第二导电孔与所述第二环形导电体导通；以及
保险丝，电连接于所述第一导电孔和所述第二导电孔。
所述锂离子电池用圆柱形保险装置进一步的改进在于，所述环形绝缘基材中夹设有金属层，所述保险丝设于所述金属层上。
所述锂离子电池用圆柱形保险装置进一步的改进在于，所述第一导电孔和所述第二导电孔中填充有导电材料。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
1、底部电极通过电镀的内圈表面或者通孔与顶部电极连通，采用蚀刻在将顶部电极蚀刻出两个金属区域，两个金属区域分别与锂离子电池的正负电极连接，并在该两个金属区域之间形成保险丝，使得本装置可安装在圆柱锂离子电池内，能够在过电流时切断通过电池的电流来阻止着火和爆炸；
2、采用在第一金属环和第二金属环之间的蚀刻区内设置灭弧层，可以在高压情况时帮助保险丝灭弧；
3、保险丝采用蚀刻的方式形成，可根据熔断点要求设计保险丝的形状。
附图说明
图1为现有的PTC圆盘保险丝的平面示意图。
图2为现有的PTC圆盘保险丝的横截面示意图。
图3为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第一种实施例的平面示意图。
图4为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第一种实施例的横截面示意图。
图5为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第二种实施例的横截面示意图。
图6为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第三种实施例的平面示意图。
图7为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第三种实施例的横截面示意图。
图8为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第四种实施例的平面示意图。
图9为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第四种实施例的横截面示意图。
图10为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第五种实施例的平面示意图。
图11为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第五种实施例的横截面示意图。
图12为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第六种实施例的平面示意图。
图13为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第六种实施例的横截面示意图。
图14为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第七种实施例的平面示意图。
图15为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第八种实施例的平面示意图。
图16为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第九种实施例的平面示意图。
图17为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第九种实施例的横截面示意图。
图18为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第十种实施例的平面示意图。
图19为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第十种实施例的横截面示意图。
图20为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第十一种实施例的平面示意图。
图21为本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的第十二种实施例的平面示意图。
图22为本发明锂离子电池用圆柱形保险装置的第一种实施例的结构示意图。
图23为本发明锂离子电池用圆柱形保险装置的第二种实施例的结构示意图。
图24为本发明锂离子电池用圆柱形保险装置的第三种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明锂离子电池用圆盘形保险装置安装在圆柱锂离子电池内，其功能是在过电流时切断通过电池的电流来阻止着火和爆炸。本发明锂离子电池用圆盘形保险装置主要由三明治结构组成，顶部和底部是电极，中间是绝缘基材，该装置的外圈和内圈与工业内通用的圆柱电池相配，外圈的范围从5mm到50mm，内圈的范围从3mm到40mm。
下面例举了本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的几种不同的实现结构和实现方式。
首先，参阅图3和图4所示，本发明锂离子电池用圆盘形保险装置主要由第一环形导电体11、第二环形导电体12和环形绝缘基材13三层组成，环形绝缘基材13填充于第一环形导电体11和第二环形导电体12之间，构成三明治结构，且该三明治结构的外圈和内圈与工业内通用的圆柱锂离子电池相配，外圈的范围从5mm到50mm，内圈的范围从3mm到40mm。
第一环形导电体11为覆盖于环形绝缘基材13底部的导电层，如铜，镍，铝或其他金属材料，作为装置的底部电极。第二环形导电体12为覆盖于环形绝缘基材13顶部的导电层，如铜，镍，铝或其他金属材料，作为装置的顶部电极。
其中，第一环形导电体11电连接于锂离子电池的第一电极，具体地，该第一环形导电体11通过卷边处理与锂离子电池的排气孔连接，该排气孔又通过焊接或其他连接方式与锂离子电池的第一电极连接。
第二环形导电体12包含相互隔离的第一金属环121和第二金属环122，其中，该第一金属环121电连接于锂离子电池的第二电极，具体地，该第一金属环121连接到锂离子电池的金属外壳，该金属外壳形成锂离子电池的第二电极，该第二电极与该第一电极构成锂离子电池的正负两极。
环形绝缘基材13填充于第一环形导电体11和第二环形导电体12之间。该环形绝缘基材13可由FR4、FR4系统、陶瓷板、其他聚合物材料(如PE、PP、PVDF，其他氟聚合物)制成，或者由FR4、FR4系统、陶瓷板、其他聚合物材料(如PE、PP、PVDF，其他氟聚合物)及填充物(如玻纤，用于聚合工艺的无机填料)制成。由于在装配过程中存在潜在的电解溢出，最好使用无极性材料制作该环形绝缘基材13。
本发明锂离子电池用圆盘形保险装置还包括至少一导电孔14，该导电孔14开设于第一环形导电体11并贯穿环形绝缘基材13和第二环形导电体12的第二金属环122，该导电孔14的内表面镀有金属导电层141，导通该第一环形导电体11和该第二金属环122。进而，使得底部的第一环形导电体11通过该导电孔14与顶部的第二环形导电体12的第二金属环122电性导通，构成第一导电部分，又由于第一环形导电体11与锂离子电池的第一电极电性连接，因此，该由第一环形导电体11、导电孔14及第二金属环122构成的第一导电部分与锂离子电池的第一电极电性连接。而第二环形导电体12的第一金属环121与其第二金属环122相互隔离，并与锂离子电池的第二电极电性连接，构成了第二导电部分，两导电部分于第二环形导电体所在层面上相互隔离。
该存在于第二环形导电体12的第一金属环11和第二金属环12之间的隔离带，为对整体第二环形导电体12进行蚀刻，露出下方的环形绝缘基材13所形成的蚀刻区15。因而，在第一金属环121和第二金属环122之间通过该蚀刻区15相互隔离，在蚀刻时，于该蚀刻区15内保留一段或多段区间不作蚀刻，在蚀刻完成后，于该蚀刻区15内形成一段或多段保险功能区16，该一段或多段保险功能区16的材质仍为原未被蚀刻的第二环形导电体12的材质，导通两侧的第一金属环121和第二金属环122，即形成第一金属环121和第二金属环122之间的保险丝。
根据实际需求，保险丝两侧的第一金属环121和第二金属环122的金属面积可以变化，导电孔14两端的第一环形导电体11和第二金属环122的金属面积也可变化，配合图4和图5所示，第一环形导电体11可以为覆盖在环形绝缘基材13的整个下表面，或是仅覆盖部分靠近导电孔14的环形区域，抑或是各种不同的图案，当仅改变第一环形导电体的金属面积时，其上表面的平面结构图无变化。同样的，参阅图6和图7所示，在蚀刻第二环形导电体时，可适当改变第一金属环121和第二金属环122的金属面积，如减小第一金属环121的面积，或者，配合图8和图9所示，完全去除远离保险丝一侧的部分第一金属环，较多地露出下方的环形绝缘基材13，通过改变金属面积，可以用于调整所形成的保险丝的散热。
第二环形导电体12的第一金属环121和第二金属环122之间的蚀刻区15的宽度范围为从0.1mm到任何宽度，该宽度可以由采用的电压和电流来决定。该蚀刻区15为第一金属环121和第一金属环122所在两导电部分之间的绝缘，对于防止两导电部分之间的电弧非常重要，因此，该绝缘可以是空气，或者覆盖一层高性能的绝缘材料来防止在高电压应用时的电弧。推荐使用覆盖高性能的绝缘材料。
配合图10和图11所示，保险丝上可覆盖一层绝缘层或者包含灭弧材料的灭弧层18，该绝缘层或灭弧层18可以是PCB工业通用的阻焊油墨，可将该绝缘层或灭弧层18覆盖在锡体17和保险功能区16的保险丝上。该灭弧层18亦可完全填充并覆盖于整个蚀刻区，如图12和图13所示，该含灭弧材料的灭弧层18在高压情况相时有助于保险丝灭弧。
再配合图14所示，保险丝的数量可以是1个或多个，在本实施例中，采用三个保险丝的结构，三个保险丝以圆盘结构的圆心为中心，环形列阵于顶部的第二环形导电体的蚀刻区内。保险丝的数量可根据应用需求来定。保险丝可以由任何可适用于PCB板的金属或合金组成，例如：铜、银、金、铜合金等。对于铜保险丝，可以在保险丝上镀上锡体17，该锡体可以选择性电镀到一定的保护功能区域16来降低保险动作温度已达到期望位置的保险动作。在本实施例中，形成一种内部金属混合物，其熔断温度比铜要低。同样地，配合图15所示，在每个保险丝上都可通过覆盖灭弧层18来起到保险丝的灭弧作用。
配合图16和图17所示，由于本发明中的保险丝是通过蚀刻形成的，因此该保险丝可以设计成不同形状以达到期望的熔断点要求，图中所示为Z字形。
本发明中的第一环形导电体11、环形绝缘基材13及第二环形导电体11的中心孔重合，第二环形导电体11的第一金属环121位于第二金属环122的外圈，在上述实施例中导电孔14为第一环形导电体11、环形绝缘基材13及第二金属环122的中心孔，因此，只要在该中心孔的内表面镀一层金属导电层141，便可以形成导通底部第一环形导电体11和顶部第二金属环122的导电孔14，实现第一环形导电体11与第二金属环122的电性导通。
导电孔14还可开设在第一环形导电体11的环形面上并贯穿环形绝缘基材13及第二金属环122的环形面，在导电孔14的内表面镀有金属导电层，电性导通底部的第一环形导电体11和顶部的第二金属环122，可设置一个或多个导电孔，如图18和图19所示，以圆盘的圆心为中心以环形列阵的方式设置有3个该导电孔14，且导电孔14设置数量与保险丝的数量相对应，且在设置时也靠近保险丝设置，以提高保险丝的熔断灵敏度。图20所示为在对应的保险丝上覆盖灭弧层18，而图21所示为单独设置一个导电孔14的实施例，相应的，在靠近该导电孔14位置的第二环形导电体12上形成一个保险丝，并在该一个保险丝上覆盖灭弧层18。
以上为暴露式保险丝的本发明锂离子电池用圆盘形保险装置的实施例，本发明还给出了一种具有嵌入式保险丝的锂离子电池用圆柱形保险装置，配合图22所示，该锂离子电池用圆柱形保险装置主要由第一环形导电体21、第二环形导电体22和环形绝缘基材23三层组成，环形绝缘基材23填充于第一环形导电体21和第二环形导电体22之间，该装置的外圈和内圈与工业内通用的圆柱锂离子电池相配，外圈的范围从5mm到50mm，内圈的范围从3mm到40mm。
第一环形导电体21为覆盖于环形绝缘基材23底部的导电层，如铜，镍，铝或其他金属材料，作为装置的底部电极。第二环形导电体22为覆盖于环形绝缘基材23顶部的导电层，如铜，镍，铝或其他金属材料，作为装置的顶部电极。
其中，第一环形导电体21电连接于锂离子电池的第一电极，第二环形导电体22电连接于锂离子电池的第二电极，该第二电极与该第一电极构成锂离子电池的正负两极。电流从第一环形导电体21和第二环形导电体22上流过。
第一环形导电体21上开设有第一导电孔241，且该第一导电孔241向上深入上方的环形绝缘基材23中，可采用电镀的方式形成该第一导电孔241；该第一导电孔241内填充有导电材料，形成导电盲孔，并与底部的第一环形导电体21电性导通。
第二环形导电体22上开设有第二导电孔242，且该第二导电孔242向下深入下方的环形绝缘基材23中可采用电镀的方式形成该第一导电孔241；该第二导电孔242内填充有导电材料，形成导电盲孔，并与顶部的第二环形导电体22电性导通。
保险丝25电连接于上述第一导电孔241和上述第二导电孔242，第一导电孔241与第二导电孔242与顶部或底部的电极相连，又与保险丝融合在一起，形成保险丝结构。
根据应用的需求，该保险丝结构可做成一层或多层，当要求为一层时，环形绝缘基材仅包含绝缘材料，仅起到绝缘作用；当要求为多层时，在该环形绝缘基材23中夹设多层金属层26，将保险丝25融合于该金属层26上，在每一层金属层26上均可设置保险丝，但不限于设置一根保险丝，因此，该金属层可作为承载保险丝的载电层来使用。金属层与金属层、金属层与第一环形导电层、金属层与第二环形导电层之间均应保证设有至少一层绝缘材料，以保证每层保险丝之间的绝缘。第一导电孔241和第二导电孔242则作为金属层的层与层之间的连接，来实现保险丝的功能。但是第一导电孔241不贯穿环形绝缘基材，即不与顶部的第二环形导电体导通；同样地，第二导电孔242也不贯穿环形绝缘基材，即不与底部的第一环形导电体导通。
其中，以一个第一导电孔241和一个第二导电孔242为一组，在本发明锂离子电池用圆柱形保险装置中可仅设置一组，也可同时设置多组，可将第一导电孔241和第二导电孔242均设置在柱形的一侧，此时连接在第一导电体241和第二导电体242之间的保险丝25呈弧形段，如图22所示。当在柱形的两侧分别设置一组第一导电孔241和第二导电孔242时，则如图23所示。
或者，也可采用如图24所示，将第一导电体241设置在柱形的右侧，而将第二导电体242设置在柱形的左侧，保险丝25呈环形，整圈设置，连接在第一导电体241和第二导电体242之间。
本发明锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置可采用PCB(Printed CircuitBoard，印制电路板)工艺来实现，工艺流程如下：蚀刻→钻孔→阻焊油墨→镀铜→镀锡→铜上镀锡点。
本发明锂离子电池用圆盘形、圆柱形保险装置具有以下有益效果：
1、底部电极通过电镀的内圈表面或者通孔与顶部电极连通，采用蚀刻在将顶部电极蚀刻出两个金属区域，两个金属区域分别与锂离子电池的正负电极连接，并在该两个金属区域之间形成保险丝，使得本装置可安装在圆柱锂离子电池内，能够在过电流时切断通过电池的电流来阻止着火和爆炸；
2、采用在第一金属环和第二金属环之间的蚀刻区内设置灭弧层，可以在高压情况时帮助保险丝灭弧；
3、保险丝采用蚀刻的方式形成，可根据熔断点要求设计保险丝的形状。
以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用圆盘形保险装置，其特征在于，包括：
第一环形导电体，电连接于锂离子电池的第一电极；
第二环形导电体，包含相互隔离的第一金属环和第二金属环，所述第一金属环电连接于锂离子电池的第二电极；
保险丝，电连接于所述第一金属环和所述第二金属环；
环形绝缘基材，填充于所述第一环形导电体和所述第二环形导电体之间；以及
导电孔，开设于所述第一环形导电体并贯穿所述环形绝缘基材和所述第二金属环，导通所述第一环形导电体和所述第二金属环。
2.如权利要求1所述的锂离子电池用圆盘形保险装置，其特征在于：所述第一金属环和所述第二金属环之间通过蚀刻区相互隔离，所述蚀刻区内设有导通所述第一金属环和所述第二金属环的保险功能区，所述保险丝形成于所述保险功能区。
3.如权利要求2所述的锂离子电池用圆盘形保险装置，其特征在于：所述蚀刻区的宽度大于等于0.1mm。
4.如权利要求2所述的锂离子电池用圆盘形保险装置，其特征在于：所述保险功能区上镀有锡体。
5.如权利要求4所述的锂离子电池用圆盘形保险装置，其特征在于：所述锡体上设有覆盖所述保险功能区的灭弧层。
6.如权利要求1所述的锂离子电池用圆盘形保险装置，其特征在于：所述导电孔的孔壁上镀有金属导电层。
7.如权利要求1所述的锂离子电池用圆盘形保险装置，其特征在于：所述第一金属环位于所述第二金属环的外侧，所述导电孔为所述第一环形导电体、所述环形绝缘基材及所述第二金属环的中心孔。
8.一种锂离子电池用圆柱形保险装置，其特征在于，包括：
第一环形导电体，电连接于锂离子电池的第一电极；
第二环形导电体，电连接于锂离子电池的第二电极；
环形绝缘基材，填充于所述第一环形导电体和所述第二环形导电体之间；
第一导电孔，开设于所述第一环形导电体并深入所述环形绝缘基材中，所述第一导电孔与所述第一环形导电体导通；
第二导电孔，开设于所述第二环形导电体并深入所述环形绝缘基材中，所述第二导电孔与所述第二环形导电体导通；以及
保险丝，电连接于所述第一导电孔和所述第二导电孔。
9.如权利要求8所述的锂离子电池用圆柱形保险装置，其特征在于：所述环形绝缘基材中夹设有金属层，所述保险丝设于所述金属层上。
10.如权利要求8所述的锂离子电池用圆柱形保险装置，其特征在于：所述第一导电孔和所述第二导电孔中填充有导电材料。
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