CN107195835B - 硬壳电池及其单向排气阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬壳电池的单向排气阀，其包括：可安装于硬壳电池的电池外壳或电池顶盖上的中空阀体，阀体的底端与电池内部连通，阀体的顶端延伸出电池外；密封安装于阀体中的吸附层，吸附层用于吸附电池内部产生的气体并将气体从阀体的顶端排出电池外部；以及设置于吸附层上方的隔离层，隔离层允许电池内的气体单向排出电池外部。相对于现有技术，本发明硬壳电池的单向排气阀不需要打开阀门，仅仅利用吸附和解吸附原理即可将电池内部产生的CO2、CO、CH4等小分子气体排放到外界，排气操作简便且具有理想的密封性能，可显著提高硬壳电池的使用寿命和安全性能。此外，本发明还公开了一种硬壳电池。

Description

硬壳电池及其单向排气阀
技术领域
本发明属于电池领域，更具体地说，本发明涉及一种硬壳电池及其单向排气阀。
背景技术
相对于铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，因此被广泛用作电动汽车的电源。锂离子电池在存储或循环过程中，电解液会不可避免地与正极活性物质反应并产生气体。随着对锂离子电池的体积能量密度的要求越来越高，电池内部设计的死体积也越来越小。当电池内部产生少量气体时，电池内压便会急剧增加，电池内压过大会导致电池壳体变形甚至破裂，从而带来安全隐患。
单向排气阀可以将电池内部的气体排放到外界，从而降低电池内部的压力。目前，单向排气阀已应用于锂离子电池中。例如，申请号为201120157029.2的中国实用新型专利就揭示了一种单向排气阀，排气时，将电池放置于真空中，打开单向排气阀的进口端，以抽取内部气体的方式排出气体。但是，由于排气阀被打开，电池的密封性能变差，外界空气容易侵入内部电芯，影响电池的安全使用。
有鉴于此，确有必要提供一种硬壳电池及其单向排气阀，其不仅排气操作简便，而且具有理想的使用寿命和安全性能。
发明内容
本发明的发明目的在于：提供一种硬壳电池及其单向排气阀，其不仅排气操作简便，而且具有理想的使用寿命和安全性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种硬壳电池的单向排气阀，其包括：
可安装于硬壳电池的电池外壳或电池顶盖上的中空阀体，阀体的底端与电池内部连通，阀体的顶端延伸出电池外；
密封安装于阀体中的吸附层，吸附层用于吸附电池内部产生的气体并将气体从阀体的顶端排出电池外部，但不能吸附非水电解液的溶剂；以及
设置于吸附层上方的隔离层，隔离层允许电池内的气体排出电池外部，且能阻止非水电解液的溶剂外漏。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述吸附层为分子筛、聚乙烯亚胺或活性炭，所述电池内部产生的气体为CO2、CO、CH4中的一种或多种。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述吸附层的厚度为0.5～3mm。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述隔离层的材料为粘度为1×10-3～10Pa·s，分子量为100～5000的液体。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述隔离层为分子量1000～4000的甲基硅油。甲基硅油具有粘度低、耐高温、化学稳定性高的特性。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述阀体的顶端设有多孔外罩。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述单向排气阀由耐电解液腐蚀的不锈钢或铝制成。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述隔离层上方设有透气层。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述透气层为多孔PE膜。多孔PE膜具有能快速通过气体小分子，阻隔大分子溶剂的特性。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述吸附层和透气层通过设于所述阀体内壁的环状支撑部固定于阀体内，且所述吸附层与所述环状支撑部之间、所述透气层与所述环状支撑部之间设有密封圈。
作为本发明硬壳电池的单向排气阀的一种改进，所述密封圈的厚度为0.1～1mm。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种硬壳电池，其包括电池外壳、收容于电池外壳中的电芯、填充于电池外壳中的非水电解液，以及密封组接于电池外壳上的电池顶盖，其中，所述电池外壳或电池顶盖上安装有前述单向排气阀。
作为本发明硬壳电池的一种改进，所述电池内部充有N2，电池内的气压比大气压力大0.01～0.02MPa。
作为本发明硬壳电池的一种改进，所述单向排气阀的中部设有突出定位部，定位部通过激光焊接焊接于电池顶盖上。
与现有技术相比，本发明硬壳锂离子电池的单向排气阀具有以下优点：硬壳电池的非水电解液体系以EC、EMC、DEC为溶剂，非水电解液与正极活性物质反应产生的气体约70％为CO2，20％为CO，10％为CH4。本发明单向排气阀不需要打开阀门，利用吸附层吸附电池内部产生的CO2、CO、CH4等小分子气体，并在外界为低压、或电池内部压力大于吸附层再生压力、或吸附层的温度大于再生温度时，通过解吸附原理可以将吸附的气体分子排放到外界。
本发明单向排气阀体积小、排气操作简便且具有理想的密封性能、可防止外界空气和水分子进入电池内部影响电池电气性能，可显著提高电池的使用寿命和安全性能，因此适合体积能量密度高、死体积小、使用寿命长的车用动力电池。在不影响电性能的前提下，能将电池内部压力保持在不影响电池安全的范围内。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明硬壳电池及其单向排气阀进行详细说明，附图中：
图1为本发明硬壳电池的结构示意图。
图2为图1中A部所示的单向排气阀的局部放大示意图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图1所示，本发明硬壳电池包括：电池外壳200、收容于电池外壳200中的电芯202(电芯202设有正极203和负极204)、填充于电池外壳200中的非水电解液、密封组接于电池外壳200上的电池顶盖201，以及安装于电池顶盖201上的单向排气阀100。
电池外壳200能在0.5MPa压强的条件下不变形，电池化成后其内部充有N2，其气压比大气压大0.01～0.02MPa。例如，根据本发明的一个实施方式，电池内部的气压为0.11MPa。
请一并参阅图1和图2所示，本发明单向排气阀100包括：
可安装于电池外壳200上或电池顶盖201上的阀体120，阀体120采用不锈钢或铝等金属制成，能耐受锂电池电解液的腐蚀。阀体120为两端开口的中空阀体，其底端与电池内部连通，其顶端延伸出电池外。在图示实施方式中，阀体120分为顶端、中部、底端三个部分，三部分采用螺纹连接，其中，中部设有环状突出定位部(未标注)，可以使用激光将阀体120的定位部固定于电池顶盖201上。例如，可以固定于电池顶盖201的正极203、负极204之间。在图示实施方式中，阀体120安装于电池顶盖201上，但是，根据本发明的其他实施方式，阀体120也可以装设于电池外壳200的适当位置上。
密封安装于阀体120中的吸附层110，吸附层110用于吸附电池内部产生的气体并通过解吸附将气体从阀体120的顶端排出电池外部。将厚度为0.5-3mm的条状13X型分子筛打磨成直径为5mm的光滑圆柱状，将此圆柱状分子筛作为吸附层110。吸附层110通过第二环状支撑部108、112以螺纹连接方式固定于阀体120中。为了防止非水电解液溶剂外漏，吸附层110与第二环状支撑部108、112之间垫有厚度为0.1-1mm的橡胶密封圈109、111。
现有硬壳电池，例如锂离子电池，的非水电解液体系为EC、EMC、DEC，其产生的气体约70％为CO2，约20％为CO，约10％为CH4等烷烃。因此吸附层110采用分子筛，或者采用吸附分子半径大于CO2的分子半径的多孔固体材料，如聚乙烯亚胺(PEI)(将PEI溶解于甲醇溶剂，然后把这种溶液倒入熔融气化状态下的硅石材料中搅拌，待甲醇蒸发、硅石冷却后，即形成多孔的固体材料，固体中无数小孔内壁则吸附了很薄的一层PEI)。当然，也可以根据不同非水电解液的产气情况，使用不同的材料作为吸附层110来吸收相应的气体，如活性碳等。
吸附层110能够吸附锂离子电池使用过程中内部产生的CO2、CO、CH4等小分子气体，但不能吸附锂离子电池非水电解液的大分子溶剂。在锂离子电池外部为低压、电池内部压力大于分子筛再生压力或吸附层110温度大于分子筛再生温度时，可以解吸附并释放出小分子气体。
设置于吸附层110上方的隔离层107，隔离层107允许电池内的气体单向排出电池外部。即，电池内部气压高时，电池内部的气体可以通过隔离层107排出电池外部，外部的空气和水分子不能通过排气阀100进入锂离子电池内部。隔离层107的材料可以采用粘度低、耐高温、化学稳定性高的疏水大分子溶剂，例如分子量为100～5000、粘度为1×10-3～10Pa·s的液体，优选分子量为1000～4000的甲基硅油。
设置于隔离层107上方的透气层104，透气层104通过第一环状支撑部102、106以螺纹连接方式固定于阀体120中。为了增强密封性能，透气层104与第一环状支撑部102、106之间垫有厚度为0.1-1mm的橡胶密封圈103、105。透气层104具有能使气体小分子快速通过，但阻隔大分子溶剂的特性，可以采用多孔PE薄膜材料。
需要说明的是，根据本发明的一个优选实施方式，为了防止外界利器刺穿透气层104，单向排气阀100的顶端设有一个半球形多孔外罩101。
本发明单向排气阀100通过分子筛吸附电池内部产生的CO2、CO、CH4等小分子气体，再通过负压、高压、高温的手段使分子筛解吸附，将气体排放到外界。吸附层110分子筛解吸附并排出气体的方式如下：
第一种方式：将电池内部充入N2，使电池内部的压力为0.11MPa。锂离子电池满充后，放入85℃恒温炉中使电池加速产气。当电池内压达到分子筛再生压力0.31MPa时，吸附层110的分子筛开始解吸附并将气体排放到外界，此时电池内压不再增加。
第二种方式：将电池内部充入N2，使电池内部的压力为0.11MPa。锂离子电池满充后，放入85℃恒温真空炉中使电池加速产气。因为外界为真空，吸附层110的分子筛吸附的气体很快就会被解吸附，并排放到外界。
第三种方式：在单向排气阀100外部套上带耐高温材料保护层的电热丝，将电池内部充入N2，使电池内部的压力为0.11MPa。电池满充后，放入85℃恒温炉中使电池加速产气。电热丝每隔12h加热到400℃，并保持15min。电池内部产生的气体被分子筛吸附之后，当温度达到分子筛再生温度时，吸附的气体被解吸附而释放。由于电池内部压力大于外部压力，释放的气体被排放到外界。电池的内压保持在0.2MPa左右，并一直在此压力附近波动。
结合以上的详细描述可知，与现有技术相比，本发明硬壳电池的单向排气阀具有以下优点：单向排气阀100不需要打开阀门，利用吸附层110吸附电池内部产生的CO2、CO、CH4等小分子气体，并在外界为低压、或电池内部压力大于吸附层再生压力、或吸附层的温度大于再生温度时，通过解吸附原理可以将吸附的气体分子排放到外界。
本发明单向排气阀100体积小、排气操作简便且具有理想的密封性能、可防止外界空气和水分子进入电池内部影响电池电气性能，可显著提高电池的使用寿命和安全性能，因此适合体积能量密度高、死体积小、使用寿命长的车用动力电池。在不影响电性能的前提下，能将电池内部压力保持在不影响电池安全的范围内。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种硬壳电池的单向排气阀，其包括：
中空阀体，阀体的底端与电池内部连通，阀体的顶端延伸出电池外；
密封安装于阀体中的吸附层，吸附层用于吸附电池内部产生的气体，并在外界为低压、或电池内部压力大于吸附层再生压力、或吸附层的温度大于再生温度时，通过解吸附原理将气体从阀体的顶端排出电池外部；
设置于吸附层上方的隔离层，隔离层的材料为粘度为1×10-3～10Pa·s、分子量为100～5000的液体，隔离层允许电池内的气体单向排出电池外部；以及
设置于隔离层上方的透气层。
2.根据权利要求1所述的硬壳电池的单向排气阀，其特征在于：所述吸附层为分子筛、聚乙烯亚胺或活性炭。
3.根据权利要求1所述的硬壳电池的单向排气阀，其特征在于：所述隔离层为分子量1000～4000的甲基硅油。
4.根据权利要求1所述的硬壳电池的单向排气阀，其特征在于：所述阀体的顶端设有多孔外罩。
5.根据权利要求1所述的硬壳电池的单向排气阀，其特征在于：所述透气层为多孔PE膜。
6.根据权利要求1所述的硬壳电池的单向排气阀，其特征在于：所述吸附层和透气层通过设于所述阀体内壁上设置的环状支撑部固定于阀体内，且所述吸附层与所述环状支撑部之间、所述透气层与所述环状支撑部之间设有密封圈。
7.一种硬壳电池，包括电池外壳、收容于电池外壳中的电芯、填充于电池外壳中的非水电解液，以及密封组接于电池外壳上的电池顶盖，其特征在于：所述电池外壳或电池顶盖上安装有权利要求1至6中任一项所述的单向排气阀。
8.根据权利要求7所述的硬壳电池，其特征在于：所述硬壳电池内部充有N2，电池内的气压比大气压力大0.01～0.02MPa。
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