CN107452902A - 极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池 - Google Patents

极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，属于锂离子电池领域，包括不锈钢外壳座、不锈钢外壳盖、聚四氟乙烯座体、聚四氟乙烯压头和不锈钢导气螺柱，聚四氟乙烯座体嵌入不锈钢外壳座中，聚四氟乙烯压头嵌入不锈钢外壳盖中，不锈钢外壳盖套接在不锈钢外壳座上，不锈钢导气螺柱嵌入聚四氟乙烯压头内。该电池电池结构合理，正极和负极壳采用不锈钢和聚四氟乙烯双层紧连接结构，通过聚四氟乙烯座体和聚四氟乙烯盖实现电芯和电池不锈钢外壳的电绝缘。正极侧和负极侧的不锈钢外壳通过螺纹密封连接，实现锂离子电池简便易行的组装和拆卸。

Description

极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池。
背景技术
在目前商用的二次电池中，锂离子电池具有高比容量、优异的倍率性质、长循环寿命等诸多优点，不仅在小型3C产品的便携式电源中占据绝对的主导地位，近些年来随着电动汽车或混合动力汽车中对电池续航里程不断提高的需求，锂离子电池在动力电池领域也已经得到实际应用并且应用范围还在进一步扩大。但是困扰锂离子电池的安全性问题一直亟待解决。解决锂离子电池的安全性问题，提高锂离子电池的电化学性能和安全性，都需要对锂离子电池的电化学运行机理，无论是正常还是异常运行情况下的机理进行全方位的探索研究。
锂离子电池在制成和运行的各个阶段，其电化学反应机理都非常复杂。锂离子电池中各组成部件包括正极主材、负极主材、电解质溶液、电解质溶液中的各种添加剂、电池制成过程中的环境参数对于电池的电化学性能都有显著影响。对锂离子电池的电化学反应机理进行全面科学的分析研究对于提高锂离子电池的电化学性能、解决锂离子电池中产生的各种问题都至关重要。因此对锂离子电池在制成和运行过程的电化学反应机理进行全面和即时的分析测试一直锂离子电池制造和研究人员关注的焦点。
对于运行中的锂离子电池进行无损自主拆卸，对电池的各个组成部件包括正极极片、负极极片、隔膜、电解质溶液、极耳、基底等进行进一步的分析和研究都十分有意义。
锂离子电池的化成和老化过程是电池制造的重要一环，对于电池性能的稳定和提升有重要作用，在锂离子电池的化成和老化过程中会有气体生成。生成气体的数量和种类和锂离子电池中所用的正负极主料有关，也和电池的制成工艺和制成环境有关。电池制造工业中经常采用先预封，化成后排气，然后再进行正式密封工艺制造电池。正常情况下正式密封后的锂离子电池正常运行时产气量已经很少了。但是在电池滥用、苛刻条件下运行或电池制成过程出现瑕疵时，在锂离子电池正式密封后还是会有气体产生。这些产生的气体除了对电池性能产生严重影响外，还会成为锂离子电池的重大安全隐患。因此对于锂离子电池在化成和老化过程中以及正常或异常运行情况产生的气体进行方便易行的定性和定量分析很有意义和必要性。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，包括不锈钢外壳座、不锈钢外壳盖、聚四氟乙烯座体、聚四氟乙烯压头、不锈钢导气螺柱；
所述不锈钢外壳座底部沿周向向外延伸形成一圈座体，所述不锈钢外壳座内开设有第一变径通孔，所述第一变径通孔的上半部直径大于下半部直径，所述不锈钢外壳盖内开设有底部打通的变径孔，所述变径孔的上半部直径小于下半部直径，所述不锈钢外壳盖套接在所述不锈钢外壳座上，所述不锈钢外壳盖的底壁与所述座体抵接；
所述聚四氟乙烯座体的纵截面与所述第一变径通孔匹配，所述聚四氟乙烯座体嵌入所述第一变径通孔内，所述聚四氟乙烯座体顶部内侧开设有圆形凹槽，所述圆形凹槽的直径与所述不锈钢外壳盖的上半部直径相同，所述聚四氟乙烯座体内沿轴向开设有靠近所述聚四氟乙烯座体外壁的第一圆柱形通孔、第二圆柱形通孔和第二变径通孔，所述第二变径通孔的上半部直径小于下半部直径，所述第一圆柱形通孔、第二圆柱形通孔和第二变径通孔均与所述圆形凹槽连通，所述第一圆柱形通孔的圆心和所述第二圆柱形通孔的圆心连线经过所述圆形凹槽的圆心并且与所述第二变径通孔和所述圆形凹槽的圆心连线垂直；
所述聚四氟乙烯压头为与所述圆形凹槽匹配的圆柱状结构，所述聚四氟乙烯压头嵌入所述圆形凹槽内，所述聚四氟乙烯座体和聚四氟乙烯压头之间具有电池内腔，所述不锈钢导气螺柱包括一体成型的上柱体和下柱体，所述上柱体的外径小于所述下柱体的外径，所述上柱体和所述下柱体之间沿轴向具有向内的一圈凹槽，所述不锈钢导气螺柱内同轴开设有第三圆柱形通孔，所述下柱体与所述变径孔的下半部匹配，所述不锈钢导气螺柱嵌入所述变径孔内；
所述第一圆柱形通孔内设有正极导电极柱，所述第三通孔内设有负极导电极柱，所述电池内腔内设有电芯，所述电芯包括正极片组、负极片组和隔膜组，所述正极片组模切为正极正方形片和正极组极耳，所述负极片组模切为负极正方形片和负极组极耳，所述正极片组包括一个空白铝箔和正极主料，所述空白铝箔设置在所述正极片组其中一侧的最外端，所述空白铝箔和所述正极主料通过基材铝箔极耳叠片连接，所述负极片组包括空白铜箔和负极主料，所述空白铜箔设置在所述负极片组其中一侧的最外端，所述空白铜箔和所述负极主料通过基材铜箔极耳叠片连接，所述隔膜组包括多个隔膜材料，多个所述隔膜材料均为圆片状结构；
所述正极组极耳和所述负极组极耳反向引出，所述正极片组和所述所述负极片组均采用叠片结构。
优选地，所述不锈钢导气螺柱和所述变径孔之间通过螺纹连接密封。
优选地，所述正极主料为选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的至少一种。
优选地，所述负极主料为选自人造石墨、天然石墨、钛酸锂、石墨烯中的至少一种。
优选地，所述负极主料为金属锂片。
优选地，所述正极导电极柱为圆柱形铝棒，所述负极导电极柱为圆柱形镍棒。
优选地，所述不锈钢外壳盖的底壁与所述座体之间设置有橡胶密封圈。
优选地，所述电池中所用电解质溶液为六氟磷酸锂系列的液体电解质溶液，溶剂为选自乙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯中的至少一种。
优选地，所述不锈钢外壳座与所述不锈钢外壳盖的外部结构为方形，所述不锈钢外壳座与所述不锈钢外壳盖通过螺纹连接密封。
本发明提供的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池的有益效果为：
1、电池底座和电池盖采用不锈钢和聚四氟乙烯双层结构。通过不锈钢外壳盖和不锈钢外壳座之间的螺纹连接非常方便地实现电池的自主组装和拆卸。通过聚四氟乙烯压头和聚四氟乙烯座体组合构成电池内腔。实现内部电芯和外部不锈钢电池壳体的电绝缘。这克服了传统的锂离子电池封装后极难拆卸，拆卸后电池往往遭到破坏，无法进行原位分析研究的难题。
2、正极组极耳和负极组极耳反向引出。聚四氟乙烯座体即极柱侧在同侧同时设置正极导电极柱和负极导电极柱。这种极耳反向引出，极柱同侧设置结构即能有效避免极耳搭接引起的短路，同时同侧设置正负极柱可以方便电池的放置，也方便电池进行各种测试和研究。
3、聚四氟乙烯座体上设计有不锈钢导气螺柱，不锈钢导气螺柱和聚四氟乙烯座体之间通过螺纹连接密封。从而可以实现电池化成、老化和运行过程中的气体释放和气体采样分析。在实际使用中，不锈钢导气螺柱可采用封头密封或用绝缘胶带密封方便注射器采样分析，或者和气质联用系统的进样管直接相连进行现场即时分析。
附图说明
图1为本发明的不锈钢外壳座的结构示意图；
图2为本发明的不锈钢外壳盖的结构示意图；
图3为本发明的聚四氟乙烯座体结构示意图；
图4为本发明的聚四氟乙烯压头的结构示意图；
图5为本发明的不锈钢导气螺柱的结构示意图；
图6为本发明的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池装配图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例1
本发明提供了一种极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，具体如图1至图6所示，包括不锈钢外壳座1、不锈钢外壳盖2、聚四氟乙烯座体3、聚四氟乙烯压头4、不锈钢导气螺柱5；
不锈钢外壳座1底部沿周向向外延伸形成一圈座体6，不锈钢外壳座1内开设有第一变径通孔7，第一变径通孔7的上半部直径大于下半部直径，不锈钢外壳盖2内开设有底部打通的变径孔8，变径孔8的上半部直径小于下半部直径，不锈钢外壳盖2套接在不锈钢外壳座1上，不锈钢外壳盖2的底壁与座体6抵接，本实施例中不锈钢外壳座1与不锈钢外壳盖2的外部结构为方形，不锈钢外壳座1与不锈钢外壳盖2通过螺纹连接密封；
聚四氟乙烯座体3的纵截面与第一变径通孔7匹配，聚四氟乙烯座体3嵌入第一变径通孔7内，聚四氟乙烯座体3顶部内侧开设有圆形凹槽9，圆形凹槽9的直径与不锈钢外壳盖2的上半部直径相同，聚四氟乙烯座体3内沿轴向开设有靠近聚四氟乙烯座体3外壁的第一圆柱形通孔10、第二圆柱形通孔11和第二变径通孔12，第二变径通孔12的上半部直径小于下半部直径，第一圆柱形通孔10、第二圆柱形通孔11和第二变径通孔12均与圆形凹槽9连通，第一圆柱形通孔10的圆心和第二圆柱形通孔11的圆心连线经过圆形凹槽9的圆心并且与第二变径通孔7和圆形凹槽9的圆心连线垂直；
聚四氟乙烯压头4为与圆形凹槽9匹配的圆柱状结构，聚四氟乙烯压头4嵌入圆形凹槽9内，聚四氟乙烯座体3和聚四氟乙烯压头4之间具有电池内腔13，不锈钢导气螺柱5包括一体成型的上柱体和下柱体，上柱体的外径小于下柱体的外径，上柱体和下柱体之间沿轴向具有向内的一圈凹槽14，不锈钢导气螺柱5内同轴开设有第三圆柱形通孔15，下柱体与变径孔12的下半部匹配，不锈钢导气螺柱5嵌入变径孔12内；
第一圆柱形通孔10内设有正极导电极柱16，第二圆柱形通孔11内设有负极导电极柱17，电池内腔13内设有电芯，电芯包括正极片组、负极片组和隔膜组，正极片组模切为正极正方形片和正极组极耳，负极片组模切为负极正方形片和负极组极耳，正极正方形片和负极正方形片的长均为35mm，宽均为35mm，正极组极耳和负极组极耳的长均为12mm，宽均为5mm。正极片组包括一个空白铝箔和正极主料，空白铝箔设置在正极片组其中一侧的最外端，空白铝箔和正极主料通过基材铝箔极耳叠片连接，负极片组包括空白铜箔和负极主料，空白铜箔设置在负极片组其中一侧的最外端，空白铜箔和负极主料通过基材铜箔极耳叠片连接，隔膜组包括多个隔膜材料，多个隔膜材料均为圆片状结构，隔膜为Celgard2325、Celgard2400、陶瓷隔膜，直径为40mm；
正极组极耳和负极组极耳反向引出，正极片组和负极片组均采用叠片结构。
不锈钢导气螺柱5和变径孔12之间通过螺纹连接密封。
进一步地，正极主料为选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的至少一种。通过正极主料、导电剂、粘合剂混合进行制浆、调浆、机器自动涂膜、一次烘干、辊压、模切机模切、二次真空烘干(120℃，12h)、称重，转移至控湿干燥氩气手套箱中备用。
负极主料为选自人造石墨、天然石墨、钛酸锂、石墨烯中的至少一种。通过负极主料、导电剂、粘合剂混合进行制浆、调浆、机器自动涂膜、一次烘干、辊压、模切机模切、二次真空烘干(120℃，12h)、称重，转移至控湿干燥氩气手套箱中备用。负极制浆分水系制浆和油系制浆，各组分比例进行调节，各工艺参数也相应调节。
负极主料还可以为金属锂片。
正极导电极柱16为圆柱形铝棒，负极导电极柱17为圆柱形镍棒，两者的直径均为5mm。空白铝箔和正极主料的极耳叠片后与正极导电极柱16对应连接，空白铜箔和负极主料的极耳叠片后与负极导电极柱17对应连接(紧接触)。负极极耳与负极导电极柱17之间实行免焊紧接触连接。正极极耳与正极导电极柱16之间实行免焊紧接触连接。
为了提高密封性能，不锈钢外壳盖2的底壁与座体6之间设置有橡胶密封圈18。
本实施的电池中所用电解质溶液为六氟磷酸锂系列的液体电解质溶液，溶剂为选自乙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯中的至少一种。根据研究对象和研究目的不同，还存在各种电解质添加剂。
在电池制作过程中，电池各部件均需经过严格的清洗，充分干燥后转移至控湿控氧的干燥氩气气氛手套箱中备用。在实施过程中，所述按照空白铜箔、隔膜、负极主料、隔膜、正极主料、隔膜、负极主料、隔膜、正极主料、隔膜、空白铝箔的顺序叠加。其中负极主料、隔膜、正极主料作为一个单元，重复次数为5，为保证容量匹配性，负极片比正极片多一片。在负极主料、隔膜叠放环节进行分批次注液。在手套箱中完成电池的组装和封口。间歇气体采样通过保鲜膜和聚四氟乙烯薄膜将不锈钢导气螺柱出气口密封。转移出手套箱后采用蜡封将保鲜膜和聚四氟乙烯薄膜和不锈钢导气螺柱连接部位二次密封加固。
制得的锂离子电池按照传统工艺进行化成、老化、检测电池的各项电化学性能，完成电池的制作。可以通过极柱进行各项电池的各项电化学性能测试。在电池的化成、老化、倍率性能测试、循环寿命测试、高低温性能测试过程中，通过电池中聚四氟乙烯座体上的不锈钢导气螺柱实施气体释放和采样分析，并通过气质联用对电池产生气体进行定性定量分析。图中实例所示均为前面所述电池的尺寸参数。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，包括不锈钢外壳座(1)、不锈钢外壳盖(2)、聚四氟乙烯座体(3)、聚四氟乙烯压头(4)和不锈钢导气螺柱(5)；
所述不锈钢外壳座(1)底部沿周向向外延伸形成一圈座体(6)，所述不锈钢外壳座(1)内开设有第一变径通孔(7)，所述第一变径通孔(7)的上半部直径大于下半部直径，所述不锈钢外壳盖(2)内开设有底部打通的变径孔(8)，所述变径孔(8)的上半部直径小于下半部直径，所述不锈钢外壳盖(2)套接在所述不锈钢外壳座(1)上，所述不锈钢外壳盖(2)的底壁与所述座体(6)抵接；
所述聚四氟乙烯座体(3)的纵截面与所述第一变径通孔(7)匹配，所述聚四氟乙烯座体(3)嵌入所述第一变径通孔(7)内，所述聚四氟乙烯座体(3)顶部内侧开设有圆形凹槽(9)，所述圆形凹槽(9)的直径与所述变径孔(8)的下半部直径相同，所述聚四氟乙烯座体(3)内沿轴向开设有靠近所述聚四氟乙烯座体(3)外壁的第一圆柱形通孔(10)、第二圆柱形通孔(11)和第二变径通孔(12)，所述第二变径通孔(12)的上半部直径小于下半部直径，所述第一圆柱形通孔(10)、第二圆柱形通孔(11)和第二变径通孔(12)均与所述圆形凹槽(9)连通，所述第一圆柱形通孔(10)的圆心和所述第二圆柱形通孔(11)的圆心连线经过所述圆形凹槽(9)的圆心并且与所述第二变径通孔(7)和所述圆形凹槽(9)的圆心连线垂直；
所述聚四氟乙烯压头(4)为与所述圆形凹槽(9)匹配的圆柱状结构，所述聚四氟乙烯压头(4)嵌入所述圆形凹槽(9)内，所述聚四氟乙烯座体(3)和聚四氟乙烯压头(4)之间具有电池内腔(13)，所述不锈钢导气螺柱(5)包括一体成型的上柱体和下柱体，所述上柱体的外径小于所述下柱体的外径，所述上柱体和所述下柱体之间沿轴向具有向内的一圈凹槽(14)，所述不锈钢导气螺柱(5)内同轴开设有第三圆柱形通孔(15)，所述下柱体与所述变径孔(12)的下半部匹配，所述不锈钢导气螺柱(5)嵌入所述变径孔(12)内；
所述第一圆柱形通孔(10)内设有正极导电极柱(16)，所述第二圆柱形通孔(11)内设有负极导电极柱(17)，所述电池内腔(13)内设有电芯，所述电芯包括正极片组、负极片组和隔膜组，所述正极片组模切为正极正方形片和正极组极耳，所述负极片组模切为负极正方形片和负极组极耳，所述正极片组包括一个空白铝箔和正极主料，所述空白铝箔设置在所述正极片组其中一侧的最外端，所述空白铝箔和所述正极主料通过基材铝箔极耳叠片连接，所述负极片组包括空白铜箔和负极主料，所述空白铜箔设置在所述负极片组其中一侧的最外端，所述空白铜箔和所述负极主料通过基材铜箔极耳叠片连接，所述隔膜组包括多个隔膜材料，多个所述隔膜材料均为圆片状结构；
所述正极组极耳和所述负极组极耳反向引出，所述正极片组和所述所述负极片组均采用叠片结构。
2.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述不锈钢导气螺柱(5)和所述变径孔(12)之间通过螺纹连接密封。
3.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述正极主料为选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述负极主料为选自人造石墨、天然石墨、钛酸锂、石墨烯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述负极主料为金属锂片。
6.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述正极导电极柱(16)为圆柱形铝棒，所述负极导电极柱(17)为圆柱形镍棒。
7.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述不锈钢外壳盖(2)的底壁与所述座体(6)之间设置有橡胶密封圈(18)。
8.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述电池中所用电解质溶液为六氟磷酸锂系列的液体电解质溶液，溶剂为选自乙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的极柱同侧设置的可拆卸可即时采气分析的可充锂离子电池，其特征在于，所述不锈钢外壳座(1)与所述不锈钢外壳盖(2)的外部结构为方形，所述不锈钢外壳座(1)与所述不锈钢外壳盖(2)通过螺纹连接密封。
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