CN109742308A - 一种锂离子电池顶盖结构及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新能源电池技术领域的锂离子电池顶盖结构，所述的锂离子电池顶盖结构的正极柱主体(2)内设置正极柱(3)，正极柱(3)内设置正极柱相变材料部(4)，正极柱(2)与锂电池的电芯(6)的正极集流体(7)相连，顶盖本体(1)另一端设置负极柱主体(8)，负极柱主体(8)内设置负极柱(9)，负极柱(9)内设置负极柱相变材料部(10)，负极柱(9)与电芯(6)的负极集流体(12)相连。本发明所述的锂离子电池顶盖结构，在锂离子电池正常使用时，单体锂离子电池能够实现自身温度调节，有效控制电芯使用温度，提高电芯的使用寿命，同时对于抑制锂离子电池热失控有良好效果。

Description

一种锂离子电池顶盖结构及锂离子电池

技术领域

本发明属于新能源电池技术领域，更具体地说，是涉及一种锂离子电池顶盖结构，本发明还涉及一种锂离子电池。

背景技术

锂离子电池作为一种绿色环保电池，电池的使用寿命被越来越多人重视。但锂离子电池属于一个亚稳态系统，对温度十分敏感，温度过高，会显著加速电池容量的衰减，温度过低，会降低电池的动力学特性。目前，锂离子电池普遍在模组设计中进行散热或加热，通过水冷管或者风冷或组合的方式和加热板对锂离子电池表面进行散热。但由于锂离子电池内部是由正极、隔膜和负极三明治结构构成，而隔膜的导热性比较差，因此造成锂离子电池内外层温差大，模组内各锂离子电池单体间温差大等问题，使得锂离子电池的温控无法满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单，在锂离子电池正常使用时，单体锂离子电池能够实现自身温度调节，从而有效控制电芯使用温度，提高电芯的使用寿命，同时对于抑制锂离子电池热失控有良好效果的锂离子电池顶盖结构。

要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：

本发明为一种锂离子电池顶盖结构，所述的锂离子电池顶盖结构包括顶盖本体，顶盖本体一端设置正极柱主体，正极柱主体内设置正极柱，正极柱内设置正极柱相变材料部，正极柱上还设置正极柱密封盖，正极柱与锂电池的电芯的正极集流体相连，顶盖本体另一端设置负极柱主体，负极柱主体内设置负极柱，负极柱内设置负极柱相变材料部，负极柱上还设置负极柱密封盖，负极柱与电芯的负极集流体相连。

所述的锂离子电池顶盖结构的正极柱主体内的正极柱与正极集流体通过正极转接片相连，正极柱、正极集流体、正极柱转接片均设置为导热效率高的材料制成的结构。

所述的锂离子电池顶盖结构的负极柱主体内的负极柱与负极集流体通过负极转接片相连，负极柱、负极集流体、负极柱转接片均为导热效率高的材料制成的结构。

所述的正极柱、正极集流体、正极柱转接片均设置为铜材料或铝材料制成的结构，所述的正极柱相变材料部设置为石蜡、碳纤维复合材料、泡沫镍复合材料中的一种制作而成的结构。

所述的负极柱、负极集流体、负极柱转接片均设置为铜材料或铝材料制成的结构，所述的负极柱相变材料部设置为石蜡、碳纤维复合材料、泡沫镍复合材料中的一种制作而成的结构。

所述的正极柱、正极集流体、正极柱转接片设置为铜铝复合材料、铝镍复合材料中的一种制成的结构，所述的正极柱内的正极柱相变材料部设置为泡沫铜-石蜡复合材料、泡沫铝-石蜡复合材料、石蜡-碳纤维复合材料、石蜡-膨胀石墨复合材料、石墨烯-石墨复合材料、金属-石墨复合材料中的一种制作而成的结构。

所述的负极柱、负极集流体、负极柱转接片设置为铜铝复合材料、铝镍复合材料中的一种制成的结构，所述的负极柱内的负极柱相变材料部设置为泡沫铜-石蜡复合材料、泡沫铝-石蜡复合材料、石蜡-碳纤维复合材料、石蜡-膨胀石墨复合材料、石墨烯-石墨复合材料、金属-石墨复合材料中的一种制作而成的结构。

所述的锂离子电池顶盖结构的正极柱相变材料部和负极柱相变材料部的工作温度区间设置在15℃-35℃范围之间。

本发明还涉及一种锂离子电池，所述的锂离子电池包括所述的锂离子电池顶盖结构。

所述的锂离子电池的电芯包括电芯阳极极片、电芯阴极极片、正极隔离膜、负极隔离膜、正极集流体、负极集流体、正极转接片、负极转接片，所述的锂离子电池顶盖结构固定安装在电芯上。

采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：

本发明所述的锂离子电池顶盖结构，使用本发明所述的顶盖的锂离子电池,还包括锂离子电芯，电芯包含阳极极片、阴极极片、隔离膜，阳极集流体(正极集流体)、阴极集流体(负极集流体)，以及实现阴阳极集流体与顶盖正负极极柱连接的正负极装接片(正负极的转接片也可直接集成在极柱上)。而通过对顶盖各部件的结构改进及正极柱相变材料部、负极柱相变材料部的设置，当单体锂离子电池的温度高时，除了原有的热量通过隔离膜传导至电芯表面进行自然散热一部分之外(隔离膜导热效果很差，散热效率慢)，本发明的结构可以通过极柱内的相变材料部吸热，且集流体、转接片及极柱均为导热效率高的金属材料，这样，能够可靠实现降温作用，减慢锂电池容量衰减，当电芯使用环境温度过低时，相变材料部则会实现放热，能够有效地给电芯加热，以此来提高电池动力特性。这样，通过相变材料的吸热放热，能够有效控制电芯的使用温度，从而提高电芯的使用寿命。正负极柱的温控件为相变材料，吸热放热过程，系统温度能达到近似恒温的效果。顶盖中使用的相变材料满足以下要求：首先，材料热密度高，潜热量大；其次导热率高，吸放热过程迅速；再次，稳定性好，不容易分解，且不与正负极极柱主体及正负极柱密封盖反应。本发明所述的锂离子电池顶盖结构，结构简单，在锂离子电池正常使用时，单体锂离子电池能够实现自身温度调节，有效控制电芯使用温度，提高电芯的使用寿命，同时对于抑制锂离子电池热失控有良好效果。

附图说明

下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：

图1为本发明所述的锂离子电池顶盖结构的结构示意图；

图2为本发明所述的锂离子电池的结构示意图；

图3为本发明所述的锂离子电池的A-A面的剖视结构示意图；

图4为本发明所述的锂离子电池的B-B面的剖视结构示意图；

附图标记：1、顶盖本体；2、正极柱主体；3、正极柱；4、正极柱相变材料部；5、正极柱密封盖；6、电芯；7、正极集流体；8、负极柱主体；9、负极柱；10、负极柱相变材料部；11、负极柱密封盖；12、负极集流体；13、正极柱转接片；14、负极柱转接片；15、电芯阳极极片；16、电芯阴极极片；17、正极隔离膜；18、负极隔离膜；19、正极柱密封件；20、负极柱密封件；21、泄压片；22、注液孔。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：

如附图1-附图4所示，本发明为一种锂离子电池顶盖结构，所述的锂离子电池顶盖结构包括顶盖本体1，顶盖本体1一端设置正极柱主体2，正极柱主体2内设置正极柱3，正极柱3内设置正极柱相变材料部4，正极柱3上还设置正极柱密封盖5，正极柱2与锂电池的电芯6的正极集流体7相连，顶盖本体1另一端设置负极柱主体8，负极柱主体8内设置负极柱9，负极柱9内设置负极柱相变材料部10，负极柱9上还设置负极柱密封盖11，负极柱9与电芯6的负极集流体12相连。上述结构，使用本发明所述的顶盖的锂离子电池,还包括锂离子电芯，电芯包含阳极极片(电芯阳极极片)、阴极极片(电芯阴极极片)、隔离膜，阳极集流体(正极集流体)、阴极集流体(负极集流体)，以及实现阴阳极集流体与顶盖正负极极柱连接的正负极装接片(正负极的转接片也可直接集成在极柱上)。而通过对顶盖各部件的结构改进及正极柱相变材料部、负极柱相变材料部的设置，当单体锂离子电池的温度高时，除了原有的热量通过隔离膜传导至电芯表面进行自然散热一部分之外(隔离膜导热效果很差，散热效率慢)，本发明的结构可以通过极柱内的相变材料部吸热，且集流体、转接片及极柱均为导热效率高的金属材料，这样，能够可靠实现降温作用，减慢锂电池容量衰减，当电芯使用环境温度过低时，相变材料部则会实现放热，能够有效地给电芯加热，以此提高电池动力特性。这样，通过相变材料的吸热放热，能够有效控制电芯的使用温度，从而提高电芯的使用寿命。正负极柱的温控件为相变材料，吸热放热过程，系统温度能达到近似恒温的效果。顶盖中使用的相变材料满足以下要求：首先，材料热密度高，潜热量大；其次导热率高，吸放热过程迅速；再次，稳定性好，不容易分解，且不与正负极极柱主体及正负极柱密封盖反应。本发明所述的锂离子电池顶盖结构，在锂离子电池正常使用时，单体锂离子电池能够实现自身温度调节，有效控制电芯使用温度，提高电芯的使用寿命，同时对于抑制锂离子电池热失控有良好效果。

本发明提供一种锂离子电池用顶盖，该顶盖包括顶盖片、正负极柱、正负极柱密封件、正负极柱绝缘件、泄压阀、注液孔，正负极柱又包含正负极柱主体、正负极柱温控件、正负极柱密封盖。正负极柱通过顶盖片上的通孔，连接顶盖的内部和外部，极柱与顶盖片的通孔之间设置有密封件和绝缘件，或者只有密封件和绝缘件中的一种。正负极柱包含正负极柱主体、正负极柱温控件、正负极柱密封盖。正负极柱温控件容纳于正负极柱内部，通过正负极柱密封盖进行密封。顶盖的正负极柱均有该结构或者正负极柱中至少其中之一包含该结构。

所述的锂离子电池顶盖结构的正极柱主体2内的正极柱3与正极集流体7通过正极转接片13相连，正极柱3、正极集流体7、正极柱转接片13均设置为导热效率高的材料制成的结构。上述结构，在对电芯的温度进行调控时，能够可靠实现热量快速传递，从而在需要降温时快速降温，需要加温时快速加温，提高电池的整体使用寿命。

所述的锂离子电池顶盖结构的负极柱主体8内的负极柱9与负极集流体12通过负极转接片14相连，负极柱9、负极集流体12、负极柱转接片14均为导热效率高的材料制成的结构。上述结构，在对电芯的温度进行调控时，能够可靠实现热量快速传递，从而在需要降温时快速降温，需要加温时快速加温，提高电池的整体使用寿命。

所述的正极柱3、正极集流体7、正极柱转接片13均设置为铜材料或铝材料制成的结构，所述的正极柱相变材料部4设置为石蜡、碳纤维复合材料、泡沫镍复合材料中的一种制作而成的结构。所述的负极柱9、负极集流体12、负极柱转接片14均设置为铜材料或铝材料制成的结构，所述的负极柱相变材料部10设置为石蜡、碳纤维复合材料、泡沫镍复合材料中的一种制作而成的结构。上述材料选择，能够有效控制电芯每层集流体的温度，实现控制每个单体电芯温度的目的。有效控制单体锂离子电芯内外层温度，改善因模组级别控制电芯温度所出现的单体电芯间温度差异大导致的电池性能一致性差问题。

所述的正极柱3、正极集流体7、正极柱转接片13设置为铜铝复合材料、铝镍复合材料中的一种制成的结构，所述的正极柱3内的正极柱相变材料部4设置为泡沫铜-石蜡复合材料、泡沫铝-石蜡复合材料、石蜡-碳纤维复合材料、石蜡-膨胀石墨复合材料、石墨烯-石墨复合材料、金属-石墨复合材料中的一种制作而成的结构。所述的负极柱9、负极集流体12、负极柱转接片14设置为铜铝复合材料、铝镍复合材料中的一种制成的结构，所述的负极柱9内的负极柱相变材料部10设置为泡沫铜-石蜡复合材料、泡沫铝-石蜡复合材料、石蜡-碳纤维复合材料、石蜡-膨胀石墨复合材料、石墨烯-石墨复合材料、金属-石墨复合材料中的一种制作而成的结构。上述结构，通过以上正极柱3、正极集流体7、正极柱转接片13、正极柱相变材料部4、负极柱9、负极集流体12、负极柱转接片14、负极柱相变材料部10的材料选择，能够有效满足温度调控需求，提高电池的整体使用寿命。并且上述材料成本低，在提高电池寿命的同时，不会增加制造成本。

所述的锂离子电池顶盖结构的正极柱相变材料部4和负极柱相变材料部10的工作温度区间设置在15℃-35℃范围之间。上述结构，根据锂离子电芯的实际使用情况，选取的相变材料的温度范围适应锂电池的最佳工作温度区间15℃-35℃，这样，材料相变温度在小范围内实现温度可以调节，而且相变材料定型形态，相变前后不会出现液态气态相；材料潜热大，系统很稳能力强，材料绝缘性好，避免高压系统出现绝缘漏电现象；相变材料质量密度低，减小对电池包能量密度的影响。因此，本发明的相变材料(相变材料部)完全满足需求。

本发明还涉及一种锂离子电池，所述的锂离子电池包括所述的锂离子电池顶盖结构。锂离子电池的电芯6包括电芯阳极极片15、电芯阴极极片16、正极隔离膜17、负极隔离膜18、正极集流体7、负极集流体12、正极转接片13、负极转接片14，所述的锂离子电池顶盖结构固定安装在电芯6上。这样的电池，完全满足新能源汽车需求。

本发明所述的锂离子电池顶盖结构，在电池模组级别，能够有效解决单体锂离子电池温差大，长期使用出现的锂离子电池衰减差异大的问题，延长了电池模组的使用寿命，提高了新能源汽车续航里程。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的锂离子电池顶盖结构包括顶盖本体(1)，顶盖本体(1)一端设置正极柱主体(2)，正极柱主体(2)内设置正极柱(3)，正极柱(3)内设置正极柱相变材料部(4)，正极柱(3)上还设置正极柱密封盖(5)，正极柱(2)与锂电池的电芯(6)的正极集流体(7)相连，顶盖本体(1)另一端设置负极柱主体(8)，负极柱主体(8)内设置负极柱(9)，负极柱(9)内设置负极柱相变材料部(10)，负极柱(9)上还设置负极柱密封盖(11)，负极柱(9)与电芯(6)的负极集流体(12)相连。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的锂离子电池顶盖结构的正极柱主体(2)内的正极柱(3)与正极集流体(7)通过正极转接片(13)相连，正极柱(3)、正极集流体(7)、正极柱转接片(13)均设置为导热效率高的材料制成的结构。

3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的锂离子电池顶盖结构的负极柱主体(8)内的负极柱(9)与负极集流体(12)通过负极转接片(14)相连，负极柱(9)、负极集流体(12)、负极柱转接片(14)均为导热效率高的材料制成的结构。

4.根据权利要求2所述的锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的正极柱(3)、正极集流体(7)、正极柱转接片(13)均设置为铜材料或铝材料制成的结构，所述的正极柱相变材料部(4)设置为石蜡、碳纤维复合材料、泡沫镍复合材料中的一种制作而成的结构。

5.根据权利要求3所述的锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的负极柱(9)、负极集流体(12)、负极柱转接片(14)均设置为铜材料或铝材料制成的结构，所述的负极柱相变材料部(10)设置为石蜡、碳纤维复合材料、泡沫镍复合材料中的一种制作而成的结构。

6.根据权利要求2所述的锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的正极柱(3)、正极集流体(7)、正极柱转接片(13)设置为铜铝复合材料、铝镍复合材料中的一种制成的结构，所述的正极柱(3)内的正极柱相变材料部(4)设置为泡沫铜-石蜡复合材料、泡沫铝-石蜡复合材料、石蜡-碳纤维复合材料、石蜡-膨胀石墨复合材料、石墨烯-石墨复合材料、金属-石墨复合材料中的一种制作而成的结构。

7.根据权利要求3所述的锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的负极柱(9)、负极集流体(12)、负极柱转接片(14)设置为铜铝复合材料、铝镍复合材料中的一种制成的结构，所述的负极柱(9)内的负极柱相变材料部(10)设置为泡沫铜-石蜡复合材料、泡沫铝-石蜡复合材料、石蜡-碳纤维复合材料、石蜡-膨胀石墨复合材料、石墨烯-石墨复合材料、金属-石墨复合材料中的一种制作而成的结构。

8.根据权利要求1或2所述的锂离子电池顶盖结构，其特征在于：所述的锂离子电池顶盖结构的正极柱相变材料部(4)和负极柱相变材料部(10)的工作温度区间设置在15℃-35℃范围之间。

9.一种锂离子电池，其特征在于：所述的锂离子电池包括权利要求1-权利要求8任一权利要求所述的锂离子电池顶盖结构。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于：所述的锂离子电池的电芯(6)包括电芯阳极极片(15)、电芯阴极极片(16)、正极隔离膜(17)、负极隔离膜(18)、正极集流体(7)、负极集流体(12)、正极转接片(13)、负极转接片(14)，所述的锂离子电池顶盖结构固定安装在电芯(6)上。