CN109888397A - 一种热平衡聚合物锂离子二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效热平衡聚合物锂离子二次电池，电池内含至少一个卷绕或层积堆叠电池芯、电解质、正极耳、负极耳、热平衡极耳、U型绝缘夹和复合膜外壳，复合膜外壳上设置有正极耳、负极耳和热平衡极耳；电池芯的热平衡极耳与所述外壳上的电池热平衡极耳通过铆接或焊接等方式物理连接，电池内部热量通过极片集流体的箔材、极片集流体箔材上的N个极片热平衡极耳叠合成的电池芯热平衡极耳与电池热平衡极耳的物理连接形成热传递通路，电池外部热交换体与所述电池热平衡极耳通过热传导直接对电池内部加热形成加热通道。因其具有高效热平衡机构，能有效改善电池热失控风险，且其循环寿命显著延长。

Description

一种热平衡聚合物锂离子二次电池

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，特别涉及一种高效热平衡聚合物锂离子二次电池。

背景技术

近年来，锂离子电池作为高功率大电流放电电池，应用越来越广泛，对电池的各项性能要求也越来越高。目前公知的聚合物锂电池，没有专门的热平衡极耳，其电池内部的热量主要通过电池表面的复合膜外壳与外界进行交换，其外壳表面的热交换效率远远低于金属方形壳电池和圆柱电池。

传统的聚合物锂电池，因不含有热平衡极耳，电池内部热量的交换主要通过复合膜外壳表面与外界进行热质交换，其缺点有：复合膜外壳和隔膜等塑料类材质导热系数极低，正极片表面的金属氧化活性物质的导热系数也不高，电池内部的热量需要经过一层层的隔膜纸和复合膜外壳表面与外界进行热质交换。在热质交换过程中，造成电池内部与电池表面温差过大，影响电池循环寿命和高倍率充、放电性能，因热量传递效果差，电池的厚度受到影响，通常认为聚合物电池厚度在8mm以上时，做高倍率充放电时，其寿命严重下降；

锂电池由于工作电压高、能量密度大、无记忆效应、循环寿命长、无污染等优点，已越来越广泛地应用于消费、动力、储能及各种用途电池中，逐步取代了传统的可充电电池成为电池领域的主要产品。随着市场的拓展，对大容量高功率锂离子二次电池的需求也越来越大，如后备电源类的移动通讯基站、风光发电系统的调峰电源、车载锂电池包、寒带急救抢险备用电源及寒带电动机车电源等市场均有很大的需求。要求电池单体容量大，功率密度高，一致性好，易于配组，电池包在-30℃～+60℃,(1—10)C放电倍率下，仍能正常工作，其常规100Ah及以上大容量聚合物锂离子二次电池有难以逾越的缺陷，主要体现在：

1)电池热扩散缓慢，电池内部和电池表面温差大，无法满足设备所需的高功率要求；

2)电池热扩散缓慢，兼顾电池的循环寿命，电池厚度需控制在一点范围内，更大容量电池需增加电池的宽度或高度，对制造设备的精度提出了更高的要求，增加过程控制难度；

3)电池热扩散缓慢，在低温条件下，严重拉长了电池的加热时间；

4)电池大电流充、放电条件下，温升较高，严重影响电池的循环寿命安全性能。

发明内容

为克服现有技术存在的以上缺陷，本发明提供一种适应快速散热、快速加热、大电流充放电、寿命长的高效热平衡复合膜外壳锂离子二次电池。

本发明的技术方案如下：

一种热平衡聚合物锂离子二次电池，包括电解质、复合膜外壳和至少一个卷绕或层积堆叠的电池芯，所述电池芯固定于所述复合膜外壳内，所述电池芯包括正极片、负极片和用于将所述正极片和所述负极片隔开的若干层隔膜，所述正极片、隔膜、负极片按顺序依次卷绕或层积堆叠制成所述电池芯；

所述正极片上端沿所述正极片的长度方向设置有一个或多个正极耳，所述正极片下端沿所述正极片的长度方向设置有一个或多个热平衡极耳，所述负极片上端沿所述负极片的长度方向设置有一个或多个负极耳，所述热平衡极耳包括电池芯热平衡极耳和电池热平衡极耳；所述电池芯热平衡极耳与所述正极片连接，所述电池热平衡极耳一端与所述电池芯热平衡极耳连接，所述电池热平衡极耳另一端设置为与电池外部热交换体的连接端；

所述电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接形成热传导通道，所述正极片、电池芯热平衡极耳以及电池热平衡极耳形成热传递通路，用于导入或导出所述电池内部热量。

优选的，所述电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接进一步包括：所述电池芯热平衡极耳与所述电池热平衡极耳通过焊接或铆接进行连接，形成热平衡电极。

优选的，所述电池热平衡极耳上与电池外部热交换体的连接端设置为电池热平衡极耳外露端，位于所述复合膜外壳外，所述电池热平衡极耳外露端上设置有绝缘导热材料。

优选的，所述电池热平衡极耳外露端上设有槽或孔，Pack模组组装时，所述槽或孔用于与外部热交换体固定连接。

优选的，所述槽或孔为圆形、矩形、三角形、异形的槽或孔的一种或者几种。

优选的，所述电池热平衡极耳外露端的厚度为0.05～0.5mm，长度为5～ 100mm，宽度为电池宽度的20％～95％。

优选的，所述电池芯热平衡极耳与所述电池热平衡极耳铆接或焊接端面外侧套上U型绝缘夹。

本发明具有在-40℃～60℃的10C以上大电流放电和常温3C以上快速充的性能，该发明消除了传统聚合物锂电池因隔膜和复合膜外壳等塑料材质导热系数极低，正极片表面的金属氧化活性物质的导热系数也不高，电池内部的热量需要经过一层层的隔膜纸和复合膜外壳表面与外界进行热质交换。在交换过程中，造成电池内部与电池表面温差过大，影响电池循环寿命和高倍率充、放电性能；本发明因采用热平衡极耳，将电池内部热量通过金属直接传导到电池的外部的热交换体上，相比仅通过电池复合膜外壳进行热量传导的常规电池，在2.5C以上高倍率放电时，采用电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接形成的热传导通道进行热质交换的电池内部的温差比常规聚合物电池通过复合膜外壳进行热质交换的电池内部的温差小(8～16)℃；当在低温状态下，需对电池进行加热时，在相同的情况下，通过热平衡极耳直接对电池内部加热的时间是常规电池通过复合膜外壳加热时间的(15～40)％。因本发明具有高效热平衡机构，能实现-40℃～60℃的10C以上大电流放电和常温3C以上快速充电的热平衡性能，因充、放电时内部热量向外部传递，无明显温升，其循环寿命显著延长。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明采用热平衡极耳，将电池内部热量通过金属(正极片、电池芯热平衡极耳以及电池热平衡极耳)直接传导到电池的外部的热交换体上，热传导效率高；

第二，本发明热平衡极耳是沿所述正极片的长度方向，而沿极片长度方向可同时设置多个热平衡极耳，增加或减少热平衡极耳数量时，不需要额外增加电池的厚度，因此不会增加电池制造难度系数，也不会降低电池的体积比能量；

第三，本发明电池内部热量直接通过正极片上的一个或多个电池芯热平衡极耳传递到物理连接的电池热平衡极耳上，再由电池热平衡极耳直接传导到电池外部热交换体上形成热传递散热通道；电池内部(中间)和外部热量通过电池芯热平衡极耳同时向外传导，即热量沿电池高度方向传导，故热传导距离短，电池内外部热势差较小，热传导效率更高；

第四，本发明电池内部(中间)和外部热量沿电池高度方向通过电池芯热平衡极耳同时向外传导，其热量传递速度不受极片长度(电池厚度)的制约，可以将电池做的更厚，单体电池容量做的更大；

第五，电池热平衡极耳上设有的槽或孔，在Pack模组组装可以有效的与外部热交换体固定；热平衡极耳上的绝缘导热层，在与外部热交换体进行热质交换的同时，保持各单体电池之间的绝缘隔离，且能有效的减少热交换体的体积，使Pack整体设计更具灵活性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1本发明正极片与负极片结构示意图；

图2本发明电池芯极组结构示意图及其断面图；

图3本发明电池芯极耳焊接示意图及其断面图；

图4本发明热平衡锂离子二次电池示意图；

图5(a)为本发明电池热平衡极耳散热示意图；

图5(b)为普通电池表面散热示意图；

图6(a)为本实施例的电池热平衡极耳散热的电池试样与表面散热的普通电池试样在1C散热循环图；

图6(b)为本实施例的电池热平衡极耳散热的电池试样与表面散热的普通电池试样在3C散热循环图。

图中标记：1、正极片，2、负极片，3、涂层隔膜纸，4、电池芯热平衡极耳，5、电池芯正极耳，6、电池芯负极耳，7、电池芯，8、电池正极耳，9、电池负极耳，10、电池热平衡极耳，11、电池热平衡极耳孔，12、电池热平衡极耳表面镀层。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。

一种高效热平衡聚合物锂离子二次电池，参见图2、图3，包括电解质、复合膜外壳和至少一个卷绕或层积堆叠的电池芯7，所述电池芯7固定于所述复合膜外壳内，所述电池芯7包括正极片1、负极片2和用于将所述正极片1 和所述负极片2隔开的若干层隔膜，隔膜为涂层隔膜纸3，所述正极片1、涂层隔膜纸3、负极片2按顺序依次卷绕或层积堆叠制成所述电池芯7；

所述正极片上端沿所述正极片的长度方向设置有一个或多个正极耳，所述正极片下端沿所述正极片的长度方向设置有一个或多个热平衡极耳，所述负极片上端沿所述负极片的长度方向设置有一个或多个负极耳，所述热平衡极耳包括电池芯热平衡极耳4和电池热平衡极耳10；所述电池芯热平衡极耳4与所述正极片1连接，所述电池热平衡极耳10一端与所述电池芯热平衡极耳4连接，所述电池热平衡极耳10另一端设置为与电池外部热交换体的连接端；

所述电池热平衡极耳10与电池芯热平衡极耳4物理连接形成热传导通道，所述正极片1、电池芯热平衡极耳4以及电池热平衡极耳10形成热传递通路，用于导入或导出所述电池内部热量。

具体的，参见图1并结合合图2，所述正极耳包括电池芯正极耳5和电池正极耳8，所述电池芯正极耳5一端与正极片1连接，所述电池芯正极耳5另一端与电池正极耳8连接；所述负极耳包括电池芯负极耳6和电池负极耳9，所述电池芯负极耳6一端与负极片2连接，所述电池芯负极耳6另一端与电池负极耳9连接；所述正极耳与所述热平衡极耳相对设置，分别位于正极片1 的上下端。

具体的，电池芯正极耳5上面焊接有电池正极耳8，电池芯负极耳6上面焊接有电池负极耳9，电池芯热平衡极耳4上面焊接有电池热平衡极耳10，电池芯热平衡极耳4固定于复合膜外壳内，注入电解质，采用热封将电池芯7 上的电池正极耳8、电池负极耳9、电池热平衡极耳10、电解质封装在复合膜外壳内。

进一步的，所述电池热平衡极耳10与电池芯热平衡极耳4物理连接进一步包括：所述电池芯热平衡极耳4与所述电池热平衡极耳10通过焊接或铆接进行连接，形成热平衡电极。

进一步的，参见图4，所述电池热平衡极耳10上与电池外部热交换体的连接端设置为电池热平衡极耳外露端，即位于所述复合膜外壳外，所述电池热平衡极耳外露端上设置有绝缘导热材料12，如陶瓷或其它绝缘导热涂层或涂有或贴有绝缘导热胶或其它绝缘导热材料。

进一步的，所述电池热平衡极耳外露端上设有槽或孔，该槽或孔为电池热平衡极耳孔，Pack模组组装时，所述槽或孔用于与外部热交换体固定连接。

进一步的，与外部热交换体固定时，根据需要，选择合适的槽或孔，如圆形、矩形、三角形、异形的槽或孔的一种或者几种。

进一步的，所述电池热平衡极耳外露端的厚度为0.05～0.5mm，长度为5～ 100mm，宽度为电池宽度的20％～95％。

进一步的，所述电池芯热平衡极耳与所述电池热平衡极耳铆接或焊接端面外侧套上U型绝缘夹。

本发明电池热传导原理：

电池芯热平衡极耳4与电池热平衡极耳10物理连接，电池内部热量通过极片箔材、电池芯热平衡极耳、电池热平衡极耳的物理连接形成热传递通路，极片箔材、电池芯热平衡极耳、电池热平衡极耳为金属导体，可以导入或导出所述电池内部热量，形成热传递散热通道的平衡机制：当电池内部热量高时，电池内部热量通过金属直接传导到电池外部热交换体上形成热传递散热通道；当电池内部温度低时，通过所述电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳直接对电池内部加热形成加热通道。

相比仅通过电池复合膜外壳进行热量传导的常规电池，在2.5C以上高倍率放电时，采用电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接形成热传导通道的电池内部的温差比常规复合膜外壳电池内部的温差小(8～16)℃；当在低温状态下，需对电池进行加热时，在电池复合膜外壳与内部温差相同的情况下，通过电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接形成热传导通道直接对电池内部加热的时间是常规电池通过复合膜外壳加热时间的(15～40)％。因本发明具有高效热平衡机构，能实现-40℃～60℃的10C以上大电流放电和常温3C以上快速充电的热平衡性能，因充、放电时内部热量向外部传递，无明显温升，其循环寿命显著延长。

实施例一

请参阅图1至图4，一种高效热平衡聚合物锂离子二次电池，包括卷绕或层积堆叠的电池芯7、U型绝缘夹、电解液、复合膜外壳。单个或多个卷绕或层积堆叠的电池芯7或并列捆扎，电池芯7的一端是电池芯的正极耳5和负极耳6，电池芯7另一端是电池芯热平衡极耳4，电池芯7由电池芯正极耳5 上面焊接有电池正极耳8，电池芯负极耳6上面焊接有电池负极耳9，电池芯热平衡极耳4上面焊接有电池热平衡极耳10，电池芯7焊接好正极耳5和负极耳6、电池热平衡极耳10后，固定于复合膜外壳内并注入电解质，电池热平衡极耳10与电池热平衡极耳4的连接处设有U型绝缘夹，采用热封将电池芯7上的电池正极耳8、电池负极耳9、电池热平衡极耳10、电解质封装在复合膜外壳内形成完整电池。每个卷绕或层积堆叠的电池芯7由正极片1、两层涂层隔膜纸3和负极片2卷绕或层积堆叠而成，正极片1的正极片极耳和负极片2上的负极片极耳分别构成电池芯正极耳5和电池芯负极耳6，正极片1 的极片热平衡极耳构成电池芯的电池芯热平衡极耳4，两层涂层隔膜纸将正极片1和负极片2隔开，所述正极片1上端裁切有正极耳，下端裁切有热平衡极耳、负极片2上端裁切有负极耳；所述电池热平衡极耳10外露端上表面或设有绝缘导热材料12，如陶瓷或其它绝缘导热涂层或涂有或贴有绝缘导热胶或其它绝缘导热材料；电池热平衡极耳10外露端上或设有用于Pack模组组装时用于与外部热交换体固定的电池热平衡极耳孔11，平衡极耳孔11为槽或孔，该槽或孔形状包括圆形、矩形、三角、异形的槽或孔一种或者几种的组合。

电池热平衡极耳10其厚度为0.05～0.5mm，长度为5～100mm，宽度为电池宽度的20％～95％。电池芯的电池芯热平衡极耳4与电池热平衡极耳10 通过铆接或焊接等方式物理连接。

图5(a)示出了电池热平衡极耳散热示意图，电池热平衡极耳与热交换器连接用以传热；图5(b)示出了现有一般电池通过表面散热示意图，热量由内部(中间)到外部沿电池厚度方向由内到外传导；对应的，图6(a)为三个电池热平衡极耳散热试样和2个电池表面散热试样1C放电循环次数，6 (b)为该三个电池热平衡极耳散热试样和2个电池表面散热试样3C放电循环次数，在同等工作环境条件下，当放电倍率达到3C时，循环1000周时，采用热平衡极耳结构散热的电池容量衰减为通过电池表面散热的常规电池衰减量的30％。

该实例采用电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接，将电池内部热量通过金属直接传导到电池的外部的热交换体上；组装后，能改善电池包的可靠性与安全性。

本实施例电池类型为软包装聚合物锂离子电池，具有以下优势：

本发明的极片热平衡极耳在极片的下端，设置在正极片的宽度方向，因此可沿正极片的长度方向可以同时设置多个热平衡极耳；使得增加会减少热平衡极耳数量时，不需要额外增加电池的厚度，因此不会增加电池制造难度系数，也不会降低电池的体积比能量；

本实施例电池热量传导效率高，其热量沿电池高度方向传导，电池内部热量直接通过极片上电池芯热平衡极耳传递到电池热平衡极耳上，再由电池热平衡极耳直接传导到电池外部热交换体上形成热传递散热通道；电池内部 (中间)和外部热量通过电池芯热平衡极耳同时向外传导，热量传导距离短，故其电池内外部热势差小，热传导效率更高；

本实施例电池内部(中间)和外部热量沿电池高度方向通过电池芯热平衡极耳同时向外传导，其热量传递速度不受极片长度(电池厚度)的制约，可以将电池做的更厚，单体电池容量做的更大。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种热平衡聚合物锂离子二次电池，包括电解质、复合膜外壳和至少一个卷绕或层积堆叠的电池芯，所述电池芯固定于所述复合膜外壳内，所述电池芯包括正极片、负极片和用于将所述正极片和所述负极片隔开的若干层隔膜，所述正极片、隔膜、负极片按顺序依次卷绕或层积堆叠制成所述电池芯；其特征在于，

所述正极片上端沿所述正极片的长度方向设置有一个或多个正极耳，所述正极片下端沿所述正极片的长度方向设置有一个或多个热平衡极耳，所述负极片上端沿所述负极片的长度方向设置有一个或多个负极耳，所述热平衡极耳包括电池芯热平衡极耳和电池热平衡极耳；所述电池芯热平衡极耳与所述正极片连接，所述电池热平衡极耳一端与所述电池芯热平衡极耳连接，所述电池热平衡极耳另一端设置为与电池外部热交换体的连接端；

所述电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接形成热传导通道，所述正极片、电池芯热平衡极耳以及电池热平衡极耳形成热传递通路，用于导入或导出所述电池内部热量。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池热平衡极耳与电池芯热平衡极耳物理连接进一步包括：所述电池芯热平衡极耳与所述电池热平衡极耳通过焊接或铆接进行连接，形成热平衡电极。

3.根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于，所述电池热平衡极耳上与电池外部热交换体的连接端设置为电池热平衡极耳外露端，位于所述复合膜外壳外，所述电池热平衡极耳外露端上设置有绝缘导热材料。

4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述电池热平衡极耳外露端上设有槽或孔，Pack模组组装时，所述槽或孔用于与外部热交换体固定连接。

5.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述槽或孔为圆形、矩形、三角形、异形的槽或孔的一种或者几种。

6.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述电池热平衡极耳外露端的厚度为0.05～0.5mm，长度为5～100mm，宽度为电池宽度的20％～95％。

7.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述电池芯热平衡极耳与所述电池热平衡极耳铆接或焊接端面外侧套上U型绝缘夹。