CN110048053B - 用于储能装置的外壳以及储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于储能装置的外壳以及储能装置。该外壳包括：筒体，所述筒体被配置为用于容纳能量转换元件；环形部，环形部包括外环和内环，所述环形部位于所述筒体内，所述外环与所述筒体形成密封连接；以及中心导体，所述中心导体的至少局部位于所述内环包围的空间内，并与所述内环形成密封连接，所述环形部被配置为响应于所述筒体的变形而产生裂缝或者从所述筒体上脱落，和/或响应于所述中心导体的变形而产生裂缝。
Description
技术领域
本发明涉及能源转换技术领域，更具体地，涉及一种用于储能装置的外壳以及储能装置。
背景技术
现有的锂离子电池，特别是大功率的动力用锂离子电池均进行了防爆泄压结构或装置的设计，以确保锂离子电池在长期使用过程中或者热失控过程中内部气压超额上升时可以及时地进行泄压，从而防止发生爆炸。
在一些小型的锂离子电池中，受限于体积，防爆泄压结构的设计变得困难。在通常情况下，壳体上设置具有防爆泄压功能的帽盖组件进行泄压。帽盖组件包括上盖、下盖和位于二者之间的防爆膜。在防爆膜爆破后进行泄压。然而，帽盖组件的结构复杂，占用的空间较大，锂离子电池整体的空间利用率较低，不利于小型化设计。
在其他方案中，在锂离子电池的上、下盖板上设置防爆槽。锂离子电池的内压过高时，气体冲破防爆槽，以进行泄压。然而，小型的锂离子电池的壳体通常较薄，这对于防爆槽的刻蚀要求高。
因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于储能装置的外壳以及储能装置的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于储能装置的外壳。该外壳包括：筒体，所述筒体被配置为用于容纳能量转换元件；环形部，环形部包括外环和内环，所述环形部位于所述筒体内，所述外环与所述筒体形成密封连接；以及中心导体，所述中心导体的至少局部位于所述内环包围的空间内，并与所述内环形成密封连接，所述环形部被配置为响应于所述筒体的变形而产生裂缝或者从所述筒体上脱落，和/或相应于所述中心导体的变形而产生裂缝。
可选地，所述中心导体为片状，或者在所述中心导体的中部形成减薄结构。
可选地，所述中心导体的沿轴向的一个表面的中部形成内凹结构，所述内凹结构朝向所述筒体的内腔。
可选地，所述中心导体在所述环形部的沿轴向的两端是露出的，所述中心导体包括与所述筒体的内腔相背的第一表面，所述第一表面凸出于所述环形部的外端面。
可选地，还包括盖板，所述盖板盖合在所述筒体的与所述环形部相对的一端。
可选地，所述中心导体和所述筒体均为金属，在所述中心导体和/或所述筒体的与所述环形部连接的部位形成预氧化层。
可选地，所述环形部为无机非金属材料。
可选地，所述环形部的材质为玻璃或者陶瓷。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种储能装置。该储能装置包括：能量转换元件；以及上述的外壳，所述能量转换元件被设置在所述筒体内，所述能量转换元件的一个电极与所述中心导体连接。
可选地，所述中心导体的沿轴向的一个表面的中部形成内凹结构，所述内凹结构朝向所述筒体的内腔，所述储能装置为卷绕结构，所述储能装置的与所述内凹结构相对应的部位形成凸起。
根据本公开的一个实施例，外壳的一端具有中心导体和环形部。中心导体和环形部位于同一层，在高度方向上占用的空间小。相比于多层设置的盖板组件，这种结构的结构简单，组装更容易。
此外，由于环形部具有泄压的功能，故该外壳不需要另外设置泄压装置。
此外，该外壳的外径能够做的更小，例如，小于或等于5mm。该外壳适用于针形电池。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本公开的一个实施例的用于储能装置的外壳的剖视图。
图2是根据本公开的一个实施例的另一种用于储能装置的外壳的剖视图。
图3是根据本公开的另一个实施例的储能装置的剖视图。
图4是根据本公开的另一个实施例的第二种储能装置的剖视图。
附图标记说明：
11：中心导体；12：环形部；13：筒体；14：内凹结构；15：电芯；16：盖板；17：正极极耳；18：负极极耳；19：芯柱；20：内腔；21：环形台阶结构。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本公开的一个实施例，提供了一种用于储能装置的外壳。储能装置包括电池、电容器装置等。例如，电池包括锂离子电池、碱性电池、镍镉电池、铅酸电池等。电容器装置包括有机介质电容器装置、无机介质电容器装置、电解电容器装置、电热电容器装置和空气介质电容器装置等。
如图1-2所示，该外壳包括筒体13、环形部12和中心导体11。筒体13为圆形筒体13、矩形筒体13、椭圆形筒体13或者其他多边形筒体13。筒体13被配置为用于容纳能量转换元件。例如，筒体13围成的内腔20的容积大于能量转换元件的体积，以使能量转换元件被完全地装入内腔20中。
能量转换元件用于储存能量，并进行能量的转换。不同种类的储能装置的能量转换元件不同。例如，电池的能量转换元件为电芯15。电容器装置的能量转换元件为电容器本体。电容器本体包括两个电极板。能量转换元件为本领域的公知常识，在此不做详细说明。
环形部12包括外环和内环。环形部12位于筒体13内。外环与筒体13形成密封连接。
中心导体11的至少局部位于内环包围的空间内，并与内环形成密封连接。中心导体11在环形部12的沿轴向的两端是露出的。中心导体11具有导电功能。中心导体11能够作为储能装置的用于与外部电路连通的一个电极。中心导体11的材质为金属，例如，不锈钢、碳钢、可伐合金等。
环形部12被配置为响应于筒体13的变形而产生裂缝或者从筒体13上脱落，和/或响应于中心导体的变形而产生裂缝。通过环形部12自身的破坏进行泄压。
环形部12为绝缘材料，例如，无机非金属材料。这种材料具有韧性小，脆性大，易形成裂缝的特点，从而能够在筒体内部压强达到设定值时及时地进行泄压。
例如，在储能装置的内部气压达到设定值时，筒体13和/或中心导体11发生显著的变形。该变形作用到环形部12，例如，筒体13的至少一部分和/或中心导体11的一部分挤压环形部12，使得环形部12产生裂缝，或者在环形部12的外环与筒体13之间，和/或中心导体11与环形部11的内环之间形成裂缝。裂缝能够形成气体的泄漏通道，这使得内部气体能够释放出去；或者两种裂缝相连通，以形成泄漏通道。
例如，在储能装置的内部气压迅速上升时，环形的至少局部因受到内部高压的作用而从筒体13上脱落，从而形成泄漏通道，以进行迅速泄压。
在其他示例中，筒体13的变形不限于受到气压。还可以是，储能装置因受到外力挤压而产生变形。变形导致环形部12脱落。受损的储能装置内部的能量转换元件在使用过程中，一旦产生气体。该气体就会从脱落形成的通孔释放出。
在该例子中，外壳的一端具有中心导体11和环形部12。中心导体11和环形部12位于同一层，在高度方向上占用的空间小。相比于多层设置的盖板组件，这种结构的结构简单，组装更容易。
此外，由于环形部12具有泄压的功能，故该外壳不需要另外设置泄压装置。
此外，该外壳的外径能够做的更小，例如，小于或等于5mm。该外壳适用于针形电池。
在一个例子中，环形部12的材质为玻璃或者陶瓷。在制作时，将玻璃或者陶瓷的坯料设置在通孔中。中心导体11嵌在坯料中。然后将坯料进行烧结，以获得结构强度，并使环形部12与通孔以及中心导体11形成密封连接(即封接)。
例如，环形部12的坯料、中心导体11和筒体13在隧道炉中进行高温烘烤。烧结温度约为1000℃。在该温度下，环形部12的坯料变为熔融态，并保温设定时间。在冷却后，坯料形成玻璃或者陶瓷，并与中心导体11和筒体13形成密封连接。
例如，当选用玻璃材质时，环形部12为微晶玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或者其它特种玻璃。玻璃可以形成实体结构、中空结构或者镂空结构，只要满足泄压压强的要求即可。
在一个例子中，在进行密封连接前，中心导体11和/或筒体13的用于密封连接的部位进行预氧化。例如，中心导体11和/或筒体13的用于密封连接的部位被放置在具有溶解氧的水中，然后加热到设定温度。由于溶解氧的氧化作用以及潮湿气氛的作用，在中心导体11和/或筒体13的用于密封连接的部位形成预氧化层。
预氧化层为多孔结构。多孔结构与熔融态的无机非金属材料的润湿更充分。无机非金属材料能够渗入预氧化层中，以形成更牢固的结合。
预氧化层的形成方式不限于上述实施例，还可以是通过强酸、强碱等材料的侵蚀作用而形成。
在一个例子中，中心导体11、筒体13与环形部12之间的封接为匹配封接或者压缩封接。
在匹配封接中，中心导体11、筒体13与环形部12三者的热膨胀系数相等。
在压缩封接中，筒体13的热膨胀系数大于中心导体11和环形部12的热膨胀系数。中心导体11和环形部12的热膨胀系数相等。
上述封接方式，中心导体11、筒体13与环形部12均能够进行良好的密封，并具备设定的压力等级。
在一个例子中，如图1-2所示，中心导体11为片状，或者在中心导体11的中部形成减薄结构。例如，片状结构包括圆片状、椭圆形片状、矩形片状或者其他片状结构。片状结构具有更小的厚度。
如图2所示，中部形成减薄结构是指，中心导体11的边缘的厚度大于中部区域的厚度。例如，中心导体11的横截面为工字型、凹字形等结构。金属的厚度越小则越容易发生变形。这样，中心导体11能够通过自身的变形挤压环形部12，进而形成裂缝。外壳的泄压更灵敏。
此外，边缘用于与环形部12进行密封连接。边缘的厚度大于中部区域的厚度，这使得中心导体11与环形部12之间的密封连接的面积更大，密封效果更好。
在一个例子中，如图2、4所示，中心导体11的沿轴向的一个表面的中部形成内凹结构14，内凹结构14朝向筒体13的内腔20。即中心导体11的横截面呈凹字形结构。该内凹结构14朝向筒体13的内腔20，这使得外壳的收容空间更大。外壳能够容纳更大质量的能量转换元件。
例如，中心导体11采用弯折加工、冲压成型等方式形成内凹结构14。中心导体11形成弯折部位。
在一个例子中，如图2所示，在弯折部的内侧形成内倒角(如图2中R2所示)。内倒角R2能够消除应力集中。应力集中会形成应变，使得中心导体11的变形在弯折部位缓冲掉，而不会传递到中心导体11的侧面，进而不会传递到环形部12。内腔20的压强需要更大才能够开始泄压。内倒角使得中心导体11的变形能够更有效地传递到环形部12，使得裂缝更容易形成，泄压迅速、灵敏。开始泄压的压强小。
在一个例子中，在弯折部位的外侧形成外倒角(如图2中R1所示)。环形部12填充在外倒角R1的外侧。环形部12包括直段和弯曲段。直段与中心导体11的侧面之间形成有效的密封连接。
环形部12的有效高度，即直段的尺寸对于泄压压强起决定作用。直段的长度越大则泄压压强越大；反之，直段的长度越小则泄压压强越小。而环形部12的位于外倒角R1的外侧的部分对泄压压强的作用很小。通过设置外倒角R1，能够有效地减小直段与中心导体11的侧面的封接面积，环形部12的有效高度降低。
这样，即使环形部12的整体高度为0.5mm甚至更大，由于弯曲段对泄压压强的影响小，故环形部12的有效高度能够达到0.2mm、0.3mm、0.4mm甚至更小。这使得防爆元件具有更低的泄压压强，满足了小型储能装置的使用要求，例如针形电池或者纽扣电池。
在一个例子中，如图1-2所示，中心导体11包括与筒体13的内腔20相背的第一表面。第一表面凸出于环形部12的外端面。中心导体11的第一表面与外部电路导通，通常需要与外部电路接触。这种设置方式能够避免外部物体碰触环形部12，防止环形部12因受到外力而损坏。
此外，由于中心导体11是凸出的，故在进行加工时，中心导体11更容易被固定，从而使得加工更容易，加工精度更高。
在其他示例中，中心导体11的第一表面也可以被覆盖在环形部12以下。这种设置方式，环形部12同样能够形成缝隙，从而起到泄压的作用。
在一个例子中，如图3所示，外壳还包括盖板16。盖板16盖合在筒体13的与环形部12相对的一端。盖板16密封筒体13的另一端，从而形成密闭的外壳。
例如，盖板16为金属材料。在盖板16的边缘形成环形台阶结构21。在组装时，外壳的另一端插入环形台阶结构21中，然后，采用激光焊接或者电阻焊接的方式使盖板16与外壳焊接在一起。环形台阶结构21使得外壳与盖板16之间具有更大的密封面积，二者之间的密封效果更好。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种储能装置。如图3-4所示，该储能装置包括：能量转换元件以及上述的外壳。能量转换元件被设置在筒体13内。能量转换元件的一个电极与中心导体11连接。
例如，筒体13为金属材料。能量转换元件的另一个电极与筒体13连接。中心导体11和筒体13分别作为储能装置的两个电极。
或者，在筒体13的与中心导体11相对的一端设置盖板16。盖板16的材质为金属。能量转换元件的另一个电极与盖板16连接。中心导体11和盖板16分别作为储能装置的两个电极。
还可以是，盖板16和筒体13导通，二者作为储能装置的一个电极。中心导体11作为储能装置的另一个电极。
在一个例子中，中心导体11的沿轴向的一个表面的中部形成内凹结构14。内凹结构14朝向筒体13的内腔20。储能装置为卷绕结构。储能装置的与内凹结构14相对应的部位形成凸起。
例如，金属片材经过弯折加工，并在边缘形成折边，从而在一个表面的中部形成内凹结构14。锂离子电池的电芯15呈卷绕结构。电极材料和隔离膜套设在芯柱19外。卷绕结构的一个端面形成凸起。该凸起与内凹结构14相匹配。在进行组装时，凸起插入内凹结构14中，并与中心导体11相间隔。凸起通过正极极耳17与中心导体11导通。电芯15的另一个端面通过负极极耳18与盖板16导通。内凹结构14使得电芯15能够做的更大。储能装置的容量更大。
在一个例子中，储能装置的外径小于或等于5mm。在该尺寸范围内，环形部12能够有效地进行泄压。储能装置的安全性能良好。
在一个例子中，中心导体11的外径大于或者等于2mm。该尺寸范围满足大电流的充、放电的使用需求。
在其他示例中，锂离子电池的电芯为层叠结构。层叠结构包括层叠在一起的多层电极材料。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种用于储能装置的外壳，其中，包括：
筒体，所述筒体被配置为用于容纳能量转换元件；
环形部，所述环形部包括外环和内环，所述环形部位于所述筒体内，所述外环与所述筒体形成密封连接；以及
中心导体，所述中心导体的至少局部位于所述内环包围的空间内，并与所述内环形成密封连接，所述环形部被配置为响应于所述筒体的变形而产生裂缝或者从所述筒体上脱落，和/或响应于所述中心导体的变形而产生裂缝；
所述环形部为无机非金属材料。
2.根据权利要求1所述的用于储能装置的外壳，其中，所述中心导体为片状，或者在所述中心导体的中部形成减薄结构。
3.根据权利要求1所述的用于储能装置的外壳，其中，所述中心导体的沿轴向的一个表面的中部形成内凹结构，所述内凹结构朝向所述筒体的内腔。
4.根据权利要求1所述的用于储能装置的外壳，其中，所述中心导体在所述环形部的沿轴向的两端是露出的，所述中心导体包括与所述筒体的内腔相背的第一表面，所述第一表面凸出于所述环形部的外端面。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的用于储能装置的外壳，其中，还包括盖板，所述盖板盖合在所述筒体的与所述环形部相对的一端。
6.根据权利要求1-4中的任意一项所述的用于储能装置的外壳，其中，所述中心导体和所述筒体均为金属，在所述中心导体和/或所述筒体的与所述环形部连接的部位形成预氧化层。
7.根据权利要求1所述的用于储能装置的外壳，其中，所述环形部的材质为玻璃或者陶瓷。
8.一种储能装置，其中，包括：
能量转换元件；以及
如权利要求1-7中的任意一项所述的外壳，所述能量转换元件被设置在所述筒体内，所述能量转换元件的一个电极与所述中心导体连接。
9.根据权利要求8所述的储能装置，其中，所述中心导体的沿轴向的一个表面的中部形成内凹结构，所述内凹结构朝向所述筒体的内腔，所述储能装置为卷绕结构，所述储能装置的与所述内凹结构相对应的部位形成凸起。
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