CN110400895B - 电池模组、二次电池及其顶盖组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池模组、二次电池及其顶盖组件。电池模组包括多个依次布置的二次电池。二次电池包括电极组件、壳体以及顶盖组件。电极组件收容于壳体内，顶盖组件连接于壳体。顶盖组件包括顶盖板、防爆片以及固定件。顶盖板设有通孔，防爆片设置于顶盖板并密封通孔，且防爆片具有薄弱区域。固定件连接顶盖板和防爆片，固定件的熔点小于顶盖板的熔点和防爆片的熔点。防爆片设置为：当固定件未熔化时，薄弱区域能够在二次电池的内部气压超过薄弱区域断裂所需的气压时断裂；当固定件熔化时，防爆片能够在二次电池的内部气压低于薄弱区域断裂所需的气压时与顶盖板至少部分地脱离。

Description

电池模组、二次电池及其顶盖组件
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种电池模组、二次电池及其顶盖组件。
背景技术
目前常用的二次电池通常包括壳体、收容于壳体内的电极组件以及固定于壳体的顶盖板。为了保证二次电池的安全性，一般会在顶盖板上设置防爆片，当二次电池内部压力达到防爆片的开启压力时，防爆片开启以达到泄压的目的。
在已知领域中，多个二次电池通过串并联装配成模组。当其中一个二次电池处于穿钉等滥用情况下，该二次电池的防爆片能够及时开启，达到泄压和降温的目的。然而，相邻的另一个二次电池因热扩散和自身内部短路的影响导致其温度迅速升高，此时其内部的气压还未达到防爆片的开启压力，从而引发热失控。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种电池模组、二次电池及其顶盖组件，其能及时开启防爆片，实现泄压和降温，提高安全性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电池模组、二次电池及其顶盖组件。
顶盖组件包括顶盖板、防爆片以及固定件。顶盖板设有通孔，防爆片设置于顶盖板并密封通孔，且防爆片具有薄弱区域。固定件连接顶盖板和防爆片，固定件的熔点小于顶盖板的熔点和防爆片的熔点。防爆片设置为：当固定件未熔化时，薄弱区域能够在二次电池的内部气压超过薄弱区域断裂所需的气压时断裂；当固定件熔化时，防爆片能够在二次电池的内部气压低于薄弱区域断裂所需的气压时与顶盖板至少部分地脱离。
固定件的材质为合金，且合金的熔点为50℃-300℃。
所述合金为锡铋合金或者锡铜银合金。
防爆片包括主体部和连接部，主体部覆盖通孔。薄弱区域形成于主体部，并且薄弱区域的厚度小于主体部其他区域的厚度。连接部环绕在主体部的外侧并且通过固定件固定于顶盖板。当固定件未熔化时，固定件与连接部的连接强度大于薄弱区域的断裂强度。
顶盖板具有沿厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，通孔贯通第一表面和第二表面。顶盖板还具有第一凹槽，第一凹槽从第一表面朝靠近第二表面的方向凹陷，且第一凹槽环绕在通孔的外周。固定件至少部分收容于第一凹槽内，且固定件位于防爆片和第一凹槽的底壁之间。
顶盖板还包括止挡部，止挡部从第一凹槽的底壁朝靠近防爆片的方向延伸。止挡部环绕在通孔的外周，且固定件至少部分位于止挡部的远离通孔的一侧。
沿着止挡部的延伸方向，止挡部的顶面不超过第一表面；在厚度方向上，防爆片至少部分位于第一凹槽内。
固定件包括第一部分和第二部分，第一部分位于止挡部的远离通孔的一侧，第二部分从第一部分的靠近通孔的边缘延伸且位于止挡部和防爆片之间。
二次电池包括电极组件、壳体以及所述的顶盖组件。电极组件收容于壳体内，顶盖组件的顶盖板连接于壳体。
电池模组包括所述的二次电池，二次电池为多个且依次布置。
本发明的有益效果如下：本申请通过设置具有较低熔点的固定件连接顶盖板和防爆片，同时在防爆片上设置薄弱区域，兼顾二次电池内部的气压和温度，及时开启防爆片，从而实现泄压和降温，提高安全性能。
附图说明
图1为根据本发明的二次电池的示意图。
图2为图1的二次电池在方框处的放大图。
图3为图2在圆框处的放大图。
图4为图1的顶盖组件的分解图。
图5为根据本发明的二次电池的顶盖板的示意图。
图6至图10为本发明的顶盖组件的不同实施例的示意图。
图11为图9在圆框处的放大图。
图12为图10在圆框处的放大图。
其中，附图标记说明如下：
1 顶盖组件
11 顶盖板
111 通孔
112 第一表面
113 第二表面
114 第一凹槽
114a 底壁
114b 侧壁
115 止挡部
116 第二凹槽
12 防爆片
121 主体部
121a 薄弱区域
121b 刻痕
122 连接部
13 固定件
131 第一部分
132 第二部分
133 容纳槽
134 内壁
14 保护片
15 电极端子
16 绝缘体
2 电极组件
3 壳体
4 集流构件
X 长度方向
Y 宽度方向
Z 厚度方向
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”是指两个以上(包括两个)；除非另有规定或说明，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接，或信号连接；“连接”可以是直接相连，也可以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申请中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
本申请的电池模组可包括二次电池、端板、侧板和汇流条。二次电池可为柱形的锂离子电池。二次电池设置为多个且依次布置。端板为两个且分别设置于所述多个二次电池沿布置方向的两端，侧板为两个且分别设置于所述多个二次电池的两侧。端板和侧板连接为一体并形成矩形的框架，所述框架固定所述多个二次电池。汇流条将多个二次电池以串联、并联或串并联的方式电连接。
参照图1，二次电池包括顶盖组件1、电极组件2、壳体3和集流构件4。
电极组件2是二次电池实现充放电功能的核心构件。电极组件2包括正极极片、负极极片和隔膜，隔膜将正极极片和负极极片隔开。正极极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极活性物质层，正极集流体可为铝箔，正极活性物质层包括三元材料、锰酸锂或磷酸铁锂。负极极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极活性物质层，负极集流体可为铜箔，负极活性物质层包括石墨或硅。
电极组件2可为卷绕式结构。具体地，正极极片和负极极片均为一个，且正极极片和负极极片为带状结构。将正极极片、隔膜和负极极片依次层叠并卷绕两圈以上以形成电极组件2。在制备电极组件2时，电极组件2可先卷绕成中空的柱形结构，卷绕后再压平为扁平状。
可替代地，电极组件2也可为叠片式结构。具体地，正极极片设置为多个，负极极片设置为多个，所述多个正极极片和负极极片交替层叠，隔膜将正极极片和负极极片隔开。
壳体3可具有六面体形状或其它形状。壳体3内部形成收容腔，以容纳电极组件2和电解液。壳体3在一端形成开口，而电极组件2可经由所述开口放置到壳体3的收容腔。壳体3可由导电金属的材料制成，优选地，壳体3由铝或铝合金制成。
顶盖组件1包括顶盖板11、电极端子15和绝缘体16。顶盖板11设置于壳体3并覆盖壳体3的开口，从而将电极组件2密封在壳体3内。顶盖板11可为金属板，且通过焊接的方式连接于壳体3。
顶盖板11设有两个贯通的端子孔。电极端子15为两个且设置于顶盖板11的上侧，即顶盖板11远离电极组件2的一侧。各电极端子15覆盖对应的一个端子孔。顶盖板11和电极端子15之间设置有密封圈，通过压缩密封圈可实现端子孔的密封。
绝缘体16设置于顶盖板11的内侧，以将电极组件2和顶盖板11隔开，降低短路风险。
集流构件4为两个，一个集流构件4连接一个电极端子15和电极组件2的正极极片，另一个集流构件4连接另一个电极端子15和电极组件2的负极极片。
在二次电池的使用过程中，如果二次电池处于穿钉等滥用情况下，电极组件2短路并会产生大量的气体，气体聚集在壳体3内，容易引发爆炸。因此，为了提高二次电池的安全性能，本申请的顶盖组件1还包括防爆片12。
具体地，顶盖板11设有通孔111，防爆片12设置于顶盖板11并密封通孔111。防爆片12能够覆盖通孔111，并将二次电池的内部空间与外部隔开，避免壳体3内的电解液经由通孔111泄露。
防爆片12具有薄弱区域121a，与防爆片12的其它区域相比，薄弱区域121a的强度较弱，更容易断裂。在本申请中，薄弱区域121a可为环形。
本申请可通过减小薄弱区域121a的厚度来降低薄弱区域121a的强度。也就是说，薄弱区域121a的厚度小于防爆片12其他区域的厚度。
电极组件2短路时会释放出气体，随着气体的增多，二次电池内部的气压逐渐增大。而防爆片12会在气压的作用下变形。当二次电池内部的气压达到一定的值时，防爆片12在薄弱区域121a处断裂，高压气体冲开防爆片12并排出到二次电池的外部，从而达到泄压的目的，降低爆炸风险。
具体地，防爆片12包括主体部121和连接部122，主体部121覆盖通孔111。薄弱区域121a形成于主体部121，并且薄弱区域121a的厚度小于主体部121其他区域的厚度；参照图3，可通过在主体部121上压制刻痕121b来形成薄弱区域121a。连接部122环绕在主体部121的外侧，连接部122连接于顶盖板11，连接部122和顶盖板11之间的连接区域为环形，从而实现密封。
在电池模组中，当某一个二次电池处于穿钉等滥用情况下，该二次电池的防爆片12能够及时开启，达到泄压和降温的目的。然而，被穿钉的二次电池的热量会迅速扩散到相邻的另一个二次电池中；所述另一个二次电池因其它二次电池的热扩散和/或自身内部短路的影响导致其温度迅速升高，当该二次电池达到热失控的温度时，二次电池内部的气压还未达到能够使薄弱区域121a断裂的值，从而引发起火爆炸。
为了降低安全风险，优选地，本申请的顶盖组件1还包括固定件13，固定件13连接顶盖板11和防爆片12，具体地，固定件13连接于防爆片12的连接部122。固定件13的熔点小于顶盖板11的熔点和防爆片12的熔点。在正常状态下，固定件13为固态，其可以连接顶盖板11和连接部122，保证顶盖板11和连接部122之间的连接强度，避免连接部122脱离顶盖板11。当二次电池因其它二次电池的热扩散和/或自身内部短路的影响而迅速升温时，固定件13会在高温的影响下熔化；在熔化的过程中，顶盖板11和连接部122之间的连接强度会减小。
在本申请中，防爆片12设置为：当固定件13未熔化时，薄弱区域121a能够在二次电池的内部气压超过薄弱区域121a断裂所需的气压时断裂。所述“固定件13未熔化”指的是固定件13整体为固态。固定件13未熔化时，其能够有效地连接顶盖板11和连接部122，所以连接部122不会脱离顶盖板11。在申请中，薄弱区域121a断裂所需的气压设置为0.5MPa-10MPa，具体的值根据二次电池的型号确定。
防爆片12还设置为：当固定件13熔化时，防爆片12能够在二次电池的内部气压低于薄弱区域121a断裂所需的气压时与顶盖板11至少部分地脱离。所述“固定件13熔化”是指，固定件13至少一部分熔化为液态。固定件13熔化时，顶盖板11和连接部122之间的连接强度降低，所以连接部122能够在二次电池的内部气压低于薄弱区域121a断裂所需的气压时与顶盖板11至少部分地脱离。连接部122与顶盖板11脱离时，连接部122与顶盖板11的距离增大，从而在连接部122和顶盖板11之间产生间隙，而二次电池内部的气体可以从所述间隙排出。
在本申请的电池模组中，当某一个二次电池短路时，该二次电池的电极组件2会释放热量和气体。
如果没有其它的二次电池向其扩散大量的热量，那么在二次电池的固定件13达到熔点之前，该二次电池内部的气压就能够达到薄弱区域121a断裂所需的气压。此时，防爆片12在薄弱区域121a断裂，高压气体冲开防爆片12并排出到二次电池的外部，从而达到泄压和降温的目的，降低安全风险。
如果其它的二次电池(例如处于穿钉等滥用情况下的电池)向所述短路的二次电池扩散大量的热量，那么该二次电池因其它二次电池的热扩散和自身内部短路的影响导致其温度迅速升高。当二次电池的温度达到一定值时，固定件13熔化，此时，即使二次电池内部的气压低于薄弱区域121a断裂所需的气压，气体也可以使连接部122脱离顶盖板11，从而排出到二次电池的外部，达到泄压和降温的目的，降低安全风险。
综上所述，本申请通过设置具有较低熔点的固定件13连接顶盖板和防爆片，同时在防爆片上设置薄弱区域，兼顾二次电池内部的气压和温度，及时开启防爆片12，从而实现泄压和降温，降低爆炸风险，提高安全性能。
在装配顶盖组件1时，可先将固定件13放置到顶盖板11和防爆片12之间，然后加热固定件13，固定件13熔化后连接于顶盖板11和防爆片12。固定件13凝固后可以连接顶盖板11和防爆片12，并保证顶盖板11和防爆片12之间的连接强度。
固定件13的材质为合金。在二次电池的正常使用过程中，电极组件2也会释放出热量，从而导致二次电池升温。如果合金的熔点过低，那么在二次电池正常使用时，固定件13可能会熔化，导致顶盖板11和防爆片12连接强度不足；当二次电池震动时，防爆片12可能脱离顶盖板11，导致电解液泄露，引发安全事故。因此，优选地，合金的温度不低于50℃。
如果合金的熔点过高，那么当二次电池达到热失控的临界温度时，合金仍然不会熔化，防爆片12也就不能脱离顶盖板11，从而引发安全事故。因此，优选地，合金的熔点不高于300℃。
所述合金为锡铋合金或者锡铜银合金。锡铋合金和锡铜银合金可以更好地与铝材质的顶盖板11和防爆片12连接，增加连接强度。
当固定件13未熔化时，固定件13与连接部122的连接强度大于薄弱区域121a的断裂强度。在此补充的是，薄弱区域121a的断裂强度指的是，在固定件13未熔化的前提下，能够使防爆片12在薄弱区域121a断裂的气压临界值，所述气压临界值可为0.5Mpa～10Mpa。固定件13与连接部122的连接强度指的是，在固定件13未熔化的前提下，能够使防爆片12脱离固定件13的气压临界值。在固定件13未熔化时，如果固定件13与连接部122的连接强度偏小，那么在二次电池内部气压达到薄弱区域121a的断裂强度之前，防爆片12会脱离固定件13和顶盖板11，导致防爆片12无法在二次电池达到设定的气压值时开启。另外，与控制薄弱区域121a的厚度一致性相比，控制固定件13与防爆片12的连接强度的一致性的难度较大。也就是说，如果固定件13与连接部122的连接强度小于薄弱区域121a的断裂强度，那么在固定件13与连接部122之间的不同的连接区域，防爆片12脱离固定件13所需的气压不一致，导致难以控制二次电池内部临界气压的一致性。
同样地，当固定件13未熔化时，固定件13与顶盖板11的连接强度大于薄弱区域121a的断裂强度。
下面以不同的实施例详细的说明本申请的二次电池的顶盖组件1。
参照图6，在第一实施例中，顶盖板11具有沿厚度方向Z相对设置的第一表面112和第二表面113。第一表面112为顶盖板11的远离电极组件2的外表面，第二表面113为顶盖板11的靠近电极组件2的内表面。
通孔111贯通第一表面112和第二表面113。在本实施例中，防爆片12位于顶盖板11的远离电极组件2的一侧，固定件13位于顶盖板11的第一表面112和防爆片12之间。
在本实施例中，顶盖板11可以从下侧支撑防爆片12，当固定件13熔化时，可以避免防爆片12掉落到二次电池内部，从而降低安全隐患。
参照图7，在第一实施例的基础上，第二实施例中的顶盖板11还具有第一凹槽114，第一凹槽114从第一表面112朝靠近第二表面113的方向凹陷。第一凹槽114为环形，且第一凹槽114环绕在通孔111的外周并与通孔111连通。
固定件13至少部分收容于第一凹槽114内，且固定件13位于防爆片12和第一凹槽114的底壁114a之间。优选地，固定件13完全收容于第一凹槽114内。
与第一实施例相比，第二实施例通过设置第一凹槽114，可以减少固定件13在厚度方向Z上占用的空间。
防爆片12至少部分位于第一凹槽114内。优选地，防爆片12完全收容于第一凹槽114内。这样可以避免防爆片12在厚度方向Z上占用空间。
顶盖组件1还包括保护片14，保护片14位于防爆片12的远离电极组件2的一侧。保护片14可以固定于顶盖板11的第一表面112，并覆盖第一凹槽114。保护片14可以保护防爆片12，避免外部的杂质破坏防爆片12。保护片为膜片，强度较小；当防爆片12开启时，保护片14很容易在高温气体的冲击下破开，不会阻挡高温气体的排出。
在厚度方向Z上，防爆片12与保护片14之间设有间隙。在二次电池短路时，防爆片12在气压的作用下变形。如果防爆片12与保护片14直接接触，那么保护片14会限制防爆片12的变形，妨碍薄弱区域121a的断裂。
参照图8，在第二实施例的基础上，第三实施例中的顶盖板11还包括止挡部115，止挡部115从第一凹槽114的底壁114a朝靠近防爆片12的方向延伸。止挡部115环绕在通孔111的外周。固定件13至少部分位于止挡部115的远离通孔111的一侧，也就是说，固定件13至少部分位于止挡部115和第一凹槽114的侧壁114b之间。
在第二实施例中，如果固定件13熔化，熔化产生的金属液体会经由通孔111流动到电极组件2上，而金属液体可能造成二次电池内部短路，增大爆炸风险。而第三实施例中的止挡部115可以阻挡金属液体的流动，减少流动到电极组件2上的金属液体，降低安全风险。
沿着止挡部115的延伸方向，止挡部115的顶面不超过第一表面112，以避免止挡部115在厚度方向Z上占用额外的空间。在厚度方向Z上，防爆片12至少部分位于第一凹槽114内，以减少防爆片12在厚度方向Z上占用的空间。优选地，防爆片12完全位于第一凹槽114内。
参照图2，在第三实施例的基础上，第四实施例的顶盖板11还具有第二凹槽116，第二凹槽116从第一表面112朝靠近第二表面113的方向凹陷，且第二凹槽116环绕在第一凹槽114的外周。在厚度方向Z上，第二凹槽116的深度小于第一凹槽114的深度。
在第四实施例中，通过设置第一凹槽114和第二凹槽116，可以在顶盖板11上形成台阶，而所述台阶可以便于防爆片12的定位和安装。
参照图9和图11，在第四实施例的基础上，第五实施例的固定件13包括第一部分131和第二部分132，第一部分131位于止挡部115的远离通孔111的一侧，第二部分132从第一部分131的靠近通孔111的边缘延伸且位于止挡部115和防爆片12之间。
与第四实施例相比，第五实施例通过设置第二部分132，可以增大固定件13和连接部122的连接面积，提高固定件13和防爆片12之间的密封性能。
在第六实施例中，参照图10和图12，固定件13具有容纳槽133，容纳槽133相对于固定件13的靠近通孔111的内壁134凹陷。防爆片12的连接部122插入固定件13的容纳槽133并连接于固定件13。通过设置容纳槽133，可以增大固定件13与防爆片12的连接面积，提高密封性能。

Claims (8)

1.一种二次电池的顶盖组件(1)，其特征在于，包括顶盖板(11)、防爆片(12)以及固定件(13)；
顶盖板(11)设有通孔(111)，防爆片(12)设置于顶盖板(11)并密封通孔(111)，且防爆片(12)具有薄弱区域(121a)；
固定件(13)连接顶盖板(11)和防爆片(12)，固定件(13)的熔点小于顶盖板(11)的熔点和防爆片(12)的熔点；
防爆片(12)设置为：当固定件(13)未熔化时，薄弱区域(121a)能够在二次电池的内部气压超过薄弱区域(121a)断裂所需的气压时断裂；当固定件(13)熔化时，防爆片(12)能够在二次电池的内部气压低于薄弱区域(121a)断裂所需的气压时与顶盖板(11)至少部分地脱离；
顶盖板(11)具有沿厚度方向(Z)相对设置的第一表面(112)和第二表面(113)，通孔(111)贯通第一表面(112)和第二表面(113)；
顶盖板(11)还具有第一凹槽(114)，第一凹槽(114)从第一表面(112)朝靠近第二表面(113)的方向凹陷，且第一凹槽(114)环绕在通孔(111)的外周；
固定件(13)至少部分收容于第一凹槽(114)内，且固定件(13)位于防爆片(12)和第一凹槽(114)的底壁(114a)之间；
顶盖板(11)还包括止挡部(115)，止挡部(115)从第一凹槽(114)的底壁(114a)朝靠近防爆片(12)的方向延伸；
止挡部(115)环绕在通孔(111)的外周，且固定件(13)至少部分位于止挡部(115)和第一凹槽(114)的侧壁(114b)之间。
2.根据权利要求1所述的顶盖组件(1)，其特征在于，固定件(13)的材质为合金，且合金的熔点为50℃-300℃。
3.根据权利要求2所述的顶盖组件(1)，其特征在于，所述合金为锡铋合金或者锡铜银合金。
4.根据权利要求1所述的顶盖组件(1)，其特征在于，
防爆片(12)包括主体部(121)和连接部(122)，主体部(121)覆盖通孔(111)；薄弱区域(121a)形成于主体部(121)，并且薄弱区域(121a)的厚度小于主体部(121)其他区域的厚度；连接部(122)环绕在主体部(121)的外侧并且通过固定件(13)固定于顶盖板(11)；
当固定件(13)未熔化时，固定件(13)与连接部(122)的连接强度大于薄弱区域(121a)的断裂强度。
5.根据权利要求1所述的顶盖组件(1)，其特征在于，沿着止挡部(115)的延伸方向，止挡部(115)的顶面不超过第一表面(112)；在厚度方向(Z)上，防爆片(12)至少部分位于第一凹槽(114)内。
6.根据权利要求1所述的顶盖组件(1)，其特征在于，固定件(13)包括第一部分(131)和第二部分(132)，第一部分(131)位于止挡部(115)的远离通孔(111)的一侧，第二部分(132)从第一部分(131)的靠近通孔(111)的边缘延伸且位于止挡部(115)和防爆片(12)之间。
7.一种二次电池，其特征在于，包括电极组件(2)、壳体(3)以及权利要求1-6中任一项所述的顶盖组件(1)；
电极组件(2)收容于壳体(3)内，顶盖组件(1)的顶盖板(11)连接于壳体(3)。
8.一种电池模组，其特征在于，包括权利要求7所述的二次电池，二次电池为多个且依次布置。
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