CN110931660A - 一种用于软包蓄电池的保护结构及软包蓄电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于软包蓄电池的保护结构及软包蓄电池。所述保护结构包括围绕蓄电池电芯外周并由内向外依次设置的内层保护片、隔离层和外层保护片，其中所述隔离层由PP、PE或二者的组合构成。本发明还涉及具有该保护结构的软包蓄电池。利用该保护结构，能够提高电池在高温情况下的安全性能，提高电池的抗机械滥用性能，能够固定电芯厚度并抑制其体积膨胀，从而使制备的软包蓄电池具有良好的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及软包蓄电池制作领域，更具体地涉及一种用于软包蓄电池的保护结构及软包蓄电池。
背景技术
近年来，随着新能源汽车、人工智能、无人驾驶、5G通信等技术的发展，对储能技术提出了越来越高的要求。锂离子电池因具有较高的能量密度和循环效率、低自放电、无记忆效应等优点，受到学术界及产业界的关注。目前，锂离子电池技术已日趋成熟，能量密度不断提升，并大规模应用在各类消费类电子产品、电动工具、电动汽车等领域。
目前锂离子电池按照外形特点或封装方式，主要分为钢壳锂离子电池、铝壳锂离子电池和软包锂离子电池，其中软包锂离子电池使用了铝塑包装膜作为包装材料，因此其具有以下优点：(1)安全性能好，在发生安全隐患的情况下软包电池最多只会鼓气裂开，而不像钢壳或铝壳电芯那样会发生爆炸；(2)重量轻，软包电池重量较同等容量的钢壳锂和铝壳电池轻；(3)容量大，软包电池较同等规格尺寸的钢壳和铝壳电池容量高；(4)内阻小，软包电池的内阻较小，可极大降低电池的自耗电；(5)设计灵活，可以做成各种异形电池。
然而，软包锂离子电池在具有高能量密度优势的同时，也存在体积胀缩效应严重、易变形、短路易自燃、高温安全性差等缺点，导致其在使用过程中安全事故频发。
因此，在本领域中仍然需要进一步提高软包锂离子电池的安全性，减少高能量密度锂离子电池在使用过程中的变形、短路等，进而减少由其引发的安全事故。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的一个目的在于提供一种软包蓄电池保护结构。利用该保护结构，能够提高电池在高温情况下的安全性能，提高电池的抗机械滥用性能，能够固定电芯厚度并抑制其体积膨胀，从而使制备的软包蓄电池具有良好的安全性能。
上述目的通过以下方案来实现：
在一方面，本发明提供一种软包蓄电池保护结构，所述保护结构包括：围绕蓄电池电芯外周并由内向外依次设置的内层保护片、隔离层和外层保护片，其中所述隔离层由PP、PE或二者的组合构成。在一个优选实施方案中，所述内层保护片为铜片，所述外层保护片为铝片。
利用该保护结构，当电芯受到外部机械破坏(如碰撞、挤压、穿刺)时，两层保护片会承接外部作用力，缓解外力对内部电芯的直接破坏；当电芯遭遇过高温度、内部、外部短路时，导致电芯过热时，保护片之间的隔离层能够融化进而引发电池短路，释放电芯内部的能量，降低安全风险；并且，当电芯大倍率充放电时，两层金属保护片可作为散热片，迅速降低电芯表面温度；最后，在充放电过程中，电池内芯两侧的金属保护片可以固定电芯厚度，抑制体积膨胀，延长电池使用寿命。特别地，所述隔离层在常规状态下将外层保护铝片与内层保护铜片分离，以防止短路发生；在高温(120℃以上)下，所述隔离层会熔化，从而使外层保护片与内层保护片发生短接，释放电芯的能量。
进一步优选地，在所述蓄电池电芯和所述内层保护片之间还设置有保护填充层。在一个优选实施方案中，所述保护填充层由绝缘陶瓷材料制成，例如，所述绝缘陶瓷材料选自Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2中的一种或几种。在另一优选实施方案中，所述保护填充层的厚度为0.5-5mm，进一步优选为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5mm。
利用所述技术方案，当电芯受到外力破坏时，所述保护填充层能够防止因外层保护片与内层保护片受力变形或破裂产生的碎片、毛刺对电芯的损害。
进一步优选地，所述内层保护片的厚度为0.01-2mm，优选为0.02、0.05、0.10或0.15mm。
在该厚度范围内，所述内层保护片能够兼具固定电芯厚度、抑制体积膨胀及散热的作用。若该厚度小于0.01mm，则可能不能固定电芯厚度及抑制其体积膨胀。若该厚度大于2mm，则导致电池过重，且制造成本大幅提高。
进一步优选地，所述外层保护片的厚度为0.01-2mm，优选为0.02、0.05、0.10或0.15mm。
在该厚度范围内，所述外层保护片能够兼具固定电芯厚度、抑制体积膨胀及散热的作用。若该厚度小于0.01mm，则可能不能固定电芯厚度及抑制其体积膨胀。若该厚度大于2mm，则导致电池过重，且制造成本大幅提高。
进一步优选地，所述内层保护片和所述外层保护片各自经引出装置与负极极耳和正极极耳连接。与极耳连接后，由于保护片带电，当电池遇到高温环境后隔离层融化，导致内、外层保护片连接，产生电流，从而释放电池能量，提高电池在高温下的稳定性。在一个实施方案中，所述引出装置选自导线或触点。
进一步优选地，在所述外层保护片外侧设置有铝塑膜。所述铝塑膜可由外阻层(尼龙)、铝层和高阻隔层(聚丙烯)粘合而成。在一个优选实施方案中，所述铝塑膜的厚度为50-200μm，优选80-160μm，更优选80-120μm。
利用该技术方案，由于铝塑膜具有良好的延展性、柔韧性和机械强度，所以能够使其包裹的电芯具有良好的阻隔性、热封性能、耐电解液及强酸腐蚀性，进一步提升其安全性能。
在另一方面，本发明提供了一种包含前述方面所述的保护结构的软包蓄电池。
由于具有前述方面所述的保护结构，所得软包蓄电池在使用过程中可能发生的变形、短路得到显著抑制，从而大幅减少由其引发的安全事故。
综上所述，本发明能够实现如下良好的技术效果：
1)当电芯受到外部机械破坏(如碰撞、挤压、穿刺)时，两层保护片会承接外部作用力，缓解外力对内部电芯的直接破坏；
2)当电芯遭遇过高温度、内部、外部短路时，导致电芯过热时，保护片之间的隔离层能够融化进而引发电池短路，释放电芯内部的能量，降低安全风险；
3)当电芯大倍率充放电时，两层金属保护片可作为散热片，迅速降低电芯表面温度；
4)在充放电过程中，电池内芯两侧的金属保护片可以固定电芯厚度，抑制体积膨胀，延长电池使用寿命。
附图说明
以下将结合附图来具体描述本发明的一些优选实施方式。本领域的普通技术人员将会理解，这些附图仅用于举例说明的目的，而无意于以任何方式来限制本发明的范围。
图1是具有根据本发明一个实施方案的保护结构的锂蓄电池的结构示意图。
附图标记说明：1、外侧保护片；2、内层保护片；3、隔离层；4、保护填充层；5、裸电芯。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例来描述本发明的一些具体实施方式。本领域的普通技术人员会理解，提供这些实施方式的目的仅仅是为了举例说明如何能够实施本发明的方案，而非以任何方式限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种软包蓄电池保护结构，所述保护结构包括：围绕裸电芯5外周并由内向外依次设置的内层保护片1、隔离层2和外层保护片3。
该结构可适用于传统液态锂蓄电池体系、聚合物电池体系、固态电池体系和混合固液电解质锂蓄电池体系。在一个实施方案中，裸电芯5为传统液态电池内芯、聚合物电池内芯、固态电池内芯或混合固液电解质电池内芯。
在一个实施方案中，外层保护片1可以为一层铝质金属片，其位于内层保护片外侧，绕内层保护片一周。外层保护片1一侧有引出装置(未示出)与正极极耳相连。该引出装置可以为例如触点或导线。
在一个实施方案中，内层保护片2为一层铜质金属片，该金属片位于电芯外侧，围绕电芯设置。内层保护片2的一侧设置有引出装置(未示出)与负极极耳相连。该引出装置可以为例如触点或导线。
在一个实施方案中，在外层保护片1与内层保护片2之间设置有隔离层3，其作用为在常规状态下将外层保护片1与内层保护片2分离，以防止短路发生。隔离层3在高温下(120℃以上)能够熔化，导致外层保护1片与内层保护片2短接，从而释放电芯的能量。在一个实施方案中，隔离层3的材质选自PP、PE或二者的组合。隔离层的厚度为0.1-2.5mm。
在一个实施方案中，在所述内层保护片2与电芯5之间设置有保护填充层4，其作用为在电芯受到外力破坏时防止因外层保护片1与内层保护片2受力变形或破裂产生的碎片、毛刺对电芯5造成损害。保护填充层4由于绝缘的陶瓷材料制成，例如，所述陶瓷材料选自Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2中的一种或几种。保护填充层4的厚度为0.5-5mm。
在一个实施方案中，在外层保护片1之外设置有外包装膜(未示出)。所述包装膜为铝塑膜，该铝塑膜经过冲压、剪裁后加工成所需尺寸，其厚度为50μm-200μm。
下面将结合实施例对本发明进行更为详细的描述和说明。本领域的普通技术人员将会理解，提供这些实施例的目的只是用于示例性说明的目的，即使本领域的普通技术人员能够更好地理解本发明是如何实施的，而不是对本发明的范围构成任何限制。
1.制备实施例：制备高安全性的锂蓄电池
步骤1)：按照负极片、固态电解质膜、正极片、固态电解质膜、负极片的顺序对所述部件进行叠合得到预制电池芯。正极片的活性材料为重量比为1:1的钴酸锂Li1+zCo1-nAnO2、三元材料Li1+zNixCoyM1-x-y-nAnO2混合物。负极片的活性材料为重量比为1:2的天然石墨和锂-碳复合材料混合物。固态电解质膜所用固态电解质为氧化物型固态电解质，其为重量比为1:1的石榴石型固态电解质材料和NASICON型固态电解质材料混合物。
步骤2)：按照电池内芯、保护填充层、内层保护片、隔离层、外层保护片、包装膜(由内向外)的顺序将所述组件叠放整齐，并通过超声焊接工艺分别将外层保护片、内层保护片与正、负极极耳连接，其中焊接参数为：振幅：30-100μm，压力：10-200PSI，能量： 50-1000J。最后，通过在160-200℃下热封2-8秒来封装电池。
基于前述步骤，按照下表1分别制备实施例1-5的锂蓄电池。
此外，按照实施例1的步骤制备对比例的锂蓄电池，只是未添加内层保护片、外层保护片、隔离层和保护填充层，如表1所示。
表1
2.测试实施例
200℃加热测试：
1)测试所采用的设备：高温防爆加热箱，广东贝尔；
2)测试参数、方法&步骤：a.将电池以1C1电流恒流恒压充满电，截止电流0.05C；b.将电池放入高温防爆加热箱中，关闭箱门；c.启动高温防爆加热箱，以5℃/min的升温速率升温，直至箱体温度达到200℃；d.停止加热，观察1h；e.如果电池在测试过程中发成起火、冒烟等情况，终止测试。统计测试后的容量保持率及膨胀率(厚度方向)。
针刺测试：
1)测试所采用的设备：针刺实验机，广东贝尔；
2)测试方法：按照GB/T 31485-2015的标准进行测定，探针直径为5mm，统计测试后的容量保持率及膨胀率膨胀率(厚度方向)。
循环测试：
1)测试所采用的设备：充放电试验机，迪卡龙；
2)测试方法：按照GBT 31484-2015规定的方法进行测试，测试温度为25℃，测试电流为1C充电1C放电，电压范围为3.0～4.2V，统计在容量保持率为80％及以上时的循环次数及测试结束后的膨胀率膨胀率(厚度方向)。
倍率充放电测试：
1)测试所采用的设备：充放电试验机，迪卡龙；
2)测试方法：按照GBT 31486-2015规定的方法进行测试，测试温度为25℃，测试电流为1C、2C、3C、4C，电压范围为3.0～4.2V，统计在测试过程中的最大温升及测试结束后的膨胀率膨胀率(厚度方向)。
试验结果如表2所示。
表2
从表2可见，在加热测试和针刺测试中，根据本发明实施例1-5制备的锂蓄电池具有非常低的膨胀率，并且未发生起火或爆炸，而根据对比例制备的常规锂蓄电池的膨胀率超过1000％，并且在加热和针刺测试中均发生起火及爆炸。另外，根据本发明实施例1-5制备的锂蓄电池的循环保持率也有所提高。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种用于软包蓄电池的保护结构，其特征在于，所述保护结构包括：围绕蓄电池电芯外周并由内向外依次设置的内层保护片、隔离层和外层保护片，其中所述隔离层由PP、PE或二者的组合构成。
2.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于，所述内层保护片为铜片，所述外层保护片为铝片。
3.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于，在所述蓄电池电芯和所述内层保护片之间还设置有保护填充层。
4.根据权利要求3所述的保护结构，其特征在于，所述保护填充层由绝缘陶瓷材料制成，所述绝缘陶瓷材料选自Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的保护结构，其特征在于，所述保护填充层的厚度为0.5-5mm。
6.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于，所述内层保护铜片的厚度为0.01-2mm。
7.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于，所述外层保护片的厚度为0.01-2mm。
8.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于，所述内层保护片和所述外层保护片各自与蓄电池的负极极耳和正极极耳连接。
9.根据权利要求1所述的保护结构，其特征在于，在所述外层保护片外侧设置有铝塑膜，所述铝塑膜的厚度为50-200μm。
10.一种包含权利要求1-9中任一项所述的保护结构的软包蓄电池。
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