CN110994041A - 一种聚合物软包电芯气袋的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚合物软包电芯气袋的设计方法，所述方法通过测定电芯的化成产气系数，之后计算得到有效储气空间的气袋宽度，从而实现聚合物软包电芯气袋的设计，克服了传统软包电芯封装过程中存在的气袋设计不合适造成的铝塑膜的浪费或影响电芯二封，引起封印不良，从而导致电芯在使用过程中胀气或电芯外观不良的现象的产生，采用本发明所述聚合物软包电芯气袋的设计方法能在不影响电芯封印，避免电芯使用过程中胀气或电芯外观不良的同时有效降低聚合物软包电芯的封装成本。

Description

一种聚合物软包电芯气袋的设计方法
技术领域
本发明属于软包电池领域，涉及一种聚合物软包电芯气袋的设计方法。
背景技术
聚合物软包锂电池化成时，化成过程中电解液与极片发生副反应会产生气体。为了确保电芯正常生产，电芯封装时会预留一部分铝塑膜作为气袋，用于储存化成产生的气体，此部分铝塑膜被称为电芯气袋。电芯在排气工序，设备会刺破气袋，将化成气体抽出，然后给电芯二封，最后将气袋裁掉。
传统的气袋设计依靠工程师的经验，根据电芯的设计容量估计气袋的宽度，不能定量设计，从而存在着以下问题：(1)当气袋设计过大时，会造成铝塑膜的浪费，增加电芯封装的材料成本；(2)当气袋设计不足时，会影响电芯的二封，引起封印不良，导致电芯在使用过程中胀气或电芯外观不良。
CN 207009574 U公开了一种软包装锂离子电池气袋，包括一体连接且相互连通的第一主体和第二主体，所述第一主体设置有用于容置电芯的主坑体，所述第二主体的开口处设置有密封结构，所述密封结构包括互嵌的上密封条和下密封条；上述方案给出了一种电芯气袋的结构，但并未给出适合聚合物软包电芯的设计方法，并不能解决因电芯气袋设计不合适造成的电芯封印不良的技术问题，也不能达到节约电芯封装材料的目的。
因此，开发一种聚合物软包电芯气袋设计方法是具有重要意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚合物软包电芯气袋的设计方法，所述方法通过测定电芯的化成产气系数，之后计算得到有效储气空间的气袋宽度，从而实现聚合物软包电芯气袋的设计，克服了传统软包电芯封装过程中存在的气袋设计不合适造成的铝塑膜的浪费或影响电芯二封，引起封印不良，从而导致电芯在使用过程中胀气或电芯外观不良的现象的产生，采用本发明所述聚合物软包电芯气袋的设计方法能在不影响电芯封印，避免电芯使用过程中胀气或电芯外观不良的同时有效降低聚合物软包电芯的封装成本。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种聚合物软包电芯气袋的设计方法，所述方法包括以下步骤：
(1)测定电芯的化成产气系数k；
(2)所述聚合物软包电芯气袋不包含冲坑，所述有效储气空间的气袋宽度的计算公式为：
Figure BDA0002319870310000021
或所述聚合物软包电芯气袋包含冲坑，所述冲坑的体积为V＇，所述有效储气空间的气袋宽度的计算公式为：
Figure BDA0002319870310000022
其中，b为有效储气空间的气袋宽度，α为气袋张开角，可通过实验测得，C为电芯设计容量；k为电芯的化成产气系数，L为电芯的长度，w0为电芯顶封边的宽度。
优选地，α取值范围0°～30°，例如5°、10°、15°、20°或25°等。
本发明步骤(1)中测定的电芯的化成产气系数k中的电芯为不同体系(正极+负极+电解液)电芯首次生产时，测量化成前后电芯体积，计算产气系数k。
本发明中α为气袋张开角，可通过实验测得(α取值范围0°～30°)。
本发明所述冲坑指的是铝塑膜气袋上附属气囊，主要作用为增加气袋的有效储气体积，占气袋体积的10％～40％，例如15％、20％、25％、30％或35％等。
本发明所述有效储气空间的气袋宽度指的是气袋充气时二封边区与简易封边区间的距离，不包含二封边和简易封边处的宽度。
优选地，所述聚合物软包电芯气袋的高度l＝L-w0；其中，L为电芯的长度，w0为电芯顶封边的宽度。
在聚合物软包电芯的封装过程中的气袋一般分为含冲坑的气袋和不含冲坑的气袋。
当选定的聚合物软包电芯气袋不含冲坑时，在气袋充气后，可将气袋的有效储气空间模拟呈一个底面为椭圆形的柱形，即椭圆形储气模型，利用电芯的化成产气系数k结合电芯的设计容量C，即可得到电芯化成产气量V＇＇，其对应气袋的有效储气空间；同时结合α，代入上述公式即可得到满足本发明设计要求的聚合物软包电芯气袋的宽度，本发明所述聚合物软包电芯气袋高度由电芯的长度确定，所述气袋的高度l＝电芯的长度L-电芯顶封边的宽度w0。
当选定的聚合物软包电芯气袋含有冲坑时，所述气袋的有效储气空间即等于椭圆形储气模型的储气空间加上冲坑的储气空间，利用电芯的化成产气系数k结合电芯的设计容量C，即可得到电芯化成产气量V＇＇，其对应气袋的有效储气空间；将其减去冲坑的储气空间即得到椭圆储气模型的储气空间，同时结合α，即可得到聚合物软包电芯的有效储气空间的宽度。
优选地，所述聚合物软包电芯气袋包括有效储气空间、位于有效储气空间和电芯之间的二封边区及位于有效储气空间背对电芯一侧的简易封边区。
优选地，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
W＝a+b+c；
其中，W为聚合物软包电芯气袋总宽度，a为所述二封边区的宽度，b为有效储气空间的气袋宽度，c为所述简易封边区的宽度。
本发明所述聚合物软包电芯的总宽度指的是有效储气空间的气袋宽度、二封边区的宽度及简易封边区的宽度之和。
本发明所述聚合物软包电芯气袋的设计过程中预留用于简易封边和二封边的区域，为避免影响封装效果，上述两个区域不能用来储气。
优选地，所述二封边区的宽度≥电芯定位距。
此处所述电芯定位距指的是化成工序过程中，电芯与气袋相邻一侧的最外壁边缘距离化成压板外侧边缘的距离，示例性的如图3中所示。
本发明所述方法限定二封边区的宽度≥电芯的定位距，其能保证化成过程中聚合物软包电芯气袋正常展开，化成产气储存在气袋内，从而不影响二封。而当二封边区的宽度＜电芯定位距时，化成过程中聚合物软包电芯气袋被化成压板压缩，气袋有效储气空间减少，化成产气导致聚合物软包电芯气袋内的压力过大，严重影响二封，而当电芯定位距＜0时，电芯主体超出化成压板的边缘，电芯化成不充分，且在组装电芯表面形成一道压痕。
优选地，a≥4mm，例如5mm、6mm、7mm、8mm或10mm等。
优选地，c≥5mm，例如6mm、7mm、8mm、9mm或10mm等。
优选地，所述聚合物软包电芯气袋不包含冲坑，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure BDA0002319870310000041
或，所述聚合物软包电芯气袋包含冲坑，所述冲坑的体积为V＇，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure BDA0002319870310000051
其中，W为聚合物软包电芯气袋总宽度，a为所述二封边区的宽度，α为0°～30°，C为电芯设计容量；k为电芯的化成产气系数，L为电芯的长度，w0为电芯顶封边的宽度，c为所述简易封边区的宽度。
优选地，所述聚合物软包电芯气袋不包含冲坑，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure BDA0002319870310000052
其中i为模型修正系数；i≥1；当i＝1时，W为最优宽度；
或，所述聚合物软包电芯气袋包含冲坑，所述冲坑的体积为V＇，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure BDA0002319870310000053
其中j为模型修正系数；j≥1；当j＝1时，W为最优宽度；
其中，W为聚合物软包电芯气袋总宽度，a为所述二封边区的宽度，α为0°～30°，C为电芯设计容量；k为电芯的化成产气系数，L为电芯的长度，w0为电芯顶封边的宽度，c为所述简易封边区的宽度。
优选地，步骤(1)所述测定电芯的化成产气系数的方法包括以下步骤：
(a)测试化成前的电芯体积V0；
(b)测试化成后的电芯体积V1；
(c)电芯的化成产气系数为：
Figure BDA0002319870310000061
其中，C＇为电芯容量，V0为化成前的电芯体积，V1为化成后的电芯体积。
此处电芯容量C＇与前述聚合物软包电芯的电芯设计容量C之间无关，C＇为用于测试k值时，选取电芯的设计容量；C为目标电芯的设计容量，即需要设计气袋宽度的电芯。
优选地，步骤(a)之前还包括将电芯进行烘烤。
优选地，所述烘烤的终点至电芯水含量至注液要求的上限。
优选地，化成前的电芯体积V0和化成后的电芯体积V1的测试方法采用排水法。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述聚合物软包电芯气袋的设计方法通过测定电芯的化成产气系数，之后将其与电芯设计容量结合，计算得到所述聚合物软包电芯气袋宽度，采用本发明所述聚合物软包电芯气袋的设计方法能在不影响电芯封印的同时，避免电芯使用过程中胀气或电芯外观不良现象的产生；
(2)本发明所述方法能有效降低聚合物软包电芯的封装成本，减少铝塑膜的浪费。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中不包含冲坑的聚合物软包电芯气袋的俯视图；
图2是本发明具体实施方式中不包含冲坑的聚合物软包电芯气袋的正视图；
图3是本发明具体实施方式部分聚合物软包电芯化成的过程示意图，其中0＜d≤a；
图4是本发明具体实施方式部分聚合物软包电芯化成的过程示意图，其中d＞a；
图5是本发明具体实施方式部分聚合物软包电芯化成的过程示意图，其中d＝0。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
当聚合物软包电芯气袋不含冲坑时，本发明所述聚合物软包电芯气袋的示意图如图1和图2所示，由图1可以看出，所述聚合物软包电芯包括电芯主体，所述电芯主体进行了侧封和顶封；所述气袋位于所述电芯主体的侧边，其包含有效储气空间、二封边区和简易封边区，所述气袋的高度l＝电芯的高度L-顶封边的宽度w0；所述聚合物软包电芯气袋总宽度W如图2所示，其包括二封边区的宽度a+有效储气空间的气袋宽度b+简易封边区的宽度c；所述气袋充气时可采用椭圆模型进行模拟，其中α值为气袋张开角，可通过实验测得，α取值范围0°～30°，气袋充气时的厚度为h。
本发明所述聚合物软包电池气袋的设计方法中电芯的设计容量C是已知的，同时通过实验测定得到电芯的化成产气系数k，则电芯的化成产气体积V＝k×C，而气袋的有效储气空间可采用椭圆模型进行模拟，则有效储气空间的体积V有效＝(πbh/4)×(L-w0)；为避免化成产气影响二封边，h≤btanα，角度α为固定值，由实验测得；即有效储气空间的宽度满足：
Figure BDA0002319870310000071
则聚合物软包电芯气袋总宽度
Figure BDA0002319870310000072
实施例1
聚合物软包电芯气袋的设计方法：
本实施例所述聚合物软包电芯气袋不包含冲坑；
本实施例采用的聚合物软包电芯(625885-5Ah)的参数为：电芯高度L＝84.5mm，顶封边宽w0＝2.5mm；电芯的设计容量C为5.15Ah；α为15°；则气袋的高度l＝L-w0＝82mm；其中二封边区的宽度a＝5mm，简易封边区的宽度c＝7mm；
产气系数k测量:采用相同化学体系电芯605090-5Ah(设计容量5.2Ah)，测量化成产气系数k：使用排水法测量化成前电芯体积为30.57ml，化成后再次使用排水法测量电芯体积为40.86ml，该体系产气系数k＝(40.86-30.57)/5.2＝1.979mL/Ah。
将上述参数代入聚合物软包电芯气袋总宽度的计算公式得出，其中，i＝1，本实施例中的气袋总宽度：
Figure BDA0002319870310000081
实施例2
聚合物软包电芯气袋的设计方法：
本实施例所述聚合物软包电芯625885-5Ah气袋包含冲坑，所述冲坑的体积V＇＝3mL；
本实施例采用的软包电芯的参数为：电芯高度L＝84.5mm，顶封宽w0＝2.5mm；电芯的设计容量C为5.15Ah；α为15°；则气袋的高度l＝L-w0＝82mm；其中二封边区的宽度a＝5mm，简易封边区的宽度c＝7mm；
电芯化成产气系数k的测试方法与实施例1相比完全相同；
将上述参数代入聚合物软包电芯气袋总宽度的计算公式得出，其中j＝1，本实施例中的气袋总宽度：
Figure BDA0002319870310000091
本发明具体实施方式部分所述聚合物软包电芯的化成过程示意图如图3所示，将聚合物软包电芯置于化成压板之间，气袋置于化成压板外部，其在化成过程中需保持电芯定位距0＜d≤a，如此，可保证化成产气过程中，气袋正常展开，化成产气进入气袋中，从而不影响二封，上述实施例1-2均采用如图3所示的化成操作步骤。
相反，如图4和图5所示，当电芯定位距d＞a时，气袋被化成压板压缩，气袋储气量减少，化成产气造成气袋内压力过大，将封印冲开，严重影响二封；当电芯定位距d为0时，电芯主体超出压板边缘，电芯化成不充分，表面形成一道压痕。
采用上述实施例1-2所述方法得到的聚合物软包卷绕电芯气袋的尺寸对相应的电芯进行封装，封装结果显示，化成层压过程中产生的气体全部进入气袋中，其产生的气体没有对简易封边区和二封边区造成不良影响。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种聚合物软包电芯气袋的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)测定电芯的化成产气系数k；
(2)所述聚合物软包电芯气袋不包含冲坑，所述有效储气空间的气袋宽度的计算公式为：
Figure FDA0002319870300000011
或所述聚合物软包电芯气袋包含冲坑，所述冲坑的体积为V＇，所述有效储气空间的气袋宽度的计算公式为：
Figure FDA0002319870300000012
其中，b为有效储气空间的气袋宽度，α为气袋张开角，可通过实验测得，C为电芯设计容量；k为电芯的化成产气系数，L为电芯的长度，w0为电芯顶封边的宽度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，α取值范围0°～30°；
优选地，所述聚合物软包电芯气袋包括有效储气空间、位于有效储气空间和电芯之间的二封边区及位于有效储气空间背对电芯一侧的简易封边区。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
W＝a+b+c；
其中，W为聚合物软包电芯气袋总宽度，a为所述二封边区的宽度，b为有效储气空间的气袋宽度，c为所述简易封边区的宽度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二封边区的宽度≥电芯定位距。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，a≥4mm。
6.如权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，c≥5mm。
7.如权利要求3-6任一项所述的方法，其特征在于，所述聚合物软包电芯气袋不包含冲坑，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure FDA0002319870300000021
或，所述聚合物软包电芯气袋包含冲坑，所述冲坑的体积为V＇，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure FDA0002319870300000022
其中，W为聚合物软包电芯气袋总宽度，a为所述二封边区的宽度，α为0°～30°，C为电芯设计容量；k为电芯的化成产气系数，L为电芯的长度，w0为电芯顶封边的宽度，c为所述简易封边区的宽度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述聚合物软包电芯气袋不包含冲坑，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure FDA0002319870300000023
其中i为模型修正系数；
i≥1；优选地，i＝1；
或，所述聚合物软包电芯气袋包含冲坑，所述冲坑的体积为V＇，所述聚合物软包电芯气袋总宽度为：
Figure FDA0002319870300000024
其中j为模型修正系数；
j≥1；优选地，j＝1；
其中，W为聚合物软包电芯气袋总宽度，a为所述二封边区的宽度，α为0°～30°，C为电芯设计容量；k为电芯的化成产气系数，L为电芯的长度，w0为电芯顶封边的宽度，c为所述简易封边区的宽度。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述测定电芯的化成产气系数的方法包括以下步骤：
(a)测试化成前的电芯体积V0；
(b)测试化成后的电芯体积V1；
(c)电芯的化成产气系数为：
Figure FDA0002319870300000031
其中，C＇为电芯容量，V0为化成前的电芯体积，V1为化成后的电芯体积。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(a)之前还包括将电芯进行烘烤；
优选地，所述烘烤的终点至电芯水含量至注液要求的上限；
优选地，化成前的电芯体积V0和化成后的电芯体积V1的测试方法采用排水法。
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