CN111180651A - 一种电芯电连接的无焊接式接插件及含有该接插件的锂离子电池 - Google Patents

一种电芯电连接的无焊接式接插件及含有该接插件的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电芯电连接的无焊接式接插件及锂离子电池，其包括集流排，所述集流排卡接有连接板，所述连接板包括背板和间隔固设在背板一侧的卡柱，相邻卡柱之间形成用于与集流排进行卡接的凹槽；所述卡柱的外周或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层，所述热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成；所述背板和卡柱均是由高导热绝缘材料制成。本发明采用由集流排及与其相配合连接的连接板组成的电连接接插件，在常温下具备一定的机械强度和良好的热传导能力。当发生短路时，涂覆于连接板上的热分解材料层中的热敏树脂受热会分解，使电芯极耳与连接片之间的预紧力消失，断开电芯之间的连接，防止热失控的发生，大大提高电池的安全性。

Description

一种电芯电连接的无焊接式接插件及含有该接插件的锂离子 电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种电芯电连接的无焊接式接插件及含有该接插件的锂离子电池。
背景技术
在过去的二十年中，锂离子电池已成为新能源汽车最重要的动力源。为了使其广泛普及，在提高锂离子电池性能的同时需要进一步降低其成本。另外，为了提高电动汽车的续航里程，行业内部还在不断追求锂离子电池具备更高的能量密度。
在电池包和模组设计中，电芯之间电连接的熔断器设计一直都是一个难点，在单个电芯发生问题，例如微短路等，如果可以及时的切断与该电芯的电连接，就可以防止该电芯进一步发生热失控。但现在的电流熔断器存在可靠性低，在发生快充时，容易意外熔断；成本高，需要的安装的数量比较多；结构复杂等问题。
此外，在防止热失控方面，方型电芯可以通过防爆阀和气流通道设计将单个电芯的热气流导出去，通过电芯间的绝热材料防止电芯间的热传递，在一定程度上可以控制方型电芯之间的热扩散。软包电芯相对于方型电芯有更加自由的形状设计，但是在单体发生热失控以后，很难利用类似于方型电池防爆阀的设计来导走热气，因为软包电芯发生破裂的地方是随机的，并且产生的热气会使周围的电芯接连发生热失控。所以，软包模组的热失控控制是目前模组设计的难点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种电芯电连接的无焊接式接插件及含有该接插件的锂离子电池，该无焊接式接插件中与集流体连接的卡柱上涂覆有高温可分解型树脂制成的，在电芯发生微短路时，可以断开电芯之间的电连接，防止热失控的发生，大大提高电池的安全性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电芯电连接的无焊接式接插件，包括集流排，所述集流排卡接有连接板，所述连接板包括背板和间隔固设在背板一侧的卡柱，相邻卡柱之间形成用于与集流排进行卡接的凹槽；所述卡柱的外周或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层，所述热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成；所述背板和卡柱均是由高导热绝缘材料制成。
进一步方案，所述热分解材料中热敏树脂的质量百分比为70-95％，改性材料为余量；所述热敏树脂包括聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸亚丙酯；所述改性材料为控温催化剂。
进一步方案，所述改性材料中还包括碳材料和/或玻璃纤维，所述控温催化剂为无机物或官能团修饰的聚碳酸酯中的至少一种。
优选的，所述碳材料选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、VGCF(气相成长碳纤维)中的一种或两种以上的组合；
所述无机物为盐酸盐、硫酸盐、氢氧化钾、碳酸正盐或酸式碳酸盐；
具体的碳酸正盐包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸锂、碳酸铵，酸式碳酸盐包括碳酸氢钠等。
所述官能团修饰的聚碳酸酯是指经官能团修饰的聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯或聚碳酸亚丙酯；所述官能团为羟基、羧基、卤素或环氧丙烷。
更优选的，所述石墨烯的尺寸为5nm-200μm；炭黑、科琴黑的尺寸为1nm-100nm；碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，其直径为1nm-50nm、长度为10nm-1mm；碳纤维、VGCF的直径为80nm-8μm、BET为5m2/g-1000m2/g、长度为200nm-1mm；玻璃纤维的直径为500nm-50μm。
进一步方案，所述热分解材料层的降解温度为150-250℃、厚度为1-10mm。
进一步方案，所述高导热绝缘材料为陶瓷材料、高导热聚合物或树脂复合材料。
优选的，所述陶瓷材料包括Al2O3、AlN、BeO、Si3N4、SiC；所述高导热聚合物为聚乙炔、聚苯胺或聚吡咯；所述树脂复合材料为聚酰胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二酯中之一和金属氧化物、石墨纤维、碳纤维中之一的混合物。
本发明的另一个发明目的是提供上述热分解材料层的制备方法，是将热敏树脂加热至熔融状态，加入质量百分比为5-30％的改性材料进行搅拌混合得浆料；然后将浆料涂覆于卡柱的外周或凹槽的内侧壁上，常温下固化形成热分解材料层。
本发明的第三个发明目的是提供一种锂离子电池，其含有如上述的无焊接式接插件。锂离子电池是由于含有本发明的高温可分解型树脂制成的接插件，故具有较高的安全性能。
本发明中的无焊接式接插件，包括集流排、与集流排卡接的连接板，所述连接板包括背板和间隔固设在背板一侧的卡柱，相邻卡柱之间形成用于与集流排进行卡接的凹槽；所述卡柱的外周或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层，所述热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成；所述背板和卡柱均是由高导热绝缘材料制成。
其中高导热绝缘材料作为基底材料，可以是无机陶瓷材料或者有机材料，无机材料可以是Al2O3、AlN、BeO、Si3N4、SiC等材料，有机材料可以是聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等高导热聚合物，或者在聚酰胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二酯中混合有导热性的金属氧化物(氧化铝)、石墨纤维、碳纤维等的树脂复合材料。
在高导热绝缘材料上包覆一层热分解材料层，该热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成，其中热敏树脂的作用是在单个电芯发生内部短路等事故的时候，可以在一定的温度发生分解，进而松开对集流排的压力，而断开该电芯的电连接，使整个模组不发生热失控现象。其中改性材料的作用是提高该可分解的热敏树脂的导电性能或降低其热分解的温度。所以，本发明的热分解材料，在常温下具备良好的热传导能力，当达到一定温度时，该热分解材料受热分解，由此可以断开电芯之间的连接，防止热失控的发生，可大大提高电池的安全性。
热敏树脂包括聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸亚丙酯(PPC)，所述改性材料为碳材料和控温催化剂的混合物，或为玻璃纤维和控温催化剂的混合物。其中控温催化剂为无机物或官能团修饰的聚碳酸脂中的至少一种。
碳材料可以是炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、VGCF(气相成长碳纤维)等中的一种或两种以上的组合。在常温下，热敏树脂与碳材料充分混合，使其具备足够的机械强度和导热性能；使高温可分解的热敏树脂分解为二氧化碳和水，仅留下被包覆的高导热绝缘材料。此时，接插件的结构发生变化，导致电芯极耳与连接片之间的预紧力消失，断开电芯极耳与连接片的连接，从而可以断开电芯之间的连接，防止热失控的发生。
控温催化剂中无机物为盐酸盐、硫酸盐、氢氧化钾；盐类为碳酸正盐(包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸锂、碳酸铵)或酸式碳酸盐(如碳酸氢钠)；官能团修饰的聚碳酸酯是指经官能团修饰的聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯或聚碳酸亚丙酯；所述官能团为羟基、羧基、卤素或环氧丙烷。通过官能团的修饰，或加入无机物、盐、官能团修饰的聚碳酸酯，可以降低热敏树脂的分解温度，可以使得分解温度在150-400℃之间调整。通过对热敏树脂的分子链修饰，尤其是加入环氧丙烷修饰后的聚碳酸酯可以将其分解温度从200℃-250℃降为150℃附近。
本发明采用由集流排及与其相配合连接的连接板组成的电连接接插件，在常温下具备一定的机械强度和良好的热传导能力。在常温下，电芯极耳插入到此接插件的凹槽中，通过凹槽施加的压力使电芯极耳与集流排紧密连通，从而实现各电芯之间的连接；当达到一定温度而发生热失控时，由于温度升高到180℃以上时就达到热分解材料层的降解温度(通常在200℃附近出现热降解，该温度可以调节)，从而使热分解材料层分解为二氧化碳、水和碳材料。即涂覆于连接板的卡柱外周或凹槽的内侧壁上的热分解材料层中的热敏树脂受热会分解，使接插件的结构发生变化，导致电芯极耳与连接片之间的预紧力消失，断开电芯极耳与连接片的连接，从而可以断开电芯之间的连接，防止热失控的发生，可大大提高电池的安全性。
本发明还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池含有本发明的高温可分解型树脂电连接接插件。本发明的锂离子电池由于含有本发明的高温可分解型树脂电连接接插件，具有较高的安全性能。
由于传统的电芯电连接通常采用激光焊接的工艺，焊接点多，工艺复杂，而且会产生金属飞溅物等金属杂质污染，并且焊接好以后返修和更换电芯都比较困难。本发明采用接插件式的集流排连接会大大降低工艺的复杂度，提高可靠性，并且极容易进行返修。
本发明的接插件有集流排和自适应高导热可降解的塑料连接板两部分组成。其中连接板是由高导热绝缘材料制成，卡柱的外周或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层，而热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成。在单个电芯发生内部短路时，产生的高温会使得热分解材料层分解，从而降低对集流排的压力，使集流排与电芯极耳分开，最终使得模组不发生热失控。
另外，电池模组中用来测量模组各个电芯的电压，温度等信号BMS的从机，可以直接帖附在高导热绝缘材料制成的背板上，这样可以利用模组的散热来共享给BMS的从机，这样可以实现更大的均衡电流。
附图说明
图1为本发明中连接板的第一种结构示意图，
图2为本发明中连接板的第二种结构示意图，
图3为本发明接插件连接前的状态示意图，
图4为本发明接插件连接后的状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，连接板1包括背板11和间隔固设在背板一侧的卡柱12，相邻卡柱之间形成用于与集流排进行卡接的凹槽；所述卡柱12的外周涂覆有一层热分解材料层13(如图1)，或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层13(如图2)。
如图3、4所示，一种电芯电连接的无焊接式接插件，包括集流排2，所述集流排2卡接有连接板1，所述连接板1包括背板和间隔固设在背板一侧的卡柱，相邻卡柱之间形成用于与集流排2进行卡接的凹槽；所述卡柱的外周或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层，所述热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成；所述背板和卡柱均是由高导热绝缘材料制成。装配时，电芯4的电芯极耳3与集流排2一起卡入连接板1上的凹槽中，由于凹槽对集流排2的挤压，使其与电芯极耳3紧密接触形成导通电路。当某个电芯发生短路时，其产生的高温经集流排2传到热分解材料层，达到一定温度时会使得热分解材料层分解，从而减少对集流排2的压力，使集流排与电芯极耳3分开，而断开与其他电芯的电路，使得模组不发生热失控。
热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成，其中热敏树脂的质量百分比为70-95％，改性材料为余量；所述热敏树脂包括聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸亚丙酯；所述改性材料为控温催化剂，或是碳材料、玻璃纤维中至少一种和控温催化剂的混合物。
所述控温催化剂为无机物或官能团修饰的聚碳酸酯中的至少一种。
所述碳材料选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、VGCF中的一种或两种以上的组合；
所述无机物为盐酸盐、硫酸盐、氢氧化钾；
所述盐类为碳酸正盐或酸式碳酸盐；
所述官能团修饰的聚碳酸酯是指经官能团修饰的聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯或聚碳酸亚丙酯；所述官能团为羟基、羧基、卤素或环氧丙烷。
所述石墨烯的尺寸为5nm-200μm；炭黑、科琴黑的尺寸为1nm-100nm；碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，其直径为1nm-50nm、长度为10nm-1mm；碳纤维、VGCF的直径为80nm-8μm、BET为5m2/g-1000m2/g、长度为200nm-1mm；玻璃纤维的直径为500nm-50μm。
所述热分解材料层的降解温度为150-250℃、厚度为1-10mm。
为了验证不同组分组成的热分解材料层的分解开始温度、压缩强度和硬度，特地对其进行了试验，具体见实施例1-8，以下各实施例中％均表示质量百分比。
比较例1
采用100％的聚碳酸亚丙酯制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
实施例1
采用90％的聚碳酸亚丙酯和10％氢氧化钾混合，制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
实施例2
采用95％的聚碳酸亚乙酯和5％碳酸钠混合均匀，制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
实施例3
采用70％的聚碳酸酯和20％氢氧化钾和10％的硫酸钠。制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
实施例4
采用85％的聚碳酸亚丙酯和10％羟基化聚碳酸酯和5％炭黑(50nm)。制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
实施例5
采用85％的聚碳酸酯和5％碳酸氢钠和10％碳纤维(直径200nm、长度为1μm)。制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
实施例6
采用85％的聚碳酸亚乙酯和10％的硫酸钠和5％的石墨烯(尺寸为2μm，平均8层左右)。制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
实施例7
采用80％的聚碳酸亚丙酯和10％的硫酸钠和10％的玻璃纤维(直径为1μm，长度为100μm)。制作成直径为25mm、长为80mm的圆柱形样条。
分别检测上述比较例1和实施例1-8制备的样条的分解起始温度、压缩强度、邵氏硬度，其中：热重分析TG的测试方法基于JIS K 7121-1987，其中将重量变化高于7.1％时对应的温度认为是分解开始温度；
压缩强度的测定基于JIS K 7208的测试方法，由万能试验机MCT-1150测试出压缩强度；
硬度测试采用仲井精機株式会社的model D根据JIS B7727进行测试。
具体实验的结果如下表：
表1：
Figure BDA0002346771860000061
Figure BDA0002346771860000071
通过加入一定比例的控温催化剂，使得聚碳酸酯类有机物的分解温度可以从原始的300度降低到200度左右，并且可以通过控制添加的物质和量来精确的控制其分解温度。这样就可以精确的控制电芯之间的电连接断开的时间。此外，通过加入碳材料可以显著的提高该材料的压缩强度和表面的硬度，使其适应使用要求。
为了检测不同组分的热分解材料层对电池模组发生热失控的时间，特做了比较例2、3和实施例8、9进行对比。
比较例2
24个软包电芯组成一个模组，电芯的尺寸为536*102*8.5mm，每个电芯的容量为55Ah，电芯的为石墨/LFP，单体电芯的能量密度为185Wh/kg、379Wh/L。模组的连接方式为2P12S，具体如图3、4所示进行电连接，连接板1上相邻卡柱之间形成用于与集流排2进行卡接的凹槽；所述卡柱的外周或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层，所述热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成；所述背板和卡柱均是由高导热绝缘材料Al2O3陶瓷制成。电芯4的电芯极耳3插入集流排2中，然后一起卡入连接板1上的凹槽中，由于凹槽对集流排2的挤压，使其与电芯极耳3紧密接触形成导通电路。
将聚碳酸亚丙酯加热至熔融状态，然后将其涂覆于卡柱的外周或凹槽的内侧壁上，常温下固化形成热分解材料层。
实验方法为让单一电芯过充SOC150，观察整个电池模组发生热失控的时间，具体如表2所示。
其中，该比较例2中连接板1所有部件的材料为100％聚四氟乙烯。
比较例3
同比较例2，区别仅在于连接板1的背板和卡柱的材料为高导热绝缘材料聚苯胺，热分解材料层的厚度为5mm，热分解材料层是由100％聚碳酸亚丙酯制成。
实施例8
同比较例2，区别仅在于连接板1的背板和卡柱的材料为高导热绝缘材料Al2O3陶瓷，热分解材料层的厚度为5mm，热分解材料层是由85％聚碳酸亚丙酯、10％氢氧化钾和5％的碳纤维(直径200nm,长度为1μm)组成。即先将聚碳酸亚丙酯加热至熔融状态，再加入氢氧化钾和碳纤维进行搅拌混合得浆料；然后将浆料涂覆于卡柱的外周或凹槽的内侧壁上，常温下固化形成热分解材料层。
实施例9
同比较例2，区别仅在于连接板1的背板和卡柱的材料为高导热绝缘材料80％聚对苯二甲酸乙二酯和20％氧化铝纳米颗粒(50nm直径)混合浇筑而成；热分解材料层的厚度为5mm，热分解材料层是由85％聚碳酸亚丙酯、10％氢氧化钾、3％石墨烯(尺寸为2μm，平均8层左右)、2％多壁碳纳米管(直径30nm,长度为800nm)。即先将聚碳酸亚丙酯加热至熔融状态，再加入氢氧化钾、石墨烯和多壁碳纳米管进行搅拌混合得浆料；然后将浆料涂覆于卡柱的外周或凹槽的内侧壁上，常温下固化形成热分解材料层。
表2：
整个模组热失控时间
比较例2 320s
比较例3 1810s
实施例8 无热扩散
实施例9 无热扩散
说明，采用本发明的接插件的电池模组，在同样情况下可以及时的断开连接，避免出现整体的模组的热失控。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电芯电连接的无焊接式接插件，包括集流排，其特征在于：所述集流排卡接有连接板，所述连接板包括背板和间隔固设在背板一侧的卡柱，相邻卡柱之间形成用于与集流排进行卡接的凹槽；所述卡柱的外周或凹槽的内侧壁上涂覆有一层热分解材料层，所述热分解材料层是由热敏树脂和改性材料复合而成；所述背板和卡柱均是由高导热绝缘材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述热分解材料中热敏树脂的质量百分比为70-95％，改性材料为余量；所述热敏树脂包括聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯、聚碳酸亚丙酯；所述改性材料为控温催化剂。
3.根据权利要求2所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述改性材料中还包括碳材料和/或玻璃纤维，所述控温催化剂为无机物或官能团修饰的聚碳酸酯中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述碳材料选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、VGCF中的一种或两种以上的组合；
所述无机物为盐酸盐、硫酸盐、氢氧化钾、碳酸正盐或酸式碳酸盐；
所述官能团修饰的聚碳酸酯是指经官能团修饰的聚碳酸酯、聚碳酸亚乙酯或聚碳酸亚丙酯；所述官能团为羟基、羧基、卤素或环氧丙烷。
5.根据权利要求4所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述石墨烯的尺寸为5nm-200μm；炭黑、科琴黑的尺寸为1nm-100nm；碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，其直径为1nm-50nm、长度为10nm-1mm；碳纤维、VGCF的直径为80nm-8μm、BET为5m2/g-1000m2/g、长度为200nm-1mm；玻璃纤维的直径为500nm-50μm。
6.根据权利要求1所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述热分解材料层的降解温度为150-250℃、厚度为1-10mm。
7.根据权利要求1所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述高导热绝缘材料为陶瓷材料、高导热聚合物或树脂复合材料。
8.根据权利要求7所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述陶瓷材料包括Al2O3、AlN、BeO、Si3N4、SiC；所述高导热聚合物为聚乙炔、聚苯胺或聚吡咯；所述树脂复合材料为聚酰胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二酯中之一和金属氧化物、石墨纤维、碳纤维中之一的混合物。
9.如权利要求1所述的一种电芯电连接的无焊接式接插件，其特征在于：所述热分解材料层的制备方法，是将热敏树脂加热至熔融状态，加入质量百分比为5-30％的改性材料进行搅拌混合得浆料；然后将浆料涂覆于卡柱的外周或凹槽的内侧壁上，常温下固化形成热分解材料层。
10.一种锂离子电池，其特征在于，含有如权利要求1-9任一项所述的无焊接式接插件。
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