CN111463369A - 一种提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开出了一种提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体。该硬铝壳锂电池壳体的两内侧壁R是呈波纹状或者呈内凹状的，因此当将硬铝壳锂离子电池电芯组件容置于该电池壳体内腔时，两波纹状内侧壁R或两内凹侧壁R会反作用于电池电芯组件表面一定的初始压力；同时在电池外壳与电芯组件之间设计装配有一个绝缘保护层，它能够防止正集流体或负集流体与电池外壳之间发生短路现象。通过本发明，能够得到一种具有更高循环使用寿命及阻碍锂离子电池鼓胀的方形硬铝壳锂离子电池。
Description
技术领域
本发明涉及方形硬铝壳锂离子电池的电子结构领域，具体为一种提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体。
背景技术
锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称，在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入和脱嵌，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。如今，以锂离子电池为代表的非水电解质二次电池被广泛用作移动电话、便携式电脑、便携式音乐播放器等便携式电子设备的电源。并且随着对二氧化碳和其他物质排放的限制在日益增长的环保运动的背景下，锂离子电池运用得到加强，在汽车世界，目前，除汽油、柴油和天然气等化石燃料汽车外，电动汽车和混合动力汽车也在蓬勃发展。此外，近年来化石燃料价格的飙升也刺激了纯电动汽车、混合动力汽车等的发展。
硬壳非水电解质二次电池包括圆柱形锂离子电池和方形锂离子电池。由于锂离子电池是串联和并联形成电池组运用于纯电动汽车、混合动力汽车中的，因此具有良好空间效率的方形单体锂离子电池在电动汽车中运用居多。这里以方形硬铝壳锂离子电池为例，其制备过程如下所述。
正极片是通过将由活性材料、粘合剂导电剂制成的涂布物质均匀的涂抹在铝金属箔薄膜载体或类似物构成的具有细长片状形状的正极基底(集电极)的两面而制成的。同样，负极片是通过将由活性材料、粘合剂导电剂制成的涂布物质均匀的涂抹在铜金属箔薄膜载体或类似物构成的具有细长片状形状的负极基底(集电极)的两面而制成的。在负极板和正极板之间插入由微孔聚乙烯薄膜或类似物制成的隔膜作为分离器，所述负极板与所述正极板通过隔膜彼此绝缘，然后相互堆叠从而形成电芯。随后将焊接完正负极接线端子的电芯装入方形铝壳内，然后电解液通过针的内空注入到装配好的单体之中，并且让电解液浸入到多孔状的隔膜和电极层中去。
然而，当将如上所述制作的电芯组件置于由金属制成的方形电池外壳中时，电芯组件可能会接触电池外壳的边缘部分，并且可能会被损坏。同时电芯组件和金属制成的电
池外壳之间可能会接触发生短路现象，因此非常有必要在金属制的电池外壳与电芯组件之间设计装配一个绝缘保护层。
另外，对于硬铝壳锂离子电池，其鼓胀是一个常见的问题，特别是大的铝壳电池，锂电池鼓胀的原因分为两类，一是电池极片的厚度变化导致的鼓胀;二是由于电解液氧化分解产气导致的鼓胀。电池鼓胀，一方面电池厚度和应力的改变可能引起电池性能的变化,对电池的寿命和可靠性造成不利的影响。另一方面也制约了电池的成组设计。对于传统的锂离子电池铝外壳，极易发生电池鼓胀现象，如图1所示，电池外壳13内部受力膨胀时，外壳13向外鼓起，会严重破坏已生产的电池组的结构，同时也制约了电池成组的设计。
除此之外，硬铝壳锂离子电池在使用的过程中，同其它二次电池一样，电池容量会缓慢衰减，硬铝壳锂离子电池容量衰减的主要原因是锂离子电池内锂离子损失。所以在同一使用条件下，随着硬铝壳锂电池使用次数的增加，电池容量逐渐衰减，会严重影响锂离子电池的循环寿命。因此在电池的使用过程中，如何减少锂离子电池内的锂离子损失，进而降低锂离子电池容量的衰减率，是提高硬铝壳锂离子电池寿命的有效途径。因此针对上述现有技术中所存在的问题，研究提出一种简单实用、经济的减少硬铝壳锂离子电池的锂损失，进而降低硬铝壳电池容量衰减率，以提高硬铝壳锂离子电池寿命的方法是十分必要的。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种提高硬铝壳锂离子电池寿命及防止电池鼓胀的电池外壳，该电池外壳的两侧壁呈波纹状或者内凹的。当硬铝壳锂电池的电芯容置于该电池外壳内腔时，两波纹状或者内凹侧壁将反作用于电芯表面一定的初始压力F，所以当电池外壳内部受力向外膨胀时，如图2、图3所示，两波纹状和内凹侧壁R的初始压力F能够在一定程度上防止电池鼓胀的现象发生，并且它同时也能够保持电池电芯各个界面之间的紧密接触以及防止在锂电池电芯在充放电过程中的活性物质分层和形变，从而减少锂离子电池的锂损失及容量衰减率，进而提高硬铝壳锂离子电池的循环寿命。但这里需要强度的是，反作用于电芯的初始压力也不应大于规定的低压标准值，因为外部的初始压力越大，硬壳电池电芯内隔膜因发生弹性形变及粘弹性蠕变而导致隔膜孔收缩关闭的程度也越大，进而越发阻碍硬壳电池内锂离子传输，锂损失增多，电池容量衰减率越大，硬壳锂离子电池的循环寿命将减少。
本发明规定对硬铝壳锂电池电芯施加的低值初始预应力为0.05Mpa，是由该电池外壳两侧壁波纹形状及内凹形状进行控制的，即波高、波距及波厚等参数或者内凹的弧度进行控制，为使初始压力均匀作用于电芯表面，两侧壁的波纹形状及内凹形状关于壳体宽度中面对称。本发明的另一方面是在金属制的电池外壳与电芯组件之间设计装配有一个绝缘保护层，它是被制成U型结构，其所用材料为聚丙烯、聚乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和尼龙等具有高机械强度、耐腐蚀、耐热的材料。此绝缘保护层能够防止正集流体或负集流体与电池外壳之间发生短路现象，同时也能一定程度的防止电芯在装入壳体时被金属外壳的边缘部分损坏。并且也能够在装配电池单体的电芯组件时起到导向作用，提高电芯组件的插入效率。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明具有方法简单新颖、经济实用及延长硬壳电池的使用寿命等优点，具有积极的社会效益和显著的经济效益。
附图说明
图1为传统方形硬铝壳锂离子电池外壳的鼓胀示意图。
图2为本发明的波纹状锂离子电池外壳的鼓胀受力示意图。
图3为本发明的内凹状锂离子电池外壳的鼓胀受力示意图。
图4为方形波纹状或者内凹状硬铝壳锂离子电池的正视图。
图5为沿波纹状电池外壳正视图4中A-A线的剖视图。
图6为沿内凹状电池外壳正视图4中A-A线的剖视图。
图7A为电芯组件与绝缘保护层装配后待装入波纹状壳体时的爆炸轴测图
图7B为电芯组件与绝缘保护层装配后，未插入波纹状电池壳体的爆炸侧面图
图7C为电芯组件与其绝缘保护层连接上，半插入波纹状电池壳体的侧视图
图8为图5或图6中IA处正极极耳与正极集流体焊接的局部放大图。
图9为图5中IB处电池外壳的波纹状内侧壁的局部放大图。
图10为图6中IB处电池外壳的内凹状侧壁的局部放大图。
具体实施方式
下面以堆叠工艺生产的硬铝壳方形锂离子电池为例子来阐述本发明，其具体实施将参照附图进行详细说明。但应该理解本发明的具体实施只是以堆叠工艺生产的锂离子电池为例进行说明，但不局限于此。同时本发明同样适用于在权利要求的范围和精神范围内产生的其他实施方式。
如图4、5、6所示显示了堆叠工艺生产的波纹状或内凹状硬铝壳方形锂离子电池，此锂离子电池的电芯组件14中的电芯是由正极片（图中未显示）、负级片（图中未显示）和隔膜（图中未显示）互相隔开堆叠而成的，然后与正极极耳6和负极极耳7焊接后形成电芯组件14，接着电芯组件14与绝缘保护层11装配后一起插入波纹状或内凹状的电池外壳13，如图7A所示是一个相关的电芯组件、绝缘保护层及波纹状电池壳体的爆炸轴测图，图7A是电芯组件与绝缘保护层的爆炸侧视图，图7B是电芯组件与绝缘保护层的未连接时的正视图，随后沿着波纹状电池外壳高度方向插入电芯组件14，图7C是电芯组件14与其绝缘保护层11连接上，并半插入波纹状电池外壳13的侧视图，装入后两波纹状侧壁R便会对电芯组件施加一个初始压力，最后电池外壳13开口端被密封板5密封。
如上所述电芯组件14的电芯具有正电极衬底暴露部分8，其上未涂布正极电极材料，形成正极放电区域，以及负电极衬底暴露部分9，其上未涂布负极电极材料，形成负极放电区域。正电极基板暴露部分8通过正极极耳6与正极端子1连接，负极基板暴露部分9通过负极极耳7与负极端子2连接，正极端子1和负极端子2分别通过绝缘板3和4固定在密封板5上。
为制造这种硬铝壳方形锂离子二次电池,将电芯组件14插入波纹状电池壳体13中,然后密封板5部分是与波纹状电池壳体13激光焊接的,电解液是通过电解液注孔注入的，在注液完成后将注孔密封。锂离子电解液是锂盐溶于极化有机溶剂里的高浓缩了的溶液。接下来介绍一种具体的电芯组件14、波纹状电池壳体13和绝缘保护层11的制造方法。
正极片的制作
正极片的制作如下所示。首先，锂钴氧化物(
)或锰酸锂（
）粉末作为
正极活性材料，乙炔黑或石墨等碳基粉末作为导电材料，聚偏氟乙烯(PVDF)组成的粘合剂
按94%、3%和3%的质量配比混合。然后，将由N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）构成的有机溶剂加入
到所得混合物中并搅拌以形成正极活性物质浆料。接下来，制备由15-25μm铝箔构成的正极
基板，并且将以上述方式制成的正极活性物质浆料均匀地涂布在正极基板的两个表面上以
形成正极活性物质混合物层。
正极活性物质浆料以如下方式施加：在正极基板表面上的正极活性物质混合物层中，沿边缘形成未施加浆料的特定宽度的裸露部分，此边缘在正极基板的宽度方向上的一侧。之后，将形成有正极活性物质混合物层的正极基板通过干燥机，在该干燥机中除去浆料制备中所需的NMP，并干燥基板。在涂布和干燥程序后，极片导入压延机，经过多道上辊压和下辊压程序，正极片的厚度逐渐减小。最后将如此制作的正极片切成一定宽的条，从而获得一个正极板，该正极板具有由铝箔构成的条状暴露部分（正极基板暴露部分8 ）。
负极片的制作
负极片的制作如下所示。首先，天然石墨作为负极活性材料，乙炔黑作为导电材料，聚偏氟乙烯(PVDF)组成的粘合剂按98%, 1% 和1%的质量配比混合。接下来，准备由铜箔构成的负极基板，并将以上述方式制成的负极活性材料浆料均匀地涂在负极基板的两个表面上，以形成负极电极活性物质混合物层。负极活性物质浆料以如下方式施加：沿边缘形成未施加浆料的特定宽度的裸露部分，此边缘在正极基板的宽度方向上的一侧。之后，将其上形成有负极活性物质混合物层的负极基板通过干燥机并干燥。在干燥之后，将基板在辊压机中辊压成一定厚度的负极片。然后，将这样制作的负极片切成一定宽的条状，从而得到一个具有由铜箔构成的条状暴露部分的负极片（负极基板暴露部分6）。
电芯的制作
电芯的制作如下所示。这里采用单片堆叠工艺，将预先切分好的正极片、隔膜和负极片一起以一个相互交替的顺序堆叠起来（负极片-隔膜-正极片-隔膜-负极片-……），堆叠加工好后的电极堆用胶带固定好以防止单个单片滑动。这样便在电极堆的两侧形成多个正极、负极基板暴露部分8、6，即正、负集流体8、6。
极耳（电引导线）焊接
如图8所示，为正极极耳与集流体焊接的局部放大图。首先将各单极片的集流体进行预焊接，即将正极集流体和负极集流体分别通过超声焊接机进行多层箔片预焊接，得较厚的正负集流体8、9；超声焊接功率为50W-150W，能量为10J-30J，预焊时间为0.02S-0.2S，预焊压力为 10psi-20psi。其次进行集流体裁切，即在集流体裁切机上分别对预焊接后的正极集流体8、负极集流体9进行合理的裁剪。最后进行极耳焊接：将正极集流体8、负极集流体9分别通过超声焊接机焊接于正负极耳6、7表面；其中正极超声焊接功率为100W-250W，能量为20J-60J，焊接时间为0.2S-0.6S；焊接压力为 30psi-60psi；负极超声焊接功率为250W-550W，能量为40J-80J，焊接时间为0.4S-0.8S；焊接压力为 40psi-70psi。
之后，将正极集电体8的正极引线6和负极集电体9的负极引线7经由密封板5、正极绝缘板3和负极绝缘板4分别接合到正极端子1和负极端子2。
绝缘保护层的制作
如图5、图6、图7A~图7C所示，使用的绝缘片保护层11是通过将厚度为例如50μm的聚丙烯（PP）折叠成U形截面而形成。在由折叠的绝缘保护层11所形成的空间内，插入与密封板5一体形成的扁平电芯组件14，使得正极集流体8和负极集流体9分别在横向上定位，所以在电池组受到一定的冲击振动从而导致电芯组件14发生位移时，正负集流体不会直接与壳体接触，有绝缘保护层11进行隔绝，同时，在将电芯组件14与绝缘层11一起装配后插入电池壳体时，绝缘保护层11部分覆盖了电芯组件两侧面及底部，因此绝缘保护层11不仅能够防止正集流体8或负集流体9与金属制电池外壳13之间发生短路现象，也能一定程度的防止电芯14在装入壳体时被金属外壳13的边缘部分损坏。同时因底部绝缘保护层11的形状与电池壳体13内侧壁R的形状配合，所以绝缘保护层11还具有一定的导向作用，提高装配时的电芯插入效率。关于绝缘保护层11，除了使用聚丙烯（PP）以外，还可以使用机械强度高，耐热性高的材料，例如可选用聚乙烯（PE）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）或尼龙。
波纹状或内凹状电池壳体的制作
如图9、10所示，为电池壳体的波纹状内侧壁或内凹侧壁的局部放大图。该硬铝壳锂电池外壳13也是口杯加顶盖的形式，只是电池腔的两内侧壁R是波纹状或内凹状，壳体制作材料为铝板；其中，当将电芯组件14容置于电池内腔，挤压电池腔的两波纹状侧壁R的波峰或两内凹侧壁，从而导致两波纹状内侧壁或内凹侧壁R反作用一定初始压力于电芯组件14表面；进一步地，两内侧壁R的波纹形状或内凹形状是关于电池壳体宽度方向的中间面对称，以使得电芯组件14在插入电池壳体13后受力尽量均匀。
同时控制该电池外壳两侧壁波纹的波高、波距及波厚等参数或两内凹侧壁的弧度，使得电芯组件14容置于此电池壳体13内腔时被作用的初始预应力在0.05Mpa左右。这个较低值的初始压力能保持电芯各个界面之间的紧密接触以及防止在充放电过程中的活性物质分层和形变，从而减少硬铝壳锂电池内锂离子的损失，降低电池容量衰减率，进而提高硬壳锂离子电池的使用寿命。进一步地，如图2、3所示为本发明的波纹状电池壳体及内凹状电池壳体内部受力鼓胀图，因初始压力F的存在，能够一定程度的抑制电池鼓胀现象的发生，从而减轻对成组机械结构的影响，便于电池的成组设计。
Claims (6)
1.一种提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体，其特征在于，该硬铝壳锂电池壳体（13）的两内侧壁R是呈波纹状或者呈内凹状的，因此当将硬铝壳锂离子电池电芯组件（14）容置于该电池壳体（13）内腔时，两波纹状内侧壁R或两内凹侧壁R会反作用于电池电芯组件（14）表面一定的初始压力；同时在电池外壳（13）与电芯组件（14）之间设计装配有一个绝缘保护层（11），它能够防止正集流体（8）或负集流体（9）与电池外壳（13）之间发生短路现象。
2.根据权利要求1所述提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体，其特征在于，当硬铝壳锂电池壳体（13）的两内侧壁R是呈内凹状时；两内凹侧壁R反作用于电池电芯的初始压力是由两侧壁R内凹的程度进行控制的，即两侧壁R内凹的弧度越大，两侧壁R内凹的程度也越大，当将硬铝壳锂离子电池电芯组件14容置于该电池外壳13内腔时所反作用的初始压力越大。
3.根据权利要求1所述提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体，其特征在于，在装入电芯组件（14）后，需控制该波纹状电池壳体（13）反作用于电芯组件（14）表面的初始预应力的大小在0.05Mpa左右，不能大于0.5Mpa，否则过大的压力将会使隔膜孔收缩关闭，阻碍锂离子运输，从而增大锂离子电池容量的衰减率，降低电池的循环寿命；但也不能过小，否则不能起到保持电池各个界面之间的紧密接触及防止在充放电过程中的活性物质分层和形变的作用，也会造成锂离子损失，进而增大锂电池容量的衰减率，降低电池的循环寿命。
4.根据权利要求1所述提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体，其特征在于，壳体（13）反作用于电芯组件（14）表面初始压力的大小由波纹的形状进行控制，即控制壳体两侧壁R的波高（0-3mm）、波距、波厚等参数，便可以使反作用于电芯组件（14）表面规定大小的初始预应力，并且两侧壁R的波纹形状需要关于壳体宽度方向的中面对称，使初始施加压力均匀作用于电芯组件（14）的表面。
5.根据权利要求1所述提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体，其特征在于，其绝缘保护层（11）是被制成U型结构，所用材料为聚丙烯、聚乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或尼龙具有高机械强度、耐腐蚀、耐热的材料。
6.根据权利要求1所述提高锂离子电池寿命及阻碍电池鼓胀的电池壳体，其特征在于，所述绝缘保护层（11）为U型结构。
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