CN111916584B - 锂离子电池顶盖组件和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体提供一种锂离子电池顶盖组件和锂离子电池。所述锂离子电池顶盖组件包括顶盖本体、密封圈、若干极柱，所述顶盖本体上设置有贯穿于所述顶盖本体的注液孔和若干极柱孔，所述密封圈放置于所述极柱孔中，若干所述极柱贯穿安装于所述密封圈、极柱孔中，所述顶盖本体至少由导电基体层、层叠叠设于所述导电基体层至少一表面的绝缘相变材料层以及镀覆于所述顶盖本体表面的可与锂离子电池外壳焊接的镀层组成；所述导电基体层具有贯穿所述导电基体层的若干孔隙；至少一所述极柱表面具有绝缘相变材料涂层。本发明具有结构简单、不需防爆阀等特点，可有效提高锂离子电池急剧产气、热失控的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及锂离子电池顶盖组件和锂离子电池。
背景技术
方形锂离子电池、圆柱形锂离子电池一般均由壳体、顶盖、卷芯等部分组成，其中顶盖设置有泄压阀、极柱、注液孔等组件和/或结构，多个组件和/或结构发挥防爆、泄压、注液、固定极柱等多方面的功能。但是，目前的顶盖结构过于复杂，加工过程繁琐、生产成本高，并且一致性较差，同时防爆泄压的控制策略单一，对于急剧产气引发的热安全反应的抵御效果较差。
发明内容
本发明提供一种锂离子电池顶盖组件，旨在至少解决现有锂离子电池顶盖结构复杂、控制策略单一、急剧产气安全抵御效果差等问题。
进一步地，本发明还提供包括上述锂离子电池顶盖组件的锂离子电池。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种锂离子电池顶盖组件，包括顶盖本体、密封圈、若干极柱，所述顶盖本体上设置有贯穿于所述顶盖本体的注液孔和若干极柱孔，所述密封圈放置于所述极柱孔中，所述极柱贯穿安装于所述密封圈、极柱孔中，所述顶盖本体至少由导电基体层、层叠叠设于所述导电基体层至少一表面的绝缘相变材料层以及镀覆于所述顶盖本体表面的可与锂离子电池外壳焊接的镀层组成；
所述导电基体层具有贯穿所述导电基体层的若干孔隙；
至少一所述极柱表面具有绝缘相变材料涂层。
优选地，所述导电基体层呈三维网格状结构或三维海绵状结构或三维蜂窝状结构，所述绝缘相变材料层还填充于所述三维网格状结构或三维海绵状结构或三维蜂窝状结构中。
优选地，所述导电基体层的材料选自导电树脂、固态金属、合金、陶瓷中的至少一种。
优选地，所述导电基体层中含有增强体；
和/或，所述增强体为长碳纤维、短碳纤维、长玻璃纤维、短玻璃纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维中的至少一种。
优选地，所述绝缘相变材料层的相变温度为80℃～500℃。
优选地，所述绝缘相变材料层中含有阻燃剂。
优选地，所述绝缘相变材料层的厚度为0.1mm～10.0mm；
和/或，
所述导电基体层的厚度为0.1mm～10.0mm。
优选地，所述绝缘相变材料涂层的厚度是所述极柱直径的0.01％～1.0％。
优选地，所述极柱孔中设置有密封圈固定台，用于放置所述密封圈。
相应地，一种锂离子电池，包括顶盖组件，所述顶盖组件为上述任一项所述的锂离子电池顶盖组件。
本发明的有益技术效果为：
相对于现有技术，本发明提供的锂离子电池顶盖组件，以导电基体层和层叠设置在导电基体层表面的绝缘相变材料层为顶盖本体，同时至少一极柱表面具有绝缘相变材料涂层。与锂离子电池其他组件组装成锂离子电池后当出现电池温度急剧升高时，极柱表面的绝缘相变材料涂层优先相变脱落，使得极柱与导电基体层导通，造成锂离子电池短路，电池温度进一步升高，从而使得绝缘相变材料层相变脱落，最终锂离子电池内的气体从导电基体层的孔隙中排出，达到防爆泄压的效果。本发明提供的锂离子电池顶盖组件，通过导电基体层、绝缘相变材料层和极柱结构的设计，具有结构简单、不需防爆阀等特点，同时能提高锂离子电池急剧产气、热失控的安全性能。
本发明提供的锂离子电池，由于其顶盖组件包括了导电基体层和层叠设置在导电基体层表面的绝缘相变材料层为顶盖本体、具有绝缘相变材料涂层的极柱等结构，当电池温度急剧升高时，极柱表面的绝缘相变材料涂层优先相变脱落，使得极柱与导电基体层导通，造成锂离子电池短路，电池温度进一步升高，从而使得绝缘相变材料层相变脱落，最终锂离子电池内的气体从导电基体层的孔隙中排出，达到防爆泄压的效果，本发明的锂离子电池，在省去防爆阀结构的同时还可以有效提高锂离子电池急剧产气、热失控的安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。其中：
图1为本发明锂离子电池顶盖(去掉极柱)的立体示意图；
图2为本发明图1所示的锂离子电池顶盖(去掉极柱)的主视示意图；
图3为本发明图1所示的锂离子电池顶盖(去掉极柱)的俯视示意图；
图4为本发明图3所示的锂离子电池顶盖(去掉极柱)沿A-A剖面线的剖视示意图；
图5为本发明图3所示的锂离子电池顶盖(去掉极柱)沿B-B剖面线的剖视示意图；
图6为本发明锂离子电池顶盖组件的俯视示意图；
图7为本发明图6所示的锂离子电池顶盖组件沿C-C剖面线的剖视示意图；
图8为本发明锂离子电池顶盖组装成的锂离子电池的主视示意图；
图9为本发明锂离子电池顶盖组装成的锂离子电池的俯视示意图；
其中，
1-顶盖本体，11-极柱孔，111-密封圈固定台，12-注液孔，13-导电基体层，14-绝缘相变材料体层，15-镀层；
2-极柱，21-极柱涂层；
3-密封圈；
4-转接件；
5-注液孔密封件；
6-电池外壳。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明公开实施例的附图，对本发明公开实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
显然，所描述的实施例是本发明公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
除非另做定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常含义。本发明所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区别不同的组成部分。
当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以直接或间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对技术方案的限制。
同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示至少存在一个。“多个”的含义是两个或者两个以上，除非另有明确具体的限定。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
请参阅图1～图7，本发明的锂离子电池顶盖组件包括顶盖本体1、若干极柱2、若干密封圈3。
其中，顶盖本体1上开设有若干贯穿于顶盖本体1的极柱孔11以及注液孔12，顶盖本体1至少由导电基体层13、层叠叠设在导电基体层13至少一表面的绝缘相变材料层14以及镀覆在顶盖本体1表面的可与锂离子电池外壳焊接的镀层15形成，并且导电基体层13上具有贯穿导电基体层13的若干孔隙；至少一极柱2的表面具有绝缘相变材料涂层21。
上述密封圈3放置于极柱孔11中，极柱2贯穿安装在密封圈3、极柱孔11中。
在一些实施例中，极柱孔11的壁面上形成密封圈3固定台111，密封圈3放置于该固定台111上。
在本发明中，极柱孔11的数量与极柱2的数量相同，并且与密封圈3的数量相同。
如在圆柱形锂离子电池中，上述锂离子电池顶盖组件具有一个极柱孔11、一个极柱2、一个密封圈3。
在方形锂离子电池中，则上述锂离子电池顶盖组件则可以有两个极柱孔11、两个极柱2、两个密封圈3。
当然，本发明的锂离子电池顶盖组件的结构并不局限于圆柱形锂离子电池和方形锂离子电池，也可以是其他形状的锂离子电池，具体可以根据实际的锂离子电池结构，适当调整锂离子电池顶盖组件的极柱孔11数量、极柱2数量以及密封圈3数量。
在一些实施例中，导电基体层13在常温下的电导率为10-4S/cm～10S/cm。
在一些实施例中，导电基体层13的材质是导电树脂、固态金属、合金、导电陶瓷中的至少一种。
其中，固态金属为铜、铝或镁等常见金属；合金为铜、铝、镁等常见金属的合金；导电陶瓷可以是氧化铟锡基、氧化锌基或氧化锆基等氧化物或氟化物中的一种或多种混合物。
在一些实施例中，导电基体层13呈三维网格状结构，此时，贯通的若干孔隙即为三维网状结构的网孔。绝缘相变材料层14除了覆盖在三维网状结构表面还填充于三维网状结构中。
在一些实施例中，导电基体层13呈三维海绵状结构，此时，贯通的若干孔隙即为三维海绵状结构的孔隙。绝缘相变材料层14除了覆盖在三维海绵状结构表面还填充于三维海绵状结构中。
在一些实施例中，导电基体层13呈三维蜂窝状结构，此时，贯通的若干孔隙即为三维蜂窝状结构的蜂窝孔。绝缘相变材料层14除了覆盖在三维蜂窝状结构表面还填充于三维蜂窝状结构中。比如，有些实施中，顶盖本体1呈蜂窝夹层结构，中间层为导电基体层13，上层和下层则为绝缘相变材料层14。
在一些实施例中，上述的导电基体层13中还包含增强体，通过增强体的作用，在锂离子电池顶盖炸裂时只出现开裂而不飞散，各个碎片之间仍然呈网状连接，顶盖主体1无碎屑或者仅有少量碎屑。
在一些优选的实施例中，所述增强体为长碳纤维、短碳纤维、长玻璃纤维、短玻璃纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维中的至少一种。
在实际制造过程中，可根据不同的应用场景定向设计增强体的朝向，从而使得结构在主要承力方向有更高的强度，而非承受力方向的强度较差，如果电池内部气体压强过大，超过规定的值，则气体从非承受力部位或者方向冲破顶盖，实现泄压的目的。通过定向固化等方法设计具有各向异性拉伸强度的导电基体层13，使导电基体层13在厚度方向具有更低的强度，而在垂直于厚度方向的方向上具有更高的强度。如果温度过高(如温度接近相变材料的相变温度)导致绝缘相变材料层软化，且当电芯内部气压与外部气压存在压差时，此时内外作用力将加速绝缘相变材料层破裂，加快泄压，提高安全性。极端情况下，如果内部发生剧烈产气反应导致电芯内部气压瞬间急剧升高，导电基体层13由于厚度方向的低强度将快速裂开，实现泄压；但由于导电基体层13在垂直于厚度方向的方向上具有较高的强度，导电基体层13将保持裂而不碎，以实现即快速泄压又不会因为破裂而产生过多的碎片导致二次危害。
在一些实施例中，导电基体层13的厚度为0.1mm～10.0mm，导电基体层13厚度过薄，锂离子电池短接瞬间，产生的大量热量容易熔断导电基体层13，而如果厚度过厚，不利于提高锂离子电池的能量密度。
在一些实施例中，导电基体层13的密度为0.5g/cm3～4g/cm3。在该密度范围内，既能够满足锂离子电池对顶盖的强度要求，又能够实现顶盖的轻质化。
在一些实施例中，绝缘相变材料层14层叠在导电基体层13的一表面，也可以在导电基体层13的上下两个表面。当绝缘相变材料层14在导电基体层13的上下两表面层叠时，顶盖本体1为三明治结构，中间层为导电基体层13，上层和下层为绝缘相变材料层14，具体可以如图4、5、7所示。
在一些实施例中，顶盖本体1不局限于“导电基体层13-绝缘相变材料层14”的两层结构，也不局限于“绝缘相变材料层14-导电基体层13-绝缘相变材料层14”或“导电基体层13-绝缘相变材料层14-导电基体层13”的三层的结构，也可以是其他形式的多层结构，只要在电池内部气压急剧升高、热失控过程中绝缘相变材料层14发生相变脱落、导电基体层13排气、短接均可行。
在一些实施例中，绝缘相变材料层14的材质选自相变温度为80℃～500℃的绝缘相变材料。绝缘相变材料发生相变时为吸热过程，可以吸收热失控过程中产生的部分热量，从而可以降低热失控的风险。
进一步优选地，绝缘相变材料层14的材质选自相变温度为80℃～300℃的绝缘相变材料。
在一些实施例中，绝缘相变材料层14的材质选自相变温度为80℃～100℃的绝缘相变材料和相变温度为100℃～300℃的绝缘相变材料的混合物，由此实现局部相变脱落泄压功能。
在一些实施例中，绝缘相变材料层14中还含有适量的功能添加剂，比如可以是阻燃剂。
在一些实施例中，阻燃剂可以是磷酸酯类化合物。
在一些实施例中，绝缘相变材料层14的厚度为0.1mm～10.0mm。
在一些优选实施例中，绝缘相变材料层14的厚度为0.5mm～5.0mm。
进一步优选的厚度为0.5mm～3.0mm。
在一些实施例中，绝缘相变材料层14的材质可以是绝缘有机相变材料，也可以是绝缘无机相变材料。
在一些实施例中，绝缘有机相变材料可以是嵌段结晶聚合物、交联类结晶聚合物、脂肪烃类化合物、聚多元醇类化合物中的一种或多种，例如石蜡、戊四醇或三羟甲基乙烷等中的至少一种
在一些实施例中，绝缘无机相变材料可以是无机盐结晶水合盐，例如十二水磷酸氢二钠等中的至少一种。
上述绝缘相变材料层14可以通过预浸料叠层热压罐成型、树脂传递模型成型、自动化铺层、真空树脂注入成型、片状模塑成型、挤压成型、纤维缠绕成型等技术层叠在导电基体层13上。
请参阅图1、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9，在本发明中，通过镀层15将顶盖组件与电池外壳6焊接，实现锂离子电池的密封。镀层15可以通过激光焊等焊接方式实现与电池外壳6焊接。
在一些实施例中，镀层15镀覆在顶盖本体1厚度方向的平面上，并且延伸至顶盖本体1上表面和下表面，一方面可以提高镀层15的牢固度，另一方面可以提高焊接效果。
在一些实施例中，镀层15在顶盖本体1的上表面的镀覆面积应当小于顶盖本体1的上表面面积，并且镀层15在顶盖的下表面的镀覆面积应当小于顶盖本体1的下表面面积，使部分顶盖本体1的未被镀层15覆盖，以实现排气。
在一些实施例中，镀层15的厚度为0.01mm～10.0mm。
在一些实施例中，镀层15的材质为铬、镍或铝等常见金属及其合金。
请参阅图7，本发明的极柱2表面上具有绝缘相变材料涂层21，通过绝缘相变材料涂层21，可以是使得极柱2与导电基体层13实现绝缘隔离，避免正负极短接。而当锂离子电池开始发生热失控或者高温产气时绝缘相变材料涂层21相变落入锂离子电池内部，使得极柱与导电基体层13接触，从而使得正负极发生短接，使得锂离子电池产生更多的热量，从而顶盖本体1上的绝缘相变材料层14发生相变脱落，最终实现防爆泄压排气。
在一些实施例中，绝缘相变材料涂层21的可以只涂覆在其中一个极柱2上，也可以在所有的极柱2表面均涂覆。为了避免出现电位差导致发生电化学腐蚀，可以在所有的极柱2表面涂覆绝缘相变涂层21。
在一些实施例中，绝缘相变材料涂层21的厚度是极柱2直径的0.01％～1.0％。其厚度在该范围内，在极柱2热胀冷缩的形变区间，因此，当绝缘相变材料涂层21发生相变脱落后，极柱2同时吸收了热量，即可实现极柱2膨胀并与导电基体层13发生接触。
在一些实施例中，绝缘相变材料涂层21的材料与绝缘相变材料层14的材质相同。
在一些实施例中，绝缘相变材料涂层21材质的相变温度低于绝缘相变材料层14材质的相变温度的1℃～10℃。由于绝缘相变材料涂层21的相变温度稍微低于绝缘相变材料层14的相变温度，在绝缘相变材料涂层21吸收热量发生相变脱落时，绝缘相变材料层14未发生相变脱落，而绝缘相变材料涂层21脱落后，极柱2与导电基体13短接，加速产生热量，快速绝缘相变材料层14的相变和脱落。
在一些实施例中，极柱2通过注塑、铆接等方式贯通安装于顶盖本体1的极柱孔11里。
在一些实施例中，上述极柱2端部还具有转接件4，通过转接件4实现与电极的连接。
在一些实施例中，根据需要，本发明的顶盖本体1的上下两表面还可以具有疏水涂层，以避免水汽渗入锂离子电池内部。
请参阅图7、图8、图9，将上述锂离子电池顶盖组件，与电池外壳6、卷芯、注液孔密封件5等组装成锂离子电池。
组装得到的锂离子电池在工作过程中，如果锂离子电池由于产气而导致内部压力过大，气体会从顶盖非承受力部位冲破顶盖，实现泄压的目的；而如果锂离子电池出现热失控，那么极柱2表面的绝缘相变材料涂层21吸收热量发生相变落入锂离子电池内部，极柱2与导电基体层13导通，使得正负极短接，瞬间产生大量的热量，并且产生的热量被绝缘相变材料层14吸收，绝缘相变材料层14吸热后相变落入锂离子电池内部，顶盖本体1只剩下导电基体层13，而由于导电基体层13具有孔隙，实现快速排气的效果，从而可以有效防止锂离子电池热失控，提高安全性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种锂离子电池顶盖组件，包括顶盖本体、密封圈、若干极柱，所述顶盖本体上设置有贯穿于所述顶盖本体的注液孔和若干极柱孔，所述密封圈放置于所述极柱孔中，所述极柱贯穿安装于所述密封圈、极柱孔中，其特征在于，所述顶盖本体至少由导电基体层、层叠叠设于所述导电基体层至少一表面的绝缘相变材料层以及镀覆于所述顶盖本体表面的可与锂离子电池外壳焊接的镀层组成；
所述导电基体层具有贯穿所述导电基体层的若干孔隙；
至少一所述极柱表面具有绝缘相变材料涂层，当所述锂离子电池温度急剧升高时，所述极柱表面的绝缘相变材料涂层能够相变脱落，且所述极柱受热膨胀而与所述导电基体层导通，造成所述锂离子电池短路，而使所述锂离子电池温度进一步升高，从而使得叠设于所述导电基体层至少一表面的所述绝缘相变材料层相变脱落。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述导电基体层呈三维网格状结构或三维海绵状结构或三维蜂窝状结构，所述绝缘相变材料层还填充于所述三维网格状结构或三维海绵状结构或三维蜂窝状结构中。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述导电基体层的材料选自导电树脂、固态金属、合金、导电陶瓷中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述导电基体层中含有增强体。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述增强体为长碳纤维、短碳纤维、长玻璃纤维、短玻璃纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维中的至少一种。
6.根据权利要求1～2任一项所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述绝缘相变材料层的相变温度为80℃～500℃。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述绝缘相变材料层中含有阻燃剂。
8.根据权利要求1～2任一项所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述绝缘相变材料层的厚度为0.1mm～10.0mm；
和/或，
所述导电基体层的厚度为0.1mm～10.0mm。
9.根据权利要求1～2任一项所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述绝缘相变材料涂层的厚度是所述极柱直径的0.01％～1.0％。
10.根据权利要求1～2任一项所述的锂离子电池顶盖组件，其特征在于，所述极柱孔中设置有密封圈固定台，用于放置所述密封圈。
11.一种锂离子电池，包括顶盖组件，其特征在于，所述顶盖组件为权利要求1～10任一项所述的锂离子电池顶盖组件。
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