CN112310563A - 一种高安全性动力电池模组用汇流排及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高安全性动力电池模组用汇流排及其制作方法。其中，所述汇流排包括板状基材以及覆盖在基材表面的至少一个镀层单元，每个镀层单元为多层结构，包括至少一层PTC热敏电阻的半导体层和至少一层金属层，所述金属层沿电流路径间隔交替设置满镀区和图案镀区，图案镀区包括多个金属片微单元，各金属片微单元之间以及金属片微单元与满镀区之间通过触点导通。在发生外短路通过大电流时，图案镀区的触点即会熔断，微单元被独立，导电通路断开；同时PTC热敏电阻的半导体层受热内阻增大，进一步起到断路的效果，起到双重保护的效果。本发明所提供的汇流排能大大提升电池的安全性能。

Description

一种高安全性动力电池模组用汇流排及其制作方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造技术领域，具体是一种高安全性动力电池模组用汇流排及其制作方法。
背景技术
锂离子动力电池(Lithium-ion Battery)是20世纪90年代初出现的新型绿色环保化学电源。它具有电压高(单体电池电压达3.6V，比能量大(100～130Wh/Kg，放电电压平稳，循环性能好，安全性能优以及贮存和工作寿命长等优点，是目前化学电源行业的最新发展方向之一。
在动力电池模组的生产过程中，电池间串联并联采用的汇流排为铜排或铝排，铜排或铝排本身无安全防护，在发生外短路时，无法及时切断电路，造成模组发生热失控，烧毁模组，最终可能造成安全事故。因此，开发一种新型汇流排，其在发生外短路时，能够及时切断电路，阻止热失控的发生，提高电池的使用安全是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种高安全性动力电池模组用汇流排，在发生外短路时，该汇流排能形成断路，避免热失控的发生，提高电池的使用安全。
本发明的另一个目的在于提供所述动力电池模组用汇流排的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种含有上述汇流排的动力电池模组。
一方面，本发明提供了一种动力电池模组用汇流排，其包括板状基材以及覆盖在基材表面的至少一个镀层单元，每个镀层单元为多层结构，包括至少一层PTC热敏电阻的半导体层和至少一层金属层，PTC热敏电阻的半导体层靠近基材，金属层覆盖于PTC热敏电阻的半导体层表面；
所述金属层沿电流路径间隔交替设置满镀区和图案镀区，满镀区用于供PACK固定，图案镀区包括多个金属片微单元，各金属片微单元之间以及金属片微单元与满镀区之间通过触点导通。
根据本发明的具体实施方案，本发明动力电池模组用汇流排，其中，所述基材为导电率10-8s/m～10-10s/m的基材；
优选地，基材的材质包括高分子材料和导电剂；其中，所述高分子材料选自PP(聚乙烯)、PE(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、ABS(丙烯腈)、SBR(丁苯橡胶)、EP(环氧树脂)、PA(聚酰胺)、PAN(聚丙烯腈)和聚酯中的一种或多种；所述导电剂选自SP(超导炭黑)、KS6(导电石墨)、CNTs(碳纳米管)、AB(乙炔黑)、VGCF(碳纤维)和GOs(石墨烯)中的一种或多种；
更优选地，所述基材的厚度为200μm～300μm。
根据本发明的具体实施方案，本发明动力电池模组用汇流排，其中，所述镀层单元为1～5个；
优选地，每层PTC热敏电阻的半导体层厚度为100μm～300μm；每层金属层的厚度为200μm～500μm。
根据本发明的具体实施方案，本发明动力电池模组用汇流排，其中：
PTC热敏电阻的半导体层是将高分子材料、导电粒子和助剂按照质量比40％～80％：2％～20％：10％～40％的比例混匀熔融而得到的；优选地，所述高分子材料选自PP(聚乙烯)、PE(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、ABS(丙烯腈)、SBR(丁苯橡胶)、EP(环氧树脂)、PA(聚酰胺)、PAN(聚丙烯腈)和聚酯中的一种或多种；所述导电粒子选自纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、氧化钇、氧化钕和碲化铋中的一种或多种，所述纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维和石墨烯的D50为10nm～80nm；所述助剂选自白炭黑、丙烯酸和钛酸钡中一种或多种。
根据本发明的具体实施方案，在本发明的动力电池模组用汇流排中，金属层的材质优选选自铝、铜和镍中的一种或多种。
根据本发明的具体实施方案，PTC半导体涂层中添加助剂，能够让PTC半导材料在过大电流或者高温时材料的性能发生变化，达到电阻剧增的效果。
根据本发明的具体实施方案，本发明动力电池模组用汇流排，其中，金属层中每一满镀区沿电流路径的宽度为20mm～40mm，每一图案镀区沿电流路径的宽度为2mm～10mm。
根据本发明的具体实施方案，本发明动力电池模组用汇流排，其中，所述金属片微单元选自圆形、椭圆形和多边形的一种或多种；每一图案镀区沿电流路径设置20～100个金属片微单元，每一图案镀区内金属片微单元的总面积占该图案镀区面积的50％～90.5％；
优选地，每一图案镀区内金属片微单元的总面积占该图案镀区面积的70％～90％。
根据本发明的具体实施方案，本发明动力电池模组用汇流排，其中，每个金属片微单元四周设置2～50个连接触点；每一图案镀区内触点总面积为金属片微单元总面积的10～40％。
根据本发明的具体实施方案，本发明动力电池模组用汇流排，其中，每个图案镀区内金属片微单元和触点两者的总面积占该图案镀区面积的55％～99.6％。
另一方面，本发明还提供了上述动力电池模组用汇流排的制备方法，包括：
在基材表面涂覆PTC热敏电阻的半导体层；
在半导体层表面镀上金属层，制得汇流排。
根据本发明的具体实施方案，本发明的电池模组用汇流排的制备方法还包括基材的制作：将高分子材料和导电剂按照质量比为(90％～99％)：(1％～10％)的比例熔融混合，制备基材。
根据本发明的具体实施方案，本发明的电池模组用汇流排的制备方法还包括PTC热敏电阻的半导体层的制作，所述PTC热敏电阻的半导体层是将高分子材料、导电粒子和助剂按照质量比40％～80％：2％～20％：10％～40％的比例混匀熔融而得到的。
根据本发明的具体实施方案，本发明的电池模组用汇流排的制备方法还包括对制备好的基材进行电晕处理的过程。
根据本发明的具体实施方案，本发明的电池模组用汇流排的制备方法中，涂覆半导体层的方式选自高压无空气喷涂、静电喷涂和浸涂中的一种或多种；镀金属层的方式选自真空蒸镀、磁控溅射镀、等离子镀、分子束外延镀、激光脉冲镀和电镀中的一种或多种。
此外，本发明还提供了一种动力电池模组，所述动力电池模组中设置了本发明提供的汇流排。
本发明的电池模组用汇流排具有以下有益的技术效果：
(1)本发明提供的电池模组汇流排正常工作状态下，弱导性的基材与半导体层和金属层一起可以提供良好的导电性能；基材使用高分子材料加导电剂制成，相比于直接使用金属材料可以减轻汇流排的重量，具有更好的柔韧性，减少汇流排弯折损伤；同时，弱导电性的基材还可以减少金属层的厚度；
(2)在发生外短路的情况下，汇流排通过大电流，温度迅速上升，半导体PTC层内阻发生变化，迅速升高，达到断路的效果，致使金属层电流进一步增大，触点熔断，形成断路，阻断外短路进一步的发生，避免热失控的形成，提高了使用的安全性；
(3)本发明在金属层区域设置满镀区和图案镀区交替的设计，满镀区供PACK焊接或设置螺纹口供PACK螺栓固定，使用方便；
(4)采用金属片微单元加触点的模式，相比于直接采用金属条，控制过流大小更精准，可精确控制每个触点熔断电流，可达到0.01A的精度。
附图说明
图1为本发明汇流排的示意图；
图2为实施例1中满镀区采用焊接方式固定的汇流排；
图3为实施例3中满镀区采用螺丝口方式固定的汇流排；
图中标号说明：
1：基材；2：PTC热敏电阻的半导体层；3：金属层；31：金属片微单元；32：触点；4：引出端。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例以20Ah电池的10S2p模组为例，对本发明进一步说明。
对比例：
取20只性能无问题的20Ah电池，将其中的10只电池正极用无安全防护的铜排连接在一起(总正)，负极与剩下10只电池的正极连接在一起，剩下10只电池的负极用无安全防护的铜排连接在一起(总负)，然后安装其他配件，形成完整模组A1。
实施例1：
本实施例提供了一种汇流排的制备方法。如图1所示，所述汇流排包括基材1、PTC热敏电阻的半导体层2、金属层3和引出端4。该汇流排的制备包括：
基材制作：按照PE：SP＝95％：5％的比例，进行熔炼混合成型，制成厚度200μm，导电率为10-8s/m的基材。
PTC涂覆材料制作：按照PE：氧化钇：钛酸钡＝74％：2％：24％的重量比例，进行熔炼混合，制成均匀的涂覆材料。
PTC涂覆：将上述基材进行电晕处理，然后将制好的PTC涂覆材料使用静电喷涂的方式涂覆到基材上形成PTC热敏电阻的半导体层，PTC热敏电阻的半导体层的厚度为100μm。
镀金属层：在PTC热敏电阻的半导体层上使用磁控溅射镀上一层金属铜，铜层厚度200μm，铜层沿电流路径交替设置满镀区和图案镀区(非满镀区)；如图2所示，满镀区、图案镀区分别为矩形区域，满镀区和图案镀区在汇流排的宽度方向与基材等宽，其中，满镀区沿电流路径的宽度为20mm，图案镀区沿电流路径的宽度为5mm；如图2所示，图案镀区内设置多个金属片微单元31，各金属片微单元31设置为四边形的镀满金属的片状，每个图案镀区内的金属片微单元数量为30个，每个图案镀区内金属片微单元总面积占图案镀区面积约75％，单个金属片微单元的面积为3mm2，金属片微单元周围均匀分布多个触点32，单个触点32的面积为0.03mm2，每个图案镀区内的触点总数为426个。满镀区设置为全部镀。镀层单元设置为1个。
完成所有镀层后，安装汇流引出线，即制成带有安全防护的汇流排。
模组制作：取20只性能无问题的20Ah电池，将其中的10只电池正极用本实施例的带有安全防护的汇流排连接在一起(总正)，负极与剩下10只电池的正极使用普通汇流排连接在一起，剩下10只电池的负极用本实施例的带有安全防护的汇流排连接在一起(总负)，然后安装其他配件，形成完整模组A2。
实施例2：
本实施例提供了一种汇流排的制备方法。如图1所示，所述汇流排包括基材1、PTC热敏电阻的半导体涂层2、金属层3和引出端4。该汇流排的制备包括：
基材制作：按照PE：SP＝97.5％：2.5％的比例，进行混合成型，制成厚度300μm，导电率10-9s/m的基材。
PTC涂覆材料制作：按照PE：氧化钇：钛酸钡＝74％：2％：24％的比例，进行熔炼混合，制成均匀的涂覆材料。
PTC涂覆：将上述基材进行电晕处理，然后将制好的PTC涂覆材料使用静电喷涂的方式涂覆到基材上形成PTC热敏电阻的半导体层，PTC热敏电阻的半导体层的厚度为200μm。
镀金属层：在PTC热敏电阻的半导体层上使用磁控溅射镀上一层金属铜，铜层厚度300μm，铜层沿电流路径交替设置满镀区和图案镀区(非满镀区)；如图2所示，满镀区、图案镀区分别为矩形区域，满镀区和图案镀区在汇流排的宽度方向与基材等宽，满镀区沿电流路径的宽度为30mm，图案镀区沿电流路径的宽度为10mm；如图2所示，图案镀区内设置多个金属片微单元31，各金属片微单元31设置为四边形的镀满金属的片状，每个图案镀区内的金属片微单元数量为50个，每个图案镀区内金属片微单元总面积占图案镀区面积约80％，单个金属片微单元面积为3mm2，金属片微单元周围均匀分布多个触点32，单个触点32的面积为0.03mm2，每个图案镀区内的触点总数为575个。满镀区设置为全镀。镀层单元设置为2个。
完成所有镀层后，安装汇流引出线，即制成带有安全防护的汇流排。
模组制作：取20只性能无问题的20Ah电池，将其中的10只电池正极用带有安全防护的汇流排连接在一起(总正)，负极与剩下10只电池的正极使用普通汇流排连接在一起，剩下10只电池的负极用带有安全防护的汇流排连接在一起(总负)，然后安装其他配件，形成完整模组A3。
实施例3：
本实施例提供了一种汇流排的制备方法。如图1所示，所述汇流排包括基材1、PTC热敏电阻的半导体涂层2、金属层3和引出端4。该汇流排的制备包括：
基材制作：按照PP：SP＝95％：5％的比例，进行混合成型，制成厚度200μm，导电率10-8s/m的基材。
PTC涂覆材料制作：按照PE：氧化钇：钛酸钡＝80％：3％：17％的比例，进行熔炼混合，制成均匀的涂覆材料。
PTC涂覆：将上述基材进行电晕处理，然后将制好的PTC涂覆材料使用静电喷涂的方式涂覆到基材上形成PTC热敏电阻的半导体层，PTC热敏电阻的半导体层的厚度
镀金属层：在PTC热敏电阻的半导体层上使用磁控溅射镀上一层金属铜，铜层厚度为300μm，铜层沿电流路径交替设置满镀区和图案镀区(非满镀区)；如图3所示，满镀区、图案镀区分别为矩形区域，满镀区和图案镀区在汇流排的宽度方向与基材等宽，其中，满镀区沿电流路径的宽度为30mm，图案镀区沿电流路径的宽度为10mm；如图3所示，图案镀区内设置多个金属片微单元31，各金属片微单元31设置为四边形的镀满金属的片状，每个图案镀区内的金属片微单元数量为50个，每个图案镀区内金属片微单元总面积占图案镀区面积约80％，单个金属片微单元面积为3mm2，金属片微单元周围均匀分布多个触点32，单个触点32的面积0.03mm2，每个图案镀区内的触点总数为575个。满镀区设置螺丝孔。镀层单元设置为1个。
完成所有镀层后，安装汇流引出线，即制成带有安全防护的汇流排。
模组制作：取20只性能无问题的20Ah电池，将其中的10只电池正极用带有安全防护的汇流排连接在一起(总正)，负极与剩下10只电池的正极使用普通汇流排连接在一起，剩下10只电池的负极用带有安全防护的汇流排连接在一起(总负)，然后安装其他配件，形成完整模组A4。
对上述制成的模组进行外短路安全测试，测试结果如表1所示：
表1：A1～A4的外短路测试结果
模组编号 是否通过
A1 燃烧，未通过
A2 通过
A3 通过
A4 通过
上述各实施例中，可精确控制每个触点熔断电流达到0.01A的精度。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种动力电池模组用汇流排，其包括板状基材以及覆盖在基材表面的至少一个镀层单元，每个镀层单元为多层结构，包括至少一层PTC热敏电阻的半导体层和至少一层金属层，PTC热敏电阻的半导体层靠近基材，金属层覆盖于PTC热敏电阻的半导体层表面；
所述金属层沿电流路径间隔交替设置满镀区和图案镀区，满镀区用于供PACK固定，图案镀区包括多个金属片微单元，各金属片微单元之间以及金属片微单元与满镀区之间通过触点导通。
2.根据权利要求1所述的动力电池模组用汇流排，其中，所述基材为导电率10-8s/m～10-10s/m的基材；
优选地，基材的材质包括高分子材料和导电剂；其中，所述高分子材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、丙烯腈、丁苯橡胶、环氧树脂、聚酰胺、聚丙烯腈和聚酯中的一种或多种；所述导电剂选自超导炭黑、导电石墨、碳纳米管、乙炔黑、碳纤维和石墨烯中的一种或多种；
更优选地，所述基材的厚度为200μm～300μm。
3.根据权利要求1所述的动力电池模组用汇流排，其中，所述镀层单元为1～5个；
优选地，每层PTC热敏电阻的半导体层厚度为100μm～300μm；每层金属层的厚度为200μm～500μm。
4.根据权利要求1所述的动力电池模组用汇流排，其中：
PTC热敏电阻的半导体层是将高分子材料、导电粒子和助剂按照质量比40％～80％：2％～20％：10％～40％的比例混匀熔融而得到的；优选地，所述高分子材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、丙烯腈、丁苯橡胶、环氧树脂、聚酰胺、聚丙烯腈和聚酯中的一种或多种；所述导电粒子选自纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、氧化钇、氧化钕和碲化铋中的一种或多种，所述纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维和石墨烯的D50为10nm～80nm；所述助剂选自白炭黑、丙烯酸和钛酸钡中一种或多种；
金属层的材质选自铝、铜和镍中的一种或多种。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的动力电池模组用汇流排，其中，金属层中每一满镀区沿电流路径的宽度为20mm～40mm，每一图案镀区沿电流路径的宽度为2mm～10mm。
6.根据权利要求5所述的动力电池模组用汇流排，其中，所述金属片微单元选自圆形、椭圆形和多边形的一种或多种；每一图案镀区沿电流路径设置20～100个金属片微单元，每一图案镀区内金属片微单元的总面积占该图案镀区面积的50％～90.5％；
优选地，每一图案镀区内金属片微单元的总面积占该图案镀区面积的70％～90％。
7.根据权利要求6所述的动力电池模组用汇流排，其中，每个金属片微单元四周设置2～50个连接触点；每一图案镀区内触点总面积为金属片微单元总面积的10％～40％。
8.权利要求1-7中任一项所述的汇流排的制备方法，包括：
在基材表面涂覆PTC热敏电阻的半导体层；
在半导体层表面镀上金属层，制得汇流排。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
涂覆半导体层的方式选自高压无空气喷涂、静电喷涂和浸涂中的一种或多种；镀金属层的方式选自真空蒸镀、磁控溅射镀、等离子镀、分子束外延镀、激光脉冲镀和电镀中的一种或多种。
10.一种动力电池模组，其包含权利要求1-7中任一项所述的汇流排。
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