CN112332037B - 一种网格化结构设计的锂离子电池极耳及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种网格化结构设计的锂离子电池极耳及其制备方法。所述锂离子电池极耳包括至少一片主极耳,所述主极耳为复合层结构,包括至少一层基膜层和至少一层集流体层,集流体层覆盖在基膜层的一侧或两侧表面;所述集流体层沿电流路径的两端为导电材料全覆盖设计的全覆盖区,中间设置网格化区域;所述网格化区域中设置有多个集流体模块,各集流体模块之间、以及集流体模块与全覆盖区之间通过网格桥导通。当电池内部出现短路时,基膜层的内阻会随温度的升高而增大,释放热量,使主极耳的网格化区域中网格桥受热熔断,切断电路,从而降低严重事故的发生。

Description

一种网格化结构设计的锂离子电池极耳及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,尤其涉及一种锂离子电池极耳网格化的结构设计及其制造方法。
背景技术
锂离子电池具有体积小、容量大、使用寿命长、自放电率低、无记忆效应、绿色环保等优点,目前被广泛应用于商用车、专用车、电动自行车、储能系统、医疗器械等。由于技术的限制,在生产过程中难以完全将问题电池剔除且用户在使用过程中存在违规操作的情况,造成电动汽车安全事故频发,其中电池短路的的情况占很大一部分,目前还没有有效的手段解决这个问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种锂离子电池极耳,在发生短路时,该极耳能够断开连接,降低安全事故的发生率。
本发明的另一个目的在于提供所述锂离子电池极耳的制备方法。
本发明还提供了一种包含所述锂离子电池极耳的锂离子电池。
一方面,本发明提供了一种锂离子电池极耳,其包括至少一片主极耳,所述主极耳为复合层结构,包括至少一层基膜层和至少一层集流体层,集流体层覆盖在基膜层的一侧或两侧表面;
所述集流体层沿电流路径的两端为导电材料全覆盖设计的全覆盖区,中间设置网格化区域;所述网格化区域中设置有多个集流体模块,各集流体模块之间、以及集流体模块与全覆盖区之间通过网格桥导通。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,集流体层沿电流路径的两端为全覆盖设计便于焊接、过流;中间设置网格化区域,当电池内部出现短路时,集流体模块之间的网格桥受热熔化,形成断路,从而降低严重事故的发生。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述全覆盖区域和网格化区域沿电流路径的宽度可以根据实际应用情况进行调整,具有较高的适应性;通常情况下,网格化区域沿电流路径的宽度设置为2mm-20mm。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述锂离子电池极耳还包括副极耳,所述副极耳为由锂离子电池主体导出的极耳。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述主极耳的集流体层一端的全覆盖区连接副极耳,另一端的全覆盖区用于PACK焊接。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,优选地,所述主极耳的集流体层一端的全覆盖区被副极耳包覆。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述基膜层为导电率10-8~10-12S/m的基膜层。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,优选地,所述基膜层由高分子材料、导电材料和掺杂剂按照质量比40%~85%:5%~40%:5%~20%混合而成。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,更优选地,所述基膜层的厚度为0.5mm~1mm。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述高分子材料包括PET、PI、OPP、PP和PE中的一种或多种;导电材料包括纳米级炭黑、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,所述导电材料的D50为10nm~80nm;掺杂剂包括白炭黑、钛酸钡和丙烯酸中的一种或多种。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述锂离子电池极耳为正极极耳,其中所述集流体层的材料选自铝和镍中的一种;或者,该极耳为负极极耳,集流体层的材料选自铜、铁和钨中的一种。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,优选地,集流体层的厚度为0.1mm~0.8mm。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述集流体模块形状为圆形、椭圆形、多边形或其他规则或不规则形状中的一种或多种。网格化区域中沿电流路径设置20~100个集流体模块,网格化区域内集流体模块总面积占整个网格化区域面积的60%~90%。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,优选地,每个集流体模块周围均匀分布网格桥2~50个,网格化区域中网格桥总面积为集流体模块总面积的10%~40%。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,每个网格化区域中集流体模块和网格桥的总面积占该网格化区域面积的66%~99.6%。
另一方面,本发明还提供了所述锂离子电池极耳的制备方法,其包括:
在基膜层上镀集流体层制备主极耳;
其中,所述基膜层是将熔融混均后的基膜层的材料拉制而成。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,优选地,在基膜层上镀集流体层的方法包括真空蒸镀、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。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,所述极耳还包括副极耳,所述锂离子电池极耳的制备方法包括:
采用超声波焊接对电池副极耳的中间部位进行预焊接;
将主极耳的一端全覆盖区包覆在预焊接之后的副极耳内,采用超声波焊接将副极耳与主极耳连接成为整体。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,可选择性地,当极耳包含多片副极耳时,极耳焊接中两片副极耳之间设置至少一层主极耳。
此外,本发明还提供了一种锂离子电池,其包括本发明所述的锂离子电池极耳。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,主极耳的另一端全覆盖区包覆在汇流排中通过PACK焊接而固定。
根据本发明的具体实施方案,本发明中,优选地,所述PACK焊接选自超声波焊接、储能焊接和激光焊接中的一种或多种。
本发明提供的锂离子电池极耳具有以下有益的技术效果:
(1)主极耳采用弱导基膜层与集流体层(导电金属镀层)设置,对极耳的整体导电性能影响最小,进而能够保证电池的导流效果。
(2)主极耳中的集流体层采用网格化区域与全覆盖区域的设置方案,两端的全覆盖区域为适合焊接使用,网格化区域当电流过大时能够熔断网格中集流体模块之间的网格桥,使得电池形成短路状态,能够有效提高电池的安全性能。
(3)主极耳与电池副极耳的焊接以及主极耳与PACK焊接均采用包裹焊接的方式,使用过程中两层副极耳之间必须设置至少一层的主极耳,能够有效保证焊接的效果。
本发明提供的锂离子电池极耳结构简单、成本低、效果好。
附图说明
图1A为包含本发明极耳的锂离子电池的立体图;图1B为该立体图的主视图;图1C为该立体图的俯视图。
图2A为主极耳的结构示意图;图2B为网格化区域的示意图。
图中:1:电池主体、2:主极耳、3:副极耳、4:焊印、21:集流体层、22:基膜层、23:集流体层。
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。
如图1A、图1B和图1C所示,一种锂离子电池极耳网格化的结构设计及其制造方法,主要包括电池主体1、主极耳2、副极耳3、焊印4等。先通过电镀工艺制造主极耳2,镀层的厚度根据过流需求设置,对电池主体1先使用超声波焊接对电池的副极耳3的中间部位焊印4位置进行预焊,副极耳3预焊后将主极耳2放入副极耳3的中间使副极耳包覆网格化主极耳2一端的全覆盖区域,使用超声波焊接对电池的副极耳3与主极耳2进行焊接,PACK焊接时使用汇流排包覆主极耳2另一端的全覆盖区域进行焊接。
如图2A、图2B所示,网格化主极耳2为复合层结构,其中,中间层为基膜层22,两外层为集流体层21、集流体层23,集流体层21、集流体层23通过电镀的工艺加工制造,主极耳2的中间部分的集流体为网格化设计,两端的集流体为全覆盖设计,便于焊接、过流。当电池内部出现短路时,主极耳2的网格化区域中的网格桥受热熔断,形成断路,从而降低严重事故的发生。
对比例
以105Ah磷酸铁锂电池为实验案例,取四只无网格化结构设计极耳电池,在满电条件下进行外接短路测试,记录电池极耳表面最高温度和极耳的熔断情况,得到对比组A,测试结果见表1。
实施例1本实施例提供了一种锂离子电池极耳的制备方法,包括:
制备主极耳:
基膜层制作:高分子材料(PP)、导电材料(石墨烯,D50为50nm)、掺杂剂(丙烯酸)按照质量比80%、15%、5%混合后通过熔融混合均匀拉制制备基膜层,基膜层的厚度按1mm制作,基膜层的导电率为10-8S/m。
集流体层制作:正极耳采用铝制作,负极耳采用铜制作,通过磁控溅射镀的方式,在基膜层两侧表面镀上一层集流体层,集流体层在极耳的宽度上与基膜层等宽。所述集流体层沿电流路径方向的两端为全覆盖设计的全覆盖区,中间设置网格化区域,网格化区域的宽度为10mm;如图2B所示,网格化区域内设置50个集流体模块,各集流体模块设置为四边形的镀满金属的片状,单个集流体模块的面积为2mm2,其周围均匀分布多个网格桥,单个网格桥的面积为0.03mm2,网格化区域内网格桥的总数为570个。网格化区域内集流体模块的总面积占网格化区域面积的约80%,集流体层的厚度为0.8mm。
主极耳与副极耳连接:
采用超声波焊接对电池副极耳的中间部位进行预焊接,将上述制备的主极耳的一端全覆盖在预焊接之后的副极耳内,采用超声波焊接将副极耳与主极耳连接成为整体。
电池制作:以105Ah磷酸铁锂电池为实验案例,取四只本实施例设计的极耳电池,在满电条件下进行外接短路测试,记录电池极耳表面最高温度和极耳的熔断情况,得到对比组B,测试结果见表1。
实施例2本实施例提供了一种锂离子电池极耳的制备方法,包括:
制备主极耳:
基膜层制作:高分子材料(PP)、导电材料(石墨烯,D50为50nm)、掺杂剂(丙烯酸)按照质量比85%、5%、10%混合后通过熔融混合均匀拉制制备基膜层,基膜层的厚度按0.8mm制作,基膜层的导电率为10-12S/m。
集流体层制作:正极耳采用铝制作,负极耳采用铜制作,通过磁控溅射镀的方式,在基膜层两侧表面镀上一层集流体层,集流体层在极耳的宽度上与基膜层等宽。所述集流体层沿电流路径方向的两端为全覆盖设计的全覆盖区,中间设置网格化区域,网格化区域的宽度为10mm;如图2B所示,网格化区域内设置50个集流体模块,各集流体模块设置为四边形的镀满金属的片状,单个集流体模块的面积为2mm2,其周围均匀分布多个网格桥,单个网格桥的面积为0.02mm2,网格化区域内网格桥的总数为855个。网格化区域内集流体模块的总面积占网格化区域面积的约80%,集流体层的厚度为0.6mm。
主极耳与副极耳连接:
采用超声波焊接对电池副极耳的中间部位进行预焊接,将上述制备的主极耳的一端全覆盖在预焊接之后的副极耳内,采用超声波焊接将副极耳与主极耳连接成为整体。
电池制作:以105Ah磷酸铁锂电池为实验案例,取四只本实施例设计的极耳电池,在满电条件下进行外接短路测试,记录电池极耳表面最高温度和极耳的熔断情况,得到对比组C,见表1。
表1
测试组编号 极耳表面温度 极耳熔断情况
A 600℃ 未熔断,电池胀破
B 310℃ 熔断,电池轻微鼓胀
C 105℃ 熔断,电池未发生明显鼓胀
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)

1.一种锂离子电池极耳,其包括至少一片主极耳,所述主极耳为复合层结构,包括至少一层基膜层和至少一层集流体层,集流体层覆盖在基膜层的一侧或两侧表面;
所述集流体层沿电流路径的两端为导电材料全覆盖设计的全覆盖区,中间设置网格化区域;所述网格化区域中设置有多个集流体模块,各集流体模块之间、以及集流体模块与全覆盖区之间通过网格桥导通;
所述的锂离子电池极耳的制备方法,其包括:
在基膜层上镀集流体层制备主极耳;
其中,所述基膜层是将熔融混均后的基膜层的材料拉制而成;
其中,在基膜层上镀集流体层的方法包括真空蒸镀、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。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池极耳,其还包括副极耳,所述副极耳为由锂离子电池主体导出的极耳;
所述主极耳的集流体层一端的全覆盖区连接副极耳,另一端的全覆盖区用于PACK焊接;
所述主极耳的集流体层一端的全覆盖区被副极耳包覆。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池极耳,其中,所述基膜层为导电率10-8~10-12S/m的基膜层;
所述基膜层的材料由高分子材料、导电材料和掺杂剂按照质量比40%~85%:5%~40%:5%~20%混合而成;
所述基膜层的厚度为0.5mm~1mm。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池极耳,其中,所述高分子材料包括PET、PI、OPP、PP和PE中的一种或多种;导电材料包括纳米级炭黑、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,所述导电材料的D50为10nm~80nm;掺杂剂包括白炭黑、钛酸钡和丙烯酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池极耳,该极耳为正极极耳,其中所述集流体层的材料选自铝和镍中的一种;或者,该极耳为负极极耳,集流体层的材料选自铜、铁和钨中的一种;
集流体层的厚度为0.1mm~0.8mm。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池极耳,其中,所述集流体模块形状为圆形、椭圆形、多边形或其他规则或不规则形状中的一种或多种;网格化区域中沿电流路径设置20~100个集流体模块,网格化区域内集流体模块总面积占整个网格化区域面积的60%~90%;
每个集流体模块周围均匀分布网格桥2~50个,网格化区域中网格桥总面积为集流体模块总面积的10%~40%。
7.权利要求1-6中任一项所述的锂离子电池极耳的制备方法,其包括:
在基膜层上镀集流体层制备主极耳;
其中,所述基膜层是将熔融混均后的基膜层的材料拉制而成;
在基膜层上镀集流体层的方法包括真空蒸镀、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。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池极耳的制备方法,其中,所述极耳还包括副极耳,所述锂离子电池极耳的制备方法包括:
采用超声波焊接对电池副极耳的中间部位进行预焊接;
将主极耳的一端全覆盖区包覆在预焊接之后的副极耳内,采用超声波焊接将副极耳与主极耳连接成为整体;
当极耳包含多片副极耳时,极耳焊接中两片副极耳之间设置至少一层主极耳。
9.一种锂离子电池,其包括权利要求1-6中任一项所述的锂离子电池极耳。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池,其中,主极耳的另一端全覆盖区包覆在汇流排中通过PACK焊接而固定;
所述PACK焊接选自超声波焊接、储能焊接和激光焊接中的一种或多种。
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