CN112382784B - 一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，包括金属壳体和填充在壳体中的电芯；壳体包括内筒和外筒，内筒位于外筒中心的通孔中，内筒的侧壁与外筒的次外壁之间存在间隙；电芯包括外电芯和内电芯，外电芯填充于外筒的腔体中，内电芯填充于内筒的腔体中。这种嵌套式结构锂离子将电芯分为两个部分，可以在使用时使外电芯或内电芯间歇工作，或者在其中一个电芯使用完毕后启用另一个。在高温环境中使用间隙作为散热通道，能够快速散热，防止过热而发生事故；在低温环境中使用时，先让内电芯进行工作，内电芯工作时产生的热量对外部电芯进行加温，待总体温度升高到正常工作状态后再同时启用电芯或内电芯，使得电池的温度可以有多种调节方式。

Description

一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池。
背景技术
锂离子电池由于自身属性，在充放电和使用过程中容易导致热量积聚，这些热量在工作时会导致电池温度升高，使得电池的工作性能和安全性降低，特别是当锂离子电池用于电动汽车的动力来源时，由于电池的堆叠密集，热量传导困难，更加容易导致电池组内部的温度持续升高及温度不均，温度持续升高会导致电池稳定性下降，进而使得电池发生热失控，导致一系列安全事故。
而锂离子电池在低温下的性能表现不佳，这也是目前电动汽车在冬天续航大幅缩水的主要原因，锂离子电池是一种理想的充当纯电动汽车动力储存单元的电池，但是其高温低温性能都很差，最佳性能需要的环境温度窗口较小，这一定程度上制约了电动汽车的发展。而电池如果长期工作在低温下，会造成电池内部负极析锂，使得电池升温后的稳定性和安全性降低，析锂程度会随着电池在低温下工作的时间延长而增加，使得电池的热失控风险增加。
影响电池高温性能的主要原因在于，如果要增加电动汽车的电池组的能量密度，电池单体的体积就必须越来越大，以减小无用空间的比例，但电池单体越大，电池中心距离的电池表面的距离越远，电池在充放电和工作时的积热问题越严重，电池内部的温度不均匀性越高，这会导致电池在多次充放电之后性能变差以及安全性降低，这使得目前汽车电池组内的电池厚度受限。
而目前电池在低温下的加热需求会导致电池组内部必须存在一套加热装置，以保证在低温下可以将电池加温到合适的工作温度，为了节省降温系统和加温系统的体系，各个汽车厂家的热管理系统同时包含这两部分功能，但是加热装置本身依然占据电池组内部体积，且由于所要实现的功能较多，热管理系统集成度和复杂度都很高，这使得技术门槛和加工要求很高，阻碍了锂离子电池组的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，解决现有技术中锂离子电池因为热管理复杂，电池内部温度不均匀和不易散热或加热的技术问题。
为了实现以上目的，本发明采取的具体技术方案是：
一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，包括金属壳体和填充在壳体中的电芯；
所述壳体包括内筒和外筒，二者均为有底无盖的筒状结构，其中外筒包括外壁和次外壁，外筒的端面呈环状，内筒位于外筒中心的通孔中，内筒的侧壁与外筒的次外壁之间存在间隙，间隙中设置有金属连接肋板，将内筒和外筒固连为一体并导通；
所述电芯包括外电芯和内电芯，外电芯填充于外筒的腔体中，内电芯填充于内筒的腔体中；外电芯下端通过外电芯下极片与外筒的底板连接导通；外筒的上端开口处设置有第一电池保护组件，外电芯上端通过外电芯上极片与设置在第一电池保护组件上表面的外电芯电极帽连接导通；所述内电芯下端通过内电芯下极片与内筒的底板连接导通；内筒的上端开口处设置有第二电池保护组件，内电芯上端通过内电芯上极片与设置在第二电池保护组件上表面的内电芯电极帽连接导通。
本申请中，通过将锂离子电池的壳体设计为内外嵌套结构，内筒和外筒之间存在间隙，但二者通过连接肋板连接，实质上仍为一个整体。外电芯和内电芯之间通过金属壳体进行导通，通过改变外电芯和内电芯的正负极极片与壳体的连接类型，两个电芯可以实现串联或者并联。
这种内外嵌套结构，可以在不增加电芯卷绕厚度的前提下使得单颗锂离子电池的几何尺寸可以进一步增大，使得电池组整体能量密度增加。这种嵌套离子电池内部虽然分为两个电芯，但是外电芯和内电芯之间通过外壳连接导通，而无需借助外部其他组件来连接。这种结构一方面方便外电芯和内电芯连接，另一方面使得外电芯和内电芯的工作状态处于一种可分可合的状态，增加装配成电池组时的选择。
本发明涉及的锂离子电池的电芯为普通卷绕电芯，电池的保护组件结构与普通圆柱形锂离子电池的安全保护装置的结构类似，仅仅是锂离子电池的结构形状根据本发明涉及嵌套电池的需要进行了改变。其中，第一电池保护组件为环状绝缘盖板和内部安全阀等安全组件，将外电芯电极帽和外壳隔开，防止二者导通。第二电池保护组件为绝缘盖板和内部安全阀等安全组件，将内电芯电极帽和外壳隔开，防止二者导通。
这种嵌套式结构锂离子将电芯分为两个部分，可以在使用时使外电芯或内电芯间歇工作，或者在其中一个电芯使用完毕后启用另一个。在高温环境中使用时，外电芯或内电芯间歇工作，使得其中一个电芯在工作时另一个电芯充当冷源，内筒和外筒之间的间隙作为散热通道，能够快速散热，防止过热而发生事故；在低温环境中使用时，先让内电芯进行工作，内电芯工作时产生的热量对外部电芯进行加温，待总体温度升高到正常工作状态后再同时启用电芯或内电芯，从而使得能量较高的外电芯可以在最佳性能温度区域工作，且使得电池的温度可以有多种调节方式。
进一步优化，所述内筒、外筒和连接肋板一体成型，结构稳定性好。
进一步优化，所述外筒为圆柱状或立方体壳体。
进一步优化，所述外电芯上极片和内芯上极片的电极相同，则外电芯和内电芯通过壳体并联。
进一步优化，所述外电芯和内电芯通过壳体并联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1)、当电路中的两个接线端子分别与壳体和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2)、当电路中的两个接线端子分别与壳体和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3)、当电路中的一个接线端子同时与内电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通，另一个接线端子与电壳体连接导通时，外电芯和内电芯并联后同时工作。
进一步优化，所述外电芯上极片和内芯上极片的电极不同，则外电芯和内电芯通过壳体串联。
进一步优化，所述外电芯和内电芯通过壳体串联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1)、当电路中的两个接线端子分别与外壳和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2)、当电路中的两个接线端子分别与外壳和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3)、当电路中的两个接线端子分别与电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通时，外电芯和内电芯串联后同时工作。
进一步优化，所述内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙中填充有导热材料。低温环境中使用时，先让内电芯进行工作，内电芯工作时产生的热量对外部电芯进行加温，待总体温度升高到正常工作状态后再同时启用电芯或内电芯，从而使得能量较高的外电芯可以在最佳性能温度区域工作，且使得电池的温度可以有多种调节方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过将锂离子电池电芯分为外电芯和内电芯两部分，且二者中间留出空隙，电芯工作时产生的热量可以通过空隙逸散，在锂离子电池直径增加的情况下使得电芯的整体厚度保持不变或者变厚不明显，改善电池工作时中心处热量难以散出的缺点。
2、本申请种，由于锂离子电池存在三个接线区域，因此电池电芯的工作状态可以有多种选择，且通过改变电芯正负极与电池壳体和电极帽的连接方式，实现外电芯和内电芯之间的串并联；此外分开的外电芯和内电芯可以间歇工作，使得电池的产热仅发生于其中一个，另一个可以用于部分散热；而在低温环境下，内电芯先进行工作，产生的热量给外电芯进行加热，加热效率更高，加温更加均匀，且不需要额外的加温装置。
3、由于电池分为两个电芯，两部分之间存在间隙，因此电池在受到外部机械作用力之后，电池内部有溃缩空间，可以通过变形抵消外部机械损害，保护整体电池组安全。
附图说明
图1为本发明实施例一中所述嵌套锂离子电池的俯视图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为本发明外筒呈圆柱状的嵌套锂离子电池的俯视图。
图4为本发明实施例二中所述嵌套锂离子电池的俯视图。
图5为图4的B-B剖视图。
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。
实施例一：
如图1、2所示，一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，包括金属壳体1和填充在壳体中的电芯2；
所述壳体1包括内筒101和外筒102，二者均为有底无盖的筒状结构，其中外筒102包括外壁1022和次外壁1021，外筒102的端面呈环状，内筒101位于外筒102中心的通孔中，内筒101的侧壁与外筒的次外壁1021之间存在间隙3，间隙3中设置有金属连接肋板4，通过连接肋板4将内筒101和外筒102固连为一体并导通。
所述电芯2包括外电芯202和内电芯201，外电芯202填充于外筒102的环形腔体中，内电芯201填充于内筒101的腔体中；外电芯202下端通过外电芯下极片802与外筒102的底板连接导通；外筒102的上端开口处设置有第一电池保护组件602，外电芯202上端通过外电芯上极片702与设置在第一电池保护组件602上表面的外电芯电极帽502连接导通，外电芯电极帽502呈环状；所述内电芯下201端通过内电芯下极片801与内筒101的底板连接导通；内筒101的上端开口处设置有第二电池保护组件601，内电芯201上端通过内电芯上极片701与设置在第二电池保护组件601上表面的内电芯电极帽501连接导通。第一电池保护组件和第二电池保护组件并不相连，其是两个独立的绝缘组件。
本申请中，通过将锂离子电池的壳体设计为内外嵌套结构，内筒和外筒之间存在间隙，但二者通过与外壳一体成型的金属连接肋板连接，实质上仍为一个整体。外电芯和内电芯之间通过金属壳体进行导通，通过改变外电芯和内电芯的正负极与壳体的连接类型，两个电芯可以实现串联或者并联。
这种内外嵌套结构，可以使得单颗锂离子电池的几何尺寸可以进一步增大，使得电池组整体能量密度增加。这种嵌套离子电池内部虽然分为两个电芯，但是外电芯和内电芯之间通过外壳连接导通，而无需借助外部其他组件来连接。这种结构一方面方便外电芯和内电芯连接，另一方面使得外电芯和内电芯的工作状态处于一种可分可合的状态，增加装配成电池组时的选择。
本发明涉及的锂离子电池的电芯为普通卷绕电芯，电池的保护装置结构与普通圆柱形锂离子电池的安全保护装置的结构类似，仅仅是形状根据本发明涉及嵌套电池的需要进行了改变。
在本实施例中，所述内筒101、外筒102和连接肋板4一体成型，结构稳定性好。
在本实施例中，所述外筒呈立方体状，棱进行了圆角处理，如图1所示，内筒为圆柱状，即端面为圆环。在其他实施例中，所述外筒和内筒均为圆柱状状，如图3所示。
在本实施例中，所述外电芯上极片702和内芯上极片701的电极相同，同时为正极；内电芯下极片801和外电芯下极片802与外壳导通，同为负极，外电芯和内电芯通过壳体并联。在其他实施例中，所述外电芯上极片和内芯上极片的电极相同，可以同时为负极；内电芯下极片和外电芯下极片与外壳导通，同为正极。
所述外电芯和内电芯通过壳体并联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1)、当电路中的两个接线端子分别与壳体和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2)、当电路中的两个接线端子分别与壳体和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3)、当电路中的一个接线端子同时与内电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通，另一个接线端子与电壳体连接导通时，外电芯和内电芯并联后同时工作。
在其他实施例中，所述外电芯上极片702和内芯上极片701的电极不同，外电芯上极片为正极，内芯上极片为负极，内电芯下极片为正极，外电芯下极片为负极，则外电芯和内电芯通过电池壳体实现串联，内电芯电极帽为电池的负极，外电芯电极帽为电池的正极。
或者，所述外电芯上极片和内芯上极片的电极不同，外电芯上极片为负极，内芯上极片为正极，内电芯下极片为负极，外电芯下极片为正极，则外电芯和内电芯通过电池壳体实现串联，内电芯电极帽为电池的正极，外电芯电极帽为电池的负极。
所述外电芯和内电芯通过壳体串联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1)、当电路中的两个接线端子分别与外壳和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2)、当电路中的两个接线端子分别与外壳和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3)、当电路中的两个接线端子分别与电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通时，外电芯和内电芯串联后同时工作。
因此，在使用本申请所述嵌套电池进行成组时，可以通过选用不同组装形式的锂离子电池在同种连线方案下实现不同的电压和进行多种充放电策略，并且可以实现外电芯和内电芯的间歇工作，降低整体电池组连续工作温度。
由于电池外电芯和内电芯之间有间隙3相隔，间隙可以充当风冷散热的风道，使得电芯充放电时产生的热量可以通过这个间隙经流动空气带走，此间隙的用处除了充当风道，也起到缩减电芯厚度的作用，这样内外电芯的厚度都不会太高，使得热量可以及时传到电池外壳被散热系统带走，但电池的尺寸可以做的更大。
本发明涉及的嵌套电池，由于电池分为两个电芯，两部分之间存在间隙3，因此电池在受到外部机械作用力之后，电池内部有溃缩空间，可以通过变形抵消外部机械损害，保护整体电池组安全。
实施例二：
在本实施例中，如图4、5所示，所述内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙3中填充有导热材料9。填充导热材料9的目的在于，使得外电芯盒内电芯之间的热量可以进行传导，这种电池不适合装配在经常工作在高温环境下的电池组内，但非常适合装配在经常工作在低温环境下的电池组内。
在低温环境下，电池在启用时温度过低，容易导致电池性能下降明显，且长期下来容易缩短电池寿命和降低电池稳定性和安全性，因此，在低温环境下，本嵌套电池的使用策略与普通锂离子电池不同。在刚启用时，仅使用内电芯201进行工作，使得单位体积电芯工作电流较大，内电芯产热明显，而由于内电芯201被导热材料9包裹，产生的热量大多数通过导热材料9传导到外电芯201上，对外电芯202进行加热，在外电芯202温度升高到正常工作温度之后，使用外电芯202进行工作，暂停内电芯201的工作，或者两电芯同时工作，使得电池的温度可以有多种调节方式。这种嵌套电池的热使用效率高，且不需要额外的加热装置即可对电池组进行加温。
其他部分与实施例中一中相同。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，包括金属壳体和填充在壳体中的电芯；
所述壳体包括内筒和外筒，二者均为有底无盖的筒状结构，其中外筒包括外壁和次外壁，外筒的端面呈环状，内筒位于外筒中心的通孔中，内筒的侧壁与外筒的次外壁之间存在间隙，间隙中设置有金属连接肋板，将内筒和外筒固连为一体并导通；
所述电芯包括外电芯和内电芯，外电芯填充于外筒的腔体中，内电芯填充于内筒的腔体中；外电芯下端通过外电芯下极片与外筒的底板连接导通；外筒的上端开口处设置有第一电池保护组件，外电芯上端通过外电芯上极片与设置在第一电池保护组件上表面的外电芯电极帽连接导通；所述内电芯下端通过内电芯下极片与内筒的底板连接导通；内筒的上端开口处设置有第二电池保护组件，内电芯上端通过内电芯上极片与设置在第二电池保护组件上表面的内电芯电极帽连接导通；
所述内筒、外筒和连接肋板一体成型。
2.根据权利要求1所述的降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，所述外筒为圆柱状或立方体壳体。
3.根据权利要求1或2所述的降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，所述外电芯上极片和内电芯上极片的电极极性相同，则外电芯和内电芯通过壳体并联。
4.根据权利要求3所述的降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，所述外电芯和内电芯通过壳体并联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1）、当电路中的两个接线端子分别与壳体和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2）、当电路中的两个接线端子分别与壳体和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3）、当电路中的一个接线端子同时与内电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通，另一个接线端子与电壳体连接导通时，外电芯和内电芯并联后同时工作。
5.根据权利要求1或2所述的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，所述外电芯上极片和内芯上极片的电极不同，则外电芯和内电芯通过壳体串联。
6.根据权利要求5所述的降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，所述外电芯和内电芯通过壳体串联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1）、当电路中的两个接线端子分别与外壳和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2）、当电路中的两个接线端子分别与外壳和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3）、当电路中的两个接线端子分别与电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通时，外电芯和内电芯串联后同时工作。
7.根据权利要求4所述的降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，所述内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙中填充有导热材料。
8.根据权利要求6所述的降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，其特征在于，所述内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙中填充有导热材料。
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Assignee: Liaoning Tuosheng Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF TECHNOLOGY

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Denomination of invention: A nested structure lithium-ion battery for reducing the risk of thermal runaway

Granted publication date: 20210803

License type: Common License

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