CN112421187B - 一种可提升锂离子电池安全性能的软连接片 - Google Patents

一种可提升锂离子电池安全性能的软连接片 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可提升锂离子电池安全性能的软连接片，所述软连接片沿电流路径的两端分别为极耳连接端、电池盖板连接端，中间设置含有导电金属层结构的保护区；所述保护区为多层结构，包括依序设置的基层、网格化金属层和PTC层；基层、网格化金属层与极耳连接端和电池盖板连接端导通；网格化金属层包括多个金属片，各金属片之间通过接触点导通从而形成网格化金属层。在电池发生短路等大电流条件下，表面网格化金属层接触点会迅速熔断，形成“孤岛效应”，从而使得连接片电流中断，起到断路的作用，另外网格化金属层表面镀有对温度敏感的PTC材料，当短路时极耳温度过高会触发连接片内阻迅速增大，起到缓慢释放热量的功能，形成双重保护。

Description

一种可提升锂离子电池安全性能的软连接片
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池软连接片，属于电池结构件技术领域。
背景技术
在锂离子电池生产和使用过程中，安全性能越来越受到重视，电池的安全性能不仅影响消费者的人身安全，它同样影响一个企业的生存和发展，通常会在生产过程中对电池本身影响较大的粉尘、毛刺和水分进行控制，但电池在发生短路时，会在瞬间释放出巨大的能量，然后电池会发生着火甚至是爆炸，严重影响人身安全。那么如何避免或者减缓这种瞬间释放的能量，提升电池安全性能则是需要电池企业研究的重点课题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可提升锂离子电池安全性能的软连接片。
本发明的另一个目的在于提供所述锂离子电池软连接片的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供含有本发明所述锂离子电池软连接片的锂离子电池。
一方面，本发明提供了一种锂离子电池软连接片，所述软连接片沿电流路径的两端分别为极耳连接端、电池盖板连接端，中间设置含有导电金属层结构的保护区；
其中，所述保护区为多层结构，包括依序设置的基层、网格化金属层和PTC层，所述基层、网格化金属层与极耳连接端和电池盖板连接端导通；
网格化金属层包括多个金属片，各金属片之间通过接触点导通从而形成网格化金属层。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，所述基层为外层包裹PP和/或PE的金属丝网；其中，金属丝材质为铝或铝镁合金，直径为0.1mm-0.5mm，每个网孔面积为1mm2-2.5mm2。
根据本发明具体的实施方案，本发明中，金属丝网被PP和/或PE包裹后形成基层，所述基层表面为光滑平面。在电池发生短路等大电流条件下，基层中的金属丝网会发生熔断，同时网格化金属层中的接触点也会迅速熔断，形成“孤岛效应”的阻断，从而使得连接片电流中断，起到断路的作用；另外网格化金属层表面镀有对温度敏感的PTC层，当短路时极耳温度过高会触发连接片内阻迅速增大，起到缓慢释放热量的功能，从而形成双重保护。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，优选地，基层厚度为0.22mm-0.72mm。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，所述连接片为正极连接片，其中所述网格化金属层的材料选自铝和镍中的一种；或者，该连接片为负极连接片，其中所述网格化金属层的材料为铜。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，优选地，网格化金属层的厚度为0.1mm-0.3mm。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，网格化金属层沿电流路径的宽度可以根据实际情况进行调整；通常情况下，沿电流路径的宽度为5mm-40mm。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，所述PTC层是将高分子材料、导电粒子和助剂按照质量比40％-80％：2％-20％：5％-40％的比例混匀熔融而得到的。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，优选地，所述高分子材料选自聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、聚丙烯腈中的一种或多种；所述导电粒子选自纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或多种；所述助剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，更优选地，所述PTC层的厚度为0.05mm-0.3mm。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，所述锂离子电池连接片的总厚度优选为0.37mm-1mm。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，所述锂离子电池连接片沿电流路径宽度通常为10mm-50mm，垂直电流路径上的宽度通常为10mm-20mm。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，金属片的形状选自圆形、椭圆形、多边形或其他规则或不规则形状中的一种或多种；网格化金属层区域内设置5-100个金属片，金属片的总面积占网格化金属层面积的40％-70％。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，每个金属片四周均匀分布2-50个接触点，接触点总面积为金属片网格总面积的10％-40％。
根据本发明具体的实施方案，本发明中，网格化金属层中金属片和接触点的总面积占该网格化区域面积的44％-98％。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，所述极耳连接端、电池盖板连接端均为金属材质，分别用于与电池极耳、电池盖板通过焊接连接。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，优选地，所述极耳连接端的材质选自铝、镍和铜中的一种或多种；电池盖板连接端的材质选自铝、镍、铜和铜镍合金中的一种或多种；所述极耳连接端可以为卷芯极耳连接端。
另一方面，本发明还提供了所述锂离子电池软连接片的制备方法，其包括：
将金属丝网用PP和/或PE包裹，制成基层；
在基层表面镀上网格化金属层；
在网格化金属层表面涂覆PTC层，制得软连接片。
根据本发明的具体实施方案，本发明中，金属丝网沿电流路径方向预留一定宽度不被PP和/或PE包裹，预留的位置用于与极耳连接端和电池盖板连接端焊接导通；网格化金属层镀在基层中外层的PP和/或PE上。
根据本发明的具体实施方案，本发明的制备方法中，镀网格化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；涂覆PTC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。
此外，本发明还提供了一种锂离子电池，其含有本发明所述的锂离子电池软连接片。
本发明所提供的锂离子电池连接片具有如下有益效果：
(1)本发明提供的锂离子电池软连接片，其两端的连接端均为金属材质，不影响软连接片与电芯极耳以及电池盖板的焊接效果；同时中间部分通过金属丝网与两端连接，加上表面设置的网格化金属层以及常温下的PTC材料，能够有效满足导电的效果；
(2)网格化导电金属层保护区，当电池连接片上有大电流流过时(短路等条件下)，基层中的金属丝网发生熔断，形成断路，网格化金属层之间连接的接触点会迅速熔断，形成“孤岛效应”的阻断；同时表面涂覆的PTC材料发挥作用，连接片电阻增大，本发明具备双重保护作用，从而提升电池安全性能；
(3)本发明不仅在电池发生短路等热失控条件下提升安全性能，当电池发生误操作(如大电流充电、高倍率条件下放电)时，本发明的软连接片同样能够起到保护作用。
附图说明
图1为软连接片连接卷芯使用的示意图；
图2为软连接片图案状金属镀层保护区示意图；
图中编号：
1：卷芯极耳连接端；2：保护区；3：盖板连接端，镜像对称的卷芯4和卷芯5；21：矩形金属片，22：接触点，23：基层。
具体实施方案
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。
对比例
以25Ah三元电池为例，取5只普通无网格化金属镀层结构保护端的软连接片进行焊接，得到电池，然后满电条件下进行外短路测试，记录电池极柱表面最高温度和软连接片熔断情况，得到对比组A。
实施例1
本实施例提供了一种锂离子电池软连接片的制备方法。如图1所示，所述锂离子电池软连接片包括卷芯极耳连接端1、保护区2、电池盖板连接端3、镜像对称的卷芯4和卷芯5。所述锂离子电池软连接片的制备方法包括：
基层制作：将金属丝网(材质为金属铝、金属丝直径为0.1mm，网孔面积为2mm2)通过PP包裹，制成厚度为220μm的导电基层，其中，金属丝网沿电流路径两端预留出一定宽度不被PP包裹，用于与卷芯极耳连接端和电池盖板连接端导通。
镀网格化金属层：正极连接片采用金属铝制作，负极连接片采用金属铜制作，通过真空蒸镀的方法在导电基层表面镀网格化金属层，网格化金属层在连接片的宽度上与基层等宽，网格化金属层沿电流路径的宽度为16mm，网格化金属层厚度为0.2mm。如图2所示，网格化金属层设置有矩形金属片21，每个金属片四周均匀分布多个接触点22，网格化金属层覆盖在基层23表面，单个矩形金属片的面积为2mm2，总数有60个；金属片总面积占网格化区域面积的50％；接触点的总数为116个，接触点总面积为金属片总面积的15％。
PTC涂覆材料制作：按照高分子材料A(聚偏氟乙烯)：导电粒子B(超导炭黑)：助剂C(聚乙二醇PEG2000)＝75％：20％：5％的比例(重量百分比)，进行熔炼混合，制成均匀的PTC涂覆材料。
PTC涂覆：将制好的PTC涂覆材料使用静电喷涂的方案涂覆到网格化金属层上形成PTC层，PTC层的厚度为0.1mm。
电池制作：以25Ah三元电池为例，取5只如实施例1制作的网格化金属层结构保护区的软连接片进行焊接，软连接片连接卷芯极耳端与电池盖板端(其中正极极耳及盖板材质为金属铝，负极极耳及盖板材质为金属铜)，得到电池，然后满电条件下进行外短路测试，记录电池极柱表面最高温度和软连接片熔断情况，得到实验组B。
实施例2
本实施例提供了一种锂离子电池软连接片的制备方法。如图1所示，所述锂离子电池软连接片包括卷芯极耳连接端1、保护区2、电池盖板连接端3、镜像对称的卷芯4和卷芯5。所述锂离子电池软连接片的制备方法包括：
基层制作：将金属丝网(材质为金属铝镁合金、金属丝直径为0.2mm，网格孔面积为2.5mm2)通过PP包裹，制成厚度为0.4mm的导电基层，其中，金属丝网沿电流路径两端预留出一定宽度不被PP包裹，用于与卷芯极耳连接端和电池盖板连接端导通。
镀网格化金属层：正极连接片采用金属镍制作，负极连接片采用金属铜制作，通过真空蒸镀的方法在导电基层表面镀网格化金属层，网格化金属层在连接片的宽度上与基层等宽，网格化金属层沿电流路径的宽度为20mm，网格化金属层厚度为0.1mm。如图2所示，网格化金属层设置有矩形金属片网格21，每个金属片四周均匀分布多个接触点22，网格化金属层覆盖在基层23表面，单个矩形金属片面积为3mm2，总数有80个；金属片总面积占网格化区域面积的60％；接触点的总数为158个，接触点总面积为金属片总面积的10％。
PTC涂覆材料制作：按照高分子材料A(聚偏氟乙烯)：导电粒子B(超导炭黑)：助剂C(聚乙二醇PEG2000)＝80％：15％：5％的比例(重量百分比)，进行熔炼混合，制成均匀的涂覆材料。
PTC涂覆：将制好的涂覆材料使用高压无空气喷涂的方案涂覆到网格化金属层上形成PTC层，PTC层的厚度为0.2mm。
电池制作：以25Ah三元电池为例，取5只如实施例2制作的网格化金属层结构保护区的软连接片进行焊接，软连接片连接卷芯极耳端与电池盖板端(其中正极极耳及盖板材质为金属铝，负极极耳材质为金属铜，负极盖板材质为金属镍)，得到电池，然后满电条件下进行外短路测试，记录电池极柱表面最高温度和软连接片熔断情况，得到实验组C。
对上述制成的单体电池进行外短路安全测试，测试结果如表1所示：
表1
测试组编号 电池极柱表面最高温度 软连接片熔断情况
A 205℃ 未熔断
B 110℃ 熔断
C 105℃ 熔断
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。
以上所述实施方案仅仅是对本发明的优选实施方案进行描述，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)

1.一种锂离子电池软连接片，所述软连接片沿电流路径的两端分别为极耳连接端、电池盖板连接端，中间设置含有导电金属层结构的保护区；
其中，所述保护区为多层结构，包括依序设置的基层、网格化金属层和PTC层，所述基层、网格化金属层与极耳连接端和电池盖板连接端导通；
所述基层为外层包裹PP和/或PE的金属丝网；
网格化金属层包括多个金属片，各金属片之间通过接触点导通从而形成网格化金属层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池软连接片，其中，金属丝材质为铝或铝镁合金，直径为0.1mm-0.5mm，每个网孔面积为1mm2-2.5mm2；
基层厚度为0.22mm-0.72mm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池软连接片，该连接片为正极连接片，其中所述网格化金属层的材料选自铝和镍中的一种；或者，该连接片为负极连接片，其中所述网格化金属层的材料为铜；
网格化金属层的厚度为0.1mm-0.3mm。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池软连接片，其中，所述PTC层是将高分子材料、导电粒子和助剂按照质量比40％-80％：2％-20％：5％-40％的比例混匀熔融而得到的；
所述高分子材料选自聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、聚丙烯腈中的一种或多种；所述导电粒子选自纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或多种；所述助剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；
所述PTC层的厚度为0.05mm-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池软连接片，其中，金属片的形状选自圆形、椭圆形、多边形或其他规则或不规则形状中的一种或多种；网格化金属层区域内设置5-100个金属片，金属片的总面积占网格化金属层面积的40％-70％。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池软连接片，其中，每个金属片四周均匀分布2-50个接触点，接触点总面积为金属片总面积的10％-40％。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池软连接片，其中，所述极耳连接端、电池盖板连接端均为金属材质，分别用于与电池极耳、电池盖板通过焊接连接。
8.权利要求1-7中任一项所述的锂离子电池软连接片的制备方法，包括：
将金属丝网用PP和/或PE包裹，制成基层；
在基层表面镀上网格化金属层；
在网格化金属层表面涂覆PTC层，制得软连接片。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，镀网格化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；涂覆PTC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。
10.一种锂离子电池，其含有权利要求1-7中任一项所述的锂离子电池软连接片。
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