CN113036267A - 一种硬壳锂离子电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种硬壳锂离子电池结构，其特征在于，包括壳体、位于壳体内的电芯以及顶盖，所述顶盖的边角与壳体的边角为过盈配合连接结构；所述壳体为中空结构，于壳体内壁上沿高度方向设置有若干虹吸槽，虹吸槽底部与壳体底部齐平，虹吸槽顶部距离壳体顶部边缘5±0.5mm。本发明利用带有虹吸槽结构的厚铝壳，一方面可以抑制电池循环和存储过程中的厚度膨胀，另一方面可以利用虹吸槽的虹吸效应，改善电池内部电解液分布情况，解决硬壳大电池顶部和边缘电解液浸润不佳的问题。

Description

一种硬壳锂离子电池结构

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种硬壳锂离子电池结构。

背景技术

“可再生能源+储能”是新能源发展的必然选择，而储能应用场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展方向。用于储能的锂离子电池应满足成本低、长寿命、高安全等特性，围绕“低成本、长寿命、高安全、易回收”的总体目标，发展各类储能电池。而锂离子电池本身是一种可反复充放电的二次电池，它由阴阳极极片、隔离膜、电解液、机械结构件等主要成分组成。在循环、存储、安全测试等条件下电芯内部存在副反应产气或析锂膨胀。特别地，在一些异常使用的情形下，这些副反应加剧导致电池边缘严重臌胀，进而影响电池和电池组的安全性。在电池失效分析研究过程中，析锂和膨胀主要是由于前期电解液浸润不良、电池内部膨胀阻抗增大而导致，因此通常在电池循环过程中会给电池带夹具循环，对电池施加一定的应力缓解电池膨胀、抑制电池的膨胀，从而改善电池内部的电解液分布、厚度膨胀和阻抗变化。

针对电池铝壳的结构设计，现有技术方案中，发明专利CN105140429A公开了一种叠片式锂电池铝壳体结构及其制作方法，该方法制作的叠片式锂电池铝壳体结构具有良好的强度可靠性和密封性，可以提高电池外形一致性；但不能有效抑制电池循环过程中的膨胀变形，也未能改善电解液浸润等问题；

发明专利CN105140430A公开了一种大功率叠片式锂电池铝壳体结构，壳壁外表面设置有多个套于筒状壳壁上的环状的加强筋板，提供一种可以保证电池壳体的强度、刚性，而重量不显著增加的壳体结构和制造方法；此方法某种程度上可以抑制电池的膨胀，但电池铝壳结构较复杂，未能改善电池电解液浸润和散热问题；

发明专利CN109818081A公开了锂电池浸润工艺和锂电池浸润化成方法，制成半成品电池后注入电解液，将电池转移到手套箱内部的真空室内、进行抽真空，直至真空室内部的真空度达到P，保压时间为t；将完成注液浸润步骤之后的半成品电池进行封口以制成成品电池；将成品电池先倒立搁置浸润，再直立搁置浸润。本发明公开的锂电池浸润化成工艺具有提高了电解液的浸润效果，但不能兼顾电池膨胀抑制，该发明最大的缺点是改善浸润的方法太复杂；

发明专利CN109830755A公开了一种用于锂电池的电解液浸润方法，本浸润方法通过不断交替变换锂电池所处的环境，使得电解液达到充分浸润的效果，同时能够防止锂电池出现鼓胀变形的现象；该改善电解液浸润的方法过于复杂，且抑制膨胀的效果不明显。

现有公开的技术方案中，对于电解液的浸润改善主要通过材料的配方设计或隔膜表面涂层来实现，少数通过不断改变环境的方式改善浸润，操作起来过于复杂；发明一种自吸液浸润和抑制膨胀兼顾功能的结构件及锂电池显得十分必要，特别是针对循环、储存、安全测试后的电芯电解液分布及膨胀变形。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种硬壳锂离子电池结构，解决储能用锂离子电池自身电解液浸润不均问题、循环膨胀问题以及散热和安全性问题，对于储能领域的大规模应用有着重要的意义。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种硬壳锂离子电池结构，包括壳体、位于壳体内的电芯以及顶盖，所述顶盖的边角与壳体的边角为过盈配合连接结构；所述壳体为中空结构，于壳体内壁上沿高度方向设置有若干虹吸槽，虹吸槽底部与壳体底部齐平，虹吸槽顶部距离壳体顶部边缘5±0.5mm。

进一步地，所述虹吸槽等距分步于壳体内侧且于壳体长对应侧面上分步有5根虹吸槽，宽对应侧面上分布有2根虹吸槽。

进一步地，所述电芯前端设有正极极耳和负极极耳，所述顶盖上设有正极柱、负极柱、防爆阀和注液孔，所述正极极耳和负极极耳分别与所述正极柱和所述负极柱连接。

进一步地，所述壳体内壁、虹吸槽内以及顶盖面向壳体一侧均涂覆有绝缘材料。

进一步地，所述电池盖板的边角的曲率半径小于所述电池壳体的边角的曲率半径。

进一步地，所述电池壳体的边角和所述电池盖板的边角均为倒圆角结构。

进一步地，所述壳体以及顶盖通过激光焊接连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1)虹吸槽结构利用虹吸效应吸液，可以改善电池内部的电解液浸润，使电解液分布均一；

2)该铝壳结构厚度刚度较大，可以抑制电池循环过程中的膨胀，不需要外加夹具和预紧力；

3)该虹吸槽结构的铝壳由于槽体结构，更利于电池散热；

4)铝壳厚度和刚度大，可以提升电池的安全性，减小腐蚀和漏液风险。

附图说明

参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1是硬壳锂离子电池结构的俯视剖面示意图；

图2是硬壳锂离子电池结构的正视剖面示意图；

图3是硬壳锂离子电池结构的侧视剖面示意图。

图4为硬壳锂离子电池结构的结构俯视图。

图5为图4中A的局部放大图。

图中标号：1、壳体，2、虹吸槽，3、盖板，4、正极柱，5、负极柱。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

根据本发明的一实施方式结合图1至图5示出。一种硬壳锂离子电池结构，包括壳体1、位于壳体1内的电芯以及顶盖，电芯前端设有正极极耳和负极极耳，顶盖上设有正极柱4、负极柱5、防爆阀和注液孔，正极极耳和负极极耳分别与正极柱4和负极柱5连接，顶盖的边角与壳体1的边角为过盈配合连接结构，电池壳体1的边角和所述电池盖板3的边角均为倒圆角结构，一方面，这样可以有效提高两者连接的稳固性，避免两者发生脱壳问题，保证电池的安全性；另一方面，这样还能矫正两者间的平行度，从而确保两者在进行激光焊接的可靠性，进而改善电池的品质，电池盖板3的边角的曲率半径小于电池壳体1的边角的曲率半径，壳体1以及顶盖通过激光焊接连接；壳体1为中空结构，于壳体1内壁上沿高度方向设置有若干虹吸槽2，虹吸槽2底部与壳体1底部齐平，虹吸槽2顶部距离壳体1顶部边缘5±0.5mm，为顶盖激光焊接工序预留空间。虹吸槽2等距分步于壳体1内侧且于壳体1长对应侧面上分步有5根虹吸槽2，宽对应侧面上分布有2根虹吸槽2。壳体1内壁、虹吸槽2内以及顶盖面向壳体1一侧均涂覆有绝缘材料。

壳体1为铝壳，铝壳尺寸厚*宽*高为33mm*200mm*172mm，铝壳厚度1.2mm-1.6mm，厚度和刚度大，目的是自身能够抑制电池内部的膨胀。

虹吸槽2结构铝壳的原理是可以在内部富余电解液的条件下完成虹吸作用，电解液液态分子间存在引力与位能差能，液体会由压力大的底边流向压力小的顶边，改善电池上部和顶部电解液浸润差的问题。待入壳后的电芯经过顶盖焊接-注液-老化-化成等工序，完成电解液的浸润、电池静置老化，最终可以制得电解液浸润效果均一、自带抑制膨胀功能的大硬壳锂离子电芯。

实施例1

包含特殊铝壳结构的磷酸铁锂-石墨体系硬壳叠片大硬壳锂离子电芯。在电芯制成过程中，经过匀浆-涂布-辊压-模切-分条-叠片-极耳焊接-入壳-顶盖焊接-注液-化成等工序后，可以得到大硬壳叠片锂离子电芯。在电芯完成叠片之后，准备包含特殊结构的铝壳：铝壳尺寸厚*宽*高为33mm*200mm*172mm，铝壳厚度1.3mm，自身能够抑制电池内部的膨胀；铝壳的四面内壁纵向方向上分布有虹吸槽2结构的槽，虹吸槽2嵌入铝壳内壁，虹吸糟深0.5mm，宽度3mm，长度方向即铝壳高度；每个大面内壁上有5个纵向虹吸槽2，每个侧面内壁上有2个纵向虹吸槽2，每个槽之间间距相等；内壁虹吸槽2长度底部与铝壳底部平齐，顶部的顶边距距离铝壳顶部边缘5mm；待入壳后的电芯经过顶盖焊接-注液-老化-化成等工序，完成电解液的浸润、电池老化，通过虹吸糟结构铝壳在内部富余电解液的条件下完成虹吸作用，电解液液态分子间存在引力与位能差能，液体会由压力大的底边流向压力小的顶边，改善电池上部和顶部电解液浸润差的问题，最终制得电解液浸润效果均一、自带抑制膨胀功能的硬壳锂离子电芯。通过超声波无损检测内部电解液浸润效果可以得到该结构的电芯上部顶部电解液浸润良好；在循环过程中由于该结构的铝壳刚度，可以抑制电池膨胀，循环2000周后的电芯厚度膨胀率低于5％；拆解电芯内部验证电解液浸润效果，电池内部浸润均一，电芯整体膨胀小，说明包含虹吸槽2结构的铝壳及其电芯能够较好地抑制电池膨胀，改善电解液浸润性。

实施例2

包含特殊铝壳结构的三元NCM523-石墨体系卷绕大硬壳锂离子电芯。在电芯制成过程中，经过匀浆-涂布-辊压-模切-分条-卷绕-转接片焊接-入壳-顶盖焊接-注液-化成等工序后，可以得到硬壳软绕锂离子电芯。在电芯完成卷绕之后，准备包含特殊结构的铝壳：铝壳尺寸厚*宽*高为26mm*148mm*91mm，铝壳厚度1.2mm，自身能够抑制电池内部的膨胀；铝壳的四面内壁纵向方向上分布有虹吸槽2结构的槽，虹吸槽2嵌入铝壳内壁，虹吸糟深0.4mm，宽度3mm，长度方向即铝壳高度；每个大面内壁上有4个纵向虹吸槽2，每个侧面内壁上有2个纵向虹吸槽2，每个槽之间间距相等；内壁虹吸槽2长度底部与铝壳底部平齐，顶部的顶边距距离铝壳顶部边缘4mm；待入壳后的电芯经过顶盖焊接-注液-老化-化成等工序，完成电解液的浸润、电池老化，通过虹吸糟结构铝壳在内部富余电解液的条件下完成虹吸作用，电解液液态分子间存在引力与位能差能，液体会由压力大的底边流向压力小的顶边，改善电池上部和顶部电解液浸润差的问题，最终制得电解液浸润效果均一、自带抑制膨胀功能的硬壳锂离子电芯。通过超声波无损检测内部电解液浸润效果可以得到该结构的电芯上部顶部电解液浸润良好；在循环过程中由于该结构的铝壳刚度，可以抑制电池膨胀，循环1500后的电芯厚度膨胀率低于10％；拆解电芯内部验证电解液浸润效果良好，浸润均一，内部膨胀小，因此包含虹吸槽2结构的铝壳及其电芯能够较好地抑制电池膨胀，改善电解液浸润性。

对比例1

本实施例与实施例1的不同点在于，制备的包含特殊铝壳结构的锂离子电池铝壳内壁每个面只有1个虹吸槽2结构，其他尺寸与实施例1中相同，进行注液-老化-化成后进行循环，拆解分析电池内部电解液浸润情况。由于虹吸槽2数量少，电解液不能很好地浸润电池顶部，拆解的电池内部浸润效果不如实施例1。

对比例2

本实施例与实施例1的不同点在于，制备的包含特殊铝壳结构的锂离子电池铝壳厚度改为0.8mm，其他虹吸槽2数量、尺寸、分布均与实施例1中保持一致，进行注液-老化-化成后进行循环，测量拆解分析电池内部电解液浸润和厚度膨胀情况。由于虹吸槽2结构，电芯内部电解液浸润效果较好，但由于铝壳薄刚度小，不能自身抑制循环过程中的膨胀，导致厚度变化率超过实施例1的2倍，其效果远不如实施例1。

对比例3

本实施例与实施例1的不同点在于，铝壳结构上没有虹吸槽2结构，其他尺寸均与实施例1中保持一致，进行注液-老化-化成后进行循环，测量拆解分析电池内部电解液浸润和厚度膨胀情况。由于1.3mm铝壳刚度大，循环过程后自身膨胀率小，但拆解后内部电解液浸润差，上部顶部电解液浸润效果远不如实施例1。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种硬壳锂离子电池结构，其特征在于，包括壳体(1)、位于壳体(1)内的电芯以及顶盖，所述顶盖的边角与壳体(1)的边角为过盈配合连接结构；所述壳体(1)为中空结构，于壳体(1)内壁上沿高度方向设置有若干虹吸槽(2)，虹吸槽(2)底部与壳体(1)底部齐平，虹吸槽(2)顶部距离壳体(1)顶部边缘5±0.5mm。

2.根据权利要求1所述的硬壳锂离子电池结构，其特征在于，所述虹吸槽(2)等距分步于壳体(1)内侧且于壳体(1)长对应侧面上分步有5根虹吸槽(2)，宽对应侧面上分布有2根虹吸槽(2)。

3.根据权利要求1所述的硬壳锂离子电池结构，其特征在于，所述电芯前端设有正极极耳和负极极耳，所述顶盖上设有正极柱(4)、负极柱(5)、防爆阀和注液孔，所述正极极耳和负极极耳分别与所述正极柱(4)和所述负极柱(5)连接。

4.根据权权要求1所述的硬壳锂离子电池结构，其特征在于，所述壳体(1)内壁、虹吸槽(2)内以及顶盖面向壳体(1)一侧均涂覆有绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的硬壳锂离子电池结构，其特征在于，所述电池盖板(3)的边角的曲率半径小于所述电池壳体(1)的边角的曲率半径。

6.根据权利要求1所述的硬壳锂离子电池结构，其特征在于，所述电池壳体(1)的边角和所述电池盖板(3)的边角均为倒圆角结构。

7.根据权利要求1所述的硬壳锂离子电池结构，其特征在于，所述壳体(1)以及顶盖通过激光焊接连接。

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