CN113097622A - 一种金属锂电池模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属锂电池模组，其包含：电池阵列；弹性泡沫，设于所述电池阵列的两端；夹板，设于所述弹性泡沫的外侧；多根拉线，其拉紧所述电池阵列两端的夹板，使所述弹性泡沫被挤压压缩，并使所述夹板夹紧所述电池阵列。本发明采用拉线设计，大大降低金属锂二次电池模组的结构件比重，采用高弹性泡沫实现了金属锂二次电池充放电过程厚度膨胀和收缩时的自动尺寸适配，有效防止金属锂电池发生粉末化并有效减轻模组重量，还可以解决电池组整体外形因金属锂电池体积膨胀而造成明显的变形。

Description

一种金属锂电池模组
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种金属锂电池模组，这种电池模组可实现金属锂二次电池充放电过程厚度膨胀和收缩时的自动尺寸适配，有效防止金属锂电池发生粉末化并有效减轻模组重量。
背景技术
随着金属锂二次电池技术的逐渐成熟，金属锂二次电池也可以实现一定周期内的充放电，而且比能量高达430Wh/kg以上，在高比能量领域应用具有非常大的应用价值。然而，金属锂二次电池相对传统石墨负极材料缺少了锂离子嵌入的空间，因此充电过程会发生明显的体积膨胀，尤其是方形软包装的金属锂电池，其厚度膨胀一般高达8％以上。当金属锂二次电池发生膨胀时，会导致模组结构件发生巨大形变，对外产生巨大的挤压力，造成用电设备结构损坏。而采取橡胶垫缓冲，则严重增加电池模组的重量，进而失去了高比能量的优势。若不对金属锂二次电池的厚度进行挤压约束，在短短几周内，电池内部的负极金属锂材料就会粉末化，负极活性物质大量失去活性变成死锂，从而无法参与充放电，进而造成容量快速衰减。金属锂二次电池需要一定的压强进行挤压并且会发生较大的尺寸变化，这导致金属锂二次电池模组的轻量化设计比较困难，用现有方法无法实现较低的结构占比。此外，当金属锂二次电池极片表面受到刚性连接会造成负极金属锂发生严重变形，从而导致内部电流密度增大，进而造成内阻增大。
CN108054315A《空间用方形锂离子蓄电池组》以及CN205810901U《软包动力电池模组》均采用了拉杆拉紧减重的方式，所采用的结构不能满足金属锂二次电池高比能量的需求，CN208646202U《一种夹层结构复合材料电池箱体》利用泡沫夹芯降低箱体的重量、提高保温性能和抗冲击性，但不涉及对泡沫的弹性的应用。
发明内容
本发明的目的是改善金属锂二次电池在充放电过程中，厚度膨胀和尺寸变化的问题，防止金属锂电池发生粉末化并有效减轻模组重量。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种金属锂电池模组，其包含：
电池阵列；
弹性泡沫，设于所述电池阵列的两端；
夹板，设于所述弹性泡沫的外侧；
拉线，其拉紧所述电池阵列两端的夹板，使所述弹性泡沫被挤压压缩，并使所述夹板夹紧所述电池阵列。
优选地，所述金属锂电池是指负极为金属锂材料的能够充放电的金属锂二次电池；所述金属锂电池满电态厚度比放电态厚度大8％以上。
优选地，所述金属锂电池处于放电态时，所述弹性泡沫的压缩压强为0.05Mpa～0.12Mpa；当所述金属锂电池处于充电态时，所述弹性泡沫的压缩压强在0.15Mpa～0.4Mpa之间。
优选地，所述弹性泡沫为闭孔型发泡泡沫塑料，材质选择聚乙烯泡沫或聚丙烯泡沫。
优选地，所述拉线的线径为0.3mm～0.4mm，有利于空间高效利用和拉力分布均匀。
优选地，所述电池模组还包含：设于所述电池模组底部的底部支撑泡沫和设于所述电池模组顶部的顶部支撑泡沫；所述底部支撑泡沫覆盖区域包括所述弹性泡沫的底部，所述顶部支撑泡沫覆盖区域包括所述弹性泡沫的顶部。
优选地，所述底部支撑泡沫和所述顶部支撑泡沫的材料选择聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫或聚苯乙烯泡沫。
优选地，所述电池模组还包含：用于固定所述底部支撑泡沫和所述顶部支撑泡沫的固定线；所述固定线将所述底部支撑泡沫、所述顶部支撑泡沫与所述的弹性泡沫拉紧。
优选地，所述电池模组还包含：安全线，其连接所述电池阵列两端的夹板；所述安全线呈松弛状态；在电池发生爆炸时，用于对夹板位置形成约束。
优选地，所述拉线、所述固定线、所述安全线选择芳纶纤维材料。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明可以解决金属锂二次电池模组使用过程中厚度大幅度收缩形变的问题，可以保证模组外形尺寸的稳定性和可靠性。
(2)本发明采用拉线的方式对模组阵列进行拉紧固定，相比常规拉杆、拉板等方式可以实现结构的显著减重，采用芳纶纤维材料达到的减重效果尤为明显。
(3)本发明采用弹性泡沫压缩设计，弹性泡沫选用聚丙烯发泡泡沫、聚乙烯发泡泡沫等材料，相比常规金属或橡胶弹性材料具有结构简单、重量轻、恢复性良好、弹性适中、形变量大等优点。
(4)本发明采用安全线连接两个夹板，可以有效约束爆炸或燃烧造成的杀伤半径。
(5)本发明采用低密度支撑泡沫进行线性约束，在增强整体结构稳定性的同时，减轻重量。
(6)本发明采用低密度支撑泡沫、弹性泡沫等泡沫结构，在实现其他功能的同时，还能根据实际情况调节泡沫块的厚度和相对位置，可以根据实际情况实现保温功能。
附图说明
图1为本发明的金属锂电池模组组成结构示意图。
图2为本发明的金属锂电池模组内部一种典型的排列组成示意图。
图3为本发明的金属锂二次电池单体尺寸示意图，其中(1)为主视图，(2)为侧视图。
图4为本发明的弹性泡沫尺寸示意图，其中(1)为主视图，(2)为侧视图。
图5为本发明的弹性泡沫前5周次压缩曲线图。
图6为本发明的弹性泡沫5、10、15、20、以及25周次压缩曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，金属锂电池模组包含：多个电池单体1排列形成的电池阵列、弹性泡沫2、夹板3、拉线4、底部支撑泡沫5、顶部支撑泡沫6、固定线7和安全线8。
弹性泡沫2设于所述电池阵列的两端，夹板3设于所述弹性泡沫2的外侧，多根拉线4拉紧电池阵列两端的夹板3，使弹性泡沫2被挤压压缩，并使夹板3夹紧电池阵列。弹性泡沫2可设计为弹性泡沫块。为了解决厚度膨胀的问题，在金属锂二次电池阵列的两端放置弹性泡沫，然后在弹性泡沫的两个端面放置夹板3，用多根拉线4呈拉紧状态基本对称连接两个夹板3，使夹板3夹紧弹性泡沫-金属锂二次电池阵列-弹性泡沫依次组成的阵列，弹性泡沫成挤压压缩状态。弹性泡沫为具有弹性且恢复性较好的闭孔型发泡泡沫塑料，如聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫等，优先聚丙烯泡沫。
本发明所述金属锂电池是指负极为金属锂材料的能够充放电的金属锂二次电池。这种金属锂电池满电态厚度比放电态厚度可大8％以上。
请参阅图2，电池阵列的两端放置有弹性泡沫2，在弹性泡沫的外侧面设置有夹板3。
请继续参阅图1，多根拉线4呈拉紧状态，基本对称连接两个夹板3，使夹板3夹紧设有弹性泡沫的电池阵列，弹性泡沫处于挤压压缩状态。多根拉线4可呈横向平行均匀排布。
拉线4设计大大降低金属锂二次电池模组的结构件比重，采用高弹性泡沫技术实现了金属锂二次电池充放电过程厚度膨胀和收缩时的自动尺寸适配，有效防止金属锂电池发生粉末化并有效减轻模组重量。
底部支撑泡沫5设于所述电池模组底部，顶部支撑泡沫6设于所述电池模组顶部；底部支撑泡沫5覆盖区域包括电池阵列和弹性泡沫2的底部，顶部支撑泡沫6覆盖区域包括电池阵列和弹性泡沫2的顶部。也就是说，底部支撑泡沫5安装于弹性泡沫和电池阵列的下方并与弹性泡沫接触，顶部支撑泡沫6安装于弹性泡沫和电池阵列的上方并与弹性泡沫接触。
一些实施例中，所述底部支撑泡沫5和所述顶部支撑泡沫6的材料选择聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫或聚苯乙烯泡沫。所述底部支撑泡沫5和顶部支撑泡沫6主要实现支撑和保温的作用，密度优选20kg/m3，在高强度的基础上实现减重。底部支撑泡沫5和顶部支撑泡沫6可以实现弹性泡沫-金属锂二次电池阵列-弹性泡沫的线性稳定，防止弹性泡沫发生弯曲情况。
固定线7用于固定底部支撑泡沫5和顶部支撑泡沫6。多根固定线7在上下方向连接底部支撑泡沫5和顶部支撑泡沫6，将底部支撑泡沫5、顶部支撑泡沫6与弹性泡沫2拉紧。多根固定线7在上下方向连接底部支撑泡沫5和顶部支撑泡沫6，实现两种泡沫的位置的固定，进一步防止弹性泡沫发生弯曲。
安全线8连接电池阵列两端的夹板3。电池阵列的两端为两个夹板3，安全线8连接并固定在两个夹板3上，呈松弛状态。长度上的冗余可以实现安全线8在平时状态下不受力，当发生爆炸时，两个夹板3相互再次形成制约，减小爆炸或燃烧的杀伤半径。
如图3所示，为电池单体1尺寸示意图。金属锂二次电池充放电过程会发生严重的厚度膨胀和收缩，放电态是该电池的宽度为a0，极片高度为h0，单体厚度为s0，满电态比放电态厚度增大8％以上，膨胀系数设为k1，满电态厚度为(1+k1)×s0。拉线、固定线和安全线优先芳纶纤维材料，该材料具有非常好的抗拉强度，可以最大限度减少拉线、固定线和安全线的用量，进而减轻重量；拉线的线径优选0.3mm～0.4mm，多根拉线共同作用，可以实现拉线分布的均匀性，设单根拉线拉力为F牛，一共采用了n根拉力。
安全线为单根或多根，长度为两个夹板固定位置拉直后直线距离的1.1～1.2倍，长度上的冗余可以实现安全线在平时状态下不受力，当发生爆炸时可以改变夹板的运动轨迹，两个夹板相互再次形成制约，减小爆炸或燃烧的杀伤半径。
如图4所示，为弹性泡沫尺寸示意图。弹性泡沫的宽度为A0，高度为H0，厚度为S0，其中尺寸A0匹配并略大于a0尺寸，尺寸H0匹配并略大于h0尺寸；弹性泡沫使用前应经过2～5周次形变量为30％～60％压缩，使其压强和尺寸关系达到稳定状态，弹性泡沫厚度S0应为稳定后压缩压强为零的值。当金属锂二次电池处于放电态时，弹性泡沫的在压缩方向(S0方向)形变量(以S0尺寸为基准)在10～30％之间，并且此时弹性泡沫的压缩压强约为0.05Mpa～0.12Mpa；当金属锂二次电池处于充电态时，弹性泡沫的变量在40％～60％之间，并且此时弹性泡沫的压缩压强在0.15Mpa～0.4Mpa之间，设最大压强为Pmax。通过设计，可以使金属锂电池一直处于高强度均匀的挤压压强下，可以防止金属锂负极受压不均匀而造成容量衰减过快，同时在满电态和放电态之间具有较大的尺寸差，由此通过较少的弹性泡沫实现金属锂二次电池的厚度的自适应，设上述两种状态下弹性泡沫的尺寸形变系数为k2。所述弹性泡沫为具有弹性且恢复性较好的发泡泡沫塑料，如聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫等，优先聚丙烯泡沫。设弹性泡沫经多周次压缩达到稳定状态后的压缩压强为零的总厚度(S0方向)为S2，设放电态的金属锂二次电池单体总厚度为S1，则S2＝k1/k2×S1。
设海平面大气压为P0，拉力冗余系数为k0，拉线的根数n≥k0×a0×h0×(Pmax+P0)/F(其中，k0>1，加入P0参数可以满足低气压环境条件的影响)。
进一步优先密度为30kg/m3～50kg/m3的聚丙烯泡沫，实现弹力和形变量满足金属锂二次电池形变量和均匀受压的要求。弹性泡沫采用闭孔发泡泡沫，在低气压条件下，金属锂二次电池内部会产生对外的气压，闭孔发泡泡沫内部也存在有空气，用以抵消金属锂电池内部低气压条件下气胀压力的影响，金属锂二次电池仍然可以保持海平面低气压状态下的受压状态。
弹性泡沫使用前应经过2～5周次形变量为40％～60％压缩，以消除不可逆形变量，使其压强和尺寸关系稳定，到达充放电过程不同弹性泡沫形变步调一致的效果。以下实施例说明需要计算的内容：
如图5所示，采用一种聚丙烯泡沫作为压缩泡沫，对压缩泡沫进行3周次压缩使其达到了稳定状态，第4周次和第5周次曲线走势一致，说明其已经达到稳定状态。如图6所示为选取的该型压缩泡沫第5、10、15、20以及25周次的压缩曲线，可以看到该压缩泡沫经过若干次压缩性能未见明显的不可逆形变，压力和尺寸仍然保持良好的关系，可以满足金属锂电池反复充电的要求。
设计金属锂电池充放电两种状态的挤压力为0.1Mpa～0.2MPa区间，金属锂电池宽度a0＝80mm，高度h0＝60mm，金属锂电池放电态的总厚度S1＝500mm，充放电态厚度形变量预计为10％，形变系数k1＝0.1。通过图6曲线，0.1MPa对应的压缩泡沫的变形量约为20％，0.2MPa对应的压缩泡沫的变形量约为40％，那么两种状态切换的形变量为20％，形变系数k2＝0.2，因此设计压缩泡沫的总厚度S2＝k1/k2×S1＝250mm；拉线安全系数按照k0＝4设计，单根拉线的极限拉力为F＝200N，根据曲线可知Pmax＝0.25Mpa，P0＝0.101Mpa拉线的根数n≥k0×a0×h0×(Pmax+P0)/F＝4×80×60×(0.25+0.101)/200＝33.6，因此拉线的根数设计为34根即可。
综上所述，本发明采用芳纶拉线拉紧结合弹性泡沫夹紧金属锂电池的方式，可以解决电池模组轻量化设计的需求，同时弹性泡沫对单体电池形成了均匀的压力。采用拉线和弹性泡沫的减重技术，比现有技术减重效果进步非常显著，而且还能满足金属锂二次电池充放电特性的要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种金属锂电池模组，其特征在于，包含：
电池阵列；
弹性泡沫，设于所述电池阵列的两端；
夹板，设于所述弹性泡沫的外侧；
拉线，其拉紧所述电池阵列两端的夹板，使所述弹性泡沫被挤压压缩，并使所述夹板夹紧所述电池阵列。
2.根据权利要求1所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述金属锂电池是指负极为金属锂材料的能够充放电的金属锂二次电池；所述金属锂电池满电态厚度比放电态厚度大8％以上。
3.根据权利要求1所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述金属锂电池处于放电态时，所述弹性泡沫的压缩压强为0.05Mpa～0.12Mpa；当所述金属锂电池处于充电态时，所述弹性泡沫的压缩压强在0.15Mpa～0.4Mpa之间。
4.根据权利要求1所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述弹性泡沫为闭孔型发泡泡沫塑料，材质优选聚乙烯泡沫或聚丙烯泡沫。
5.根据权利要求1所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述拉线的线径为0.3mm～0.4mm。
6.根据权利要求1所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述电池模组还包含：
设于所述电池模组底部的底部支撑泡沫和设于所述电池模组顶部的顶部支撑泡沫；所述底部支撑泡沫覆盖区域包括所述弹性泡沫的底部，所述顶部支撑泡沫覆盖区域包括所述弹性泡沫的顶部。
7.根据权利要求6所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述底部支撑泡沫和所述顶部支撑泡沫的材料选择聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫或聚苯乙烯泡沫。
8.根据权利要求6所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述电池模组还包含：
用于固定所述底部支撑泡沫和所述顶部支撑泡沫的固定线；所述固定线将所述底部支撑泡沫、所述顶部支撑泡沫与所述的弹性泡沫拉紧。
9.根据权利要求8所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述电池模组还包含：
安全线，其连接所述电池阵列两端的夹板；所述安全线呈松弛状态；在电池发生爆炸时，用于对夹板位置形成约束。
10.根据权利要求9所述的金属锂电池模组，其特征在于，所述拉线、所述固定线、所述安全线选择芳纶纤维材料。
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