CN113851766A - 一种锂离子电池模组及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池模组及其应用。该锂离子电池模组包括：多个芯体，芯体为卷芯、叠芯或软包电池；每个芯体的一端分别设有正极极耳与负极极耳，多个芯体的正极极耳与负极极耳通过连接片实现芯体的串联和/或并联，并形成模组总正极和模组总负极；多个分隔部件，每个分隔部件用于容装单个芯体，并将各个芯体进行物理间隔，分隔部件具有上侧敞开口的结构；外壳及盖板，外壳及盖板组装后内部空间用于容装多个分隔部件及其内的芯体，盖板上设置有模组总正极的连接部和模组总负极的连接部。本发明的锂离子电池模组，从芯体层级直接装配为模组，降低制造成本，提高空间利用率、工艺效率。

Description

一种锂离子电池模组及其应用
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池模组，尤其涉及一种由芯体(卷芯、叠芯或软包电池)直接组装到模组的锂离子电池模组，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
随着社会的发展，人们对于环境问题越来越重视，新能源汽车技术被越来越多的消费者认可，预计2020年新能源汽车会逐渐取代传统汽车。随着新能源汽车需求量的逐年增加，对于电池的生产效率、成本以及成组后能量密度等问题尤为敏感。
目前的锂离子电池一般是将每个电芯分别包装、封装后，然后将各个电芯组装在一起形成锂离子电池模组，这种结构的工艺复杂，组装效率低，而且能量密度较低。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种锂离子电池模组，该模组的组装工艺相对简单，组装效率较高，能量密度较高，同时成本较为低廉。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种锂离子电池模组，该锂离子电池模组包括：
多个芯体，所述芯体为卷芯、叠芯或软包电池；每个芯体的一端分别设有正极极耳与负极极耳，多个芯体的正极极耳与负极极耳通过连接片实现芯体的串联和/或并联，并形成模组总正极和模组总负极；
多个分隔部件，每个分隔部件用于容装单个芯体，并将各个芯体进行物理间隔，分隔部件具有上侧(对应芯体设置正极极耳和负极极耳的端面)敞开口的结构；
外壳及盖板，外壳及盖板组装后内部空间用于容装多个分隔部件及其内的芯体，并且，盖板上设置有模组总正极的连接部和模组总负极的连接部。
在本发明的一些实施方案中，盖板上设置的模组总正极的连接部和模组总负极的连接部，可以是金属连接片，分别与芯体上的模组总正极和模组总负极接触。在本发明的另一些实施方案中，盖板上设置的模组总正极的连接部和模组总负极的连接部，也可以是盖板上的开孔，该开孔用于在外壳及盖板组装密封后露出芯体上的模组总正极和模组总负极。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，分隔部件为单体壳、分隔膜或分隔板，优选为分隔板。其中，单体壳可以为PC、PP、ABS形成的注塑单体壳；分隔膜可以为PET、PP形成的热熔密封分隔膜。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，该锂离子电池模组具有2个-10个的芯体。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，芯体的正极极耳与负极极耳之间的连接片上设置螺孔，盖板上设置对应的螺孔，盖板与芯体的正极极耳与负极极耳之间的连接片通过螺栓固定。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，该锂离子电池模组还包括顶盖，顶盖覆盖盖板并设置模组总正极的出口和模组总负极的出口。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，盖板与各个分隔部件的敞开口结构之间形成密封，盖板上设置有注液孔，用于向分隔部件中注入液体；其中，注液孔的个数与芯体的个数相同。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，盖板上具有多个连接孔，连接孔用于连接外部信号线。同时，该连接孔也可以用于实现盖板与正极极耳和负极极耳的连接。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，该锂离子电池模组还包括加热片或液冷板。
在本发明的锂离子电池模组中，优选地，该锂离子电池模组的尺寸为标准电池尺寸的一半。
本发明还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池为单独一个本发明的锂离子电池模组，或该锂离子电池中含有一个或多个本发明的锂离子电池模组。
本发明的锂离子电池模组可以单独一个直接作为锂离子电池使用，也可以将多个本发明的锂离子电池模组组装作为锂离子电池使用，或者将本发明的锂离子电池模组与其他模组连接组装作为锂离子电池。其中，当含有多个模组时，多个模组的连接形式可以为卡扣连接、螺栓连接，比如，采用热熔螺母嵌入盖板的方式进行连接。
本发明的锂离子电池模组具有高比能、高安全可靠性、宽温度范围、高能量密度(200Wh/kg)、长寿命的锂离子电池。该锂离子电池模组不仅在可以应用在电动汽车领域，还可以广泛应用于电动自行车、三轮车、UPS电源、汽车启动电源、48V弱混或双电压系统等。
本发明的锂离子电池模组，可以设计成只有铅酸电池盒尺寸的一半的可插接式电池盒，或设计成与铅酸电池尺寸一样，或是其他尺寸和形状。本发明的锂离子电池模组的电压电量可与标准铅酸电池相比，一般为12V·20Ah，但是尺寸(91mm×76mm×165mm)可以仅为标准电池的尺寸的一半。
本发明的锂离子电池模组直接对卷芯进行组装包络，形成一种从芯体(卷芯、叠芯或软包电池)(Jelly-roll)到模组(Module)(JTM工艺)的电池模组，提出了一种全新的芯体直接到模组的概念(JTM)，从芯体(卷芯、叠芯或软包电池)直接组装为模组、系统的动力电池。本发明的锂离子电池模组在彼此串联的芯体层面完成密封、绝缘、以及离子传输通道的隔断，并且为外部串联结构，保证整体的密封性。
本发明的锂离子电池模组，从芯体层级进行串/并联，直接装配为模组，降低制造成本，提高空间利用率。
本发明的锂离子电池模组外侧本身具备了模组装配的组件，从模组装配为系统的过程无需增加额外固定件，仅仅增加BMS及相关线束即可。
本发明的锂离子电池模组的能量密度超过190Wh/kg，体积利用率比锂电模组提高10％以上，阻抗降低约10％，制造周期短，成本降低约20％，常温循环可达4000周。
附图说明
图1为本发明一实施方式中锂离子电池模组的结构示意图。
图2a为本发明一实施方式中锂离子电池模组的卷芯的侧视结构示意图。
图2b为本发明一实施方式中锂离子电池模组的卷芯的45°侧视结构示意图。
图3为本发明一实施方式中锂离子电池模组的分隔板一体成型结构示意图。
图4为本发明一实施方式中锂离子电池模组的正视结构示意图。
图5a为本发明一实施方式中锂离子电池模组的注塑盖板俯视结构示意图。
图5b为图5a沿L线方向切割的截面结构示意图。
图6为本发明一实施方式中锂离子电池模组的另一结构示意图。
图7为本发明一实施方式中的锂离子电池模组的外观结构示意图。
图8为本发明一具体实施方式中的锂离子电池模组的充放电性能曲线。
图9为本发明一具体实施方式中的锂离子电池模组的循环性能曲线。
主要附图符号说明：
1、注塑顶盖；2、连接孔；3、注液孔；4、正极连接片；5、正极极耳；6、负极连接片；7、负极极耳；8、单壳体；9、注塑外壳；10、注塑盖板；11、模组总正极；12、模组总负极。
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。
本发明一具体实施方式中，提供了一种锂离子电池模组，包括：
多个芯体，芯体为卷芯、叠芯或软包电池；每个芯体的一端分别设有正极极耳5与负极极耳7；多个芯体的正极极耳5与负极极耳7通过连接片实现芯体的串联和/或并联，并形成模组总正极11和模组总负极12。芯体的数量可以根据实际电压需要进行调整。
多个单体壳8(分隔部件)，每个单体壳8用于容装单个芯体，将各个芯体进行物理间隔，单体壳8具有上侧敞开口结构。
导电结构正极连接片4，用于连接芯体的正极极耳5；导电结构负极连接片6，用于连接芯体的负极极耳7。
注塑盖板10，容装、固定芯体的结构，与注塑外壳组装后内部空间用于容装多个单体壳8极其内的芯体，注塑盖板10与单体壳8的上侧敞开口结构之间形成密封，并且，注塑盖板10上设置有模组总正极11的连接部和模组总负极12的连接部。
注塑外壳9，作为最外层的壳体，起到保护支撑的作用，用于容装多个单体壳8；注塑顶盖1，用于覆盖注塑盖板10及封装外壳。
如图1所示，包括4个卷芯。该卷芯是由多个小电芯通过卷芯工艺卷曲制备得到的，具有如图2a和图2b所示的结构。卷芯的一端分别设置有正极极耳5和负极极耳7。正极极耳5通过正极连接片4连接，负极极耳7通过负极连接片6连接。其中，正极连接片4与负极连接片6可以串联和/或并联。比如，芯体的负极连接片与相邻芯体的正极连接片连接，没有连接的正极连接片和没有连接的负极连接片作为模组总正极连接片和模组总负极连接片。
其中，正极连接片4和负极连接片6可以通过螺栓连接，可以在正极连接片4和负极连接片6上分别设置有连接口，用于穿过螺栓或螺母。或者，正极连接片与负极连接片也可以通过焊接方式连接。
在本发明的另一具体实施方式中，卷芯可以根据实际需要替换为叠芯或软包电池。叠芯为多个小电芯通过叠芯工艺制备得到。
如图1所示，4个卷芯分别设置在4个单体壳8中，单体壳8用于物理分隔各个卷芯，将4个卷芯分空间设置，以在彼此串联和/或并联的芯体层面完成密封、绝缘、以及离子传输通道的隔断。单壳体8可以为单体塑料壳：这里不做限定，可以是PET、PP热熔密封的膜材质，可以是PVC热缩膜材质，也可以是PC、PP、ABS类的注塑结构。
在本发明的另一具体实施方式中，分隔板可以为插板，直接插到注塑外壳9的内部，将注塑外壳9的内腔分隔为多个单元格；或分隔板为注塑外壳9一体化成型形成的结构，如图3所示。当分隔部件为分隔板时，不需要额外的壳体包装芯体，由小电芯到模组的过程仅仅需要一个外壳即可完成封装，大大简化了工艺和成本。
如图1所示，该锂离子电池模组包括注塑盖板10。注塑盖板10用于与单体壳8上侧敞开口结构之间形成密封。注塑盖板10上设置有连接孔2，连接孔2用于连接外部信号线；同时，可以用于实现注塑盖板10与正极连接片4和负极连接片6的密封连接。
在本发明的一具体实施方式中，注塑盖板10与卷芯一端的正极连接片4和负极连接片6密封连接。注塑盖板10与正极连接片4和负极连接片6的连接方式可以是螺栓连接，比如，连接孔2中可以穿过螺栓或螺母，并与正极连接片4和负极连接6连接，同时进行注塑密封。
另外，注塑盖板10与注塑外壳9互相匹配形成密封；可以采用超声热熔焊接或激光焊接，保证整个壳体的密封以及单个腔体的密封。注塑盖板10与正连接片4、负极连接片6采用一体注塑成型，无需后期装配(螺栓连接的螺母一体注塑，而螺栓连接过程中因需要增加中间的固定部件，如正负极连接片、信号线等，因此需要后续加工装配完成)。
同时注塑盖板10上设置有注液孔3，用于向单体壳中注入液体和排气。根据实际需要可以注入电解液。其中，注液孔3的个数与单体壳的个数相同，以实现注液孔与对应的单体壳8单独控制。另外，每个注液孔3配置一个注液孔封片，用于实现模组的密封。注液孔化成完成后通过注液孔封片进行封口，并使用注塑盖板10将注液孔封片封盖，使用过程中电池内部气体压力过大时，注液孔封片会弹开进行排气，通过注塑盖板间的细小孔进行排出，排气后的注液孔封片可以恢复原状。图5a所示为注塑盖板10的俯视图。如图5b所示为注塑盖板10中线注液孔3位置的剖面图。
如图4所示，注塑盖板10上具有模组总正极11的连接部和模组总负极12的连接部，作为整个模组的正极、负极导电结构，分别焊接正极接线片和负极接线片。
如图6所示，该锂离子电池模组包括注塑外壳9和注塑顶盖1。其中，注塑外壳9用于容装多个单体壳8；注塑顶盖1，注塑顶盖1覆盖注塑盖板10，并设置模组总正极11的出口和模组总负极12的出口；也可以用于封装注塑外壳9。其中，注塑顶盖1与注塑外壳9可以通过灌封胶水进行固定封装，保证模组的密封。
在本发明的一具体实施方式中，采用密封胶将注塑盖板10、注塑顶盖1与注塑外壳9进行封装，可以同时采用超声热熔焊接方式或激光焊接方式进行密封。连接孔2等接插件、极柱采用密封胶进行密封。
在本发明的一具体实施方式中，上述实施方式中的模组直接作为锂离子电池使用，如图7所示。在本发明的又一具体实施方式中，可以将2个或多个如图7所示的锂离子电池模组组装在一起，作为锂离子电池使用。又或者，可以将一个或多个如图7所示的锂离子电池模组与其他锂离子电池模组组装一起，作为锂离子电池使用。
在本发明的又一具体实施方式中，根据实际需要，该锂离子电池模组还可以设置有加热片、液冷板。配合外部设计模组热管理系统，以实现更高的效率。其中，可以设置在每个单体壳8的中间，也可能放在整个模组的下部，分别起到加热或散热的作用。
在本发明的另一具体实施方式中，加热片可以为金属片、石墨烯或PTC片。由于内置了加热片，使得该锂离子电池模组能够在极低温度环境下使用，克服了锂离子电池很难在寒冷地区使用的缺点。
将如图1所示的锂离子电池模组进行测试。其充放电曲线如图8所示，0.33C容量可达21.1Ah。正常单体电芯的电压范围是2.0-3.65，本实施例是用串联产生的电芯模组，电压范围可以达到8.0-14.4。图9为图1所示的锂离子电池模组的循环性能，在25℃，电池的循环性能可达4000周。

Claims (10)

1.一种锂离子电池模组，该锂离子电池模组包括：
多个芯体，所述芯体为卷芯、叠芯或软包电池；每个芯体的一端分别设有正极极耳与负极极耳，多个芯体的正极极耳与负极极耳通过连接片实现芯体的串联和/或并联，并形成模组总正极和模组总负极；
多个分隔部件，每个分隔部件用于容装单个芯体，并将各个芯体进行物理间隔，分隔部件具有上侧敞开口的结构；
外壳及盖板，外壳及盖板组装后内部空间用于容装多个分隔部件及其内的芯体，并且，盖板上设置有模组总正极的连接部和模组总负极的连接部。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，分隔部件为单体壳、分隔膜或分隔板。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，该锂离子电池模组具有2个-10个的芯体。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，芯体的正极极耳与负极极耳之间的连接片上设置螺孔，盖板上设置对应的螺孔，盖板与芯体的正极极耳与负极极耳之间的连接片通过螺栓固定。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，该锂离子电池模组还包括顶盖，顶盖覆盖盖板并设置模组总正极的出口和模组总负极的出口。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，盖板与各个分隔部件的敞开口结构之间形成密封，盖板上设置有注液孔，用于向分隔部件中注入液体；
优选地，注液孔的个数与芯体的个数相同。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，盖板上具有多个连接孔，连接孔用于连接外部信号线。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，该锂离子电池模组还包括加热片或液冷板。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池模组，其中，该锂离子电池模组的尺寸为标准电池尺寸的一半。
10.一种锂离子电池，该锂离子电池为单独一个权利要求1-9任一项所述的锂离子电池模组，或该锂离子电池中含有一个或多个权利要求1-9任一项所述的锂离子电池模组。
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