CN114068865A - 具有自熔断功能的电极结构及软包电池 - Google Patents

具有自熔断功能的电极结构及软包电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有自熔断功能的电极结构及软包电池。电极结构包括极耳本体和密封层；极耳本体包括沿其长度方向依次设置的A区本体、B区本体和C区本体；A区本体上设置有密封区，用于安装密封层；密封区与B区本体相邻，且其长度小于A区本体的长度；密封层环绕设置于A区本体上密封区的外周；A区本体和C区本体的厚度大于B区本体的厚度。本发明还提供一种具有前述电极结构的软包电池。本发明的电极结构及软包电池，通过将B区本体的厚度设置为比A区本体和C区本体的厚度小，从而在B区本体形成一个集中积累热量的区域，当过载电流较大时，B区本体可以自熔断，从而起到“保险丝”的作用，进而避免软包电池的壳体鼓胀、漏液甚至爆炸。

Description

具有自熔断功能的电极结构及软包电池
技术领域
本发明属于电池领域，具体涉及具有自熔断功能的电极结构及软包电池。
背景技术
锂离子电池具有高能量密度，循环寿命长，自放电率低等众多优点，随 着动力领域及储能领域的需求愈加巨大，近几年锂电池产业得到快速发展。 按照电池的结构形状，可分为圆柱电池、方形电池和软包电池。如此多的能 量密封在一个铝壳、钢壳或者铝塑膜里面，其内部含有易燃的电解液，使锂 离子电池面临着严重的安全考验和挑战。在日常使用时热滥用难以避免，电 池内部难免会产生气体，导致电池内部压力增大，使电池壳体鼓胀、漏液甚 至发生爆炸等严重的安全问题。
铝壳或钢壳等硬壳电池可以通过设置泄压阀在一定条件下排出内部过高 的压力，避免电池能量蓄积造成的危险。软包电池由于使用铝塑膜封装的特 点，塑封膜本身比较软，所以软包电池上缺乏可靠的地方安装泄压阀。因此 软包电池在工作异常时无法满足安全性的要求，存在工作异常时压力过大而 导致电池爆炸等危险的情况。因此，软包电池很有必要开发一种起安全保护 作用的“保险丝”。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种具有自熔断功能的电极结构，该电极 结构能够避免热积累导致热失控；
本发明的第二个目的在于提供一种具有前述电极结构的软包电池，该软 包电池能够避免热积累导致热失控。
为实现本发明的第一个目的，采用以下的技术方案：
一种具有自熔断功能的电极结构，所述电极结构包括极耳本体和密封层；
所述极耳本体包括沿其长度方向依次设置的A区本体、B区本体和C区 本体；
所述密封层环绕设置于所述A区本体的外周，且与所述B区本体相邻， 且其长度小于所述A区本体的长度；
所述A区本体和所述C区本体的厚度大于所述B区本体的厚度。
本发明的电极结构，通过将B区本体的厚度设置为比A区本体和C区本 体的厚度小，从而在B区本体形成一个集中积累热量的区域，当满足一定条 件时，B区本体可以自熔断，从而起到“保险丝”的作用。
优选地，所述A区本体和所述C区本体的厚度相同。
优选地，所述A区本体的厚度为0.05-2mm，所述B区本体的厚度为0.01-1 mm。
优选地，所述B区本体的外表面涂覆设置有隔热浆料层，所述隔热浆料 层的厚度为0.05-0.5mm。
本发明的电极结构，通过对B区本体涂覆设置隔热浆料层，从而一方面 进一步提高B区本体的热量积累能力，另一方面还可以起到隔断极耳本体与 铝塑膜壳体的作用。
本发明中，B区本体的升温公式见式1；
Figure BDA0003362143050000021
其中，
S2为有效发热量系数；d为B区本体的厚度；
L为B区本体的长度；
W为极耳本体的宽度；
t为设计的电极自熔断时间；I为设计的保护电流；
C为极耳本体的比热容；ρ1为极耳本体的电导率；ρ2为极耳本体的密度。
根据B区本体的升温公式可知，B区本体的温升主要受有效发热量系数 S2和B区本体厚度d的影响，通过调整S2和d可以精准控制电极的自熔断 时间。
当电流流过导体时，因为导体具有一定的电阻，所以导体会产生热量， 同时导体也会散热，即B区本体中，有效发热量＝产生的热量-散失的热量， 而其有效发热量系数S2＝有效发热量/产生的热量。本发明通过对B区本体涂 覆设置隔热浆料层，可有效减少散失的热量，提高有效发热量和B区本体的 热量积累能力，进而提高有效发热量系数S2，进一步提高B区本体的温度， 从而实现其自熔断功能。
优选地，所述B区本体在其厚度所在的两个相对外表面上设置有至少1 个凹槽；优选所述凹槽的深度为0-0.05mm。
优选地，所述B区本体在其厚度所在的两个相对外表面上相对设置有至 少1对凹槽。
优选地，所述凹槽沿所述B区本体的宽度方向呈连续式设置。
优选地，所述凹槽沿所述B区本体的宽度方向呈间断式设置。
优选地，所述凹槽有多个，且多个所述凹槽分别沿所述B区本体的长度 方向间隔设置于所述B区本体在其厚度所在的其中一个相对外表面上。
优选地，所述凹槽有多对，且多对所述凹槽分别沿所述B区本体的长度 方向间隔设置于所述B区本体在其厚度所在的两个相对外表面上。
优选地，所述极耳本体为正极极耳或负极极耳；优选所述极耳本体为正 极极耳，所述正极极耳由铝及其合金制成。
为实现本发明的第二个目的，本发明还提供一种具有前述电极结构的软 包电池。
优选地，所述软包电池包括铝塑膜壳体、电池芯体和所述电极结构；
所述电池芯体设置于所述铝塑膜壳体内；
所述电极结构通过所述C区本体连接至所述电池芯体的一端，且通过所 述A区本体自所述铝塑膜壳体的同一端伸出；且所述密封层夹置于所述铝塑 膜壳体的同一端边缘；
所述C区本体位于所述电池芯体的同一端与所述铝塑膜壳体的同一端之 间的位置。
优选地，所述电极结构为正极电极结构，所述软包电池还包括负极电极 结构；所述电极结构与所述负极电极结构分别自所述铝塑膜壳体的同一端/相 对端伸出。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的电极结构，通过将B区本体的厚度设置为比A区本体和C 区本体的厚度小，从而在B区本体形成一个集中积累热量的区域，当发生短 路而过载电流较大时，B区本体可以自熔断，从而起到“保险丝”的作用。
(2)本发明的电极结构，通过对B区本体涂覆设置隔热浆料层，从而一 方面进一步提高B区本体的热量积累能力，另一方面还可以起到隔断极耳本 体与铝塑膜壳体的作用。
(3)本发明的电极结构，通过在B区本体上设置凹槽，从而有利于进一 步提高B区本体的热量积累能力，使其在发生短路而过载电流较大时可以自 熔断，从而起到“保险丝”的作用。
(4)本发明的软包电池，由于具有前述的电极结构，也具有自熔断功能， 能够避免其工作时由于压力增大而导致的电池壳体鼓胀、漏液甚至爆炸等严 重安全问题。
附图说明
图1是本发明的电极结构在一种实施方式中的主视图；
图2是图1所示电极结构的A-A剖视图；
图3是图1所示电极结构中的12在一种实施方式中的放大主视图，其中 凹槽为连续性设置；
图4是图1所示电极结构中的12在另一种实施方式中的放大主视图，其 中凹槽为间断性设置；
图5是具有图1所示电极结构的软包电池在一种实施方式中的透视图；
图6为具有图1所示电极结构的软包电池在另一种实施方式中的透视图；
其中，附图标记说明如下：
1、极耳本体；2、密封层；3、铝塑膜壳体；4、电池芯体；
11、A区本体；12、B区本体；13、C区本体；
121、隔热浆料层；122、凹槽；
L、极耳本体1的长度方向；T、极耳本体1的厚度方向；
W、极耳本体1的宽度方向。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其效果做进一步说 明。以下实施方式仅用于说明本发明的内容，发明并不仅限于下述实施方式 或实施例。应用本发明的构思对本发明进行的简单改变都在本发明要求保护 的范围内。
如图1和2所示，一种具有自熔断功能的电极结构，包括极耳本体1和 密封层2；
所述极耳本体1包括沿其长度方向依次设置的A区本体11、B区本体12 和C区本体13；
所述密封层2环绕设置于所述A区本体11的外周，且与所述B区本体 12相邻，且其长度小于所述A区本体11的长度；
所述A区本体11和所述C区本体13的厚度大于所述B区本体12的厚 度。
本发明的电极结构，通过将B区本体12的厚度设置为比A区本体11和C区本体13的厚度小，从而在B区本体12形成一个集中积累热量的区域， 当发生短路而过载电流较大时，B区本体12可以自熔断，从而起到“保险丝” 的作用。
在一种实施方式中，所述A区本体11和所述C区本体13的厚度相同。
在一种实施方式中，所述A区本体11的厚度为0.05-2mm，比如0.1mm、 0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、 0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm、 0.95mm、1mm、1.05、1.1mm、1.15mm、1.2mm、1.25mm、1.3mm、1.35 mm、1.4mm、1.45mm、1.5mm、1.55mm、1.6mm、1.65mm、1.7mm、1.75 mm、1.8mm、1.85mm、1.9mm和1.95mm；所述B区本体12的厚度为0.01-1 mm，比如0.03mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、 0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm和0.95mm。
在一种实施方式中，所述B区本体12的外表面涂覆设置有隔热浆料层 121，所述隔热浆料层121的厚度为0.05-0.5mm，比如0.1mm、0.15mm、0.2 mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm和0.45mm。
隔热浆料层所用的隔热浆料为主成分含纳米ATO、二氧化硅、二氧化钛 等隔热材料的浆料。
本发明的电极结构，通过对B区本体12涂覆设置隔热浆料层121，从而 一方面进一步提高B区本体12的热量积累能力，另一方面还可以起到隔断极 耳本体1与铝塑膜壳体3的作用。
本发明中，B区本体12的升温公式见式1；
Figure BDA0003362143050000061
其中，
S2为有效发热量系数；d为B区本体12的厚度；
L为B区本体12的长度；
W为极耳本体的宽度；
t为设计的电极结构自熔断时间；I为设计的保护电流；
C为极耳本体的比热容；ρ1为极耳本体的电导率；ρ2为极耳本体的密度。
根据B区本体12的升温公式可知，B区本体12的温升主要受有效发热 量系数S2和B区本体12厚度d的影响，通过调整S2和d可以精准控制电极 的自熔断时间。
当电流流过导体时，因为导体具有一定的电阻，所以导体会产生热量， 同时导体也会散热，即B区本体12中，有效发热量＝产生的热量-散失的热量， 而其有效发热量系数S2＝有效发热量/产生的热量。本发明通过对B区本体12 涂覆设置隔热浆料层121，可有效减少散失的热量，提高有效发热量和B区 本体12的热量积累能力，进而提高有效发热量系数S2，进一步在软包电池内 部压力过大时能够提高B区本体12的温度，从而实现其自熔断功能。
在一种实施方式中，所述B区本体12在其厚度所在的两个相对外表面上 设置有至少1个凹槽，用于提高B区本体12在凹槽处的集热能力，在短路时 通过电流过大情况下，能够更容易集热熔断，更好地充当“保险丝”的作用。优 选所述凹槽的深度为0-0.05mm，比如0.005mm、0.01mm、0.02mm、0.03mm 和0.04mm。
在一种优选实施方式中，所述B区本体12在其厚度所在的两个相对外表 面上相对设置有至少1对凹槽，用于提高B区本体12在凹槽处的集热能力， 在短路时通过电流过大情况下，B区本体12在其厚度所在的两个相对外表面 上的相对位置均具有较好的集热能力，从而更容易集热熔断B区本体12，使 其更好地充当“保险丝”的作用。
所述B区本体12在其厚度所在的两个相对外表面上相对设置有至少1对 凹槽，是指，两个凹槽分别设置于所述B区本体12在其厚度所在的两个相对 外表面上，且设置于相对位置。
如图3所示，在一种实施方式中，所述凹槽沿所述B区本体12的宽度方 向呈连续式设置。
如图4所示，在一种实施方式中，所述凹槽沿所述B区本体12的宽度方 向呈间断式设置。
在一种实施方式中，所述凹槽有多个，且多个所述凹槽分别沿所述B区 本体12的长度方向间隔设置于所述B区本体12在其厚度所在的其中一个相 对外表面上，用于对B区本体12提供多个集热能力强的集热位置，在短路时 通过电流过大情况下，能够更容易集热熔断，更好地充当“保险丝”的作用。
在一种实施方式中，所述凹槽有多对，且多对所述凹槽分别沿所述B区 本体12的长度方向间隔设置于所述B区本体12在其厚度所在的两个相对外 表面上，不仅用于对B区本体12提供多个集热能力强的集热位置，而且在短 路时通过电流过大情况下，B区本体12在其厚度所在的两个相对外表面上的 相对位置均具有较好的集热能力，从而更容易集热熔断B区本体12，使其更 好地充当“保险丝”的作用。
在一种实施方式中，所述极耳本体1为正极极耳或负极极耳；优选所述 极耳本体1为正极极耳，所述正极极耳由铝及其合金制成。
本发明中，所述极耳本体1为负极极耳时，所述负极极耳由铜或镍制成 制成。
为实现本发明的第二个目的，本发明还提供一种具有前述电极结构的软 包电池。
如图5和6所示，在一种实施方式中，所述软包电池包括铝塑膜壳体3、 电池芯体4和所述电极结构；
所述电池芯体4设置于所述铝塑膜壳体3内；
所述电极结构通过所述C区本体13连接至所述电池芯体4的一端，且通 过所述A区本体11自所述铝塑膜壳体3的同一端伸出；且所述密封层2夹置 于所述铝塑膜壳体3的同一端边缘；
所述C区本体13位于所述电池芯体4的同一端与所述铝塑膜壳体3的同 一端之间的位置。
即，若所述电极结构通过所述C区本体13连接至所述电池芯体4的第一 端，则其通过所述A区本体11自所述铝塑膜壳体3的第一端伸出；且所述密 封层2夹置于所述铝塑膜壳体3的第一端边缘；所述C区本体13位于所述电 池芯体4的第一端与所述铝塑膜壳体3的第一端之间的位置。
在一种实施方式中，所述电极结构为正极电极结构，所述软包电池还包 括负极电极结构；所述电极结构与所述负极电极结构分别自所述铝塑膜壳体3 的同一端/相对端伸出。
实施例1
软包电池A1中，所用电极结构a1为本发明如图1和2所示的电极结构， 其作为正极电极结构，具有如下参数：
极耳本体1的长度为60mm，宽度为50mm；
A区极耳11的厚度为0.5mm；
B区极耳12的厚度为0.1mm；
C区极耳13的厚度为0.5mm；
隔热浆料层121的厚度为0.1mm；
所用的负极电极结构为普通电极结构，具有如下参数：
极耳本体的长度为60mm，宽度为50mm，厚度为0.3mm。
实施例2
软包电池A2中，所用电极结构a2为本发明如图1-3所示的电极结构， 其作为正极电极结构，参数与实施例1仅有以下不同：
B区极耳12在其厚度所在的其中一个外表面上间隔设置有3个凹槽122， 且所述凹槽122为呈连续性设置的凹槽，所述凹槽122的深度为0.02mm。
实施例3
软包电池A3中，所用电极结构a3为本发明如图1-3所示的电极结构， 其作为正极电极结构，参数与实施例2仅有以下不同：
B区极耳12在其厚度所在的其中两个外表面上间隔设置有3对凹槽122。
实施例4
软包电池A4中，所用电极结构a4为本发明如图1、2、4所示的电极结 构，其作为正极电极结构，参数与实施例1仅有以下不同：
B区极耳12在其厚度所在的其中一个外表面上间隔设置有3个凹槽122， 且所述凹槽122为呈间断性设置的凹槽，所述凹槽122的深度为0.02mm。
实施例5
软包电池A5中，所用电极结构a5为本发明如图1、2、4所示的电极结 构，其作为正极电极结构，参数与实施例4仅有以下不同：
B区极耳12在其厚度所在的其中两个外表面上间隔设置有3对凹槽122。
对比例1
软包电池B中，所用电极结构b为普通的电极结构，即极耳本体不分区， 且沿其长度方向的厚度都一样，均为0.5mm，极耳本体的长度为60mm、宽 度为50mm；其作为正极电极结构。
注：实施例1-5和对比例1中，所用的负极电极结构均相同。
实施例1-5中软包电池A1-A5与对比例1中软包电池B的比较如表1所 示。
表1实施例1-5中软包电池A1-A5与对比例1中软包电池B的比较
Figure BDA0003362143050000101
Figure BDA0003362143050000111
对实施例1中软包电池A与对比例1中软包电池B进行外部短路测试， 测试结果如下：
实施例1中的软包电池A1，在外部短路40-60s之间，5pcs电池均具有 极耳自熔断效果，电池断路，电流降低为零，外部短路测试中，电池未发生 热失控和漏电解液的现象；
实施例2中的软包电池A2，在外部短路30-50s之间，5pcs电池均具有 极耳自熔断效果，电池断路，电流降低为零，外部短路测试中，电池未发生 热失控和漏电解液的现象；
实施例3中的软包电池A3，在外部短路20-30s之间，5pcs电池均具有 极耳自熔断效果，电池断路，电流降低为零，外部短路测试中，电池未发生 热失控和漏电解液的现象；
实施例4中的软包电池A4，在外部短路35-45s之间，5pcs电池均具有 极耳自熔断效果，电池断路，电流降低为零，外部短路测试中，电池未发生 热失控和漏电解液的现象；
实施例5中的软包电池A5，在外部短路25-35s之间，5pcs电池均具有 极耳自熔断效果，电池断路，电流降低为零，外部短路测试中，电池未发生 热失控和漏电解液的现象；
对比例1中的软包电池B，在外部短路测试中，5pcs电池中，3pcs电池 起火爆炸，2pcs电池鼓胀，极耳处漏电解液。
根据以上的测试结果可知：
具有本发明电极结构的软包电池，当过载电流较大时，电极结构中的极 耳本体1通过自熔断实现电池断路，从而可以起到自保护作用，提高软包电 池的安全性和可靠性。

Claims (10)

1.一种具有自熔断功能的电极结构，其特征在于，所述电极结构包括极耳本体(1)和密封层(2)；
所述极耳本体(1)包括沿其长度方向依次设置的A区本体(11)、B区本体(12)和C区本体(13)；
所述A区本体(11)上设置有密封区，用于安装所述密封层(2)；所述密封区与所述B区本体(12)相邻，且其长度小于所述A区本体(11)的长度；
所述密封层(2)环绕设置于所述A区本体(11)上所述密封区的外周；
所述B区本体(12)的厚度小于所述A区本体(11)和所述C区本体(13)的厚度。
2.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，所述A区本体(11)和所述C区本体(13)的厚度相同；
优选地，所述A区本体(11)的厚度为0.05-2mm，所述B区本体(12)的厚度为0.01-1mm。
3.根据权利要求1或2所述的电极结构，其特征在于，所述B区本体(12)的外表面涂覆设置有隔热浆料层(121)，所述隔热浆料层(121)的厚度为0.05-0.5mm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电极结构，其特征在于，所述B区本体(12)在其厚度所在的两个相对外表面上设置有至少1个凹槽(122)；优选所述凹槽(122)的深度为0-0.05mm；
优选地，所述B区本体(12)在其厚度所在的两个相对外表面上相对设置有至少1对凹槽(122)。
5.根据权利要求4所述的电极结构，其特征在于，所述凹槽(122)沿所述B区本体(12)的宽度方向呈连续式设置。
6.根据权利要求4所述的电极结构，其特征在于，所述凹槽(122)沿所述B区本体(12)的宽度方向呈间断式设置。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的电极结构，其特征在于，所述凹槽(122)有多个，且多个所述凹槽(122)分别沿所述B区本体(12)的长度方向间隔设置于所述B区本体(12)在其厚度所在的其中一个相对外表面上；
优选地，所述凹槽(122)有多对，且多对所述凹槽(122)分别沿所述B区本体(12)的长度方向间隔设置于所述B区本体(12)在其厚度所在的两个相对外表面上。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电极结构，其特征在于，所述极耳本体(1)为正极极耳或负极极耳；
优选地，所述极耳本体(1)为正极极耳，所述正极极耳由铝及其合金制成。
9.一种具有权利要求1-8中任一项所述电极结构的软包电池。
10.根据权利要求9所述的软包电池，其特征在于，所述软包电池包括铝塑膜壳体(3)、电池芯体(4)和所述电极结构；
所述电池芯体(4)设置于所述铝塑膜壳体(3)内；
所述电极结构通过所述C区本体(13)连接至所述电池芯体(4)的一端，且通过所述A区本体(11)自所述铝塑膜壳体(3)的同一端伸出；且所述密封层(2)夹置于所述铝塑膜壳体(3)的同一端边缘；
所述C区本体(13)位于所述电池芯体(4)的同一端与所述铝塑膜壳体(3)的同一端之间的位置；
优选地，所述电极结构为正极电极结构，所述软包电池还包括负极电极结构；所述电极结构与所述负极电极结构分别自所述铝塑膜壳体(3)的同一端/相对端伸出。
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