CN115020851A - 一种具有膨胀力检测功能的扣式电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种具有膨胀力检测功能的扣式电池及其制备方法，属于扣式电池技术领域。本发明通过对扣式电池的外壳进行创新性的结构设计，在不影响电池性能和传感器性能的前提下，将应变片式压力传感器与扣式电池壳集成，实现了实验室层级对扣式电池内部膨胀力的监测，从而对电池运行过程中的电化学反应进行监测；扣式电池壳的新结构设计确保了现有扣式电池封口机的兼容，且制备得到的扣式电池的密封性不逊于一般扣式电池。
Description
技术领域
本发明属于扣式电池技术领域，具体涉及一种具有膨胀力检测功能的扣式电池及制备方法。
背景技术
随着新能源电池在各个领域的广泛应用，二次电池的研发也得到了广大学者的关注，其中最为代表的就是锂离子电池、锂电池、锌锰电池等化学电池。目前，广大科研单位对于电池新材料的研发都是基于扣式电池进行，该方式具有低成本、工艺简单、密封性强的特点，适合于实验室电池新材料的开发。基于扣式电池通常通过对其进行充放电测试来研究电池特性，然而近年来有研究表明(Wang X,Sone Y,Kuwajima S.In situ investigationof the volu me change in li-ion cell with charging and discharging[J].Journalof the Electroche mical Society,2004,67 151(2):A273-A280)，电池膨胀力能够有效反映电池化学反应程度以及不同充放电阶段的电池特性演化规律，因此对电池膨胀力的研究有利于辅助新型电池的研发(Awarke A,Lauer S,Wittler M,et al.Quantifying theeffects of strains on the conduc tivity and porosity of LiFePO4 based Li-ioncomposite cathodes using a multi-scale approac h[J].Computational MaterialsScience,2011,50(3):871-87966)。
目前，针对电池膨胀力的研究设备目前的适用对象大多是多层大容量的软包电池(Wei Z,Zhao J,He H,et al.Future smart battery and management:Advanced sensingfrom extern al to embedded multi-dimensional measurement[J].Journal of PowerSources,2021,489:229462.)，上述设备是通过外部机械夹具将软包电池厚度方向变化转化为传感器的力或位移信息，进而反馈电池在充放电过程中的膨胀力演化规律。但是因为软包电池的电极材料用量大、制备工艺复杂，且测试研究设备昂贵，使得上述方式难以应用于科研单位的实验室层级的电池研发。除此之外，不同于软包电池的铝塑膜外壳，扣式电池的外壳采用的是不锈钢外壳，不锈钢的高强度特性使得电池内部的膨胀力难以传导到外部。鉴于上述原因，导致常规软包电池膨胀力的研究难以应用于以扣式电池为对象的电池新材料的开发和研究中。
综上所述，受限于昂贵测试设备以及外壳坚固的扣式电池封装形式，电池膨胀力检测手段难以应用于实验室层级的扣式电池的研究。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有膨胀力检测功能的扣式电池及其制备方法。本发明通过对扣式电池的外壳进行创新性的结构设计，在不影响电池性能和传感器性能的前提下，将应变片式压力传感器与扣式电池壳集成，实现了实验室层级对扣式电池内部膨胀力的监测，从而对电池运行过程中的电化学反应进行监测；扣式电池壳的新结构设计确保了现有扣式电池封口机的兼容，且制备得到的扣式电池的密封性不逊于一般扣式电池。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有膨胀力检测功能的扣式电池，包括正极壳(4)、应变片式传感器(1)、膜片(2)、正极片、隔膜、负极片、平垫、弹垫和负极壳(3)；所述负极壳、弹垫、平垫、负极片、隔膜、正极片和正极壳从上到下依次放置，正极壳和负极壳密封连接；所述正极壳为内部中空的圆柱形，其底部中心部分开口，在正极壳底部内侧表面设置膜片用于密封电池壳，膜片直径与正极壳内径度相等，所述应变片式传感器设置于膜片朝电池外部一侧的中心处。
进一步地，若膜片设置两层，则扣式电池还包括两层支撑环和硅油；所述支撑环固定设置于与正极壳底部两侧，支撑环的外径与正极壳内径一致，支撑环的内径大于正极片和负极片的直径，确保电池极片的厚度变化能够全部作用在膜片有效检测区域内；第一层支撑环上设置第一膜片，第一膜片上设置第二支撑环，第二支撑环上设置第二膜片，两层膜片之间设置硅油，用于将扣式电池内部的形变均匀传导至应变片式传感器。
进一步地，支撑环(5)的厚度要与膜片(202)的最大形变量相匹配，即支撑环(5)厚度大于膜片的最大形变量；支撑环(5)厚度为100-500μm。
进一步地，所述正极壳材料、支撑环的材料与负极壳的材料相同。
进一步地，正极壳材料采用扣式电池普遍采用的304、316L不锈钢等导电耐腐蚀的金属材料。
进一步地，膜片材料优选为316L不锈钢、304不锈钢和C276合金等耐受电池电解液的金属材料，厚度为20-50μm，压力检测灵敏度随着膜片厚度的增加而减弱。
进一步地，所述应变片式传感器采用单轴、双轴或圆膜片等形式的应变片。
一种具有膨胀力检测功能的扣式电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在膜片中心固定设置应变片式传感器；
步骤2、将步骤1设置了应变片式传感器的膜片通过激光焊接与正极壳底部进行密封焊接；
步骤3、将步骤2得到的正极壳倒扣在依次放置有弹垫、平垫、负极片、隔膜以及正极片的负极壳上面，然后采用纽扣电池封口机对电池壳进行封口，即可得到具有压力检测功能的扣式电池。
进一步地，若膜片设置为双层时，将两层金属支撑环和两层膜片依次与电池壳进行激光密封焊接固定。
本发明的机理为：通过对正极壳进行局部设置孔洞并焊接膜片，其中，膜片表面粘贴有应变传感器。电池充放电过程中会挤压膜片，使膜片发生形变，膜片表面的应变传感器也随之发生变形并引发电阻变化。正极壳局部设置孔洞不仅能够提供膜片变形空间，并且能够确保电池壳在封装过程中不会破坏。对于双层膜片结构，电池内部膨胀力通过顶层膜片将膨胀力施加在硅油上。硅油将不均匀的膨胀力进行平均化，再均匀施加在底层膜片上。底层膜片受力发生形变，导致应变传感器电阻发生变化。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明将应变片式压力传感器与扣式电池壳集成，实现了实验室层级对扣式电池内部膨胀力的监测，从而对电池运行过程中的电化学反应进行监测；同时，具备膨胀力检测功能的电池壳与传统扣式电池壳外形尺寸一致，因此在能够不改变现有扣式电池封口机前提下直接封口，从而得到具备膨胀力检测功能功能扣式电池。整个制备方法简便易行，适用于实验室层级扣式电池的大规模制备和使用。
附图说明
图1为本发明实施例1中具有单层膜片的扣式电池壳的结构示意图。
图2为本发明实施例2中具有双层膜片的扣式电池壳的结构示意图。
图中，1为应变片式传感器、2为膜片、201为上层膜片、202为底层膜片、3为负极壳、4为正极壳、5为支撑环、501为上层支撑环、502为底层支撑环、6为填充硅油。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
一种单层膜片结构的具有膨胀力检测功能的扣式电池，包括正极壳、应变片式传感器、膜片、正极片、隔膜、负极片、平垫、弹垫和负极壳，所述负极壳、弹垫、平垫、负极片、隔膜、正极片和正极壳从上到下依次放置，正极壳和负极壳密封连接；所述扣式电池的电池壳的结构示意图如图1所示，其中，正极片、隔膜、负极片、平垫、弹垫在图中未示出，电池壳组成包括正极壳(4)、应变片式传感器(1)、膜片(2)和负极壳(3)；所述正极壳为内部中空的圆柱形，正极壳(4)中心部分开口，通过在正极壳(4)内侧表面设置膜片(2)用于密封电池壳，膜片(2)直径与正极壳(4)内径度相等，所述应变片式传感器(1)设置于膜片(2)中心处，且位于电池外部。
一种单层膜片结构的具有膨胀力传感功能的扣式电池的制备方法，具体制备流程为：
步骤1、打磨膜片(2)表面，然后采用去离子水、丙酮等清洗膜片，在清洗后的膜片表面涂覆应变片专用胶水，在金属膜片的中心处粘附应变片式传感器(1)；在应变片式传感器(1)表面盖上聚乙烯树脂片，并按压一分钟挤出多余的胶水和气泡，然后静置1小时等待胶水完全硬化；再在应变片焊盘位置上焊接传感器引线，最后上胶密封，胶水可采用单分子硅胶或者石蜡等材料；
步骤2、通过激光焊接技术将步骤1得到的粘附设置应变片的金属膜片与底部中心有圆孔的正极壳(4)焊接在一起，膜片(2)直径与正极壳(4)内径一致，且应变片设置在电池外部；
步骤3、依次将电池正极、隔膜和负极按顺序叠放在步骤2得到的正极壳(4)的膜片中心位置，并滴加电解液，之后放置平垫和弹垫和负极壳(5)，最后采用封口机对扣式电池壳进行密封，即可得到具有压力传感功能的扣式电池。
单层膜片结构的具备压力检测功能的扣式电池壳具备结构简单和操作方便的优势，能够有效检测电池运行过程中电池的体积变化。电池充放电过程中，电化学反应会导致电极材料体积形变，挤压膜片使得膜片发生形变。贴附在表面的应变片随着发生形变进而应变片电阻发生变化，从而实现对电池充放电过程中的体积变化进行监测。
实施例2
一种双层膜片结构的具有膨胀力检测功能的扣式电池，包括正极壳、应变片式传感器、膜片、两层支撑环、硅油、正极片、隔膜、负极片、平垫、弹垫和负极壳；所述扣式电池的电池壳的结构示意图如图2所示，电池壳组成包括正极壳(4)、应变片式传感器(1)、膜片(2)、两层支撑环(5)、硅油(6)和负极壳(3)；
所述正极壳(4)中心部分开口，底层支撑环(502)设置于正极壳(4)底部内侧边缘，其上设置底层膜片(202)，底层膜片(202)上方设置顶层支撑环(501)，其上设置顶层膜片(201)，两层膜片之间设置硅油(6)，用于将扣式电池内部的形变均匀传导至应变片式传感器；应变片式传感器(1)设置于底层膜片(202)中心处，且位于电池外部。
一种双层膜片结构的具有膨胀力传感功能的扣式电池的制备方法，具体制备流程为：
步骤1、打磨底层膜片(202)表面，然后采用去离子水、丙酮等清洗膜片，在清洗后的膜片表面涂覆应变片专用胶水，在金属膜片的中心处粘附应变片式传感器(1)；在应变片式传感器(1)表面盖上聚乙烯树脂片，并按压一分钟挤出多余的胶水和气泡，然后静置1小时等待胶水完全硬化；再在应变片焊盘位置上焊接传感器引线，最后上胶密封，胶水可采用单分子硅胶或者石蜡等材料；
步骤2、将底层支撑环(502)通过激光焊接技术固定设置在正极壳(4)底部内侧边缘，然后在其上通过激光焊接技术将步骤1得到的粘附设置应变片的底层膜片(202)焊接固定，再在底层膜片(202)上方放置顶层支撑环(501)，采用激光密封焊接技术将顶层支撑环(501)与底层膜片(202)焊接固定；
步骤3、在顶层支撑环(501)形成的区域内滴加定量硅油，然后在顶层支撑环上方放置顶层膜片(201)，并采用激光密封焊接技术将顶层膜片(201)与顶层支撑环(501)焊接固定；
步骤4、依次将电池正极、隔膜和负极按顺序叠放在步骤3得到的正极壳(4)的顶层膜片中心位置，并滴加电解液，之后放置平垫和弹垫和负极壳(5)，最后采用封口机对扣式电池壳进行密封，即可得到具有压力传感功能的扣式电池。
双层膜片结构的电池壳相较于单层膜片而言，具备更高的测试精度，并且提高了测试过程中的稳定性。不同于单层膜片结构，电池内部正负极片及隔膜不与粘贴有应变片的膜片直接接触，而是放置在顶层膜片(201)上。电池充放电过程中，电化学反应会导致电极材料体积形变，挤压顶层膜片(201)使得顶层膜片(201)发生形变。顶层膜片(201)挤压内部的硅油，硅油进而挤压底层形变，使得贴附在底层膜片(202)上的应变片发生形变，应变片电阻变化反映了电池内部的体积变化。双层膜片结构中硅油层使得电池内部压力传导到应变片所在的膜片更为均匀，避免了电池安装过程中极片放置偏离中心导致压力测量的不准确。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (9)
1.一种具有膨胀力检测功能的扣式电池，其特征在于，包括正极壳、应变片式传感器、膜片、正极片、隔膜、负极片、平垫、弹垫和负极壳；所述负极壳、弹垫、平垫、负极片、隔膜、正极片和正极壳从上到下依次放置，正极壳和负极壳密封连接；所述正极壳为内部中空的圆柱形，其底部中心部分开口，在正极壳底部内侧表面设置膜片用于密封电池壳，膜片直径与正极壳内径度相等，所述应变片式传感器设置于膜片朝电池外部一侧的中心处。
2.如权利要求1所述的扣式电池，其特征在于，若膜片设置两层，则扣式电池还包括两层支撑环和硅油；所述支撑环固定设置于与正极壳底部两侧，支撑环的外径与正极壳内径一致，支撑环的内径大于正极片和负极片的直径，确保电池极片的厚度变化能够全部作用在膜片有效检测区域内；第一层支撑环上设置第一膜片，第一膜片上设置第二支撑环，第二支撑环上设置第二膜片，两层膜片之间设置硅油，用于将扣式电池内部的形变均匀传导至应变片式传感器。
3.如权利要求1所述的扣式电池，其特征在于，支撑环的厚度大于膜片的最大形变量；支撑环厚度为100-500μm。
4.如权利要求1所述的扣式电池，其特征在于，所述正极壳材料、支撑环的材料与负极壳的材料相同。
5.如权利要求4所述的扣式电池，其特征在于，正极壳材料采用304、316L不锈钢材料。
6.如权利要求1所述的扣式电池，其特征在于，膜片材料为316L不锈钢、304不锈钢或C276合金材料，厚度为20-50μm，压力检测灵敏度随着膜片厚度的增加而减弱。
7.如权利要求1所述的扣式电池，其特征在于，所述应变片式传感器采用单轴应变片、双轴应变片或圆膜片应变片。
8.一种如权利要求1-7任一权利要求所述的扣式电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在膜片中心固定设置应变片式传感器；
步骤2、将步骤1设置了应变片式传感器的膜片通过激光焊接与正极壳底部进行密封焊接；
步骤3、将步骤2得到的正极壳倒扣在依次放置有弹垫、平垫、负极片、隔膜以及正极片的负极壳上面，然后采用纽扣电池封口机对电池壳进行封口，即可得到具有压力检测功能的扣式电池。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，若膜片设置为双层时，将两层金属支撑环和两层膜片依次与电池壳进行激光密封焊接固定。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210767388.2A CN115020851A (zh) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 一种具有膨胀力检测功能的扣式电池及其制备方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115954570A (zh) * | 2023-03-09 | 2023-04-11 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 电池单体、电池和用电设备 |
| CN116224095A (zh) * | 2023-05-05 | 2023-06-06 | 深圳市迈姆斯科技有限公司 | 用于检测电池内部压力和温度的传感器、锂电池及方法 |
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2022
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