CN115051092B - 锂电池、电池包、车辆以及锂电池的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂电池、电池包、车辆以及锂电池的制作方法。锂电池包括壳体、电芯、加强丝和封装层。壳体的壁厚为0.04mm‑0.5mm，电芯设于壳体内，加强丝绕设于壳体外周，封装层用于将加强丝封装至壳体的外表面。根据本发明的锂电池，通过在壳体的外周设置加强丝，加强丝所产生的径向预压应力，可降低电芯工作时的切向拉应力，从而确保了壳体能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体破裂，提高了锂电池的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其是涉及一种锂电池、电池包、车辆以及锂电池的制作方法。
背景技术
相关技术中，锂离子电池一般采用金属外壳或铝塑膜将正极片、负极片、隔膜、电解液等组成的电芯封装在其中。但是，当采用体积变化较大的电极材料组装电池时，存在较多问题。按照壳体形状划分，通常采用圆柱形及方形壳体。在长期的循环过程中，电池通常会产气导致膨胀，一旦电池发生剧烈膨胀，安全阀会切断正负极回路保证电池安全。这里，安全阀打开仅针对产气导致的膨胀问题是有效的，但是材料自身导致的膨胀问题仍无作用。同时壳体的强度无法承受50％以上的体积形变，一旦壳体破损易引发剧烈的安全问题。
发明内容
为此，本发明提出了一种锂电池，所述锂电池具有结构简单、安全性好的优势。
本发明还提出一种电池包和车辆，所述电池包和所述车辆均包括如上所述的锂电池，
本发明还提出一种锂电池的制作方法，所述制作方法具有工艺简单的优势。
根据本发明实施例的锂电池，包括：壳体，所述壳体的壁厚为0.04mm-0.5mm；电芯，所述电芯设于所述壳体内；加强丝，所述加强丝绕设于所述壳体外周。
根据本发明实施例的锂电池，通过在壳体的外周设置加强丝，加强丝所产生的径向预压应力，可降低电芯工作时的切向拉应力，从而确保了壳体能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体破裂，提高了锂电池的安全性。
在一些实施例中，所述加强丝为导电丝，所述锂电池还包括电池管理系统，所述电池管理系统与所述加强丝电连接，用以检测所述加强丝的电阻。
在一些实施例中，所述锂电池还包括封装层，所述封装层用于将所述加强丝封装至所述壳体的外表面。
在一些实施例中，在所述壳体的壁厚方向上，所述加强丝具有多层。
在一些实施例中，所述加强丝的直径和缠绕层数的乘积与所述壳体的壁厚的比值范围为0.2-5。
在一些实施例中，所述加强丝为金属丝或纤维丝。
在一些实施例中，所述加强丝为钢丝、铜丝、钛合金丝、或弹簧钢丝。
在一些实施例中，所述加强丝的端部与所述壳体焊接。
在一些实施例中，所述加强丝的外周面包裹有绝缘层，所述绝缘层包含聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩乙醛、对苯二甲酸甲酯、聚氨酯、聚酯亚胺、或聚酰亚胺，所述绝缘层的厚度为0.02mm-5mm。
在一些实施例中，所述加强丝的直径为0.05mm-3mm。
在一些实施例中，所述封装层为环氧树脂。
在一些实施例中，所述壳体的体积与所述加强丝的体积之和与所述锂电池总体积的比值小于15％。
根据本发明实施例的电池包，包括：锂电池，所述锂电池为如上所述的锂电池。
根据本发明实施例的电池包，通过在壳体的外周设置加强丝，加强丝所产生的径向预压应力，可降低电芯工作时的切向拉应力，从而确保了壳体能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体破裂，提高了锂电池的安全性。
根据本发明实施例的车辆，包括如上所述的锂电池。
根据本发明实施例的车辆，通过在壳体的外周设置加强丝，加强丝所产生的径向预压应力，可降低电芯工作时的切向拉应力，从而确保了壳体能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体破裂，提高了锂电池的安全性。
根据本发明实施例的锂电池的制作方法，所述锂电池为如上所述的锂电池，所述制作方法包括：S10：制作锂电池的壳体；S20：在所述壳体上缠绕加强丝；S30：将缠绕有所述加强丝的所述壳体放置于封装溶液中，使所述加强丝与所述壳体之间、任意相邻的所述加强丝之间浸润有封装溶液；S40：浸润预定时间后，将所述壳体取出，待所述壳体以及所述加强丝上的封装溶液固化。
根据本发明实施例的锂电池的制作方法，通过在壳体的外周设置加强丝，加强丝所产生的径向预压应力，可降低电芯工作时的切向拉应力，从而确保了壳体能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体破裂，提高了锂电池的安全性。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的锂电池的剖视示意图；
图2是根据本发明实施例的锂电池的剖视示意图。
附图标记：
锂电池100，
壳体110，电芯120，加强丝130，封装层140。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的锂电池100，锂电池100包括壳体110、电芯120、加强丝130和封装层140。其中，壳体110的壁厚为0.04mm-0.5mm，电芯120设于壳体110内，加强丝130绕设于壳体110外周。
需要说明的是，加强丝130连续地缠绕在壳体110的外表面上，加强丝130所产生的径向预压应力，可降低电芯120工作时的切向拉应力，从而确保了壳体110能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体110破裂，提高了锂电池100的安全性。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，封装层140用于将加强丝130封装至壳体110的外表面。根据本发明的一些实施例，如图2所示，在壳体110的壁厚方向上，加强丝130具有多层。多层加强丝130的结构，可以进一步提升壳体110的抗形变能力，从而可以提升锂电池100的安全性。进一步地，加强丝130的直径和缠绕层数的乘积与壳体110的壁厚的比值范围为0.2-5。
在一些实施例中，加强丝130为导电丝，锂电池100还可以包括电池管理系统，电池管理系统与加强丝130电连接，用以检测加强丝130的电阻。电池管理系统通过检测导电丝的电阻的变化，可以判断壳体110膨胀程度，当电阻达到一定值时，通过控制系统控制电池停止使用或切断充电等措施，从而避免壳体110膨胀炸裂。
在一些实施例中，壳体110可以采用金属、塑料、陶瓷或铝塑膜制成。加强丝130可以为金属丝或纤维丝。进一步地，当加强丝130为金属丝时，金属丝可以包括钢丝、铜丝、钛合金丝、弹簧钢丝。当加强丝130为纤维丝时，例如，碳纤维丝。需要说明的是，通过选用金属丝或者纤维丝作为加强丝130，可以增强壳体110的耐压强度。同时壳体110外侧缠绕的金属丝包含引出线，引出线与壳体110焊接。引出线通过CAN总线与电池管理系统连接，电池管理系统中包含金属丝电阻测量装置。电池管理系统通过检测金属丝的电阻信号确定金属丝是否断开，从而可以检测壳体110是否破裂，由此可以提前启动电池保护程序，从而可以提升锂电池100的安全性。
需要说明的是，金属丝或纤维丝具备3500MPa以上的强度极限，远大于锂电池100原有壳体110强度。钢丝连续地缠绕在电池壳体110的外表面上，钢丝所产生的径向预压应力，可降低电芯120工作时的切向拉应力，从而确保了壳体110能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的壳体110破裂，提高了锂电池100的安全性。由此，采用强度和弹性俱佳的材料制成加强丝130，可以确保电芯120一直处于高压力状态，并且壳体110可逆的膨胀收缩为电芯120在充放电过程中提供了“呼吸作用”。
此外，还需要说明的是，金属丝或纤维丝具备较好的弹性形变，例如，弹簧钢丝及记忆金属钢丝。当采用体积变化较大的电芯120材料，特别是在充放电循环过程中体积变化较大的材料制备电芯120时，弹性形变较好的壳体110可以随着电芯120的体变化而变化，避免了弹性形变较差的壳体110带来的不可逆的塑性形变。
在一些实施例中，加强丝130的外周面包裹有绝缘层，绝缘层包含聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩乙醛、对苯二甲酸甲酯、聚氨酯、聚酯亚胺、或聚酰亚胺。绝缘层的厚度为0.02mm-5mm。加强丝130的直径为0.05mm-3mm。加强丝130的耐受体积变型量大于30％。变型后体积回弹量大于80％。在如图1所示的示例中，壳体110的体积与加强丝130的体积之和与锂电池100总体积的比值小于15％。封装层140为环氧树脂层。
根据本发明实施例的电池包，包括电池管理系统和如上所述的锂电池100。
根据本发明实施例的电池包，通过在壳体110的外周设置加强丝130，加强丝130所产生的径向预压应力，可降低电芯120工作时的切向拉应力，从而确保了壳体110能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体110破裂，提高了锂电池100的安全性。
根据本发明实施例的车辆，包括如上所述的锂电池100。
根据本发明实施例的车辆，通过在壳体110的外周设置加强丝130，加强丝130所产生的径向预压应力，可降低电芯120工作时的切向拉应力，从而确保了壳体110能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体110破裂，提高了锂电池100的安全性。
根据本发明实施例的锂电池100的制作方法，锂电池100为如上所述的锂电池100，制作方法包括：
S10：制作锂电池100的壳体110。
S20：在壳体110上缠绕加强丝130。缠绕加强丝130时，以钢丝为例，采用单股或多股钢丝连续地缠绕在壳体110的全部外表面，形成多层状的并行结构。每股钢丝两端通过焊接或螺丝固定在壳体110的顶盖上。
S30：将缠绕有加强丝130的壳体110放置于封装溶液中，使加强丝130与壳体110之间、任意相邻的加强丝130之间浸润有封装溶液。
S40：浸润预定时间后，将壳体110取出，待壳体110以及加强丝130上的封装溶液固化。在对封装溶液固化时，可以将浸润有封装溶液的壳体110放入烤箱中，烤箱中设置预定的固化温度，从而可以对封装溶液进行快速固化处理。
根据本发明实施例的锂电池100的制作方法，通过在壳体110的外周设置加强丝130，加强丝130所产生的径向预压应力，可降低电芯120工作时的切向拉应力，从而确保了壳体110能够承受更高的内部压力，表现出更长的疲劳寿命，防止材料自身膨胀导致的电池壳体110破裂，提高了锂电池100的安全性。
在一些实施例中，封装溶液可以为环氧树脂溶液。为了提升封装效果，在一些实施例中，加强丝130表面含有环氧树脂，在对浸润有环氧树脂溶液的壳体110、加强丝130固化过程中，加强丝130表面的环氧树脂渗出，并与环氧树脂溶液相互熔融在一起，待冷却后即形成壳体110。
下面举例说明根据本发明实施例的锂电池100的制作过程。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明实施例的具体限制。
采用尺寸为5mm*34mm*50mm尺寸的铝壳作为锂电池100的壳体110，然后采用表面含有聚乙烯醇缩甲醛的0.1mm直径的钢丝缠绕进行环向缠绕，缠绕时保持20Kgf的张力绷紧钢丝束，按照丝与丝之间的并行结构缠绕400圈后，将壳体110在环氧树脂溶液中浸渍，使得丝与丝及丝与壳体110之间固化成型。然后，即获得本发明实施例的锂电池100的壳体110。
在电芯120的制作过程中，采用体密度为4.15g/cm3，面密度为23.5mg/cm2，尺寸为485(长)*44(宽)的正极片，及体密度为0.83g/cm3，厚度为35μm，尺寸为480(长)*45(宽)锂硼合金负极片及12μm厚的PP/PE/PP隔膜，经卷绕、套壳、注液、封口、化成等制得锂电池100。
将各实施例和对比例制备得到的锂电池100各取5支，在LAND CT 2001C二次电池性能检测装置上，25±1℃条件下，将锂电池100以0.2C进行充放电循环测试。
步骤如下：搁置10min；恒压充电至4.2V/0.05C截止；搁置10min；恒流放电至3.0V，即为1次循环。
重复该步骤，循环过程中当锂电池100容量低于首次放电容量的80％时，循环终止，该循环次数即为电池的循环寿命，每组取平均值。循环寿命结束后测试电池的尺寸，与循环前尺寸对比计算电池膨胀率。
根据本发明实施例的锂电池100循环次数为446次时，锂电池100的膨胀率为18％；相关技术中的锂电池100循环次数为180次时，锂电池100的膨胀率为62％。
由此可知根据本发明实施例的锂电池100的优势更为明显，也即根据本发明实施例的锂电池100，加强丝130所产生的径向预压应力，可降低电芯120工作时的切向拉应力，从而确保了壳体110能够承受更高的内部压力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种锂电池，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体的壁厚为0.04mm-0.5mm；
电芯，所述电芯设于所述壳体内；
加强丝，所述加强丝绕设于所述壳体外周；
在所述壳体的壁厚方向上，所述加强丝具有多层，所述加强丝的直径和缠绕层数的乘积与所述壳体的壁厚的比值范围为0.2-5；
所述加强丝为导电丝，所述锂电池还包括电池管理系统，所述电池管理系统与所述加强丝电连接，用以检测所述加强丝的电阻，最终实现检测所述壳体是否破裂。
2.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，还包括封装层，所述封装层用于将所述加强丝封装至所述壳体的外表面。
3.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述加强丝为金属丝或纤维丝。
4.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述加强丝为钢丝、铜丝、钛合金丝。
5.根据权利要求4所述的锂电池，其特征在于，所述加强丝的端部与所述壳体焊接。
6.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述加强丝的外周面包裹有绝缘层，所述绝缘层包含聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩乙醛、对苯二甲酸甲酯、聚氨酯、聚酯亚胺、或聚酰亚胺，所述绝缘层的厚度为0.02mm-5mm。
7.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述加强丝的直径为0.05mm-3mm。
8.根据权利要求2所述的锂电池，其特征在于，所述封装层为环氧树脂。
9.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述壳体的体积与所述加强丝的体积之和与所述锂电池总体积的比值小于15%。
10.一种电池包，其特征在于，包括：
锂电池，所述锂电池为根据权利要求1-9中任一项所述的锂电池。
11.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的锂电池。
12.一种锂电池的制作方法，其特征在于，所述锂电池为根据权利要求1-9中任一项所述的锂电池，所述制作方法包括：
S10：制作锂电池的壳体；
S20：在所述壳体上缠绕加强丝；
S30：将缠绕有所述加强丝的所述壳体放置于封装溶液中，使所述加强丝与所述壳体之间、任意相邻的所述加强丝之间浸润有封装溶液；
S40：浸润预定时间后，将所述壳体取出，待所述壳体以及所述加强丝上的封装溶液固化。
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