CN115863857A - 一种可加压的方形电池壳及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可加压的方形电池壳及其应用，所述可加压的方形电池壳包含上承压板、下承压板、侧板及若干个螺纹紧固件；所述上承压板、下承压板上相对设有若干对螺纹孔，所述螺纹孔与所述螺纹紧固件相适配；所述侧板包含第一侧板、第二侧板、第三侧板；所述上承压板、下承压板、侧板通过热压胶接，形成一端开口的空腔，用于封装电池；其中，所述上承压板、下承压板的材料为刚性材料，所述侧板的材料为弹性材料。上承压板、下承压板、侧板一体化封装的方式实现了无需外置夹具设备，实现轻量化的设计，提高了电池的比能量密度。

Description

一种可加压的方形电池壳及其应用

技术领域

本发明属于锂金属电池及锂离子电池技术领域，具体涉及一种可加压的方形电池壳及其应用。

背景技术

现有的储能技术中，锂电池凭借能量密度高、工作电压高、使用寿命长以及无记忆效应等优势，被广泛关注和研究。其中，锂离子电池已经应用于消费类电子产品及动力电池领域，锂金属电池则有望代替前者成为下一代电池。但目前锂电池尤其是锂金属电池，因电极较高的化学反应活性、枝晶生长方式和锂金属沉积过程中体积变化较大等原因，充放电循环过程中电极体积的变化剧烈，有着明显的压力波动。抑制锂金属电池的体积变化并保持界面之间良好接触的常见策略是采用施加压力，已有的试验和模拟研究表明，增加压力通常有利于循环。

申请号为201820667237.9的中国实用新型专利，其公开了一种锂离子电池加压装置，其在锂离子电池壳外加装加压装置从而提供压力，但是加压装置并未与电池壳体形成一体化结构，增加了电池的非活性材料，也降低了电池的比能量。

申请号为201911407712.4的中国发明专利，其公开了一种方形动力电池加压化成夹具，虽然其通过夹具为电池提供了压力有利于化成和循环，但是其电池外的夹具设备、体积和重量都较大，无法随电池安装集成到终端设备中。

因此，亟需一种结构轻量化、能够提高电池比能量密度的可加压的电池壳。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中需要在电池壳外部增加加压装置，导致电池总体重量提高，从而导致比能量密度降低的缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供了一种可加压的方形电池壳，包含上承压板、下承压板、侧板及若干个螺纹紧固件；所述上承压板、下承压板上相对设有若干对螺纹孔，所述螺纹孔与所述螺纹紧固件相适配；所述侧板包含第一侧板、第二侧板、第三侧板；所述上承压板、下承压板、侧板通过热压胶接，形成一端开口的空腔，用于封装电池；其中，所述上承压板、下承压板的材料为刚性材料，所述侧板的材料为弹性材料。

较佳地，所述刚性材料为铝合金、不锈钢中的任意一种。

较佳地，所述弹性材料为铝塑膜。

较佳地，所述上承压板、下承压板的尺寸为(70mm～90mm)×(100mm～120mm)，厚度为0.4mm～0.6mm。

较佳地，所述第一侧板、第二侧板的尺寸为(20mm～40mm)×(100mm～120mm)，厚度为0.2mm～0.6mm。

较佳地，所述第三侧板的尺寸为(20mm～40mm)×(70mm～90mm)，厚度为0.2mm～0.6mm。

较佳地，所述方形电池壳的重量为55g～65g。

较佳地，所述螺纹紧固件共有四组，每组螺纹紧固件与螺纹孔相适配。

较佳地，所述螺纹紧固件包含螺杆和管状螺母。

本发明还提供了一种如上述所述的可加压的方形电池壳的应用，所述可加压的方形电池壳用于封装锂离子电池、锂金属电池。

本发明的有益效果：

(1)方形电池壳的上承压板、下承压板由刚性材料制备而成，上承压板和下承压板采用螺纹紧固件活动连接，可以通过拧紧螺纹紧固件来对电池施加压力；侧板由具有弹性的柔性材料制备而成，上承压板、下承压板、侧板通过热压方式胶接结合形成一个封装整体，将电池固定于内腔；上承压板和下承压板之间采用螺纹紧固件活动连接，由于侧板具有弹性，当拧紧螺纹紧固件时，侧板被压缩，从而实现对电池的加压，本申请电池壳与传统的加压夹具一体化的设计，实现了轻量化的目标，有利于提高电池的比能量密度；

(2)一体化的设计保证了锂电池循环过程中各活性组分的有效接触，维持了各个接触部位所需的压力，螺纹紧固件可调节结构可以实现不同的加压力度，实现电池施压时压力的可控性，提高了锂电池的循环寿命。

附图说明

图1为可加压的方形电池壳的外形构造第一视角示意图。

图2为可加压的方形电池壳的正视图。

图3为可加压的方形电池壳的侧视图。

图4为可加压的方形电池壳的俯视图。

图5为可加压的方形电池壳的外形构造第二视角示意图。

图6为实施例和对比例的循环曲线对比图。

其中，1-上承压板，2-下承压板，31-第一侧板，32-第二侧板，33-第三侧板，4-螺纹紧固件，5-电池极耳。

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，本发明提出一种可加压的方形电池壳，包含上承压板1、下承压板2、若干个螺纹紧固件4；所述上承压板1、下承压板2上均设有若干个与所述螺纹紧固件4相适配的螺纹孔；侧板，所述侧板包含第一侧板31、第二侧板32、第三侧板33；所述上承压板1、下承压板2、侧板通过热压胶接，将电池封装于所述上承压板1、下承压板2、侧板形成的空腔内，热压封口；其中，所述上承压板1、下承压板2的材料为刚性材料，所述侧板的材料为弹性材料。

一些实施例中，为了防止对电池施压时电池变形，所述上承压板1、下承压板2采用铝合金材料进行制备，可以有效防止电池因变形、挤压、冲击导致的短时间内产生大量的热量，从而引发的热失控。所述上承压板1、下承压板2的尺寸为(70mm～90mm)×(100mm～120mm)，厚度为0.4mm～0.6mm。

一些实施例中，为了实现方形电池壳无需外接压力装置，所述侧板采用的是具有弹性的材料铝塑膜，由于侧板具有弹性可发生形变，当给予电池压力时，侧板发生形变，从而将外部的压力传递至内部的电池。所述侧板包含3个，分别为第一侧板31、第二侧板32、第三侧板33，所述第一侧板31、第二侧板32的尺寸为(20mm～40mm)×(100mm～120mm)，厚度为0.2mm～0.6mm，第三侧板33的尺寸为(20mm～40mm)×(70mm～90mm)，厚度为0.2mm～0.6mm。

一些实施例中，为了实现电池的压力可调节，在所述上承压板1、下承压板2上均设有螺纹孔，和与螺纹孔相适配的螺纹紧固件4。螺纹紧固件4共设有四组，两两对称设于所述上承压板1、下承压板2的四个边角处，所述螺纹紧固件4包含螺杆和管状螺母，所述螺杆穿设于螺纹孔中。当需要对电池施加压力时，分别拧紧管状螺母，侧板被压缩，上承压板1、下承压板2之间的距离缩短，对电池产生平行压力，从而实现对电池的压力可控调节。

上承压板1、下承压板2、3个侧板进行热压胶接，将电池封装于所述上承压板1、下承压板2、侧板形成的空腔内，再对最后裸露的地方进行热压封口。实现电池壳与加压夹具的一体化设计，从而可以实现轻量化的设计，所述方形电池壳的重量为55g～65g。

实施例

如图1所示，一种可加压的方形电池壳，采用铝合金刚性平板作为上承压板1和下承压板2，采用具有弹性的铝塑膜作为侧板，所述上承压板1和下承压板2的四个边角分别设有螺纹孔，M3的螺杆和管状螺母分别作为上承压板1和下承压板2之间的螺纹紧固件4。上承压板1、下承压板2铝合金刚性平板的尺寸为90mm×120mm，厚度为0.5mm。

通过特制尺寸的冲坑模具，对铝塑膜冲压成型，制备符合尺寸的侧板。如图5所示，铝塑膜侧板包含第一侧板31，第二侧板32，第三侧板33，第一侧板31、第二侧板32对称设置，尺寸均为20mm×120mm，厚度0.5mm，第三侧板33的尺寸为90mm×20mm，厚度为0.5mm。最后将铝合金的上承压板1、下承压板2和铝塑膜侧板边缘处使用聚丙烯PP层在190℃热压胶接，形成一体化的结构。

制备电池：选用NCA正极、硅氧负极的电池体系，经湿法涂布后，烘干、辊压、裁切、冲切形成极片，采用Z字型叠片制备方形电堆，电池的设计放电容量为20Ah；通过超声波焊接为此电堆焊接电池极耳5，然后放入可加压的方形电池壳内腔，按照4.5g/Ah加注电解液，然后通过旋转螺纹紧固件4对电池加压，最后在电池极耳5处热压封口。上述制备电池的过程均在无尘干燥房(露点≤-60℃)中进行。经过化成、分容后，采用1C充电、7C放电进行100圈循环性能测试。

对比例

采用传统的铝壳作为锂离子封装材料，其中铝壳尺寸为22×90×120mm、铝壳壁厚度0.5mm；选用NCA正极、硅氧负极的电池体系，经湿法涂布后，烘干、辊压、裁切、冲切形成极片，采用Z字型叠片制备方形电堆，电池的设计放电容量为20Ah；通过超声波焊接为此电堆焊接电池极耳，然后放入铝壳，按照4.5g/Ah加注电解液。后通过激光焊接进行封口；以上电池制备过程需在无尘干燥房(露点≤-60℃)中进行。经过化成、分容后，采用1C充电、7C放电进行100圈循环性能测试。

实验结果：如表1和图6所示，其中(a)表示实施例，(b)表示对比例，采用本发明的一种可加压的方形电池壳进行循环性能测试后，本发明的具有可加压的方形电池壳的电池在100圈循环后容量保持率为102.1％，对比例的具有铝壳的电池在100圈循环后容量保持率在89.7％，可加压的方形电池壳的重量61g显著轻于铝壳电池的86g，由此可见，相比较于传统的铝壳电池，本发明的可加压的方形电池壳减少了壳体金属材料用量，实现了轻量化的目标，与此同时提高了电池的比能量密度。

表1实施例和对比例电池循环性能测试结果

本发明所提出的一种可加压的方形电池壳，采用刚性材料制作上承压板和下承压板，采用弹性材料制作侧板，刚性材料使得加压时电池不易变形，弹性材料使得加压时，侧板可以压缩，上承压板、下承压板、侧板一体化的结构将电池封装在内部，维持锂电池在循环过程中各活性组分的有效接触所需的压力，无需外置压力设备给予电池不同的压力，在实现轻量化设计的同时，也提高了电池的比能量密度。

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)

1.一种可加压的方形电池壳，其特征在于，包含：

上承压板、下承压板、侧板及若干个螺纹紧固件；

所述上承压板、下承压板上相对设有若干对螺纹孔，所述螺纹孔与所述螺纹紧固件相适配；

所述侧板包含第一侧板、第二侧板、第三侧板；

所述上承压板、下承压板、侧板通过热压胶接，形成一端开口的空腔，用于封装电池；

其中，所述上承压板、下承压板的材料为刚性材料，所述侧板的材料为弹性材料。

2.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述刚性材料为铝合金、不锈钢中的任意一种。

3.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述弹性材料为铝塑膜。

4.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述上承压板、下承压板的尺寸为(70mm～90mm)×(100mm～120mm)，厚度为0.4mm～0.6mm。

5.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述第一侧板、第二侧板的尺寸为(20mm～40mm)×(100mm～120mm)，厚度为0.2mm～0.6mm。

6.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述第三侧板的尺寸为(20mm～40mm)×(70mm～90mm)，厚度为0.2mm～0.6mm。

7.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述方形电池壳的重量为55g～65g。

8.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述螺纹紧固件共有四组，每组螺纹紧固件与所述螺纹孔相适配。

9.如权利要求1所述的可加压的方形电池壳，其特征在于，所述螺纹紧固件包含螺杆和管状螺母。

10.一种如权利要求1～9中任意一项所述的可加压的方形电池壳的应用，其特征在于，所述可加压的方形电池壳用于封装锂离子电池、锂金属电池。

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