CN116315034A - 一种无极耳耐老化多棱柱锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无极片耐老化多棱柱锂离子电池，该电池由多棱柱电池电芯、芯柱、顶端集流盖、底端集流盖、外壳、极性引出顶盖组成。集流体分为间歇排列的涂敷区与非涂敷区，非涂敷区为电芯卷绕为多棱柱时的弯折区域；集流体边缘有特殊设计的切翼，折叠后可以向中心弯折叠焊后形成反射状的叠焊区；芯柱为多棱柱，侧面包覆有绝缘材料；顶部集流盖和底部集流盖分别与顶部和底部的叠焊区叠放连接，且底部集流盖与芯柱进行电连接实现电极引出。电池两级通过与芯柱接触的极性引出柱和与顶部集流盖接触的极性引出端盖引出，极性引出柱与极性引出端盖之间由绝缘材料连接后形成电池顶部。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种无极耳耐老化多棱柱锂离子电池。
背景技术
锂离子电池内部的正负极活性材料，在充放电过程中会发生体积上的涨缩，这些涨缩会逐渐在电芯卷绕结构中积累，在使用过程中产生机械应力，这些机械应力在锂离子电池内部卷绕结构中曲度较大的地方对电池安全性的影响更大，由于电池内部必然出现卷曲部分，因此在长期使用后，卷曲部分副反应产物积聚，这些副反应产物会降低电池的使用稳定性和安全性，使得电池的热失控风险增加，进而使得电池出现一系列安全事故。
目前的锂离子柱状电池的形状普遍为圆柱形，由于电池内芯卷绕形状均为圆柱的限制，如果强行将电池外壳做成其他形状，则圆柱形电芯与多棱柱外壳之间会出现空隙，则会导致电池内部出现空腔，使得体积能量密度下降。
目前大型柱状电池的设计中，取消极耳以改善载流子在集流体中的流动路径是大势所趋，但特斯拉的4680电池中的无极耳设计对于集流体堆叠焊接的要求过高，导致工艺难度极大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低老化后热失控风险的锂离子电池，解决现有技术中锂离子电池因为长时间使用后内部卷曲部分副反应产物积聚，进而使得电池热失控风险增大的技术问题。
为了实现以上目的，本发明采取的具体技术方案是：
一种降低热失控风险的嵌套结构锂离子电池，包括电池壳体和填充在壳体中的特殊卷绕结构电芯；
所述电芯的正负极极片上的活性材料的涂敷并不是连续的，而是间歇涂敷，涂敷区之间存在狭长的非涂敷区域，这些区域为电芯在卷绕时的弯折区域。
电芯卷绕后的是多棱柱，棱对应区域为极片弯折区域，棱柱的边为极片的平整区域，因此电芯在卷绕之后，内部涂敷了活性材料的区域均为平面无弯折，因此不会出现应力集中，则活性材料在电池循环中不会因为应力集中出现局部开裂崩解和副反应沉淀局部集中，也就不会使得电池内部出现老化不均匀的情况，降低长时间循环后的副反应产物积聚，进而降低热稳定性弱的副反应产物与电解液反应产热导致热失控的危险性。
电芯中心的金属棒为和外壳形状相同的多棱柱金属棒，进而保证电芯在卷绕过程中的形状一致性和均匀性，且该中心棒体为空心多层结构，棒体侧面包覆有绝缘材料，该中心同时充当电池极柱以实现正极的导出。
规则的平面分割叫做镶嵌，镶嵌图形是完全没有重叠并且没有空隙的封闭图形的排列。一般来说，构成一个镶嵌图形的基本单元是多边形或类似的常规形状。
由于本发明中电池的极片卷绕方式的特殊性，电池的内芯可以在不弯折活性材料涂敷区的前提下做成多棱柱，因此本发明涉及的柱状电池截面可以为任意形状的多边形，比如三角形、矩形、六边形等，不需要担心由于内部极片弯折角度过大导致的电池热稳定性下降问题和性能问题。
同时对本发明中电池的集流体进行了特殊设计，在边缘对集流体进行了切割，形成切翼，这些经过特殊设计的切翼可以在电池卷绕之后进行弯折后叠焊以形成规则的导流平面，进而实现无极耳效果，集流体与电池极性引出部位可以实现大面积导通，进而进一步改善电池内部充放电的均匀性和增加充放电倍率。
如果电池的截面多边形变成镶嵌图形，则电池在排布的时候，电池之间的空隙减小，且棱柱的结构使得电池在成组时的固定更加简单和牢固，且由于多棱柱的侧面均为平面，因此电池的侧面与水冷管道之间的接触会更加紧密。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中电池电芯的内部涂敷为间歇涂敷，卷绕时弯折区域不涂敷活性材料，因此活性材料中不会出现弯折区域，因此不会出现应力集中，因此柱状电池内部不会出现应力集中区域，可以降低柱状电池使用中的老化不均匀情况。
2、本发明中电池内部电芯的中心缠绕柱形状为多棱柱，与间歇涂敷的极片相互配合可以实现多棱柱形电芯的绕卷，且多棱柱的棱边处的极片不涂覆活性材料，因此柱状电池的形状可以根据需要进行确定，且内部空间不浪费。
3、本发明中的柱状电池可以做成多棱柱，棱柱的横截面为多边形，可以为三角形、矩形、六边形等，在组合成组时，如果多边形属于镶嵌图形，则柱状电池之间可以做到无缝拼合，增加空间利用率。在安置水冷管道时，多棱柱的侧面均为平面，也有助于水冷管的设计和排列。
4、本发明中柱状电池的集流体边缘进行了特殊设计的切割，可以在电池电芯卷绕完成后将切割后的集流体边缘进行弯折叠焊以形成规则的导流区域，进而达到无极耳的效果，改善了电池充放电均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例一中所述无极耳耐老化三棱柱锂离子电池的正负极集流体间歇涂敷示意图。
图2为本发明实施例一中所述无极耳耐老化三棱柱锂离子电池横截面示意图。
图3为本发明实施例一中所述无极耳耐老化三棱柱锂离子电池的卷绕结构顶端集流体叠焊示意图。
图4为本发明实施例一中所述无极耳耐老化三棱柱锂离子电池的顶部集流盖示意图。
图5为本发明实施例一中所述无极耳耐老化三棱柱锂离子电池的卷绕结构底端集流体叠焊示意图。
图6为本发明实施例一中所述无极耳耐老化三棱柱锂离子电池的底端集流盖示意图。
图7为本发明实施例一中所述无极耳耐老化六棱柱锂离子电池的装配图。
图8为本发明实施例二中所述无极耳耐老化六棱柱锂离子电池的内部卷绕示意图。
图9为本发明实施例二中所述无极耳耐老化六棱柱锂离子电池的卷绕结构顶端集流体叠焊示意图。
图中：1、切翼片，2、涂敷区，3、间敷区，4、芯柱空心区，5、电池外壳，6、正极集流体，7、负极集流体，8、隔膜，9、芯柱绝缘层，10、芯柱，11、顶端切翼片叠焊区，12、焊接区，13、顶端集流盖开孔区，14、非焊接区，15、底端切翼片叠焊区，16、芯柱底盖，17、集流体与芯柱叠焊区，18、电池极性引出柱，19、电池极性引出端盖，010、电池正负极引出盖，020、顶端集流盖，030、卷绕电芯，040、底端集流盖，A、折叠轴。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
下面结合附图和实施例，对发明采用的技术方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例为一种无极耳耐老化三棱柱锂离子电池的结构说明，具体内容包括：
如图1，本发明中涉及的特殊卷绕结构锂离子电池内部的集流体上的活性材料涂敷并不连续，而是间歇进行涂敷，涂敷区2在集流体边缘的涂敷并不对称，而是在一端留出一段距离，切割后形成切翼片1。各涂敷区2之间存在狭长的间敷区3，这样设计的目的在于当集流体按照图中A所示的折叠轴进行卷绕时，集流体上的弯折区域是非涂敷区，进而防止在卷绕时活性材料随集流体弯折，进而使得活性材料内部出现压缩和拉伸，因此电池内部的涂敷区2均为平面，进而防止活性材料内部出现应力集中。
如图2所示，电池在卷绕时是紧贴在电池轴向中心的一个芯柱上，芯柱的形状和电池的外壳形状一致，芯柱10为中空的金属棱柱，两端封闭，套有芯柱绝缘层9。本实施例中以三棱柱举例，电池内部按照正极集流体6、隔膜8、负极集流体7、隔膜8四层绕芯柱进行卷绕，在棱柱的转角处进行弯折，这些弯折区域为集流体上的间敷区3，最终形成三棱柱形状的卷绕电芯。这样可以保证电池的棱柱卷绕结构的稳定，保证平面区域在使用过程中的稳定。这样多棱柱的卷绕电芯与电池外壳5之间没有多余的空间，可以保证电芯在外壳内部5的固定，防止因为震动出现于外壳之间的相对旋转，损坏电芯结构。
如图3所示，卷绕完成后，电芯顶端经过特殊设计的切翼片1，可以向内弯折堆叠焊接后形成顶端切翼片叠焊区11，由于切翼片可以均匀堆叠，因此该区域会形成凸出卷绕电芯顶端的脊，但顶端切翼片叠焊区与芯柱10之间有绝缘层阻隔，无电连接。
如图4所示，经过特殊设计的顶端集流盖020中心存在开孔13，该开孔可容纳芯柱10通过，且顶端集流盖上划分为焊接区12和非焊接区14，焊接区12与电芯顶端切翼片叠焊区11重合，顶端集流盖020为金属材质，装配时在焊接区12与顶端切翼片叠焊区11焊接，增加电极引出的面积，并将顶端切翼片叠焊区11的电连接一体化。
如图5所示，卷绕完成后，电芯底端经过特殊设计的切翼片1，可以向内弯折堆叠焊接后形成底端切翼片叠焊区15，底端切翼片叠焊区15与芯柱10之间有重叠，形成集流体与芯柱叠焊区17，实现集流体与芯柱10的电连接。
如图6所示，经过特殊设计的底端集流盖040也分为两个焊接区12与非焊接区14，焊接区12与底端切翼片叠焊区15重合，底端集流该040同样为金属材质，装配时在焊接区12与底端切翼片叠焊区15焊接，将底端切翼片叠焊区11、芯柱10的电连接一体化。
图7为本发明实施例一中所述三棱柱电池的装配图，自上到下顺序为电池正负极引出盖010、顶端集流盖020、卷绕电芯030、底端集流盖040，四者叠放后置入顶端开放的三棱柱电池外壳5后形成本发明实施例一中的三棱柱电池。其中正负极引出盖010分为电池极性引出柱18和电池极性引出端盖19，引出柱和引出端盖之间通过绝缘材料进行电绝缘，电池极性引出柱18与芯柱10进行电连接，电池极性引出端盖19与顶端集流盖020进行电连接。
实施例2
本实施例为一种无极耳耐老化多棱柱锂离子电池的结构说明，具体内容包括：
本发明中的电池外形可以为其他边数的多棱柱，如六棱柱，如图8所示，相应的其内部电芯的卷绕形状为六棱柱，电芯中心的芯柱10为六棱柱外形，以保证电芯的卷绕形状的固定、电池内部空间的利用、电池电芯在电池外壳内的稳定等。
如图9所示，六棱柱电池中的电芯两端的集流体叠焊区域也会相应发生变化，也会有更多的叠焊区域，其切翼片1会更加密集，相应的调整切翼片的间隔即可，电芯的制作与实施例一中的电池并无原则上区别。
Claims (8)
1.一种无极耳耐老化多棱柱锂离子电池，其特征在于，包含多棱柱电池电芯、芯柱、顶端集流盖、底端集流盖、外壳、极性引出顶盖；
可以为三棱柱、四棱柱、六棱柱等，其横截面为镶嵌图形，以实现成组后的无缝组合。
2.根据权利要求1所述的电芯的集流体上的活性材料涂敷为非连续的，集流体划分为涂敷区与非涂敷区，涂敷区之间由平行于电池中心轴线的狭长非涂敷区隔开，非涂敷区为集流体卷绕形成棱柱时的弯折区域。
3.根据权利要求1所述电池电芯的集流体边缘有特殊设计的切翼片，这些切翼极片可以在电芯卷绕完成向电芯中心弯折后叠焊形成长条状的叠焊区，实现无极耳效果；
切翼片在弯折叠焊后形成的叠焊区，由电池中心向多边形的角和边的中心放射状排列。
4.根据权利要求1所述的芯柱为与电池外形一致的中空两端封闭的金属多棱柱棒材，以实现电芯与芯柱的相对固定，芯柱侧面包覆有绝缘材料，实现芯柱与电芯中心处的绝缘。
5.根据权利要求1-4所述的电池电芯底部的叠焊区突出的切翼片与芯柱底端进行了焊接，实现电芯与芯柱的相对固定和电连接，因此芯柱可以作为电池电极引出通道。
6.根据权利要求1-3所述的顶端集流盖分为焊接区与非焊接区，焊接区有凸出，与电芯顶部的叠焊区进行焊接或者直接接触实现一体化电连接，且顶端集流盖中心处有开孔以使芯柱可以凸出。
7.根据权利要求1-5所述的底端集流盖分为焊接区与非焊接区，焊接区有突出，与电芯底部的叠焊区和芯柱进行焊接或者直接接触实现一体化电连接。
8.根据权利要求1-7所述的极性引出顶顶盖分为电池极性引出柱和电池极性引出端盖，极性引出柱和极性引出端盖之间使用绝缘材料分隔；其中极性引出柱与芯柱直接接触实现电极引出，电池极性引出端盖与顶部集流盖直接接触实现另一极引出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20230623 |