CN116505055A - 一种电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池，包括壳体、封装在壳体中的电芯、位于壳体的一端并与电芯电连接的电端子、安全装置和电流切断装置。安全装置包括间隔设置并各自与正极或负极电连接的第一电极和第二电极，二者间隔设置并形成电场，电场中设置有能够在电压达到或超过阈值时产生惰性气体的气体发生材料。电流切断装置电连接在电芯与电端子之间，能够响应于惰性气体导致的电池内外之间的压力差而断路。根据本发明，安全装置的产气速率高，气体可以直接逸出到电池的内部空间中，提高了反应速度。极片的能量密度与功率密度得以提高，同时可以降低引入金属异物杂质的风险，对电芯的设计与电化学性能的负面影响较小。

Description

一种电池
技术领域
本发明涉及一种电池，更具体地，涉及一种具有能够改善过充安全性能的安全装置的锂离子电池。
背景技术
近些年，小到电子产品，大到新能源汽车，可重复充电的电池得到越来越广泛的应用。锂离子电池由于其能量密度高、使用寿命长等优点尤其受到使用者的青睐。在充电过程中，电池的温度会升高。当散热较差时，电池内部存在温度不平衡的现象，越靠近中心则温度越高，尤其是发生过充时，电池的电压超过允许的电压值，温度不平衡的现象更为突出，使得电池存在燃烧、爆炸等安全隐患。
以锂离子电池为例，目前解决电池过充的方法是在其中设置电流切断装置，同时在锂离子电池的极片中掺杂碳酸锂等添加剂。当锂离子电池内部的压力或温度升高到安全阈值时，碳酸锂分解产生气体，使得锂离子电池内部的气压增大，电流切断装置在高气压下结构断裂，使锂离子电池形成断路，防止温度继续升高，起到保护作用。然而，碳酸锂本身不导电，掺杂在极片中会对电池能量密度以及内阻产生负面影响，并且存在引入金属异物的风险。另外，碳酸锂散布在极片中并且熔点高，对于锂离子电池的过充和过热难以及时响应，因而工作效率较低。
因此，需要提供一种电池，以至少部分地解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电池，在消除过充或过热时的安全隐患的同时，还可以减轻目前锂离子电池由于掺杂碳酸锂导致的能量密度减小、内阻增大、工作效率低、存在引入金属异物的风险等的负面影响。
根据本发明的一个方面，所述电池包括：
壳体；
电芯，所述电芯封装在所述壳体中；
电端子，所述电端子位于所述壳体的一端，与所述电芯电连接；
安全装置，安全装置包括：
第一电极，所述第一电极与所述电芯的正极和负极中的一个电连接；
第二电极，所述第二电极与所述正极和所述负极中的另一个电连接，所述第一电极和所述第二电极间隔设置并在二者之间形成电场；和
气体发生材料，所述气体发生材料设置在所述电场中，能够在所述电场中的电压达到或超过预定的阈值时产生惰性气体；以及
电流切断装置，所述电流切断装置电连接在所述电芯与所述电端子之间，能够响应于所述安全装置产生的惰性气体导致的所述电池的内部与外界环境之间的压力差而断路。
在一些实施方式中，所述电池为锂离子电池，所述电芯由正极片、隔离膜和负极片堆叠卷绕而成，具有位于内部的卷绕腔，所述安全装置构造为细长的形状并设置在所述卷绕腔中。
在一些实施方式中，所述第一电极和所述第二电极中的一个构造为圆筒，另一个构造为针状结构，所述气体发生材料填充在所述圆筒中，所述针状结构沿所述圆筒的轴向至少部分地伸入所述圆筒内部并埋设在所述气体发生材料中。优选地，所述正极片不掺杂碳酸锂。
在一些实施方式中，所述气体发生材料中掺杂有导电颗粒，所述针状结构的至少与所述气体发生材料接触的部分设置有绝缘层。
在一些实施方式中，所述导电颗粒为炭黑。
在一些实施方式中，所述圆筒设置有至少一个开口，所述圆筒的内部空间能够通过所述至少一个开口与所述卷绕腔连通。
在一些实施方式中，所述至少一个开口中的至少一个设置在所述圆筒的朝向所述针状结构的端部。
在一些实施方式中，所述第一电极和所述第二电极由耐腐蚀金属材料制作，优选为不锈钢。
在一些实施方式中，所述气体发生材料包括尺寸为微米级的无机物颗粒，所述无机物优选地包括碳酸锂，所述尺寸优选为10μm-20μm。
在一些实施方式中，所述气体发生材料的质量为10mg-200mg
根据本发明的电池能够实现以下技术效果：
1.过充添加剂集中在安全装置中，可以增加电池过充时产生反应的过充添加剂的量，提高产气速率，并且气体可以直接逸出到电池的内部空间中，节省了从电芯中迁移的时间，提高了反应速度。
2.由于不需要通过掺杂的方式将过充添加剂散布在电芯的极片中，极片的能量密度与功率密度得以提高，同时可以降低引入金属异物杂质的风险，对电芯的设计与电化学性能的负面影响较小。
附图说明
为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
图1为根据本发明的一种优选实施方式的电池的立体图；
图2为沿图1中A-A线截取的剖视图，其中省略了安全装置；
图3为图1所示的电池的电芯在卷绕前各层堆叠的示意图；
图4为沿图1中A-A线截取的剖视图，其中示出了安全装置；以及
图5为图1所示的电池的安全装置的竖向剖视图。
附图标记说明：
10 电池
11 壳体
12 电端子
13 电芯
131 正极片
132 负极片
133 隔离膜
134 卷绕腔
14 绝缘层
15 正极汇流片
16 电流切断装置
17 安全装置
171 第一电极
172 气体发生材料
173 第二电极
174 绝缘层
18 负极汇流片
具体实施方式
现在参考附图，详细描述本发明的具体实施方式。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。
本发明提供一种电池。在一种优选实施方式中，其可以是锂离子电池。如图1和图2所示，电池10大致构造为圆柱状，包括壳体11、电端子12、电芯13、绝缘层14、正极汇流片15、负极汇流片18和电流切断装置16等结构。其中，电芯13是由正极片131、负极片132以及位于两者之间的隔离膜133按照图3所示的布置方式堆叠并卷绕而成的圆柱状结构，内部填充有电解液(未示出)。可以理解，在电芯13的制作过程中，使用诸如卷针的装置作为卷绕的轴。而在卷绕完成之后，卷针从电芯13退出。因此，电芯13中形成有卷绕腔134。
在制作成型之后，电芯13设置在壳体11中。壳体11可以使用钢、铝等导电材料制成。除了起到支撑作用和容纳作用之外，壳体11还可以通过设置在电芯13下端的负极汇流片18与电芯13的负极片132电连接，形成为电池10的负极端子，以便与外部装置进行电连接。正极汇流片15安装在电芯13的上端，与正极片131电连接。电端子12与正极汇流片15电连接，形成电池10的正极端子。为了避免内部短路，在壳体11与电芯13之间以及壳体11与电端子12之间还设置有绝缘层14进行绝缘隔离。
电流切断装置16连接在电端子12与正极汇流片15之间。例如，电流切断装置16可以通过由壳体11夹紧挤压的方式与电端子12保持紧密接触以形成电连接，并且可以通过焊接的方式与正极汇流片15连接。电流切断装置16将电池10的内部空间与外界环境隔离开，其内侧承受电池内部的气压，外侧承受外界环境气压。电流切断装置16在与正极汇流片15连接的部分和与电端子12连接的部分之间设置有薄弱部。当电池10由于过充等原因导致电压和/或内部温度升高达到甚至超过安全阈值时，可以在其内部形成增大的气压，使得电流切断装置16的内外两侧形成较大的压力差。当压力差超过薄弱部的结构强度时，薄弱部断裂，使电端子12与正极汇流片15之间的电连接断开，形成断路，防止电池10的温度继续升高。
为了响应于电池10过充而在内部形成增大的气压，如图4和图5所示，电池10还包括安全装置17，其具有第一电极171和第二电极173。第一电极171与电池10的正极和负极中的一个电连接，第二电极173与另一个电连接，并且此二者间隔设置。由此，第一电极171和第二电极173之间可以产生电场。换言之，第一电极171和第二电极173形成类似于电容器的结构。进一步地，安全装置17还包括气体发生材料172，其设置在第一电极171和第二电极173之间形成的电场中，能够响应于电场中的电压升高到或超过预定值而产生惰性气体。
其中，电池10过充可以理解为电池10以恒流充电至其电压超出预定的电压值并保持预定时长。以一种用于电动工具的电池的测试标准为例：一般使用2C恒流充电至6V～7.5V，当电压达到截止电压后，在该电压下保持30min。该电池即处于过充的状态。
可以理解，由于第一电极171和第二电极173各自与电池10的正极或负极电连接，二者之间的电场的电压即为电池10的电压。当电池10过充时，安全装置17的气体发生材料172也处于电压过高的电场环境中，并响应于此过高的电压而产生惰性气体，导致电池10的内部的气压增大，使得电流切断装置16的内外两侧的压力差增加。进一步地，当压力差增大到超过电流切断装置16的薄弱部的结构强度时，其结构被破坏，最终导致电池10内部断路。
优选地，安全装置17构造为细长形状的结构，从而可以设置在电芯13的卷绕腔134中，可以充分利用电池10的内部空间，使其结构紧凑，避免造成尺寸的增加。结合参考图4和图5，第一电极171构造为圆筒状结构，其底部与位于电芯13的下端的负极汇流片18电连接，例如二者可以通过焊接的方式直接且固定地连接在一起。气体发生材料172填充在圆筒状结构的内部。第二电极173构造为针状结构，例如细长的棒或针，其可以通过焊接的方式固定连接至正极汇流片15，从而与电池10的正极电连接。圆筒状结构朝向第二电极173的端部开口，第二电极173沿圆筒状结构的轴向插入到其内部，并且部分地埋设在气体发生材料172中。由此，第一电极171和第二电极173形成类似于圆柱形电容器的结构，而气体发生材料172设置在二者之间的电场中。优选地，第一电极171和第二电极173同轴设置，以使得电场中的电压均匀分布，从而能够更加准确地反映电池10的电压。
第一电极171和第二电极173可以采用耐腐蚀的金属材料制作，例如不锈钢等。用于形成第一电极171的圆筒状结构的直径可以设置为2mm-3mm，长度为5mm以上，优选大于8mm，其厚度约为300μm-500μm。用于形成第二电极173的针状结构的直径和长度可以设计为适于连接至正极汇流片15的同时适于布置在圆筒状结构中。如上文所述的，在图示的实施方式中，圆筒状结构的朝向第二电极173的端部设置有开口，除了方便第二电极173插入，以及方便在圆筒状结构的内部填充气体发生材料172之外，该开口还可以方便气体发生材料172产生的气体逸出。可以理解，在另外的实施方式中，圆筒状结构的开口还可以设置在其他位置，例如侧部，并且开口可以设置不止一个。
优选地，气体发生材料172可以包括无机物颗粒，所产生的气体可以是本身不参与燃烧并且不能助燃的惰性气体。一方面，惰性气体本身就存在于自然界中，无毒无害，安全性更好。另一方面，惰性气体除了可以利用与外界环境的压力差破坏电流切断装置16的结构而形成断路之外，还可以降低电池10内部的氧气浓度以及氧化反应的速率，减轻电池10断路后电芯13中仍然存在的氧化反应而导致的热积累与热失控的问题，从而抑制电芯13进一步升温，减小电池10燃烧或爆炸的风险。无机物颗粒的示例可以是例如碳酸锂颗粒，其能够响应于高电压和/或高温而分解产生二氧化碳。优选地，为了提高无机物颗粒的响应速度以及产气速度，其颗粒度可以设置为微米级，例如10μm-20μm。根据电芯13中的空间尺寸的不同，气体发生材料172的质量可以为10mg-200mg。
进一步地，为了使气体发生材料172中的无机物颗粒能够同时反应以产生惰性气体，可以在其中掺杂能够导电、导热的材料颗粒，例如炭黑等，以提高无机物颗粒内部的导热和导热性，使电压和温度在气体发生材料172中能够均匀分布。为了避免产生短路，优选地，第二电极173的至少与气体发生材料172接触的部分设置有绝缘层174。
以上对附图中示出的实施方式进行了介绍。可以理解，在另外的一些替换实施方式中，安全装置的具体结构和设置方式在不脱离本申请的发明构思的前提下可以有多种变型。例如，安全装置不一定是细长形结构，在电池的内部空间允许的情况下，安全装置可以构造为类似于平板电容器的板形结构等，并且可以设置在电池的内部空间中位于电芯的卷绕腔之外的其他位置。
根据本发明的技术方案，过充添加剂集中在安全装置中，可以增加电池过充时产生反应的过充添加剂的量，提高产气速率，并且气体可以直接逸出到电池的内部空间中，节省了从电芯中迁移的时间，提高了反应速度。另外，由于不需要通过掺杂的方式将过充添加剂散布在电芯的极片中，极片的能量密度与功率密度得以提高，同时可以降低引入金属异物杂质的风险，对电芯的设计与电化学性能的负面影响较小。在一个实施例中，电芯的正极片不掺杂碳酸锂。
本发明的多种实施方式的以上描述出于描述的目的提供给相关领域的一个普通技术人员。不意图将本发明排他或局限于单个公开的实施方式。如上，在本领域中的普通技术人员将明白本发明的多种替代和变型。因此，虽然具体描述了一些替代实施方式，本领域普通技术人员将明白或相对容易地开发其他实施方式。本发明旨在包括这里描述的本发明的所有替代、改型和变型，以及落入以上描述的本发明的精神和范围内的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种电池，其特征在于，所述电池包括：
壳体(11)；
电芯(13)，所述电芯(13)封装在所述壳体(11)中；
电端子(12)，所述电端子(12)位于所述壳体(11)的一端，与所述电芯(13)电连接；
安全装置(17)，安全装置(17)包括：
第一电极(171)，所述第一电极(171)与所述电芯的正极和负极中的一个电连接；
第二电极(173)，所述第二电极(173)与所述正极和所述负极中的另一个电连接，所述第一电极(171)和所述第二电极(173)间隔设置并在二者之间形成电场；和
气体发生材料(172)，所述气体发生材料(172)设置在所述电场中，能够在所述电场中的电压达到或超过预定的阈值时产生惰性气体；以及
电流切断装置(16)，所述电流切断装置(16)电连接在所述电芯(13)与所述电端子(12)之间，能够响应于所述安全装置(17)产生的惰性气体导致的所述电池的内部与外界环境之间的压力差而断路。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池为锂离子电池，所述电芯(13)由正极片(131)、隔离膜(133)和负极片(132)堆叠卷绕而成，具有位于内部的卷绕腔(134)，所述安全装置(17)构造为细长的形状并设置在所述卷绕腔(134)中，优选地，所述正极片(131)不掺杂碳酸锂。
3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述第一电极(171)和所述第二电极(173)中的一个构造为圆筒，另一个构造为针状结构，所述气体发生材料(172)填充在所述圆筒中，所述针状结构沿所述圆筒的轴向至少部分地伸入所述圆筒内部并埋设在所述气体发生材料(172)中。
4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述气体发生材料(172)中掺杂有导电颗粒，所述针状结构的至少与所述气体发生材料(172)接触的部分设置有绝缘层(174)。
5.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述导电颗粒为炭黑。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电池，其特征在于，所述圆筒设置有至少一个开口，所述圆筒的内部空间能够通过所述至少一个开口与所述卷绕腔(134)连通。
7.根据权利要求6所述的电池，其特征在于，所述至少一个开口中的至少一个设置在所述圆筒的朝向所述针状结构的端部。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池，其特征在于，所述第一电极(171)和所述第二电极(173)由耐腐蚀金属材料制作，优选为不锈钢。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池，其特征在于，所述气体发生材料(172)包括尺寸为微米级的无机物颗粒，所述无机物优选地包括碳酸锂，所述尺寸优选为10μm-20μm。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，所述气体发生材料(172)的质量为10mg-200mg。
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