CN116759672A - 一种壳体、电池和用电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种壳体、电池和用电设备，该壳体包括外壳和内腔体，内腔体位于外壳内部，内腔体的腔壁上具有薄膜部，薄膜部上连接有热敏层，热敏层具有第一形态和第二形态，热敏层处于第一形态时，热敏层所在的薄膜部具有连通外壳和内腔体的孔隙，热敏层处于第二形态时，外壳和内腔体之间互不连通；内腔体内部注入有电解液，外壳和内腔体之间形成补液腔，补液腔中也注入有电解液。本发明还涉及一种电池和用电设备。本发明可以在电池循环后期，有效进行电解液的补充，提高了补液质量。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是指一种壳体、电池和用电设备。
背景技术
在锂离子电池的循环过程中，电解液会随着充放电循环而逐渐消耗，导致电解液浓度的降低，从而影响电池的循环性能。为保证电池的循环性能，可以在电池循环后期对电池补充电解液，补充电解液可以帮助维持电解液中的锂离子浓度，从而减缓电解液浓度的降低速率，有助于减缓电池容量的下降速率，延缓电池循环后期电池电量出现跳水式下降的现象。
专利公开号为CN113394490A，名称为“一种二次电池”的中国专利，在电池内放置包裹电解液的柔性件，在电池循环后期，电芯膨胀会将柔性件挤压破裂而达到补充电解液并释放压力的作用，但是由于电芯膨胀通常发生在电芯的大面（大面即电芯中最大的一个侧面），且膨胀最严重的地方是电芯的大面中心位置，因此该专利中柔性件的破裂位置基本上限定在靠近大面中心区域的位置，柔性件的具体破裂位置则受限于电芯的膨胀程度，因此，上述方案不便于精准控制柔性件破裂位置，易导致电芯吸液不均匀的问题，无法很好保证补液质量，从而影响电池的品质。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中电池循环后期电解液的补液质量不佳的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种壳体，包括，
外壳；
内腔体，所述内腔体位于所述外壳内部，所述内腔体的腔壁上具有薄膜部，所述薄膜部上连接有热敏层，所述热敏层具有第一形态和第二形态，所述热敏层处于第一形态时，热敏层所在的薄膜部具有连通所述外壳和所述内腔体的孔隙，所述热敏层处于第二形态时，所述外壳和所述内腔体之间互不连通；
所述内腔体内部注入有电解液，所述外壳和内腔体之间形成补液腔，所述补液腔中也注入有电解液。
在本发明的一个实施例中，所述内腔体的腔壁上部和/或下部设置有所述薄膜部。
在本发明的一个实施例中，所述内腔体的腔壁上具有多个分散布置的薄膜部。
在本发明的一个实施例中，所述内腔体呈矩形，所述内腔体的拐角处均设置有所述薄膜部。
在本发明的一个实施例中，所述内腔体的内侧贴附有吸液膜层，所述吸液膜层的上部用于和内腔体内部的电芯顶端相接触。
在本发明的一个实施例中，所述吸液膜层完全覆盖整个内腔体的内侧。
在本发明的一个实施例中，所述内腔体的内侧分区域设置有多个所述吸液膜层，至少一个吸液膜层位于薄膜部所在内腔体区域的内侧。
在本发明的一个实施例中，当达到预设温度，所述热敏层从第二形态转变为第一形态，所述预设温度为35℃～45℃。
在本发明的一个实施例中，所述热敏层采用热敏凝胶或热敏涂层。
在本发明的一个实施例中，所述补液腔中电解液和内腔体中电解液的质量比为0.05 ～0.2。
本发明还公开了一种电池，包括上述任一项所述的壳体，所述内腔体内容置有电芯。
在本发明的一个实施例中，所述外壳和内腔体均呈矩形。
在本发明的一个实施例中，所述电芯长度与内腔体长度的比值为85%～95%；和/或
所述电芯宽度与内腔体宽度的比值为85%~95%；和/或
所述电芯长度与外壳长度的比值为80%~94%；和/或
所述电芯宽度与外壳宽度的比值为85%~94%。
本发明还公开了一种用电设备，包括上述任一项所述的电池。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的壳体、电池和用电设备，可以在电池循环后期，有效进行电解液的补充，使得补充的电解液能够被电芯均匀的浸润，保证了电芯的吸液均匀性，提高了补液质量。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的电池结构的一实施例的俯视结构示意图；
图2是图1中结构的另一角度的结构示意图；
图3是图1中电池中壳体结构的布置示意图；
图4是电池中内腔体的一种布置方式的示意图；
图5是电池中内腔体另一种布置方式的示意图；
图6是在内腔体的腔壁上部设置薄膜部的示意图；
图7是在内腔体的腔壁下部设置薄膜部的示意图；
图8是在内腔体的腔壁分散布置多个薄膜部的示意图；
图9是在内腔体的拐角布置薄膜部的示意图；
图10是在内腔体内侧设置吸液膜层的示意图；
图11是图10所示结构的俯视示意图；
说明书附图标记说明：1、电芯；2、外壳；3、内腔体；31、薄膜部；4、补液腔；5、隔板；6、注液孔；7、极耳；8、吸液膜层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
现有技术中电池循环后期电解液的补液质量不佳，无法很好地保证电池质量，本实施例提供一种壳体、电池及用电设备。其中，电池用于为用电设备供电。
本实施例的用电设备，包括电池。用电设备可以是汽车、手机、便携式设备、笔记本电脑、轮船、航天器、电动玩具和电动工具等等。汽车可以是燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车，新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等；航天器包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等；电动玩具包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等；电动工具包括金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具，例如，电钻、电动砂轮机、电动扳手、电动螺丝刀、电锤、冲击电钻、混凝土振动器和电刨等等。本申请实施例对上述用电设备不做特殊限制。
本实施例的电池，包括壳体、电芯和顶盖，顶盖密封壳体的开口，并与壳体之间形成有容置空间，电芯设置于容置空间内。
本实施例的壳体，可以为一侧开口的空心结构，也可以是两侧开口的空心结构。
本实施例的电芯，包括正极极片、负极极片和隔膜。正极极片包括正极集流体和正极活性物质层，正极活性物质层涂覆于正极集流体的表面；正极集流体包括正极涂覆区和连接于正极涂覆区的正极极耳，正极涂覆区涂覆有正极活性物质层，正极极耳未涂覆正极活性物质层。负极极片包括负极集流体和负极活性物质层，负极活性物质层涂覆于负极集流体的表面；负极集流体包括负极涂覆区和连接于负极涂覆区的负极极耳，负极涂覆区涂覆有负极活性物质层，负极极耳未涂覆负极活性物质层。以锂离子电池为例，正极集流体的材料可以为铝，正极活性物质层包括正极活性物质，正极活性物质可以为钴酸锂、磷酸铁锂、三元锂或锰酸锂等。负极集流体的材料可以为铜，负极活性物质层包括负极活性物质，负极活性物质可以为碳或硅等。隔膜的材质可以为PP(polypropylene，聚丙烯)或PE(polyethylene，聚乙烯)等。为对电芯起到防护和绝缘作用，还可以在电芯外部包覆绝缘膜，绝缘膜可由PP、PE、PET、PVC或其它高分子聚合物材料合成。
以下将结合图1-图11，对本实施例的壳体结构作进一步描述。
需要说明的是，热敏凝胶和热敏涂层均是具有温敏性质的材料，热敏凝胶可以为聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）、聚N-乙烯基异丁酰胺（PNVIBA）、聚氧化乙烯醚或纤维素共聚物等凝胶。热敏涂层则是指含有热敏颗粒或热敏粉末的涂层。
实施例一
参阅图1-图3，本实施例公开了一种壳体，包括外壳2和内腔体3；
内腔体3位于外壳2内部，内腔体3的腔壁上具有薄膜部31，薄膜部31上连接有热敏层，热敏层具有第一形态和第二形态，热敏层处于第一形态时，热敏层所在的薄膜部31具有连通外壳2和内腔体3的孔隙，热敏层处于第二形态时，外壳2和内腔体3之间互不连通；
内腔体3内部注入有电解液，外壳2和内腔体3之间形成补液腔4，补液腔4中也注入有电解液。
上述内腔体3的腔壁可以整体采用柔性薄膜（例如聚乙烯膜、聚丙烯膜等）制成，此时在柔性薄膜的部分位置连接热敏层而形成上述薄膜部31，内腔体3的腔壁也可以大体采用金属或塑料制成，并在腔壁的部分位置设置柔性薄膜，并在该柔性薄膜处连接热敏层而形成上述薄膜部31。
上述结构的工作原理为：由于薄膜部31是具有热敏层的部件，热敏层会根据温度变化而产生变形从而引起对应薄膜部31的孔隙变化，当温度小于其预设温度（形变临界温度）时，热敏层不发生变形，此时，热敏层处于第二形态，薄膜部31隔断补液腔4和内腔体3，补液腔4和内腔体3之间不导通；当温度大于或等于预设温度时，热敏层发生变形，此时，热敏层处于第一形态，热敏层形变拉扯该处的薄膜部31使其孔隙变大，从而使得补液腔4和内腔体3之间相互导通，补液腔4中的电解液会经由薄膜部31的孔隙进入内腔体3内部，从而实现补液。
上述结构通过热敏层的变形来实现外壳2和内腔体3之间的导通或封闭，在电池循环后期，由于电池极化增大，使得内阻增大，电池在放电过程中便会释放越来越多的热量，当温度增大到热敏层的形变温度时，薄膜部31的热敏层会发生形变，从而使得引起薄膜部31孔隙的变化，最终使得补液腔4中的电解液流入内腔体3中而实现补液。
由于薄膜部31所在位置就是补液进口，因此通过薄膜部31位置的控制，就可以精确控制补液时的进液位置，使得补充的电解液能够被电芯1均匀浸润，提高补液质量。
另外，通过设置具有热敏层的薄膜部31来实现补液，也最大程度地减少了对原有电池结构的破坏程度，更利于加工和布置。
可以理解地，补液腔4和内腔体3上均设置有注液孔6，以便于在腔体中预先注入电解液。
上述内腔体3可以为多种形式：如图4-图5所示，可在外壳2内部设置隔板5，隔板5将外壳2分隔为补液腔4和内腔体3，隔板5本身则作为了内腔体3的腔壁；或者，如图1所示，内腔体3呈整体闭环结构而置于外壳2内部，内腔体3的四周的腔壁和外壳2之间形成补液腔4。
在本实施例中，如图6所示，薄膜部31设置在内腔体3的腔壁上部；或者，如图7所示，薄膜部31设置在内腔体3的腔壁下部；或者，内腔体3的腔壁上部和下部均设置薄膜部31。
由于极耳7位于电芯1上层，极耳7过流时温度相较于下层电芯1温度较高，利用这种特性，可以灵活选择具有不同形变临界温度的热敏层进行布置，例如，电芯1上层温度较下层温度高5℃，那么在内腔体3的腔壁上部的薄膜部31所对应的热敏层的形变临界温度可以设置为45℃，在内腔体3的腔壁下部的薄膜部31所对应的热敏层的形变临界温度可以设置为40℃。
将薄膜部31设置在内腔体3的腔壁下部，可以使得补液腔4中的电解液完全进入内腔体3中，实现完全补液；而将薄膜部31设置在内腔体3的腔壁上部，使得薄膜部31离极耳7较近，可以在温升时及时触发薄膜部31上的热敏层形变，从而提升了补液及时性。
试验表明，对于上述在内腔体3的腔壁上部设置具有热敏层的薄膜部31的壳体结构，在常温1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达2300次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达1900次；而对于常规的无补液结构的电池，在常温1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为1500次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为800次，由此可见，具备本实施例的壳体结构的电池，相较于常规电池来说，电池充放电循环次数和使用寿命都得以大大提升。
对于上述在内腔体3的腔壁下部设置具有热敏层的薄膜部31的壳体结构，在常温1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达2400次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达1800次；而对于常规的无补液结构的电池，在常温1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为1500次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为800次，由此可见，具备本实施例的壳体结构的电池，相较于常规电池来说，电池充放电循环次数和使用寿命都得以大大提升。
在其中一个实施方式中，当达到预设温度（形变临界温度），热敏层从第二形态转变为第一形态，预设温度为35℃～45℃。
例如，电池通常储存于常温25℃环境下，而电池充放电产生的温升一般为5~15℃，若温度升温到40℃时，热敏层则会从第二形态转变为第一形态，此时补液腔4和内腔体3之间相互导通，补液腔4内的电解液会通过薄膜部31进入内腔体3中，实现补液。
在其中一个实施方式中，热敏层采用热敏凝胶或热敏涂层。
热敏层可以通过涂覆或粘结方式连接在薄膜部31上。
热敏凝胶可采用厂家Sigma-Aldrich ，CAS 号为“25189-55-3”的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）。
聚N-异丙基丙烯酰胺是一种良好的热敏高分子材料，其分子结构可与其他高分子材料交联形成新体系，体系温度高于其临界温度时，PNIPAAm支链收缩，热敏层所在的薄膜部31孔隙变大而使得电解液从孔隙中通过，当体系温度低于其临界温度时，PNIPAAm支链舒展，薄膜部31的孔隙被封堵。
热敏涂层则是指含有热敏颗粒或热敏粉末的涂层，可以涂覆在薄膜部31上，在温度变化下，热敏涂层会引发薄膜部31的膨胀或收缩，从而控制薄膜部31的孔隙变化。
在其中一个实施方式中，补液腔4中电解液和内腔体3中电解液的质量比为0.05～0.2，以保证补液效果的同时，也不会造成电解液的浪费，同时也避面补液腔4中电解液过多而使得电池重量过大的问题。
本实施例还公开了一种电池，包括上述任一项所述的壳体，内腔体3内部容置有电芯1。
在其中一个实施方式中，外壳2和内腔体3均呈矩形。
在其中一个实施方式中，电芯1长度与内腔体3长度的比值为85%～95%，以使得长度方向上，电芯1和内腔体3之间具备足够的容置电解液的间隙，同时也更利于电芯1的安装。
在其中一个实施方式中，电芯1宽度与内腔体3宽度的比值为85%～95%，以使得宽度方向上，电芯1和内腔体3之间具备足够的容置电解液的间隙，同时也更利于电芯1的安装。
在其中一个实施方式中，电芯1长度与外壳2长度的比值为80%～94%，以保证补液腔4具备一定的长度空间来容置足够的电解液，同时也更利于补液腔4的设置和布局。
在其中一个实施方式中，电芯1宽度与外壳2宽度的比值为85%～94%，以保证补液腔4具备一定的宽度空间来容置足够的电解液，同时也更利于补液腔4的设置和布局。
上述实施例的电池结构，可以在电池循环后期，有效进行电解液的补充，同时可以精确控制补液位置，使得电芯吸液更加均匀，很好地保证了补液质量，通过补充的电解液，可以有效减缓内腔体内部电解液中的锂离子浓度的降低速率，从而减缓电池容量的下降速率，保证了电池使用寿命。
实施例二
如图8所示，本实施例和实施一的主要区别在于：内腔体3的腔壁上具有多个分散布置的薄膜部31。
本实施例中薄膜部31呈分散布置，可以根据分散布置面积决定补液流速，能够更好地保证补液均匀性和稳定性。
试验表明，对于上述在内腔体3的腔壁上分散布置多个薄膜部31的壳体结构，在常温1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达2000次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达1200次；而对于常规的无补液结构的电池，在常温1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为1500次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为800次，由此可见，具备本实施例的壳体结构的电池，相较于常规电池来说，电池充放电循环次数和使用寿命都得以大大提升。
上述实施例的电池结构，可以在电池循环后期，有效进行电解液的补充，同时可以精确控制补液位置，使得电芯吸液更加均匀，很好地保证了补液质量。
实施例三
如图9所示，本实施例和实施例一的主要区别在于：内腔体3呈矩形，内腔体3的拐角处均设置有薄膜部31，该设置方式可以更好地提升补液均匀性。
另外，由于拐角处可利用的空间较多，也更利于薄膜部31的布置。
试验表明，对于上述在内腔体3拐角处布置薄膜部31的壳体结构，在常温1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达2400次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对电池进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数高达1900次；而对于常规的无补液结构的电池，在常温1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为1500次，在40℃温度的1C放电倍率情况下对其进行充放电试验，电池容量保持率达到80%时的循环次数仅为800次，由此可见，具备本实施例的壳体结构的电池，相较于常规电池来说，电池充放电循环次数和使用寿命都得以大大提升。
上述实施例的电池结构，可以在电池循环后期，有效进行电解液的补充，同时可以精确控制补液位置，使得电芯吸液更加均匀，很好地保证了补液质量。
实施例四
如图10-图11所示，本实施例和实施例一的区别在于：内腔体3的内侧贴附有吸液膜层8，吸液膜层8的上部用于和内腔体3内部的电芯1顶端相接触。
吸液膜层8具有吸液作用，通过吸液膜层8的设置，使得从薄膜部31的孔隙中流出的电解液能够及时地被吸液膜层8运输至电芯1上端，从而保证电芯1从上到下都能被充分均匀的浸润。提高了电芯1对电解液浸润的充分性和均匀性。
在其中一个实施方式中，吸液膜层8完全覆盖整个内腔体3的内侧，该方式更利于吸液膜层8的布置。
在其中一个实施方式中，内腔体3的内侧分区域设置有多个吸液膜层8，至少一个吸液膜层8位于薄膜部31所在内腔体3区域的内侧；
也即，至少存在一处区域，吸液膜层8和薄膜部31是正对的，以使得该处吸液膜层8可以直接地吸收薄膜部31处渗透的电解液并进行运输；而其他区域与薄膜部31非正对的吸液膜层8，则在补充电解液进入内腔体3后，吸收已经存在于内壳中的电解液并向上运输。
分区域布置的多个吸液膜层8可以为条状或其他形状，具体形状不做限定。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (14)
1.一种壳体，其特征在于：包括，
外壳(2)；
内腔体(3)，所述内腔体(3)位于所述外壳(2)内部，所述内腔体(3)的腔壁上具有薄膜部(31)，所述薄膜部(31)上连接有热敏层，所述热敏层具有第一形态和第二形态，所述热敏层处于第一形态时，热敏层所在的薄膜部(31)具有连通所述外壳(2)和所述内腔体(3)的孔隙，所述热敏层处于第二形态时，所述外壳(2)和所述内腔体(3)之间互不连通；
所述内腔体(3)内部注入有电解液，所述外壳(2)和内腔体(3)之间形成补液腔(4)，所述补液腔(4)中也注入有电解液。
2.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于：所述内腔体(3)的腔壁上部和/或下部设置有所述薄膜部(31)。
3.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于：所述内腔体(3)的腔壁上具有多个分散布置的薄膜部(31)。
4.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于：所述内腔体(3)呈矩形，所述内腔体(3)的拐角处均设置有所述薄膜部(31)。
5.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于：所述内腔体(3)的内侧贴附有吸液膜层(8)，所述吸液膜层(8)的上部用于和内腔体(3)内部的电芯(1)顶端相接触。
6.根据权利要求5所述的壳体，其特征在于：所述吸液膜层(8)完全覆盖整个内腔体(3)的内侧。
7.根据权利要求5所述的壳体，其特征在于：所述内腔体(3)的内侧分区域设置有多个所述吸液膜层(8)，至少一个吸液膜层(8)位于薄膜部(31)所在内腔体(3)区域的内侧。
8.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于：当达到预设温度，所述热敏层从第二形态转变为第一形态，所述预设温度为35℃～45℃。
9.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于：所述热敏层采用热敏凝胶或热敏涂层。
10.根据权利要求1所述的壳体，其特征在于：所述补液腔(4)中电解液和内腔体(3)中电解液的质量比为0.05 ～0.2。
11.一种电池，其特征在于：包括如权利要求1-10任一项所述的壳体，所述内腔体(3)内容置有电芯(1)。
12.根据权利要求11所述的电池，其特征在于：所述外壳(2)和内腔体(3)均呈矩形。
13.根据权利要求12所述的电池，其特征在于：所述电芯(1)长度与内腔体(3)长度的比值为85%～95%；和/或
所述电芯(1)宽度与内腔体(3)宽度的比值为85%～95%；和/或
所述电芯(1)长度与外壳(2)长度的比值为80%～94%；和/或
所述电芯(1)宽度与外壳(2)宽度的比值为85%～94%。
14.一种用电设备，其特征在于：包括如权利要求11-13任一项所述的电池。
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