CN117691296B - 电芯及电池包 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池技术领域，公开了电芯及电池包，电芯包括壳体、极组、盖板和防爆阀。壳体的至少一端敞口设置；极组设于壳体内；盖板设于壳体的敞口端；防爆阀包括刻痕，刻痕的半径为R，刻痕的长度占刻痕所在圆的周长的比值为X，0.5≤X≤0.95；防爆阀的开启压力P采用以下公式计算：，其中，h为刻痕的残厚，τ为设有防爆阀的材料的剪切强度。本发明能够确保防爆阀在要求的气压下正常开启，满足电芯失控时开启的防爆压力，提高电芯的安全性。

Description

电芯及电池包

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及电芯及电池包。

背景技术

随着锂离子电池技术的日益成熟，锂离子电池作为动力电池广泛应用于电动汽车和储能领域中，人们对锂离子电池的使用性能及安全性要求日益升高。

防爆阀的结构设计在电芯安全防控中起到至关重要的作用。当电芯发生热失控时，电芯内部会产生高压气体，通过防爆阀开启泄压。

而传统的电芯的防爆阀的设计形式往往出现无法满足开启压力的要求的情况，要么在设计压力下防爆阀还未开启，电芯内部的气体无法及时排出泄压，使得热失控蔓延，甚至导致起火爆炸，导致电芯安全性差；要么防爆阀提前开启，使得电芯提前报废失效，影响电芯使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电芯及电池包，以解决电芯的防爆阀和电芯设计开启压力不匹配导致电芯安全性差以及影响电芯使用寿命的问题。

第一方面，本发明提供了一种电芯，包括壳体、极组、盖板和防爆阀。壳体的至少一端敞口设置；极组设于壳体内；盖板设于壳体的敞口端；防爆阀位于壳体和/或盖板，壳体和/或盖板设有防爆阀，防爆阀包括刻痕，刻痕的半径为R，单位为“mm”，刻痕的长度占刻痕所在圆的周长的比值为X，0.5≤X≤0.95；采用以下公式计算防爆阀的开启压力P：

其中，h为刻痕的残厚，单位为“mm”，τ为防爆阀的材料的剪切强度，单位为“Mpa”。

有益效果：通过将刻痕的长度占刻痕所在圆的周长的比值X控制在0.5至0.95的范围内，能够确保防爆阀在要求的气压下正常开启，保证电芯的安全性能；同时，利用上述的公式可设计不同刻痕的长度和刻痕的残厚，满足电芯失控时开启的防爆压力，提高电芯的安全性。

在一种可选的实施方式中，防爆阀的材料的剪切强度τ的范围是τ≥30MPa；和/或，刻痕的残厚h的范围为：h≥0.045mm；和/或，刻痕的半径R的范围为：2mm≤R≤50mm。

有益效果：将材料的剪切强度τ、刻痕的残厚h以及刻痕的半径R控制在上述范围内，能够保证防爆阀的安全性。

在一种可选的实施方式中，防爆阀设计值为：P±P₁MPa，P₁的取值范围是0.1 MPa ~0.3 MPa，P的取值范围是0.6 MPa ~3 MPa；根据电池的材料体系的不同，防爆阀的开启压力P的取值不同，包括：

材料体系为LFP，P的取值为0.6 MPa或0.9 MPa；

材料体系为三元，P的取值为0.9 MPa、1.2 MPa或2.0 MPa；

材料体系为磷酸锰铁锂，P的取值范围为0.9 MPa ~1.2 MPa；

材料体系为无钴，P的取值为0.9 MPa；

材料体系为钠电，P的取值为0.9 Mpa。

在一种可选的实施方式中，根据电解液的状态的不同，防爆阀的开启压力P的取值不同，包括：

电解液为固态，P的取值范围为0 MPa ＜P≤0.3 MPa；

电解液为半固态，P的取值范围为0.1 MPa ~0.4 MPa。

有益效果：针对不同材料体系或状态，防爆阀的开启压力P取不同值或不同范围的值，能够适应不同材料特性，且保证电池的安全性。

在一种可选的实施方式中，盖板或壳体设有安装孔；电芯还包括集流盘，集流盘设于极组和盖板之间，或集流盘设于极组和壳体之间，集流盘的第一端面和极组的极耳导电连接，防爆阀设于集流盘的第二端面，且防爆阀通过安装孔外露。

有益效果：将防爆阀集成于集流盘，且在集流盘与电芯盖板或与壳体装配的状态下，防爆阀外露，保证防爆阀能够正常开启泄压，本发明将防爆阀与集流盘集成一体，减少了零部件数量，进而减小了装配工序，有利于提高电芯的生产效率。

在一种可选的实施方式中，集流盘包括集流盘本体，集流盘本体设有凸台，凸台穿设于安装孔，防爆阀设于凸台的端面。

有益效果：通过在集流盘本体上设置凸台，能够增强集流盘的强度，从而提高集流盘的过流能力，减少产热。将防爆阀集成于集流盘，且在集流盘与电芯盖板或与壳体装配的状态下，防爆阀外露，保证防爆阀能够正常开启泄压，本发明在通过凸台增加集流盘强度的同时，将防爆阀与集流盘集成一体，减少了零部件数量，进而减小了装配工序，有利于提高电芯的生产效率。

在一种可选的实施方式中，凸台的端面凸出于集流盘本体表面的高度为H，H≥1.2mm。

有益效果：这样既能保证集流盘具有较大的强度和刚度，同时，满足集流盘和电芯的盖板装配时，设于凸台的端面上的防爆阀能够显露在外，不被遮挡，保证在电芯发生热失控时开启泄压，保证电池的安全性。

在一种可选的实施方式中，凸台为中空结构；和/或，凸台设于集流盘本体的中部，集流盘本体围绕凸台间隔设有多个镂空结构。

有益效果：由于凸台为中空结构，能够在提升集流盘整体的强度的同时，满足电芯的轻量化设计。通过围绕凸台设置多个镂空结构，能够减小集流盘的重量，满足电芯的轻量化设计。

在一种可选的实施方式中，位于镂空结构两侧相邻的集流盘本体之间连接有加强筋。

有益效果：通过设置加强筋，将在镂空结构两侧相邻的集流盘本体连接，能够提升集流盘本体的强度和刚度。

在一种可选的实施方式中，加强筋为板状结构，加强筋的厚度为B，集流盘本体的厚度为T，则，0.2T≤B≤2T。

有益效果：加强筋设为板状结构，能够适应集流盘的结构。将加强筋的厚度B控制在大于0.2T和小于2T的范围内，能够提升集流盘本体的强度。

在一种可选的实施方式中，加强筋开设有至少一个过流孔。

有益效果：通过在加强筋上设置过流孔，过流孔可以用于电解液的渗入极组，防止电解液在加强筋上堆积，保证电解液的有效利用，以满足电芯的高倍率过流要求，进而保证电池的循环寿命。

第二方面，本发明还提供了一种电池包，包括以上技术方案中任一项的电芯。

有益效果：因为电池包包括电芯，具有与电芯相同的效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种集流盘的第一视角的结构示意图；

图2为图1所示的集流盘的第二视角的结构示意图；

图3为图1所示的集流盘的俯视图；

图4为沿图3中A-A处的剖视图；

图5为刻痕为非全圆周的防爆阀的结构示意图；

图6为图5所示的防爆阀的防爆区域面积的示意图；

图7为图1所示的集流盘和圆柱电池的盖板装配后的结构示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为沿图8中B-B处的剖视图；

图10为图1所示的集流盘和方壳电池的盖板装配后的结构示意图；

图11为图10中的局部放大图。

附图标记说明：

10、集流盘；1、集流盘本体；11、凸台；2、防爆阀；21、刻痕；3、加强筋；4、过流孔；20、盖板；201、安装孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例除了要解决背景技术中提出的电芯的防爆阀和电芯设计开启压力不匹配导致电芯安全性差以及影响电芯使用寿命的问题外，进一步要解决以下技术问题。

圆柱电池是一种常见的电池类型，包括正负极集流盘。集流盘是圆柱电池中起到关键作用的部分，它们分别连接正负极材料，使电流能够从电池中流出或流入。正负极集流盘的作用在于提供电流的导通路径，确保电池正常工作。

传统的圆柱电池一般采用在卷芯内部焊接金属片的方式实现电流的传递。

由于采用卷绕工艺，焊接的金属片相对较为薄弱，导致过流能力不足，产热大。此外，圆柱电池的防爆阀一般设置在电池盖板上，电池盖板和集流盘连接，零部件多，装配工序多，不利于提高电池的生产效率。

下面结合图1至图11，描述本发明的实施例。

根据本发明的实施例，第一方面，提供了电芯，包括壳体、极组、盖板20和防爆阀2。壳体的至少一端敞口设置；极组设于壳体内；盖板20设于壳体的敞口端；防爆阀2位于壳体和/或盖板20，防爆阀2包括刻痕21，刻痕21的半径为R，单位为“mm”，刻痕21的长度占刻痕21所在圆的周长的比值为X，0.5≤X≤0.95；采用以下公式计算防爆阀2的开启压力P：

其中，h为刻痕21的残厚，单位为“mm”，τ为防爆阀2的材料的剪切强度，单位为“Mpa”。

通过将刻痕21的长度占刻痕21所在圆的周长的比值X控制在0.5至0.95的范围内，能够确保防爆阀2在要求的气压下正常开启，保证电芯的安全性能；同时，利用上述的公式可设计不同刻痕21的长度和刻痕21的残厚，满足电芯失控时开启的防爆压力，提高电芯的安全性。

可以理解的是，当X=0.5时，防爆阀2的刻痕21为半圆周长；当X=1时，防爆阀2的刻痕21为全圆周长。防爆阀2通过采用刻痕21的形式，结构简单，易于加工。在防爆区域，刻痕21处的强度明显小于刻痕21周边区域的强度，因此，在电芯发生热失控时，在气压作用下，防爆区域会从刻痕21处裂开，起到开启泄压。X小于0.5时，防爆阀2因刻痕21太短导致无法正常开启，安全性差；当X大于0.95时，防爆阀2易与材料分离，影响电池安全。因此，将刻痕21的长度占刻痕21所在圆的周长的比值X控制在0.5至0.95的范围内满足电池安全性要求。

在一个实施例中，如图5所示，防爆阀2的刻痕21为非全周长。其防爆区域的面积S如图6所示。非全周长的刻痕21的长度要大于防爆区域全周长的一半，这样，能够确保防爆阀2在要求的气压下正常开启，保证电芯的安全性能。

对于防爆阀2的开启压力P的计算，其中，刻痕21的残厚h是指防爆区域进行刻痕21后，刻痕21处残余的厚度。利用上述的公式可设计不同刻痕21的长度和刻痕21的残厚h，满足电芯失控时开启的防爆压力。开启压力P可以视具体的材料体系而确定。

当刻痕21的长度占刻痕21所在圆的周长的比值X 不满足上述条件，即0≤X≤0.5时，采用以下公式计算防爆阀2的开启压力P：

其中，h为刻痕21的残厚，τ为设有防爆阀2的材料的剪切强度。

在一个实施例中，材料的剪切强度τ的范围为：τ≥30MPa；和/或，刻痕21的残厚h的范围为：h≥0.045mm；和/或，刻痕的半径R的范围为：2mm≤R≤50mm。

将材料的剪切强度τ、刻痕21的残厚h以及刻痕的半径R控制在上述的范围内，能够保证防爆阀2的安全性。

在一个实施例中，防爆阀2设计值为：P±P₁MPa，P₁的取值范围是0.1 MPa ~0.3MPa，P的取值范围是0.6 MPa ~3 MPa；具体的，根据电池的材料体系的不同，防爆阀2的开启压力P的取值不同，包括：

材料体系为LFP，P的取值为0.6 MPa或0.9 MPa；

材料体系为三元，P的取值为0.9 MPa、1.2 MPa或2.0 MPa；

材料体系为磷酸锰铁锂，P的取值范围为0.9 MPa ~1.2 MPa；

材料体系为无钴，P的取值为0.9 MPa；

材料体系为钠电，P的取值为0.9 Mpa。

根据电解液的状态的不同，防爆阀2的开启压力P的取值不同，包括：

电解液为固态，P的取值范围为0 MPa＜P≤0.3 MPa；

电解液为半固态，P的取值范围为0.1 MPa ~0.4 MPa。

针对不同材料体系或状态，防爆阀2的开启压力P取不同值或不同范围的值，能够适应不同材料特性，且保证电池的安全性。

以下提供二十五个实验组进行爆破测试，测试结果如下表：

表一：

由表一中实施案例一和实施案例二的对比可知，刻痕21的长度占刻痕21所在圆的周长的比值X小于0.5，由于防爆阀2刻痕21过短，防爆阀2部分开启，电池安全性过低。因此，刻痕21的长度占刻痕21所在圆的周长的比值X的范围是：0.5≤X≤0.95。

由表一中实施案例三和实施案例四的对比可知，防爆阀2的刻痕21的残厚h过小，防爆阀2易于开启，安全性过低。

表二：

由表二中实施案例六至实施案例十的对比可知，材料强度τ过小，防爆阀2易于开启，安全性过低。

表三：

由表三中实施案例十一至实施案例十五的对比可知，防爆阀2的刻痕21的残厚h过小，防爆阀2易于开启，安全性过低；防爆阀2的刻痕21的残厚h过大，防爆阀2不易开启，安全性过低。

对上述案例进行综合分析可知：

实施案例一、二、三、五、六、七、十六、十七表明，刻痕21的长度占刻痕21所在圆的周长的比值，X过小，会影响防爆阀2的安全性能，X过大，防爆阀2会与材料脱开，即，当防爆阀2设于盖板20上时，防爆阀2容易与盖板20脱开，当防爆阀2设于壳体上时，防爆阀2易于与壳体脱开，影响电池包系统安全；

实施案例二、五、六、十四、十五、十六表明，防爆阀2面积，即防爆区域面积S过小会导致电池来不及排气，影响电池安全；

实施案例五、六、七、十、十一、十二、十三、十六表明，防爆阀2残厚h过大或过小会导致防爆阀2易于开启或难以开启，影响电池安全；

实施案例六、七、八、九、十表明，材料的剪切强度τ过低会影响防爆阀2的安全性。

具体的，对于不同类型的电芯，防爆阀2设置的位置包括以下几种情况：

在一个实施例中，电芯为圆柱电芯，圆柱电芯包括筒状的壳体，壳体的两端贯穿，且分别设有正极盖板、负极盖板，防爆阀2可设于壳体上，也可以设于正极盖板上，或设于负极盖板上。

在一个实施例中，电芯为圆柱电芯，圆柱电芯包括筒状的壳体，壳体的负极端敞口设置，壳体的负极端连接有负极盖板，壳体的正极端半封闭，壳体的正极端面设有通孔，通孔内安装有正极极柱，防爆阀设于正极极柱外围的壳体的正极端面上。

在一个实施例中，电芯为方形电芯，方形电芯包括方形带空腔的壳体，壳体的一端封闭，另一端设置盖板。防爆阀2设于壳体的任意位置，防爆阀2还可以设于方形电芯的盖板上，如图10所示。

在一个实施例中，盖板20或者壳体设有安装孔201；电芯还包括集流盘10，集流盘10设于极组和盖板20之间，或集流盘10设于极组和壳体之间，集流盘10的第一端面和极组的极耳导电连接，防爆阀2设于集流盘10的第二端面，且防爆阀2通过安装孔201外露。

将防爆阀2集成于集流盘10，且在集流盘10与电芯盖板20或与壳体装配的状态下，防爆阀2外露，保证防爆阀2能够正常开启泄压，本发明将防爆阀2与集流盘10集成一体，减少了零部件数量，进而减小了装配工序，有利于提高电芯的生产效率。

在一个实施例中，集流盘10包括集流盘本体1，集流盘本体1设有凸台11，凸台11穿设于安装孔201，防爆阀2设于凸台11的端面。

通过在集流盘本体1上设置凸台11，能够增强集流盘10的强度，从而提高集流盘10的过流能力，减少产热。将防爆阀2集成于集流盘10，且在集流盘10与电芯盖板20或与壳体装配的状态下，防爆阀2外露，保证防爆阀2能够正常开启泄压，本发明在通过凸台11增加集流盘10强度的同时，将防爆阀2与集流盘10集成一体，减少了零部件数量，进而减小了装配工序，有利于提高电芯的生产效率。

在一个实施例中，如图4所示，凸台11的端面凸出于集流盘本体1表面的高度为H，H≥1.2mm。

将凸台11的端面凸出于集流盘本体1表面的高度H控制在大于或等于1.2mm的范围内，这样既能保证集流盘10具有较大的强度和刚度，同时，满足集流盘10和电芯的盖板20装配时，设于凸台11的端面上的防爆阀2能够显露在外，不被遮挡，保证在电芯发生热失控时开启泄压，保证电池的安全性。

在一个实施例中，凸台11为中空结构；和/或，凸台11设于集流盘本体1的中部，集流盘本体1围绕凸台11间隔设有多个镂空结构。

由于凸台11为中空结构，能够在提升集流盘10整体的强度的同时，满足电芯的轻量化设计。通过围绕凸台11设置多个镂空结构，能够减小集流盘10的重量，满足电芯的轻量化设计。镂空结构的形状不限，包括但不限于扇形、矩形、波浪形或锯齿形。本实施例中，如图1所示，镂空结构的形状为扇形。

具体的，凸台11为中空结构包括有底壁和没有底壁，在一个实施例中，凸台11的底部敞口设置，即凸台11没有底壁，中空的内腔和凸台11的端面构成槽体结构。这样设置，能够进一步减小集流盘10的重量。

在一个实施例中，位于镂空结构两侧相邻的集流盘本体1之间连接有加强筋3。

通过设置加强筋3，将在镂空结构两侧相邻的集流盘本体1连接，能够提升集流盘本体1的强度和刚度。

在一个实施例中，如图4所示，加强筋3为板状结构，加强筋3的厚度为B，集流盘本体1的厚度为T，则，0.2T≤B≤2T。

加强筋3设为板状结构，能够适应集流盘10的结构。将加强筋3的厚度B控制在大于0.2T和小于2T的范围内，能够提升集流盘本体1的强度。

在一个实施例中，如图2或4所示，凸台11设于集流盘本体1的第二表面，加强筋3设于集流盘本体1的远离凸台11的第一表面，第二表面和第一表面背离。在图4中，第一表面为集流盘本体1的下表面，第二表面为集流盘本体1的上表面。

在一个实施例中，加强筋3开设有至少一个过流孔4。

通过在加强筋3上设置过流孔4，过流孔4可以用于电解液的渗入极组，防止电解液在加强筋3上堆积，保证电解液的有效利用，以满足电芯的高倍率过流要求，进而保证电池的循环寿命。

具体的，过流孔4的形状包括但不限于腰型孔、圆孔、三角形或矩形孔。本实施例中，如图1所示，过流孔4为腰型孔。另外，过流孔4的数量可以是一个，也可以是多个，此处不做限制。过流孔4的设置位置也不做限制。在一个实施例中，腰型孔围绕凸台11的周向等间隔设置。

在一个实施例中，集流盘10整体采用冲压成型，生产效率高。

此外，本实施例的电芯，包括圆柱电芯和方壳电芯，即，上述实施例提供的集流盘10，既可以与圆柱电芯的盖板20装配，如图7至图9所示，又可以与方壳电芯的盖板20装配，如图10和图11所示。

第二方面，本发明还提供了一种电池包，包括以上技术方案中任一项的电芯。

因为电池包包括电芯，具有与电芯相同的效果，在此不再赘述。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种电芯，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体的至少一端敞口设置；

极组，所述极组设于所述壳体内；

盖板，所述盖板设于所述壳体的敞口端；

防爆阀，所述防爆阀位于所述壳体和/或所述盖板，所述防爆阀包括刻痕，所述刻痕的半径为R，单位为“mm”，所述刻痕的长度占所述刻痕所在圆的周长的比值为X，0.5≤X≤0.95；所述防爆阀的开启压力P采用以下公式计算：

其中，h为所述刻痕的残厚，单位为“mm”，τ为所述防爆阀的材料的剪切强度，单位为“Mpa”；

所述防爆阀的材料的剪切强度τ的范围为：τ≥30Mpa；

所述刻痕的残厚h的范围为：h≥0.045mm；

所述刻痕的半径R的范围为：2mm≤R≤50mm。

2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，防爆阀设计值为：P±P₁MPa，P₁的取值范围是0.1 MPa ~0.3 MPa，P的取值范围是0.6 MPa ~3 MPa；根据电池的材料体系的不同，所述防爆阀的开启压力P的取值不同，包括：

材料体系为LFP，P的取值为0.6 MPa或0.9 MPa；

材料体系为三元，P的取值为0.9 MPa、1.2 MPa或2.0 MPa；

材料体系为磷酸锰铁锂，P的取值范围为0.9 MPa ~1.2 MPa；

材料体系为无钴，P的取值为0.9 MPa；

材料体系为钠电，P的取值为0.9 Mpa。

3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，

根据电解液的状态不同，所述防爆阀的开启压力P的取值不同，包括：

电解液为半固态，P的取值范围为0.303MPa~0.4 MPa。

4.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述盖板或所述壳体设有安装孔；所述电芯还包括集流盘，所述集流盘设于所述极组和所述盖板之间，或所述集流盘设于所述极组和所述壳体之间，所述集流盘的第一端面和所述极组的极耳导电连接，所述防爆阀设于所述集流盘的第二端面，且所述防爆阀通过所述安装孔外露。

5.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述集流盘包括集流盘本体，所述集流盘本体设有凸台，所述凸台穿设于所述安装孔，所述防爆阀设于所述凸台的端面。

6.根据权利要求5所述的电芯，其特征在于，所述凸台的端面凸出于所述集流盘本体的高度为H，H≥1.2mm。

7.根据权利要求5所述的电芯，其特征在于，所述凸台为中空结构；

和/或，所述凸台设于所述集流盘本体的中部，所述集流盘本体围绕所述凸台间隔设有多个镂空结构。

8.根据权利要求7所述的电芯，其特征在于，位于所述镂空结构两侧相邻的所述集流盘本体之间连接有加强筋；所述加强筋为板状结构，所述加强筋的厚度为B，所述集流盘本体的厚度为T，则，0.2T≤B≤2T。

9.根据权利要求8所述的电芯，其特征在于，所述加强筋开设有至少一个过流孔。

10.一种电池包，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电芯。