CN1964126A - 锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子二次电池，包括电极芯、电解液、容纳电极芯和电解液的金属外壳以及连接电极芯电极引出端子的端盖组件，其特征在于，所述金属外壳含有多个相连通的内腔，每个内腔容纳有一个电极芯。

Description

锂离子二次电池
【技术领域】
本发明涉及一种锂离子二次电池，尤其涉及一种具有良好散热效果，机械、安全性能高且倍率性能优异的动力型锂离子二次电池。
【背景技术】
随着锂离子二次电池容量的不断提高，其比能量也越来越大，电池在充放电的使用过程中产生的热量也越来越多，因此从电池本身考虑，要求其能够及时地将内部产生的热量散发出去。但是，目前使用的锂离子二次电池外壳一般都是圆柱形或方形。壳体散热的表面积相对较小，在充电的过程中，特别是过充时，热量的散失速度远小于热量的产生速度，使电池内部温度急剧上升，影响电解液，正、负极活性物质及粘结剂的稳定性，甚至引发电池爆炸、起火等安全事故。
与其它二次电池相比，锂离子电池的内阻较高，因此在高倍率放电时电压急剧下降，放电时间大大缩短，电池容量大幅降低。而常规电极的低通导能力是造成锂离子二次电池内阻偏高的主要原因之一。目前，大多数商品锂离子二次电池均采用单个极耳作为电流引出方式，但是这样电流的导出和引入局限在有限的几个焊接点上，形成瓶颈，通导能力较低，且电池充放电过程中的电流分布不够均匀。
此外，现有电池极芯多为卷绕或者叠片结构的单极芯，然而在高容量、高功率电池领域，单极芯卷绕结构存在极片长，制片、卷绕难度大等缺点，单极芯叠片结构实际生产工艺复杂，制片及叠片难度大、成品率偏低的弊端。
综上所述，如何有效提高锂离子二次电池散热面积，以使电池达到良好的散热效果，提高电池安全性能；如何降低电池的内阻、提高电池的大电流放电性能；以及如何优化现有工艺，提高成品率、降低成本已成为提升动力型锂离子电池性能的重要问题。
【发明内容】
鉴于现有技术中存在的上述缺陷，本发明所解决的技术问题在于提供一种具有良好散热效果，且倍率性能优异的锂离子二次电池。
为实现上述目的，本发明提供一种锂离子二次电池，包括电极芯、电解液、容纳电极芯和电解液的金属外壳以及连接电极芯电极引出端子的端盖组件，其中，所述金属外壳含有多个相连通的内腔，每个内腔容纳有一个电极芯。
上述技术方案进一步改进为：
上述内腔为多边形柱体或圆柱体或椭圆形柱体结构。更进一步，金属外壳内壁为多个相互连通的圆柱体结构，金属外壳外壁为与内壁相应的多边形柱体或圆柱体或椭圆形柱体结构。
上述正多边形柱体选自为四边形柱体、五边形柱体、六边形柱体、七边形柱体、八边形柱体、十边形柱体和十二边形柱体中的任一种。
上述端盖组件包括密封金属外壳的盖板、与电极芯电极引出端子相连接的多个极柱和位于盖板与极柱之间的绝缘部件，各极柱通过金属连接块进行连接。
更进一步，所述端盖组件包括顶盖组件和底盖组件，所属金属外壳两端开口，顶盖组件包括密封金属外壳上端的上盖板、与电极芯正极引出端子相连接的多个正极柱和位于上盖板与正极柱之间的绝缘部件，各正极柱通过第一金属连接块进行连接；底盖组件包括密封金属外壳底端的下盖板、与电极芯负极引出端子相连接的多个负极柱和位于下盖板与负极柱之间的绝缘部件，各负极柱通过第二金属连接块进行连接。所述绝缘部件作用为防止极柱与盖板之间接触引起短路，并起到密封电池的作用。
所述金属外壳的盖板为与壳体内腔尺寸相匹配的多个多边形或圆形或椭圆形的板状结构。
所述极柱上有螺纹，盖板和金属连接块由极柱上的螺母紧固。
所述金属外壳的壁厚为0.1mm～5mm，优选为0.2～2mm。
所述金属外壳可以为铝合金、铜合金、或镍铬合金等材料。
所述电极芯包括正极、隔膜和负极，通过常规方式依次叠置构成卷绕状电极芯。
在本发明锂离子二次电池中，所述正极、负极、隔膜及电解液采用现有技术，没有特别的限定。
本发明的优点在于：
1.本发明锂离子二次电池在不影响电池内部使用空间的基础上，通过扩大电池壳体散热表面积，从而达到优良的散热效果；
2.金属外壳外壁为并排的多个圆形、椭圆形或多边形结构，这种结构形成的多个并排凹槽可起到加强筋的作用，防止电池因经受跌落、振荡等外力的冲击所造成的极芯窜动，正负极片损伤，从而达到较高的机械、安全性能。
3.顶盖组件和底盖组件分别含多个并排的极柱，电流导通的有效截面积较现有技术大，可有效改善电池倍率性能。
4.圆柱体壳内并排放置多个卷芯，将大容量电池进行了分解，避免了现有技术中“卷绕电池”的极片长、卷绕难度大和“叠片电池”的制片和叠片困难的缺点，制备工艺相对容易。
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
图1为本发明锂离子二次电池的结构示意图
图2、3、4、10为本发明锂离子二次电池外壳俯视图实施例
图5为现有技术圆柱形锂离子二次电池剖视图
图6为本发明实施例1锂离子二次电池过充试验温度及电压曲线图
图7为本发明实施例2锂离子二次电池过充试验温度及电压曲线图
图8为本发明实施例3锂离子二次电池过充试验温度及电压曲线图
图9为本发明比较例锂离子二次电池过充试验温度及电压曲线图
附图符号说明
1-极芯        2-金属外壳
3-顶盖组件    4-底盖组件
5-盖板        6-极柱
7-金属连接块  8-螺母
9-弹簧垫
【具体实施方式】
如图1，本发明二次电池由多个卷绕而成的电极芯1、电解液、金属外壳2和顶盖组件3、底盖组件4组成。
所述金属外壳2外壁俯视图为并排的多个圆形、椭圆形或多边形结构，优选圆形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、十边形、十二边结构，进一步优选为圆形(图2)、六边形(图3)、八边形(图4)结构；内壁可以为与外壁相同的形状，优选为圆柱体空腔，之间相互连通。
所述金属外壳每个内腔放置一个电极芯，各电极芯的正、负极引出端子通过焊接、铆接、螺栓连接等方式分别与顶盖组件3和底盖组件4相连。顶盖组件3和底盖组件4由盖板5、多个极柱6构成，各极柱通过金属连接块7进行连接，并通过螺母8和弹簧垫9将各极柱以及金属连接块固定在一起。
所述金属外壳的盖板5为与壳体内腔尺寸相匹配板状结构。
本发明的锂离子二次电池金属外壳并不局限于上述的正多边形柱体和圆柱体结构，还可以为椭圆形柱体和其他形状的柱体结构。
本发明的另一种事实方式为，在方矩形金属外壳内，有两排圆柱形空腔，空腔之间相互连通，每个空腔之内可放置一个电极芯。本发明的结构并不限于此，只要满足本发明构思都可以。
电池详细制备实施例如下：
实施例1
1、极芯制备：
正极片制备过程：将PVDF(聚偏二氟乙烯)溶解在NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，将LiCoO2和乙炔黑加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为LiCoO2∶乙炔黑∶PVDF(聚偏二氟乙烯)＝92∶4∶4。将该浆料均匀地涂布在20μm的铝箔上，于120℃下干燥。经裁切、压延后得到厚度为120μm的正极片。
负极片制备过程：将PVDF(聚偏二氟乙烯)溶解在NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，将人造石墨加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为人造石墨∶PVDF(聚偏二氟乙烯)＝95∶5。再将该浆料均匀地涂布在20μm的铜箔上，于120℃下干燥。经裁切、压延后得到厚度为120μm的负极片。
将上述正负极片与微孔性聚丙稀膜卷绕制得极芯1。
2、电池装配：
将卷绕而成的5个极芯1分别置入图2所示外壳内，该外壳外壁俯视图为并排的5个圆形结构，内壁为5个相互连通的圆柱体结构，壳体壁厚0.2mm。极芯的正、负极耳分别从壳体2的上端和下端引出，套上隔圈后分别焊接在顶盖组件3和底盖组件4上。装配好电池后，将LiPF6按1mol/dm3的浓度溶解在EC(碳酸乙烯酯)/DMC(碳酸二甲酯)＝1∶1的混合溶剂中形成的电解液注入电池壳内，密封，制成容量为15Ah的锂离子二次电池。
实施例2
采用与实施例1所述电池极芯及与实施例1类似的电池装配方法，只是外壳外壁俯视图为图3所示并排的5个六边形结构相互连通的圆柱体结构。
实施例3
采用与实施例1所述电池极芯及与实施例1类似的电池装配方法，只是外壳外壁俯视图为图4所示并排的5个八边形结构相互连通的圆柱体结构。
比较例
1、极芯制备：
正极片制备过程：将PVDF(聚偏二氟乙烯)溶解在NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，将LiCoO2和乙炔黑加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为LiCoO2∶乙炔黑∶PVDF(聚偏二氟乙烯)＝92∶4∶4。将该浆料均匀地涂布在20μm的铝箔上，于120℃下干燥。经裁切、压延后得到厚度为120μm的正极片。
负极片制备过程：将PVDF(聚偏二氟乙烯)溶解在NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，将人造石墨加入该溶液中，充分混合制成浆料，其组成为人造石墨∶PVDF(聚偏二氟乙烯)＝95∶5。再将该浆料均匀地涂布在20μm的铜箔上，于120℃下干燥。经裁切、压延后得到厚度为120μm的负极片。
将上述正负极片与微孔性聚丙稀膜卷绕制得电极芯。
2、电池装配：
按照现有技术方法，将卷绕而成的电极芯置入图5所示圆柱形外壳内。装配好电池后，将LiPF6按1mol/dm3的浓度溶解在EC(碳酸乙烯酯)/DMC(碳酸二甲酯)＝1∶1的混合溶剂中形成的电解液注入电池壳内，密封，制成容量为15Ah的锂离子二次电池。
【性能测试】
1、电池过充测试
在环境温度20±5℃条件下，将按实施例和比较例1制成的完全放电态锂离子二次电池以1C恒流充电到10V，装上热电偶测试电池表面温度。其表面温度和电压曲线分别如图6、
图7、图8和图9所示。
2、电池倍率性能测试：
倍率性能中，C10C/C0.5C：以10C的电流从4.2V放电至3.0V的放电容量与以0.5C的电流从4.2V放电至3.0V的放电容量的比值。
倍率性能中，C3C/C0.5C：以3C的电流从4.2V放电至3.0V的放电容量与以0.5C的电流从4.2V放电至3.0V的放电容量的比值。
大电流性能中，C1C/C0.5C：以1C的电流从4.2V放电至3.0V的放电容量与以0.5C的电流从4.2V放电至3.0V的放电容量的比值。
不同倍率电流放电性能测试结果如表1所示：
表1
C1C/C0.5C(％) C3C/C0.5C(％) C10C/C0.5C(％)
实施例1 99.6 91.1 87.2
实施例2 99.5 90.7 85.8
实施例3 99.8 91.4 86.2
比较例 99.2 77.3 62.5
3、电池抗机械冲击性能测试
将实施例及比较例电池以1C电流充电至4.2V，在电压升至4.2V后以恒定电压充电，截至电流减小到0.05C，再以0.5C的恒定电流放电100分钟，在冲击测试台上，以10G的峰值加速度将电池在三个垂直方向的正、反两面各冲击20次。记录电池短路发热的概率。测试后的电池以1CA电流放电至3.0V，检测内阻。测试结果如表2所示：
表2
冲击短路率 内阻突变率
实施例1 0 0
实施例2 0 0
实施例3 0 0.2％
比较例 1％ 2.5％
【效果】
如图6-图9，根据测试结果可见，比较例电池温度随电压增大急剧上升，由于热量集聚未及时散发出去，发生破裂，而本发明实施例锂离子二次电池温度随时间变化平缓，且过充试验中电池峰值温度小于85℃，具有良好的散热效果。
从表1可以看出，采用本发明所述顶盖组件和底盖组件分别含多个极柱的结构，电流导通的有效截面积较现有技术大，电池倍率性能明显改善。
从表2可以看出，采用本发明金属壳体结构形成的多个并排凹槽可起到加强筋的作用，防止电池因经受跌落、振荡等作用力的冲击所造成的短路、内阻突变等问题，机械、安全性能均优于传统结构的锂离子二次电池。

Claims (10)

1.一种锂离子二次电池，包括电极芯、电解液、容纳电极芯和电解液的金属外壳以及连接电极芯电极引出端子的端盖组件，其特征在于，所述金属外壳含有多个相连通的内腔，每个内腔容纳有一个电极芯。
2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述内腔为多边形柱体或圆柱体或椭圆形柱体结构。
3.根据权利要求2所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述金属外壳内壁为多个相互连通的圆柱体结构，金属外壳外壁为与内壁相应的多边形柱体或圆柱体或椭圆形柱体结构。
4.根据权利要求2或3所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述多边形柱体选自为四边形柱体、五边形柱体、六边形柱体、七边形柱体、八边形柱体、十边形柱体和十二边形柱体中的任一种。
5.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述端盖组件包括密封金属外壳的盖板、与电极芯电极引出端子相连接的多个极柱和位于盖板与极柱之间的绝缘部件，各极柱通过金属连接块进行连接。
6.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述端盖组件包括顶盖组件和底盖组件，所属金属外壳两端开口，顶盖组件包括密封金属外壳上端的上盖板、与电极芯正极引出端子相连接的多个正极柱和位于上盖板与正极柱之间的绝缘部件，各正极柱通过第一金属连接块进行连接；底盖组件包括密封金属外壳底端的下盖板、与电极芯负极引出端子相连接的多个负极柱和位于下盖板与负极柱之间的绝缘部件，各负极柱通过第二金属连接块进行连接。
7.根据权利要求5或6所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述极柱上有螺纹，盖板和金属连接块由极柱上的螺母紧固。
8.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述金属外壳的壁厚为0.1mm～5mm。
9.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述金属外壳的壁厚为0.2mm～2mm。
10.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于，所述金属外壳为铝合金、铜合金、或镍铬合金材料。
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