CN201562697U - 高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳 - Google Patents

Abstract

一种高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，所述外壳由金属箔片材料所制成，所述外壳具有连接接口，在外壳的连接接口内设置有聚合物，所述外壳的连接接口由所述聚合物热压密封；所述聚合物也是温度安全阀，代替了传统金属外壳的气压防爆阀，安全性能有显著提高。本实用新型的外壳材料用量少，生产设备和模具简单，生产过程中材料消耗和能量损耗小，降低了成本；并可量体裁衣制备电池，满足客户对各种电池尺寸的需要，填补3.0mm以下超薄型锂电池领域空白，电池容量可以提升10~30％，本实用新型的锂电池具有容量大、安全性能好、价格低廉等多种优点。

Description

高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳

技术领域

本实用新型涉及一种锂离子电池用部件，尤其是一种锂离子电池金属聚合物复合外壳

背景技术

电能是所有能源形式中最容易使用、最清洁环保和效率最高的能源；而电池是最好的储存电能的装置。在所有电池产品中，锂离子电池是目前世界上最年轻、最先进、技术含金量最高、能量密度最大的能源产品。

锂离子电池的外壳，在提升电池安全性和能量密度方面起到非常重要的作用。锂离子电池于1993年由日本索尼公司发明和第一次批量生产以来，如同手机由2G升级到3G一样，也经历了升级换代的历史发展过程；锂离子电池更新换代的主要标志之一是电池外壳的改变，第一代1G锂离子电池使用的是不锈钢壳，第二代2G锂离子电池是铝壳，第三代3G锂离子电池是软包装聚合物作为电池外壳。使用不同形式的电池外壳材料和设计，导致不同的结果。例如，1G锂电池使用不锈钢材料，壳壁厚度较大，大于0.3毫米，安全性差是其最大问题，当电池受到不当使用、高温和外力冲击等条件的影响时，使用坚硬而又脆性的不锈钢材料作为外壳的电池容易发生爆炸，造成人员伤害和财产损失；与坚硬和脆性的不锈钢相比，铝金属较为软韧，2G铝壳锂电池比1G钢壳锂电池的安全性相比较好，但是，2G锂电池的铝质外壳气压防爆阀的设计，沿用了1G锂电池钢壳的方法，即在外壳表面刻画防爆线。当电池内压增高时，防爆线打开，释放内压，使电池转为安全状态。事实上，电池内压升高速度是非常快的，防爆线来不及打开，电池即发生爆炸了，特别是大容量的电池。例如，在功能较多、屏幕较大的手机中使用大容量的2G锂电（例如超过2000mAh）时，即使电池外壳有防爆线，也会发生燃烧和爆炸事故。总之，1G钢壳锂电池和2G铝壳锂电池的外壳安全装置都是采用刻线防爆阀设计，电池内压升高速度是非常快的，防爆阀来不及打开，电池即发生爆炸。

 3G锂电最大的优点是安全性好和能量密度大，由于3G锂电池外壳是铝－塑料复合薄膜，当电池内部压力增加，电池出现异常状态时，铝－塑料复合薄膜以其柔软变形的方式，将电池内部压力及时释放掉，避免电池爆炸；另一方面，正是因为采用柔软的铝－塑料复合薄膜作为电池外壳，电池外壳容易被刺破、划伤、断裂和开口，导致空气中水分进入到锂电池中，与电解液发生化学反应，造成电池产生鼓胀、漏液和失效等缺陷，其不良率较高。换句话说，铝－塑料复合薄膜过于柔软娇嫩，容易受到损伤，导致电池缺陷和失效。而且，铝－塑料复合薄膜的材料一直依赖进口，全球只有日本二家公司可以生产，经历多年的努力，在所有主要电池材料中，铝－塑料复合薄膜是唯一没有实现国产化的材料，材料供应受到进口限制和价格偏高。3G锂电池自从2002年大批量生产以来，虽然经历了六年的发展历程，在市场中的占有率增长仍然缓慢，目前仍然是2G锂电池占据市场的主导地位。因此，我们需要一个安全性更好，能量密度更高，不良率更低的锂电池产品完成升级换代的历史任务，满足通信和数码电子、电器市场的要求。

综上所述，无论从市场需求、历史发展和产品升级换代的演变规律等诸多因素来看，锂电池作为一个能源产品，已经走到了一个新的历史关口，必须有所突破和创新，升级换代到4G锂离子电池。而电池的外壳创新是实现锂离子电池由3G到4G升级换代的主要部件。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是一种高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，该高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳密封性能好，具有抗外力划伤和压痕的能力，且安全性能好。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案：该高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，所述外壳由厚度为0.03mm~5mm的金属箔片材料所制成，所述外壳具有连接接口，在外壳的连接接口内设置有聚合物，所述外壳的连接接口由所述聚合物热压密封。

根据本实用新型的设计构思，所述外壳的横截面呈圆角矩形。

根据本实用新型的设计构思，所述金属箔片的材料为不锈钢箔片、铝、铝合金箔片、镍、镍合金箔片、铜或铜合金箔片。

根据本实用新型的设计构思，所述外壳的连接接口内的聚合物最外侧边缘到连接接口边缘的距离为0.5mm~10mm。

根据本实用新型的设计构思，所述外壳的连接接口边缘铆接形成铆接闭合区，所述聚合物位于该铆接闭合区内。

根据本实用新型的设计构思，所述铆接为超声波焊铆接、激光焊铆接或电阻焊铆接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：（1）由于本实用新型的锂电池外壳材料为金属箔片，该金属箔片表面坚硬，具有较好的抗外力划伤和压痕的能力，可以减少电池缺陷率和提升电池的可靠性；（2）使用温度安全阀代替了传统金属外壳的气压防爆阀，安全性能有显著提高。在外壳的接口部位，使用温度敏感型高分子聚合物通过热压粘合密封，当电池过热，温度升高时，聚合物软化或者融化，电池内部的密封性破坏，内部压力无法建立和积累，避免了电池爆炸事故，电池安全性增强；（3）金属箔片作为电池外壳，可以增加电池活性物质的填充量，提升电池容量。

附图说明

图1为本实用新型电池外壳实施例一的剖视结构示意图，

图2为本实用新型电池外壳实施例二的剖视结构示意图，

图3为本实用新型电池外壳实施例三的剖视结构示意图，

图4为本实用新型实施例的电池外壳接口部位A-A剖面结构示意图；电池外壳接口部位两个边缘进行金属铆接密封之前；

图5为本实用新型实施例的电池外壳接口部位A-A剖面结构示意图；电池外壳接口部位两个边缘进行金属铆接密封之后；

图6为本实用新型电池外壳的金属箔片实施例一的冲切示意图；

图7为本实用新型电池外壳的金属箔片实施例二的冲切示意图；

具体实施方式

参见图1、图2、图3和图4，本实用新型的高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳1，其由厚度为0.03mm~5mm的金属箔片材料所制成，所述外壳1具有连接接口，在外壳1的连接接口内设置有聚合物2，所述外壳的连接接口1由所述聚合物2热压密封。

参见图1，图中的金属箔片经过冲切和折弯后，成型为小圆角矩形外壳1，在金属矩形外壳中部为金属箔片接口部位，使用温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2通过热压复合工艺，形成具有机械强度的金属聚合物复合方形（小圆角）电池外壳，图中的参数为a＝1~200mm，b=6~500mm。热压复合工艺参数为，加热的温度为80~200℃，加压的压力为0.3~10兆帕，持续时间为1~3000秒。

参见图2，图中的金属箔片经过冲切和折弯后，成型为复合方形的外壳1，在复合方形的外壳侧边金属箔片接口部位，使用温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2通过热压复合工艺，形成具有机械强度的金属聚合物复合方形（小圆角）电池外壳，图中的参数为c＝6~500mm，d=1~200mm。

参见图3，图中的金属箔片经过冲切和折弯后，成型为大圆角矩形外壳1，在金属矩形外壳侧边金属箔片接口部位，使用温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2通过热压复合工艺，形成具有机械强度的金属聚合物复合方形（大圆角）电池外壳，图中的参数为c＝6~500mm，d=1~200mm，R＝0.5~100mm。

参见图4，图中为本实用新型电池外壳（图1、图2和图3）的接口部位A-A剖面示意图，在金属箔片1与温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2复合之后，电池外壳的二个边缘需要与电池底板和电池盖板通过激光焊接，形成密封的电池外壳，在激光焊接过程中，如果温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2遇到激光束，在激光束的高温下，温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2会瞬间发生燃烧气化（炸火），在电池底板和电池盖板焊接缝隙处产生沙眼；为了保证激光焊接质量，同时保证金属箔片之中的温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2不受到损坏，温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜边缘到激光焊接点需要保持距离e＝0.5~10mm，即外壳的连接接口内的聚合物最外侧边缘到连接接口边缘的距离为0.5mm~10mm。

参见图5，图中为本实用新型电池外壳（示意图1、2、3）的接口部位A-A剖面示意图。在金属箔片1与温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2复合之后，二个侧边有缝隙，会导致电池密封不良；因此需要将上下二片金属箔片铆接闭合在一起，形成金属箔片铆接闭合区；金属箔片铆接闭合的方法有超声波焊铆接，激光焊铆接和电阻焊铆接。电池外壳接口部位，由上下二金属箔片与其中间夹层的温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜，在二个金属箔片边缘铆接闭合，并与夹层中温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2共同构成密封体系。

参见图6，加工本实用新型的外壳1时，可使用下述加工方法：使用10吨冲床和相应的冲切模具，将厚度为0.1mm的铝金属箔片冲切参数f＝69mm，g=7mm,h=7.5mm,i=40mm,j=65mm的电池外壳半成品，使用折边机按照图6折边示意虚线线将其外侧边、内侧边和底部折90度；将高分子聚合物粘接密封薄膜2裁切成长65mm、宽6mm的条，其厚度为0.05mm。在电池外壳半成品的外侧边和内侧边的夹缝中，放入一条高分子聚合物粘接密封薄膜带；即在电池外壳侧边的外侧边和内侧边的接口夹缝中，有一条高分子聚合物粘接密封薄膜带，e=2mm。使用专用热压机，在电池复合外壳半成品中插入模具，然后对电池复合外壳半成品的侧边接口加热和加压；加热的温度为120℃，加压的压力为6兆帕，持续时间为10秒。使用超声波焊接机，对侧边接口二个边缘进行铆合焊接。再将底板与外壳的边缘通过激光焊接，由此制备成铝金属箔片复合电池外壳的主体。

将电池芯装入上述制备的铝金属箔片复合电池外壳中，对正、负极二条引线与厚度为1mm的铝金属盖板焊接好，然后安装好盖板，使用精密激光机对盖板与铝金属箔片复合电池外壳四周边缝隙进行焊接。

使用真空方法，通过注液孔对激光焊接之后的铝金属箔片复合电池外壳密封性进行检测。检验合格后，对电池芯进行真空干燥，然后注液，预充化成，压钢珠，分容检测，产品入库。由此制备的铝箔聚合物复合外壳电池型号为754070，容量为3000mAh。

参见图7，做为加工本实用新型锂电池壳体的一种可替代加工方法，亦可采用下述加工方法：使用20吨冲床和相应的冲切模具，将厚度为0.05mm的不锈钢金属箔片冲切为参数k＝49mm，l=9.5mm,m=9.5mm,n=33mm,p=9.5mm,q=33mm的电池外壳半成品。使用折边机按照图7折边虚线，将其外侧边、内侧边和底部折90度。将高分子聚合物粘接密封薄膜裁切成长为45mm、宽为8mm和长为29mm、宽为8mm条，其厚度为0.05mm。在电池外壳半成品的外侧边和内侧边的夹缝中，放入一条45x8mm高分子聚合物粘接密封薄膜带；电池外壳半成品底板的外侧边和内侧边的夹缝中，放入一条29x8mm高分子聚合物粘接密封薄膜带。使用专用热压机，对电池复合外壳半成品的侧边和底板分别或者同时加热和加压；加热的温度为190℃，加压的压力为8兆帕，持续时间为10秒。使用超声波焊接机，对侧边接口二个边缘进行铆合焊接；对底板接口的二个边缘进行铆合焊接。再将底板与外壳的边缘通过激光焊接由此制备成不锈钢金属箔片复合电池外壳的主体。

将电池芯装入上述制备的不锈钢金属箔片复合电池外壳中，对正、负极二条引线与厚度为1mm的铝金属盖板焊接好，安装好盖板，使用精密激光机对盖板与不锈钢金属箔片复合电池外壳四周边缝隙进行焊接；对不锈钢金属箔片复合电池外壳底板二侧的对接缝隙进行焊接。

使用真空方法，通过注液孔对激光焊接之后的不锈钢金属箔片复合电池外壳密封性进行检测。检验合格后，对电池芯进行真空干燥，然后注液，预充化成，压钢珠，分容检测，产品入库。由此制备的不锈钢箔聚合物复合外壳电池型号为103450，容量为2400mAh。

本实用新型的锂电池外壳既不是钢壳、铝壳，也不是铝－塑复合膜软包装，而是金属箔硬包装。传统锂电池使用的不锈钢壳和铝壳，其壳体壁厚较厚，不仅减少了可填充电池材料的数量，降低了电池容量，而且厚实的金属外壳具有较高的机械强度，当电池内部气压产生后，得不到释放，而形成内压积累，最终导致电池爆炸。为了解决金属外壳锂电池的爆炸问题，在外壳表面设置气压安全阀。然而，电池内压的骤然增大是在短暂的瞬间形成的，气压安全阀来不及打开，电池随即发生爆炸。换句话说，电池内压的积累和增大不是电池爆炸的根本原因，而是中介因素。锂电池在内部或者外部直接短路，或者外部温度过高等条件下，电池温度超过120℃时，电解液本身发生气化，此外电解液还会与正、负电极发生剧烈的化学反应，产生大量的气体，在金属外壳强度抵制下，电池内压迅速增大，气压阀不能及时启动，最终导致电池爆炸。因此，锂电池爆炸的初始原因是电池过热温度升高，电池内压的积累和增大是中介因素，电池爆炸是结果。为了从根本上解决电池的安全问题，本实用新型的锂电池在电池外壳接口部位，使用温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜。该聚合物薄膜同时具有二种功能，其一是粘接密封电池外壳的接口；其二是起到温度安全阀的作用。该温度安全阀，无论由于何种原因导致电池温度升高，在电池内压产生和建立之前，温度安全阀立即启动打开，电池由一个封闭系统变成一个开放系统，内压无法建立和积累，电池转入安全状态。温度阀的启动温度可以设置在不同的温度点上，也就是说，温度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜的软化点和融化点是可以按照电池安全性的要求进行调整，只要改变高分子聚合物粘接密封薄膜的成分配方即可实现，软化点和融化点可调范围是80~200℃，温度安全阀将从根本上解决锂电池的安全问题。

Claims (6)

1.一种高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，其特征在于，所述外壳由厚度为0.03mm~5mm的金属箔片材料所制成，所述外壳具有连接接口，在外壳的连接接口内设置有聚合物，所述外壳的连接接口由所述聚合物热压密封。

2.如权利要求1所述的高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，其特征在于，所述外壳的横截面呈圆角矩形。

3.如权利要求1或2所述的高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，其特征在于，所述金属箔片的材料为不锈钢箔片、铝、铝合金箔片、镍、镍合金箔片、铜或铜合金箔片。

4.如权利要求3所述的高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，其特征在于，所述外壳的连接接口内的聚合物最外侧边缘到连接接口边缘的距离为0.5mm~10mm。

5.如权利要求4所述的高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，其特征在于，所述外壳的连接接口边缘铆接形成铆接闭合区，所述聚合物位于该铆接闭合区内。

6.如权利要求5所述的高能安全锂离子电池金属聚合物复合外壳，其特征在于，所述铆接为超声波焊铆接、激光焊铆接或电阻焊铆接。

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