CN203481344U - 内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池，由电池电极、阀门固定在电池壳上，将电池壳内电芯分成多个电芯，每一个电芯限制一定层数，两只电芯相邻安装一个热扩散导流矩形管，热扩散导流矩形管与电芯平面紧贴安装，使电芯的平面与热扩散导流矩形管平面接触良好，热扩散导流矩形管两端穿过电池外壳，与设置在电池外壳两端散热窗连接，电芯的热量与电芯外空气形成对流散热，改善了电池电芯蓄热导致热失控，改进了电池电极与电池壳密封结构，通过电极胀套与电极胀栓膨胀紧固密封结构，提高了电池电极与钢壳之间绝缘及密封性能。

Description

内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种高功率锂离子电池，特别是内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池。 

背景技术

锂离子电池具有电压高、比能量高、循环性能好和环境好等特点，越来越广泛应用到3C市场领域、电动车(EV)和混合型电动车(HEV)、风力发电、光伏发电、微电网、智能电网，军事用途及空间技术领域。 

近几年随着新能源汽车、大规模储能示范工程的建设实践，锂离子电池的安全事故时有发生，有的事故已经造成十分严重的后果，事故的主要危害是起火爆炸，而引起事故起火爆炸原因主要是电池热失控。 

锂离子电池爆炸，是电池内容物强烈膨胀，并且电池外壳被胀开甚至撕分成多块碎片，电池内容物瞬间喷射，同时引发火灾。 

锂离子电池爆炸，是电池内部有一定体积气体在受热膨胀后，发生热失控，在瞬间内以恒定的速率辐射性高速膨胀(压力剧增)，形成急剧化学物理反应，在被限制的环境内(定容条件)，各种反应物进一步增剧物理反应化学反应。 

电池的活性物质乃至电解液在外界能量作用下，可能发生的化学变化有以下三种基本形式： 

(1)热分解 

电池内易爆炸物在超过工作温度下或受过热作用时，会发生缓慢的分解并放出热量，就是热分解反应。当温度上升达到一定值(爆炸物的爆发点)时，热分解就会转化为爆炸。 

(2)燃烧 

电解液泄漏时在火点作用下，电池发生破裂时，在瞬间接触大量氧引起氧化反应，电解液泄漏时与静电作用，都可能起火，但，起火发生在密闭状态下，有可能由燃烧转变为爆炸。 

(3)爆炸 

而爆炸一旦发生，爆炸能在爆炸物内部以稳定地传播速度持续进行，一旦在 大规模电池集成系统发生此种情形，有可能引发爆轰，可视为爆炸的稳定状态。 

上述三种反应形式不是相互独立的，在一定条件下，可以相互转化。 

常见的起爆能有以下几种： 

(1)热能：高温、火源或其他热作用，使易爆物局部温度达到爆发点而发生爆炸。 

(2)机械能：易爆物在受到摩擦或撞击作用时，由机械能转化为热能，当达到易爆物爆发点时，就可引起爆炸。 

(3)爆炸能：由一种易爆物爆炸产生的爆炸冲击波能量，使另其它能量受体物质达到其爆发点而发生爆炸。 

按照炸药起爆的理论，热能起爆由前苏联学者谢苗诺夫提出，他认为，爆炸是系统内部温度渐增、导致热能累积的结果。 

国内学者陈玉红，唐志远[陈玉红，唐致远，贺艳兵，刘强，锂离子电池爆炸机理分析，2006，12(3)266～269]通过热箱实验证实：锂离子电池爆炸，属于锂离子电池内部放热反应，这些反应包括： 

1)负极的热分解，及其电解液的参与反应； 

2)电解液分解的放热反应； 

3)正极的热分解反应； 

实验过程，锂离子电池置热箱内加热测试，将LiCoO₂/C(18650)电池经0.5C倍率恒流充放电3个循环，再恒流恒压充电至4.2V，然后分别作如下测试，将电池外接热电偶和万用表测试笔放至加热箱中，进行对该电池的电压与温度随时间的变化测试，加热箱温度由室温升至150℃，恒定温度，当电池在恒温箱中置放27min后，电池表面温度急剧增至260℃，电池爆炸，电压迅速降为零，从电池电压变化，内阻变化反应，结果可知，当电池内部温度升至70℃左右时，SEI膜分解放出热量，升至120℃左右时，负极与电解液反应放出的热量，可能使电池内部的温度升高到电解液、正极的热分解温度，其热分解放出大量的热和气体从而引起电池爆炸。 

上述研究证明，锂离子电池爆炸机理符合爆炸理论基本规律，引起锂离子电池爆炸的直接因素是高温。 

锂离子电池爆炸机理是： 

高温引起定容的锂离子电池内压力剧增； 

压力增加(由于传质系数增加)促进电池内部化学反应的剧增程度； 

电池内部化学反应加剧使热量剧增； 

压力进一步升高(化学反应传质系数进一步加剧)； 

过热引起的恶性循环最终导致压力过饱和； 

电池壳耐压承受超过极限，一些焊缝或缺陷的密封结构处失效，空气中氧进入，形成剧烈氧化，引发起火爆炸。 

锂离子电池爆炸规律遵循以下列逻辑链： 

爆炸形成是热反应加剧(热反应包括了化学反应、物理反应的传质运动)→压力增加→温度上升→热反应加剧连环续进，热效应、压力效应、传质反应连环剧增的逻辑反应过程，最终到达临界点起火爆炸； 

依据锂离子电池起火爆炸形成机理，阻断热失控形成高温机制，阻断传质反应，阻断压力增加都是克服电池爆炸起火有效措施。 

阻断热失控高压机制，采用可靠泄压； 

阻断高温形成机制，采取有效散热； 

阻断传质反应，采取有效热敏关闭隔膜； 

提高锂离子电池热失控的各个控制环节，是机理性关键技术措施。 

锂离子电池安全性问题，使得现有的锂离子电池应用存在许多技术瓶颈，上述安全性研究证明，锂离子电池的设计、制造，为了保证电池内有效散热，其容量不宜大，容量越大电池体积越大，电芯传热半径就越大，由于锂离子电池电芯的组成结构是正极涂层极片、负极涂层极片、高分子隔膜材料，虽然正极极片集流体为铝材，负极集流体采用铜材，属于良好的热导体，但是由于其正极、负极活性物质涂层属于粉体与胶体混合物，传热热阻远比铜材、铝材大，隔膜的导热系数仅为0.33w/m·k，只有纯铜的8/1000，极片涂层的导热系数也仅≈0.6w/m·k，电芯的电池极片层数越多，传热热阻也就越大，传热热阻越大，电池内蓄热温升问题就会越突出。 

为了尽可能避免电池容量大的散热困难，工程上常常采用小容量电池成组，电池容量限定小容量时，存在电池并联数量增加，电池并联数量越多，电池电路接点可靠性越差，这种容量大有散热的瓶颈，容量小，存在电路接点多可靠性差缺陷的矛盾，限制了锂离子的实际应用。 

针对容量大散热的瓶颈，改进锂离子电池的散热特性，无论对安全性还是工程应用都具有十分必要。 

锂离子电池泄漏问题，不仅是电池使用寿命问题，同样与锂离子电池安全性相关密切，锂离子电池的电池电极与电池外壳密封结构泄漏的属常见质量缺陷， 现有锂离子电池有的采用铝塑膜封装软包结构，电池电极通过热熔聚丙烯、聚酰胺类高分子树脂材料与金属电池电极粘结封装，由于电池电极在锂离子电池充放电时，通常都会出现温度升高，尤其是大电流高倍率工作条件下，当电池停止工作时又会回到常温，这种冷热反复冲击，金属材质电池电极和高分子胶体粘合剂的冷热膨胀，收缩系数相差甚远，极其容易造成高分子树脂材料与金属电池电极粘结密封失效，在密封突然失效的情况下，大量氧进入电池内与电解液发生剧烈氧化反应，这种反应有可能引起起火甚至爆炸。 

软包结构锂离子电池存在密封缺陷是显而易见的，现有的钢壳锂离子电池、铝壳锂离子电池的电池电极与电池外壳密封结构泄漏也是常见问题，从现有电池电极与电池壳密封结构可知，参照图14，铆钉m2-1穿过内绝缘片m2-4，再穿过外绝缘片m2-3，内绝缘片m2-4套入电池外壳m1安装孔，通过铆钉，铆压工艺，将内绝缘片m2-4、外绝缘片m2-3轴向压紧，径向胀紧，起到密封作用，这种铆压结构，存在铆压公差难于控制，铆压太紧，造成密封圈碎裂，铆压不够紧，密封效果差。 

锂离子电池存在电池电极与电池外壳密封结构泄漏的常见缺陷，为了提高锂离子电池可靠性安全性，改进电池电极与电池外壳密封结构有着显著意义。 

发明内容

针对现有锂离子电池采用了多层正极、多层负极、多层隔膜构成传热不良电芯结构，这种传热性差的电池结构潜在热失控危险，提出一种内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池，同时，为了进一步改进电池电极与电池外壳密封结构，提出一种电极胀套与电极胀栓膨胀紧固密封结构。 

本发明为了克服多层正、负极极片，多层隔膜组成电芯导热散热不良，尽量减少单个电芯叠层层数，将电池壳内电芯分成多个电芯，每一个电芯，限制一定层数，两只电芯相邻安装一个热扩散导流矩形管，热扩散导流矩形管与电芯平面紧贴安装，使电芯的平面与热扩散导流矩形管平面紧贴接触，导热良好，热扩散导流矩形管两端穿过电池外壳，与设置在电池外壳两端的散热窗连接，热扩散导流矩形管两端口端四周与电池外壳两端散热窗焊接密封，保证电池内与电池外隔离密封，热扩散导流矩形管内与电池外空气流通，使得电池外空气与热扩散导流矩形管管内对流，热扩散导流矩形管管内与电池外对流，从而达到与热扩散导流矩形管紧贴的电芯的热量向电池外对流散热，电芯温度越高，与电池外温差就越 大，根据传热学傅立叶定律： 

热扩散导流矩形管管内与电池外对流系数越大，从电池内扩散的热量就越大，从电池内扩散的热量就越大，改善锂离子电池热蓄积就越明显。 

热扩散导流矩形管采用采用导热良好铝材、铜材、或不锈钢其中的一种制造。 

实现内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池技术方案，还可以采用热扩散导流片技术，热扩散导流片与电芯紧贴安装，电芯平面与热扩散导流片平面紧贴接触，导热良好，热扩散导流片两端与电池外壳内壁紧贴固定，使得热扩散导流片的热量通过电池外壳的导热作用，向电池外空气散热，电芯温度越高，热扩散导流片与电池外壳温差越大，热扩散导流片与电池外壳温差越大，电芯的热量向电池外散热量越大，通过热扩散导流片安装于两个电芯相邻的间隙处，通过这种改进的结构，一个电池壳内的电芯制作成多个电芯，在同样空间体积中电芯数越多，单个电芯层数就越少，电芯正、负极层数越少，相对安装热扩散导流片越多，电池内电芯蓄热效应改善就越明显，从而达到改善了锂离子电池热蓄积造成的热失控。 

热扩散导流片可采用，铜材、铝材、硅胶导热片、矽胶导热片、石墨导热片、三氧化二铝导热片的一种。 

为了达电池到在大电流工作条件下，避免锂离子电池电极易发热，易膨胀造成电极与电池壳的绝缘密封可靠性受到破坏，对现有的铆压密封结构改进，改进的电极胀套与电极胀栓膨胀紧固密封结构是，电池电极正极、电池电极负极，分别固定在电池壳上方，电极内绝缘密封圈在电池壳内，电极外绝缘密封圈在电池壳外，电极内绝缘密封圈穿过电池壳套入电极外绝缘密封圈的内径，电极胀套压紧电极外绝缘密封圈，电极胀栓压紧集流板再胀入电极胀套的内径，电极外绝缘密封圈、电极内绝缘密封圈由电极胀栓，电极胀套相向压紧起到密封作用，电芯的导电集流板，被电极内绝缘密封圈与之隔离绝缘，电池壳与电极胀套之间连接，被电极内绝缘密封圈穿过电池外套入电极外绝缘密封圈的内径与之隔离绝缘，电极胀栓通过过盈胀入电极胀套的内径，电极胀栓外径与电极胀套的内径胀紧力使压紧密封圈的间隙保持稳定可靠，过盈胀紧结构与现有铆钉压紧结构相比，铆钉 压紧结构轴向受力，轴向受力压紧密封圈，密封圈的膨胀力与铆钉压紧结构轴向受力同向，密封圈的膨胀力与铆钉压紧结构轴向受力叠加，这种受力叠加容易导致铆钉压紧结构疲劳，铆钉压紧结构疲劳易引起密封泄漏，而改进的电极胀套与电极胀栓膨胀紧固其密封圈的膨胀力与铆钉压紧结构轴向受力叠加问题得于改进，密封圈的膨胀力方向与电极胀栓外径与电极胀套的内径膨胀胀力方向异向，电极胀栓外径与电极胀套的内径膨胀力更加稳定，由于克服了密封圈的膨胀力与铆钉压紧结构轴向受力叠加，这种受力叠加容易导致铆钉压紧结构疲劳，，使电池壳与电池电极的密封得到可靠性保证。 

这种结构优化了制造工艺，使得大批量生产的产品一致性更好。 

电极胀栓、电极胀套，采用铜质或铝质材料制造，电极外绝缘密封圈、电极内绝缘密封圈，采用聚丙烯、聚酰胺类聚合物，如，聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶、全氟醚(FFKM)材料其中的一种制造。 

本发明内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池，改善了锂离子电池电芯蓄热引起高温蓄积的缺陷，使得锂离子电池单体容量满足更大规格的要求，通过改善散热特性，从而提高锂离子电池安全性，通过优化的电极胀套，电极胀栓结构，改进了电池电极与电池壳的密封可靠性，克服了电池电极与电池壳密封泄漏危险，达到了提高安全性的目的。 

附图说明

图1是本发明内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池主视图，图1中，电池电极2a、电池电极2b、阀门3； 

图2是图1的俯视图，图2中，电池外壳1； 

图3是本发明内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池热扩散导流矩形管技术方案的左视图；图3中，散热窗4； 

图4是本发明内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池热扩散导流片技术方案左视图； 

图5是图3的A-A剖视图，图5中，电池外壳1、电极胀栓2-1、电极胀套2-2、电极外绝缘密封圈2-3、电极内绝缘密封圈2-4、阀门3、散热窗4、热扩散导流矩形管8-1； 

图6是图4的B-B剖视图，图6中，电池外壳1、电极胀栓2-1、电极胀套2-2、电极外绝缘密封圈2-3、电极内绝缘密封圈2-4、阀门3、热扩散导流片8-2； 

图7是图5的C-C剖视图，图7中，电芯5、电芯极耳6、集流板7、热扩散导流矩形管8-1、电池封底9； 

图8是图6的D-D剖视图，图8中，电芯5、电芯极耳6、集流板7、热扩散导流片8-2、电池封底9； 

图9是图3的E-E剖视图，图9中，电芯5、热扩散导流矩形管8-1、散热窗4； 

图10是图4的F-F剖视图，图10中，电芯5、热扩散导流片8-2； 

图11是本发明内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池热扩散导流矩形管技术方案的3维示意图，图11中，电池外壳1、电池电极2a、电池电极2b、阀门3、散热窗4、电池封底9； 

图12是本发明内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池热扩散导流片技术方案的3维示意图，图12中，电池外壳1、电池电极2a、电池电极2b、阀门3、电池封底9； 

图13是电池电极2a、电池电极2b与电池外壳1密封安装结构详图，图13中，电池外壳1、电极胀栓2-1、电极胀套2-2、电极外绝缘密封圈2-3、电极内绝缘密封圈2-4、集流板7； 

图14是现有电池电极与电池外壳密封安装结构图，图14中，电池外壳m1、内绝缘片m2-4、外绝缘片m2-3、铆钉m2-1； 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步详细说明： 

参照图1，图2，电池电极2a、电池电极2b、阀门3；固定在电池外壳1上方； 

参照图3，散热窗4分布在电池的左右两侧； 

参照图5，参照图6，电池电极2a、电池电极2b分别固定在电池外壳1上方。 

为了实现电池电极2a、电池电极2b与电池外壳1绝缘而又达到密封目的，结合图13，电极内绝缘密封圈2-4在电池外壳1内，电极外绝缘密封圈2-3在电池外壳1外，电极内绝缘密封圈2-4穿过电池外壳1套入电极外绝缘密封圈2-3的内径，电极胀套2-2压紧电极外绝缘密封圈2-3，电极胀栓2-1压紧集流板7再胀入电极胀套2-2的内径，电极外绝缘密封圈2-3、电极内绝缘密封圈2-4在 电极胀栓2-1、电极胀套2-2相向压紧作用达到密封目的，集流板7与电池外壳1被电极内绝缘密封圈2-4隔离绝缘，电池外壳1与电极胀套2-2被电极内绝缘密封圈2-4穿过电池外壳1套入电极外绝缘密封圈2-3的内径与之隔离绝缘，电极胀栓2-1通过过盈胀入电极胀套2-2的内径，电极胀栓2-1外径与电极胀套2-2的内径的胀紧力，使电池外壳1与电池电极2a、电池电极2b的密封得到可靠性保证。 

电极胀栓2-1、电极胀套2-2采用铜质或铝质材料制造，电极外绝缘密封圈2-3、电极内绝缘密封圈2-4采用聚丙烯、聚酰胺类树脂、聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶、全氟醚材料其中一种制造。 

结合图7，图9，热扩散导流矩形管8-1与相邻电芯5紧贴安装，电芯5的平面与热扩散导流矩形管8-1接触良好，热扩散导流矩形管8-1两端穿过电池外壳1，与两端散热窗4连接，热扩散导流矩形管8-1四周口沿与电池外壳1的散热窗4焊接密封。 

热扩散导流矩形管8-1采用采用铝材、铜材、或不锈钢其中的一种制造。 

结合图8，图10，热扩散导流片8-2与相邻电芯5紧贴安装，电芯5的平面与热扩散导流片8-2平面接触良好，热扩散导流片8-2两端与电池外壳1内壁连接固定。 

热扩散导流片8-2采用铝材、铜材、或不锈钢制造，或陶瓷材质、矽聚合物、石墨聚合物的一种。 

参照图7，电芯5的电芯极耳6与集流板7连接固定，使其导电接触良好。 

参照图2，图6，图7，电池封底9与电池外壳1密封焊接，使电池内成为密封容器。 

参照图1，图2，阀门3安装于电池外壳1电池电极2a、电池电极2b之间。 

Claims (3)

1.一种内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池，包括电池外壳(1)、阀门(3)、散热窗(4)、热扩散导流矩形管(8-1)，热扩散导流片(8-2)，电极胀栓(2-1)、电极胀套(2-2)、电极外绝缘密封圈(2-3)、电极内绝缘密封圈(2-4)、集流板(7)，其特征是，电极内绝缘密封圈(2-4)在电池外壳(1)内，电极外绝缘密封圈(2-3)在电池外壳(1)外，电极内绝缘密封圈(2-4)穿过电池外壳(1)套入电极外绝缘密封圈(2-3)的内径，电极胀套(2-2)压紧电极外绝缘密封圈(2-3)，电极胀栓(2-1)压紧集流板(7)再胀入电极胀套(2-2)的内径，热扩散导流矩形管(8-1)与相邻电芯(5)紧贴安装，电芯(5)的平面与热扩散导流矩形管(8-1)接触，热扩散导流矩形管(8-1)两端穿过电池外壳(1)，与两端散热窗(4)连接，所述的热扩散导流片(8-2)与相邻电芯(5)紧贴安装，电芯(5)的平面与热扩散导流片(8-2)平面接触，热扩散导流片(8-2)两端与电池外壳(1)内壁连接固定。 

2.按权利要求1所述的一种内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池，其特征是，热扩散导流矩形管(8-1)采用铝材、铜材、不锈钢，其中的一种制造，热扩散导流片(8-2)采用硅胶导热片、矽胶导热片、石墨导热片、三氧化二铝导热片、铝材、铜材、不锈钢其中的一种制造。 

3.按权利要求1所述的一种内置热扩散结构的高功率安全型锂离子电池，其特征是，电极外绝缘密封圈(2-3)、电极内绝缘密封圈(2-4)采用聚丙烯、聚酰胺类树脂、聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶、全氟醚材料其中的一种制造。 

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