CN203787293U - 一种软硬组合封装的储能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种软硬组合封装的储能装置，在软封电芯的底部预留由紧密贴合铝塑膜构成的集气腔，在金属外壳底部设有一定数量的气孔。由于金属外壳的空间限域作用，在充放电过程中产生的气体汇集到软包电芯底部预留的集气腔内。集气腔体积膨胀，将金属外壳底部预留空间内的部分空气通过通气孔排出，使金属外壳内外气压保持平衡。本实用新型所涉及的软硬组合封装结构，尤其适用于产气难以完全消除的超级电容器和二次电池的封装，如以钛酸锂及其复合物作负极的超级电容器和锂离子电池的封装。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种软硬组合封装的超级电容器或锂离子电池，属于电容器及二次电池技术领域。
背景技术
超级电容器是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和二次电池间的新型储能器件。由于其兼具有电容器高功率密度和二次电池高能量密度的优点，近年来其应用领域得到迅速拓展。特别是在电动车、可再生能源发电并网和智能电网建设等领域超级电容器发挥着越来越大的作用。锂离子电池则是一种具有高能量密度的储能器件，已经被广泛应用于移动电子设备中，而锂离子动力电池的研究则方兴未艾。超级电容器和锂离子电池结构类似，通常采用相近的方法进行封装。超级电容器和锂离子电池通常采用的封装方式包括使用铝塑膜的软封装和使用金属外壳的硬封装两类。两种封装方式因其特点不同而适用于不同的应用场合。
软包装超级电容器和锂离子电池不但具有更高的能量密度，而且其形状和尺寸可以根据需求进行灵活调整，因此近年来许多厂家开始开展软包装超级电容器或锂离子电池的生产或研发。虽然软包装超级电容器和锂离子电池具有很多优点，但是软包装超级电容器和锂离子电池存在的安全隐患有时会使其在某些领域的应用受到限制。当发生过充或短路时，因内部没有用于储存因过充或短路而生成的气体的空间，软包装超级电容器或锂离子电池容易发生因铝塑膜破裂而引起的气体和电解液泄漏等事故。中国专利CN201020508721.0报道了一种带有预留空间的软包装超级电容器。这种软包装超级电容器能够在一定程度上解决产气引起的鼓胀问题。但在产气发生时，需要将气囊刺破，将气囊内的气体抽出。一方面，将充放电过程中产生的气体抽出，会对环境造成污染。另一方面，用户需要对电容进行维护，布局需要专门的设备，而且对于集成好的模组，需要将单体拆除，单独进行处理，非常费时。因此，对于对用易于产气量的超级电容器或锂离子电池构成系统的应用场合，该专利所报道的方法不再适用。
采用金属外壳硬封装的超级电容器和锂离子电池同样存在因胀气而发生爆炸的危险。为了提高硬包装超级电容器和锂离子电池的安全性，除了要加装防止过充的管理模块，通常还要在金属外壳上设置防爆阀。一旦发生内部超压现象，一部分气体会从防爆阀排出。从电容器或电池内部排出的气体会对环境造成污染。所以，有必要开发一种新型的封装结构，以解决超级电容器及锂离子电池的胀气问题，提高其安全性并减轻其对环境造成的影响。
近年来钛酸锂及其复合材料作为锂离子型超级电容器（锂离子电容器）和锂离电池负极材料的研发工作日益受到重视。因为在锂离子插入和脱出过程中晶格常数变化非常小，钛酸锂具有优异的循环稳定性。钛酸锂平衡电位较高，表面不形成钝化膜，因此可以避免金属锂枝晶的形成，其安全性能显著优于碳负极材料。此外，锂离子在钛酸锂中的扩散系数比在碳负极材料中大一个数量级，故钛酸锂具有较高的快速充放电倍率性能。虽然相关研发工作取得了一定的进展，但制约钛酸锂基电极材料获得实际应用的胀气问题至今未能得到彻底解决。所以从结构设计方面寻找解决高产气电极应用难题的突破口，对钛酸锂基材料作负极的锂离子电容器及锂离子电池的产业化开发工作来说显得尤为必要。
采用本实用新型所涉及的软硬组合封装的技术方案，可以有效地解决以钛酸锂基材料作负极的储能装置（如锂离子型超级电容器及锂离子电池）胀气所带来的性能衰减和安全性问题。在储能装置内预留有集气腔，用于收集充放电过程中产生的气体。金属外壳套在软包电芯外部，对软包电芯起到限域作用，可以防止电芯因胀气而向集气腔以外的方向鼓胀，特别是可以防止电芯沿垂直于极片表面的方向发生鼓胀。这个方向的鼓胀通常会增大极片间的距离，造成电容和电池性能的迅速下降。另一方面金属外壳能够对软包电芯起到保护作用，从而提高其抗外力冲击的能力。金属外壳底部设有通气孔，以确保集气腔膨胀时金属外壳内外压力的平衡，防止金属外壳发生变形。另外，因电芯产气而排出到金属外壳外面的气体为空气，本实用新型所涉及的软硬组合封装超级电容器和锂离子电池不会对环境造成污染。
本实用新型所涉及的软硬组合封装的结构对以模组形式加以应用的大容量超级电容器及锂离子动力电池具有重要的应用价值。
发明内容
本实用新型针对现有软包装和硬封装储能装置结构上存在的不足，提供一种具有高安全性的软硬组合封装的储能装置。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种软硬组合封装的储能装置，其特征在于：该储能装置由电芯、正极极耳、负极极耳、电解液、铝塑膜和金属外壳构成；所述电芯用铝塑膜封装，构成软包装电芯，在软包装电芯的底部预留集气腔；将一个或多个软包装电芯并联装入金属外壳内，在软包装电芯下部与金属外壳之间设有预留空间，并在金属外壳的底板上开设与外界大气相通的气孔，以确保金属外壳底部的预留空间与外界大气相通。
其中，所述集气腔位于电芯的下面，是由铝塑膜构成的腔体，构成集气腔的铝塑膜因二封抽真空而紧密贴合在一起。集气腔下侧铝塑膜外壁的连接方式为折边、热封中的一种或两种方式的组合。
所述的软包装电芯，其下部集气腔充气后的容积为软包装电芯体积的0.005-0.5倍。
所述的硬包装金属外壳，其底部开设与外界大气相通的气孔。气孔形状可以是圆形、方形或狭缝。圆形气孔的直径为金属外壳底面宽度的0.05-1倍。方形或狭缝尺寸为金属外壳底面尺寸所允许的任何数值。气孔数量为1或多个。
所述的硬包装金属外壳，在其与软包电芯下部之间预留空间的体积为硬包装金属外壳容积的0.001-0.5倍。
本实用新型的技术优势包括：
1、本实用新型所涉及的储能装置结构合理。当发生过充、短路或采用钛酸锂做电极产气无法避免时，预留空间可以收集和储存充放电过程中生成的气体，保护软包装电芯，从而避免发生气体和电解液泄露事故。金属外壳底部预留有软包装电芯集气腔膨胀所需的空间，底面开设有确保金属壳内外压力平衡的气孔，因此可以避免金属外壳发生鼓胀。
2、采用本实用新型所涉及的软硬组合封装的结构，有助于提高超级电容器或锂离子电池的充放电循环稳定性。金属外壳的空间限域作用能够避免软包装电芯发生垂直于极片表面方向的膨胀。这种横向膨胀通常会导致电极片间距增大，电容器或电池内阻增加，从而使其充放电性能迅速衰减。因此，将充放电过程中产生的气体储存于预留的集气腔内，可以避免软包装电芯产生变形，从而延长其使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型所涉及的软硬组合封装的超级电容器或锂离子电池的正面剖视图；其中1-正极极耳，2-负极极耳，3-电芯，4-铝塑膜，5-集气腔，6-金属外壳，7-预留空间，8-气孔。
图2为本实用新型所涉及的将两个软包电芯并联装入金属外壳内的软硬组合封装的超级电容器或锂离子电池的侧面剖视图。
具体实施方式
下述实施例仅限于对本实用新型实施方法的进一步说明，本实用新型的权利要求不受下述实施例的限制。
实施例1：
采用软硬组合封装的结构（图1、2）组装了以钛酸锂作负极活性炭作正极的锂离子型超级电容器。该超级电容器由电芯3、正极极耳1、负极极耳2、电解液、铝塑膜4和硬包装金属外壳6构成。电容器电芯3用铝塑膜4封装，在电容器电芯3的底部预留由铝塑膜4构成的集气腔5。本实施例电容器电芯的尺寸为80×60×8，金属外壳的尺寸为95×65×18。软包装电芯内部为负压，致使集气腔5的两壁紧密贴合在一起。集气腔5的最大集气容量为0.5ml。将2个软包装电芯并联装入底部开有两个气孔8的硬包装金属外壳6中，并在软包装电芯下部和金属外壳6之间预留一定的预留空间7。金属外壳6底部气孔8的直径为2mm。软包电芯下部与金属外壳6间预留空间7的容积为2.5ml。
该实施例的超级电容器容量为600F。经过1万次充放电循环，电容器内阻没有发生变化，没有出现金属外壳鼓胀现象。
实施例2：
采用软硬组合封装的结构（图1、2）组装了以活性炭作正负极的双电层超级电容器。该超级电容器由电芯3、正极极耳1、负极极耳2、电解液、铝塑膜4和硬包装金属外壳6构成。电容器电芯3用铝塑膜4封装，在电容器电芯3的底部预留由铝塑膜4构成的集气腔5。本实施例电容器电芯3的尺寸为110×80×6，金属外壳6的尺寸为135×85×14。软包装电芯内部为负压，致使集气腔5的两壁紧密贴合在一起。集气腔5的最大集气容量为0.3ml。将2个软包装电芯并联装入底部开有两个气孔8的硬包装金属外壳6中，并在软包装电芯下部和金属外壳6之间预留一定的预留空间7。金属外壳6底部气孔8的直径为1mm。软包电芯下部与金属外壳6间预留空间7的容积为2ml。
该实施例的双电层超级电容器容量为640F。经过5万次充放电循环，电容器内阻没有发生变化，没有出现金属外壳鼓胀现象。
实施例3：
采用软硬组合封装的结构组装了以钛酸锂作负极锰酸锂作正极的锂离子电池。该锂离子电池由电芯3、正极极耳1、负极极耳2、电解液、铝塑膜4和硬包装金属外壳6构成。电芯3用铝塑膜4封装，在电芯3的底部预留由铝塑膜4构成的集气腔5。本实施例电芯3的尺寸为90×65×6，金属外壳6的尺寸为115×70×26。软包装电芯内部为负压，致使集气腔5的两壁紧密贴合在一起。每个软包装电芯的最大集气容量为0.3ml。将4个软包装电芯并联装入底部开有两个气孔8的硬包装金属外壳6中，并在软包装电芯下部和金属外壳6之间预留一定的预留空间7。金属外壳6底部气孔8的直径为2mm。软包装电芯下部与金属外壳6间预留空间7的容积为3ml。
该实施例的锂离子电池容量为12Ah。经过500次充放电循环，电池内阻无明显变化，没有出现金属外壳鼓胀现象。
Claims (5)
1.一种软硬组合封装的储能装置，其特征在于：该储能装置由电芯（3）、正极极耳（1）、负极极耳（2）、电解液、铝塑膜（4）和金属外壳（6）构成；所述电芯（3）用铝塑膜（4）封装，构成软包装电芯，在软包装电芯的底部预留集气腔（5）；将一个或多个软包装电芯并联装入金属外壳（6）内，在软包装电芯下部与金属外壳（6）之间设有预留空间（7），并在金属外壳（6）的底板上开设与外界大气相通的气孔（8）。
2.如权利要求1所述软硬组合封装的储能装置，其特征在于：所述储能装置为超级电容器或锂离子电池。
3.如权利要求1所述软硬组合封装的储能装置，其特征在于：集气腔（5）下侧铝塑膜（4）外壁的连接方式为折边、热封中的一种或两种方式的组合。
4.如权利要求1所述软硬组合封装的储能装置，其特征在于：集气腔（5）充气后的最大容积为电芯（3）体积的0.005～0.5倍。
5.如权利要求1所述软硬组合封装的储能装置，其特征在于：软包装电芯与金属外壳（6）之间的预留空间（7）的体积为金属外壳（6）容积的0.001-0.5倍。
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