CN204088489U - 一种安全的锂离子电池结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种安全的锂离子电池结构，包括正极极耳、负极极耳、导热片、电池主体和温度保险丝，温度保险丝的一端与正极极耳或负极极耳连接，温度保险丝的另一端通过导热系数大于85W/mK的导热片与电池主体连接。相对于现有技术，由于电池内部的温度大大高于电池外部的温度，因此本实用新型的结构将电池内部的温度传递给TCO使其断开相当于可以使TCO提前到达温度触发点并切断电路，从而大大提高了电池的安全性（尤其是滥用安全性）。而且，由于电池主体内部的产热能够及时地被导热片传导散发出去，从而可以避免电池产热在电池主体内部聚集而产生的电池冒烟、起火和燃烧问题。

Description

一种安全的锂离子电池结构

技术领域

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种安全的锂离子电池结构。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、环境友好及可再生产等诸多优点，目前已被广泛应用于各类消费电子产品中。但是，由于锂离子的化学体系不尽相同，以过度充电（Overcharge）为代表的滥用安全性能是锂离子电池面临的重要困难。目前常用的提高锂离子电池在滥用时的安全性的措施是通过外接保护装置，这种措施可以在很大程度上提高锂离子电池在滥用时的安全性。

目前，商用锂离子电池一般在电池外部焊接温度保险丝（Thermal-CutOff，TCO）作为安全保护装置，当电池由于滥用导致产热并温度上升时，电池主体的热量传导给TCO，当温度高于TCO的触发温度时，TCO便会断开，切断电路，保证电池的安全性。申请号为CN201120257857.3的中国专利申请公开了一种能够改善温度保险丝与电池主体界面的接触性、且具有较高导热性能的粘性层，但无论是使用温度保险丝还是加入粘性层，均只能将电池外部热量传导给TCO，而电池内部才是热量发生源，电池内外部存在较大的温差，因此利用外部热量使TCO动作对电池安全性能的改善效果十分有限。

因此，确有必要提供一种能将电池内部大量热量及时向外传导并有效利用此热量使TCO提前达到温度触发点，并切断电路的安全的锂离子电池结构。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种能及时将电池内部的热量向外传导并有效利用该热量使温度保险丝到达温度触发点，从而切断电路的安全的锂离子电池结构。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种安全的锂离子电池结构，包括正极极耳、负极极耳、电池主体和温度保险丝，所述电池主体包括包装壳体、置于所述包装壳体内的电芯和填充于所述包装壳体内的电解液，所述电芯包括正极极片、负极极片和间隔设置于所述正极极片和所述负极极片之间的隔离膜，所述正极极耳和所述负极极耳分别固定于所述正极极片和所述负极极片上，所述温度保险丝的一端与所述正极极耳或所述负极极耳连接，所述温度保险丝的另一端通过导热系数大于85W/mK的导热片与所述电池主体连接。优选的，温度保险丝的一端与正极极耳连接，温度保险丝与正极极耳焊接后形成的整体可作为电池的正极极耳。导热系数大于85W/mK的导热片具有良好的导热性能，能够及时地将电池内部的热量导出到温度保险丝上，改善电池的安全性能。导热系数越高的导热片，改善电池的安全性能的效果越显著。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述导热片包括置于所述包装壳体内部的第一导热段和露出于所述包装壳体之外的第二导热段，所述第二导热段向所述电池壳体的顶封区折叠，优选的，第二导热段覆盖在所述温度保险丝上，如此可以更快更充分地将电池主体内部的热量传导给TCO，使其提前切断电路，进而保护电池。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述电池主体的中心区连接。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述电芯的靠近所述包装壳体的侧封区的位置连接。

当电池被滥用（如过充电、过放电等）而发热时，电池主体的中心区的温度最高，其次是电芯的靠近包装壳体的侧封区的位置，其他位置的温度则相对较低。因此优选的是导热片的另一端与电池主体的中心区连接，或者与电芯的靠近包装壳体的侧封区的位置连接。当然，导热片的另一端也可以与电池主体的除以上位置以外的位置连接。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述正极极片的正极集流体连接。导热片焊接在正极集流体上，而且导热片在正极集流体上的焊接位置可以根据需要进行调节，包括在正极集流体的长度方向上和在正极集流体的宽度方向上的调节。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述负极极片的负极集流体连接。导热片焊接在负极集流体上，而且导热片在负极集流体上的焊接位置可以根据需要进行调节，包括在负极集流体的长度方向上和在负极集流体的宽度方向上的调节。

导热片的另一端优选与负极集流体连接，当电池被滥用（如过充电、过放电等）而发热时，负极集流体上的温度相较于正极集流体上的温度更高。

导热片的形状可以是长条形、“凸”字形、“Z”字形、钩子形和S形等。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述导热片设置为金片、银片、铜片、镍片、锌片、铝片、镁片、铝合金片、镍合金片、锌合金片或镁合金片。这些材质的导热片均具有优良的导热性能，可以及时地把电池内部的热量传递到温度保险丝上。当然，也可以选用其他具有相同或更高导热系数的有机或无机材质的导热片，只要其导热系数大于85W/mK即可。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述第二导热段与所述温度保险丝之间设置有绝缘导热胶（如绝缘杜邦胶）。绝缘导热胶的作用之一是固定导热片和温度保险丝，更为重要的是防止正极极耳（或负极极耳）与导热片通过TCO短路；而且还能防止电池产气膨胀过程中TCO与导热片之间的接触不良。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述导热片与所述电池主体的连接处贴附有绝缘胶，以进一步固定导热片。

作为本实用新型安全的锂离子电池结构的一种改进，所述温度保险丝粘接于所述包装壳体的顶封区的外侧表面上，从而将温度保险丝固定住。当然，温度保险丝也可以粘接于包装壳体的其他位置。

相对于现有技术，本实用新型通过在温度保险丝的另一端和电池主体之间设置导热系数大于85W/mK的导热片，使得当电池被滥用（如过充电、过放电等）而发热时，电池主体内部的热量可以通过导热片及时快速地传递给温度保险丝（TCO），当温度高于TCO的触发温度时，TCO便会断开，切断电路，保证电池的安全性。由于电池内部的温度大大高于电池外部的温度，因此，与现有技术中将电池外部热量传导给TCO使其断开的结构相比，本实用新型的结构将电池内部的温度传递给TCO使其断开，相对于现有技术而言，本实用新型相当于可以使TCO提前到达温度触发点并切断电路，从而大大提高了电池的安全性（尤其是滥用安全性）。而且，由于电池主体内部的产热能够及时地被导热片传导散发出去，从而可以避免电池产热在电池主体内部聚集而产生的电池冒烟、起火和燃烧问题。

此外，本实用新型结构简单，可操作性强，成本低，可适用于工业化生产。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中焊接导热片后的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1中焊接TCO、导热片折叠后的结构示意图。

图3为本实用新型实施例2中焊接导热片后的结构示意图。

图4为本实用新型实施例3中焊接导热片后的结构示意图。

图5为本实用新型实施例4中焊接导热片后的结构示意图。

图6为本实用新型实施例5中焊接导热片后的结构示意图。

图7为本实用新型实施例6中焊接导热片后的结构示意图。

其中，1-正极极耳，2-负极极耳，3-电池主体，31-包装壳体，311-顶封区，312-侧封区，32-电芯，4-温度保险丝，5-导热片，51-第一导热段，52-第二导热段，6-密封胶层，7-极耳转接片。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，对本实用新型及其有益效果进行进一步详细的说明，但是本实用新型的具体实施方式并不限于此。

如图1和图2所示，本实施例提供的一种安全的锂离子电池结构，包括正极极耳1、负极极耳2、电池主体3和温度保险丝4，电池主体3包括包装壳体31、置于包装壳体31内的电芯32和填充于包装壳体31内的电解液，电芯32包括正极极片、负极极片和间隔设置于正极极片和负极极片之间的隔离膜，正极极耳1和负极极耳2分别固定于正极极片和负极极片上，温度保险丝4的另一端通过导热系数大于85W/mK的导热片5与电池主体3连接，本实施例中，温度保险丝4的一端通过极耳转接片7与正极极耳1连接，当然，温度保险丝4的一端也可以与负极极耳2连接。包装壳体31上设置有顶封区311和侧封区312。

其中，导热片5包括置于包装壳体31内部的第一导热段51和露出于包装壳体31之外的第二导热段52，第二导热段52向电池壳体31的顶封区311折叠并且覆盖在温度保险丝4上。其中，第一导热段51和第二导热段52一体成型。

本实施例中，导热片5的形状为长条形，导热片5的一端与温度保险丝4的另一端连接，导热片5的另一端与电池主体3的中心区连接，具体的，导热片5的另一端与是与位于电池主体3的中心区的负极集流体连接的。当然，导热片5的另一端还可以与电芯32的靠近包装壳体31的侧封区312的正极集流体或负极集流体焊接连接；导热片5的另一端还可以与位于电池主体3的中心区的正极集流体焊接连接。

其中，导热片5设置为铝片，当然，导热片5还可以设置为金片、银片、铜片、镍片、锌片、镁片、铝合金片、镍合金片、锌合金片或镁合金片等，只要这些材质的导热系数大于85W/mK即可，而且导热系数越大越好，此外，还要考虑导热片5的机械性能和焊接性能等。

第二导热段52与温度保险丝4之间设置有绝缘杜邦胶，导热片5的第一导热段51与电池主体3的连接处贴附有绝缘胶，温度保险丝4粘接于包装壳体31的顶封区311的外侧表面上。正极极耳1、负极极耳2和导热片5从包装壳体31伸出的位置处均粘贴有密封胶层6。

实际制作时，先在涂覆有负极活性物质层的负极集流体的头部空白处焊接作为导热片5的铝片，并且在焊接处用绿胶粘牢；并在正极集流体和负极集流体的空白处分别焊接正极极耳1和负极极耳2，导热片5和负极极耳2的伸出方向相同；然后按照卷绕工艺将正极极片、负极极片和隔离膜卷绕成电芯32，卷绕后，正极极耳1和负极极耳2的伸出方向也相同；然后将电芯32置于包装壳体31内，使正极极耳1、负极极耳2和导热片5均从包装壳体31的顶边伸出，然后对包装壳体31的一个侧边进行侧封处理，并对包装壳体3的顶边进行顶封处理，形成顶封区311，然后向包装壳体31内注入电解液，化成后，对包装壳体31的另一个侧边进行侧封处理，形成侧封区312。

然后，在顶封区311的表面放置温度保险丝4，然后将导热片5的第二导热段52向顶封区311折叠并覆盖在温度保险丝4上，并且在第二导热段52和温度保险丝4的一端之间设置绝缘杜邦胶，温度保险丝4的另一端与正极极耳1焊接在一起后形成一个整体的正极极耳1，同时，在温度保险丝4与顶封区311之间涂上粘胶，使温度保险丝4固定在顶封区311上，即完成本实用新型的制作。

实施例2

如图3所示，与实施例1不同的是，导热片5的形状为“凸”字形，其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例3

如图4所示，与实施例1不同的是，导热片5的形状为“Z”字形，并且导热片5的另一端与靠近包装壳体31的侧封区312的负极集流体连接，其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例4

如图5所示，与实施例1不同的是，导热片5的形状为“S”字形，并且导热片5的另一端与靠近包装壳体31的侧封区312的正极集流体连接，其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例5

如图6所示，与实施例1不同的是，导热片5的形状为钩子形，并且导热片5的另一端与位于电芯32底部的负极集流体连接，其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例6

如图7所示，与实施例1不同的是，导热片5的另一端与位于电芯32头部的负极集流体连接，其余同实施例1，这里不再赘述。

为了检测本实用新型是否对提高电池的安全性有所帮助，特对以下应用实例进行滥用安全性的测试：

应用实例1

本应用实例中，负极为石墨负极，负极集流体为铜箔，浆料配方为：石墨：Super-P∶CMC∶SBR＝91∶3∶3∶3。正极集流体为铝箔，正极配方为：钴酸锂（LCO）/镍钴锰酸锂（NCM）∶SP∶PDVF＝95.8∶2.1∶2.1，钴酸锂（LCO）和镍钴锰酸锂（NCM）的质量比为1:1，电池首次放电容量为4Ah（35℃，0.5C 放电）。采用铜材质的导热片5连接温度保险丝4和负极集流体的头部。选取本应用实例的十个电池，对该十个电池进行1C、20V（恒压3h）的过充测试，记录着火的电池数和通过测试的电池数，所得结果见表1；并测试电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间，所得结果见表2。

应用实例2

本应用实例中，负极为石墨负极，负极集流体为铜箔，浆料配方为：石墨：Super-P∶CMC∶SBR＝91∶3∶3∶3。正极集流体为铝箔，正极配方为：LCO/NCM∶SP∶PDVF＝95.8∶2.1∶2.1，LCO和NCM的质量比为2:1，电池首次放电容量为4Ah（35℃，0.5C 放电）。采用银材质的导热片5连接温度保险丝4和负极集流体的头部，选取本应用实例的十个电池，对该十个电池进行1C、20V（恒压3h）的过充测试，记录着火的电池数和通过测试的电池数，所得结果见表1；并测试电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间，所得结果见表2。

应用实例3

本应用实例中，负极为石墨负极，负极集流体为铜箔，浆料配方为：石墨：Super-P∶CMC∶SBR＝91∶3∶3∶3。正极集流体为铝箔，正极配方为：LCO/NCM∶SP∶PDVF ＝95.8∶2.1∶2.1，LCO和NCM的质量比为1:1，电池首次放电容量为4Ah（35℃，0.5C 放电）。采用铝材质的导热片5连接温度保险丝4和负极集流体的中部，并且导热片5与负极集流体的连接处靠近侧封区312，选取本应用实例的十个电池，对该十个电池进行1C、20V（恒压3h）的过充测试，记录着火的电池数和通过测试的电池数，所得结果见表1；并测试电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间，所得结果见表2。

应用实例4

本应用实例中，负极为石墨负极，负极集流体为铜箔，浆料配方为：石墨：Super-P∶CMC∶SBR＝91∶3∶3∶3。正极集流体为铝箔，正极配方为：LCO/NCM∶SP∶PDVF ＝95.8∶2.1∶2.1，LCO和NCM的质量比为1:1，电池首次放电容量为4Ah（35℃，0.5C 放电）。采用镁材质的导热片5连接温度保险丝4和正极集流体的头部，选取本应用实例的十个电池，对该十个电池进行1C、20V（恒压3h）的过充测试，记录着火的电池数和通过测试的电池数，所得结果见表1；并测试电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间，所得结果见表2。

应用实例5

本应用实例中，负极为石墨负极，负极集流体为铜箔，浆料配方为：石墨：Super-P∶CMC∶SBR＝91∶3∶3∶3。正极集流体为铝箔，正极配方为：LCO/NCM∶SP∶PDVF ＝95.8∶2.1∶2.1，LCO和NCM的质量比为2:1，电池首次放电容量为4Ah（35℃，0.5C 放电）。采用铜材质的导热片5连接温度保险丝4和负极集流体的尾部，温度保险丝4与负极极耳2焊接，选取本应用实例的十个电池，对该十个电池进行1C、20V（恒压3h）的过充测试，记录着火的电池数和通过测试的电池数，所得结果见表1；并测试电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间，所得结果见表2。

应用实例6

本应用实例中，负极为石墨负极，负极集流体为铜箔，浆料配方为：石墨：Super-P∶CMC∶SBR ＝ 91∶3∶3∶3。正极集流体为铝箔，正极配方为：LCO∶SP∶PDVF ＝95.8∶2.1∶2.1，电池首次放电容量为4Ah（35℃，0.5C 放电）。采用铜材质的导热片5连接温度保险丝4和负极集流体的中部，选取本应用实例的十个电池，对该十个电池进行1C、20V（恒压3h）的过充测试，记录着火的电池数和通过测试的电池数，所得结果见表1；并测试电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间，所得结果见表2。

对比实例

本对比实例中，负极为石墨负极，负极集流体为铜箔，浆料配方为：石墨：Super-P∶CMC∶SBR＝ 91∶3∶3∶3。正极集流体为铝箔，正极配方为：LCO/NCM∶SP∶PDVF ＝95.8∶2.1∶2.1，LCO和NCM的质量比为1:1，电池首次放电容量为4Ah（35℃，0.5C 放电）。不带导热片5，对该电池进行1C、20V（恒压3h）的过充测试，所得结果见表1；并测试电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间，所得结果见表2。

表1：应用实例1至6和对比实例的过充测试结果。

从表1可以看到：由于应用实例1至6的电池结构均具有不同导热系数的导热片5，因此在过充测试中均呈现出100%的通过率，而且，不仅混合正极体系（LCO/NCM）的电池能够全部通过过充测试，而且纯钴酸锂（LCO）体系的电池也能全部通过过充测试，而对比实例的电池由于不带导热片5，其混合正极体系的电池的通过率也仅为1/10，这表明本实用新型提出的电池结构对改善锂离子电池的过充安全性能具有明显的效果。

表2：应用实例1至6和对比实例过充测试时电池表面的温度及TCO切断电流所花费的时间。

从表2可以看出：导热系数越高的导热片5在TCO切断电流的瞬间，电池表面温度越低，且TCO切断电路的时间越早，这表明导热片5能够有效的将电池内部的热量及时传导给TCO。此外，由于三元材料（NCM）在滥用测试时的相对优越性，混合正极体系的电池与纯钴酸锂体系的电池相比需要更长的时间才能使TCO的温度达到触发点。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (10)

1.一种安全的锂离子电池结构，包括正极极耳、负极极耳、电池主体和温度保险丝，所述电池主体包括包装壳体、置于所述包装壳体内的电芯和填充于所述包装壳体内的电解液，所述电芯包括正极极片、负极极片和间隔设置于所述正极极片和所述负极极片之间的隔离膜，所述正极极耳和所述负极极耳分别固定于所述正极极片和所述负极极片上，所述温度保险丝的一端与所述正极极耳或所述负极极耳连接，其特征在于：所述温度保险丝的另一端通过导热系数大于85W/mK的导热片与所述电池主体连接。

2.根据权利要求1所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述导热片包括置于所述包装壳体内部的第一导热段和露出于所述包装壳体之外的第二导热段，所述第二导热段向所述电池壳体的顶封区折叠。

3.根据权利要求1所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述电池主体的中心区连接。

4.根据权利要求1所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述电芯的靠近所述包装壳体的侧封区的位置连接。

5.根据权利要求1、3或4所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述正极极片的正极集流体连接。

6.根据权利要求1、3或4所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述导热片的一端与所述温度保险丝的另一端连接，所述导热片的另一端与所述负极极片的负极集流体连接。

7.根据权利要求2所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述导热片设置为金片、银片、铜片、镍片、锌片、铝片、镁片、铝合金片、镍合金片、锌合金片或镁合金片。

8.根据权利要求7所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述第二导热段与所述温度保险丝之间设置有绝缘导热胶。

9.根据权利要求1所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述导热片与所述电池主体的连接处贴附有绝缘胶。

10.根据权利要求1所述的安全的锂离子电池结构，其特征在于：所述温度保险丝粘接于所述包装壳体的顶封区的外侧表面上。