CN209104195U - 一种具有超薄金属外壳的新型锂电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有超薄金属外壳的新型锂电池，包括超薄金属外壳和位于超薄金属外壳内部的裸电芯，裸电芯包括正极极片、负极极片、隔离膜、正极极耳、负极极耳、电解液，所述正极极耳、负极极耳与超薄金属外壳之间设有热塑性聚合物密封层，超薄金属外壳包括超薄金属板层，所述超薄金属板层的表面涂布有高导热绝缘涂层。采用此超薄金属外壳制作出的动力电池具备能量密度高、散热效果好、安全性较高、高封装强度和高耐电解液耐腐蚀性、长期可靠性好以及成本更低等优点。

Description

一种具有超薄金属外壳的新型锂电池

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，具体涉及一种具有超薄金属外壳的新型锂电池。

背景技术

近年来，随着环境污染的日益加剧，新能源产业越来越收到人们的关注。而锂离子动力电池作为电动车的重要组成部分，其安全性能、能量密度及循环寿命等性能将直接影响着电动车的推广使用，因而引起了广泛的关注。

目前，市面上的锂离子动力电池主要有三种形式的外壳结构，圆柱型钢壳、方形铝壳或钢壳、铝塑复合膜软包装。圆柱型钢壳动力电池常用的型号为18650，这种型号的电池外壳为标准尺寸，易于大规模量产，从而降低制造单个电池的制造成本，但是由于18650电池单个容量小，一台电动车需要大量的单个电池进行串并组合，从而大大加大了后续电池模组的组装及电源管理系统(BMS)的复杂程度和成本；方形铝壳或钢壳动力电池是目前比较普遍采用的一种外壳结构，由于方形铝壳或钢壳动力电池一般单个电芯容量比较大，加上金属外壳的传热导热性能相对较好，故后续电池模组以及BMS的组装制作难度和成本相比圆柱型钢壳动力电池要低，目前国内大多动力电池厂采用此型结构，但是方形铝壳或钢壳的外壳厚度难以做薄，低于0.6mm厚度的铝壳由于在使用过程中会出现各种问题难以解决而无法使用，故壳体占用较大的体积空间，单体电芯的能量密度同比较低，导致整个电池包的能力密度提升受限；铝塑复合膜软包装电池，顾名思义是采用铝塑复合膜作为电芯外壳材料的动力电池，其最大的特点是由于其外壳材料很薄(0.1mm甚至薄至0.06mm)且单体电芯的体积可以做得很大，单体电芯的能量密度最高，同时由于铝塑复合膜软包装在电芯过充或者内部短路等其他安全异常情况内部产气时只会出现外壳轻微鼓胀，在大量产气时也只会冲破边缘热复合封装口进行排气减压，一般不会出现爆炸的情况，是三种外壳结构中安全性相对最高的一种。但是，铝塑复合膜材料本身的加工制造技术门槛较高，长期被日本昭和电工和DNP两家公司占据大部分市场，成本也高居不下，另外铝塑复合膜由于其结构的内外层均为聚合物，其传热导热效果较差，因此在软包装电池的模组结构中一般都需要增加导热板或者冷却板，从而占用大量空间降低了模组成组效率，所以虽然软包装动力电池的单电池能量密度最高，但是成组后的电池包的整体能力密度并没有什么优势。因此，现有的三种外壳结构各有优缺点、各有取舍。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种具有超薄金属外壳的新型锂电池，采用此超薄金属外壳制作出的动力电池具备能量密度高、散热效果好、安全性较高、高封装强度和高耐电解液耐腐蚀性、长期可靠性好以及成本更低等优点。

为达成上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种具有超薄金属外壳的新型锂电池，包括超薄金属外壳和位于超薄金属外壳内部的裸电芯，所述裸电芯包括正极极片、负极极片、隔离膜、正极极耳、负极极耳、电解液，所述正极极耳、负极极耳与超薄金属外壳之间设有热塑性聚合物密封层；所述超薄金属外壳包括超薄金属板层，所述超薄金属板层的表面涂布有高导热绝缘涂层。

进一步地，所述热塑性聚合物密封层包括正极极耳热融密封层和负极极耳热融密封层，正极极耳热融密封层包括正极极耳与热塑性聚合物的粘结层、热塑性聚合物与超薄金属外壳的粘结层、正极极耳与超薄金属外壳的热熔融合层；负极极耳热融密封层包括负极极耳与热塑性聚合物的粘结层、热塑性聚合物与超薄金属外壳的粘结层、负极极耳与超薄金属外壳的热熔融合层。

进一步地，所述高导热绝缘涂层包括所述高导热涂层和电子绝缘涂层，所述高导热涂层为石墨类导热膜或者导热硅胶类导热膜，电子绝缘涂层为电阻率大于10¹⁰Ω·m的无机物或聚合物。

进一步地，所述高导热绝缘涂层为高导热绝缘复合涂层，所述高导热绝缘复合涂层为外表面覆有PET的石墨导热复合膜或石墨烯导热复合膜。

进一步地，所述超薄金属外壳的厚度为0.02-0.2mm。

进一步地，所述超薄金属外壳的厚度为0.05-0.15mm。

进一步地，所述超薄金属板层采用不锈钢或者铝合金，所述不锈钢为奥氏体不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体铁素体双项不锈钢的任一种，所述铝合金为1系纯铝、1系铝合金、3系铝锰合金、5系铝镁合金、6系铝硅合金的任一种。

进一步地，其特征在于，所述裸电芯的非正极极耳、负极极耳处与超薄金属外壳之间通过焊接封装而成。

进一步地，所述热塑性聚合物密封层包括PP、CPP的至少一种，通过挤出机融为一体挤出制备而成。

采用上述技术方案，具有如下技术效果：

1、本实用新型的具有超薄金属外壳的新型锂电池，采用超薄金属外壳，使得该新型锂电池既具备方形铝壳电池外壳的高密封性和机械强度，有利于动力电池长期运行过程中的可靠性和耐用性，同时也具备铝塑复合膜软包装电池外壳的安全性和厚度超薄，从而减少非有效电池部件占据的空间；

2、本实用新型的具有超薄金属外壳的新型锂电池，超薄金属外壳还具备良好的导热性，可以在模组成组过程中进一步缩减导热部件占据的空间，兼顾能量密度的提升和电池散热性能，同时外壳材料的成本与现有的电池外壳材料相比亦具有一定的优势；

3、本实用新型具有超薄金属外壳的新型锂电池，正极极耳、负极极耳与超薄金属外壳之间通过热塑性聚合物密封层进行电子隔绝，防止正极极耳、负极极耳通过超薄金属外壳导通形成短路。

附图说明

图1为本实用新型的具有超薄金属外壳的新型锂电池尚未进行封装的结构示意图；

图2为本实用新型的超薄金属外壳的多层拆解示意图；

图3为本实用新型的具有超薄金属外壳的新型锂电池封装后的结构示意图；

图中：为超薄金属外壳-10；超薄金属板层-11；高导热涂层-12；电子绝缘涂层-13；裸电芯 -20；正极极耳-21；负极极耳-22；正极极耳热融密封层-31；负极极耳热融密封层-32。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行详细说明。

结合图1-3，本实用新型提供一种具有超薄金属外壳的新型锂电池，包括超薄金属外壳10和位于超薄金属外壳内部的裸电芯20，裸电芯包括正极极片、负极极片、隔离膜、正极极耳21、负极极耳22，正极极耳21、负极极耳22与超薄金属外壳10之间设有热塑性聚合物密封层；超薄金属外壳10包括，超薄金属板层11的表面涂布有高导热绝缘涂层；热塑性聚合物密封层包括正极极耳热融密封层31和负极极耳热融密封层32，正极极耳热融密封层31包括正极极耳与热塑性聚合物的粘结层、热塑性聚合物与超薄金属外壳的粘结层、正极极耳与超薄金属外壳的热熔融合层；负极极耳热融密封层32包括负极极耳与热塑性聚合物的粘结层、热塑性聚合物与超薄金属外壳的粘结层、负极极耳与超薄金属外壳的热熔融合层。

本实用新型的具有超薄金属外壳的新型锂电池，具有以下优势：

1、可以将裸电芯外壳的厚度压缩到极限，使得动力电池的体积能量密度更高；优选低，超薄金属外壳的厚度为0.02-0.2mm；更优选地，超薄金属外壳的厚度为0.05-0.15mm；

2、超薄金属外壳的超薄金属板层采用不锈钢或者铝合金，不锈钢或者铝自身的导热性能优于铝塑复合膜或者钢塑复合膜，加之不锈钢表面喷涂高导热绝缘复合涂层，如采用石墨烯导热膜，电芯平面导热性能超高，热量直接传导至底部水冷板或者散热器，可取消软包模组中电芯之间的导热铝板，进一步提高动力电池包的能量密度；

3.采用预冲坑制袋、热封、焊接的工艺方式实现超薄集材的封装，封装强度和耐电解液耐腐蚀性能显著优于采用铝塑复合膜；

4.原材料成本低，针对目前动力电池面临的能量密度提升、电池散热以及成本降低三个重点问题，通过采用超薄金属外壳这种非传统的电池外包装材料，可以兼顾能量密度的提升和电池散热性能，同时外包装材料的成本与现有的外包装材料结构亦具有一定的优势。

本实施例中，高导热绝缘涂层包括高导热涂层12和电子绝缘涂层13，高导热涂层12为石墨类导热膜或者导热硅胶类导热膜，电子绝缘涂层13为电阻率大于10¹⁰Ω·m的无机物或者聚合物；也可以是，高导热绝缘涂层为高导热绝缘复合涂层，高导热绝缘复合涂层为外表面覆有PET的石墨导热复合膜或石墨烯导热复合膜。

优选低，超薄金属板层11采用不锈钢或者铝合金，不锈钢为奥氏体不锈钢、铁素体型不锈钢或奥氏体铁素体双项不锈钢，铝合金为1系纯铝、1系铝合金、3系铝锰合金、5系铝镁合金、 6系铝硅合金。

本实施例中，裸电芯20的非正极极耳、负极极耳处与超薄金属外壳之间通过焊接封装而成，焊接可采用激光穿透焊接、电磁焊接或超声波焊接。

本实施例中，热塑性聚合物密封层包括PP、CPP的至少一种，通过挤出机融为一体挤出制备而成。

优选的，先将超薄金属外壳片材按照电芯设计尺寸进行预冲坑，防止热塑性聚合物在热封时出现溢胶。

采用上述技术方案，该具有超薄金属外壳的新型锂电池制作过程如下：

裸电芯制备：将正极极片、隔离膜、负极极片按照Z字型叠片的方式层叠起来，使隔离膜处于正负极极片之间起到隔离作用，层叠完成后用隔离膜包裹一圈并由胶纸粘贴固定得到裸电芯；

超薄金属外壳的制备：将0.1mm厚度的超薄金属外壳片材采用多次冲压拉伸的方式形成预设尺寸的冲坑，采用双坑的结构，并且在气袋位置同时预冲两个小的气袋坑，另外在电芯极耳的部位也预冲台阶便于后续极耳位置的热封；

电芯封装：将制备好的裸电芯置于上述超薄金属外壳的预冲坑中，进行对叠包裹并夹持住，采用激光焊接将外包装材料的非极耳边以及极耳边的非极耳部位进行焊接，极耳部位采用热封的方式将预先制作在极耳上的热塑性聚合物pp材料热融并与超薄金属外壳和极耳粘合在一起,同时将上下超薄金属外壳与极耳形成电子绝缘而分隔开。

气袋焊接及真空注液：气袋靠近电芯主体的边缘同样采用激光焊接将大部分位置焊接，留下一个小口作为电解液加注和化成后排气之用，然后在干燥房中进行真空注液，注液后经过真空静置(真空度-50KPa)，然后将气袋的外侧边缘用激光焊接完全密封焊接；

热压化成、除气袋：将电芯上热压化成夹具进行热压化成，化成温度80℃，压力900Kgf；化成完后于夹具上对预留的注液口进行激光点封，将化成气体完全阻隔在气袋中，之后采用冷热压夹具对电池进行整形，并对气袋侧边进行精封；最后，直接用切刀将气袋切除，得到经过化成后的电池。

电池表面粘贴高导热绝缘复合膜：在电池性能测试完成后，对电池其表面进行石墨烯导热膜的包裹粘贴。该石墨烯导热膜为多层复合膜，与电池接触部分为粘接层，然后是石墨烯导热层，外层为PET绝缘膜；也可以是，化成后的电池在所有电性能测试完成后，在其表面喷涂一层厚度为0.005mm的高导热环氧树脂。电池外层增设该高导热绝缘复合膜或高导热环氧树脂之后，电池具备良好的散热效果，可以在电池模组组装时取消电芯之间的导热率板，节省散热部件占用的空间。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，不能依此来限定本实用新型的权利范围。

Claims (9)

1.一种具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，包括超薄金属外壳和位于超薄金属外壳内部的裸电芯，所述裸电芯包括正极极片、负极极片、隔离膜、正极极耳、负极极耳，所述正极极耳、负极极耳与超薄金属外壳之间设有热塑性聚合物密封层；所述超薄金属外壳包括超薄金属板层，所述超薄金属板层的表面涂布有高导热绝缘涂层。

2.根据权利要求1所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述热塑性聚合物密封层包括正极极耳热融密封层和负极极耳热融密封层，所述正极极耳热融密封层包括正极极耳与热塑性聚合物的粘结层、热塑性聚合物与超薄金属外壳的粘结层、正极极耳与超薄金属外壳的热熔融合层；所述负极极耳热融密封层包括负极极耳与热塑性聚合物的粘结层、热塑性聚合物与超薄金属外壳的粘结层、负极极耳与超薄金属外壳的热熔融合层。

3.根据权利要求1所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述高导热绝缘涂层包括所述高导热涂层和电子绝缘涂层，所述高导热涂层为石墨类导热膜或者导热硅胶类导热膜，电子绝缘涂层为电阻率大于10¹⁰Ω·m的无机物或者聚合物。

4.根据权利要求1所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述高导热绝缘涂层为高导热绝缘复合涂层，所述高导热绝缘复合涂层为外表面覆有PET的石墨导热复合膜或石墨烯导热复合膜。

5.根据权利要求1所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述超薄金属外壳的厚度为0.02-0.2mm。

6.根据权利要求5所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述超薄金属外壳的厚度为0.05-0.15mm。

7.根据权利要求5或6所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述超薄金属板层采用不锈钢或者铝合金，所述不锈钢为奥氏体不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体铁素体双项不锈钢，所述铝合金为1系纯铝、1系铝合金、3系铝锰合金、5系铝镁合金、6系铝硅合金。

8.根据权利要求1所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述裸电芯的非正极极耳、负极极耳处与超薄金属外壳之间通过焊接封装而成。

9.根据权利要求1或2所述的具有超薄金属外壳的新型锂电池，其特征在于，所述热塑性聚合物密封层包括PP、CPP的至少一种，通过挤出机融为一体挤出制备而成。