CN209571475U - 一种复合极耳及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于电池技术领域，提供了一种复合极耳及锂离子电池，其中，复合极耳包括相互复合的第一层和第二层，第一层包括高分子PTC层，第二层包括铝带层或镍带层，第二层设于第一层的两端以使第一层上未设有第二层的区域形成高分子PTC过电流区。本实用新型的复合极耳可替换现有的正极耳或负极耳，当外部短路发生时，初始电流倍率可达12C‑16C，大电流使得复合极耳的高分子PTC过电流区急速发热，复合极耳温度急速上升达到PTC的居里点，PTC的电阻出现阶跃式上升，使得回路电流大幅降低，一般在短路发生2s‑3s以内，电流就会被压制到2C以下，从而实现能量缓释，避免电池温度过高而发生热失控。

Description

一种复合极耳及锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，特别涉及一种复合极耳及锂离子电池。

背景技术

目前，圆柱形锂离子电池存在外部短路滥用现状：当电池发生外部短路造成电池以超大倍率放电时，会导致快速产热，在散热响应不够及时的情况下，进而造成电池快速升温，并进一步造成其他热效应，最终导致热失控(电池起火或爆炸)。而电池发生热失控会造成财产损失和对人身安全的严重威胁。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种复合极耳，旨在解决目前的锂离子电池在发生外短路时会发生热失控的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种复合极耳，包括相互复合的第一层和第二层，所述第一层包括高分子PTC层，所述第二层包括铝带层或镍带层，所述第二层设于所述第一层的两端以使所述第一层上未设有所述第二层的区域形成高分子PTC过电流区。

在一个实施例中，所述第二层包括设于所述第一层一端的第一焊接区域，以及设于所述第一层另一端的第二焊接区域，所述第一焊接区域和第二焊接区域均为铝带层或镍带层，所述第一层上未设置所述第一焊接区域和第二焊接区域的区域为过电流区域。

在一个实施例中，所述过电流区域的长度为所述复合极耳长度的七分之一至五分之一。

在一个实施例中，所述过电流区域的长度为8mm至15mm。

在一个实施例中，所述第一焊接区域的长度大于所述第二焊接区域的长度。

在一个实施例中，所述复合极耳的宽度为3mm至5mm。

在一个实施例中，所述高分子PTC层的厚度为0.08mm至0.1mm。

在一个实施例中，所述第二层的厚度为0.05mm至0.07mm。

在一个实施例中，所述高分子PTC层包括聚乙烯基体，以及掺杂于所述聚乙烯基体内且由炭黑或金属粉构建的导电网络。

本实用新型的另一目的在于提供一种锂离子电池，其包括如上述所述的复合极耳。

实施本实用新型的一种复合极耳，具有以下有益效果：其利用高分子PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)材料和铝带或镍带复合形成复合极耳，并形成高分子PTC过电流区，该复合极耳可替换现有的正极耳或负极耳，当外部短路发生时，初始电流倍率可达12C-16C，大电流使得复合极耳的高分子PTC过电流区急速发热，复合极耳温度急速上升达到PTC的居里点，PTC的电阻出现阶跃式上升，使得回路电流大幅降低，一般在短路发生2s-3s以内，电流就会被压制到2C以下，从而实现能量缓释，避免电池温度过高而发生热失控。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的复合极耳的剖视图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

10-第一层；20-第二层；21-第一焊接区域；22-第二焊接区域；b-过电流区域。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

由于电池发生热失控会造成财产损失和对人身安全的严重威胁，目前，为了防止电池外部短路发生热失控，通常采用以下几种方法进行应对：

(1)在电池的盖板内增加一个热敏电阻，当锂离子电池发生外短路时电池内部温度迅速升高，热敏电阻阻值因温度升高而急剧增大从而起到降低短路电流大小的目的。然而，其存在以下缺点：第一、热敏电阻自身在室温时的阻值在12mΩ～15mΩ，增加热敏电阻后电池欧姆内阻增加，大幅降低了电池的倍率放电性能；第二、热敏电阻的阻值存在一定的公差范围，因此引入热敏电阻后电池的内阻一致性将会降低，不利于锂离子电池的配组。

(2)电池的负极采用双极耳的结构设计，以此提高负极的过电流能力，当电池发生外部短路时负极电流由两个极耳承载，单一极耳上的电流密度减半，使负极耳发热量降低，降低了电池短路时内部发生热失控的风险从而提高短路安全性能。然而，其存在以下缺点：双极耳结构设计使得负极片的空箔区域(无活性物质)增加，有效敷料区域减少，降低了圆柱形锂离子电池钢壳内部的空间利用率，从而降低了产品的能量密度。

(3)采用有阻燃添加剂的电解液，以此提高电池短路时电解液在高温下的稳定性。然而，其存在以下缺点：阻燃添加剂的加入不可避免的会对电池循环、存储、倍率等重要性能产生负面影响。

在上述三种防止电池外部短路发生热失控的应对方法中，都存在一定的缺陷，并引入了不同的问题。故，在此基础上，有必要提供一种新的防止电池外部短路发生热失控的电池设计。

为了说明本实用新型所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请参阅图1，本实用新型首先提供了一种复合极耳，其包括相互复合的第一层10和第二层20，即复合极耳为层状结构，此处的第一层10与第二层20的复合可采用现有技术中的物理复合或化学复合。

其中，第一层10包括高分子PTC层，第二层20包括铝带层或镍带层，第二层20设置于第一层10的两端，以使得第一层10上未设置有第二层20的区域形成高分子PTC过电流区，即第一层10上有部分留白区域未设置第二层20。

在本实施例中，复合极耳采用两层结构，其中一层为高分子PTC材料制成，另一层为铝带或镍带制成，其中，采用铝带或镍带主要是为了便于将复合极耳焊接于电池的对应部位上，而采用高分子PTC材料是为了在短路时其电阻能够阶跃式上升，进而降低回路电流，避免电池发生热失控。

本实用新型实施例利用高分子PTC材料和铝带或镍带复合形成复合极耳，并形成高分子PTC过电流区，该复合极耳可替换现有的正极耳或负极耳，当外部短路发生时，初始电流倍率可达12C-16C，大电流使得复合极耳的高分子PTC过电流区急速发热，复合极耳温度急速上升达到PTC的居里点，PTC的电阻出现阶跃式上升，使得回路电流大幅降低，一般在短路发生2s-3s以内，电流就会被压制到2C以下，从而实现能量缓释，避免电池温度过高而发生热失控。

在一个实施例中，高分子PTC层以高分子聚合物为基体，掺杂炭黑或金属粉构建导电网络。其中，可选择聚乙烯(Polyethylene，PE)为高分子PTC的基体，其熔点范围处于110℃-135℃之间，即居里点为110℃-135℃。当过电流区域b承受大电流升温时，PTC基体达到熔融温度，基体体积发生一定量的膨胀，导致金属填料构建的导电网络失效，因而PTC电阻呈阶跃式上升。此时，回路中的电流大幅度降低，一般在短路发生2s-3s以内，电流就会被压制到2C以下，从而实现能量缓释，避免电池温度过高而发生热失控。而电池的正常持续放电(3C倍率及以下)不会导致PTC过流区域的电阻陡增。故，采用高分子PTC过流区域既能防止电池发生热失控，又不会影响电池的正常持续放电。

在一个实施例中，第二层20包括层叠设置于第一层10一端的第一焊接区域21，以及层叠设置于第一层10的另一端的第二焊接区域22，该第一焊接区域21和第二焊接区域22均为铝带层或镍带层，并且，第一层10上未层叠设置有第一焊接区域21和第二焊接区域22的区域为过电流区域b。其中，第一焊接区域21和第二焊接区域22均用于与电池对应的部位焊接。

在本实施例中，第一焊接区域21的长度大于第二焊接区域22的长度。具体地，以圆柱型锂离子电池为例，当复合极耳用于替换现有的正极耳(铝极耳)时，第一焊接区域21和第二焊接区域22均为铝带层，并且，第一焊接区域21用于与电池的箔材焊接，第二焊接区域22用于与电池的盖板焊接；当复合极耳用于替换现有的负极耳(镍极耳)时，第一焊接区域21和第二焊接区域22均为镍带层，并且，第一焊接区域21用于与电池的箔材焊接，第二焊接区域22用于与电池的钢壳焊接。在具体应用中，第一焊接区域21和第二焊接区域22的具体长度根据具体的焊接对象的区域大小确定，以焊接后能够保持电接触良好为准。例如，第一焊接区域21的长度为30mm至40mm，具体为30mm、35mm或40mm等，第二焊接区域22的长度为5mm至10mm，具体为5mm、8mm或10mm等。

在一个实施例中，过电流区域b的长度为复合极耳长度的七分之一至五分之一，如过电流区域b的长度为复合极耳长度的七分之一、六分之一或五分之一等。在本实施例中，采用此比例范围内的过电流区域b可使得过电流区域b的电阻得到适当的阶跃式上升，而过电流区域b的长度过小则会导致其电阻上升不明显，过电流区域b的长度过大则会导致其电阻太高，进而会过分限制回路的电流。

在具体应用中，复合极耳的长度为50mm至70mm，而过电流区域b的长度对应为8mm至15mm。如过电流区域b的长度为8mm、10mm或15mm等。

在一个实施例中，复合极耳的宽度为3mm至5mm，如复合极耳的宽度为3mm、4mm或5mm等。在本实施例中，高分子PCT层、铝带层、镍带层的宽度均为3mm至5mm，在此宽度范围内的复合极耳适应广泛需求。

在一个实施例中，高分子PTC层的厚度为0.08mm至0.1mm，如高分子PTC层的厚度为0.08mm、0.09mm或0.1mm等。在此厚度范围内，高分子PCT层既能防止电池发生热失控，又能节约成本。而高分子PTC层的厚度过小则一方面可能导致复合极耳的强度不够，另一面可能导致其过电流区域b的电阻上升不明显。另外，高分子PTC层的厚度过大则会增加材料成本。

在一个实施例中，由于复合极耳与盖板焊接区域有限，故第二层20的厚度限定为0.05mm至0.07mm，即铝带层或镍带层的厚度限定为0.05mm至0.07mm。具体地，铝带层或镍带层的厚度为0.05mm、0.06mm或0.07mm等。在此厚度范围内，铝带层或镍带层能够保持焊接接触良好。铝带层或镍带层的厚度过小则无法保证焊接质量，铝带层或镍带层的厚度过大则会增加材料成本。

基于同一构思，本实用新型还提供了一种锂离子电池，其包括如上述任一实施例所述的复合极耳。其中，锂离子电池的其它具体结构可采用现有技术中锂离子电池的常用结构，在此不做详细说明。本实施例的锂离子电池主要是针对圆柱形锂离子电池。

本实施例通过改变现有正负极耳的材质，由铝或镍改为含高分子PTC材质的复合极耳，高分子PTC层的过电流区域b的居里点为110℃-135℃之间，因此，在外部短路时PTC过流区达到居里点，导致电阻阶跃式上升，从而达到限制回路电流不发生高温热失控的作用。

在具体应用中，可采用上述的复合极耳替换现有的锂离子电池的正极耳，也可以采用上述的复合极耳替换现有的锂离子电池的负极耳。当然，也可以采用上述的复合极耳同时替换现有的正极耳和负极耳，但是，实验证明，只需替换正极耳或负极耳即可达到避免热失控的效果，而同时替换正极耳和负极耳还会导致成本的增加，故，优选为只替换正极耳或只替换负极耳。

以上所述仅为本实用新型的可选实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合极耳，其特征在于，包括相互复合的第一层和第二层，所述第一层包括高分子PTC层，所述第二层包括铝带层或镍带层，所述第二层设于所述第一层的两端以使所述第一层上未设有所述第二层的区域形成高分子PTC过电流区。

2.如权利要求1所述的复合极耳，其特征在于，所述第二层包括设于所述第一层一端的第一焊接区域，以及设于所述第一层另一端的第二焊接区域，所述第一焊接区域和第二焊接区域均为铝带层或镍带层，所述第一层上未设置所述第一焊接区域和第二焊接区域的区域为过电流区域。

3.如权利要求2所述的复合极耳，其特征在于，所述过电流区域的长度为所述复合极耳长度的七分之一至五分之一。

4.如权利要求3所述的复合极耳，其特征在于，所述过电流区域的长度为8mm至15mm。

5.如权利要求2所述的复合极耳，其特征在于，所述第一焊接区域的长度大于所述第二焊接区域的长度。

6.如权利要求1至5任一项所述的复合极耳，其特征在于，所述复合极耳的宽度为3mm至5mm。

7.如权利要求1至5任一项所述的复合极耳，其特征在于，所述高分子PTC层的厚度为0.08mm至0.1mm。

8.如权利要求1至5任一项所述的复合极耳，其特征在于，所述第二层的厚度为0.05mm至0.07mm。

9.如权利要求1至5任一项所述的复合极耳，其特征在于，所述高分子PTC层包括聚乙烯基体，以及掺杂于所述聚乙烯基体内且由炭黑或金属粉构建的导电网络。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的复合极耳。