CN220253432U - 一种锂电池极耳和锂电池 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种锂电池极耳和锂电池。本申请的锂电池极耳包括金属导电基体和绝缘密封胶片；金属导电基体的两端呈梯形，中间区域为四边形，四边形的中间区域与两端梯形的较长的底边连接形成一体结构的金属导电基体；金属导电基体的中间区域的表面具有镀金中间层，绝缘密封胶片覆盖在镀金中间层的表面。本申请的锂电池极耳，将极耳设计成梯形结构，并增加镀金中间层，在提高与绝缘密封胶片的结合强度的同时，有效降低、抑制大电流下的极耳中间区域温升过程，能有效缓解大电流放电过程中极耳发热导致的软包电芯密封破损问题，降低电解液泄露甚至燃烧的风险，极大提高了高功率密度锂离子电池的安全性。
Description
技术领域
本申请涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂电池极耳和锂电池。
背景技术
当前，锂离子电池由于具有能量密度高、功率密度高、循环使用次数多等优点，在智能手机、穿戴设备、电动自行车和新能源汽车等设备上得到广泛的应用。从技术角度看，锂离子电池体系的发展主要分为两种方向，一是以高镍三元配硅碳为代表的高比能方向；二是以快充为代表的高倍率方向。特别是在无人机等特殊应用场景，高倍率电池的研发是产业界最为关心的问题。
针对高倍率电池的研发，基于多孔电极的电化学模型，为了减少锂离子电池在极高电流下放电的极化，可采取如下措施：1)降低极片厚度，以改善液相的Li+浓度分布；2)增大电解液的电导率，以提高Li+在液相的扩散速率；3)增大正极、负极、隔膜的孔隙率，以提高固相、液相的电导率；4)提高正极、负极材料的电导率或增加导电剂，以降低电荷在颗粒间的传导电阻；5)提高正极、负极材料的固相扩散系数，以提高固相的Li+扩散速率；6)选择合适的电解液添加剂，避免过高的固体电解质相界面(SEI)膜阻抗；7)极耳结构的设计优化，合适的极耳设计能降低电池的欧姆内阻，并降低电池大倍率放电时的温升。
锂离子电池电芯结构中，极耳就是从电芯中将正负极引出来的金属导电体，完整的极耳主要由绝缘密封胶片与金属导电基体组成。绝缘密封胶片，是极耳上绝缘的部分，它的作用是电池封装时防止金属带与铝塑膜之间发生短路，并且封装时通过加热与铝塑膜热熔密封粘合在一起防止漏液，极耳导体分为三种材料，电池的正极使用铝(Al)材料，负极通常使用镍(Ni)材料，也有部分负极使用镀镍铜(Ni-Cu)材料。常规的锂离子电池结构是，负极耳采用镍极耳，正极耳采用铝极耳。在高倍率放电时，由于负极耳的电导率较低，导致电池表面温度过高，从而影响电池的高倍率放电性能。为了解决镍极耳电导率较差的问题，业界研发了镀镍铜极耳。镀镍铜极耳具有优良的导电性能，其电导率接近纯铜的电导率。极耳是电池与外界能量传递的载体，所以电池大倍率放电时，提高极耳的电导率能够在放电初期有效改善电池的倍率放电性能。另外，极耳材质、尺寸大小及极耳引出方式对锂离子电池的倍率放电性能和倍率循环性能的影响。
针对高倍率电池，特别是极高电流放电的电池，极耳的选择和设计极为关键。如1Ah软包在100C放电时，瞬时放电电流可超过100A。在如此高的电流下，极耳处的温升极大，极易发生因极耳发热导致的铝塑密封破损问题，进而引起安全隐患。
因此，对于高倍率电池，如何解决大电流放电过程中极耳发热导致的软包电芯密封破损问题，降低电解液泄露甚至燃烧的风险，提高高功率密度锂离子电池的安全性，仍然是亟待解决的重要问题。
发明内容
本申请的目的提供一种改进的锂电池极耳和锂电池。
为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：
本申请的一方面公开了一种锂电池极耳，其包括金属导电基体和绝缘密封胶片；金属导电基体的两端呈梯形，中间区域为四边形，四边形的中间区域与两端梯形的较长的底边连接形成一体结构的金属导电基体；金属导电基体的中间区域的表面具有镀金中间层，绝缘密封胶片覆盖在镀金中间层的表面。
需要说明的是，本申请创造性的将金属导电基体设计成梯形结构，并在金属导电基体和绝缘密封胶片之间增加镀金中间层，不仅能有效提高与绝缘密封胶片的结合强度，而且还能有效降低、抑制大电流下的极耳中间区域温升过程。本申请具有梯形新型结构设计的宽极耳，能有效缓解大电流放电过程中极耳发热导致的软包电芯密封破损问题，降低电解液泄露甚至燃烧的风险，极大提高了高功率密度锂离子电池的安全性。
本申请的一种实现方式中，镀金中间层的表面粗糙度为Ra12.5至Ra0.4。
需要说明的是，本申请的镀金中间层是通过电镀、磁控溅射或真空蒸镀一层镀金Au层，然后在惰性气氛下高温热处理后获得，例如在500-800℃进行高温处理。本申请的改进方案中，在镀金中间层的表面形成一定的粗糙度，能够进一步的提高与绝缘密封胶片的结合强度。
本申请的一种实现方式中，镀金中间层的厚度为1-5微米。
本申请的一种实现方式中，金属导电基体材质为铝箔，或者镀镍铜箔。
需要说明的是，材质为铝箔时，相应的为用于正极的极耳；材质为镀镍铜箔时，为用于负极的极耳。一般来说，正极宽极耳的厚度为100-300微米，负极宽极耳厚度为100-200微米。
本申请的一种实现方式中，金属导电基体的中间区域的宽度和厚度都大于金属导电基体的两端。
本申请的一种实现方式中，中间区域沿金属导电基体宽度方向的截面积，与金属导电基体端部的截面积之比为1-3。
需要说明的是，本申请创造性的将金属导电基体的中间区域的宽度和厚度设计为大于金属导电基体的两端的宽度和厚度，使得宽极耳的中间区域具有较大的截面积，可在较高电流通量条件下实现较低散热量。
本申请的一种实现方式中，绝缘密封胶片中含有纳米氧化物填料，纳米氧化物填料包括纳米氧化铜、纳米氧化锌、纳米氧化铌、纳米氧化钛和纳米二氧化硅中的至少一种。
需要说明的是，本申请的关键在于锂电池极耳的结构设计，至于绝缘密封胶片可以参考现有的极耳胶，例如本申请优选采用现有的耐高温极耳胶；并且，根据现有技术，优选在极耳胶中添加常规使用的纳米氧化物填料，包括但不仅限于纳米氧化铜、纳米氧化锌、纳米氧化铌、纳米氧化钛和纳米二氧化硅等。可以理解，本申请在耐高温极耳胶中引入一定量的纳米氧化物填料，能够进一步提高了耐高温极耳胶的粘结力和机械强度。其中，纳米氧化物填料的用量低于5％，例如，优选的小于2％；纳米氧化物填料的颗粒尺寸小于250nm。
本申请的另一面公开了一种采用本申请的锂电池极耳的锂电池。
需要说明的是，本申请的锂电池，尤其是软包装锂电池，由于采用本申请的锂电池极耳，能有效缓解大电流放电过程中极耳发热导致的软包电芯密封破损问题，降低电解液泄露甚至燃烧的风险，提高了高功率密度锂离子电池的安全性。
由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：
本申请的锂电池极耳，将极耳设计成梯形结构，并增加镀金中间层，在提高与绝缘密封胶片的结合强度的同时，还能有效降低、抑制大电流下的极耳中间区域温升过程，能有效缓解大电流放电过程中极耳发热导致的软包电芯密封破损问题，降低电解液泄露甚至燃烧的风险，极大提高了高功率密度锂离子电池的安全性。
附图说明
图1为本申请实施例中锂电池极耳的结构示意图。
具体实施方式
对于高倍率电池，极耳的选择和设计极为关键。目前商业上用的外接极耳分别是铝、镀镍铜极耳，铝的电阻率为2.65×10-8Ω·m，镀镍铜的电阻率为6.99×10-8Ω·m。电池在20℃环境中正常放电时，电流通过正、负极极耳产生热量，随着热量的累积，极耳温度逐渐上升，根据焦耳定律：Q＝I2Rt＝mCΔT，R＝ρL/S，m＝ω*LS，反推S(外接极耳的横截面积)＝I2ρt/(C*ω*ΔT)。
其中Q为时间t内极耳产生的热量；R为极耳电阻；ΔT为极耳温度；I为通过极耳的电流；ρ为极耳电阻率；L为极耳的长度；S为极耳的横截面积；ω为极耳密度。
因此，极耳的尺寸是影响产生热量的主要因素，极耳对应的横截面积与承受电流的关系如表1所示。
表1极耳横截面积与承受电流
| 横截面积/平方毫米 | 铝载流量/安 | 铜载流量/安 |
| 1 | 7.5 | 11.25 |
| 1.5 | 11.25 | 15 |
| 2.5 | 15 | 30 |
| 4 | 30 | 45 |
| 6 | 45 | 75 |
| 10 | 75 | 96 |
| 16 | 96 | 145.5 |
| 25 | 145.5 | 157.5 |
| 35 | 157.5 | 225 |
| 50 | 225 | 262.5 |
| 70 | 262.5 | 357 |
| 95 | 357 | 450 |
一般受到铝塑膜封装密封性要求，极耳厚度不能太厚，一般为0.1-0.3mm，为了满足电流要求，有些容量的电池在极耳宽度和厚度达到极限的时候，最大放电电流就已确认，如果放电倍率大导致超出了极限电流，极耳的发热量就会超过70℃，造成电池失效风险。虽然现有技术可以通过增加极耳的宽度和数量，达到增加横截面积进而满足大电流放电的需求；但是，其增幅有限，具体的，极耳规格和增幅效果如表2所示。
表2极耳规格与允许的承受电流
总之，当极耳温度上升到70℃时，对于铝塑膜封装的软包装电池，会造成密封破损，使得电池有泄露电解液造成燃烧的风险。本申请通过精密计算，使得设计的极耳用在对应电池上，大倍率放电时，温度保证低于60℃，使得电池大倍率放电工作时足够安全。
具体的，本申请的锂电池极耳，如图1所示，包括金属导电基体1和绝缘密封胶片3；金属导电基体1的两端呈梯形，中间区域为四边形，四边形的中间区域与两端梯形结构的较长的底边连接形成一体结构的金属导电基体1；金属导电基体1的中间区域的表面具有镀金中间层2，绝缘密封胶片3覆盖在所述镀金中间层2的表面。
本申请的锂电池极耳不仅能有效提高与耐高温极耳胶的结合强度，而且能有效降低抑制大电流下的极耳中间区域温升过程。在进一步的改进方案中，通过在耐高温极耳胶中引入一定量的纳米氧化物颗粒，进一步提高了耐高温极耳胶的粘结力和机械强度。本申请的具有梯形新型结构设计的宽极耳，能有效缓解大电流放电过程中极耳发热导致的软包电芯密封破损问题，降低电解液泄露甚至燃烧的风险，极大提高高功率密度锂离子电池的安全性。
本申请的锂电池极耳，可用于单侧出极耳或两头出极耳的软包聚合物锂离子电池的生产制造。采用本申请的锂电池极耳的高功率密度锂电池能够用于动力电池、储能电池，或者3C消费电子产品、电动工具、无人机或电子烟等。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例1
本实施例中，我们选用尺寸为150μm(厚)×10mm(宽)×50mm(长度)的尺寸的镀镍铜极耳，其中镀金中间层厚度为3μm，表面粗糙度通过砂纸分别打磨至Ra25、Ra12.5、Ra3.2、Ra0.8、Ra0.4和Ra0.2，将PP基高温极耳胶附着在镀金中间层表面，并与铝塑膜在150度进行热封粘合后进行极耳软封封装拉力测试，测试结果如表3所示。其中，PP基高温极耳胶中含有纳米氧化物填料，具体的，本例采用的纳米氧化物填料为纳米氧化铜，除了纳米氧化铜以外，还可以采用纳米氧化锌、纳米氧化铌、纳米氧化钛或纳米二氧化硅替换。本例的纳米氧化物填料的用量为极耳胶总重量的1％，且纳米氧化物填料的颗粒尺寸约为100nm。中间区域沿金属导电基体宽度方向的截面积，与金属导电基体端部的截面积之比为2。对应的负极片为常规的9μm的镀镍铜箔。
表3极耳软封封装拉力测试结果
| 粗糙度 | Ra25 | Ra12.5 | Ra3.2 | Ra0.8 | Ra0.4 | Ra0.2 |
| 封装拉力/N | 21.2 | 31.5 | 32.3 | 31.5 | 30.1 | 25.3 |
表3的结果显示，镀金中间层粗糙度与极耳软封封装拉力之间存在较强的关联性，粗糙度＞Ra12.5与粗糙度＜Ra0.4的两种情况下，极耳软封封装拉力均低于30N。因此，表面粗糙度应控制在Ra12.5与Ra0.4之间。
实施例2
本实施例中，极耳镀金中间层的厚度与允许的最大电流通量条件下的极耳温升有关。我们选用尺寸为150μm(厚)×10mm(宽)×50mm(长度)的尺寸的镀镍铜极耳，其理论上极耳从室温升到70℃的最大电流为35.8A。我们将镀金中间层的厚度从0μm渐进增加到8μm，在通电电流为35A条件下，测试温升从室温升高到70℃所需时间，结果如表4所示。具体的，本例分别测试了镀金中间层的厚度为0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0μm的极耳。其余都与实施例1相同。
表4极耳从室温升高到70℃所需时间与镀金中间层厚度的相关性
| 镀金层厚度/μm | 0 | 0.5 | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | 6.0 | 7.0 | 8.0 |
| 温升至70℃时间/s | 3 | 10 | 20 | 25 | 27 | 29 | 30 | 30 | 31 | 30 |
表4的结果显示，随着镀金中间层厚度增加，极耳温升至70℃的时间逐渐从3s增加到30s，但该镀金中间层的厚度超过5μm后，温升时间延长效果并不明显。基于成本和温升时间效果综合考量，认为镀金层厚度在1-5μm较为合适。
此外，对于正极片的极耳而言，金属导电基体的材质为铝箔，即铝极耳，采用本申请的锂电池极耳结构设计，同样能够提高与绝缘密封胶片的结合强度，有效降低、抑制大电流下的极耳中间区域温升过程；配合本申请的镀镍铜极耳，能有效缓解大电流放电过程中极耳发热导致的软包电芯密封破损问题，降低电解液泄露甚至燃烧的风险，提高高功率密度锂离子电池的安全性。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (8)
1.一种锂电池极耳，其特征在于：包括金属导电基体(1)和绝缘密封胶片(3)；
所述金属导电基体(1)的两端呈梯形，中间区域为四边形，四边形的中间区域与两端梯形结构的较长的底边连接形成一体结构的金属导电基体(1)；
所述金属导电基体(1)的中间区域的表面具有镀金中间层(2)，所述绝缘密封胶片(3)覆盖在所述镀金中间层(2)的表面。
2.根据权利要求1所述的锂电池极耳，其特征在于：所述镀金中间层(2)的表面粗糙度为Ra12.5至Ra0.4。
3.根据权利要求1所述的锂电池极耳，其特征在于：所述镀金中间层(2)的厚度为1-5微米。
4.根据权利要求1-3任一项所述的锂电池极耳，其特征在于：所述金属导电基体(1)材质为铝箔，或者镀镍铜箔。
5.根据权利要求1-3任一项所述的锂电池极耳，其特征在于：所述金属导电基体(1)为厚度100-300微米的铝箔，或者厚度100-200微米的镀镍铜箔。
6.根据权利要求1-3任一项所述的锂电池极耳，其特征在于：所述金属导电基体(1)的中间区域的宽度和厚度都大于金属导电基体(1)的两端。
7.根据权利要求6所述的锂电池极耳，其特征在于：所述中间区域沿金属导电基体(1)宽度方向的截面积，与金属导电基体(1)端部的截面积之比为1-3。
8.一种锂电池，其特征在于：所述锂电池采用权利要求1-7任一项所述的锂电池极耳。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202320734502.1U CN220253432U (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 一种锂电池极耳和锂电池 |
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