CN220774532U - 电池单体、电池及用电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池单体，包括外壳组件及电芯，外壳组件包括壳体及弹性垫层，弹性垫层附着于收容腔的内壁。电芯发生膨胀时会挤压弹性垫层，弹性垫层能够发生弹性形变从而起到缓冲作用，以防止电芯与壳体的内壁硬接触，故电芯内部的应力得以更好地释放。而且，当弹性垫层的杨氏模量满足y＝21705*a²‑41385*a+19728时，能够使得弹性垫层抵抗形变时所产生的反作用力小于电芯中极片断裂的零界点，故电芯在挤压弹性垫层时其外层的极片不易断裂。可见，经过长时间使用后，极片中的硅颗粒也不易破裂，且电芯也能够维持结构稳定。因此，上述电池单体能够显著提升使用寿命此外，本实用新型还提供一种电池及用电装置。

Description

电池单体、电池及用电装置

技术领域

本实用新型涉及新能源技术领域，特别涉及一种电池单体、电池及用电装置。

背景技术

随着新能源汽车的不断发展，对于动力电池的性能要求也越来越高。为了提高电池的导电性能、减小内阻并提升输出功率，一般会在电芯的负极掺硅，以在负极表面形成一层致密的硅化物膜，从而能够有效防止负极继续硅化。但是，负极中的硅颗粒在电池充放电过程中会发生膨胀，从而导致电芯出现顶壳的现象。由于应力不能有效释放，长期使用后容易因受力不均导致硅颗粒破碎，进而导致电芯失效，进而影响电池的使用寿命。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够有效释放应力并提升使用寿命的电池单体。

一种电池单体，包括：

外壳组件，包括壳体及弹性垫层，所述壳体形成有收容腔，所述弹性垫层附着于所述收容腔的内壁；及

电芯，呈圆柱形，所述电芯收容于所述收容腔内；

其中，所述弹性垫层的杨氏模量y＝21705*a²-41385*a+19728，其中，a为所述电芯的外径。

在其中一个实施例中，所述电芯的外径a与所述壳体的内径b的比值在0.95至0.98之间。

在其中一个实施例中，所述弹性垫层的厚度大于0.1*(b-a)，且小于0.25*(b-a)。

在其中一个实施例中，所述弹性垫层内部形成有孔隙，以使所述弹性垫层能够吸收所述收容腔内的电解液，并能够在受挤压时将所吸收的电解液释放至所述收容腔内。

在其中一个实施例中，所述弹性垫层的表面形成有扩散流道，由所述弹性垫层释放的电解液能够沿所述扩散流道在所述弹性垫层的表面扩散。

在其中一个实施例中，所述弹性垫层的孔隙率为35％至60％。

在其中一个实施例中，所述弹性垫层中孔隙的孔径位于5nm至35nm之间。

在其中一个实施例中，所述弹性垫层由涂覆于所述壳体内壁的聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体橡胶或超高分子聚乙烯成型。

上述电池单体，电芯发生膨胀时会挤压弹性垫层，弹性垫层能够发生弹性形变从而起到缓冲作用，以防止电芯与壳体的内壁硬接触，故电芯内部的应力得以更好地释放。而且，当弹性垫层的杨氏模量满足y＝21705*a²-41385*a+19728时，能够使得弹性垫层抵抗形变时所产生的反作用力小于电芯中极片断裂的零界点，故电芯在挤压弹性垫层时其外层的极片不易断裂。可见，经过长时间使用后，极片中的硅颗粒也不易破裂，且电芯也能够维持结构稳定。因此，上述电池单体能够显著提升使用寿命。

此外，本实用新型还提供一种电池及用电装置。

一种电池，包括多个如上述优选实施例所述的电池单体。

一种用电装置，包括如上述优选实施例所述的电池单体或如上述优选实施例所述的电池。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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为本实用新型较佳实施例中电池单体的结构示意图；

图2为图1所示电池单体沿A-A的剖视图；

图3为图2所示电池单体中外壳组件的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本实用新型公开了一种用电装置、电池及电池单体，上述用电装置包括上述电池或上述电池单体，并能够由上述电池或上述电池单体提供电能。其中，上述用电装置可以是车辆、手机、便携式设备、笔记本电脑、轮船、航天器、电动玩具、电动工具、储能设备、游乐设备、电梯和升降设备等等。车辆可以是燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车，新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等；航天器包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等；电动玩具包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具或电动飞机玩具等等；电动工具包括金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具，例如，电钻、电动砂轮机、电动扳手、电动螺丝刀、电锤、冲击电钻、混凝土振动器和电刨等等；储能设备可以是储能墙、基站储能、集装箱储能等等；游乐设备可以是旋转木马、跳楼机等等。本申请对上述用电装置不做特殊限制。

对于新能源汽车而言，上述电池可以作为驱动电源，从而替代化石燃料提供驱动动力。

上述电池可以是电池包或电池模组。当上述电池为电池包时，电池包具体包括电池管理系统(BMS)及多个上述电池单体。多个电池单体之间可通过串联、并联或者串联与并联混合的方式电连接，并与电池管理系统进行通讯连接，以组成电池包，上述电池管理系统对各个电池单体的工作状态进行控制和监测。此外，多个电池单体也可先进行串联和/或并联，并与模组管理系统组成电池模组，再由多个电池模组通过串联、并联或者串联与并联混合的方式电连接，并与电池管理系统共同构成电池包。

其中，上述电池包或电池模组中的多个电池单体可安装于箱体、框架、支架等支撑结构上，各个电池单体之间、电池单体与电池管理系统之间可通过汇流部件进行电连接。上述电池单体可以是锂离子电池、钠离子电池或镁离子电池，其外部轮廓可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状，但均不局限于此。具体在本实施例中，上述电池单体为锂离子圆柱电池。

请参阅图1及图2，本实用新型较佳实施例中的电池单体10包括外壳组件100及电芯200。

外壳组件100包括壳体110及弹性垫层120。壳体110可由铝、不锈钢等材料成型，内部形成有收容腔(图未示)，能够容纳电芯200、电解液等其他组件。而且，壳体110至少一端设置有开口，电芯200能够经开口装入壳体110内。壳体110的外部轮廓决定了电池单体10的外部轮廓。由于本实施例中的电池单体10为圆柱电池，故壳体110呈圆柱形。

弹性垫层120附着于壳体110收容腔的内壁，壳体110能够对弹性垫层120提供支撑，以维持弹性垫层120的形状稳定，从而方便装配。更具体的，本实施例中的壳体110呈中空的圆柱形，弹性垫层120附着于壳体110的圆柱面的内壁。如此，弹性垫层120的面积更大，能够围绕电芯200设置。

电芯200呈圆柱形，以与收容腔内部的轮廓相匹配。电芯200收容于壳体110的收容腔内，是电池单体10的核心部件。其中，电芯200一般由正极片、负极片及在负极片与正极片之间起绝缘作用的隔膜通过卷绕的方式成型。

将电芯200的外径记为a，壳体110的内径记为b。具体在本实施例中，电芯200的外径a与壳体110的内径b的比值在0.95至0.98之间。当a/b的比值小于0.95时，壳体110与电芯200之间预留的缝隙过大，从而导致电池单体10的能量密度下降；而当a/b的比值大于0.98时，壳体110与电芯200之间预留的缝隙过小，即预留给弹性垫层120的安装空间过小，故导致弹性垫层120的厚度只能设置较小，从而无法起到较好的缓冲作用。

电芯200的负极掺硅，即负极片中掺入硅材料，所掺入的硅材料可以是纯硅、硅碳或硅氧。掺硅后的负极片表面能够形成一层致密的硅化物膜，从而能够有效防止负极片继续硅化，有助于改善电芯200的导电性能、减小内阻并提升输出功率。硅的膨胀率较大，在充放电循环过程中，负极片中掺杂的硅颗粒会发生膨胀。

弹性垫层120由高分子材料成型，具体可以由聚氨酯弹性体橡胶、聚二甲基硅氧烷、超高分子聚乙烯中的至少一种，通过涂覆于壳体110的内壁成型。弹性垫层120在受到挤压时，能够发生弹性形变，从而起到缓冲作用。其中，弹性垫层的杨氏模量y＝21705*a²-41385*a+19728。

在充放电循环过程中，负极片内的硅颗粒膨胀，从而导致电芯200发生膨胀并挤压弹性垫层120。弹性垫层120在受到挤压后能够发生弹性形变，以防止电芯200与壳体110的内壁硬接触，从而能够更好地释放电芯200内部的应力，故能够延缓硅颗粒的破碎现象。在经过长时间的使用后，电芯200负极片中的硅颗粒也不易破裂。

而且，当弹性垫层120的杨氏模量满足y＝21705*a²-41385*a+19728时，能够使得弹性垫层120抵抗形变时所产生的反作用力小于电芯200中极片断裂的零界点，故电芯200在膨胀并挤压弹性垫层120时，其外层的极片不易断裂，从而能够维持电芯200的结构稳定。

在本实施例中，弹性垫层120的厚度大于0.1*(b-a)，且小于0.25*(b-a)。具体的，(b-a)指的是壳体110与电芯200之间的间隙，也即预留给弹性垫层120的安装空间。当弹性垫层120的厚度小于0.1*(b-a)，其厚度过小，导致缓冲效果有限。而当弹性垫层120的厚度大于0.25*(b-a)时，其厚度过大，当电芯200膨胀时弹性垫层120施加于电芯200的反作用力越强，从而易导致电芯200中的极片断裂。

此外，在本实施例中，弹性垫层120的内部形成有孔隙(图未示)。具体的，弹性垫层120可由高孔隙率的SEBS(线性三嵌共聚物)成型。通过高温熔化使SEBS与液态油充分溶合，并冷却形成胶体，再经过洗涤将溶于内部的油进行去除便能够得到内部具有孔隙的多孔结构。上述孔隙可以是圆孔、条形通孔、曲线形通孔中的一种或几种的组合，且孔隙的孔径一般位于5nm至35nm之间。

弹性垫层120内部的孔隙使得弹性垫层120能够吸收收容腔内的电解液，并能够在受挤压时将所吸收的电解液释放至收容腔内。如此，在电池单体10组装过程中，可向壳体110的收容腔内注入过量的电解液，超量的电解液可由弹性垫层120吸收。通常情况下，注液量相较于同型号未设置弹性垫层120的电池需超过约20％。

在充放电循环过程中，负极片内的硅颗粒膨胀，会导致脱锂并形成新的界面，这一过程会消耗电解液。但是，弹性垫层120在受到电芯200挤压后会将所吸收的电解液释放至收容腔，以弥补电解液的消耗。而且，随着循环次数的越多，电芯200的膨胀量越大，弹性垫层120受到的挤压也越明显，故释放的电解液也越多。也就是说，弹性垫层120还能够起到暂存电解液的作用，且随着循环次数的增加逐渐释放电解液，从而不断对收容腔内的电解液进行补充。

请一并参阅图3，弹性垫层120的表面形成有扩散流道1201，由弹性垫层120释放的电解液能够沿扩散流道1201在弹性垫层120的表面扩散。

扩散流道1201可以是弹性垫层120表面形成的凹槽，具体可呈长条形、螺旋形或不规则形状。由弹性垫层120释放的电解液进入扩散流道1201后，能够沿扩散流道1201流动，使得电解液能够均匀进入收容腔的各处，从而均匀浸润电芯200。如此，能够避免由弹性垫层120补充进收容腔的电解液堆积在某区域而造成其他区域欠缺电解液。

在本实施例中，弹性垫层120的孔隙率为35％至60％。其中，弹性垫层120的孔隙率越大，其吸收及存储电解液的能力越强。

当弹性垫层120的孔隙率低于35％时，弹性垫层120吸收并存储的电解液不足，会导致后期无电解液可释放或释放前期每次给予的量低于需求量。但是，孔隙率过大会导致弹性垫层120支撑结构不稳定。当弹性垫层120的孔隙率大于60％时，电解液容易过量释放，从而导致在电池单体10的循环末期电解液的补给量不足。而且，还会导致弹性垫层120的杨氏模量过低，缓冲作用受限。

上述电池单体10，电芯200发生膨胀时会挤压弹性垫层120，弹性垫层120能够发生弹性形变从而起到缓冲作用，以防止电芯200与壳体110的内壁硬接触，故电芯200内部的应力得以更好地释放。而且，当弹性垫层120的杨氏模量满足y＝21705*a²-41385*a+19728时，能够使得弹性垫层120抵抗形变时所产生的反作用力小于电芯200中极片断裂的零界点，故电芯200在挤压弹性垫层时其外层的极片不易断裂。可见，经过长时间使用后，极片200中的硅颗粒也不易破裂，且电芯200也能够维持结构稳定。因此，上述电池单体10能够显著提升使用寿命。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电池单体，其特征在于，包括：

外壳组件，包括壳体及弹性垫层，所述壳体形成有收容腔，所述弹性垫层附着于所述收容腔的内壁；及

电芯，呈圆柱形，所述电芯收容于所述收容腔内；

其中，所述弹性垫层的杨氏模量y＝21705*a²-41385*a+19728，其中，a为所述电芯的外径。

2.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述电芯的外径a与所述壳体的内径b的比值在0.95至0.98之间。

3.根据权利要求2所述的电池单体，其特征在于，所述弹性垫层的厚度大于0.1*(b-a)，且小于0.25*(b-a)。

4.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述弹性垫层内部形成有孔隙，以使所述弹性垫层能够吸收所述收容腔内的电解液，并能够在受挤压时将所吸收的电解液释放至所述收容腔内。

5.根据权利要求4所述的电池单体，其特征在于，所述弹性垫层的表面形成有扩散流道，由所述弹性垫层释放的电解液能够沿所述扩散流道在所述弹性垫层的表面扩散。

6.根据权利要求4所述的电池单体，其特征在于，所述弹性垫层的孔隙率为35％至60％。

7.根据权利要求4所述的电池单体，其特征在于，所述弹性垫层中孔隙的孔径位于5nm至35nm之间。

8.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述弹性垫层由涂覆于所述壳体内壁的聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体橡胶或超高分子聚乙烯成型。

9.一种电池，其特征在于，包括多个如上述权利要求1至8任一项所述的电池单体。

10.一种用电装置，其特征在于，包括如上述权利要求1至8任一项所述的电池单体或如上述权利要求9所述的电池。