TWI727500B - 用於鋰離子電池的蓋板組件以及儲能裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露了一種用於鋰離子電池的蓋板組件以及鋰離子電池。該蓋板組件包括：蓋板本體，該蓋板本體的中部具有通孔，該通孔延伸形成筒體，該筒體凸出於該蓋板本體的至少一個表面；洩壓部，該洩壓部位於該筒體內並與該筒體密封連接，該洩壓部呈環形，該洩壓部被配置為響應於該蓋板本體的變形而產生裂縫或者從該蓋板本體上脫落；以及中心導體，該中心導體被設置在該洩壓部的內環中，並沿軸向貫穿該洩壓部。該蓋板組件安全性能良好，占用空間小。
Description
本發明涉及能量轉換技術領域，更具體地，涉及一種用於鋰離子電池的蓋板組件以及儲能裝置。
現有的鋰離子電池，特別是大功率的動力用鋰離子電池均進行了防爆洩壓結構或裝置的設計，以確保鋰離子電池在長期使用過程中或者熱失控過程中內部氣壓超額上升時可以及時地進行洩壓，從而防止發生爆炸。
在一些技術方案中，帽蓋具有防爆洩壓的功能。該帽蓋包括上蓋、下蓋和位於上蓋和下蓋之間的爆破膜片。在內部氣壓超過額定值時，爆破膜片被衝破，從而進行洩壓。該洩壓結構通常用於圓柱形鋰離子電池的蓋板中。該洩壓結構同時具有斷流、洩壓功能。但缺點是結構複雜，零件較多裝配複雜，並且在高度上占用的空間較大，電芯的空間利用率低。
因此，需要提供一種新的技術方案，以解決上述技術問題。
本發明的一個目的是提供一種用於鋰離子電池的蓋板組件的新技術方案。
根據本發明的第一實施例，提供了一種用於鋰離子電池的蓋板組件。該蓋板組件包括：蓋板本體，該蓋板本體的中部具有通孔，該通孔延伸形成筒體，該筒體凸出於該蓋板本體的至少一個表面；洩壓部，該洩壓部位於該筒體內並與該筒體密封連接，該洩壓部呈環形，該洩壓部被配置為響應於該蓋板本體的變形而產生裂縫或者從該蓋板本體上脫落；以及中心導體，該中心導體被設置在該洩壓部的內環中，並沿軸向貫穿該洩壓部。
在一些實施例中，該洩壓部為無機非金屬材料。
在一些實施例中，該洩壓部的材質為玻璃或者陶瓷。
在一些實施例中，該筒體凸出於該蓋板本體的其中一個表面，該蓋板本體、該洩壓部和該中心導體的與該筒體相背的一側是齊平的。
在一些實施例中，該蓋板本體和該中心導體分別作為鋰離子電池的一個電極，該洩壓部包括覆蓋該筒體的自由端的端面的延伸部。
在一些實施例中，該蓋板本體的外邊緣向一側延伸，以形成環形連接部。
在一些實施例中，該筒體與該蓋板本體垂直。
在一些實施例中，定義該筒體的與該蓋板本體連接的部位為根部，在該根部的外側形成外倒角。
在一些實施例中，定義該筒體的與蓋板本體連接的部位為根部，在該根部的內側形成內倒角，該洩壓部填充在該內倒角圍成的區域內。
在一些實施例中，該中心導體凸出於該洩壓部的至少一個端面。
在一些實施例中，在該蓋板的外表面設置有絕緣層，該絕緣層覆蓋該洩壓部的上端面，該中心導體的上端面是裸露的。
根據本發明的另一實施例，提升了一種鋰離子電池。該鋰離子電池包括：能量轉換元件；殼體，該殼體包括筒狀部，該能量轉換元件位於該筒狀部圍成的腔體內；以及上述的蓋板組件，該蓋板本體蓋合在該筒狀部的一端，該蓋板本體和該中心導體分別與該能量轉換元件的兩個電極連接。
在一些實施例中，該蓋板組件的筒體向該腔體內凸出，該能量轉換元件在與該筒體和該洩壓部相對應的部位形成凹陷結構。
在一些實施例中，在該中心導體與該凹陷結構之間形成間隙，該中心導體通過極耳與該能量轉換元件的一個電極連接，該極耳在該間隙內形成可伸縮結構。
根據本發明的又一實施例，提升了一種鋰離子電池。該鋰離子電池包括：能量轉換元件；殼體，該殼體包括筒狀部，該能量轉換元件位於該筒狀部內；以及上述的蓋板組件，該蓋板本體蓋合在該筒狀部的一端，該蓋板本體和該中心導體分別與該能量轉換元件的兩個電極連接；該筒狀部的端形成向內的收口部，該環形連接部套設在該收口部的外側。
根據本發明的一實施例，由於蓋板本體、洩壓部和中心導體位於同一層，故具有更小的厚度，在高度方向上占用的空間小。相比於多層設置的蓋板組件，這種結構簡單，組裝更容易。
此外，洩壓部能夠起到洩壓的作用，提高了鋰離子電池的安全性能。
此外，中心導體具有導通的功能，該蓋板組件能夠作為鋰離子電池的至少一個電極。
此外，筒體與洩壓部之間能夠形成更加良好的密封連接，這使得在蓋板本體的厚度較小的條件下仍具有良好的密封效果，適用於針型電池、鈕扣電池等小型儲能元件。
通過以下參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的其它特徵及其優點將會變得清楚。
現在將參照附圖來詳細描述本發明的各種示例性實施例。應注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的範圍。
以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，絕不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。
對於相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情况下，該技術、方法和設備應當被視為說明書的一部分。
在這裡示出和討論的所有實施例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它實施例可以具有不同的值。
應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步討論。
根據本發明的一實施例，提供了一種用於鋰離子電池的蓋板組件。該蓋板組件包括蓋板本體11、洩壓部12和中心導體13。
蓋板本體11呈圓形、矩形、橢圓形等。蓋板本體11的整體呈片狀。蓋板本體11的材質為金屬、塑料等。例如，金屬包括鐵基膨脹合金、不鏽鋼、可伐合金等。
蓋板本體11的中部具有通孔。例如，通孔為圓形孔、矩形孔、橢圓形孔或者其他形狀的孔。
通孔延伸形成筒體15。例如，筒體15與蓋板本體11是一體成型的。筒體15凸出於蓋板本體11的至少一個表面。例如，筒體15與蓋板本體11垂直。這使得洩壓部12的結構更加規整。
當然，在其他實施例中，筒體15與蓋板本體11的夾角為銳角或鈍角。這樣，同樣能夠起到洩壓的作用。
洩壓部12位於筒體15中，並與筒體15密封連接。筒體15可以是通徑的筒體15，例如圓柱形、長方體形或者其他形狀的棱柱形；也可以是變徑的筒體15，例如，棱台形、圓台形等。只要能與洩壓部12形成密封連接即可。
洩壓部12被配置為響應於蓋板本體11的變形而產生裂縫或者從蓋板本體11上脫落。洩壓部12呈環形。洩壓部12為絕緣材料，例如，無機非金屬材料。這種材料具有韌性小，脆性大，易形成裂紋的特點，從而能夠在殼體本體內部壓力達到設定值時及時地進行洩壓。
例如，在鋰離子電池的內部氣壓達到設定值時，會使蓋板本體11發生顯著的變形。該變形通過筒體15作用到洩壓部12，例如，筒體15的至少一部分擠壓洩壓部12，使得洩壓部12產生裂縫，或者在洩壓部12與筒體15之間形成縫隙。裂縫和縫隙均能夠形成氣體的洩漏通道，這使得內部氣體能夠釋放出去；或者裂縫與縫隙相連通以形成洩漏通道。
例如，在鋰離子電池的內部氣壓迅速上升時，洩壓部12的至少局部因受到內部高壓的作用而從筒體15內脫落，從而形成洩漏通道，以進行迅速洩壓。
在其他實施例中，蓋板本體11的變形不限於受到氣壓。還可以是，鋰離子電池因受到外力擠壓而產生變形。變形導致洩壓部12脫落。受損的鋰離子電池內部的能量轉換元件在使用過程中，一旦產生氣體。該氣體就會從通孔釋放出。
中心導體13被設置在洩壓部12的內環中，並沿軸向貫穿洩壓部12。中心導體13的材質為金屬，例如，不鏽鋼、碳鋼、可伐合金等。
在該實施例中，由於蓋板本體11、洩壓部12和中心導體13位於同一層，故具有更小的厚度，在高度方向上占用的空間小。相比於多層設置的蓋板組件，這種結構簡單，組裝更容易。
此外，洩壓部12能夠起到洩壓的作用，提高了鋰離子電池的安全性能。
此外，中心導體13具有導通的功能，該蓋板組件能夠作為鋰離子電池的至少一個電極。
此外，筒體15與洩壓部12之間能夠形成更加良好的密封連接。這使得在蓋板本體11的厚度較小的條件下仍具有良好的密封效果，適用於針型電池、鈕扣電池等小型儲能元件。
在一實施例中，洩壓部12的材質為玻璃或者陶瓷。在製作時，將玻璃或者陶瓷的坯料設置在通孔中。中心導體13嵌在坯料中。然後將坯料進行預燒，以獲得結構強度，並使洩壓部12與通孔以及中心導體13形成密封連接（即封接）。
例如，當選用玻璃材質時，洩壓部12為微晶玻璃、硼矽酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃或者其它特種玻璃。玻璃可以形成實體結構、中空結構或者鏤空結構，只要滿足洩壓壓力的要求即可。
在一實施例中，筒體15凸出於蓋板本體11的其中一個表面。蓋板本體11、洩壓部12和中心導體13的在與筒體15相背的一側是齊平的。
定義在組裝成鋰離子電池後，蓋板本體11的靠近電芯19的一個表面為內表面，遠離電芯19的表面為外表面。例如，如圖1-2所示，筒體15凸出於外表面，則內表面是平齊的。這樣，筒體15不會占用殼體內部的空間。
或者是，如圖3所示，筒體15凸出於內表面，則外表面是平齊的。這種結構使得鋰離子電池的外形規整，空間利用率高。
在這兩種凸出方式中，洩壓部12和筒體15之間均能形成良好的密封連接。
在其他實施例中，如圖4所示，筒體15朝內表面和外表面凸出。這樣筒體15與洩壓部12之間的封接面積更大，密封效果更好，這需要洩壓時的臨界壓力值更高。
在一實施例中，如圖3所示，蓋板本體11和中心導體13分別作為鋰離子電池的一個電極。例如，中心導體13作為正極。蓋板本體11作為負極。洩壓部12包括覆蓋筒體15的自由端的端面的延伸部21。
自由端是指筒體15的遠離蓋板本體11的一端。當筒體15凸出於外表面時，延伸部21覆蓋在自由端的端面。當中心導體13通過導線與外部電路連接時，由於延伸部21的存在，故導線不會碰觸筒體15，這樣能有效地防止出現短路。
如圖3所示，當筒體15凸出於內表面時，延伸部21覆蓋在自由端的端面。當中心導體13通過極耳或者導線與電芯19連接時，由於延伸部21的存在，故極耳或者導線不會碰觸筒體15，這樣能有效地防止出現短路。
當筒體15凸出於內表面和外表面時，延伸部21覆蓋兩個自由端的端面。同樣能夠有效地防止出現短路。
在一實施例中，如圖5所示，蓋板本體11的外邊緣向一側延伸，以形成環形連接部23。在進行組裝時，環形連接部23扣合在殼體的開口端，例如，環形連接部23位於開口端的內側或者外側。環形連接部23具有更大的連接面積，從而使得蓋板本體11與殼體的連接變得容易。例如，採用雷射焊接、電阻焊接、滾槽等方式進行連接。
定義筒體15的與殼體本體連接的部位為根部。當根部為直角時，如圖1所示，在根部容易形成應力集中。殼體本體的變形在根部產生較大的應力，使得根部產生塑性變形。這樣，殼體本體的變形不會引起筒體15的橫向移動，即殼體本體的變形無法傳遞到筒體15，筒體15不會擠壓或者拉伸洩壓部12，不會形成裂縫和裂紋。鋰離子電池的防爆元件失效。
為了解決該技術問題，在一實施例中，如圖2所示，筒體15在根部的外側形成外倒角R1。外倒角R1能夠有效地降低根部產生的應力集中，使得殼體本體的變形能夠迅速傳遞到筒體15。這樣，筒體15的上半部分擠壓洩壓部12，下半部分拉伸洩壓部12，從而更容易形成洩壓通道。
此外，洩壓部12的高度很難做的很小，例如，高度小於0.5mm。而一些小型的鋰離子電池要求的洩壓壓力很小。這需要洩壓部12的有效高度做到0.2mm、0.3mm、0.4mm，甚至更小。然而，以現有的加工技術很難達到。
在一實施例中，如圖2所示，筒體15在根部的內側形成內倒角R2。洩壓部12填充在內倒角R2圍成的區域內。洩壓部12包括直段b和彎曲段。直段b與筒體15之間形成有效的密封連接。
洩壓部12的有效高度，即直段b的尺寸對於洩壓壓力起決定作用。直段b的長度越大則洩壓壓力越大；反之，直段b的長度越小則洩壓壓力越小。而洩壓部12的位於內倒角R2所圍成區域內的部分（即彎曲段）對洩壓壓力的作用很小。通過設置內倒角R2，能夠有效地减小直段b與筒體15的封接面積，洩壓部12的有效高度降低。
這樣，即使洩壓部12的整體高度為0.5mm甚至更大，由於彎曲段對洩壓壓力的影響小，故洩壓部12的有效高度能夠達到0.2mm、0.3mm、0.4mm甚至更小。這使得防爆元件具有更低的洩壓壓力，滿足了小型鋰離子電池的使用要求，例如針型電池或者鈕扣電池。
在一實施例中，如圖6-7所示，中心導體13凸出於洩壓部12的至少一個端面。在該實施例中，當中心導體13與其他元器件電連接時，例如，通過導線或者FPCB進行連接，導線或者FPCB不易碰觸筒體15。
此外，在進行雷射焊接時，由於中心導體13凸出於洩壓部12，故導線或者FPCB更容易定位到中心導體13上，從而使得焊接的位置更準確。
在一實施例中，如圖7所示，在蓋板的外表面設置有絕緣層16。絕緣層16覆蓋洩壓部12的上端面。中心導體13的上端面是裸露的。
例如，絕緣層16為塑料、橡膠、矽膠等材料製成的薄膜。薄膜被粘結在蓋板的外表面和洩壓部12上。薄膜的中部具有供中心導體13露出的孔。
或者，絕緣層16為由絕緣材料製成的絕緣塗層。
在該實施例中，絕緣層16能有效地防止的導線或者FPCB在與中心導體13連接時，碰觸蓋板本體11。這樣，能有效地防止形成短路。
此外，絕緣層16能有效地防止洩壓部12被外部物體撞擊。
根據本發明的另一個實施例，提供了一種鋰離子電池。鋰離子電池的形狀為圓柱形、長方體形、橢圓柱形或者其他形狀。
該鋰離子電池包括能量轉換元件、殼體以及上述的蓋板組件。能量轉換元件用於進行化學能和電能之間的轉換，例如，鋰離子電池的電芯19等。
殼體包括筒狀部24。例如，筒狀部24的橫截面呈圓形、矩形、橢圓形等。能量轉換元件位於筒狀部24圍成的腔體內。
蓋板本體11蓋合在筒狀部24的一端。蓋板本體11和中心導體13分別與能量轉換元件的兩個電極連接。例如，蓋板本體11和中心導體13分別作為鋰離子電池的正、負極。
例如，蓋板組件為兩個。兩個蓋板本體11分別設置在筒狀部24的相對的兩端。
還可以是，蓋板組件為一個。筒狀部24的與蓋板組件相對的一端為底部25。底部25與筒狀部24是一體成型的。
該鋰離子電池具有安全係數高、能量密度高的特點。
在一實施例中，蓋板組件的筒體15向腔體內凸出。能量轉換元件在與筒體15和洩壓部12相對應的部位形成凹陷結構。
例如，鋰離子電池的電芯19為捲繞結構。電芯19包括中心柱20和膜電極。膜電極包括正極材料、負極材料和位於正極材料和負極材料之間的隔離膜。膜電極捲繞在中心柱20上。捲繞結構的中部形成凹陷結構，即邊緣與中部形成落差。在進行組裝時，筒體15和洩壓部12位於凹陷結構內。
這種設置方式充分利用了殼體內部的空間，這使得電芯19能存儲更多的電能。鋰離子電池的能量密度更高。
在一實施例中，在中心導體13與凹陷結構之間形成間隙14。中心導體13通過極耳與能量轉換元件的一個電極（例如，電芯19的正極材料）連接。極耳在間隙14內形成可伸縮結構22。可伸縮結構22即極耳預留出設定的長度，從而可以根據實際需要進行拉伸或者縮短，這樣，極耳的端部的位置可以根據實際需要進行定位，而不是固定不變的。通過這種方式，能夠降低對其他部件組裝的精度要求，降低了鋰離子電池組裝的難度。
例如，可伸縮結構可以是但不局限於U形、折疊形、波浪形等結構，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇。
根據本發明的又一實施例，提供了一種鋰離子電池。如圖5所示，在該實施例中，蓋板本體11的外邊緣向一側延伸，以形成環形連接部23。蓋板本體11蓋合在筒狀部24的一端。能量轉換元件（例如，電芯19）位於筒狀部24內。蓋板本體11和中心導體13分別與能量轉換元件的兩個電極連接。
蓋板本體11的外邊緣向一側延伸以形成環形連接部23。筒狀部24的端形成向內的收口部26。收口部26即在筒狀部24的口部形成向內收縮的結構。環形連接部23套設在收口部26的外側。環形連接部23與收口部26重疊。例如，採用雷射焊接、電阻焊接、滾槽等方式將蓋板本體11與殼體連接在一起。環形連接部23使得蓋板本體11與殼體的組裝變得容易。
在一實施例中，該鋰離子電池的絕緣強度超過1000V。鋰離子電池密封的壓力等級超過傳統塑料鉚合鋰離子電池的壓力等級至少3個數量級。
雖然已經通過實施例對本發明的一些特定實施例進行了詳細說明，但是本領域的技術人員應該理解，以上實施例僅是為了進行說明，而不是為了限制本發明的範圍。本領域的技術人員應該理解，可在不脫離本發明的範圍和精神的情况下，對以上實施例進行修改。本發明的範圍由所附請求項來限定。
11:蓋板本體
12:洩壓部
13:中心導體
14:間隙
15:筒體
16:絕緣層
19:電芯
20:中心柱
21:延伸部
22:可伸縮結構
23:環形連接部
24:筒狀部
25:底部
26:收口部
R1:外倒角
R2:內倒角
b:直段
被結合在說明書中並構成說明書的一部分的附圖示出了本發明的實施例，並且連同其說明一起用於解釋本發明的原理。
圖1是本發明一實施例鋰離子電池之第一種蓋板組件剖視示意圖。
圖2是本發明一實施例鋰離子電池之第二種蓋板組件剖視示意圖。
圖3是本發明一實施例鋰離子電池之第三種蓋板組件剖視示意圖。
圖4是本發明一實施例鋰離子電池之第四種蓋板組件剖視示意圖。
圖5是本發明一實施例鋰離子電池之蓋板組件與殼體裝配示意圖。
圖6-7是本發明另一實施例鋰離子電池剖視示意圖。
11:蓋板本體
12:洩壓部
13:中心導體
R1:外倒角
R2:內倒角
b:直段
Claims (14)
- 一種用於鋰離子電池的蓋板組件，包括：一蓋板本體，該蓋板本體的中部具有一通孔，該通孔延伸形成一筒體，該筒體凸出於該蓋板本體的至少一個表面；一洩壓部，該洩壓部位於該筒體內並與該筒體密封連接，該洩壓部呈環形，該洩壓部被配置為響應於該蓋板本體的變形而產生裂縫或者從該蓋板本體上脫落；以及一中心導體，該中心導體被設置在該洩壓部的內環中，並沿軸向貫穿該洩壓部；其中，定義該筒體的與該蓋板本體連接的部位為一根部，在該根部的內側形成一內倒角；以及其中，該洩壓部包括一直段和一彎曲段，該直段與該筒體之間形成密封連接，該彎曲段位於該內倒角所圍成區域內的部分。
- 如請求項1所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中該洩壓部為無機非金屬材料。
- 如請求項2所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中該洩壓部的材質為玻璃或者陶瓷。
- 如請求項1所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中該筒體凸出於該蓋板本體的其中一個表面，該蓋板本體、該洩壓部和該中心導體的與該筒體相背的一側是齊平的。
- 如請求項2所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中該蓋板本體和該中心導體分別作為鋰離子電池的一個電極，該洩壓部包括覆蓋該筒體的一自由端的端面的一延伸部。
- 如請求項1-5中任一項所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中該蓋板本體的外邊緣向一側延伸，以形成一環形連接部。
- 如請求項1-5中任一項所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中該筒體與該蓋板本體垂直。
- 如請求項1-5中任一項所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中定義該筒體的與該蓋板本體連接的部位為一根部，在該根部的外側形成一外倒角。
- 如請求項1-5中任一項所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中該中心導體凸出於該洩壓部的至少一個端面。
- 如請求項1-5中任一項所述之用於鋰離子電池的蓋板組件，其中在該蓋板的外表面設置有一絕緣層，該絕緣層覆蓋該洩壓部的一上端面，該中心導體的該上端面是裸露的。
- 一種鋰離子電池，包括：一能量轉換元件；一殼體，該殼體包括一筒狀部，該能量轉換元件位於該筒狀部圍成的一腔體內；以及如請求項1-10中任一項所述之蓋板組件，該蓋板本體蓋合在該筒狀部的一端，該蓋板本體和該中心導體分別與該能量轉換元件的兩個電極連接。
- 如請求項11所述之鋰離子電池，其中該蓋板組件的一筒體向該腔體內凸出，該能量轉換元件在與該筒體和該洩壓部相對應的部位形成一凹陷結構。
- 如請求項12所述之鋰離子電池，其中在該中心導體與該凹陷結構之間形成一間隙，該中心導體通過一極耳與該能量轉換元件的一個電極連接，該極耳在該間隙內形成可伸縮結構。
- 一種鋰離子電池，包括：一能量轉換元件；一殼體，該殼體包括筒狀部，該能量轉換元件位於該筒狀部內；如請求項6所述之蓋板組件，該蓋板本體蓋合在該筒狀部的一端，該蓋板本體和該中心導體分別與該能量轉換元件的兩個電極連接；以及該筒狀部的端形成向內的一收口部，該環形連接部套設在該收口部的外側。
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