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CN103311569A - 一种锂离子动力电池 - Google Patents

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CN103311569A CN2012102828559A CN201210282855A CN103311569A CN 103311569 A CN103311569 A CN 103311569A CN 2012102828559 A CN2012102828559 A CN 2012102828559A CN 201210282855 A CN201210282855 A CN 201210282855A CN 103311569 A CN103311569 A CN 103311569A
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闫武钊
王鹏
金婧
李恺
姚万浩
郭志君
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Ningde Amperex Technology Ltd
Dongguan Amperex Technology Ltd
Original Assignee
Ningde Amperex Technology Ltd
Dongguan Amperex Technology Ltd
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Abstract

本发明属于锂离子动力电池技术领域，尤其涉及一种锂离子动力电池，包括电极组件、用于容纳电极组件的金属壳体、注入到金属壳体内的电解液和固定连接在金属壳体上的顶盖，电极组件包括正极片、负极片和隔膜，正极片上设有正极极耳，负极片上设有负极极耳，顶盖上设有与正极极耳电连接的正极端子、与负极极耳电连接的负极端子、注液孔和防爆阀，金属壳体与电极组件之间叠放有安全组件，所述安全组件与所述正极端子或负极端子电连接，所述金属壳体与所述负极端子或正极端子电连接。本发明锂离子动力电池具有较好的安全性能，当电池受到穿刺或挤压时，电流能够通过金属壳体和金属板泄流，从而使得电池的温度不会过度升高，保证电池有较好的安全性。

Description

一种锂离子动力电池
技术领域
本发明属于锂离子动力电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种具有安全组件的锂离子动力电池。
背景技术
随着现代社会的发展和环保意识的增强，越来越多的设备选择以电池作为电源，如笔记本电脑、智能手机、MP3、电动汽车和储能电站等，其中电动汽车和储能电站对电池的容量有较高的要求，一般需要采用大容量的动力电池。另一个方面，电动汽车和储能电站对电池的安全性能也有较高的要求，目前普遍采用金属壳体动力电池，因为相比于软包电池而言，金属壳体具有更高的硬度和强度，在动力汽车等的行驶过程具有更好的抗撞击性，因此具有较好的安全性能。
但是，如果锂离子动力电池在穿刺或挤压等滥用情况下，电池内部的温度就会升高，当温度升高到一定程时度，电池发生热失控，就有可能会起火或爆炸，导致安全问题。
如图1所示，锂离子动力电池一般包括电极组件1、用于容纳所述电极组件1的金属壳体2、注入到所述金属壳体2内的电解液和固定连接在所述金属壳体2上的顶盖3，所述电极组件1包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片上设有正极极耳11，所述负极片上设有负极极耳12，所述顶盖3上设有与所述正极极耳11电连接的正极端子31、与所述负极极耳12电连接的负极端子32、注液孔33和防爆阀34。 
 为了改善锂离子动力电池的安全性能，申请号为US20100279170的美国专利公开了两种短路构件，该短路构件为卷绕在电极组件周围的金属箔或金属板。它们虽然在一定程度上可以改善电池的安全性能，但这两种短路构件的金属箔或金属板是卷绕在电极组件的外部，且短路构件没有利用到壳体，这样会增加电池加工难度，且降低电池的能量密度。
有鉴于此，确有必要提供一种能够提高能量密度且易于加工的具有高安全性能的锂离子动力电池。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够提高能量密度且易于加工的具有高安全性能的锂离子动力电池。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种锂离子动力电池，包括电极组件、用于容纳所述电极组件的金属壳体、注入到所述金属壳体内的电解液和固定连接在所述金属壳体上的顶盖，所述电极组件包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片上设有正极极耳，所述负极片上设有负极极耳，所述顶盖上设有与所述正极极耳电连接的正极端子、与所述负极极耳电连接的负极端子、注液孔和防爆阀，所述金属壳体与所述电极组件之间叠放有安全组件，所述安全组件与所述正极端子或负极端子电连接，所述金属壳体与所述负极端子或正极端子电连接。
其中，金属壳体的材质为不锈钢或铝金属；电极组件可以是正极片、负极片及隔膜经卷绕而成的卷绕式电芯，也可以是经层叠而成的叠片式电芯，还可以包括是包括多个卷绕式电芯或/和叠片式电芯的组合电芯。
本发明的锂离子动力电池中具有安全组件，当电池遭受外部严重的破坏时，由于安全组件和金属壳体分别与电极组件中的两个电极电连接，从而实现了将可能发生的内部短路转变为外部短路，降低了动力电池内部的电流密度，避免电池内体系的过热产生的一系列反应，保证了锂离子动力电池的安全性能。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述安全组件为金属板。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述金属板为铝板、铜板或镍板。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述金属板的厚度为0.005-2.0mm。若金属板厚度太薄，可能过电流能力较差，若厚度太厚，会影响电池的能量密度。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述金属板的厚度为0.1-0.3mm。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述安全组件的长度小于等于电极组件宽侧面的长度，所述安全组件的宽度小于等于电极组件宽侧面的宽度。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述金属板和金属壳体之间设有绝缘膜，防止电池在正常使用过程中金属板与金属壳体之间的短路。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述绝缘膜的材质为聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚乙烯（PE）。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述绝缘膜的厚度为1-1000μm。
作为本发明锂离子动力电池的一种改进，所述安全组件上设有与所述正极极耳或负极极耳电连接的极耳。所述安全组件的极耳与正极极耳或负极极耳电连接，所述金属壳体与负极极耳或正极极耳电连接。
相对于现有技术，本发明锂离子动力电池至少具有以下有益技术效果：本发明锂离子动力电池具有较好的安全性能，当电池受到穿刺或挤压等时，电流能够通过金属壳体和金属板泄流，从而使得电池的温度不会过度升高，保证电池有较好的安全性。此外，一方面，本发明中电池的金属壳体也可以作为安全构件的一部分，因此可以节省一部分空间给电极组件，所以可以提高电池的能量密度；另一方面，本发明中金属板是叠放在电极组件表面，相比于卷绕在电极组件表面的金属箔，由于金属板具有一定的强度，所以本发明的电池的加工过程比较简单。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明锂离子二次电池及其有益技术效果进行详细说明。
图1是现有技术的锂离子动力电池的剖视图。
图2为本发明的立体图。
图3为本发明的正面透视图。
图4为本发明中电极组件和安全组件的一种结构示意图。
图5为本发明的侧面剖视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，但本发明并不限于此。
如图2、图3、图4和图5所示，本发明一种锂离子动力电池，包括电极组件4、用于容纳所述电极组件4的金属壳体5、注入到所述金属壳体5内的电解液和固定连接在所述金属壳体5上的顶盖6，所述电极组件4包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片上设有正极极耳41，所述负极片上设有负极极耳42，所述顶盖6上设有与所述正极极耳41电连接的正极端子61、与所述负极极耳42电连接的负极端子62、注液孔63和防爆阀64，所述金属壳体5与所述电极组件4之间叠放有安全组件7，所述安全组件7与所述正极端子61或负极端子62电连接，所述金属壳体5与所述负极端子62或正极端子61电连接。
其中，所述安全组件7为金属板。
所述金属板为铝板、铜板或镍板。
所述金属板的厚度为0.005-2.0mm。
所述金属板的厚度为0.1-0.3mm。
所述安全组件7的长度小于等于电极组件4宽侧面的长度，所述安全组件7的宽度小于等于电极组件4宽侧面的宽度。
所述金属板和金属壳体之间设有绝缘膜8。
所述绝缘膜8的材质为聚丙烯（PP）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）或聚乙烯（PE）。
所述绝缘膜8的厚度为1-1000μm。
所述安全组件7上设有与所述正极极耳41或负极极耳42电连接的极耳。
所述安全组件7与正极极耳41或负极极耳42电连接，所述金属壳体5与负极极耳42或正极极耳41电连接。
本发明中所述的电极组件4可以是正极片、负极片及隔膜经卷绕而成的卷绕式电芯，也可以是经层叠而成的叠片式电芯，还可以是包括多个卷绕式电芯或/和叠片式电芯的组合电芯。
具体而言，本发明的连接关系可以陈述如下：
金属壳体5上部是顶盖6，金属壳体5和顶盖6通过激光焊接固定连接。顶盖6与正极端子61和负极端子62之间的电连接是通过铆接或锡焊接连接，或顶盖6与正极端子61和负极端子62为注塑一体成型。
电极组件4中的正极顶部有一部分是空的金属铝箔，即正极极耳，正极极耳41与正极端子61通过正极的转接片实现电连接，其中，正极极耳41与正极的转接片的电连接可以是激光焊接，也可以是超声焊接，转接片与正极端子61的电连接是通过激光焊接实现。
电极组件4中的负极顶部有一部分是空的金属铜箔，即为负极极耳42，负极极耳42与负极端子62通过软连接实现电连接，其中，负极极耳42与负极的转接片的电连接可以是激光焊接，也可以是超声焊接，转接片与负极端子62的电连接通过激光焊接实现。
金属壳体5与正极极耳41通过激光焊接或超声焊接实现电连接，电极组件4包括两个宽侧面和两个窄侧面，在电极组件4的两个宽侧面上各放置一个安全组件7。安全组件7与电极组件4中的负极极耳42实现电连接，该安全组件7为金属板，金属板为长方形或其它形状，其长度和宽度应小于等于电极组件4的长度和宽度，金属板的上部一侧有一个与负极极耳42形状相近的梯形结构，此梯形结构为金属板的极耳71，金属板的极耳与负极极耳42叠在一起，再与转接片通过超声焊接或激光焊接实现电连接（如图4所示）。
此外，在金属板与金属壳体5之间有绝缘膜8，防止电池在正常使用过程中金属板与金属壳体5之间的短路。
实施例1：正极片的制备：以LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2为正极活性材料，其重量含量（相对于粉料重量，以下同）为90%；以聚偏二氟乙烯（PVDF）为粘结剂，其重量含量为5%；以碳黑为导电剂，其重量含量为5%；将上述材料加入到N-甲基吡咯烷酮（NMP）中搅拌均匀制成正极浆料；将正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上，烘干压实后经裁片、焊接正极极耳，制得正极片。
负极片的制备：以人造石墨为负极活性材料，其重量含量为95%；以丁苯橡胶（SBR）和羧甲基纤维素钠（CMC）为粘结剂和增稠剂，其重量含量分别为2.5%和2.5%；将上述材料加入到去离子水中搅拌均匀制负极浆料；将负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上，烘干压实后经裁片、焊接负极极耳，制得负极片。
隔膜的制备：以聚乙烯微孔膜为隔膜。
电解液的制备：以浓度1.0M的六氟磷酸锂（LiPF6）为锂盐，以碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）的混合物为溶剂，碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的重量比为PC：EC：DMC=1：1：1，再加入1wt%的电解液添加剂碳酸亚乙烯酯（VC）。
电极组件4的制备：将根据前述工艺制得的负极片、正极片、隔膜依次叠加后，通过卷绕工艺制得电极组件4，其中极片外部有一至四层隔离膜。
锂离子动力电池的制备：将制得的电极组件4的正极极耳41与顶盖6上的正极端子61通过激光焊接连接，负极极耳42与顶盖6上的负极端子62激光焊接连接，其中正极端子61与金属外壳5电连接，负极端子62与金属外壳5之间设有绝缘片，以实现电绝缘。在电极组件4两个较大面积的表面分别放置一个厚度为0.2mm的铜板，铜板与负极端子62通过激光焊接连接在一起，然后在铜板表面贴一层绝缘膜8，绝缘膜8的厚度为10μm，绝缘膜8的材质为聚丙烯（PP），完全包住铜板。然后将电极组件4和顶盖6及铜板一起放入金属壳体5中（本实施例中，金属壳体为铝壳），将铝壳和顶盖6铆接连接，然后向铝壳内注入电解液，经化成等工序后制得锂离子动力电池。
实施例2：与实施例1不同是；锂离子动力电池的制备：将制得的电极组件4的正极极耳41与顶盖6上的正极端子61通过超声焊接连接，负极极耳42与顶盖6上的负极端子62超声焊接连接，其中正极端子61与金属外壳5之间设有绝缘片，以实现电绝缘，负极端子62与金属外壳5电连接。在电极组件4两个较大面积的表面分别放置一个厚度为0.3mm的铝板，铝板与正极端子61通过超声焊接连接在一起，然后在铝板表面贴一层绝缘膜8，绝缘膜8的材质为聚丙烯（PP），绝缘膜8的厚度为100μm，完全包住铝板。然后将电极组件4和顶盖6及铝板一起放入金属壳体5中（本实施例中，金属壳体为不锈钢壳），将不锈钢壳和顶盖6锡焊接连接，然后向不锈钢壳内注入电解液，经化成等工序后制得锂离子动力电池。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3：与实施例1不同是：锂离子动力电池的制备：将制得的电极组件4的正极极耳41与顶盖6上的正极端子61通过激光焊接连接，负极极耳42与顶盖6上的负极端子62激光焊接连接，其中正极端子61与金属外壳5电连接，负极端子62与金属外壳5之间设有绝缘片，以实现电绝缘。在电极组件4两个较大面积的表面分别放置一个厚度为1.5mm的镍板，镍板与负极端子62通过激光焊接连接在一起，然后在镍板表面贴一层绝缘膜8，绝缘膜8的厚度为500μm，绝缘膜8的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），完全包住镍板。然后将电极组件4和顶盖6及镍板一起放入金属壳体5中（本实施例中，金属壳体为铝壳），将铝壳和顶盖6锡焊接连接，然后向铝壳内注入电解液，经化成等工序后制得锂离子动力电池。 
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例4：与实施例1不同是：锂离子动力电池的制备：将制得的电极组件4的正极极耳41与顶盖6上的正极端子61通过超声焊接连接，负极极耳42与顶盖6上的负极端子62超声焊接连接，其中正极端子61与金属外壳5之间设有绝缘片，以实现电绝缘，负极端子62与金属外壳5电连接。在电极组件4两个较大面积的表面分别放置一个厚度为0.05mm的铝板，铝板与正极端子61通过超声焊接连接在一起，然后在铝板表面贴一层绝缘膜8，绝缘膜8的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），绝缘膜8的厚度为1μm，完全包住铝板。然后将电极组件4和顶盖6及铝板一起放入金属壳体5中（本实施例中，金属壳体为不锈钢壳），将不锈钢壳和顶盖6铆接连接，然后向不锈钢壳内注入电解液，经化成等工序后制得锂离子动力电池。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例5：与实施例1不同是：锂离子动力电池的制备：将制得的电极组件4的正极极耳41与顶盖6上的正极端子61通过超声焊接连接，负极极耳42与顶盖6上的负极端子62超声焊接连接，其中正极端子61与金属外壳5电连接，负极端子62与金属外壳5之间设有绝缘片，以实现电绝缘。在电极组件4两个较大面积的表面分别放置一个厚度为1mm的镍板，镍板与负极端子62通过超声焊接连接在一起，然后在镍板表面贴一层绝缘膜8，绝缘膜8的厚度为900μm，绝缘膜8的材质为聚丙烯（PP），完全包住镍板。然后将电极组件4和顶盖6及镍板一起放入金属壳体5中（本实施例中，金属壳体为不锈钢壳），将不锈钢壳和顶盖6锡焊接连接，然后向不锈钢壳内注入电解液，经化成等工序后制得锂离子动力电池。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例6：与实施例1不同是：锂离子动力电池的制备：将制得的电极组件4的正极极耳41与顶盖6上的正极端子61通过超声焊接连接，负极极耳42与顶盖6上的负极端子62超声焊接连接，其中正极端子61与金属外壳5之间设有绝缘片，以实现电绝缘，负极端子62与金属外壳5电连接。在电极组件4两个较大面积的表面分别放置一个厚度为0.6mm的铝板，铝板与正极端子61通过超声焊接连接在一起，然后在铝板表面贴一层绝缘膜8，绝缘膜8的材质为聚乙烯（PE），绝缘膜8的厚度为200μm，完全包住铝板。然后将电极组件4和顶盖6及铝板一起放入金属壳体5中（本实施例中，金属壳体为铝壳），将铝壳和顶盖6锡焊接连接，然后向其铝壳内注入电解液，经化成等工序后制得锂离子动力电池。
其余同实施例1，这里不再赘述。
比较例1：与实施例1不同的是：锂离子动力电池的制备：将制得的电极组件的正极极耳与顶盖上的正极端子电连接，负极极耳与负极端子电连接，其中正极端子与金属壳体电绝缘，负极端子与金属壳体电绝缘。将电极组件和顶盖放入金属壳体内，将金属壳体和顶盖锡焊接连接，然后向其金属壳体内注入电解液，经化成等工序后制得锂离子动力电池。向其内注入电解液，经化成等工序后制得比较例锂离子二次电池。
对比较例1、实施例1至6的锂离子动力电池进行穿刺测试。首先，将比较例1、实施例1至6的电池进行满充，具体而言，用0.5C的电流进行恒流充电，直到电压达到4.2V，然后进行恒压充电，直到电流达到0.05C为止。然后进行穿刺测试，具体流程如下：用直径为3mm的钉子以80mm/秒的速度分别刺入比较例1、实施例1至6的锂离子动力电池中，结果如表1所示。
 表1：比较例1和实施例1至6的电池的穿刺测试结果。
组别 穿刺测试现象 穿刺测试电池最高温升
比较例1 冒烟着火 ＞450℃
实施例1 无冒烟，无着火 ＜100℃
实施例2 无冒烟，无着火 ＜100℃
实施例3 无冒烟，无着火 ＜100℃
实施例4 无冒烟，无着火 ＜100℃
实施例5 无冒烟，无着火 ＜100℃
实施例6 无冒烟，无着火 ＜100℃
表1表明，在实施例1至6中，含有安全组件7的锂离子动力电池在穿刺测试时没有着火，电池的温升也低于100℃；而比较例1中的锂离子动力电池由于没有安全组件，因此在穿刺测试时发生了冒烟着火，最大温升甚至超过450℃。由此可知，本发明可以极大地改善锂离子动力电池的安全性能。这是因为本发明的锂离子动力电池中具有安全组件7，当电池遭受外部严重的破坏时，由于安全组件7和金属壳体5分别与电极组件中4的两个电极电连接，从而实现了将可能发生的内部短路转变为外部短路，降低了动力电池内部的电流密度，避免电池内体系的过热产生的一系列反应，保证了锂离子动力电池的安全性能。
根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种锂离子动力电池，包括电极组件、用于容纳所述电极组件的金属壳体、注入到所述金属壳体内的电解液和固定连接在所述金属壳体上的顶盖，所述电极组件包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和负极片之间的隔膜，所述正极片上设有正极极耳，所述负极片上设有负极极耳，所述顶盖上设有与所述正极极耳电连接的正极端子、与所述负极极耳电连接的负极端子、注液孔和防爆阀，其特征在于：所述金属壳体与所述电极组件之间叠放有安全组件，所述安全组件与所述正极端子或负极端子电连接，所述金属壳体与所述负极端子或正极端子电连接。
2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述安全组件为金属板。
3.根据权利要求2所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述金属板为铝板、铜板或镍板。
4.根据权利要求2所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述金属板的厚度为0.005-2.0mm。
5.根据权利要求4所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述金属板的厚度为0.1-0.3mm。
6.根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述安全组件的长度小于等于电极组件宽侧面的长度，所述安全组件的宽度小于等于电极组件宽侧面的宽度。
7.根据权利要求2所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述金属板和金属壳体之间设有绝缘膜。
8.根据权利要求7所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述绝缘膜的材质为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯。
9.根据权利要求7所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述绝缘膜的厚度为1-1000μm。
10.根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述安全组件上设有与所述正极极耳或负极极耳电连接的极耳。
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