CN102315395A

CN102315395A - 方形锂离子电池外壳和使用该外壳的方形锂离子动力电池

Info

Publication number: CN102315395A
Application number: CN2010102217062A
Authority: CN
Inventors: 侯敏; 赵文鹏; 曹辉; 李克俭; 王东; 杨玉光
Original assignee: Shanghai Aerospace Power Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Aerospace Power Technology Co Ltd
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体公开了一种方形锂离子电池外壳，包括壳盖、壳身和底板，壳身具有用于容纳壳盖的预定空间，壳盖和底板分别与壳身固定连接形成整体，所述壳盖具有极柱，极柱具有内螺纹和外螺纹。本发明还公开了一种使用前述电池外壳的方形锂离子动力电池。本发明特别适用于大规模串并联及长期振动使用的场合，如贮能电源\汽车用动力电池/电动自行车/摩托车等。

Description

方形锂离子电池外壳和使用该外壳的方形锂离子动力电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种方形锂离子电池外壳；此外，本发明还涉及使用前述外壳的锂离子动力电池。

背景技术

现有技术中锂离子电池外壳主要有三种形式，金属外壳、塑料外壳和铝塑复合膜外壳，塑料外壳虽然能够耐电解液腐蚀，但容易发生变形，阻燃性差，且散热效果较差；而铝塑复合膜外壳对电池制造过程中的密封性要求高，且容易发生破损，金属壳材料成本和生产成本较高，密封性优良，目前广泛用于锂离子动力电池领域。

中国专利CN201243029Y于2009年05月20日公开了一种锂离子动力电池外壳，外壳本体由内层、中间层和外层构成，内层由耐电解液的聚乙烯PE或聚丙烯PP构成，中间层为金属层，外层由尼龙或聚奈二甲酸乙二醇酯PEN或聚酰胺或聚酰亚胺或聚砜构成，内层、外层通过注塑或热压胶合等方式与金属层粘结形成整体。该结构有效的将金属的刚性与塑料的耐冲击性结合起来，使动力电池的外壳更加合理化，既可以节约生产成本与材料成本，又可以提高电池的质量能量密度。

中国专利CN101047231A于2007年10月03日公开了一种电池外壳、使用该外壳的电池和制造该外壳的方法。该发明公开的一种电池外壳，具有至少一底槽以便于插入到设备中和从设备中抽出，该外壳具有预定空间，其用于容纳电极组件通过外壳的顶部开口，该电极组件包括正极板、负极板和设置在正极板和负极板之间的间隔件。根据该发明，通过直接使该外壳的底面绝缘并形成固定槽以便于插入设备中和从设备中抽出，而不是形成附接在该外壳上的底面以保证外壳底面的绝缘和便于插入设备中和从设备中抽出的底盖，使电池的容量最大化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种密封性好、大电流充放电性能优良并改善安全性能的方形锂离子电池外壳；并提出使用该外壳的方形锂离子动力电池。

为此，本发明提供了一种方形锂离子电池外壳，包括壳盖、壳身和底板，壳身具有用于容纳壳盖的预定空间，壳盖和底板分别与壳身固定连接形成整体，其创新点在于，所述壳盖具有极柱，极柱具有内螺纹和外螺纹。

在一些实施方式中，所述方形锂离子电池外壳的壳盖还包括密封垫、上盖板、绝缘垫、极耳、紧固螺丝及注液口。

在一些实施方式中，所述方形锂离子电池外壳的材质为不锈钢、铝合金、镁合金或钛合金。

在一些实施方式中，所述方形锂离子电池外壳的壳身的长度为10mm至500mm，厚度为5mm至80mm，高度为10mm至500mm。

在一些实施方式中，所述方形锂离子电池外壳的壳盖所用的密封垫和绝缘垫外形可以为方形，圆形等多种形状，材质为聚四氟乙烯、过氟烷基化物及乙烯和四氟乙稀的共聚物。

为了满足密封性及热稳定性的需求，锂离子动力电池采用聚四氟乙烯、过氟烷基化物及乙烯和四氟乙稀的共聚物作为密封垫和绝缘垫的材质，有利于保证电池的化学稳定性及热稳定性。

锂离子动力电池对电池外壳的密封性要求很高，它要求外壳能够经受外界恶劣的环境要求，而采用常见的机械铆合方式制作的电池壳盖密封性较差，所以在电池壳盖的组合及制备过程中，本发明采用螺母紧固密封替代传统的机械铆压方式，从而保证了动力电池的密封性。

在一些实施方式中，所述紧固螺丝形状可以为六角、方形或圆形等多种形状。在电芯与外壳壳盖的连接方式上，采用焊接工艺替代传统的极耳铆接工艺，能够有效的降低电池与壳体之间的接触内阻，从而提高电池的大电流充放电特性。

为了满足本发明对大电流充放电的要求，所述极耳采用的金属厚度为0.1-0.4mm，正极极耳材质为铝金属，负极极耳材质采用铜、镍或铜镍复合金属。

在一些实施方式中，所述极耳与紧固螺丝采用激光焊进行紧固连接，其目的在于，减少极耳与紧固螺丝之间的接触内阻，从而降低极柱的内阻，有效提高锂离子电池的倍率充放电性能。

在一些实施方式中，所述安全阀位于电池壳身的侧面，其特征为安全阀由厚度为10-30um厚的铜箔或铝箔密封组成。

壳身上的安全阀位置应在电池内的空腔位置，以便气流通道顺畅，发生安全问题时它能及时开启。安全阀能够承受的压力为4～8Kg，电池在发生短路或过充等滥用时，电池内部会产生大量的热量，导致电解液分解，从而使电池内部产生较大的压力，当压力大到一定值，壳体会首先从安全阀处泄气，以防止壳体内压力过大造成的爆炸危险。

在一些实施方式中，所述壳身的长度方向有两条内陷的凹槽，凹槽的尺寸为外壳长度尺寸的10％至100％，其位置比内部电芯高度高0.5-3mm。在电池装配过程中，将电芯装入壳体后，采用绝缘垫片将电芯固定在凹槽以下的位置，避免电池振动过程中引起的安全性问题，另一方面该凹槽还能够为电池鼓胀提供一定的膨胀空间。

另一方面，本发明提供的方形锂离子动力电池包括前述方形锂离子电池外壳、电芯和电解液，电芯和电解液密封在方形锂离子电池外壳内，所述电芯包括正极片、负极片和隔膜。

所述正极片可以采用本领域已知的方法制备，所述正极片包括正极集流体、正极活性物质及粘结剂，其中所述正极活性物质为磷酸亚铁锂、层状镍钴锰酸锂、尖晶石锰酸锂的一种或多种的混合物。

所述正极片的质量百分配比为：正极活性物质85～95％，粘合剂1～10％，导电剂1～11％。

所述正极集流体为锂离子电池中常用的正极集流体，例如铝箔或铝网。在本发明的具体实施方案中使用铝箔为正极集流体。

所述正极粘合剂可以为本领域常用的正极粘合剂，例如丙烯酸类共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或多种。

所述导电剂可以为本领域常规的正极导电剂，例如导电碳黑、超导碳黑、乙炔黑、气相生长纳米炭纤维、碳纳米管中的一种或多种。

所述负极片可以采用本领域已知的方法制备，所述负极片的组成为本领域技术人员所公知，例如负极片的组成包括集流体、负极活性物质、粘合剂和导电剂。

所述负极片的质量百分配比为：负极活性物质80～95％，粘合剂1～10％，导电剂1～11％。

所述负极活性物质可以为本领域常用的负极材料，例如硬碳、天然石墨、人造石墨、天然改性石墨、钛酸锂、中间相碳微球中的一种或多种，优选中间相炭微球及硬碳。

所述负极粘合剂可以为含氟树脂和聚烯烃化合物，例如丁苯橡胶(SBR)、羟甲基纤维素钠(CMC)、丙烯酸类共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或多种。

所述导电剂可以为本领域常规的负极导电剂，例如导电碳黑、超导碳黑、乙炔黑、气相生长纳米炭纤维、碳纳米管中的一种或多种；

所述溶剂可以为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、去离子水、蒸馏水、无水乙醇或正丁醇中的一种或多种。

所述负极集流体为锂离子电池中常用的负极集流体，例如铜箔或铜网。在本发明的具体实施方案中使用铜箔为负极集流体。

所述隔膜置于正极片与负极片之间，隔膜可以是无纺布或合成树脂微孔膜，例如聚乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、聚乙烯聚丙烯复合微孔膜，所述隔膜的种类和性能为本领域技术人员所公知。

所述电解液含有电解质锂盐和非水溶剂。电解质锂盐可以为LiPF₆、LiBF₄、LiAsF₆、LiClO₄、LiBOB等锂盐。有机溶剂可以选用链状酸酯和环状酸酯混合溶液，其中链状酸酯可以为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)中的一种或多种，环状酸酯可以为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸丙烯酯(PC)中的一种或多种。

本发明提供的方形锂离子动力电池可以采用常规的方法制备。一般来说，将所述制备好的正极片、负极片和隔膜以叠片或卷绕的方式制作成电芯，采用储能焊机将负极铜集流体与壳盖的负极极耳进行焊接，采用超声波焊机将正极铝集流体与壳盖的正极极耳进行焊接，然后将电芯装入壳体内，采用绝缘片将电芯的位置在壳身的凹槽处固定，然后采用激光焊将电池壳盖与壳身进行焊接，将电池进行烘烤、注液后密封，即可得到本发明提供的锂离子动力电池。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将电池壳壳盖的极柱进行了优化，弥补了常见的铆压方式带来的内阻高、气密性差的缺陷，从而提高了电池壳体的密封性，降低了电池壳体与电芯之间的接触内阻，使得电池具有良好的大电流充放电性能；通过对壳身及底板的优化，提高了电池的安全性能。

(2)本发明的电池壳身极大提高了电池侧面的抗拉抗压强度，使大容量锂离子动力电池循环过程中的鼓胀现象得以抑制，从而有效提高了电池的循环寿命。

(3)本发明结构制成的电池抗上下的振动及冲击能力明显增加，增强了电池的环境适用性。

(4)本发明制作的电池壳体用于锂离子动力电池，具有良好的倍率充放电性能及安全性能。

(5)本发明结构更适用于大规模的串并联使用。

附图说明

图1是本发明的锂离子电池外壳外形图。

图2a是本发明的电池壳盖分解图。

图2b是本发明的电池壳盖正视图。

图2c是本发明的电池壳盖俯视图。

图2d是本发明的电池壳身图。

图2e是本发明的电池底板图。

图3a是本发明的电池外壳及电芯正视图。

图3b是本发明的锂离子电池置于外壳中的正透视图。

图4a是对比例铆压结构的电池外壳正视图。

图4b是对比例铆压结构的电池壳盖正视图及俯视图。

图5是对比例锂离子电池置于壳体内的正透视图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

1.锂离子电池外壳的制作

图1表示锂离子电池外壳外形图，根据本发明制作的锂离子电池外壳包括电池壳盖1、电池壳身2及电池底板3；壳身2具有用于容纳壳盖1的预定空间，壳盖1和底板3分别与壳身2焊接形成整体。

图2a为电池壳盖1的分解图，以这种方式构建电池壳盖1，即，包括极柱4、密封垫5、上盖板6、绝缘垫7、极耳8、紧固螺丝9及注液口10，将密封垫5置于极柱4之下，让其与上盖板6紧密接触，上盖板6上有圆通孔，将绝缘垫7及极耳8依次置于上盖板6的下通孔处，然后采用紧固螺丝9将其连接到电池上盖板6上，从而形成紧密、绝缘的电池壳盖1。壳盖1上还具有注液孔10，电解液从注液孔10中注入后，可采用钢珠密封，然后再采用胶封或激光焊接密封。

图2b为电池壳盖1正视图，极柱4穿入密封垫5及上盖板6中，极柱4嵌入密封垫5中，上盖板6下面的绝缘垫7将极耳8与上盖板6分开，达到绝缘的目的，绝缘垫7的长度尺寸大于极耳8的长度尺寸，紧固螺丝9穿过极耳8及绝缘垫7与上盖板6上面的极柱4及密封垫5连接。

图2c为电池壳盖1俯视图，紧固螺丝9穿过极耳8及绝缘垫7与上盖板6进行紧固，紧固螺丝9分为正极紧固螺丝及负极紧固螺丝，正极紧固螺丝由铝合金组成，负极紧固螺丝由铜合金组成。

绝缘垫7的长度及宽度尺寸均大于极耳8，这样有利于极耳8与上盖板6绝缘。

上盖板6的四周带有凸台，这样有利于增强焊接强度，增加外壳的安全可靠性。

极柱4分为正极极柱和负极极柱，该极柱具有内螺纹及外螺纹，外螺纹用于与上盖板6下的紧固螺丝9连接，内螺纹用于电池的串并联组合组装，正极极柱由铝或铝合金组成，负极极柱有铜或铜合金组成。

密封垫5带凹槽，以便于极柱4嵌入其中，同时利于密封，密封垫5与绝缘垫7采用同种材质，可以为聚四氟乙烯、过氟烷基化物及乙烯和四氟乙稀的共聚物。

图2d表示电池壳身2，靠近壳身顶部处有向内陷的凹槽12，该凹槽位置在壳身的长边，凹槽的尺寸与壳身长度尺寸相比为10％～100％，凹槽的高度尺寸比电池芯体高0.5～3mm，凹槽的深度尺寸为0.1mm～0.5mm。

图2e表示电池底板3，电池底板3四周带凸台，有利于增强电池壳身2与底板3的焊接强度，从而增强电池的安全性。

2.锂离子动力电池的制作

图3a表示锂离子电池外壳及电池，电芯13的极耳与壳盖的极耳8进行焊接，正极耳采用超声焊焊接，负极耳采用储能焊焊接。电芯13包括正极片14，负极片15和隔膜16的组合，将该组合件放入电池外壳中，一般电芯13采用叠片或卷绕方式。

正极片14包括正极集流体，例如铝箔，以及涂覆在其两侧的正极活性物质层，其中磷酸铁锂作为正极活性物质，正极片无涂覆层部分作为正极电流的传导区域，将其与电池壳盖1上的正极耳8进行焊接。

负极片15包括负极集流体，例如铜箔，以及涂覆在其两侧的负极活性物质层，其中中间相碳微球作为负极活性物质，负极片无涂覆层部分作为负极电流的传导区域，将其与电池壳盖1上的负极耳8进行焊接。

隔膜16置于正极片14与负极片15之间，隔膜16由多孔聚合物膜组成，用于防止正极片14与负极片15之间的短路，同时为锂离子迁移提供传输路径。

图3b表示锂离子动力电芯13置于外壳中的正透视图，电芯13置于外壳中后，在壳身2的凹槽12处，采用绝缘片17将电芯13卡紧在壳体凹槽内，避免电池在使用过程中发生振动，导致电池短路失效，增强了电池的安全性。

本发明制作的电池外壳，长度为82mm，厚度为18mm，高度为130mm，本发明制作的锂离子动力电池采用磷酸亚铁锂为正极活性物质，电池容量为11Ah。

对比例

1.电池外壳的制作方法

图4a所示常见的铆压结构的电池外壳正视图；

图4b所示常见的铆压结构的电池壳盖正视图。

2.锂离子动力电池的制作方法

图5表示锂离子电芯置于图4a所示外壳中的正透视图，电芯2的制作方法同实施例1，但是电池内部不含绝缘片17。

对比例制作的电池外壳，长度为82mm，厚度为18mm，高度为130mm，对比例制作的锂离子动力电池采用磷酸亚铁锂为正极活性物质，电池容量为11Ah。

按照以下方法测试电池的倍率充放电性能及安全性能。

倍率放电性能：在室温25℃，将电池1C恒流充电至3.65V，然后恒压充电，截止电流为0.05C；随后将电池以设定的倍率恒流放电至2.0V，得到电池的设定倍率放电容量，记录电池的倍率放电容量为C_d，计算电池的放电容量比率K_d＝C_d/C₁×100％，测试结果见表1。

倍率充电性能：在室温25℃，将电池1C恒流充电至3.65V，然后恒压充电，截止电流为0.05C；随后将电池1C恒流放电至2.0V，然后将电池以设定倍率恒流充电至3.65V，得到电池的设定倍率恒流充电容量，记录电池的倍率恒流充电容量为C_c，计算电池的充电容量比率k_C＝C_c/C₁×100％，测试结果见表2。

过充性能：将本发明制作的锂离子动力电池充满电，采用1C恒流充电至10V，电池不爆炸、不起火。

短路性能：将本发明制作的锂离子动力电池充满电，采用内阻＜5mΩ的外部线路短接10min，电池不爆炸、不起火。

表1

表2

由表1和表2可见，随着充放电倍率的提高，本发明制作的锂离子动力电池，倍率性能优良，而采用对比例1制作的锂离子动力电池，在10C以上的大倍率放电及3C以上的大倍率充电，电池倍率充放电容量衰减较快。本发明制作的电池较常规电池具有更好的功率特性和循环性能。

本发明的范围不受所述具体实施方案的限制，所述实施方案只欲作为阐明本发明各个方面的单个例子，本发明范围内还包括功能等同的方法和组分。实际上，除了本文所述的内容外，本领域技术人员参照上文的描述和附图可以容易地掌握对本发明的多种改进。所述改进也落入所附权利要求书的范围之内。上文提及的每篇参考文献皆全文列入本文作为参考。

Claims

1.一种方形锂离子电池外壳，包括壳盖、壳身和底板，壳身具有用于容纳壳盖的预定空间，壳盖和底板分别与壳身固定连接形成整体，其特征在于，所述壳盖具有极柱，极柱具有内螺纹和外螺纹。

2.根据权利要求1所述的方形锂离子电池外壳，其特征在于，所述壳盖还包括密封垫、上盖板、绝缘垫、极耳、紧固螺丝及注液口。

3.根据权利要求1所述的方形锂离子电池外壳，其特征在于，所述壳身在侧面具有安全阀。

4.根据权利要求1所述的方形锂离子电池外壳，其特征在于，所述壳盖及底板四周具有突起的凸台。

5.根据权利要求1所述的方形锂离子电池外壳，其特征在于，所述壳身的长度方向具有向内陷的凹槽，凹槽的尺寸为外壳长度的10％至100％。

6.根据权利要求1所述的方形锂离子电池外壳，其特征在于，所述壳盖、壳身和底板的材质为不锈钢、铝合金、镁合金或钛合金。

7.根据权利要求1所述的方形锂离子电池外壳，其特征在于，所述壳身的长度为10mm至500mm，厚度为5mm至80mm，高度为10mm至500mm。

8.一种方形锂离子动力电池，该电池包括电池外壳、电芯及电解液，电芯和电解液密封在电池外壳内，其特征在于，该电池外壳为权利要求1-7中任意一项所述的方形锂离子电池外壳。

9.根据权利要求8所述的方形锂离子动力电池，其特征在于，所述电芯包括正极片、负极片及隔膜，正极片包括正极集流体及正极活性物质，其中所述正极活性物质为磷酸亚铁锂、层状镍钴锰酸锂、尖晶石锰酸锂一种或多种的混合物。