專利名稱：高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鋰離子電池用部件，尤其是一種鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼
背景技術(shù)：
電能是所有能源形式中最容易使用、最清潔環(huán)保和效率最高的能源；而電池是最 好的儲(chǔ)存電能的裝置。在所有電池產(chǎn)品中，鋰離子電池是目前世界上最年輕、最先進(jìn)、技術(shù) 含金量最高、能量密度最大的能源產(chǎn)品。鋰離子電池的外殼，在提升電池安全性和能量密度方面起到非常重要的作用。鋰 離子電池于1993年由日本索尼公司發(fā)明和第一次批量生產(chǎn)以來(lái)，如同手機(jī)由2G升級(jí)到3G 一樣，也經(jīng)歷了升級(jí)換代的歷史發(fā)展過程；鋰離子電池更新?lián)Q代的主要標(biāo)志之一是電池外 殼的改變，第一代IG鋰離子電池使用的是不銹鋼殼，第二代2G鋰離子電池是鋁殼，第三代 3G鋰離子電池是軟包裝聚合物作為電池外殼。使用不同形式的電池外殼材料和設(shè)計(jì)，導(dǎo)致 不同的結(jié)果。例如，IG鋰電池使用不銹鋼材料，殼壁厚度較大，大于0.3毫米，安全性差是 其最大問題，當(dāng)電池受到不當(dāng)使用、高溫和外力沖擊等條件的影響時(shí)，使用堅(jiān)硬而又脆性的 不銹鋼材料作為外殼的電池容易發(fā)生爆炸，造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失；與堅(jiān)硬和脆性的不 銹鋼相比，鋁金屬較為軟韌，2G鋁殼鋰電池比IG鋼殼鋰電池的安全性相比較好，但是，2G鋰 電池的鋁質(zhì)外殼氣壓防爆閥的設(shè)計(jì)，沿用了 IG鋰電池鋼殼的方法，即在外殼表面刻畫防爆 線。當(dāng)電池內(nèi)壓增高時(shí)，防爆線打開，釋放內(nèi)壓，使電池轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)。事實(shí)上，電池內(nèi)壓升 高速度是非?？斓?，防爆線來(lái)不及打開，電池即發(fā)生爆炸了，特別是大容量的電池。例如，在 功能較多、屏幕較大的手機(jī)中使用大容量的2G鋰電(例如超過2000mAh)時(shí)，即使電池外殼 有防爆線，也會(huì)發(fā)生燃燒和爆炸事故。總之，IG鋼殼鋰電池和2G鋁殼鋰電池的外殼安全裝 置都是采用刻線防爆閥設(shè)計(jì)，電池內(nèi)壓升高速度是非?？斓模辣y來(lái)不及打開，電池即發(fā) 生爆炸。3G鋰電最大的優(yōu)點(diǎn)是安全性好和能量密度大，由于3G鋰電池外殼是鋁一塑料復(fù) 合薄膜，當(dāng)電池內(nèi)部壓力增加，電池出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，鋁一塑料復(fù)合薄膜以其柔軟變形的方 式，將電池內(nèi)部壓力及時(shí)釋放掉，避免電池爆炸；另一方面，正是因?yàn)椴捎萌彳浀匿X一塑料 復(fù)合薄膜作為電池外殼，電池外殼容易被刺破、劃傷、斷裂和開口，導(dǎo)致空氣中水分進(jìn)入到 鋰電池中，與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成電池產(chǎn)生鼓脹、漏液和失效等缺陷，其不良率較高。 換句話說，鋁一塑料復(fù)合薄膜過于柔軟嬌嫩，容易受到損傷，導(dǎo)致電池缺陷和失效。而且， 鋁一塑料復(fù)合薄膜的材料一直依賴進(jìn)口，全球只有日本二家公司可以生產(chǎn)，經(jīng)歷多年的努 力，在所有主要電池材料中，鋁一塑料復(fù)合薄膜是唯一沒有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的材料，材料供應(yīng)受 到進(jìn)口限制和價(jià)格偏高。3G鋰電池自從2002年大批量生產(chǎn)以來(lái)，雖然經(jīng)歷了六年的發(fā)展歷 程，在市場(chǎng)中的占有率增長(zhǎng)仍然緩慢，目前仍然是2G鋰電池占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。因此，我 們需要一個(gè)安全性更好，能量密度更高，不良率更低的鋰電池產(chǎn)品完成升級(jí)換代的歷史任 務(wù)，滿足通信和數(shù)碼電子、電器市場(chǎng)的要求。[0005]綜上所述，無(wú)論從市場(chǎng)需求、歷史發(fā)展和產(chǎn)品升級(jí)換代的演變規(guī)律等諸多因素來(lái) 看，鋰電池作為一個(gè)能源產(chǎn)品，已經(jīng)走到了一個(gè)新的歷史關(guān)口，必須有所突破和創(chuàng)新，升級(jí) 換代到4G鋰離子電池。而電池的外殼創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)鋰離子電池由3G到4G升級(jí)換代的主要 部件。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是一種高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼， 該高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼密封性能好，具有抗外力劃傷和壓痕的能力， 且安全性能好。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案該高能安全鋰離子電池 金屬聚合物復(fù)合外殼，所述外殼由厚度為0. 03mnT5mm的金屬箔片材料所制成，所述外殼具 有連接接口，在外殼的連接接口內(nèi)設(shè)置有聚合物，所述外殼的連接接口由所述聚合物熱壓 密封。根據(jù)本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思，所述外殼的橫截面呈圓角矩形。根據(jù)本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思，所述金屬箔片的材料為不銹鋼箔片、鋁、鋁合金箔 片、鎳、鎳合金箔片、銅或銅合金箔片。根據(jù)本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思，所述外殼的連接接口內(nèi)的聚合物最外側(cè)邊緣到連接 接口邊緣的距離為0. 5mnTl0mm。根據(jù)本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思，所述外殼的連接接口邊緣鉚接形成鉚接閉合區(qū)，所 述聚合物位于該鉚接閉合區(qū)內(nèi)。根據(jù)本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思，所述鉚接為超聲波焊鉚接、激光焊鉚接或電阻焊鉚接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是(1)由于本實(shí)用新型的鋰電池外殼 材料為金屬箔片，該金屬箔片表面堅(jiān)硬，具有較好的抗外力劃傷和壓痕的能力，可以減少電 池缺陷率和提升電池的可靠性；(2)使用溫度安全閥代替了傳統(tǒng)金屬外殼的氣壓防爆閥， 安全性能有顯著提高。在外殼的接口部位，使用溫度敏感型高分子聚合物通過熱壓粘合密 封，當(dāng)電池過熱，溫度升高時(shí)，聚合物軟化或者融化，電池內(nèi)部的密封性破壞，內(nèi)部壓力無(wú)法 建立和積累，避免了電池爆炸事故，電池安全性增強(qiáng)；(3)金屬箔片作為電池外殼，可以增 加電池活性物質(zhì)的填充量，提升電池容量。

圖1為本實(shí)用新型電池外殼實(shí)施例一的剖視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本實(shí)用新型電池外殼實(shí)施例二的剖視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本實(shí)用新型電池外殼實(shí)施例三的剖視結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的電池外殼接口部位A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖；電池外殼接 口部位兩個(gè)邊緣進(jìn)行金屬鉚接密封之前；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的電池外殼接口部位A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖；電池外殼接 口部位兩個(gè)邊緣進(jìn)行金屬鉚接密封之后；圖6為本實(shí)用新型電池外殼的金屬箔片實(shí)施例一的沖切示意圖；[0020]圖7為本實(shí)用新型電池外殼的金屬箔片實(shí)施例二的沖切示意圖；具體實(shí)施方式
參見圖1、圖2、圖3和圖4，本實(shí)用新型的高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外 殼1，其由厚度為0. 03mnT5mm的金屬箔片材料所制成，所述外殼1具有連接接口，在外殼1 的連接接口內(nèi)設(shè)置有聚合物2，所述外殼的連接接口 1由所述聚合物2熱壓密封。參見圖1，圖中的金屬箔片經(jīng)過沖切和折彎后，成型為小圓角矩形外殼1，在金屬 矩形外殼中部為金屬箔片接口部位，使用溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2通過熱 壓復(fù)合工藝，形成具有機(jī)械強(qiáng)度的金屬聚合物復(fù)合方形(小圓角)電池外殼，圖中的參數(shù)為 a =廣200mm，b=6 500mm。熱壓復(fù)合工藝參數(shù)為，加熱的溫度為8(T20(TC，加壓的壓力為 0. 3 10兆帕，持續(xù)時(shí)間為廣3000秒。參見圖2，圖中的金屬箔片經(jīng)過沖切和折彎后，成型為復(fù)合方形的外殼1，在復(fù)合 方形的外殼側(cè)邊金屬箔片接口部位，使用溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2通過熱 壓復(fù)合工藝，形成具有機(jī)械強(qiáng)度的金屬聚合物復(fù)合方形(小圓角)電池外殼，圖中的參數(shù)為c =6 500mm，d=l 200mm。參見圖3，圖中的金屬箔片經(jīng)過沖切和折彎后，成型為大圓角矩形外殼1，在金屬 矩形外殼側(cè)邊金屬箔片接口部位，使用溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2通過熱壓 復(fù)合工藝，形成具有機(jī)械強(qiáng)度的金屬聚合物復(fù)合方形(大圓角)電池外殼，圖中的參數(shù)為C = 6 500mm，d=l 200mm，R = O. 5 100mm。參見圖4，圖中為本實(shí)用新型電池外殼(圖1、圖2和圖3)的接口部位A-A剖面示 意圖，在金屬箔片1與溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2復(fù)合之后，電池外殼的二個(gè) 邊緣需要與電池底板和電池蓋板通過激光焊接，形成密封的電池外殼，在激光焊接過程中， 如果溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2遇到激光束，在激光束的高溫下，溫度敏感 型高分子聚合物粘接密封薄膜2會(huì)瞬間發(fā)生燃燒氣化(炸火)，在電池底板和電池蓋板焊接 縫隙處產(chǎn)生沙眼；為了保證激光焊接質(zhì)量，同時(shí)保證金屬箔片之中的溫度敏感型高分子聚 合物粘接密封薄膜2不受到損壞，溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜邊緣到激光焊接 點(diǎn)需要保持距離e = 0. 5^10mm,即外殼的連接接口內(nèi)的聚合物最外側(cè)邊緣到連接接口邊緣 的距離為0. 5mnTl0mm。參見圖5，圖中為本實(shí)用新型電池外殼(示意圖1、2、3)的接口部位A-A剖面示意 圖。在金屬箔片1與溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2復(fù)合之后，二個(gè)側(cè)邊有縫隙， 會(huì)導(dǎo)致電池密封不良；因此需要將上下二片金屬箔片鉚接閉合在一起，形成金屬箔片鉚接 閉合區(qū)；金屬箔片鉚接閉合的方法有超聲波焊鉚接，激光焊鉚接和電阻焊鉚接。電池外殼接 口部位，由上下二金屬箔片與其中間夾層的溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜，在二 個(gè)金屬箔片邊緣鉚接閉合，并與夾層中溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜2共同構(gòu)成 密封體系。參見圖6，加工本實(shí)用新型的外殼1時(shí)，可使用下述加工方法使用10 噸沖床和相應(yīng)的沖切模具，將厚度為0. Imm的鋁金屬箔片沖切參數(shù)f = 69mm, g=7mm, h=7. 5mm, i=40mm, j=65mm的電池外殼半成品，使用折邊機(jī)按照?qǐng)D6折邊示意虛線線 將其外側(cè)邊、內(nèi)側(cè)邊和底部折90度；將高分子聚合物粘接密封薄膜2裁切成長(zhǎng)65mm、寬6mm的條，其厚度為0. 05mm。在電池外殼半成品的外側(cè)邊和內(nèi)側(cè)邊的夾縫中，放入一條高分子 聚合物粘接密封薄膜帶；即在電池外殼側(cè)邊的外側(cè)邊和內(nèi)側(cè)邊的接口夾縫中，有一條高分 子聚合物粘接密封薄膜帶，e=2mm。使用專用熱壓機(jī)，在電池復(fù)合外殼半成品中插入模具，然 后對(duì)電池復(fù)合外殼半成品的側(cè)邊接口加熱和加壓；加熱的溫度為120°C，加壓的壓力為6兆 帕，持續(xù)時(shí)間為10秒。使用超聲波焊接機(jī)，對(duì)側(cè)邊接口二個(gè)邊緣進(jìn)行鉚合焊接。再將底板 與外殼的邊緣通過激光焊接，由此制備成鋁金屬箔片復(fù)合電池外殼的主體。將電池芯裝入上述制備的鋁金屬箔片復(fù)合電池外殼中，對(duì)正、負(fù)極二條引線與厚度為Imm的鋁金屬蓋板焊接好，然后安裝好蓋板，使用精密激光機(jī)對(duì)蓋板與鋁金屬箔片復(fù) 合電池外殼四周邊縫隙進(jìn)行焊接。使用真空方法，通過注液孔對(duì)激光焊接之后的鋁金屬箔片復(fù)合電池外殼密封性進(jìn) 行檢測(cè)。檢驗(yàn)合格后，對(duì)電池芯進(jìn)行真空干燥，然后注液，預(yù)充化成，壓鋼珠，分容檢測(cè)，產(chǎn)品 入庫(kù)。由此制備的鋁箔聚合物復(fù)合外殼電池型號(hào)為754070，容量為3000mAh。參見圖7，做為加工本實(shí)用新型鋰電池殼體的一種可替代加工方法，亦可采用下述 加工方法使用20噸沖床和相應(yīng)的沖切模具，將厚度為0. 05mm的不銹鋼金屬箔片沖切為參 數(shù) k = 49mm, 1=9. 5mm, m=9. 5mm, n=33mm, p=9. 5mm, q=33mm 的電池外殼半成品。使用折邊機(jī) 按照?qǐng)D7折邊虛線，將其外側(cè)邊、內(nèi)側(cè)邊和底部折90度。將高分子聚合物粘接密封薄膜裁 切成長(zhǎng)為45mm、寬為8mm和長(zhǎng)為29mm、寬為8mm條，其厚度為0. 05mm。在電池外殼半成品的 外側(cè)邊和內(nèi)側(cè)邊的夾縫中，放入一條45x8mm高分子聚合物粘接密封薄膜帶；電池外殼半成 品底板的外側(cè)邊和內(nèi)側(cè)邊的夾縫中，放入一條29x8mm高分子聚合物粘接密封薄膜帶。使用 專用熱壓機(jī)，對(duì)電池復(fù)合外殼半成品的側(cè)邊和底板分別或者同時(shí)加熱和加壓；加熱的溫度 為190°C，加壓的壓力為8兆帕，持續(xù)時(shí)間為10秒。使用超聲波焊接機(jī)，對(duì)側(cè)邊接口二個(gè)邊 緣進(jìn)行鉚合焊接；對(duì)底板接口的二個(gè)邊緣進(jìn)行鉚合焊接。再將底板與外殼的邊緣通過激光 焊接由此制備成不銹鋼金屬箔片復(fù)合電池外殼的主體。將電池芯裝入上述制備的不銹鋼金屬箔片復(fù)合電池外殼中，對(duì)正、負(fù)極二條引線 與厚度為Imm的鋁金屬蓋板焊接好，安裝好蓋板，使用精密激光機(jī)對(duì)蓋板與不銹鋼金屬箔 片復(fù)合電池外殼四周邊縫隙進(jìn)行焊接；對(duì)不銹鋼金屬箔片復(fù)合電池外殼底板二側(cè)的對(duì)接縫 隙進(jìn)行焊接。使用真空方法，通過注液孔對(duì)激光焊接之后的不銹鋼金屬箔片復(fù)合電池外殼密封 性進(jìn)行檢測(cè)。檢驗(yàn)合格后，對(duì)電池芯進(jìn)行真空干燥，然后注液，預(yù)充化成，壓鋼珠，分容檢測(cè)， 產(chǎn)品入庫(kù)。由此制備的不銹鋼箔聚合物復(fù)合外殼電池型號(hào)為103450，容量為2400mAh。本實(shí)用新型的鋰電池外殼既不是鋼殼、鋁殼，也不是鋁一塑復(fù)合膜軟包裝，而是金 屬箔硬包裝。傳統(tǒng)鋰電池使用的不銹鋼殼和鋁殼，其殼體壁厚較厚，不僅減少了可填充電池 材料的數(shù)量，降低了電池容量，而且厚實(shí)的金屬外殼具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)電池內(nèi)部氣壓 產(chǎn)生后，得不到釋放，而形成內(nèi)壓積累，最終導(dǎo)致電池爆炸。為了解決金屬外殼鋰電池的爆 炸問題，在外殼表面設(shè)置氣壓安全閥。然而，電池內(nèi)壓的驟然增大是在短暫的瞬間形成的， 氣壓安全閥來(lái)不及打開，電池隨即發(fā)生爆炸。換句話說，電池內(nèi)壓的積累和增大不是電池爆 炸的根本原因，而是中介因素。鋰電池在內(nèi)部或者外部直接短路，或者外部溫度過高等條件 下，電池溫度超過120°C時(shí)，電解液本身發(fā)生氣化，此外電解液還會(huì)與正、負(fù)電極發(fā)生劇烈的 化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氣體，在金屬外殼強(qiáng)度抵制下，電池內(nèi)壓迅速增大，氣壓閥不能及時(shí)啟動(dòng)，最終導(dǎo)致電池爆炸。因此，鋰電池爆炸的初始原因是電池過熱溫度升高，電池內(nèi)壓的 積累和增大是中介因素，電池爆炸是結(jié)果。為了從根本上解決電池的安全問題，本實(shí)用新型 的鋰電池在電池外殼接口部位，使用溫度敏感型高分子聚合物粘接密封薄膜。該聚合物薄 膜同時(shí)具有二種功能，其一是粘接密封電池外殼的接口 ；其二是起到溫度安全閥的作用。該 溫度安全閥，無(wú)論由于何種原因?qū)е码姵販囟壬?，在電池?nèi)壓產(chǎn)生和建立之前，溫度安全 閥立即啟動(dòng)打開，電池由一個(gè)封閉系統(tǒng)變成一個(gè)開放系統(tǒng)，內(nèi)壓無(wú)法建立和積累，電池轉(zhuǎn)入 安全狀態(tài)。溫度閥的啟動(dòng)溫度可以設(shè)置在不同的溫度點(diǎn)上，也就是說，溫度敏感型高分子聚 合物粘接密封薄膜的軟化點(diǎn)和融化點(diǎn)是可以按照電池安全性的要求進(jìn)行調(diào)整，只要改變高 分子聚合物粘接密封薄膜的成分配方即可實(shí)現(xiàn)，軟化點(diǎn)和融化點(diǎn)可調(diào)范圍是8(T20(TC，溫 度安全閥將從根本上解決鋰電池的安全問題。
權(quán)利要求一種高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼，其特征在于，所述外殼由厚度為0.03mm~5mm的金屬箔片材料所制成，所述外殼具有連接接口，在外殼的連接接口內(nèi)設(shè)置有聚合物，所述外殼的連接接口由所述聚合物熱壓密封。
2.如權(quán)利要求1所述的高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼，其特征在于，所述 外殼的橫截面呈圓角矩形。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼，其特征在于，所 述金屬箔片的材料為不銹鋼箔片、鋁、鋁合金箔片、鎳、鎳合金箔片、銅或銅合金箔片。
4.如權(quán)利要求3所述的高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼，其特征在于，所述 外殼的連接接口內(nèi)的聚合物最外側(cè)邊緣到連接接口邊緣的距離為0. 5mnTl0mm。
5.如權(quán)利要求4所述的高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼，其特征在于，所述 外殼的連接接口邊緣鉚接形成鉚接閉合區(qū)，所述聚合物位于該鉚接閉合區(qū)內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼，其特征在于，所述 鉚接為超聲波焊鉚接、激光焊鉚接或電阻焊鉚接。
專利摘要一種高能安全鋰離子電池金屬聚合物復(fù)合外殼，所述外殼由金屬箔片材料所制成，所述外殼具有連接接口，在外殼的連接接口內(nèi)設(shè)置有聚合物，所述外殼的連接接口由所述聚合物熱壓密封；所述聚合物也是溫度安全閥，代替了傳統(tǒng)金屬外殼的氣壓防爆閥，安全性能有顯著提高。本實(shí)用新型的外殼材料用量少，生產(chǎn)設(shè)備和模具簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過程中材料消耗和能量損耗小，降低了成本；并可量體裁衣制備電池，滿足客戶對(duì)各種電池尺寸的需要，填補(bǔ)3.0mm以下超薄型鋰電池領(lǐng)域空白，電池容量可以提升10~30％，本實(shí)用新型的鋰電池具有容量大、安全性能好、價(jià)格低廉等多種優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M10/36GK201562697SQ200920310158
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者黃穗陽(yáng) 申請(qǐng)人:黃友林