內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池，由電池電極、閥門固定在電池殼上，將電池殼內電芯分成多個電芯，每一個電芯限制一定層數(shù)，兩只電芯相鄰安裝一個熱擴散導流矩形管，熱擴散導流矩形管與電芯平面相切安裝，使電芯的平面與熱擴散導流矩形管平面接觸良好，熱擴散導流矩形管兩端穿過電池外殼，與設置在電池外殼兩端散熱窗連接，電芯的熱量與電芯外空氣形成對流散熱，達到了改善電池電芯蓄熱引起高溫危險的目的，改進了電池電極與電池殼密封結構，通過電極脹栓、電極賬套結構，使電池密封更靠。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高功率鋰離子電池，特別是內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離 子電池。 內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池

【背景技術】
[0002] 鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環(huán)性能好和環(huán)境好等特點，越來越廣泛應用 到3C市場領域、電動車（EV)和混合型電動車（HEV)、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、微電網、智能電 網，軍事用途及空間【技術領域】。
[0003] 近幾年隨著新能源汽車、大規(guī)模儲能示范工程的建設實踐，鋰離子電池的安全事 故時有發(fā)生，有的事故已經造成十分嚴重的后果，事故的主要危害是起火爆炸，而引起事故 起火爆炸原因主要是電池熱失控。
[0004] 鋰離子電池爆炸，是電池內容物強烈膨脹，并且電池外殼被脹開甚至撕分成多塊 碎片，電池內容物瞬間噴射，同時引發(fā)火災。
[0005] 鋰離子電池爆炸，是電池內部有一定體積氣體在受熱膨脹后，發(fā)生熱失控，在瞬間 內以恒定的速率輻射性高速膨脹（壓力劇增），形成急劇化學物理反應，在被限制的環(huán)境內 (定容條件），各種反應物進一步增劇物理反應化學反應。
[0006] 電池的活性物質乃至電解液在外界能量作用下，可能發(fā)生的化學變化有以下三種 基本形式：
[0007] (1)熱分解
[0008] 電池內易爆炸物在超過工作溫度下或受過熱作用時，會發(fā)生緩慢的分解并放出熱 量，就是熱分解反應。當溫度上升達到一定值（爆炸物的爆發(fā)點）時，熱分解就會轉化為爆 炸。
[0009] (2)燃燒
[0010] 電解液泄漏時在火點作用下，電池發(fā)生破裂時，在瞬間接觸大量氧引起氧化反應， 電解液泄漏時與靜電作用，都可能起火，但，起火發(fā)生在密閉狀態(tài)下，有可能由燃燒轉變?yōu)?爆炸。
[0011] ⑶爆炸
[0012] 而爆炸一旦發(fā)生，爆炸能在爆炸物內部以穩(wěn)定地傳播速度持續(xù)進行，一旦在大規(guī) 模電池集成系統(tǒng)發(fā)生此種情形，有可能引發(fā)爆轟，可視為爆炸的穩(wěn)定狀態(tài)。
[0013] 上述三種反應形式不是相互獨立的，在一定條件下，可以相互轉化。
[0014] 常見的起爆能有以下幾種：
[0015] (1)熱能：高溫、火源或其他熱作用，使易爆物局部溫度達到爆發(fā)點而發(fā)生爆炸。
[0016] (2)機械能：易爆物在受到摩擦或撞擊作用時，由機械能轉化為熱能，當達到易爆 物爆發(fā)點時，就可引起爆炸。
[0017] (3)爆炸能：由一種易爆物爆炸產生的爆炸沖擊波能量，使另其它能量受體物質 達到其爆發(fā)點而發(fā)生爆炸。
[0018] 按照炸藥起爆的理論，熱能起爆由前蘇聯(lián)學者謝苗諾夫提出，他認為，爆炸是系統(tǒng) 內部溫度漸增、導致熱能累積的結果。
[0019] 國內學者陳玉紅，唐志遠[陳玉紅，唐致遠，賀艷兵，劉強，鋰離子電池爆炸機理分 析，2006,12 (3) 266?269]通過熱箱實驗證實：鋰離子電池爆炸，屬于鋰離子電池內部放熱 反應，這些反應包括：
[0020] 1)負極的熱分解，及其電解液的參與反應；
[0021] 2)電解液分解的放熱反應；
[0022] 3)正極的熱分解反應；
[0023] 實驗過程，鋰離子電池置熱箱內加熱測試，將LiC〇02/C(18650)電池經0. 5C倍率 恒流充放電3個循環(huán)，再恒流恒壓充電至4. 2V，然后分別作如下測試，將電池外接熱電偶 和萬用表測試筆放至加熱箱中，進行對該電池的電壓與溫度隨時間的變化測試，加熱箱溫 度由室溫升至150°C，恒定溫度，當電池在恒溫箱中置放27min后，電池表面溫度急劇增至 260°C，電池爆炸，電壓迅速降為零，從電池電壓變化，內阻變化反應，結果可知，當電池內部 溫度升至70°C左右時，SEI膜分解放出熱量，升至120°C左右時，負極與電解液反應放出的 熱量，可能使電池內部的溫度升高到電解液、正極的熱分解溫度，其熱分解放出大量的熱和 氣體從而引起電池爆炸。
[0024] 上述研究證明，鋰離子電池爆炸機理符合爆炸理論基本規(guī)律，引起鋰離子電池爆 炸的直接因素是高溫。
[0025] 鋰離子電池爆炸機理是：
[0026] 高溫引起定容的鋰離子電池內壓力劇增；
[0027] 壓力增加（由于傳質系數(shù)增加）促進電池內部化學反應的劇增程度；
[0028] 電池內部化學反應加劇使熱量劇增；
[0029] 壓力進一步升高（化學反應傳質系數(shù)進一步加?。?；
[0030] 過熱引起的惡性循環(huán)最終導致壓力過飽和；
[0031] 電池殼耐壓承受超過極限，一些焊縫或缺陷的密封結構處失效，空氣中氧進入，形 成劇烈氧化，引發(fā)起火爆炸。
[0032] 鋰離子電池爆炸規(guī)律遵循以下列邏輯鏈：
[0033] 爆炸形成是熱反應加?。岱磻嘶瘜W反應、物理反應的傳質運動）一壓力 增加一溫度上升一熱反應加劇連環(huán)續(xù)進，熱效應、壓力效應、傳質反應連環(huán)劇增的邏輯反應 過程，最終到達臨界點起火爆炸；
[0034] 依據鋰離子電池起火爆炸形成機理，阻斷熱失控形成高溫機制，阻斷傳質反應，阻 斷壓力增加都是克服電池爆炸起火有效措施。
[0035] 阻斷熱失控高壓機制，采用可靠泄壓；
[0036] 阻斷高溫形成機制，采取有效散熱；
[0037] 阻斷傳質反應，采取有效熱敏關閉隔膜；
[0038] 提高鋰離子電池熱失控的各個控制環(huán)節(jié)，是機理性關鍵技術措施。
[0039] 鋰離子電池安全性問題，使得現(xiàn)有的鋰離子電池應用存在許多技術瓶頸，上述安 全性研究證明，鋰離子電池的設計、制造，為了保證電池內有效散熱，其容量不宜大，容量越 大電池體積越大，電芯傳熱半徑就越大，由于鋰離子電池電芯的組成結構是正極涂層極片、 負極涂層極片、高分子隔膜材料，雖然正極極片集流體為鋁材，負極集流體采用銅材，屬于 良好的熱導體，但是由于其正極、負極活性物質涂層屬于粉體與膠體混合物，傳熱熱阻遠比 銅材、鋁材大，隔膜的導熱系數(shù)僅為0. 33w/m · k，只有純銅的8/1000,極片涂層的導熱系數(shù) 也僅?0. 6w/m · k，電芯的電池極片層數(shù)越多，傳熱熱阻也就越大，傳熱熱阻越大，電池內蓄 熱溫升問題就會越突出。
[0040] 為了盡可能避免電池容量大的散熱困難，工程上常常采用小容量電池成組，電池 容量限定小容量時，存在電池并聯(lián)數(shù)量增加，電池并聯(lián)數(shù)量越多，電池電路接點可靠性越 差，這種容量大有散熱的瓶頸，容量小，存在電路接點多可靠性差缺陷的矛盾，限制了鋰離 子的實際應用。
[0041] 針對容量大散熱的瓶頸，改進鋰離子電池的散熱特性，無論對安全性還是工程應 用都具有十分必要。
[0042] 鋰離子電池泄漏問題，不僅是電池使用壽命問題，同樣與鋰離子電池安全性相關 密切，鋰離子電池的電池電極與電池外殼密封結構泄漏的屬常見質量缺陷，現(xiàn)有鋰離子電 池有的采用鋁塑膜封裝軟包結構，電池電極通過熱熔聚丙烯、聚酰胺類高分子樹脂材料與 金屬電池電極粘結封裝，由于電池電極在鋰離子電池充放電時，通常都會出現(xiàn)溫度升高，尤 其是大電流高倍率工作條件下，當電池停止工作時又會回到常溫，這種冷熱反復沖擊，金屬 材質電池電極和高分子膠體粘合劑的冷熱膨脹，收縮系數(shù)相差甚遠，極其容易造成高分子 樹脂材料與金屬電池電極粘結密封失效，在密封突然失效的情況下，大量氧進入電池內與 電解液發(fā)生劇烈氧化反應，這種反應有可能引起起火甚至爆炸。
[0043] 軟包結構鋰離子電池存在密封缺陷是顯而易見的，現(xiàn)有的鋼殼鋰離子電池、鋁殼 鋰離子電池的電池電極與電池外殼密封結構泄漏也是常見問題，從現(xiàn)有電池電極與電池殼 密封結構可知，參照圖14,鉚釘m2-l穿過內絕緣片m2-4,再穿過外絕緣片m2-3,內絕緣片 m2-4套入電池外殼ml安裝孔，通過鉚釘，鉚壓工藝，將內絕緣片m2-4、外絕緣片m2-3軸向 壓緊，徑向脹緊，起到密封作用，這種鉚壓結構，存在鉚壓公差難于控制，鉚壓太緊，造成密 封圈碎裂，鉚壓不夠緊，密封效果差。
[0044] 鋰離子電池存在電池電極與電池外殼密封結構泄漏的常見缺陷，為了提高鋰離子 電池可靠性安全性，改進電池電極與電池外殼密封結構有著顯著意義。


【發(fā)明內容】

[0045] 針對現(xiàn)有鋰離子電池采用了多層正極、多層負極、多層隔膜構成傳熱不良電芯結 構，這種傳熱性差的電池結構潛在熱失控危險，提出一種內置熱擴散結構的高功率安全型 鋰離子電池，同時為了進一步改進電池電極與電池外殼密封結構，提出一種電極脹套與電 極脹栓膨脹緊固密封結構。
[0046] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案
[0047] 為了克服多層正、負極極片，多層隔膜組成電芯導熱散熱不良，盡量減少電芯疊層 層數(shù)，將電池殼內電芯分成多個電芯，每一個電芯，限制一定層數(shù)，兩只電芯相鄰安裝一個 熱擴散導流矩形管，熱擴散導流矩形管與電芯平面相切安裝，使電芯的平面與熱擴散導流 矩形管平面緊貼接觸，導熱良好，熱擴散導流矩形管兩端穿過電池外殼，與設置在電池外殼 兩端散熱窗連接，熱擴散導流矩形管兩端口端四周與電池外殼兩端散熱窗焊接密封，保證 電池內與電池外隔離密封，熱擴散導流矩形管內與電池外空氣流通，使得電池外空氣與熱 擴散導流矩形管管內對流，熱擴散導流矩形管管內與電池外對流，從而達到與熱擴散導流 矩形管相切的電芯熱量向電池外對流散熱，電芯溫度越高，與電池外溫差就越大，根據傳熱 學傅立葉定律 ：
[0048] At 0 = Ak - ο
[0049] 熱擴散導流矩形管管內對流系數(shù)越大，從電池內擴散出的熱量就越大，有效的改 善了鋰離子電池熱蓄積造成的熱失控。
[0050] 熱擴散導流矩形管采用采用導熱良好鋁材質、銅材質、或不銹鋼材質其中的一種 制造。
[0051] 實現(xiàn)內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池技術方案，還可以采用熱擴散導 流片技術，熱擴散導流片與電芯相切安裝，電芯平面與熱擴散導流片平面緊貼接觸，導熱良 好，熱擴散導流片兩端與電池外殼內壁相切固定，使得熱擴散導流片的熱量通過電池外殼 的導熱作用，向電池外空氣散熱，電芯溫度越高，熱擴散導流片與電池外殼溫差越大，熱擴 散導流片與電池外殼溫差越大，電芯的熱量向電池外散熱速率越大，通過熱擴散導流片安 裝于兩個電芯相鄰的間隙處，通過這種改進的結構，一個電池殼內的電芯制作成多個電芯， 在同樣空間體積中電芯數(shù)越多，單個電芯層數(shù)就越少，電芯正、負極層數(shù)越少，相對安裝熱 擴散導流片越多，電池內電芯蓄熱效應改善就越明顯，從而達到改善了鋰離子電池熱蓄積 造成的熱失控。
[0052] 熱擴散導流片可采用，銅材質、鋁材質、硅膠導熱片、矽膠導熱片、石墨導熱片、三 氧化二鋁導熱片的一種。
[0053] 改進的電極脹套與電極脹栓膨脹緊固密封結構是，電池電極正極、電池電極負極， 分別固定在電池殼上方，電極內絕緣密封圈在電池殼內，電極外絕緣密封圈在電池殼外，電 極內絕緣密封圈穿過電池殼套入電極外絕緣密封圈的內徑，電極脹套壓緊電極外絕緣密封 圈，電極脹栓壓緊集流板再脹入電極脹套的內徑，電極外絕緣密封圈、電極內絕緣密封圈由 電極脹栓、電極脹套相向壓緊起到密封作用，電芯的導電集流板，被電極內絕緣密封圈與之 隔離絕緣，電池殼與電極脹套之間連接，被電極內絕緣密封圈穿過電池外套入電極外絕緣 密封圈的內徑與之隔離絕緣，電極脹栓通過過盈尺寸脹入電極脹套的內徑，電極脹栓外徑 與電極脹套的內徑摩擦力使壓緊密封圈的間隙保持穩(wěn)定可靠，這種摩檫結構與現(xiàn)有鉚釘壓 緊結構相比，磨檫面大，脹緊系數(shù)穩(wěn)定，密封圈的脹應力方向與電極脹栓外徑、電極脹套的 內徑摩擦力方向異向，使電池殼與電池電極的密封得到可靠性保證。
[0054] 這種結構優(yōu)化了制造工藝，使得大批量生產的產品一致性更好。
[0055] 電極脹栓、電極脹套，采用銅質或鋁質材料制造，電極外絕緣密封圈、電極內絕緣 密封圈，采用聚丙烯、聚酰胺類聚合物、聚四氟乙烯、三元乙丙橡膠、全氟醚（FFKM)材料其 中一種制造。
[0056] 本發(fā)明的積極意義
[0057] 內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池，改善了鋰離子電池電芯蓄熱引起高 溫的缺陷，使得鋰離子電池單體容量滿足更大規(guī)格的要求，通過改善散熱特性，從而提高鋰 離子電池安全性，通過優(yōu)化的電極脹套，電極脹栓結構，改進了電池電極與電池殼的密封可 靠性，克服了電池電極與電池殼密封泄漏危險，達到了提高安全性的目的。
[0058] 以下結合附圖詳細說明

【專利附圖】

【附圖說明】
[0059] 圖1是本發(fā)明內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池主視圖；
[0060] 圖2是圖1的俯視圖；
[0061] 圖3是本發(fā)明內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池熱擴散導流矩形管技 術方案的左視圖；
[0062] 圖4是本發(fā)明內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池熱擴散導流片技術方 案左視圖；
[0063] 圖5是圖3的A-A剖視圖；
[0064] 圖6是圖4的B-B剖視圖；
[0065] 圖7是圖5的C-C剖視圖；
[0066] 圖8是圖6的D-D剖視圖；
[0067] 圖9是圖3的E-E剖視圖；
[0068] 圖10是圖4的F-F剖視圖；
[0069] 圖11是本發(fā)明內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池熱擴散導流矩形管技 術方案的3維示意圖；
[0070] 圖12是本發(fā)明內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池熱擴散導流片技術方 案的3維示意圖；
[0071] 圖13是電池電極2a、電池電極2b與電池外殼1密封安裝結構詳圖；
[0072] 圖14是現(xiàn)有電池電極與電池外殼密封安裝結構圖；
[0073] 圖1中；電池電極2a、電池電極2b、閥門3 ;
[0074] 圖2中；電池外殼1 ;
[0075] 圖3中；散熱窗4 ;
[0076] 圖5中；電池外殼1、電極脹栓2-1、電極脹套2-2、電極外絕緣密封圈2-3、電極內 絕緣密封圈2-4、閥門3、散熱窗4、熱擴散導流矩形管8-1 ;
[0077] 圖6中；電池外殼1、電極脹栓2-1、電極脹套2-2、電極外絕緣密封圈2-3、電極內 絕緣密封圈2-4、閥門3、熱擴散導流片8-2 ;
[0078] 圖7中；電芯5、電芯極耳6、集流板7、熱擴散導流矩形管8-1、電池封底9 ;
[0079] 圖8中；電芯5、電芯極耳6、集流板7、熱擴散導流片8-2、電池封底9 ;
[0080] 圖9中；電芯5、熱擴散導流矩形管8-1、散熱窗4 ;
[0081] 圖10中；電芯5、熱擴散導流片8-2 ;
[0082] 圖11中；電池外殼1、電池電極2a、電池電極2b、閥門3、散熱窗4、電池封底9 ;
[0083] 圖12中；電池外殼1、電池電極2a、電池電極2b、閥門3、電池封底9 ;
[0084] 圖13中；電池外殼1、電極脹栓2-1、電極脹套2-2、電極外絕緣密封圈2-3、電極內 絕緣密封圈2-4、集流板7 ;
[0085] 圖14中，電池外殼ml、內絕緣片m2-4、外絕緣片m2-3、鉚釘m2-l ; 具體實施例
[0086] 以下結合附圖進一步詳細說明：
[0087] 參照圖1，圖2,電池電極2a、電池電極2b、閥門3 ;固定在電池外殼1上方；
[0088] 參照圖3,散熱窗4分布在電池的左右兩側；
[0089] 參照圖5,參照圖6,電池電極2a、電池電極2b分別固定在電池外殼1上方，結合圖 13,為了實現(xiàn)電池電極2a、電池電極2b分別固定在電池外殼1穩(wěn)定可靠，電池電極2a、電池 電極2b與電池外殼1絕緣而又達到密封目的，電極內絕緣密封圈2-4在電池外殼1內，電 極外絕緣密封圈2-3在電池外殼1外，電極內絕緣密封圈2-4穿過電池外殼1套入電極外 絕緣密封圈2-3的內徑，電極脹套2-2壓緊電極外絕緣密封圈2-3,電極脹栓2-1壓緊集流 板7再脹入電極脹套2-2的內徑，電極外絕緣密封圈2-3、電極內絕緣密封圈2-4在電極脹 栓2-1、電極脹套2-2相向壓緊作用達到密封目的，集流板7與電池外殼1被電極內絕緣密 封圈2-4隔離絕緣，電池外殼1與電極脹套2-2被電極內絕緣密封圈2-4穿過電池外殼1 套入電極外絕緣密封圈2-3的內徑與之隔離絕緣，電極脹栓2-1通過過盈尺寸脹入電極脹 套2-2的內徑，電極脹栓2-1外徑與電極脹套2-2的內徑脹緊摩擦力，使電池外殼1與電池 電極2a、電池電極2b的密封得到可靠性保證。
[0090] 電極脹栓2-1、電極脹套2-2采用銅質或鋁質材料制造，電極外絕緣密封圈2-3、 電極內絕緣密封圈2-4采用，聚丙烯、聚酰胺類樹脂、聚四氟乙烯、三元乙丙橡膠、全氟醚 (FFKM)材料其中一種制造。
[0091] 結合圖7,圖9,3支熱擴散導流矩形管8-1分別與4只電芯5相切安裝，電芯5的 平面與熱擴散導流矩形管8-1接觸良好，熱擴散導流矩形管8-1兩端穿過電池外殼1，與兩 端散熱窗4連接，熱擴散導流矩形管8-1四周口沿與電池外殼1的散熱窗4焊接密封，使得 電池外空氣與熱擴散導流矩形管8-1管內對流，電池外殼1的安裝電芯5空間密封。
[0092] 熱擴散導流矩形管8-1采用采用鋁材質、銅材質、或不銹鋼材質其中的一種制造。
[0093] 結合圖8、圖10, 3支熱擴散導流片8-2分別與4只電芯5相切安裝，電芯5的平面 與熱擴散導流片8-2平面接觸良好，熱擴散導流片8-2兩端與電池外殼1內壁相切固定，使 得熱擴散導流片8-2的熱量通過電池外殼1的導熱作用向電池外空氣散熱。
[0094] 熱擴散導流片8-2采用金屬材質制造，或陶瓷材質、矽聚合物、石墨聚合物的一 種。
[0095] 參照圖7,電芯5的電芯極耳6與集流板7相切固定，使其導電接觸良好。
[0096] 參照圖2、圖6、圖7、電池封底9與電池外殼1密封焊接，使電池內成為一個密封容 器。
[0097] 閥門3是電池內高壓時泄壓的安全結構。
【權利要求】
1. 一種內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池，主要由電池電極（2a)、電池電極 (2b)、閥門（3)固定在電池外殼（1)上方、熱擴散導流矩形管（8-1)與電芯（5)相切安裝組 成，其特征是，熱擴散導流矩形管（8-1)兩端穿過電池外殼（1)，與兩端散熱窗（4)連接。
2. 按權利要求1所述的一種內置熱擴散結構的高功率安全型鋰離子電池，其特征還在 于，熱擴散導流片（8-2)與電芯（5)相切安裝，熱擴散導流片（8-2)兩端與電池外殼（1)內 壁相切固定。
3. 按權利要求1所述的熱擴散導流矩形管（8-1)采用采用鋁材質、銅材質、不銹鋼材 質，其中的一種制造。
4. 按權利要求1所述的熱擴散導流片（8-2)采用銅材質、鋁材質、硅膠導熱片、矽膠導 熱片、石墨導熱片、三氧化二鋁導熱片的一種。
5. 按權利要求1所述的電池電極（2a)、電池電極（2b)與電池鋼殼⑴固定結構其特 征，電極內絕緣密封圈（2-4)在電池外殼（1)內，電極外絕緣密封圈（2-3)在電池外殼（1) 夕卜，電極內絕緣密封圈（2-4)穿過電池外殼（1)套入電極外絕緣密封圈（2-3)的內徑，電極 脹套（2-2)壓緊電極外絕緣密封圈（2-3)，電極脹栓（2-1)壓緊集流板（7)再壓緊電極內絕 緣密封圈（2-4)脹入電極脹套（2-2)的內徑。
6. 按權利要求5所述的電極脹套（2-2)、電極脹栓（2-1)采用鋁質材料、銅質材料的一 種制造。
【文檔編號】H01M10/654GK104064835SQ201310171407
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月22日 優(yōu)先權日:2013年3月22日
【發(fā)明者】鄧梁 申請人:趙寬, 鄧梁