CN106921002B - 一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，包含：电池卷芯、容置所述电池卷芯的电池外壳、分别位于电池卷芯顶部的锂电池盖帽和底部的电池底部组件，电池卷芯与锂电池盖帽、电池底部组件之间分别设有绝缘垫片，电池卷芯与电池外壳之间设有第一绝缘层，电池卷芯的中心空心区设有热管，电池卷芯和电池底部组件之间还设有热缓冲区，所述热缓冲区上、下侧均设有绝缘垫片，所述热缓冲区内填充有复合相变材料，所述热管下方延伸至热缓冲区底部，位于热缓冲区内的热管四周设有至少一层圆形散热翅片，所述电池卷芯与热管之间还设有第二绝缘层。本发明相对于传统的锂电池具有更好的热稳定性、温度均一性以及安全性。

Description

一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及到一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池。

背景技术

由于能源的短缺，人们致力于开发使用新能源。锂离子电池因具有比能量高、高电压、使用寿命长、对环境无危害、无记忆性、可制造成任意形状等诸多优点而被人们所青睐。

传统锂电池结构如图1所示，包含：由卷针缠绕而成的电池卷芯、容置所述电池卷芯的电池外壳、分别位于电池卷芯顶部的锂电池盖帽(包含正极端子、安全阀、接触片、绝缘垫片、以及顶盖等结构)和底部的电池底部组件(包含负极端子、绝缘垫片、底盖等结构)，电池卷芯与锂电池盖帽、电池底部组件之间分别设有绝缘垫片，电池卷芯与电池外壳之间设有绝缘层。电池卷芯中间为抽走卷针后留下的中心空心区，当电池卷芯填充电解液后，该中心空心区就由电解液填满。

传统结构的锂电池在工作过程中会产生大量的热量，而锂电池材料的导热性能差，所以此种结构的锂电池内部的热量会迅速累积，使得锂电池温度过高，进一步可能造成锂电池性能下降或者热失控引起燃烧或***等危险后果，这使其应用范围受到了限制。而传统的风冷及液冷方式，一方面温度调节效率较低，冷却效果不理想，另一方面，由于传统的散热方式都是通过电池外表面的散热来实现的，虽然***温度可得到一定的降低，但是单个锂电池中心区域的温度依然维持在较高数值，所以这极易增加锂电池内部温度分布的不均匀性，从而使锂电池性能受到影响。所以传统的温度调节***对电池的寿命以及安全性都会带来隐患。因此急需一种新型散热方法，来有效解决锂电池温度过高、温度分布不均匀性等问题，这也是实现锂电池快速发展的前提。

发明内容

解决的技术问题：为了解决锂电池由于散热性能差造成工作温度过高而引起的锂电池性能下降以及造成不良安全后果等问题，本发明提供一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，该圆柱形锂电池中心部位的热管以及底部的散热翅片的高热导率可快速将锂电池中心部位的热量传递给底部周围的复合相变材料，其相变过程可以快速吸收大量热量，从而使得电池温度维持在安全范围内。

本发明的技术方案：

一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，包含：电池卷芯、容置所述电池卷芯的电池外壳、分别位于电池卷芯顶部的锂电池盖帽和底部的电池底部组件，电池卷芯与锂电池盖帽、电池底部组件之间分别设有绝缘垫片，电池卷芯与电池外壳之间设有第一绝缘层，电池卷芯的中心空心区设有热管，电池卷芯和电池底部组件之间还设有热缓冲区，所述热缓冲区上、下侧均设有绝缘垫片，所述热缓冲区内填充有复合相变材料，所述热管下方延伸至热缓冲区底部，位于热缓冲区内的热管四周设有至少一层圆形散热翅片，所述电池卷芯与热管之间还设有第二绝缘层。

所述电池卷芯由由内至外依次层叠的正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜沿热管卷绕形成。正极片靠近热管一侧设有正极极耳，与位于锂电池盖帽内的正极端子相连接，负极片外侧设有负极极耳，与位于电池底部组件内的负极端子相连接。

所述热管为铜管，其具导热率高、耐用寿命长、结构简单、重量轻等多种优点。

所述第一绝缘层设有线孔供负极片与电池底部组件连接。

所述复合相变材料为泡沫铜/石蜡复合相变材料，添加了泡沫铜的石蜡复合材料对材料的导热系数有显著的提升，所以相对传统的石蜡材料，其在相变过程中具有导热率高、比热大、化学性能稳定、寿命长、体积变化小等诸多优点。

由于热管具有很好的导热效果，其位于电池卷芯中心空心区，当锂电池中心温度升高时，热管内部工质开始蒸发，在压差的作用下热量流向热管底部(即冷凝端)，经由冷凝端的散热翅片工质将热量传递到热缓冲区，热管释放出热量后，其内工质重新凝结成液体，在内部多孔材料的毛细力作用下流回蒸发段，如此进行循环。当热缓冲区内的复合相变材料吸收热量导致温度逐渐升高达到相应的相变点时，开始相变过程，此过程可吸收大量热量，从而使得锂电池的温度保持在合理范围之内。虽然锂电池中心部位的温度最高，但经由热管导出后，锂电池的温度可控制在适合范围内，且温度分布的均匀性也得到了提高，因而使得锂电池性能、使用寿命和安全性都能得到保证。

有益效果：

本发明提供的锂电池可在低换热系数、高倍率充放电的工作条件下将电池内外最大温差可有效降低20％～40％，所以其相对于传统的锂电池具有更好的热稳定性、温度均一性以及安全性，且本发明组装简单，可以应用于锂电池组中，以改善锂电池组整体的散热效果。

附图说明

图1为传统锂电池结构示意图；

图2为本发明锂电池结构示意图；

图3为电池卷芯结构示意图；

其中，1、热管；2、散热翅片；3、热缓冲区；4、电池卷芯；5、第一绝缘层；6锂电池盖帽；7、电池底部组件；8、线孔；9、电池外壳；10、中心空心区；11、正极片；12、第一隔膜；13、负极片；14、第二隔膜；15、第二绝缘层；16、绝缘垫片。

具体实施方式

本发明的创新之处在于将锂电池中心的热量通过热管传递到热缓冲区，并通过相变材料的相变吸热，从而降低锂电池中心温度。本发明提出的锂电池结构提高了锂电池的热稳定性和安全性。

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明锂电池结构原理作进一步详细描述。

实施例1

如图2所示，一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，包含：电池卷芯4、容置所述电池卷芯4的电池外壳9、分别位于电池卷芯4顶部的锂电池盖帽6和底部的电池底部组件7，电池卷芯4与锂电池盖帽6、电池底部组件7之间分别设有绝缘垫片16，电池卷芯4与电池外壳9之间设有第一绝缘层5，电池卷芯4的中心空心区10设有热管1，电池卷芯4和电池底部组件7之间还设有热缓冲区3，所述热缓冲区3上、下侧均设有绝缘垫片16，所述热缓冲区3内填充有复合相变材料，所述热管1下方延伸至热缓冲区3底部，位于热缓冲区3内的热管1四周设有至少一层圆形散热翅片2，所述电池卷芯4与热管1之间还设有第二绝缘层15。

如图3所示，所述电池卷芯4由由内至外依次层叠的正极片11、第一隔膜12、负极片13和第二隔膜14沿热管1卷绕形成。正极片11靠近热管1一侧设有正极极耳，与位于锂电池盖帽内的正极端子相连接，负极片13外侧设有负极极耳，与位于电池底部组件7内的负极端子相连接。

所述热管1为铜管，能够迅速将电池卷芯的热量传递到热缓冲区。

所述第一绝缘层5设有线孔8供负极片13与电池底部组件7连接。

所述复合相变材料为泡沫铜/石蜡复合相变材料。

加工制造时，使用热管1代替传统卷针，包覆上第二绝缘层15，然后将由正极片11、第一隔膜12、负极片13和第二隔膜14形成的多层结构围绕热管1进行卷绕形成电池卷芯4。卷绕成功后外侧加上第一绝缘层5，底部加上绝缘垫片16。热管1底部加上散热翅片2构成热管1的冷凝端，并且其周围填充复合相变材料形成热缓冲区3，位于电池卷芯4的外底部。热管l的良好导热性有利于锂电池中心部位的热量传导，而底部热缓冲区中的复合相变材料可由相变过程吸收大量的热量，且温度变化小，所以可以有效地解决锂电池的内部温度过高问题，使其处于安全温度范围内工作。

装配好锂电池散热结构后，将其整体装进锂电池外壳中，由于电池底部设置了散热结构，所以将负电极片上的负极极耳通过位于第二绝缘层上的通道与电池底部组件中负极端子等结构进行连接。注入电解液后，在电池卷芯顶部区域将锂电池集流体与相应端子相连，并加上防爆盖帽等结构，防爆盖帽可以有效缓冲电池内部压力，进一步提高电池的安全性。最后将锂电池抽真空、用密封圈密封。

散热性能评估：

利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件，对传统锂电池和本发明锂电池在不同工作条件下的温度场进行了模拟计算，通过对比模拟计算结果，从而对本发明锂电池散热性能进行了评估。其主要通过建立三维电化学一热耦合模型，设定放电倍率分别为2C、4C、6C、10C，环境温度为298.15k，对流换热系数为10W/fm^2·K)的工作条件，最终得到的锂电池中心最大温度与初始温度差值结果见表1。

表1

由表1可知，相对于传统锂电池，本发明提供的锂电池在低换热系数、高倍率充放电的工作条件下可有效降低锂电池内部最大温度，且对锂电池整体的温度均匀性有了很好的改善。

以上所述实施方式仅为本专利的优选实施例，本专利不限于上述实施例，对于本领域的一股技术人员，在不背离本专利设计原理的前提下，对它所做的任何显而易见的改动，都属于本专利的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，包含：电池卷芯（4）、容置所述电池卷芯（4）的电池外壳（9）、分别位于电池卷芯（4）顶部的锂电池盖帽（6）和底部的电池底部组件（7），电池卷芯（4）与锂电池盖帽（6）、电池底部组件（7）之间分别设有绝缘垫片（16），电池卷芯（4）与电池外壳（9）之间设有第一绝缘层（5），其特征在于，电池卷芯（4）的中心空心区（10）设有热管（1），电池卷芯（4）和电池底部组件（7）之间还设有热缓冲区（3），所述热缓冲区（3）上、下侧均设有绝缘垫片（16），所述热缓冲区（3）内填充有复合相变材料，所述热管（1）下方延伸至热缓冲区（3）底部，位于热缓冲区（3）内的热管（1）四周设有至少一层圆形散热翅片（2），所述电池卷芯（4）与热管（1）之间还设有第二绝缘层（15）；由于热管具有很好的导热效果，其位于电池卷芯中心空心区，当锂电池中心温度升高时，热管内部工质开始蒸发，在压差的作用下热量流向热管底部即冷凝端，经由冷凝端的散热翅片工质将热量传递到热缓冲区，热管释放出热量后，其内工质重新凝结成液体，在内部多孔材料的毛细力作用下流回蒸发段，如此进行循环；当热缓冲区内的复合相变材料吸收热量导致温度逐渐升高达到相应的相变点时，开始相变过程，此过程可吸收大量热量，从而使得锂电池的温度保持在合理范围之内；虽然锂电池中心部位的温度最高，但经由热管导出后，锂电池的温度可控制在适合范围内，且温度分布的均匀性也得到了提高，因而使得锂电池性能、使用寿命和安全性都能得到保证。

2.根据权利要求1所述的一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，其特征在于，所述电池卷芯（4）由由内至外依次层叠的正极片（11）、第一隔膜（12）、负极片（13）和第二隔膜（14）沿热管（1）卷绕形成。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，其特征在于，所述热管（1）为铜管。

4.根据权利要求2所述的一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，其特征在于，所述第一绝缘层（5）设有线孔（8）供负极片（13）与电池底部组件（7）连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有相变热缓冲功能的圆柱形锂电池，其特征在于，所述复合相变材料为泡沫铜/石蜡复合相变材料。