CN113611918A - 锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种锂离子电池，属于电池技术领域。锂离子电池包括极卷以及安全组件，极卷具有卷绕中心孔；安全组件被配置为设置于卷绕中心孔内，安全组件包括支撑轴、封装件和阻燃剂，封装件包覆于支撑轴的外周面，阻燃剂封装于封装件内。该锂离子电池，结构简单紧凑，安全性高。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种锂离子电池。
背景技术
当外部有尖锐物刺破(如针刺)锂离子电池，或较大挤压力(如挤压)作用于锂离子电池，亦或是较高(如160℃)的温度(如热冲击)作用于锂离子电池时，锂离子电池容易发生热失控。锂离子电池发生热失控时，电解液会发生燃烧，进而造成安全风险。
当前，锂离子电池在防止热失控燃烧问题的举措多数是通过向电解液中添加阻燃剂的方法，但是，阻燃剂会对锂离子电池的循环特性产生非常不利的影响，甚至会使锂离子电池完全失去循环能力。
发明内容
本申请的目的在于提供一种安全性高的锂离子电池。
本申请是通过下述技术方案实现的：
一方面，本申请实施例提供了一种锂离子电池，包括：
极卷，具有卷绕中心孔；以及
安全组件，被配置为设置于所述卷绕中心孔内，所述安全组件包括支撑轴、封装件和阻燃剂，所述封装件包覆于所述支撑轴的外周面，所述阻燃剂封装于所述封装件内。
根据本申请实施例的锂离子电池，安全组件设置于卷绕中心孔内，不占用额外的空间；通过支撑轴提供支撑，以便于实现封装件和阻燃剂的定位，同时，能够避免极卷松散而发生位移；通过封装件封装阻燃剂，实现阻燃剂和电解液的隔离，不影响锂离子电池的循环特性；当外部有尖锐物刺破锂离子电池，或较大挤压力作用于锂离子电池，亦或是较高(如160℃)的温度(如热冲击)作用于锂离子电池时，封装件被损坏(如被极片划破、压裂或热熔)，阻燃剂会释放到电解液中，防止由进一步的热失控导致的安全问题。该锂离子电池，结构简单紧凑，安全性高。
根据本申请的一些实施例，所述支撑轴为内部中空的筒状结构。
在上述方案中，筒状结构，能够为气体的流通提供通道。
根据本申请的一些实施例，所述支撑轴为刚性件。
在上述方案中，支撑轴具有较好的刚性，以便于提供支撑力，实现封装件的支撑定位。
根据本申请的一些实施例，所述封装件的熔点低于160℃。
在上述方案中，封装件的熔点较低，便于封装件在温度较高时熔融，以释放阻燃剂，快速响应热失控或热冲击。
根据本申请的一些实施例，所述封装件的材质为不与电解液发生反应的聚合物。
在上述方案中，封装件的材质选取，便于实现对阻燃剂和电解液的隔离，以保证锂离子电池的循环特性正常进行。
根据本申请的一些实施例，所述封装件具有围绕所述支撑轴设置的环形空腔，所述阻燃剂封装于所述环形空腔内。
在上述方案中，环形空腔的设置，能够实现阻燃剂的均匀分布。
根据本申请的一些实施例，所述封装件包括内层和外层，所述内层附着于所述支撑轴的外周面，所述内层和所述外层均围绕所述支撑轴设置，所述外层沿所述支撑轴的轴向的两端分别与所述内层沿所述支撑轴的轴向的两端相连，所述内层和所述外层共同限定所述环形空腔。
在上述方案中，通过内层附着于支撑轴的外周面，实现封装件与支撑轴的装配定位，通过外层实现对阻燃剂的保护，外层与内层连接实现对阻燃剂的限位，以实现阻燃剂与电解液的隔离。
根据本申请的一些实施例，所述内层的厚度为3-10μm，所述外层的厚度为10-30μm，所述阻燃剂的厚度为100-200μm。
根据本申请的一些实施例，所述锂离子电池还包括：壳体，所述壳体的顶部形成有开口，所述极卷设置于所述壳体的内部；盖帽组件，盖设于所述开口；所述极卷的负极极耳与所述壳体的底部焊接，所述极卷的正极极耳与所述盖帽组件电连接。
在上述方案中，通过盖帽组件与壳体的配合，封闭开口，防止电解液泄露；通过负极极耳与壳体的底部焊接，在壳体的底部形成锂离子电池的负极，通过正极极耳与盖帽组件电连接，在盖帽组件处形成锂离子电池的正极，以便于将锂离子电池的电能从负极和正极导出。
根据本申请的一些实施例，所述锂离子电池还包括：上绝缘件，设置于所述壳体内，所述上绝缘件位于所述盖帽组件和所述极卷之间，所述上绝缘件用于隔离所述盖帽组件和所述极卷；下绝缘件，设置于所述壳体内，所述下绝缘件位于所述壳体的底部和所述极卷之间，所述下绝缘件用于隔离所述壳体和所述极卷。
在上述方案中，通过上绝缘件实现盖帽组件和极卷的隔离，避免盖帽组件与极卷发生短路；通过下绝缘件实现壳体的底部和极卷的隔离，避免壳体的底部与极卷发生短路。
根据本申请的一些实施例，所述上绝缘件设置有多个第一通孔，所述多个第一通孔围绕所述极卷的卷绕中心线间隔分布。
在上述方案中，通过多个第一通孔连通上绝缘件的相对的两侧，以便于电解液的流通，便于注液顺畅。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一实施例提供的锂离子电池的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的上绝缘件的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的下绝缘件的结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的锂离子电池穿刺测试的示意图；
图5为图4的锂离子电池穿刺测试的时间-温度曲线图。
图标：100-锂离子电池；10-极卷；11-正极片；12-负极片；13-隔膜；14-正极极耳；15-负极极耳；16-卷绕中心孔；20-安全组件；21-支撑轴；22-封装件；221-内层；222-外层；23-阻燃剂；30-壳体；31-开口；32-凸起；40-盖帽组件；41-帽头；42-防爆膜片；43-连接片；44-绝缘胶圈；50-上绝缘件；51-第一通孔；52-第一中心孔；53-第二通孔；60-下绝缘件；61-第二中心孔；62-缺口；70-钢针。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本申请的具体结构进行限定。在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面参考图描述根据本申请一方面实施例的锂离子电池。
如图1-图5所示，根据本申请实施例的锂离子电池100，包括：极卷10及安全组件20。
如图1所示，极卷10包括正极片11、负极片12及隔膜13，正极片11、负极片12及隔膜13经同心圆卷绕形成卷状结构，极卷10构成锂离子电池100的电芯；隔膜13位于正极片11和负极片12之间，以防止正极片11和负极片12短路。正极片11包括正极集流体和正极活性物质层，正极活性物质层涂敷于正极集流体的表面，未涂敷正极活性物质层的正极集流体作为正极极耳14。负极片12包括负极集流体和负极活性物质层，负极活性物质层涂敷于负极集流体的表面，未涂敷负极活性物质层的负极集流体为负极极耳15。隔膜13可以为聚乙烯膜、聚丙烯膜或聚乙烯/聚乙烯复合膜等基膜，或者，基膜上涂敷陶瓷物质。
如图1所示，极卷10具有卷绕中心孔16，安全组件20被配置为设置于卷绕中心孔16内。安全组件20包括支撑轴21、封装件22和阻燃剂23，封装件22包覆于支撑轴21的外周面，阻燃剂23封装于封装件22内。安全组件20不占用额外的空间，合理利用安装空间。支撑轴21的延伸方向与卷绕中心孔16的中心线一致，支撑轴21能够支撑极卷10，限制极卷10的极片松散。
如图1所示，封装件22包覆于支撑轴21的外周面，以在支撑轴21的周向形成保护层，将阻燃剂23与电解液隔离。当锂离子电池100受到外部尖锐物的穿刺时，尖锐物作用于锂离子电池100的周壁时，容易导致锂离子电池100被刺破，进而使得极卷10的极片(正极片11和负极片12的统称)破裂，破裂的极片导致内部短路，同时，破裂的极片划破封装件22，使得阻燃剂23释放到电解液中，起到阻止电解液燃烧的作用。当较大挤压力作用于锂离子电池100时，极卷10受到挤压容易引发内部短路，同时，极卷10将挤压力传递至封装件22，封装件22受到的挤压力大于封装件22的损坏力时，封装件22被压裂，阻燃剂23释放至电解液中，起到阻止电解液燃烧的作用。当锂离子电池100受到热冲击(温度达到或高于160℃)时，封装件22熔融，阻燃剂23释放至电解液中，起到阻止电解液燃烧的作用。
根据本申请实施例的锂离子电池100，结构简单紧凑，安全性高。
需要指出的是，安全组件20的外径可以小于卷绕中心孔16的直径，以便于安全组件20的装配；但是，安全组件20的外径与卷绕中心孔16的直径差值不易过大，避免安全组件20相对于极卷10发生位置移动。
根据本申请的一些实施例，如图1所示，锂离子电池100还包括壳体30及盖帽组件40。
如图1所示，壳体30为中空的结构，壳体30的顶部形成有开口31，极卷10和安全组件20设置于壳体30的内部。盖帽组件40盖设于开口31，盖帽组件40与壳体30连接，形成封闭的腔室。壳体30的内部填充有电解液，电解液可以为锂盐有机溶剂电解液。极卷10的负极极耳15与壳体30的底部焊接，极卷10的正极极耳14与盖帽组件40电连接。
壳体30可以为镀镍的不锈钢外壳，也可以为其他导电的金属(如铝、铜或者合金等)外壳。盖帽组件40与壳体30绝缘连接，以避免短路。壳体30的形状可以为圆柱形、方形或者其他形状。为了便于描述，本申请实施例中，如图1所示，壳体30以圆柱形为例介绍。
通过盖帽组件40和壳体30的配合，封闭开口31，防止电解液泄露，保证电池使用安全。通过负极极耳15与壳体30的底部焊接，在壳体30的底部形成锂离子电池100的负极；通过正极极耳14与盖帽组件40电连接，在盖帽组件40处形成锂离子电池100的正极，以便于将锂离子电池100的电能经由负极和正极导出。
根据本申请的一些实施例，如图1所示，支撑轴21为内部中空的筒状结构。锂离子电池100在工作过程及首次充放电时，电解液发生化学反应，产生气体；筒状结构的支撑轴21，能够为气体的流通提供通道。
根据本申请的一些实施例，支撑轴21为刚性件。支撑轴21具有较好的刚性，以便于提供支撑力，实现封装件22的支撑定位。支撑轴21可以为不锈钢材质，也可以为碳纤维材质，还可以为其他刚性较好的材质。可选地，支撑轴21为SUS304。
根据本申请的一些实施例，封装件22的熔点低于160℃。封装件22的熔点较低，便于封装件22在温度较高(例如160℃)时熔融，以释放阻燃剂23，快速响应热失控或热冲击。
根据本申请的一些实施例，封装件22的材质为不与电解液发生反应的聚合物。封装件22在锂离子电池100正常运行时不溶解，避免干扰锂离子电池100的循环特性。封装件22的材质选取，便于实现对阻燃剂23和电解液的隔离，以保证锂离子电池100的循环特征正常进行。
可选地，封装件22的材质为聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物。其中，聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物和聚甲基丙烯酸甲酯聚合物的熔点均低于160℃，能够在温度较高(例如160℃)时熔融。同时，聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物和聚甲基丙烯酸甲酯聚合物具有粘性，能够便于封装件22附着于支撑轴21。
根据本申请的一些实施例，封装件22具有围绕支撑轴21设置的环形空腔，阻燃剂23封装于环形空腔内。环形空腔的设置，能够实现阻燃剂23的均匀分布。
例如，封装件22可以具有粘性，封装件22粘结于支撑轴21的周壁，封装件22的环形空腔被支撑轴21封闭，以实现对阻燃剂23的封装。
根据本申请的一些实施例，如图1所示，封装件22包括内层221和外层222，内层221附着于支撑轴21的外周面，内层221和外层222均围绕支撑轴21设置，外层222沿支撑轴21的轴向的两端分别与内侧沿支撑轴21的轴向的两端相连，内层221和外层222共同限定环形空腔。通过内层221附着于支撑轴21的外周面，实现封装件22与支撑轴21的装配定位，通过外层222实现对阻燃剂23的保护，外层222与内层221连接实现对阻燃剂23的限位，以实现阻燃剂23与电解液的隔离。
封装件22可以为具有粘性的材质，内层221包裹支撑轴21的外周面并附着于支撑轴21的外周面，外层222的上下两端与内层221的上下两端相连形成环形空腔，以将阻燃剂23限定于环形空腔内，实现阻燃剂23的隔离。
阻燃剂23可以为磷酸三苯酯(TPP)，具有较好的阻燃效果。
根据本申请的一些实施例，内层221的厚度为3-10μm，外层222的厚度为10-30μm，阻燃剂23的厚度为100-200μm。外层222的厚度大于内层221的厚度，便于在封装件22的外侧形成支撑结构，以保护阻燃剂23。
根据本申请的一些实施例，如图1所示，盖帽组件40包括帽头41、防爆膜片42、连接片43及绝缘胶圈44，帽头41盖设于壳体30的开口31处，并且绝缘胶圈44设置于帽头41与壳体30之间，以使帽头41与壳体30绝缘；防爆膜片42位于帽头41的面向极卷10的一侧，防爆膜片42与帽头41电连接，防爆膜片42为金属片；连接片43位于防爆膜片42的背离帽头41的一侧，也即位于防爆膜片42的面向极卷10的一侧，连接片43与防爆膜片42电连接，并且连接片43与极卷10的正极极耳14电连接，从而实现极卷10的正极极耳14与帽头41的电连接，在帽头41处形成锂离子电池100的正极。
防爆膜片42设置于壳体30和帽头41之间，壳体30的内部在防爆膜片42的背离帽头41的一侧形成密闭的空间；在锂离子电池100的内部压力升高至防爆膜片42的损坏力值时，防爆膜片42损坏，使得该密闭的空间被打开，缓冲锂离子电池100的内部压力。
根据本申请的一些实施例，如图1所示，锂离子电池100还包括上绝缘件50及下绝缘件60。上绝缘件50设置于壳体30内，上绝缘件50位于盖帽组件40和极卷10之间，上绝缘件50用于隔离盖帽组件40和极卷10；下绝缘件60设置于壳体30内，下绝缘件60位于壳体30的底部和极卷10之间，下绝缘件60用于隔离壳体30和极卷10。具体为，极卷10的极片被限定于上绝缘件50和下绝缘件60之间，正极极耳14穿过上绝缘件50后与盖帽组件40电连接，负极极耳15穿过下绝缘件60后与壳体30的底部电连接，由于盖帽组件40与壳体30绝缘，避免发生短路。
通过上绝缘件50实现盖帽组件40和极卷10的隔离，避免盖帽组件40与极卷10发生短路；通过下绝缘件60实现壳体30的底部和极卷10的隔离，避免壳体30的底部与极卷10发生短路，提高了锂离子电池100的安全性。
根据本申请的一些实施例，如图1所示，壳体30的设置于开口31的一端设置有内凹的凸起32，内凹的凸起32环绕壳体30的周向设置，内凹的凸起32能够限制上绝缘件50朝向盖帽组件40移动，起到定位的作用。壳体30与盖帽组件40的配合方式为扣合式，便于装配。
根据本申请的一些实施例，如图2所示，上绝缘件50设置有多个第一通孔51，多个第一通孔51围绕极卷10(请参照图1)的卷绕中心线间隔分布。如图1和图2所示，上绝缘件50为盘状结构，例如，上绝缘件50可以为垫片，上绝缘件50具有第一中心孔52，上绝缘件50的中心轴线与极卷10的卷绕中心线共线，以便于上绝缘件50的安装定位。第一通孔51沿上绝缘件50的厚度方向贯穿上绝缘件50，使得上绝缘件50的两侧连通，以便于电解液的流通，便于电解液注入顺畅。
如图3所示，上绝缘件50还设置有第二通孔53，用于正极极耳14(请参照图1)的穿设。第二通孔53可以为腰形孔，以便于在正极极耳14穿设于第二通孔53内时调整正极极耳14在第二通孔53内的位置，便于装配。
根据本申请的一些实施例，如图1和图2所示，下绝缘件60具有第二中心孔61，下绝缘件60的中心轴线与极卷10的卷绕中心线共线，以便于下绝缘件60的安装定位。下绝缘件60设置有缺口62，便于负极极耳15穿过下绝缘件60后与壳体30的底部焊接。如图3所示，下绝缘件60为盘状结构，例如，下绝缘件60可以为垫片，在下绝缘件60的边缘切除部分区域形成缺口62。
需要指出的是，上绝缘件50和下绝缘件60均具有绝缘性和耐水性，上绝缘件50和下绝缘件60的材质可以为工程塑料材质，例如PPE(polyphenylene ether，聚苯醚)。
图4示出了本申请一实施例的锂离子电池100穿刺测试的示意图，图5为图4的锂离子电池100穿刺测试的时间-温度曲线图；图4为锂离子电池100的局部剖视，主要示出极卷10的测试状态示意。根据本申请的一些实施例，如图4和图5所示，当锂离子电池100进行针刺(如钢针70穿刺)测试时，随着测试钢针进入锂离子电池100深度的增加，极卷10由于内部短路而产热，使得极卷10整体温度上升。如图4所示，设置A、B、C三个测试点，A点为靠近针刺位置的点，B点和C点为远离针刺位置的点，其中B点靠近壳体30的底部，C点靠近盖帽组件40。如图4和5所示，当进行针刺测试时，A点由于是各种破坏和反应发生的位置，所以A点处温度最高，B点和C点处的温度较低。随着针刺的进行，极卷10的温度会逐步上升，当达到最高点(约160℃)时，封装件22熔融，或者封装件22被刺破，阻燃剂23释放，阻燃剂23吸热，使得锂离子电池100不再继续升温或燃烧。
根据本申请实施例的锂离子电池100，封装件22封装阻燃剂23，不影响锂离子电池100的循环特性，在锂离子电池100遇到尖锐物穿刺、热冲击或挤压时，封装件22损坏，释放阻燃剂23，防止由进一步的热失控导致的安全问题，安全性高。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锂离子电池，其特征在于，包括：
极卷，具有卷绕中心孔；以及
安全组件，被配置为设置于所述卷绕中心孔内，所述安全组件包括支撑轴、封装件和阻燃剂，所述封装件包覆于所述支撑轴的外周面，所述阻燃剂封装于所述封装件内。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述支撑轴为内部中空的筒状结构。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述支撑轴为刚性件。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述封装件的熔点低于160℃。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述封装件的材质为不与电解液发生反应的聚合物。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述封装件具有围绕所述支撑轴设置的环形空腔，所述阻燃剂封装于所述环形空腔内。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述封装件包括内层和外层，所述内层附着于所述支撑轴的外周面，所述内层和所述外层均围绕所述支撑轴设置，所述外层沿所述支撑轴的轴向的两端分别与所述内层沿所述支撑轴的轴向的两端相连，所述内层和所述外层共同限定所述环形空腔。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述内层的厚度为3-10μm，所述外层的厚度为10-30μm，所述阻燃剂的厚度为100-200μm。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池还包括：
壳体，所述壳体的顶部形成有开口，所述极卷设置于所述壳体的内部；
盖帽组件，盖设于所述开口；
所述极卷的负极极耳与所述壳体的底部焊接，所述极卷的正极极耳与所述盖帽组件电连接。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池还包括：
上绝缘件，设置于所述壳体内，所述上绝缘件位于所述盖帽组件和所述极卷之间，所述上绝缘件用于隔离所述盖帽组件和所述极卷；
下绝缘件，设置于所述壳体内，所述下绝缘件位于所述壳体的底部和所述极卷之间，所述下绝缘件用于隔离所述壳体和所述极卷。
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- 2021-08-10 CN CN202110912666.4A patent/CN113611918A/zh active Pending
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