CN114927834B - 一种电池极片、电极芯和二次电池 - Google Patents

一种电池极片、电极芯和二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池极片、电极芯和二次电池，电池极片包括：极片主体、顶部极耳和侧面极耳；极片主体包括第一端、第二端和沿长度方向连接第一端和第二端的侧面；电池极片为负极片时，顶部极耳设置在第一端；电池极片为正极片时，顶部极耳设置在所述第二端；侧面从所述第一端至第二端依次设有底边长度逐渐增大的第1个侧面极耳至第N个侧面极耳。通过计算侧面极耳的间距以及侧面极耳的数量避免因电流汇集导致电芯两端电流集中的问题，降低了极片热失控的风险，提高电池的倍率和安全性能。

Description

一种电池极片、电极芯和二次电池
技术领域
本发明涉及电池结构设计领域，具体地涉及一种电池极片、电极芯和二次电池。
背景技术
CTP(Cell to Pack)技术成为近期人们关注的焦点，该模式能够有效的减少电池辅材的重量，因此该模式的出现一方面能够大幅增加了电动汽车存储的电量，进而增加电动汽车的续航里程；另一方面有助于提高电动汽车底盘结构的稳定性。与此同时，为了进一步降低电芯包装的重量、提高电芯的一致性以及提升管理***的精准度，企业逐渐向大尺寸电芯转型(比如特斯拉发布的46800圆柱电池，以及比亚迪发布的“刀片”电池)，电芯尺寸的增加能够有效的降低辅材(极耳、铝塑膜/铝壳等)的重量、提高电池的管理效率，但是电芯尺寸的增加势必会造成电流分布不均匀以及极耳位置电流过大等问题，大尺寸的极耳又会造成电池封装存在潜在漏液的风险，因此，极耳的设计对电池寿命以及容量的发挥至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池极片、电极芯和二次电池，通过在电池极片上设置多个侧面极耳，解决长电芯内部电流分布不均匀、热量集中的问题。为解决上述问题，
本发明的第一方面提供了一种电池极片，包括：极片主体、顶部极耳和侧面极耳；所述极片主体包括第一端、第二端和沿长度方向连接所述第一端和所述第二端的侧面；
所述电池极片为负极片时，所述顶部极耳设置在所述第一端；
所述电池极片为正极片时，所述顶部极耳设置在所述第二端；
所述侧面从所述第一端至所述第二端依次设有底边长度逐渐增大的第1个侧面极耳至第N个侧面极耳。
优选地，侧面极耳的底边长度满足如下关系式：
Ln/Ln-1＝1.025+0.007/N (1)
其中，N为大于或等于3的正整数，n为大于等于2小于等于N的正整数，Ln为第n个侧面极耳的底边长度。
优选地，侧面极耳的间距满足如下关系式：
dn+1/dn＝1.18+0.11/N (2)
dn为第n个所述侧面极耳与第n-1个所述侧面极耳的距离。
优选地，侧面极耳的间距满足如下关系式：
(di+d1+d2+…+dN+dl)/L≥0.8 (3)
其中，di为第1个侧面极耳与所述第一端的距离，dl为第N个侧面极耳与所述第二端的距离，L为所述极片主体的长度。
优选地，各个侧面极耳的横截面均为直角梯形或扇形结构。
优选地，各个侧面极耳通过金属导线串接，并以薄片的形式在所述电池极片的两端引出；所述金属导线的横截面宽度尺寸不同；所述金属导线的材质与所述侧面极耳的材质相同。
根据本发明的第二方面提供了一种电极芯，由上述的电池极片制成的正极片和负极片堆叠制成。
优选地，沿堆叠方向的各个所述正极片上的正极侧面极耳的位置相同；沿堆叠方向的各个所述负极片上的负极侧面极耳的位置相同；
正极侧面极耳和负极侧面极耳相对布置。
优选地，正极侧面极耳为铝质材料，所述负极侧面极耳为镀镍铜质材料。
根据本发明的第三方面提供了一种二次电池，包括上述电极芯。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明将侧面极耳沿电芯的长度方向不等间距间隔布置，避免了因电流汇集导致电芯两端电流集中的问题；通过设计各个侧面极耳底边的长度，有效均匀电池内部电流和热量分布，降低了极片热失控的风险，提高电池的倍率和安全性能。
附图说明
图1是本发明提供的一种电池极片的示意图；
图2是本发明提供的侧面极耳位置的示意图；
图3是本发明提供的侧面极耳的引出方式示意图；
图4是本发明提供的电极芯的示意图；
图5是本发明提供的电极芯模型对比图；
图6是图5中各个模型对应中心域温度曲线图。
附图标记：
1：极片主体；2：侧面极耳；21：第一侧面极耳；22：第二侧面极耳；23：第三侧面极耳；24：第四侧面极耳；25：第五侧面极耳；3：顶部极耳；4：金属导线；5：极耳胶带；6：正极片；7：负极片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明的电池负极片的结构示意图，如图1所示，包括极片主体1、顶部极耳3和侧面极耳2；极片主体1包括：第一端、第二端和沿长度方向连接第一端和第二端的侧面。在本实施例中，电池极片为负极片，顶部极耳3设置在第二端；设置在侧面上的各个侧面极耳2的底边长度从第一端至第二端逐渐增大，相应的，各个侧面极耳的体积逐渐增大。
本发明通过设置多个侧面极耳，均匀长电极芯内部的电流，有利于长电极芯内部散热，从而提高电极芯的倍率和安全性能。
进一步的，侧面极耳的底边长度满足如下关系式：
Ln/Ln-1＝1.025+0.007/N (1)
其中，N为大于或等于3的正整数，n为大于等于2小于等于N的正整数，Ln为第n个侧面极耳的底边长度；
侧面极耳的间距满足如下关系式：
dn+1/dn＝1.18+0.11/N (2)
dn为第n个侧面极耳与第n-1个侧面极耳的距离；
侧面极耳的间距满足如下关系式：
(di+d1+d2+…+dN+dl)/L≥0.8 (3)
其中，di为第1个侧面极耳与第一端的距离，dl为第N个侧面极耳与第二端的距离，L为极片主体的长度。
本发明通过设置各个侧面极耳的底边长度和侧面极耳间距，改善由于长电极芯内部电流不均匀导致的局部热量过高的问题，进一步提高电极芯的倍率和安全性能。
图2为本发明一个实施例中设置五个侧面极耳的位置关系的示意图，其中，第一侧面极耳21至第五侧面极耳25的底边长依次为L1、L2、L3、L4和L5，极片主体1的第一端到第一侧面极耳的距离为d1，第一侧面极耳到第二侧面极耳的距离为d2，依此类推，第五侧面极耳到极片主体1的第二端的距离为d6，假设电池极片的长度为L，由式(1)-式(3)可以得到：
第一侧面极耳21的位置在9％-20％L之间，
第二侧面极耳22的位置在20％-36％L之间，
第三侧面极耳23的位置在36％-53％L之间，
第四侧面极耳24的位置在53％-72％L之间，
第五侧面极耳25的位置在72％-90％L之间，
优选地，建议在上述区间的中心，即14.5％L、28％L、44.5％L、62.5％L、81％L附近。
由极耳的产热方程：
q＝I2r/A·L′ (4)
其中，I表示电流；
r表示侧面极耳的内阻；
A表示侧面极耳的横截面积；
L′表示侧面极耳的底边长度；
可知，侧面极耳与电池极片的接触面积越大，电阻越小，产热越少，因此作为本发明的一个优选实施例，将侧面极耳2的横截面设计为直角梯形更有利于长电极芯内电流的分布和汇集；可选的，将侧面极耳2的横截面设计为扇形。
图3示出了侧面极耳的引出方式，如图3所示，金属导线4分别与各个侧面极耳通过激光焊接的方式连接，通过金属导线4将总电流分解，且焊接的材质与侧面极耳的材质一致。为保证封装的密闭性，金属导线4在两端以薄片的形式引出，并且在与顶部极耳连接的封口处，附带极耳胶带5，降低电池封装存在漏液的风险。
进一步的，金属导线4的横截面宽度不同，使得金属导线各处的电阻值不同，过流能力不同。因此，将越接近极耳位置的金属导线的横截面设计越宽，能够有效降低由电流导致的热量过高。
本发明的第二实施例提供了一种电极芯，如图4所示，由正极片6和负极片7堆叠制成，其中正极片6和负极片7由实施例一中的电池极片制成。
具体的，正极片6上的端部极耳和负极片7上的端部极耳相对设置；在沿堆叠方向上，各个正极侧面极耳的位置相同，相互重叠；各个负极侧面极耳的位置相同，相互重叠。且每一对正极侧面极耳和负极侧面极耳的位置相对，将电极芯划分为多个小区域，每个小区域内的电子和离子传输的所花费的时间和距离基本一致，从而使得电极芯内部的电流均匀，解决电极芯局部电流集中的问题，不仅能够实现CTP模式，还有利于电极芯的散热，降低了正负极片热失控的风险，提高二次电池的充放电倍率和安全性。
本发明的第三实施例提供了一种二次电池，该二次电池利用包括上述的电极芯制成，利用图5示出的不同电极芯的软包电池模型进行如下对比试验，如图5所示：
图5a为只设置有顶端极耳的基础电池模型；
图5b模型中的第一侧面极耳21、第二侧面极耳22、第三侧面极耳23、第四侧面极耳24和第五侧面极耳25等间距设置，各个侧面极耳的横截面积相同；
图5c以图5b所示的模型为基础，模型中各个侧面极耳采用不等间距的设计，间隔从左至右依次增大；
图5d以图5c所示的模型为基础，从右至左依次增加侧面极耳的横截面积。
根据第一侧面极耳21、第二侧面极耳22、第三侧面极耳23、第四侧面极耳24和第五侧面极耳25将模型划分为A、B、C、D、E、F六个小区域。
根据现有研究资料可知，对于长电极芯的二次电池，随着放电的进行，电池在中心点的热集聚程度加快且热集聚区域集中，放电结束是温度高的区域为电池中部靠近正极顶部极耳侧，因此对六个小区域的中心温度采样，得到如图6所示的中心域温度曲线图。
可以看出通过在正极顶部极耳侧增加侧面极耳的数量，减小侧面极耳的间距能够分散电流，进而分散热量，使得电池内部电流分布均匀。
本发明旨在保护一种电池极片、电极芯和二次电池，通过将侧面极耳设计在电芯的长度方向上，避免了电流汇集两端的问题，此外多处侧面极耳的设计可以很好的避免电流分布不均匀的缺点有利于电流均匀分布，提高电池的倍率和安全性能。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种电池极片，其特征在于，包括：极片主体、顶部极耳和侧面极耳；所述极片主体包括第一端、第二端和沿长度方向连接所述第一端和所述第二端的侧面；
所述电池极片为负极片时，所述顶部极耳设置在所述第一端；
所述电池极片为正极片时，所述顶部极耳设置在所述第二端；
所述侧面从所述第一端至所述第二端依次设有底边长度逐渐增大的第1个侧面极耳至第n个侧面极耳；
所述侧面极耳的底边长度满足如下关系式：
Ln/Ln-1＝1.025+0.007/N (1)
其中，N为大于或等于3的正整数，n为大于等于2小于等于N的正整数，Ln为第n个侧面极耳的底边长度；
所述侧面极耳的间距满足如下关系式：
dn+1/dn＝1.18+0.11/N (2)
dn为第n个所述侧面极耳与第n-1个所述侧面极耳的距离；
所述侧面极耳的间距满足如下关系式：
(di+d2+…+dn+dl)/L≥0.8 (3)
di为第1个侧面极耳与所述第一端的距离，dl为第N个侧面极耳与所述第二端的距离，L为所述极片主体的长度。
2.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于，各个所述侧面极耳的横截面均为直角梯形或扇形结构。
3.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于，各个所述侧面极耳通过金属导线串接，并以薄片的形式在所述电池极片的两端引出；所述金属导线的横截面宽度尺寸不同；所述金属导线的材质与所述侧面极耳的材质相同。
4.一种电极芯，其特征在于，包括由如权利要求1-3任一项所述的电池极片制成的正极片和负极片堆叠制成。
5.根据权利要求4所述的电极芯，其特征在于，沿堆叠方向的各个所述正极片上的正极侧面极耳的位置相同；沿堆叠方向的各个所述负极片上的负极侧面极耳的位置相同；
所述正极侧面极耳和所述负极侧面极耳相对布置。
6.根据权利要求5所述的电极芯，其特征在于，所述正极侧面极耳为铝质材料，所述负极侧面极耳为镀镍铜质材料。
7.一种二次电池，其特征在于，包括如权利要求4-6任一项所述的电极芯。
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