具有中空極柱的圓柱鋰離子電池的製作方法
2023-05-17 22:08:06 1
本申請涉及鋰離子電池，尤其涉及一種具有中空極柱的圓柱鋰離子電池。
背景技術：
自索尼首次將圓柱電池推向市場，鋰離子圓柱電池安全問題一直受到廣泛的關注。系統分析圓柱電芯引起爆炸的內在最重要的原因，可歸結於電池使用過程中內部發熱、熱量不斷聚集且無法散出，導致電芯內部溫度持續升高進而超過安全溫度。在電芯產熱的過程中如何增加散熱效率，降低電芯溫度的變化，不僅在電芯安全方面至關重要，而且在動力電池熱管理方面具有重要的作用。
技術實現要素：
本申請要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種具有中空極柱的圓柱鋰離子電池。
本申請要解決的技術問題通過以下技術方案加以解決：
一種具有中空極柱的圓柱鋰離子電池，包括電芯和套設在所述電芯上的外殼，所述電芯包括極柱、正極片、負極片和隔膜，所述極柱為中空柱體，所述正極片、所述負極片和所述隔膜製成的材料卷繞在所述極柱上，所述外殼包括筒狀殼體和設置在所述殼體兩端的端蓋，所述正極片包括正極集流體，所述負極片包括負極集流體，所述正極集流體和所述負極集流體之一焊接在極柱上，所述正極集流體和所述負極集流體之另一焊接在所述殼體內表面，所述端蓋套設在所述極柱上。
上述電池，所述極柱為正極柱，所述正極集流體焊接在所述正極柱上，所述負極集流體焊接在所述殼體內表面。
上述電池，所述端蓋包括絕緣板、密封圈和蓋板，所述絕緣板套設在所述正極柱上，所述密封圈由絕緣材料製成，所述蓋板由金屬材料製成，所述蓋板通過所述密封圈套設在所述正極柱上。
上述電池，所述正極柱上設有與所述密封圈配合的第一限位槽。
上述電池，所述正極柱上設有與所述絕緣板配合的第二限位槽。
上述電池，所述端蓋上設有防爆裝置。
上述電池，所述防爆裝置為設置在所述蓋板上的環形凹槽。
上述電池，所述密封圈為橡膠圈。
上述電池，所述蓋板由鋼材或合金材料製成，所述殼體由鋼材、鋁材或合金製成。
由於採用了以上技術方案，使本申請具備的有益效果在於：
在本申請的具體實施方式中，由於組成電芯的極柱為中空柱體，在熱量最易聚集的電池軸心部位，採用中空設計，增大了電芯的散熱的表面積，正極集流體和負極集流體之一焊接在極柱上，正極集流體和負極集流體之另一焊接在殼體內表面，取消了極耳設計，減小了電池在充放電過程中的電子傳輸通道，降低電芯內阻，進而減小了電芯內部焦耳熱的產生。
附圖說明
圖1為本申請的電池在一種實施方式中的元件分立示意圖；
圖2為本申請的電池在一種實施方式中的剖示圖；
圖3為本申請的正極柱及正極片在一種實施方式中的結構示意圖；
圖4為本申請的正極柱在一種實施方式中的立體結構示意圖；
圖5為本申請的蓋板在一種實施方式中的立體結構示意圖；
圖6為本申請的蓋板在一種實施方式中的剖示圖；
圖7為圖6中A的放大示意圖。
具體實施方式
下面通過具體實施方式結合附圖對本申請作進一步詳細說明。
通過對傳統圓柱電芯溫度升高的內在機理分析發現，電芯溫度升高主要取決於內部熱量的產熱速率和散熱速率。當產熱速率大於散熱時電芯內部溫度聚集溫度升高，當產熱速率效率散熱速率時電芯內部溫度降低。
電芯產熱速率由電芯內部歐姆電阻、極化內阻和電流等等因素所決定。降低電芯內部歐姆電阻，可減小電芯內部產熱速率。以此為方向，在本發明中取消傳統電芯內部存在的極耳設計結構，直接將集流體與極柱或者外殼連接，縮短電子導通路徑，同時增大了集流體與極柱焊接面積，降低電芯內部電阻。
本申請在改善散熱方面，主要通過增加電芯表面積和改善電芯內部熱量的傳遞兩方面進行優化。首先在傳統的圓柱電芯熱量最易聚集的軸心部位優化設計為管狀鋁材圓柱，將中心的熱量通過管狀極柱進行散熱。在改善內部熱傳導方面，增大電芯內部集流體與金屬外殼和中心管狀極柱之間的接觸面積。充分利用金屬材料良好導熱特性，將電芯內部熱量通過集流體傳遞給電芯管狀正極柱和外殼，提高了電芯散熱效率。
如圖1至圖7所示，本申請的具有中空極柱的圓柱鋰離子電池，其一種實施方式，包括電芯和外殼，外殼套設在電芯100上，電芯100包括極柱、正極片、負極片和隔膜，極柱為中空柱體，如空心長方體、正方體、稜柱或圓柱等。在本實施方式中，極柱為中空管狀柱體。正極片、負極片和隔膜製成的材料卷繞在極柱上，外殼包括殼體210和端蓋，殼體210為筒狀，極柱穿設在殼體210中，端蓋設置在殼體210的兩端。殼體210可以由金屬製成，在本實施方式中，殼體210由鋼材、鋁材或合金製成。正極片包括正極集流體，負極片包括負極集流體，正極集流體和負極集流體之一焊接在極柱上，正極集流體和負極集流體之另一焊接在殼體210內表面，即正極集流體焊接在極柱上，負極集流體焊接在殼體210內表面，或負極集流體焊接在極柱上，正極集流體焊接在殼體210內表面。端蓋套設在極柱上。正極柱可採用鋁材料，殼體可採用鋼材；負極柱可以採用銅或者銅合金、鎳或者鎳合金等金屬材質，殼體可採用鋁材或者是鋁合金等材質。
在熱量最易聚集的電池軸心部位，極柱採用中空設計，可採用金屬材料製成，如選用鋁材，中空極柱一方面增大了電芯的散熱的表面積，另一方面金屬材質擁有更好的熱傳導能力。直接將集流體與中間極柱或者外殼焊接，因集流體與極柱和殼體均為金屬材質，相較於傳統的通過較小的極耳連接，電池極片上產生的熱量更易於通過集流體傳遞給正極柱和殼體，加速電芯內部熱量的消散。
本申請的具有中空極柱的圓柱鋰離子電池，極柱為正極柱110，正極集流體焊接在正極柱110上，負極集流體焊接在殼體210內表面，將正極集流體焊接在正極柱110上，負極集流體焊接在殼體210內表面，焊接正負極集流和負極集流體有多種方式，在本實施方式中，具體可通過超聲焊的方式進行焊接。圖3為正極柱與焊接在正極柱上的正極片的結構示意圖，其中，120為正極片，121為正極集流體。負極集流體的尾部為T型，負極集流體與外殼210通過T型結焊接。
電芯最外層銅箔集流體兩端分別預留一小段空箔材121。將裝配好的電芯裝入殼體210中，然後利用超聲焊將端部空箔材焊接於鋼殼內表面。
在一種實施方式中，端蓋包括絕緣板222、密封圈223和蓋板224，絕緣板222套設在正極柱110上，密封圈223由絕緣材料製成，在本實施方式中，密封圈223為橡膠圈。橡膠圈可保證蓋板224和管狀正極柱110之間的絕緣性。蓋板224由金屬材料製成，如在本實施方式中，蓋板由鋼材或合金材料製成。蓋板224通過密封圈223套設在正極柱上，即密封圈223套設在正極柱110上，蓋板224也套設在正極柱110上，且密封圈223夾持在正極柱110和蓋板224之間。密封圈223和蓋板224之間可設有間隙。在一種實施方式中，蓋板224還可設有與正極柱110配合的折邊226，折邊226可貼合在正極柱110上。絕緣板222起到固定電芯位置和隔絕電芯與上下蓋板224接觸，可避免導致的內部短路。可通過滾壓使得蓋板224、密封圈223和管狀正極柱110壓合密封，蓋板224和殼體210可通過雷射焊進行焊接。
本申請的具有中空極柱的圓柱鋰離子電池，在一種實施方式中，正極柱110上設有第一限位槽111，第一限位槽111與密封圈223配合，用於安裝密封圈223。在另一種實施方式中，正極柱110上設有第二限位槽112，第二限位槽112與絕緣板222配合，絕緣板222可以是塑料板，第二限位槽112可以是內倒角結構，可用於對絕緣板222進行定位。
本申請的蓋板224上還可以設有防爆裝置，在一種實施方式中，該防爆裝置為環形凹槽225。當電芯內部壓力過大時，凹槽225部位破裂可起到釋放壓力，保證電芯安全性。
與現有技術相比，本申請的結構更加的簡潔，取消了電芯內部過多的輔助材料，充分利用集流體和金屬殼體的導電和導熱特性，在電芯內部將材料得到最大限度的利用。取消內部極耳設計，如正極集流體直接與中心管狀極柱焊接，負極集流體直接與外殼焊接。降低電芯內部歐姆內阻，減少電芯使用過程中的焦耳熱的產生。正極集流體與中心管狀極柱焊接，負極集流體與外殼焊接，可以充分發揮金屬導熱特性，通過集流體將電芯內部熱量傳遞給電芯外殼，加快電芯內部熱量向外傳遞。中心管狀正極柱不僅起到導電和改善電芯軸心部位散熱的作用，另一方面在電芯卷繞在過程中，可以作為卷針使用，將電芯直接卷繞於管狀正極柱上。與傳統的卷繞工藝相比，電芯卷繞完成後，需要抽出卷針，導致卷繞電芯軸心部位應力釋放，降低了電芯軸心部位材料的利用率，增大了電芯內部不一致性。根據本申請的方案製作的電芯，不存在以上缺點。在電芯蓋板上設計有環形凹槽，凹槽部位機械強度較低，當電芯內部壓力高於凹槽部位可承受壓力時，凹槽開裂釋放電芯內部壓力，保證電芯安全。本申請中上下兩端均採用相同的蓋板，兩處凹槽設計，極大提升了電芯安全性能。本申請較為優異的散熱特性可以在很大程度上，保證電芯內部溫度的一致性，提升電池性能和循環壽命。相對於傳統的圓柱電芯，本申請零部件結構簡單，裝配工藝簡單，實用性強，具有較強的市場應用價值。
以上內容是結合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申請的具體實施只局限於這些說明。對於本申請所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換。