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，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、循環性能好和環境好等特點，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)、風力發電、光伏發電、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，起火發生在密閉狀態下，有可能由燃燒轉變為 爆炸。
[0011] ⑶爆炸
[0012] 而爆炸一旦發生，爆炸能在爆炸物內部以穩定地傳播速度持續進行，一旦在大規 模電池集成系統發生此種情形，有可能引發爆轟，可視為爆炸的穩定狀態。
[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點而發生爆炸。
[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 達到其爆發點而發生爆炸。
[0018] 按照炸藥起爆的理論，熱能起爆由前蘇聯學者謝苗諾夫提出，他認為，爆炸是系統 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，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（化學反應傳質系數進一步加劇）；
[0030] 過熱引起的惡性循環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，引發起火爆炸。
[0032] 鋰離子電池爆炸規律遵循以下列邏輯鏈：
[0033] 爆炸形成是熱反應加劇（熱反應包括了化學反應、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續進，熱效應、壓力效應、傳質反應連環劇增的邏輯反應 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節，是機理性關鍵技術措施。
[0039] 鋰離子電池安全性問題，使得現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，隔膜的導熱系數僅為0. 33w/m · k，只有純銅的8/1000,極片涂層的導熱系數 也僅?0. 6w/m · k，電芯的電池極片層數越多，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，存在電池并聯數量增加，電池并聯數量越多，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。
【發明內容】
[0045] 針對現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] 實現本發明的技術方案
[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，將電池殼內電芯分成多個電芯，每一個電芯，限制一定層數，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越多，單個電芯層數就越少，電芯正、負極層數越少，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定可靠，這種摩檫結構與現有鉚釘壓 緊結構相比，磨檫面大，脹緊系數穩定，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,為了實現電池電極2a、電池電極2b分別固定在電池外殼1穩定可靠，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 優先權日:2013年3月22日
【發明者】鄧梁 申請人:趙寬, 鄧梁