一种具有高安全性能的锂离子电池及电池模组的制作方法

本实用新型涉及了锂离子电池热安全技术领域，特别是涉及了一种具有高安全性能的锂离子电池及电池模组。

背景技术：

随着能源危机的加剧和环境的恶化，人们迫切需求清洁能源代替传统的化石能源。锂离子电池因为具有容量高、循环寿命长和环境友好等优点，越来越受到人们的重视。随着科技的不断发展，锂离子电池在各行各业中的使用越来越频繁，对锂离子电池的能量密度等提出了越来越高的要求，工信部对于下一代锂离子动力电池的能量密度要求达到了300wh/kg。提升能量密度的方法可以通过提高材料的高压实及材料的容量这两方面进行，针对材料的压实提高的空间有限而且会对后期循环性能造成不利影响，因此，目前主流方向还是以提高材料的容量为主要研究方向。正极材料是锂离子电池的关键材料之一，也是阻碍锂离子电池能量密度的关键因素。高镍材料具有高的可逆性容量，低的成本，被认为是最有希望的实现高能量密度的正极材料。

但是，因为脱锂态的高镍材料热稳定性差及高能量密度的属性，当电芯发生热滥用，机械冲击等，极容易分解产热产氧，引发热失控，伴随着放出大量的热和高，更甚的是其爆炸破坏力大，易对壳体产生破坏如导致产生壳体熔洞、壳体炸膛和大量电芯喷出等情形，而这些都可能是热失控扩散的条件。分析其原因，主要为高能量密度电芯爆炸产生的高压（一般大于20mpa）不能有效及时地排出电芯体外，以致压力短时积累使壳体发生炸裂，形成炸膛现象。炸膛是最恶劣的一种，而高温物质会从熔洞喷射出来直接并喷到模组的周边电芯上。如果此问题不解决，那么就极有可能发生热失控扩散至整个电芯包。再者，如果某个电芯发生热失控时，那么高温物质倾向于从正极一端大量喷射出，特别是在电芯组成模组后，电芯一端会集聚大量的热。这种情况下容易从一端烧坏模组及集流板造成极大的破坏，进而热失控扩散；另一方面喷出失控后的电芯喷射物是一种高温高速的流体，此种喷射流体的速度高达3000m/s以上，温度高达1300度以上；当喷射到钢壳时易使钢发生熔化，如果持续对壳体作用极易使会把滚槽处或壳避的壳体溶穿，形成熔穿效应。高温物质进而会从熔洞喷出，进而会喷射到模组周边电芯，引起热失控扩散。

为了提高高镍锂离子电池的安全性能，需要进行防爆设计。但是现有的防爆设计一般只针对电池壳体进行防爆设计，即在电池壳体底部设置防爆刻痕。但是，本申请的实用新型人在实现本申请实施例的过程中发现：采用单一的防爆壳体并不能有效地解决熔洞、炸膛及电芯喷射物等问题，原因在于设置在电池壳体底部的防爆刻痕经常不能及时开启，压力不能及时排泄。同时现有技术的锂离子电池的盖帽包括孔板，由于电流中断装置（cid）的设计需要，孔板通常都是有孔的，甚至为了实现更容易高压断路的功能，孔板采取大孔设计的。无论怎样，这种有孔或大孔板的设计结构在电芯爆炸前，就使得电芯的上端是一个开放口，即为一种开放结构。这种开放结构使得电芯爆炸产生的压力优先向一端口喷出，很容易因为压力不足，使电池壳体底端设置的防爆刻痕无法打开，使防爆壳体起不到防爆作用。也因为有孔孔板对气流的走向具有导向作用，使得高温高速的流体大量从上端口喷出从而更容易导致的钢壳熔洞问题；这些问题是引起圆柱电芯热失控扩散的主要原因。

技术实现要素：

为了弥补已有技术的缺陷，本实用新型提供一种具有高安全性能的锂离子电池及电池模组，当电芯发生爆炸时，爆炸冲击波向两端传播，以强大的压力冲开电池壳体底部防爆刻痕，防止爆炸压力提前漏出；以实现两端同时开口同时泄压，抑制电芯向上喷出，阻止喷出物对钢壳滚槽的熔穿作用，阻止高温物质喷射到周边相邻电芯，从而提高模组的安全性，实现单体失控-模组安全的理念。

本实用新型所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种具有高安全性能的锂离子电池，包括防爆壳体、和用于密封所述防爆壳体的防爆帽盖；所述防爆壳体的底部设置有防爆刻痕；所述防爆帽盖包括顶盖、防爆片、绝缘垫圈、孔板和密封圈，其中，所述顶盖依次连接所述防爆片、绝缘垫圈和孔板，形成帽盖内芯；所述密封圈套设于所述帽盖内芯外部周围；所述孔板上未设置通孔；所述绝缘垫圈具有开口。

进一步地，所述锂离子电池还包括装于所述防爆壳体内的电芯，所述电芯由正极片、负极片、隔膜卷绕而成；所述正极片的正极活性物质为高镍材料，所述负极片的负极活性物质为石墨材料或硅碳材料。

进一步地，所述防爆片连接于所述顶盖的一侧，所述孔板中部与所述防爆片的中部相连接；所述绝缘垫圈设于所述防爆片与所述孔板之间；所述孔板、绝缘垫圈和防爆片围合成空腔。

进一步地，所述绝缘垫圈为具有开口的圆环结构，所述开口的长度为1-3mm。

进一步地，所述孔板为未设置通孔的圆片，所述孔板的厚度为0.4-1mm。

进一步地，所述防爆刻痕为圆形刻痕，其直径为7-16mm。

进一步地，所述顶盖的中间处设置有向远离防爆片的一侧凸出的外凸部，且顶盖上位于外凸部的边缘开有若干个出气孔。

进一步地，所述防爆片中部向远离所述顶盖的方向凸起形成凸部，所述凸部与所述孔板点焊连接；所述凸部的边缘设有断裂刻线。

本实用新型还提供一种电池模组，其包括若干并联和/或串联的上述锂离子电池。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的锂离子电池包括防爆壳体、和用于密封所述防爆壳体的防爆帽盖；所述防爆壳体的底部设置有防爆刻痕；所述防爆帽盖包括顶盖、防爆片、绝缘垫圈、孔板和密封圈，其中，所述孔板上未设置通孔；所述绝缘垫圈具有开口。通过这种设置，当电芯发生爆炸时，爆炸冲击波向两端传播，以强大的压力冲开电池壳体底部防爆刻痕，防止爆炸压力提前漏出；可实现两端同时开口同时泄压，抑制电芯向上喷出，阻止喷出物对钢壳滚槽的熔穿作用，阻止高温物质喷射到周边相邻电芯，通过对炸膛，熔洞和大量电芯喷出等问题的综合解决，实现了阻断单体电芯热扩散的路径；从而大大地提高了高镍锂离子电池的安全性能。

本实用新型采用未设置通孔的孔板和防爆壳体配合，各元件共同作用，完成对电芯爆炸时对壳体的保护功能，可实现防爆壳体底部防爆刻痕在电芯爆炸起火之后100%开启，利于向外排出排出压力，防止压力堆积；可实现防爆帽盖在电芯失控之后100%喷出，实现了两头及时打开，泄压及时。

本实用新型有效利用了高镍电芯的爆炸产生爆炸冲击波的属性，进行有效的防爆设计，进而同时打开两端进行排压，解决高能量密度圆柱电芯失控后发生的炸膛问题。

本实用新型可有效控制电芯的喷出，以保证电芯失效后对周边电芯造成过量的热冲击影响；有效解决高能量密度圆柱电芯失控后的和电芯喷出问题；克服了具有单一底部防爆刻痕设计的电芯仍会大量喷出的缺点。

本实用新型有效解决高能量密度圆柱电芯失控后产生熔洞问题，克服了单一底部防爆刻痕设计仍会产生熔洞的缺点。

本实用新型电芯失控后所留下的质量增加3-7g,减少了喷出物的质量。

本实用新型简单有效、实用强、成本低及经济效益好，在不损害电芯电性能基础上解决单体电芯爆炸对壳体产生破坏问题。

本实用新型适用性强：对不同直径型号（如18650、21700、26650、32700等）圆柱电芯爆炸的壳体防护均有很好的控制效果。

附图说明

图1为本实用新型防爆帽盖的结构示意图；

图2为实施例1和对比例1中热失控实验效果图；

图3为实施例3和对比例3中模组热失控扩散效果图；

图4为实施例2和对比例2中热失控实验效果图。

图中：1、顶盖，2、防爆片，3、绝缘垫圈，4、孔板，5、密封圈。

具体实施方式

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

一种具有高安全性能的锂离子电池，包括防爆壳体、装于所述防爆壳体内的电芯、和用于密封所述防爆壳体的防爆帽盖。

所述防爆壳体的底部设置有防爆刻痕。具体地，所述防爆壳体包括壳体本体，所述壳体本体的顶端设置有开口，且壳体本体内部设置有用于容纳电芯的腔室，所述壳体本体包括底板及竖直布置于底板上的侧板，所述底板上设置有防爆刻痕。

其中，所述壳体本体优选但不限定为圆筒形结构。

所述防爆刻痕的形状为闭合线，作为举例，所述防爆刻痕的形状可以为圆形，也可以为半圆形、三角形或梯形，但不局限于此，也可以是本领域技术人员所熟知的其它闭合线。作为优选，所述防爆刻痕的形状为圆形，直径为7-16mm。

本实用新型中，所述防爆刻痕的防爆压力为2-7mpa，如果太高则容易引起炸膛，太低则不易开启。

本实用新型中的防爆壳体通过在底板上设置防爆刻痕，进而大大增强了防爆性能，提高了安全性，结构简单、易于实现。

本实用新型中，所述防爆帽盖包括顶盖、防爆片、绝缘垫圈、孔板和密封圈，其中，所述顶盖依次连接所述防爆片、绝缘垫圈和孔板，形成帽盖内芯；所述密封圈套设于所述帽盖内芯外部周围；所述孔板上未设置通孔；所述绝缘垫圈具有开口。

具体地，所述防爆片连接于所述顶盖的一侧，所述孔板中部与所述防爆片的中部相连接；所述绝缘垫圈设于所述防爆片周沿与所述孔板周沿之间；所述电芯的内部通过所述开口与防爆片连通。

本实用新型中，所述顶盖的中间处设置有向远离防爆片的一侧凸出的外凸部，且顶盖上位于外凸部的边缘开有若干个出气孔。所述外凸部用于连通外部电路，并增加顶盖与防爆片之间的间距，增大了防爆片爆裂的空间，使爆破压力更稳定。所述出气孔的数量可根据具体情况进行设置，这里不作具体限定。

所述顶盖可以采用铝质材料或钢质材料，但不局限于此，也可以是其他未列举在本实施例中的但被本领域技术人员所熟知的其他材料。作为优选，所述顶盖采用铝质材料，当高温电芯喷射物通过时，可以把其熔化打通路径，避免了钢质顶盖改变喷射物的路径，防止喷射物喷射到电芯与电芯之间的间隙。而且铝质顶盖也更轻，有减轻电芯质量，提升电芯能量密度的效果。

所述顶盖的厚度优选但不限定为0.5-1mm。

所述防爆片中部向远离所述顶盖的方向凸起形成凸部，所述凸部与所述孔板点焊连接；所述凸部的边缘设有断裂刻线。电池内部气压过大时，防爆片从断裂刻线处断裂，电池内部高压气体迅速排泄，避免排气不及时导致电池爆炸。

所述防爆片优选采用铝质材料，材质较软，凸部可翻转。所述防爆片的防爆压力为1.5-2.5mpa。

所述断裂刻线优选但不限定为圆形。

本实用新型中，所述绝缘垫圈位于孔板上表面周沿与防爆片下表面周沿之间，用于使防爆片下表面周沿与孔板上表面周沿绝缘。

本实用新型中，对绝缘垫圈进行改进，所述绝缘垫圈为具有开口的圆环结构，大致呈c型。本实用新型中，由于密封圈与孔板的缝隙并未完全密封，通过采用未设置通孔的孔板、具有开口的绝缘垫圈和防爆片围合成空腔，既能实现压力积蓄又实现因高压力断路的cid功能。

本实用新型中，所述绝缘垫圈的开口的长度为1-3mm。

该绝缘垫圈的材料不受特别限制，只要该绝缘垫圈由绝缘材料形成即可。例如，该绝缘垫圈可以由电绝缘聚合物树脂或电绝缘聚合化合物形成。具体地，该垫圈可以从由以下项组成的组中选出的至少一种材料形成：聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚四氟乙烯(ptfe)、热塑性聚酯弹性体(tpee)和橡胶。

现有技术中，孔板的中心设有内凸起，所述内凸起与孔板边沿之间设有若干通孔，防爆片与所述内凸起的连接方式是焊接。本实用新型中改变了传统结构，本实用新型中，孔板的中心设有内凸起，所述内凸起与孔板边沿之间未设置通孔，使爆炸波反射效果最大化，且大大增加防爆壳体底部防爆刻痕的开启率。

本实用新型中，所述孔板为未设置通孔的圆片，所述孔板的厚度为0.4-1mm。

本实用新型的锂离子电池，在热滥用或外部加热的情况下，电芯发生爆炸产生爆炸冲击波，爆炸冲击波向电芯两端传播，因为孔板是无孔设计，当爆炸冲击波到达防爆壳体和防爆帽盖两端时，起到阻挡爆炸冲击波且反射爆炸波的作用。这时爆炸冲击波有两个作用，一是冲击两端形成冲击力；二是爆炸冲击波具有反射作用，爆炸冲击波向中间反射，重新作用于电芯；同时防爆帽盖也因作用于孔板上的力没有被孔板上的通孔所卸掉，爆炸冲击波作用于整个孔板面上，因此可以对防爆帽盖形成很大的冲击力，进而可使帽盖飞出。也因无孔孔板起到阻挡爆炸冲击波且反射爆炸冲击波的作用，从而防止了压力从先从帽盖端口泄出，避免了有孔孔板对压力的导向作用使得向底部的压力不足以打开底部防爆刻痕的情况。还有反射的爆炸冲击波重新作用于电芯内部，对爆炸产物产生了力的作用，使得其喷射速度减慢，以降低喷射物对壳体的熔穿。防爆壳体底部设置防爆刻痕和无孔孔板对爆炸冲击波共同作用，以降低对爆炸对壳体的撕裂和熔穿。

本实用新型中，所述密封圈一方面用于填充外壳与防爆盖帽之间的空隙，防止电池漏液；另一方面，用于绝缘外壳和防爆盖帽，防止电池短接。

本实用新型中，所述密封圈由绝缘材料形成。

本实用新型中，所述电芯由正极片、负极片、隔膜卷绕而成；所述正极片的正极活性物质为高镍材料，所述负极片的负极活性物质为石墨材料或硅碳材料。本实用新型中，正极通过选用高镍材料，在高电压态，下受热易发生爆炸，产生较大的爆炸压力，提供了打开两端的动力来源。

本实用新型中，对隔膜的种类不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，作为优选，所述隔膜为al2o3陶瓷隔膜。

本实用新型对高镍材料的具体种类不作限定，本领域技术人员可以采用现有技术中通常采用的各种高镍材料。

至于正极片、负极片、隔膜的制造方法，及其他电芯制造工艺等均为本领域技术人员所公知，因此不再赘述。

本实用新型的锂离子电池的装配可按如下步骤进行：隔膜卷绕正极片和负极片形成电芯，将电芯放入防爆壳体内，分别点焊正负极极耳、注液、封口和后处理得到高能密度电芯，再经过化成分容后得到成品。

下面结合实施例对本实用新型进行详细的说明，实施例仅是本实用新型的优选实施方式，不是对本实用新型的限定。

实施例1

一种具有高安全性能的18650锂离子电池，包括防爆壳体、装于所述防爆壳体内的电芯、和用于密封所述防爆壳体的防爆帽盖。

所述防爆壳体包括壳体本体，所述壳体本体的顶端设置有开口，且壳体本体内部设置有用于容纳电芯的腔室，所述壳体本体包括底板及竖直布置于底板上的侧板，所述底板上设置有防爆刻痕；所述防爆刻痕为圆形刻痕，其直径为9mm，防爆压力为3mpa。

所述防爆帽盖包括顶盖、防爆片、绝缘垫圈、孔板和密封圈，其中，所述顶盖依次连接所述防爆片、绝缘垫圈和孔板，形成帽盖内芯；所述密封圈套设于所述帽盖内芯外部周围；所述孔板上未设置通孔；所述绝缘垫圈为具有开口的圆环结构，所述开口的长度为2mm。

所述顶盖的中间处设置有向远离防爆片的一侧凸出的外凸部，且顶盖上位于外凸部的边缘开有若干个出气孔。

所述防爆片中部向远离所述顶盖的方向凸起形成凸部，所述凸部与所述孔板点焊连接；所述凸部的边缘设有断裂刻线。

所述电芯由正极片、负极片、隔膜卷绕而成；所述正极片的正极活性物质为高镍材料，所述负极片的负极活性物质为石墨材料或硅碳材料，所述隔膜为α-al2o3陶瓷隔膜。

实施例2

一种具有高安全性能的26650型圆柱锂离子电池，包括防爆壳体、装于所述防爆壳体内的电芯、和用于密封所述防爆壳体的防爆帽盖。

所述防爆壳体包括壳体本体，所述壳体本体的顶端设置有开口，且壳体本体内部设置有用于容纳电芯的腔室，所述壳体本体包括底板及竖直布置于底板上的侧板，所述底板上设置有防爆刻痕；所述防爆刻痕为梯形刻痕，防爆压力为6mpa。

所述防爆帽盖包括顶盖、防爆片、绝缘垫圈、孔板和密封圈，其中，所述顶盖依次连接所述防爆片、绝缘垫圈和孔板，形成帽盖内芯；所述密封圈套设于所述帽盖内芯外部周围；所述孔板上未设置通孔；所述绝缘垫圈为具有开口的圆环结构，所述开口的长度为1mm。

所述顶盖的中间处设置有向远离防爆片的一侧凸出的外凸部，且顶盖上位于外凸部的边缘开有若干个出气孔。

所述防爆片中部向远离所述顶盖的方向凸起形成凸部，所述凸部与所述孔板点焊连接；所述凸部的边缘设有断裂刻线。

所述电芯由正极片、负极片、隔膜卷绕而成；所述正极片的正极活性物质为高镍材料，所述负极片的负极活性物质为石墨材料或硅碳材料，所述隔膜为α-al2o3陶瓷隔膜。

实施例3

一种电池模组，包括7个串联的锂离子电池，其中所述锂离子电池采用实施例1中的锂离子电池。

对比例1

基于实施例1，区别之处仅在于：本对比例1中，所述孔板上设置通孔；所述绝缘垫圈为未设置开口的圆环结构。

对比例2

基于实施例2，区别之处仅在于：本对比例2中，所述孔板上设置通孔；所述绝缘垫圈为未设置开口的圆环结构。

对比例3

一种电池模组，包括7个串联的锂离子电池，其中所述锂离子电池采用对比例1中的锂离子电池。

试验例1

对实施例1和对比例1中的锂离子电池进行热失控实验：加热丝长度为500-800mm,直径为0.5mm,阻值为15ω；以缠绕的方式均匀绕于锂离子电池的外表面，恒功率源的加热功率为50-130w,失控时间约为1-5min。采集电压温度，收集热失控后的壳体测量对比，实验结果如图2所示，其中，2a表示对比例1的结果，2b表示实施例1的结果。实验发现，当电芯爆炸起火时，电芯体内瞬间产生的爆炸冲击波向两相反的端口运动：遇到由未设置通孔的孔板组成的帽盖时，爆炸冲击波可分为两部分，一部分从缝隙中穿出向空气传播，爆炸冲击波足够大时作用于帽盖的力足够大，以至于把帽盖喷出了电芯。另一部分反射回去以反射波的形式向底部传播；反射波与向底部传播的爆炸波共同作用于底部防爆刻痕，以加大了底部防爆刻痕的开启率。还有反射波也反射作用于电芯，降低电芯所获得的动力，从而控制喷射物喷出的速度和量，以降低喷射物对壳体的熔穿。

试验例2

对实施例2和对比例2中的锂离子电池进行热失控实验：加热丝长度为500-700mm,直径为0.5mm,阻值为12-14ω；以缠绕的方式均匀绕于锂离子电池的外表面。恒功率源的加热功率为80-130w,失控时间约为1-5min。采集电压温度，收集热失控后的壳体测量对比，实验结果如图4所示，其中，4a表示对比例2的结果，4b表示实施例2的结果。可知，采用本实用新型的锂离子电池，当电芯爆炸可以两端开启，壳体不炸膛，不发生熔洞，失控后质量增加电芯喷射物得到控制。

试验例3

对实施例3和对比例3中的电池模组进行热失控引发实验：采集其电压和电芯温度，引发中间的锂离子电池，考查热失控传播，引发方式如下：加热丝长度为500-800mm,直径为0.5mm,阻值为15ω；以缠绕的方式均匀绕于锂离子电池的外表面，恒功率源的加热功率为50-130w,失控时间约为1-5min。实验结果如图3所示，其中3a表示对比例3的结果，3b表示实施例3的结果。结果表明：采用本实用新型的锂离子电池，可以防止热失控扩散。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本实用新型的保护范围之内。