一种高安全的大容量电池的制作方法

本申请涉及一种高安全的大容量电池,属于电池安全防控技术领域。

背景技术：

大容量电池，因金属壳体尺寸大、耐压低，金属壳体容易变形；电池容量大，在电池出现内短路等异常情况时，短路电流大，电池温升高，内压上升快，存在电池安全性能差等问题。现有技术通过在电池上设置泄压安全阀、防爆膜和防爆刻痕等方法来解决锂电池的安全问题。

专利申请号cn201821447888.3(公告号cn208970604u)，名称为一种锂电池泄压安全阀的专利，提供了一种大容量电池的内部压力泄放装置，该装置能有效防止电池外部空气进入电池内部。专利申请号cn200810216371.8(公告号cn101399324b)，名称为一种锂离子电池压力可调节式安全阀的专利，所述安全阀的泄气临界压力值可调节。

在专利申请号cn201520743543.2(公告号cn205122672u)，专利名称为一种锂离子电池安全阀，该专利在防爆孔底部涂覆/覆盖一层保护层，以避免防爆片受电解液侵蚀破裂而漏液。为了减少防爆片的意外破裂，专利申请号cn201820080750.8(公告号cn207993944u)，名称为锂电池防爆阀及锂电池的专利，提供了一种可拆换防爆阀。

在专利申请号cn201920655809.6(公告号cn209709067u)，专利名称为一种高安全性圆柱型锂离子电池，该专利所述在圆柱形电池顶部壳口内，设置有圆形的铝安全膜片，在电池壳的底面设有环形的主刻痕。在电池发生安全失效时，及时泄压，有效降低对相邻电池的影响，提高电池的安全性能。为了能让防爆膜及时破开，公告号为cn201294236y，专利名称为锂电池的防爆阀的专利中采用了专用的破膜结构设计。

专利申请号cn201910893076.4(公告号cn110504401a)，名称为一种具有高安全性能的锂离子电池及电池模组的专利，同时采用了防爆壳体和防爆帽盖。当电芯发生爆炸时，爆炸冲击波向两端传播，冲开电池壳体底部防爆刻痕，爆炸压力提前释放；实现两端同时开口泄压，阻止高温物质喷射到周边相邻电芯。

专利申请号cn201310419888.8(公告号cn103474599b)，名称为具有理想安全性能的锂离子电池和电池包的专利，采用一个或多个泄压阀，泄压阀盖设有带通孔的网罩，网罩上通孔的开口方向与电池壳体垂直，使喷出的气体和电解液蒸汽可尽量远离高温的电池极柱，防止着火。泄压阀可以装设在电池顶盖或壳体上。

以上专利结果表明，在现有安全阀设计只考虑了电池发生安全事故过程中某一阶段的防护，未全面考虑电池寿命周期内，多阶段的失效过程。

技术实现要素：

为了解决电池内压上升的整个过程中都能得到有效管控、解决单一泄气方式不合理引发的安全问题，本申请提出了一种高安全的大容量电池。通过在大容量电池盖板或壳体上安装一个或多个低压泄气阀、一个或多个防爆膜、一处或多处防爆刻痕，让电池在内压、温度积累的全过程都有相匹配的泄压装置，同时其泄气量可通过调整泄气阀、防爆膜和防爆刻痕的数量和开口大小来解决。通过优化泄气阀、防爆膜和防爆刻痕在大容量电池的安装位置及辅助设计，还可以控制电池的泄气方向。

本申请设计的大容量电池，包括带刻痕的外壳、卷芯/小电池、底板、盖板、泄气阀、防爆膜等组件。

本申请所述的大容量电池需符合以下要求：

(1)本申请所述的大容量电池可以是一个极片组的大容量电池，也可以是由若干卷芯并联而成的单体大容量电池，还可以是由若干小电池并联而成的一个大容量电池。

(2)本申请所述的大容量电池指容量大于300ah的磷酸铁锂电池、容量大于200ah的锰酸锂电池、容量大于100ah的镍钴锰酸锂(ncm111)电池、容量大于80ah的镍钴锰酸锂(ncm523)电池、容量大于50ah的镍钴锰酸锂(ncm622)电池、容量大于20ah的镍钴锰酸锂(ncm811)电池、容量大于20ah的镍钴铝酸锂(nca)电池、容量大于20ah的钴酸锂电池等，包含但不限于上述中任何一种不同电化学体系的大容量电池。

(3)在本申请所述的大容量电池还指电池体积超过2.5l的磷酸铁锂电池、体积超过1.5l的锰酸锂电池、体积超过1.0l的镍钴锰酸锂(ncm111)、体积超过0.8l的镍钴锰酸锂(ncm523)电池、体积超过0.5l的镍钴锰酸锂(ncm811)电池、体积超过0.5l的镍钴铝酸锂(nca)电池、体积超过0.5l的钴酸锂电池等，包含但不限于上述中任何一种不同电化学体系的大体积电池。

本申请所述的外壳形状不局限于圆柱形或方形，可设计为任意需要的形状。需要说明的是，不同的电化学体系适用的外壳材质种类不同，这属于电池行业的公知技术。比如可采用铝、不锈钢或其他耐腐蚀金属材料作为外壳的材质。

本申请所述的卷芯由正极板、负极板和隔膜交错卷绕而成；卷芯的一端为正极集流体，另一端为负极集流体。

本申请所述的小电池指容量较低(≤20ah)或体积较小(≤0.15l)的电池，如18650/21700等圆柱形电池、小方形电池、小软包电池或扣式电池等。

本申请所述的底板、盖板和外壳两两密封焊接或粘接。依据电池极限泄气量，将一个或多个低压泄气阀和防爆膜安装在外壳、底板或盖板上，优选为底板和盖板上。依据电池极限泄气量，设置一处或多处防爆刻痕，具体刻痕可以在外壳、底板或盖板的内壁，也可以在外壳、底板或盖板的外表面，优选设置在电池外壳的内壁上。当电池正负极柱在同一方向时，只有盖板，相应的密封焊接或粘接也只有外壳与盖板的焊接或粘接，泄气阀、防爆膜和防爆刻痕可以在盖板或底板上设置。

本申请所述的泄气阀、防爆膜和防爆刻痕符合以下要求：

(1)泄气阀为重复开闭的低压力开启阀，开启压力范围为0.2～0.8mpa；泄气阀为单向排气阀，在开启时及复位后均可防止水汽进入电池内部，泄气口方向可调。

(2)防爆膜破膜压力范围为0.5～1.5mpa，防爆膜材质为需耐电解液腐蚀及防电化学腐蚀的铝片、不锈钢片、镍片中的一种，优选铝片；防爆膜也可直接在外壳、底板或盖板上减薄加工而成；防爆膜的形状可以是圆形、方形等任意形状。

(3)防爆刻痕的开裂压力范围为1.0～2.0mpa，防爆刻痕处的深度为外壳厚度的40％～95％；防爆刻痕的宽度为0.02～1.0mm。

本申请具有如下的技术效果和优点：

(1)用小容量卷芯或小电池并联成大容量单体电池，由于小容量卷芯或小电池的一致性好，可以大幅提高大容量单体电池的一致性与合格率。

(2)在电池内压积累初始阶段，通过可复位的泄气阀，在电池压力较低的情况下(0.2～0.8mpa)，及时将电池内部产气排出，防止电池内部产气积累；当电池产气不严重，泄气阀复位后，电池仍然能正常工作，减少电池在使用过程中的报废；当电池产气量大，泄气阀排气速率不足时，此时电池内压进一步上升到0.5～1.5mpa时，防爆膜破裂，电池快速泄压，缓解电池压力进一步上升；当电池内部因短路等异常情况发生，快速上升的温度伴随着快速上升的压力，电池内部压力上升至1.0～2.0mpa时，电池壳防爆刻痕处破裂，电池解体，防止了爆炸的产生。通过以上三级泄压设计，有效防止了大容量电池内部压力积蓄，分阶段及时释放电池内部气体，避免电池发生瞬时爆炸。

附图说明

图1为本申请的大容量方形电池爆炸图。

图2为本申请的大容量方形电池立体图；

图3为本申请的大容量方形电池底板示意图。

图4为本申请的大容量方形电池盖板示意图。

图5为本申请的大容量方形外壳的防爆刻痕示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本申请的具体实施方式。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

在附图中，1为正极柱，2为盖板，3为负极柱，4为多卷芯组件，5为外壳，6为底板，7为泄气阀，8为防爆膜，9为防爆刻痕。

图1为本申请的大容量方形电池爆炸图。图2为本申请的大容量方形电池立体图。图3为本申请的大容量方形电池底板示意图。图4为本申请的大容量方形电池盖板示意图。图5为本申请的大容量方形外壳的防爆刻痕示意图。如图所示,本申请设计的大容量电池，包括带刻痕的外壳5、卷芯/小电池/多卷芯组件4、底板6、盖板2、泄气阀7、防爆膜8等组件。其中,卷芯/小电池/多卷芯组件4位于外壳5、底板6、盖板2围成的空间之内。所述的底板6、盖板2两两密封焊接或粘接。

本申请所述的大容量电池需符合以下要求：

(1)本申请所述的大容量电池可以是一个极片组的大容量电池，也可以是由若干卷芯并联而成的单体大容量电池，还可以是由若干小电池并联而成的一个大容量电池。

(2)本申请所述的大容量电池指容量大于300ah的磷酸铁锂电池、容量大于200ah的锰酸锂电池、容量大于100ah的镍钴锰酸锂(ncm111)电池、容量大于80ah的镍钴锰酸锂(ncm523)电池、容量大于50ah的镍钴锰酸锂(ncm622)电池、容量大于20ah的镍钴锰酸锂(ncm811)电池、容量大于20ah的镍钴铝酸锂(nca)电池、容量大于20ah的钴酸锂电池等，包含但不限于上述中任何一种不同电化学体系的大容量电池。

(3)在本申请所述的大容量电池还指电池体积超过2.5l的磷酸铁锂电池、体积超过1.5l的锰酸锂电池、体积超过1.0l的镍钴锰酸锂(ncm111)、体积超过0.8l的镍钴锰酸锂(ncm523)电池、体积超过0.5l的镍钴锰酸锂(ncm811)电池、体积超过0.5l的镍钴铝酸锂(nca)电池、体积超过0.5l的钴酸锂电池等，包含但不限于上述中任何一种不同电化学体系的大体积电池。

本申请所述的外壳5形状不局限于圆柱形或方形，可设计为任意需要的形状。需要说明的是，不同的电化学体系适用的外壳材质种类不同，这属于电池行业的公知技术。比如可采用铝、不锈钢或其他耐腐蚀金属材料作为外壳的材质。

本申请所述的卷芯4由正极板、负极板和隔膜交错卷绕而成；卷芯的一端为正极集流体，另一端为负极集流体。

本申请所述的小电池指容量较低(≤20ah)或体积较小(≤0.15l)的电池，如18650/21700等圆柱形电池、小方形电池、小软包电池或扣式电池。

本申请所述的底板6、盖板2和外壳5两两密封焊接或粘接。依据电池极限泄气量，将一个或多个低压泄气阀7和防爆膜8安装在外壳5、底板6或盖板2上，优选为底板6和盖板2上。依据电池极限泄气量，设置一处或多处防爆刻痕9，具体刻痕9可以在外壳5、盖板2或底板6的内壁，也可以在外壳5、盖板2或底板6的外表面，优选设置在电池外壳5的内壁上。当电池正极柱1和负极柱3在同一方向时，只有盖板2，相应的密封焊接或粘接也只有外壳5与盖板2的焊接或粘接，泄气阀7、防爆膜8和防爆刻痕9可以在盖板2或底板6上设置。

本申请所述的泄气阀7、防爆膜8和防爆刻痕9符合以下要求：

(1)泄气阀为重复开闭的低压力开启阀，开启压力范围为0.2～0.8mpa；泄气阀为单向排气阀，在开启时及复位后均可防止水汽进入电池内部，泄气口方向可调。

(2)防爆膜破膜压力范围为0.5～1.5mpa，防爆膜材质为耐电解液腐蚀及防电化学腐蚀的铝片、不锈钢片、镍片中的一种，优选铝片；防爆膜也可直接在外壳或盖板上减薄加工而成；防爆膜的形状可以是圆形、方形等任意形状。

(3)防爆刻痕的开裂压力范围为1.0～2.0mpa，防爆刻痕处的深度为外壳厚度的40％～95％；防爆刻痕的宽度为0.02～1.0mm。

图3为本申请的大容量方形电池底板泄气阀7、防爆膜8和防爆刻痕9安装示意图，泄气阀开闭压力依据外壳耐压进行适当调整，泄气阀开启压力0.2～0.8mpa，闭孔压力比开启压力低0.02～0.2mpa，通过泄气阀的结构调整，泄气方向可任意方向调整，优选的在盖板2位置安装泄气阀；防爆膜破膜压力依据外壳耐压能力进行适当调整，防爆膜破膜压力范围为0.5～1.5mpa；通过防爆膜在电池上安装位置调整及防爆膜压痕方向调整，破膜泄气方向可以适当调整，优选在盖板2和底板6位置安装防爆膜；防爆刻痕9可依据电池模组的组装方向适当调整，通过防爆刻痕走向来控制外壳5或底板6的破裂位置和泄气方向，通过对防爆刻痕深度(深度为外壳或底板厚度的40％～95％)和宽度(0.02～1.0mm)的调整，控制防爆刻痕破裂压力范围在1.0～2.0mpa，优选的在盖板2、底板6和外壳5侧面设置防爆刻痕。图4为本申请的大容量方形电池盖板防爆膜安装示意图，防爆膜破膜压力依据外壳耐压能力进行适当调整，防爆膜破膜压力范围为0.5～1.5mpa，通过防爆膜在电池上安装位置调整及防爆膜压痕方向调整，破膜泄气方向可以适当调整，优选的在盖板2和底板6位置安装防爆膜；图5为本申请的大容量方形电池防爆刻痕示意图，防爆刻痕9可依据电池模组的组装方向适当调整；通过防爆刻痕走向，控制金属壳体或盖板破裂位置和泄气方向，通过对防爆刻痕深度(深度为外壳或盖板厚度的40％～95％)和宽度(0.02～1.0mm)的调整，控制防爆刻痕破裂压力范围在1.0～2.0mpa，优选的在盖板2、底板6和外壳5侧面设置防爆刻痕。

本申请的高安全的大容量电池制作方法包括如下步骤：

(1)将多个小容量电池或卷芯并联后装入外壳5中；

(2)将一个或多个泄气阀焊接或粘接在预制防爆孔的盖板2或底板6上；

(3)将一个或多个防爆膜8焊接或粘接在预制防爆孔的盖板2或底板6上；

(4)在外壳5两侧面、盖板2或底板6上预制一处或多处防爆刻痕9；

(5)将盖板2和底板6与外壳5封闭焊接或粘接。

大容量电池生产的其它工序按电池行业公知技术进行操作。

实施例1：

在本申请的高安全大容量电池内，用26个磷酸铁锂正极-石墨负极卷芯体(直径32mm高度140mm)，用上述的加工方法制作成3.2v403ah的大容量电池。通过针刺触发电池内部短路时，泄气阀、防爆膜和防爆刻痕依次动作，及时泄压，避免了大容量磷酸铁锂电池出现爆炸、起火和燃烧现象。

实施例2：

在本申请的大容量电池内，用70个镍钴锰酸锂正极-石墨负极卷芯体(直径21mm高度60mm)，用上述的加工方法制作成3.6v280ah的大容量电池。通过针刺触发电池内部短路时，泄气阀、防爆膜和防爆刻痕依次动作，及时泄压，避免了大容量电池出现爆炸、起火和燃烧现象。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。