專利名稱：一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及方形鋰離子電池領(lǐng)域，具體涉及一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池。
背景技術(shù)：
鋰離子電池是20世紀(jì)末開發(fā)成功的新型高能二次化學(xué)電池，與其它的二次電池相比，鋰離子電池具有許多突出的優(yōu)點 I)電壓高單體電池的工作電壓高達(dá)3.7-3. 8V (磷酸鐵鋰為3. 2V)，是Ni_Cd、Ni-H電池的3倍。2)比能量大目前能達(dá)到的實際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量(3 4倍于附氣(1，2 3倍于附-1 )，已接近于其理論值的約88%。3)循環(huán)壽命長一般均可達(dá)到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。對于小電流放電的電器，電池的使用期限，將倍增電器的競爭力。4)安全性能好，無污染公害，無記憶效應(yīng)=Li離子電池中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素，無記憶效應(yīng)。5)自放電小室溫下充滿電的鋰離子電池儲存I個月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。6)可快速充放電IC充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，現(xiàn)在磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。7)工作溫度范圍高一般工作溫度為-25飛(TC，隨著電解液和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-4(T70°C。正是由于鋰離子電池具有突出的性能優(yōu)勢，在便攜式電器如手機(jī)、筆記本電腦、各類便攜電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，尤其是近年來智能手機(jī)和筆記本電腦的迅猛發(fā)展，對鋰離子電池的產(chǎn)量和容量的要求提出了更高的要求，也使小型鋰離子電池的產(chǎn)量快速增長。而隨著近年來全球石油資源逐漸枯竭和環(huán)境污染日益加重，節(jié)能減排、改變生活方式已成為全球各國的共識，促使各國政府大力發(fā)展電動汽車和混合動力汽車，減少汽油消耗量和尾氣排放。鋰離子電池由于其高比能量和長循環(huán)壽命，是未來電動汽車的主要能源，研究表明，采用鋰離子電池作為混合動力汽車的電源，能量有效利用率可高達(dá)90%，而采用鎳氫電池時能量有效利用率僅為50%。隨著國內(nèi)外對鋰離子動力電池研究的廣泛重視，鋰離子動力電池取得了重要進(jìn)展，目前的研究結(jié)果表明只有鋰離子動力電池最有可能達(dá)到電動車的要求，并成為混合動力汽車的理想電池。與手機(jī)和筆記本電腦中使用的小型鋰離子電池相比，鋰離子動力電池在安全性、容量、尺寸、高倍率放電性能、循環(huán)壽命等眾多方面需要進(jìn)行革新，才能符合電動汽車的使用要求，尤其是電池容量，一般手機(jī)中使用的單體電池容量在IAh左右，而電動汽車中使用的電池容量一般需要達(dá)到數(shù)十到數(shù)百安時，擴(kuò)大了數(shù)十到數(shù)百倍。作為移動電器用的小容量鋰離子電池，由于電池容量不大、放電倍率小，電池在工作過程中電芯膨脹不大，溫度變化不顯著，因此對外殼的要求不高，一般的等厚度的薄壁鋁合金或不銹鋼外殼均可應(yīng)用。但對大容量的動力電池，由于電池容量大，需要進(jìn)行高倍率放電，工作過程中電池的溫度變化顯著、電芯膨脹大，隨著單體電池容量的提高，對電池外殼的要求，尤其對外殼的強度、尺寸穩(wěn)定性、防鼓脹等方面也提出了更高的要求。如果采用與小電池同類設(shè)計的等厚度薄壁金屬外殼，電池殼強度低，不能受力，電池放電過程中尺寸變化大，電池容易鼓脹，安全性降低。實際上，國內(nèi)目前大容量動力電池外殼結(jié)構(gòu)與小電池沒有多大差別，一般僅僅將電池外殼尺寸放大，采用均勻壁厚，而且方形外殼的厚度一般很小，長度和寬度方向則較大，進(jìn)一步降低了外殼的強度，電池在工作中產(chǎn)生少量氣體或電池極片充放電過程中的膨脹，很容易導(dǎo)致電池外殼變形、鼓殼等現(xiàn)象的發(fā)生。而為了減少不利影響，需要在設(shè)計電池時預(yù)留電池膨脹空間，降低電池比能量密度或產(chǎn)生電芯松動現(xiàn)象，對動力電池的應(yīng)用和發(fā)展產(chǎn)生不利的影響。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，可提高整個電池的耐壓強度，防止電池在充放電過程中鼓殼現(xiàn)象的發(fā)生。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，包括電芯、用于封裝該電芯的電池外殼以及電解液，所述的電池外殼的橫截面呈矩形，電池外殼的厚度有差異，電池外殼的短邊厚度大·于其長邊厚度；電芯包括多個方形卷繞電芯，方形卷繞電芯之間并聯(lián)壓緊，電芯安裝于電池外殼內(nèi)，電芯與電池外殼緊配合，單個方形卷繞電芯的排布方向平行于電池外殼的短邊方向。本實用新型所述預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池在工作時，電芯膨脹方向與外殼的長邊方向平行，因而不會對強度較低的長邊施加應(yīng)力，因此電池不會因電芯膨脹而鼓殼。電芯膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力直接作用于電池外殼中強度較高的短邊，同時給強度較低的長邊一個較大的拉應(yīng)力,提高了電池殼長邊的強度。當(dāng)電池內(nèi)部氣體膨脹時，電池殼長邊施加的預(yù)應(yīng)力將能有效抵消部分內(nèi)部氣體膨脹而產(chǎn)生的壓力，從而減少電池鼓殼現(xiàn)象的發(fā)生。作為優(yōu)選，電池外殼的短邊厚度大于不承受預(yù)應(yīng)力的長邊厚度，長邊與短邊長度比例范圍為2 Γ5 :1，長邊與短邊厚度比例范圍為I :2 1 :4。作為優(yōu)選，所述的外殼材料為純鋁、3003鋁合金、各種類型的不銹鋼材料或電鍍鎳鋼及塑料。為了實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)電池的高倍率放電性能，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池的方形卷繞電芯的正負(fù)極導(dǎo)電極耳分別位于電芯的兩端，可通過增加極耳個數(shù)、涂布參數(shù)等調(diào)節(jié)電池的高倍率放電能力。同時為了方便使用，外殼上的正負(fù)導(dǎo)電極柱可分布于電池一側(cè)或兩側(cè)，可根據(jù)使用要求來調(diào)整電池正負(fù)端的分布。進(jìn)一步，正負(fù)極柱上設(shè)置了內(nèi)螺紋，以保證電池組合過程的可靠性。本實用新型中電解液組成和注液方式可參照常規(guī)鋰離子電池。為了提高注液效率，正極極柱上設(shè)置了電解液注液孔，方便電池注液操作；優(yōu)選將電解液注液孔設(shè)計成具有彈性可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的注液和導(dǎo)氣復(fù)合裝置，這樣還可實現(xiàn)對電池補充注液維護(hù)，可有效調(diào)整電池性能，提聞循環(huán)壽命。為了提高電池的安全性和可靠性，優(yōu)選在正負(fù)極蓋板上均設(shè)置防爆閥，因此電池在使用過程中，產(chǎn)生氣體能及時排出電池內(nèi)部，保持電池內(nèi)壓在較低的水平，能有效提高電池的安全性和可靠性。[0017]本實用新型還提供了一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池的制備方法，制備工藝和設(shè)備與傳統(tǒng)工藝接近，易于工業(yè)化實施。所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池的制備方法，包括以下步驟I)預(yù)應(yīng)力電池外殼的制備①若采用純鋁、3003鋁合金或電鍍鎳鋼作為電池外殼材料，電池外殼采用分級拉拔工藝制造，外殼為不等厚結(jié)構(gòu)，其中長邊與短邊長度的比例范圍優(yōu)選為2 Γ5 :1，長邊與短邊厚度比例范圍優(yōu)選為I :2 1 4 ；②若采用不銹鋼為外殼材料，采用折邊焊接工藝制造，外殼同樣為不等厚結(jié)構(gòu)，t匕例與招合金外殼相同；③若采用塑料為外殼材料，則采用模具注塑工藝制造，外殼為不等厚結(jié)構(gòu)，比例與·招合金外殼相近；2)電芯的制備極片采用間隙或連續(xù)工藝涂布，采用手工或自動制片機(jī)在極片上采用超聲波焊接工藝焊接上需要數(shù)量的極耳，然后采用方形卷繞工藝制備方形卷繞電芯，卷繞時，正極和負(fù)極極耳分別位于方形卷繞電芯兩端。3)根據(jù)電池設(shè)計的容量，選擇電池需要的方形卷繞電芯的數(shù)量，疊平壓緊后將方形卷繞電芯的極耳并聯(lián)連接好后成為電池電芯，為了保證電池內(nèi)必要的應(yīng)力值，可調(diào)節(jié)方形卷繞電芯之間的疊平壓力。裝配時保證電芯與外殼為緊裝配。4)連接好電芯與外殼端面極柱，采用激光焊接工藝(對金屬外殼)或熱熔焊(對塑料殼)將電池的兩個端面分別密封好，完成電池的密封。密封好的電池，正極和負(fù)極導(dǎo)電極柱分別位于電池的兩個端面。如果需要，也可以采用內(nèi)連接條將電池另一個端面的極耳引到同一端的蓋板上，使電池的正負(fù)極位于同一個蓋板上，與常規(guī)電池結(jié)構(gòu)一致。5)電池注液后進(jìn)行化成分選，完成整個電池的制造流程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池具有如下優(yōu)點A)本實用新型采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，在現(xiàn)有的常規(guī)方形電池基礎(chǔ)上，改變了原先等厚的、不能承受應(yīng)力的外殼結(jié)構(gòu)，采用不等厚的電池外殼，外殼長邊保持常規(guī)等厚電池的厚度，將外殼短邊厚度加厚作為應(yīng)力承受面，改變目前常見疊片電芯結(jié)構(gòu)，采用多個小方形卷繞電芯并聯(lián)壓緊后組成需要的電芯，采用緊裝配形式裝入電池外殼。電池在充電過程中膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力直接作用于電池殼中厚度大的短邊，強度低的外殼長邊則受到拉應(yīng)力作用，提高了電池承受壓力能力。通過調(diào)節(jié)電芯裝配的松緊度，可調(diào)節(jié)電芯在充電過程中的膨脹量和產(chǎn)生的應(yīng)力大小。常規(guī)的方形等厚電池外殼在電池內(nèi)壓達(dá)到O. 2MPa時，外殼即發(fā)生鼓脹，而采用本實用新型的不等厚預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的電池外殼結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測試，當(dāng)電池內(nèi)壓超過I. OMpa,電池外殼仍能保持平整不鼓脹。因此采用不等厚的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，電池的耐壓強度提高了 5倍以上，從而有效防止電池在充放電過程中發(fā)生鼓殼現(xiàn)象，減少內(nèi)阻，提高電池的高倍率放電性能。B)本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池在使用過程中，產(chǎn)生氣體能及時排出電池內(nèi)部，保持電池內(nèi)壓在較低的水平，同時預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的不等厚外殼提高了電池外殼的承壓強度，能有效防止電池在工作過程中發(fā)生鼓殼現(xiàn)象，大大提高了電池安全性能。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方形電池相比，本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形電池還能有效提高電池的高倍率放電特性、循環(huán)壽命和比能量密度，對電池的低溫放電和自放電特性也有明顯的改善作用。C)本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，適合應(yīng)用于各類大容量鋰離子電池，尤其適用于采用磷酸鐵鋰、錳酸鋰及三元材料等作為正極材料的大容量鋰離子電池中，可有效消除電池在生產(chǎn)和工作過程中產(chǎn)生的氣脹鼓殼現(xiàn)象，大幅度提高電池的綜合性能。尤其是對動力鋰離子電池，采用該預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)后能顯著改善電池的高低溫特性、循環(huán)特性、高倍率特性，大幅度提高電池的比能量密度和比功率密度，并顯著提高電池的安全性。D)本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋰離子電池，制備工藝簡單、易于實施，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，有利于推廣和應(yīng)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖I為本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋰離子電池的截面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是實施例I制得的電池的高倍率放電曲線。圖4是實施例I制得的電池的O. 5C充放電循環(huán)性能圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本實用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，但本實用新型的保護(hù)范圍不限于此如圖I和圖2所示，為本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，包括電池正極蓋板11和負(fù)極蓋板21、電池外殼14、由多個方形卷繞電芯17組成的電芯、正極引流條12和負(fù)極引流條22、絕緣墊片13和23、正極端16和負(fù)極端26、外接緊固螺母18和28和電解液。電池外殼14的橫截面呈矩形，電池外殼的厚度有差異，電池外殼的短邊厚度大于其長邊厚度。正極蓋板11和負(fù)極蓋板21與電池外殼14之間采用激光焊接技術(shù)密封。如圖I所示，根據(jù)設(shè)計容量要求，采用方形卷繞方式繞制多個方形卷繞電芯17，卷繞時正極極耳19和負(fù)極極耳29各朝一方，卷繞好后將方形卷繞電芯17在熱壓機(jī)上熱壓成型，然后疊放整齊，將多個方形卷繞電芯17的正極極耳19和負(fù)極極耳29并聯(lián)連接好后成為電池電芯，電芯安裝于電池外殼14內(nèi)，電芯與電池外殼14緊配合，單個方形卷繞電芯17的排布方向平行于電池外殼14的短邊方向。正極極耳19穿過絕緣墊13后焊接于正極引流條12上，負(fù)極極耳29穿過絕緣墊23后焊接于正極引流條22上，分別將正極引流條12和負(fù)極引流條22與正極蓋板11及負(fù)極蓋板21焊接，然后采用激光焊接技術(shù)進(jìn)行密封，真空干燥后注入電解液，經(jīng)化成和分容后達(dá)到合格的鋰離子動力電池。裝配化成好的電池受力方向見圖2，電池外殼的短邊2為受力邊，長邊I為不受力邊。所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池結(jié)構(gòu)可參照圖1，其制備方法包括以下步驟I)采用方形卷繞的方法繞制小卷芯17，卷繞時正極極耳19和負(fù)極極耳29各朝一方；2)正極極耳19和負(fù)極極耳29分別焊接于引流條12和22上；3)正極引流條12和負(fù)極引流條22分別與電池正極蓋帽11和負(fù)極蓋帽21焊接；4)正極蓋帽11和負(fù)極蓋帽21與不等厚方形外殼的激光焊接密封。[0044]5)如果采用塑料外殼，則采用熱熔焊的方式進(jìn)行封口6)真空烘干、注液老化后，進(jìn)行化成、分容篩選處理，得到合格的電池產(chǎn)品。在制備過程中，為了控制電芯的水分，方形卷繞電芯17經(jīng)過熱壓成型后，先進(jìn)行真空烘干干燥。為了提高電池的安全性和可靠性，正極極板11和21上設(shè)置了雙安全防爆閥15和25。為了提高注液效率，正極端子16上加工了電解液注液孔24，并采用具有彈性可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的注液和導(dǎo)氣復(fù)合裝 置，采用該復(fù)合裝置后，還可實現(xiàn)對電池補充注液維護(hù)，可有效調(diào)整電池性能，提聞循環(huán)壽命。實施例I一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，鋰離子電池結(jié)構(gòu)可參照圖I,設(shè)計電池容量為50Ah。外殼尺寸為102mmX 52mmX 130mm,電池長邊外殼壁厚lmm,短邊外殼壁厚2mm。設(shè)計每個大電池由10個方形卷繞電芯并聯(lián)組成，方形卷繞電芯尺寸9. 9mmX49mmX 114mm,每個方形卷繞電芯設(shè)計容量為5Ah，厚度為9. 9_。組裝好的電池的性能指標(biāo)見表I :表I
權(quán)利要求1.一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，包括電芯、用于封裝該電芯的電池外殼以及電解液，其特征在于所述的電池外殼的橫截面呈矩形，電池外殼的厚度有差異，電池外殼的短邊厚度大于其長邊厚度；電芯包括多個方形卷繞電芯，方形卷繞電芯之間并聯(lián)壓緊，電芯安裝于電池外殼內(nèi)，電芯與電池外殼緊配合，單個方形卷繞電芯的排布方向平行于電池外殼的短邊方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，其特征在于所述的電池外殼的長邊與短邊長度之比為I :2 1 :5，長邊與短邊厚度之比為I :2 1 :4。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，其特征在于所述的電池外殼的材料為純鋁、3003鋁合金、不銹鋼材料、電鍍鎳鋼或塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，其特征在于所述的方形卷繞電芯的正負(fù)極導(dǎo)電極耳分別位于電芯的兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，其特征在于所述電池的正極極柱上設(shè)置了電解液注液孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，其特征在于所述的電解液注液孔設(shè)計成具有彈性可恢復(fù)的注液和導(dǎo)氣復(fù)合裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，其特征在于所述電池的正負(fù)極蓋板上均設(shè)置有防爆閥。
專利摘要本實用新型公開了一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，包括電芯、用于封裝該電芯的電池外殼以及電解液，所述的電池外殼的橫截面呈矩形，電池外殼的厚度有差異，電池外殼的短邊厚度大于其長邊厚度；電芯包括多個方形卷繞電芯，方形卷繞電芯之間并聯(lián)壓緊，電芯安裝于電池外殼內(nèi)，電芯與電池外殼緊配合，單個方形卷繞電芯的排布方向平行于電池外殼的短邊方向。本實用新型的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方形鋰離子電池，可提高整個電池的耐壓強度，防止電池在充放電過程中鼓殼現(xiàn)象的發(fā)生。
文檔編號H01M10/0587GK202772198SQ20122038207
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者孫建平, 周曉政, 胡益蘭, 倪九江, 繆東棟, 陶新永, 甘永平 申請人:浙江谷神能源科技股份有限公司