专利名称：一种安全高能锂离子电芯及其制造方法
技术领域：
本发明与大容量的锂离子电池有关。
背景技术：
近年来随着电动自行车、电动汽车、矿灯等技术的发展，对体积小、能量密度高的锂离子电池移动能源，如容量在2Ah以上的锂离子电芯或称为动力电池提出了迫切的需求。
另一方面，能量密度高的锂离子电芯，在充电器或保护电路发生故障或失效时，或其他误用，如电池受到强力挤压、针刺、短路、高温等情况下均有可能发生起火或爆炸，从而对用户的人身和财产安全造成极大威胁，在问题没有解决之前极大的阻碍着锂离子电池的安全使用和普及。
因此，为防止存储电化学能量较高的锂离子电池发生起火或爆炸，需要对最核心的锂离子电芯进行系统地安全设计和制造，单一的防护措施很难保证电芯的安全性，比如通常采用的PP/PE/PP复合隔膜，在电芯内部温度上升至135℃时，会产生隔膜关闭，阻止锂离子的迁移，但是往往在大电流过充、或短路时隔膜不会瞬间完全关闭，以及热滞后效应，电芯内部温度会继续增加，电解液也会继续分解，内压继续增加，这可能会造成隔膜因温度较高而出现急剧收缩，正负极片发生大面积短路，这时能量会瞬间急剧释放，有机电解质受热发生剧烈分解，电芯会发生起火、爆炸，因此容量高的锂离子电芯如何保证正负极片不出现大面积短路、控制电芯内部电解液分解以及温度、压力升高是解决起火、爆炸的重要途径。
传统的圆柱形机械封口锂离子电芯，采用铝片刻痕防爆，实际上由于开启压力精度一般在±0.5MPa，开启压力精度低，当开启压力高会造成过充时电芯内温度上升太高，隔膜收缩厉害，电池发生起火、爆炸的概率较高，甚至有时在防爆阀开启时没爆炸而隔一定时间后发生二次爆炸；另外机械封口方法制造大容量电芯，比如方形的10Ah电芯会有很大困难，存在成品率低、封口化成不易排除化成时产生的气体易导致电芯鼓肚等等弊病。
一般的锂离子电池设计时在电芯外部串联PPTC热敏电阻，目的是在电芯温度升高时感受热量后电阻增加，充电电流减小，控制电芯内部的能量累积，实际使用时由于热滞后和膨胀速度慢，控制效果还有待改善。焊接结构的锂离子电芯内部若采用PPTC，由于不能象机械封口结构的锂离子电芯那样，有密封绝缘垫将PPTC与电解液隔离开，因此，会发生电解液对PPTC中的重要动作器件一聚合物起腐蚀作用，直接导致PPTC失效。
发明内容
为避免上述缺陷，生产一种容量高于2Ah仍然真正安全的锂离子电芯，本发明提出以下方法和结构设计，电芯盖板与壳体之间采用激光焊接，壳体既可以是带底壳体也可以是方通或圆管焊底制造的壳体；采用开口化成工艺代替原来的机械封口工艺；温控元件设计在电芯内部，以便更快捷地感受电芯内部的温度，温控元件设计时允许通过正常的安全电流，只是在短路或过充或意外高温时才起作用，设计原则是在隔膜出现急剧收缩前降低电流或断开电路，温控元件既可以采用熔点低于130℃的低熔点合金材料，也可以采用正温度系数的热敏电阻元件(PPTC)。温控元件连接在电芯内部的其中一个极柱和极耳之间；另外上盖板或下盖板或二者均事先钎焊好精密、低压力启动的防爆铜膜，在电芯温度、内压不太高时，即可开启喷出高温气体及电解液，带走部分热量，防爆铜膜开启压力精度控制在±0.2MPa，开启压力在0.2-1.5MPa范围内，以控制在0.3-0.7MPa开启为佳。
温控元件采用熔点为75-130C的低熔点合金材料制造，其中以熔点在75-100℃范围内为佳，材料主要成分及含量如下(wt.％)Bi 30-70，Pb 10-50，Sn 10-45，In 0-28。低熔点合金在连接到极柱上之前进行表面防护处理，以避免其与极柱材料和极耳材料之间以及合金内部因电极电位不同发生腐蚀。表面防护处理可以采用电镀Cu或Ni或化学镀Ni-B或Ni-P等防护膜层或涂覆不与电解液起反应的弹性胶粘剂，也可在与极柱和极耳连接后对连接部位涂覆密封胶。为保证温度高于低熔点合金的熔点时熔化断开，要求镀覆的金属膜层在保证防腐前提下尽量的薄，一般小于0.05mm；也可以在温控元件两端镀覆金属镀层，中间一段不镀，而是涂覆不与电解液起反应的弹性胶粘剂形成薄的保护膜层。另外为防止熔化后滴落下的熔体将正负极片搭接短路，在低熔点合金下部放置一塑料收集板，将落下的熔体与正负极片、隔膜隔离开，塑料收集板可采用聚丙烯材料或聚四氟乙烯材料等制造，收集板的周边可以制造有凸边，收集板上开有窄槽，允许极耳穿过。
温控元件也可以采用正温度系数的聚合物热敏电阻材料(PPTC)制造，在连接到极柱上之前对复合材料部位表面涂覆不与电解液起反应的弹性胶粘剂薄膜。
采用本发明，可以将电解液分解反应及电芯内部发热快速衰减或终止，控制电芯内部温升和压力，确保隔膜不会发生大面积熔化，不致于正负极片发生大面积短路，电芯不会发生爆炸和起火，电芯的安全性、可靠性非常高。
具体实施例方式
10Ah方形锂离子电芯，壳体及盖板均采用304不锈钢，防爆孔开在上盖板中心，孔的尺寸为8*18，真空钎焊铜箔厚度15微米；负极极柱采用纯铜制造，下部连接熔点92℃的低熔点合金，合金材料成分为Bi 50，Pb 30，Sn 20，合金片厚度3mm，宽10mm，长20mm，两头开有连接孔，中间3mm涂覆密封胶，两端电镀铜，铜镀层厚度0.04mm，负极极耳采用一端开孔的铜带，正极极耳采用中间开孔的铝带，将负极极耳穿过塑料隔板的窄槽后与低熔点合金采用螺栓把紧，正极极耳穿过塑料隔板的窄槽后与正极柱下部的连接处采用螺栓把紧，塑料隔板四周反边高3mm；将上盖板密封件装配好后与壳体点焊定位，然后激光焊接上盖板与壳体，将电芯半成品真空干燥后通过注液孔注入电解液，贴上胶纸后化成，化成完毕撕去胶纸用不锈钢球将注液孔封住。制造的电芯做安全测试，3C/10V过充、短路、针刺、挤压均不起火、不爆炸，电芯安全。
权利要求
1.一种安全高能锂离子电芯及其制造方法，其特征在于，上盖板有两个引出的正负极柱，在电芯内部其中一个极柱和极耳之间串接有温控元件，盖板上事先开有防爆孔并钎焊有低压力启动的铜箔防爆膜，电芯壳体同盖板采用激光焊接封口，开口化成工艺。
2.根据权利要求1所述的温控元件，其特征在于，温控元件采用熔点为75-130℃的低熔点合金材料制造，其中以熔点在75-100℃范围内为佳。
3.根据权利要求1所述的温控元件，其特征在于，温控元件采用正温度系数的热敏电阻材料制造，在连接到极柱上之前表面涂覆不与电解液起反应的弹性胶粘剂薄膜。
4.根据权利要求1所述的铜箔防爆膜，其特征在于，防爆膜开启压力控制在0.2-1.5MPa，以0.3-0.7MPa开启为佳。
5.根据权利要求2所述的温控元件，其特征在于，低熔点合金在连接到极柱上之前进行表面防护处理。
6.根据权利要求5所述的温控元件，其特征在于，低熔点合金表面防护处理采用电镀Cu、Ni或Ag等金属镀层，也可以化学镀Ni-B或Ni-P等防护膜层或涂覆不与电解液起反应的弹性胶粘剂。
7.根据权利要求5所述的温控元件，其特征在于，温控元件两端镀覆金属镀层，中间一段不镀，而是涂覆不与电解液起反应的弹性胶粘剂形成膜层。
8.根据权利要求2所述的温控元件，其特征在于，在温控元件和下面的正负极片隔膜之间有一塑料隔板，其周边制造有凸边，收集板上开有窄槽，允许极耳穿过。
9.根据权利要求2所述的低熔点合金，其特征在于，合金成分如下Bi 30-70，Pb 10-50，Sn 10-45，In 0-28。
全文摘要
本发明与大容量的锂离子电池有关，容量在2Ah以上的锂离子电芯或称为动力电池因为能量密度较高，在充电器或保护电路发生故障或失效时、或其他误用，如电池受到强力挤压、针刺、短路、高温等情况下均有可能发生起火或爆炸，从而对用户的人身和财产安全造成极大威胁，本发明对电芯采用系统地安全设计和制造工艺，防止电池发生起火或爆炸。
文档编号H01M10/38GK1419308SQ0215903
公开日2003年5月21日 申请日期2002年12月27日 优先权日2002年12月27日
发明者李鑫 申请人:李鑫