锂电池短路保护结构、具有该保护结构的锂电池及其制备方法与流程

本发明涉及一种锂电池，尤其涉及一种锂电池短路保护结构、具有该保护结构的锂电池及其制备方法。

背景技术：

锂元素是元素周期表中最轻、标准化学电位最低的金属元素。以金属锂作为负极的锂电池具有高比能量、高功率、低自放电率等特点，并早在上世纪90年代就开始在民用军用等各个领域得到广泛的应用。锂作为一种活泼金属，在空气中或者遇水会发生剧烈反应，甚至着火，并放出大量热量。因此，锂电池一旦发生短路，将会造成电池剧烈发热，严重的会导致电池膨胀爆裂，并引发进一步的安全隐患。对于安全可靠性要求较高的医疗电子行业，锂电池因其自身存在的安全隐患要么对器件自身安全可靠性设计提出更高的要求，要么则限制其应用。但是随着医疗电子行业的快速发展，尤其对于植入性医疗电子器械，例如胶囊内窥镜，目前广泛使用的氧化银电池已经无法满足器械对高性能电池的需求。因此，将锂电池安全化，尤其是确保短路状态下锂电池的安全性具有重要意义，也是目前市场的迫切需求。

然而，现有的小尺寸高功率锂电池，例如市面上广泛使用的纽扣状或圆柱形小尺寸锂电池，由于本身结构设计的紧凑性以及空间受限等原因，并无任何电池短路保护设计。这种无短路保护设计的高功率锂电池，尤其是定制加工的锂电池，一旦发生短路电池本身的温度会上升至120度甚至更高。过高的温升除了直接影响器械的使用性能以外，还会引发诸如电池爆裂等次生安全隐患。另一方面，目前市面上较为成熟的锂电池短路保护方案均无法应用于小尺寸的锂电池中，且工艺方面也不具兼容性。

因此，必须设计一种锂电池短路保护结构、具有该保护结构的锂电池及其制备方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，其目的在于提供一种锂电池短路保护结构、具有该保护结构的锂电池及其制备方法，其提出了一种工艺兼容且方法简单的锂电池保护方法，推广了锂电池的应用范围，显著提高了锂电池使用过程中的安全性。

为实现上述目的，本发明提供了一种锂电池短路保护结构，该锂电池短路保护结构包括第一连接片、保护元件、第二连接片及灌封元件，该第一连接片与锂电池的一个电极连接；该保护元件相对锂电池的一侧与该第一连接片连接，该保护元件远离锂电池的一侧与该第二连接片连接；该第一连接片、该保护元件以及该第二连接片的部分均设置在该灌封元件的内部，该灌封元件与所述锂电池的所述电极表面形成接触式的密封空间；及该第二连接片的剩余部分裸露于密封空间外，以作为所述锂电池的所述电极的引线。

作为本发明的进一步改进，所述第一连接片与所述锂电池的所述电极、所述保护元件与所述第一连接片、所述保护元件与所述第二连接片均通过铆接、焊接、或者结合铆接与焊接的工艺进行连接。

作为本发明的进一步改进，所述保护元件为聚合物正温度系数器件或电流保险丝。

作为本发明的进一步改进，所述灌封元件为灌封胶，所述灌封元件将所述第一连接片、所述保护元件以及所述第二连接片灌封于所述锂电池的所述电极表面，与所述第一连接片、所述保护元件以及所述第二连接片均形成接触式密封。

作为本发明的进一步改进，所述保护元件的厚度范围为0.1mm~2mm之间。

作为本发明的进一步改进，所述锂电池短路保护结构还包括上覆盖隔热元件及下覆盖隔热元件，所述下覆盖隔热元件设置于所述锂电池及所述保护元件之间，并开设有通孔以供所述第一连接片通过；所述上覆盖隔热元件与所述保护元件远离锂电池的一侧相邻，并开设有通孔以供所述第二连接片通过；及所述上覆盖隔热元件及下覆盖隔热元件设置在所述灌封元件的内部，所述灌封元件与所述锂电池的所述电极表面形成接触式的密封空间。

作为本发明的进一步改进，所述上覆盖隔热元件及下覆盖隔热元件的表面面积均大于或等于所述保护元件的表面面积，以实现对所述保护元件的覆盖隔离。

作为本发明的进一步改进，所述上覆盖隔热元件及下覆盖隔热元件的厚度范围均为0.1mm~0.5mm之间。

作为本发明的进一步改进，所述第一连接片与所述锂电池的所述电极表面的中心连接，所述保护元件相对锂电池的一侧的中心与所述第一连接片连接，所述保护元件远离锂电池的一侧的中心与所述第二连接片连接；及所述上覆盖隔热元件、保护元件及下覆盖隔热元件的表面尺寸及形状与所述锂电池的所述电极表面的尺寸及形状相同。

作为本发明的进一步改进，所述灌封元件为根据所述锂电池及所述锂电池短路保护结构的形状及尺寸一体成型的热封套。

为实现上述目的，一种锂电池，包括如上任意一项所述的锂电池短路保护结构。

为实现上述目的，一种锂电池的制备方法，包括如下步骤：在锂电池的一个电极连接第一连接片的一端；在所述第一连接片的另一端连接保护元件的一侧；在所述保护元件的另一侧连接第二连接片的一端，所述第二连接片的另一端作为所述锂电池的所述电极的引线；及灌封元件将所述第一连接片、所述保护元件及所述第二连接片连接保护元件的一端灌封至所述锂电池的所述电极的表面。

作为本发明的进一步改进，在所述第一连接片的另一端连接所述保护元件的一侧前，将下覆盖隔热元件的通孔对准所述第一连接片放置于所述锂电池的所述电极表面上；在所述保护元件的另一侧连接所述第二连接片的一端后，将上覆盖隔热元件的通孔对准所述第二连接片放置于所述保护元件上；及所述灌封元件将所述上覆盖隔热元件及所述下覆盖隔热元件与所述第一连接片、所述保护元件及所述第二连接片连接保护元件的一端一起灌封至所述锂电池的所述电极的表面。

作为本发明的进一步改进，所述第一连接片与所述锂电池的所述电极表面的中心连接，所述保护元件相对锂电池的一侧的中心与所述第一连接片连接，所述保护元件远离锂电池的一侧的中心与所述第二连接片连接；及所述上覆盖隔热元件、保护元件及下覆盖隔热元件的表面尺寸及形状与所述锂电池的所述电极表面的尺寸及形状相同。

利用本发明所述的锂电池短路保护结构、具有该保护结构的锂电池及其制备方法，在锂电池发生短路时，保护元件在电流增大的情况下可以迅速切断或增大自身电阻，以降低短路后的电流，从而抑制锂电池温度的上升并避免短路后果的进一步恶化，显著提高了锂电池使用过程中的安全性；本发明结构简单，封装过程操作简便，封装之后的锂电池尺寸变化不大，具有很高的可行性，且易于进行规模化生产。

附图说明

图1为本发明实施例具有短路保护功能的锂电池的第一结构示意图；

图2为本发明实施例具有短路保护功能的锂电池的第二结构示意图；

图3为本发明实施例具有短路保护功能的锂电池的第三结构示意图；

图4为本发明实施例锂离子电池的直接短路电流曲线示意图；

图5为本发明实施例锂离子电池的直接短路表面温度曲线示意图；

图6为本发明实施例具有保护结构的锂离子电池短路电流曲线示意图；

图7为本发明实施例具有保护结构的锂离子电池短路表面温度曲线示意图；

图8为本发明实施例不具有保护结构的锂电池短路温度及电流示意图；

图9为本发明实施例具有保护结构的锂电池短路温度及电流示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“横向”、“上”、“下”、“前”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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参阅图1所示为本发明的具有短路保护功能的锂电池的第一结构示意图。该具有短路保护功能的锂电池用于在锂电池发生短路时提供过流保护、及/或过热保护，以提高锂电池使用过程中的安全性。该具有短路保护功能的锂电池包括锂电池1及保护结构2。所述保护结构2灌封于锂电池1的一个电极表面，以形成所述具有短路保护功能的锂电池。所述锂电池1的电极可以为正极或负极，在本实施例中，所述锂电池1的电极优选为正极。

所述锂电池1为由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。所述锂电池1可为锂离子电池或小尺寸的锂电池等，所述小尺寸指锂电池1的长度范围为5mm~30mm、宽度范围为5mm~30mm、高度范围为5mm~30mm。在本实施例中，所述锂电池1优选为小尺寸锂电池。所述锂电池1的形状可为市场常见的纽扣状、圆柱形，或者定制的立方体等形状。所述锂电池1可为软包锂电池或硬包锂电池。

所述保护结构2包括第一连接片20、保护元件21、第二连接片22及灌封元件23。

所述第一连接片20与锂电池1的一个电极连接。所述电极可为锂电池1的正极或负极，在本实施例中，所述电极优选为正极。所述第一连接片20与所述锂电池1的所述电极通过铆接、焊接、或者结合铆接与焊接的工艺进行连接。该第一连接片20用于导电连接，可以为镍片、铜片等导电装置，在本实施例中，所述第一连接片20优选为镍片。

所述保护元件21相对锂电池1的一侧与所述第一连接片20连接，该保护元件21远离锂电池1的一侧与所述第二连接片22连接。所述保护元件21与所述第一连接片20、所述保护元件21与所述第二连接片22通过铆接、焊接、或者结合铆接与焊接的工艺进行连接。

所述保护元件21用于在锂电池1发生短路时切断或增大自身电阻以降低电流，从而抑制锂电池1的温度上升。该保护元件21可以为聚合物正温度系数器件或传统的过流保护器件等。所述传统的过流保护器件可为电流保险丝等。在本实施例中，为了保证锂电池1在加装保护结构2后的尺寸变化不大，所述保护元件21优选聚合物正温度系数器件。该聚合物正温度系数器件具有参数可调的优势，可根据实际使用场景的要求，更改器件中金属纳米粒子与聚合物材料体积分数等调整保护参数，以提供过流及过热保护。

所述保护元件21可为具有一定厚度的圆形、正方形等形状，该保护元件21的表面面积可大于、小于或等于锂电池1的所述电极表面的面积。在所述电极为正极时，该电极表面为正极表面；在所述电极为负极时，该电极表面为负极表面。所述保护元件21的厚度范围为0.1mm~2mm之间。在本实施例中，为了保证锂电池1在加装保护结构2后的尺寸变化不大，所述保护元件21的表面面积优选小于或等于锂电池1的所述电极表面的面积。在设置所述保护元件21的位置时，需保证所述保护元件21相对锂电池的一侧的表面与锂电池1的所述电极表面有部分区域重叠，优选，所述保护元件21的中心与锂电池1的所述电极表面的中心重叠。

所述第一连接片20、所述保护元件21以及所述第二连接片22的部分均设置在所述灌封元件23的内部，所述灌封元件23与所述锂电池1的所述电极表面形成接触式的密封空间。所述第二连接片22的剩余部分裸露于密封空间外，以作为所述锂电池1的所述电极的引线。

在本实施例中，所述灌封元件23将所述第一连接片20、所述保护元件21以及所述第二连接片22灌封于锂电池1的所述电极表面，与所述第一连接片20、所述保护元件21以及所述第二连接片22均形成接触式密封。所述灌封元件23可以为灌封胶。

制备所述具有短路保护功能的锂电池时，在锂电池1的一个电极连接所述第一连接片20的一端，在所述第一连接片20的另一端连接所述保护元件21的一侧，在所述保护元件21的另一侧连接所述第二连接片22的一端，所述第二连接片22的另一端作为锂电池1的所述电极的引线，所述灌封元件23将第一连接片20、保护元件21及所述第二连接片22连接保护元件21的一端灌封至锂电池1的所述电极的表面，以获得所述具有短路保护功能的锂电池。

参阅图2所示为本发明的具有短路保护功能的锂电池的第二结构示意图。

所述保护结构2还包括上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25。

所述下覆盖隔热元件25设置于锂电池1及保护元件21之间，并开设有通孔以供第一连接片20通过。所述上覆盖隔热元件24与保护元件21远离锂电池的一侧相邻，并开设有通孔以供第二连接片22通过。所述保护元件21夹在上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25之间。

所述上覆盖隔热元件24用于隔离保护元件21，以隔离保护元件21的热量来保护其他元器件。所述下覆盖隔热元件25用于隔离锂电池1及保护元件21，以隔离保护元件21的热量来保护锂电池1。所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25均可以为隔热陶瓷、二氧化硅纳米复合隔热材料等隔热垫。所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25均可为具有一定厚度的圆形、正方形等形状，为了保证锂电池1在加装保护结构2后的尺寸变化不大，所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25的厚度范围均为0.1mm~0.5mm之间。所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25的表面面积均大于或等于保护元件21的表面面积，以实现对保护元件21的覆盖隔离。在本实施例中，所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25的表面形状与尺寸优选与锂电池1所述电极表面的形状及尺寸一致，例如锂电池1所述电极表面为直径1cm的圆形，则所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25的表面均优选为直径1cm的圆形。

所述上覆盖隔热元件24的通孔位置根据第二连接片22的通过位置确定。所述上覆盖隔热元件24的通孔可为正方形、长方形、圆形等形状，其尺寸为允许第二连接片22通过的尺寸。例如，所述上覆盖隔热元件24的通孔为1mm~2mm直径的圆孔。所述下覆盖隔热元件25的通孔位置根据第一连接片20的通过位置确定。所述下覆盖隔热元件25的通孔可为正方形、长方形、圆形等形状，其尺寸为允许第一连接片20通过的尺寸。例如，所述下覆盖隔热元件24的通孔为1mm~2mm边长的正方形孔。

所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25也设置在所述灌封元件23的内部，所述灌封元件23与所述锂电池1的所述电极表面形成接触式的密封空间。在本实施例中，所述灌封元件23将所述第一连接片20、所述保护元件21、所述第二连接片22、所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25灌封于锂电池1的所述电极表面，所述灌封元件23与所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25也形成接触式密封。

所述保护结构2的其他元器件可参阅图1的上文介绍，在此不再赘述。

制备所述具有短路保护功能的锂电池时，在锂电池1的一个电极连接所述第一连接片20的一端，将所述下覆盖隔热元件25的通孔对准所述第一连接片20放置于锂电池1的所述电极表面上，在所述第一连接片20的另一端连接所述保护元件21的一侧，在所述保护元件21的另一侧连接所述第二连接片22的一端，将所述上覆盖隔热元件24的通孔对准所述第二连接片22放置于所述保护元件上，所述第二连接片的另一端作为锂电池1的所述电极的引线，所述灌封元件23将第一连接片20、保护元件21及所述第二连接片22连接保护元件21的一端、上覆盖隔热元件24、下覆盖隔热元件25灌封至锂电池1的所述电极的表面，以获得所述具有短路保护功能的锂电池。

参阅图3所示为本发明的具有短路保护功能的锂电池的第三结构示意图。

所述第一连接片20与锂电池1的所述电极表面的中心连接，所述保护元件21相对锂电池1的一侧的中心与第一连接片20连接，所述保护元件21远离锂电池1的一侧的中心与所述第二连接片22连接。所述上覆盖隔热元件24、保护元件21及下覆盖隔热元件25的表面尺寸及形状与锂电池1的所述电极表面的尺寸及形状相同。

所述灌封元件23可以为用于将保护结构2灌封在锂电池1的所述电极的表面的灌封胶。所述灌封元件23也可以为根据锂电池1及除灌封元件23外的保护结构2的形状及尺寸一体成型的热封套26，该热封套26用于将锂电池1及除灌封元件23外的保护结构2封装为一整体。

在所述灌封元件23为热封套26时，所述第一连接片20、所述保护元件21、所述第二连接片22、所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25均设置在所述热封套26的内部，所述热封套26与所述锂电池1的所述电极形成接触式的密封空间。

制备所述具有短路保护功能的锂电池时，在锂电池1的一个电极表面的中心连接所述第一连接片20的一端，将所述下覆盖隔热元件25的通孔对准所述第一连接片20放置于锂电池1的所述电极表面上，在所述第一连接片20的另一端连接所述保护元件21的一侧的中心，在所述保护元件21的另一侧的中心连接所述第二连接片22的一端，将所述上覆盖隔热元件24的通孔对准所述第二连接片22放置于所述保护元件上，所述第二连接片的另一端作为锂电池1的所述电极的引线，所述灌封元件23将第一连接片20、保护元件21及所述第二连接片22连接保护元件21的一端、上覆盖隔热元件24、下覆盖隔热元件25灌封至锂电池1的所述电极的表面，以获得所述具有短路保护功能的锂电池。在其他实施例中，所述灌封元件23可以替换为所述热封套26，所述第一连接片20、所述保护元件21、所述第二连接片22、所述上覆盖隔热元件24及下覆盖隔热元件25均设置在所述热封套26的内部，所述热封套26与所述锂电池1的所述电极形成接触式的密封空间。

以下将结合图4~图7对不具有保护结构2的锂离子电池及具有保护结构2的锂离子电池在发生短路时的电池温度及电流进行分析。

实验方案为：将一容量为1810mah的锂离子电池的保护部分剥开，找到锂离子电池内部的正、负极，测得之间电压大约为4v，在此正、负极引出线分别做不加如图1所示保护结构2的直接短路实验和加如图1所示保护结构2的短路实验，并在电池表面设置四个温度测试点。所述保护结构2的保护元件21为聚合物正温度系数器件。

不加如图1所示保护结构2的直接短路实验：将万用表调到电流档，与锂离子电池连接，在锂离子电池短路后每隔30秒记录一次电流表的电流值，测试总时间为75分钟，测试过程中锂离子电池无膨胀、裂开、过热等现象，开始电压为3.985v，结束电压为3.446v，室温23℃，测试结果如图4及图5所示。

加如图1所示保护结构2的短路实验：将万用表调到电流档，锂离子电池上灌封有如图1所示的保护结构2，在锂离子电池短路后每隔10分钟记录一次电流表的电流值，测试总时间为23小时，测试过程中锂离子电池无膨胀、裂开、过热等现象，开始电压为4.078v，结束电压为3.755v，测试结果如图6及图7所示。

图4为不加如图1所示保护结构2时的直接短路电流曲线示意图，其最大短路电流约为1280ma。图6为加如图1所示保护结构2时的短路电流曲线示意图，其最大短路电流约为46ma。对比图4及图6的结果可知，锂离子电池在灌封有如图1所示的保护结构2时，最大短路电流显著下降，具有本实施例中短路保护功能的锂离子电池具有显著的过流保护效果。

图5为不加如图1所示保护结构2时的直接短路表面温度曲线示意图，其最大短路表面温度约为38.4度。图7为加如图1所示保护结构2时的短路表面温度曲线示意图，其最大短路表面温度约为23度。对比图5及图7的结果可知，锂离子电池在灌封有如图1所示的保护结构2时，最大短路表面温度显著下降，具有本实施例中短路保护功能的锂离子电池具有显著的过温保护效果。

以下将结合图8、图9对不具有保护结构2的小尺寸锂电池及具有保护结构2的小尺寸锂电池在发生短路时的电池温度及电流进行分析。

实验方案为：对一s1型锂电池分别做不加如图1所示保护结构2的直接短路实验和加如图1所示保护结构2的短路实验，测量锂电池发生短路时的电池温度及电流。该s1型锂电池的电压为3.1v。所述保护结构2的保护元件21为聚合物正温度系数器件。

不加如图1所示保护结构2的s1型锂电池短路时的温度与电流如图8所示，其最大短路电流约为950ma，其最大短路温度约为115度。灌封有如图1所示保护结构2的s1型锂电池短路时的温度与电流如图9所示，其最大短路电流约为250ma，其最大短路温度约为60度。对比图8及图9的结果可知，小尺寸锂电池在灌封有如图1所示的保护结构2时，最大短路电流及温度均显著下降，具有本实施例中短路保护功能的小尺寸锂电池具有显著的过流及过温保护效果。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。