过充保护装置及锂离子电池的制作方法

1.本实用新型涉及电池滥用安全保护技术领域，尤其涉及过充保护装置及锂离子电池。


背景技术：

2.锂离子电池是由锂金属、锂合金或碳材料作为为负极材料，锂化合物如钴酸锂，锰酸锂，磷酸亚铁锂，镍钴锰酸锂等作为正极、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池过度充电会使电解液发热并分解产生气体，气体在密封的电池内部形成压力，导致锂离子电池膨胀，容易引发爆炸并起火。
3.现有技术中的过充保护方案通常是设计保护电路或者锂离子电池外部设计过充保护结构，例如名称为锂离子电池充电保护电路的实用新型专利，充电保护电路包括一级过充保护电路和二级过程保护电路，一级过充保护电路的一端与电源的正极连接，二级过充保护电路的一端与一级过充保护电路另一端连接、另一端与电池的正极连接，二级过充保护电路包括控制单元、检测单元和触发信号锁存单元，这种充电保护电路设计复杂，用到的元器件数量多，存在较大的故障隐患，可靠性低。
4.再例如名称为一种带过充保护结构的锂离子电池的实用新型专利，锂离子电池本体和过充保护结构均安装在安装架内，过充保护结构包括夹持组件、驱动组件以及电量检测组件，过充保护结构在电充满后，使得充电器与锂离子电池本体分离，这种过充保护结构会大幅增加锂离子电池的体积，夹持组件和驱动组件之间都存在难度较大的配合关系，同样存在可靠性低的缺陷，而且对充电器的形状及体积等都有限制，实用性差。
5.因此，如何设计安全可靠的过充保护装置及锂离子电池是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有过充保护方案存在结构复杂、可靠性低的缺陷，本实用新型提出过充保护装置及锂离子电池，具有结构简单、成本低、且可靠性高的优点。
7.本实用新型采用的技术方案是，设计过充保护装置，包括：与正极组件电连接的正极保护电极、与负极组件电连接的负极保护电极、设置于正极保护电极与负极保护电极之间的导电结构、包覆导电结构的绝缘热融层；导电结构在绝缘热融层受热熔化后导通正极保护电极与负极保护电极。
8.其中，正极保护电极和/或负极保护电极设有电阻层。
9.在一些实施例中，绝缘热融层是由pp、pe、pvc、pet、pbt、亚克力、ps中的一种或多种复合而成，绝缘热融层在温度达到120℃以上时熔化以露出所述导电结构。
10.在一些实施例中，导电结构包括夹持在正极保护电极与负极保护电极之间的多个热熔导电颗粒，每个热熔导电颗粒均具有金属层，金属层包覆有绝缘热融层。
11.在一些实施例中，所述金属层包含al、cu、ni、ti、fe、不锈钢、au、ag、石墨、cnt中的
一种或多种，相邻的热熔导电颗粒通过粘接固定。
12.在一些实施例中，热熔导电颗粒还具有非金属层，所述金属层包覆所述非金属层，所述金属层包含al、cu、ni、ti、fe、不锈钢、au、ag、石墨、cnt中的一种或多种，所述非金属层包含cao2、al2o3、tio2、sio2、mgo、fe2o3、mno2、mn3o4、fe3o4中的一种或多种。
13.优选的，导电结构具有磁性，正极保护电极和负极保护电极通过导电结构吸合连接。
14.优选的，过充保护装置还包括：加热装置，加热装置安装在正极保护电极和/或负极保护电极的表面，加热装置工作时给绝缘热融层提供热量。
15.本实用新型还提供了锂离子电池，包括：壳体、设于壳体内部的正极组件和负极组件、设于正极组件和负极组件之间的隔膜，正极组件和负极组件与上述的过充保护装置连接；过充保护装置在锂离子电池过充时，接通正极保护电极和负极保护电极进行放电、并旁通正极组件和负极组件之间的过充电流。
16.优选的，过充保护装置设于壳体内部，且过充保护装置与其相邻的正极组件或负极组件之间设有隔膜。
17.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
18.1、设计有绝缘热融层，该绝缘热融层在锂离子电池过充时融化，通过导电结构接通正极保护电极和负极保护电极进行放电，同时旁通正极组件和负极组件之间的过充电流，结构简单且可靠性高；
19.2、过充保护装置设于壳体内部，利用过充时锂离子电池内部温度升高、压力增大的特性，使正极保护电极和负极保护电极导通，锂离子电池结构紧凑、体积变化小，实用性高。
附图说明
20.下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细说明，其中：
21.图1是本实用新型的锂离子电池内部结构示意图；
22.图2是本实用新型一部分实施例的热熔导电颗粒剖面示意图；
23.图3是本实用新型另一部分实施例的热熔导电颗粒剖面示意图；
24.图4是本实用新型的电阻层安装示意图；
25.图5是本实用新型的加热装置安装示意图；
26.图6是本实用新型的加热装置正面示意图；
27.图7是本实用新型的加热装置剖面示意图；
28.附图标记：
29.1、正极组件；11、正极集流体；12、正极材料；2、负极组件；21、负极集流体；22、负极材料；3、隔膜；4、过充保护装置；41、正极保护电极；42、负极保护电极；43、绝缘热融层；44、电阻层；45、热熔导电颗粒；451、金属层；452、非金属层；46、加热装置；461、电阻丝；462、绝缘膜。
具体实施方式
30.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以
下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.如图1所示，本实用新型提出的过充保护装置4适合应用在电池中，尤其是锂离子电池。以锂离子电池为例，锂离子电池具有壳体、至少一个正极组件1、至少一个负极组件2以及隔膜3等，壳体内填充有电解质，正极组件1和负极组件2均安装在壳体内，相邻的正极组件1和负极组件2相对设置，隔膜3分隔在正极组件1和负极组件2之间，正极组件1由正极集流体11和设于正极集流体11上的正极材料12构成，负极组件2由负极集流体21和设于负极集流体21上的负极材料22构成。以磷酸铁锂离子电池为例，正极集流体11为铝箔，正极材料12为磷酸铁锂等，负极集流体21为铜箔，负极材料22为石墨。
32.如图1至3所示，过充保护装置4包括正极保护电极41、负极保护电极42、导电结构以及绝缘热融层43，正极保护电极41与正极组件1并联连接，负极保护电极42与负极组件2并联连接，导电结构设置于正极保护电极41与负极保护电极42之间，绝缘热融层43包覆在导电结构的外部，导电结构在绝缘热融层43受热熔化后导通正极保护电极41与负极保护电极42进行放电，同时旁通正极组件1和负极组件2之间的过充电流，有效起到过充保护的作用。需要说明的是，在一些可行实施例中，正极保护电极41选用铜箔，负极保护电极42选用铝箔，当然，正极保护电极41也可以选用铝和/或钛等混合制成，负极保护电极42也可以选用铜和/或镍等混合制成，能满足导电性能即可。绝缘热融层43为有机包覆层，其是由pp、pe、pvc、pet、pbt、亚克力、abs中的一种或多种复合而成，保证绝缘热融层43在温度达到120℃以上时熔化以露出导电结构，绝缘热融层43的电阻率在103ω
·
m在绝缘系数，导电结构的电阻率在10-6
ω
·
m以上。
33.如图4所示，为了提高安全性，正极保护电极41和负极保护电极42至少有一个设置电阻层44，导电结构接通正极保护电极41和负极保护电极42进行放电时，正极组件1和负极组件2之间的过充电流旁通分流到正极保护电极41和负极保护电极42所在支路，实现安全可靠的过充防护。应当理解的是，电阻层44可以选用常规材料，例如电阻层44包含树脂、导电材料和胶粘剂等，本实用新型对电阻层44的具体构成不作特殊限制。
34.如图2所示，在本实用新型提供的一部分实施例中，导电结构包括夹持在正极保护电极41与负极保护电极42之间的多个热熔导电颗粒45，每个热熔导电颗粒45由从内至外依次设置的金属层451和绝缘热融层43构成，绝缘热融层43包覆在金属层451的外壁上，相邻的热熔导电颗粒45通过胶水粘接固定，胶水与热熔导电颗粒45之间的体积比例为1：9，金属层451包含al、cu、ni、ti、fe、不锈钢、au、ag、石墨、cnt中的一种或多种。热熔导电颗粒45的形状选为球体时，其直径范围在100至10,000nm，绝缘热融层43的厚度范围在10至5000nm。
35.如图3所示，在本实用新型提供的另一部分实施例中，导电结构包括夹持在正极保护电极41与负极保护电极42之间的多个热熔导电颗粒45，每个热熔导电颗粒45由从内至外依次设置的非金属层452、金属层451以及绝缘热融层43构成，金属层451包覆在非金属层452的外壁上，绝缘热融层43包覆在金属层451的外壁上，金属层451包含al、cu、ni、ti、fe、不锈钢、au、ag、石墨、cnt中的一种或多种，非金属层452包含cao2、al2o3、tio2、sio2、mgo、fe2o3、mno2、mn3o4、fe3o4中的一种或多种。热熔导电颗粒45的形状选为球体时，金属层451的厚度范围为10至5000nm，非金属层452的厚度范围为100至10,000nm，绝缘热融层43的厚度范围为10至5000nm。
36.在一些优选的实施例中，导电结构具有磁性，正极保护电极41和负极保护电极42通过导电结构吸合连接。实现吸合连接的方案有多种，以其中一种为例，非金属层452采用具有磁性的fe3o4，正极保护电极41和负极保护电极42均采用镍式不锈钢或碳钢，利用非金属层452的磁性吸合镍式不锈钢或碳钢，过充保护装置4在磁力作用下具有自结合功能。
37.如图5至7所示，在一些更优的实施例中，过充保护装置4还设计有加热装置46，加热装置46采用电阻丝461，电阻丝461被绝缘膜462包裹，绝缘膜462被安装固定在正极保护电极41和/或负极保护电极42的表面，加热装置46工作时给绝缘热融层43提供热量。加热装置46的开启或关闭根据锂离子电池的运行状态控制，实际应用中可以通过检测锂离子电池的电流、电压、温度或者压力等参数反映运行状态，在锂离子电池过充时开启加热装置，以使导电结构外层的绝缘热融层43迅速融化，过充保护的反应速度更快、可靠性更高。
38.如图1所示，在本实用新型提供的一些可行实施例中，过充保护装置4设于壳体内部的一侧，正极保护电极41、负极保护电极42、正极组件1以及负极组件2相互平行，过充保护装置4与其相邻的正极组件1或负极组件2之间设有隔膜3，锂离子电池过充时内部温度升高、压力增大的特性，使正极保护电极41和负极保护电极42导通。
39.当过充保护装置4设于最边缘的正极组件1外侧时，负极保护电极42位于正极保护电极41与该正极组件1之间，且负极保护电极42与该正极组件1相对设置，加热装置46安装在正极保护电极41背离负极保护电极42的一侧表面，电阻层44安装在负极保护电极42背离正极保护电极41的一侧表面。当过充保护装置4设于最边缘的负极组件2外侧时，正极保护电极41位于负极保护电极42与该负极组件2之间，且正极保护电极41与该负极组件2相对设置，加热装置46安装在负极保护电极42背离正极保护电极41的外侧表面，电阻层44安装在正极保护电极41背离负极保护电极42的一侧表面。应当理解的是，以上仅以部分实施例中进行举例说明，加热装置46和电阻层44可以根据实际需要选择性应用在过充保护装置4中。
40.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。