一种带并联网的大容量电池及其制作方法与流程

本申请涉及一种带并联网的大容量电池及其制作方法,属于大容量锂电池安全防控技术领域。

背景技术：

大尺寸高容量锂电池生产加工工艺复杂、成品率低、生产自动化程度低、电池一致性差，且在使用时存在大面易膨胀，散热困难、倍率性能差、循环寿命短、安全性差等问题。

在专利申请号cn201620094648.4(公告号cn205564864u)，专利名称为具有安全保护功能的并联网和使用该并联网的大容量电池，通过在电池外置并联网将小容量电池外并组成大容量电池，在一只电池短路时，并联网可以瞬时断路，提高了小容量电池并联时的安全性能。对于大容量电池内部并联断路保护的相关产品较少。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本申请提出了一种具有内部熔断保护功能的大容量电池及其制作方法。通过端面焊接方式将各个卷芯的负极端并联在具有熔断功能的负极并联网上，当大容量电池中有个别卷芯短路时，与该卷芯相连的并联网的局部连接片发生熔断，使短路卷芯与周边其他卷芯断开；当大容量电池温度过高或内外部短路时，负极保险汇流片上的熔断装置断开，电池正负极断路，避免电池出现安全问题。

在高导热的金属圆筒内装入卷芯，金属圆筒通过焊接、粘接或一体成型等连接方式形成一个整体。将卷芯的正极集流体与正极汇流片、卷芯的负极集流体与并联网、并联网与负极保险汇流片两两焊接形成一个卷芯组，实现卷芯组的高导热和高导电网络，降低电池内阻，提高整个大容量电池的散热性和倍率性能。在负极保险汇流片中串联一个过流过温熔断装置，当大容量电池温度过高或内外部短路时，负极保险汇流片上的熔断装置断开，电池正负极断路，避免电池出现安全问题。

本申请设计的大容量电池，包括金属外壳、金属圆筒、卷芯、正极盖板、负极盖板、正极汇流片、负极保险汇流片、负极并联网、绝缘导热片和电池支架。

金属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。金属外壳内设有若干装有卷芯的金属圆筒，金属圆筒通过焊接、粘接或一体成型等方式连接并形成一个整体。

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。将卷芯装入金属圆桶内，可以有效抑制卷芯膨胀引起电池内阻上升，寿命衰降。

卷芯正极集流体与正极汇流片直接焊接，卷芯负极集流体通过负极并联网与负极保险汇流片进行焊接，焊接成一个卷芯组。

负极保险汇流片中串联有一个过流过温熔断装置，当电池因温度过高或内、外部短路时形成断路。

负极并联网的每一条连接支路上均设置有能够被高温熔断的保护结构，可以是截面积较小的同一材料，也可以是额外焊接的保险丝。当大容量电池中的某一个卷芯发生短路时，在电压差的作用下，巨大的反充电流流向该卷芯，该大电流使与该卷芯相连的连接条温度急剧升高，迅速熔断该连接条或是连接条上的熔断保护结构，使该卷芯与其它卷芯间形成断路，避免因某一个卷芯短路导致整个大容量电池出现短路和热安全问题。

负极端在负极并联网和负极盖板之间装有绝缘导热片，有助于电池内部传热。

绝缘导热片的材质具有绝缘性及较高的导热系数，可以是硅胶片、硅橡胶、氟橡胶、导热绝缘塑料等具有此特性的任何一种，且不局限于所述的这些种类。

负极保险汇流片、负极并联网和绝缘导热片上均开设有若干个小圆孔，便于注液。

负极端使用电池支架用于固定卷芯，电池支架卡在各卷芯之间。

正极集流体、正极汇流片、正极盖板及金属圆筒分别两两焊接。

负极盖板上设置有负极柱和防爆阀。防爆阀所在位置为注液口，完成注液后，在注液口的位置焊接防爆阀。

本申请的大容量电池内部卷芯，由同一电化学体系的正负极材料组成，比如磷酸铁锂-石墨卷芯、锰酸锂-石墨卷芯、镍钴锰酸锂-石墨卷芯、镍钴铝酸锂-石墨卷芯、钴酸锂-石墨卷芯、钴酸锂-钛酸锂卷芯、锰酸锂-钛酸锂卷芯、超级电容器卷芯、金属氢化物-镍卷芯、镉-镍卷芯、锌-镍卷芯等中的任何一种，且不局限于上述电化学体系。

本申请大容量电池，也可由上下限电压相近的不同电化学体系的卷芯进行组合，例如锰酸锂-石墨卷芯与镍钴锰酸锂-石墨卷芯组合、功率型的超级电容器卷芯与同类正极材料的能量型的锂离子卷芯组合等。通过不同电化学体系的两类卷芯并联组合成大容量电池，可以兼顾两种电化学体系电池的优点，在提高性能的同时降低成本。

需要说明的是，不同的电化学体系适用的集流体、金属圆筒、金属外壳材质种类不同，这属于电池行业的公知技术。比如锂离子电池采用铝作为金属外壳和金属圆筒的材质，且卷芯的正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔；比如超级电容器和以钛酸锂为负极材料的电池，采用铝作为金属外壳和金属圆筒的材质，且卷芯的正极与负极集流体均为铝箔；也可以采用不锈钢或其他耐腐蚀材料作为金属外壳和金属圆筒的材质。

按照前述的大容量电池的加工方法包括如下步骤：

(1)将多个金属圆筒按照金属外壳的形状焊接为一体；

(2)将多个卷芯按同一个方向装入金属圆筒中；

(3)将正极汇流片与多个卷芯的正极集流体端面进行焊接；

(4)用电池支架卡在卷芯的负极端，固定住卷芯；

(5)将负极并联网与多个卷芯的负极集流体端面进行焊接；

(6)绝缘导热片安装；

(7)将负极并联网与负极保险汇流片进行焊接；

(8)将装配好的卷芯组放入金属外壳内；

(9)将正极盖板与正极汇流片进行焊接；

(10)将正极盖板与金属外壳进行封闭焊接；

(11)将负极盖板与负极保险汇流片进行焊接；

(12)将负极盖板与金属外壳进行封闭焊接；

(13)将电池卷芯烘干；

(14)通过注液口对电池注液；

(15)电池预化成；

(16)电池补液；

(17)注液口清洁，焊接防爆阀，电池封口。

本申请具有如下的技术效果和优点：

1、用小容量卷芯并联成大容量单体电池，由于小容量卷芯的一致性好，可以大幅提高大容量单体电池的一致性与合格率。

2、将正极集流体、正极汇流片、正极盖板与金属圆筒之间均采用焊接方式，减小了电池内部的连接电阻，提高了电池的大电流导流能力和传热速度。

3、将负极盖板、负极保险汇流片、负极并联网、卷芯负极集流体之间，通过激光焊接，增加导流面积，缩短导流路径，从而提高电池的充放电倍率性能。

4、在负极保险汇流片中串联一个过流过温熔断装置，当电池内部温度过高、内外部短路时，负极保险汇流片中的过流过温熔断装置动作后形成断路，大幅度提高电池的安全性能。

5、当大容量电池中的某一个卷芯发生短路时，负极并联网可迅速熔断，使该卷芯与其它卷芯间形成断路，避免因某一个卷芯短路导致整个大容量电池出现短路和热安全问题。

附图说明

图1为本申请的矩形电池的爆炸图。

图2为本申请的矩形电池的立体图。

图3为本申请的矩形电池的正面图。

图4(1)和4(2)为沿图3所示的矩形电池的a-a线的剖视图，其中图4(1)示出闭合状态，图4(2)示出断开状态。

图5为本申请的圆柱卷芯的立体图。

图6本申请的圆柱卷芯的正面图。

图7为图6所示的圆柱卷芯的a-a线的剖视图。

图8为本申请的多卷芯菱形组合立体图。

图9为本申请的多卷芯菱形组合侧面图。

图10为本申请的多卷芯梯形组合立体图。

图11为本申请的多卷芯梯形组合侧面图。

图12为本申请的多卷芯矩形组合立体图。

图13为本申请的多卷芯矩形组合侧面图。

图14为本申请的多卷芯矩形组合的装配分解图。

图15(1)和15(2)为本申请的负极保险汇流片闭合/断开结构图，其中图15(1)为负极保险汇流片闭合结构图；图15(2)为负极保险汇流片断开结构图。

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发明，但不用来限制本发明的范围。

在附图中，1为负极盖板，2为绝缘导热片，3为负极并联网，4为金属外壳，5为电池支架，6为卷芯，7为正极汇流片，8为正极盖板，11为负极柱，12为注液口(防爆阀)，61为卷芯体，62为金属圆筒。63为负极保险汇流片。

图1为本申请的矩形电池爆炸图，图2为本申请的矩形电池立体图，图3为本申请的矩形电池正面图，图4(1)和4(2)为沿图3所示的矩形电池的a-a线的剖视图，其中图4(1)示出闭合状态，图4(2)示出断开状态。

如图1-4所示，本申请设计的大容量电池，包括金属外壳4、卷芯6、正极盖板8、负极盖板1、正极汇流片7、负极并联网3、绝缘导热片2、电池支架5和负极保险汇流片63。

图1-4中示出的金属外壳4的形状为矩形。当然，金属外壳形状不局限此，金属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，包括矩形、椭圆形、圆柱形或方形等。

图5为本申请的圆柱卷芯的立体图，图6本申请的圆柱卷芯的正面图，图7为图6所示的圆柱卷芯的a-a线的剖视图。

如图5-7所示，圆柱卷芯6由卷芯体61和包裹卷芯体的金属圆筒62组成；圆柱卷芯6的一端为正极集流体(比如铝箔)，另一端为负极集流体(比如铜箔)。卷芯体61的一部分从金属圆筒62的一端或两端露出，便于卡在电池支架5上。

如图1所示，金属外壳4内设有若干个圆柱卷芯6，圆柱卷芯6正极集流体与正极汇流片7进行焊接，负极集流体与负极并联网3进行焊接，负极并联网3与负极保险汇流片63进行焊接，如此焊接成一个卷芯组。在负极并联网3和负极盖板1之间填充有绝缘导热片2，用于导热。负极并联网3和绝缘导热片2上均开设有若干个小圆孔，便于注液。

负极端使用电池支架5固定圆柱形卷芯6，电池支架5卡在各无极耳圆柱卷芯6之间；其轴向上方由绝缘导热片2和负极盖板1限位，轴向下方由金属圆筒62限位。正极汇流片7与圆柱卷芯6的正极端的金属圆筒62进行焊接。

如图2所示，负极盖板1上设置有负极柱11和防爆阀(未示出)。防爆阀所在位置为注液口12，完成注液后，在注液口12的位置焊接防爆阀。

另外，圆柱卷芯6组合可以设计为各种形状，比如，图8-9示出了本申请的多卷芯菱形组合。图10-11示出了本申请的多卷芯的梯形组合。图12-13示出了本申请的圆柱卷芯矩形组合。图14为本申请的多卷芯矩形组合的装配分解图。如图14所示，首先，卷芯体61由金属圆筒62包裹组成圆柱卷芯6，卷芯体61的一部分从金属圆筒62的两端露出；然后，卷芯6矩形组合装配在负极并联网3和正极汇流片7之间；接着，再装配在带有正极盖板8和负极盖板1的矩形金属外壳4内。

本申请的带并联网的大容量电池制作方法包括如下步骤：

(1)将多个金属圆筒按照金属外壳的形状焊接为一体；

(2)将多个卷芯按一个方向装入金属圆筒中；

(3)将正极汇流片与多个卷芯的正极集流体端面进行焊接；

(4)将电池支架卡在卷芯负极端，固定住卷芯；

(5)将负极并联网与多个卷芯的负极集流体端面进行焊接；

(6)绝缘导热片安装；

(7)将负极并联网与负极保险汇流片进行焊接；

(8)将装配好的卷芯组放入金属外壳内；

(9)将正极盖板与正极汇流片进行焊接；

(10)将正极盖板与金属外壳进行封闭焊接；

(11)将负极盖板与负极保险汇流片进行焊接；

(12)将负极盖板与金属外壳进行封闭焊接。

(13)将电池卷芯烘干；

(14)通过注液口对电池注液；

(15)电池预化成；

(16)电池补液；

(17)注液口清洁，焊接防爆阀，电池封口。

实施例1：

在本申请的大容量电池内，用9个磷酸铁锂正极-石墨负极卷芯体(直径32mm高度140mm)，用上述的加工方法做成3.2v135ah的大容量电池。通过针刺触发其中一个卷芯短路时，该卷芯所在负极并联网周边的连接条熔断，避免了大容量电池发生热失控。当对大容量电池进行外部短路时，负极保险汇流片熔断(见图15(1)和15(2))，避免了大容量电池发生热失控。

实施例2：

在本申请的大容量电池内，用9个镍钴锰酸锂正极-石墨负极卷芯体(直径21mm高度60mm)，用上述的加工方法做成3.6v36ah的大容量电池。通过针刺触发其中一个卷芯短路时，该卷芯所在负极并联网周边的连接条熔断，避免了大容量电池发生热失控。当对大容量电池进行外部短路时，负极保险汇流片熔断(见图15(1)和15(2))，避免了大容量电池发生热失控。

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。