一种电芯及电池的制作方法

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种电芯及电池。


背景技术：

2.随着新能源技术的发展，锂离子二次电池以其高能量密度、长循环寿命等优点得到大量的应用，为解决电动汽车续航里程的问题，锂离子电池的能量密度越来越高，随之而来的安全问题也日益突出，外短路是其中的重要安全问题之一。
3.为了保护电池的安全性一般会在电芯外部加装保护装置，当电池在短路过充引起电池发热时，热量由电池主体传导至外部保护装置，当达到一定温度时外部保护装置动作切断电路，从而起到保护作用。目前，主要是通过在方壳电池的外短路保护装置上加装fuse(保险丝)结构，在方壳电池外短路时，及时熔断fuse结构，保护方壳电池不热失控，但对于软包电池而言，则无法使用fuse结构，因为极耳由金属导电条和热熔材料组成，不具备外短路保护功能。
4.现有技术中，为了提高软包电池的安全性，主要通过在电池的内部加入ptc材料起到外短路保护的功能，或者在极耳焊接处焊接ptc材料的结构，起到外短路保护的功能，虽然上述两种方法均能起到外短路保护的作用，但会占用电池的内部空间，影响电池的能量密度，或者增大电池的内阻，影响电池的功率特性。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有技术中的外短路保护结构占用电池的内部空间和增大电池的内阻的问题。
6.为解决上述问题，本发明第一方面提供一种电芯，包括极片和相变介质，其中：
7.所述极片包括集流体，所述集流体包括涂膏区和空箔区，极耳设置在所述空箔区并朝着所述集流体的边缘方向延伸凸出于所述集流体；
8.所述相变介质位于所述极耳背离所述集流体的一侧表面，和/或，所述相变介质位于所述集流体背离所述极耳的一侧表面上；
9.当所述相变介质受热达到形变温度时，相变介质断开所述极耳和所述集流体之间的连接。
10.进一步地，所述相变介质的材质为tini合金、nial合金、inti合金、cuauzn合金、cualni合金和aucd合金中的至少一种。
11.进一步地，所述相变介质包括介质主体和与所述介质主体相连的多个突起部，多个所述突起部围绕所述介质主体的外缘设置；
12.所述相变介质包括第一形态和第二形态；
13.第一形态下，所述介质主体和所述突起部位于同一平面；
14.当受热达到形变温度，所述相变介质处于第二形态，多个所述突起部朝向所述集流体的一侧弯曲，刺破所述集流体，断开所述极耳和所述集流体之间的连接。
15.进一步地，所述相变介质的至少一侧表面设置有绝缘膜。
16.进一步地，所述极耳位于所述空箔区内的部分在所述集流体上的投影位于所述介质主体在所述集流体上的投影内。
17.进一步地，所述突起部弯曲的角度为90
°
至120
°
。
18.进一步地，所述突起部为三角形尖端、矩形尖端、梯形尖端、五边形尖端和六边形尖端中的至少一种。
19.进一步地，所述突起部的硬度大于所述集流体的硬度。
20.进一步地，所述极耳凸出于所述集流体的一端还设置有极耳胶，所述极耳胶与所述相变介质靠近所述集流体边缘的一侧之间的距离为4mm至7mm。
21.进一步地，所述极片包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片之间设置有隔膜，所述正极片、所述隔膜和所述负极片叠置卷绕形成所述电芯；
22.其中，所述正极片和所述负极片中的至少一个设置有所述相变介质，所述相变介质位于所述电芯的卷绕尾端。
23.本发明第二方面提供了一种电池，包括电芯、电解液和壳体，所述电芯和所述电解液封装于所述壳体的内部，所述电芯为如第一方面任一项所述的电芯。
24.本发明所述的电芯，通过在极片上设置相变介质，电池发生外短路时，电池内部的电流很大，极耳处的温度会迅速升高，并通过热传导传递到相变介质上，使相变介质的温度也迅速升高，当达到相变介质的形变温度时，相变介质断开极耳和集流体之间的连接，使极耳和集流体呈非连续状态，切断通路，阻止电芯急剧产热，避免电池发生热失控，提升了电池的安全性；此外，该相变介质体积小、不占用电池内部的空间，不会增大电池内阻，对电池的能量密度或功率特性基本没有影响。
附图说明
25.图1为本发明实施例中极片的结构示意图；
26.图2为本发明实施例中相变介质的形变示意图，其中，图2(a)为相变介质的原始形状，图2(b)为相变介质的形变状态，图2(c)为相变介质在外界温度的刺激下恢复为原始形状；
27.图3为本发明实施例中形状记忆合金的另一种结构示意图；
28.图4为本发明实施例中卷芯的结构示意图；
29.图5为本发明实施例中卷芯的另一种结构示意图；
30.图6为本发明实施例中外短路保护结构的电池的外短路测试曲线图；
31.图7为本发明实施例中普通电池的外短路测试曲线图。
32.附图标记说明：
33.1-涂膏区；2-空箔区；3-极耳；4-相变介质；5-绝缘膜；6-极耳胶；7-正极片；8-负极片；9-隔膜；
34.31-正极耳；32-负极耳；41-介质主体；42-突起部。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、详尽地描述。在本发明地描述中，需
要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、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。此外，在本发明的描述中，“至少一侧”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
36.在本说明书的描述中，术语“一些优选实施例中”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个优选实施例或优选示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
37.结合图1、图2和图5-图6所示，本发明实施例提供了一种电芯，该电芯包括极片、极耳3和相变介质4，其中：
38.极片包括集流体，集流体上设置有活性物质层的区域为涂膏区1，集流体上未设活性物质层的区域为空箔区2，极耳3设置在空箔区2并朝着集流体的边缘方向延伸凸出于集流体；
39.相变介质4位于极耳3背离集流体的一侧表面(如图5所示)，和/或，相变介质4位于集流体背离极耳3的一侧表面上(如图4所示)；当相变介质4受热达到形变温度时，相变介质4断开极耳3和集流体之间的连接，使极耳3和集流体处于非连接状态。
40.本实施例提供的电芯，通过在极片上设置相变介质，电池发生外短路时，电池内部的电流很大，极耳处的温度会迅速升高，并通过热传导传递到相变介质上，使相变介质的温度也迅速升高，当达到相变介质的形变温度时，相变介质断开极耳和集流体之间的连接，使极耳和集流体呈非连续状态，切断通路，阻止电芯急剧产热，避免电池发生热失控，提升了电池的安全性；此外，该相变介质体积小、不占用电池内部的空间，不会增大电池内阻，对电池的能量密度或功率特性基本没有影响。
41.具体地，相变介质4为形状记忆合金，形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。相变介质4的材质包括但不限于tini合金、nial合金、inti合金、cuauzn合金、cualni合金和aucd合金中的至少一种，当然，本领域的技术人员还可以根据实际情况选择合适材质的形状记忆合金作为本发明实施例中的相变介质4，只要能够保证当相变介质4受热达到形变温度时，相变介质4断开极耳3和集流体之间的连接即可。
42.图2为相变介质的形变示意图，其中，图2(a)为相变介质的原始形状，图2(b)为相变介质的形变状态，图2(c)为相变介质在外界温度的刺激下恢复为原始形状。结合图2所示，相变介质4包括介质主体41和与介质主体相连的多个突起部42，多个突起部42围绕介质主体41的外缘设置，相变介质4包括第一形态和第二形态，图2(a)为相变介质4处于第二形态，即相变介质4的原始形态，多个突起部42均朝介质主体41的一侧弯曲；图2(b)为相变介质4处于第一形态，即相变介质4在常温下，多个突起部42和介质主体41位于同一个平面；图2(b)为相变介质4处于第二形态，当相变介质4的温度升高，相变介质4受热达到形变温度时，相变介质4恢复原始形态，即多个突起部42均朝介质主体41的一侧弯曲。
43.相变介质4不论处于第一形态还是第二形态，介质主体41不会发生形变，而围绕介
质主体41设置的多个突起部42在外界温度的刺激下会发生形变，并朝着介质主体41的一侧弯曲，从而能够将极耳3外侧边缘的集流体刺破，使极耳3外侧边缘的集流体出现缺口，围绕在极耳3外侧边缘的集流体和其他部分的集流体呈割裂状态，从而断开极耳3和集流体之间的连接，使极耳3和集流体处于非连接状态，切断通路，避免电池发生热失控。
44.本发明实施例中对突起部42的数量不做进一步地限定，本领域的技术人员可以根据相变介质4和突起部42的尺寸进行调整，只要突起部42弯曲时能够将极耳3外侧边缘的集流体刺破，使围绕在极耳3外侧边缘的集流体和其他部分的集流体呈割裂状态即可。
45.本发明实施例中介质主体41和突起部42的材质可以相同，也可以不同，但为了保证突起部42在弯曲时能够刺破集流体，突起部42的硬度大于集流体的硬度。本发明实施例中对突起部42的具体材质没有要求，只要能够保证突起部42的硬度大于集流体的硬度即可，示例性地，突起部42的材质为tini合金、nial合金、inti合金、cuauzn合金、cualni合金和aucd合金中的至少一种。
46.为了避免相变介质4的突起部42在弯曲时，突起部42刺向极耳3，导致突起部42无法刺破集流体，在上述实施例的基础上，介质主体41的尺寸大于极耳3位于空箔区2的部分的尺寸，即极耳3位于空箔区2内的部分在集流体上的投影位于介质主体41在集流体上的投影内。由此保证介质主体41能够将设置在空箔区2部分的极耳3覆盖，突起部42在弯曲时能够直接刺向集流体。
47.由于相变介质4位于极耳3背离集流体的一侧表面，和/或，相变介质4位于集流体背离极耳3的一侧表面上，而极耳3设置在空箔区2并朝着集流体的边缘方向延伸凸出于集流体，这就不可避免地导致极耳3和相变介质4在靠近集流体边缘的一侧会有重叠，而此位置的突起部42在弯曲时，在刺向集流体时也会刺向极耳3，有可能会出现无法刺破集流体的现象，为了避免该现象，靠近集流体边缘一端的相变介质4和极耳3一起延伸凸出于集流体，且相变介质4凸出于集流体的一端未设置突起部42。由此，能够保证突起部42在弯曲时只刺向集流体，而不刺向极耳3，保证弯曲的突起部42能够将极耳3外侧边缘的集流体刺破，使极耳3外侧边缘的集流体出现缺口，断开极耳3和集流体之间的连接。
48.相变介质4在形变时，突起部42弯曲的角度为90
°
至120
°
，即弯曲的突起部42与介质主体41之间的夹角为90
°
至120
°
，由此，能够保证突起部42将集流体刺破，又能避免突起部42弯折角度太大，导致突起部42容易被折断，影响相变介质4的使用寿命。
49.上述实施例中，对突起部42的形状不做进一步地限定，只要突起部42具有尖端，并在突起部42弯折时能够刺破集流体即可。结合图2和图3所示，突起部42的形状为三角形尖端、梯形尖端、五边形尖端和六边形尖端中的至少一种。为了保证突起部42较锋利，将集流体刺破，并使围绕在极耳3外侧边缘的集流体和其他部分的集流体呈割裂状态，在上述实施例的基础上，突起部42的形状相同，且均为三角形尖端，该三角形尖端的尖端角度为45
°
至60
°
。进一步地，介质主体41靠近集流体边缘的一侧为平面端，介质主体41的另外三个侧面的边缘均设有三角形尖端，且若干个三角形尖端围绕介质主体41的外缘设置，三角形尖端的尖角背离介质主体41的方向设置。
50.虽然相变介质4可以位于极耳3背离集流体的一侧表面，或相变介质4位于集流体背离极耳3的一侧表面上，但为了避免相变介质4和极耳3设置在集流体的同侧表面，使集流体产生轻微变形，影响突起部42的穿刺效果，在上述实施例的基础上，相变介质4位于集流
体背离极耳3的一侧表面上。
51.为了避免相变介质4的体积太大，占用电池内部的空间，增大电池的内阻，在上述实施例的基础上，突起部42未弯曲时，即相变介质4位于第一形态时，相变介质4的厚度为0.05mm至0.15mm。
52.突起部42将集流体刺破，并使围绕在极耳3外侧边缘的集流体和其他部分的集流体呈割裂状态，但突起部42在刺破集流体时，集流体上的毛刺可能仍然会使极耳3和集流体以相变介质4为中间媒介进行连接并导通，使极耳3和集流体无法完全断开连接，为了避免上述现象，在上述实施例的基础上，相变介质的至少一侧表面还设置有绝缘膜5，绝缘薄膜5用于阻断极耳3和集流体以相变介质4为中间媒介进行连接并导通，从而能够彻底断开极耳3和集流体的连接，切断通路，阻止电芯急剧产热，避免电池发生热失控，进一步提升了电池的安全性。
53.绝缘膜5设置在相变介质4的至少一侧的表面，若绝缘膜5设置在相变介质4的一侧表面，当相变介质4位于极耳3背离集流体的一侧表面，则绝缘膜5设置在相变介质4和极耳3之间；当相变介质4位于集流体背离极耳3的一侧表面，则绝缘膜5设置在相变介质4和集流体之间；绝缘膜5也可以设置在相变介质4的双侧表面。绝缘膜5的尺寸大于相变介质4的尺寸，即相变介质4位于集流体上的投影位于绝缘膜在集流体上的投影内。本发明的实施例对绝缘膜5设置的具体尺寸不做进一步地限定，只要能够保证绝缘膜5能够起到绝缘作用，并阻断极耳3和集流体以相变介质4为中间媒介进行连接并导通即可。
54.由于电芯封装后，电池壳体内需要注入电解液，相变介质4不可避免地与电解液接触，由此可能会造成相变介质4被腐蚀，影响相变介质4的穿刺强度，为了避免该问题，在上述实施例的基础上，相变介质4的两侧表面均设置有绝缘膜5，且绝缘膜5的尺寸均大于相变介质4的尺寸，由此不仅能保护相变介质4不被电解液腐蚀，还能起到较好的绝缘作用。
55.本实施例中对绝缘膜5的具体材质没有要求，只要能够保证绝缘膜5具有较好的绝缘作用和耐腐蚀作用即可，示例性地，绝缘膜5的材质为改性聚丙烯、改性聚乙烯、醋酸乙烯共聚物、共聚酰胺、聚烯烃、醋酸丙烯酸共聚物、共聚酯、聚氨酯中的至少一种。
56.为了解决极耳3的边缘封装密封性和绝缘性的问题，通常会在极耳3上设置极耳胶6，极耳胶6设置在极耳3凸出于集流体的一端，由于极耳胶6热封在电池壳体上时，温度较高，为了防止极耳胶6热封时的高温辐射引起相变介质4的记忆动作，使突起部42弯曲，在上述实施例的基础上，相变介质4靠近集流体边缘的一侧与极耳胶6之间的距离为4mm至7mm。
57.结合图4和图5所示，极片包括正极片7和负极片8，其中，正极片7包括正极集流体和设置在正极集流体上的正极活性物质层，正极片的空箔区2上设有正极耳31；负极片8包括负极集流体和设置在负极集流体上的负极活性物质层，负极片8的空箔区2上设有负极耳32；正极片7和负极片8之间还设置有隔膜9，正极片7、隔膜9和负极片8叠置卷绕形成电芯。正极片7和负极片8中的至少一个设置有如上所述的相变介质4，即正极片7上设置有相变介质4，或负极片8上设置有相变介质4，或正极片7和负极片8上均设置有相变介质4。一般而言，可以只在正极片7或负极片8上设置相变介质4，但为了避免宕机事件的发生，也可以在正极片7和负极片8上均设置相变介质4。
58.由于电芯在卷绕时，正极片7、隔膜9和负极片8叠置卷绕形成电芯，相变介质4的突起部42在弯曲时，有可能会刺破隔膜9、正极活性物质层或负极活性物质层，导致电池的内
短路，为了避免上述问题，相变介质4位于电芯的卷绕尾端，设置相变介质4的极片在卷绕尾端具有空箔区2，且极耳3和相变介质4设置在空箔区2上，电芯沿卷绕首段至卷绕尾端卷绕后，相变介质4和相应的极耳3均位于电芯的卷绕尾端。
59.其中，卷绕尾端是指在卷芯的过程中正极片7和负极片8卷绕收尾的一端，卷绕首端是指在卷芯的过程中正极片7和负极片8卷绕开始的一端。
60.若正极片7和负极片8上都设有相变介质4，则正极耳31和相变介质4，以及负极耳32和相变介质4均设置在电芯的卷绕尾端，且正极耳31和负极耳324错位设置。
61.需要说明的是，说明书附图中仅展示了部分附图，在附图中正极片7和负极片8的位置也可以对换，相应地，正极耳31和负极耳32的位置也进行对换，其余结构与图4和图5中相同，因此说明书附图中不进行一一展示。
62.上述实施例中，集流体(包括正极集流体和负极集流体)为铝箔、铜箔、镍箔、金箔或铂箔等金属箔中的一种或几种，在一些优选实施例中，正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔，且正极耳31的材质也为铝箔，对应地，负极耳32的材质为铜箔。
63.本实施例中的相变介质4在放入电芯之前，需要进行预处理，具体地，该相变介质4可以采用如下方法进行预处理：
64.设定相变介质4的形变温度；
65.将相变介质4的多个突起部42均朝一侧弯曲后，通过加热定型，形成相变介质4的原始形状；
66.将相变介质4放置在常温下，使相变介质4呈平整状态，也即多个突起部42和介质主体41在同一个平面。
67.上述实施例中，相变介质44的形变温度可以根据电池热失控的温度进行设定，例如，电池热失控的温度为80℃至130℃，则相变介质4的形变温度为80℃至130℃。
68.上述实施例中，突起部42弯曲后，通过用热风枪或烘箱在400℃至500℃加热3min至5min，形成相变介质4的原始形状。
69.本实施例第二方面提供了一种电池，该电池包括电芯、电解液和壳体，壳体的内部形成容纳腔，电芯和电解液位于容纳腔内，且电芯和电解液封装于壳体的内部；电芯为如第一方面所述的电芯。
70.本实施例的电池，通过在极片上设置相变介质，电池发生外短路时，电池内部的电流很大，极耳处的温度会迅速升高，并通过热传导传递到相变介质上，使相变介质的温度也迅速升高，当达到相变介质的形变温度时，相变介质断开极耳和集流体之间的连接，使极耳和集流体呈非连续状态，切断通路，阻止电芯急剧产热，避免电池发生热失控，提升了电池的安全性；此外，该相变介质体积小、不占用电池内部的空间，不会增大电池内阻，对电池的能量密度或功率特性基本没有影响。
71.下面结合一个具体实施例对本技术实施例提供的电池的效果进行说明：
72.取一款软包电池，该电池的容量为5500mah，工作电压范围为2.8v至4.2v，活性物质层为ncm811/石墨，该软包电池的电芯为卷芯，且卷芯的卷绕尾端为空箔区，将卷芯拆开，正极耳和正极片重叠区域的宽度为1.9mm，长度为0.6mm，将相变介质进行预处理后，用耐高温胶带在正极片与正极耳相对一侧空箔区上粘贴相变介质，该相变介质的介质主体用耐高温胶带固定，突起部不固定，该相变介质的材质为niti合金，突起部未弯曲时，相变介质的
厚度为0.1mm，介质主体靠近正极集流体边缘的一侧为平面端，介质主体与平面端相对一侧的边缘为一个三角形尖端，其长度为0.7mm，介质主体的另外两个侧面的边缘均为三个三角形尖端，每个三角形尖端的宽度为0.7mm，且三角形尖端的尖端角度为45
°
，该相变介质的两侧表面均复合有聚丙烯绝缘薄膜，其余的与普通电池相同。再将电芯卷绕，并封装至壳体内，得到具有外短路保护结构的电池。
73.将具有外短路保护结构的电池和普通电池充满电后，在两个电池的正极和负极之间直接连接一个阻值为3mω的定值电阻，对具有外短路保护结构的电池和普通电池进行外短路测试。
74.得到如图6和图7所示的测试结果，图6为具有外短路保护结构的电池的外短路测试曲线图；图7为普通电池的外短路测试曲线图。由图6和图7可以看出，具有外短路保护结构的电池，在外短路测试过程中，当电池的温度达到90℃左右，相变介质的突起部弯曲，且多个突起部朝同一侧弯曲并刺破正极集流体，使正极耳和正极集流体呈非连续状态，而绝缘膜能够阻断正极耳和正极集流体之间的导通，从而断开正极耳和正极集流体的连接，切断通路，具有外短路保护结构的电池电压降为零，具有外短路保护结构的电池不再产热并开始降温，没有发生热失控；而普通电池在外短路测试过程中，电池温度持续上升，最终到达电池的热失控温度，引发热失控。上述结果也说明了本技术实施例中提供的电芯和电池，能够对电池起到较好的外短路保护作用，且相变介质的体积小，不会占用电池的内部空间和增大电池的内阻。
75.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。