一种高能量密度的方形电池及其制造方法与流程

1.本技术属于二次电池生产技术领域，尤其涉及一种高能量密度的方形电池及其制造方法。


背景技术：

2.新能源领域，尤其是以锂离子电池为动力来源的电动车领域正在迎来爆发期。目前使用的锂离子电池按外形包装主要分为圆柱锂离子电池、方形铝壳（钢壳、塑壳）锂离子电池和软包锂离子电池，这三种类型的锂离子电池在电动车中均被广泛应用。无论是哪种类型的锂离子电池均包含以下结构，外包装、裸电芯、电解液和正负极连接件。对圆柱锂离子电池和方形铝壳（钢壳、塑壳）锂离子电池来说，其电池盖在整个外包装结构中占据较大比重，其一般具有导流，安全防护，密封等作用。
3.目前主流的二次电池包括圆柱锂离子电池、软包锂离子电池和铝壳/钢壳锂离子电池，在这几种结构形式中，软包电池具有较高的能量密度，这是由于其结构简单，外包装采用铝塑膜材质。但是由于软包电池只使用铝塑膜作为外包，存在结构脆弱、边角容易破损、容易产气膨胀、电池漏液概率较高及成组时需要增加大量结构加强件的问题。相比，圆柱锂离子电池和铝壳/钢壳锂离子电池由于外壳采用铝制或者钢制等材料，结构强度高，膨胀破损概率极低，同时组成模组时所需要的结构加强件较少，但是能量密度方面，圆柱和钢壳/铝壳电池与软包电池相比存在劣势。发明专利《一种新型软包方壳电池》（cn 115000592 a）公布了一种提高软包电芯结构强度的方法，通过薄外壳代替模组架构对软包电池进行保护，但是外加的结构降低了电池的能量密度，增加了模组的成本。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本技术提供了一种高能量密度的方形电池，及这种电池的制造方法，电池具有高能量密度的同时，具有很好的结构强度，方便的模组成组方式。
5.本技术方形电池的技术解决方案是：一种高能量密度的方形电池，其特征在于：包括带盖料框、裸电芯、正极转接片、负极转接片和塑料膜；所述带盖料框为两侧端口开放的方形料框，具有正极端子、负极端子和注液通孔；所述正极端子、负极端子分别通过正极转接片、负极转接片与裸电芯的正负极耳相连；所述塑料膜密封固定在带盖料框的两侧端口上。
6.本发明方形电池的技术解决方案中所述的带盖料框是整体成形的，正极端子和负极端子镶嵌在塑料材质的料框的一个侧面上。
7.本发明方形电池的技术解决方案中所述的注液通孔位于正极端子与负极端子之间，直径为3-6mm，通孔外部具有倒角，倒角角度30
°‑
60
°
，通孔四周具有向上凸起的凸台。
8.本发明方形电池的技术解决方案中所述的塑料膜为铝塑膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜、尼龙薄膜、abs薄膜或者其他种类的聚烯烃薄膜，膜厚≤0.6mm；所述塑料膜通过热压或者超声焊接在带盖料框的两侧端口上，实现密封。
9.本发明方形电池的技术解决方案中所述的正极转接片、负极转接片的外形均呈直角梯形，间隔设有一大通孔和一小通孔；所述大通孔直径对应略小于正极端子、负极端子下部圆柱，小通孔与带盖料框对应位置的凸起配合；所述正极转接片、负极转接片通过铆接或者焊接的方式与带盖料框形成一体。
10.本发明方形电池的技术解决方案中所述的塑料材质为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、abs、聚碳酸脂或其共聚物，或者为内嵌金属的纳米注塑件；所述带盖料框两侧和/或底部表面间隔设有或密布凹陷，凹陷的形状为蜂窝状、矩形状、圆形状或其他形状。
11.本发明方形电池的技术解决方案中所述的正极端子为一体成形，中部具有至少一个凸起部，材质为纯铝或其合金；所述负极端子为一体成形，中部具有至少一个凸起部，外露端子部分的材质为纯铝及其合金，内部连接部的材质为纯铜及其合金。
12.本发明方形电池的技术解决方案中所述的裸电芯由多个正极片、负极片及隔膜叠加在一起形成，箔材形成的正、负极耳外露，外露的长度为方形电池厚度的60%-90%，且通过整形偏向厚度方向的一侧。
13.本发明制造方法的技术解决方案是：一种高能量密度的方形电池的制造方法，其特征在于包括以下步骤：a) 裸电芯，正极片-隔膜-负极片通过卷绕或叠片形成裸电芯，裸电芯一端出极耳，极耳长度控制在15-25mm；b) 裸电芯与正极转接片、负极转接片通过超声或者激光焊接的方式连接；c) 折叠软连接和极耳，将裸电芯放入带盖料框，上下两面覆盖塑料膜密封；d) 注入电解液，电解液注入量按电池容量的3-8g/ah计算；e) 小电流对裸电芯进行充电，充电过程中通过负压将产气抽出；f) 充电至50%-80%soc后，补充充电过程中损失的电解液，用塑料膜热压或者超声方式将注液通孔密封，制造成高能量密度的方形电池。
14.本发明制造方法的技术解决方案还可以是：一种高能量密度的方形电池的制造方法，其特征在于包括以下步骤：a) 提供正极端子和负极端子，固定于模具中，挤入塑料，冷却后形成带正负极端子的带盖料框；对应正负极端子装入正负极转接片，冷压铆接固定正负极转接片；b) 将数个正极片、负极片及隔膜叠加在一起形成具有外露极耳的裸电芯。将裸电芯极耳整形成偏向一侧，特别的是极耳是偏向上一侧；c) 将正负极转接片按照折叠线弯折一定角度，弯折角度控制在20
°‑
60
°
，裸电芯平放，控制转接片焊接区域水平，将裸电芯极耳叠放在转接片上，通过超声焊接，将极耳与转接片进行焊接；d) 折叠转接片和极耳，将裸电芯放入带盖料框中，正面通过热压覆盖一层铝塑膜，将整个电芯翻转，在背面覆盖一层铝塑膜，完成电池的装配；e) 将上述电池注入适量电解液，通过微小电流进行充电，反应过程中在带盖料框通孔处抽真空，将反应产生的气体抽出；当充入容量达到设计容量的60%-80%时，停止充电，再注入适量电解液，在带盖料框通孔处覆盖一块铝塑膜，通过热压密封通孔，完成电池的制造。
15.本发明具有如下优点：
1、实现电池高能量密度的同时，保证了电池结构在xy方向上的高强度，同时具备软包电池、铝壳/钢壳电池的优点，避免了各自的缺点；2、电芯尺寸不受限制，对比软包电池，可以制作超厚电池，厚度≥15mm；3、适合制作ctp结构的模组，能够简化模组设计，降低模组生产加工时间和成本；4、生产过程相比软包不存在铝塑膜的拉伸、切除，拐角撕裂破损风险被消除。
16.本发明具有在保持高能量密度的同时还具有很好的结构强度和方便模组成组的特点，主要用于高能量密度的方形锂离子电池。
附图说明
17.为了更清楚的说明本技术实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为高能量密度的方形电池的结构示意图。
19.图2为方形电池装配时的状态示意图。
20.图3为带盖料框的详细结构示意图。
21.图4为正负极转接片的结构示意图。
22.图5为正负极端子结构示意图。
23.图6为内嵌金属加强件的带盖料框的结构示意图。
24.图7为使用发明申请的方形电池的12v模组的示意图。
25.图8为长宽比超过5的方形电池示意图。
26.图中：10-带盖料框；101-边框主体；102-正极端子；103-负极端子；104-正极转接片；105-负极转接片；106-注液通孔；20-裸电芯；30-塑料膜；40-金属薄片；50-外壳；60-电芯。
具体实施方式
27.下面结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。文中所述“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中的高能量密度的方形电池的放置状态为参照。显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域中的普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，均在本技术的保护范围之内。
28.如图1至图3所示，本技术实施例提供了一种高能量密度的方形电池。该高能量密度的方形电池包括带盖料框10、裸电芯20、转接片和塑料膜30。带盖料框10具有正负极端子102、103，内部通过正负极转接片104、105与裸电芯20相连，还具有一注液通孔通孔106，用于注液及泄压。转接片一端固定在端子上，另一端与裸电芯20的极耳连接。裸电芯20具有引出的极耳，多个正极片、负极片及隔膜。塑料膜30覆盖在带盖料框10的两面，与带盖料框10形成密封的袋装结构，将裸电芯20与外部环境隔绝。
29.带盖料框10如图3所示，主体材质为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、abs、聚碳酸脂或其共聚物，需要更高的结构强度时，内部可以嵌入金属薄片40，为金属加强件，如图6所示。金属薄
片40截面呈波浪形，在带盖料框的端子位置具有开口。带盖料框10顶部具有以下部件：正极端子102、通孔凸台、负极端子103。正极端子102如图5所示，采用金属铝材质，端子下部为圆柱状，可以和正极转接片104配合后通过冷压铆接固定正极转接片104，中部具有凹槽，顶部形状为槽口形；负极端子103如图5所示，采用金属铜-铝复合材质，端子下部为铜材质圆柱状，可以和负极转接片105配合后通过冷压铆接固定负极转接片105，中部具有凹槽，顶部材质为金属铝，形状为槽口形。通孔凸台部分相对带盖料框10上平面凸起为1-3mm，两侧从带盖料框10平面平滑过渡，通孔凸台中心具有注液通孔106，为直径3-6mm的圆形通孔，圆形通孔外部具有倒角，倒角角度30
°‑
60
°
。带盖料框10两侧及底部具有凹陷，凹陷的形状为蜂窝状、矩形状、圆形状或其他形状。本实施例中带盖料框10两侧具有蜂窝状凹陷，凹陷深度为2mm，凹陷深度的范围为带盖料框厚度的50%-70%，蜂窝凹陷的边长为3mm，边长可控制在电芯厚度的10%-30%。
30.正极转接片104如图4所示，正极转接片104的外形呈直角梯形，厚度为0.4-1.2mm，采用金属铝材质。靠近短边的位置设置大通孔，大通孔直径略小于正极端子102下部圆柱，沿水平位置距离大通孔10mm设置小通孔，直径2mm，可以与带盖料框10对应位置的凸起配合，当进行正极转接片104铆接的时候可以对正极转接片104进行定位，防止正极转接片104发生扭转，影响后续装配。负极转接片105如图4所示，转接片的外形呈直角梯形，厚度为0.2-1.0mm，采用金属铜材质。靠近短边的位置设置大通孔，大通孔直径略小于正极端子下部圆柱，沿水平位置距离大通孔10mm设置小通孔，直径2mm，可以与带盖料框10对应位置的凸起配合，当进行负极转接片105铆接的时候可以对负极转接片105进行定位，防止负极转接片105发生扭转。正极转接片104、负极转接片105底部为焊接区域，焊接区域呈矩形，焊接区域与梯形斜边交界的地方为转接片折叠线，折叠线上设置槽型开孔，开孔长度占折叠线的长度的比例为20%-60%，保证转接片可以被良好弯折。
31.裸电芯20如图7所示，数个正极片、负极片及隔膜叠加在一起形成具有外露极耳的裸电芯20。箔材形成的极耳通过整形偏向厚度方向的一侧，极耳外露的长度控制在方形电池厚度的60%-90%。密封带盖料框两面使用铝塑膜，铝塑膜完整覆盖带盖料框的两个上下面。裸电芯20为现有技术。
32.本实施例提供的一种高能量密度的方形电池的制造方法如下：第一步，提供正极端子102和负极端子103，固定于模具中，挤入塑料，冷却后形成带正负极端子102、103的带盖料框10。对应正负极端子102、103装入正负极转接片104、105，冷压铆接固定正负极转接片104、105。
33.第二步，将数个正极片、负极片及隔膜叠加在一起形成具有外露极耳的裸电芯20。将裸电芯20极耳整形成偏向一侧，特别的是极耳是偏向上一侧。
34.第三步，将正负极转接片104、105按照折叠线弯折一定角度，弯折角度控制在20
°‑
60
°
，裸电芯20平放，控制正负极转接片104、105焊接区域水平，将裸电芯20极耳叠放在正负极转接片104、105上，通过超声焊接，将极耳与正负极转接片104、105进行焊接。
35.第四步，折叠正负极转接片104、105和极耳，将裸电芯20放入带盖料框10中，正面通过热压覆盖一层铝塑膜，将整个电芯翻转，在背面覆盖一层铝塑膜，完成电池的装配。
36.第五步，将上述电池注入适量电解液，通过微小电流进行充电，反应过程中在注液通孔106处抽真空，将反应产生的气体抽出。当充入容量达到设计容量的60%-80%时，停止充
电，再注入适量电解液，在注液通孔106处覆盖一块铝塑膜，通过热压密封通孔，完成电池的制造。
37.采用相同材料体系，保持外部尺寸相似的情况下，与软包电池、方形铝壳电池的对比如下：与同尺寸的方形铝壳电池相比，本发明申请的方形电池具有更高的能量密度，达到173wh/kg，具有8%的能量密度优势。与软包电池相比，质量能量密度相差无几，但是体积能量密度具有19%的优势，同时具有更高的结构强度、更大的单体容量，成模组时具有较大的优势。如图7所示的模组，外部使用铝压铸制造，内部放入四只本发明电芯60，组成模组。铝压铸的外壳50顶面和底面具有刀片状散热栅，散热珊高度在5mm-20mm之间，间距在10mm-30mm之间，厚度≤8mm，增大被动散热面积的同时，可以加强整体的结构强度，保证模组在z方向上的结构强度。与现有技术方案相比，无其他多余加强结构和部件，在较低的成本下达到较高的能量密度。
38.更进一步本实施例相比软包电池可以制造长宽比超过5的片状电池，如图8所示，电池尺寸为20mm*150mm*1203mm，质量能量密度＞185wh/kg，体积能量密度达到450wh/l。由于带盖料框的高强度，不需要其他任何结构加强部件，不存在软包电池无法做厚，且做长之后结构强度不足，容易弯折的问题。