一种圆柱电池热膨胀断路结构及其电池的制作方法

1.本发明属于电池领域，特别涉及一种圆柱电池热膨胀断路结构及其电池。


背景技术：

2.圆柱锂离子电池通常由正极、负极、电解液和隔膜，通过卷绕的方式，再与盖帽和外壳装配而成。cid(current interrupt device)是一种安全装置，用于保护电池在异常情况下的过充或过放。
3.cid翻转结构是cid的一种设计，用于圆柱锂离子电池中。它是一种基于电池内部热失控时，产生大量的气体，气体会触发cid断开的安全装置，可以通过断开电池内部电路来防止过充或过放引起的电池失效或安全问题。cid翻转结构通常由两个金属片组成，它们被连接在电池的正极和负极之间。其中一个金属片是弯曲的，称为“弯片”，另一个是固定的，称为“固定片”。如附图1中图(1a)常态和图(1b)翻转状态所示。
4.在正常工作状态下，cid的弯片100与固定片101之间是连接的，电流可以正常通过电池。但当电池发生异常情况时，例如过充或过放导致电池内部温度升高，产生大量的气体。当电池内部气压升高到预设的压强时(如1.2mpa-1.5mpa)，受高压气体的影响cid翻转结构的弯片会从连接状态(图1a)翻转到断开状态(图1b)，将电池内部的电路断开，阻止电流继续流过。通过断开电路，cid翻转结构可以有效防止过充或过放引起的电池失效或安全问题，从而保护电池免受过载或过放的损害。
5.cid结构的缺点是一旦弯片翻转，电池即失效。对于上述不足，本发明提出一种圆柱电池的热膨胀断路结构及其电池，在60-100度的温度范围内，当电池温度升高时可以使得电池断开电流，待温度恢复后电池电路又可以重新导通。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种圆柱电池热膨胀断路结构及其电池，当电池温度升高时可以使得电池断开电流，待温度恢复后电池电路又可以重新导通。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种圆柱电池热膨胀断路结构，包括胶圈和沿电池轴向依次设置在胶圈上的帽盖、连接片和膨胀片，所述连接片与帽盖导电接触，所述连接片与帽盖之间构成有膨胀腔一，所述连接片上包含有朝向膨胀片凸出的导电部，在常态下，所述导电部导电接触于膨胀片，在所述膨胀腔一受热膨胀的状态下，所述膨胀片与连接片为非同步膨胀，所述膨胀片向远离于连接片的一侧弹性变形直至分离于导电部。
9.进一步的，所述导电部包含有若干个导电凸起环，且若干导电凸起环在径向上由内至外间距分布，且所述导电凸起环从内至外依次顺序与膨胀片分离而减小连接片与膨胀片的导电接触面积。
10.进一步的，所述膨胀片为中心凹陷的片体结构，若干所述导电凸起环位于所述膨
胀片的凹陷区内，所述导电凸起环对应于膨胀片的端部为接触端，且若干所述接触端沿凹陷区的弧面导向排列。
11.进一步的，所述膨胀片在径向剖面上，若干所述导电凸起环呈波浪状结构。
12.进一步的，所述导电凸起环为连接片朝向膨胀片一侧冲压形成，且所述导电凸起环包含两个拉深臂，在从中心向外的方向，各导电凸起环中的两拉深臂的跨度逐渐减小。
13.进一步的，在所述膨胀腔一热膨胀状态下，所述导电部和膨胀片均向远离于帽盖的一侧弹性变形，所述膨胀片的膨胀系数大于导电部的膨胀系数，所述膨胀片在膨胀过程中能够分离于导电部。
14.进一步的，所述连接片包含外环部，所述导电部位于外环部的内侧，所述外环部与帽盖外周轮廓导电且密封贴合，所述连接片与膨胀片之间存在间距空间且构成膨胀腔二，所述膨胀腔二的容积小于膨胀腔一；所述膨胀腔二热膨胀状态下外胀连接片和膨胀片。
15.进一步的，设定α1为连接片的热膨胀系数，α2为膨胀片的热膨胀系数，t1为连接片的厚度，t2为膨胀片的厚度，k为分离系数，则连接片和膨胀片的厚度设计满足以下标准：
16.t1/t2《(α2/α1)*k，且k＜1。
17.一种电池，包含圆柱电池热膨胀断路结构。
18.有益效果：本发明中，当电池温度升高时，膨胀腔一内气体膨胀使得连接片和膨胀片膨胀弹性变形，从而可以使得膨胀片脱离与连接片，使得电池断开电流，待温度恢复后，膨胀腔一内压恢复，膨胀片复位至接触于连接片，使得电池电路又可以重新导通，从而能够多次使用。
附图说明
19.附图1为现有技术中的cid翻折结构示意图；
20.附图2为本发明的整体结构在常态下的示意图；
21.附图3为本发明的整体结构在膨胀状态下的示意图；
22.附图4为本发明的连接片的轴向示意图；
23.附图5为本发明的连接片的半剖示意图；
24.附图6为本发明的膨胀片的半剖示意图；
25.附图7为本发明的实施例一种整体结构的尺寸图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
27.如附图2至附图4所示，一种圆柱电池热膨胀断路结构，包括胶圈1和沿电池轴向依次设置在胶圈1上的帽盖2、连接片3和膨胀片4，所述连接片3与帽盖2导电接触，所述连接片3与帽盖之间构成有膨胀腔一10，所述连接片3上包含有朝向膨胀片4凸出的导电部6，在常态下，所述导电部6导电接触于膨胀片4，电芯通过膨胀片、连接片与帽盖进行电性连接，当电池温度过高时，温度传递到膨胀腔一10，并使得膨胀腔一的内压增大，在所述膨胀腔一10受热膨胀的状态下，所述膨胀片4与连接片3为非同步膨胀，所述膨胀片4向远离于连接片的一侧弹性变形直至分离于导电部6，当电池温度升高时，膨胀腔一10内气体膨胀使得连接片和膨胀片膨胀弹性变形，从而可以使得膨胀片脱离与连接片，使得电池断开电流，待温度恢
复后，膨胀腔一的内压恢复，膨胀片复位至接触于连接片，使得电池电路又可以重新导通，从而能够多次使用。
28.另外，现有弯片翻转需要电芯内部有较大的气体压强，当内部压强不够，弯片也无法翻转断开电路。对于此问题，如附图2-5所示，所述导电部6包含有若干个导电凸起环7，且若干导电凸起环7在径向上由内至外间距分布，且所述导电凸起环7从内至外依次顺序与膨胀片4分离而减小连接片与膨胀片的导电接触面积。
29.连接片和膨胀片均为金属片，例如连接片3为钢片，膨胀片为铝片，且两者的膨胀系数不同，在所述膨胀腔一热膨胀状态下，所述导电部6和膨胀片4均向远离于帽盖的一侧弹性变形，所述膨胀片4的膨胀系数大于导电部的膨胀系数，所述膨胀片在膨胀过程中能够分离于导电部6。
30.该结构由两种热膨胀系数不同的金属片组成，两种金属片通过一定的弹性形变物理接触，并接触式的连接在一起，由于连接片于膨胀片通过若干个导电凸起环7进行连接，则在径向上，两者间有n个连接点，实现电性导通。当金属片受热后，由于金属片的膨胀程度不同，引发金属片之间的连接点产生位移和变形，也即膨胀片与导电部之间发生相对位移变形。通过设计和调整两种金属片的材质、尺寸和形状，可以使得受热后的位移或变形足够大，从而使连接点逐步减小以至于断开连接点；由于电池内部极耳与帽盖的接触面影响电池自身的电流大小，因此通过改变膨胀片与连接片的接触面来调节电池的电流大小，减小接触面积降低电流，减小发热，可在设计的温度范围内，实现减小和关断电流的目的。
31.如图5和图6所示，所述膨胀片4为中心凹陷的片体结构，向背离于连接片的一侧凹设，所述膨胀片4包含位于外圈的柄部4b和位于内圈的弧面部4a，两者为一体结构，若干所述导电凸起环7位于所述膨胀片的凹陷区内，所述导电凸起环7对应于膨胀片的端部为接触端7a，且若干所述接触端7a沿凹陷区的弧面导向排列，使得在常态下，各个接触端7a能够刚好接触到膨胀片4的弧面。
32.所述膨胀片4在径向剖面上，若干所述导电凸起环7呈波浪状结构，而且膨胀片4上的各处厚度相等，从而形成多个间距的环状的导电凸起环7，用于在径向上形成内外间距的多个接触环。所述导电凸起环7为连接片朝向膨胀片一侧冲压形成，且所述导电凸起环7包含两个拉深臂7b，在从中心向外的方向，各导电凸起环中的两拉深臂7b的跨度逐渐减小，则降低位于中间区域的导电凸起环的变形程度，使得连接片3具有较小的膨胀变形程度，甚至不变形。
33.所述连接片3包含外环部8，所述导电部6位于外环部8的内侧，所述外环部8与帽盖2外周轮廓导电且密封贴合，所述外环部8与膨胀片4的外圈壁体间距且绝缘设置，所述连接片3与膨胀片4之间存在间距空间且构成膨胀腔二5，也即导电凸起环7之间的凹腔部分与膨胀片4之间存在空间，所述膨胀腔二5的容积小于膨胀腔一10，即膨胀腔一内压大于膨胀腔二；所述膨胀腔二5热膨胀状态下外胀连接片和膨胀片，通过膨胀腔二5助力膨胀片4分离于连接片的导电部6。
34.另外，由于在从中心向外的方向，各导电凸起环中的两拉深臂7b的跨度逐渐减小，任意两相邻的导电凸起环之间与膨胀片构成次级膨胀腔，且位于中心区域的次级膨胀腔大于外侧的次级膨胀腔，则在热膨胀时，中心区域的次级膨胀腔使得膨胀片中心区域的片体更先分离于导电凸起环7，从而形成连接片与膨胀片之间的导电接触点从内至外依次分离
的效果。
35.连接片和膨胀片的厚度根据选用金属热膨胀系数来设计，一般取在100度时，热膨胀系数作为标准。厚度与热膨胀系数为反比。设定α1为连接片的热膨胀系数，α2为膨胀片的热膨胀系数，t1为连接片的厚度，t2为膨胀片的厚度，k为分离系数，则连接片和膨胀片的厚度设计满足以下标准：
36.t1/t2《(α2/α1)*k，且k＜1；
37.k的取值范围在0.5-0.8。
38.一种电池，包含圆柱电池热膨胀断路结构。
39.实施例1，32140-15ah，3.2v，正极磷酸铁锂，负极石墨。
40.如图6，根据结构，设有连接片和膨胀片，连接片材质为钢；膨胀片材质为铝。图中尺寸为：
41.a盖帽外径＝31.5
±
0.1mm，b连接片外径＝29mm
±
0.1mm，c膨胀片外径＝29mm
±
0.1mm，d盖帽总厚度＝4.8
±
0.1mm，t1连接片厚度＝1.8mm
±
0.1mm，t2膨胀片厚度＝1.2mm
±
0.1mm(此时系数k＝0.7)，
42.如图7所示，连接片的齿状结构与膨胀片圆柱结构接触，有7个连接点，用于导通电流。连接片和膨胀片柄状结构中间隔有胶圈层，柄状结构部分是不导通的。
43.电池在充放电过程中，如果出现问题，导致电池温度异常升高，当温度传导到盖帽上时，由于连接片和膨胀片不同的热膨胀系数，膨胀片向下变形，连接片与膨胀片的连接点随着温度升高逐步地断开，从而起到减小电流直至断开电流，防止出现安全事故。断开后，当电池温度恢复正常时，连接片和膨胀片又恢复初始状态，连接点重新导通，又可以恢复正常使用。
44.使用本发明的盖帽，经卷绕，入壳，点底焊，滚槽，焊盖帽，电芯烘烤，注液，化成，分容后，制得32140-15ah电池。测试容量，acr，短路测试。
45.对比例1：
46.使用传统的cid盖帽，经卷绕，入壳，点底焊，滚槽，焊盖帽，电芯烘烤，注液，化成，分容后，制得32140-15ah电池。
47.数据对比如下表：
[0048][0049]
从上表可以看出，实施例1与对比例1相比，两者制得的电芯容量和acr比较接近。高温短路测试时，随着电池温度上升，实施例1盖帽内的连接点是逐步断开的，到101度时全部断开，保护了电池温度不至于上升到过高，恢复室温后电池内的电路重新导通。对比例1温度升到141度之后，cid才翻转，电池已失效。
[0050]
60度10c倍率放电，实施例1随着电池温度上升，实施例1盖帽内的连接点逐步断开，电池温度到93度时断开5个连接点，此时电池的内阻增加，欧姆极化增大，放电即已结束。而对比例1，持续放电，温度升到113度，此时电池内部已经大量产气，但仍未达到使cid翻转的气压。实施例1能够在更低的温升即保护电池不受过大电流引发的损害。
[0051]
综上所述，本发明的盖帽结构，结构可靠，在60-100度的温度范围内，当电池温度升高时可以逐步减小直至断开电流，待温度恢复后电池电路又可以重新导通，较传统盖帽结构具有更优的安全性能。
[0052]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：包括胶圈(1)和沿电池轴向依次设置在胶圈(1)上的帽盖(2)、连接片(3)和膨胀片(4)，所述连接片(3)与帽盖(2)导电接触，所述连接片(3)与帽盖之间构成有膨胀腔一(10)，所述连接片(3)上包含有朝向膨胀片(4)凸出的导电部(6)，在常态下，所述导电部(6)导电接触于膨胀片(4)，在所述膨胀腔一受热膨胀的状态下，所述膨胀片(4)与连接片(3)为非同步膨胀，所述膨胀片(4)向远离于连接片的一侧弹性变形直至分离于导电部(6)。2.根据权利要求1所述的一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：所述导电部(6)包含有若干个导电凸起环(7)，且若干导电凸起环(7)在径向上由内至外间距分布，且所述导电凸起环(7)从内至外依次顺序与膨胀片(4)分离而减小连接片与膨胀片的导电接触面积。3.根据权利要求2所述的一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：所述膨胀片(4)为中心凹陷的片体结构，若干所述导电凸起环(7)位于所述膨胀片的凹陷区内，所述导电凸起环(7)对应于膨胀片的端部为接触端(7a)，且若干所述接触端(7a)沿凹陷区的弧面导向排列。4.根据权利要求2所述的一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：所述膨胀片(4)在径向剖面上，若干所述导电凸起环(7)呈波浪状结构。5.根据权利要求4所述的一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：所述导电凸起环(7)为连接片朝向膨胀片一侧冲压形成，且所述导电凸起环(7)包含两个拉深臂(7b)，在从中心向外的方向，各导电凸起环中的两拉深臂(7b)的跨度逐渐减小。6.根据权利要求1所述的一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：在所述膨胀腔一热膨胀状态下，所述导电部(6)和膨胀片(4)均向远离于帽盖的一侧弹性变形，所述膨胀片(4)的膨胀系数大于导电部的膨胀系数，所述膨胀片在膨胀过程中能够分离于导电部(6)。7.根据权利要求6所述的一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：所述连接片(3)包含外环部(8)，所述导电部(6)位于外环部(8)的内侧，所述外环部(8)与帽盖(2)外周轮廓导电且密封贴合，所述连接片(3)与膨胀片(4)之间存在间距空间且构成膨胀腔二(5)，所述膨胀腔二(5)的容积小于膨胀腔一(10)；所述膨胀腔二(5)热膨胀状态下外胀连接片和膨胀片。8.根据权利要求6所述的一种圆柱电池热膨胀断路结构，其特征在于：设定α1为连接片的热膨胀系数，α2为膨胀片的热膨胀系数，t1为连接片的厚度，t2为膨胀片的厚度，k为分离系数，则连接片和膨胀片的厚度设计满足以下标准：t1/t2<(α2/α1)*k，且k＜1。9.一种电池，其特征在于：包含权利要求1至8中任一项中的圆柱电池热膨胀断路结构。

技术总结
本发明公开了一种圆柱电池热膨胀断路结构及其电池，包括胶圈和沿电池轴向依次设置在胶圈上的帽盖、连接片和膨胀片，所述连接片与帽盖导电接触，所述连接片与帽盖之间构成有膨胀腔一，所述连接片上包含有朝向膨胀片凸出的导电部，在常态下，所述导电部导电接触于膨胀片，在所述膨胀腔一受热膨胀的状态下，所述膨胀片与连接片为非同步膨胀，所述膨胀片向远离于连接片的一侧弹性变形直至分离于导电部。当电池温度升高时，膨胀腔一内气体膨胀使得连接片和膨胀片膨胀弹性变形，从而可以使得膨胀片脱离与连接片，使得电池断开电流，待温度恢复后，膨胀腔一内压恢复，膨胀片复位至接触于连接片，使得电池电路又可以重新导通，从而能够多次使用。多次使用。多次使用。


技术研发人员：王奇志
受保护的技术使用者：苏州时代华景新能源有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/28