圆柱锂离子电芯、圆柱锂离子电池、电池模组、电池包、用电设备和圆柱锂离子电芯的安全测试方法与流程

本发明涉及锂离子电池，尤其是涉及一种圆柱锂离子电芯、圆柱锂离子电池、电池模组、电池包、用电设备和圆柱锂离子电芯的安全测试方法。

背景技术：

1、高能量密度圆柱锂离子电芯通常采用较长卷芯、高面密度极片、含硅负极和高镍正极体系。该类电芯在高温存储、高温循环、过充或高倍率工况下会产生一定量气体，气体在壳体内累积后会使顶盖组件承受压力，并可能诱发开阀、漏液、内阻升高或安全性能下降。

2、现有设计中，通常从安全阀刻痕、开启压力、排气面积、中心支撑件、集流盘开孔或外周膨胀胶带角度改善安全性能。然而，安全阀自身参数仅决定压力释放阈值，不能充分反映电芯在开阀前的气体缓冲能力；中心支撑件和集流盘开孔更多用于支撑或排气路径构建，不能独立说明壳体内部可用于容纳气体的缓冲余量；膨胀胶带和径向预紧结构主要改善卷芯外周松动和跌落稳定性，也不能替代壳内气体体积、卷芯高度余量和单位容量产气量之间的定量匹配。

3、有鉴于此，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种圆柱锂离子电芯，以至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、本发明的目的之二在于提供一种圆柱锂离子电池。

3、本发明的目的之三在于提供一种电池模组。

4、本发明的目的之四在于提供一种电池包。

5、本发明的目的之五在于提供一种用电设备。

6、本发明的目的之六在于提供一种圆柱锂离子电芯的安全测试方法。

7、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

8、第一方面，本发明提供一种圆柱锂离子电芯，包括圆柱壳体、容纳于所述圆柱壳体内的卷芯、电解液以及与所述圆柱壳体封接的盖帽组件，所述卷芯由正极极片、隔膜和负极极片卷绕形成，所述卷芯具有沿轴向延伸的中心孔，所述圆柱锂离子电芯满足以下壳内缓冲联立条件：

9、vfree为0.42cm3-1.05cm3，hg为0.20mm-1.20mm，vc为0.45cm3-0.95cm3，且kgas为5.0cm3·ah/g-18.0cm3·ah/g，kgas＝vfree/gcap；

10、其中，所述vfree为壳内自由气体体积，所述hg为卷芯轴向高度余量，所述vc为中心孔等效体积，所述kgas为产气缓冲系数，所述gcap为所述圆柱锂离子电芯在60℃高温循环后按单位放电容量归一化的产气量，单位为g/ah。所述圆柱锂离子电芯的直径位于20.3-21.3mm，高度位于70-72mm。

11、进一步的，hg=hin-hj，其中，hin为圆柱壳体内部可容纳卷芯的有效轴向高度，hj为卷芯经揉平后的轴向高度；

12、可选地，当dc和hj均以mm计时，vc=π×(dc/2)2×hj/1000，其中，dc为中心孔等效直径，vc的单位为cm3；

13、可选地，所述dc为3.0mm-4.2mm，且dc/hj为0.045-0.065。

14、进一步的，所述vfree为0.55cm3-0.90cm3，优选为0.62cm3-0.78cm3；

15、可选地，所述hg为0.35mm-0.90mm，优选为0.45mm-0.70mm；

16、可选地，所述vc为0.52cm3-0.78cm3，优选为0.58cm3-0.70cm3；

17、可选地，所述gcap不大于0.13g/ah，优选为0.035g/ah-0.095g/ah；所述gcap按60℃、8a充电和20a放电循环100圈后的壳内气体增量除以0.2c放电容量计算；

18、可选地，所述kgas为7.0cm3·ah/g-15.0cm3·ah/g，优选为8.5cm3·ah/g-13.5cm3·ah/g。

19、进一步的，所述圆柱锂离子电芯还满足高度余量与气体缓冲联立窗口：khg=hg×kgas，khg为3.0-14.0mm·cm3·ah/g，优选为4.0-9.5mm·cm3·ah/g；

20、可选地，所述圆柱锂离子电芯还满足开阀风险系数kv=gcap/(vfree×hg)不大于0.35g/(ah·cm3·mm)，优选为0.05-0.22g/(ah·cm3·mm)。

21、进一步的，所述圆柱锂离子电芯在60℃、8a充电和20a放电循环100圈后，未发生安全阀开启，且电芯壳体外表面最高温度不高于85℃。

22、第二方面，本发明提供一种圆柱锂离子电池，包括所述的圆柱锂离子电芯。

23、第三方面，本发明提供一种电池模组，包括所述的圆柱锂离子电池。

24、第四方面，本发明提供一种电池包，包括所述的电池模组。

25、第五方面，本发明提供一种用电设备，包括所述的电池包。

26、第六方面，本发明提供一种圆柱锂离子电芯的安全测试方法，包括：

27、（a）对完成化成和分容的圆柱锂离子电芯进行ct扫描，获得hj、dc和卷芯径向尺寸；

28、（b）测量圆柱壳体的内部有效体积以及位于卷芯外轮廓之外的自由电解液保持量；

29、（c）计算vfree、hg和vc；

30、（d）在60℃下进行8a充电和20a放电循环，采集循环后的壳内气体并测定gcap；

31、（e）根据产气缓冲系数kgas=vfree/gcap和开阀风险系数kv=gcap/(vfree×hg)判断所述圆柱锂离子电芯是否满足壳内缓冲联立条件。

32、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

33、本发明提供的圆柱锂离子电芯，通过将壳内自由气体体积vfree、卷芯轴向高度余量hg、中心孔等效体积vc以及产气缓冲系数kgas＝vfree/gcap耦合限定于一协同缓冲窗口内，使得电芯内部的自由气体容纳空间、卷芯轴向缓冲距离、中心孔气体迁移通道与单位容量产气负荷之间形成定量匹配。其中，vfree为产气提供直接容纳空间，hg降低卷芯膨胀后顶盖组件过早受力的风险，vc为气体在卷芯内部与顶空之间的轴向迁移和压力均化提供通道，kgas则将自由体积与产气量归一化关联，使得缓冲能力与产气负荷直接对应，而非孤立地依赖自由体积或安全阀开启压力的单一参数。上述参数的协同作用在高温循环或产气场景下有效降低了开阀风险，同时避免了自由体积或高度余量过大导致的能量密度损失和卷芯定位稳定性下降，兼顾了气体缓冲能力与结构紧凑性。

1.一种圆柱锂离子电芯，包括圆柱壳体、容纳于所述圆柱壳体内的卷芯、电解液以及与所述圆柱壳体封接的盖帽组件，所述卷芯由正极极片、隔膜和负极极片卷绕形成，所述卷芯具有沿轴向延伸的中心孔，其特征在于，所述圆柱锂离子电芯满足以下壳内缓冲联立条件：

2.根据权利要求1所述的圆柱锂离子电芯，其特征在于，hg=hin-hj，其中，hin为圆柱壳体内部可容纳卷芯的有效轴向高度，hj为卷芯经揉平后的轴向高度；

3.根据权利要求1所述的圆柱锂离子电芯，其特征在于，所述vfree为0.55cm3-0.90cm3，优选为0.62cm3-0.78cm3；

4.根据权利要求1所述的圆柱锂离子电芯，其特征在于，所述圆柱锂离子电芯还满足高度余量与气体缓冲联立窗口：khg=hg×kgas，khg为3.0-14.0mm·cm3·ah/g，优选为4.0-9.5mm·cm3·ah/g；

5.根据权利要求1所述的圆柱锂离子电芯，其特征在于，所述圆柱锂离子电芯在60℃、8a充电和20a放电循环100圈后，未发生安全阀开启，且电芯壳体外表面最高温度不高于85℃。

6.一种圆柱锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的圆柱锂离子电芯。

7.一种电池模组，其特征在于，包括权利要求6所述的圆柱锂离子电池。

8.一种电池包，其特征在于，包括权利要求7所述的电池模组。

9.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求8所述的电池包。

10.如权利要求1-5任一项所述的圆柱锂离子电芯的安全测试方法，其特征在于，包括：