电池外壳、电池、电池模组和电池包的制作方法

1.本实用新型涉及电池封装技术领域，具体涉及一种电池外壳、电池、电池模组和电池包。


背景技术：

2.现有电池外壳通常采用铝壳或钢壳，且铝壳和钢壳均为实心外壳。这种铝壳和钢壳仅能起到一定的物理保护作用，在电池因过充、挤压或针刺等原因导致热失控时，实心外壳不能阻止热失控，也不能起到延缓电池热失控，延长人员逃生时间的作用。
3.cn104953083a公开了一种防止电池起火爆炸的电芯结构，包括电芯本体和电芯壳体，电芯本体的外部包覆有高温自裂密封装置，电芯壳体内侧设置有减振装置，减振装置与密封装置之间设置有空腔，空腔内部填充有灭火材料水、干粉或碳酸氢钠，电芯本体和防火材料之间依靠聚丙烯薄膜隔离，当电池温度升高时，聚丙烯薄膜分解，防火材料通过破裂缝隙渗入到电芯本体表面，使电池组得到降温或灭火。但是，这种电芯结构存在以下缺点：
4.1)防火材料并不能用水，因为水会和负极的锂剧烈反应，导致更加剧烈的热失控；2)防火材料为固体，并不具有流动性，无法渗入电芯表面；3)尽管干粉和碳酸氢钠受热分解时可吸收热量，产生的惰性气体可阻止电池燃烧，但因为电芯本体和防火材料之间的隔离物是聚丙烯薄膜，难以避免电解液的渗透，干粉和碳酸氢钠会部分溶解在电解液中，改变电解液的组成，使电解液中含有其他非锂金属离子，这些金属离子会优先锂离子在负极析出形成枝晶，危害电池安全。
5.因此，亟待提供一种可以延缓甚至阻止电池发生着火、爆炸等热失控风险，显著提高电池安全性的电池外壳。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是为了解决电池热失控所带来的电池安全隐患，提供一种电池外壳、电池、电池模组和电池包。
7.为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供了一种电池外壳，其中，所述电池外壳包括外侧壳体1、内侧壳体2、由外侧壳体1和内侧壳体2围成的中空空间3、由内侧壳体2围成的电芯空间4、底部壳体5，以及顶部封条；
8.其中，所述外侧壳体1和内侧壳体2固定设置在底部壳体5上，在所述中空空间3内，设置有多个间隔件31，所述间隔件31分别与外侧壳体1、底部壳体5和内侧壳体2相连，用于将中空空间3分割成多个不相通的间隔空间32，所述间隔空间32内设置有填充物a和填充物b，所述填充物a受热时分解产生惰性气体，所述填充物b能够消耗氧气；所述顶部封条用于密封所述中空空间3。
9.优选地，所述外侧壳体1、内侧壳体2和底部壳体5的壳体厚度为0.1-3mm，壳体材质为钢或铝。
10.优选地，所述间隔件31为实心体，所述间隔空间32间的数量为2个或2个以上。
11.优选地，所述间隔空间32的总体积为所述中空空间3的体积的20-98％。
12.优选地，所述填充物a为碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或两种，所述填充物b为金属粉。
13.优选地，所述金属粉包括主族金属粉和/或过渡族金属粉，选自锂粉、镁粉、锰粉、锡粉和铁粉中的一种或多种。
14.优选地，所述填充物a和填充物b的装填方式为均匀混合装填或间隔分层装填；
15.所述填充物a和填充物b在间隔空间32中的装填体积为间隔空间32体积的50-100％，以填充物a和填充物b的总质量为基准，所述填充物a的装填占比为80-99wt％。
16.本实用新型第二方面提供了一种电池，其中，所述电池包括：电池外壳和置于所述电池外壳中的电芯；其中，所述电池外壳为本实用新型第一方面所述的电池外壳。
17.本实用新型第三方面提供了一种电池模组，其中，所述电池模组包括多个本实用新型第二方面所述的电池。
18.本实用新型第四方面提供了一种电池包，其特征在于，所述电池包包括多个本实用新型第三方面所述的电池模组。
19.通过上述技术方案，本实用新型取得的有益技术效果如下：电池包含有该电池时，当电池温度因热失控异常时，填充物a会迅速分解，产生大量的惰性气体，导致间隔空间内部的压强快速上升，从而冲破顶部封条，使得惰性气体和填充物b喷射出来，喷射出的填充物b可消耗电池包中氧气，形成惰性气氛，起到延缓或阻止电池包发生着火、爆炸等热失控风险的作用，进而提高电池包的安全性。
20.本实用新型的其他特点和优点将在随后的具体实施方式予以详细说明。
附图说明
21.图1是本实用新型一种实施方式的新型电池外壳侧面的示意图；
22.图2是本实用新型一种实施方式的新型电池外壳的俯视图；
23.图3a-3d是本实用新型一种实施方式的新型电池外壳的中空空间的俯视图；
24.图4是本实用新型一种实施方式的新型电池外壳的俯视图。
25.附图标记说明
26.1，外侧壳体
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2，内侧壳体
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3，中空空间
27.4，电芯空间
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5，底部壳体
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31，间隔件
28.32，间隔空间
具体实施方式
29.以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，应该理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
30.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
31.本实用新型第一方面提供了一种电池外壳，所述电池外壳包括外侧壳体1、内侧壳
体2、由外侧壳体1和内侧壳体2围成的中空空间3、由内侧壳体2围成的电芯空间4、底部壳体5以及顶部封条；
32.其中，所述外侧壳体1和内侧壳体2固定设置在底部壳体5上，在所述中空空间3内，设置有多个间隔件31，所述间隔件31分别与外侧壳体1、底部壳体5和内侧壳体2相连，用于将中空空间3分割成多个不相通的间隔空间32，所述间隔空间32内设置有填充物a和填充物b，所述填充物a受热时分解产生惰性气体，所述填充物b能够消耗氧气；所述顶部封条用于密封所述中空空间3，具体如图1和图2所示。
33.本实用新型中，所述电池壳体的形状没有限制，电池壳体可以为方形或圆柱形等，优选为方形。
34.本实用新型中，由外侧壳体1和内侧壳体2围成的中空空间3可以是回字型结构、凹字型结构，l型结构或一字型结构，如图3a-3d所示。
35.本实用新型中，所述外侧壳体1、内侧壳体2和底部壳体5的壳体厚度0.1-3mm，优选0.3-1.2mm，壳体材质为钢或铝。
36.其中，壳体太薄不利于壳体对电池内部电芯的物理保护，太厚会使壳体太重，影响电池的质量能量密度。综合考虑电池安全性和质量能量密度，壳体厚度优选为0.3-1.2mm。
37.本实用新型中，所述中空空间3的宽度为0.5-20mm，优选2-5mm。其中，中空空间3的宽度指的是外侧壳体1和内侧壳体2之间的间距，中空空间3的宽度越小，可放置的填充物越少，不利于提高电池的安全性；当中空空间的宽度过大时，虽然可以显著提高电池安全性，但会导致电池的体积能量密度降低。综合考虑电池安全性和体积能量密度，中空空间3的宽度范围优选2-5mm。
38.本实用新型中，所述间隔件31为实心体，所述间隔件31的材质没有限制，可以与壳体(外侧壳体1、内侧壳体2和底部壳体5)相同或不同；当所述间隔件31的材质与壳体材质相同时，间隔件31可以与外侧壳体1、底部壳体5和内侧壳体2一体成型；当所述间隔件31的材质与壳体材质不同时，间隔件31与外侧壳体1、底部壳体5和内侧壳体2之间可以采用铆接或者胶接的方式实现固定连接。
39.本实用新型中，通过在中空空间3内设置实心体间隔件31，可以将中空空间3分割成多个不相通的间隔空间32。其中，本实用新型对各个间隔空间32的大小不做特殊限定，可相同，也可不相同。所述间隔空间32的数量为2个或2个以上，优选为3-4个。其中，间隔空间32为由外侧壳体1、底部壳体5、内侧壳体2、间隔件31和顶部封条组成的密闭空间，用于装填填充物a和填充物b。
40.本实用新型中，当所述壳体为圆柱形时，所述间隔件31可在中心空间3内均匀分布，将中空空间3均匀分割为多个间隔空间32，如图4所示；当电池壳体为方形时，所述间隔件31设置在中空空间3的直角处(也即外侧壳体1中任意两个侧面的夹角处)，如图2所示。
41.本实用新型中，所述间隔空间32的总体积为所述中空空间3的体积的20-98％，优选为90-98％。其中，间隔空间32的总体积越大，装填的填充物a和填充物b越多，越有利于提高电池安全性。但是，当间隔空间32的总体积过低时，会导致间隔件31所占据的空间偏大，使间隔件31质量偏大，会影响到电池质量能量密度。综合考虑电池安全性和质量能量密度，间隔空间32的总体积优选为所述中空空间3的体积的90-98％。
42.本实用新型中，所述填充物a为碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或两种，所述填充物b
为金属粉。
43.其中，电池的日常使用温度最高约60℃，当电池因过充、挤压或针刺等原因导致电池使用温度达到80℃时，说明电池已发生不可逆的损坏，并处于危险阶段。此时填充物a可迅速分解，产生大量的惰性气体，使得间隔空间32内的压强迅速增加，当压强上升导致顶部封条被冲开时，惰性气体带着填充物b一起从间隔空间32中喷出，喷出的填充物b被电池包中的氧气快速氧化从而将电池包中的氧气消耗完毕，使电池包中完全形成惰性气体环境，可以延缓甚至阻止电池发生着火、爆炸等热失控风险，显著提高电池安全性。
44.本实用新型中，所述金属粉包括能与氧气发生反应的主族金属粉和/或过渡族金属粉，选自锂粉、镁粉、锰粉、锡粉和铁粉中的一种或多种，优选为铁粉。
45.其中，金属粉粒径越低，比表面积越大，越容易被氧化消耗氧气，优选地，所述金属粉的粒径为1-500nm，优选为5-100nm，进一步优选为5-50nm。
46.本实用新型中，所述填充物a和填充物b的装填方式为均匀混合装填或间隔分层装填，优选为均匀混合装填。
47.其中，当采用间隔分层装填时，填充物a位于间隔空间32底部，填充物b位于间隔空间32顶部，填充物a受热分解时在底部形成高压强，可以将填充物b顶出去；当采用均匀混合装填时，填充物a分解后生成气体，能够减少固体空间，可以提高填充物b的流动性，使得填充物b更容易被喷出去。
48.本实用新型中，所述填充物a和填充物b在间隔空间32中的装填体积为间隔空间32体积的50-100％，优选80-100％，进一步优选为100％。其中，以填充物a和填充物b的总质量为基准，所述填充物a的装填占比为80-99wt％，优选为95-99wt％。
49.其中，填充物b的添加量足够消耗外部环境(电池包)中的氧气即可，如果加入的量过多，未反应的填充物b可能会对环境带来危害。填充物a的添加量越多，所产生的惰性气体就越多，越有利于延缓或阻止电池热失控，显著提高电池安全性。
50.本实用新型中，所述顶部封条还用于密封所述间隔空间32，本实用新型中，电池外壳顶部为敞口状态，待填充物a和填充物b加入后，采用橡胶条或50-100μm厚铝金属板等其他低耐压材料进行密封。
51.本实用新型第二方面提供了一种电池，其中，所述电池包括：电池外壳和置于所述电池外壳中的电芯；其中，所述电池外壳为本实用新型第一方面所述的电池外壳。
52.本实用新型第三方面提供了一种电池模组，其中，所述电池模组包括多个本实用新型第二方面所述的电池。
53.本实用新型第四方面提供了一种电池包，其特征在于，所述电池包包括多个本实用新型第三方面所述的电池模组。
54.以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
55.实施例1
56.电池壳体为方形，外侧壳体、内侧壳体、底部壳体和间隔件由铝材一体成型制备得到；其中，外侧壳体、内侧壳体、底部壳体的厚度为0.3mm，由外侧壳体和内侧壳体围成的中空空间为回字型结构，中空空间的宽度为5mm；在回字型中空空间的四个直角处，设置有4个实心体间隔件，将中空空间分割成4个由外侧壳体、底部壳体、内侧壳体和间隔件围成的不相通的间隔空间，如图2所示。间隔空间中的填充物a为碳酸氢铵，填充物b为粒径10nm的铁
粉，填充物a和填充物b以均匀混合装填的方式进行装填，填满每一个间隔空间，填充物a的装填量占填充物a和填充物b总质量的99％；装填完毕后，采用50μm厚铝金属板作为顶部封条进行密封，封闭间隔空间和中空空间，以此设计制作成新型电池外壳s1。
57.以镍钴锰酸锂lini
0.5
co
0.2
mn
0.3
o2为正极材料，乙炔黑为导电剂，聚偏氟乙烯(pvdf)为粘结剂，n-甲基吡咯烷酮(nmp)为分散剂，按照质量比正极材料:乙炔黑:pvdf:nmp＝95:3:2:50的比例混合均匀后涂布在铝箔上，然后置于120℃烘箱中真空干燥24h，再经压片，滚切后制成正极片；
58.将石墨、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和水按照质量比95:3:2:50混合均匀后涂布在铜箔上，然后置于80℃烘箱中真空干燥24h，再经压片，滚切后制成负极片；
59.以celgard2400聚丙烯多孔膜为隔膜，含1mol/l lipf6的碳酸乙烯酯(ec)和二甲基碳酸酯(dmc)的混合溶液(体积比为＝1:1)为电解液；在充满氩气的手套箱中，将正极片、隔膜和负极片卷绕成电芯装入新型电池外壳s1中，安装盖板并注入电解液，完成试验电池的装配，得到电池样品s10。
60.实施例2
61.参照实施例1中方法制作电池外壳s2，不同的是：电池壳体的壳体厚度为1.2mm，中空空间的宽度为2mm，铝制实心体间隔件通过胶接方式与外侧壳体、内侧壳体和底部壳体固定连接在一起，填充物a的装填量占填充物a和填充物b总质量的95％，以此设计制作成新型电池外壳s2。
62.参照实施例1中方法制作电池样品s20，不同之处在于所用新型电池外壳为s2。
63.实施例3
64.铝制电池壳体为圆柱形，壳体厚度1.2mm，中空空间的宽度3mm，在中空空间内均匀设置3个铝制弧形实心体间隔件，将中空空间分割成3个由铝制弧形实心体间隔件、外侧壳体、内侧壳体和底部壳体组成的间隔空间，如图4所示。其中，铝制弧形实心体间隔件采用胶结方式进行连接，间隔空间中填充物a为碳酸氢铵，填充物b为粒径20nm的铁粉，填充物a和填充物b以均匀混合装填的方式进行装填，填满每一个间隔空间，填充物a的装填量占填充物a和填充物b总质量的97％；装填完毕后，采用橡胶条作为顶部封条，以此设计制作成新型电池外壳s3。
65.参照实施例1中方法制作电池样品s30，不同之处在于所用新型电池外壳为s3。
66.对比例1
67.参照实施例1中方法制作电池样品ds10，不同之处在于所用电池外壳为厚度0.3mm的实心钢外壳。
68.测试例1耐过充测试
69.本实验采用的耐过充测试在充放电测试仪上进行，将电池s10和ds10在0.1c倍率下充电至4.3v，静置5min后在1c倍率下恒流充电，观察电池的状态，测试结果见表1。
70.表1
[0071][0072]
通过表1的结果可以看出，采用普通钢外壳的ds10电池在第46分钟防爆阀开启，第50分钟起火爆炸，而采用新型电池外壳的s10电池在第44分钟时填充物碳酸氢铵分解产气使得铝金属封条被冲开，填充物铁粉被喷出从而消耗电池包中的氧气，形成惰性气氛，碳酸氢铵分解时吸热使得电池内部温度有所下降，但随着过充的进行电池内部温度仍继续升高，第56分钟防爆阀开启，第68分钟电池起火爆炸。采用新型电池外壳可以延缓过充时电池热失控的时间，给人们留出了处理事故的时间。
[0073]
测试例2针刺测试
[0074]
将电池s10和ds10在0.1c倍率下充电至4.3v，再将电池置于针刺试验机上进行针刺实验，测试结果见表2。
[0075]
表2
[0076]
电池编号电池状态s10冒烟但马上烟雾变淡，第3分钟起火爆炸。ds10冒烟，3秒钟起火爆炸
[0077]
通过表2的结果可以看出，采用普通钢外壳的ds10电池在刺穿瞬间冒烟，并在3秒钟后起火爆炸，而采用新型电池外壳的s10电池在刺穿瞬间冒烟，但马上烟雾变淡，说明电池外壳中空空间中的填充物碳酸氢铵受热分解产气，并从刺穿位置喷射出来，喷射出的铁粉消耗电池包环境中的氧气，再加上碳酸氢铵产生的惰性气体，使得烟雾不能被快速点燃，使得电池没有快速爆炸，但电池仍在第三分钟起火爆炸，这是因为经过一段时间的扩散，惰性气体浓度已经很低，已不能阻止电池冒出的易燃烟雾被点燃。但从电池冒烟开始，人们有近3分钟的逃生时间，说明采用本发明的新型电池外壳，可以延缓针刺时电池热失控的时间，可以大大减少人们对电池及电动汽车的担忧。
[0078]
同样，将实施例2-3的电池s20和s30进行上述耐过充和针刺测试，可以获得与实施例1相同的保护效果。
[0079]
以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。