一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，包含：電池卷芯、容置所述電池卷芯的電池外殼、分別位于電池卷芯頂部的鋰電池蓋帽和底部的電池底部組件，電池卷芯與鋰電池蓋帽、電池底部組件之間分別設有絕緣墊片，電池卷芯與電池外殼之間設有第一絕緣層，電池卷芯的中心空心區設有熱管，電池卷芯和電池底部組件之間還設有熱緩沖區，所述熱緩沖區上、下側均設有絕緣墊片，所述熱緩沖區內填充有復合相變材料，所述熱管下方延伸至熱緩沖區底部，位于熱緩沖區內的熱管四周設有至少一層圓形散熱翅片，所述電池卷芯與熱管之間還設有第二絕緣層。本實用新型相對于傳統的鋰電池具有更好的熱穩定性、溫度均一性以及安全性。
【專利說明】
一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池
技術領域
[0001] 本實用新型屬于鋰電池技術領域，具體涉及到一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形 鋰電池。
【背景技術】
[0002] 由于能源的短缺，人們致力于開發使用新能源。鋰離子電池因具有比能量高、高電 壓、使用壽命長、對環境無危害、無記憶性、可制造成任意形狀等諸多優點而被人們所青睞。
[0003] 傳統鋰電池結構如圖1所示，包含：由卷針纏繞而成的電池卷芯、容置所述電池卷 芯的電池外殼、分別位于電池卷芯頂部的鋰電池蓋帽（包含正極端子、安全閥、接觸片、絕緣 墊片、以及頂蓋等結構)和底部的電池底部組件(包含負極端子、絕緣墊片、底蓋等結構），電 池卷芯與鋰電池蓋帽、電池底部組件之間分別設有絕緣墊片，電池卷芯與電池外殼之間設 有絕緣層。電池卷芯中間為抽走卷針后留下的中心空心區，當電池卷芯填充電解液后，該中 心空心區就由電解液填滿。
[0004] 傳統結構的鋰電池在工作過程中會產生大量的熱量，而鋰電池材料的導熱性能 差，所以此種結構的鋰電池內部的熱量會迅速累積，使得鋰電池溫度過高，進一步可能造成 鋰電池性能下降或者熱失控引起燃燒或爆炸等危險后果，這使其應用范圍受到了限制。而 傳統的風冷及液冷方式，一方面溫度調節效率較低，冷卻效果不理想，另一方面，由于傳統 的散熱方式都是通過電池外表面的散熱來實現的，雖然外圍溫度可得到一定的降低，但是 單個鋰電池中心區域的溫度依然維持在較高數值，所以這極易增加鋰電池內部溫度分布的 不均勻性，從而使鋰電池性能受到影響。所以傳統的溫度調節系統對電池的壽命以及安全 性都會帶來隱患。因此急需一種新型散熱方法，來有效解決鋰電池溫度過高、溫度分布不均 勻性等問題，這也是實現鋰電池快速發展的前提。 【實用新型內容】
[0005] 解決的技術問題:為了解決鋰電池由于散熱性能差造成工作溫度過高而引起的鋰 電池性能下降以及造成不良安全后果等問題，本實用新型提供一種具有相變熱緩沖功能的 圓柱形鋰電池，該圓柱形鋰電池中心部位的熱管以及底部的散熱翅片的高熱導率可快速將 鋰電池中心部位的熱量傳遞給底部周圍的復合相變材料，其相變過程可以快速吸收大量熱 量，從而使得電池溫度維持在安全范圍內。
[0006] 本實用新型的技術方案：
[0007] -種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，包含：電池卷芯、容置所述電池卷芯的 電池外殼、分別位于電池卷芯頂部的鋰電池蓋帽和底部的電池底部組件，電池卷芯與鋰電 池蓋帽、電池底部組件之間分別設有絕緣墊片，電池卷芯與電池外殼之間設有第一絕緣層， 電池卷芯的中心空心區設有熱管，電池卷芯和電池底部組件之間還設有熱緩沖區，所述熱 緩沖區上、下側均設有絕緣墊片，所述熱緩沖區內填充有復合相變材料，所述熱管下方延伸 至熱緩沖區底部，位于熱緩沖區內的熱管四周設有至少一層圓形散熱翅片，所述電池卷芯 與熱管之間還設有第二絕緣層。
[0008] 所述電池卷芯由內至外依次層疊的正極片、第一隔膜、負極片和第二隔膜沿熱管 卷繞形成。正極片靠近熱管一側設有正極極耳，與位于鋰電池蓋帽內的正極端子相連接，負 極片外側設有負極極耳，與位于電池底部組件內的負極端子相連接。
[0009] 所述熱管為銅管，其具導熱率高、耐用壽命長、結構簡單、重量輕等多種優點。
[0010] 所述第一絕緣層設有線孔供負極片與電池底部組件連接。
[0011] 所述復合相變材料為泡沫銅/石蠟復合相變材料，添加了泡沫銅的石蠟復合材料 對材料的導熱系數有顯著的提升，所以相對傳統的石蠟材料，其在相變過程中具有導熱率 高、比熱大、化學性能穩定、壽命長、體積變化小等諸多優點。
[0012] 由于熱管具有很好的導熱效果，其位于電池卷芯中心空心區，當鋰電池中心溫度 升高時，熱管內部工質開始蒸發，在壓差的作用下熱量流向熱管底部（即冷凝端），經由冷凝 端的散熱翅片工質將熱量傳遞到熱緩沖區，熱管釋放出熱量后，其內工質重新凝結成液體， 在內部多孔材料的毛細力作用下流回蒸發段，如此進行循環。當熱緩沖區內的復合相變材 料吸收熱量導致溫度逐漸升高達到相應的相變點時，開始相變過程，此過程可吸收大量熱 量，從而使得鋰電池的溫度保持在合理范圍之內。雖然鋰電池中心部位的溫度最高，但經由 熱管導出后，鋰電池的溫度可控制在適合范圍內，且溫度分布的均勻性也得到了提高，因而 使得鋰電池性能、使用壽命和安全性都能得到保證。
[0013] 有益效果：
[0014] 本實用新型提供的鋰電池可在低換熱系數、高倍率充放電的工作條件下將電池內 外最大溫差可有效降低20%~40%，所以其相對于傳統的鋰電池具有更好的熱穩定性、溫 度均一性以及安全性，且本實用新型組裝簡單，可以應用于鋰電池組中，以改善鋰電池組整 體的散熱效果。
【附圖說明】
[0015] 圖1為傳統鋰電池結構示意圖；
[0016]圖2為本實用新型裡電池結構不意圖；
[0017] 圖3為電池卷芯結構示意圖；
[0018] 其中，1、熱管；2、散熱翅片；3、熱緩沖區；4、電池卷芯；5、第一絕緣層；6鋰電池蓋 帽;7、電池底部組件;8、線孔;9、電池外殼；10、中心空心區；11、正極片；12、第一隔膜;13、負 極片；14、第二隔膜;15、第二絕緣層;16、絕緣墊片。
【具體實施方式】
[0019] 本實用新型的創新之處在于將鋰電池中心的熱量通過熱管傳遞到熱緩沖區，并通 過相變材料的相變吸熱，從而降低鋰電池中心溫度。本實用新型提出的鋰電池結構提高了 鋰電池的熱穩定性和安全性。
[0020] 為了便于本領域技術人員的理解，下面將結合具體實施例及附圖對本實用新型鋰 電池結構原理作進一步詳細描述。
[0021] 實施例1
[0022] 如圖2所示，一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，包含：電池卷芯4、容置所 述電池卷芯4的電池外殼9、分別位于電池卷芯4頂部的鋰電池蓋帽6和底部的電池底部組件 7,電池卷芯4與鋰電池蓋帽6、電池底部組件7之間分別設有絕緣墊片16,電池卷芯4與電池 外殼9之間設有第一絕緣層5,電池卷芯4的中心空心區10設有熱管1，電池卷芯4和電池底部 組件7之間還設有熱緩沖區3，所述熱緩沖區3上、下側均設有絕緣墊片16，所述熱緩沖區3內 填充有復合相變材料，所述熱管1下方延伸至熱緩沖區3底部，位于熱緩沖區3內的熱管1四 周設有至少一層圓形散熱翅片2,所述電池卷芯4與熱管1之間還設有第二絕緣層15。
[0023]如圖3所示，所述電池卷芯4由內至外依次層疊的正極片11、第一隔膜12、負極片13 和第二隔膜14沿熱管1卷繞形成。正極片11靠近熱管1 一側設有正極極耳，與位于鋰電池蓋 帽內的正極端子相連接，負極片13外側設有負極極耳，與位于電池底部組件7內的負極端子 相連接。
[0024] 所述熱管1為銅管，能夠迅速將電池卷芯的熱量傳遞到熱緩沖區。
[0025] 所述第一絕緣層5設有線孔8供負極片13與電池底部組件7連接。
[0026] 所述復合相變材料為泡沫銅/石蠟復合相變材料。
[0027]加工制造時，使用熱管1代替傳統卷針，包覆上第二絕緣層15,然后將由正極片11、 第一隔膜12、負極片13和第二隔膜14形成的多層結構圍繞熱管1進行卷繞形成電池卷芯4。 卷繞成功后外側加上絕緣層5,底部加上絕緣墊片16。熱管1底部加上散熱翅片2構成熱管1 的冷凝端，并且其周圍填充復合相變材料形成熱緩沖區3,位于電池卷芯4的外底部。熱管1 的良好導熱性有利于鋰電池中心部位的熱量傳導，而底部熱緩沖區中的復合相變材料可由 相變過程吸收大量的熱量，且溫度變化小，所以可以有效地解決鋰電池的內部溫度過高問 題，使其處于安全溫度范圍內工作。
[0028] 裝配好鋰電池散熱結構后，將其整體裝進鋰電池外殼中，由于電池底部設置了散 熱結構，所以將負電極片上的負極極耳通過位于第二絕緣層上的通道與電池底部組件中負 極端子等結構進行連接。注入電解液后，在電池卷芯頂部區域將鋰電池集流體與相應端子 相連，并加上防爆蓋帽等結構，防爆蓋帽可以有效緩沖電池內部壓力，進一步提高電池的安 全性。最后將鋰電池抽真空、用密封圈密封。
[0029] 散熱性能評估：
[0030] 利用C0MS0L Multiphysics多物理場耦合軟件，對傳統鋰電池和本發明鋰電池在 不同工作條件下的溫度場進行了模擬計算，通過對比模擬計算結果，從而對本發明鋰電池 散熱性能進行了評估。其主要通過建立三維電化學一熱耦合模型，設定放電倍率分別為2C、 4(：、6(：、10(：，環境溫度為298.151^，對流換熱系數為101/(111~2*1〇的工作條件，最終得到的鋰 電池中心最大溫度與初始溫度差值結果見表1。
[0031] 表 1
[0033]由表1可知，相對于傳統鋰電池，本發明提供的鋰電池在低換熱系數、高倍率充放 電的工作條件下可有效降低鋰電池內部最大溫度，且對鋰電池整體的溫度均勻性有了很好 的改善。
[0034]以上所述實施方式僅為本專利的優選實施例，本專利不限于上述實施例，對于本 領域的一般技術人員，在不背離本專利設計原理的前提下，對它所做的任何顯而易見的改 動，都屬于本專利的構思和所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，包含：電池卷芯（4)、容置所述電池卷芯 (4)的電池外殼（9)、分別位于電池卷芯（4)頂部的鋰電池蓋帽（6)和底部的電池底部組件 (7)，電池卷芯(4)與鋰電池蓋帽(6)、電池底部組件(7)之間分別設有絕緣墊片（16)，電池卷 芯（4)與電池外殼（9)之間設有第一絕緣層（5)，其特征在于，電池卷芯（4)的中心空心區 (1 〇)設有熱管（1)，電池卷芯(4)和電池底部組件(7 )之間還設有熱緩沖區（3)，所述熱緩沖 區（3)上、下側均設有絕緣墊片（16)，所述熱緩沖區（3)內填充有復合相變材料，所述熱管 (1)下方延伸至熱緩沖區（3)底部，位于熱緩沖區（3)內的熱管（1)四周設有至少一層圓形散 熱翅片(2)，所述電池卷芯(4)與熱管（1)之間還設有第二絕緣層（15)。2. 根據權利要求1所述的一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，其特征在于，所述 電池卷芯(4)由內至外依次層疊的正極片（11)、第一隔膜（12)、負極片（13)和第二隔膜（14) 沿熱管（1)卷繞形成。3. 根據權利要求1或2所述的一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，其特征在于， 所述熱管（1)為銅管。4. 根據權利要求2所述的一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，其特征在于，所述 第一絕緣層(5)設有線孔(8)供負極片（13)與電池底部組件(7)連接。5. 根據權利要求1所述的一種具有相變熱緩沖功能的圓柱形鋰電池，其特征在于，所述 復合相變材料為泡沫銅/石蠟復合相變材料。
【文檔編號】H01M10/6552GK205452476SQ201521103906
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月25日
【發明人】史波, 漆元婧
【申請人】南京航空航天大學