CN122000647A - 一种内嵌温度保险丝的电池及电池模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌温度保险丝的电池及电池模组，属于锂离子电池技术领域。该电芯上配置有温度保险丝；所述温度保险丝串联在正极耳和正极，或负极耳和负极之间，其关键在于，所述温度保险丝在所述电芯内部温度超过设定的热失控阻断阈值时熔断。本发明将温度保险丝内置于电池核心回路，能快速、精准地响应内部温升并及时切断电路，有效防止热失控，极大提升了电芯的本体安全性。由该电芯构成的模组，安全性能显著增强。

Description

一种内嵌温度保险丝的电池及电池模组

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种内嵌温度保险丝的电池及由该电池构成的电池模组。

背景技术

锂电池因其能量密度高、重量轻、设计灵活等优点，被广泛应用于消费电子、新能源汽车及储能系统等领域。然而，锂电池在过充、短路或受到外部冲击等滥用条件下，容易引发内部热量急剧上升，导致热失控，甚至引发起火、爆炸等严重安全事故。

为提高电池的安全性，现有技术中常在电池外部电路或极耳上设置温度保险丝。然而，这种保险丝通常采用过流保护的方式，响应速度较慢，且无法及时感知电池内部核心区域的温度变化，存在保护滞后的问题。当内部已经发生严重短路时，内部局部过热导致热失控，无法被保险丝滞后响应所阻断，导致保护失效。此外，电池内部复杂的结构可能导致金属连接件裸露，引发内部短路风险。

因此，迫切需要一种能够快速、精准地响应电池内部温度变化，并从根源上切断电路，同时具备更高内部安全性的锂电池结构。

发明内容

本发明旨在提供一种内嵌温度保险丝的电池及电池模组，以解决现有技术中温度保险丝响应滞后、保护不可靠以及内部短路风险高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明给出了一种内嵌温度保险丝的电池，包括壳体，以及设置在所述壳体内的至少一个电芯和温度保险丝；

所述电芯包括第一电极、第二电极、第一极耳和第二极耳；

所述温度保险丝设置于所述电芯上，其第一端与所述第二电极电连接，其第二端与所述第二极耳电连接，从而使得所述温度保险丝串接在所述第二电极与所述第二极耳之间的电路通路中，用于在所述电芯内部温度超过设定的热失控阻断阈值时熔断；

所述第一极耳、第二极耳从所述壳体引出，形成所述电池的正负电极。

进一步地，所述温度保险丝内嵌于所述电芯内部。

进一步地，所述电池还包括用于电连接所述第二电极与所述温度保险丝的第二电极引出导体；所述温度保险丝一端通过所述第二电极引出导体与所述第二电极电连接，其第二端与所述第二极耳电连接。

进一步地，所述电芯为卷绕式锂电池电芯，包括由第一电极、第二电极及置于其间的隔膜卷绕而成的电极组件。

进一步地，所述第二电极引出导体为一个独立的连接片，该连接片的一端与所述第二电极电连接，另一端与所述温度保险丝的第一端电连接。

进一步地，所述温度保险丝的外部封装有绝缘保护壳；

所述绝缘保护壳延伸覆盖并包覆所述温度保险丝与所述连接片的连接处，以及所述温度保险丝与所述第二极耳的连接处。

进一步地，所述温度保险丝为多个，多个所述温度保险丝的两端分别与所述连接片和所述第二极耳的触角电连接，且在所述电芯内部分散布置。

进一步地，所述第二极耳包括伸入所述电极组件内的内部段；所述内部段与所述第二电极的接触表面覆盖有绝缘层。

进一步地，所述温度保险丝贴附于所述电芯表面；

所述第二电极引出导体为设置于所述电芯上的中间极耳；

所述中间极耳的一端和所述第二电极连接，另一端与所述温度保险丝的第一端电连接；

所述第二极耳与所述温度保险丝另一端电连接。

进一步地，所述第一极耳、第二极耳和所述温度保险丝设置于所述电芯的同一端面，所述中间极耳伸出所述电芯的部分贴合于所述电芯表面，并与所述温度保险丝一端电连接；所述温度保险丝的另一端直接和所述第二极耳电连接。

进一步地，所述第一极耳和所述第二极耳分设于所述电芯的两个端面，所述温度保险丝设置于所述电芯表面的中部；所述中间极耳伸出所述电芯的部分贴合于所述电芯表面，然后直接或通过连接片与所述温度保险丝一端电连接；所述温度保险丝另一端直接或通过连接片与所述第二极耳电连接。

进一步地，所述电池包括多个电芯，所述电芯堆叠设置，相邻两个电芯为一组，在一组中，两个电芯共用一个第二极耳，两个电芯所对应的温度保险丝设置于两个电芯之间。

进一步地，所述电池包括多个电芯；所述电芯堆叠设置，各电芯的第一极耳、第二极耳分别并联形成所述电池的正负电极。

进一步地，所述电芯包括多个绕卷单元，每个绕卷单元各设有一组所述第一极耳和所述中间极耳；相邻的两个绕卷单元层叠后，所述第一极耳重叠；相邻的两个绕卷单元的所述连接片层叠后与所述温度保险丝一端电连接，所述温度保险丝另一端与所述第二极耳电连接，相邻的两个绕卷单元共用所述第二极耳；所述温度保险丝端面分别与相邻的两个绕卷单元的电芯表面接触。

第二方面，本发明给出了一种电池模组，其特征在于，所述电池模组通过多个如上任意一项所述的内嵌温度保险丝的电池通过串联和/或并联的方式连接形成。

本发明的有益效果

1. 快速响应与精准保护：将温度保险丝直接内嵌于电池内部或外表面，并与负极耳和负极，或正极耳和正极有效连接，能够直接、快速地感知电池芯内部的温度变化。当电池内部温度异常升高至保险丝的熔断温度时，保险丝立即熔断，从根本上切断充放电回路，防止热失控发生，响应速度快，保护精准可靠。

2. 杜绝内部短路：通过绝缘保护壳将温度保险丝的所有连接电极完全包覆，有效防止了因金属毛刺、焊接残留或外力挤压导致的连接点与电池其他部件接触，极大降低了内部短路的风险。

3. 多重安全保障：与温度保险丝连接的极耳上的绝缘层确保了其与对应的电极之间的电绝缘，避免了潜在的内部短路路径。

4. 支持大尺寸电芯：通过设置多个温度保险丝有效监控大尺寸电芯各个区域的温度变化，并及时熔断，切断电芯电流，以阻断热失控的发生。

5. 应用范围广：本发明的电芯可以直接用于构建串联和/或并联的电池模组。由于每个电芯都具备了独立、快速的内保护机制，整个模组的安全性能得到显著提升，特别适用于对安全性要求极高的高能量密度电池包和大规模储能系统。

附图说明

图1是本发明实施例1的电芯（方形锂电池）立体示意图（局剖）。

图2是本发明实施例1的电芯的内部卷绕结构展开状态的示意图。

图3是本发明实施例1的方形锂电池内部卷绕结构展开状态的爆炸图。

图4是本发明实施例1中的单温度保险丝的集成组件的结构示意图。

图5是本发明实施例2中多个温度保险丝的集成组件的结构示意图。

图6是本发明实施例3的电池（温度保险丝外置）的结构示意图（温度保险丝位于电芯端面）。

图7是本发明实施例4的电池（温度保险丝外置）的结构示意图（温度保险丝位于电芯表面）。

附图标记说明：

1-正极耳；2-负极耳；3-绝缘层；4-温度保险丝；5-绝缘保护壳；51-上盖；52-下盖；6-连接片；7-负极；71-负极集流体；72-负活极性物质层；8-正极；81-正极集流体；82-正极活性物质层；9-隔膜；100-电芯；102-中间极耳；103-第一极耳；104-第二极耳；200-温度保险丝；201、202-连接片。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本发明提供的一种内嵌温度保险丝的电池的卷绕结构的展开图，主要包括正极耳1、负极耳2、正极8、负极7、隔膜9、外壳（未示出）。其中，所述正极8、负极7及隔膜9构成电池的电芯主体。具体地，所述负极7包括负极集流体71和双面均涂覆在负极集流体71上的负极活性物质层72。所述正极8包括正极集流体81和单面涂覆在正极集流体81上的正极活性物质层82。在组装时，采用两层隔膜9将负极7包裹其中，形成正极-隔膜-负极-隔膜的层叠结构，再进行卷绕或叠片。此种设计确保了在最终的卷绕结构中，正极8与负极7之间，始终至少间隔一层完整的隔膜9以及一层隔膜所承载的电解质，从而有效防止正负极直接接触导致的内部短路。所述正极活性物质包括但不限于钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂及其掺杂改性材料中的一种或多种。所述负极活性物质包括但不限于人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳中的一种或多种。

其核心改进在于，在电池内部的核心区域设置了温度保险丝4。该温度保险丝4为熔融合金型保险丝，其熔断温度和设定的电芯热失控阻断阈值（如50℃~130℃）相适配，可在电芯核心区域温度超过热失控阻断阈值时快速熔断，防止热失控蔓延。

需要说明的是，将温度保险丝4内嵌于电芯的设计方案，并不限于应用在锂电池中，也可适配其他类型的固态电池。且正极、负极的位置布置不限于本实施例的方案，正极、负极的位置可以进行对调。

当然，也可以在正极8与负极7之间裸露的正极8的表面以及正极8的背面设置隔膜9，以确保在最终的卷绕结构中，正极8与负极7之间，始终至少间隔一层完整的隔膜9以及一层隔膜所承载的电解质，从而有效防止正负极直接接触导致的内部短路。

温度保险丝4一端直接与所接触的第二电极（即负极7）电连接，温度保险丝4的另一端与负极耳2电连接，负极耳2与第二电极的接触表面贴覆有绝缘层3，更优的，可以将负极耳2伸入电池内部的内部端全包裹绝缘层3，以此形成导通电路。

为方便生产制造，优选的，本电芯还包括一第二电极引出导体，由第二电极引出导体将温度保险丝4与第二电极电连接，本实施例中第二电极引出导体为连接片6，由连接片6将温度保险丝4与第二电极电连接。连接片6为板状电极，优选的，连接片6、温度保险丝4及负极耳2预先连接构成一集成组件。

温度保险丝4的一端通过焊接（如激光焊）与负极耳2实现电连接。其另一端同样通过焊接与一个连接片6 连接。该连接片6优选由镍、铜、铝或它们的合金制成，例如在本实施例中采用了一片冲压成型的镍片。该连接片6通过导电胶粘接、超声焊接等方式紧密贴合在负极集流体71的表面上，从而与负极集流体71形成稳固的电连接和机械固定。这样，在电池放电时，其内部的电流路径为：正极8 → 正极耳1 → [外部负载] → 负极耳2 → 温度保险丝4 → 连接片6 → 负极7。温度保险丝4被串联在此内部主回路中。

优选的，温度保险丝4可以是一个标准化元件，包括绝缘保护壳5、熔融合金片及两个引出电极，温度保险丝4通过两个引出电极分别和连接片6、负极耳2焊接或铆接等方式电连接。

优选的，温度保险丝4包括熔融合金片和绝缘保护壳5。通过绝缘保护壳5将温度保险丝4的熔融合金片，以及熔融合金片与负极耳2和连接片6的两个焊接点完全包裹在内，实现了全面绝缘，同时将负极耳2和连接片6固定连接，形成集成组件。

绝缘保护壳5包括上盖51和下盖52，其材质优选为工程塑料（如PPS）、陶瓷或玻璃纤维增强塑料，本实施例中采用PPS工程塑料通过超声焊接制成。

为防止负极耳2与负极集流体71接触短路，在负极耳2伸入电池内部的内部端与所述第二电极（即负极7）的接触表面贴覆有绝缘层3，更优的，可以将负极耳2伸入电池内部的内部端全包裹绝缘层3，通过所述绝缘层3与负极7的集流体实现电隔离。该绝缘层3的材质优选为聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚丙烯（PP），本实施例中优选使用聚酰亚胺（PI）膜，因其具备优异的绝缘性、耐高温性和化学稳定性。

在本实施例中，如图1所示，单个温度保险丝4被布置在电芯发热温度最高的中心区域，以便能最有效地感知电芯温度的变化。

实施例2

在另一个优选实施例中，如图5所示，为了应对大容量电芯或可能出现的局部过热问题，与实施例1不同的是，可以设置多个温度保险丝4。这些温度保险丝4以并联的方式共同连接在所述负极耳2和U形结构的第二电极引出导体之间，第二电极引出导体为连接片6。同样的，在伸入电池内部的负极耳2与所述第二电极（负极7）的接触表面贴覆有一层绝缘层3，更优的，可以将负极耳2伸入电池内部的内部端全包裹绝缘层3，通过所述绝缘层3与负极7的集流体实现电隔离。

具体地，在本实施例的一个实现方式中，设置了八个温度保险丝4。这八个温度保险丝4在电池的极片平面上呈双列阵列式均匀分布，结构如下：所述连接片6中部贯通，两侧设有梳齿状电极，所述负极耳2置于负极表面的部分设有对应的触角，所述负极耳2与所述连接片6部分伸入绝缘保护壳5，并通过合金电连接，所述温度保险丝4与所述梳齿状电极、所述触角电连接。通过这种设计将多个温度保险丝4并联，实现分级保护。这种分布方式确保了温度监控网络能够覆盖电池的绝大部分工作区域，特别是传统单一保险丝难以兼顾的边缘和角落。当电池内部任何位置出现温度异常时，最近的一个或多个温度保险丝能够迅速感知并熔断，从而及时切断局部电流，增加了其他并联保险丝的电流，加快并联保险丝的动作，进而加快整体电路的切断，如此多路并联设计，可以提升温度感应的灵敏度和可靠性。防止热失控蔓延。

最后，将多个上述结构的电芯通过汇流排进行串联和并联，可以组装成一个高安全性的电池模组。该模组中的每一个电芯都具备独立的、快速响应的内部过热保护能力，从而极大提升了整个电池系统的安全等级。

实施例3：

如图6所示，本发明还提供一种内嵌温度保险丝的锂电池，包括电芯100和温度保险丝200。不同于实施例1，本实施例中第二电极引出导体为中间极耳102。

所述电芯100为方形的软包电芯，由多层极片和隔膜卷绕或叠片而成，使用柔性的多层复合膜（如铝塑膜）进行封装，形成电芯外表面。

所述电芯100包括从电芯外表面引出的中间极耳102和第一极耳103，以及第二极耳104。其中中间极耳102和第一极耳103分别引出电芯100的正极和负极。

所述温度保险丝200贴附于电芯表面，其第一端和第二极耳104焊接连接，其第二端和所述中间极耳102焊接连接。

所述第二极耳104和所述第一极耳103构成所述电池的正负电极。

需要说明的是，第一极耳103、第二极耳104的极性可根据需要设定为正极或负极，温度保险丝200可以被配置为和电芯100的正极耳或负极耳连接。

在本实施例中，所述温度保险丝200、所述第二极耳104和极性相反的第一极耳103设置于所述电芯外表面的同侧（即电芯的同一个端面）。温度保险丝200的两端直接和中间极耳102、第二极耳104焊接连接。

不同于实施例1和2，在本实施例中，温度保险丝200位于电芯外部，如位于电芯100极耳所在端面，温度保险丝200平放于电芯端面。中间极耳102从第二电极伸出后在电芯外部的部分折弯，靠近电芯的表面。中间极耳102折弯部分与温度保险丝200的一端电连接。温度保险丝200另一端与第二极耳104电连接，第二极耳104从垂直于温度保险丝200另一端的方向引出，与第一极耳103平行且同向设置。当然，在其他实施例中，第一极耳103与第二极耳104的引出方向可根据需要调整，如反向引出或相互垂直引出等。

温度保险丝200装配完成后固定贴附在电芯外表面，本实施例不仅可以快速接收电芯内部的异常温度，同时还能及时接收环境产生的异常温度，当温度达到热失控阻断阈值，温度保险丝4熔断从而切断电芯的充放电路径。

实施例4：

如图7所示，在本实施例中，所述电芯100为方形的软包电芯。与实施例3不同的是：第二电极引出导体为连接片和中间极耳的组合件，第二极耳104和极性相反的第一极耳103分设于所述电芯的两侧（即电芯的两个端面上），温度保险丝200固定贴附于所述电芯外表面的中部，由连接片延长中间极耳的长度，使温度保险丝200设置在电芯表面。

由于此应用中温度保险丝200和第二极耳104、第一极耳103之间的距离较远，为此，设置了连接片201、202。在温度保险丝200的第一端与中间极耳102设置了连接片201；在温度保险丝200的第二端与第二极耳104之间设置了连接片202。

同实施例3，与所述温度保险丝200焊接连接的所述中间极耳102为连接电极，折弯平贴于所述电芯外表面。

本电池可以由两个或更多的电芯100绕卷或折叠组合组成，也可以由一个电芯绕卷或折叠形成。电芯的组合方式可以有很多种。在本实施例中，给出了一种电池电芯的组合方式，通过优化设置电芯100的第一极耳103、中间极耳102和第二极耳104的位置，可将两个带温度保险丝的电芯100的各对应极耳一一贴合，形成并联结构。

通常，可将电芯100通过阵列或堆叠组合，然后通过汇流排以串联和/或并联的方式连接第一极耳103、第二极耳104，然后封装硬质外壳形成电池。

本电池可以包括多个电芯100，电芯100通过卷绕或折叠形成。多个电芯100堆叠后装配外壳形成完整的电池。

在本实施例中，两个电芯100设有独立的第一极耳103，且共用一个第二极耳104。电芯堆叠后，两个第一极耳103贴合，并通过激光焊接、超声波焊接等方式进行电连接，形成单一的极耳。

通过该方式，将温度保险丝200夹持在两个电芯100之间。温度保险丝200可以共同接收相邻两个电芯的温度，更加及时切断电路。

在其他实施例中，不同于实施例4，电池可以由一个电芯绕卷折叠形成。具体的，电芯100设有多个绕卷单元，将电芯100进行绕卷或折叠，相邻绕卷单元层叠后装配外壳形成完整的电池。每个绕卷单元各设有一组第一极耳103和中间极耳102，相邻的两个绕卷单元层叠后，相对的第一极耳103重叠；相邻的两个绕卷单元的中间极耳102层叠后通过连接片201与温度保险丝200一端电连接，温度保险丝200另一端通过连接片202与第二极耳104电连接，相邻的两个绕卷单元共用该第二极耳104；每个绕卷单元的温度保险丝的端面分别与相邻的两个绕卷单元的电芯表面接触。所有绕卷单元绕卷或折叠完毕后，所有绕卷单元的第一极耳103完美重叠，所有绕卷单元的第二极耳104完美重叠，重叠后的第一极耳103和第二极耳104接入保护电路。通过该设置，能够将温度保险丝200设于电池内部，更快接受热量，及时切断电路。

当然，也可以将实施例1-3的电芯堆叠后，通过串联和/或并联的方式连接并封装硬质外壳，引出极耳后形成电池，适用于不同的场景进行保护。

本发明的电池可以直接通过汇流排等串联和/或并联的方式连接形成电池模组。无需在外部增加温度保险丝等过流保护装置，可简化电池模组装配时的焊点数量，提升电池模组的可靠性。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，包括壳体，以及设置在所述壳体内的至少一个电芯和温度保险丝；

所述电芯包括第一电极、第二电极、第一极耳和第二极耳；

所述温度保险丝设置于所述电芯上，其第一端与所述第二电极电连接，其第二端与所述第二极耳电连接，从而使得所述温度保险丝串接在所述第二电极与所述第二极耳之间的电路通路中，用于在所述电芯内部温度超过设定的热失控阻断阈值时熔断；

所述第一极耳、第二极耳从所述壳体引出，形成所述电池的正负电极。

2.根据权利要求1所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述温度保险丝内嵌于所述电芯内部。

3.根据权利要求2所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述电芯为卷绕式锂电池电芯；包括由第一电极、第二电极及置于其间的隔膜卷绕而成的电极组件。

4.根据权利要求1所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述电池还包括用于电连接所述第二电极与所述温度保险丝的第二电极引出导体；所述温度保险丝一端通过所述第二电极引出导体与所述第二电极电连接，其第二端与所述第二极耳电连接。

5.根据权利要求4所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述第二电极引出导体为一个独立的连接片，该连接片的一端与所述第二电极电连接，另一端与所述温度保险丝的第一端电连接。

6.根据权利要求5所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述温度保险丝为多个，多个所述温度保险丝的两端分别与所述连接片和所述第二极耳的触角电连接，且在所述电芯内部分散布置。

7.根据权利要求3所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述第二极耳包括伸入所述电极组件内的内部段；所述内部段与所述第二电极的接触表面覆盖有绝缘层。

8.根据权利要求4所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，

所述温度保险丝贴附于所述电芯表面；

所述第二电极引出导体为设置于所述电芯上的中间极耳；

所述中间极耳的一端和所述第二电极连接，另一端伸出所述电芯后与所述温度保险丝的第一端电连接；

所述第二极耳与所述温度保险丝另一端电连接。

9.根据权利要求8所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述第一极耳、第二极耳和所述温度保险丝设置于所述电芯的同一端面，所述中间极耳伸出所述电芯的部分靠近所述电芯表面，并与所述温度保险丝一端电连接；所述温度保险丝的另一端直接和所述第二极耳电连接。

10.根据权利要求8所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述第一极耳和所述第二极耳分设于所述电芯的两个端面，所述温度保险丝设置于所述电芯表面的中部；所述中间极耳伸出所述电芯的部分贴合于所述电芯表面，然后与所述温度保险丝一端电连接；所述温度保险丝另一端与所述第二极耳电连接。

11.根据权利要求10所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述电池包括多个电芯，所述电芯堆叠设置，相邻两个电芯为一组，在一组中，两个电芯共用一个第二极耳，两个电芯所对应的温度保险丝设置于两个电芯之间。

12.根据权利要求8所述的内嵌温度保险丝的电池，其特征在于，所述电芯包括多个绕卷单元，每个绕卷单元各设有一组所述第一极耳和所述中间极耳；相邻的两个绕卷单元层叠后，所述第一极耳重叠；相邻的两个绕卷单元的所述连接片层叠后与所述温度保险丝一端电连接，所述温度保险丝另一端与所述第二极耳电连接，相邻的两个绕卷单元共用所述第二极耳；所述温度保险丝端面分别与相邻的两个绕卷单元的电芯表面接触。

13.一种电池模组，其特征在于，所述电池模组通过多个如权利要求1至12中任意一项所述的内嵌温度保险丝的电池通过串联和/或并联的方式连接形成。