寧德時代：方形鋁殼電池頂蓋設計
2022-12-09
來源：鋰電前沿
方形電池的各個零部件組成如圖1所示，主要包括頂蓋，鋁殼，卷芯組成，頂蓋和殼體通過激光焊接組成一個密封的整體。
方形電池的頂蓋如圖2所示，其結構主要由頂蓋板，正、負極柱，防爆裝置，注液孔等組成，一般極柱部分包含翻轉片裝置(OSD)，電流切斷結構（CID）和短路裝置(Fuse)等機構。
本文根據寧德時代頂蓋方面的專利資料，介紹頂蓋各部分的基本原理與結構設計，以此進行系統學習并與大家分享。注液口主要用于頂蓋與殼體焊接之后，向電芯內部注入電解液，然后再采用激光焊接將密封釘封住注液口。在頂蓋焊接之后密封檢查時，一般也是通過注液口通入氦氣，檢測電池內部的壓力變化，從而判斷焊接密封性?，F有電池中，電池頂蓋的注液孔密封采用密封釘或密封球與注液孔過盈配合實現密封。但是，過盈配合會導致密封釘與注液孔壁之間發(fā)生摩擦，產生的金屬顆粒和毛刺可能掉入電池內部引起電池短路。為了避免因金屬顆粒和毛刺掉入電池內部引起電池短路，裝配時過盈量需要控制在很小的范圍內，因此對機加工的精度要求非常高，不易實現。為了解決此問題，寧德時代設計了一種注液口密封釘，密封釘包括金屬部和與金屬部組裝在一起的橡膠部，金屬部和橡膠部與注液孔的接觸處均為過盈配合；注液孔內開設有凹陷，密封釘的橡膠部對應設有可卡合于凹陷部中的突出部，如圖3所示。密封釘可以在低溫下冷卻裝配，可以有效防止金屬毛刺和顆粒的產生，防止接觸界面的破壞，實現注液孔的可靠密封；橡膠部的設置可以有效阻止金屬毛刺和顆粒落入電池殼體內，可以保證電池的安全性能；采用機械密封結構，無需激光焊接，工藝簡單，可以顯著降低成本，當然這種密封釘也可以焊接封死。而且，密封釘橡膠部分可以為圓柱錐形、燈籠型”的弧形結構等多種不同的形狀。
鋁材被廣泛應用在動力電池中作為殼體。但是，由于鋁的電位和電池正極電位之間存在一定差值，因此鋁殼很容易在底部出現腐蝕問題。將鋁殼和正極極柱直接導通可以消除二者的電位差而避免鋁殼腐蝕。因此，一般電池頂蓋上對應正極極柱和負極極柱處有兩個極柱穿孔，正極極柱從一個極柱穿孔中穿出并與頂蓋片電導通，負極極柱從另一個極柱穿孔穿出并與頂蓋片電絕緣，負極柱附近設置有短路部件，當動力電池內部壓力增大時，短路部件向上動作，使動力電池的正負極形成回路，并在回路中產生較大的電流，使得連接部件熔斷，從而切斷主回路。正極與鋁殼之間的電阻很小，為毫歐姆級別，電池發(fā)生短路時的回路電流很大，容易出現打火而引發(fā)電池著火，存在較大的安全隱患。目前，動力電池通常在鋁殼的頂蓋片和電池正極極柱之間添加導電塑膠或者是碳化硅，來增加鋁殼和正極之間的導通電阻。寧德時代設計了正極極柱和頂蓋片之間的PTC熱敏電阻，如圖4所示，正極極柱和頂蓋片彼此電隔離，并通過PTC熱敏電阻實現電連接。PTC熱敏電阻為環(huán)形，套在正極極柱上，內壁與正極極柱的周壁緊密接觸；頂蓋片沖壓有環(huán)形的PTC熱敏電阻收容槽，PTC熱敏電阻鑲嵌在頂蓋片的PTC熱敏電阻收容槽中而與頂蓋片緊密接觸。PTC熱敏電阻在常規(guī)條件下具有較小的電阻，保證在動力電池發(fā)生外短路時，能盡快消耗電池的內部能量。利用PTC熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，隨著電池外短路時間的增加，溫度升高，PTC熱敏電阻處的電阻會逐漸變大，這使得短路電流逐漸減少，避免了過高熱量對電阻形成的熱沖擊，因此既不存在小電阻易于熔斷的問題又能避免溫度過高導致的電池著火或電阻熔斷等問題。
如圖5所示，正極極柱通過電阻與頂蓋片電連接，負極極柱與頂蓋片電絕緣，但是在負極極柱設置翻轉片16和短路結構。當電池電池內部壓力超過基準壓力時翻轉片16翻轉并接觸翻轉片連接部1044，以使負極柱和正極極柱通過頂蓋片電連接，相當于將裸電芯的正極片和負極片與動力電池的外部進行短路，由此減少裸電芯的充電狀態(tài)。短路大電流再將正負極極柱的熔斷部件熔化，切斷電流回路。
通常，為了解決電池針刺濫用問題，在正極極柱和頂蓋片之間設置有電阻，使正極極柱通過該電阻與頂蓋片電連接，當動力電池在針刺的情況下，如果正極極柱與頂蓋片間的電阻過小，則穿釘時外短路的電流過大，穿釘點容易打火，造成電芯失控，因此穿釘時，正極極柱和頂蓋片之間需要一個大電阻。當動力電池過充時，當電芯內部氣壓增大一定值，短路部件向上動作，使電芯正負極連通短路，利用較大的回路電流來熔斷連接部件，從而切斷主回路。然而，如果直接將正負極連通短路，由于回路中的電阻過小，則回路中的電流會過大(例如，超過10000A)，短路部件很容易熔掉，短路部件在連接部件熔斷之前就熔掉了，使得回路電流消失，無法熔斷連接部件；但如果回路中的電阻過大，則又會造成回路中的電流過小(例如，小于500A)，連接部件不會熔斷，起不到阻止動力電池繼續(xù)充電的作用，因此在應對動力電池過充時，顯然無法直接采用接入大電阻的方式降低電流。為了同時滿足動力電池過充與針刺問題，寧德時代重新優(yōu)化了動力電池頂蓋結構，在正、負極極柱同時設置翻轉片短路結構，使動力電池在過充和穿釘情況下均能夠構成具有合適阻值的回路。如圖6所示，第一極柱為正極，第二極柱為負極。第一極柱100的頂端穿過頂蓋片50，但第一極柱100不與頂蓋片50直接接觸電連接，二者之間通過第一絕緣連接件102進行固定，并且第一極柱100通過第一電阻30與頂蓋片50之間始終保持電連接。而負極極柱200與頂蓋片50電絕緣，正負極極柱分別設置翻轉片短路結構。第一電阻的阻值比所述第二電阻以及所述第三電阻的阻值之和至少大1000倍。第一電阻的阻值為1~100000Ω，第二電阻以及所述第三電阻的阻值之和為0.1~100mΩ正極極柱短路部件60以及負極極柱路部件70是兩個重要的電路開關。正極極柱短路部件60不發(fā)生動作時，該電池頂蓋的電路結構為針刺保護電路。當發(fā)生穿釘現象時，殼體內部氣壓不足以使正極極柱短路部件60發(fā)生動作時，釘子會將動力電池內部的負極片與外殼以及頂蓋片50導通，頂蓋片50又通過第一電阻30與第一電極組件10的第一極柱100導通，再通過正極極耳2a最終回到裸電芯內部的正極片，形成穿釘回路。第一電阻30的阻值一般為1～100000Ω。在穿釘回路中，由于有第一電阻30的存在，能夠有效減小穿釘回路當中的電流，有效避免因電流過大，導致穿釘點打火，引燃電解液，最終導致動力電池起火的情況發(fā)生。而當正極極柱短路部件60以及負極極柱短路部件70同時翻轉接入電路時，該動力電池頂蓋的電路結構將會轉變?yōu)檫^充保護電路。當發(fā)生過充現象時，由于電路中需要產生較大的電流來熔斷熔斷構件，而第一電阻30的阻值過大，因此此時的過充保護電路中應避免將第一電阻30直接串聯到電路中。與此同時，為了避免電流過大而先造成第一短路部件60以及第二短路部件70削頂或熔斷，此時的電路中又需要接入一個第二電阻40，這個第二電阻40的阻值不能過大，一般不能超過第一電阻30阻值的1/1000，較為優(yōu)選的是在0.1～100mΩ范圍內。當第一短路部件60與第一延伸部104b接觸并電連接后，能夠形成一條低電阻支路和一條高電阻支路，而第一電阻30則位于高電阻支路中，從而降低整個過充保護電路中的阻值。
解決硬殼動力電池過充問題而普遍采用的方案是，在電芯失效之前切斷電池主回路(電流切斷結構，CID)，防止電池繼續(xù)充電以保證電池安全。寧德時代在正極主回路設置一個氣壓翻轉片及集成CID于一體的導電片。導電片四周與裸電芯極耳通過焊接連接，導電片的CID部分與翻轉片通過焊接連接于一體，翻轉片與正極柱或者頂蓋片通過焊接相連把電流導向正極端子。當電池過充，內部氣壓增大，推動翻轉片扯斷CID，把翻轉片與導電片斷開。如圖7所示，翻轉片204通過絕緣件200固定在頂蓋片10的下方，在電路連接上，翻轉片204與電流切斷結構206的底部直接接觸，二者為電連接，翻轉片204四周與電芯極耳通過焊接連接。在正常狀態(tài)下，電流僅能夠通過翻轉片204以及電流切斷結構206傳遞至頂蓋片10和正極極柱上。在電池內部壓力超過基準壓力時，翻轉片204能夠在壓力作用下向上翻轉，同時推動電流切斷結構206，直至將電流切斷結構206沿著薄弱區(qū)破壞，使其喪失電流傳輸能力，從而實現過流保護功能。
鋰離子電池的電芯中的水含量超標、SEI膜不穩(wěn)定、對鋰離子電池的過充，過放、鋰離子電池發(fā)生短路、擠壓等濫用情況時，會造成鋰離子電池內部產氣、著火，甚至爆炸。目前解決這些問題的通常方法是在鋰離子電池的頂蓋上增加一個防爆閥，鋰離子電池出現上述情況內部產生氣體，當鋰離子電池內部氣體壓力達到防爆閥的爆破壓力時，頂蓋上的防爆片破裂，從而使鋰離子電池內部氣體從防爆閥口排出，防止鋰離子電池因為脹氣導致爆炸。寧德時代開發(fā)了溫敏防爆閥，如圖8所示，頂蓋上預留一個防爆孔，防爆片密封防爆孔并固定在頂蓋上，防爆片包括三層：內側的溫敏材料層，具體材質為聚丙烯(PP)、聚乙烯對苯二甲酸脂(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)中的一種；中間層為鋁、銅、不銹鋼等金屬片；外層為尼龍保護層。另外防爆裝置還包括導熱片，一端連接防爆片，另一端連接電池的電芯。該防爆裝置工作原理為：當電池內部的溫度超過溫敏材料的軟化溫度時，溫敏材料軟化，從而電池內的產氣壓力使防爆片破裂或脫開頂蓋，以排出電池內的產氣。
電池頂蓋是一個重要的部件，包含很多安全性結構設計，各個電池廠在頂蓋設計方面都申請了大量的專利，以下是寧德時代頂蓋方面的部分專利列表。
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