二次电池和电池模组论文和设计-史东洋

全文摘要

本实用新型提供了一种二次电池和电池模组。二次电池包括电极组件、壳体以及顶盖组件。壳体具有容纳腔室，容纳腔室具有开口，电极组件收容于容纳腔室。电极组件包括多个电极单元，所述多个电极单元沿容纳腔室的轴向层叠设置。顶盖组件包括顶盖板、第一电极端子和第二电极端子，顶盖板连接于壳体且位于电极组件沿轴向的一侧，第一电极端子和第二电极端子均突出于顶盖板且电连接于电极组件。在顶盖板的长度方向上，第一电极端子和第二电极端子分别位于顶盖板的中心的两侧，且第一电极端子和第二电极端子的间距为D1，顶盖板的靠近第一电极端子的边缘与第一电极端子的间距为D2，D1\/D2的值为1～6。

主设计要求

1.一种二次电池，其特征在于，包括电极组件(1)、壳体(2)以及顶盖组件(3)；壳体(2)具有容纳腔室(21)，容纳腔室(21)具有开口，电极组件(1)收容于容纳腔室(21)；电极组件(1)包括多个电极单元(11)，所述多个电极单元(11)沿容纳腔室(21)的轴向层叠设置；顶盖组件(3)包括顶盖板(31)、第一电极端子(32)和第二电极端子(33)，顶盖板(31)连接于壳体(2)且位于电极组件(1)沿轴向的一侧，第一电极端子(32)和第二电极端子(33)均突出于顶盖板(31)且电连接于电极组件(1)；在顶盖板(31)的长度方向上，第一电极端子(32)和第二电极端子(33)分别位于顶盖板(31)的中心的两侧，且第一电极端子(32)和第二电极端子(33)的间距为D1，顶盖板(31)的靠近第一电极端子(32)的边缘与第一电极端子(32)的间距为D2，D1\/D2的值为1～6。

设计方案

1.一种二次电池，其特征在于，包括电极组件(1)、壳体(2)以及顶盖组件(3)；

壳体(2)具有容纳腔室(21)，容纳腔室(21)具有开口，电极组件(1)收容于容纳腔室(21)；

电极组件(1)包括多个电极单元(11)，所述多个电极单元(11)沿容纳腔室(21)的轴向层叠设置；

顶盖组件(3)包括顶盖板(31)、第一电极端子(32)和第二电极端子(33)，顶盖板(31)连接于壳体(2)且位于电极组件(1)沿轴向的一侧，第一电极端子(32)和第二电极端子(33)均突出于顶盖板(31)且电连接于电极组件(1)；

在顶盖板(31)的长度方向上，第一电极端子(32)和第二电极端子(33)分别位于顶盖板(31)的中心的两侧，且第一电极端子(32)和第二电极端子(33)的间距为D1，顶盖板(31)的靠近第一电极端子(32)的边缘与第一电极端子(32)的间距为D2，D1\/D2的值为1～6。

2.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，D1\/D2的值为1.5～5。

3.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，第一电极端子(32)和第二电极端子(33)相对于顶盖板(31)的中心成对称设置。

4.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，顶盖板(31)的厚度与电极组件(1)的厚度正相关。

5.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，

电极单元(11)包括卷绕为一体的第一极片(111)、第二极片(112)和隔膜(113)；

电极单元(11)具有主体区域(P1)和拐角区域(P2)，拐角区域(P2)设置于主体区域(P1)沿宽度方向的两端；相邻两个电极单元(11)的主体区域(P1)接触，且所述电极单元(11)的主体区域(P1)与顶盖板(31)相对设置。

6.根据权利要求5所述的二次电池，其特征在于，主体区域(P1)的宽度与顶盖板(31)的厚度的比值为10～60。

7.根据权利要求6所述的二次电池，其特征在于，主体区域(P1)的宽度为30mm至60mm，顶盖板(31)的厚度为1mm至4mm。

8.根据权利要求1～7任一项所述的二次电池，其特征在于，

顶盖组件(3)还包括防爆片(35)，防爆片(35)设置于第一电极端子(32)和第二电极端子(33)之间；

顶盖板(31)设有通孔(311)，防爆片(35)连接于顶盖板(31)并覆盖通孔(311)。

9.根据权利要求8所述的二次电池，其特征在于，防爆片(35)沿着顶盖板(31)的宽度方向的尺寸大于沿着顶盖板(31)的长度方向的尺寸。

10.一种电池模组，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的二次电池；

二次电池为多个且依次排列，且所述多个二次电池的排列方向垂直于轴向。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电池领域，尤其涉及一种二次电池和电池模组。

背景技术

电池模组通常包括多个依次排列的二次电池，而各二次电池内部设有电极组件。在充放电过程中，电极组件会在二次电池的排列方向上膨胀，而所述多个二次电池的电极组件产生的膨胀力会沿着排列方向叠加并形成较大的合力；所述合力挤压二次电池，导致二次电池无法正常工作，影响二次电池的寿命。

实用新型内容

鉴于背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种二次电池和电池模组，其能改善二次电池的性能和寿命。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种二次电池和电池模组。

二次电池包括电极组件、壳体以及顶盖组件。壳体具有容纳腔室，容纳腔室具有开口，电极组件收容于容纳腔室。电极组件包括多个电极单元，所述多个电极单元沿容纳腔室的轴向层叠设置。顶盖组件包括顶盖板、第一电极端子和第二电极端子，顶盖板连接于壳体且位于电极组件沿轴向的一侧，第一电极端子和第二电极端子均突出于顶盖板且电连接于电极组件。在顶盖板的长度方向上，第一电极端子和第二电极端子分别位于顶盖板的中心的两侧，且第一电极端子和第二电极端子的间距为D1，顶盖板的靠近第一电极端子的边缘与第一电极端子的间距为D2，D1\/D2的值为1～6。

D1\/D2的值为1.5～5。

第一电极端子和第二电极端子相对于顶盖板的中心成对称设置。

顶盖板的厚度与电极组件的厚度正相关。

电极单元包括卷绕为一体的第一极片、第二极片和隔膜。电极单元具有主体区域和拐角区域，拐角区域设置于主体区域沿宽度方向的两端；相邻两个电极单元的主体区域接触，且所述电极单元的主体区域与顶盖板相对设置。

主体区域的宽度与顶盖板的厚度的比值为10～60。

主体区域的宽度为30mm至60mm，顶盖板的厚度为1mm至4mm。

顶盖组件还包括防爆片，防爆片设置于第一电极端子和第二电极端子之间。顶盖板设有通孔，防爆片连接于顶盖板并覆盖通孔。

防爆片沿着顶盖板的宽度方向的尺寸大于沿着顶盖板的长度方向的尺寸。

电池模组包括所述的二次电池；二次电池为多个且依次排列，且所述多个二次电池的排列方向垂直于轴向。

本实用新型的有益效果如下：在本申请中，二次电池中的多个电极单元沿轴向布置，因此所述多个电极单元的膨胀力会在轴向上叠加。在电池模组中，所述多个二次电池的排列方向垂直于轴向，因此，即使所有的电极组件在排列方向上的膨胀量叠加在一起，也不会产出过大的合力，从而避免二次电池被压坏，保证二次电池的性能和寿命。本申请靠近顶盖板的中心设置第一电极端子和第二电极端子，这样可以提高顶盖板的沿长度方向的中心区域的结构强度，从而降低顶盖板在中心处的变形，改善二次电池的外观和性能。

附图说明

图1为根据本实用新型的二次电池的分解图。

图2为根据本实用新型的二次电池的剖视图。

图3为根据本实用新型的二次电池的电极组件的剖视图。

图4为根据本实用新型的二次电池的顶盖组件的正视图，其中绝缘构件和集流构件省略。

图5为图4的顶盖组件的仰视图。

图6为防爆片的一受力示意图。

图7为防爆片的另一受力示意图。

其中，附图标记说明如下：

1电极组件 32第一电极端子

11电极单元 33第二电极端子

111第一极片 34绝缘构件

112第二极片 35防爆片

113隔膜 36集流构件

2壳体 P1主体区域

21容纳腔室 P2拐角区域

3顶盖组件 X长度方向

31顶盖板 Y宽度方向

311通孔 Z高度方向

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”是指两个或两个以上；除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接，或信号连接；“连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

在本申请中，电池模组通常包括二次电池、端板、侧板及汇流排。二次电池为多个并依次排列。本申请的二次电池可为棱柱形的锂离子电池。所述多个二次电池的排列方向可平行于各二次电池的宽度方向Y。端板为两个且分别设置于所述多个二次电池沿排列方向的两端，侧板为两个且分别设置于所述多个二次电池的两侧，端板和侧板焊接在一起并形成矩形的框架。所述多个二次电池固定于所述框架。汇流排将所述多个二次电池以串联、并联或串并联的方式连接在一起。

参照图1和图2，本申请的二次电池包括电极组件1、壳体2以及顶盖组件3。

壳体2内部形成有容纳腔室21，以收容电极组件1和电解液。壳体2在沿容纳腔室21的轴向的一端形成开口，而电极组件1可经由所述开口放置到壳体2内。壳体2可由铝或铝合金等导电金属的材料制成。

所述容纳腔室21的轴向与容纳腔室21的延伸方向平行且垂直于开口所在的平面。本申请的电池模组可用于电动汽车，当电动汽车上的二次电池的顶盖组件3与地面大致平行时，容纳腔室21的轴向平行于二次电池的高度方向Z，垂直于二次电池的宽度方向Y、长度方向X以及所述多个二次电池的排列方向。

电极组件1包括多个电极单元11，所述多个电极单元11沿容纳腔室21的轴向层叠设置。参照图3，各电极单元11包括第一极片111、第二极片112和隔膜113，隔膜113将第一极片111和第二极片112隔开。电极单元11可通过螺旋地卷绕第一极片111、第二极片112和隔膜113而形成，且电极单元11通过压力按压形成扁平状结构。可替代地，各电极单元11也可以由第一极片111、第二极片112和隔膜113层叠形成。

顶盖组件3包括顶盖板31、第一电极端子32、第二电极端子33、绝缘构件34、防爆片35及集流构件36。顶盖板31连接于壳体2并覆盖壳体2的开口，从而将电极组件1封闭在壳体2的容纳腔室21内。绝缘构件34设置于顶盖板31的内侧，以将顶盖板31和电极组件1隔开。第一电极端子32和第二电极端子33设置于顶盖板31，且第一电极端子32和第二电极端子33突出到顶盖板31的外侧。集流构件36为两个，一个集流构件36连接第一极片111和第一电极端子32，另一个集流构件36连接第二极片112和第二电极端子33。

顶盖板31位于电极组件1沿轴向的一侧，换句话说，顶盖板31位于所述多个电极单元11沿排列方向的一端。在此补充的是，顶盖板31的长度方向及电极单元11的长度方向均平行于二次电池的长度方向X，顶盖板31的宽度方向及电极单元11的宽度方向均平行于二次电池的宽度方向Y，顶盖板31的厚度方向及电极单元11的厚度方向均平行于二次电池的高度方向Z。

在充放电过程中，各电极单元11会出现膨胀。在本申请中，二次电池中的多个电极单元11沿容纳腔室21的轴向布置，因此所述多个电极单元11的膨胀会在轴向上叠加。而在二次电池的宽度方向Y上，所述多个电极单元11的膨胀较小，所以电极组件1整体在宽度方向Y的膨胀量较小，对应地，电极组件1作用在壳体2上的膨胀力也较小。

在电池模组中，所述多个二次电池的排列方向垂直于容纳腔室21的轴向，因此，即使所有的电极组件1在排列方向上的膨胀量叠加在一起，也不会产出过大的合力，从而避免二次电池被压坏，保证二次电池的性能和寿命。

另外，在已知技术中，电池模组的两个端板需要夹持所述多个二次电池，如果二次电池膨胀产生的合力过大，可能会导致端板与侧板的焊接处断裂，造成电池模组失效。而在本申请中，所述多个二次电池在膨胀时产生的合力较小，从而避免电池模组失效。

在二次电池中，当电极单元11膨胀时，多个电极单元11的膨胀量会在轴向上叠加，从而导致电极单元11挤压绝缘构件34。当电极组件1挤压绝缘构件34时，膨胀力会传递到顶盖板31上，因此，顶盖板31容易在膨胀力的作用下变形，从而影响二次电池的外观和性能。

电极端子(第一电极端子32和第二电极端子33)需要通过一些机械构件固定到顶盖板31上，同时，电极端子还连接于集流构件36，因此，在设有电极端子的位置，顶盖板31的变形会受到电极端子等机械构件的限制；换句话说，在设有电极端子的位置，顶盖板31具有较高的结构强度。

参照图2，沿顶盖板31的长度方向，第一电极端子32和第二电极端子33分别位于顶盖板31的中心C1的两侧。为了减小顶盖板31在中心C1处的变形，本申请优选靠近顶盖板31的中心C1设置第一电极端子32和第二电极端子33，这样可以提高顶盖板31的沿长度方向的中心区域(即位于第一电极端子32和第二电极端子33之间的区域)的结构强度，从而降低顶盖板31在中心C1处的变形，改善二次电池的外观和性能。

沿顶盖板31的长度方向，第一电极端子32和第二电极端子33的间距为D1。具体地，所述D1为第一电极端子32的中心C2和第二电极端子33的中心C3的间距。

沿顶盖板31的长度方向，顶盖板31的靠近第一电极端子32的边缘与第一电极端子32的间距为D2，具体地，所述D2为第一电极端子32的中心C2和顶盖板31的边缘的间距。

D1的值越小，顶盖板31在中心区域的结构强度越高，变形程度越小；同时，D1的值越大，顶盖板31在中心区域的结构强度越低。

如果D1\/D2比值过大(例如D1\/D2大于6)，那么第一电极端子32和第二电极端子33的间距过大；在顶盖板31厚度不变的情况下，与顶盖板31的边缘区域(即顶盖板31的位于第一电极端子32的远离第二电极端子33的一侧的区域)相比，顶盖板31的中心区域的变形较为严重，从而破坏与顶盖板31配合的其它机械构件，影响二次电池的外观和性能。

如果D1\/D2比值过小(例如D1\/D2小于1)，顶盖板31的位于第一电极端子32和第二电极端子33之间的空间有限，无法设置其它机械构件(例如防爆片35)；同时，D2的值过大，顶盖板31的边缘区域强度偏低，在膨胀力的作用下，边缘区域的变形严重，导致壳体2和顶盖板31分离，引发安全风险。

因此，优选地，在本申请中，D1\/D2的值为1～6。

在此补充的是，在已知技术中，电极单元11一般沿二次电池的宽度方向Y排列，顶盖板31是不会受到膨胀力的作用，顶盖板31无需太高的结构强度，因此，已知技术的电极端子靠近顶盖板31的边缘设置。

第一电极端子32和第二电极端子33相对于顶盖板31的中心C1成对称设置。在此说明的是，所述对称是指，第一电极端子32的中心C2和第二电极端子33的中心C3在长度方向X上关于顶盖板31的中心C1对称，并不要求第一电极端子32和第二电极端子33的形状完全相同。此时，沿顶盖板31的长度方向，顶盖板31的靠近第二电极端子33的边缘与第二电极端子33的中心C3的间距为D3，D3等于D2。

第一电极端子32和第二电极端子33对称设置时，可以使顶盖板31在中心C1两侧结构强度相近、变形近似，从而提高顶盖板31整体变形的均匀性。

D1\/D2的值优选为1.5～5。这样可以降低顶盖板31的中心区域和边缘区域变形的差异，提高顶盖板31整体强度的均匀性。

进一步地，D1\/D2的值优选为2，D1\/D3的值优选为2。此时，在长度方向X上，第一电极端子32的中心C2、顶盖板31的中心C1及第二电极端子33的中心C3将顶盖板31四等分，可以使第一电极端子32和第二电极端子33对顶盖板31的结构强度的影响更为均匀，从而降低顶盖板31在膨胀力的作用下变形的差异性。

电极组件1沿高度方向Z的厚度越大，电极组件1的膨胀力也就越大，顶盖板31的变形也就越大；而顶盖板31沿高度方向Z的厚度越大，其强度越高，抗变形能力越强。因此，在本申请中，顶盖板31的厚度T与电极组件1的厚度正相关。顶盖板31可由等厚度的金属板冲压而成。

参照图3，电极单元11通过卷绕形成扁平状结构，其具有主体区域P1和拐角区域P2，拐角区域P2设置于主体区域P1沿宽度方向的两端。主体区域P1的宽度方向平行于二次电池的宽度方向Y。

在电极单元11膨胀前，主体区域P1的第一极片111和第二极片112大体垂直于高度方向Z，拐角区域P2的第一极片111和第二极片112大体为圆弧形。当电极单元11膨胀时，其在高度方向Z上的膨胀源自主体区域P1的膨胀。

在二次电池中，多个电极单元11沿高度方向Z直接层叠，相邻两个电极单元11的主体区域P1彼此接触。

最上层的电极单元11(即最靠近的顶盖板31的一个电极单元11)的主体区域P1与顶盖板31沿高度方向Z上下相对设置。当电极单元11膨胀前，主体区域P1的靠近顶盖板31的表面大体平行于顶盖板31的靠近主体区域P1的表面。当电极单元11膨胀时，彼此相对的两个表面可以使两者之间的应力更为均匀。

参照图3，主体区域P1沿宽度方向Y的宽度为W；参照图4，顶盖板31沿高度方向Z的厚度为T，W\/T的值优选为10～60。

当W\/T>60时，主体区域P1在膨胀时对绝缘构件34和顶盖板31的作用力较大，而顶盖板31的强度较低，所以顶盖板31无法对主体区域P1进行有效地约束，导致顶盖板31和主体区域P1变形严重。当顶盖板31严重变形时，电极端子会产生偏移，导致电极端子与电池模组的汇流排脱离，造成电池模组失效。而主体区域P1严重变形时，电极单元11最外层的极片容易因应力集中而断裂，从而降低二次电池的性能。因此，优选地，W\/T≤60。

当W\/T＜10时，顶盖板31的厚度偏大，强度较高，因此顶盖板31可以对主体区域P1进行有效的约束。但是，由于顶盖板31的强度较高，无法通过微量的形变来释放膨胀力，所以顶盖板31会对主体区域P1施加较大的反作用力；同时，当电极单元11膨胀时，主体区域P1的宽度越小，拐角区域P2对主体区域P1在高度方向Z上的束缚力也就越大。在所述反作用力和所述束缚力的联合作用下，主体区域P1的第一极片111和第二极片112之间的间隙变小，导致电解液无法浸入主体区域P1，造成析锂问题。因此，优选地，W\/T≥10。

具体地，主体区域P1的宽度W优选为30mm～60mm，顶盖板31的厚度T优选为1mm～4mm。

参照图2，顶盖板31设有通孔311，防爆片35连接于顶盖板31并覆盖通孔311。沿顶盖板31的长度方向，防爆片35设置于第一电极端子32和第二电极端子33之间。

防爆片35具有刻痕。当二次电池出现短路时，电极组件1产生大量的气体，气体可以冲破防爆片35，从而及时地排出到二次电池的外部，避免爆炸，降低安全风险。

顶盖板31的中部区域变形时，防爆片35也会随之变形；同时，通孔311会降低顶盖板31的中部区域的结构强度，如果顶盖板31的中部区域变形严重，那么防爆片35很容易过度变形并破裂，导致防爆片35失效，引发安全风险。而本申请通过靠近顶盖板31的中心C设置第一电极端子32和第二电极端子33，可以提高顶盖板31的中部区域的结构强度，减小防爆片35的变形，降低防爆片35在正常情况下破裂的风险。

参照图5，防爆片35沿着顶盖板31的宽度方向的尺寸为L1，防爆片35沿着顶盖板31的长度方向的尺寸L2。

在充放电过程中，电极单元11会出现膨胀；参照图3，主体区域P1沿宽度方向的两端受到拐角区域P2的限制，所以主体区域P1沿宽度方向的中部膨胀程度较大，而靠近拐角区域P2的端部膨胀程度较小。换句话说，参照图6，沿宽度方向，防爆片35所受到的膨胀力F_{1<\/sub>沿远离中部的方向逐渐减小。而在长度方向上，主体区域P1的膨胀程度大体一致，也就是说，参照图7，沿长度方向，防爆片35所受到的膨胀力F_{2<\/sub>大体一致。}}

如果防爆片35整体沿顶盖板31的长度方向延伸，即L2大于L1，那么防爆片35整体所受到膨胀力偏大，容易破裂。因此，在保证面积相同的前提下，通过增大L1的尺寸并减小L2的尺寸，本申请可以减小防爆片35整体所受到膨胀力，降低破裂风险。

另外，沿顶盖板的长度方向，第一电极端子32和第二电极端子33之间的空间有限，因此，本申请通过减小L2的尺寸，可以降低防爆片35在顶盖板31的长度方向上占用的空间。

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