技术｜方形锂电池顶盖原理及设计

新能源汽车用锂电池随着体积增大、能量变高、使用环境变恶劣，密封的电池因受损而引起爆炸的隐患也在增大。锂电池的安全防护有两个层次，一是防止电池滥用造成电池自身功能的损坏，三是防止电池爆炸而引起的安全危害。目前，锂电池防爆方法通常有断路防护和泄压防护两种。断路防护是指在电池内密封片与极芯之间设置特殊的断路焊点，当电池内因产气而使内气压增大到一定值时，密封片受压变形，与极芯之间的焊点被拉断，彻底切断电路。泄压防护指的是在电池密封体上设置泄气阀，当内气压升高到足够大时，泄气阀被顶开，内部气体向外排放减压，对动力型大容量锂电池而言，常在电池盖帽上集成断路防护与泄压防护两种功能，实现防爆保护。因此，为防止锂电池爆炸，通常的做法是在电池盖帽上集成断路和排气防爆装置，制成防爆盖帽并在此基础上集成为防爆安全模组。

顶盖的类型

锂电池电芯硬壳结构件可分为圆柱形和方形结构件，主要包括壳体，盖板，连接排等。其中，盖板在电池中起着重要作用，但结构比较复杂，使得很多人并不了解其详细结构，今天小编就来给大家介绍盖板的组件，生产工艺，功能等。

方形电池的各个零部件组成如图1所示，主要包括顶盖，铝壳，卷芯组成，顶盖和壳体通过激光焊接组成一个密封的整体。

图1 方形电芯组成图

方形电池的顶盖如图2所示，其结构主要由顶盖板，正、负极柱，防爆装置，注液孔等组成，一般极柱部分包含翻转片装置(OSD)，电流切断结构（CID）和短路装置(Fuse)等机构。

图2方形电池典型顶盖结构示意图

盖板的主要功能

1）固定/密封功能：顶盖与铝壳激光焊接，包裹固定裸电芯并实现密封作用；

2）电流导通功能（极柱）：在电池中，顶盖极柱、转接片和电芯极耳焊接导通，保证电芯充放电电流导通的功能；在模组中，顶盖极柱与汇流排激光焊接、螺栓连接，形成串/并联；

3）泄压功能（防爆片）：当电池出现异常，内部气压增大至一定值，顶盖防爆阀将开启进行泄压，降低爆炸风险；

4）熔断保护功能（翻转片）：当电池出现异常，内部气压增大至一定值，顶盖翻转片向上顶起，与负极铆接块接触，使顶盖正负极直接短路，同时铝连接片Fuse熔断，快速切断电流；

5）降低电腐蚀：正极上塑胶采用导电PPS，保证正极柱与顶盖板间有一定阻值，降低正极柱与铝壳间的电位差，防止顶盖板/铝壳电腐蚀，进而提高产品质量和使用寿命

盖板组成部件

1）防爆片：一般磷酸铁锂体系电池顶盖采用单个防爆阀设计，防爆阀开启压力一般为0.4～0.8MPa。当内部压强增大并超过防爆阀的开启压力时，防爆阀将从刻痕处破裂并开启进行泄压；

2）翻转片：三元体系电池除了采用防爆阀外，还会叠加SSD翻转片组合设计形式，防爆阀开启压力和SSD翻转压力一般分别为0.75～1.05MPa、0.45～0.5MPa。当电池内部压强增大至SSD 翻转压力时，翻转片向上顶起，快速切断电流；

3）极柱：主要是起到电流导通作用。通常正极采用铝极柱，负极采用铜铝复合极柱。

顶盖各部分的基本原理与结构设计

1）注液口

注液口主要用于顶盖与壳体焊接之后，向电芯内部注入电解液，然后再采用激光焊接将密封钉封住注液口。在顶盖焊接之后密封检查时，一般也是通过注液口通入氦气，检测电池内部的压力变化，从而判断焊接密封性。现有电池中，电池顶盖的注液孔密封采用密封钉或密封球与注液孔过盈配合实现密封。但是，过盈配合会导致密封钉与注液孔壁之间发生摩擦，产生的金属颗粒和毛刺可能掉入电池内部引起电池短路。为了避免因金属颗粒和毛刺掉入电池内部引起电池短路，装配时过盈量需要控制在很小的范围内，因此对机加工的精度要求非常高，不易实现。

为了解决此问题，宁德时代设计了一种注液口密封钉，密封钉包括金属部和与金属部组装在一起的橡胶部，金属部和橡胶部与注液孔的接触处均为过盈配合；注液孔内开设有凹陷，密封钉的橡胶部对应设有可卡合于凹陷部中的突出部，如图3所示。密封钉可以在低温下冷却装配，可以有效防止金属毛刺和颗粒的产生，防止接触界面的破坏，实现注液孔的可靠密封；橡胶部的设置可以有效阻止金属毛刺和颗粒落入电池壳体内，可以保证电池的安全性能；采用机械密封结构，无需激光焊接，工艺简单，可以显著降低成本，当然这种密封钉也可以焊接封死。而且，密封钉橡胶部分可以为圆柱锥形、灯笼型”的弧形结构等多种不同的形状。

图3 注液口密封方式

2）正、负极极柱

铝材被广泛应用在动力电池中作为壳体。但是，由于铝的电位和电池正极电位之间存在一定差值，因此铝壳很容易在底部出现腐蚀问题。将铝壳和正极极柱直接导通可以消除二者的电位差而避免铝壳腐蚀。因此，一般电池顶盖上对应正极极柱和负极极柱处有两个极柱穿孔，正极极柱从一个极柱穿孔中穿出并与顶盖片电导通，负极极柱从另一个极柱穿孔穿出并与顶盖片电绝缘，负极柱附近设置有短路部件，当动力电池内部压力增大时，短路部件向上动作，使动力电池的正负极形成回路，并在回路中产生较大的电流，使得连接部件熔断，从而切断主回路。

2.1、正极极柱增加电阻

正极与铝壳之间的电阻很小，为毫欧姆级别，电池发生短路时的回路电流很大，容易出现打火而引发电池着火，存在较大的安全隐患。目前，动力电池通常在铝壳的顶盖片和电池正极极柱之间添加导电塑胶或者是碳化硅，来增加铝壳和正极之间的导通电阻。

宁德时代设计了正极极柱和顶盖片之间的PTC热敏电阻，如图4所示，正极极柱和顶盖片彼此电隔离，并通过PTC热敏电阻实现电连接。PTC热敏电阻为环形，套在正极极柱上，内壁与正极极柱的周壁紧密接触；顶盖片冲压有环形的PTC热敏电阻收容槽，PTC热敏电阻镶嵌在顶盖片的PTC热敏电阻收容槽中而与顶盖片紧密接触。PTC热敏电阻在常规条件下具有较小的电阻，保证在动力电池发生外短路时，能尽快消耗电池的内部能量。利用PTC热敏电阻的阻值随温度变化的特性，随着电池外短路时间的增加，温度升高，PTC热敏电阻处的电阻会逐渐变大，这使得短路电流逐渐减少，避免了过高热量对电阻形成的热冲击，因此既不存在小电阻易于熔断的问题又能避免温度过高导致的电池着火或电阻熔断等问题。

图4 设置PTC热敏电阻层的正极极柱

2.2、负极短路结构

如图5所示，正极极柱通过电阻与顶盖片电连接，负极极柱与顶盖片电绝缘，但是在负极极柱设置翻转片16和短路结构。当电池电池内部压力超过基准压力时翻转片16翻转并接触翻转片连接部1044，以使负极柱和正极极柱通过顶盖片电连接，相当于将裸电芯的正极片和负极片与动力电池的外部进行短路，由此减少裸电芯的充电状态。短路大电流再将正负极极柱的熔断部件熔化，切断电流回路。

图5 顶盖及其负极短路结构

2.3、正、负极同时设置短路结构

通常，为了解决电池针刺滥用问题，在正极极柱和顶盖片之间设置有电阻，使正极极柱通过该电阻与顶盖片电连接，当动力电池在针刺的情况下，如果正极极柱与顶盖片间的电阻过小，则穿钉时外短路的电流过大，穿钉点容易打火，造成电芯失控，因此穿钉时，正极极柱和顶盖片之间需要一个大电阻。当动力电池过充时，当电芯内部气压增大一定值，短路部件向上动作，使电芯正负极连通短路，利用较大的回路电流来熔断连接部件，从而切断主回路。然而，如果直接将正负极连通短路，由于回路中的电阻过小，则回路中的电流会过大(例如，超过10000A)，短路部件很容易熔掉，短路部件在连接部件熔断之前就熔掉了，使得回路电流消失，无法熔断连接部件；但如果回路中的电阻过大，则又会造成回路中的电流过小(例如，小于500A)，连接部件不会熔断，起不到阻止动力电池继续充电的作用，因此在应对动力电池过充时，显然无法直接采用接入大电阻的方式降低电流。

为了同时满足动力电池过充与针刺问题，宁德时代重新优化了动力电池顶盖结构，在正、负极极柱同时设置翻转片短路结构，使动力电池在过充和穿钉情况下均能够构成具有合适阻值的回路。

如图6所示，第一极柱为正极，第二极柱为负极。第一极柱100的顶端穿过顶盖片50，但第一极柱100不与顶盖片50直接接触电连接，二者之间通过第一绝缘连接件102进行固定，并且第一极柱100通过第一电阻30与顶盖片50之间始终保持电连接。而负极极柱200与顶盖片50电绝缘，正负极极柱分别设置翻转片短路结构。第一电阻的阻值比所述第二电阻以及所述第三电阻的阻值之和至少大1000倍。第一电阻的阻值为1~100000Ω，第二电阻以及所述第三电阻的阻值之和为0.1~100mΩ

正极极柱短路部件60以及负极极柱路部件70是两个重要的电路开关。正极极柱短路部件60不发生动作时，该电池顶盖的电路结构为针刺保护电路。当发生穿钉现象时，壳体内部气压不足以使正极极柱短路部件60发生动作时，钉子会将动力电池内部的负极片与外壳以及顶盖片50导通，顶盖片50又通过第一电阻30与第一电极组件10的第一极柱100导通，再通过正极极耳2a最终回到裸电芯内部的正极片，形成穿钉回路。第一电阻30的阻值一般为1～100000Ω。在穿钉回路中，由于有第一电阻30的存在，能够有效减小穿钉回路当中的电流，有效避免因电流过大，导致穿钉点打火，引燃电解液，最终导致动力电池起火的情况发生。

而当正极极柱短路部件60以及负极极柱短路部件70同时翻转接入电路时，该动力电池顶盖的电路结构将会转变为过充保护电路。当发生过充现象时，由于电路中需要产生较大的电流来熔断熔断构件，而第一电阻30的阻值过大，因此此时的过充保护电路中应避免将第一电阻30直接串联到电路中。与此同时，为了避免电流过大而先造成第一短路部件60以及第二短路部件70削顶或熔断，此时的电路中又需要接入一个第二电阻40，这个第二电阻40的阻值不能过大，一般不能超过第一电阻30阻值的1/1000，较为优选的是在0.1～100mΩ范围内。当第一短路部件60与第一延伸部104b接触并电连接后，能够形成一条低电阻支路和一条高电阻支路，而第一电阻30则位于高电阻支路中，从而降低整个过充保护电路中的阻值。

图6 正、负极同时设置短路结构的顶盖

2.4、正极电流切断结构（CID）与翻转片

解决硬壳动力电池过充问题而普遍采用的方案是，在电芯失效之前切断电池主回路(电流切断结构，CID)，防止电池继续充电以保证电池安全。宁德时代在正极主回路设置一个气压翻转片及集成CID于一体的导电片。导电片四周与裸电芯极耳通过焊接连接，导电片的CID部分与翻转片通过焊接连接于一体，翻转片与正极柱或者顶盖片通过焊接相连把电流导向正极端子。当电池过充，内部气压增大，推动翻转片扯断CID，把翻转片与导电片断开。

如图7所示，翻转片204通过绝缘件200固定在顶盖片10的下方，在电路连接上，翻转片204与电流切断结构206的底部直接接触，二者为电连接，翻转片204四周与电芯极耳通过焊接连接。在正常状态下，电流仅能够通过翻转片204以及电流切断结构206传递至顶盖片10和正极极柱上。在电池内部压力超过基准压力时，翻转片204能够在压力作用下向上翻转，同时推动电流切断结构206，直至将电流切断结构206沿着薄弱区破坏，使其丧失电流传输能力，从而实现过流保护功能。

图7 正极极柱电流切断结构（CID）与翻转片

3）防爆装置

锂离子电池的电芯中的水含量超标、SEI膜不稳定、对锂离子电池的过充，过放、锂离子电池发生短路、挤压等滥用情况时，会造成锂离子电池内部产气、着火，甚至爆炸。目前解决这些问题的通常方法是在锂离子电池的顶盖上增加一个防爆阀，锂离子电池出现上述情况内部产生气体，当锂离子电池内部气体压力达到防爆阀的爆破压力时，顶盖上的防爆片破裂，从而使锂离子电池内部气体从防爆阀口排出，防止锂离子电池因为胀气导致爆炸。

宁德时代开发了温敏防爆阀，如图8所示，顶盖上预留一个防爆孔，防爆片密封防爆孔并固定在顶盖上，防爆片包括三层：内侧的温敏材料层，具体材质为聚丙烯(PP)、聚乙烯对苯二甲酸脂(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)中的一种；中间层为铝、铜、不锈钢等金属片；外层为尼龙保护层。另外防爆装置还包括导热片，一端连接防爆片，另一端连接电池的电芯。该防爆装置工作原理为：当电池内部的温度超过温敏材料的软化温度时，温敏材料软化，从而电池内的产气压力使防爆片破裂或脱开顶盖，以排出电池内的产气。

图8 温敏材料防爆片

4）复合电极

电池模组采用冷墩式Cu-Al复合电极，其构件包括电极铜板端、电极铝柱端以及两者结合的方式。电极铜板端材料为Cu，T2态；电极铝柱端材料为Al-1060，H14态。电极铜板端、铝柱端结合方式采用铝柱端冷墩墩粗结合方式。对复合电极的要求是：采用氦气检验其气密性，泄露率小于107 Pa×m3/s，铝柱极柱放置于1.2 MPa气压下30 s实验时间后无气体泄露发生。

未来展望

电池顶盖是一个重要的部件，包含很多安全性结构设计。

防爆片的关键性制约问题有：

(1)选用的Al基材料性能及热处理工艺；

(2)防爆片现有的以冷冲压精密加工为基础的膜片制造工艺难以控制其爆破预制槽成型精度；

(3)防爆片随工作时间变化，在电池液氛围环境下的性能变化特点。

SSD翻转片的关键性制约问题有：

(1)选用的Al基材料性能及热处理工艺；

(2)SSD翻转片现有的以冷冲压精密加工为基础的膜片制造工艺难以控制其结构因子成型精度及其产品的一致性；

(3)SSD翻转片结构受力点力学性能与结构因素的关系有待优化。

正负极极柱的选材及其结合方式关键性制约问题有：极柱铝材与铜基板的摩擦焊接工艺效率低，材料浪费严重；极柱焊接点焊接后材料性能不一致，严重影响电池电学性能的稳定性。

因此，未来锂电池防爆安全模组技术的发展趋势体现为以下几个方面：

(1)结构更加简化，减少结构构成零件，提高工作可靠性达到99.98%。

(2)功能件完全集成于盖帽板上，即将防爆片、SSD翻转片与盖帽板由一次成型工艺完成，减少防爆片、SSD翻转片在盖帽板上的焊接环节，减少由多次工艺加工带来的质量不稳定因素。

(3)极柱采用新材料和新工艺，极柱的结合工艺由焊接改为冷镦工艺加工，提升电学性能。

(4)整合盖板精密冷冲工艺及精密注塑工艺，结合绿色制造技术，构建流水线自动化高效生产模式。

(5)结合有限元技术，采用工艺模拟技术将数值模拟、物理模拟和专家系统相结合，确定最佳工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷，提出预防措施，从而控制和保证防爆安全模组的质量，达到绿色制造的目的。

(6)在质量检验方面实现敏捷制造技术，在虚拟制造环境下生成软产品模型来代替硬样品进行实验，对其性能和可制造性进行预测和评估，保证产品合格率100%，从而减少损耗，降低成本。

在技术上需要突破的问题包括：

1. 可靠性达99.98%的防爆安全模组结构优化设计技术；
2. 高集成度、少工艺环节的集成设计技术；
3. 精度达0.005的高精密防爆片爆破预制槽精密加工技术及工艺；
4. 爆破预制槽压制参数；
5. 翻转片结构优化数值模拟及工艺应用可靠性模拟技术；
6. 精度达0.005的精密加工技术；
7. 新型极柱冷镦加工工艺技术；
8. 基于模块化技术的锂电池防爆安全模组全自动化流水线生产绿色制造技术；
9. 中间过程全影像检测技术。

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