皮玉平
（江西赣锋电池科技有限公司，江西新余338004） 摘要：本文介绍了锂离子电池顶盖的主要功能，以及技术领域的性能、研究与现状和热点问题。探讨了锂离子电池顶盖生产技术，重点介绍了注塑顶盖、钏接/焊接顶盖和复合极柱顶盖的结构，重点关注了降低顶盖空间占用率、降低电腐蚀技术、防爆阀技术、以及顶盖负极柱等零部件材料，并展望了锂离子电池顶盖的未来发展方向。
关键词：锂离子电池顶盖结构防爆阀负极柱
1引言
在国家政策和市场的双轮驱动下，电动汽车、储能行业和电动工具等行业的迅速发展，因此，对锂离子电池的需求越来越旺盛。由于它具有体积小、能量密度高、安全性高、自放电小、寿命长、可大电流充放电、环境友好等优点，已在储能、通信、手机、笔记本电脑、数码相机、电动汽车、航空航天、军事装备等多个领域广泛应用。当前，金属外壳的锂离子电池受到了广大锂电生产厂商和用户的追捧，其散热性能好、机械强度高等优势是它的主要优势［1'3］o在电动汽车行业，锂离子电池是锂离子电池电动车的心脏，
相当于燃油汽车发动机，其性能的好坏对锂离子电池电动车的各项性能有着直接影响，在锂离子电池电动汽车未来发展道路上有着巨大的影响［4-5\锂离子电池具有可靠的安全性能是基础，一是防止电池起火、爆炸引起的安全危害；二是防止电池滥用造成的自身功能异常、损坏。
目前，圆柱、方形和软包是主流锂离子电池封装的三种形式。铝壳或钢壳材质方形电池是常见的方形锂离子电池，且方形铝壳锂电池在国内的普及率很高。持续提高锂电池安全性和能量密度才能满足人们的最新需求，方形铝壳锂离子电池顶盖作为锂离子电池的重要组成部分，进而对其安全设计、自重及空间利用率有了更高的要求［6-8］o为降低重量、提高能量密度和制造成本，锂离子电池顶盖材质由不锈钢材质向铝合金发展，顶盖负极柱材质由全铜、铜镀镰向铜铝摩擦焊、铜铝复合板发展。 2锂离子电池顶盖的主要功能
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；
电流导通功能：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；
泄压功能：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；
熔断保护功能（三元体系）：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
钏接块接触，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。
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。 3锂离子顶盖分类
锂离子电池外壳按材质可分为不锈钢外壳⑼、铝合金外壳和塑料外壳等，目前方形外壳广泛使用铝合金材质，以三星、宁德时代、国轩为代表。铝合金顶盖根据结构特点和生产技术大体可分为注塑顶盖、钏接/焊接顶盖和复合极柱顶盖三大类。
3.1注塑顶盖
注塑顶盖是指极柱上塑胶采用PPS注塑，结构见图1。关于注塑顶盖结构，宁德时代新能源科技股份有限公司发明公开了电池顶盖组件Z和制造相关注塑顶盖，主要装配工艺是，正/负极柱先后贯穿下塑胶、密封圈、顶盖板极柱通孔，压紧在顶盖板上，再注塑上塑胶PPS，将极柱固定在顶盖板。为了下塑胶与顶盖板之间配合更稳定，深圳市瑞德丰精密制造有限公司发明公开了电池顶盖的成型方法〔切，与上装配方式相同，正/负极柱先后贯穿密封圈、顶盖板极柱通孔，压紧在顶盖板上，再注塑上塑胶PPS和下塑胶PP。
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图1注塑顶盖结构
从目前市面看，注塑顶盖大部分用于磷酸铁锂体系。注塑顶盖结构的主要优点：一是生产成本较低、装配效率高，省却了钏接、焊接、卡簧装配等工序；二是正极柱与顶盖板间内阻更加稳定，正极柱采用上注塑导电PPS；三是极柱加工螺纹孔，用途范围更广泛，例如储能。
3.2钏接/焊接顶盖
钏接/焊接顶盖是指极柱与钏接块钏接、焊接或钏接后再焊接，结构见图2。关于钏接/焊接顶盖结构，东莞新能源科技有限公司发明公开了动力电池及动力电
池顶盖，主要装配工艺是，正/负极柱先后贯穿密封圈、顶盖板极柱通孔、钏接块，压紧在顶盖板上与钏接块钏接/焊接，将极柱固定在顶盖板，极柱与顶盖板之间使用绝缘体绝缘。为降低成本，江苏宇昊新能源科技有限公司专利公开了一种锂离子电池平板下盖板组件〔切，将转接片直接钏接至顶盖板上。为防止过充，提高完全性，宁德时代新能源科技有限公司专利公开了一种防止过充电的安全装置，在钏接块与顶盖板之间设有压电陶瓷，利用了外电路来保护电池避免过充，不受电池密封性影响，安全可靠，简单易行，可循环多次使用。
图2钾接/焊接顶盖结构
从目前市面看，钏接/焊接顶盖大部分用于三元体系。钏接/焊接顶盖的主要优点：一是采用装配式钏接/焊接方式，注塑要求较低；二是转接片可直接钏接至顶盖板上，降低成本；二是便于三元顶盖SSD空间设计。
3.3复合极柱顶盖
复合极柱顶盖是指负极柱采用铜/铝复合板〔切直接冲压而成，结构见图3。关于复合极柱顶盖结构，宁德时代新能源科技股份有限公司发明公开了顶盖组件及二次电池〔切，主要装配工艺是，正/负极柱先套装在固定件上，固定件与顶盖板激光焊接，再将密封圈压装在顶盖板极柱孔上端面后注塑上塑胶，最后装配下塑胶。为了提高制造优率，降低成本，东莞百思利新能源科技有限公司发明公开了二次电池顶盖
及二次电池顶盖的生产工艺〔闵，先做成独立正负极柱注塑组件，最后与顶盖板激光焊接。
复合极柱顶盖结构将广泛用于磷酸铁锂体系和三
图3复合顶盖结构
元体系，不久的未来将成为方形铝壳锂离子电池的生力军。复合极柱顶盖的主要优点：装配工艺的难度降低，有助于提高生产效率和降低生产成本，自重轻和极柱至顶盖高度极低，顶盖空间占用率大大降低，从而大幅度的提高了电池容量和能量密度；并相比其他结构，负极柱铜铝结合面无断裂、脱离风险。
4降低顶盖空间占用率
顶盖空间占用率和重量直接影响电池容量和能量密度，方形铝壳锂离子电池外壳从不锈钢材质发展至铝合金，且外壳壁厚的不断降低、顶盖设计空间占用率不断降低，对提高锂离子电池容量和能量密度做出了巨大的贡献。从目前市面看，常见的动力锂离子电池顶盖极柱至顶盖板的高度为3.3-7.3mm，具体见表1。
表1常见动力锂离子电池顶盖中的
极柱至顶盖板的高度统计表
顶盖结构极柱至顶盖板的高度/mm 注塑顶盖结构 5.3〜7.3钏接/焊接顶盖结构 4.7〜6.65
复合极柱顶盖 3.3
由于提高电池容量和能量密度才能满足人们的需求，顶盖的空间设计需做到极限，在电池含极柱总高不变和满足使用功能的基础上，大幅度降低了顶盖空间占用率。目前，复合极柱顶盖结构可将极柱至顶盖板的高度降低至3.3mm，电芯极片高度随之相应增加，从而进一步提高了电池容量和能量密度。
5降低电腐蚀技术
目前方形铝壳锂离子电池顶盖，正极柱与顶盖板间内阻两种设计，一种是完全绝缘，理论上正极柱与顶盖板/铝壳之间0电压；另一种是有一定阻值，正极上塑胶采用导电PPS材料，确保正极柱与顶盖板间有一定阻值。
在电池内部，由于制造生产的原因，存在会破坏原来的钝化膜妙」的可能，从而造成电池失效。天津力神电池股份有限公司张娜、李杨冋通过电性能测试与SEM、ICP、XRD、EDS等方法研究了锂电池铝壳腐蚀发生条件，
总结分析可能是铝壳电腐蚀反应发生的最根
本原因，当顶盖板/铝壳与负极柱之间的电压较低时，铝壳由内部向外部进行腐蚀，在循环、存储、倍率等方面均存在一定程度下降。
中航锂电(洛阳)有限公司蔡晓利、郭毓优田也对锂离子动力电池铝壳壳体电位进行了研究，当正极柱与顶盖板/铝壳之间电压＞IV时，会导致壳体腐蚀的发生。顶盖设计正极上塑胶采用导电PPS材料，确保正极柱与顶盖板间有一定阻值，从而使正极柱与铝壳间的电位差在IV以内，通过制定合理的电位差降低顶盖板/铝壳电腐蚀风险，进而提高产品质量和使用寿命。
6防爆阀技术
锂离子电池可靠的安全性能是基础，电池的正极材料、电解液、防爆阀结构等直接影响锂离子电池的过充、过放的安全性，特别是防爆阀的设计〔如。从目前市场看，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；三元体系电池采用防爆阀和SSD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. 55MPa。防爆阀具有两大功能，一是当电池发生异常，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；二是当电池内部压强增大至SSD翻转压力时，翻转片向上顶起，与负极钏接块接触，顶盖正负极直接短路，同时铝转接片Fuse熔断，快速切断电流，防止电池起火、爆炸。
为提高防爆阀开启稳定性，宁德时代新能源科技股份有限公司专利公开了二次电池顶盖用防爆阀、顶盖组件、二次电池及汽车声」，防爆阀采用非零角度刻痕，减小了二次电池发生爆炸的风险，提高二次电池的安全性。
7顶盖零部件材料
铝合金顶盖/铝壳具有质量轻、机械强度高、回收成本高、防腐和散热性能好等优势，从而受到了广大锂电制造厂商的追捧。常见锂离子电池顶盖零部件的材料见表2：
表2常见锂离子电池顶盖零部件的材料明细表
序号零件名称材料
1顶盖板A13003
2正极柱A11060
3负极柱A11060/Cu T2
4密封圈氟橡胶
5正极上塑胶导电PPS
6负极上塑胶绝缘PPS
7下塑胶PP
8防爆阀MFX2
目前负极柱一般采用铜铝摩擦焊3切〕，该工序是顶盖制造重点和难点，需保证铜铝不脱离，拉力测试不允许在铜铝结合面断裂、脱离，随着复合极柱顶盖的快速发展，负极柱已向铜铝复合板〔知方向发展；密封圈氟橡胶〔勿一般选择杜邦/3M进口材料，必须具有耐电解液、耐高温、密封性能好等要求，防止锂离子电池漏液；正极上塑胶一般选择东丽进口材料，导电PPS网和注塑需严格控制，保证锂离子电池正极柱与盖板电压在IV以内，进而降低铝壳电腐蚀风险；防爆阀一般选择日轻MFX2材料，采用进口设备冲压刻痕，保证防爆阀开启压力的稳定性。
8展望
展望未来，随着社会对锂离子电池顶盖安全性、顶盖空间占用率和能量密度的更高要求，国内外锂离子电池的需求量聚增。近年来电池制造企业也在不断提高研究新结构和优化设计，国内顶盖厂家设计、制造和验证能力快速提升，以及技术专利大量申请。未来市场将会出现百花齐放、百家争鸣的局面，为我国锂离子电池行业做出了杰出的贡献。
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Research Progress of Lithium Ion Battery Top Cover Technology
Pi Yu-ping
(Jiangxi Ganfeng Battery Technology Co.,Ltd.,Jiangxi Xinyu338004)
Abstract:This paper introduces the main functions of the lithium ion battery top cover, as well as the performance,research status and hot issues in the technical field.The production technology o£lithium ion battery top cover was discussed.The structure of injection molded top cover,riveted/welded top cover and composite Terminal top cover were introduced.The key points were to reduce the occupancy rate o£the top cover space,reduce the electro-corrosion technology,explosion-proof valve technology,and the Negative terminal of the top cover,and prospects for the future development of lithium ion battery top cover.
Key Words:lithium-ion battery；top cover structure;explosion-proof valve;Negative terminal
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