一種高安全性鋰離子動力電池的製作方法

2023-08-04 18:35:16 1

本發明屬於鋰離子動力電池技術領域，尤其涉及一種高安全性鋰離子動力電池。

背景技術：

鋰離子電池因為具有高比能量、無記憶效應等優點，近年來得到飛速發展。特別是隨著鋰離子電池逐步在EV純電動汽車、低速電動車等領域的應用，鋰離子電池的安全性能和循環性能一直以來備受關注。因此，動力鋰離子電池在濫用條件下的熱失控管理與控制一直是業內研究和關注的重點。

通常地，鋰離子電池發生熱失控的過程是：當電芯在發生短路時候，瞬間短路大電流通過陰陽電極產生熱量，首先陽極SEI在達到一定溫度條件時開始自分解放熱，隨著熱量的累積，帶電態的石墨陽極與電解液進行反應放熱，同時再集聚熱量使得電芯溫度升高，當電芯溫度升高到一定程度，充電態的陰極結構發生坍塌，同時釋放游離的高反應活性氧原子，釋放的氧原子同電極材料中的粘結劑、導電劑輔材以及電芯中的電解液等發生反應，瞬間釋放大量的熱，電池燃燒或者爆炸。

目前，在鋰離子電池中的防止電芯發生熱失控的安全防護手段主要有以下幾種：1)通過隔膜的關斷(Shutdown)功能來組織電流流 通，起到降低熱失控的風險，這種方法的主要缺陷是在隔膜進行關斷動作之後，電芯也隨之報廢，不能再繼續使用，並且由於目前鋰離子電池所使用的隔膜是一種多孔聚烯烴膜，其關斷的機理主要是通過聚乙烯在溫度130℃熔融來起到關斷電流的作用，鋰離子電池在發生短路時內部的溫度分布通常是不均勻的，因此會存在部分地方達到關斷溫度，而部分地方不能達到關斷溫度的情況出現，這樣就不能對整個電芯電流進行截斷；2)通過CID(Current Interrupt Device)洩壓安全閥進行安全保護，當電芯由於劇烈反應或其他形式的反應產生的氣體壓力達到CID斷裂閥值時，電芯CID斷裂起到保護電芯的作用。這種形式的保護同隔膜關斷類似，在保護作用發生之後，電芯就不能再繼續使用，為不可恢復型的保護。

技術實現要素：

本發明的目的在於：提供一種高安全性鋰離子動力電池，能夠在電池出現熱失控的前期進行自關斷電流的保護，實現從電池內部進行可恢復型保護，同時提高電池的循環性能。

為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種高安全性鋰離子動力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質溶液，所述陰極片包括陰極集流體、混合物塗層和陰極活性物質層，所述混合物塗層塗覆於所述陰極集流體表面，所述陰極活性物質層塗覆於所述混合物塗層，所述混合物塗層包括高分子聚合物粘結劑和導電劑，所述高分子聚合物粘結劑與所述導電劑的質量比為(1～32)：1。

本發明的原理在於：當電路正常工作時，電芯溫度與室溫相近，混合物塗層的電阻很小，在電池迴路中不會阻礙電流通過；而當電路因故障而出現過電流時，由於發熱導致電芯溫度上升，當溫度超過一定溫度(Ts)時，混合物塗層的電阻瞬間會變得很大，把電路中的電流限制到很低的水平。當人為切斷電路排除故障後，混合物塗層的阻值會迅速恢復到原來的水平，電路故障排除後，電芯恢復正常使用。

與現有技術相比，一方面，本發明能夠在電池出現熱失控的前期進行自關斷電流的保護，而且在保護作用之後，能排除外界影響因素進行自我恢復，實現從電池內部進行可恢復型保護；另一方面，由於混合物塗層具有吸液功能，因此本發明能夠在電池內部儲存更多的電解液，進而提高電池的循環性能。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述混合物塗層還設置於所述陰極活性物質層表面。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述混合物塗層的厚度為0.5μm-20μm。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述混合物塗層的厚度為2μm-10μm。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述高分子聚合物粘結劑為聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醯亞胺(PI)和聚丙烯酸樹脂(PAA)中的至少一種。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述導電劑為乙炔黑、炭黑、科琴黑、單壁碳納米管、多壁碳納米管、納米 碳纖維、鱗片石墨和石墨烯中的至少一種。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述混合物塗層的製備方法包括以下步驟：

步驟一，將高分子聚合物材料與導電劑均勻分散在合適的有機溶劑中，製成具有流動性的漿料；

步驟二，通過擠壓塗敷或凹版印刷塗敷的方式，將步驟一所得的漿料塗布在陰極集流體表面。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述混合物塗層的製備方法包括以下步驟：

步驟一，將高分子聚合物材料與導電劑均勻分散在合適的有機溶劑中，製成具有流動性的漿料；

步驟二，通過擠壓塗敷或凹版印刷塗敷的方式，將步驟一所得漿料塗布在陰極活性物質層表面。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述漿料的粘度為500～1000CP.S，所述漿料的固含量為5wt％-55wt％。

作為本發明所述的高安全性鋰離子動力電池的一種改進，所述非水電解質溶液為N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸亞乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亞丙酯、碳酸亞丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁內酯、1,2-二甲氧基乙烷、2-甲基四氫呋喃、二甲亞碸、1,3-二氧戊環、甲醯胺、二甲基甲醯胺、二氧戊環、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊環衍生物、環丁碸、甲基環丁碸、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、碳酸亞內酯衍生物、四氫呋喃衍生物、醚、 丙酸甲酯以及丙酸乙酯中的至少一種。

本發明的有益效果在於：本發明提供一種高安全性鋰離子動力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質溶液，所述陰極片包括陰極集流體、混合物塗層和陰極活性物質層，所述混合物塗層塗覆於所述陰極集流體表面，所述陰極活性物質層塗覆於所述混合物塗層，所述混合物塗層包括高分子聚合物粘結劑和導電劑，所述高分子聚合物粘結劑與所述導電劑的質量比為(1～32)：1。相對於現有技術，本發明能夠在電池出現熱失控的前期進行自關斷電流的保護，實現從電池內部進行可恢復型保護，同時提高電池的循環性能。

具體實施方式

下面將結合具體實施方式對本發明及其有益效果作進一步詳細說明，但是，本發明的具體實施方式並不局限於此。

實施例1

一種高安全性鋰離子動力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質溶液，陰極片包括陰極集流體、混合物塗層和陰極活性物質層，陽極片包括陽極集流體和陽極活性物質層。

其中，電池陰極活性物質層為鎳鈷錳酸鋰(LiNixCoyMnzO2)，陽極活性物質層為石墨化碳，含有鋰鹽的非水電解質溶液為含1.05M的LiPF6溶質的碳酸亞乙酯和碳酸甲乙酯(3:7，w/w)溶液。陰極集流體為壓延鋁箔或不鏽鋼箔材。

混合物塗層塗覆在陰極集流體表面。混合物塗層是由聚偏二氟乙烯(PVDF)和乙炔黑混合而成的。其中，PVDF和乙炔黑的質量比為20:1。混合物塗層的厚度為2μm。

混合物塗層的製備：先將PVDF溶解於NMP溶劑，形成固含量為10wt％的PVDF膠體液；然後將乙炔黑均勻地分散在PVDF膠液中，製成具有流動性的漿料，調節漿料的粘度值在500～1000CP.S範圍內，漿料的固含量為8wt％；最後通過擠壓塗敷的方式塗布在陰極集流體表面。

實施例2

與實施例1不同的是：本實施例中用聚醯亞胺(PI)代替聚偏二氟乙烯(PVDF)。

其它的與實施例1相同，這裡不再贅述。

實施例3

與實施例1不同的是：本實施例中用聚丙烯酸樹脂(PAA)代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用炭黑和多壁碳納米管的混合物替代乙炔黑。混合物塗層的厚度為0.5μm。

其它的與實施例1相同，這裡不再贅述。

實施例4

一種高安全性鋰離子動力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質溶液，陰極片包括陰極集流體、混合物塗層和陰極活性物質層，陽極片包括陽極集流體和陽極活性物質層。

電池陰極活性物質層為磷酸鐵鋰(LiFePO4)，陽極活性物質層為人造石墨，含有鋰鹽的非水電解質溶液為含1.05M的LiPF6溶質的碳酸亞乙酯和碳酸甲乙酯(3:7，w/w)溶液。陰極集流體為壓延鋁箔或不鏽鋼箔材。

混合物塗層塗覆在陰極集流體表面和陰極活性物質層表面。混合物塗層是由聚偏二氟乙烯(PVDF)和乙炔黑混合而成的。其中，聚 偏二氟乙烯(PVDF)和乙炔黑的質量比為9:1；混合物塗層的厚度為5μm。

混合物塗層製備：先將PVDF溶解於NMP溶劑，形成固含量為10wt％)的PVDF膠體液；然後將乙炔黑均勻地分散在PVDF膠液中，製成具有流動性的漿料，調節漿料的粘度粘度在500～1000CP.S範圍內，漿料的固含量為8wt％；最後通過擠壓塗敷的方式分別塗敷在陰極集流體表面和陰極活性物質層表面。

實施例5

與實施例4不同的是：本實施例用聚丙烯酸樹脂(PAA)代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用炭黑和多壁碳納米管的混合物替代乙炔黑。

其它的與實施例4相同，這裡不再贅述。

實施例6

與實施例4不同的是：本實施例中用聚醯亞胺(PI)與聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用炭黑和多壁碳納米管的混合物替代乙炔黑。混合物塗層的厚度為10μm。

其它的與實施例4相同，這裡不再贅述。

實施例7

與實施例4不同的是：本實施例中用聚醯亞胺(PI)與聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用乙炔黑和單壁碳納米管的混合物替代乙炔黑。混合物塗層的厚度為20μm。

其它的與實施例4相同，這裡不再贅述。

實施例8

與實施例4不同的是：本實施例中用聚丙烯酸樹脂(PAA)與聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用乙炔 黑和單壁碳納米管的混合物替代乙炔黑，將塗層中聚合物與導電劑的質量比調整為10:1。

其它的與實施例4相同，這裡不再贅述。

對比例1

與實施例1不同的是：本對比例中陰極集流體為常規產品，陰極集流體表面不塗覆含任何高分子聚合物粘結劑和導電劑的混合物。

其它的與實施例1相同，這裡不再贅述。

對比例2

與實施例4不同的是：本對比例中陰極集流體和陰極活性物質層均為正常常規產品，即陰極集流體表面和活性物質層表面均不塗覆含任何高分子聚合物粘結劑和導電劑的混合物。

其它的與實施例4相同，這裡不再贅述。

測試結果

分別對實施例1～8和對比例1～2的鋰離子動力電池做循環測試、50℃高溫短路實驗和針刺實驗，測試結果見表1。

表1測試結果

從上表可見，在相同條件下，實施例1～8的電池和對比例1～2 的電池相比，實施例1～8的電池使用壽命和安全性能均有明顯提高，也就是說，本發明的鋰離子動力電池具有較高的安全性能，同時也具有較好的循環性能。

根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還能夠對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明並不局限於上述的具體實施方式，凡是本領域技術人員在本發明的基礎上所作出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬於本發明的保護範圍。此外，儘管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，並不對本發明構成任何限制。