CN101931103A - 用于具有导电片层的蓄电池和锂离子蓄电池的单体电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于锂离子蓄电池的单体电池,包括通过多个单元结构叠置方式形成的电极叠层板,其中,每一单元包括至少一个电极和至少一个隔离层;且至少一个位于电极叠层板某些层之间、且与电极引导部电连接的导电片层。用于锂离子蓄电池的单体电池的导电片层可以快速地将电流传导至外部,所产生热量小于因物理或者电击在电池上发生短路时在阳极和阴极中所产生的热量。因此,它减少了由于物理或者电击而造成的火灾或者爆炸的风险,改进了锂离子蓄电池的安全性能。

Description

用于具有导电片层的蓄电池和锂离子蓄电池的单体电池
技术领域
本发明涉及可用于具有导电片层的蓄电池和使用该导电片层的锂离子蓄电池的单体电池,具体地说是带有至少一层形成于单体电池中的层之间的附加导电片层的蓄电池及使用该至少一层附加导电片层的锂离子蓄电池,用来减少由于电击造成的明火或爆炸的风险。
背景技术
一般来讲,将镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池、锂离子蓄电池等均作为电子产品的电池来使用,其中由于锂离子蓄电池使用寿命长和容量大而应用最为广泛。根据电解质类型锂蓄电池分为:使用液体电解质的锂金属电池,锂离子电池,以及使用聚合物固体电解质的锂聚合物电池。按照聚合物固体电解质的类型锂聚合物电池分为:不含有机电解液的完全固体的锂聚合物电池和使用含有有机电解液的凝胶聚合物电解质的锂离子聚合物电池。除此以外,锂蓄电池通过容置单体电池的外套类型被分类为圆柱电池,矩形电池和袋式电池。
随电信和运输工业设备(HEV、EV、LEV等)信息的近期发展,在电池电源驱动下,对锂离子蓄电池的需求有着显著的增长,从而,锂离子蓄电池能否满足容量要求的研究正在积极开展,本领域中一个主要课题就是改进锂离子蓄电池的安全性。
图1为采用电极叠层板200的常规袋式锂离子蓄电池100的分解视图,图2是用于锂离子蓄电池的电极叠层板200的横断面视图。参见图1和2,电极叠层板200的制造过程是阳极220和阴极230分别包裹于隔离层210中,通过卷绕步骤互相集成到一起,或者是通过堆叠步骤按顺序将隔离层210,阳极220和阴极230堆叠在一个特定的区域。电极叠层板200安装在袋300的接收部310中,然后在电极叠层板200盖上一个盖子320。这里,电极分接头500与电极引导部400相连,用于连接电极叠层板200的阳极和阴极到外部设备,连接好电极引导部200和电极分接头500的电极叠层板200安装在袋300里,并用盖子320盖好,然后用电解质将袋300充满、密封,从而完成锂离子蓄电池100的制作。
电极结构通过卷绕或层叠步骤形成,包括对插入在阳极220和阴极230中间的隔离层210反复堆叠完成单个电极叠层板200的制作。在充满电解质的锂离子蓄电池被激活时,隔离层210用来防止阳极和阴极发生短路。隔离层210中的孔的功能是作为锂离子蓄电池100充电/放电时锂离子通过的通道。
通过终端用户行为或者在终端使用环境下,锂离子蓄电池的设备可能会遭受冲击、过热、过充、过放、短路、穿透、挤压等。这对锂离子蓄电池会带来损害,如:可能发生锂离子蓄电池的火灾或爆炸。多数的锂离子蓄电池生产过程中会考虑到这些安全方面的因素。尽管在用户的要求下,储存在锂离子蓄电池中的能量随锂离子蓄电池容量的增加而提高了,但是,锂离子蓄电池的安全性随能量密度的增长而退化。当对锂离子蓄电池刺破、挤压、或撞击时,锂离子蓄电池的单体电池中的隔离层会由于物理外力使阳极和阴极短路而被损坏。发生短路时,电池的内部电流和电极活性物质互相反应产生热能,因此,电池的温度将突然升高造成锂离子蓄电池的火灾或者爆炸。
因此,申请人提出一种包括电极、隔离层、电极引导部和附加的金属板层的单体电池用以将因穿透、冲击、挤压及其他振动产生的热量降到最低。
发明内容
鉴于以上现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种用于锂离子蓄电池的单体电池,它能减少由物理和电冲击引起的火灾或爆炸风险。
本发明的另一个目的是提供一种使用该单体电池的锂离子蓄电池。
为了实现本发明上述目的,本发明技术方案所提供的一种用于锂离子蓄电池的单体电池,包括(A)由多个单元结构堆叠形成的电极叠层板,每一单元至少包括一个电极和至少一个隔离层;(B)至少一个导电片层,该导电片层位于电极叠层板的一些层之间,且与电极引导部电连接。
所述导电片层的制备材料可选自铝、铜、镍、铁、锌、铅和钛一组金属中的至少一种金属。当所述导电片层与阳极接触时,该导电片层可由铝制备;所述导电片层与阴极接触时,该导电片层可由铜制备。所述导电片层的厚度范围可以为0.001毫米至200毫米。
单体电池可包括两个或两个以上导电片层,并且这些导电片层可分别位于最顶部的隔离层和最顶部的电极之间、最底部的隔离层和最底部的电极之间。在这种情况下,两个或两个以上导电片层可在电极引导部的对面电连接。
本发明锂离子蓄电池的单体电池的导电片层能快速地将电流传导到外部,降低由于对电池物理的或电子的冲击造成电池短路期限间所产生的热量。因此,它将减少由于物理或电子的冲击而引起的火灾或爆炸的风险,改进锂离子蓄电池的安全性能。
附图说明
上述本发明目的及其它特征和优点可以在结合以下优选实施例和附图的详细说明中得到进一步了解,其中:
图1是袋式锂离子蓄电池的分解图。
图2是常规的锂离子蓄电池的电极叠层板的横断面视图。
图3a-3f是本发明的具有位于某些层之间的导电片层的电极叠层板的横断面视图。
图4是包括图3a中电极叠层板且与电极导引部和电极分接头电连接的单体电池。
具体实施方式
本发明用于锂离子蓄电池的单体电池包括一电极叠层板200,其制备采用对包括阳极220、阴极230和隔离层210的单元进行反复层叠的方法获得,位于电极叠层板200的某些层之间至少有一个导电片层240,并且与电极引导部电连接。
尽管导电片层240可通过如金属材料和非金属材料的导电材料形成,但最好是从铝、铜、镍、铁、锌、铅和钛一组具有电传导性金属中选出至少一种金属来制作导电片层240。除此以外,当导电片层240与阳极220接触时,导电片层240可用铝制备,当导电片层240与阴极230接触时,导电片层240可用铜制备。这是因为,当导电片层240根据电极220或230的同种材料制备时,电池的制作可以简单,并且安全性能也有改进。
导电片层240的厚度可为0.001毫米到200毫米。如果电池容量大,电池的安全性会随导电片层240厚度的增加而得到改进。因此,对于容量大的电池,导电片层240的厚度可以增加。在这种情况下,多层重叠的导电片可作为导电片层240用,以改进电池的安全性。本发明对导电片层240的尺寸没有限制。一般来说,所述导电片层240与所述电极的尺寸相同,但是,所述导电片层240与所述电极尺寸比例可以根据制造锂离子蓄电池过程限定的范围来改变。
另外,本发明不限制导电片层的数量。用于锂离子蓄电池的导电片层的数量可以根据电池发生短路时所需求的导电效率来确定。导电片层240的位置没有限制。叠层电极、隔离层和导电片层的方法可以使用卷绕方式包裹阳极和阴极于隔离层中,集成阳极和阴极,也可以采用在预先确定的区域依次堆叠隔离层、阳极和阴极的堆叠方法。
图3a-3f为本发明实施例在电极叠层板200的某些层之间定位导电片层240的横断面视图。两个导电片层240可分别插入到两个最顶部的隔离层210和两个最底部的隔离层210中(如图3a);单个的导电片层240可位于电极叠层板200中的隔离层210之间(如图3b);两个导电片层240可分别位于最顶部的隔离层210与在最顶部隔离层210下面形成的电极220之间、及位于最底部隔离层210与在最底部隔离层210下面形成的电极之间(如图3c)。可以考虑电池的结构限制、效率等因素来选择适当的定位位置。当电极叠层板包括两个或两个以上的导电片层240时,导电片层240的端部可用与导电片层240类型相同的或者类型不同的导电材料进行电连接(如图3d,3e和3f)。
图4描述了在导电片层240插入电极叠层板200后,把电极引导部400和电极分接头500连接到带有图3所示具有电极叠层板200的单体电池上的情况。在图4中,一插入有导电片层板240的电极引导部连接一阳极的电极引导部。该电极引导部进一步连接所述阳极的电极分接头。连接有阴极的电极引导部不连接所述导电片层240,但连接所述阴极的电极分接头。在这时,完成了包含导电片层240的单体电池的制作。上述将电极引导部和电极分接头连接电极叠层板200的方法可用于图3a-3f中所示的电极叠层板,根据导电片层240的类型,可将导电片层240连接到阴极的电极引导部,用以取代阳极的电极引导部。
现在通过实施例对发明进行详细地描述。尽管可以通过许多不同的形成方式实施本发明,但不意味着用实施例来限制本发明。
实施例1
采用锂钴氧化物(lithium cobalt oxide,为一种锂过渡金属氧化物,作为阳极的活性物质),炭黑导电材料(carbon black conductive material),聚偏氟(二)乙烯粘结剂(PVDF,Polyvinylidene Fluoride)和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP,N-metyl-2-pyrrolidone,又称甲基吡咯烷酮)溶液制作稀浆或膏剂,涂敷在铝制电流集电器上,并干燥制成阳极。将石墨粉末、炭黑导电材料、PVDF粘结剂和NMP溶液制成稀浆或膏剂,涂敷在铜制电流集电器上,并干燥制成阴极,然后,将电极分接头切分为具有预定尺寸的伸出形式(凸型)。
通过堆叠法将阳极和阴极堆叠,在阳极和阴极之间插入有多层结构的聚乙烯多孔层(a multi-layered polyethylene porous layer),成型单体电池的一个电极叠层板。这里,厚度为0.001毫米的铝片作为一个导电片层。如图3a所示,两个铝片分别插入最顶部的两个电极叠层板的隔离层和最底部的两个电极叠层板的隔离层之间。铝片连接到位于单体电池外层的电极引导部上。所述单体电池组装好后,将电极分接头连接到电极引导部。
具有方便单体电池安装的凹口的接收部分用铝制作,和能覆盖接收部分的盖子一起形成袋。然后,将单体电池安装在铝袋中,除袋的一面不封外,封好袋的其它各面。将容置有单体电池的袋浸入用于锂离子蓄电池的、含碳酸乙烯酯(ethylene carbonate)和溶解在碳酸乙烯酯中的LiPF6锂盐成份的电解质中,并且真空密封。然后,使电解质充分浸润到单体电池的电极中,将所述袋老化,用以初步将单体电池充满并稳定地生产袋式结构的锂离子蓄电池。
实施例2
所述单体电池和锂离子蓄电池的成型采用和实施例1同样的方法,与实施例1不同的是,将作为导电片层的单一铝片插入位于电极叠层板中的隔离层之间,参见图3b。
实施例3
所述单体电池和锂离子蓄电池的成型采用和实施例1同样的方法,与实施例1不同的是,将作为导电片层的两个铝片分别插入最顶部的隔离层和最顶部隔离层下方形成的电极之间、最底部的隔离层和最底部的隔离层下方形成的电极之间,参见图3c。
实施例4
所述单体电池和锂离子蓄电池的成型采用和实施例1同样的方法,与实施例1不同的是,将两个铝片分别插入到如实施例1中所述的两个最顶部的隔离层和两个最底部的隔离层之间,且所述两个铝片在电极引导部的对面相互电连接,参加图3d。
实施例5
所述单体电池和锂离子蓄电池的成型采用和实施例1同样的方法,与实施例1不同的是,按照实施例3相同的方式将两个铝片插入,并且将两个铝片在电极引导部的对面相互电连接。
实施例6
所述单体电池和锂离子蓄电池的成型采用和实施例1同样的方法,与实施例1不同的是,将一个金属片插入两个最外层的隔离层之间,将另一金属片插入位于电极叠层板中的两个隔离层之间,所述两个金属片在电极引导部的对面电连接。
比较例
单体电池和锂离子蓄电池采用和实施例1中同样的方法制备,但没有在单体电池中插入作为导电片层的铝片。
穿透性评价
对所述实施例和比较例袋式锂离子蓄电池充电,其宽边面向上放置,然后,用直径为5毫米钢铁针以预定速度将袋式锂离子蓄电池的宽边的中心部分刺穿,来评价穿透性。评价的结果在表1中列出。
表1
Figure B2009101701116D0000061
从表格1中可以证实,甚至在针速减少到20mm/sec以增加所述实施例1,2,3,4中内部短路时间都没有火灾事件发生。特别是在实施例4中,尽管针速已经减少到10mm/sec,仍没有火灾事件发生。原因是当发生刺穿时,单体电池最外面的金属片快速地将电流导向外部,内部短路事件发生时,金属片上产生的热量远远小于阳极和阴极产生的热量,因此电池的安全性能得到了提高。
在实施例5和6中,增加内部短路时间甚至将钢铁针的速度减少到20mm/sec至40mm/sec,都没有起火事件发生。金属片置于单体电池中的电池安全性能要比金属片置于单体电池最外部的安全性能低。然而,与没有导电片层的比较例相比,本发明锂离子蓄电池的安全性得到了提高。
在比较例中,可以证实甚至在60mm/sec很高的针速仍可能发生火灾事件。
本发明描述中提到的具体实施例不是用来限制本发明,其保护范围以权利要求的限定为准。本领域技术人员在没有离开本发明保护范围和技艺精神的情况下还可以对具体实施例做变动或者改进。

Claims (8)

1.一种用于锂离子蓄电池的单体电池,包括:
一电极叠层板,所述电极叠层板通过多个单元结构叠置方式成型;其中,每一电极叠层板包括至少一个电极、至少一个隔离层;且
至少一个导电片层,所述导电片层位于电极叠层板中的层之间,且与电极引导部电连接。
2.按照权利要求1所述的单体电池,其中,所述导电片层制备的材料选自铝、铜、镍、铁、锌、铅和钛一组金属中的至少一种。
3.按照权利要求1所述的单体电池,其中,当所述导电片层接触阳极时,所述导电片层由铝制备;当所述导电片层接触阴极时,所述导电片层由铜制备。
4.按照权利要求1所述的单体电池,其中,所述导电片层是多层重叠的片结构。
5.按照权利要求1所述的单体电池,其中,所述导电片层的厚度范围为0.001毫米至200毫米。
6.按照权利要求1所述的单体电池,其中,单体电池包括两个或两个以上导电片层,所述导电片层分别位于最顶部的隔离层与最顶部的电极之间,及最底部的隔离层与最底部的电极之间。
7.按照权利要求6所述的单体电池,其中,所述两个或两个以上导电片层在电极引导部对面电连接。
8.一种锂离子蓄电池包括权利要求1-7之一所述单体电池。
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