CN102306730A

CN102306730A - 提高大容量锂离子动力电池安全性的方法

Info

Publication number: CN102306730A
Application number: CN201110288955A
Authority: CN
Inventors: 叶超; 雷如清; 董相盛; 潘琴华; 郑景福; 黄志义
Original assignee: NENGYILANG TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Henan rotary Polytron Technologies Inc
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: CN102306730B

Abstract

本发明涉及一种新型大容量、长循环寿命、高低温性能好、比能量比功率高、高安全性叠片式混合聚合物胶体锂离子动力电池。本发明的动力电池正极配方包括磷酸铁锂或锰酸锂或三元材料、SP、磷片石墨、LBG1、增塑剂，溶剂为丙酮；负极配方包括人造石墨、SP、LBG1、增塑剂，溶剂为丙酮；隔膜处理配方包括粘接剂、增塑剂、乙酸乙脂、丙酮；动力电池的单片电芯采用的是两正一负的结构，两正极片在两表面，负极片夹在中间，正、负极片间是能量分隔层，其负极尺寸比正极稍大。本发明与现有技术相比，新型单体大容量、长循环寿命、高低温性能好。

Description

提高大容量锂离子动力电池安全性的方法

技术领域：

本发明涉及一种新型大容量、长循环寿命、高低温性能好、比能量比功率高、高安全性叠片式混合聚合物胶体锂离子动力电池，特别适用于在生产过程中，为了进一步提高其大容量单体电池的安全性所采取的一种独特的方法。

背景技术：

能源和环境是人类社会赖以生存和发展而极为重要的物质基础，世界各国自先后建立在石油、煤炭和天然气等化石燃料基础上的能源体系形成后，极大地推动了人类社会的繁荣、进步和发展；但是，随着当今世界各国所遭遇到的各种不幸灾难事实的惨痛教训和人类科学预测能力的不断提高，全球村民愈来愈感觉到其前进道路上正面临着严峻的两难困境：不可再生的化石燃料将逐渐枯竭，能源危机的风暴愈演演烈；化石燃料的大量开采和使用，造成了环境的严重污染及生态的破坏。因此，世界各国纷纷寻找能源安全的战略措施，大力开发以太阳能、风能、水电、核电等多元化能源体系，并极其重视发展以锂离子电池为动力模块的电动汽车，采用以电代石油，减少二氧化碳的排放，同时又能储存电网低谷电，可谓取得一举三得的收益；最近中国有关部委指出，中国到2020年国内汽车的保有量将达到2亿辆，届时能源安全和环境污染将出现严重危机，因此，传统燃料汽车的节能减排和新能源汽车的产业化就成为亟待解决的重要课题；近期由中国科技部牵头的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》已制定完毕；根据此规划，小型化和汽车电气化是中国汽车未来发展的两大方向，2015年中国电动汽车保有量计划达到100万辆；另外，由中国工信部牵头制定的《节能与新能源汽车发展规划》已经完成；据此规划，今后10年，将投入1000亿扶持资金，国内将累计直接增加投资5万亿元......；2020年中国新能源汽车销售目标规模可能是全球第一。

锂离子动力电池的新突破已经使纯电动汽车的生产成本大大降低，性能也有了很大的提高，市场化近在眼前；刻不容缓地推动锂离子动力电池的产业化，带动新能源电动汽车产业化是符合中国国情的战略选择；推广纯电动汽车是中国在激烈的国际竞争中难得的一次历史机遇；锂离子动力电池的产业化将使中国有可能据此在全球新能源产业发展中实现跨越式的发展，并走在世界前列，将可能成为“电动汽车王国”；对于军工而言，衡量尖端武器性能好坏的重要标志之一是动力装置，例如鱼雷、潜艇、导弹等，而锂离子电池具有非常好的性能，能量密度高，质量轻，可促进武器向灵活、机动的方向发展，可以预言不久，将批量采用锂离子动力电池代替传统的碱性电池和铅酸电池；对于地下采油，因为地下采油的温度高，而一般的电池是不可能做到的。如果采用锂离子聚合物电池，在较高的温度下，也可以长时间有效地提供电力。

目前，由于动力电池的一致性、安全性及成本等因素严重制约着新能源动力电池整个产业链的健康、快速发展；而综合美、日最新技术，研制出具有自主知识产权的新型大容量、长循环寿命、高低温性能好、比能量比功率高、高安全性叠片式混合聚合胶体锂离子动力电池，可以极大地解决以上问题，从而为聚合物锂离子动力电池的广泛应用创造了十分广阔的前景；但在生产过程中，其单体大容量动力电池，其单体和成组模块在进行破坏性针刺、挤压安全试验时出现起火、燃烧现象，此不符合动力锂离子蓄电池安全测试标准，大批量使用存在一定的安全隐患；由于单体大电池和其成组模块破坏性针刺、挤压存在一定的安全隐患，从而大大限制了其使用范围。

发明内容：

为克服上述现有技术的不足，进一步提高单体大电芯的安全性，本发明提供了一种简易、高效、低成本的能量分隔法，从而大大提高了单体大容量电芯的安全性，为单体大容量电芯的广泛使用提供了强有力的安全保障。

本发明的效果与目的是通过以下技术方案与步聚来实现的：本发明的动力电池正极配方包括磷酸铁锂或锰酸锂或三元材料、SP、磷片石墨、LBG1、增塑剂，溶剂为丙酮；负极配方包括人造石墨、SP、LBG1、增塑剂，溶剂为丙酮；隔膜处理配方包括粘接剂、增塑剂、乙酸乙脂、丙酮；动力电池的单片电芯采用的是两正一负的结构，两正极片在两表面，负极片夹在中间，正、负极片间是能量分隔层，其负极尺寸比正极稍大。

本发明所述电池正极配方中，磷酸铁锂∶丙酮＝38～40∶62～60。所述电池正极配方中，锰酸锂或三元材料∶丙酮＝60～63∶40～37。所述电池负极配方中，人造石墨∶丙酮＝44～46∶56～54。

本发明所述能量分隔层采用的是外形尺寸较小的正极刀模尺寸；其材料为是聚苯硫酶纤维或聚四氟片材。所述能量分隔层先横切成大片，其长度比正极刀模长20～30mm，其宽度依据卷材或片材宽度，比正极刀模宽20～50mm；然后再利用正极刀模把大片冲裁成所需的小片能量分隔层尺寸。所述能量分隔层使用前的预处理：把分隔层依要求冲裁成小片后，再进行超声清洗5～10分钟，清洗溶剂为丙酮，然后通60～85℃的热循环风进行烘干。

本发明所述能量分隔层的计算：磷酸铁锂电池能量分隔块控制在≤110Ah；按此计算一单体500Ah磷酸铁锂电池需分隔成至少5个能量分隔块，也即需采用4层能量分隔层。所述500Ah磷酸铁锂共计34层单片电芯，把34层单片电芯分隔成5个能量分隔模块，也即是每7层单片电芯为一能量分隔模块，其中最后一个分隔块为6层单片电芯；单片电芯叠片时在每7层单片电芯中间放一能量分隔层，然后再在单片电芯四周包绿胶进行整体固定。所述能量分隔层包好绿胶的单体电芯，把所有正极片铝箔压紧并联在一起，然后采用超声波焊接机焊接上正极铝极耳；再把所有负极片铜箔压紧并联在一起，并用超声波焊接机焊接上负极铜极耳或镍极耳。

本发明与现有技术相比，新型单体大容量、长循环寿命、高低温性能好、比能量比功率高的叠片式混合聚合物胶体锂离子动力电池，单体电芯容量：磷酸铁锂电池≥150Ah，锰酸锂电池≥100Ah，三元复合材料电池≥80Ah，其单体电池和其成组模块在破坏性针刺、挤压测试过程中易出现起火、燃烧现象，此不符合动力锂离子蓄电池安全测试标准；为解决以上单体大容量电芯和其成组模块针刺、挤压破坏性测试过程中电池出现起火、燃烧等异常，本发明提供了一种简易、高效、低成本的能量分隔法，此能量分隔法可以在保持电池基本性能不变的情况下(体积比能量略有下降)，进一步极大的提升其安全性；通过采用此方法，单体大容量500Ah锂离子动力电池(包括磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料)和其成组模块均可正常通过破坏性针刺、挤压等安全测试。

附图说明

图1是本发明的混合聚合物胶体锂离子动力电池生产工艺流程图。

图2是本发明两正一负单层单片电芯内部结构示意图。

图3是本发明两正一负单层单片电芯热复合后外形结构示意图。

图4是本发明单体500Ah磷酸铁锂多层单片电芯间增加能量分隔层示意图。

图5是本发明多层单片电芯内部增加能量分隔层操作工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明作进一步详细的描述：

一、本发明混合聚合物胶体锂离子动力电池正极、负极、隔膜配方及相关参数：

1、正极配方：磷酸铁锂(锰酸锂或三元材料)、SP、磷片石墨、LBG1、DBP(增塑剂)，溶剂为丙酮；

固体混合物(磷酸铁锂)∶丙酮＝38～40∶62～60；

固体混合物(锰酸锂或三元材料)∶丙酮＝60～63∶40～37；

2、负极配方：人造石墨、SP、LBG1、DBP(增塑剂)，溶剂为丙酮；

固体混合物∶丙酮＝44～46∶56～54；

3、隔膜处理配方：2801(粘接剂)、DBP(增塑剂)、乙酸乙脂、丙酮。

二、混合聚合物胶体锂离子动力电池生产工艺流程如图1所示。

三、本发明单体大容量动力电池能量分隔法的操作方法：

1、单片电芯内部设计结构：本发明研制的混合聚合胶体锂离子动力电池，其单片电芯采用的是两正一负的结构设计方式，两正极片在两表面，负极片夹在中间，正、负极片间是隔膜，其负极一般比正极稍大。

2、两正一负单层单片电芯内部结构如图2所示。

3、两正一负单层单片电芯热复合后外形结构如图3所示。其中：单片电芯两隔膜层1；单片电芯中间铜箔层负极片2；单片电芯上、下铝箔层正极片3。

4、能量分隔层的外形尺寸规格：能量分隔层如采用负极尺寸，在叠片时错位，易导致台阶的出现及电芯宽度增加的问题，因此我们能量分隔层采用的是外形尺寸较小的正极刀模尺寸。

5、能量分隔层采用的材料：

能量分隔层采用的是一种特殊防火、隔热材料，主要有两种，一种是聚苯硫酶纤维，另一种是聚四氟片材，其特性如下：

a、两种能量分隔层材料均不吸湿，防潮，且易于干燥；

b、能量分隔层阻燃，耐高温，耐磨，防辐射，高压屏蔽，化学防护，隔热；

c、能量分隔层耐强酸碱、高的电气绝缘性能；

d、能在高温下继续保持较高的强度和良好的电气绝缘性，其中聚四氟可耐300度高温，聚苯硫酶可耐800度高温；

e、厚度要求：0.20～0.30mm；

6、能量分隔层的小片冲裁：

把能量分隔层先横切成大片，其长度比正极刀模长20～30mm，其宽度依据卷材或片材宽度，一般比正极刀模宽20～50mm；然后再利用正极刀模把大片冲裁成所需的小片能量分隔层尺寸；

7、能量分隔层使用前的预处理：锂电池对铝塑膜包装袋内部环境要求非常严格，为防止分隔层沾染外界杂质，从而影响电芯性能的正常发挥，对分隔层需进行预处理；把分隔层依设计要求冲裁成小片后，再进行超声清洗5～10分钟，清洗溶剂为丙酮，然后通60～85℃的热循环风进行烘干；

8、能量分隔层的计算：经多次反复试验，磷酸铁锂电池能量分隔块控制在≤110Ah以下是非常安全的(锰酸锂动力电池能量分隔块控制在≤80Ah，三元复合材料动力电池能量分隔块控制在≤50Ah)；按此计算一单体500Ah磷酸铁锂电池需分隔成至少5个能量分隔块，也即需采用4层能量分隔层；

9、单片电芯间增加分隔层：依据设计要求，500Ah磷酸铁锂共计34层单片电芯，把34层单片电芯分隔成5个能量分隔模块，也即是每7层单片电芯为一能量分隔模块(其中最后一个分隔块为6层单片电芯)；单片电芯叠片时在每7层单片电芯中间放一能量分隔层，然后再在单片电芯四周包绿胶进行整体固定；

10、单体500Ah磷酸铁锂多层单片电芯间增加能量分隔层如图4所示。其中：单片电芯间增加能量分隔层4；单片电芯间铜负极耳并联5；单片电芯间铝正极耳并联6。

11、正、负极耳超声波焊接：对以上增加能量分隔层包好绿胶的单体电芯，把所有正极片铝箔压紧并联在一起，然后采用超声波焊接机焊接上正极铝极耳；再把所有负极片铜箔压紧并联在一起，并用超声波焊接机焊接上负极铜极耳或镍极耳；

12、各项常规和安全性能测试对比：

①常规检查与测试：

A外形尺寸：采用能量分隔层单体电芯的厚度比没有采用能量分隔层电芯的厚度要厚，每层能量分隔层厚度为0.25mm，4层能量分隔层总厚度为1.0mm，也即采用能量分隔层的电芯总厚度比没有能量分隔层电芯厚1.0mm；有能量分隔层500Ah电芯总厚度为22.0±0.5mm，没有能量分隔层电芯总厚度为21.0±0.5mm；电芯宽度均为：770±5.0mm，长度均为：430±5.0mm；

B体积比能量：电芯平均容量为：520Ah，其体积为：L1＝770*430*22*10^-6＝72842*10^-4(升)，

L2＝770*430*21*10^-6＝69531*10^-4(升)；采用分隔层的体积能量比为：

228.4Wh/L，没有能量分隔层的体积能量比为：239.3Wh/L；采用能量分隔层500Ah磷酸铁锂电芯其体积比能量比没有能量分隔层电芯小10.9Wh/L；

C其它各项常规性能测试均无明显差别；

②安全测试：

A针刺破坏性测试：

方法：依据中华人民共和国电动力汽车锂离子蓄电池检测标准进行检查(单体和其单体成组模块)；

测试结果：

①：没有能量分隔层的电芯或成组模块出现起火，燃烧现象；判定：不合格；

②：采用能量分隔层的电芯和其成组模块：电芯只是冒烟，没有出现起火，燃烧，爆炸现象；判定：合格；

B挤压破损性测试：

测试结果：

C其它各项安全测试两者均符合要求。

13、能量分隔层适用范围：

a、磷酸铁锂动力电池；150Ah以上单体磷酸铁锂动力电池为提高其安全性均需增加能量分隔层，其能量分隔块按≤110Ah控制比较安全；

b、锰酸锂动力电池：100Ah以上单体锰酸锂动力电池为提高其安全性均需增加能量分隔层，其能量分隔块按≤80Ah控制比较安全；

c、三元材料动力电池：80Ah以上单体三元复合材料动力电池为提高其安全性均需增加能量分隔层，其能量分隔块按≤50Ah控制比较安全；

d、各种动力电池能量分隔层操作方案同上。

四、多层单片电芯内部增加能量分隔层操作工艺流程如图5所示。

尽管对本发明的特征及其优势已经描述了很多，然而可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构想做其他多种相应的改变，而所有这些改变都应属于本发明的权利要求保护的范围。

Claims

1.一种提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其动力电池正极配方包括磷酸铁锂或锰酸锂或三元材料、SP、磷片石墨、LBG1、增塑剂，溶剂为丙酮；负极配方包括人造石墨、SP、LBG1、增塑剂，溶剂为丙酮；隔膜处理配方包括粘接剂、增塑剂、乙酸乙脂、丙酮；其特征在于所述动力电池的单片电芯采用的是两正一负的结构，两正极片在两表面，负极片夹在中间，正、负极片间是能量分隔层，其负极尺寸比正极稍大。

2.根据权利要求1所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述电池正极配方中，磷酸铁锂∶丙酮＝38～40∶62～60。

3.根据权利要求1所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述电池正极配方中，锰酸锂或三元材料∶丙酮＝60～63∶40～37。

4.根据权利要求1所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述电池负极配方中，人造石墨∶丙酮＝44～46∶56～54。

5.根据权利要求1所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述能量分隔层采用的是外形尺寸较小的正极刀模尺寸；其材料为是聚苯硫酶纤维或聚四氟片材。

6.根据权利要求5所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述能量分隔层先横切成大片，其长度比正极刀模长20～30mm，其宽度依据卷材或片材宽度，比正极刀模宽20～50mm；然后再利用正极刀模把大片冲裁成所需的小片能量分隔层尺寸。

7.根据权利要求6所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述能量分隔层使用前的预处理：把分隔层依要求冲裁成小片后，再进行超声清洗5～10分钟，清洗溶剂为丙酮，然后通60～85℃的热循环风进行烘干。

8.根据权利要求7所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述能量分隔层的计算：磷酸铁锂电池能量分隔块控制在≤110Ah；按此计算一单体500Ah磷酸铁锂电池需分隔成至少5个能量分隔块，也即需采用4层能量分隔层。

9.根据权利要求8所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述500Ah磷酸铁锂共计34层单片电芯，把34层单片电芯分隔成5个能量分隔模块，也即是每7层单片电芯为一能量分隔模块，其中最后一个分隔块为6层单片电芯；单片电芯叠片时在每7层单片电芯中间放一能量分隔层，然后再在单片电芯四周包绿胶进行整体固定。

10.根据权利要求9所述的提高大容量锂离子动力电池安全性的方法，其特征在于所述能量分隔层包好绿胶的单体电芯，把所有正极片铝箔压紧并联在一起，然后采用超声波焊接机焊接上正极铝极耳；再把所有负极片铜箔压紧并联在一起，并用超声波焊接机焊接上负极铜极耳或镍极耳。