CN102324554A - 一种安全锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种安全锂离子电池,在电极活性材料中添加复合导电剂,其中,复合导电剂是由基体材料和表层材料组成的颗粒,基体材料采用聚乙烯,表层材料采用导电聚合物,复合导电剂按重量百分比计占电极活性材料的1~10%,最佳占3~6%。本发明不仅可在过充、过放、短路、挤压、针刺或跌落而导致锂离子电池过热时,利用电极活性材料中添加的复合导电剂受热熔融,失去导电性而导致活性材料电阻增大,提高安全性;同时,还可在锂离子电池内部短路和外部短路引起的电池热失控时,在一定温度条件下使复合导电剂熔融而失去导电性能,从而切断电子电路,确保电池安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种安全锂离子电池。
背景技术
按照国军标GJB2374-95锂电池安全要求和国军标GJB4477-2002锂离子蓄电池组通用规范,QC/T743-2006电动汽车用锂离子蓄电池标准要求,锂离子电池在过充、过放、短路、挤压、针刺、跌落等滥用试验时,必须确保锂离子电池不发生燃烧或者爆炸,究其原因其实就是控制大量的能量短时间释放,即控制热失控。
以针刺为例说明:
锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液组成,手机、笔记本电脑用单体锂离子电池容量一般较小,在2Ah左右,采用常规方法基本可保证安全。电动自行车、电动汽车等动力电池容量一般较大,在10Ah~300Ah之间,由于单体容量高,内部的导热差热量不均匀等原因,无法达到安全标准。
电池给负载提供电源时,正、负极通过负载实现电子连接,电流在额定范围内,大容量电池内阻小,产生的焦耳热少,电池温升小,确保正常使用。但电池被导电性物针刺时,正、负极通过导电针直接短路。导致介于正、负极的导电针部分电流增大150倍以上,该处的焦耳热增大22500倍,过量的热无法传出,局部高温使其周围的隔膜熔化,导致正负极活性物的短接。活性物的高阻,又产生高温,导致隔膜进一步熔化。而产生的热导致电解液气化,电池内压增加,过量的气体无法通过安全气阀排除,导致电池着火甚至爆炸。
目前中科莱纺成都公司生产的陶瓷隔膜,在电池热失控时可降低隔膜的收缩,同时提高收缩温度,但没有从根本上控制热失控,电池容量较小时可实现不着火不爆炸,但容量相对较大时仍然存在着火和爆炸的可能性。
18650电芯采用顶盖下预置PTC,在温度足够高时,PTC阻值可提高1000倍以上,能有效保护电芯外部短路,但对于针刺等内部短路无任何效果,对于非18650体系几乎不用PTC方案。
能量释放必须要有回路,包括电子回路和离子回路,切断任何一条回路,就有可能使电池安全。
现有技术中,不论是方形叠片电池还是卷绕式电池,电极活性材料中都必须添加导电剂。目前,导电剂一般采用导电石墨或乙炔黑,粒径在3~10微米。
本发明从电极活性材料中添加导电剂入手,研究确保安全的锂离子电池,本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可确保安全的锂离子电池。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种安全锂离子电池,在电极活性材料中添加复合导电剂,其中,复合导电剂是由基体材料和表层材料组成的颗粒,基体材料采用聚乙烯,表层材料采用导电聚合物,复合导电剂按重量百分比计占电极活性材料的1~10%,最佳占2~5%。
所述复合导电剂颗粒的粒径为1~10微米,最佳为3~5微米。
所述导电聚合物是聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔。
所述电极活性材料是指正极活性材料或负极活性材料,不论复合导电剂添加哪个电极活性材料中,都具有同样的效果。
所述电极活性材料中还可添加导电石墨或乙炔黑。
采用上述方案后,本发明不仅可在过充、过放、短路、挤压、针刺或跌落而导致锂电池过热时,利用电极活性材料中添加的复合导电剂基体材料聚乙烯由于受热而熔融,从而导致聚乙烯微粒表面的导电高分子材料破坏而失去导电性(低密度聚乙烯微粒,熔融温度在90~110℃,即当温度达到90℃时开始熔融,到110℃时完全熔融成液体,由于导电聚合物是依附在聚乙烯表面上的,所以当基体材料熔融后,皮之不存毛将焉附,复合导电剂失去导电能力),提高安全性;同时,还可在锂离子电池内部短路和外部短路引起的电池热失控时,在一定温度条件下使复合导电剂熔融而失去导电性能,从而切断电子电路,确保电池安全。
具体实施方式
实施例1
钴酸锂/石墨电池,正极材料配比中,聚吡咯复合导电剂占4%,乙炔黑占1%,电池容量60Ah,电池循环寿命不低于1000次,电池根据国军标和电动汽车标准进行安全测试,不着火不爆炸。
实施例2
锰酸锂/石墨电池,正极材料配比中,聚苯撑乙烯复合导电剂占5%,电池容量300Ah,电池循环寿命不低于1800次,电池根据国军标和电动汽车标准进行安全测试,不着火不爆炸。
实施例3
三元材料/石墨电池,正极材料配比中,聚噻吩复合导电剂占6%,电池容量90Ah,电池循环寿命不低于1500次,电池根据国军标和电动汽车标准进行安全测试,不着火不爆炸。
对比例
三元材料/石墨电池,正极材料配比中,导电石墨占3%,乙炔黑占2%,电池容量90Ah,电池循环寿命不低于1650次,电池根据国军标和电动汽车标准进行安全测试,着火并爆炸。
以下再给出更多实例列表说明复合导电剂的效果。
实例 | 导电石墨 | 乙炔黑 | 复合导电剂 | 着火爆炸 |
1 | 5 | 不着火不爆炸 | ||
2 | 1 | 4 | 不着火不爆炸 | |
3 | 1 | 1 | 3 | 不着火不爆炸 |
4 | 2 | 1 | 2 | 着火 |
5 | 1 | 2 | 2 | 着火 |
6 | 2 | 2 | 1 | 着火 |
7 | 3 | 2 | 着火并爆炸 |
备注:采用不同的复合导电剂,效果差异不大。
本发明的关键是全部或部分代替现有技术中的导电石墨或炭黑,在一定温度下失去导电能力,从而增加电阻,降低电流,提高电池安全性。
Claims (7)
1.一种安全锂离子电池,其特征在于:在电极活性材料中添加复合导电剂,复合导电剂是由基体材料和表层材料组成的颗粒,基体材料采用聚乙烯,表层材料采用导电聚合物,复合导电剂按重量百分比计占电极活性材料的1~10%。
2.如权利要求1所述的一种安全锂离子电池,其特征在于:复合导电剂按重量百分比计占电极活性材料的2~5%。
3.如权利要求1所述的一种安全锂离子电池,其特征在于:复合导电剂颗粒的粒径为1~10微米。
4.如权利要求3所述的一种安全锂离子电池,其特征在于:复合导电剂颗粒的粒径为3~5微米。
5.如权利要求1所述的一种安全锂离子电池,其特征在于:导电聚合物是聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔。
6.如权利要求1所述的一种安全锂离子电池,其特征在于:电极活性材料是指正极活性材料或负极活性材料。
7.如权利要求1所述的一种安全锂电池,其特征在于:电极活性材料中还添加了导电石墨或乙炔黑。
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