CN104701578B - 一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，通过制备复合层材料，并以复合层材料制备的薄膜或垫片对卷芯进行处理进而提高电池的安全性能,所述复合层材料包括基材、阻燃层和热吸收层三个组成部分，其中基材为长玻纤维增强的橡胶制备的薄膜或者垫片；阻燃层为阻燃剂共混的低温热熔树脂；热吸收层为涂覆于阻燃层表面的具有良好吸热性能的涂层。通过这种工艺处理的锂电池卷芯可在电池受到外部针刺的情况下对电池内部短路起到一定的抑制作用，降低电池起火爆炸的危险，进而显著改善锂电池安全性能。本发明工艺简单，操作方便，在改善电池安全性能的同时不会对电池容量，内阻等电化学性能产生负面影响。

Description

一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺。
背景技术
环境污染和能源危机的加剧促进了新能源汽车的大力发展，截止2014年12月份，新能源汽车2014年销量达到8万辆；其中采用能量密度高，绿色无污染，贮存寿命长，无记忆效应等优点的锂电池作为动力的纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)是其中的绝对主力，也成为未来汽车工业发展的必然选择。
然而，动力锂离子电池在应用过程中存在一定的安全隐患，如电池受到强力挤压、针刺、短路、高温等情况下均有可能发生起火或爆炸，这直接威胁到使用者人身和财产安全；目前，提高动力锂电池安全性能成为行业内关注的焦点。传统的提高动力锂电池安全性能的措施包括采用电流保护板，限制电池工作电压，电解液中添加阻燃添加剂，在电池内部设置PTC(热敏电阻)等方式，这些方式虽在一定程度上能够提高电池安全性能，但却对电池产生一定的负面影响，如电流保护板针对的是电池外部短路，对电池内部短路无能为力；限制工作电压的同时也限制了动力电池能量密度发挥；电解液中添加阻燃添加剂会降低电解液电导率造成电池内阻增大；在内部设置PTC则对电池设计产生一定的影响等。同时，这些防护措施对于典型的电池外部针刺情况缺乏足够的防护作用，由于针刺情况下电池内部发生直接短路，电流暴涨导致电池内部温度骤增，增加了电池起火爆炸的危险，因此对电池针刺提出了更高的防护要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，可在电池受到外部针刺的情况下对电池内部短路起到一定的抑制作用，降低电池起火爆炸的危险，进而显著改善锂电池安全性能。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于:制备复合层材料，并通过复合层材料制备的薄膜或垫片对卷芯进行处理，所述薄膜厚度为0.3mm～0.5mm，垫片厚度为1mm～2mm。
进一步的，所述薄膜采用基材-阻燃层-热吸收层的三层结构，其中基材为外层，阻燃层为中层，热吸收层为内层，所述复合层薄膜为包裹在每个卷芯表面。
进一步的，所述垫片采用热吸收层-阻燃层-基材-阻燃层-热吸收层的五层夹心结构，所述垫片为夹在卷芯与卷芯以及卷芯与外壳之间。
优选的，所述基材采用硅橡胶制成，其中薄膜的基材厚度为0.15mm～0.25mm，垫片的基材厚度为0.5mm～1mm。
优选的，所述硅橡胶采用长玻纤维增强剂增强，增强剂长玻纤维含量为15％～35％。
优选的，所述阻燃层为经阻燃剂共混的低温热熔树脂，其厚度为基材的65％～85％，其中低温热熔树脂选自醋酸乙烯含量25％～40％间的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA树脂)。
优选的，所述阻燃剂选自磷酸酯阻燃剂或者膦酸酯阻燃剂等环保型阻燃剂，其含量为25％～40％。
进一步的，所述磷酸酯阻燃剂选自磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、磷酸三异丙苯酯、磷酸三丁酯、磷酸三辛酯、甲苯基二苯基磷酸酯等传统磷酸酯阻燃剂或者三(1-氧代-1-磷杂-2,6,7-三氧杂双环[2,2,2]辛烷-4-亚甲基)磷酸酯、1-氧-4-羟甲基-2,6,7-三氧杂-1-磷杂双环[2,2,2]辛烷(PEPA)等新型磷酸酯阻燃剂中的一种或几种，所述膦酸酯阻燃剂选自N-羟甲基丙酰胺类甲基膦酸酯、甲基膦酸二甲酯(DMMP)等中的一种或几种。
优选的，所述热吸收层为涂覆于阻燃层表面的热吸收层，其厚度为基材的15％～35％。
优选的，所述热吸收层选自热吸收良好的聚偏氟乙烯微多孔层或无机多孔陶瓷层。
本发明的有益效果：
本发明提供的高安全性锂电池卷芯采用具有强度好，阻燃性能优异，吸热效果好等特点的复合层对其进行处理，当针刺发生时，尖针首先刺破包裹在卷芯表面的复合层薄膜或夹在卷芯与外壳之间的复合层垫片，穿透过程中将使得尖针表面裹挟部分复合层物质，绝缘的复合层物质随尖针穿透其他的卷芯时能在一定程度上减缓极片之间的短路；同时针刺后电池短路产生的热量能够被复合层吸热性能好的热吸收层吸收，使得采用低温热熔树脂制备的复合层阻燃层融化，随后熔融态物质顺着尖针流入被穿透的卷芯内部，可在一定程度上抑制卷芯内部短路的发生，阻燃剂的存在则降低了电池发生起火爆炸的风险，进而可提高电池安全性能。
本发明采用对锂电池体系的卷芯进行保护，仅在卷绕完成后对卷芯进行处理即可在电池受到外部针刺的情况下对电池内部短路起到一定的抑制作用，降低电池起火爆炸的危险，进而显著改善锂电池安全性能。本发明操作简单，不需要对极片做任何处理，容易实现产业化。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1是本发明复合层薄膜结构剖面图。
附图2是本发明复合层垫片结构剖面图。
附图3为采用本发明处理与未经任何处理的三卷芯结构1865140方形锂电池针刺实验的温度曲线。
图中标记：1、基材，2、阻燃层，3、热吸收层。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术方案、构造内容、所实现的目的和效果以及具有的优点，以下结合附图和实施方式对本发明进行进一步详细描述。本实施方式采用三卷芯结构的1865140方形锂电池体系进行。
附图1为本发明的实施实例一，为复合层制备薄膜结构示意图，薄膜采用“基材-阻燃层-热吸收层”的三层结构，其中基材为外层，阻燃层为中层，热吸收层为内层，其厚度为0.3-0.5mm。复合层薄膜对卷芯的处理为包裹在每一个卷芯表面。
附图2为本发明的实施实例二，为复合层制备垫片结构示意图，垫片采用“热吸收层-阻燃层-基材-阻燃层-热吸收层”的五层夹心结构，其厚度为1-2mm。复合层垫片对卷芯的处理为夹在卷芯与卷芯以及卷芯与外壳之间。
具体地，实施例一与实施例二所述的复合层的基材采用以长玻纤维为增强剂增强的硅橡胶制成，增强剂长玻纤维含量为15％-35％，其中薄膜的基材厚度为0.15-0.25mm，垫片的基材厚度为0.5-1mm。
复合层的阻燃层厚度为为基材的65％-85％，采用经阻燃剂共混的低温热熔树脂制成，低温热熔树脂选自醋酸乙烯含量25％-40％间的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA树脂)。阻燃剂选自磷酸酯阻燃剂或者膦酸酯阻燃剂等环保型阻燃剂，其含量为25-40％，其中磷酸酯阻燃剂选自磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、磷酸三异丙苯酯、磷酸三丁酯、磷酸三辛酯、甲苯基二苯基磷酸酯等传统磷酸酯阻燃剂或者三(1-氧代-1-磷杂-2,6,7-三氧杂双环[2,2,2]辛烷-4-亚甲基)磷酸酯、1-氧-4-羟甲基-2,6,7-三氧杂-1-磷杂双环[2,2,2]辛烷(PEPA)等新型磷酸酯阻燃剂中的一种或几种；膦酸酯阻燃剂选自N-羟甲基丙酰胺类甲基膦酸酯、甲基膦酸二甲酯(DMMP)等中一种或几种。
复合层热吸收层厚度为基材的35％-15％，选自热吸收良好的聚偏氟乙烯微多孔层或无机多孔陶瓷层。
本发明配合陶瓷薄膜使用效果更佳明显。
表1.三卷芯结构1865140方形锂电池不同卷芯处理实施例容量和内阻分布
样品 容量(mAh) 内阻(mΩ)
未处理卷芯 13219 5.42
实施例一卷芯 13194 5.17
实施例二卷芯 13227 5.48
上述经处理过的卷芯应用于锂电池如若遭受针刺时，尖针首先刺破的是包裹在卷芯表面的复合层薄膜或夹在卷芯与外壳之间的复合层垫片，穿透过程中将使得尖针表面裹挟部分复合层物质，绝缘的复合层物质随尖针穿透其他的卷芯时能在一定程度上减缓极片之间的短路；同时针刺后电池短路产生的热量能够被复合层吸热性能好的热吸收层吸收，使得采用低温热熔树脂制备的复合层阻燃层融化，随后熔融态物质顺着尖针流入被穿透的卷芯内部，可在一定程度上抑制卷芯内部短路的发生，阻燃剂的存在则降低了电池发生起火爆炸的风险，进而可提高电池安全性能。
本发明采用对卷芯进行保护的模式，仅在卷绕完成后对卷芯进行处理即可在电池受到外部针刺的情况下对电池内部短路起到一定的抑制作用，降低电池起火爆炸的危险，进而显著改善锂电池安全性能。
表1分别展示了经本发明处理卷芯与未经任何处理卷芯组成的1865140锂电池体系的容量和内阻分布情况，结果显示实施例一、实施例二处理后的卷芯并未对电池容量和内阻造成负面影响。
附图3为采用本发明处理卷芯与未经任何处理卷芯组成的1865140锂电池体系针刺实验的温度曲线，实施例一所述的复合层的薄膜包裹卷芯的电池和实施例二所述的复合层的垫片夹在卷芯与卷芯和卷芯与外壳间的电池在针刺过程中温度最高不超过120℃，低于电池150℃的预警温度，电池未发生起火或爆炸的现象；而未经任何处理的电池针刺最高温度高于150℃的预警温度，电池发生冒烟现象。故而本发明能够大大提高锂电池安全性能。
以上内容仅仅是对本发明的结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于:制备复合层材料，并通过复合层材料制备的薄膜或垫片对卷芯进行处理，所述薄膜厚度为0.3mm～0.5mm，垫片厚度为1mm～2mm；
其中，所述薄膜采用基材-阻燃层-热吸收层的三层结构，其中基材为外层，阻燃层为中层，热吸收层为内层，所述薄膜为包裹在每个卷芯表面；
所述垫片采用热吸收层-阻燃层-基材-阻燃层-热吸收层的五层夹心结构，所述垫片为夹在卷芯与卷芯以及卷芯与外壳之间；
其中，所述的基材采用硅橡胶制成，阻燃层为经阻燃剂共混的低温热熔树脂，热吸收层选自热吸收良好的聚偏氟乙烯微多孔层或无机多孔陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于：所述基材采用硅橡胶制成，其中薄膜的基材厚度为0.15mm～0.25mm，垫片的基材厚度为0.5mm～1mm。
3.根据权利要求2所述的一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于：所述硅橡胶采用长玻纤维增强剂增强，增强剂长玻纤维含量为15％～35％。
4.根据权利要求1所述的一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于：所述阻燃层为经阻燃剂共混的低温热熔树脂，其厚度为基材的65％～85％，其中低温热熔树脂选自醋酸乙烯含量为25％～40％间的乙烯-醋酸乙烯共聚物。
5.根据权利要求4所述的一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于：所述阻燃剂选自磷酸酯阻燃剂或者膦酸酯阻燃剂或其他环保型阻燃剂，其含量为25％～40％。
6.根据权利要求5所述的一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于：所述磷酸酯阻燃剂选自磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、磷酸三异丙苯酯、磷酸三丁酯、磷酸三辛酯、甲苯基二苯基磷酸酯传统磷酸酯阻燃剂或者三(1-氧代-1-磷杂-2,6,7-三氧杂双环[2,2,2]辛烷-4-亚甲基)磷酸酯、1-氧-4-羟甲基-2,6,7-三氧杂-1-磷杂双环[2,2,2]辛烷磷酸酯阻燃剂中的一种或几种，所述膦酸酯阻燃剂选自N-羟甲基丙酰胺类甲基膦酸酯、甲基膦酸二甲酯中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种高安全性的锂电池卷芯处理工艺，其特征在于：所述热吸收层为涂覆于阻燃层表面的热吸收层，其厚度为基材的15％～35％。
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