CN105406132A - 一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池 - Google Patents

一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，包括负极片、正极片和隔膜，负极片、正极片和隔膜相互间隔圆柱形卷绕设计形成圆柱形电芯，隔膜设置在负极片和正极片之间，负极集流体的尾部设有没有涂覆负极活性材料层的负极裸露区，正极集流体的尾部设有没有涂覆正极活性材料层的正极裸露区，负极裸露区双面贴合有铝电解电容器的阴极铝箔，正极集流体为铝电解电容器的阳极铝箔，负极裸露区包裹正极裸露区设置在圆柱形电芯外侧圆周，卷绕在负极裸露区、正极裸露区之间的隔膜双面贴合有浸泡有电容器电解液的隔离纸。本发明的高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池具有安全性好、功率密度高、加工方便和成本低廉的特点。

Description

一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体为一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池。
背景技术
随着现代社会信息化和智能化的高速发展，以及环境污染和能源匮乏日渐严重，社会对蓄电器件的容量和输出功率要求越来越高，锂离子电池和电容器等成为当前研究热点。锂离子电池具有能量密度高、自放电率低等优点，但倍率性能不理想，功率密度较低，而且锂离子电池的电压范围在3.0～4.1V之间，高于4.1V时，电池正极材料和电解液不稳定、易氧化，负极表面易析锂形成锂枝晶，带来安全隐患。特别在锂离子电池滥用的状况下，如何提高锂离子电池诸如针刺、挤压等安全性能避免爆炸事故的发生显得尤为迫切。
与此同时。镍钴锰三元材料锂作为常用的锂离子电池正极材料，具有能量密度高、振实密度高的特点，也同时存在安全性差、耐高温性差、寿命差、大功率放电差、元素有毒（镍钴锰三元锂离子电池大功率充放电后温度急剧升高，高温后释放氧气极容易燃烧），直接限制了镍钴锰三元材料锂在锂离子电池的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，具有安全性好、功率密度高、加工方便和成本低廉的特点。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，包括负极片、正极片和隔膜，所述负极片、正极片和隔膜相互间隔圆柱形卷绕设计形成圆柱形电芯，所述隔膜设置在负极片和正极片之间，所述负极片为双面涂层结构，所负极片的负极集流体两面均涂有负极活性材料层，所述负极集流体的尾部设有没有涂覆负极活性材料层的负极裸露区，所述正极片为双面涂层结构，所述正极片的正极集流体双面涂有正极活性材料层，所述正极集流体的尾部设有没有涂覆正极活性材料层的正极裸露区，所述负极裸露区双面贴合有铝电解电容器的阴极铝箔，所述正极集流体为铝电解电容器的阳极铝箔，所述负极裸露区包裹正极裸露区设置在所述圆柱形电芯外侧圆周，卷绕在负极裸露区、正极裸露区之间的隔膜双面贴合有浸泡有电容器电解液的隔离纸，所述正极活性材料层为镍钴锰三元材料正极材料层。
在锂离子电池中，能势最高的是正极集流体对负极活性材料层，然后是正极活性材料层对负极活性材料层，然后是正极活性材料层对负极集流体，最后是负极集流体对正极集流体。通过在锂离子电池中设置负极裸露区与正极裸露区包裹在圆柱形电芯圆周的外侧，锂离子电池在经受诸如挤压、针刺等滥用情况下，负极集流体与正极集流体最先接触，发生短路，是能势最低的一种接触方式，从而实现锂离子电池正极和负极的短路，释放出一定的能量，有效避免了爆炸事故的发生，提高了锂离子电池的安全性。通过正极集流体采用铝电解电容器的阳极铝箔，既满足锂离子电池正极集流体常规的使用要求，同时也使阳极铝箔和贴合在负极集流体的阴极铝箔形成相对面积较大的铝电解电容器，在没有降低锂离子电池能量密度的前提下，有效提升了锂离子电池的功率密度。通过铝电解电容器的阳极铝箔和阴极铝箔分别设置在锂离子电池正极裸露区和负极裸露区的设置，对于锂离子电池诸如涂布、分条、制片等前工序并没有发生影响，只需要在卷绕工序引入阴极铝箔和隔离纸即可，简化加工过程，提升生产效率。铝电解电容器的主要原料为阳极铝箔和阴极铝箔，铝箔来源广泛，且阳极铝膜同时也可以作为锂离子电池的正极集流体，在给锂离子电池附加铝电解电容器功能的同时不会造成成本的剧增。
进一步地，所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。锂离子电池电解液体系与铝电解电容器的电解液体系均为性质现实的有机溶剂体系，既满足锂离子电池的要求，又满足了铝电解电容器的工作需要，有效简化了加工制造过程。
进一步地，所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为O.5～3.0%。
进一步地，所述圆柱形电芯还包括圆柱形钢壳，所述圆柱形电芯封装在钢壳内部。
进一步地，所述负极片的长度大于所述正极片，所述负极裸露区的长度大于所述正极裸露区，所述负极裸露区、正极裸露区包裹在圆柱形电芯外侧一周到十周。可以根据实际需要。灵活设置负极裸露区、正极裸露区环绕在圆柱形电芯的圈数，圈数越多，锂离子电池的安全性越高，铝电解电容器的电容也就越高，但同时会造成圆柱形电芯半径的增加，反而降低锂离子电池能量密度。
进一步地，所述负极集流体为铜箔。
进一步地，所述隔膜为PE隔膜、PP隔膜或PE/PP复合隔膜。
进一步地，所述负极活性材料层为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。
进一步地，所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸彼此相对。
本发明一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，具有如下的有益效果：
第一、安全性好，通过在锂离子电池中设置负极裸露区与正极裸露区包裹在圆柱形电芯圆周的外侧，锂离子电池在经受诸如挤压、针刺等滥用情况下，负极集流体与正极集流体最先接触，发生短路，是能势最低的一种接触方式，从而实现锂离子电池正极和负极的短路，释放出一定的能量，有效避免了爆炸事故的发生，提高了锂离子电池的安全性，特别针对镍钴锰三元材料正极材料含有爆炸风险的锂离子电池来说形成非常良好的安全保护机制；
第二、功率密度高，通过正极集流体采用铝电解电容器的阳极铝箔，既满足锂离子电池正极集流体常规的使用要求，同时也使阳极铝箔和贴合在负极集流体的阴极铝箔形成相对面积较大的铝电解电容器，在没有降低锂离子电池能量密度的前提下，有效提升了锂离子电池的功率密度；
第三、加工方便，通过铝电解电容器的阳极铝箔和阴极铝箔分别设置在锂离子电池正极裸露区和负极裸露区的设置，对于锂离子电池诸如涂布、分条、制片等前工序并没有发生影响，只需要在卷绕工序引入阴极铝箔和隔离纸即可，简化加工过程，提升生产效率；
第四、成本低廉，铝电解电容器的主要原料为阳极铝箔和阴极铝箔，铝箔来源广泛，且阳极铝膜同时也可以作为锂离子电池的正极集流体，在给锂离子电池附加铝电解电容器功能的同时不会造成成本的剧增。
附图说明
附图1为本发明一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池卷绕结构示意图；
附图2为本发明一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池负极片尾部结构示意图；
附图3为本发明一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池正极片尾部结构示意图；
附图4为本发明一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池隔膜尾部结构示意图；
附图中标记包括：100、负极片，101、负极集流体，102、负极活性材料层，103、负极裸露区，200、正极片，201、正极集流体，202、正极活性材料层；203、正极裸露区，300、阴极铝箔，400、隔膜，500、隔离纸。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。
实施例1
如图1～4所示，本发明公开了一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，包括负极片100、正极片200和隔膜400，所述负极片100、正极片200和隔膜400相互间隔圆柱形卷绕设计形成圆柱形电芯，所述隔膜400设置在负极片100和正极片200之间，所述负极片100为双面涂层结构，所负极片100的负极集流体101两面均涂有负极活性材料层102，所述负极集流体101的尾部设有没有涂覆负极活性材料层102的负极裸露区103，所述正极片200为双面涂层结构，所述正极片200的正极集流体201双面涂有正极活性材料层202，所述正极集流体201的尾部设有没有涂覆正极活性材料层202的正极裸露区203，所述负极裸露区103双面贴合有铝电解电容器的阴极铝箔300，所述正极集流体201为铝电解电容器的阳极铝箔，所述负极裸露区103包裹正极裸露区203设置在所述圆柱形电芯外侧圆周，卷绕在负极裸露区103、正极裸露区203之间的隔膜400双面贴合有浸泡有电容器电解液的隔离纸500，所述正极活性材料层202为镍钴锰三元材料正极材料层。
所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯DMC)、碳酸二乙酯DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯VEC)、碳酸亚乙烯酯VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯AS)、邻苯二甲酸酐PA)，其浓度为O.5～3.0%。所述圆柱形电芯还包括圆柱形钢壳，所述圆柱形电芯封装在钢壳内部。所述负极片100的长度大于所述正极片200，所述负极裸露区103的长度大于所述正极裸露区203，所述负极裸露区103、正极裸露区203包裹在圆柱形电芯外侧一周周。所述负极集流体101为铜箔。所述隔膜400为PE隔膜400、PP隔膜400或PE/PP复合隔膜400。所述负极活性材料层102为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸500彼此相对。
在图1的圆柱形高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池中，盖帽作为锂离子电池的正极，钢壳底部作为锂离子电池的负极，正极片200与正极电连通，盖帽与正极片200、负极片100之间设有绝缘片，负极片100、阴极铝箔300与负极电连通。
经过测试，圆柱卷绕的高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池的能量密度高达105Wh0kg以上，功率密度3400W/kg以上，工作电压2.5～4.8V，产品通过诸如挤压、针刺等安全性能测试通过率为92%以上，产品制造成本与常规的锂离子电池相当。
实施例2
如图1～4所示，本发明公开了一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，包括负极片100、正极片200和隔膜400，所述负极片100、正极片200和隔膜400相互间隔圆柱形卷绕设计形成圆柱形电芯，所述隔膜400设置在负极片100和正极片200之间，所述负极片100为双面涂层结构，所负极片100的负极集流体101两面均涂有负极活性材料层102，所述负极集流体101的尾部设有没有涂覆负极活性材料层102的负极裸露区103，所述正极片200为双面涂层结构，所述正极片200的正极集流体201双面涂有正极活性材料层202，所述正极集流体201的尾部设有没有涂覆正极活性材料层202的正极裸露区203，所述负极裸露区103双面贴合有铝电解电容器的阴极铝箔300，所述正极集流体201为铝电解电容器的阳极铝箔，所述负极裸露区103包裹正极裸露区203设置在所述圆柱形电芯外侧圆周，卷绕在负极裸露区103、正极裸露区203之间的隔膜400双面贴合有浸泡有电容器电解液的隔离纸500，所述正极活性材料层202为镍钴锰三元材料正极材料层。
所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯DMC)、碳酸二乙酯DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯VEC)、碳酸亚乙烯酯VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯AS)、邻苯二甲酸酐PA)，其浓度为O.5～3.0%。所述圆柱形电芯还包括圆柱形钢壳，所述圆柱形电芯封装在钢壳内部。所述负极片100的长度大于所述正极片200，所述负极裸露区103的长度大于所述正极裸露区203，所述负极裸露区103、正极裸露区203包裹在圆柱形电芯外侧五周。所述负极集流体101为铜箔。所述隔膜400为PE隔膜400、PP隔膜400或PE/PP复合隔膜400。所述负极活性材料层102为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。所述正极活性材料层202为磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、镍钴锰三元材料正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸500彼此相对。
在图1的圆柱形高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池中，盖帽作为锂离子电池的正极，钢壳底部作为锂离子电池的负极，正极片200与正极电连通，盖帽与正极片200、负极片100之间设有绝缘片，负极片100、阴极铝箔300与负极电连通。
经过测试，圆柱卷绕的高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池的能量密度高达103Wh0kg以上，功率密度5300W/kg以上，工作电压2.5～4.8V，产品通过诸如挤压、针刺等安全性能测试通过率为95%以上，产品制造成本与常规的锂离子电池相当。
实施例3
如图1～4所示，本发明公开了一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，包括负极片100、正极片200和隔膜400，所述负极片100、正极片200和隔膜400相互间隔圆柱形卷绕设计形成圆柱形电芯，所述隔膜400设置在负极片100和正极片200之间，所述负极片100为双面涂层结构，所负极片100的负极集流体101两面均涂有负极活性材料层102，所述负极集流体101的尾部设有没有涂覆负极活性材料层102的负极裸露区103，所述正极片200为双面涂层结构，所述正极片200的正极集流体201双面涂有正极活性材料层202，所述正极集流体201的尾部设有没有涂覆正极活性材料层202的正极裸露区203，所述负极裸露区103双面贴合有铝电解电容器的阴极铝箔300，所述正极集流体201为铝电解电容器的阳极铝箔，所述负极裸露区103包裹正极裸露区203设置在所述圆柱形电芯外侧圆周，卷绕在负极裸露区103、正极裸露区203之间的隔膜400双面贴合有浸泡有电容器电解液的隔离纸500，所述正极活性材料层202为镍钴锰三元材料正极材料层。
所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯DMC)、碳酸二乙酯DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯VEC)、碳酸亚乙烯酯VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯AS)、邻苯二甲酸酐PA)，其浓度为O.5～3.0%。所述圆柱形电芯还包括圆柱形钢壳，所述圆柱形电芯封装在钢壳内部。所述负极片100的长度大于所述正极片200，所述负极裸露区103的长度大于所述正极裸露区203，所述负极裸露区103、正极裸露区203包裹在圆柱形电芯外侧十周。所述负极集流体101为铜箔。所述隔膜400为PE隔膜400、PP隔膜400或PE/PP复合隔膜400。所述负极活性材料层102为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。所述正极活性材料层202为磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、镍钴锰三元材料正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸500彼此相对。
在图1的圆柱形高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池中，盖帽作为锂离子电池的正极，钢壳底部作为锂离子电池的负极，正极片200与正极电连通，盖帽与正极片200、负极片100之间设有绝缘片，负极片100、阴极铝箔300与负极电连通。
经过测试，圆柱卷绕的高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池的能量密度高达103Wh0kg以上，功率密度4200W/kg以上，工作电压2.5～4.8V，产品通过诸如挤压、针刺等安全性能测试通过率为97%以上，产品制造成本与常规的锂离子电池相当。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，包括负极片（100）、正极片（200）和隔膜（400），所述负极片（100）、正极片（200）和隔膜（400）相互间隔圆柱形卷绕设计形成圆柱形电芯，所述隔膜（400）设置在负极片（100）和正极片（200）之间，其特征在于：所述负极片（100）为双面涂层结构，所负极片（100）的负极集流体（101）两面均涂有负极活性材料层（102），所述负极集流体（101）的尾部设有没有涂覆负极活性材料层（102）的负极裸露区（103），所述正极片（200）为双面涂层结构，所述正极片（200）的正极集流体（201）双面涂有正极活性材料层（202），所述正极集流体（201）的尾部设有没有涂覆正极活性材料层（202）的正极裸露区（203），所述负极裸露区（103）双面贴合有铝电解电容器的阴极铝箔（300），所述正极集流体（201）为铝电解电容器的阳极铝箔，所述负极裸露区（103）包裹正极裸露区（203）设置在所述圆柱形电芯外侧圆周，卷绕在负极裸露区（103）、正极裸露区（203）之间的隔膜（400）双面贴合有浸泡有电容器电解液的隔离纸（500），所述正极活性材料层（202）为镍钴锰三元材料正极材料层。
2.根据权利要求1所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。
3.根据权利要求2所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为O.5～3.0%。
4.根据权利要求3所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述圆柱形电芯还包括圆柱形钢壳，所述圆柱形电芯封装在钢壳内部。
5.根据权利要求3所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述负极片（100）的长度大于所述正极片（200），所述负极裸露区（103）的长度大于所述正极裸露区（203），所述负极裸露区（103）、正极裸露区（203）包裹在圆柱形电芯外侧一周到十周。
6.根据权利要求4或5所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述负极集流体（101）为铜箔。
7.根据权利要求6所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述隔膜（400）为PE隔膜（400）、PP隔膜（400）或PE/PP复合隔膜（400）。
8.根据权利要求7所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述负极活性材料层（102）为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。
9.根据权利要求8所述高安全性的铝电解电容器型镍钴锰三元材料锂离子电池，其特征在于：所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸（500）彼此相对。
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