CN105552297B - 一种具有高安全性的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高安全性的锂离子电池，包括电池主体，所述电池主体包括多个相互平行放置电池极组；每个所述电池极组包括多层正极片和多层负极片；每层正极片包括正极集流体，所述正极集流体的顶面和底面分别涂敷有一层正极热膨胀材料层，所述每层正极热膨胀材料层上涂敷有正极活性物质层；每层负极片包括负极集流体，所述负极集流体的顶面和底面分别涂敷有一层负极热膨胀材料层，所述每层负极热膨胀材料层上涂敷有负极活性物质层。本发明公开的一种具有高安全性的锂离子电池，可在电池由于不当充电、短路或暴露于高温等恶劣环境中而发生意外时，及时切断电池的反应，防止电池产生热失控，能够保证电池的安全性能。

Description

一种具有高安全性的锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种具有高安全性的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有高工作电压、高比能量、循环寿命长、无环境污染等优点，作为能将电能和化学能相互转化的二次化学电源，被视为电力储能系统的热门候选技术之一。自诞生以来，其应用领域不断扩大，获得迅速的发展。目前，不仅在移动式通讯设备和便携式电子设备上得到广泛应用，而且也广泛应用于电动工具、电动自行车以及电动汽车等大型电动设备方面。
目前，电动汽车和储能电站等一般需要使用具有大容量的锂离子动力电池作为电源。这些锂离子动力电池除了具有高容量，还应当具有良好的安全性以及较长的循环寿命等，才能达到使用的标准和满足人们的需求。因此，目前对锂离子电池的安全性能要求越来越高，如何提高电池的安全性能是目前各大电池厂家研究的主要方向。
为了在一定程度上保证动力电池的安全性，目前所采用的一种常见的技术方案为：在锂离子电池的顶盖上安装一个泄压阀。当电池由于不当充电、短路或暴露于高温等恶劣环境中而发生意外时，高能量的电池就会产生大量的气体并且温度急剧升高，气体冲开泄压阀而达到泄压的目的。泄压阀的存在可以在一定程度上可以提高电池的安全性能，但是，由于发生意外的电池本身聚集的能量得不到释放，使其本身就是一个隐患体，存在一定的安全问题，而且如果电池发生意外后再继续过充电，则会引发更大的安全事故，甚至引燃或引爆整个电池，这样不仅严重影响到电池的安全使用，降低了电池的使用寿命，还危及用户的人身安全，严重降低了用户对电池的产品使用感受，影响到电池产品的市场销售前景。因此，进一步提高电池的安全性能已成为行业普遍关注的问题。
因此，目前迫切需要开发出一种锂离子电池，它可以在电池由于不当充电、短路或暴露于高温等恶劣环境中而发生意外时，能够保证电池的安全性能，保证锂离子电池的正常使用，延长锂离子电池的使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有高安全性的锂离子电池，其性能稳定可靠，可以在电池由于不当充电、短路或暴露于高温等恶劣环境中而发生意外时，及时切断电池的反应，防止电池产生热失控，能够保证电池的安全性能，保证锂离子电池的正常使用，延长锂离子电池的使用寿命，从而具有广泛的市场应用前景，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种具有高安全性的锂离子电池，包括电池主体，所述电池主体包括多个相互平行放置电池极组；
每个所述电池极组包括多层正极片和多层负极片；
每层正极片包括正极集流体，所述正极集流体的顶面和底面分别涂敷有一层正极热膨胀材料层，所述每层正极热膨胀材料层上涂敷有正极活性物质层；
每层负极片包括负极集流体，所述负极集流体的顶面和底面分别涂敷有一层负极热膨胀材料层，所述每层负极热膨胀材料层上涂敷有负极活性物质层；
其中，所述电池主体的顶部具有防护垫片，所述防护垫片的左右两端分别贯穿设置有正极端子和负极端子，所述正极端子与所述多个电池极组的正极片相连接，所述负极端子与所述多个电池极组的负极片相连接；
所述防护垫片的中心位置开有一个排气孔，所述防护垫片的左右两端分别贯穿设置有正极端子引出孔和负极端子引出孔，所述防护垫片上间隔设置有多个孔槽，所述孔槽内填装有防护液。
其中，所述正极集流体和负极集流体为铜箔或者铝箔。
其中，所述正极热膨胀材料层中的正极热膨胀材料为由膨胀石墨或者高分子导电聚合物组成的材料层；
所述负极热膨胀材料层中的正极热膨胀材料为由膨胀石墨或者高分子导电聚合物组成的材料层。
其中，所述正极活性物质层中的正极活性物质包括三元材料，尖晶石锰酸锂材料和磷酸铁锂材料中的至少一种；
所述负极活性物质层中的负极活性物质包括天然石墨、人造石墨和中间相碳微球中的至少一种。
其中，所述正极片和负极片相互间隔设置，并且每层正极片和负极片30之间设置有一层隔膜。
其中，所述隔膜为聚乙烯PE单层膜、聚丙烯PP三层复合膜或者无纺布膜。
其中，任意两个相邻电池极组之间设置有导热薄膜。
其中，所述导热薄膜为导热石墨薄膜。
其中，所述孔槽内填装的防护液为机磷化物、卤代碳酸酯、磷腈类化合物、磷酸三甲酯TMP、磷酸三乙酯TEP、磷酸三苯酯TPP、磷酸三丁酯TBP、三氯乙基磷酸酯或者甲基磷酸二甲酯DMMP制成的液体。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有高安全性的锂离子电池，其性能稳定可靠，可以在电池由于不当充电、短路或暴露于高温等恶劣环境中而发生意外时，及时切断电池的反应，防止电池产生热失控，能够保证电池的安全性能，保证锂离子电池的正常使用，延长锂离子电池的使用寿命，从而具有广泛的市场应用前景，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有高安全性的锂离子电池的结构示意简图；
图2为本发明提供的一种具有高安全性的锂离子电池中正极片和负极片的结构示意图；
图3为本发明提供的一种具有高安全性的锂离子电池中负极片的结构示意图；
图4为本发明提供的一种具有高安全性的锂离子电池中电池极组的结构示意图；
图5为本发明提供的一种具有高安全性的锂离子电池中防护垫片的结构示意图；
图6为本发明提供的一种具有高安全性的锂离子电池的实施例与现有技术的锂离子电池的对比例的安全性能对比的表图；
图中，1为活性物质层，2为热膨胀材料层，4为电池主体，6为导热薄膜，7为电池极组，9为正极端子引出孔，10为排气孔，11为负极端子引出孔，12为孔槽；20为正极片，21为正极活性物质层，22为正极热膨胀材料层，23为正极集流体；30为负极片，31为负极活性物质层，32为负极热膨胀材料层，33为负极集流体；41为正极端子，42为负极端子。
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方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种具有高安全性的锂离子电池的结构示意简图。
参见图1，本发明提供了一种具有高安全性的锂离子电池，包括电池主体4，所述电池主体4包括多个相互平行放置电池极组7，所述电池主体4的顶部具有防护垫片8；
在本发明中，具体实现上，所述防护垫片8优选为采用橡胶、热塑性弹性体TPE、热塑性聚酯弹性体TPEE或硅胶材料制成的、弹性绝缘的垫片。
一并参见图2和图3，在本发明中，每个所述电池极组7包括多层正极片20和多层负极片30，所述正极片20和负极片30相互间隔设置，并且每层正极片20和负极片30之间设置有一层隔膜。
在本发明中，具体实现上，所述隔膜优选为聚乙烯PE单层膜、聚丙烯PP三层复合膜(即一层聚丙烯PP、一层聚乙烯PE和一层聚丙烯组成的三层复合膜)或者无纺布膜。
在本发明中，所述防护垫片8的左右两端分别贯穿设置有正极端子41和负极端子42，所述正极端子41与所述多个电池极组7的正极片相连接，所述负极端子42与所述多个电池极组7的负极片相连接。
参见图2，具体实现上，每层正极片20包括正极集流体23，所述正极集流体23的顶面和底面分别涂敷有一层正极热膨胀材料层22，所述每层正极热膨胀材料层22上涂敷有正极活性物质层21；
参见图3，具体实现上，每层负极片30包括负极集流体33，所述负极集流体23的顶面和底面分别涂敷有一层负极热膨胀材料层32，所述每层负极热膨胀材料层32上涂敷有负极活性物质层31。
在本发明中，具体实现上，所述正极集流体23和负极集流体33优选为铜箔或者铝箔。
在本发明中，具体实现上，所述正极热膨胀材料层22中的正极热膨胀材料优选为由膨胀石墨或者高分子导电聚合物组成的材料层；所述负极热膨胀材料层32中的正极热膨胀材料也优选为由膨胀石墨或者高分子导电聚合物组成的材料层。
在本发明中，具体实现上，所述正极活性物质层21中的正极活性物质包括三元材料，尖晶石锰酸锂材料和磷酸铁锂材料中的至少一种。
在本发明中，具体实现上，所述负极活性物质层31中的负极活性物质包括天然石墨、人造石墨和中间相碳微球中的至少一种。
对于本发明，需要说明的是，当电池出现失效内部温度急剧升高，对于正极集流体23表面的正极热膨胀材料层22以及负极集流体23表面的负极热膨胀材料层32，它们将会由于受热而体积发生剧烈膨胀致，使得正极热膨胀材料层22上面涂敷的正极活性物质层21与正极集流体23相分离、龟裂和脱落，并且使得负极热膨胀材料层32涂敷的负极活性物质层31与负极集流体33分离、龟裂和脱落，从而最终破坏正极片20和负极片30这两种电池极片形成的导电网络系统，切断正极片20和负极片30之间的电化学反应，因此，可以有效防止锂离子电池产生热失控，进而防止电池出现着火或爆炸等危险情况，对电池的热失效控制起到了预防和抑制作用，极大的提高了电池的的安全性能。
一并参见图4，任意两个相邻电池极组7之间设置有导热薄膜6；具体实现上，所述导热薄膜6优选为导热石墨薄膜，其导热性能远高于金属铝和铜材质，具有良好的传热性能，能够快速有效的将电池内部的热量传导到电池壳体的外部，从而进一步提高电池的安全性能，保证锂离子电池的正常使用，延长锂离子电池的使用寿命。
一并参见图5，所述防护垫片8的中心位置开有一个排气孔10，所述防护垫片8上间隔设置有多个孔槽12，所述孔槽12内填装有防护液；所述防护垫片8的左右两端分别贯穿设置有正极端子引出孔9和负极端子引出孔11。
在本发明中，具体实现上，所述孔槽12内填装的防护液优选为机磷化物、卤代碳酸酯、磷腈类化合物、磷酸三甲酯(TMP)、磷酸三乙酯(TEP)、磷酸三苯酯(TPP)、磷酸三丁酯(TBP)、三氯乙基磷酸酯(TCEP)或者甲基磷酸二甲酯(DMMP)制成的液体。其中，三氯乙基磷酸酯也称为磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP)。
在本发明中，具体实现上，所述正极端子41贯穿所述正极端子引出孔9，所述负极端子42贯穿所述负极端子引出孔11。
需要说明的是，所述排气孔10用于当电池由于不当充电、短路或暴露于高温等恶劣环境中而发生意外时，排出电池所产生大量的气体。
对于本发明，需要说明的是，为进一步增强失效防护，本发明在电池内部设置弹性的防护垫片8，对电池失效起到减缓冲击的作用，并且在防护垫片8上设置孔槽12，用于填装防护液，当该防护液与电池内部的可燃气体及电解液接触混合后，可以起到阻燃的作用。因此，本发明可以极大地提高了锂离子电池的安全性能，从根源上解决了电池热失效及安全性问题。
下面结合通过对比例1，以及本发明的实施例1、2、3来进一步说明本发明具有的高安全性锂离子动力电池的优越性。
对比例1：采用7000mAh锂离子动力电池，正极活性物质采用NCM三元体系材料，负极为石墨，集流体为普通铜箔和铝箔，隔膜采用高强度的双面涂陶瓷隔膜，电池本体加装公知的CID(断流器)断流保护装置。
实施例1：采用7000mAh锂离子动力电池，正极活性物质采用NCM三元体系材料，负极为石墨，采用本发明涂覆热膨胀材料的集流体，隔膜采用未涂覆陶瓷隔膜，电池本体不加装CID断流保护装置。
实施例2：采用7000mAh锂离子动力电池，正极活性物质采用NCM三元体系材料，负极为石墨，采用本发明涂覆热膨胀材料的集流体，隔膜采用未涂覆陶瓷隔膜，电池本体不加装CID断流保护装置，极组设置本发明提供的导热薄膜。
实施例3：采用7000mAh锂离子动力电池，正极活性物质采用NCM三元体系材料，负极为石墨，采用本发明涂覆热膨胀材料的集流体，隔膜采用未涂覆陶瓷隔膜，电池本体不加装CID断流保护装置，极组设置本发明提供的导热薄膜，电池内部加装本发明提供的弹性的防护垫片。
以上对比例1和实施例1、2、3的测试方法和判断要求采用电动汽车用用蓄电池安全要求及试验方法(GB/T31485-2015)要求的进行安全测试。
如图6所示，实施例1采用本发明的集流体涂覆膨胀材料的技术方案，与目前常规方式通过增加隔膜强度和断流保护装置技术方案的对比例1相比较，在过充与针刺方面有明显优势，通过在本发明实施例1基础上，进一步增加本发明的导热薄膜实施例2，和进一步增加防护垫片的实施例3，可以看出与对比例1相比具有绝对优势。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有高安全性的锂离子电池，其性能稳定可靠，可以在电池由于不当充电、短路或暴露于高温等恶劣环境中而发生意外时，及时切断电池的反应，防止电池产生热失控，能够保证电池的安全性能，保证锂离子电池的正常使用，延长锂离子电池的使用寿命，从而具有广泛的市场应用前景，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有高安全性的锂离子电池，其特征在于，包括电池主体(4)，所述电池主体(4)包括多个相互平行放置电池极组(7)；
每个所述电池极组(7)包括多层正极片(20)和多层负极片(30)；
每层正极片(20)包括正极集流体(23)，所述正极集流体(23)的顶面和底面分别涂敷有一层正极热膨胀材料层(22)，所述每层正极热膨胀材料层(22)上涂敷有正极活性物质层(21)；
每层负极片(30)包括负极集流体(33)，所述负极集流体(23)的顶面和底面分别涂敷有一层负极热膨胀材料层(32)，所述每层负极热膨胀材料层(32)上涂敷有负极活性物质层(31)；
所述电池主体(4)的顶部具有防护垫片(8)，所述防护垫片(8)的左右两端分别贯穿设置有正极端子(41)和负极端子(42)，所述正极端子(41)与所述多个电池极组(7)的正极片相连接，所述负极端子(42)与所述多个电池极组(7)的负极片相连接；
所述防护垫片(8)的中心位置开有一个排气孔(10)，所述防护垫片(8)的左右两端分别贯穿设置有正极端子引出孔(9)和负极端子引出孔(11)，所述防护垫片(8)上间隔设置有多个孔槽(12)，所述孔槽(12)内填装有防护液。
2.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极集流体(23)和负极集流体(33)为铜箔或者铝箔。
3.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极热膨胀材料层(22)中的正极热膨胀材料为由膨胀石墨或者高分子导电聚合物组成的材料层；
所述负极热膨胀材料层(32)中的正极热膨胀材料为由膨胀石墨或者高分子导电聚合物组成的材料层。
4.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极活性物质层(21)中的正极活性物质包括三元材料，尖晶石锰酸锂材料和磷酸铁锂材料中的至少一种；
所述负极活性物质层(31)中的负极活性物质包括天然石墨、人造石墨和中间相碳微球中的至少一种。
5.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极片(20)和负极片(30)相互间隔设置，并且每层正极片(20)和负极片(30)之间设置有一层隔膜。
6.如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述隔膜为聚乙烯PE单层膜、聚丙烯PP三层复合膜或者无纺布膜。
7.如权利要求1至6中任一项所述的锂离子电池，其特征在于，任意两个相邻电池极组(7)之间设置有导热薄膜(6)。
8.如权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述导热薄膜(6)为导热石墨薄膜。
9.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述孔槽(12)内填装的防护液为机磷化物、卤代碳酸酯、磷腈类化合物、磷酸三甲酯TMP、磷酸三乙酯TEP、磷酸三苯酯TPP、磷酸三丁酯TBP、三氯乙基磷酸酯或者甲基磷酸二甲酯DMMP制成的液体。
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