CN107464948A - 一种高安全锂离子动力电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高安全锂离子动力电池，其主要由正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳组成，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜；本发明中的高安全锂离子电池可以在电池发生短路、针刺等情况下，电池温度超过100℃时，极片和电池内阻迅速上升，减少电池发热量，提高电池安全性能；电池中隔膜熔融温度可达到230℃，在200℃不会发生热收缩，具有较高的稳定性，可以防止大面积正/负极短路现象的出现，提高电池的安全性。

Description

一种高安全锂离子动力电池
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池技术领域，尤其是涉及一种高安全锂离子动力电池。
背景技术
锂离子电池是一种依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作的二次电池，锂离子电池具有较高的能量密度，在通常的正负极材料的工作电位下，水溶液难以稳定使用，所以锂离子电池电解液使用有机溶剂，而有机溶剂通常极易燃烧，锂离子电池因此在安全性上背上了沉重的负担；同时，在过充等情况下，锂离子电池的电解液中会形成枝状锂化合物晶体，这些枝状晶体在生长过程中存在刺穿隔膜造成锂离子电池短路的问题，短路后锂离子电池内部电流增大，温度升高，使其中的有机溶剂燃烧或者产生大量气体，使得锂离子电池发生鼓包甚至发生爆炸，因此具有极大的安全隐患。
现有技术中为解决锂离子电池的安全问题，通常采用在电解液或极片中添加阻燃化合物，用以组织锂离子电池电解液中的有机化合物在高温下发生燃烧的问题。如中国专利公布号CN104835981A，专利公布日为2015年8月12日，公开了一种正极添加纳米树脂类固体阻燃剂的安全锂离子电池及其制备方法，该安全锂离子电池在正极片中添加了具有阻燃作用的纳米树脂，虽然在极片或者电解液中添加适量的阻燃材料可以提高锂离子电池的安全性能，但是危害锂离子电池安全性能的原因并不仅仅是其中的电解液发生燃烧产生的危害，同时还有过充过程中产生的枝状锂化合物晶体和因温度升高产生的大量气体，仅仅在极片或者电解液中添加阻燃化合物不能解决这些问题，因此危害锂离子电池的危害因素仍旧没有完全解决，同时阻燃添加剂会使电解液的电导率下降，影响电池的放点性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种具有防止内部温度急剧升高、隔膜坚实耐刺穿的高安全锂离子动力电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜。
PTC材料是指正温度系数热敏电阻，也就是一种具有温度敏感性的半导体电阻，超过材料的居里温度后，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高；通常所述的PTC材料是指无机的PTC陶瓷材料，比如钛酸钡基陶瓷材料，但是无机材料的合成需要高温下进行，而同样具有正温度系数的有机PTC材料则由于其高分子材料的特性，具有较低的合成温度，同时也具有相对较低的相转变温度，即有机PTC材料的电阻对温度更加的敏感，可以更好的起到保护作用。
作为优选，有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑24～30份，聚偏氟乙烯63～74份，有机硅烷2～4份。
作为优选，聚偏氟乙烯的分子量为180000～534000。
作为优选，负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按配方称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用120～150℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。
通过在集流体上双面涂覆PTC材料，可以在电池发生短路、针刺等情况下，电池温度超过100℃时，极片和电池内阻迅速上升，减少短路电流，减少电池发热量，防止电解液中的有机物质燃烧，同时也能防止电解液受热后产生大量的气体，产生锂离子电池鼓包的现象。
作为优选，陶瓷无纺布复合隔膜为PET无纺布表面涂覆一层二氧化硅得到。
作为优选，有机硅烷为乙烯基硅烷、氨基硅烷、异丁基硅烷、环戊硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷中的一种或几种的组合。
作为优选，PET无纺布表面的二氧化硅层通过CVD法制得。
作为优选，PET无纺布表面的二氧化硅层通过APCVD、LPCVD或PECVD中的一种方法制得。
隔膜采用纤维素无纺布隔膜，PET具有较高的耐热性、低成本、良好的电解质渗透率等优点，其熔融温度可达到230℃，在200℃不会发生热收缩，具有较高的稳定性，同时在纤维素无纺布隔膜上还镀有二氧化硅无机涂层，即使有机物底膜发生融化，二氧化硅涂层仍然能够保持隔膜的完整性，保证当温度过高时隔膜不会发生收缩，防止隔膜收缩导致正负极表面接触出现大面积正/负极短路现象的出现，提高电池的安全性。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）可以在电池发生短路、针刺等情况下，电池温度超过100℃时，极片和电池内阻迅速上升，减少电池发热量，提高电池安全性能；
（2）隔膜熔融温度可达到230℃，在200℃不会发生热收缩，具有较高的稳定性，可以防止大面积正/负极短路现象的出现，提高电池的安全性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜。
其中，有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑24份，聚偏氟乙烯63份，乙烯基硅烷2份；
负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按上述配方称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用120℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。
实施例2
一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜。
其中，有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑27份，聚偏氟乙烯68份，氨基硅烷3份；
负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按上述配方称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用135℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。
实施例3
一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜。
其中，有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑30份，聚偏氟乙烯74份，异丁基硅烷4份；
负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按上述配方称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用150℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。
实施例4
一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜；陶瓷无纺布复合隔膜为PET无纺布表面涂覆一层二氧化硅得到，PET无纺布表面的二氧化硅层通过APCVD法制得。
其中，有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑24份，聚偏氟乙烯63份，环戊硅烷2份；聚偏氟乙烯的分子量为180000；
负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按上述配方称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用120℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。
实施例5
一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜；陶瓷无纺布复合隔膜为PET无纺布表面涂覆一层二氧化硅得到，PET无纺布表面的二氧化硅层通过LPCVD法制得。
其中，有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑27份，聚偏氟乙烯68份，甲基丙烯酰氧基硅烷3份；聚偏氟乙烯的分子量为304000；
负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按上述配方称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用135℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。
实施例6
一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜；陶瓷无纺布复合隔膜为PET无纺布表面涂覆一层二氧化硅得到，PET无纺布表面的二氧化硅层通过PECVD法制得。
其中，有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑30份，聚偏氟乙烯74份，异丁基三乙氧基硅烷4份；聚偏氟乙烯的分子量为534000；
负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按上述配方称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用150℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。

Claims (8)

1.一种高安全锂离子动力电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解液、外接端子和外壳，其特征在于：所述的负极极片包括双面涂覆有有机PTC复合涂层的集流体和涂覆在有机PTC复合涂层表面的负极浆料，所述的隔膜为陶瓷无纺布复合隔膜。
2.根据权利要求1所述的一种高安全锂离子动力电池，其特征在于所述的有机PTC复合涂层由以下重量份的原料制得：乙炔炭黑24～30份，聚偏氟乙烯63～74份，有机硅烷2～4份。
3.根据权利要求2所述的一种高安全锂离子动力电池，其特征在于：所述的聚偏氟乙烯的分子量为180000～534000。
4.根据权利要求1或2所述的一种高安全锂离子动力电池，其特征在于所述的负极极片由以下步骤制得：
a）配料：按权利要求2称取乙炔炭黑和聚偏氟乙烯，并混合；
b）干燥：将由步骤a得到的混合物干燥处理；
c）表面处理：将有机硅烷加入到经步骤b干燥后的混合物中；
d）混合：采用熔体共混法将步骤c表面处理后的混合物混合均匀制得有机PCT浆料；
e）涂覆：在集流体上涂覆有机PCT浆料，干燥后在有机PTC复合涂层表面涂覆负极浆料，涂覆后干燥；
f）后处理：采用120～150℃温度对上述步骤制得的负极极片进行热处理。
5.根据权利要求1所述的一种高安全锂离子动力电池，其特征在于：所述的陶瓷无纺布复合隔膜为PET无纺布表面涂覆一层二氧化硅得到。
6.根据权利要求2所述的一种高安全锂离子动力电池，其特征在于：所述的有机硅烷为乙烯基硅烷、氨基硅烷、异丁基硅烷、环戊硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷中的一种或几种的组合。
7.根据权利要求5所述的一种高安全锂离子动力电池，其特征在于：所述PET无纺布表面的二氧化硅层通过CVD法制得。
8.根据权利要求5或7所述的一种高安全锂离子动力电池，其特征在于：所述PET无纺布表面的二氧化硅层通过APCVD、LPCVD或PECVD中的一种方法制得。
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