CN107482164A - 一种锂离子电池极片结构及锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子电池极片结构及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池极片结构及锂离子电池，该极片结构包括正极集流体、正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，正极活性涂层涂覆在正极集流体的两侧，陶瓷涂层分别涂覆在两个正极活性涂层的外侧，负极活性涂层涂覆在任一所述陶瓷涂层的外侧。相比于现有技术，一方面，本发明采用在正极集流体上直接涂覆正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，而省却了负极集流体的设置，这样有效增加了电芯的安全性，当发生针刺、挤压等严重损坏电芯内部结构的情况时，不会产生正极集流体与负极集流体直接接触而造成电芯内部短路的问题；另一方面，通过将负极集流体取消，可以减少电芯的制造成本，同时提高电池的能量密度。

Description

一种锂离子电池极片结构及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池极片结构及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池作为绿色环保新能源，具有可靠性好，安全性高，体积小，重量轻等优点，目前已经被广泛的应用于数码类产品、电动汽车、军工产品等领域。随着国家对新能源的大力扶持，锂离子电池的发展如火如荼，但对锂离子电池的使用寿命、安全性和低成本要求也越来越高，目前锂离子电池也向着高寿命、高安全、高倍率和低成本的方向发展。
随着电芯能量密度的不断提升，电芯的安全性受到了越来越多的关注。目前，对电芯安全性威胁最大的就是由于极片毛刺造成的电芯内部短路。从针刺实验即可知道，当电芯内部出现短路时，电芯发生热失控的概率极高。而造成电芯内部短路的原因主要是正极集流体的毛刺与负极集流体相接触，造成局部温度急剧上升，从而引发电芯热失控，大大的增加了锂离子电池的安全风险。
有鉴于此，确有必要对现有的极片结构作进一步的改进，以提高电池的安全性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有电芯安全性低、制造成本高、能量密度小的不足，而提供一种锂离子电池极片结构及锂离子电池，以解决现有电池正负极集流体之间易发生接触短路而造成的安全问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池极片结构，包括正极集流体、正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，所述正极活性涂层涂覆在所述正极集流体的两侧，所述陶瓷涂层分别涂覆在两个所述正极活性涂层的外侧，所述负极活性涂层涂覆在任一所述陶瓷涂层的外侧。
其中，陶瓷涂层使极片具有良好的绝缘保护、以及机械稳定特性，大大增加了极片的安全性和使用寿命。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述正极集流体在涂覆正极活性涂层时预留部分未涂覆的侧面作为正极全极耳，所述负极活性涂层设置有负极极耳。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述负极极耳通过导电胶粘合在所述负极活性涂层的外表面。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述正极集流体为铝箔。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述正极活性涂层和所述负极活性涂层的厚度均为20～80μm；若正极活性涂层和负极活性涂层的厚度过低，会影响其电化学性能；若正极活性涂层和负极活性涂层的厚度过厚，会影响电池的能量密度。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述正极活性涂层和所述负极活性涂层的面密度均为2～14mg/cm2。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述陶瓷涂层的厚度为20～40μm；若陶瓷涂层的厚度过低，无法完全覆盖正极活性涂层的表面，不能起到完整的隔绝正负极活性涂层的作用，影响电池的正常使用；若陶瓷涂层的厚度过厚，会大大降低极片的比能量。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述陶瓷涂层的面密度为2～4mg/cm2。
作为本发明锂离子电池极片结构的一种改进，所述极片辊压后的压实密度为2～4g/cm3。
此外，本发明还提供一种锂离子电池，其包括由极片结构卷绕而成的卷芯，所述极片结构为上述任一段所述的锂离子电池极片结构。
本发明的有益效果在于：本发明一种锂离子电池极片结构，包括正极集流体、正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，所述正极活性涂层涂覆在所述正极集流体的两侧，所述陶瓷涂层分别涂覆在两个所述正极活性涂层的外侧，所述负极活性涂层涂覆在任一所述陶瓷涂层的外侧。相比于现有技术，一方面，本发明采用在正极集流体上直接涂覆正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，而省却了负极集流体的设置，这样有效增加了电芯的安全性，当发生针刺、挤压等严重损坏电芯内部结构的情况时，不会产生正极集流体与负极集流体直接接触而造成电芯内部短路的问题；另一方面，通过将负极集流体取消，可以减少电芯的制造成本，同时提高电池的能量密度。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图。
图2为本发明的俯视图。
图中：1-正极集流体；2-正极活性涂层；3-陶瓷涂层；4-负极活性涂层；5-负极极耳；6-正极全极耳。
具体实施方式
如图1～2所示，本发明一种锂离子电池极片结构，包括正极集流体1、正极活性涂层2、陶瓷涂层3和负极活性涂层4，正极活性涂层2涂覆在正极集流体1的两侧，陶瓷涂层3分别涂覆在两个正极活性涂层2的外侧，负极活性涂层4涂覆在任一陶瓷涂层3的外侧。
优选地，正极集流体1在涂覆正极活性涂层2时预留部分未涂覆的侧面作为正极全极耳6，负极活性涂层4设置有负极极耳5。
优选地，负极极耳5通过导电胶粘合在负极活性涂层4的外表面。
优选地，正极集流体1为铝箔。
优选地，正极活性涂层2和负极活性涂层4的厚度均为20～80μm；若正极活性涂层2和负极活性涂层4的厚度过低，会影响其电化学性能；若正极活性涂层2和负极活性涂层4的厚度过厚，会影响电池的能量密度。
优选地，正极活性涂层2和负极活性涂层4的面密度均为2～14mg/cm2。
优选地，陶瓷涂层3的厚度为20～40μm；陶瓷涂层3的面密度为2～4mg/cm2；陶瓷涂层3使极片具有良好的绝缘保护、以及机械稳定特性，大大增加了极片的安全性和使用寿命；其中，若陶瓷涂层3的厚度过低，无法完全覆盖正极活性涂层2的表面，不能起到完整的隔绝正负极活性涂层4的作用，影响电池的正常使用；若陶瓷涂层3的厚度过厚，会大大降低极片的比能量。
优选地，极片辊压后的压实密度为2～4g/cm3。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备正极活性涂层浆料：将三元材料NCM(克容量150mAh/g)、导电碳SP、聚四氟乙烯PVDF按照NCM:SP:PVDF质量比为95:2.8:2.2与溶剂NMP混合均匀制成正极活性涂层浆料。
制备负极活性涂层浆料：将人造石墨FSNC(克容量340mAh/g)、导电碳SP、丁苯橡胶SBR以及羧甲基纤维素钠CMC按照FSNC:SP:SBR:CMC质量比为95:2.0:1.6:1.4与去离子水混合均匀制成负极活性涂层浆料。
制备陶瓷涂层浆料：将氧化硅颗粒、粘结剂PVDF和溶剂NMP按质量比62:1.5:36.5混合均匀制成陶瓷涂层浆料。
极片结构的制作：将正极活性涂层浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔的两面上，涂覆时在铝箔上预留部分未涂覆的侧面作为正极全极耳，经过干燥、辊压操作后，在正极活性涂层上分别涂覆陶瓷涂层浆料，再次干燥、辊压操作后，在任一陶瓷涂层上涂覆负极活性涂层浆料，进行干燥、辊压操作后，将负极极耳通过导电胶粘合在负极活性涂层的表面，即得到所述的极片结构；其中，正极活性涂层的厚度为90μm，面密度为9mg/cm2；负极活性涂层的厚度为40μm，面密度为4mg/cm2；陶瓷涂层的厚度为20μm，面密度为2mg/cm2；所得极片辊压后的压实密度为3.5g/cm3。
锂离子电池的制作：将上述极片结构卷绕成卷芯，装入电池壳体，加入1.0M六氟磷酸锂(LiPF6)/碳酸丙烯酯(PC)+碳酸乙烯酯(EC)电解液，组装成卷绕式方形电池。
实施例2
与实施例1不同的是，极片结构的制作：将正极活性涂层浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔的两面上，涂覆时在铝箔上预留部分未涂覆的侧面作为正极全极耳，经过干燥、辊压操作后，在正极活性涂层上分别涂覆陶瓷涂层浆料，再次干燥、辊压操作后，在任一陶瓷涂层上涂覆负极活性涂层浆料，进行干燥、辊压操作后，将负极极耳通过导电胶粘合在负极活性涂层的表面，即得到所述的极片结构；其中，正极活性涂层的厚度为68μm，面密度为6.8mg/cm2；负极活性涂层的厚度均为30μm，面密度为3mg/cm2；陶瓷涂层的厚度为30μm，面密度为3mg/cm2；所得极片辊压后的压实密度为3.2g/cm3。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同的是，极片结构的制作：将正极活性涂层浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔的两面上，涂覆时在铝箔上预留部分未涂覆的侧面作为正极全极耳，经过干燥、辊压操作后，在正极活性涂层上分别涂覆陶瓷涂层浆料，再次干燥、辊压操作后，在任一陶瓷涂层上涂覆负极活性涂层浆料，进行干燥、辊压操作后，将负极极耳通过导电胶粘合在负极活性涂层的表面，即得到所述的极片结构；其中，正极活性涂层的厚度为56μm，面密度为5.6mg/cm2；负极活性涂层的厚度为25μm，面密度为2.5mg/cm2；陶瓷涂层的厚度为20μm，面密度为2mg/cm2；所得极片辊压后的压实密度为3.0g/cm3。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例
将三元材料NCM、导电碳SP、聚四氟乙烯PVDF按照NCM:SP:PVDF质量比为95:2.8:2.2与溶剂NMP混合均匀制成正极活性涂层浆料，涂布在正极集流体铝箔上，经干燥、辊压等工序制成正极片；将人造石墨FSNC、导电碳SP、丁苯橡胶SBR以及羧甲基纤维素钠CMC按照FSNC:SP:SBR:CMC质量比为95:2.0:1.6:1.4与去离子水混合均匀制成负极活性涂层浆料，涂布在负极集流体铜箔上，经干燥、辊压等工序制成负极片；按照负极片、隔膜、正极片的顺序卷绕成卷芯，装入电池壳体，加入1.0M六氟磷酸锂LiPF6/碳酸丙烯酯PC+碳酸乙烯酯EC电解液，组装成卷绕式方形电池。
将实施例1～3以及对比例的锂离子电池按照GB/T31485-2015进行安全测试，各个实施例与对比例进行5个平行样测试。
(1)过充：先将锂离子电池按1C满充到4.2V，恒压到0.05C，然后按照1C过充到6.3V停止，观察电池在2h内是否着火爆炸；并在电池主体中心位置贴上感温线监控电池在过充时的电池表面温度。
(2)针刺：先将电池用1C满充到4.2V，恒压至0.05C，用直径5mm的钢钉以20mm/s的速度贯穿锂离子电池正面的中间，并且钢钉停留在锂离子电池内部，观察电池是否着火爆炸；并在电池针刺位置1～2cm处贴上感温线监控针刺位置的温升。
(3)挤压：先将电池用1C满充到4.2V，恒压至0.05C，对电池的主体中间进行挤压，最终挤压变形量为电池初始尺寸的50％，半圆柱挤压头的直径75mm，间距为30mm，观察电池是否着火爆炸。
表1为实施例1～3以及对比例的锂离子电池安全性能测试结果，所有测试以着火或爆炸视为安全测试不通过，通过率n/m中n为测试通过的锂离子电池数量，m为测试的锂离子电池数量。
表1实施例1～3以及对比例的锂离子电池安全性能测试结果
从表1的测试结果可以看出，采用本发明的锂离子电池极片结构组装的锂离子电池，其安全性能得到了极大的提高。在过充测试中，实施例1～3的锂离子电池表面温度均低于65℃。过充、针刺中，实施例1～3均全部通过，无爆炸起火现象；对比例在过充测试时全部未通过，针刺实验中5个电池有3个起火，喷大量火星和粉末，电池针刺位置的最高温度平均值在185℃。挤压测试中，虽然少部分(占13％)实施例未通过，但已大大提高了挤压测试的通过率。可见本发明的锂离子电池极片结构起到了保护电池因正极集流体和负极集流体直接接触等导致的安全问题。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种锂离子电池极片结构，其特征在于：包括正极集流体、正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，所述正极活性涂层涂覆在所述正极集流体的两侧，所述陶瓷涂层分别涂覆在两个所述正极活性涂层的外侧，所述负极活性涂层涂覆在任一所述陶瓷涂层的外侧。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述正极集流体在涂覆正极活性涂层时预留部分未涂覆的侧面作为正极全极耳，所述负极活性涂层设置有负极极耳。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述负极极耳通过导电胶粘合在所述负极活性涂层的外表面。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述正极集流体为铝箔。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述正极活性涂层和所述负极活性涂层的厚度均为20～80μm。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述正极活性涂层和所述负极活性涂层的面密度均为2～14mg/cm2。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述陶瓷涂层的厚度为20～40μm。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述陶瓷涂层的面密度为2～4mg/cm2。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池极片结构，其特征在于：所述极片辊压后的压实密度为2～4g/cm3。
10.一种锂离子电池，包括由极片结构卷绕而成的卷芯，其特征在于：所述极片结构为权利要求1～9任一项所述的锂离子电池极片结构。
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