CN107666014A - 一种安全型软包装锂离子电池极耳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，公开了一种安全型软包装锂离子电池极耳，包括极耳本体以及涂覆于所述极耳本体表面的PTC涂层，所述PTC涂层由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂；所述PTC基体材料选自BaTiO₃、BaPbO₃中的至少一种。本发明在软包装锂离子电池正负极极耳上涂覆一层PTC材料，从而有效控制电池的热失控，极大地提高了电池的安全性。

Description

一种安全型软包装锂离子电池极耳

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种安全型软包装锂离子电池极耳。

背景技术

来自环境污染和石油资源匮乏的双重压力极大地推动了电动汽车的发展。锂离子电池因比能量高、循环性能好等显著优势，成为车用动力电池研发的重点。然而，不断发生的安全性事故严重地阻碍了大容量和高功率锂离子电池的商业化应用。锂离子电池安全性事故诱因很多，诸如过充、短路、挤压、振动、碰撞等，但从发生的机制看，不外乎电压失控和热失控二者。一方面，由于使用有机溶液电解质，不像水溶液电解质那样能够可逆的分解复合，因而在过充状态时容易发生不可逆氧化分解，产生可燃性气体并放出大量热，导致电池内部温度及压力急剧上升，引发热失控甚至爆炸。另一方面，由于电池内部存在许多可能发生的放热反应，使用过程中如果出现内外部短路现象必将引起电池内部温升。一旦内部温度上升至120℃时，碳阳极表面钝化膜(即SEI膜)难免发生分解，失去钝化膜保护的高活性嵌锂碳电极即与有机电解液之间发生剧烈反应，放出大量可燃性气体和热量，从而导致电池内部发生燃烧等危险。由此可以看出电压失控最终也会表现为热失控进而使电池产生危险，所以解决锂电池安全问题的关键点就是防止热失控。

目前防止锂离子电池热失控的方案主要有：（1）在电池组外部附带PTC元件，当电池组温度升高到PTC元件的居里温度时，PTC元件内阻迅速增大，从而切断电流防止电池组温度进一步升高；（2）采用无机氧化物陶瓷（如氧化铝）修饰的耐热涂层隔膜(或电极)，耐热涂层可以有效防止因温度升高致使隔膜收缩而引起的内部短路；（3）将PTC电极涂覆与电极集流体与活性物质之间，这样能随时感知电池内部由于过流或内部短路而产生的温度变化，降低或阻断通过的电流。

但是，上述提到的三种方案都有各自的缺陷，分别是：（1）电池组外部附带的PTC元件能够监控由于外部短路，过充等滥用情况引起的热失控，但是由于它远离电极电解液界面，对电池内部热失控不能起到及时的监控和抑制作用；（2）无机氧化物陶瓷（如氧化铝）修饰的耐热涂层隔膜(或电极)，虽然耐热涂层可以有效防止因温度升高致使隔膜收缩而引起的内部短路，但是对由于过热引起的其他副反应和外部短路、过充等引起的热失控却无能为力；（3）PTC涂层虽然对外部和内部的热失控都能起到一定的保护作用，但是PTC涂层增加了集流体与活性物质之间的接触阻抗，对电池的倍率性能影响较大，并且PTC涂层会降低电池的能量密度，另外这样的一层涂层也无形中增大了制造工艺的复杂性。

发明内容

本发明针对现有技术在控制锂电池热失控技术上不能兼顾外部和内部热失控的不足，提出了一种安全型软包装锂离子电池极耳，本发明在软包装锂离子电池正负极极耳上涂覆一层PTC材料，从而有效控制电池的热失控，极大地提高了电池的安全性。

本发明的具体技术方案为：一种安全型软包装锂离子电池极耳，包括极耳本体以及涂覆于所述极耳本体表面的PTC涂层，所述PTC涂层由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂；所述PTC基体材料选自BaTiO₃、BaPbO₃中的至少一种。

为了解决电池安全问题，本发明在锂电池极耳位置处涂覆了一层PTC涂层，使得电池在热失控的初期就能通过PTC涂层的保护实现断路，从而控制了热失控的进一步发生，防止了电池起火爆炸等危险状况。该极耳相对于传统极耳具有以下优势：

1、当电池发生短路（包括外部和内部短路）或者过充过放时，电池极耳位置通过的电流最大，极耳位置的发热量也是最大的，所以在极耳位置增加PTC涂层能及时有效地控制通过外部和内部原因引进的热失控，防止电池内部进一步反应，防止起火爆炸等危险状况发生。

2、在极耳位置处涂覆PTC涂层相对在极片上涂覆更简单易行，操作复杂程度降低，节省制造成本。

3、在极耳位置处涂覆PTC涂层对于电池能量密度的影响远小于在极片上涂覆PTC涂层。

4、本发明选用的PTC基体材料对于锂离子电池来说，其温度系数非常匹配，当温度达到电池为危险温度时，能够有效阻断电流。

作为优选，所述PTC基体材料占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的10-90%，所述分散剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的1-50%，所述粘结剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的1-50%，所述溶剂与粘结剂质量比为5:90-100。

作为优选，所述PTC基体材料占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的80%，所述分散剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的10%，所述粘结剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的10%，所述溶剂与粘结剂质量比为5:95。

该配比下的PTC浆料，对于极耳的温度敏感性高，热量传递效果好，能够及时准确地感应到极耳的即时温度。

作为优选，所述分散剂选自聚乙二醇辛基苯基醚、聚氧化乙烯、聚丙烯酸。

作为优选，所述粘结剂选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、支链淀粉、羧甲基纤维素中的至少一种。

作为优选，所述PTC涂层的单面厚度为3-5微米。

作为优选，所述极耳本体为正极极耳本体或负极极耳本体。

作为优选，所述正极极耳本体为铝基材质，所述负极极耳本体为铜镀镍片。

作为优选，上述一种安全型软包装锂离子电池极耳的制备方法如下：

将粘结剂溶于溶剂中制得粘结剂胶液，接着将PTC基体材料、分散剂与粘结剂胶液混合成PTC浆料；将所得PTC浆料双面涂覆于极耳本体表面；真空干燥后制得安全型软包装锂离子电池极耳。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明针对现有技术在控制锂电池热失控技术上不能兼顾外部和内部热失控的不足，提出了在软包装锂离子电池正负极极耳上涂覆一层PTC材料，从而有效控制电池的热失控，极大地提高了电池的安全性。

附图说明

图1是实施例1制得的极耳在不同温度下的电阻测试图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

一种安全型软包装锂离子电池极耳，包括极正极、负极极耳本体以及涂覆于所述正、负极极耳本体表面的PTC涂层。

所述正极极耳本体为铝基材质，所述负极极耳本体为铜镀镍片。所述PTC涂层单面厚度为4微米，由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂。

所述PTC基体材料为BaTiO₃。所述分散剂为聚乙二醇辛基苯基醚。所述粘结剂为聚甲基丙烯酸甲酯。所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

其中，PTC基体材料、分散剂、粘结剂、溶剂的配比为80:10:10:190。

上述安全型软包装锂离子电池极耳，制备方法如下：

将粘结剂溶于溶剂中制得粘结剂胶液，接着将PTC基体材料、分散剂与粘结剂胶液混合成PTC浆料；将所得PTC浆料双面涂覆于极耳本体表面；真空干燥后制得安全型软包装锂离子电池极耳。

实施例2

一种安全型软包装锂离子电池极耳，包括极正极、负极极耳本体以及涂覆于所述正、负极极耳本体表面的PTC涂层。

所述正极极耳本体为铝基材质，所述负极极耳本体为铜镀镍片。所述PTC涂层单面厚度为3微米，由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂。

所述PTC基体材料为BaPbO₃。所述分散剂为聚氧化乙烯。所述粘结剂为乙酸纤维素。所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

其中，PTC基体材料、分散剂、粘结剂、溶剂的配比为50:25:25:450。

上述安全型软包装锂离子电池极耳，制备方法如下：

将粘结剂溶于溶剂中制得粘结剂胶液，接着将PTC基体材料、分散剂与粘结剂胶液混合成PTC浆料；将所得PTC浆料双面涂覆于极耳本体表面；真空干燥后制得安全型软包装锂离子电池极耳。

实施例3

一种安全型软包装锂离子电池极耳，包括极正极、负极极耳本体以及涂覆于所述正、负极极耳本体表面的PTC涂层。

所述正极极耳本体为铝基材质，所述负极极耳本体为铜镀镍片。所述PTC涂层单面厚度为5微米，由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂。

所述PTC基体材料由等质量的BaTiO₃、BaPbO₃组成。所述分散剂为聚丙烯酸。所述粘结剂聚甲基丙烯酸甲酯、支链淀粉、羧甲基纤维素的混合物；所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

其中，PTC基体材料、分散剂、粘结剂、溶剂的配比为90:1:9:180。

上述安全型软包装锂离子电池极耳，制备方法如下：

将粘结剂溶于溶剂中制得粘结剂胶液，接着将PTC基体材料、分散剂与粘结剂胶液混合成PTC浆料；将所得PTC浆料双面涂覆于极耳本体表面；真空干燥后制得安全型软包装锂离子电池极耳。

实施例4

一种安全型软包装锂离子电池极耳，包括极正极、负极极耳本体以及涂覆于所述正、负极极耳本体表面的PTC涂层。

所述正极极耳本体为铝基材质，所述负极极耳本体为铜镀镍片。所述PTC涂层单面厚度为4微米，由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂。

所述PTC基体材料为BaTiO₃。所述分散剂为聚丙烯酸。所述粘结剂为聚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖的混合物；所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

其中，PTC基体材料、分散剂、粘结剂、溶剂的配比为10:50:40:800。

上述安全型软包装锂离子电池极耳，制备方法如下：

将粘结剂溶于溶剂中制得粘结剂胶液，接着将PTC基体材料、分散剂与粘结剂胶液混合成PTC浆料；将所得PTC浆料双面涂覆于极耳本体表面；真空干燥后制得安全型软包装锂离子电池极耳。

实施例5

一种安全型软包装锂离子电池极耳，包括极正极、负极极耳本体以及涂覆于所述正、负极极耳本体表面的PTC涂层。

所述正极极耳本体为铝基材质，所述负极极耳本体为铜镀镍片。所述PTC涂层单面厚度为3.5微米，由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂。

所述PTC基体材料为BaPbO₃。所述分散剂为聚氧化乙烯。所述粘结剂为聚乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷、乙酸丁酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇的混合物；所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

其中，PTC基体材料、分散剂、粘结剂、溶剂的配比为49:1:50:900。

上述安全型软包装锂离子电池极耳，制备方法如下：

将粘结剂溶于溶剂中制得粘结剂胶液，接着将PTC基体材料、分散剂与粘结剂胶液混合成PTC浆料；将所得PTC浆料双面涂覆于极耳本体表面；真空干燥后制得安全型软包装锂离子电池极耳。

对实施例1制得的极耳进行电阻测试，图1中的曲线是极耳的电阻随温度的变化曲线，可以看出，该极耳在20-80℃时电阻是比较小的，当温度上升到80℃时，电阻开始急剧增大，说明该极耳能保持电池在正常温度范围内工作，当温度上升到危险的温度时能及时阻断电流的通过。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于：包括极耳本体以及涂覆于所述极耳本体表面的PTC涂层，所述PTC涂层由PTC浆料固化而成，所述PTC浆料包括PTC基体材料、分散剂、粘结剂和溶剂；所述PTC基体材料选自BaTiO₃、BaPbO₃中的至少一种。

2.如权利要求1所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于，所述PTC基体材料占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的10-90%，所述分散剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的1-50%，所述粘结剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的1-50%，所述溶剂与粘结剂质量比为5:90-100。

3.如权利要求2所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于，所述PTC基体材料占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的80%，所述分散剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的10%，所述粘结剂占PTC基体材料、分散剂、粘结剂总质量的10%，所述溶剂与粘结剂质量比为5:95。

4.如权利要求1-3任一所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于，所述分散剂选自聚乙二醇辛基苯基醚、聚氧化乙烯、聚丙烯酸。

5.如权利要求1-3任一所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于，所述粘结剂选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-共-乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、支链淀粉、羧甲基纤维素中的至少一种。

6.如权利要求1-3任一所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于，所述PTC涂层的单面厚度为3-5微米。

7.如权利要求1-3任一所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于，所述极耳本体为正极极耳本体或负极极耳本体。

8.如权利要求7所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于，所述正极极耳本体为铝基材质，所述负极极耳本体为铜镀镍片。

9.如权利要求1-3任一所述的一种安全型软包装锂离子电池极耳，其特征在于制备方法如下：

将粘结剂溶于溶剂中制得粘结剂胶液，接着将PTC基体材料、分散剂与粘结剂胶液混合成PTC浆料；将所得PTC浆料双面涂覆于极耳本体表面；真空干燥后制得安全型软包装锂离子电池极耳。