CN107968225A - 一种耐振动锂离子电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐振动锂离子电池及其制备方法，该电池包含正极、负极、隔膜及电解液，正极与隔膜之间、负极与隔膜之间的界面间均具有聚合物分子链层，其中形成分子链的聚合物为聚季戊四醇三丙烯酸酯、聚偏氟乙烯‑六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯‑二乙烯苯中的任意一种，其重均分子量为50000~1000000。本发明提供的锂离子电池在受到剧烈振动时，由于聚合物分子链的拖拽作用，正极、负极、与隔膜的相对位置非常稳定，消除界面位置的不稳定性及其可能引发的微短路等问题，不但能有效维持锂离子电池在振动环境中使用的电化学性能稳定性，还扩大了锂离子电池的应用范围。而且，该锂离子电池的制备方法简便，适于工业化，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种耐振动锂离子电池及其制备方法。
技术背景
随着国内经济近几十年的快速发展经济体量稳步扩大，资源与环境的承受能力越来越接近底线。尤其是2013年以来，中国持续遭遇严重的雾霾天气，雾霾发生频率之高、波及面之广、污染程度之严重也是前所未有的。为实现中国经济持续、快速、健康的发展，正度不断加快推动新能源的步伐。
目前锂离子电池主要应用在3C产品、新能源汽车、工业储能、轨道交通、通讯基站、后备电源等方面。其中多数应用领域的电池工作环境都比较复杂，充斥着摇晃、颠簸、振动、加减速、撞击等完结冲击。目前商业化的锂离子电池在能量密度方面的追求快速提升，从传统的磷酸铁锂正极逐步向三元体系正极发展，但无法克服由于振动等冲击造成的电池微短路。如图1所示，常规的锂离子电池在收到振动后，正极1与隔膜3之间、和/或负极2与隔膜3之间常常可能发生微小位移、错位，从而造成微短路。电池内部的发生微短路后，电池的发热量和自然、爆炸的危险性也越来越大。
改善锂离子电池安全性能的方法，多数集中在正负极改性、浆料配方、隔膜涂层、功能型电解液等技术，但这些技术都没有能够从源头阻止电池发生微短路。因此，本发明提供了一种无损与电池常规电化学反应的耐振动锂离子电池及其制备方法，从根本上消除电池内部因极片错位导致的微短路。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐振动锂离子电池及其制备方法，其克服了现有锂离子电池极片与隔膜间相对位置不稳定引发的微短路等安全问题，有效提升锂离子电池在各种振动环境中的结构及电化学性能稳定性。锂离子电池在复杂的工作条件下，也能展现良好的循环稳定性及性能优越性，适用于动力及工业储能等领域。
本发明提供了一种耐振动锂离子电池，其包含正极、负极、隔膜及电解液，其中，所述的正极与隔膜之间、负极与隔膜之间的界面间均具有聚合物分子链层，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚季戊四醇三丙烯酸酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯-二乙烯苯中的任意一种，其重均分子量为50000~1000000。聚合物分子链将正极、负极与隔膜紧密连接在一起，当电池受到振动时，聚合物分子链的耐拉伸性控制正极、负极与隔膜的相对位置不变。
较佳地，所述的正极包含若干正极片，正极片表面设置有第一涂层；所述的负极包含若干负极片，负极片表面设置有第一涂层；所述的隔膜表面设置有第二涂层；所述的聚合物分子链层是由第一涂层与第二涂层聚合反应形成的。
较佳地，所述的第一涂层的活性单体为季戊四醇三丙烯酸酯，所述的第二涂层的活性单体为过氧化苯甲酰，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚季戊四醇三丙烯酸酯。
较佳地，所述的第一涂层的活性单体为偏氟乙烯，所述的第二涂层的活性单体为六氟丙烯，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯。
较佳地，所述的第一涂层的活性单体为甲基丙烯酸甲酯，所述的第二涂层的活性单体为偶氮二异丁腈，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。
较佳地，所述的第一涂层的活性单体为苯乙烯，所述的第二涂层的活性单体为二乙烯基苯，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚苯乙烯-二乙烯苯。
本发明还提供了一种根据上述的耐振动锂离子电池的制备方法，该方法包含：
步骤1，分别制备第一涂层浆液、第二涂层浆液；
步骤2，分别将第一涂层浆液涂覆到正极片、负极片上形成第一涂层，将第二涂层浆液涂覆到隔膜上形成第二涂层；
步骤3，将正极片、隔膜、负极片和电解液组装入电池壳体中，形成电池；
步骤4，将电池加热至50～100℃，反应1～24小时；
步骤5，冷却至室温，获得耐振动锂离子电池。
较佳地，第一涂层浆液中活性单体的含量0.5～20%，以质量百分数计；第二涂层浆液中活性单体的含量0.5～20%，以质量百分数计。
较佳地，所述的第一涂层的厚度为0.5-20μm (优选1μm)；第二涂层的厚度为0.5-20μm (优选1μm)。
本发明提供的耐振动锂离子电池，在正常使用过程中，锂离子可以在电池内部快速迁移，不受到界面间聚合物分子链的影响；当电池受到振动、敲打等外界冲击时，界面间的聚合物分子链发挥拖拽作用，保持正极与隔膜、负极与隔膜相对位置的稳定性，避免电池极片与和隔膜的错位发生的微短路问题，维持电池正常的电化学稳定性。
总之，本发明提供的一种耐振动锂离子电池能够在复杂的振动环境中展现出良好的结构稳定性和电化学稳定性，是一种适合于动力及工业储能领域的锂离子电池，且该耐振动锂离子电池的制备工艺简便，适于工业化，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为常规电池振动过程中发生的错位短路示意图。
图2为本发明的一种耐振动锂离子电池的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图2所示，为本发明的一种耐振动锂离子电池，其包含正极1、负极2、隔膜3及电解液（图中未示），其中，所述的正极与隔膜之间、负极与隔膜之间的界面间均具有聚合物分子链层4。聚合物分子链能将正极、负极与隔膜紧密连接在一起，当电池受到振动时，聚合物分子链的耐拉伸性控制正极、负极与隔膜的相对位置不变，从而避免造成错位。
所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚季戊四醇三丙烯酸酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯-二乙烯苯中的任意一种，其重均分子量为50000~1000000。
所述的正极包含若干正极片，正极片表面设置有第一涂层；所述的负极包含若干负极片，负极片表面设置有第一涂层；所述的隔膜表面设置有第二涂层；所述的聚合物分子链层是由第一涂层与第二涂层聚合反应形成的。
一些实施例中，所述的第一涂层的活性单体为季戊四醇三丙烯酸酯，所述的第二涂层的活性单体为过氧化苯甲酰，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚季戊四醇三丙烯酸酯，其重均分子量为50000~1000000。
一些实施例中，所述的第一涂层的活性单体为偏氟乙烯，所述的第二涂层的活性单体为六氟丙烯，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯，其重均分子量为50000~1000000。
一些实施例中，所述的第一涂层的活性单体为甲基丙烯酸甲酯，所述的第二涂层的活性单体为偶氮二异丁腈，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯，其重均分子量为50000~1000000。
一些实施例中，所述的第一涂层的活性单体为苯乙烯，所述的第二涂层的活性单体为二乙烯基苯，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚苯乙烯-二乙烯苯，其重均分子量为50000~1000000。
上述的耐振动锂离子电池的制备方法包含：
步骤1，分别制备第一涂层浆液、第二涂层浆液：将上述的第一涂层的活性单体、第二涂层的活性单体分别溶解在相对应的有机溶剂中，形成质量浓度为0.5～20%的均一溶液，即第一涂层浆液、第二涂层浆液；所述的有机溶剂可以为丙酮、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、乙醇、二甲基乙酰胺的任意一种或几种；
步骤2，分别将第一涂层浆液涂覆到正极片、负极片表面、干燥形成第一涂层，厚度为1μm，涂覆方法可以为刮涂法和喷涂法的任意一种；将第二涂层浆液涂覆到隔膜表面、干燥形成第二涂层，厚度为1μm，该涂覆方法可以为提拉法、刮涂法、喷涂法的任意一种；
步骤3，将正极片、隔膜、负极片和电解液组装入电池壳体中，形成电池；具体来说，将上述正极片、隔膜、负极片通过卷绕或叠片方式组装并置于锂离子电池外壳中，然后注入电解液后形成锂离子电池。所述的锂离子电池的外壳为硬质壳体，为铝制壳体、不锈钢壳体、塑料壳体等的任意一种；
步骤4，将电池加热（置于烘箱中加热）至50～100℃，反应1～24小时；
步骤5，冷却至室温，获得耐振动锂离子电池。
其中，第一涂层浆液中活性单体的含量0.5～20%（优选5%），以质量百分数计；第二涂层浆液中活性单体的含量0.5～20%（优选2%），以质量百分数计。
实施例
正极以111型镍钴锰三元Li(Ni1/3CO1/3Mn1/3)O2作为活性材料，质量比为95%，混合1%的导电剂SP和1%的导电剂碳纳米管CNT、3%的粘结剂PVDF（聚偏氟乙烯），以NMP（N-甲基吡咯烷酮）溶剂作为分散介质，经高速搅拌制备成粘度6500mPa.s~8000mPa.s，细度15μm~30μm的浆料，经涂布、辊压、冲裁等工序制成正极片。以石墨材料为负极采用相同的方法，经制浆、涂布、辊压和冲裁制备成负极片。
本例的聚合物分子链为聚偏氟乙烯-六氟丙烯，重均分子量为60000。反应单体A、B分别为偏氟乙烯、六氟丙烯。将偏氟乙烯溶解在丙酮中，形成5%（以质量百分数计）的A溶液，通过喷涂法在正极、负极表明形成1μm厚的涂层，在60℃干燥1小时。将六氟丙烯溶解在碳酸二甲酯中形成2%（以质量百分数计）的B溶液，通过提拉法在隔膜表面形成1μm后的涂层，在80℃干燥3小时。
用N张正极片、N+1张负极片（用来提升电池容量，降低电池交流内阻）和隔膜按照Z型折叠方式组装成一个电芯，N为10～50中的自然数。经过入壳、激光焊接、注液等工序后，将锂离子电池置于烘箱中加热至80℃，保持12小时，使单体A与单体B发生聚合反应，冷却至室温后即得到所述的一种耐振动锂离子电池。
综上所述，本发明提供的锂离子电池，其正极、负极、隔膜表面均含有可相互反应的聚合物反应单体，在一定引发条件下，正极、负极表面的反应单体与隔膜表面的反应单体发生聚合反应，在正极与隔膜、负极与隔膜的界面形成连接紧密的聚合物分子链。本发明提供的锂离子电池无损于电池基础电化学性能、使用性能，能有效抑制锂离子电池在受到机械振动、敲打等外界冲击时电池极片的相对位移，保持正极与隔膜、负极与隔膜相对位置的稳定性，避免电池极片与和隔膜的错位发生的微短路问题，从而有效改善电池的安全性能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种耐振动锂离子电池，其包含正极、负极、隔膜及电解液，其特征在于，所述的正极与隔膜之间、负极与隔膜之间的界面间均具有聚合物分子链层，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚季戊四醇三丙烯酸酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯-二乙烯苯中的任意一种，其重均分子量为50000~1000000。
2.如权利要求1所述的耐振动锂离子电池，其特征在于，所述的正极包含若干正极片，正极片表面设置有第一涂层；所述的负极包含若干负极片，负极片表面设置有第一涂层；所述的隔膜表面设置有第二涂层；所述的聚合物分子链层是由第一涂层与第二涂层聚合反应形成的。
3.如权利要求2所述的耐振动锂离子电池，其特征在于，所述的第一涂层的活性单体为季戊四醇三丙烯酸酯，所述的第二涂层的活性单体为过氧化苯甲酰，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚季戊四醇三丙烯酸酯。
4.如权利要求2所述的耐振动锂离子电池，其特征在于，所述的第一涂层的活性单体为偏氟乙烯，所述的第二涂层的活性单体为六氟丙烯，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚偏氟乙烯-六氟丙烯。
5.如权利要求2所述的耐振动锂离子电池，其特征在于，所述的第一涂层的活性单体为甲基丙烯酸甲酯，所述的第二涂层的活性单体为偶氮二异丁腈，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。
6.如权利要求2所述的耐振动锂离子电池，其特征在于，所述的第一涂层的活性单体为苯乙烯，所述的第二涂层的活性单体为二乙烯基苯，所述的聚合物分子链层中形成分子链的聚合物为聚苯乙烯-二乙烯苯。
7.一种根据权利要求1-6中任意一项所述的耐振动锂离子电池的制备方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，分别制备第一涂层浆液、第二涂层浆液；
步骤2，分别将第一涂层浆液涂覆到正极片、负极片上形成第一涂层，将第二涂层浆液涂覆到隔膜上形成第二涂层；
步骤3，将正极片、隔膜、负极片和电解液组装入电池壳体中，形成电池；
步骤4，将电池加热至50～100℃，反应1～24小时；
步骤5，冷却至室温，获得耐振动锂离子电池。
8.如权利要求7所述的耐振动锂离子电池的制备方法，其特征在于，第一涂层浆液中活性单体的含量0.5～20%，以质量百分数计；第二涂层浆液中活性单体的含量0.5～20%，以质量百分数计。
9.如权利要求7所述的耐振动锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述的第一涂层的厚度为0.5-20μm；第二涂层的厚度为0.5-20μm。
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