CN108899576A - 一种锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池，包括外壳、正极片、负极片、电解液、隔膜，所述外壳内为被隔膜隔成两个独立的腔室，正极片与负极片分置于腔室内，所述电解液充满腔室；所述正极片包括正极集流体、涂覆在正极集流体上的正极活性材料层、包裹在正极活性材料层的热敏电阻功能层；所述负极片包括负极集流体、涂覆在负极集流体上的负极活性材料层，本发明的有益效果：热敏电阻功能层有效避免锂离子电池在过充、过放和短路等极端条件下引发火灾等安全事故，消除锂离子电池安全隐患；且本发明中的负极片在电解液中无溶胀现象，改善了低温性能，延长了电池循环寿命，提高了整个锂离子电池的安全性与使用寿命。

Description

一种锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种储能领域，尤其涉及的是一种锂离子电池。
背景技术
锂离子电池自上世纪九十年代实现规模化生产以来，以其高体积能量比、高重量能量比、高电压、低放电率、无记忆效应和长循环寿命等优点被广泛应用于各个领域。
锂离子电池正极材料提供了正负极材料间往复嵌/脱以及负极材料表面形成固体电解质界面膜(solid electrolyte interface)所需的锂，在锂电池中起了关键作用。但是现有的锂离子电池没有过热保护功能，在过充、过放和短路等极端条件下，会释放出大量热量，极易引发火灾，酿成事故。传统的锂离子电池负极材料采用丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠作为粘合剂，由于上述粘合剂在电解液中存在溶胀现象，导致溶胀后的丁苯橡胶对负极活性物质的粘接力下降，锂离子电池循环时，负极活性物质极易脱落，锂离子电池循环寿命降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种解决上述背景技术中锂电池安全性低且循环使用寿命低的锂离子电池。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明一种锂离子电池包括外壳、正极片、负极片、电解液、隔膜，所述外壳内为被隔膜隔成两个独立的腔室，正极片与负极片分置于腔室内，所述电解液充满腔室；所述正极片包括正极集流体、涂覆在正极集流体上的正极活性材料层、包裹在正极活性材料层的热敏电阻功能层，所述热敏电阻功能层包括导电粒子和聚合物；所述负极片包括负极集流体、涂覆在负极集流体上的负极活性材料层，且负极活性材料层包括负极活性物质、导电剂、粘结剂、添加剂。
优选的，所述正极集流体包括本体和均匀涂覆在本体表面的连接层，按质量分数所述连接层材料包括5-15份连接粘结剂和10-18份石墨烯或碳纳米管，所述本体为铜箔或者铝箔。
优选的，所述连接粘结剂为丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯的一种。
优选的，所述正极活性材料层的材料包括80-85份正极活性材料、10-15份石墨烯或碳纳米管、5-10份正极粘结剂、8-15份交联剂和0.5-2份热引发剂；所述热引发剂包括过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的一种或多种。
优选的，所述导电粒子包括碳纳米管、石墨烯、导电石墨、导电碳黑、金属和科琴黑中的至少一种；所述聚合物选自聚乙烯、聚丙烯和聚偏氯乙烯中的至少一种。
优选的，所述负极集流体为铜箔或铜合金箔。
优选的，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂、石墨烯、人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂、石墨烯、锡氧化物、锡基复合氧化物、锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种。
优选的，所述粘合剂包括丙烯酸聚合物类粘合剂。
优选的，所述导电剂为导电炭黑、Super P、KS6、碳纳米管中的一种或几种。
优选的，所述添加剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中的正极片利用热敏电阻功能层使得当锂离子电池升高时，热敏电阻功能层的电阻增加，当锂离子电池升高至一定温度后，热敏电阻功能层的电阻值跃变升高，锂离子电池停止工作，从而有效避免锂离子电池在过充、过放和短路等极端条件下引发火灾等安全事故，消除锂离子电池安全隐患；且本发明中的负极片缓解了传统的锂离子电池负极材料采用丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠作为粘合剂，循环寿命较低的技术问题，达到了采用包括丙烯酸聚合物类粘合剂的粘合剂代替丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠作为粘合剂，在电解液中无溶胀现象，改善了低温性能，延长了锂离子电池循环寿命的技术效果。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例一种锂离子电池包括外壳、正极片、负极片、电解液、隔膜，所述外壳内为被隔膜隔成两个独立的腔室，正极片与负极片分置于腔室内，所述电解液充满腔室；所述正极片包括正极集流体、涂覆在正极集流体上的正极活性材料层、包裹在正极活性材料层的热敏电阻功能层，所述热敏电阻功能层包括导电粒子和聚合物；使得当锂离子电池升高时，热敏电阻功能层的电阻增加，当锂离子电池升高至一定温度后，热敏电阻功能层的电阻值跃变升高，锂离子电池停止工作，从而有效避免锂离子电池在过充、过放和短路等极端条件下引发火灾等安全事故，消除锂离子电池安全隐患。
所述正极集流体包括本体和均匀涂覆在本体表面的连接层，按质量分数所述连接层材料包括5-15份连接粘结剂和10-18份石墨烯或碳纳米管，所述本体为铜箔或者铝箔。所述连接粘结剂为丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯的一种。
所述正极活性材料层的材料包括80-85份正极活性材料、10-15份石墨烯或碳纳米管、5-10份正极粘结剂、8-15份交联剂和0.5-2份热引发剂；所述热引发剂包括过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的一种或多种。所述导电粒子包括碳纳米管、石墨烯、导电石墨、导电碳黑、金属和科琴黑中的至少一种；所述聚合物选自聚乙烯、聚丙烯和聚偏氯乙烯中的至少一种。
所述负极片包括负极集流体、涂覆在负极集流体上的负极活性材料层，且负极活性材料层包括负极活性物质、导电剂、粘结剂、添加剂。所述负极集流体为铜箔或铜合金箔。所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂、石墨烯、人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂、石墨烯、锡氧化物、锡基复合氧化物、锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种。负极材料还包括稳定剂，作为进一步的优选，所述负极活性物质与稳定剂的质量比为85.5-95.5:0-1.5；所述稳定剂为CMC、HPMC、HPC中的一种。
所述粘合剂包括丙烯酸聚合物类粘合剂。作为进一步的优选，丙烯酸聚合物类粘合剂包括卡波姆934、卡波姆940、卡波姆980、卡波姆981、卡波姆1342、卡波姆1382、卡波姆TR-1、卡波姆TR-2、卡波姆ETD2001、卡波姆ETD2050、卡波姆Ultrez10、卡波姆Ultrez20、卡波姆Ulrez21、卡波姆AquaSF-1、卡波姆Aqua CC、卡波姆L10和卡波姆EC-2中的至少一种。
本发明的负极片的粘结剂包含LA133，LA133体系粘结剂与SBR(丁苯橡胶)一样，都属于水性粘结剂，大量运用在锂离子电池负极片制作中，但与SBR相比，LA133的低温性能更好。但LA133体系浆料涂布时的一大问题就是烘干时边缘更容易开裂，而SBR不存在此种问题，所以，负极片制作中使用LA133加SBR的混合粘结剂，则一定程度上可以改善LA133体系极片的涂布开裂问题。
所述导电剂为导电炭黑、Super P、KS6、碳纳米管中的一种或几种；所述添加剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种。
正极片的制备方法：
(1)连接层材料的准备：将5-15份连接粘结剂、10-18份石墨烯或碳纳米管和40-60份正极溶剂混合均匀，并且去除气泡；正极活性材料的准备：将15-20份正极溶剂、80-85份正极活性材料、10-15份石墨烯或碳纳米管、5-10份正极粘结剂、8-15份交联剂和0.5-2份热引发剂混合均匀，温度保证在15-25摄氏度之间，并且去除气泡；
(2)将集流体本体表面进行处理，将集流体本体在碱液中清洗2-3分钟，碱液温度为40-70摄氏度；将集流体本体在PH为5-6的盐酸溶液中用超声震荡清洗15秒-45秒；将用盐酸震荡清洗后的集流体本体再清水喷淋清洗1-2分钟；将喷淋清洗后的集流体本体用丙酮清震动清洗15-30秒，从丙酮中提出静置1-3分钟；(3)在集流体本体中丙酮内提出3个小时内，将步骤(1)生产出来的混合浆料均匀的涂覆在步骤(2)处理后的集流体本体上；
(4)先将导电粒子与聚合物单体混合均匀，然后进行聚合反应，制得导电粒子在聚合物中均匀分散的导电粒子与聚合物的混合物；
(5)通过溅射方法将步骤(4)中的导电粒子与聚合物的混合物包覆于步骤(3)得到的集流体本体上。
负极片的制备方法：
(1)将负极材料与水混合均匀制得负极浆料；所述负极材料包括负极活性物质、导电剂、粘结剂、添加剂，所述负极活性物质、导电剂、粘结剂、添加剂的质量比为85.5-95.5:1-3:1.5-3.5:2-8；所述添加剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种；
(2)将步骤(1)制得的负极浆料涂布在负极集流体上，烘干，即得。
以下给出一种具体操作，如下：
正极片的制备：
(1)连接层材料的准备：将10份连接粘结剂、18份石墨烯或碳纳米管和40份正极溶剂混合均匀，并且去除气泡；正极活性材料的准备：将20份正极溶剂、85份正极活性材料、12份石墨烯或碳纳米管、7份正极粘结剂、9份交联剂和1份热引发剂混合均匀，温度保证在20摄氏度，并且去除气泡。
(2)将集流体本体表面进行处理，将集流体本体在碱液中清洗3分钟，碱液温度为45摄氏度；将集流体本体在PH为6的盐酸溶液中用超声震荡清洗30秒；将用盐酸震荡清洗后的集流体本体再清水喷淋清洗2分钟；将喷淋清洗后的集流体本体用丙酮清震动清洗15秒，从丙酮中提出静置3分钟；
(3)在集流体本体中丙酮内提出的30分钟内，将步骤(1)生产出来的混合浆料均匀的涂覆在步骤(2)处理后的集流体本体上；
(4)先将石墨烯和聚丙烯混合均匀，然后进行聚合反应；
(5)通过溅射方法将步骤(4)中的石墨烯和聚丙烯的混合物包覆于步骤(3)得到的集流体本体上。
本实施例中热敏电阻功能层厚度为28nm，该热敏电阻功能层由的石墨烯和聚丙烯制备而成，其中，石墨烯在热敏电阻功能层中的体积占比为22％。
负极片的制备：
(1)将粘结剂LA133N2溶液与去离子水加入的双行星搅拌机中，以2500rpm的转速搅拌2h，然后加入导电剂SP，以2500rpm的转速搅拌2h，然后加入人造石墨以2500rpm的转速搅拌2h；之后加入添加剂EC，2500rpm的转速搅拌90min制得负极浆料，负极浆料的制备过程总时间约为8-12h；上述人造石墨、SP、LA133N2、EC的质量比为90:2:3:3；
(2)将步骤(1)制得的负极浆料利用转移涂布机在厚度为8μm的铜箔集流体上涂布烘干，裁切加工即得。
最后将正极片、负极片、电解液、外壳、隔膜组装成一个完整的锂电池。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括外壳、正极片、负极片、电解液、隔膜，所述外壳内为被隔膜隔成两个独立的腔室，正极片与负极片分置于腔室内，所述电解液充满腔室；所述正极片包括正极集流体、涂覆在正极集流体上的正极活性材料层、包裹在正极活性材料层的热敏电阻功能层，所述热敏电阻功能层包括导电粒子和聚合物；所述负极片包括负极集流体、涂覆在负极集流体上的负极活性材料层，且负极活性材料层包括负极活性物质、导电剂、粘结剂、添加剂。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述正极集流体包括本体和均匀涂覆在本体表面的连接层，按质量分数所述连接层材料包括5-15份连接粘结剂和10-18份石墨烯或碳纳米管，所述本体为铜箔或者铝箔。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述连接粘结剂为丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯的一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述正极活性材料层的材料包括80-85份正极活性材料、10-15份石墨烯或碳纳米管、5-10份正极粘结剂、8-15份交联剂和0.5-2份热引发剂；所述热引发剂包括过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述导电粒子包括碳纳米管、石墨烯、导电石墨、导电碳黑、金属和科琴黑中的至少一种；所述聚合物选自聚乙烯、聚丙烯和聚偏氯乙烯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述负极集流体为铜箔或铜合金箔。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂、石墨烯、人造石墨、天然石墨、硅碳、钛酸锂、石墨烯、锡氧化物、锡基复合氧化物、锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述粘合剂包括丙烯酸聚合物类粘合剂。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述导电剂为导电炭黑、SuperP、KS6、碳纳米管中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述添加剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的至少一种。
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