CN109713208B - 一种锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池及其制备方法，锂离子电池包括负极转接板和负极盖板，在负极转接板与负极盖板之间设置有过充保护装置，过充保护装置用于在锂离子电池的电压达到预定值时，由导通状态变为绝缘状态，以阻止电流通过，在电流变为零时，锂离子电池内部的化学反应停止，防止电能继续进行输入，电池的温度相应开始下降，避免电池出现温度过高的情况，避免电池在过充状态下发生爆炸，提高电池充电过程中的安全性和可靠性。

Description

一种锂离子电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、对环境友好等优点，因此，其不仅在3C数码领域获得了广泛应用，近年来在电动车领域也得到了飞速发展。

目前，锂离子电池已经被广泛应用于便携式电器上，比如手机、笔记本电脑、电动汽车以及混合电动汽车、航空航天领域、军事领域、生物领域等各个方面。然而，在动力型锂离子电池的使用过程中，容易出现过度充电的现象，当锂离子电池处于过充状态时，电池电压增大，将会导致电池中的活性物质结构出现不可逆的变化。在电池处于过充状态下，电池中的电解液分解产生大量的气体、放出大量热量，容易造成电池出现起火或爆炸等问题，因此，锂离子电池在充放电过程中存在着安全问题的制约。

另外，当锂离子电池在使用过程中出现其他不正常使用状态，比如挤压、碰撞、高温、短路等情况时，锂离子电池也非常容易出现起火、爆炸等情况，从而使得人们对锂离子电池的安全性问题越来越关注。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种锂离子电池及其制备方法，以解决现有技术中存在的锂离子电池在过充状态下，因为电池电压的增大导致活性物质结构出现不可逆变化，以及电解液的分解产生大量的气体、放出大量的热量，电池存在起火和爆炸的风险的问题。

为达到上述目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池，包括负极转接板和负极盖板，在所述负极转接板与所述负极盖板之间设置有过充保护装置，所述过充保护装置用于在所述锂离子电池的电压达到预定值时，由导通状态变为绝缘状态。

优选地，所述过充保护装置包括压敏垫片，所述压敏垫片包括垫片本体和涂覆在所述垫片本体上的混合材料涂层。

优选地，所述混合材料涂层包括粘结剂、压敏材料和溶剂；和/或，

所述垫片本体包括铝箔。

优选地，所述粘结剂的重量占所述压敏垫片的重量的32％至42％，所述压敏材料的重量占所述压敏垫片的重量的35％至45％，其余的重量为所述铝箔和所述溶剂；和/或，

所述铝箔的厚度为5至10mm。

优选地，所述粘结剂包括PVDF；和/或，

所述压敏材料包括氧化锡；和/或，

所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮。

优选地，所述粘结剂的重量占所述混合材料涂层的重量的6％至10％，所述压敏材料的重量占所述混合材料涂层的重量的35％至45％，其余的重量为所述溶剂的重量；

所述混合材料涂层的厚度为2至4mm。

优选地，所述锂离子电池包括两端开口的筒形的外壳，所述负极转接板与所述外壳固定连接，所述负极转接板的远离所述外壳的一侧设置有安装槽，所述过充保护装置设置在所述安装槽中。

优选地，所述锂离子电池还包括负极柱，所述负极柱由所述外壳的内部向所述外壳的外部延伸，并沿着延伸方向依次穿过所述负极转接板、所述过充保护装置和所述负极盖板。

为达上述目的，另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种锂电池的制备方法，所述锂电池包括如上所述的过充保护装置，所述制备方法包括制备所述过充保护装置的步骤。

优选地，制备所述过充保护装置的步骤包括：

步骤一、将粘结剂、压敏材料和溶剂均匀混合，获得混合材料浆料；

步骤二、将所述混合材料浆料均匀涂覆在铝箔上，并在预定温度下进行第一预定时长的烘烤；

步骤三、根据所述锂电池的形状和尺寸对所述步骤二中经过烘烤后的涂覆有所述混合材料浆料的所述铝箔进行裁切，以获得所述过充保护装置。

本申请中锂离子电池在负极转接板与负极盖板之间设置有过充保护装置，能够在锂离子电池的电压达到预定值时，由导通状态变为绝缘状态，阻止电流通过，在电流变为零时，锂离子电池内部的化学反应停止，防止电能继续进行输入，电池的温度相应开始下降，避免电池出现温度过高的情况，避免电池在过充状态下发生爆炸，提高电池充电过程中的安全性和可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明具体实施方式提供的锂离子电池的结构示意图；

图2示出本发明具体实施方式提供的锂离子电池在40Ah过充状态下电压、电流与时间之间的曲线图。

图中：

1、外壳；2、电芯；3、负极转接板；4、负极盖板；5、正极转接板；6、正极盖板；7、正极柱；8、负极柱；9、安装槽；10、过充保护装置；11、压敏垫片。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

本申请提出了一种锂离子电池，该锂离子电池上设置有过充保护装置，能够有效解决锂离子电池在过充状态下，由于电池的电压增大导致电池中的活性物质结构发生不可逆变化，以及电解液分解产生大量气体、放出大量热量，使得电池存在起火和爆炸的风险的问题。

如图1所示，本申请提供了一种锂离子电池，包括两端开口端筒形的外壳1，优选地，外壳1为圆筒形，外壳1的内部设置有电芯2和电解液等。锂离子电池的外壳1的一端开口处设置有负极转接板3和负极盖板4，电池的外壳1的另一端的开口处设置有正极转接板5和正极盖板6。锂离子电池还包括正极柱7和负极柱8，正极柱7穿设于正极转接板5和正极盖板6中，负极柱8穿设于负极转接板3和负极盖板4中，正极柱7和负极柱8上均设置有连接螺纹，以方便对其进行安装和固定。负极转接板3和正极转接板5均与外壳1固定连接，负极转接板3的远离外壳1的一侧设置有安装槽9，过充保护装置10设置在安装槽9中，以方便对过充保护装置10进行有效固定。当然，可以理解的是，过充保护装置10的设置方式并不局限于上述方法，还可以将过充保护装置10的尺寸制作的较大，可直接与负极转接板3的边缘固定，不必设置在负极转接板3的安装槽9中。在一个优选地的实施例中，为了方便对过充保护装置进行有效固定，负极柱8由外壳1的内部向外壳1的外部延伸，并沿着延伸方向依次穿过负极转接板3、过充保护装置10和负极盖板4。

进一步地，在负极转接板3与负极盖板4之间设置有过充保护装置10，过充保护装置10用于在锂离子电池的电压达到预定值时，由导通状态变为绝缘状态。在一个具体的实施例中，过充保护装置10包括压敏垫片11，压敏垫片11包括垫片本体(图中未示出)和涂覆在垫片本体上的混合材料涂层(图中未示出)。

进一步地，混合材料涂层包括粘结剂、压敏材料和溶剂，垫片本体包括铝箔。当然，可以理解的是，任何能够代替铝箔，并能够实现铝箔的功能的金属材料都能够用于作为垫片本体使用。其中，粘结剂的重量占压敏垫片的重量的32％至42％，压敏材料的重量占压敏垫片的重量的35％至45％，其余的重量为铝箔和溶剂。为了进一步保证压敏垫片的使用可靠性和安全性，使其具有较好的过充保护效果，铝箔的厚度为5至10mm，混合材料涂层的厚度为2至4mm。

优选地，在对混合材料涂层进行制备时，混合材料涂层中的粘结剂包括PVDF，压敏材料包括氧化锡，溶剂包括N-甲基吡咯烷酮。其中，作为粘结剂使用的PVDF的重量占混合材料涂层的重量的6％至10％，作为压敏材料使用的氧化锡的重量占混合材料涂层的重量的35％至45％，其余的重量为溶剂的重量。

本申请还提供了一种锂电池的制备方法，锂电池包括上述的过充保护装置，制备方法包括制备过充保护装置的步骤。

进一步地，制备过充保护装置的步骤包括。

步骤一、将粘结剂、压敏材料和溶剂均匀混合，获得混合材料浆料；

在该步骤中，将作为粘结剂使用的PVDF和作为压敏材料的氧化锡按照质量比为7:3的比例与作为溶剂使用的N-甲基吡咯烷酮进行均匀混合，以获得混合材料浆料备用。

步骤二、将混合材料浆料均匀涂覆在铝箔上，并在预定温度下进行第一预定时长的烘烤。

在该步骤中，在对涂覆有混合材料浆料的铝箔进行烘烤时，预定温度优选为85℃，烘烤时的第一预定时长为12小时。当然，可以理解的是，上述预定温度和第一预定时长均是优选温度，具体实施时，如果在经过上述烘烤过程后，仍然没有获得较好的烘烤效果，可以提高烘烤温度，并同时延长烘烤时长。

步骤三、根据锂电池的形状和尺寸对步骤二中经过烘烤后的涂覆有混合材料浆料的铝箔进行裁切，以获得过充保护装置，以便于对后续电池制作过程中使用。

在对电池进行制备时，将正极材料涂覆在相应的正极箔材上，将负极材料涂覆在相应的负极箔材上，并分别对其进行烘烤、辊压和分切。将分切后的正极片和负极片与隔离膜卷绕呈电芯，而后将压敏垫片焊接在负极转接板上，进而对电池进行组装，并对组装好的电池进行注液、分化、分容等操作，最后得到相应的圆柱电池。

使用本申请中的锂离子电池能够在电池过充状态下，避免出现安全问题。为了对本申请中的锂离子电池能够实现上述效果的原理进行解释，本申请使用具有过充保护装置的钛酸锂40Ah电池作为实验对象，对具体的原理进行说明：

如图2所示，充电过程中，化学能分别贮存在阳极和阴极中，锂离子电池的整个充电过程分为三个阶段，在第一阶段下，采用1C(40Ah)电流进行充电，钛酸锂40Ah电池的电压由2.7V升高至4.35V,在此过程中，少量输入的能量转化成热能，大部分的输入的能量以化学能形式贮存在电池内部。

在第二阶段下，继续用1C(40Ah)电流进行充电，钛酸锂40Ah电池的电压由4.35V升高至5.8V，大部分输入的能量直接转化成热能，输出的热能不断增加甚至超过输入的电能，并且在该阶段下，电池的内部会出现放热反应。将输出的热能减去输入的电能，出现部分电池中的化学能被释放出来的情况，因此，在此过程中有强烈的放热反应发生。

在第三阶段下，当钛酸锂40Ah电池的电压到达5.8V时，若继续对电池进行充电，则输入的电能全部转变成了热能，最终导致电池内部温度急剧升高。当电池内部的温度升高到预定值时，引起电池的阳极产生化学反应，并开始释放出更多的热量，最终导致电池出现热失控状态，致使电池爆炸。其中，预定值是指电池的内部温度能够达到的会引起电池的阳极或阴极产生化学反应的最低温度，根据电池的阳极或阴极的材料不同，该预定值也不同。

在第三阶段下，由于本申请中在负极上设置了压敏垫片，因此在该阶段下，当电池的电压到达5.8V时，此时，压敏垫片由导通状态变为了绝缘状态，整个压敏垫片变为了绝缘体，从而能够有效阻止电流通过。当电池的负极的锂离子电流输入变为0时，此时，化学反应就停止了，防止了电能进一步向电池内部输入输入，电池温度随之马上开始下降，避免电池发生爆炸现象，提高了锂离子电池在过充状态下的使用安全性和可靠性。

本申请中的锂离子电池仅通过设置一个结构简单的压敏垫片就能够有效避免在过充状态下，电池发生爆炸的问题。并且压敏垫片安装过程简单，不会改变电池原有的参数和性能，适合大规模推广使用。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锂离子电池，包括负极转接板和负极盖板，其特征在于，在所述负极转接板与所述负极盖板之间设置有过充保护装置，所述过充保护装置用于在所述锂离子电池的电压达到预定值时，由导通状态变为绝缘状态；

所述过充保护装置包括压敏垫片，所述压敏垫片包括垫片本体和涂覆在所述垫片本体上的混合材料涂层；

所述混合材料涂层包括粘结剂、压敏材料和溶剂；所述垫片本体包括铝箔；

所述粘结剂包括PVDF；所述压敏材料包括氧化锡；所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮；

所述粘结剂的重量占所述混合材料涂层的重量的6％至10％，所述压敏材料的重量占所述混合材料涂层的重量的35％至45％，其余的重量为所述溶剂的重量；

所述混合材料涂层的厚度为2至4mm。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述粘结剂的重量占所述压敏垫片的重量的32％至42％，所述压敏材料的重量占所述压敏垫片的重量的35％至45％，其余的重量为所述铝箔和所述溶剂；和/或，

所述铝箔的厚度为5至10mm。

3.根据权利要求1至2之一所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括两端开口的筒形的外壳，所述负极转接板与所述外壳固定连接，所述负极转接板的远离所述外壳的一侧设置有安装槽，所述过充保护装置设置在所述安装槽中。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池还包括负极柱，所述负极柱由所述外壳的内部向所述外壳的外部延伸，并沿着延伸方向依次穿过所述负极转接板、所述过充保护装置和所述负极盖板。

5.一种锂电池的制备方法，所述锂电池为权利要求1-4任一项所述的锂离子电池，其特征在于，所述制备方法包括制备所述过充保护装置的步骤。

6.根据权利要求5所述的锂电池的制备方法，其特征在于，制备所述过充保护装置的步骤包括：

步骤一、将粘结剂、压敏材料和溶剂均匀混合，获得混合材料浆料；

步骤二、将所述混合材料浆料均匀涂覆在铝箔上，并在预定温度下进行第一预定时长的烘烤；

步骤三、根据所述锂电池的形状和尺寸对所述步骤二中经过烘烤后的涂覆有所述混合材料浆料的所述铝箔进行裁切，以获得所述过充保护装置。

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