CN111554877A - 一种正极片及其制备方法、电芯和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种正极片及其制备方法、电芯和锂离子电池。所述正极片的极耳上设有绝缘层，所述正极片的极耳与极片主体相连，所述绝缘层位于极耳连接极片主体的一边上。所述正极片的制备方法包括：在正极的极耳上涂布绝缘层，所述绝缘层位于极耳连接极片主体的一边上。所述正极片能够极大地增强电芯耐热冲击能力，是一种正极极耳侧高温绝缘防护技术，电芯空间尺寸占用量低，在隔膜大比例收缩情况下依旧能够保持电芯的安全性能，不会发生短路的安全风险。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，涉及一种极片及其制备方法、电芯和锂离子电池，尤其涉及一种正极片及其制备方法、电芯和锂离子电池。
背景技术
锂离子电芯(磷酸铁锂电池、三元/多元锂离子电池、锰酸锂电池和富锂锰电池等)广泛应用于智能手机，电动工具和新能源汽车的动力源；随着应用端(电动工具和电动汽车)对动力源续航能力越来越高，这样对锂离子电芯，特别是磷酸铁锂和三元锂离子电芯的能量密度要求越来越高，由2010年140Wh/kg直到在2020年左右实现单体能量密度最高300Wh/kg，单体电芯的能量密度提升一倍之多，按照电化学基本原理可知，更高的能量密度意味着热失控时会造成更为严重的模组/Pack蔓延，增强电芯高温环境的可靠性和热蔓延耐受性是未来促进新能源锂电池发展的本质属性和首位因素。
基于锂离子卷芯安全设计要求，电芯JRs中负极边缘尺寸需要大于正极片边缘尺寸，从而保证电芯在充电过程中不会出现负极边缘析锂等安全问题；与此同时，相比负极极耳侧短路时隔膜要收缩包覆量1(隔膜和负极Overhang)+包覆量2(负极和正极Overhang)，正极耳侧特别是正极耳位置的负极与正极耳箔材间的包覆量1(隔膜和负极Overhang)；另一方面，电芯所有内短路中，负极石墨材料与正极Al箔间短路情况会引起温度骤升进而引发热失控，是最危险的的短路情况，这意味着传统电芯设计的正极耳侧耐高温限值更差；当锂离子电芯在高温环境中应用时，如热冲击或热蔓延时，正极耳侧会更容易短路导致电芯失效；仅仅通过增加隔膜包覆负极的量会降低有效极片在电芯中填充比进而降低电芯设计能量和能量密度，提升正极耳侧耐高温性能迫在眉睫。
CN101494116A公开了一种耐热冲击陶瓷电容器的制备方法，属于电子元件与材料技术领域，特别涉及陶瓷电容器的制备方法。本发明在常规陶瓷电容器的制备工程中增加了过渡电极的制备，通过在瓷片两面制备单层或多层不同银含量的过渡电极，利用过渡电极和常规电极材料中不同的银含量，其热导率不同，电极间存在热梯度，能够缓解陶瓷电容器在温度急剧变化环境中共作时产生的热应力。但是该方法过于繁琐，需要增设单独的过渡电极，极大的增加了生产成本并且该方案对于锂离子电池可能不适用。
CN202025816U公开了一种具有耐热纸垫的电池电芯，包括有正极片、负极片和将电芯正负极隔离开的带状的隔离膜，隔离膜连同正负极片一起卷绕成电芯，所述的隔离膜的末端表面设有耐热纸，耐热纸被夹持于极片与隔离膜之间，耐热纸的长度大于卷绕电芯的外轮廓周长。但是该方案的耐热纸会对隔膜厚度产生影响，减少空间利用率，同时其电芯高温/热冲击能力仍有待进一步提高。
CN108666525A公开了一种负极极片，其制备方法及二次电池，所述负极极片包括负极集流体，以及位于所述负极集流体表面的第一涂覆层，还包括位于第一涂覆层表面的第二涂覆层，所述第一涂覆层中含有负极活性物质，所述第二涂覆层中含有绝缘耐热材料，所述绝缘耐热材料选自Mg、Si、Zr、Y中至少一种元素的氧化物或氢氧化物。但是该方法在极片的活性物质层上另覆盖一层绝缘耐热层，这很可能会影响极片的电子传输和离子传输性能，影响电池的电化学性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种正极片及其制备方法、电芯和锂离子电池。本发明提供的正极片能够极大增强电芯耐热冲击能力。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种正极片，所述正极片的极耳上设有绝缘层，所述正极片的极耳与极片主体相连，所述绝缘层位于极耳连接极片主体的一边上。
本发明提供的正极片通过在极耳上设置绝缘层，可以有效增强电芯耐热冲击能力，是一种正极极耳侧高温绝缘防护技术。
本发明提供的正极片优化了正极耳侧高温耐受性能，在隔膜大比例收缩情况下依旧能够保持电芯的安全性能，不会发生短路的安全风险。
本发明中，极片主体是指极片的主体机构，其上大部分涂布电极涂层，未涂布电极涂层的空白部分可以经过裁剪得到极耳，故极耳与极片主体是连在一起的。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述绝缘层的厚度为25-65μm，例如25μm、26μm、27μm、28μm、29μm、30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm、50μm、51μm、52μm、53μm、54μm、55μm、56μm、57μm、58μm、59μm、60μm、61μm、62μm、63μm、64μm或65μm等。
本发明中，如果所述绝缘层的厚度过厚，即大于65μm的时候，会导致涂层厚度超出极片活性物质厚度，在锂离子电芯极片冷压过程中，过量压延该位置箔材造成极片断裂和褶皱；如果所述绝缘层的厚度过薄，即小于25μm的时候，会导致绝缘层存在被高压(-500V)击穿风险，且难以实现该工艺，增加制造成本。
优选地，所述绝缘层除位于极耳上的之外，还位于极片主体连接极耳的一边上。
即本发明中的绝缘层部分位于极耳上，部分位于极片主体上。
优选地，所述绝缘层与极片主体上的电极涂层有部分重叠。
优选地，所述重叠的区域宽度为0.5-1mm，例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm等。
本发明汇总，重叠的区域如果宽度过大，即重叠的区域宽度大于1mm时，会导致过量的绝缘材料附着于极耳上，增加电芯整体重量，不利于电芯在整车重量的来优化与节能；重叠的区域如果宽度过小，即重叠的区域宽度小于0.5mm时，会导致绝缘层偏窄无法覆盖隔膜热收缩量导致的正负极短路。
优选地，在极耳上的所述绝缘层的宽度为0.5-7mm，例如0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm或7mm等。
优选地，所述绝缘层是连续的。
作为本发明优选的技术方案，所述绝缘层包括有机物和/或无机物。
优选地，所述有机物为绝缘有机物。
优选地，所述绝缘有机物包括塑料、橡胶或树脂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述塑料包括聚偏氟乙烯和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
优选地，所述橡胶包括丁苯橡胶。
优选地，所述树脂包括环氧树脂。
上述绝缘有机物可以起到粘结剂的作用。
优选地，所述无机物包括硫酸钡、氧化铝或勃姆石中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述绝缘层为有机物和无机物的组合，所述有机物和无机物的组合包括橡胶与陶瓷的组合。
优选地，所述有机物和无机物的组合中，有机物的质量分数为10-95％，例如10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％等。
上述优选的绝缘层材料具有耐高温、低导热系数等特性。
作为本发明优选的技术方案，所述绝缘层中还含有绝缘染料。
本发明提供的正极片中，在绝缘层中含有绝缘染料可以进行不同颜色的变化，以易于CCD(电荷耦合器件charge coupled device的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化)的视觉系统的识别和分析。
本发明提供的正极片可通过添加不同颜色的染料实现多种颜色变化，并能够通过工业视觉系统进行辨识分类。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述正极片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
在正极的极耳上涂布绝缘层，所述绝缘层位于极耳连接极片主体的一边上。
本发明提供的制备方法成本低，流程短，易于进行产业化大规模生产。
作为本发明优选的技术方案，所述涂布的方法包括辊涂、喷涂、磁控溅射或蒸镀中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述辊涂包括：将浆料用涂布机进行辊涂，之后烘干，得到所述正极片；
优选地，所述喷涂包括：将浆料通过喷涂设备进行喷涂，之后烘干，得到所述正极片；
优选地，所述涂布还将绝缘层涂布于极片主体连接极耳的一边上。
作为本发明所述正极片制备方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：
在正极的极耳上涂布绝缘层，所述绝缘层位于极耳连接极片主体的一边上以及极片主体连接极耳的一边上，所述所述涂布的方法包括辊涂、喷涂、磁控溅射或蒸镀中的任意一种或至少两种的组合。
第三方面，本发明提供一种电芯，所述电芯包含如第一方面所述的正极片。
本发明提供的电芯可以采用卷绕或叠片的方式进行组装。
作为本发明优选的技术方案，所述电芯还包括负极片和隔膜。
作为本发明优选的技术方案，所述正极片的极耳上，绝缘层的上端比负极片的上端高1mm以上，例如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm等。
本发明中，设定包覆量1为电芯中隔膜端部超出负极主体的长度(隔膜和负极Overhang)，包覆量2为负极主体超出正极主体的长度(负极和正极Overhang)，则所述绝缘层的上端比负极片的上端高1mm以上即指绝缘层在极耳上的宽度大于包覆量2，且大于的数值在1mm以上。
优选地，所述隔膜的上端比负极片的上端高。
第四方面，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包含如第三方面所述的电芯。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的正极片能够极大地增强电芯耐热冲击能力，是一种正极极耳侧高温绝缘防护技术，电芯空间尺寸占用量低，不仅可以用于锂离子电池，也可以应用到其它需要进行绝缘防护的产品上。本发明提供的正极片145℃下进行30min的热箱烘烤不会产生安全隐患。
(2)本发明提供的正极片正极极耳侧高温耐受性能，在隔膜大比例收缩情况下依旧能够保持电芯的安全性能，不会发生短路的安全风险。
(3)本发明提供的正极片可通过在绝缘层中添加不同颜色的染料实现多种颜色变化，并能够通过工业视觉系统进行辨识分类。
(4)本发明提供的制备方法成本低，简单易实现产业化。
附图说明
图1为实施例1提供的正极片示意图以及电芯中正极片、负极片和隔膜的端部位置示意图；
图2为对比例1提供的正极片示意图以及电芯中正极片、负极片和隔膜的端部位置示意图；
其中，101-正极片主体，102-正极片极耳，103-绝缘层，2-负极片主体，3-隔膜。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1
本实施例提供一种正极片，所述正极片的结构如图1所示，正极极耳102上设有绝缘层103，所述绝缘层103位于正极极耳102连接正极片主体103的一边上，并且绝缘层103还有一部分位于正极片主体101连接极耳102的一边上，绝缘层103连续，所述绝缘层103位于正极极耳102上的部分的宽度L1为4mm，所述绝缘层103位于正极片主体101上的部分与正极电极涂层重叠部分的宽度L2为0.8mm。
所述绝缘层103的厚度为40μm，所述绝缘层主要由丁苯橡胶(SBR)和氧化铝组成，所述绝缘层中以丁苯橡胶和氧化铝的总质量为100％计，丁苯橡胶的质量分数为60％，氧化铝的质量分数为40％。所述绝缘层中还包含绝缘染料(其具体为质量比1:1的无卤素油墨和SGS环保油墨，其颜色均为黑色)，以丁苯橡胶和氧化铝的总质量为100％计，所述绝缘染料的质量分数为2％。所述正极片的集流体为铝箔，正极电极涂层由磷酸铁锂、导电炭黑和PVDF组成，其质量比为94:3:3。
本实施例还提供一种所述正极片的制备方法，其具体方法为：
在正极片极耳102连接正极片主体101的一边上以及正极片主体101连接正极片极耳的102一边上用喷涂设备喷涂绝缘层浆料，用烘箱烘干后得到带有绝缘层103的正极片。所述绝缘层浆料的溶质为绝缘层材料，溶剂为水，溶质的质量浓度为70％。
本实施例还提供一种电芯，所述电芯包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片为本实施例里提供的正极片，负极片由铜箔集流体和负极电极涂层组成，负极电极涂层由石墨负极材料、导电炭黑和SBR组成，其质量比为94:3:3，隔膜为PP隔膜。
本实施例提供的电芯的中正极片、负极片和隔膜的端部位置示意图如图1所示，设定包覆量1为电芯中隔膜3端部超出负极片主体2的长度(本实施例中包覆量1为2mm)，包覆量2为负极片主体2超出正极片主体101的长度(本实施例中包覆量2为2mm)，正极片极耳102上的绝缘层103的上端比负极片主体2的上端高的距离ΔL为2mm。
本实施例提供的正极片的性能测试结果见表1。
实施例2
本实施例提供的正极片参照实施例1，区别在于，所述绝缘层103位于正极极耳102上的部分的宽度L1为3mm，所述绝缘层103位于正极片主体101上的部分与正极电极涂层重叠部分的宽度L2为0.6mm，所述绝缘层103的厚度为30μm。
本实施例还提供一种所述正极片的制备方法，其具体方法为：
在正极片极耳102连接正极片主体101的一边上以及正极片主体101连接正极片极耳的102一边上用涂布机辊涂绝缘层浆料，用烘箱烘干后得到带有绝缘层103的正极片。所述绝缘层浆料的溶质为绝缘层材料，溶剂为水，溶质的质量浓度为70％。
本实施例还提供一种电芯，所述电芯包括正极片、负极片和隔膜，其结构参考实施例1的电芯，所述正极片为本实施例里提供的正极片，负极片由铜箔集流体和负极电极涂层组成，负极电极涂层由石墨负极材料、导电炭黑和SBR组成，其质量比为94:3:3，隔膜为PP隔膜。本实施例中包覆量1为1mm，本实施例中包覆量2为1mm，正极片极耳102上的绝缘层103的上端比负极片主体2的上端高的距离ΔL为1.2mm。
本实施例提供的正极片的性能测试结果见表1。
实施例3
本实施例提供一种正极片，所述正极片的结构参照实施例1，正极极耳102上设有绝缘层103，所述绝缘层103位于正极极耳102连接正极片主体103的一边上，并且绝缘层103还有一部分位于正极片主体101连接极耳102的一边上，绝缘层103连续，所述绝缘层103位于正极极耳102上的部分的宽度L1为0.5mm，所述绝缘层103位于正极片主体101上的部分与正极电极涂层重叠部分的宽度L2为0.5mm。
所述绝缘层103的厚度为25μm，所述绝缘层主要由聚偏氟乙烯(PVDF)和硫酸钡组成，所述绝缘层中以聚偏氟乙烯和硫酸钡的总质量为100％计，聚偏氟乙烯的质量分数为10％，硫酸钡的质量分数为90％。所述绝缘层中还包含绝缘染料(其具体为质量比1:2的无卤素油墨和SGS环保油墨，其颜色均为蓝色)，以聚偏氟乙烯和硫酸钡的总质量为100％计，所述绝缘染料的质量分数为15％。所述正极片的集流体为铝箔，正极电极涂层由磷酸铁锂/NCM材料、导电炭黑和PVDF组成，其质量比为94:3:3。
本实施例还提供一种电芯，所述电芯包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片为本实施例里提供的正极片，负极片由铜箔集流体和负极电极涂层组成，负极电极涂层由石墨负极材料、导电炭黑和SBR组成，其质量比为94:3:3，隔膜为PP隔膜。
本实施例提供的电芯的中正极片、负极片和隔膜的端部位置参照实施例1的电芯，本实施例中包覆量1为0.5mm，本实施例中包覆量2为0.5mm，正极片极耳102上的绝缘层103的上端比负极片主体2的上端高的距离ΔL为2.5mm。
本实施例提供的正极片的性能测试结果见表1。
实施例4
本实施例提供一种正极片，所述正极片的结构参照实施例1，所述绝缘层103位于正极极耳102上的部分的宽度L1为7mm，所述绝缘层103位于正极片主体101上的部分与正极电极涂层重叠部分的宽度L2为1mm。
所述绝缘层103的厚度为65μm，所述绝缘层主要由聚偏氟乙烯(PVDF)和硫酸钡组成，所述绝缘层中以聚偏氟乙烯和硫酸钡的总质量为100％计，聚偏氟乙烯的质量分数为95％，硫酸钡的质量分数为5％。所述绝缘层中还包含绝缘染料(其具体为无卤素油墨，其颜色为黄色)，以聚偏氟乙烯和硫酸钡的总质量为100％计，所述绝缘染料的质量分数为0.1％。所述正极片的集流体为铝箔，正极电极涂层由磷酸铁锂、导电炭黑和PVDF组成，其质量比为94:3:3。
本实施例还提供一种电芯，所述电芯包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片为本实施例里提供的正极片，负极片由铜箔集流体和负极电极涂层组成，负极电极涂层由石墨负极材料、导电炭黑和SBR组成，其质量比为94:3:3，隔膜为PP隔膜。
本实施例提供的电芯的中正极片、负极片和隔膜的端部位置参照实施例1的电芯，本实施例中包覆量1为3mm，本实施例中包覆量2为3mm，正极片极耳102上的绝缘层103的上端比负极片主体2的上端高的距离ΔL为3mm。
本实施例提供的正极片的性能测试结果见表1。
对比例1
本对比例提供一种正极片，所述正极片的结构示意图如图2所示，该正极片与实施例1提供的正极片的区别在于，不含有绝缘层103，其他参数与实施例1的正极片相同。
本对比例还提供一种电芯，电芯中正极片、负极片和隔膜的端部位置示意图如图2所示，所述电芯的材料和参数参照实施例1的电芯，本对比例的电芯中，包覆量1和包覆量2的数值与实施例1的电芯相同。
本对比例提供的正极片的性能测试结果见表1。
测试方法
采用X-Ray、CCD视觉分析及热箱(温度为250℃)，对各实施例和对比例提供的正极片，按照绝对距离差值方法进行GB31485-2015加热安全测试及安全通过标准进行测试。测试结果如下表所示。
表1
综合上述实施例和对比例可知，实施例提供的正极片能够极大地增强电芯耐热冲击能力，在隔膜大比例收缩情况下依旧能够保持电芯的安全性能，不会发生短路的安全风险，是一种正极极耳侧高温绝缘防护技术，电芯空间尺寸占用量低，产业实用性高。且实施例通过在绝缘层中添加染料使得绝缘层带有颜色，可能够通过工业视觉系统进行辨识分类。
对比例1因为没有设置绝缘层，导致电芯高温环境适应性能明显变差，对比例在150℃下进行30min的热箱烘烤中出现电芯短路和安全的隐患(开阀、起火、破损)。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的硅基复合负极材料及其制备方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种正极片，其特征在于，所述正极片的极耳上设有绝缘层，所述正极片的极耳与极片主体相连，所述绝缘层位于极耳连接极片主体的一边上。
2.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述绝缘层的厚度为25-65μm；
优选地，所述绝缘层除位于极耳上的之外，还位于极片主体连接极耳的一边上；
优选地，所述绝缘层与极片主体上的电极涂层有部分重叠；
优选地，所述重叠的区域宽度为0.5-1mm；
优选地，在极耳上的所述绝缘层的宽度为0.5-7mm；
优选地，所述绝缘层是连续的。
3.根据权利要求1或2所述的正极片，其特征在于，所述绝缘层包括有机物和/或无机物；
优选地，所述有机物为绝缘有机物；
优选地，所述绝缘有机物包括塑料、橡胶或树脂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述塑料包括聚偏氟乙烯和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯；
优选地，所述橡胶包括丁苯橡胶；
优选地，所述树脂包括环氧树脂；
优选地，所述无机物包括硫酸钡、氧化铝或勃姆石中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述绝缘层为有机物和无机物的组合，所述有机物和无机物的组合包括橡胶与陶瓷的组合；
优选地，所述有机物和无机物的组合中，有机物的质量分数为10-95％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的正极片，其特征在于，所述绝缘层中还含有绝缘染料。
5.如权利要求1-4任一项所述的正极片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在正极的极耳上涂布绝缘层，所述绝缘层位于极耳连接极片主体的一边上。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述涂布的方法包括辊涂、喷涂、磁控溅射或蒸镀中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述辊涂包括：将浆料用涂布机进行辊涂，之后烘干，得到所述正极片；
优选地，所述喷涂包括：将浆料通过喷涂设备进行喷涂，之后烘干，得到所述正极片；
优选地，所述涂布还将绝缘层涂布于极片主体连接极耳的一边上。
7.一种电芯，其特征在于，所述电芯包含如权利要求1-4任一项所述的正极片。
8.根据权利要求7所述的电芯，其特征在于，所述电芯还包括负极片和隔膜。
9.根据权利要求7或8所述的电芯，其特征在于，所述正极片的极耳上，绝缘层的上端比负极片的上端高1mm以上；
优选地，所述隔膜的上端比负极片的上端高。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包含如权利要求7-9任一项所述的电芯。
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