CN112029283A - 一种锂电池极柱的密封环复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种锂电池极柱的密封环复合材料及其制备方法，以聚苯硫醚树脂为主料、玻璃纤维为必选辅料挤出造粒构成，该密封环复合材料的原料中还添加有至少为矿粉硫酸钙晶须、碳纤维晶须或粉末的改性辅料，且原料的重量配比为聚苯硫醚树脂35%~70%，玻璃纤维20%~55%，矿粉硫酸钙晶须10%~45%，碳纤维晶须或恩粉末不超过20%。应用本发明技术方案，负极材料绝缘性、正极材料导电性、流动性及力学性能均优异，材料制备中无析粉现象；制成的密封环与极柱间粘连良好，从内向外0.6MPa、从外向内0.3MPa气压下30s不发生泄漏；从极柱导性来看，负极柱和顶盖片之间在1000V电压下2秒内电流小于2mA，绝缘性能良好；正极柱与顶盖片之间达到20Ω‑10kΩ电阻值范围，导电性能良好。

Description

一种锂电池极柱的密封环复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热塑性塑料改性方案，尤其涉及一种应用于锂电池极柱、性能优化改良的密封环复合材料及其制备方法。

背景技术

方形锂电池是目前新能源汽车生产应用最多的一款电池，其可塑性强，能根据搭载产品的具体需求而进行定制化的设计，约占新能源汽车电池份额的75%。

电池盖板（或顶盖片）是方形锂电池的封装材料，制约着整个电池的安全性能。电池盖板的密封性主要由盖板上镶嵌的密封环来完成，材料的选择上需要一定的性能要求。现有市面上常用的密封环有金属化陶瓷和有机类的密封环，如聚乙烯和氟橡胶等。然而，金属化陶瓷类密封环的绝缘性太差，通常需要再次在极柱和板体间注入有机绝缘材料以提高绝缘性；而有机类的密封环虽然绝缘性能满足要求，但是这类材料的耐温性不高，注塑过程中容易发生形变，导致材料和极柱间的粘连性能下降，封装的气密性不佳，从而影响电池的安全和寿命；工程塑料-聚苯硫醚具有优良的耐电解液性能和耐温性能，与电池盖板上铝极柱，铜极柱粘结性能良好，是现如今锂电池密封环的首选材料。

但纯聚苯硫醚材料的机械性能较差、材质较脆，制成密封环后，产品容易开裂，造成电池无法使用。因此，现有常见做法都是将聚苯硫醚通过改性制成复合材料，材料的力学性能满足密封环要求，但其流动性下降，导致材料无法与极柱间紧密粘合，直接影响电池盖板的密封性。对于复合材料，基本都是用玻璃纤维和矿粉碳酸钙填充聚苯硫醚，然后制成复合材料，这样成本较低，玻璃纤维和矿粉能提高材料的力学性能。

纯聚苯硫醚材料的机械性能较差、材质较脆，制成密封环后产品容易开裂，造成电池无法使用。而且，使用纯聚苯硫醚材料制备产品，价格过于昂贵，成本负荷较大；若将聚苯硫醚通过改性制成复合材料，而复合材料中的矿粉碳酸钙其流动性太差，伴随析粉现象，产品出现“熔接线”问题，导致材料无法与极柱间紧密粘合，直接影响电池盖板的密封性。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种锂电池极柱的密封环复合材料及其制备方法，以优化锂电池盖板及其密封环的机械性能、密封性和成本。

本发明实现上述一个目的的技术解决方案是，一种锂电池极柱的密封环复合材料，以聚苯硫醚树脂为主料、玻璃纤维为必选辅料挤出造粒构成，其特征在于：所述密封环复合材料的原料中还添加有至少为矿粉硫酸钙晶须的改性辅料，且原料的重量配比为聚苯硫醚树脂35%~70%，玻璃纤维20%~55%，矿粉硫酸钙晶须10%~45%。

上述锂电池极柱的密封环复合材料，进一步地，所述聚苯硫醚树脂的选料具有熔脂要求，且熔脂要求为500g~750g/10min。

上述锂电池极柱的密封环复合材料，进一步地，所述玻璃纤维的选料范围为长度2.5mm~3.5mm、单丝直径8μm~12μm。

上述锂电池极柱的密封环复合材料，进一步地，所述矿粉硫酸钙晶须的选料范围为长度40μm~100μm、单丝直径1μm~4μm。

上述锂电池极柱的密封环复合材料，进一步地，所述锂电池的正极设为导电密封环，所述改性辅料还包括5%~12%的碳纤维晶须和5%~12%碳纤维粉末，其中所述碳纤维晶须的选料范围为长度2.5mm、单丝直径7μm；所述碳纤维粉末的选料范围为目数30-1000、直径7μm。

本发明实现上述另一个目的的技术解决方案是，一种锂电池极柱的密封环的制备方法，其特征在于包括步骤：

S1、选取聚苯硫醚树脂作为主料、玻璃纤维作为必选辅料，矿粉硫酸钙晶须作为改性辅料，并按重量配比称取各部分原料；

S2、主料放入双螺杆挤出机的主喂料口，各种辅料放入双螺杆挤出机的侧喂料口，在造粒温度255℃~285℃下进行挤出造粒；

S3、将S2所制得的粒料真空干燥后，采用振动筛除法去除颗粒表面的毛屑；

S4、将S3处理后的粒料加入注塑机的原料桶中，在注塑温度320℃~340℃、注塑压力2MPa~7.5 MPa下注塑成型。

上述锂电池极柱的密封环的制备方法，进一步地，对应锂电池设置绝缘的负极密封环和导电的正极密封环，步骤S1对应负极密封环和正极密封环单独配料，其中负极密封环的原料中选取熔脂要求500g~750g/10min的聚苯硫醚树脂为主料，选取长度2.5mm~3.5mm、单丝直径8μm~12μm的玻璃纤维为必选辅料，选取长度40μm~100μm、单丝直径1μm~4μm的矿粉硫酸钙晶须为第一改性辅料，且主料、必选辅料、第一改性辅料按7:7:6的重量配比称取；

正极密封环的原料在负极密封环的选料基础上，增加选取长度2.5mm、单丝直径7μm的碳纤维晶须和目数30-1000、直径7μm的碳纤维粉末为第二改性辅料，且主料、必选辅料、第一改性辅料、第二改性辅料按5:2:1:2的重量配比称取。

应用本发明锂电池极柱的密封环复合材料及其制备方法，具备突出的实质性特点和显著的进步性：从材料性能来看，负极材料绝缘性、正极材料导电性、流动性及力学性能优异，材料制备中无“析粉”现象；从密封性能来看，密封环与极柱间粘连良好，从内向外0.6MPa、从外向内0.3MPa气压下30s不发生泄漏；从极柱导性来看，负极柱和顶盖片之间在1000V电压下2秒内电流小于2mA，绝缘性能良好；正极柱与顶盖片之间达到20Ω-10kΩ电阻值范围，导电性能良好。

具体实施方式

以下便结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

本发明设计者在长期从事热塑性材料设计和制造过程中，针对现有方形锂电池盖板密封关键位置及封装材料的性能研究，致力于改善封装材料的机械性能、特别是防止“析粉”问题，以获得较佳的气密性，保障电池的安全和寿命。为此，利用材料属性结合挤压造粒工艺的特点，创新提出了一种锂电池极柱的密封环复合材料

从该锂电池极柱的密封环复合材料的概述来看，其为以聚苯硫醚树脂为主料、玻璃纤维为必选辅料挤出造粒构成。为克服传统采用矿粉碳酸钙作为改性辅料对复合材料成品性能所产生的影响，作为其中聚苯硫醚改性的创新特点，该密封环复合材料的原料中还添加有至少为矿粉硫酸钙晶须的改性辅料，且原料的重量配比为聚苯硫醚树脂35%~70%，玻璃纤维20%~55%，矿粉硫酸钙晶须10%~45%。虽然同为矿粉，但硫酸钙晶须在流动性方面的表现较好，能有效解决复合材料的析粉问题，由此通过复合材料中改性辅料的调整能显著改善聚苯硫醚材料的机械性能，从而更好地提升锂电池极柱的密封性。

该密封环复合材料的各部分原料选材的细节特征描述包括：需要选取高流动性的聚苯硫醚树脂作为主料，其熔脂要求达到500g~750g/10min。而所选取的玻璃纤维所需满足的选料范围为长度2.5mm~3.5mm、单丝直径8μm~12μm。矿粉硫酸钙晶须所需满足的选料范围为长度40μm~100μm、单丝直径1μm~4μm。由此可见，该矿粉硫酸钙晶须较之于玻璃纤维更加细密，因此得以保障复合材料挤出造型过程中的总体流动性，与玻璃纤维一并用于增强聚苯硫醚的机械性能。

此外，虽然绝大多数锂电池极柱的密封环都有绝缘要求，然而随着锂电池应用的不断加深，也对正极密封环提出了一定的导电性能要求，故而改性辅料还包括重量配比5%~12%的碳纤维晶须和5%~12%碳纤维粉末，其中碳纤维晶须的选料范围为长度2.5mm、单丝直径7μm；所述碳纤维粉末的选料范围为目数30-1000、直径7μm。这里，碳纤维晶须、玻璃限位、矿粉硫酸钙晶须用于增强聚苯硫醚机械性能，而碳纤维晶须及碳纤维粉末则用于解决复合材料的导电性能。

在上述原料组分及功能介绍的基础上，进一步从该密封环复合材料的制备方面来理解其技术上的改进特点。当方形锂电池对正负极柱都有绝缘要求时，主要包括如下步骤：S1、选取聚苯硫醚树脂作为主料、玻璃纤维作为必选辅料，矿粉硫酸钙晶须作为改性辅料，并按重量配比称取各部分原料；S2、主料放入双螺杆挤出机的主喂料口，各种辅料放入双螺杆挤出机的侧喂料口，在造粒温度255℃~285℃下进行挤出造粒；S3、将S2所制得的粒料真空干燥后，采用振动筛除法去除颗粒表面的毛屑；S4、将S3处理后的粒料加入注塑机的原料桶中，在注塑温度320℃~340℃、注塑压力2MPa~7.5 MPa下注塑成型。

特别地，当对方形锂电池正负极柱有不同的绝缘和导电要求时，即对应锂电池设置绝缘的负极密封环和导电的正极密封环，则步骤S1对应负极密封环和正极密封环单独配料，其中负极密封环的原料中选取熔脂要求500g~750g/10min的聚苯硫醚树脂为主料，选取长度2.5mm~3.5mm、单丝直径8μm~12μm的玻璃纤维为必选辅料，选取长度40μm~100μm、单丝直径1μm~4μm的矿粉硫酸钙晶须为第一改性辅料，且主料、必选辅料、第一改性辅料按7:7:6的重量配比称取；

正极密封环的原料在负极密封环的选料基础上，增加选取长度2.5mm、单丝直径7μm的碳纤维晶须和目数30-1000、直径7μm的碳纤维粉末为第二改性辅料，且主料、必选辅料、第一改性辅料、第二改性辅料按5:2:1:2的重量配比称取。

为更直观地理解上述复合材料的制备成型过程及所取得技术效果，请参见如下优选实施例说明。

一、负极密封环复合材料的制备，选取熔脂要求600g/10min的纯聚苯硫醚树脂作为主料，选取长度3mm、单丝直径10μm的PPS专用玻璃纤维作为必选辅料，选取平均直径1μm~4μm、平均长度40μm~100μm的矿粉硫酸钙晶须作为改性辅料。将主料、必选辅料、第一改性辅料按7:7:6的重量配比称取备用。然后将主料、各种辅料分别放在双螺杆挤出机的主喂料口和侧喂料口进行基础造粒，造粒温度控制在255℃~285℃范围内。当粒料制备完成后，还需要经过真空干燥、并采用振动筛除法去除颗粒表面的毛屑。

二、正极密封环复合材料的制备，选取熔脂要求600g/10min的纯聚苯硫醚树脂作为主料，选取长度3mm、单丝直径10μm的PPS专用玻璃纤维作为必选辅料，选取平均直径1μm~4μm、平均长度40μm~100μm的矿粉硫酸钙晶须作为第一改性辅料，再选取长度2.5mm、单丝直径7μm的东丽碳纤维T80-PA和目数30-1000、直径7μm的东丽碳纤维T80-PA粉末作为第二改性辅料。将主料和各种辅料按5:2:1:1:1的重量配比称取备用。然后将主料、各种辅料分别放在双螺杆挤出机的主喂料口和侧喂料口进行基础造粒，造粒温度控制在255℃~285℃范围内。当粒料制备完成后，还需要经过真空干燥、并采用振动筛除法去除颗粒表面的毛屑。

三、完成造粒和表面处理的注塑颗粒后，调整设定注塑机的注塑温度320℃~340℃，将上述两种注塑颗粒分别对应装入原料桶，在注塑压力2MPa~7.5 MPa下注塑成型，使得密封环表面清洁无划痕，且密封环与极柱间粘连良好。

综上对于本发明实施例的详细说明，使得本发明技术方案的创新实质得以彰显，并且具备突破性提升当前锂电池盖板上极柱密封环性能的诸多优点：从材料性能来看，提升了包括负极材料绝缘、正极材料导电、流动及力学抗裂等全方面的优异性能，材料制备中无“析粉”现象；从密封性能来看，密封环与极柱间粘连良好，经实验检测从内向外0.6MPa、从外向内0.3MPa气压下30s不发生泄漏，证明密封性良好；从极柱导性来看，负极柱和顶盖片之间在1000V电压下2秒内电流小于2mA，绝缘性能良好；正极柱与顶盖片之间达到20Ω-10kΩ电阻值范围，导电性能良好。

Claims (7)

1.一种锂电池极柱的密封环复合材料，以聚苯硫醚树脂为主料、玻璃纤维为必选辅料挤出造粒构成，其特征在于：所述密封环复合材料的原料中还添加有至少为矿粉硫酸钙晶须的改性辅料，且原料的重量配比为聚苯硫醚树脂35%~70%，玻璃纤维20%~55%，矿粉硫酸钙晶须10%~45%。

2.根据权利要求1所述锂电池极柱的密封环复合材料，其特征在于：所述聚苯硫醚树脂的选料具有熔脂要求，且熔脂要求为500g~750g/10min。

3.根据权利要求1所述锂电池极柱的密封环复合材料，其特征在于：所述玻璃纤维的选料范围为长度2.5mm~3.5mm、单丝直径8μm~12μm。

4.根据权利要求1所述锂电池极柱的密封环复合材料，其特征在于：所述矿粉硫酸钙晶须的选料范围为长度40μm~100μm、单丝直径1μm~4μm。

5.根据权利要求1所述锂电池极柱的密封环复合材料，其特征在于：所述锂电池的正极设为导电密封环，所述改性辅料还包括5%~12%的碳纤维晶须和5%~12%碳纤维粉末，其中所述碳纤维晶须的选料范围为长度2.5mm、单丝直径7μm；所述碳纤维粉末的选料范围为目数30-1000、直径7μm。

6.一种锂电池极柱的密封环的制备方法，其特征在于包括步骤：

S1、选取聚苯硫醚树脂作为主料、玻璃纤维作为必选辅料，矿粉硫酸钙晶须作为改性辅料，并按重量配比称取各部分原料；

S2、主料放入双螺杆挤出机的主喂料口，各种辅料放入双螺杆挤出机的侧喂料口，在造粒温度255℃~285℃下进行挤出造粒；

S3、将S2所制得的粒料真空干燥后，采用振动筛除法去除颗粒表面的毛屑；

S4、将S3处理后的粒料加入注塑机的原料桶中，在注塑温度320℃~340℃、注塑压力2MPa~7.5 MPa下注塑成型。

7.根据权利要求6所述锂电池极柱的密封环的制备方法，其特征在于：对应锂电池设置绝缘的负极密封环和导电的正极密封环，步骤S1对应负极密封环和正极密封环单独配料，其中负极密封环的原料中选取熔脂要求500g~750g/10min的聚苯硫醚树脂为主料，选取长度2.5mm~3.5mm、单丝直径8μm~12μm的玻璃纤维为必选辅料，选取长度40μm~100μm、单丝直径1μm~4μm的矿粉硫酸钙晶须为第一改性辅料，且主料、必选辅料、第一改性辅料按7:7:6的重量配比称取；

正极密封环的原料在负极密封环的选料基础上，增加选取长度2.5mm、单丝直径7μm的碳纤维晶须和目数30-1000、直径7μm的碳纤维粉末为第二改性辅料，且主料、必选辅料、第一改性辅料、第二改性辅料按5:2:1:2的重量配比称取。