CN112151702A - 一种锂离子电池 - Google Patents

Abstract

发明人提供了一种锂离子电池，包括外壳、电芯和顶盖，所述顶盖主体的上端面覆盖一层自清洁涂层。本发明的锂离子电池，由于在上端面覆盖了自清洁涂层，能有效降低电池顶盖的表面能，避免电解液对电池顶盖腐蚀或进入电池内部造成二次污染，提高电池生产和使用的安全性。

Description

一种锂离子电池

技术领域

本发明涉及电池领域，更具体涉及一种锂离子电池。

背景技术

随着社会的发展，新能源汽车正在不断地普及和发展，新能源汽车的核心-电池在不断地升级，能量密度不断提高。由原来的18650发展为26650，最后向体积更大的方壳电池发展。

目前，由于对电池的能量密度要求越来越高，方壳电池活性材料正在由当前的磷酸铁锂(LFP)逐步向镍钴锰(NCM)三元材料过渡。但是由于新型三元材料的特殊性，使其对电解液的需求也有别于传统磷酸铁锂电芯中所需的电解液。镍钴锰三元材料的电解液中含六氟磷酸锂及多种溶剂和添加剂，在提高电池能量及循环性能的同时存在较强的腐蚀性。在制造电池的过程中电池注液时的漏液以及在电池负压化成时电解液溢出都会对电池顶盖造成不同程度的腐蚀。电解液会对电池防爆阀造成腐蚀，使防爆阀的承压能力达不到设计标准导致电芯安全事故的发生；同时电解液也对电池顶盖二维码造成腐蚀，使其难以辨认以至于无法追溯电池制造来源。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能有效防止电解液腐蚀的锂离子电池，避免电解液对电池顶盖的腐蚀及电解液对电池防爆阀的腐蚀，从而提高电池的使用安全性及长期性。

为达到上述目的，本发明提供了一种锂离子电池，包括外壳、电芯和顶盖，所述顶盖的上端面覆盖一层自清洁涂层。

相比与现有技术，本发明至少包括如下所述的有益效果：本发明提供的锂离子电池，其顶盖的自清洁涂层能降低电池顶盖的表面能，使得涂层表面具有自清洁功能。涂层首先可以对电解液与顶盖产生物理阻挡的作用，使得电池顶盖与电解液不能直接接触，其次顶盖的自清洁涂层的表面相比于顶盖的表面粗糙度较低，可以一定程度上减少电解液的停留时间及残余量，因此可以有效地避免电解液对电池顶盖腐蚀或进入电池内部造成二次污染，提高锂离子电池使用的安全性及长期性。

附图说明

图1为本发明实施方式所述锂离子电池的顶盖结构示意图，其中灰色阴影部分为所述锂离子电池顶盖的自清洁涂层。

附图标记说明：

1、正极柱，

2、注液孔，

3、防爆阀，

4、标识码，

5、负极柱。

具体实施方式

下面详细说明根据本发明的锂离子电池。

本发明提供了一种锂离子电池，包括外壳、电芯和顶盖，所述顶盖主体的上端面覆盖一层自清洁涂层。

在锂离子电池中，电解液成分复杂且多为有机溶剂及多种添加盐的组合，因此在制造电池的过程中，电池注液时的漏液以及在电池负压化成时电解液溢出都会对电池顶盖造成不同程度的腐蚀。电解液会对电池防爆阀造成腐蚀，使防爆阀的承压能力达不到设计标准导致电芯安全事故的发生，在所述顶盖主体的上端面覆盖一层自清洁涂层可以有效地减少电解液对于顶盖的腐蚀，避免了残留电解液从顶盖的孔洞进入电池内部，对电池造成二次污染，同时增加了对电池防爆阀的保护，提高了电池的安全性。

所述自清洁涂层覆盖于所述顶盖，自清洁涂层表面粗糙度影响电解液的腐蚀速度，电解液停留在自清洁涂层的时间主要取决于所述自清洁涂层的表面粗糙度，自清洁涂层表面粗糙度越小，则电解液与自清洁涂层的接触角越大，电解液可停留在自清洁涂层的时间越短，电解液对自清洁涂层及顶盖的腐蚀越小，因此，所述自清洁涂层的表面粗糙度选择在合适的范围内，可以更好的提高自清洁涂层的清洁能力。

优选地，所述自清洁涂层的表面粗糙度为0.012μm-12.5μm，进一步优选地，所述自清洁涂层的表面粗糙度为0.012μm-6.3μm。

所述自清洁涂层的厚度影响电解液对顶盖的腐蚀，自清洁涂层越厚，电解液越不容易腐蚀顶盖，但自清洁涂层的加厚会造成自清洁涂层的透光率的下降，值得说明的是，为了便于追踪锂离子电池的来源，通常会在锂离子电池顶盖设置标识码，为保证所述标识码的完整，所述自清洁涂层覆盖于所述标识码，为便于识别标识码，自清洁涂层的透光率需要保持在合适的范围内，因此，需要对所述自清洁涂层的厚度选择合适的范围。

优选地，所述自清洁涂层的厚度为20-100nm,进一步优选地，所述自清洁涂层的厚度为30-50nm。

优选地，所述自清洁涂层的透光率在40％以上。

自清洁涂层的成分影响自清洁涂层的自清洁能力，所述自清洁涂层的成分为含氟硅烷，不同含氟硅烷影响电解液停留在涂层表面的时间，含氟硅烷分子量越大，其分子链越长，电解液接触角越大，越容易滑动。电解液在自清洁涂层表面停留的时间越少，电解液在自清洁涂层表面残余的含量越低，腐蚀越少，且不同的含氟硅烷对于电解液的耐蚀能力也不同。含氟硅烷含有氟和硅元素使得自清洁涂层的强度高、耐久性较强，在无机械挂擦情况下可一直保持，对涂覆面也具有很好的保护作用。

优选地，所述自清洁涂层包括：

含氟硅烷，其结构式如式(Ⅰ)所示

其中，R₁选自氟基或氟取代的C1–C10的支链烷烃,R₂选自氟基、氯基或C1–C10的烷氧基。

优选地，所述含氟硅烷选自全氟辛基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷及1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种或几种。

含氟硅烷需要分散在一定的溶剂内，便于自清洁涂层的制备，这是因为含氟硅烷溶于有机溶剂后更容易形成硅氧三维网络结构，且溶液混合涂覆后因为溶剂具有易挥发且不与溶质反应的特性，溶剂快速挥发同时剩余含氟硅烷快速在顶盖表面形成下层硅氧网络结构和上层碳氟支链组成的分子膜，阻隔了电解液与顶盖的直接接触。且碳氟键减小了电解液与顶盖的接触角不容易有电解液沾染残留。

优选地，所述自清洁涂层还包括有机溶剂，所述有机溶剂选自无水乙醇、丙酮以及乙醚中的一种或几种。

优选地，所述顶盖主体的上设置有正极柱和负极柱，所述正极柱与负极柱之间设置有注液孔、防爆阀和标识码。

优选地，所述自清洁涂层覆盖除正负极极柱以外的顶盖区域。

所述自清洁涂全面覆盖顶盖面，可以有效的保护电池顶盖和标识码。

优选地，所述自清洁涂层覆盖所述标识码。

所述标识码的完整便于后期对锂离子电池来源进行追溯，因此，所述自清洁涂层覆盖于所述标识码，可以有效地保证标识码的完整，便于对锂离子电池来源追溯。

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例详予说明。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。

实施例1-16的表面自清洁层制备方法如下，对比例1为空白对照。

表面自清洁层的制备：

首先，按照表1将1ml含氟硅烷滴灌加入到盛有100ml的溶剂中，用玻璃棒搅拌混合均匀。最后用细毛刷沾取配好的溶液，均匀涂在顶盖的上端面上，静置一小时。然后，用不同目数的砂纸对顶盖涂覆区域定性打磨，制造不同粗糙度的顶盖，干燥后重复涂覆过程，可获得不同涂膜厚度和不同表面粗糙度的顶盖。所述顶盖的参数见表1。

接下来说明自清洁涂层的性能测试方法：

1)初始腐蚀时间的测试方法：

用滴灌取电解液垂直于顶盖滴在上述制备实施例1-16和对比例1的顶盖上，每个顶盖滴5滴后静置。通过观察在不同时间内顶盖表面的白色腐蚀情况(颜色深浅，面积大小)判断腐蚀情况好坏，将开始出现白色腐蚀的时间记录在表1中。

值得说明的是，需要对开始出现腐蚀时间进行明确定义；电解液滴在不同涂层及厚度的顶盖上静置，每隔1小时用CCD放大相机观察液体与接触面，随着时间的增加，接触面被电解液腐蚀的顶盖表面逐渐变白，同时有白色粉末产生，此时即为开始出现腐蚀时间。

2)表面自清洁层的表面粗糙度测试方法：使用表面粗糙度测量仪，利用针尖曲率半径为2微米左右的金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值，利用仪器自动计算轮廓算术平均偏差Rα，微观不平度十点高度RZ，轮廓最大高度Ry和其他多种评定参数。

3)表面自清洁层的厚度测试：做顶盖横切面，在高倍显扫描隧道微镜下观察断层，用计算机自带测量软件测量镀层厚度。

4)表面自清洁层透光率测试：用分体式透光率测试仪DRTG-81测试，在透明的厚度为0.5mm的载玻片上按照顶盖涂层涂覆方式及涂覆次数，在载玻片上涂覆含氟硅烷溶液。涂覆之前先测载玻片的透光率，标定为100％透光率。然后再测不同涂层的载玻片，则测试仪得到的测试数值即为不同涂层透光度。

5)表面自清洁层接触角测试：用静态接触角测量仪SZ-CAMA1，将电解液滴在涂覆后的顶盖上测量。

实施例1-16及对比例1所提供的锂离子电池顶盖相关参数及性能测试结果如下表1所示：

表1实施例1-16及对比例1的锂离子电池顶盖参数及技术效果

由表1中可以看出，实施例1-16相比对比例1，含有表面自清洁涂层的锂离子电池顶盖的与电解液的接触角要大于对比例1中不含表面自清洁层的顶盖与电解液的接触角，实施例1-16中表面开始出现腐蚀时间远大于对比例1中表面开始出现腐蚀时间，说明顶盖的自清洁涂层可以有效地增加顶盖与电解液的接触角，减少电解液在顶盖上的停留时间及残留量，从而有效降低电解液对顶盖的腐蚀，提高锂离子电池使用的安全性及长期性。

进一步地，从实施例1-5可以看出，自清洁涂层的表面粗糙度影响锂离子电池顶盖的防腐性能。因为表面粗糙度影响自清洁层与电解液的接触角，表面粗糙度越小则顶盖表面越光滑，电解液在表面的接触角越小，越容易从顶盖滑落，顶盖残留电解液越少，从而减少电解液对于顶盖的腐蚀。

进一步地，从实施例6-9可以看出，自清洁涂层的厚度影响锂离子电池顶盖的防腐性能。自清洁涂层厚度越厚，自清洁涂层表面微观分子官能团的数量会明显增加，从而在一定程度上增加自清洁涂层的接触角，电解液接触角角越大，则电解液残留在顶盖的时间越短，从而减小电解液对顶盖的腐蚀，同时涂层厚度的增加可以有效的隔绝电解液与顶盖的接触，自清洁涂层厚度越大，则自清洁涂层越不容易被电解液腐蚀穿，从而对顶盖保护时间越久。但厚度过厚会影响透光率，因而自清洁层厚度需要控制在合适的范围内。

进一步地，从实施例10-13可以看出，含氟硅烷的R1和R2的碳原子数影响锂离子电池顶盖的防腐性能。含氟硅烷分子量越大，即R1和R2的碳原子数越多，电解液接触角越大，越容易滑动。顶盖上残留的电解液就越少，对顶盖表面的腐蚀也就越少。

进一步地，从实施例14-16可以看出，制备中采用的有机溶剂在一定程度上会影响锂离子电池顶盖的防腐性能。不同溶剂在空气中挥发速率不同，自清洁涂层中残留部分有机溶剂，这部分有机溶剂与含氟硅烷相互结合形成自清洁涂层，因而这部分溶剂虽然不会影响电解液与自清洁涂层的接触角，但作为自清洁涂层的一部分，会对最终电解液的腐蚀时间有一定影响。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，包括外壳、电芯和顶盖，其特征在于，所述顶盖主体的上端面覆盖一层自清洁涂层。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述自清洁涂层的表面粗糙度为0.012μm-12.5μm，优选为0.012μm-6.3μm。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述自清洁涂层的厚度为20-100nm,优选为30-50nm。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述自清洁涂层的透光率在40％以上。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述自清洁涂层包括：

含氟硅烷，其结构式如式(Ⅰ)所示

其中，R₁选自氟基或氟取代的C1–C10的支链烷烃,R₂选自氟基、氯基或C1–C10的烷氧基。

6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述含氟硅烷选自全氟辛基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷及1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种或几种。

7.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述自清洁涂层还包括有机溶剂，所述有机溶剂选自无水乙醇、丙酮以及乙醚中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述顶盖主体上设置有正极柱和负极柱，所述正极柱与负极柱之间设置有注液孔、防爆阀和标识码。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述自清洁涂层覆盖除正负极极柱以外的顶盖区域。

10.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述自清洁涂层覆盖所述标识码。

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