CN112993264A - 一种复合集流体、电极极片和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合集流体、电极极片和锂离子电池,包括基材和安全涂层;安全涂层涂覆于所述基材的至少一表面,包括发泡剂和粘结剂;其中,粘结剂的玻璃转变温度为80~120℃;发泡剂在所述安全涂层中开始分解的温度为80~100℃,且发泡剂分解时有气体产生。相比于现有技术,本发明通过发泡剂和粘结剂的协同作用,解决了目前因锂离子电池内部微短路和过热带来的安全隐患问题,其不仅可以降低电池的发热,也能在电池短路后及时切断短路开关,从而提高电池的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池领域,具体涉及一种复合集流体、电极极片和锂离子电池。
背景技术
随着锂离子电池的广泛应用,锂离子电池带来安全事故也越来越多,因此人们对锂电池的要求也越来越高。大部分锂离子电池事故是正负极短接造成的,而正负极短路的主要原因之一是锂枝晶刺穿隔膜导致正负极片短接。随着电池向高能量密度方向发展和人们使用的习惯不同(过充,过放等),增加了锂枝晶的出现可能性,另外长时间大功率放电,也会造成因电池过热而带来的安全问题。
目前已有多种方法去降低因锂离子电池内部微短路和过热带来的隐患。例如在选材方面使用纯度较高的锂离子电池正负极材料;在配料方面优化加料工艺,降低环境对浆料的影响;在制备过程优化制备工艺,建立电子追溯系统,对每一步骤进行实时监控;在包装方面建立电池管理系统,实时监控电池在运行过程中温度,气压等变化。诸多的方案都被提出用来降低电池安全事故,但是过去的几年内,无论是常用的3C数码产品领域还是新兴的新能源汽车领域都发生了无数次起火,爆炸等安全事故,对个人和企业都造成了较大的损失。
有鉴于此,确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的之一在于:提供一种复合集流体,以解决目前因锂离子电池内部微短路和过热带来的安全隐患问题,本发明提供的复合集流体,增加了安全涂层的设置,一方面在电池高温时可以降低电池的发热,另一方面也能在电池短路后及时切断短路开关,提高电池的安全性能。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种复合集流体,包括:
基材;
安全涂层,涂覆于所述基材的至少一表面,包括发泡剂和粘结剂;
其中,所述粘结剂的玻璃转变温度为80~120℃;所述发泡剂在所述安全涂层中开始分解的温度为80~100℃,且所述发泡剂分解时有气体产生。其中,发泡剂分解产生的气体包括但不限于氮气、一氧化碳和二氧化碳。
优选的,所述粘结剂的玻璃转变温度可为80~90℃、90~100℃、100~110℃、或110~120℃,其中,因电池的温度大于80℃后容易发生安全事故,故,粘结剂的玻璃转变温度以在80℃时为佳。与粘结剂相对应的,发泡剂在安全涂层中开始分解温度也以在80℃时为佳,发泡剂产生的气体与熔融态的粘结剂共同作用,如果电池只是因锂枝晶而产生局部短路或局部过热时,逐渐产生的粘结剂气泡可以包裹在锂枝晶周围,起到保护电池的作用,但如果是电池中产生的大量的热,要发生爆炸时,则发泡剂分解加剧产生大量气体,粘结剂气泡迅速膨胀,从而使得极片中的活性物质层脱离集流体,达到抑制电池进一步发热造成安全事故的目的。
优选的,所述安全涂层的剥离强度大于或等于500N/m,包括但不限于500~800N/m、800~1200N/m、1200~1500N/m、1500~2000N/m、2000~2500N/m、2500~3000N/m、或3000~4000N/m。剥离强度越高,安全涂层的粘接性越牢固,极片的稳定性越高,电池的循环寿命越长。
优选的,所述发泡剂的发气量为100~300mL/g。发泡剂合理的发气量一方面可以在电池只是局部高温时降低电池的发热,以及在电池短路后及时切断短路开关;另一方面还可以在电池出现大量过量热时,产生大量的气体,与熔融态的粘结剂共同作用使得极片中的活性物质层脱离集流体,达到抑制电池进一步发热造成安全事故的目的。而当产气量过少时,发泡剂则无法起到有效降热的作用;而当产气量过多时,电池内部则会因气压过大进而发生爆炸,无法保证电池的安全性能。更优选的,发泡剂的发气量可为100~150mL/g、150~200mL/g、200~250mL/g、或250~300mL/g。
优选的,所述发泡剂的粒径可为0.02~0.1μm、0.1~1μm、1~2μm、2~3μm、3~4μm、或4~5μm;相对密度小于或等于2.0g/cm3。将发泡剂的粒径设置在上述范围内,主要是为了保证安全涂层的涂覆厚度,对于安全涂层而言,其作为复合集流体的组成部分之一,在发挥其安全作用的同时,也要尽可能使涂覆厚度较薄,因为较厚的厚度会影响电池的体积能量密度,因此将粒径设置在0.02~5μm之间可以保证安全涂层的涂覆厚度控制在4~10μm。而相对密度的设置则主要是为了保证电池的质量能量密度,相对密度过大会影响电池的质量能量密度。
优选的,所述发泡剂的重量为所述安全涂层重量的5~10%,所述粘结剂的重量为所述安全涂层重量的10~20%。发泡剂和粘结剂相关含量与粘结剂玻璃转变的进程以及发泡剂的分解进程息息相关,合理控制两者的添加量,更有利于控制发泡剂和粘结剂结合,使得对电池内部微短路和过热情况的改善更加可控。更优选的,所述发泡剂的重量可为所述安全涂层重量的5~6%、6~7%、7~8%、8~9%、或9~10%,所述粘结剂的重量可为所述安全涂层重量的10~12%、12~14%、14~16%、16~18%、或18~20%。
优选的,所述发泡剂为偶氮类,N-亚硝基化合物、磺酰肼类化合物、脲基化合物中的至少一种。对于发泡剂的具备选用类型可以根据实际情况进行选择,包括对于粘结剂的选择、粘结剂的含量等方面进行考虑。
优选的,所述粘结剂为聚丙烯酸酯类、环氧树脂类、聚氨酯类中的至少一种。同样的,对于粘结剂具备选用类型可以根据实际情况进行选择,包括对于发泡剂的选择、发泡剂的含量等方面进行考虑。
优选的,所述安全涂层还包括发泡助剂,所述发泡助剂的重量可为所述安全涂层重量的5~6%、6~7%、7~8%、8~9%、或9~10%。通过发泡助剂、发泡剂与粘结剂三者的协同作用,该发泡助剂一方面可以促进发泡剂的分解产气,另一方面还可以提高安全涂层的孔隙率,有利于锂离子的扩散迁移。当发泡助剂含量过少时,则无法起到助力的作用,而当含量过多时,又会影响产气的可控性。
优选的,所述发泡助剂为尿素、脲的衍生物、苯二甲酸、乙醇胺、有机盐中的至少一种。
优选的,所述安全涂层还包括导电剂,所述导电剂的重量可为所述安全涂层重量的65~70%、70~73%、73~75%、75~78%、或78~80%。该导电剂可为导电炭黑、石墨烯、超导炭黑、石墨、膨胀石墨、碳纳米管、活性炭、无定型炭、中间相炭微球和气相炭纤维中的至少一种。在涂碳层中设置含量较高的导电剂,可以有效提升涂层的导电性。
本发明的目的之二在于,提供一种电极极片,包括集流体和涂覆于所述集流体上活性物质层,所述集流体为上述任一项所述的复合集流体。
本发明的目的之三在于,提供一种锂离子电池,包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片之间的隔膜,所述正极片和/或所述负极片为上述所述的电极极片。
相比于现有技术,本发明的有益效果在于:
1)本发明提供的复合集流体,在基材上涂覆安全涂层,利用该安全涂层降低电池发热,以及在电池短路后及时切断短路开关。一般而言,电池的正常工作温度小于60℃,高于80℃时比较容易发生安全事故。而本发明安全涂层中的粘结剂其玻璃转变温度为80~120℃,在达到80℃后即会发生物相转变,同时发泡剂在达到80℃后也会开始分解并产生气体,当电池内部因锂枝晶产生局部短路或局部温度较高时,发泡剂可以迅速产生气体使得熔融态的粘结剂产生粘结剂气泡包裹在锂枝晶周围,电池电阻增大,发热降低,从而抑制短路的进一步发生。此外,当电池因为大倍率使用或者过放电等情况下放电产生过量热时,电池要爆炸的情况下,发泡剂产生气体的速度更加快速,使得极片中的活性物质层脱离集流体,从而抑制电池进一步发热造成安全事故。
2)本发明提供的发泡剂,在电池正常使用温度时,状态稳定,且能与粘结剂起协调作用,一方面共同提高涂层的粘接作用,另一方面也可提高锂离子电池的循环寿命。此外,该发泡剂还具有电解液惰性的特点,既不会被电解液腐蚀,也不会被电解液溶胀。
3)另外,本发明的复合集流体,因安全涂层的设置,还可以起到提高电池对耐摔、耐穿钉、挤压等安全性能测试,进一步降低电池的安全隐患。
附图说明
图1为本发明复合集流体的截面图。
图2为本发明复合集流体的作用机理图。
图3为本发明电池受单边挤压前后的测试实物图。
图中:1-复合集流体;11-基材;12-安全涂层;121-发泡剂;122-粘结剂气泡;2-活性物质层。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面将结合具体实施方式和说明书附图,对本发明及其有益效果作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1~3所示,一种复合集流体,包括基材11和安全涂层12;安全涂层12涂覆于所述基材11的至少一表面,包括发泡剂121和粘结剂;其中,粘结剂的玻璃转变温度为80~120℃;发泡剂121在所述安全涂层12中开始分解的温度为80~100℃,且发泡剂121分解时有气体产生。其中,发泡剂121分解产生的气体包括但不限于氮气、一氧化碳和二氧化碳。
进一步地,粘结剂的玻璃转变温度可为80~90℃、90~100℃、100~110℃、或110~120℃,其中,因电池的温度大于80℃后容易发生安全事故,故,粘结剂的玻璃转变温度以在80℃时为佳。与粘结剂相对应的,发泡剂121在安全涂层12中开始分解温度也以在80℃时为佳,发泡剂121产生的气体与熔融态的粘结剂共同作用,如果电池只是因锂枝晶而产生局部短路或局部过热时,逐渐产生的粘结剂气泡122可以包裹在锂枝晶周围,起到保护电池的作用,但如果是电池中产生的大量的热,要发生爆炸时,则发泡剂121分解加剧产生大量气体,粘结剂气泡122迅速膨胀,从而使得极片中的活性物质层2脱离集流体,达到抑制电池进一步发热造成安全事故的目的。
进一步地,安全涂层12的剥离强度大于或等于500N/m,包括但不限于500~800N/m、800~1200N/m、1200~1500N/m、1500~2000N/m、2000~2500N/m、2500~3000N/m、或3000~4000N/m。剥离强度越高,安全涂层12的粘接性越牢固,极片的稳定性越高,电池的循环寿命越长。
进一步地,发泡剂121的发气量为100~300mL/g。发泡剂121合理的发气量一方面可以在电池只是局部高温时降低电池的发热,以及在电池短路后及时切断短路开关;另一方面还可以在电池出现大量过量热时,产生大量的气体,与熔融态的粘结剂共同作用使得极片中的活性物质层2脱离集流体,达到抑制电池进一步发热造成安全事故的目的。而当产气量过少时,发泡剂121则无法起到有效降热的作用;而当产气量过多时,电池内部则会因气压过大进而发生爆炸,无法保证电池的安全性能。更优选的,发泡剂121的发气量可为100~150mL/g、150~200mL/g、200~250mL/g、或250~300mL/g。
进一步地,发泡剂121的粒径可为0.02~0.1μm、0.1~1μm、1~2μm、2~3μm、3~4μm、或4~5μm;相对密度小于或等于2.0g/cm3。将发泡剂121的粒径设置在上述范围内,主要是为了保证安全涂层12的涂覆厚度,对于安全涂层12而言,其作为复合集流体1的组成部分之一,在发挥其安全作用的同时,也要尽可能使涂覆厚度较薄,因为较厚的厚度会影响电池的体积能量密度,因此将粒径设置在0.02~5μm之间可以保证安全涂层12的涂覆厚度控制在4~10μm。而相对密度的设置则主要是为了保证电池的质量能量密度,相对密度过大会影响电池的质量能量密度。
进一步地,发泡剂121的重量为所述安全涂层12重量的5~10%,粘结剂的重量为所述安全涂层12重量的10~20%。发泡剂121和粘结剂相关含量与粘结剂玻璃转变的进程以及发泡剂121的分解进程息息相关,合理控制两者的添加量,更有利于控制发泡剂121和粘结剂结合,使得对电池内部微短路和过热情况的改善更加可控。更优选的,所述发泡剂121的重量可为所述安全涂层12重量的5~6%、6~7%、7~8%、8~9%、或9~10%,所述粘结剂的重量可为所述安全涂层12重量的10~12%、12~14%、14~16%、16~18%、或18~20%。
进一步地,发泡剂121为偶氮类,N-亚硝基化合物、磺酰肼类化合物、脲基化合物中的至少一种。对于发泡剂121的具备选用类型可以根据实际情况进行选择,包括对于粘结剂的选择、粘结剂的含量等方面进行考虑。具体的,本实施例的发泡剂121采用偶氮二甲酰胺。
进一步地,粘结剂为聚丙烯酸酯类、环氧树脂类、聚氨酯类中的至少一种。同样的,对于粘结剂具备选用类型可以根据实际情况进行选择,包括对于发泡剂121的选择、发泡剂121的含量等方面进行考虑。
进一步地,安全涂层12还包括发泡助剂,所述发泡助剂的重量可为所述安全涂层12重量的5~6%、6~7%、7~8%、8~9%、或9~10%。通过发泡助剂、发泡剂121与粘结剂三者的协同作用,该发泡助剂一方面可以促进发泡剂121的分解产气,另一方面还可以提高安全涂层12的孔隙率,有利于锂离子的扩散迁移。当发泡助剂含量过少时,则无法起到助力的作用,而当含量过多时,又会影响产气的可控性。
进一步地,发泡助剂为尿素、脲的衍生物、苯二甲酸、乙醇胺、有机盐中的至少一种。
进一步地,安全涂层12还包括导电剂,所述导电剂的重量可为所述安全涂层12重量的65~70%、70~73%、73~75%、75~78%、或78~80%。该导电剂可为导电炭黑、石墨烯、超导炭黑、石墨、膨胀石墨、碳纳米管、活性炭、无定型炭、中间相炭微球和气相炭纤维中的至少一种。在涂碳层中设置含量较高的导电剂,可以有效提升涂层的导电性。
具体的,本发明复合集流体的制备方法为:
S1:基材11的选择:取厚度为6μm的铜箔作集流体基材11;
S2:安全涂层12浆料的配置:将偶氮二甲酰胺粉末(粒径0.3-0.5um)、增稠剂、导电剂、发泡助剂、粘接剂按干重质量比10:1:70:4:15分散到水溶剂中,并混合搅拌均匀,过滤后待用;具体的,先将增稠剂和导电剂加入到水中搅拌均匀,搅拌速度为1000-1500r/min,搅拌时间30-60min;加入发泡剂121和发泡助剂后搅拌速度降低到300-600r/min,搅拌时间20-30min;最后加入聚丙烯酸酯类粘接剂,搅拌速度不变,搅拌时间30-60min;得到的浆料粘度为100~500mPa·s;其中,增稠剂可为CMC-Na和/或CMC-Li;
S3安全涂层12的涂覆、制样:通过凹版涂布或挤压涂布的方式将安全涂层12浆料涂覆在铜箔的至少一表面上;然后将涂覆后的铜箔通过传送带传送至烘箱烘干,并收卷集成成品;其中,烘箱的温度为60-70℃,烘烤时间为1-2h;
S4、完成复合集流体1的制备。
实施例2
一种电极极片,包括集流体和涂覆于所述集流体上活性物质层2,所述集流体为实施例1所述的复合集流体1。
实施例3
一种锂离子电池,包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片之间的隔膜,所述正极片和/或所述负极片为实施例2所述的电极极片。
其中,正极片上涂覆的活性物质层2,可以是包括但不限于化学式如LiaNixCoyMzO2-bNb(其中0.95≤a≤1.2,x>0,y≥0,z≥0,且x+y+z=1,0≤b≤1,M选自Mn,Al中的一种或多种的组合,N选自F,P,S中的一种或多种的组合)所示的化合物中的一种或多种的组合,所述正极活性物质还可以是包括但不限于LiCoO2、LiNiO2、LiVO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、Li2NiMn3O8、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoFSO4、CuS2、FeS2、MoS2、NiS、TiS2等中的一种或多种的组合。所述正极活性物质还可以经过改性处理,对正极活性物质进行改性处理的方法对于本领域技术人员来说应该是己知的,例如,可以采用包覆、掺杂等方法对正极活性物质进行改性,改性处理所使用的材料可以是包括但不限于Al,B,P、Zr、Si、Ti、Ge、Sn、Mg、Ce、W等中的一种或多种的组合。其中,本发明测试的电池,其正极活性物质采用的是钴酸锂LCO。而所述正极集流体通常是汇集电流的结构或零件,所述正极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池正极集流体的材料,例如,所述正极集流体可以是包括但不限于金属箔等,更具体可以是包括但不限于铝箔等。
负极片上涂覆的活性物质层2可以是包括但不限于石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料、锡基材料、钛酸锂或其他能与锂形成合金的金属等中的一种或几种。其中,所述石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或几种;所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或几种;所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或几种。所述负极集流体通常是汇集电流的结构或零件,所述负极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池负极集流体的材料,例如,所述负极集流体可以是包括但不限于金属箔等,更具体可以是包括但不限于铜箔等。
而所述隔膜可以是本领域各种适用于锂离子电池隔膜的材料,例如,可以是包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺,聚酰胺、聚酯和天然纤维等中的一种或多种的组合。
该锂离子电池还包括电解液,电解液包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂。其中,电解质锂盐可以是高温性电解液中采用的LiPF6和/或LiBOB;也可以是低温型电解液中采用的LiBF4、LiBOB、LiPF6中的至少一种;还可以是防过充型电解液中采用的LiBF4、LiBOB、LiPF6、LiTFSI中的至少一种;亦可以是LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2中的至少一种。而有机溶剂可以是环状碳酸酯,包括PC、EC;也可以是链状碳酸酯,包括DFC、DMC、或EMC;还可以是羧酸酯类,包括MF、MA、EA、MP等。而添加剂包括但不限于成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、防过充添加剂、控制电解液中H2O和HF含量的添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂中的至少一种。
实施例4
与实施例1不同的是,本实施例采用二亚硝基五次甲基四胺作为发泡剂。
其余同实施例1,这里不再赘述。
此外,与实施例1不同的是,本发明还可以采用以下的发泡剂,如下表1所示。其中,下表中所包含的有一些发泡剂常规的分解温度较高,为保证其可以在80~100℃进行分解,可借助发泡助剂降低其在安全涂层中的分解温度。
表1
对比例1
与实施例1不同的是集流体的设置。本对比例的集流体为常规的未设置安全涂层的集流体。
其余同实施例1,这里不再赘述。
对上述实施例1中的复合集流体及制备的锂离子电池进行性能测试,如图1和图3所示。具体的:
1)图1为凹版涂布后复合集流体的截面图。其中,上下涂覆层为安全涂层,中间层为铜箔材。由图1中可以看出,安全涂层与铜箔材的厚度持平,约为6μm,安全涂层致密、有序分布。
2)图3为电池受单边挤压前后的测试实物图。由测试结果中可看出,本发明的单边挤压测试的通过率达到了90%以上,而常规电池的单边挤压测试通过率通常只有10%,甚至不到。由此可见,本发明采用的安全涂层可以极大的提高电池的安全性能,这主要归因于发泡剂、发泡助剂和粘结剂之间的协同作用,可如图2的作用机理所示,当电池因外界或内届因素发生短路时,会产生高温,粘结剂由玻璃态转向为熔融态,同时发泡助剂协助发泡剂产生气体,使得熔融的粘结剂产生气泡,起到了隔断集流体与活性物质层的作用,从而提高了电池的安全性能。
由此可见,本发明提供的复合集流体,其设置的安全涂层,有效解决了目前因锂离子电池内部微短路和过热带来的安全隐患问题,其不仅可以降低电池的发热,也能在电池短路后及时切断短路开关,从而提高电池的安全性能。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上述的具体实施方式,凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。
Claims (12)
1.一种复合集流体,其特征在于,包括:
基材;
安全涂层,涂覆于所述基材的至少一表面,包括发泡剂和粘结剂;
其中,所述粘结剂的玻璃转变温度为80~120℃;所述发泡剂在所述安全涂层中开始分解的温度为80~100℃,且所述发泡剂分解时有气体产生。
2.根据权利要求1所述的复合集流体,其特征在于,所述安全涂层的剥离强度大于或等于500N/m。
3.根据权利要求1所述的复合集流体,其特征在于,所述发泡剂的发气量为100~300mL/g。
4.根据权利要求3所述的复合集流体,其特征在于,所述发泡剂的粒径为0.02~5μm,相对密度小于或等于2.0g/cm3。
5.根据权利要求1~4任一项所述的复合集流体,其特征在于,所述发泡剂的重量为所述安全涂层重量的5~10%,所述粘结剂的重量为所述安全涂层重量的10~20%。
6.根据权利要求5所述的复合集流体,其特征在于,所述发泡剂为偶氮类,N-亚硝基化合物、磺酰肼类化合物、脲基化合物中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的复合集流体,其特征在于,所述粘结剂为聚丙烯酸酯类、环氧树脂类、聚氨酯类中的至少一种。
8.根据权利要求1~4任一项所述的复合集流体,其特征在于,所述安全涂层还包括发泡助剂,所述发泡助剂的重量为所述安全涂层重量的5~10%。
9.根据权利要求8所述的复合集流体,其特征在于,所述发泡助剂为尿素、脲的衍生物、苯二甲酸、乙醇胺、有机盐中的至少一种。
10.根据权利要求1~4任一项所述的复合集流体,其特征在于,所述安全涂层还包括导电剂,所述导电剂的重量为所述安全涂层重量的65~80%。
11.一种电极极片,包括集流体和涂覆于所述集流体上活性物质层,其特征在于,所述集流体为权利要求1~10任一项所述的复合集流体。
12.一种锂离子电池,包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片之间的隔膜,其特征在于,所述正极片和/或所述负极片为权利要求11所述的电极极片。
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