CN113346123A - 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。本发明的锂离子电池包括外壳、电芯和至少一个安全自毁袋，所述电芯和所述安全自毁袋封装在所述外壳内部，所述安全自毁袋包括袋体和封装在所述袋体中的安全材料，所述袋体在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料释放至所述电芯处。本发明的锂离子电池能够在电池热热失控时起到防爆、阻燃等效果，避免了电池在温度骤增时发生爆炸、起火，实现了电池安全自毁的效果，提高了电池的使用安全性。

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，尤其是涉及一种锂离子电池及其制备方法。

背景技术

随着新能源技术的开发应用，锂离子电池因其比能量高、循环性能好、环境友好度高等特性，逐渐应用于电动汽车行业，并成为当前电动汽车的主要清洁动力源。锂离子电池在汽车行业的推广应用，逐渐暴露出锂离子电池自身的安全隐患，电池在使用过程中，由于电池的过充电、过放电、内短路、外短路、机械碰撞等不当行为，均会造成电池温度骤增并发生爆炸、起火的热失控风险。

目前，为了防止电池发生爆炸、起火的主要措施是在电解液中添加阻燃剂，该方法的阻燃效果随着阻燃剂量增加而增强，但是阻燃剂的添加量增大之后将会严重影响电池自身的电化学性能，电解液中添加阻燃剂是在牺牲电池的电化学性能的前提下进行的。如何兼顾阻燃效果和电池电化学性能是当前电池安全技术领域亟待解决的问题。

鉴于此，特提出了本发明。

发明内容

本发明提供一种锂离子电池及其制备方法，该锂离子电池能够在电池热热失控时起到防爆、阻燃等效果，避免了电池在温度骤增时发生爆炸、起火，实现了电池安全自毁的效果，提高了电池的使用安全性。

本发明提供的锂离子电池，包括外壳、电芯和至少一个安全自毁袋，所述电芯和所述安全自毁袋封装在所述外壳内部，所述安全自毁袋包括袋体和封装在所述袋体中的安全材料，所述袋体在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料释放至所述电芯处。

本发明的锂离子电池在外壳内部设置有至少一个相对独立的安全自毁袋，当电池处于正常工作温度时，安全自毁袋的袋体将安全材料与电芯隔离，从而不会影响电芯正常的电化学性能；当电池温度异常升高达到预设温度阈值后，安全自毁袋能够破裂并将安全材料释放至所述电芯处，安全材料在电池热失控时能够起到防爆、阻燃等效果，从而实现了电池安全自毁的效果，提高了电池的使用安全性。

本发明对安全自毁袋破裂的方式不作严格限制，只要在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料释放至所述电芯处即可。在一实施方式中，可以在安全自毁袋中填装膨胀剂从而通过膨胀剂的膨胀使安全自毁袋破裂。此时，所述安全自毁袋还包括膨胀剂，所述膨胀剂在温度达到预设温度阈值时能够膨胀以使所述袋体破裂；对预设温度阈值不作严格限制，可以根据实际需求合理设置，所述预设温度阈值可以为100-200℃。

在本发明中，对所述膨胀剂的膨胀方式不作严格限制，其只要能够膨胀以使安全自毁袋破裂即可；例如，膨胀剂可以通过自身体积变化或分解产生不燃气体等方式实现膨胀，本领域技术人员可以根据上述需求选用适宜的膨胀剂，膨胀剂例如可以选自可膨胀石墨、尿素和聚磷酸铵中的至少一种。

对膨胀剂的用量不作严格限制，其只要能够实现特定的膨胀效果以达到使安全自毁袋破裂的效果即可。具体地，所述膨胀剂的用量可以为安全材料质量的1-10％，该用量能够产生足够的膨胀力以使安全自毁袋破裂。

本发明对安全自毁袋的破裂方式不作严格限制，例如可以在袋体上设置薄弱部，该薄弱部在温度达到预设温度阈值时能够实现破裂，从而使安全材料释放。进一步地，所述安全自毁袋可以薄弱部朝向电芯的方式设置，以便在袋体破裂时将安全材料释放至所述电芯处。

在本发明中，可以理解，安全自毁袋的袋体可以是耐电解液腐蚀且拉伸强度较低的膜袋，从而便于破裂以释放安全材料；进一步地，根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述薄弱部的断裂伸长率小于100％；所述袋体的体积略大于膨胀剂和安全材料的体积之和；所述袋体的材质为聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯等聚烯烃类中的一种或多种。上述安全自毁袋易于在温度达到预设温度阈值时实现破裂以释放安全材料，从而保证电池的安全自毁效果，提高电池的使用安全性。

本发明的安全材料是能够在电池热失控时起到防爆、阻燃等效果的材料，包括但不限于EC消耗剂、阻燃剂等。在一实施方式中，所述安全材料包括EC消耗剂和阻燃剂；对EC消耗剂和阻燃剂的用量不作严格限制，只要能够实现上述防爆、阻燃等功能即可。具体地，所述EC消耗剂的用量可以为电解液EC质量的4-5％；所述阻燃剂的用量可以为锂离子电池质量的1-5％。

在本发明中，所述EC消耗剂指的是能够消耗EC的物质；EC(碳酸乙烯酯)是电解液的常规溶剂之一，然而其存在一定的热失控风险，通过加入EC消耗剂以消耗电解液中的EC，能够降低上述风险，从而保证电池的安全性。本发明对EC消耗剂不作严格限制，只要能够消耗EC即可，例如可以选自二胺、二苄胺、三级长链胺和脂肪族长链烷烃中的至少一种。

此外，本发明对阻燃剂也不作严格限制，可以采用本领域的常规阻燃剂；具体地，所述阻燃剂可以选自磷系阻燃剂、卤系阻燃剂和膨胀型阻燃剂中的至少一种。其中，所述磷系阻燃剂可以选自磷酸酯、磷杂菲、磷腈化合物、有机次膦酸、有机次膦酸盐中的至少一种；所述卤系阻燃剂可以选自四溴双酚、十溴二苯醚和氯化聚乙烯中的至少一种；所述膨胀型阻燃剂可以包括酸源、炭源和气源。

本发明对所述安全自毁袋的设置方式不作严格限制，例如可以连接或不连接的方式设置在所述外壳内部；此外，所述安全自毁袋设置在所述外壳内部的底面、顶面或侧面上。

本发明对外壳的材质不作严格限制，例如可以为铝塑膜或金属壳；此外，所述锂离子电池可以为软包电池、方壳电池、圆柱电池等。

本发明还提供上述锂离子电池的制备方法，包括：

制备电芯和安全自毁袋；

将所述安全自毁袋放置在壳体内部后对电芯进行封装；

向电芯中注入电解液，随后进行预充化成处理。

更具体地，上述锂离子电池的制备方法，包括：

取N张正极极片和N+1张隔膜包覆的负极极片，按照负极、正极、负极的顺序依次叠片制备电芯，或将连续的正极极片、隔膜、负极极片折叠或者卷绕制备电芯；

在电芯上焊接极耳/极柱后，使用外壳进行封装，封装时，在外壳内粘贴安全自毁袋，随后对电芯进行全部封装处理；

全部封装完成后注入电解液，随后进行预充化成处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

1、本发明的锂离子电池在外壳内部设置有至少一个相对独立的安全自毁袋，当电池处于正常工作温度时，安全自毁袋的袋体将安全材料与电芯隔离，从而不会影响电芯正常的电化学性能；

2、本发明的锂离子电池在电池温度异常升高达到预设温度阈值后，安全自毁袋能够破裂并将安全材料释放至所述电芯处，安全材料在电池热失控时能够起到防爆、阻燃等效果，从而实现了电池安全自毁的效果，提高了电池的使用安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的软包电池的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的方壳电池的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的圆柱电池的结构示意图。

附图标记说明：

11、21、31：电芯；12、22、32：外壳；13：极耳；23、33：极柱；14、24、34：袋体；15、25、35：膨胀剂；16、26、36：安全材料。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的锂离子电池包括外壳、电芯和至少一个安全自毁袋，电芯和安全自毁袋封装在外壳内部，安全自毁袋包括袋体和封装在袋体中的安全材料，袋体在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料释放至电芯处。

本发明的安全自毁袋还包括膨胀剂，该膨胀剂在温度达到预设温度阈值时能够膨胀以使袋体破裂，预设温度阈值为100-200℃。膨胀剂可以通过自身体积变化或分解产生不燃气体实现膨胀，可以选自可膨胀石墨、尿素和聚磷酸铵中的至少一种，膨胀剂的用量为安全材料质量的1-10％。

本发明的安全自毁袋的袋体体积略大于膨胀剂和安全材料的体积之和；袋体的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯等聚烯烃类中的一种或多种。袋体具有薄弱部，薄弱部在温度达到预设温度阈值时破裂，薄弱部的断裂伸长率小于100％；安全自毁袋以薄弱部朝向电芯的方式设置。；

本发明的安全材料包括EC消耗剂和阻燃剂；其中，EC消耗剂的用量为电解液EC质量的4-5％；阻燃剂的用量为锂离子电池质量的1-5％。

EC消耗剂选自二胺、二苄胺、三级长链胺和脂肪族长链烷烃中的至少一种；阻燃剂选自磷系阻燃剂、卤系阻燃剂和膨胀型阻燃剂中的至少一种。其中，磷系阻燃剂选自磷酸酯、磷杂菲、磷腈化合物、有机次膦酸、有机次膦酸盐中的至少一种；卤系阻燃剂选自四溴双酚、十溴二苯醚和氯化聚乙烯中的至少一种；膨胀型阻燃剂包括酸源、炭源和气源。

本发明的安全自毁袋以粘接或不连接的方式设置在外壳内部，安全自毁袋设置在外壳内部的底面、顶面或侧面上，外壳为铝塑膜或金属壳，锂离子电池为软包电池、方壳电池或圆柱电池。

上述锂离子电池的制备方法，包括：制备电芯和安全自毁袋；将安全自毁袋放置在壳体内部后对电芯进行封装；向电芯中注入电解液，随后进行预充化成处理。

下面结合具体的实施例进行说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种高安全自毁型软包锂离子电池，其包括电芯11、外壳12、极耳13和一个安全自毁袋，电芯11和安全自毁袋封装在外壳12的内部，安全自毁袋包括袋体14和封装在袋体14中的膨胀剂15和安全材料16，袋体14在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料16释放至电芯11处。

电芯11由N张正极片、N+1张负极片和隔膜依次叠片而成，电芯11与极耳13通过焊接连接，极耳13包括正极极耳和负极极耳。

外壳12采用铝塑膜，使用铝塑膜对电芯11进行封装，封装时在四周留有铝塑膜封边。在对电芯11进行铝塑膜封装时，将安全自毁袋粘贴设置在电芯11的顶部。

袋体14是耐电解液腐蚀且拉伸强度较低的膜袋，其体积略大于膨胀剂和安全材料的体积之和；袋体的材质为聚乙烯。袋体14具有薄弱部，该薄弱部在温度达到预设温度阈值时能够破裂，薄弱部的断裂伸长率小于100％。安全自毁袋可以薄弱部朝向电芯11的方式设置，以便使安全材料16释放至电芯11处。

膨胀剂15选用尿素，其热分解温度为160℃左右，此时预设温度阈值即为160℃左右，膨胀剂15的用量为安全材料质量的5％。

安全材料16包括EC消耗剂和阻燃剂，EC消耗剂选用二苄胺，阻燃剂选用磷酸酯，EC消耗剂的用量为电解液EC质量的4％，阻燃剂的用量为锂离子电池质量的3％。

上述高安全自毁型软包锂离子电池的制备方法如下：

取N张正极极片和N+1张隔膜包覆的负极极片，按照负极、正极、负极的顺序依次叠片，制得电芯11；

将膨胀剂15和安全材料16封装在袋体14中，制得安全自毁袋；

在电芯11上焊接极耳13，使用外壳12进行封装，封装时，在外壳12内粘贴安全自毁袋，随后对电芯11进行全部封装处理，安全自毁袋粘贴设置在电芯11的顶部；

全部封装完成后注入电解液，随后进行预充化成处理，即制得上述高安全自毁型软包锂离子电池。

上述制备的高安全自毁型软包锂离子电池，当电池处于正常工作温度时，袋体14将安全材料16与电芯11隔离，并不会影响电芯11正常的电化学性能；当电池温度异常升高后，膨胀剂15迅速通过分解产生不燃气体膨胀并将袋体14胀破，释放出内含的安全材料16，安全材料16被释放至电芯11各处，在电池热热失控时起到防爆、阻燃的效果，实现了电池安全自毁的效果。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种高安全自毁型方壳锂离子电池，其包括电芯21、外壳22、极柱23和安全自毁袋，电芯21和安全自毁袋封装在外壳22的内部，安全自毁袋包括袋体24和封装在袋体24中的膨胀剂25和安全材料26，袋体24在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料26释放至电芯21处。

电芯21由正极极片、负极极片和隔膜折叠制备，电芯21与极柱23通过焊接相连，极柱23包括正极极柱和负极极柱。使用外壳22对电芯21进行封装密封，在电芯21和外壳22进行封装时，在外壳21内部侧面设置安全自毁袋。

安全自毁袋的袋体24是耐电解液腐蚀且拉伸强度较低的膜袋，其体积略大于膨胀剂和安全材料的体积之和；袋体的材质为聚乙烯。袋体24具有薄弱部，该薄弱部在温度达到预设温度阈值时能够破裂，薄弱部断裂伸长率小于100％；该安全自毁袋可以薄弱部朝向电芯21的方式设置，以便使安全材料26释放至电芯21处。

膨胀剂25选用聚磷酸铵，其热分解温度为150℃左右，此时预设温度阈值即为150℃左右，膨胀剂25的用量为安全材料质量的10％。

安全材料26包括阻燃剂，阻燃剂选用四溴双酚；阻燃剂的用量为锂离子电池质量的5％。

上述高安全自毁型方壳锂离子电池的制备方法如下：

将连续的正极极片、隔膜、负极极片折叠制备电芯电芯21；

将膨胀剂25和安全材料26封装在袋体24中，制得安全自毁袋；

在电芯21上焊接极柱23后，使用外壳22进行封装，封装时，在外壳22内粘贴安全自毁袋，随后对电芯21进行全部封装处理；

全部封装完成后注入电解液，随后进行预充化成处理，即制得上述高安全自毁型方壳锂离子电池。

上述制备的高安全自毁型方壳锂离子电池，当电池处于正常工作温度时，袋体24将安全材料26与电芯21隔离，并不会影响电芯21正常的电化学性能；当电池温度异常升高后，膨胀剂25迅速通过分解产生不燃气体膨胀并将袋体24胀破，释放出内含的安全材料26，安全材料26被释放至电芯21各处，在电池热失控时起到防爆、阻燃的效果，实现了电池安全自毁的效果。

实施例三

如图3所示，本实施例提供一种高安全自毁型圆柱锂离子电池，其包括电芯31、外壳32、极柱33和两个安全自毁袋，电芯31和安全自毁袋封装在外壳32的内部，安全自毁袋包括袋体34和封装在袋体34中的膨胀剂35和安全材料36，袋体34在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料36释放至电芯31处。

电芯31由正极极片、负极极片和隔膜卷绕制备而成，电芯31与极柱33通过焊接相连，极柱33包括正极极柱和负极极柱。使用外壳32对电芯31进行封装密封，电芯31和外壳32进行封装时，在外壳32内的底部相对设置两个安全自毁袋。

袋体34是耐电解液腐蚀且拉伸强度较低的膜袋，其体积略大于膨胀剂和安全材料的体积之和；袋体的材质为聚乙烯。袋体34具有薄弱部，该薄弱部在温度达到预设温度阈值时能够破裂，薄弱部的断裂伸长率小于100％；安全自毁袋可以薄弱部朝向电芯31的方式设置，以便使安全材料36释放至电芯31处。

膨胀剂35选用膨胀石墨，其膨胀温度为100℃，此时预设温度阈值即为100℃左右，膨胀剂35的用量为安全材料质量的5％。

安全材料36包括EC消耗剂，EC消耗剂选用二苄胺，EC消耗剂的用量为电解液EC质量的5％。

上述高安全自毁型圆柱锂离子电池的制备方法如下：

将连续的正极极片、隔膜、负极极片卷绕制备电芯31；

将膨胀剂35和安全材料36封装在袋体34中，制得安全自毁袋；

在电芯31上焊接极柱33后，使用外壳32进行封装，封装时，在外壳32内粘贴两个安全自毁袋，随后对电芯31进行全部封装处理；

全部封装完成后注入电解液，随后进行预充化成处理，即制得上述高安全自毁型圆柱锂离子电池。

上述制备的高安全自毁型圆柱锂离子电池，当电池处于正常工作温度时，袋体34将安全材料36与电芯31隔离，并不会影响电芯31正常的电化学性能；当电池温度异常升高后，膨胀剂35迅速通过自身体积膨胀并将袋体34胀破，释放出内含的安全材料36，安全材料36被释放至电芯31各处，在电池热热失控时起到防爆、阻燃的效果，实现了电池安全自毁的效果。

对照例1

本对照例提供一种普通软包锂离子电池，其包括电芯、外壳、极耳，电芯封装在外壳内部。

电芯由N张正极片、N+1张负极片和隔膜依次叠片而成，电芯与极耳通过焊接连接，极耳包括正极极耳和负极极耳。

外壳采用铝塑膜，使用铝塑膜对电芯进行封装，封装时在四周留有铝塑膜封边。

上述普通软包锂离子电池的制备方法如下：

取N张正极极片和N+1张隔膜包覆的负极极片，按照负极、正极、负极的顺序依次叠片，制得电芯；

在电芯上焊接极耳，使用外壳进行封装，随后对电芯进行全部封装处理；

全部封装完成后注入电解液，随后进行预充化成处理，即制得上述普通软包锂离子电池。

上述制备的普通软包锂离子电池，当温度过高时电池将会发生起火、爆炸等热失控现象。

试验例1

采用绝热加速量热仪(Accelerating Rate Calorimetry—ARC)进行电池热失控测试，分别对实施例1和对照例1的电池进行热失控试验，试验结果见表1。绝热量热仪的主要工作原理是通过仪器的控制，使得样品温度与量热腔温度总是保持一致，从而提供绝热环境。在绝热测试环境下，电池产生的热量完全被电池吸收并造成ΔT的温升，当温升速率超过1℃/min时判定为电池发生热失控。

表1电池热失控试验结果

由表1可知，本发明实施例1制备的电池在热失控时能够起到防爆、阻燃的效果，实现了电池安全自毁的效果，保证了电池的安全性。

试验例2

采用0.3C恒流恒压充放电分别对实施例1和对照例1的电池进行性能检测，检测结果见表2。

表2电池性能检测结果

电池种类	充电容量(Ah)	放电容量(Ah)	内阻(mΩ)
				对照例1	4.977	4.948	3.11
实施例1	4.929	4.933	3.11

由表2可知，本发明实施例1制备的电池的内阻及充放电容量与对照例1相差极小，本发明实施例中添加安全自毁结构不会对电池的电化学性能产生影响。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，包括外壳、电芯和至少一个安全自毁袋，所述电芯和所述安全自毁袋封装在所述外壳内部，所述安全自毁袋包括袋体和封装在所述袋体中的安全材料，所述袋体在温度达到预设温度阈值时能够破裂并将安全材料释放至所述电芯处。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述安全自毁袋还包括膨胀剂，所述膨胀剂在温度达到预设温度阈值时能够膨胀以使所述袋体破裂；优选地，所述预设温度阈值为100-200℃。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述膨胀剂通过自身体积变化或分解产生不燃气体实现膨胀；

优选地，所述膨胀剂选自可膨胀石墨、尿素和聚磷酸铵中的至少一种；

优选地，所述膨胀剂的用量为安全材料质量的1-10％。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述袋体具有薄弱部，所述薄弱部在温度达到预设温度阈值时破裂；

优选地，所述安全自毁袋以所述薄弱部朝向所述电芯的方式设置。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述薄弱部的断裂伸长率小于100％；

优选地，所述袋体的体积略大于膨胀剂和安全材料的体积之和；

优选地，所述袋体的材质为聚烯烃；更优选为聚乙烯、聚丙烯和聚1-丁烯中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述安全材料包括EC消耗剂和阻燃剂；

优选地，所述EC消耗剂的用量为电解液EC质量的4-5％；

优选地，所述阻燃剂的用量为锂离子电池质量的1-5％。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述EC消耗剂选自二胺、二苄胺、三级长链胺和脂肪族长链烷烃中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述阻燃剂选自磷系阻燃剂、卤系阻燃剂和膨胀型阻燃剂中的至少一种；

优选地，所述磷系阻燃剂选自磷酸酯、磷杂菲、磷腈化合物、有机次膦酸、有机次膦酸盐中的至少一种；

优选地，所述卤系阻燃剂选自四溴双酚、十溴二苯醚和氯化聚乙烯中的至少一种；

优选地，所述膨胀型阻燃剂包括酸源、炭源和气源。

9.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述安全自毁袋以连接或不连接的方式设置在所述外壳内部；

优选地，所述安全自毁袋设置在所述外壳内部的底面、顶面或侧面上；

优选地，所述外壳为铝塑膜或金属壳；

优选地，所述锂离子电池为软包电池、方壳电池或圆柱电池。

10.权利要求1-9任一所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括：

制备电芯和安全自毁袋；

将所述安全自毁袋放置在壳体内部后对电芯进行封装；

向电芯中注入电解液，随后进行预充化成处理。

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