CN113410520A - 一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法 - Google Patents

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Abstract

针对部分内芯为卷绕式结构、正负极片为错位结构的软包装锂离子电池热滥用测试失败的情况，本发明公开了一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法，包括将错位结构正负极片头部导热系数高的金属集流体的空箔区用薄型胶带覆盖，增加热滥用测试过程中电池内部产生的气体的膨胀空间；选用金属带经过削边处理的正、负极耳以提高顶封边极耳及其附近区域的封装强度；顶封边、侧封边和二封边内部预留位保持较大水平可以增加热滥用测试过程中电池内部产生的气体的膨胀空间，电池密封性不易遭到破坏；以及选用热收缩率较小的陶瓷隔膜作为正负极片的隔离膜。本发明可大幅度提高在热滥用测试过程中快速大量产气的电池型号的热滥用测试通过率。

Description

一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及到一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法。
背景技术
锂离子电池工作电压高，能量密度大，使用寿命长，自放电小，无记忆效应，安全性能好，无污染，现已广泛应用于汽车、笔记本电脑、手机、摄像机、电动单车、移动电源、医疗设备、军工和航天等领域。
便携式电子产品用锂离子电池和电池组热滥用测试要求为：将电池按照规定的试验方法充满电后，将电池放入试验箱中；试验箱以（5±2）℃/min温升速率进行升温，当箱内温度达到130℃±2℃后恒温，并保持30min；测试结束后电池或电池组应不起火、不爆炸。
软包装锂离子电池使用金属带未经过削边处理的正、负极极耳时其顶封边封印极耳金属带两侧边区域的熔胶厚度较薄，封装强度较弱。
在现有制造工艺中，内芯为卷绕式结构、正负极片均为错位结构的软包装锂离子电池，其错位结构正、负极片头部导热系数高的金属集流体的空箔区有较大面积是裸露的、直接与隔离膜接触的。在热滥用测试过程中其正极活性物质分解、正负极材料与电解液反应和电解液气化等产生的气体容易首先将封装强度较弱的顶封边撑破，电池内部密封性遭到破坏，电池内部电解液快速蒸发并逸到电池外部使电池内部基本失去电解液的润湿而变得干燥，外部高温气体进入电池内部，因失去电解液的润湿和外部高温气体的进入，隔膜产生较为严重的收缩甚至熔断，尤其是与错位结构正、负极片头部裸露的导热系数高的金属集流体的空箔区接触的隔膜收缩得最为严重，使正、负极片局部大面积直接接触导致内部短路从而产生大量的热量，使电池内部的可燃物的温度达到着火点后与从外部进入的空气发生燃烧反应，热滥用测试失败。
发明内容
针对软包装锂离子电池在热滥用测试过程中电池内部产气破坏电池密封性，电池内部电解液逃逸至电池外部使电池内部变得干燥，外部高温气体进入电池内部，隔膜产生大幅收缩使正、负极片直接接触导致内部短路引发热失控使热滥用测试失败的情况，本发明提供了一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法，可大幅度提高在热滥用测试过程中快速大量产气的电池型号的热滥用测试通过率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法，所述软包装锂离子电池含铝塑包装外壳和内芯，所述铝塑包装壳的材料为尼龙/铝箔/聚丙烯铝塑复合膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙/铝箔/聚丙烯铝塑复合膜中的一种，所述内芯为卷绕式结构，含正、负极片和隔离膜，所述正极片含一层集流体、两层附着于集流体两个敷料面的辅料层和一个正极极耳，所述正极集流体为铝箔，所述正极辅料层含正极活性物质、粘结剂和导电剂，所述正极活性物质为钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂中的一种或几种，所述正极粘结剂为PVDF（聚偏二氟乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）中的一种或两种，所述正极导电剂为导电炭黑、碳纳米管、导电石墨、石墨烯中的一种或几种，所述负极片含一层集流体、两层附着于集流体两个敷料面的辅料层和一个负极极耳，所述负极集流体为铜箔，所述负极辅料层含负极活性物质、增稠剂、粘结剂和导电剂，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、硅碳中的一种或几种，所述负极增稠剂为CMC-Na（羧甲基纤维素钠）、CMC-Li（羧甲基纤维素锂）中的一种或两种，所述负极粘结剂为丁苯橡胶、丙烯腈多元共聚物、丙烯酸多元共聚物中的一种或几种，所述负极导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种，所述正、负极片均为错位结构，所述错位结构正、负极片头部集流体上下两个辅料面均有一段未进行敷料的空箔区，且同一极片头部上下两个空箔区的长度之差的绝对值大于5mm，所述方法包括：
（1）极片制作时用薄型胶带将错位结构正极片头部裸露的空箔区完全覆盖，极片制作时用薄型胶带将错位结构负极片头部裸露的空箔区完全覆盖；
（2）使用对极耳金属带进行过削边处理的正、负极极耳进行极耳的焊接；
（3）封装时控制顶封边封印内侧预留位的宽度为0.8~3.0mm，控制侧封边内侧预留位的宽度为0.5~2.0mm，抽气和二封时控制二封边内侧预留位的宽度为0.5~2.0mm；
进一步地，（1）中所述的薄型胶带由基膜和胶粘剂组成，基膜材料为PET（聚对苯二甲酸乙二酯）或PBT（聚对苯二甲酸丁二酯）中的一种，其厚度为15~80μm；胶粘剂为硅胶，其厚度为1~10μm。
进一步地，（2）中所述正极极耳由金属铝带和PP（聚丙烯）绝缘极耳胶组成，所述负极极耳由金属镍带或铜镀镍带和PP（聚丙烯）绝缘极耳胶组成，未进行过削边的正负极极耳金属带的宽度为w>3mm，厚度为d>0.08mm，削边时将正负极极耳金属带沿长度方向的四个相等的棱角削去，削边后正负极极耳金属带沿宽度方向的横截面为对称的八边形，削边厚度h=0.08d~0.35d，削边角度θ=40~150，削边垂直长度L=h/tanθ,正负极极耳金属带经过削边处理后与PP（聚丙烯）绝缘极耳胶复合得到进行过削边处理的正、负极极耳。
进一步地，（4）中所述的陶瓷隔膜由基膜和单面无机陶瓷涂层组成，其基膜为PE（聚乙烯）湿法膜，厚度为7~30μm，其无机陶瓷涂层为Al2O3（三氧化二铝）或ZrO2（二氧化锆）中的一种或两种，厚度为2~8μm，所述陶瓷隔膜在105℃下放置1h其宽度方向热收缩率小于0.5%。
本发明的有益效果在于：将错位结构正负极片头部导热系数高的金属集流体的空箔区用薄型胶带覆盖，可大幅减小热滥用测试过程中与错位结构正负极片头部导热系数高的金属集流体的空箔区接触的隔膜的收缩；选用金属带进行过削边处理的正、负极极耳可提高顶封边极耳处及其附近区域的封装强度，热滥用测试过程中电池密封性不易遭到破坏；顶封边、侧封边和二封边内部预留位保持较大水平可以增加热滥用测试过程中电池内部产生的气体的膨胀空间，电池密封性不易遭到破坏；选用热收缩率较小的陶瓷隔膜作为正负极片的隔离膜可减小热滥用测试过程中隔膜的收缩。本发明可大幅度提高在热滥用测试过程中快速大量产气的电池型号的热滥用测试通过率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明所述错位结构正极片沿长度方向的横截面。
图2是本发明所述错位结构负极片沿长度方向的横截面。
图3是本发明实施例1和实施例2中金属带经过削边处理的正、负极耳的金属带沿宽度方向的横截面。
图中：1-正极集流体；2-正极第二面辅料层；3-正极第一面辅料层；4-正极极耳；21-正极片头部第二面空箔区；22-正极片尾部第二面空箔区；31-正极片头部第一面空箔区；32-正极片尾部第一面空箔区；5-负极集流体；6-负极第一面辅料层；7-负极第二面辅料层；8-负极极耳；61-负极片头部第一面空箔区；71-负极片尾部第二面空箔区；w-极耳宽度；d-极耳厚度；h-削边厚度；θ-削边角度；L-削边垂直长度。
具体实施方式
下面结合具体实施例子对本发明进行进一步的描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1：
（1）错位结构正极片含铝箔集流体1、辅料层2、辅料层3和正极极耳4，21、31为极片头部没有敷料的空箔区，22、32为极片尾部没有敷料的空箔区，其中空箔区21的长度为15mm，空箔区31的长度为49mm；正极极耳4点焊位置位于空箔区31内且极耳边缘与极片头部的铝箔边缘对齐，正极极耳4为金属带经过削边处理的铝极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为对称的八边形，宽度为8mm，厚度为0.2mm，削边厚度为0.04mm，削边角度为80，削边垂直长度为0.28mm；极片制作时用1道17mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区21完全覆盖并覆盖辅料层2的宽度为2mm，用3道17mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区31完全覆盖并覆盖辅料层3的宽度为1mm，3道薄型胶带间重叠部分的宽度之和为1mm。错位结构负极片含铜箔集流体5、辅料层6、辅料层7和负极极耳8,61和71为极片头部没有敷料的空箔区，其中空箔区61的长度为10mm，空箔区71的长度为53mm；负极极耳8点焊位置位于空箔区71内且极耳边缘与极片头部的铜箔边缘对齐，负极极耳8为金属带经过削边处理的镍极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为对称的八边形，宽度为8mm，厚度为0.2mm，削边厚度为0.04mm，削边角度为80，削边垂直长度为0.28mm；极片制作时用1道11mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区61完全覆盖并覆盖辅料层6的宽度为1mm，用5道11mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区71完全覆盖并覆盖辅料层7的宽度为1mm，5道薄型胶带间重叠部分的宽度之和为1mm。正负极片所使用的薄型胶带的基膜材料均为PET（聚对苯二甲酸乙二酯），厚度为25μm，胶粘层均为硅胶，厚度为3μm。正负极片之间的隔离膜为单面Al2O3（三氧化二铝）陶瓷隔膜，其基膜为PE（聚乙烯）湿法膜，厚度为12μm，Al2O3（三氧化二铝）涂层厚度为3μm，该隔膜在105℃下放置1h其宽度方向热收缩率为0.4%，卷绕时Al2O3（三氧化二铝）涂层与正极片相对。用铝塑壳对卷芯进行封装时控制顶封边封印内侧预留位的宽度为2mm，控制侧封边内侧预留位的宽度为1mm，抽气和二封时控制二封边内侧预留位的宽度为1mm。
实施例2：
（1）错位结构正极片含铝箔集流体1、辅料层2、辅料层3和正极极耳4，21、31为极片头部没有敷料的空箔区，22、32为极片尾部没有敷料的空箔区，其中空箔区21的长度为23mm，空箔区31的长度为66mm；正极极耳4点焊位置位于空箔区31内且极耳边缘与极片头部的铝箔边缘对齐，正极极耳4为金属带经过削边处理的铝极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为对称的八边形，宽度为10mm，厚度为0.3mm，削边厚度为0.09mm，削边角度为60，削边垂直长度为0.86mm；极片制作时用1道25mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区21完全覆盖并覆盖辅料层2的宽度为2mm，用3道25mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区31完全覆盖并覆盖辅料层3的宽度为2mm，3道薄型胶带间重叠部分的宽度之和为7mm。错位结构负极片含铜箔集流体5、辅料层6、辅料层7和负极极耳8,61和71为极片头部没有敷料的空箔区，其中空箔区61的长度为18mm，空箔区71的长度为62mm；负极极耳8点焊位置位于空箔区71内且极耳边缘与极片头部的铜箔边缘对齐，负极极耳8为金属带经过削边处理的铜镀镍极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为对称的八边形，宽度为10mm，厚度为0.3mm，削边厚度为0.09mm，削边角度为60，削边垂直长度为0.86mm；极片制作时用1道20mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区61完全覆盖并覆盖辅料层6的宽度为2mm，用4道20mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区71完全覆盖并覆盖辅料层7的宽度为2mm，4道薄型胶带间重叠部分的宽度之和为16mm。正负极片所使用的薄型胶带的基膜材料均为PBT（聚对苯二甲酸丁二酯），厚度为40μm，胶粘层均为硅胶，厚度为4μm。正负极片之间的隔离膜为单面ZrO2（二氧化锆）陶瓷隔膜，其基膜为PE（聚乙烯）湿法膜，厚度为15μm，ZrO2（二氧化锆）涂层厚度为5μm，该隔膜在105℃下放置1h其宽度方向热收缩率为0.3%，卷绕时ZrO2（二氧化锆）涂层与正极片相对。用铝塑壳对卷芯进行封装时控制顶封边封印内侧预留位的宽度为3mm，控制侧封边内侧预留位的宽度为1.5mm，抽气和二封时控制二封边内侧预留位的宽度为1.5mm。
比较例1：
（1）错位结构正极片含铝箔集流体1、辅料层2、辅料层3和正极极耳4，21、31为极片头部没有敷料的空箔区，22、32为极片尾部没有敷料的空箔区，其中空箔区21的长度为15mm，空箔区31的长度为49mm；正极极耳4点焊位置位于空箔区31内且极耳边缘与极片头部的铝箔边缘对齐，正极极耳4为金属带未经过削边处理的铝极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为长方形，宽度为8mm，厚度为0.2mm；极片制作时用1道17mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区21完全覆盖并覆盖辅料层2的宽度为2mm，用1道17mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向并对齐铝箔集流体边缘覆盖空箔区31的头部，上下两道薄型胶带长度相等且处于正对的位置，空箔区31未被薄型胶带覆盖的部分的长度为32mm。错位结构负极片含铜箔集流体5、辅料层6、辅料层7和负极极耳8，61和71为极片头部没有敷料的空箔区，其中空箔区61的长度为10mm，空箔区71的长度为53mm；负极极耳8点焊位置位于空箔区71内且极耳边缘与极片头部的铜箔边缘对齐，负极极耳8为金属带未经过削边处理的镍极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为长方形，宽度为8mm，厚度为0.2mm；极片制作时用1道11mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区61完全覆盖并覆盖辅料层6的宽度为1mm，用1道11mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向并对齐铜箔集流体边缘覆盖空箔区71的头部，上下两道薄型胶带长度相等且处于正对的位置，空箔区71未被薄型胶带覆盖的部分的长度为42mm。正负极片所使用的薄型胶带的基膜材料均为PET（聚对苯二甲酸乙二酯），厚度为25μm，胶粘层均为硅胶，厚度为3μm。正负极片之间的隔离膜为PE（聚乙烯）湿法膜，厚度为15μm，该隔膜在105℃下放置1h其宽度方向热收缩率为0.7%。用铝塑壳对卷芯进行封装时控制顶封边封印内侧预留位的宽度为0.5mm，控制侧封边内侧预留位的宽度为0.3mm，抽气和二封时控制二封边内侧预留位的宽度为0.3mm。
比较例2：
（1）错位结构正极片含铝箔集流体1、辅料层2、辅料层3和正极极耳4，21、31为极片头部没有敷料的空箔区，22、32为极片尾部没有敷料的空箔区，其中空箔区21的长度为23mm，空箔区31的长度为66mm；正极极耳4点焊位置位于空箔区31内且极耳边缘与极片头部的铝箔边缘对齐，正极极耳4为金属带未经过削边处理的铝极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为长方形，宽度为10mm，厚度为0.3mm；极片制作时用1道25mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区21完全覆盖并覆盖辅料层2的宽度为2mm，用1道25mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向并对齐铝箔集流体边缘覆盖空箔区31的头部，上下两道薄型胶带长度相等且处于正对的位置，空箔区31未被薄型胶带覆盖的部分的长度为41mm。。错位结构负极片含铜箔集流体5、辅料层6、辅料层7和负极极耳8，61和71为极片头部没有敷料的空箔区，其中空箔区61的长度为18mm，空箔区71的长度为62mm；负极极耳8点焊位置位于空箔区71内且极耳边缘与极片头部的铜箔边缘对齐，负极极耳8为金属带未经过削边处理的铜镀镍极耳，其金属带沿宽度方向的横截面为长方形，宽度为10mm，厚度为0.3mm，削边厚度为0.09mm，削边角度为60，削边垂直长度为0.86mm；极片制作时用1道20mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向将空箔区61完全覆盖并覆盖辅料层6的宽度为2mm，用1道20mm宽的薄型胶带平行于极片宽度方向并对齐铜箔集流体边缘覆盖空箔区71的头部，上下两道薄型胶带长度相等且处于正对的位置，空箔区71未被薄型胶带覆盖的部分的长度为42mm。正负极片所使用的薄型胶带的基膜材料均为PBT（聚对苯二甲酸丁二酯），厚度为40μm，胶粘层均为硅胶，厚度为4μm。正负极片之间的隔离膜为PE（聚乙烯）湿法膜，厚度为20μm，该隔膜在105℃下放置1h其宽度方向热收缩率为0.7%。用铝塑壳对卷芯进行封装时控制顶封边封印内侧预留位的宽度为0.7mm，控制侧封边内侧预留位的宽度为0.5mm，抽气和二封时控制二封边内侧预留位的宽度为0.5mm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。

Claims (4)

1.一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法，其特征在于，所述软包装锂离子电池含铝塑包装外壳和内芯，所述铝塑包装壳的材料为尼龙/铝箔/聚丙烯铝塑复合膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙/铝箔/聚丙烯铝塑复合膜中的一种，所述内芯为卷绕式结构，含正、负极片和隔离膜，所述正极片含一层集流体、两层附着于集流体两个敷料面的辅料层和一个正极极耳，所述正极集流体为铝箔，所述正极辅料层含正极活性物质、粘结剂和导电剂，所述正极活性物质为钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂中的一种或几种，所述正极粘结剂为PVDF（聚偏二氟乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）中的一种或两种，所述正极导电剂为导电炭黑、碳纳米管、导电石墨、石墨烯中的一种或几种，所述负极片含一层集流体、两层附着于集流体两个敷料面的辅料层和一个负极极耳，所述负极集流体为铜箔，所述负极辅料层含负极活性物质、增稠剂、粘结剂和导电剂，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、硅碳中的一种或几种，所述负极增稠剂为CMC-Na（羧甲基纤维素钠）、CMC-Li（羧甲基纤维素锂）中的一种或两种，所述负极粘结剂为丁苯橡胶、丙烯腈多元共聚物、丙烯酸多元共聚物中的一种或几种，所述负极导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种，所述正、负极片均为错位结构，所述错位结构正、负极片头部集流体上下两个辅料面均有一段未进行敷料的空箔区，且同一极片头部上下两个空箔区的长度之差的绝对值大于5mm，所述方法包括：
（1）极片制作时用薄型胶带将错位结构正极片头部裸露的空箔区完全覆盖，极片制作时用薄型胶带将错位结构负极片头部裸露的空箔区完全覆盖；
（2）使用对极耳金属带进行过削边处理的正、负极极耳进行极耳的焊接；
（3）封装时控制顶封边封印内侧预留位的宽度为0.8~3.0mm，控制侧封边内侧预留位的宽度为0.5~2.0mm，抽气和二封时控制二封边内侧预留位的宽度为0.5~2.0mm；
（4）选用热收缩率较小的陶瓷隔膜作为正、负极片的隔离膜。
2.如权利要求1所述的一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法，其特征在于，（1）中所述的薄型胶带由基膜和胶粘剂组成，基膜材料为PET（聚对苯二甲酸乙二酯）或PBT（聚对苯二甲酸丁二酯）中的一种，其厚度为15~80μm；胶粘剂为硅胶，其厚度为1~10μm。
3.如权利要求1所述的一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法，其特征在于，（2）中所述正极极耳由金属铝带和PP（聚丙烯）绝缘极耳胶组成，所述负极极耳由金属镍带或铜镀镍带和PP（聚丙烯）绝缘极耳胶组成，未进行过削边的正负极极耳金属带的宽度为w>3mm，厚度为d>0.08mm，削边时将正负极极耳金属带沿长度方向的四个相等的棱角削去，削边后正负极极耳金属带沿宽度方向的横截面为对称的八边形，削边厚度h=0.08d~0.35d，削边角度θ=40~150，削边垂直长度L=h/tanθ,正负极极耳金属带经过削边处理后与PP（聚丙烯）绝缘极耳胶复合得到进行过削边处理的正、负极极耳。
4.如权利要求1所述的一种改善软包装锂离子电池热滥用安全性能的方法，其特征在于，（4）中所述的陶瓷隔膜由基膜和单面无机陶瓷涂层组成，其基膜为PE（聚乙烯）湿法膜，厚度为7~30μm，其无机陶瓷涂层为Al2O3（三氧化二铝）或ZrO2（二氧化锆）中的一种或两种，厚度为2~8μm，所述陶瓷隔膜在105℃下放置1h其宽度方向热收缩率小于0.5%。
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