CN113690404A - 一种发泡涂层、极片以及锂离子电池 - Google Patents

一种发泡涂层、极片以及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种发泡涂层、极片以及锂离子电池，包括以下重量份数比的原料：70～90份电极材料、0.1～20份发泡剂、0.1～5份导电剂、0.1～5份粘结剂。本发明的一种发泡涂层能够增强极片的机械强度，有效解决外物导致极片失效的问题。

Description

一种发泡涂层、极片以及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种发泡涂层、极片以及锂离子电池。
背景技术
在锂电池的市场端，外力导致的失效是电芯发生起火的主要原因，角位，头尾部及右侧边是失效几率较高的位置，可能与跌落，外物刺破(修机、拆电池)等使用场景有关，针对外物刺破这种失效原因，业界常用的测试方法为Nail/impact/强制内短路。但现在业界普遍没有解决上述问题。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种发泡涂层能够增强极片的机械强度，有效解决外物导致极片失效的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种发泡涂层，包括以下重量份数比的原料：70～90份电极材料、0.1～20份发泡剂、0.1～5份导电剂、0.1～5份粘结剂。
作为本发明一种发泡涂层的一种改进，所述发泡剂为偶氮化合物、磺酰肼类化合物、亚硝基化合物、碳酸钠或碳酸氢钠中的一种或两种以上混合物。
作为本发明一种发泡涂层的一种改进，所述发泡剂的粒径为0.02～10μm，发气量＞100ml/g。
作为本发明一种发泡涂层的一种改进，所述发泡涂层的厚度为1.0～9.0μm。
作为本发明一种发泡涂层的一种改进，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠盐、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、有机硅树脂、环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和丙烯腈多元共聚物中的至少一种。
作为本发明一种发泡涂层的一种改进，所述发泡涂层的电阻值为0.1～2Ω。
作为本发明一种发泡涂层的一种改进，所述发泡涂层的发泡起始温度为130℃-300℃。
作为本发明一种发泡涂层的一种改进，所述发泡涂层的剥离强度大于10N/m。
其中，所述电极材料可以包括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。
其中，所述电极材料也可以包括石墨、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，所述导电剂为导电碳、碳纳米管、活性炭、科琴黑、乙炔黑、石墨烯、石墨片、石墨颗粒、碳纤维和中间碳微球中的至少一种。
本发明的目的之二在于：针对现有技术的不足，而提供一种极片，具有良好的机械强度，有效解决外物导致极片失效的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种极片，其特征在于：包括集流体和发泡涂层，所述集流体至少一面设置有发泡涂层，所述发泡涂层为上述的发泡涂层。
本发明的目的之三在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池，具有良好的机械强度，有效解决外物导致热失效的问题，使用寿命长，安全性好。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜以及电解液，所述隔膜用于分隔所述正极片和所述负极片，所述正极片和/或所述负极片为上述的极片。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明设计的发泡涂层具有电极材料、发泡剂、导电剂和粘结剂，既能够增加极片的机械强度，也能够被外物刺穿时，进行发泡膨胀包裹集针、尖锐物体或箔材，从而保护电芯抑制其内部短路从而阻止发热，增加针刺通过率及电芯使用安全；而且此发泡涂层在锂离子电池中，在电芯滥用及异常发热的情况下，发泡涂层中的发泡材料可在相应温度下产气，冲开电芯防止电芯进一步发热爆炸；同时，该发泡涂层具有易清洗的特点，能够应用锂电池极耳中置结构或其他多极耳结构下，方便激光清洗小槽位，减少极耳出现虚焊的不良情况。本发明的发泡涂将电极材料、发泡剂、导电剂和粘结剂结合在一起，避免了极片在涂覆活性材料层后再次涂覆发泡涂层的重复操作，简化工艺，节省原料，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明的极片的结构示意图之一。
图2是本发明的极片的结构示意图之二。
图3是本发明的极片的结构示意图之三。
其中：1、集流体；2、发泡涂层；3、活性物质层。
具体实施方式
1、一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：70～90份电极材料、0.1～20份发泡剂、0.1～5份导电剂、0.1～5份粘结剂。
本发明设计的发泡涂层2具有电极材料、发泡剂、导电剂和粘结剂，既能够增加极片的机械强度，也能够被外物刺穿时，进行发泡膨胀包裹集针、尖锐物体或箔材，从而保护电芯抑制其内部短路从而阻止发热，增加针刺通过率及电芯使用安全；而且此发泡涂层2在锂离子电池中，在电芯滥用及异常发热的情况下，发泡涂层2中的发泡材料可在相应温度下产气，冲开电芯防止电芯进一步发热爆炸；同时，该发泡涂层2具有易清洗的特点，能够应用锂电池极耳中置结构或其他多极耳结构下，方便激光清洗小槽位，减少极耳出现虚焊的不良情况。
优选地，所述发泡剂为偶氮化合物、磺酰肼类化合物、亚硝基化合物、碳酸钠或碳酸氢钠中的一种或两种以上混合物。本发明的发泡剂形成的发泡材料具有起泡温度低的特点，当极片短路发热导致温度上升时，当温度达到130℃时即反应进行发泡，在电芯热失效早期将火势熄灭，避免火势的进一步蔓延。
优选地，所述发泡剂的粒径为0.02～10μm，发气量＞100ml/g。控制发泡剂形成的发泡材料的粒径，使发泡材料均匀地分散到发泡涂层2中，当粒径过小时，反应产生的发气量较小，当粒径过大时，容易混合不均匀，初使发气量较小。
优选地，所述发泡涂层2的厚度为1.0～9.0μm。当发泡涂层2厚度过薄，降低发泡涂层2的机械强度，当发泡涂层2的厚度过厚，不利于离子的移动。
优选地，所述导电剂为导电碳、碳纳米管、活性炭、科琴黑、乙炔黑、石墨烯、石墨片、石墨颗粒、碳纤维和中间碳微球中的至少一种。使用上述导电剂能够增加发泡涂层2的导电剂，降低电阻。
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠盐、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、有机硅树脂、环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和丙烯腈多元共聚物中的至少一种。使用上述粘结剂能够使电极材料、发泡剂牢固地粘附近在电极表面，防止出现脱落的情况。
优选地，所述发泡涂层2的电阻值为0.1～2Ω。本发明的发泡涂层2添加有导电剂，具有良好的导电效果，因此具有较低的电阻值。
优选地，所述发泡涂层2的发泡起始温度为130℃-300℃。本发明的发泡涂层2具有较低的发泡温度，具有发泡反应速度快的优点，安全性好。
优选地，所述发泡涂层2的剥离强度大于10N/m。本发明的发泡涂层2具有良好的剥离强度，不易剥离，粘结牢固。
其中，所述电极材料可以包括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。
其中，所述电极材料也可以包括石墨、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，所述导电剂为导电碳、碳纳米管、活性炭、科琴黑、乙炔黑、石墨烯、石墨片、石墨颗粒、碳纤维和中间碳微球中的至少一种。
2、一种极片，包括集流体1和发泡涂层2，所述集流体1至少一面设置有发泡涂层2，所述发泡涂层2为上述的发泡涂层2。如图1所示，本发明的一种极片，具有良好的机械强度，有效解决外物导致极片失效的问题。如图2和图3所示也可以在本发明极片的表面，即在发泡涂层2的表面设置活性物质层3，从而增加极片的电化学性能。
3、一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜以及电解液，所述隔膜用于分隔所述正极片和所述负极片，所述正极片和/或所述负极片为上述的极片。本发明的一种锂离子电池，具有良好的机械强度，有效解决外物导致热失效的问题，使用寿命长，安全性好。
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
1、一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜以及电解液，所述隔膜用于分隔所述正极片和所述负极片，所述正极片为上述的极片。
2、一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：70份电极材料、10份发泡剂、2份导电剂、2份粘结剂。其中，所述发泡材料为偶氮化合物。发泡材料的粒径为0.02μm，发气量＞100ml/g。所述导电剂为碳纳米管。所述粘结剂为聚偏氟乙烯。所述电极材料为LiCoO2。
3、一种极片，包括集流体1和发泡涂层2，所述发泡涂层2设置有集流体1一面，所述发泡涂层2为上述的发泡涂层2。将上述发泡涂层2的原料混合形成固含量为50％的发泡浆料，将发泡浆料涂覆在集流体1表面，干燥固化形成，裁剪制得正极片。
4、负极片的制备
将硅碳负极活性物质与导电剂超导碳、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘结剂丁苯橡胶按质量比96.5:1.0:1.0:1.5制成负极浆料，涂布在集流体1铜箔上并在85℃下烘干收卷后，再在铜箔另一面按上述方法进行正极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铜箔双面涂有负极活性物质层3的极片进行冷压、切边、裁片、分条，分条后制成锂离子电池负极片。
5、隔膜：选取厚度为7μm的聚乙烯多孔薄膜作为隔膜。
6、电解液的制备：
将六氟磷酸锂(LiPF6)溶解于碳酸二甲酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)混合溶剂中(三者的质量比为3:5:2)，得到电解液。
7、电池的制备：
将上述正极片、隔膜和负极片卷绕成电芯，电芯容量约为5Ah。隔膜位于相邻的正极片和负极片之间，正极以铝极耳点焊引出，负极以镍极耳点焊引出；然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入上述电解液，经封装、化成、分容等工序，最后制成聚合物锂离子电池。
实施例2
与实施例1不同之处在于：2、一种发泡涂层2。
一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：80份电极材料、12份发泡剂、3份导电剂、5份粘结剂。其中，所述发泡材料为亚硝基化合物。发泡材料的粒径为5μm，发气量＞100ml/g。所述导电剂为石墨烯。所述粘结剂为羧甲基纤维素钠盐。所述电极材料为LiNiO2。
其余与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同之处在于：2、一种发泡涂层2。
一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：90份电极材料、18份发泡剂、5份导电剂、1份粘结剂。其中，所述发泡材料为偶氮化合物。发泡材料的粒径为8μm，发气量＞100ml/g。所述导电剂为碳纳米管。所述粘结剂为聚乙烯醇。所述电极材料为LiCoPO4。
其余与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例4
与实施例1不同之处在于：2、一种发泡涂层2。
一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：70份电极材料、0.1份发泡剂、0.1份导电剂、0.1份粘结剂。其中，所述发泡材料为碳酸钠。发泡材料的粒径为2μm，发气量＞100ml/g。所述导电剂为科琴黑。所述粘结剂为丁苯橡胶。所述电极材料为LiFePO4。
其余与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例5
与实施例1不同之处在于：2、一种发泡涂层2。
一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：76份电极材料、6份发泡剂、1份导电剂、3份粘结剂。其中，所述发泡材料为碳酸氢钠。发泡材料的粒径为6μm，发气量＞100ml/g。所述导电剂为碳纤维。所述粘结剂为聚丙烯酸酯。所述电极材料为LiCrO2。
其余与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例6
与实施例1不同之处在于：2、一种发泡涂层2。
一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：85份电极材料、11份发泡剂、3份导电剂、1份粘结剂。其中，所述发泡材料为碳酸氢钠和碳酸钠按质量份数比为1:1的混合物。发泡材料的粒径为6μm，发气量＞100ml/g。所述导电剂为碳纤维和石墨烯按质量份数比为1：0.5的混合物。所述粘结剂为聚丙烯酸酯。所述电极材料为LiFePO4。
其余与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例7
与实施例1不同之处在于：2、一种发泡涂层2。
一种发泡涂层2，包括以下重量份数比的原料：74份电极材料、8份发泡剂、0.5份导电剂、2份粘结剂。其中，所述发泡材料为偶氮化合物。发泡材料的粒径为6μm，发气量＞100ml/g。所述导电剂为中间碳微球。所述粘结剂为聚丙烯酸酯。所述电极材料为Li2NiMn3O8。
其余与实施例1相同，这里不再赘述。
对比例1
1、一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜以及电解液，所述隔膜用于分隔所述正极片和所述负极片。
2、正极片的制备：
将NCM811正极活性物质、导电剂超导碳和碳管、粘结剂聚偏氟乙烯按质量比96:2.0:0.5:1.5混合均匀制成正极浆料，将正极浆料涂布在集流体1铝箔的一表面上，在85℃下烘干收卷后，再在铝箔另一面按上述方法进行正极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铝箔双面涂有正极活性物质层3的极片进行冷压处理；进行切边、裁片、分条，分条后，制成锂离子电池正极片。
3、负极片的制备：
将硅碳负极活性物质与导电剂超导碳、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘结剂丁苯橡胶按质量比96.5:1.0:1.0:1.5制成负极浆料，涂布在集流体1铜箔上并在85℃下烘干收卷后，再在铜箔另一面按上述方法进行正极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铜箔双面涂有负极活性物质层3的极片进行冷压处理；进行切边、裁片、分条，分条后制成锂离子电池负极片。
其余同实施例1，这里不再赘述。
性能测试
将实施例1-7以及对比例1制备出的电池进行针刺测试，针刺测试具体为：在(25±5)℃的测试环境中，将电池满充至4.2V(100％SOC)，用直径φ3mm的耐高温钢针(针尖的圆锥角度为45°-60°，针的表面光洁、无锈蚀、氧化层及油污)，以(25±5)mm/s的速度，从垂直于电池大面方向贯穿，贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心，钢针停留在电芯中。观察电池是否冒烟、起火，并记录电池的表面温升和电压降。测试结果见表1。
表1
是否冒烟 是否起火 平均温升(℃) 平均电压降(V) 通过针刺电池数量/电池总数量
实施例1 否 否 1 0.03 10/10
实施例2 否 否 45 0.76 10/10
实施例3 否 否 38 0.68 10/10
实施例4 否 否 55 0.88 10/10
实施例5 否 否 12 0.30 10/10
实施例6 否 否 16 0.42 10/10
实施例7 否 否 17 0.48 10/10
对比例1 是 是 516 4.2 0/10
由上述表1的实验结果中可以看出，采用本发明发泡涂层2制备的锂离子电池，在进行针刺检测时电池不冒烟、不起火、不爆炸，但对比例1中的锂离子电池没有设置安全涂层，出现了电池冒烟、起火的情形，且基本都没有通过针刺实验。这主要是因为本发明的安全涂层有效抑制了电池的温升，且电压基本保持稳定，没有过多的电压波动。此外，因安全涂层还具有良好的韧性和机械强度，本发明测试的锂离子电池也基本都通过了针刺实验，有效地避免电池热失控的问题，更好的保护了极片的安全。
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 (10)

1.一种发泡涂层，其特征在于：包括以下重量份数比的原料：70～90份电极材料、0.1～20份发泡剂、0.1～5份导电剂、0.1～5份粘结剂。
2.根据权利要求1所述的发泡涂层，其特征在于：所述发泡剂为偶氮化合物、磺酰肼类化合物、亚硝基化合物、碳酸钠或碳酸氢钠中的一种或两种以上混合物。
3.根据权利要求2所述的发泡涂层，其特征在于：所述发泡剂的粒径为0.02～10μm，发气量＞100ml/g。
4.根据权利要求1所述的发泡涂层，其特征在于：所述发泡涂层的厚度为1.0～9.0μm。
5.根据权利要求1所述的发泡涂层，其特征在于：所述粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠盐、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、有机硅树脂、环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和丙烯腈多元共聚物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的发泡涂层，其特征在于：所述发泡涂层的电阻值为0.1～2Ω。
7.根据权利要求1所述的发泡涂层，其特征在于：所述发泡涂层的发泡起始温度为130℃-300℃。
8.根据权利要求1所述的发泡涂层，其特征在于：所述发泡涂层的剥离强度大于10N/m。
9.一种极片，其特征在于：包括集流体和发泡涂层，所述集流体至少一面设置有发泡涂层，所述发泡涂层为权利要求1-8中任一项所述的发泡涂层。
10.一种锂离子电池，其特征在于：包括正极片、负极片、隔膜以及电解液，所述隔膜用于分隔所述正极片和所述负极片，所述正极片和/或所述负极片为权利要求9中所述的极片。
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