CN114335905A - 一种锂离子电芯及其制备方法 - Google Patents

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邢诗娜
郭妍奇
潘凌波
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Abstract

本发明涉及一种锂离子电芯及其制备方法，所述锂离子电芯包括正极、负极和隔膜，所述隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，针刺强度≥800gf，热收缩率≤4％，所述负极采用的负极集流体为打孔铜箔；本发明所述锂离子电芯采用上述隔膜和负极集流体相结合，其能明显提高锂离子电芯的机械稳定性，其经过机械破坏性测试的合格率明显提高，同时提高了电芯的安全性。

Description

一种锂离子电芯及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及一种锂离子电芯及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量高、使用寿命长、高功率承受力、自放电比率低、重量轻、绿色环保等优点，其在各方面应用领域很广；目前，锂电池广泛应用于数码产品、电动工具、电动自行车及电动汽车上，其能量密度随着各种材料技术的进步及工艺的提升而不断增高。高能量密度的锂电池对安全性的要求非常苛刻；而目前18650圆柱电池在机械破坏性测试方面的合格率依然很低，机械破坏性测试主要包括重物冲击、挤压、过充、短路等。测试合格率低的主要原因是电池材料中隔膜在破坏性测试时易开裂，导致正负极片接触。隔膜破裂后，正负极片接触点为铝箔与负极涂膜接触及正极涂膜对负极涂膜接触，其中负极涂膜与铝箔接触时接触电阻较小，电流很大，迅速产热。而盖帽开启压力较大，当电池内部短路迅速发生各种化学反应产气，盖帽安全阀还未冲开时，电池温度已升至电池热失效温度，进而发生爆炸。
CN205609680U一种改善重物冲击性能的圆柱形锂离子电池，包括：钢壳、盖帽和电芯，电芯由隔膜、正极片、负极片组成，正极片上设有正极耳，负极片上设有负极耳，电芯的中心设有中心管，所述的正极片和负极片的尾部均设有空箔马甲结构，并且空箔马甲的长度可围绕卷芯外圈一周；所述的安全阀破裂压力为1.1-1.5兆帕，所述的中心管为无缝钢管；此方案仅通过对极片添加空箔马甲的方式来降低爆炸的几率。CN109256580A公开了一种改善重物冲击性能的软包锂离子电池及其制备方法，包括相互卷绕的正极片和负极片，所述正极片由正极集流体和涂覆在集流体表面的正极活性料层组成，所述负极片由负极集流体以及涂覆在集流体上的负极活性料层组成，所述正极片和负极片中间设置有隔离膜，所述隔离膜厚度为8～12um，中间层的所述正极片和负极片之间、以及上下最外层的正极片和负极片之间分别插入有与极片大小相当的热熔胶片。所述与热熔胶相接触的正负极均不涂覆活性料层；此方案在正负极之间插入热熔胶片，在电芯受到重物冲击时，热熔胶使正负极片和隔膜粘结在一起，使电芯不易砸断，从而降低爆炸的几率，但是会存在热熔胶与电解液反应生成副反应物质，进而影响电芯其余性能的隐患。
因此，开发一种经机械破坏性测试具有较高合格率的锂离子电芯及其制备方法仍具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电芯及其制备方法，所述锂离子电芯包括正极、负极和隔膜，所述隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，针刺强度≥800gf，热收缩率≤4％；本发明所述锂离子电芯采用上述隔膜，其能明显提高锂离子电芯的机械稳定性，其经过机械破坏性测试的合格率明显提高，提高了电芯的安全性，且不影响电芯性能。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种锂离子电芯，所述锂离子电芯包括正极、负极和隔膜，所述隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，例如2100Kgf/cm2、2300Kgf/cm2、2500Kgf/cm2、2700Kgf/cm2或3000Kgf/cm2等，针刺强度≥800gf，例如820gf、850gf、880gf或900gf等；热收缩率≤4％，例如3.5％、3％、2.5％、2％、1.5％、1％或0.5％等，所述负极采用的负极集流体为打孔铜箔。
本发明所述锂离子电芯采用上述特定隔膜同时结合打孔铜箔作为负极集流体，其能提高电芯能量密度，提高锂离子电芯的机械稳定性，提高其经机械破坏的合格率，同时改善电芯的散热性能，降低爆炸的风险；本发明所述锂离子电芯采用上述隔膜，并采用打孔铜箔作为负极集流体，进而达到了在改善锂离子电芯机械性能的同时，强化散热，降低锂离子电芯的爆炸风险。此处所述机械破坏性测试指的是重物冲击、挤压、针刺。
优选地，所述打孔铜箔上的孔的形状为圆形。
优选地，所述打孔铜箔上孔的直径为10-50um，例如10um、15um、20um、25um、30um、35um、40um、45um或50um等。
优选地，所述打孔铜箔上孔的总面积占比为10-30％，例如10％、15％、20％、25％、27％、28％或30％等。
此处所述打孔铜箔上孔的总面积占比在上述范围内，其既能保持较高的机械稳定性，同时改善电芯散热，提高安全性。
优选地，所述锂离子电芯还包括壳体。
优选地，所述壳体的材质为钢壳。
优选地，所述钢壳的壁厚为0.18-2.5mm，例如0.18mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.7mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm或2.5mm等。
本发明所述锂离子电芯采用上述厚度的钢壳，强化壳体的抗冲击力，与上述隔膜和打孔铜箔相结合，有利于在提高锂离子电芯的机械稳定性的同时，提高其安全性。
优选地，所述隔膜的热收缩率横向≤2％，例如1.8％、1.5％、1.2％、1％、0.8％或0.5％等。
优选地，所述隔膜的材质为PE隔膜。
优选地，所述锂离子电芯包括正极、负极和隔膜，所述隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的在2000-2200Kgf/cm2范围内，针刺强度为800-1000gf；热收缩率为1％-3％。隔膜的横向抗拉强度例如可以为2000Kgf/cm2、2050Kgf/cm2、2100Kgf/cm2、2150Kgf/cm2或2200Kgf/cm2等；隔膜的纵向抗拉强度例如可以为2000Kgf/cm2、2050Kgf/cm2、2100Kgf/cm2、2150Kgf/cm2或2200Kgf/cm2等；针刺强度例如可以为800gf、810gf、820gf、830gf、850gf、900gf、950gf或1000gf等；热收缩率例如可以为1％、1.5％、2％、2.5％或3％等。
优选地，所述负极还包括负极活性物质、粘结剂和导电剂。
优选地，所述负极活性物质为石墨。
优选地，所述负极中的粘结剂为羧甲基纤维素钠。
优选地，所述负极中的导电剂为导电炭黑。
优选地，所述负极中负极活性物质、粘结剂和导电剂的质量比为(95-97.5)：(1.5-3.0)：(1.0-2.0)。
优选地，所述正极包括正极集流体和位于所述正极集流体表面的正极活性物质层。
优选地，所述正极集流体包括铝箔。
优选地，所述正极活性物质层中包括正极活性物质、粘结剂、导电剂和添加剂，所述添加剂包括碳酸锂。
优选地，所述正极活性物质包括镍钴锰酸锂、钴酸锂或镍钴铝酸锂中的至少一种。
优选地，所述正极活性物质层中的粘结剂包括聚偏氟乙烯。
优选地，所述正极活性物质层中的导电剂包括碳纳米管。
优选地，所述正极活性物质层中的正极活性物质、粘结剂、导电剂和添加剂的质量比为(96-98)：(1-1.5)：(1-1.5)：(0.3-1)，其中，正极活性物质的选择范围(96-98)例如96、97、97.5或98等，粘结剂的选择范围(1-1.5)例如1、1.2、1.3、1.4或1.5等，导电剂剂的选择范围(1-1.5)例如1、1.2、1.3、1.4或1.5等，添加剂的选择范围例如0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1或1.5等。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的锂离子电芯的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)制备正极浆料和负极浆料；
(2)将正极浆料涂覆在正极集流体上，得到正极；
(3)将负极浆料涂覆在打孔铜箔上，得到负极；
(4)将步骤(2)中的正极、步骤(3)中的负极和隔膜进行卷绕，得到极组，之后经后处理，得到锂离子电芯；
其中，步骤(4)中隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，例如2100Kgf/cm2、2300Kgf/cm2、2500Kgf/cm2、2700Kgf/cm2或3000Kgf/cm2等，针刺强度≥800gf，例如820gf、850gf、870gf或900gf等，热收缩率≤4％，例如3.5％、3％、2.5％、2％、1.5％或1％等。
优选地，步骤(2)中涂覆之后还包括烘干、碾压、分切和制片。
优选地，步骤(3)中涂覆之后还包括烘干、碾压、分切和制片。
优选地，步骤(4)中的后处理包括将极组入壳、注液和封口。
优选地，所述封口之后还包括预充、化成、老化和分容。
作为本发明优选的技术方案，所述锂离子电芯的制备方法包括以下步骤：
(1)制备正极浆料和负极浆料，具体包括以下步骤：
将正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂和添加剂加入正极匀浆罐中，搅拌分散，得到正极浆料；
将负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂加入负极匀浆罐中，搅拌分散，得到负极浆料；
(2)将正极浆料涂覆在铝箔上，经烘干、碾压，分切和制片，得到正极；
(3)将负极浆料涂覆在打孔铜箔上，经烘干、碾压、分切和制片，得到负极；
(4)将步骤(2)中的正极、步骤(3)中的负极和隔膜进行卷绕，得到极组，之后将极组入壳，注液和封口，得到锂离子电芯；
其中，步骤(4)中隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，针刺强度≥800gf；热收缩率纵向MD≤4％，热收缩率横向≤2％；所述入壳采用的钢壳的中间壁厚为0.18-0.25mm。
本发明所述锂离子电芯为18650锂离子电池。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所述锂离子电芯采用横向和纵向抗拉强度各自独立的≥≥2000Kgf/cm2，针刺强度≥800gf，且热收缩率≤4％的隔膜，其能明显改善电芯的机械性能，提高锂离子电芯经机械破坏性测试的合格率。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例所述锂离子电芯的隔膜的材质为PE，厚度16um±0.5um，其横向抗拉强度为2000Kgf/cm2，其纵向抗拉强度为2200Kgf/cm2；针刺强度为850gf；热收缩率纵向为2％，热收缩率横向为1％。
所述负极包括负极集流体、负极活性物质、粘结剂和导电剂；
负极集流体为打孔铜箔，所述孔的形状为圆形，直径为35um，所述孔的总面积占比为20％；
负极活性物质为石墨，粘结剂为羧甲基纤维素钠，导电剂为导电炭黑；负极活性物质、粘结剂和导电剂的质量比为95：3.0：2.0；
所述正极包括正极集流体、正极活性物质、粘结剂、导电剂和添加剂；
所述正极集流体为铝箔，正极活性物质为镍钴锰酸锂NCM811，粘结剂为聚偏氟乙烯，导电剂为碳纳米管，添加剂为碳酸锂，所述正极活性物质、粘结剂、导电剂和添加剂的质量比为97：1.2：1.5：0.3；；
所述壳体采用壁厚为0.22mm的钢壳；
本实施例所述锂离子电池中的电解液包括以下组分：
Figure BDA0003447355540000071
其中，溶剂包括EC、EMC和DMC，且按照质量比计，EC:EMC:DMC＝2:1:7。
所述锂离子电芯的制备方法：
(1)制备正极浆料和负极浆料，具体包括以下步骤：
将正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂和添加剂加入正极匀浆罐中，搅拌分散，得到正极浆料；
将负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂加入负极匀浆罐中，搅拌分散，得到负极浆料；
(2)将正极浆料涂覆在铝箔上，经烘干、碾压，分切和制片，得到正极；
(3)将负极浆料涂覆在打孔铜箔上，经烘干、碾压、分切和制片，得到负极；
(4)将步骤(2)中的正极、步骤(3)中的负极和隔膜进行卷绕，得到极组，将极组入壳，注液和封口，之后进行预充、化成、老化和分容，得到锂离子电芯。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，钢壳的厚度替换为0.16mm，其他条件与实施例1相比完全相同。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，本实施例所述锂离子电芯的隔膜的材质为PE，其横向抗拉强度为1890Kgf/cm2，其纵向抗拉强度为2012Kgf/cm2；针刺强度为835gf；热收缩率纵向为2％，热收缩率横向为2％；其他条件与实施例1相比完全相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，本实施例所述锂离子电芯的隔膜的材质为PP，其横向抗拉强度为1580Kgf/cm2，其纵向抗拉强度为1978Kgf/cm2；针刺强度为800gf；热收缩率纵向为4％，热收缩率横向为4％；其他条件与实施例1相比完全相同。
对实施例1-2和对比例1-2中制备得到的锂离子电芯进行机械破坏性测试，其测试方法为试验样品电池要放在一平面上。一根直径15.8mm的棒十字交叉放置在样品的中心位置上。一个9.1KG的重物从610mm的高度跌落到样品上。每个样品电池只要承受一次冲击，每次试验要使用不同的样品。通过从不一同的高度的不同的重锤和不同的受力面积测试电池的安全性能，按规定进行试验，电池应不起火、不爆炸。上述测试结果如表1所示；
表1
平均合格率％
实施例1 98
实施例2 84
对比例1 30
对比例2 35
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电芯，其特征在于，所述锂离子电芯包括正极、负极和隔膜，所述隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，针刺强度≥800gf；热收缩率≤4％，所述负极采用的负极集流体为打孔铜箔。
2.如权利要求1所述的锂离子电芯，其特征在于，所述打孔铜箔上的孔的形状为圆形；
优选地，所述打孔铜箔上孔的直径为10-50um；
优选地，所述打孔铜箔上孔的总面积占比为10-30％。
3.如权利要求1或2所述的锂离子电芯，其特征在于，所述锂离子电芯还包括壳体；
优选地，所述壳体的材质为钢壳；
优选地，所述钢壳的壁厚为0.18-0.22mm。
4.如权利要求1-3任一项所述的锂离子电芯，其特征在于，所述隔膜的热收缩率横向≤2％；
优选地，所述隔膜的材质为PE隔膜；
优选地，所述锂离子电芯包括正极、负极和隔膜，所述隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的在2000-2200Kgf/cm2范围内，针刺强度800-1000gf，热收缩率≤1-3％。
5.如权利要求1-4任一项所述的锂离子电芯，其特征在于，所述负极还包括负极活性物质、粘结剂和导电剂。
6.如权利要求1-5任一项所述的锂离子电芯，其特征在于，所述正极包括正极集流体和位于所述正极集流体表面的正极活性物质层；
优选地，所述正极集流体包括铝箔；
优选地，所述正极活性物质层中包括正极活性物质、粘结剂、导电剂和添加剂，所述添加剂包括碳酸锂；优选地，所述正极活性物质层中的正极活性物质、粘结剂、导电剂和添加剂的质量比为(96-98)：(1-1.5)：(1-1.5)：(0.3-1)。
7.如权利要求1-6任一项所述的锂离子电芯的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备正极浆料和负极浆料；
(2)将正极浆料涂覆在正极集流体上，得到正极；
(3)将负极浆料涂覆在打孔铜箔上，得到负极；
(4)将步骤(2)中的正极、步骤(3)中的负极和隔膜进行卷绕，得到极组，之后经后处理，得到锂离子电芯；
其中，步骤(4)中隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，针刺强度≥800gf；热收缩率≤4％。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中涂覆之后还包括烘干、碾压、分切和制片；
优选地，步骤(3)中涂覆之后还包括烘干、碾压、分切和制片。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的后处理包括将极组入壳、注液和封口；
优选地，所述封口之后还包括预充、化成、老化和分容。
10.如权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备正极浆料和负极浆料，具体包括以下步骤：
将正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂和添加剂加入正极匀浆罐中，搅拌分散，得到正极浆料；
将负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂加入负极匀浆罐中，搅拌分散，得到负极浆料；
(2)将正极浆料涂覆在铝箔上，经烘干、碾压，分切和制片，得到正极；
(3)将负极浆料涂覆在打孔铜箔上，经烘干、碾压、分切和制片，得到负极；
(4)将步骤(2)中的正极、步骤(3)中的负极和隔膜进行卷绕，得到极组，之后将极组入壳，注液和封口，得到锂离子电芯；
其中，步骤(4)中隔膜的横向和纵向抗拉强度各自独立的≥2000Kgf/cm2，针刺强度≥800gf；热收缩率纵向MD≤4％，热收缩率横向≤2％；所述入壳采用的钢壳的中间壁厚为0.18-2.5mm。
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