CN114678527A - 一种电池 - Google Patents

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CN114678527A CN202210277133.8A CN202210277133A CN114678527A CN 114678527 A CN114678527 A CN 114678527A CN 202210277133 A CN202210277133 A CN 202210277133A CN 114678527 A CN114678527 A CN 114678527A
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Abstract

本发明提供一种电池，包括电芯、电解液和铝塑膜，所述铝塑膜包括相对设置的上膜和下膜，所述上膜和所述下膜相连接形成容置腔，所述电芯和所述电解液设置于所述容置腔中；所述电解液包括非水有机溶剂、添加剂和锂盐，其中，所述锂盐包括六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂。本发明实施例通过使用六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂作为锂源，双氟磺酰亚胺锂不与水反应生成氢氟酸，能够有效的减少氢氟酸的含量，减缓包装膜的老化，从而延长电池的使用寿命。

Description

一种电池
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种电池。
背景技术
锂电池是一种具有高能量密度和循环性能的储能装置，被广泛使用于移动电子产品和新能源车辆等领域。软包锂电池是锂电池的一大类型，在相关技术中，软包锂电池使用铝塑膜进行封装。但锂电池内的电解液中含有六氟磷酸锂(LiPF6)的锂盐，会与渗入锂电池内部的水汽发生反应生成氢氟酸(HF)，加速铝塑膜的老化，进而导致锂电池的使用寿命较短。
可见，相关技术中存在着锂电池的使用寿命较短的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种电池，以解决相关技术中存在着锂电池的使用寿命较短的问题。
为达到上述目的，本发明实施例提供一种电池，其特征在于，包括电芯、电解液和铝塑膜，所述铝塑膜包括相对设置的上膜和下膜，所述上膜和所述下膜相连接形成容置腔，所述电芯和所述电解液设置于所述容置腔中；
所述电解液包括非水有机溶剂、添加剂和锂盐，其中，所述锂盐包括六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂(LiFSi)。
作为一种可选的实施方式，所述上膜和所述下膜相连接位置形成封边，包括顶封边和侧封边，所述六氟磷酸锂的含量、所述双氟磺酰亚胺锂的含量、所述顶封边的宽度和所述侧封边的宽度之间的关系为：
Figure BDA0003556295250000011
其中，所述A1为所述六氟磷酸锂在所述电解液中的质量分数，所述A2为所述双氟磺酰亚胺锂在所述电解液中的质量分数，所述W1为所述顶封边的宽度，所述W2为所述侧封边的宽度，所述x1为不大于0.2的常数。
作为一种可选的实施方式，所述顶封边的宽度、所述侧封边和所述封边的封装最小封装强度之间的关系为：
L＝x2+x3×min(W1,W2)
其中，所述L为所述封边的封装最小封装强度，所述x2为16.45，所述x3为14.12。
作为一种可选的实施方式，所述六氟磷酸锂的含量、所述双氟磺酰亚胺锂的含量和所述封边的封装最小封装强度之间的关系为：
Figure BDA0003556295250000021
其中，所述x4为不大于0.006的常数。
作为一种可选的实施方式，所述六氟磷酸锂的含量和所述双氟磺酰亚胺锂的含量之间的关系包括：
A1+A2≥x5
A1-A2≤x6
其中，所述x5为12％，所述x6为16％。
作为一种可选的实施方式，所述六氟磷酸锂的含量和所述双氟磺酰亚胺锂的含量之间的关系还包括：
Figure BDA0003556295250000022
其中，所述x7为0.01。
作为一种可选的实施方式，所述A1的范围为0.1-30％，所述A2的范围为0.1-30％。
作为一种可选的实施方式，所述W1不小于预设值Y，其中，所述Y满足：
Figure BDA0003556295250000023
其中，所述H为所述封边的厚度，所述x8、x9、x10和x11均为常数。
作为一种可选的实施方式，所述x8的范围为0.001-0.01，所述x9的范围为0.001-0.01，所述x10的范围为0.001-0.01，所述x11的范围为0.001-0.01。
作为一种可选的实施方式，所述添加剂包括苯乙烯，所述苯乙烯在所述电解液中的质量分数为0.1-1％。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明实施例通过使用六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂作为锂源，双氟磺酰亚胺锂不与水反应生成氢氟酸，能够有效的减少氢氟酸的含量，减缓包装膜的老化，从而延长电池的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种电池的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电池的顶封边和侧封边的示意图；
图3是本发明实施例提供的封边宽度和封边强度的关系图；
图4是本发明实施例提供的顶封边的宽度和侧封边的宽度的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。
请参考图1，如图1所示，本发明实施例提供一种电池，其特征在于，包括电芯10、电解液20和铝塑膜，铝塑膜包括相对设置的上膜和下膜，上膜和下膜相连接形成容置腔，电芯10和电解液20设置于容置腔中；
电解液20包括非水有机溶剂、添加剂和锂盐，其中，锂盐包括六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂。
在本实施例中，六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂同时作为锂源进行电循环，其中的双氟磺酰亚胺锂不与水发生副反应生成氢氟酸，能够有效的降低电池内氢氟酸的含量，从而减缓电池包装膜的老化，延长电池的使用寿命。
具体的，导电盐中的六氟磷酸锂具有优秀的电循环性能，但六氟磷酸锂会与水发生如下副反应：
LiPF6+2H2O→LiPO2F2+4HF；
LiPF6→LiF+PF5；
PF5+H2O→POF3+2HF。
在发生上述副反应之后，电池内产生氢氟酸，氢氟酸腐蚀电池的铝塑膜，加速了铝塑膜的老化速度。另外，产生氢氟酸将增加电池内部的压力，使电池的铝塑膜封装受到拉伸应力，拉伸应力过大时将造成电池的失效。
另外，铝塑膜包括外层、中间层和内层。其中，外层为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇脂或复合物，中间层为铝材料，内层为聚丙烯或改性复合物。在封装过程中上膜和下膜的内层熔融为一层进行封装固定，但内层的材料容易与电解液20副反应产生的氢氟酸腐蚀，造成电池的铝塑膜加速老化降低寿命。
为有效的减少可能产生的氢氟酸的含量，本发明实施例通过将双氟磺酰亚胺锂作为锂源代替部分六氟磷酸锂，从而减少可能产生的氢氟酸，延长电池的使用寿命。
作为一种可选的实施方式，如图2所示，上膜和下膜相连接位置形成封边30，包括顶封边30130和侧封边30230，六氟磷酸锂的含量、双氟磺酰亚胺锂的含量、顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度之间的关系为：
Figure BDA0003556295250000041
其中，A1为六氟磷酸锂在电解液20中的质量分数，A2为双氟磺酰亚胺锂在电解液20中的质量分数，W1为顶封边30130的宽度，W2为侧封边30230的宽度，x1为不大于0.2的常数。
在本实施例中，在不同的双氟磺酰亚胺锂和六氟磷酸锂的含量下产生氢氟酸的含量不同，需要对顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度设计要求也不一致。在六氟磷酸锂的含量较小的情况下，产生氢氟酸的含量较少，顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度可以设计为较小；在六氟磷酸锂的含量较大的情况下，产生氢氟酸的含量较多，顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度可以设计为较大。故在本发明实施例中，在满足条件的情况下，电池能够在设计寿命15年内正常使用。
其中，A1、A2的单位为质量百分比，W1、W2的单位为mm。
作为一种可选的实施方式，顶封边30130的宽度、侧封边30230和封边30的封装最小封装强度之间的关系为：
L＝x2+x3×min(W1,W2)
其中，L为封边30的封装最小封装强度，x2为16.45，x3为14.12。
在本实施例中，封装强度和封印宽度之间有近似线性关系，但由于封装宽度在工程工艺中存在一定的加工误差，通过封装强度可以获得较好的分析出最佳的六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂的含量。如图3所示，通过实验拟合获得封装强度和封印宽度之间的关系，其中虚线为95％的置信区间，拟合优度R2＝0.8。通过图示可知封装强度和封印宽度之间的关系如上述公式。
其中，L的单位为N/15mm。
作为一种可选的实施方式，六氟磷酸锂的含量、双氟磺酰亚胺锂的含量和封边30的封装最小封装强度之间的关系为：
Figure BDA0003556295250000051
其中，x4为不大于0.006的常数。
在本实施例中，在不同的双氟磺酰亚胺锂和六氟磷酸锂的含量下产生氢氟酸的含量不同，需要对顶封边30130的宽度和侧封边30230的封装强度设计要求也不一致。在六氟磷酸锂的含量较小的情况下，产生氢氟酸的含量较少，顶封边30130的宽度和侧封边30230的封装强度可以为较小；在六氟磷酸锂的含量较大的情况下，产生氢氟酸的含量较多，顶封边30130的宽度和侧封边30230的封装强度可以较大。故在本发明实施例中，在满足上述条件的情况下，电池能够在设计寿命15年内正常使用。
作为一种可选的实施方式，六氟磷酸锂的含量和双氟磺酰亚胺锂的含量之间的关系包括：
A1+A2≥x5
A1-A2≤x6
其中，x5为12％，x6为16％。
在本实施例中，由于用于电池电循环的锂源主要为六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂，为保证电池电循环性能，电池内的锂源即在六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂在电解液20中的质量分数不小于12％，在该情况下电解液20的中的锂离子能够使电池的电循环性能维持在较高水平。
另外，在使电池的电循环性能维持在较高水平的同时，由于六氟磷酸锂具有高电导率，同时电化学稳定窗口宽，同时双氟磺酰亚胺锂的加工困难价格昂贵等特点，需要对六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂的含量进行限定，在控制双氟磺酰亚胺锂的使用情况下有效的控制氢氟酸的生成。在本发明实施例中，通过实验测试获得六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂的质量的差值在电解液20中的质量分数最优的使用范围为不大于16％。
作为一种可选的实施方式，六氟磷酸锂的含量和双氟磺酰亚胺锂的含量之间的关系还包括：
Figure BDA0003556295250000061
其中，x7为0.01。
在本实施例中，六氟磷酸锂具有高离子电导率和稳定电化学窗口，而双氟磺酰亚胺锂能够有效的改善六氟磷酸锂的容易热分解的问题，通过将六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂混合能够在保持较高电循环性能的同时能够有效的减少氢氟酸产生的含量，延长电池的使用寿命。通过本发明实施例的实验获得双氟磺酰亚胺锂和六氟磷酸锂的质量比不小于0.01。
作为一种可选的实施方式，A1的范围为0.1-30％，A2的范围为0.1-30％。
在本实施例中，为了使电池的电循环性能维持在较高水平，而电池的电循环性能与锂离子的含量有关，故作为锂源的六氟磷酸锂在电解液20中的质量分数范围为0.1-30％，双氟磺酰亚胺锂在电解液20中的质量分数范围为0.1-30％。
具体的，电解液20中的六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂含量过低时，电解液20中的锂离子较低，将导致电池的电循环性能下降；若电解液20中的六氟磷酸锂含量过高，六氟磷酸锂仍然将于水发生反应生成较多的氢氟酸导致铝塑膜加速老化，电池使用寿命下降。在本发明实施例中，经过实验测试，在六氟磷酸锂与电解液20的质量比的最佳范围为0.1-30％，双氟磺酰亚胺锂和电解液20的质量比的最佳范围为0.1-30％。
作为一种可选的实施方式，W1不小于预设值Y，其中，Y满足：
Figure BDA0003556295250000071
其中，H为封边30的厚度，x8、x9、x10和x11均为常数。
在本实施例中，在电池使用过程中，水汽能通过顶封边30130和侧封边30230的内层渗入电池内部，并与电解液20中的六氟磷酸锂反应产生氢氟酸，在设计顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度时需要在节省材料的情况下尽可能的使水汽进入电池内部的可能性。本发明实施例通过实验测试获得在顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度满足上述条件时电池能在设计寿命内安全使用。
其中，公式反映了顶封宽和侧封宽之间的关联关系，在封边30厚度值确定的情况下，根据侧封边30230的宽度值的不同，所得到预设值也不同。因此，通过根据公式计算每一侧封边30230的宽度值对应的预设值，可以得到不同的封印厚度下，顶封宽的边界曲线。
其中，由于用于封装的铝塑膜的范围通常在210-270μm之间，在本发明实施例中选择250μm厚度的铝塑膜进行封装。通过实验测试在设计寿命为15年的情况下能够有效封装的顶封边30130的宽度的范围为不小于0.8mm，侧封边30230的宽度范围为不小于4.1mm。同时，用于顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度不能无限的增加，故电池的顶封边30130的宽度和侧封边30230的宽度需要进行限制，以实现工艺上的可能性和节约材料的目的。故在本发明实施例中，将顶封边30130的宽度范围设计为0.8-10mm，将侧封边30230的宽度范围设计为4.1-10mm，能够在15年的设计寿命内能够有效的进行封装。
其中，顶封边30130的宽度为顶封宽，侧封边30230的宽度如侧封宽，通过如图4所示可知，在电池设计15年的寿命范围内，顶封宽不小于0.8mm，侧封宽不小于4.1mm。
作为一种可选的实施方式，x8的范围为0.001-0.01，x9的范围为0.001-0.01，x10的范围为0.001-0.01，x11的范围为0.001-0.01。
在本实施例中，x8、x9、x10和x11的取值不做限定，例如，在一些实施例中，x8的范围为0.001-0.01，x9的范围为0.001-0.01，x10的范围为0.001-0.01，x11的范围为0.001-0.01。进一步的，通过本发明实施例的实验测试可以获得顶封边30130和侧封边30230之间能够满足预期寿命的关系曲线，通过图4所示拟合出的曲线为：
Figure BDA0003556295250000081
其中，公式中的x8的取值为0.0092721，x9的取值为0.0039685，x10的取值为0.0062564，x11的取值为0.0194843。在满足上述公式的情况下，使用寿命能够达到预期目标。
作为一种可选的实施方式，添加剂包括苯乙烯，苯乙烯在电解液20中的质量分数为0.1-1％。
在本实施例中，苯乙烯能够和铝塑膜反应，苯乙烯分子聚集在铝塑膜表面，并在铝塑膜表面发生聚合反应，从而加强了铝塑膜的封装效果，提高电池的循环性能和存储性能，延长电池的使用寿命。
在本发明实施例中通过实验对不同参数的电池进行测试，测试的步骤如下：
制备电池正极片：将正极活性材料、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、导电剂乙炔黑按照重量比97:1.5:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌，直至混合体系成均一流动性的正极浆料；将正极浆料均匀涂覆于厚度为12μm的铝箔上；将上述涂覆好的铝箔在5段不同温度梯度的烘箱烘烤后，再将其在120℃的烘箱干燥8h，然后经过辊压、分切得到所需的正极片。
制备电池负极片：将负极活性材料人造石墨、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、粘结剂丁苯橡胶、导电剂乙炔黑按照重量比97:1:1:1进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在厚度为8μm的铜箔上；将铜箔在室温晾干后转移至80℃烘箱干燥10h，然后经过冷压、分切得到负极片。
制备电解液：在充满氩气水氧含量合格的手套箱(水分<1ppm，氧分<1ppm)中，将溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯以质量比30:50:20混合均匀形成混合溶剂，然后在混合溶剂中加入基于电解质导电锂盐和不同比值含量的导电锂盐，搅拌至其完全溶解，经过水分和游离酸检测合格后，得到所需的电解液。
制备电池：锂离子电池的制备
将上述准备的正极片、隔离膜、负极片按顺序叠放好，保证隔离膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，然后通过卷绕得到未注液的裸电芯30；将裸电芯30置于参数不同的外包装箔中，将上述制备好的电解液注入到干燥后的裸电芯30中，经过真空封装、静置、化成、整形、分选等工序，获得所需的软包锂离子电池。
通过上述步骤制备下表中的不同参数的实施例和对比例：
Figure BDA0003556295250000091
对不同对比例和实施例进行如下测试：
高温存储测试：将实施例和对比例所得电池在室温下以1C的充放电倍率进行5次充放电循环测试，然后1C倍率充到4.2V(截止电流为0.02C)。分别记录1C容量Q和电池厚度T。将满电状态的电池在60℃下存储30天后，记录电池厚度T0和1C放电容量Q1，然后将电池在室温下以1C的倍率充放5周，记录1C放电容量Q2，计算得到电池高温存储容量保持率、容量恢复率和厚度变化率等实验数据。
其中用到的计算公式如下：容量保持率(％)＝Q1/Q×100％；容量恢复率(％)＝Q2/Q×100％；厚度变化率(％)＝(T0-T)/T×100％。
循环性能测试：将实施例和对比例所得电池在25℃下按照1C的倍率进行充放电循环200周，充放电范围为3.0V～4.2V；同时，将第100周的容量除以第1周的容量，得到循环容量保持率。
对不同对比例和实施例测试的结果如下表：
序号 厚度膨胀率 容量保持率 容量恢复率
对比例1 38.70％ 25.35％ 31.20％
对比例2 30.75％ 24.65％ 30.12％
实施例1 15.80％ 56.86％ 60.63％
实施例2 17.70％ 55.35％ 61.20％
实施例3 18.75％ 54.35％ 60.72％
从测试结果可以看出，在添加双氟磺酰亚胺锂后能够有效降低电池的厚度膨胀率，同时电池的容量保持率和容量恢复率也较高，能够有效的提升电池的使用寿命。
另外，设计添加苯乙烯的对比例和实施例进行实验设计，参数条件如下：
Figure BDA0003556295250000101
对不同对比例和实施例进行高温存储测试和循环性能测试，测试结果如下：
Figure BDA0003556295250000102
从测试结果可以看出，在电解液中添加苯乙烯能够有效的提升电池的循环性能，降低电池的厚度膨胀率的同时增加电池的容量保持率和容量恢复率，从而有效的延长电池的使用寿命。
同样地，对不同封装强度的参数进行对照实验，其实验条件如下表：
Figure BDA0003556295250000103
Figure BDA0003556295250000111
对上表的实施例和对比例进行高温存储实验和循环性能测试，结果如下表：
Figure BDA0003556295250000112
由上表可见，封边强度和锂盐含量在本发明保护范围之内寿命得到很好的提升。
需要说明的是，上述锂电池实施例的实现方式同样适应于该电子设备的实施例中，并能达到相同的技术效果，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种电池，其特征在于，包括电芯、电解液和铝塑膜，所述铝塑膜包括相对设置的上膜和下膜，所述上膜和所述下膜相连接形成容置腔，所述电芯和所述电解液设置于所述容置腔中；
所述电解液包括非水有机溶剂、添加剂和锂盐，其中，所述锂盐包括六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述上膜和所述下膜相连接位置形成封边，包括顶封边和侧封边，所述六氟磷酸锂的含量、所述双氟磺酰亚胺锂的含量、所述顶封边的宽度和所述侧封边的宽度之间的关系为：
Figure FDA0003556295240000011
其中，所述A1为所述六氟磷酸锂在所述电解液中的质量分数，所述A2为所述双氟磺酰亚胺锂在所述电解液中的质量分数，所述W1为所述顶封边的宽度，所述W2为所述侧封边的宽度，所述x1为不大于0.2的常数。
3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述顶封边的宽度、所述侧封边和所述封边的封装最小封装强度之间的关系为：
L＝x2+x3×min(W1,W2)
其中，所述L为所述封边的封装最小封装强度，所述x2为16.45，所述x3为14.12。
4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于，所述六氟磷酸锂的含量、所述双氟磺酰亚胺锂的含量和所述封边的封装最小封装强度之间的关系为：
Figure FDA0003556295240000012
其中，所述x4为不大于0.006的常数。
5.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述六氟磷酸锂的含量和所述双氟磺酰亚胺锂的含量之间的关系包括：
A1+A2≥x5
A1-A2≤x6
其中，所述x5为12％，所述x6为16％。
6.根据权利要求5所述的电池，其特征在于，所述六氟磷酸锂的含量和所述双氟磺酰亚胺锂的含量之间的关系还包括：
Figure FDA0003556295240000021
其中，所述x7为0.01。
7.根据权利要求6所述的电池，其特征在于，所述A1的范围为0.1-30％，所述A2的范围为0.1-30％。
8.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，所述W1不小于预设值Y，其中，所述Y满足：
Figure FDA0003556295240000022
其中，所述H为所述封边的厚度，所述x8、x9、x10和x11均为常数。
9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，所述x8的范围为0.001-0.01，所述x9的范围为0.001-0.01，所述x10的范围为0.001-0.01，所述x11的范围为0.001-0.01。
10.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述添加剂包括苯乙烯，所述苯乙烯在所述电解液中的质量分数为0.1-1％。
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