CN206349443U - 一种锂离子电池极片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池极片，包括集流体和设于集流体两侧的活性物质层，还包括涂覆于集流体与活性物质层之间的第一PTC材料层和涂覆于活性物质层表面的第二PTC材料层；极片还设有若干贯穿集流体、第一PTC材料层、活性材料层和第二PTC材料层的通孔，第一PTC材料层和第二PTC材料层的厚度均为0.01～5μm，通孔的孔径大小为0.01~10μm。本实用新型通过第一、第二PTC材料层的设置，使得电池发生过充、针刺、挤压滥用时能及时阻止电池极片发生短路，保证电池的安全性；而若干贯穿的通孔的设置，则利于提高电解液对极片的浸润效率，从而有效提升电池的充放电倍率性能和循环性能。

Description

一种锂离子电池极片

技术领域

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池极片。

背景技术

近年来，随着能源的枯竭和人们对环保的要求，电动汽车产业方面的发展日益迅速。锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命等特点，目前已成为电动汽车用动力能源的首选。但作为动力汽车的关键组成部分，锂离子电池的安全性问题一直是动力汽车的一大障碍，因此锂离子电池的安全问题备受人们关注。

锂离子电池一般由电池壳体、电解液和裸电芯等组成。裸电芯由隔膜、正极片和负极片通过卷绕或者叠片的方式组装而成。现有的正、负极片一般是由正极或负极活性物质分别和导电剂及粘结剂等混合均匀后，涂布在集流体上，经过烘干、辊压等工序制作而成。由于锂离子电池所使用的电极材料电化学反应活性较高，且电解液中含有大量易燃的有机溶剂，电池在使用过程中容易发生因过充、短路、挤压等引起的电池起火或爆炸。

关于电池安全问题，业界技术人员也作了许多的研究，除了在电池外部管理系统做了一系列研究工作之外，对电池内部也有研究，主要体现在两个方面：首先往电解液里加入防过充添加剂或阻燃添加剂等；其次在电池中设置PTC电阻元件（正温度系数热敏电阻）与电池串联，利用PTC元件随温度增加电阻突变的特点来减小甚至切断回路中的电流来起到保护电池的目的。然而，由于现有技术中一般是将PTC元件置于电池外部，因此其技术效果大多体现在改善过充，利用PTC元件电阻突然增大来切断电流防止过充继续发生；然而当电池发生内短路，如进行针刺、挤压等测试时，那些PTC元件就不能及时或者无法起到保护作用。

此外，现有技术中也有含PTC涂层的电极片，其将PTC涂层涂覆在活性材料层之上，在电池的内部温度因短路或事故而升高时PTC涂层通过将活性材料从导体变为绝缘体而提高电池的安全性能。这样的设置虽然能够在一定程度上起到阻断正负极片发生短接的作用，然而由于其涂覆在活性材料层之上，相当于一层保护膜包覆在活性材料层的外表面，这将大大降低锂离子在正负极之间的传输速度和电解液对电极片的浸润效率，从而影响锂离子电池的倍率性能和循环性能。

有鉴于此，确有必要提供一种具有高安全性能，高电解液浸润效率的电极片，以保证锂离子电池的品质。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种具有高安全性能，高电解液浸润效率的电极片。

为了实现上述目的，本实用新型所采用如下技术方案：

一种锂离子电池极片，包括集流体和设置于集流体两侧的活性物质层，还包括第一PTC材料层和第二PTC材料层，所述第一PTC材料层涂覆于所述集流体与所述活性物质层之间，所述第二PTC材料层涂覆于所述活性物质层的表面；所述电池极片还设置有若干贯穿所述集流体、所述第一PTC材料层、所述活性材料层和所述第二PTC材料层的通孔，所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层的厚度均为0.01～5μm，所述通孔的孔径大小为0.01~10μm。

本实用新型的作用原理为：由于PTC 材料是一种典型的具有温度敏感性的电阻，超过一定的温度（居里温度）时，该PTC材料的电阻值随着温度的升高呈阶跃式的增大。当锂离子电池通过外部电路发生滥用时，电池升温达到PTC材料的居里温度时，第一PTC材料层将形成电子绝缘层，使得与之相连的活性物质层与集流体之间无法形成回路，断开与外电路的连接，阻止因外电路发生滥用等引起的安全问题。另外，第二PTC材料层可避免锂离子电池本身因发生内部短路而导致的着火爆炸等安全问题；因为内部短路时正极极片与负极极片接触将放出大量的热，当达到居里温度时，位于极片表层的第二PTC材料层将形成电子绝缘层，阻断正极与负极继续放电，如同导体与绝缘体短接，阻止短路继续恶化，因此起到保护锂离子电池的目的。

而在覆盖有活性材料层的部分设置有贯穿整个电极片的通孔，便于电解液对电池极片的浸润，并为流通的离子提供了距离更短的运动通道，使得离子的流动更为通畅，离子的自由流动性得到提升；从而有效提高锂离子电池的充放电倍率性能和循环性能。

其中，当通孔的孔径小于0.01μm时，由于孔径过小而不利于电解液对极片的浸润，降低浸润效率；当通孔的孔径大于10μm时，由于孔径过大而影响极片的结构稳定性，使电池循环性能下降。

当第一PTC材料层和第二PTC材料层的厚度低于0.01μm时，由于其不能足够覆盖对应的集流体和活性物质层，在达到居里温度时不能起到完整的隔绝作用，因第一PTC材料层和第二PTC材料层的常温电阻率相比于活性物质层的物质略高；而当第一PTC材料层和第二PTC材料层的厚度超过5μm时，第一PTC材料层和第二PTC材料层的常温电阻将影响到电池的正常使用。

优选的，所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层的厚度均为0.1～1μm。

优选的，所述通孔的孔径大小为0.01~0.1μm。

优选的，所述通孔的孔隙率为20~60%；更优选为40~50%。孔隙率过低，不利于电解液对电池极片的浸润；孔隙率过高，会影响电池极片的结构稳定性。

优选的，所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层的涂覆面积均大于或等于所述活性物质层的涂覆面积。

优选的，所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层均由导电剂、粘结剂和PTC材料混合制成。其中，所述PTC材料可为有机聚合物复合PTC 材料或无机金属氧化物PTC材料中的至少一种。优选的，有机聚合物复合PTC 材料可为聚乙烯与乙炔黑复合物。优选的，无机金属氧化物PTC 材料可为稀土元素钇掺杂的三氧化二钒。在此需要说明的是，所述PTC材料均为可以商购的公知材料。所述导电剂可为导电碳、导电碳纤维、导电碳纳米管和导电石墨中的一种或多种。所述粘结剂可为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和丁苯橡胶中的一种或多种。

优选的，所述PTC材料的常温电阻率为0.05～5Ω·cm，居里温度为80~120℃。

优选的，所述电池极片为正极极片或负极极片，所述集流体为铝箔或铜箔。

本实用新型的有益效果：本实用新型一种锂离子电池极片，包括集流体和设置于集流体两侧的活性物质层，还包括第一PTC材料层和第二PTC材料层，所述第一PTC材料层涂覆于所述集流体与活性物质层之间，所述第二PTC材料层涂覆于所述活性物质层的表面；所述电池极片还设置有若干贯穿所述集流体、所述第一PTC材料层、所述活性材料层和所述第二PTC材料层的通孔，所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层的厚度均为0.01～5μm，所述通孔的孔径大小为0.01~10μm。本实用新型通过第一、第二PTC材料层的设置，使得本实用新型不仅在电池发生外部电路滥用时能阻止电池活性物质层与外电路形成通路，防止外短路的发生，同时当电池极片表面残留的粉尘或金属颗粒刺破隔膜或在针刺、挤压等测试时，锂离子电池极片能阻止电池内短路的发生；而若干贯穿的通孔的设置，则有利于提高电解液对电池极片的浸润效率，并为流通的离子提供了距离更短的运动通道，使得离子的流动更为通畅，离子的自由流动性得到提升；从而有效提高锂离子电池的充放电倍率性能和循环性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1-集流体；2-活性物质层；3-第一PTC材料层；4-第二PTC材料层；5-通孔。

具体实施方式

下面结合实施方式和说明书附图，对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种锂离子电池极片，包括集流体1和设置于集流体1两侧的活性物质层2，还包括第一PTC材料层3和第二PTC材料层4，第一PTC材料层3涂覆于集流体1与活性物质层2之间，第二PTC材料层4涂覆于活性物质层2的表面，且第一PTC材料层3和第二PTC材料层4的涂覆面积均大于或等于活性物质层2的涂覆面积；电池极片还设置有若干贯穿集流体1、第一PTC材料层3、活性材料层和第二PTC材料层4的通孔5，第一PTC材料层3和第二PTC材料层4的厚度均为0.01～5μm，通孔5的孔径大小为0.01~10μm，通孔5的孔隙率为20~60%。

其中，电池极片为正极极片或负极极片，集流体1为铝箔或铜箔。

优选的，第一PTC材料层3和第二PTC材料层4的厚度均为0.1～1μm，通孔5的孔径大小为0.01~0.1μm，通孔5的孔隙率为40~50%。

优选的，第一PTC材料层3和第二PTC材料层4均由导电剂、粘结剂和PTC材料混合制成。其中，PTC材料可为有机聚合物复合PTC 材料或无机金属氧化物PTC材料中的至少一种。优选地，有机聚合物复合PTC 材料可为聚乙烯与乙炔黑复合物。优选地，无机金属氧化物PTC 材料可为稀土元素钇掺杂的三氧化二钒。其中，PTC材料的常温电阻率为0.05～5Ω·cm，居里温度为80~120℃。在此需要说明的是，PTC材料均为可以商购的公知材料。导电剂可为导电碳、导电碳纤维、导电碳纳米管和导电石墨中的一种或多种。粘结剂可为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和丁苯橡胶中的一种或多种。

本实用新型的作用原理为：由于PTC 材料是一种典型的具有温度敏感性的电阻，超过一定的温度（居里温度）时，该PTC材料的电阻值随着温度的升高呈阶跃式的增大。当锂离子电池通过外部电路发生滥用时，电池升温达到PTC材料的居里温度时，第一PTC材料层3将形成电子绝缘层，使得与之相连的活性物质层2与集流体1之间无法形成回路，断开与外电路的连接，阻止因外电路发生滥用等引起的安全问题。另外，第二PTC材料层4可避免锂离子电池本身因发生内部短路而导致的着火爆炸等安全问题；因为内部短路时正极极片与负极极片接触将放出大量的热，当达到居里温度时，位于极片表层的第二PTC材料层4将形成电子绝缘层，阻断正极与负极继续放电，如同导体与绝缘体短接，阻止短路继续恶化，因此起到保护锂离子电池的目的。而在覆盖有活性材料层的部分设置有贯穿整个电极片的通孔5，便于电解液对电池极片的浸润，并为流通的离子提供了距离更短的运动通道，使得离子的流动更为通畅，离子的自由流动性得到提升；从而有效提高锂离子电池的充放电倍率性能和循环性能。

其中，当通孔5的孔径过小，孔隙率过低时，不利于电解液对极片的浸润，降低浸润效率；当通孔5的孔径过大，孔隙率过高时，会影响极片的结构稳定性，使电池循环性能下降。当第一PTC材料层3和第二PTC材料层4的厚度低于0.01μm时，由于其不能足够覆盖对应的集流体1和活性物质层2，在达到居里温度时不能起到完整的隔绝作用；因第一PTC材料层3和第二PTC材料层4的常温电阻率相比于活性物质层2的物质略高；而当第一PTC材料层3和第二PTC材料层4的厚度超过5μm时，第一PTC材料层3和第二PTC材料层4的常温电阻将影响到电池的正常使用。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一

锂离子电池正极极片：

首先制备含PTC材料的浆料：PTC材料选用稀土元素钇掺杂的三氧化二钒，其常温电阻率为0.09Ω·cm，当温度超过95℃时，其电阻率达到5000Ω·cm。首先球磨该PTC材料4h，将球磨后的PTC、导电剂导电石墨、粘结剂聚四氟乙烯按照88:4:8的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合均匀制成含PTC材料的浆料；将含PTC材料的浆料涂覆在已焊接好极耳的集流体1铝箔上，烘烤除去溶剂，在集流体1上形成厚度为1μm的第一PTC材料层3；反面同样涂覆相同厚度的PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其次制备锂离子电池正极活性物质层2：将三元材料NCM、导电碳SP、聚四氟乙烯按照96:2:2的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合均匀制成锂离子电池正极活性物质层2浆料，将正极活性物质层2浆料涂覆于形成在集流体1之上的第一PTC材料层3上，涂覆面积与第一PTC材料层3的涂覆面积一致，经烘烤除去溶剂，在第一PTC材料层3上形成正极活性物质层2；反面制备工艺相同。

然后在正极活性物质层2上再次涂覆与第一PTC材料层3中相同的含有PTC材料的浆料，涂覆面积与第一PTC材料层3的涂覆面积一致，即在正极活性物质层2上形成第二PTC材料层4，正反面制备工艺相同，涂覆面积和厚度与第一PTC材料层3相同，经烘烤除去溶剂，得到具有“三明治”夹心结构的涂层，经冷压后，对极片进行打通孔5，其中孔径大小为0.01μm，孔隙率为60%，即得到锂离子电池正极极片。

实施例二

锂离子电池负极极片：

首先制备含PTC材料的浆料：PTC 材料选用聚乙烯与乙炔黑复合物，其常温电阻率为0.06Ω·cm，但是当温度超过90℃时，电阻率达到5000Ω·cm。首先球磨该PTC材料4h，将球磨后的PTC、导电剂导电碳纤维、粘结剂聚四氟乙烯按照90:3:7的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合均匀制成含PTC材料的浆料；将含PTC材料的浆料涂覆在已焊接好极耳的集流体1铜箔上，烘烤除去溶剂，在集流体1上形成厚度为0.1μm的第一PTC材料层3；反面同样涂覆相同厚度的PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其次制备锂离子电池负极活性物质层2：将人造石墨、导电碳、丁苯橡胶以及羧甲基纤维素钠按照95:2:2:1的质量比与去离子水混合均匀制成锂离子电池负极活性物质层2浆料，将负极活性物质层2浆料涂覆于形成在集流体1之上的第一PTC材料层3上，涂覆面积与第一PTC材料层3的涂覆面积一致，经烘烤除去溶剂，在第一PTC材料层3上形成负极活性物质层2；反面制备工艺相同。

然后在负极活性物质层2上再次涂覆与第一PTC材料层3中相同的含有PTC材料的浆料，涂覆面积与第一PTC材料层3的涂覆面积一致，即在负极活性物质层2上形成第二PTC材料层4，正反面制备工艺相同，涂覆面积和厚度与第一PTC材料层3相同，经烘烤除去溶剂，得到具有“三明治”夹心结构的涂层，经冷压后，对极片进行打通孔5，其中孔径大小为0.1μm，孔隙率为20%，即得到锂离子电池负极极片。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。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，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (6)

1.一种锂离子电池极片，包括集流体和设置于集流体两侧的活性物质层，其特征在于：还包括第一PTC材料层和第二PTC材料层，所述第一PTC材料层涂覆于所述集流体与所述活性物质层之间，所述第二PTC材料层涂覆于所述活性物质层的表面；所述电池极片还设置有若干贯穿所述集流体、所述第一PTC材料层、所述活性材料层和所述第二PTC材料层的通孔，所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层的厚度均为0.01～5μm，所述通孔的孔径大小为0.01~10μm。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于：所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层的厚度均为0.1～1μm。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于：所述通孔的孔径大小为0.01~0.1μm。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于：所述通孔的孔隙率为20~60%。

5.根据权利要求1 所述的锂离子电池极片，其特征在于：所述第一PTC材料层和所述第二PTC材料层的涂覆面积均大于或等于所述活性物质层的涂覆面积。

6.根据权利要求1 所述的锂离子电池极片，其特征在于：所述电池极片为正极极片或负极极片，所述集流体为铝箔或铜箔。