CN216850037U - 一种安全电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种安全电池。安全电池包括正极、负极以及隔膜，所述正极包括正极集流体层、设于所述正极集流体层表面的第一固态电解质涂层、设于所述第一固态电解质涂层表面的正极活性物质涂层，以及设于所述正极活性物质涂层的第二固态电解质涂层。本实用新型的安全电池，在电池发生机械滥用导致内短路时，涂覆在铝箔表面的固态电解质涂层能有效阻隔负极活性物材料与铝箔的直接接触；涂覆有固态电解质的隔膜能够减小隔膜收缩，防止短路点扩大，正极极片表面涂覆的固态电解质涂层和正极活性材料包覆的固态电解质，也能有效减小电池内短路时的热失控风险，避免电池发生起火爆炸。

Description

一种安全电池

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种安全电池。

背景技术

锂离子电池是20世纪最重要的实用新型之一，其被广泛应用于手机、电脑、智能穿戴产品、电动工具、模型、无人机等电子设备上，称之为消费型锂离子电池。锂离子电池重量轻、可充电、电能强，其体量和市场规模不断扩大，锂离子电池也迎来了快速发展机遇。

锂离子能量密度越来越高，安全问题也越来越受到重视，锂电池在机械滥用（针刺和重物冲击等）产生内短路时，电池内部会产生非常大的电流和热量，会引发锂电池的热失控问题，导致电池起火和爆炸，直接威胁到用户安全。

传统锂离子电池都是采用液体电解质，液态电解质易燃易爆，以及在充电过程中锂枝晶的生长容易刺破隔膜，引起电池短路，造成安全隐患。目前使用固态电解质替代液态电解质是解决锂电池安全问题的一种有效方法，固态电解质具有不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液性能，因而全固态电池具有极高安全性。目前提升电池安全的技术倾向于全固态电池，但全固态电池存在固固之间无润湿性，界面电阻高等问题，且全固态电池制备工艺不成熟，基本不具备量产条件，成本也较高。

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有技术中的不足而完成的，提供一种安全电池。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种安全电池，包括正极、负极以及隔膜，所述正极包括正极集流体层、设于所述正极集流体层表面的第一固态电解质涂层、设于所述第一固态电解质涂层表面的正极活性物质涂层，以及设于所述正极活性物质涂层的第二固态电解质涂层，所述正极集流体层为铝箔，所述负极包括负极集流体层以及设于所述负极集流体层两侧的复合石墨涂层，所述负极集流体层为铜箔，所述隔膜包括基膜和第三固态电解质涂层，所述基膜为单层的PE，所述第三固态电解质涂层设于所述基膜的至少一侧，所述第三固态电解质涂层的厚度为0.5-10μm。

进一步的，所述正极活性物质涂层包括正极活性物质、导电剂、粘合剂以及固态电解质，正极活性物质包括钴酸锂材料、三元材料以及高镍材料中的至少一种，所述正极活性物质占所述正极活性物质涂层的重量70 -99%；所述导电剂包括炭黑、碳纳米管以及石墨烯的至少一种、所述导电剂占所述正极活性物质涂层的重量1-10%，所述粘合剂占所述正极活性物质涂层的重量0-5%，所述固态电解质为LLZO,LATP和LAG中的至少一种，所述固态电解质占所述正极活性物质涂层的重量1-20%。

进一步的，所述第一固态电解质涂层连续涂覆于所述正极集流体层表面，所述第二固态电解质涂层连续涂覆于所述正极活性物质涂层表面，所述第一固态电解质涂层和所述第二固态电解质涂层的厚度为0.5-20μm。

进一步的，所述隔膜还包括涂胶层，所述涂胶层位于所述基膜的至少一侧，所述涂胶层的厚度为0.5-10μm。

进一步的，所述涂胶层设于所述第三固态电解质涂层远离所述基膜的侧面。

进一步的，所述第三固态电解质涂层设于所述基膜的一侧，所述第三固态电解质涂层和所述涂胶层位于所述基膜的另一侧。

进一步的，所述第三固态电解质为LLZO、LATP以及LAG中的至少一种。

一种如上所述的安全电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：对正极集流体层进行双面连续涂覆固态电解质LATP涂层，单层厚度控制为4um，在100℃下烘干，称取0.94kg的钴酸锂，0.014kg的碳纳米管导电剂 ,0.016kg 得PVDF，0.03的kg磷酸钛铝锂，加入搅拌罐中混合，搅拌均匀得到正极浆料，将正极浆料均匀涂覆在具有固态电解质涂层的正极集流体层上下表面，厚度控制在50um-130um内，在110℃的温度下烘干，再将固态电解质LATP溶液均匀连续涂覆在正极极片上下表面，涂层厚度为4μm，在80℃下烘干，得到复合正极极片，将复合极片辊压，分条后使用激光清洗机器清洗极片表面极耳位置处的第二固态电解质涂层，制片后得到正极极片；

步骤二：称取0.98kg的石墨，0.006kg的丁苯橡胶粘结剂，和0.014kg的羧甲基纤维素钠，加入搅拌罐中混合搅拌均匀，得到负极浆料，将负极浆料均匀涂覆在涂碳铜箔的上下表面，在110℃下烘干，经辊压、分条、制片后得到负极极片；

步骤三：先在基膜一侧涂覆第三固态电解质涂层，涂层厚度为2μm，经80℃烘干后，再在另一侧涂覆PVDF涂胶层，涂层厚度为1μm，经70℃烘干后，得到复合隔膜；

步骤四：将正极极片，隔膜，负极极片卷绕成裸电芯，隔膜涂有固态电解质涂层的那一面与正极相接触，涂有PVDF层的那一侧与负极相接触，将裸电芯封装在铝塑包装袋内，放入真空干燥箱，80℃真空烘烤10小时后注液封口，再将电池高温静置48小时，常温静置24小时，然后夹具成型。

本实用新型提供的安全电池，在电池发生机械滥用导致内短路时，涂覆在铝箔表面的固态电解质涂层能有效阻隔负极活性物材料与铝箔的直接接触；涂覆有固态电解质的隔膜能够减小隔膜收缩，防止短路点扩大，正极极片表面涂覆的固态电解质涂层和正极活性材料包覆的固态电解质，也能有效减小电池内短路时的热失控风险，避免电池发生起火爆炸。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中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实用新型的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的安全电池的正极的结构示意图；

图2为本实用新型的安全电池的隔膜的结构示意图。

附图中附图标记所对应的名称为：

正极集流体层1、第一固态电解质涂层2、正极活性物质涂层3、基膜4、涂胶层5、第二固态电解质涂层6、第三固态电解质涂层7。

具体实施方式

以下是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

请参考图1-图2，本实用新型提供一种安全电池，包括正极、负极以及隔膜，所述正极包括正极集流体层1、设于所述正极集流体层表面的第一固态电解质涂层2、设于所述第一固态电解质涂层表面的正极活性物质涂层3，以及设于所述正极活性物质涂层的第二固态电解质涂层6，所述正极集流体层为铝箔，所述负极包括负极集流体层以及设于所述负极集流体层两侧的复合石墨涂层，所述负极集流体层为铜箔，所述隔膜包括基膜4和第三固态电解质涂层7，所述基膜为单层的PE，所述第三固态电解质涂层设于所述基膜的至少一侧，所述第三固态电解质涂层的厚度为0.5-10μm。

在一个实施方式中，所述正极活性物质涂层包括正极活性物质、导电剂、粘合剂以及固态电解质，正极活性物质包括钴酸锂材料、三元材料以及高镍材料中的至少一种，所述正极活性物质占所述正极活性物质涂层的重量70 -99%；所述导电剂包括炭黑、碳纳米管以及石墨烯的至少一种、所述导电剂占所述正极活性物质涂层的重量1-10%，所述粘合剂占所述正极活性物质涂层的重量0-5%，所述固态电解质为LLZO,LATP和LAG中的至少一种，所述固态电解质占所述正极活性物质涂层的重量1-20%。

在一个实施方式中，所述第一固态电解质涂层连续涂覆于所述正极集流体层表面，所述第二固态电解质涂层连续涂覆于所述正极活性物质涂层表面，所述第一固态电解质涂层和所述第二固态电解质涂层的厚度为0.5-20μm。

在一个实施方式中，所述隔膜还包括涂胶层5，所述涂胶层位于所述基膜的至少一侧，所述涂胶层的厚度为0.5-10μm。

在一个实施方式中，所述涂胶层设于所述第三固态电解质涂层远离所述基膜的侧面。

在一个实施方式中，所述第三固态电解质涂层设于所述基膜的一侧，所述第三固态电解质涂层和所述涂胶层位于所述基膜的另一侧。

在一个实施方式中，所述第三固态电解质为LLZO、LATP以及LAG中的至少一种。

具体的，所述基膜一侧表面至少有一层固态电解质涂层，也可以是隔膜基膜一侧表面至少有一层固态电解质涂层，另一侧至少为固态电解质层或涂胶层（包含但不限于PVDF、PMMA等）或固态电解质层加涂胶层（包含但不限于PVDF、PMMA等）的一种，也可以是两侧均有固态电解质涂层和涂胶层（包含但不限于PVDF、PMMA等），其涂层厚度为0.5-10μm。

具体的，正极极片上的极耳焊接位采用激光清洗或其他方式清洗极片表面固态电解质涂层后形成。

本实用新型还提供一种上述安全电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：对正极集流体层进行双面连续涂覆固态电解质LATP涂层，单层厚度控制为4um，在100℃下烘干，称取0.94kg的钴酸锂，0.014kg的碳纳米管导电剂 ,0.016kg 得PVDF，0.03的kg磷酸钛铝锂，加入搅拌罐中混合，搅拌均匀得到正极浆料，将正极浆料均匀涂覆在具有固态电解质涂层的正极集流体层上下表面，厚度控制在50um-130um内，在110℃的温度下烘干，再将固态电解质LATP溶液均匀连续涂覆在正极极片上下表面，涂层厚度为4μm，在80℃下烘干，得到复合正极极片，将复合极片辊压，分条后使用激光清洗机器清洗极片表面极耳位置处的第二固态电解质涂层，制片后得到正极极片；

步骤二：称取0.98kg的石墨，0.006kg的丁苯橡胶粘结剂，和0.014kg的羧甲基纤维素钠，加入搅拌罐中混合搅拌均匀，得到负极浆料，将负极浆料均匀涂覆在涂碳铜箔的上下表面，在110℃下烘干，经辊压、分条、制片后得到负极极片；

步骤三：先在基膜一侧涂覆第三固态电解质涂层，涂层厚度为2μm，经80℃烘干后，再在另一侧涂覆PVDF涂胶层，涂层厚度为1μm，经70℃烘干后，得到复合隔膜；

步骤四：将正极极片，隔膜，负极极片卷绕成裸电芯，隔膜涂有固态电解质涂层的那一面与正极相接触，涂有PVDF层的那一侧与负极相接触，将裸电芯封装在铝塑包装袋内，放入真空干燥箱，80℃真空烘烤10小时后注液封口，再将电池高温静置48小时，常温静置24小时，然后进行夹具化成，成型，分容，目检。

本实用新型提供的安全电池，在电池发生机械滥用导致内短路时，涂覆在铝箔表面的固态电解质涂层能有效阻隔负极活性物材料与铝箔的直接接触；涂覆有固态电解质的隔膜能够减小隔膜收缩，防止短路点扩大；正极极片表面涂覆的固态电解质涂层和正极活性材料包覆的固态电解质，也能有效减小电池内短路时的热失控风险，避免电池发生起火爆炸。

以上实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种安全电池，其特征在于：包括正极、负极以及隔膜，所述正极包括正极集流体层、设于所述正极集流体层表面的第一固态电解质涂层、设于所述第一固态电解质涂层表面的正极活性物质涂层，以及设于所述正极活性物质涂层的第二固态电解质涂层，所述正极集流体层为铝箔，所述负极包括负极集流体层以及设于所述负极集流体层两侧的复合石墨涂层，所述负极集流体层为铜箔，所述隔膜包括基膜和第三固态电解质涂层，所述基膜为单层的PE，所述第三固态电解质涂层设于所述基膜的至少一侧，所述第三固态电解质涂层的厚度为0.5-10μm。

2.根据权利要求1所述的一种安全电池，其特征在于：所述第一固态电解质涂层连续涂覆于所述正极集流体层表面，所述第二固态电解质涂层连续涂覆于所述正极活性物质涂层表面，所述第一固态电解质涂层和所述第二固态电解质涂层的厚度为0.5-20μm。

3.根据权利要求2所述的一种安全电池，其特征在于：所述隔膜还包括涂胶层，所述涂胶层位于所述基膜的至少一侧，所述涂胶层的厚度为0.5-10μm。

4.根据权利要求3所述的一种安全电池，其特征在于：所述涂胶层设于所述第三固态电解质涂层远离所述基膜的侧面。

5.根据权利要求4所述的一种安全电池，其特征在于：所述第三固态电解质涂层设于所述基膜的一侧，所述第三固态电解质涂层和所述涂胶层位于所述基膜的另一侧。

Images