CN217677365U - 一种电芯内部耐热防护云母复合结构及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电芯内部耐热防护云母复合结构及锂离子电池，所述复合结构包括云母片，以及设置于所述云母片上下表面的第一胶层和设置于所述第一胶层外侧的包裹薄膜层，且所述复合结构的总厚度为0.13～0.8mm。本实用新型将薄的云母片进行处理并与其他材料复合后，应用于电芯内部，并与电芯外壳内表面接触，可以有效防止因碰撞挤压、膨胀穿刺等作用对电芯外壳的破坏，且能有效防止电芯内短路造成的严重热失控，能够使电芯外壳在800℃下不发生熔融坍塌，进而防止了锂离子电池包内热失控的扩散及失火的发生。

Description

一种电芯内部耐热防护云母复合结构及锂离子电池

技术领域

本实用新型属于新能源电动汽车电池防护领域，涉及一种电芯内部耐热防护云母复合结构及锂离子电池。

背景技术

目前，新能源汽车产业的发展对锂离子动力电池的要求越来越高，其中，电池安全性能的提高越来越受到重视。当锂离子电池的电芯受到碰撞、挤压、穿刺、过充、过放等不良影响时，往往会引起电芯的内短路，引发热失控，导致短路点局部区域的电极、隔膜等材料发生熔化，瞬间破坏电芯结构。虽然电芯外壳，如铝壳，能够维持电芯在一定外力施加下仍能保持基本的形状，但当短路引起的热失控的温度达到600℃及以上时，铝壳就会发生熔融坍塌，电芯内部的高温熔浆会迅速蔓延并引发更多电芯的热失控。

针对这种电池本征安全无法保证的情况，目前的处理方式是在电芯与电芯之间增加缓冲和/或隔热材料；缓冲材料可以缓冲电芯间的相互碰撞或者吸收电芯充放电导致的膨胀而产生的公差，提升电芯应对外力以及形变的能力；隔热材料可以在一个电芯发生不严重的热失控时，产生一定隔热效果，避免热失控扩散到邻近的电芯。但是目前常用的隔热材料多为可燃材料，如普通的泡棉等，而常用的缓冲材料，如硅胶、橡胶等，也无法经受住600℃及以上的热失控，因此当电芯的外壳发生熔融坍塌，导致熔浆蔓延甚至燃烧时，上述材料无法阻燃防火，反而容易加速事故恶化。

CN1112071733公开了一种动力电池包电芯之间的缓冲硅胶片，通过乙烯基聚氧硅烷、增韧剂、交联剂、催化剂、发泡剂及大量阻燃剂制备硅胶层，具有较高的强度和回弹性，从而替代结构胶作为电芯之间的缓冲材料，有效缓解电芯过度充电或发热时产生的体积膨胀；CN213845360U公开了一种隔热散热气凝胶片，通过在气凝胶毡表面分别设置散热结构和缓冲结构，能保证气凝胶片在使用的过程中聚集的热量可以快速释放，同时，可以防止电池组电芯之间在受到颠簸或冲击时，起到很好的缓冲作用，防止因撞击摩擦引起的电芯外壳的破裂。

上述缓冲及隔热材料虽然能通过进一步组合同时兼具一定的缓冲和隔热性能，但所得材料的厚度较大，所占空间体积多，使用的材料组分较多，大大增加了锂离子电池的制造成本，而且上述方案都是从电芯外壳发生熔融后再进行补救或抑制事故进一步扩散的逻辑出发，因此尚缺少一种应用于电芯内部的高温安全防护材料，既能够应对一定的外力施加和/或自身体积膨胀的情况，使电芯保持固有的物理形状，更重要的是，还能有效防止电芯因短路热失控而导致的外壳熔融坍塌，进而从“源头”上有效防止电芯的严重热失控及失火事故的发生。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种电芯内部耐热防护云母复合结构及锂离子电池，所述复合结构包括云母片，以及设置于所述云母片上下表面的第一胶层和设置于所述第一胶层外侧的包裹薄膜层，且所述复合结构的总厚度为0.13～0.8mm。本实用新型将薄的云母片进行处理并与其他材料复合后，应用于电芯内部，并与电芯外壳内表面接触，可以有效防止因碰撞挤压、膨胀穿刺等作用对电芯外壳的破坏，且能有效防止电芯内短路造成的严重热失控，能够使电芯外壳在800℃下不发生熔融坍塌，进而防止了锂离子电池包内热失控的扩散及失火的发生。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

第一方面，本实用新型提供了一种电芯内部耐热防护云母复合结构，所述电芯内部耐热防护云母复合结构包括云母片，以及设置于所述云母片上下表面的第一胶层和设置于所述第一胶层外侧的包裹薄膜层；所述电芯内部耐热防护云母复合结构的总厚度为0.13～0.8mm。

云母是一种绝缘材料，且具有较好的热稳定性，但天然云母内含有大量羟基，容易和氢氟酸反应，故不耐腐蚀。因此，在应用时需要对云母片表面进行处理以防离子溶出。本实用新型通过在云母片上下表面涂覆胶层，一方面，可以有效防止离子溶出，且能固化云母片整体的机械性能，起到支撑作用，保证云母片不发生分化，另一方面，胶层起到粘接作用，使用包裹膜进行的完全包覆更加坚固，不易分离，能够确保所得复合结构的粘接和工作性能更加稳定。

值得强调的是，不同于现有技术，本实用新型所得复合结构在应用时，需要设置于电芯内部，使所述复合结构的一侧与电芯外壳内表面贴合接触，使电芯内部的材料与电芯外壳相隔绝。由于本实用新型所得复合结构的厚度只有 0.13～0.8mm，因此，不会占用电芯内部过多的空间，不影响电性和散热，而且，由于云母片的耐热耐高温特性，应用所得复合结构可以有效防止和避免热失控所导致的一系列安全事故，例如，可以有效防止因碰撞挤压、膨胀穿刺等作用对电芯外壳的破坏，在电芯内短路产生高温热失控时，还能够使电芯外壳在 800℃下不发生熔融坍塌，进而避免了对其他电芯的影响，防止了锂离子电池包内热失控的扩散及失火的发生。

需要说明的是，本实用新型所述复合结构的总厚度为0.13～0.8mm，例如 0.13mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、 0.55mm、0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm或0.8mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述电芯内部耐热防护云母复合结构一侧的所述包裹薄膜层的外侧设置有第二胶层。

本实用新型所述第一胶层及第二胶层优选为丙烯酸胶层，对于其他耐腐蚀、耐高温以及绝缘且不与云母片发生反应的胶层材料也适用于本实用新型；且本实用新型所述第一胶层及第二胶层优选通过涂覆的方式形成，这样可以使所述包裹薄膜层达到更均匀、更完整且更坚固的包覆状态，有利于所述云母片性能的稳定发挥，但使用商业化的、带有所需胶层材料的双面胶也适用于本实用新型，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。

作为本实用新型优选的技术方案，所述第二胶层的外侧设置有离型纸。

本实用新型中为了便于所得复合结构应用于电芯内部，实现与电芯外壳内表面的贴附，优选在所述复合结构一侧的包裹薄膜层上再设置一层第二胶层，然后直接进行粘附；或继续在第二胶层上添加一层离型纸，这样可以方便储存，防止污染，也便于进行撕揭使用，适用于所述复合结构的大规模生产及储存；需要说明的是，如果使用需求中无需粘贴，可以不设置第二胶层以及离型纸，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择和调整。

作为本实用新型优选的技术方案，所述第二胶层的厚度≤0.01mm，例如 0.001mm、0.002mm、0.003mm、0.004mm、0.005mm、0.006mm、0.007mm、 0.008mm、0.009或0.01mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述云母片的厚度为0.1～0.5mm，例如 0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm 等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本实用新型所得复合结构的性能与云母片的厚度呈正相关，云母片的厚度越厚，所得复合结构的耐高温及防火能力得到提高；但云母片厚度增加时，应保证包裹薄膜对云母片的包覆性不能变差，因此，优选地，所用包裹薄膜的厚度也需要在给定的范围内适当增加；还需要说明的是，当云母片过薄时，其机械强度无法稳定支撑其成为复合材料，加工难度大且不易成型。

作为本实用新型优选的技术方案，所述云母片包括金云母片或白云母片。

白云母片及金云母片因结构中含有的金属离子不同，而在热学、电学及膨胀性等方面均有差异，厚度一致时，通常金云母片的耐热防火性能更优，但在本实用新型中，白云母片仍然适用且能使所述复合结构达到性能要求。

作为本实用新型优选的技术方案，所述第一胶层的厚度≤0.01mm，例如 0.001mm、0.002mm、0.003mm、0.004mm、0.005mm、0.006mm、0.007mm、 0.008mm、0.009或0.01mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述包裹薄膜层的厚度为0.01～0.1mm，例如0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、 0.09mm或0.1mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述包裹薄膜层为PP层、PET层或PI 层。

第二方面，本实用新型提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池含有第一方面所述的电芯内部耐热防护云母复合结构。

示例性地，本实用新型所述的电芯内部耐热防护云母复合结构的制备方法为：

先将厚度为0.1～0.5mm云母片的上下表面均匀涂覆丙烯酸胶水后，置于 65℃下处理3min，形成厚度≤0.01mm的第一胶层，再与包裹薄膜进行粘接，使云母片得到完全包覆，不漏出边角，并形成均匀完整的、厚度为0.01～0.1mm的包裹薄膜层；进一步地，再于一侧的包裹薄膜层上涂覆丙烯酸胶水，重新置于 65℃下处理3min，形成厚度≤0.01mm的第二胶层，最后于所述第二胶层的外侧粘接离型纸，得到总厚度为0.13～0.8mm的所述电芯内部耐热防护云母复合结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型将薄的云母片进行处理并与其他材料复合后，获得0.13～0.8mm 的复合结构，极大地缩小了厚度，使其能成功应用于电芯内部；在进行与电芯外壳内表面接触的设置后，可以有效防止电芯因碰撞挤压、膨胀穿刺等作用对电芯外壳的破坏，且能有效防止电芯内短路造成的严重热失控，能够使电芯外壳在800℃下不发生熔融坍塌，进而防止了锂离子电池包内热失控的扩散及失火的发生。

附图说明

图1是本实用新型实施例及对比例所得电芯内部耐热防护云母复合结构的结构示意图；

图中：1-云母片，2-第一胶层，3-包裹薄膜层，4-第二胶层，5-离型纸。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

图1是本实用新型实施例及对比例所得电芯内部耐热防护云母复合结构的结构示意图，所述电芯内部耐热防护云母复合结构包括云母片1，以及设置于所述云母片1上下表面的第一胶层2和设置于所述第一胶层2外侧的包裹薄膜层3；所述电芯内部耐热防护云母复合结构一侧的所述包裹薄膜层3的外侧设置有第二胶层4，所述第二胶层4的外侧设置有离型纸5。

实施例1

本实施例提供了一种总厚度为0.53mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构包括由金云母构成的厚度为0.4mm的云母片，以及设置于所述云母片上下表面的，由丙烯酸胶水构成的厚度为0.01mm的第一胶层，以及设置于所述第一胶层外侧的，由PP(聚丙烯)薄膜构成的厚度为 0.05mm的包裹薄膜层；所述复合结构一侧的所述包裹薄膜层的外侧设置有厚度为0.01mm的，由丙烯酸胶水构成的第二胶层，所述第二胶层的外侧设置有离型纸。

实施例2

本实施例提供了一种总厚度为0.13mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构包括由白云母构成的厚度为0.1mm的云母片，以及设置于所述云母片上下表面的，由丙烯酸胶水构成的厚度为0.001mm的第一胶层，以及设置于所述第一胶层外侧的，由PET(聚酯)薄膜构成的厚度为 0.01mm的包裹薄膜层；所述复合结构一侧的所述包裹薄膜层的外侧设置有厚度为0.008mm的，由丙烯酸胶水构成的第二胶层，所述第二胶层的外侧设置有离型纸。

实施例3

本实施例提供了一种总厚度为0.73mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构包括由白云母构成的厚度为0.5mm的云母片，以及设置于所述云母片上下表面的，由丙烯酸胶水构成的厚度为0.01mm的第一胶层，以及设置于所述第一胶层外侧的，由PI(聚酰亚胺)薄膜构成的厚度为 0.1mm的包裹薄膜层；所述复合结构一侧的所述包裹薄膜层的外侧设置有厚度为0.01mm的，由丙烯酸胶水构成的第二胶层，所述第二胶层的外侧设置有离型纸。

实施例4

本实施例提供了一种总厚度为0.21mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构中云母片的厚度由0.4mm调整为0.08mm除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

实施例5

本实施例提供了一种总厚度为0.23mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构中云母片的厚度由0.4mm调整为0.1mm，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

实施例6

本实施例提供了一种总厚度为0.33mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构中云母片的厚度由0.4mm调整为0.2mm，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

实施例7

本实施例提供了一种总厚度为0.43mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构中云母片的厚度由0.4mm调整为0.3mm，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

实施例8

本实施例提供了一种总厚度为0.63mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构中云母片的厚度由0.4mm调整为0.5mm，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

实施例9

本实施例提供了一种总厚度为0.73mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构中云母片的厚度由0.4mm调整为0.6mm，除此之外，其他条件与实施例1完全相同。

对比例1

本对比例提供了一种总厚度为0.85mm(不包括离型纸)的电芯内部耐热防护云母复合结构，所述复合结构中云母片的厚度由0.5mm调整为0.62mm，除此之外，其他条件与实施例3完全相同。

将各实施例所用的云母片材料及实施例所得电芯内部耐热防护云母复合结构分别浸入电解液进行30天的长期浸泡，经过对溶液的检测，发现云母片材料产生了钾离子、镁离子等金属离子的浸出，而所得电芯内部耐热防护云母复合结构未发现离子浸出。

将实施例及对比例所得电芯内部耐热防护云母复合结构的离型纸揭除，并均匀贴附于电芯铝壳内侧，用800℃的火焰灼烧复合结构一侧，维持30min，在此过程中监测铝壳的实际温度，并记录1min、5min、15min及30min的温度数值，然后以固定的升温速率提高灼烧温度直至铝壳发生熔融塌陷，此时铝壳的实际温度为最高耐热温度，所得结果记录于表1。

表1

由表1可以看出：随着云母片的厚度不断增加，所得电芯内部耐热防护云母复合结构的耐热防火性能不断提升，在相同的测试时间下，云母片越厚会导致铝壳的实际温度越低，上述所有实施例所得复合结构都能成功防止铝壳在 30min的灼烧下发生熔融坍塌；其中，当云母片的厚度为0.4mm及以上时，灼烧30min后，铝壳的温度基本处于300℃；需要说明的是实施例4中云母片的厚度为0.08mm，而小于0.08mm的云母片因较为脆弱无法形成复合材料；对比例1中所得复合结构虽然具备较优的耐热防火性能，但总厚度过大，当应用在电芯内部时，会对电芯的容量性能造成影响；

从以上实施例的性能及分析可以看出，本实用新型将薄的云母片进行处理并与其他材料复合后，应用于电芯内部，并与电芯外壳内表面接触，可以有效防止电芯内短路造成的严重热失控，能够使电芯外壳在800℃下不发生熔融坍塌，进而防止了锂离子电池包内热失控的扩散及失火的发生。

以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述电芯内部耐热防护云母复合结构包括云母片，以及设置于所述云母片上下表面的第一胶层和设置于所述第一胶层外侧的包裹薄膜层；所述电芯内部耐热防护云母复合结构的总厚度为0.13～0.8mm。

2.根据权利要求1所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述电芯内部耐热防护云母复合结构一侧的所述包裹薄膜层的外侧设置有第二胶层。

3.根据权利要求2所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述第二胶层的外侧设置有离型纸。

4.根据权利要求2或3所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述第二胶层的厚度≤0.01mm。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述云母片的厚度为0.1～0.5mm。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述云母片包括金云母片或白云母片。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述第一胶层的厚度≤0.01mm。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述包裹薄膜层的厚度为0.01～0.1mm。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的电芯内部耐热防护云母复合结构，其特征在于，所述包裹薄膜层为PP层、PET层或PI层。

10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池含有权利要求1-9任意一项所述的电芯内部耐热防护云母复合结构。

Images