一种高安全结构锂电池的制作方法

文档序号：16910094发布日期：2019-02-19 18:34阅读：152来源：国知局

本发明属于锂电池领域，尤其是涉及一种高安全结构锂电池。

背景技术：

新能源汽车市场快速发展，锂电池得到大量的应用。随着新能源汽车的推广，人们对新能源汽车提出了更高续航里程要求。为了能满足高续航要求，就需要提高电池的能量密度。目前主要的技术路线是通过高镍、高电压正极材料、硅负极材料等，而正极材料的高克容量提升，同时带来的问题就是热稳定下降。产生的问题就是高能量密度电池安全性下降。

经验证锂电池的热失控起火，一般是在70-90℃首先负极sei膜分解，电解液与负极活性li&lic6发生放热反应。该反应热持续对电芯进行加热，在电芯内部会形成层间温度梯度，中心层的温度最高。当温度达到正极分解温度时，正极发生分解放热并释放氧气与电解液发生放热反应。当中心正极开始参与放热时，热量在电芯内部层间快速扩展。电芯进入加速热失控阶段，最终引发造成电芯起火。

目前，锂电池安全设计主要从体系设计方面提高，一般通过使用热稳定性更高的正负极材料、具有阻燃功能的电解液、高熔点隔膜、陶瓷涂层隔膜、负极陶瓷表面涂覆、正极极耳陶瓷涂覆、ptc添加剂等。而以上安全措施主要作用是避免电池热失控的发生或抑制热失控起火，并没有从解决反应热在电芯内部传递与蓄积核心问题。如果电芯热失控内部扩展过快，电芯内部的能量短时间内爆发出来，会加大锂电池热失控的危险性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种高安全结构锂电池，采用不同功能电极设计及制作工艺，实现对电芯内部的热量传递与蓄积进行控制，使电芯具备较高能量密度的同时，提高电芯热失控安全性，兼具低成本的优势。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高安全结构锂电池的正极极片，包括a型电极、b型电极或c型电极中的至少一种；

所述的a型电极的双面均涂布有高能量电极材料，所述的b型电极的双面均涂布有高安全电极材料，所述的c型电极的双面分别涂布有高能量电极材料与高安全电极材料。

进一步，所述的高能量电极材料由包括如下原料制成：高克容量正极材料、导电剂、粘结剂和溶剂，其中，所述的高克容量正极材料的质量为高克容量正极材料、导电剂、粘结剂的总质量的90-98％；

所述的高克容量正极材料为lini1-x-ycoxmnyo2、lini1-x-ycoxalyo2、linio2或licoo2中的至少一种，其中，x与y的取值范围分别为0≤x≤1，0≤y≤1；

优选的，所述的高克容量正极材料为lini0.5co0.2mn0.3o2、lini0.6co0.2mn0.2o2、lini0.8co0.1mn0.1o2、lini0.8co0.15al0.05o2、linio2或licoo2中的至少一种。

所述的高能量电极材料由包括如下重量份的原料制成：

进一步，所述的高安全电极材料由包括如下原料制成：高安全正极材料、导电剂、粘结剂和溶剂，其中，所述的高安全正极材料的质量为高安全正极材料、导电剂、粘结剂的总质量的90-98％；

所述的高安全正极材料为limxpo4或limxoy中的至少一种，其中，x与y的取值范围分别为0≤x≤3，0≤y≤4；

优选的，所述的高安全正极材料为lifepo4或limn2o4中的至少一种。

所述的高安全电极材料由包括如下重量份的原料制成：

进一步，所述的导电剂为炭黑、碳纳米管、石墨烯或石墨中的至少一种；所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)；所述的溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)。

所述的高安全结构锂电池的正极极片的制备方法，包括如下步骤：

(1)高能量电极材料的制备：将粘结剂与第一部分溶剂搅拌均匀，直至粘结剂全部溶解，得到胶液，将导电剂与第二部分溶剂搅拌均匀，向其中加入50％的胶液搅拌均匀，然后加入高克容量正极材料搅拌均匀，最后加入剩余的50％的胶液搅拌均匀后即得所述的高能量电极材料；

(2)高安全电极材料的制备：将粘结剂与第一部分溶剂搅拌均匀，直至粘结剂全部溶解，得到胶液，将导电剂与第二部分溶剂搅拌均匀，向其中加入50％的胶液搅拌均匀，然后加入高安全正极材料搅拌均匀，最后加入剩余的50％的胶液搅拌均匀后即得所述的高安全电极材料；

(3)正极极片涂布：将高能量电极材料与高安全电极材料分别进行涂布，得到a型电极、b型电极与c型电极；

(4)将a型电极、b型电极与c型电极进行烘烤、碾压、冲切的后段工序后即得所述的高安全结构锂电池的正极极片。

所述的步骤(1)中第一部分溶剂与第二部分溶剂的质量比为(2-2.5)1。

所述的步骤(2)中第一部分溶剂与第二部分溶剂的质量比为(2-2.5)1。

所述的正极极片的集流体为铝箔。

一种包含所述的正极极片的高安全结构锂电池，该锂电池还包括负极极片、膜结构与电解液。

所述的高安全结构锂电池的叠片方法，包括如下步骤：在叠片过程中，正极极片选择a型电极、b型电极或c型电极中的至少一种进行叠片。

进一步，所述的正极极片选择a型电极与b型电极的组合、a型电极与c型电极的组合或单独采用c型电极的形式进行叠片。

进一步，所述的正极极片选择a型电极与b型电极的组合的形式进行叠片时，a型电极的数量与b型电极的数量的比值为20：(1-2000)，a型电极与b型电极进行穿插叠片；

所述的正极极片选择a型电极与c型电极的组合的形式进行叠片时，a型电极的数量与c型电极的数量的比值为20：(1-2000)，a型电极与c型电极进行穿插叠片。

优选的，所述的正极极片选择a型电极与b型电极的组合的形式进行叠片时，a型电极的数量与b型电极的数量的比值为10：(1-20)，a型电极与b型电极进行穿插叠片；

所述的正极极片选择a型电极与c型电极的组合的形式进行叠片时，a型电极的数量与c型电极的数量的比值为10：(1-20)，a型电极与c型电极进行穿插叠片。

所述的负极极片由包括如下原料制成：负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂、负极溶剂，其中，所述的负极活性材料的质量为负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂的总质量的90-97％。

所述的负极活性材料为锂合金、碳、石油焦、活性炭、石墨、碳纤维、硅或碳纳米管中的至少一种。

所述的负极导电剂为炭黑、碳纳米管、石墨烯或石墨中的至少一种。

所述的负极粘结剂为羧甲基纤维素钠(cmc)与丁苯胶乳胶(sbr)的组合。

所述的负极溶剂为去离子水。

所述的负极极片的集流体为铜箔。

所述的膜结构为以聚烯烃、聚丙烯或pet中的一种为基底，以陶瓷或勃姆石为涂层的微孔隔膜；所述的膜结构的厚度为6-30um，孔隙率为25-65％，透气度为100-1000sec/100cc。

所述的电解液由包括如下原料制成：电解液溶剂、电解液锂盐、成膜添加剂。

所述的电解液溶剂为碳酸乙烯酯(ec)、碳酸丙烯酯(pc)、碳酸丁烯酯、ɑ-丁内酯、ɑ-戊内酯、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸甲乙酯(emc)、二乙氧基乙烷或1,3-二氧戊烷中的至少一种。

所述的电解液锂盐为lipf6、libf4、liclo4、libob、lin(cf3so2)2、li(cf3so2)3中的至少一种。

所述的成膜添加剂为碳酸亚乙烯酯(vc)或亚硫酸丙烯酯(ps)中的至少一种。

本发明所述的高安全结构锂电池的负极、电解液、电芯装配均按照常规工艺进行制备。

所述的高安全结构锂电池正极中采用三种不同功能电极极片，a型电极是高能量密度电极，采用高克容量正极材料制备，提高电芯的能量密度；b型电极是热稳定性高的安全电极，采用克容量相对较低、热稳定性高的正极材料制备，改善电芯热稳定性与安全性；c型电极是能量密度与安全兼具型电极，该电极a面涂布高能量电极材料，b面涂布克容量相对较低、热稳定性高的高安全正极匀浆。以此实现能量密度与安全功能兼具。

在叠片工序，将a型电极与b型电极、a型电极与c型电极，进行穿插组合使用，或者全部使用c型电极。其余工序与常规制作工艺一致。该种设计电芯发生热失控时，安全功能正极与涂层面，在电芯升温初期过程不参与放热同时吸收一部分热量，当热失控电芯温度达到高能量密度正极分解放热温度时，热失控开始电芯内部电极层间快速扩展时，安全电极可以起到阻隔热量传递，延长热失控时间，降低热失控爆发强度。

相对于现有技术，本发明所述的高安全结构锂电池具有以下优势：

(1)本发明所述的高安全结构锂电池在电芯发生热失控时，安全功能正极涂层面，在电芯升温初期过程不参与放热同时吸收一部分热量，当热失控电芯温度达到安全功能正极分解放热温度时，热失控开始电芯内部电极层间快速扩展时，安全电极可以起到阻隔热量传递，延长热失控时间，降低热失控爆发强度。

(2)本发明所述的高安全结构锂电池可以控制电芯内部热失控扩展速度，降低热失控爆发强度，提高安全性；本发明所使用的安全电极材料本身成本低，较其他改善方案综合成本低，据有市场竞争力。

(3)本发明所述的高安全结构锂电池通过三种功能电极的灵活匹配，可是实现不同能量密度电芯的安全改善。

附图说明

图1为本发明所述的a型电极的示意图；

图2为本发明所述的b型电极的示意图；

图3本发明所述的c型电极的示意图。

附图标记说明：

1、a型电极；2、b型电极；3、c型电极；4、集流体；5、高能量电极材料层；6、高安全电极材料层。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

一种高安全结构锂电池的正极极片，包括a型电极、b型电极；所述的a型电极的双面均涂布有高能量电极材料，所述的b型电极的双面均涂布有高安全电极材料。

所述的高能量电极材料由包括如下原料制成：高克容量正极材料lini0.8co0.1mn0.1o294.00kg，pvdf2.00kkg，炭黑3.00kg，nmp35kg。

所述的高安全电极材料由包括如下原料制成：高安全正极材料lifepo494.00kg，pvdf2.00kkg，炭黑3.00kg，nmp35kg。

所述的高安全结构锂电池的正极极片的制备方法，包括如下步骤：

(1)高能量电极材料的制备：将pvdf与25kgnmp搅拌均匀，直至pvdf全部溶解，得到胶液，将炭黑与10kgnmp搅拌均匀，向其中加入50％的胶液搅拌均匀，然后加入lini0.8co0.1mn0.1o2搅拌均匀，最后加入剩余的50％的胶液搅拌均匀后即得所述的高能量电极材料；

(2)高安全电极材料的制备：将pvdf与25kgnmp搅拌均匀，直至pvdf全部溶解，得到胶液，将炭黑与10kgnmp搅拌均匀，向其中加入50％的胶液搅拌均匀，然后加入lifepo4搅拌均匀，最后加入剩余的50％的胶液搅拌均匀后即得所述的高安全电极材料；

(3)正极极片涂布：将高能量电极材料与高安全电极材料单独进行涂布到铝箔的两面，得到a型电极、b型电极，将高能量电极匀浆与高安全电极匀浆分别进行涂布到铝箔两面上，得到c型电极。

(4)将a型电极、b型电极进行烘烤、碾压、冲切冲切成230*790mm大小。

一种包含所述的正极极片的高安全结构锂电池，该锂电池还包括负极极片、膜结构与电解液。

所述的高安全结构锂电池的叠片方法，包括如下步骤：每连续使用4片a型电极，采用1片b电极进行连续叠片。

所述的负极极片由包括如下原料制成：石墨50.00kg，碳黑0.7kg、cmc胶液:sbr胶液(固体质量1.0kg)＝1:3、去离子水20kg。

所述的负极极片的制备方法：包括如下步骤：将cmc溶于去离子水制成胶液，将石墨、碳黑导电剂、配好的cmc胶液、sbr，适量去离子水搅拌均匀，制成负极浆料。将浆料涂覆在铜箔上，烘干、碾压，冲切成233*793mm大小。

所述的电解液由包括如下原料制成：将ec、pc、emc按35:5:60的体积比混合，按1.0m的锂盐浓度加入lipf6，分别加入电解液1％质量分数的vc和1％质量分数的ps，搅拌充分制成电解液。

所述的锂电池的制备方法：将制备好的正极、负极和隔膜按叠片设计要求进行z字形叠片制成电芯，封装在铝塑包装袋内，经85℃真空烘烤15小时。注液、真空封口。将注液后的电池常温静置24小时，然后进行高温夹具预充、高温老化48h、degas、常温老化14天、分容、挑选。

实施例2

所述的高安全结构锂电池的叠片方法，包括如下步骤：每连续使用2片a型电极，采用1片b电极进行连续叠片。