一种高安全陶瓷隔膜锂电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高安全陶瓷隔膜锂电池。
【背景技术】
[0002]锂离子电池目前有液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物-钴酸锂、锰酸锂，负极采用锂-碳层间化合物。
[0003]锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是21世纪发展的理想能源载体。
[0004]锂电池通常有两种外型:圆柱型和方型。电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂(或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等)及铝箔组成的电流收集极。负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件(部分圆柱式使用)，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。
[0005]当锂电池芯过充到电压高于4.2V后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于4.2V后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。
[0006]因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时，部分材料会开始被破坏。由于电池会自放电，放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到2.4V才停止。锂电池从3.0V放电到2.4V这段期间，所释放的能量只占电池容量的3%左右。因此，3.0V是一个理想的放电截止电压。充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性。万一电池外壳破裂，就会爆炸。
[0007]为了避免因使用不当造成电池过放电或者过充电，在单体锂离子电池内设有三重保护机构。一是采用开关元件，当电池内的温度上升时，它的阻值随之上升，当温度过高时，会自动停止供电；二是选择适当的隔板材料，当温度上升到一定数值时，隔板上的微米级微孔会自动溶解掉，从而使锂离子不能通过，电池内部反应停止；三是设置安全阀(就是电池顶部的放气孔)，电池内部压力上升到一定数值时，安全阀自动打开，保证电池的使用安全性。
[0008]有时，电池本身虽然有安全控制措施，但是因为某些原因造成控制失灵，缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放，电池内压便会急剧上升而引起爆炸。
[0009]提高现有安全控制技术的性能，首先要提高锂离子电池芯的安全性能，这对大容量电池尤为重要。选择热关闭性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔离电池正负极的同时，允许锂离子的通过。当温度升高时，在隔膜熔化前进行关闭，从而使内阻上升至2000欧姆，让内部反应停止下来。
[0010]锂离子电池隔膜，在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池的性能有很大的影响。电池的种类不同，采用的隔膜也不同。对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。
[0011]锂电池隔膜的要求:(I)具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；⑵有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性；(3)由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物，隔膜必须耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性；(4)对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力；(5)具有足够的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小；(5)空间稳定性和平整性好；(6)热稳定性和自动关断保护性能好。动力电池对隔膜的要求更高，通常采用复合膜。
[0012]陶瓷隔膜，通过涂覆一层超薄的PET非织造支撑层和氧化物包括氧化铝、氧化锆和硅石制备得到。氧化物颗粒先悬浮在无机的粘合剂中，然后将悬浮液涂覆在非织造PET上。通过将涂覆后的PET在200° C干燥就得到了复合隔膜。这种方法获得的隔膜有着很小的、大约0.08微米的平均孔洞尺寸和大约24微米的厚度。在这种隔膜中，大约20微米厚度的PET非织造物，提供了拉伸强度和灵活性，而陶瓷颗粒涂层则有助于避免针孔，同时阻止了枝晶穿透和提供了热稳定性。LG化学也发展了一种陶瓷增强的隔膜，通过在多孔基底上(通常是聚烯烃多孔膜)涂覆一层由无机颗粒和高分子粘合剂混合浆得到的多孔层。该隔膜有PE作支撑层，钛酸钡/ 丁基丙烯酸盐-丙烯酸共聚物做涂层，在150° C下干燥I小时后收缩小于10%。
[0013]现有的锂电池一般都是采用的普通的聚烯烃多孔膜，聚烯烃多孔膜对于阻止锂电池内部的枝晶穿透、热稳定性、穿刺强度、拉伸强度等性能不佳，同时对于抑制电池极化，减少热效应，提高倍率的附加效果也不好，耐电解液腐蚀的性能差，无法提高锂电池的耐高低温性能。当对锂电池使用不当造成电池过放或者过充时，容易导致锂电池短路爆炸，对人们的生命财产造成威胁。
【实用新型内容】
[0014](I)要解决的技术问题
[0015]本实用新型为了克服现有的锂电池的隔膜，无法避免锂电池短路爆炸问题的发生，安全性低的缺点，本实用新型要解决的技术问题是提供一种高安全陶瓷隔膜锂电池。
[0016](2)技术方案
[0017]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了这样一种高安全陶瓷隔膜锂电池，包括有陶瓷隔膜、正极集流体导电层、负极集流体导电层、隔膜柱1、隔膜柱I1、隔膜柱III ;
[0018]所述的陶瓷隔膜为涂有陶瓷的复合隔膜；所述的陶瓷隔膜、所述的正极集流体导电层、所述的负极集流体导电层均为条状；所述的陶瓷隔膜与所述的正极集流体导电层相连接，所述的正极集流体导电层设置在对称折叠后的所述的陶瓷隔膜的中间位置上；
[0019]所述的负极集流体导电层与所述的陶瓷隔膜相连接，所述的负极集流体导电层覆盖在对称折叠后的所述的陶瓷隔膜的内表面上；
[0020]所述的陶瓷隔膜的下表面与所述的隔膜柱I相连接；所述的陶瓷隔膜的上表面与所述的隔膜柱II和所述的隔膜柱III相连接，所述的隔膜柱II设置在所述的隔膜柱III的左侧；
[0021]在所述的陶瓷隔膜上下表面上分别设置的所述的隔膜柱I和所述的隔膜柱I1、所述的隔膜柱III，共同使螺旋卷绕的所述的陶瓷隔膜、所述的正极集流体导电层、所述的负极集流体导电层同时在水平方向的断面上形成S形。
[0022]工作原理:锂电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。
[0023]锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。
[0024]当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时，即我们使用电池的过程，嵌在负极碳