一种极耳用安全涂层和二次电池的制作方法

本发明涉及二次电池领域，具体涉及一种极耳用安全涂层和二次电池。

背景技术：

1、根据数据统计，电动汽车起火的三大原因是电池自燃、充电和汽车碰撞，而这些起因大多是由电池的内部短路和外部短路引发的，危害人民生命财产安全。

2、衡量电池固有安全的一个重要方法就是强制其内部短路，测试其是否着火或爆炸以及电芯的压降和温升。为防止电池发生外短路，目前市面上主要策略通常是使用耐高温陶瓷隔膜，如二氧化硅涂层/三氧化二铝涂层等无机涂层，在保证软包电芯保液量下，强化隔膜的耐高温/高抗拉等性能，防止电芯短路时发生内短路。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种极耳用安全涂层，具有防短路、防火隔热，避免极耳片温度过高，避免热失控。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种极耳用安全涂层，包括以下重量份数的原料：5wt％～30wt％的陶瓷材料、3wt％～10wt％的粘合剂以及1wt％～3wt％的含磷阻燃剂。

4、发生外/内短路时，极耳因过量的电流通过(当短路发生瞬间，其电流峰值和电池材料体系和荷电状态相关；以3.5v开路电压，5mohm的外短路电阻，直流阻抗为1.5mohm的65ah[磷酸铁锂//石墨]电池为例，计算和实际测量；其峰值电流为3.5v/(5+1.5)mohm≈538a，开路电压下降到1v时，短路电流为1v/(5+1.5)mohm≈153a，平均短路电流在350a以上的持续时间通常不短于100s)，所以短时间在极耳上产生大量的热量，大量热量最初集中于极耳处，可直接熔断极耳或熔化极耳胶，从顶封泄漏的电解液或其蒸汽或高温气体，往往含有可燃性及可爆炸的氢气、一氧化碳、烷烃、烯烃、炔类小分子炔类有机成分，极耳处此时若产生电弧或电火花，非常容易点燃电解液进而引发电池热失控，更严重地将引发热失控蔓延，甚至爆炸。

5、本发明主要原理为当大容量电池发生短路时，产生的持续大电流，在通过顶封处的铝极耳或铜极耳，包括极耳焊接区及箔材极耳区完全涂敷阻燃保护层，阻燃保护层不仅可吸收部分热量降低极耳区温度，还可以隔离外界氧气，防止电火花及电弧产生，阻止热失效继续进行在电池发生短路热失控时，电池主体会向正负极耳持续产生大量的热量，极耳用安全涂层可吸收部分热量达到降温效果，极耳用安全涂层中含磷阻燃剂受热时，含磷分子热分解产生含磷自由基(po·等)，它们可以清除由于副反应产生的氢和氢氧活性自由基，从而降低起火和爆炸的危险性。将一定重量比例勃姆石、粘合剂、助剂与n-甲基吡咯烷酮溶剂共混搅拌制成悬浮液(粘度为500～3000mpa·s)，将电池正负极箔材完全浸没于悬浮液中，高温去除溶剂固化得到极耳用安全涂层(85℃-100℃，12-24h)，极耳用安全涂层的厚度达0.05～0.25mm，宽度与箔材极耳宽度一致。极耳用安全涂层的导热系数为0.14～0.2w/(m·k)，具体地，极耳用安全涂层的导热系数为0.14w/(m·k)、0.15w/(m·k)、0.16w/(m·k)、0.17w/(m·k)、0.18w/(m·k)、0.19w/(m·k)、0.2w/(m·k)。陶瓷材料的用量可以是5wt％、6wt％、8wt％、10wt％、15wt％、18wt％、20wt％、23wt％、27wt％、30wt％，粘合剂的用量可以是3wt％、5wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％，含磷阻燃剂的用量可以是1wt％、1.5wt％、1.8wt％、2wt％、2.3wt％、2.5wt％、2.7wt％、2.9wt％、3wt％。极耳用安全涂层的粒径范围为5-50um，比表面积为12～25m2/g，粘结强度为0.1～0.3mpa，抗压强度为0.2～0.4mpa，涂层不起层不脱落。不影响电池顶封的密封性，顶封熔胶撕开后比较残融胶均匀，未出现假封。

6、其中，所述陶瓷材料包括勃姆石、氧化铝、二氧化硅中的一种或几种。陶瓷材料可以为勃姆石、氧化铝或二氧化硅。

7、其中，所述含磷阻燃剂为磷酸三甲酯、磷酸三苯酯中的一种或两种。含磷阻燃剂可以为磷酸三甲酯或磷酸三苯酯。

8、其中，所述粘合剂为聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素中的一种或两种。粘合剂可以为聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素。

9、其中，极耳用安全涂层的厚度为0.05～0.25mm。极耳用安全涂层设置一定的厚度，既能提高极耳和二次电池的安全性能，但不占用过多的空间体积。具体地，极耳用安全涂层的厚度为0.05mm、0.08mm、0.1mm、0.15mm、0.18mm、0.2mm、0.25mm。

10、本发明的目的之二在于，提供一种二次电池，具有良好的安全性能。

11、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

12、一种二次电池，包括主电芯、极耳以及上述的极耳用安全涂层，所述极耳与主电芯焊接连接形成连接部，所述极耳用安全涂层将连接部包覆隔绝。

13、在本发明的二次电池中，正极片包括正极极片主体、正极极耳、正极活性物质层和保护涂层，正极极片主体和正极极耳的材质包括但不限于铝箔，正极活性物质层的具体种类不受到具体限制，可根据需求进行选择。

14、在一些实施例中，正极活性材料包括可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物。在一些实施例中，正极活性材料可以包括复合氧化物，复合氧化物含有锂以及从钴、锰和镍中选择的至少一种元素。在又一些实施例中，正极活性材料选自钴酸锂(licoo2)、锂镍锰钴三元材料、锰酸锂(limn2o4)、镍锰酸锂(lini0.5mn1.5o4)、磷酸铁锂(lifepo4)中的一种或几种。

15、在一些实施例中，正极活性物质层还包含粘合剂粘合剂提高正极活性物质颗粒彼此间的结合，并且还提高正极活性物质与极片主体的结合。粘合剂的非限制性示例包括聚乙烯醇、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等。

16、在一些实施例中，正极活性物质层还包括导电材料，从而赋予电极导电性。导电材料可以包括任何导电材料，只要它不引起化学变化。导电材料的非限制性示例包括基于碳的材料(例如，天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等)、基于金属的材料(例如，金属粉、金属纤维等，包括例如铜、镍、铝、银等)、导电聚合物(例如，聚亚苯基衍生物)和它们的混合物。

17、在一些实施例中，负极片包括负极极片主体、负极极耳、负极活性物质层和保护涂层，负极极片主体和负极极耳的材质包括但不限于铜箔，负极活性物质层的具体种类不受到具体限制，可根据需求进行选择。

18、在一些实施例中，负极活性物质层选自天然石墨、人造石墨、中间相微碳球(简称为mcmb)、硬碳、软碳、硅、硅-碳复合物、li-sn合金、li-sn-o合金、sn、sno、sno2、尖晶石结构的锂化tio2-li4ti5o12、li-al合金中的一种或几种。

19、在一些实施例中，负极活性物质层可以包含粘合剂，粘合剂提高负极活性材料颗粒彼此间的结合和负极活性材料与集流体的结合。粘合剂的非限制性示例包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等。

20、在一些实施例中，负极活性物质层还包括导电材料，从而赋予电极导电性。导电材料可以包括任何导电材料，只要它不引起化学变化。导电材料的非限制性示例包括基于碳的材料(例如，天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等)、基于金属的材料(例如，金属粉、金属纤维等，例如铜、镍、铝、银等)、导电聚合物(例如，聚亚苯基衍生物)和它们的混合物。

21、在本发明的二次电池中，正极片与负极片之间设有隔膜以防止短路。本技术的电池中使用的隔膜的材料和形状没有特别限制，其可为任何现有技术中公开的技术。

22、在一些实施例中，隔膜可包括基材层和表面处理层。基材层为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。具体的，可选用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。

23、无机物层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的一种或几种的组合。粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的一种或几种的组合。

24、在一些实施例中，聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料选自聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。

25、本发明的二次电池，在主电芯和极耳的连接处设置有极耳用安全涂层，当二次电池发生短路或热失控时，正负极耳处持续产生大量的热量，而本发明的极耳用安全涂层具有非常优良的导热性能，可吸收极耳处大部分热量，减少电池持续处于高温状态，进而减少热失效，提高二次电池的安全性能。同时，极耳用安全涂层含有含磷阻燃剂，受热时会分解产生含磷自由基，清除氢和氢氧活性自由基，从而降低起火和爆炸的危险性，进而提高安全性能。本发明的二次电池通过在极耳处包覆极耳用安全涂层，可保护电路免受化学品、潮湿及其他沾污的侵蚀，提高极耳电志的可靠性。这种极耳用安全涂层制备方法简单，涂层质量轻，可要求供应商直接生产，不会增加客户外成本。使用时，无需增加其他辅助元件，不影响电芯的正常封装和电性能，对电芯pack和重量能量密度也无影响。本发明的二次电池不需要传统方式那样，不需要胶纸覆盖焊接区，节省材料。

26、其中，所述极耳用安全涂层包括第一安全涂层和第二安全涂层，所述第一安全涂层和所述第二安全涂层分别位于极耳的上下两侧。使用两层安全涂层将极耳处进行包覆，从而隔绝部分热量传递到极耳，从而增加极耳片的安全性能。

27、其中，所述第一安全涂层的宽度h1大于极耳的宽度l，所述第二安全涂层的宽度h2大于极耳的宽度l。第一安全涂层和第二安全涂层的宽度大于极耳的宽度，使第一安全涂层和第二安全涂层具有一定的延长宽度，以便于完全将极耳包覆封装。

28、其中，所述极耳包括正极耳和负极片，所述正极耳和所述负极耳分别位于所述主电芯的两侧。正极耳和负极耳分别使用两层安全涂层进行包覆封装。安全涂层的宽度根据极耳的宽度进行调整。

29、其中，所述正极耳和所述负极耳位于所述主电芯的同侧。根据极耳的宽度调整安全涂层的宽度。

30、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的一种极耳用安全涂层，具有防短路、防火隔热，避免极耳片温度过高，避免热失控。将极耳用安全涂层应用于二次电池的极耳处时，能够起到良好的吸收热量的作用和导热作用，大降低极耳处的温度，减少电池持续的高温时间，同时也可以作为阻燃剂，能够隔离外界氧气及抑制可燃所体的产生，防止电池持续发生热失效。本发明的极耳用安全涂层能够使极耳承受5～35a/mm2电流而不发生燃烧，大大提高安全性。