一种安全结构的锂离子电池的制作方法

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本发明涉及锂离子电池制造技术领域，尤其是涉及一种安全结构的锂离子电池。

背景技术：

近年来，便携式电子产品、电动汽车、储能电站等领域的快速发展，对能量贮存技术提出了更高的要求。锂离子电池由于其高的能量密度而成为这些领域的首要选择，并且其能量密度也越来越高。伴随着锂离子电池能量密度越来越高，它面临的安全问题越来越严峻，已经严重限制了高能量密度锂离子电池的终端使用。

锂离子电池的安全问题主要是由于电池热失控产生的。电池内部因为异常产热反应，导致电池内部温度持续升高，继而引发更多产热副反应，导致电池起火甚至爆炸，从而严重威胁使用者的生命财产安全。

为了改善这一问题，人们采用各种策略来提高锂离子电池的安全特性。可以采用如下方法，1、是通过陶瓷涂层提高隔膜的热稳定性，避免因为隔膜热收缩而引起正负极接触，从而减缓热失控反应；2、在隔膜上涂覆在特定温度下融化的聚合物，利用聚合物的融化，阻断电池内部正负极之间的锂离子传导通道，从而避免电池热失控的加剧。

目前方法1已经得到广泛应用，并且能够显著改善锂离子电池的安全特性。但是由于涂覆陶瓷的隔膜仅能提高隔膜的热稳定性，并不能阻断产热副反应，因此其改善效果有限。目前仅能解决能量密度不超过200wh/kg电池的安全问题；方法2可以部分遏制电池的热失控反应，但是由于锂离子电池电极通常都是多孔电极，电解液填充在丰富的电极空隙中；虽然正负极之间的锂离子传导被阻断，但是电极内部活性物质与电解液的反应仍然在继续进行，会进一步导致热量积累引发热失控反应，方法2不能适用于高能量兼高功率的锂离子电池体系。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种利用低熔点聚合物作为极片粘结剂，能够在锂离子电池内部温度过高时阻隔锂离子迁移的安全结构锂离子电池。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种安全结构的锂离子电池，其包括正极、负极、电解液、隔膜和外包装，正极包含正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极浆料，正极浆料由正极活性物质、导电剂和粘结剂组成；负极包含负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极浆料，负极浆料由负极活性物质、导电剂和粘结剂组成；正极浆料和负极浆料中的粘结剂由聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、均聚甲醛和聚苯醚中的两种或两种以上组分组成。

锂离子电池在大功率运行一段时间后，其内部温度会增加，温度增加后导致其中的分解等副反应增加，进而导致温度不断升高，锂离子电池内部温度升高后，会导致其中的电解液(质)发生分解造成锂离子电子鼓胀，最终可能导致锂离子电池破裂并造成安全事故。锂离子电池极片浆料中添加的粘结剂虽然含量较少，但是起到对锂离子电池极片浆料粘合成型的作用，其能均匀的分散在极片浆料中，真是由于粘结剂需要并能够均匀的分散在浆料内部，并填塞各浆料组分之间的间隙，因此选用低温熔融聚合物作为极片浆料粘结剂添加到极片浆料中，可以使在高温情况(90～200℃)下浆料粘结剂发生熔化，并且熔化后的粘结剂能够填满浆料各种组分之间的空隙阻断锂离子电池内部离子迁移的通道，使锂离子内部温度下降，保证锂离子电池的安全。聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、均聚甲醛和聚苯醚是一些既可以起到粘结作用又具有低熔点的高分子聚合物，其熔点在90～200℃之间，添加这些聚合物可以保证锂离子电池的安全，同时对这几种聚合物进行调配能够获得一系列具有合适熔化温度且能够辅助聚偏氟乙烯和丁苯橡胶增强粘结性能的聚合物组合。

作为优选，正极浆料中，正极活性物质与导电剂的重量比为90～95：5～1，正极浆料中粘结剂的含量为3～10wt％。

作为优选，负极浆料中，负极活性物质、导电剂和增稠剂的重量比为91～94：4～2：1～2.5，负极浆料中粘结剂的含量为2～10wt％。

作为优选，粘结剂组分中，聚乙烯蜡的分子量为2000～200000，聚丙烯蜡的分子量为1000～100000，聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为80000～200000，均聚甲醛的分子量为20000～110000，聚苯醚的分子量为2000～50000。

由于需要所添加的粘结剂能够在高温(≥90℃)时，因此需要增加低分子量的相应聚合物；对于聚乙烯蜡，由于其自身熔点较低，无论是添加高分子量的聚乙烯蜡还是低分子量的聚乙烯蜡，其可以实现在90～200℃温度区间内熔化并阻碍离子的迁移；而上述除聚乙烯蜡之外的聚合物由于其高分子量型和低分子量型之间熔化温度差异较大，都需要选择低分子量型的聚合物；为提高安全性能，聚乙烯蜡优选分子量为10000～20000的，聚丙烯蜡优选20000～50000的。

作为优选，正极粘结剂由聚偏氟乙烯、聚乙烯蜡和聚丙烯蜡组成，聚偏氟乙烯、聚乙烯蜡和聚丙烯蜡的重量比为8～12：8～12：4～6。

聚偏氟乙烯是锂离子电池正极中常用的粘结剂，在偏氟乙烯为主要粘结剂的基础上添加具有低熔点的聚合物，可以在实现在高温时隔断离子迁移的途径，保证锂离子电池的安全。

作为优选，负极粘结剂由均丁苯橡胶、均聚甲醛和聚甲基丙烯酸甲酯组成，丁苯橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯和均聚甲醛的重量比为12～14：10～12：5～7。

因此，本发明具有以下有益效果：与传统的陶瓷涂层和聚合物涂层相比，本发明涉及的安全结构锂离子电池具有热阻断特性；当电池的温度超过90℃温度时，电池内部的粘接剂发生融化，阻断电极活性材料与孔隙内部的电解液发生反应，从而及时阻断热失控反应，提高电池的热稳定性。

附图说明

图1为热处理前正负极浆料中粘结剂表面的sem图；

图2为热处理后正负极浆料中粘结剂表面的sem图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

对比例

本对比例采用正极、负极和隔膜组装成软包装锂离子电池；

具体方法为：

a.正极极片的制备：将正极活性材料与导电剂、粘接剂按照92:2:6的重量比混合均匀制得正极浆料，并将正极浆料在铝箔正极集流体上进行涂布，干燥和碾压；其中所用正极活性材料为nmc体系，导电剂为炭黑导电剂super-p，粘结剂为聚偏氟乙烯；

b.负极极片制备：将负极活性材料、导电剂、增稠剂、粘接剂按照94:2:1：2.5的重量比混合搅拌均匀后制得负极浆料，并将负极浆料涂布在铜箔负极集流体表面，经过干燥和碾压，得到负极极片；其中所用的负极活性材料为石墨，导电剂为炭黑导电剂super-p，粘结剂为丁苯橡胶，增稠剂为羧甲基纤维素钠；

c.将所制备的负极极片、正极极片和隔膜按照叠片电池的制备工艺制备好电池。对电池进行预充、化成和抽空后，分别进行一次分容和二次分容，后得到试验电芯。

实施例1

正极浆料中，正极活性物质与导电剂的重量比为90：5，正极浆料中粘结剂的含量为3wt％；其中粘结剂由聚偏氟乙烯、聚乙烯蜡和聚丙烯蜡组成，聚偏氟乙烯、聚乙烯蜡和聚丙烯蜡的重量比为8：12：4；

负极浆料中，负极活性物质、导电剂和增稠剂的重量比为91：4：1，负极浆料中粘结剂的含量为2wt％；其中粘结剂由丁苯橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯和均聚甲醛组成，丁苯橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯和均聚甲醛的重量比为12：10：5；增稠剂为羧甲基纤维素钠；

其中，聚乙烯蜡的分子量为2000～5000，聚丙烯蜡的分子量为1000～5000，聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为80000～100000，均聚甲醛的分子量为20000～30000；