控制电池热失控的方法、电芯及电芯级联结构、动力电池与流程

本发明涉及电池，具体而言，涉及一种控制电池热失控的方法、电芯及电芯级联结构、动力电池。

背景技术：

1、锂离子电池的热失控发生频率较高，且危害严重，其能够引起锂离子电池起火甚至爆炸，严重威胁用户的安全。随着电池能量密度提高，锂离子电池应用规模扩大，电池热失控风险也进一步增加。锂离子电池发生热失控主要是由于其内部产热速率远高于散热速率，在锂离子电池内部积攒了大量的热量，从而引起了连锁反应，进而导致电池起火甚至爆炸。

2、现有技术中，针对锂离子电池的热失控防范措施，主要是采用正温度系数电极(即ptc电极)、热敏性微球修饰隔膜或电极等。其中，ptc电极主要有3种实现途径：一是采用正温度系数材料作为电极集流体表面涂层，二是采用正温度系数材料作为电极活性涂层的导电剂，三是直接采用正温度系数材料作为电极活性颗粒的表面包覆层。但是，集流体修饰的ptc电极只能够对外部滥用(如过充、外部短路)引起的温升作出响应，而对内部短路引起的热失控则无能为力；以塑料/碳黑复合物为ptc导电剂的温度敏感电极时，这类物质颗粒较大(粒径大于10μm)、分散性差且室温电阻率高，导致其在电极中的添加量较高，从而引起电池能量密度和倍率性能的显著下降；表面包覆层则存在容易在电极滚压过程中变形和脱落的问题。热敏性微球修饰隔膜或电极，具有热关闭作用，且化学稳定性高、电化学兼容性好、使用方便，但受到目前聚烯烃隔膜热稳定性的限制，微球修饰隔膜的过热保护功效难以得到充分体现。因此，现有技术中热失控防范措施均存在一定的局限性。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是如何有效防控电池热失控风险并提升电池性能。

2、为解决上述问题，本发明提供一种控制电池热失控的方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、将黏结剂分散于有机溶剂中，得到黏结剂溶液；

4、步骤s2、向所述黏结剂溶液中加入氮化铝粉末和石墨粉末，搅拌混合，得到悬浮液；

5、步骤s3、将所述悬浮液分别涂覆于正极集流体和负极集流体其中一侧的表面，干燥后，分别形成第一氮化铝复合涂层和第二氮化铝复合涂层；

6、步骤s4、将涂覆有所述第一氮化铝复合涂层的所述正极集流体与正极活性材料组成正极，所述正极中所述第一氮化铝复合涂层位于所述正极集流体和所述正极活性材料之间；

7、步骤s5、将涂覆有所述第二氮化铝复合涂层的所述负极集流体与负极活性材料组成负极，所述负极中所述第二氮化铝复合涂层位于所述负极集流体和所述负极活性材料之间；

8、步骤s6、将所述正极和所述负极进行组装得到电芯。

9、可选地，所述步骤s2中，所述悬浮液中所述氮化铝粉末的质量分数为20-50％，所述石墨粉末的质量分数为1-10％。

10、可选地，所述步骤s2中，所述氮化铝粉末的粒径为150-350nm。

11、可选地，所述第一氮化铝复合涂层和所述第二氮化铝复合涂层的厚度为0.5-20μm。

12、可选地，所述步骤s6中，所述将所述正极和所述负极进行组装得到电芯，包括：

13、将所述正极、所述负极分别设置在电解质的两侧，且所述正极集流体和所述负极集流体均位于外侧，组装得到所述电芯。

14、本发明通过在正极集流体和负极集流体表面涂覆氮化铝复合涂层，充分利用了氮化铝导热系数高、禁带宽度大的特点，当电池正常工作时，氮化铝复合涂层能够形成快速导热、散热的通道，将电池工作产生的热量散发出去，避免热量在电池内部积攒，当电池工作异常时，发生热失控时，若温度不高，能够利用氮化铝复合涂层的高导热性将局部热量均匀化并导出电池外部，若电池发生破损，温度较高，电池内部温度升高且氧气增加，氮化铝复合涂层中氮化铝与氧气亲和力极强，能够消耗氧气生成氮气，既能贫氧又能形成氮气保护层进一步隔绝氧气，防止热失控风险升级，氮化铝反应后生成al2o3，能够起到绝缘作用，防止破损区域短路，且此反应为吸热反应，能够防止热量进一步聚集，显著降低热失控升级的风险；氮化铝的热膨胀系数较低，高温稳定性和绝缘性较好，能够减少对电池的不利影响，由于氮化铝复合涂层中包括氮化铝和石墨(导电剂)，氮化铝复合涂层能够与正极集流体或负极集流体形成金属-半导体二极管结构，电池工作时，电子能够穿过氮化铝复合涂层进入正极集流体或负极集流体形成的电子通道，产生的热量能够通过氮化铝复合涂层形成的热流通道进行均匀化并导出电池外部，电子和热流不相互干扰。本发明提供的控制热失控的方法，通过在电芯中正(负)极集流体和正(负)极活性材料之间增加氮化铝复合涂层，显著提高了导热效率，避免热量的积攒，并在高温时能够利用氮化铝与氧气的吸热反应进一步降低热失控升级风险，能够兼顾热失控的初期预防和后期保护，解决电芯内部的热扩散问题，且稳定性好。

15、本发明还提供了一种电芯，包括正极、负极和电解质；

16、所述正极包括正极集流体、第一氮化铝复合涂层和正极活性材料，所述第一氮化铝复合涂层涂覆于所述正极集流体的其中一侧，且所述第一氮化铝复合涂层位于所述正极集流体和所述正极活性材料之间；

17、所述负极包括负极集流体、第二氮化铝复合涂层和负极活性材料，所述第二氮化铝复合涂层涂覆于所述负极集流体的其中一侧，且所述第二氮化铝复合涂层位于所述负极集流体和所述负极活性材料之间；

18、所述第一氮化铝复合涂层和所述第二氮化铝复合涂层中包括氮化铝、石墨和黏结剂；

19、所述正极和所述负极分别设置于所述电解质的两侧，且所述正极集流体和所述负极集流体均位于远离所述电解质的一侧。

20、可选地，所述电解质包括液态电解质、固态电解质和隔膜中的其中一种。

21、可选地，该电芯还包括防水致密层，所述防水致密层涂覆于所述正极集流体和所述负极集流体中，与所述第一氮化铝复合涂层和所述第二氮化铝复合涂层相对一侧的表面。

22、本发明提供的电芯相对于现有技术的有益效果，与控制热失控的方法相同，在此不再赘述。

23、本发明还提供了一种电芯级联结构，由至少两个如上所述的电芯串联形成。

24、本发明提供的电芯级联结构相对于现有技术的有益效果，与控制热失控的方法相同，在此不再赘述。

25、本发明还提供了一种动力电池，包括如上所述的电芯或电芯级联结构。

26、本发明提供的动力电池相对于现有技术的有益效果，与控制热失控的方法相同，在此不再赘述。

技术特征：

1.一种控制电池热失控的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的控制电池热失控的方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述悬浮液中所述氮化铝粉末的质量分数为20-50％，所述石墨粉末的质量分数为1-10％。

3.根据权利要求1所述的控制电池热失控的方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述氮化铝粉末的粒径为150-350nm。

4.根据权利要求1所述的控制电池热失控的方法，其特征在于，所述第一氮化铝复合涂层(12)和所述第二氮化铝复合涂层(22)的厚度为0.5-20μm。

5.根据权利要求1所述的控制电池热失控的方法，其特征在于，所述步骤s6包括：

6.一种电芯，其特征在于，包括正极、负极和电解质(3)；

7.根据权利要求6所述的电芯，其特征在于，所述电解质(3)包括液态电解质、固态电解质和隔膜中的其中一种。

8.根据权利要求6所述的电芯，其特征在于，还包括防水致密层(6)，所述防水致密层涂覆于所述正极集流体(11)和所述负极集流体(21)中，与所述第一氮化铝复合涂层(12)和所述第二氮化铝复合涂层(22)相对一侧的表面。

9.一种电芯级联结构，其特征在于，由至少两个如权利要求7或8所述的电芯串联形成。

10.一种动力电池，其特征在于，包括如权利要求7-8任一项所述的电芯或如权利要求9所述的电芯级联结构。

技术总结
本发明提供一种控制电池热失控的方法、电芯及电芯级联结构、动力电池，属于电池技术领域，方法包括：将黏结剂分散于有机溶剂中，得到黏结剂溶液；向黏结剂溶液中加入氮化铝粉末和石墨粉末，搅拌混合，得到悬浮液；将悬浮液分别涂覆于正极集流体和负极集流体其中一侧的表面，干燥后，分别形成第一氮化铝复合涂层和第二氮化铝复合涂层；将涂覆有第一氮化铝复合涂层的正极集流体与正极活性材料组成正极；将涂覆有第二氮化铝复合涂层的负极集流体与负极活性材料组成负极；将正极和负极进行组装得到电芯。本发明提供的控制热失控的方法能够兼顾热失控的初期预防和后期保护，解决电芯内部的热扩散问题，且稳定性好。

技术研发人员：金则兵,门方,陈春辉,谢普,刘文强,周磊,田志松,王鹏,赵福成
受保护的技术使用者：浙江吉利控股集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16