具有热敏层的锂离子电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及一种锂离子电池，具体地，其具有用于在预定温度下阻断锂离子通路 的热敏层。
【背景技术】
[0002] 锂离子电池通常设计为具有限压阀和配备在外壳的外部正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)电阻。然而，这些外部设备不能够在有害反应以非常高的 速度发生时作出响应。
[0003] 现存多种机制来改善锂离子电池在热失控的条件下的安全性，如热保险丝，PTC材 料外部或内部保险丝和阻断隔膜。然而，无一能在预定温度下实现锂离子电池的自动阻断。
[0004] 阻断隔膜被设计成执行锂离子电池的热引发阻断，并且通常具有聚乙烯(PE)-聚 丙烯(PP)的双层或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯的三层结构。高于临界温度时，多孔PE层软化，使 膜孔崩塌并阻断离子传导，同时PP层提供机械支撑。然而，当内部电池温度上升到隔膜的软 化温度时，由于在拉伸隔膜期间引起的残余应力和隔膜材料的晶相和非晶相之间的密度差 异，隔膜会发生收缩，这将导致隔膜失效和暴露电极以致内部短路。
[0005] 因此，有必要改进锂离子电池的安全性。
【发明内容】
[0006] 本申请涉及一种锂离子电池，包括阴极、阳极、放置在阴极和阳极之间的隔膜、和 热敏层，其中该热敏层包括聚合物颗粒，并且设置在所述阴极和阳极中的至少一个与所述 隔膜之间。
[0007] 在一些实施方式中，所述的聚合物颗粒可以具有约0.Olym至约40μηι范围的平均尺 寸。在更具体的一些实施方式中，所述的聚合物颗粒可以具有约〇 . 5μηι至约5μηι范围的平均 尺寸。
[0008] 在一些实施方式中，所述聚合物颗粒可以在约80°C至约260°C的温度范围下熔融 并阻断锂离子通路。在更具体的一些实施方式中，所述聚合物颗粒可以在约l〇〇°C至约180 °C的温度范围下熔融并阻断锂离子通路。
[0009] 在一些实施方式中，所述聚合物颗粒可以是由选自聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚 (甲基丙烯酸甲酯）（PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乳酸、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯 丁醛(PVB)和它们的任意组合的组中的至少一种聚合物制成的。在更具体的一些实施方式 中，所述聚合物颗粒可以是由聚苯乙烯或聚乙烯制成。
[0010] 在一些实施方式中，所述热敏层可以设置在所述阴极、所述阳极和所述隔膜中的 至少一个的表面上。
[0011] 在一些实施方式中，所述热敏层可以通过将包含所述聚合物颗粒和溶剂的分散体 涂覆在所述阴极、所述阳极和所述隔膜中的至少一个的表面上而设置。在更具体的一些实 施方式中，所述热敏层通过湿涂覆或喷涂而配置。在另外一些实施方式中，所述热敏层可以 通过旋涂或刮涂而设置。
[0012] 在一些实施方式中，所述聚合物颗粒可以分散在约1 %至约10 %的重量浓度的溶 剂中。
[0013] 在一些实施方式中，所述溶剂可以是选自由甲醇、乙醇、丙酮、N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP)以及它们的任意组合组成的组中至少一种。
[0014] 在一些实施方式中，所述热敏层的厚度可以为约ο.?μπι至约50μπι。在更具体的一些 实施方式中，所述热敏层的厚度可以为约〇. 5μηι至约5μηι。
[0015] 在一些实施方式中，所述热敏层还包含粘合剂。在一些实施方式中，所述粘合剂可 以选自由聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氨酯、聚乙二醇、聚丙烯酸、羧甲基纤维素、聚丙烯腈、聚 甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇聚 四氟乙烯、乙二醇二丙烯酸酯、六氟丙烯(ΗΕΡ)、氯四氟乙烯(CTFE)及其任意组合组成的组。
[0016] 在一些实施方式中，所述粘合剂以重量计可以为约0%至约50%。在更具体的一些 实施方式中，所述聚合物颗粒以重量计可以为约50 %至约100 %。
[0017] 在一些实施方式中，其中所述隔膜是非织造隔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层隔 膜。
[0018] 本申请的锂离子电池具有如下的有益效果：
[0019] 本申请通过设置一层包含聚合物颗粒的热敏层，提供了新的阻断锂离子电池的机 制和手段，并由此制备得到了更具安全性能的锂离子电池。
【附图说明】
[0020] 锂离子电池的具体实施例将通过举例的方式参照附图来描述，其中：
[0021] 图1示出了根据本申请的热敏层的位置。
[0022]图2a和2b分别是涂覆在阳极上的PS颗粒的SEM图像和近距离观察该颗粒的SEM图 像。
[0023]图3a和3b分别示出了根据本申请的一个实施方案的PS-涂覆袋电池以及作为对照 的袋电池在室温下的循环性能。
[0024]图3c和3d分别示出了根据本申请的一个实施方案的PS-涂覆袋电池以及作为对照 的袋电池在在135°C下的循环性能。
[0025]图4a和4b分别是在135°C下加热后在阳极形成的PS膜以及近距离观察膜中颗粒状 态的SEM图像。
【具体实施方式】
[0026] 在以下的详细描述中，许多具体的细节被描述，以便提供彻底理解本申请。然而， 本申请可以在没有这些具体细节下实践。在其他情况下，众所周知的方法、过程、组件没有 被详细描述，以免本申请变得复杂难懂。此外，示例性的尺寸、数值和范围被给出，但应理解 的是，本申请不限于这些具体的例子。
[0027] 本申请提供了一种包括热敏层的锂离子电池，该热敏层包括用于电池阻断的聚合 物颗粒。当锂离子电池在热失控的条件下，内部温度上升到临界温度，聚合物颗粒发生热相 变过程(熔融），以形成在电极上的绝缘屏障，其在电极之间阻止锂离子传输，并阻断锂离子 电池的内部电流。电流的阻断减少了进一步的发热，能够防止锂离子电池爆炸和燃烧。
[0028]本申请的锂离子电池可包括阴极、阳极、位于阴极和阳极中间的隔膜和热敏层。 [0029]热敏层可以包括具有在大约0.01微米到约40微米范围内的平均尺寸的聚合物颗 粒。优选地，聚合物颗粒可以具有大约0.5微米到约5微米范围内的平均尺寸。合适的聚合物 颗粒可在约80°C至约260°C范围的温度下熔融，优选约100°C至约180°C。在本申请的一些实 施方案中，聚合物颗粒可以由聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA)、丙 烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乳酸、聚氯乙烯(PVC)，或聚乙烯醇缩丁醛(PVB)组成。
[0030] 热敏层可以在电极的表面上或电池的隔膜上牢固且均匀地布置。如图1所示，热敏 层可设置在阳极和阴极中的至少一个与隔膜之间。
[0031] 热敏层可以通过在溶剂中分散聚合物颗粒以形成分散体来制备。该分散体可以使 用本领域公知技术来湿涂布或喷涂到电极或隔膜的表面上。合适的湿涂布技术可以包括但 不限于旋涂和刮涂。用于制备聚合物颗粒分散体的合适溶剂可以包括但不限于甲醇、乙醇、 丙酮和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。所述聚合物颗粒可以在约1 %至约10t%重量的浓度下进 行分散。形成的热敏层的厚度可为约〇. IMI至约50μηι，优选为约0.5μηι至约5μηι。
[0032] 在本申请的一些实施方案中，粘合剂可以加入到聚合物颗粒分散体中，以改善对 电极或隔膜上的聚合物颗粒的粘合性，从而提高在正常操作下热敏层的稳定性。合适的粘 合剂可以是那些商购的和本领域中常用的粘合剂。合适的粘合剂的实例包括聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚氨酯、聚乙