CN203218375U

CN203218375U - 锂离子电池极片及锂离子电池

Info

Publication number: CN203218375U
Application number: CN2013202038517U
Authority: CN
Inventors: 邹武元; 陈小平; 迟庆魁; 刘典英; 姚万浩; 金婧
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2023-04-19

Abstract

本实用新型提供了一种锂离子电池极片及锂离子电池。所述锂离子电池极片包括：集流体；电极活性物质层，含有活性物质；PTC底层材料涂层，设置于集流体与电极活性物质层之间；以及PTC顶层材料涂层，设置于电极活性物质层之上；其中，PTC底层材料涂层和PTC顶层材料涂层包括PTC材料、导电剂以及粘结剂；其中，PTC底层材料涂层和PTC顶层材料涂层的涂布面积均大于或等于电极活性物质层的涂布面积。当锂离子电池采用所述锂离子电池极片时，在电池发生外部电路滥用时能阻止电池活性材料层与外电路形成通路，防止外短路的发生，当电池极片表面残留的粉尘或金属颗粒刺破隔膜或在针刺、挤压等测试时，能阻止电池内短路的发生；该锂离子电池极片结构简单且易于制作。

Description

锂离子电池极片及锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池极片及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池的安全性能一直是制约电池商品化的最重要因素之一，尤其对于应用于电动汽车的电池。电动汽车用锂离子蓄电池标准QCT743-2006中给出了锂离子蓄电池的要求及测试方法等。其中对锂离子蓄电池安全性能挑战最大的测试包括过充、针刺和挤压。当前商业化的锂离子电池中电解质大多采用有机电解液。由于有机电解液易燃，当电池在滥用情况下引起电池温度升高时，将势必大大增加了锂离子电池使用的安全隐患。

关于电池安全问题，业内人士做了很多工作，除了在电池外部管理系统做了一系列研究工作之外，对电池内部也有研究，主要体现在两个方面：首先往电解液里加入防过充添加剂或阻燃添加剂等；其次在电池中设置PTC电阻元件与电池串联，利用PTC元件随温度增加电阻突变的特点来减小甚至切断回路中的电流来起到保护电池的目的。如在电芯负极和保护板之间连接自复保险丝PTC（例如中国专利CN201466143U）；在方形锂离子电池内部设置PTC（例如中国专利CN2762362Y），以PTC做负极引流，将PTC材料涂覆在金属极耳上，置于电芯外部与外电路连接（例如中国专利CN101887960A）。其他的专利也多是将PTC元件置于电池外部，但这些专利的技术效果大多体现在改善过充，利用PTC元件电阻突然增大来切断电流防止过充继续发生；然而当电池发生内短路，如进行针刺、挤压等测试时，那些PTC元件就不能及时或者无法起到保护作用。

实用新型内容

鉴于背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种锂离子电池极片及锂离子电池，其能防止锂离子电池外部和内部发生短路时引起的安全问题。

为了实现本实用新型的目的，在第一方面，本实用新型提供了一种锂离子电池极片，其包括：集流体；电极活性物质层，含有活性物质；PTC底层材料涂层，设置于集流体与电极活性物质层之间；以及PTC顶层材料涂层，设置于电极活性物质层之上；其中，PTC底层材料涂层和PTC顶层材料涂层包括PTC材料、导电剂以及粘结剂；其中，PTC底层材料涂层和PTC顶层材料涂层的涂布面积均大于或等于电极活性物质层的涂布面积。

在第二方面，本实用新型提供了一种锂离子电池，其包括正极极片、负极极片、设置于正极极片、负极极片之间的隔膜、以及电解液；其中正级极片和/或负极极片采用本实用新型第一方面所述的锂离子电池极片。

本实用新型的有益效果如下：

采用本实用新型所述的使用电池极片，不仅在电池发生外部电路滥用（例如过充）时能阻止电池活性材料层与外电路形成通路，防止外短路的发生，同时当电池极片表面残留的粉尘或金属颗粒刺破隔膜或在针刺、挤压等测试时，锂离子电池极片能阻止电池内短路的发生。

本实用新型所述的锂离子电池极片结构简单且易于制作。

附图说明

图1为根据本实用新型的锂离子电池极片的剖示图。

其中，附图标记说明如下：

1集流体 2电极活性物质层

3PTC底层材料涂层 4PTC顶层材料涂层

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本实用新型的锂离子电池极片及锂离子电池。

首先说明根据本实用新型第一方面的锂离子电池极片。

如图1所示，根据本实用新型所述的锂离子电池极片包括：集流体1；电极活性物质层2，含有活性物质；PTC底层材料涂层3，设置于集流体1与电极活性物质层2之间；以及PTC顶层材料涂层4，设置于电极活性物质层2之上；其中，PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4包括PTC材料、导电剂以及粘结剂；其中，PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的涂布面积均大于或等于电极活性物质层2的涂布面积。这里需注意的是，涂布面积是以投影关系为基础，其中，PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的涂布面积均大于或等于电极活性物质层2的涂布面积意味着电极活性物质层2的涂布范围在PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的涂布范围内或电极活性物质层2的涂布范围与PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的涂布范围相同。由于PTC材料是一种典型的具有温度敏感性的电阻，超过一定的温度（居里温度）时，该PTC材料的电阻值随着温度的升高呈阶跃式的增大。当锂离子电池通过外部电路发生滥用时，电池升温达到PTC材料的居里温度时，PTC底层材料涂层3将形成电子绝缘层，使得与之相连的电极活性物质层2与集流体1之间无法形成回路，断开与外电路的连接，阻止因外电路发生滥用等引起的安全问题。

另外，PTC顶层材料涂层4可避免锂离子电池本身因发生内部短路而导致的着火爆炸等安全问题；因为内部短路时正极极片与负极极片接触将放出大量的热，当达到居里温度时，位于极片表层的PTC顶层材料涂层4将形成电子绝缘层，阻断正极与负极继续放电，如同导体与绝缘体短接，阻止短路继续恶化，因此起到保护锂离子电池的目的。

在根据本实用新型所述的锂离子电池极片中，优选地，PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的厚度为6～20μm。厚度低于6μm时PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4不能足够覆盖对应的集流体和电极活性层，在达到居里温度时不能起到完整的隔绝作用；因PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的常温电阻相比于电极活性层2的物质略高，当PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的厚度超过20μm时，PTC底层材料涂层3和PTC顶层材料涂层4的常温电阻将影响到电池的正常使用。

在根据本实用新型所述的锂离子电池极片中，所述PTC材料可为有机聚合物复合PTC材料或无机金属氧化物PTC材料中的至少一种。优选地，有机聚合物复合PTC材料可为聚乙烯与乙炔黑复合物。优选地，无机金属氧化物PTC材料可为稀土元素钇掺杂的三氧化二钒。优选地，所述PTC材料的常温电阻为0.005～1Ω.cm，居里温度为90～120℃。在此需要说明的是，所述PTC材料均为可以商购的公知材料。

在根据本实用新型所述的锂离子电池极片中，所述导电剂可为导电碳、导电碳纤维或导电石墨中的一种或多种。

在根据本实用新型所述的锂离子电池极片中，所述锂离子电池极片可为正极极片或负极极片。

其次说明根据本实用新型第二方面的锂离子电池。

根据本实用新型的锂离子电池包括正极极片、负极极片、设置于正极极片与负极极片之间的隔膜、以及电解液，其中正级极片和/或负极极片采用本实用新型第一方面所述的锂离子电池极片。

接下来说明根据本实用新型所述的锂离子电池极片以及锂离子电池的实施例、对比例以及测试结果。

实施例1

锂离子电池正极极片：

首先制备含PTC材料的浆料：PTC材料选用聚乙烯与乙炔黑复合物（其常温电阻率为0.06Ω.cm，但是当温度超过90℃时，电阻率达到5000Ω.cm）。首先球磨该PTC材料3.5h，将球磨后的PTC、导电剂导电碳纤维VGCF、粘结剂聚四氟乙烯PVDF按照PTC:VGCF:PVDF质量比为89:3:8与溶剂N-甲基吡咯烷酮NMP混合均匀制成含PTC材料的浆料；将含PTC材料的浆料涂覆在已焊接好极耳的集流体1的铝箔上，烘烤除去溶剂，因此在集流体1上形成PTC底层材料涂层3，厚度为10μm；反面同样涂覆相同厚度的PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其次制备锂离子电池正极活性物质层：将三元材料NCM、导电碳SP、聚四氟乙烯PVDF按照NCM:SP:PVDF质量比为95:2.8:2.2与溶剂NMP混合均匀制成锂离子电池正极活性物质层浆料，将正极活性物质层浆料涂覆于形成在集流体1之上的PTC底层材料涂层3上，涂布面积与PTC底层材料层3的涂布面积一致，经烘烤除去溶剂，在PTC底层材料涂层3上形成电极活性物质层2；反面制备工艺相同。

然后在含有活性物质的电极活性物质层2上再次涂覆同PTC底层材料涂层3中相同的含有PTC材料的浆料（涂布面积与PTC底层材料层3的涂布面积一致，即在电极活性物质层2上形成PTC顶层材料涂层4，正反面制备工艺相同，涂布面积和厚度与PTC底层材料涂层相同，经烘烤除去溶剂，得到具有“三明治”夹心结构的涂层，经冷压后得到锂离子电池正极极片。

锂离子电池负极极片：将人造石墨FSNC、导电碳SP、丁苯橡胶SBR以及羧甲基纤维素钠CMC按照FSNC:SP:SBR:CMC质量比为95:1.5:2.1:1.4去离子水混合均匀制成浆料后涂覆在已焊接好极耳的铜箔上，经烘烤除去溶剂，经冷压得到锂离子电池负极极片。

制备锂离子电池：将锂离子电池正极极片、锂离子电池负极极片、以及20μm单层PE隔膜卷绕得到待注液电芯，注入以1MLiPF₆为溶质、以碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙酯EMC、碳酸二乙酯DEC的体积比=1:1:1为溶剂的电解液，经焊接密封，化成，排气工序制成22Ah的锂离子电池。

实施例2

锂离子电池正极极片：同实施例1中制备锂离子电池正极膜片的浆料相同，然后将浆料涂覆于铝箔；

锂离子电池负极极片：

首先制备含PTC材料的浆料：同实施例1

将含PTC材料的浆料涂覆在已焊接好极耳的集流体1的铜箔上，烘烤除去溶剂，因此在集流体1上形成PTC底层材料涂层3；涂布厚度为10μm，反面同样涂覆相同厚度的含有PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其次制备锂离子电池负极膜片：将实施例1中制备锂离子电池负极极片的浆料作为负极活性物质层的浆料，将负极活性物质层的浆料涂覆于形成在集流体1之上的PTC底层材料涂层3上，涂布面积与PTC底层材料涂层3相同，经烘烤除去溶剂，在PTC底层材料涂层3上形成电极活性物质层2；反面制备工艺相同。

然后在含有活性物质的电极活性物质层2上再次涂覆同PTC底层材料涂层3中相同的含有PTC材料的浆料，即在电极活性物质层2上形成PTC顶层材料涂层4，涂布厚度与面积与PTC底层材料涂层3的涂布厚度和面积一致，正反面制备工艺相同，经烘烤除去溶剂，得到具有“三明治”夹心结构的涂层，经冷压后得到锂离子电池负极极片。

制备锂离子电池：同实施例1

实施例3

锂离子电池正极极片：同实施例1

锂离子电池负极极片：同实施例2

制备锂离子电池：同实施例1

实施例4

锂离子电池正极极片：

首先制备含PTC材料的浆料：PTC材料选用稀土元素钇掺杂的三氧化二钒（其常温电阻率为0.09Ω.cm，当温度超过95℃时，其电阻率达到5000Ω.cm）

将稀土元素钇掺杂的三氧化二钒、导电剂为导电碳SP与导电碳纤维VGCF、粘结剂聚四氟乙烯PVDF以质量比85:2:3:10与溶剂NMP混合均匀制成含PTC材料的浆料；将含PTC材料的浆料涂覆在已焊接好极耳的集流体1的铝箔上，烘烤除去溶剂，因此在集流体1上形成PTC底层材料涂层3；厚度为6μm，反面同样涂覆相同厚度的PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其余步骤同实施例1中锂离子电池正极极片的对应步骤，其中PTC顶层材料涂层4中采用的含PTC材料的浆料与PTC底层材料涂层3中采用的含PTC材料的浆料相同，涂布厚度和面积也一致。

锂离子电池负极极片：同实施例1

制备锂离子电池：同实施例1

实施例5

锂离子电池正极极片：

首先制备含PTC材料的浆料：PTC材料选用有机聚合物复合材料（聚乙烯与乙炔黑复合物）与无机金属氧化物复合材料（稀土元素钇掺杂的三氧化二钒）的混合物，此两种PTC功能材料混合后常温电导率略有升高，在0.11Ω.cm左右，当温度达到90度后，电阻可达到5000Ω.cm以上。将聚乙烯与乙炔黑复合物、稀土元素钇掺杂的三氧化二钒、导电剂导电碳SP、粘结剂聚四氟乙烯PVDF以质量比55:30:5:10与溶剂NMP混合均匀制成含PTC材料的浆料；将含PTC材料的浆料涂覆在已焊接好极耳的集流体1的铝箔上，烘烤除去溶剂，因此在集流体1上形成PTC底层材料涂层3；涂层厚度为20μm，反面同样涂覆相同厚度的PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其余步骤同实施例1中锂离子电池正极极片的对应步骤，其中PTC顶层材料涂层4中采用的含PTC材料的浆料与PTC底层材料涂层3中采用的含PTC材料的浆料相同，涂布厚度与面积也保持一致。

锂离子电池负极极片：同实施例1

制备锂离子电池：同实施例1

对比例

锂离子电池正极极片：同实施例2

锂离子电池负极极片：同实施例1

制备锂离子电池：同实施例1。

最后给出实施例1-5以及对比例的检测结果。

将实施例1-5以及对比例的锂离子电池按照QCT743-2006进行安全测试，各个实施例与对比例进行5个平行样测试。

（1）过充：先将锂离子电池按1C满充到4.1V，恒压到0.05C，然后按照3C过充到10V停止，观察电池在2h内是否着火爆炸；并在电池主体中心位置贴上感温线监控电池在过充时的电池表面温度

（2）针刺：先将电池用1C满充到4.1V，恒压至0.05C，用直径8mm的钢钉以20mm/s的速度贯穿锂离子电池正面的中间，并且钢钉停留在锂离子电池内部，观察电池是否着火爆炸；并在电池针刺位置1～2cm处贴上感温线监控针刺位置的温升。

（3）挤压：先将电池用1C满充到4.1V，恒压至0.05C，对电池的主体中间进行挤压，最终挤压变形量为电池初始尺寸的50%，半圆柱挤压头的直径75mm，间距为30mm，观察电池是否着火爆炸；

表1为实施例1-5以及对比1的锂离子电池安全性能测试结果，所有测试以着火或爆炸视为安全测试不通过，通过率n/m中n为测试通过的锂离子电池数量，m为测试的锂离子电池数量。

表1为实施例1-5以及对比1的锂离子电池安全性能测试结果

从表1结果可以看出，采用本实用新型的锂离子电池极片组装的锂离子电池，其安全性能得到了极大的提高。在过充测试中，实施例1-5的锂离子电池表面温度均低于70℃。过充、针刺中，实施例1-5均全部通过，无爆炸起火，防爆阀完好；对比例在过充测试时全部未通过，针刺实验中5个电池有4个起火，喷大量火星和粉末，电池针刺位置的最高温度平均值在180℃。挤压测试中，虽然少部分（占20%）实施例未通过，但已大大提高了挤压测试的通过率。可见本实用新型的锂离子电池极片起到了保护电池因外部电路和电池本身内部短路等导致的安全问题。

Claims

1.一种锂离子电池极片，包括：

集流体（1）；以及

电极活性物质层（2），含有活性物质；

其特征在于，所述锂离子电池极片还包括：

PTC底层材料涂层（3），设置于集流体（1）与电极活性物质层（2）之间；以及

PTC顶层材料涂层（4），设置于电极活性物质层（2）之上；

其中，PTC底层材料涂层（3）和PTC顶层材料涂层（4）包括PTC材料、导电剂以及粘结剂；其中，所述PTC底层材料涂层（3）和PTC顶层材料涂层（4）的涂布面积均大于或等于电极活性物质层（2）的涂布面积。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述PTC底层材料涂层（3）和PTC顶层材料涂层（4）的厚度为6～20μm之间。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述PTC材料的常温电阻为0.005～1Ω.cm，居里温度为90～120℃。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述锂离子电池极片为正极极片或负极极片。

5.一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、设置于正极极片与负极极片之间的隔膜、以及电解液，其特征在于，所述正极极片和/或负极极片采用权利要求1-3中任一项所述的锂离子电池极片。