本發(fā)明屬于鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高安全性鋰離子動(dòng)力電池。
背景技術(shù)：
鋰離子電池因?yàn)榫哂懈弑饶芰?、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到飛速發(fā)展。特別是隨著鋰離子電池逐步在EV純電動(dòng)汽車、低速電動(dòng)車等領(lǐng)域的應(yīng)用，鋰離子電池的安全性能和循環(huán)性能一直以來備受關(guān)注。因此，動(dòng)力鋰離子電池在濫用條件下的熱失控管理與控制一直是業(yè)內(nèi)研究和關(guān)注的重點(diǎn)。
通常地，鋰離子電池發(fā)生熱失控的過程是：當(dāng)電芯在發(fā)生短路時(shí)候，瞬間短路大電流通過陰陽電極產(chǎn)生熱量，首先陽極SEI在達(dá)到一定溫度條件時(shí)開始自分解放熱，隨著熱量的累積，帶電態(tài)的石墨陽極與電解液進(jìn)行反應(yīng)放熱，同時(shí)再集聚熱量使得電芯溫度升高，當(dāng)電芯溫度升高到一定程度，充電態(tài)的陰極結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，同時(shí)釋放游離的高反應(yīng)活性氧原子，釋放的氧原子同電極材料中的粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑輔材以及電芯中的電解液等發(fā)生反應(yīng)，瞬間釋放大量的熱，電池燃燒或者爆炸。
目前，在鋰離子電池中的防止電芯發(fā)生熱失控的安全防護(hù)手段主要有以下幾種：1)通過隔膜的關(guān)斷(Shutdown)功能來組織電流流 通，起到降低熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，這種方法的主要缺陷是在隔膜進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作之后，電芯也隨之報(bào)廢，不能再繼續(xù)使用，并且由于目前鋰離子電池所使用的隔膜是一種多孔聚烯烴膜，其關(guān)斷的機(jī)理主要是通過聚乙烯在溫度130℃熔融來起到關(guān)斷電流的作用，鋰離子電池在發(fā)生短路時(shí)內(nèi)部的溫度分布通常是不均勻的，因此會(huì)存在部分地方達(dá)到關(guān)斷溫度，而部分地方不能達(dá)到關(guān)斷溫度的情況出現(xiàn)，這樣就不能對整個(gè)電芯電流進(jìn)行截?cái)啵?)通過CID(Current Interrupt Device)泄壓安全閥進(jìn)行安全保護(hù)，當(dāng)電芯由于劇烈反應(yīng)或其他形式的反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓力達(dá)到CID斷裂閥值時(shí)，電芯CID斷裂起到保護(hù)電芯的作用。這種形式的保護(hù)同隔膜關(guān)斷類似，在保護(hù)作用發(fā)生之后，電芯就不能再繼續(xù)使用，為不可恢復(fù)型的保護(hù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：提供一種高安全性鋰離子動(dòng)力電池，能夠在電池出現(xiàn)熱失控的前期進(jìn)行自關(guān)斷電流的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)從電池內(nèi)部進(jìn)行可恢復(fù)型保護(hù)，同時(shí)提高電池的循環(huán)性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種高安全性鋰離子動(dòng)力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質(zhì)溶液，所述陰極片包括陰極集流體、混合物涂層和陰極活性物質(zhì)層，所述混合物涂層涂覆于所述陰極集流體表面，所述陰極活性物質(zhì)層涂覆于所述混合物涂層，所述混合物涂層包括高分子聚合物粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，所述高分子聚合物粘結(jié)劑與所述導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為(1～32)：1。
本發(fā)明的原理在于：當(dāng)電路正常工作時(shí)，電芯溫度與室溫相近，混合物涂層的電阻很小，在電池回路中不會(huì)阻礙電流通過；而當(dāng)電路因故障而出現(xiàn)過電流時(shí)，由于發(fā)熱導(dǎo)致電芯溫度上升，當(dāng)溫度超過一定溫度(Ts)時(shí)，混合物涂層的電阻瞬間會(huì)變得很大，把電路中的電流限制到很低的水平。當(dāng)人為切斷電路排除故障后，混合物涂層的阻值會(huì)迅速恢復(fù)到原來的水平，電路故障排除后，電芯恢復(fù)正常使用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，一方面，本發(fā)明能夠在電池出現(xiàn)熱失控的前期進(jìn)行自關(guān)斷電流的保護(hù)，而且在保護(hù)作用之后，能排除外界影響因素進(jìn)行自我恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)從電池內(nèi)部進(jìn)行可恢復(fù)型保護(hù)；另一方面，由于混合物涂層具有吸液功能，因此本發(fā)明能夠在電池內(nèi)部儲(chǔ)存更多的電解液，進(jìn)而提高電池的循環(huán)性能。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述混合物涂層還設(shè)置于所述陰極活性物質(zhì)層表面。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述混合物涂層的厚度為0.5μm-20μm。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述混合物涂層的厚度為2μm-10μm。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述高分子聚合物粘結(jié)劑為聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亞胺(PI)和聚丙烯酸樹脂(PAA)中的至少一種。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述導(dǎo)電劑為乙炔黑、炭黑、科琴黑、單壁碳納米管、多壁碳納米管、納米 碳纖維、鱗片石墨和石墨烯中的至少一種。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述混合物涂層的制備方法包括以下步驟：
步驟一，將高分子聚合物材料與導(dǎo)電劑均勻分散在合適的有機(jī)溶劑中，制成具有流動(dòng)性的漿料；
步驟二，通過擠壓涂敷或凹版印刷涂敷的方式，將步驟一所得的漿料涂布在陰極集流體表面。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述混合物涂層的制備方法包括以下步驟：
步驟一，將高分子聚合物材料與導(dǎo)電劑均勻分散在合適的有機(jī)溶劑中，制成具有流動(dòng)性的漿料；
步驟二，通過擠壓涂敷或凹版印刷涂敷的方式，將步驟一所得漿料涂布在陰極活性物質(zhì)層表面。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述漿料的粘度為500～1000CP.S，所述漿料的固含量為5wt％-55wt％。
作為本發(fā)明所述的高安全性鋰離子動(dòng)力電池的一種改進(jìn)，所述非水電解質(zhì)溶液為N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸亞乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亞丙酯、碳酸亞丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、γ-丁內(nèi)酯、1,2-二甲氧基乙烷、2-甲基四氫呋喃、二甲亞砜、1,3-二氧戊環(huán)、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊環(huán)、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、三甲氧基甲烷、二氧戊環(huán)衍生物、環(huán)丁砜、甲基環(huán)丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、碳酸亞內(nèi)酯衍生物、四氫呋喃衍生物、醚、 丙酸甲酯以及丙酸乙酯中的至少一種。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供一種高安全性鋰離子動(dòng)力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質(zhì)溶液，所述陰極片包括陰極集流體、混合物涂層和陰極活性物質(zhì)層，所述混合物涂層涂覆于所述陰極集流體表面，所述陰極活性物質(zhì)層涂覆于所述混合物涂層，所述混合物涂層包括高分子聚合物粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，所述高分子聚合物粘結(jié)劑與所述導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為(1～32)：1。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能夠在電池出現(xiàn)熱失控的前期進(jìn)行自關(guān)斷電流的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)從電池內(nèi)部進(jìn)行可恢復(fù)型保護(hù)，同時(shí)提高電池的循環(huán)性能。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明及其有益效果作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但是，本發(fā)明的具體實(shí)施方式并不局限于此。
實(shí)施例1
一種高安全性鋰離子動(dòng)力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質(zhì)溶液，陰極片包括陰極集流體、混合物涂層和陰極活性物質(zhì)層，陽極片包括陽極集流體和陽極活性物質(zhì)層。
其中，電池陰極活性物質(zhì)層為鎳鈷錳酸鋰(LiNixCoyMnzO2)，陽極活性物質(zhì)層為石墨化碳，含有鋰鹽的非水電解質(zhì)溶液為含1.05M的LiPF6溶質(zhì)的碳酸亞乙酯和碳酸甲乙酯(3:7，w/w)溶液。陰極集流體為壓延鋁箔或不銹鋼箔材。
混合物涂層涂覆在陰極集流體表面。混合物涂層是由聚偏二氟乙烯(PVDF)和乙炔黑混合而成的。其中，PVDF和乙炔黑的質(zhì)量比為20:1?；旌衔锿繉拥暮穸葹?μm。
混合物涂層的制備：先將PVDF溶解于NMP溶劑，形成固含量為10wt％的PVDF膠體液；然后將乙炔黑均勻地分散在PVDF膠液中，制成具有流動(dòng)性的漿料，調(diào)節(jié)漿料的粘度值在500～1000CP.S范圍內(nèi)，漿料的固含量為8wt％；最后通過擠壓涂敷的方式涂布在陰極集流體表面。
實(shí)施例2
與實(shí)施例1不同的是：本實(shí)施例中用聚酰亞胺(PI)代替聚偏二氟乙烯(PVDF)。
其它的與實(shí)施例1相同，這里不再贅述。
實(shí)施例3
與實(shí)施例1不同的是：本實(shí)施例中用聚丙烯酸樹脂(PAA)代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用炭黑和多壁碳納米管的混合物替代乙炔黑?；旌衔锿繉拥暮穸葹?.5μm。
其它的與實(shí)施例1相同，這里不再贅述。
實(shí)施例4
一種高安全性鋰離子動(dòng)力電池，包括陰極片、陽極片、隔膜及含有鋰鹽的非水電解質(zhì)溶液，陰極片包括陰極集流體、混合物涂層和陰極活性物質(zhì)層，陽極片包括陽極集流體和陽極活性物質(zhì)層。
電池陰極活性物質(zhì)層為磷酸鐵鋰(LiFePO4)，陽極活性物質(zhì)層為人造石墨，含有鋰鹽的非水電解質(zhì)溶液為含1.05M的LiPF6溶質(zhì)的碳酸亞乙酯和碳酸甲乙酯(3:7，w/w)溶液。陰極集流體為壓延鋁箔或不銹鋼箔材。
混合物涂層涂覆在陰極集流體表面和陰極活性物質(zhì)層表面?；旌衔锿繉邮怯删燮蚁?PVDF)和乙炔黑混合而成的。其中，聚 偏二氟乙烯(PVDF)和乙炔黑的質(zhì)量比為9:1；混合物涂層的厚度為5μm。
混合物涂層制備：先將PVDF溶解于NMP溶劑，形成固含量為10wt％)的PVDF膠體液；然后將乙炔黑均勻地分散在PVDF膠液中，制成具有流動(dòng)性的漿料，調(diào)節(jié)漿料的粘度粘度在500～1000CP.S范圍內(nèi)，漿料的固含量為8wt％；最后通過擠壓涂敷的方式分別涂敷在陰極集流體表面和陰極活性物質(zhì)層表面。
實(shí)施例5
與實(shí)施例4不同的是：本實(shí)施例用聚丙烯酸樹脂(PAA)代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用炭黑和多壁碳納米管的混合物替代乙炔黑。
其它的與實(shí)施例4相同，這里不再贅述。
實(shí)施例6
與實(shí)施例4不同的是：本實(shí)施例中用聚酰亞胺(PI)與聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用炭黑和多壁碳納米管的混合物替代乙炔黑?；旌衔锿繉拥暮穸葹?0μm。
其它的與實(shí)施例4相同，這里不再贅述。
實(shí)施例7
與實(shí)施例4不同的是：本實(shí)施例中用聚酰亞胺(PI)與聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用乙炔黑和單壁碳納米管的混合物替代乙炔黑?；旌衔锿繉拥暮穸葹?0μm。
其它的與實(shí)施例4相同，這里不再贅述。
實(shí)施例8
與實(shí)施例4不同的是：本實(shí)施例中用聚丙烯酸樹脂(PAA)與聚偏二氟乙烯(PVDF)的混合物代替聚偏二氟乙烯(PVDF)，用乙炔 黑和單壁碳納米管的混合物替代乙炔黑，將涂層中聚合物與導(dǎo)電劑的質(zhì)量比調(diào)整為10:1。
其它的與實(shí)施例4相同，這里不再贅述。
對比例1
與實(shí)施例1不同的是：本對比例中陰極集流體為常規(guī)產(chǎn)品，陰極集流體表面不涂覆含任何高分子聚合物粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的混合物。
其它的與實(shí)施例1相同，這里不再贅述。
對比例2
與實(shí)施例4不同的是：本對比例中陰極集流體和陰極活性物質(zhì)層均為正常常規(guī)產(chǎn)品，即陰極集流體表面和活性物質(zhì)層表面均不涂覆含任何高分子聚合物粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的混合物。
其它的與實(shí)施例4相同，這里不再贅述。
測試結(jié)果
分別對實(shí)施例1～8和對比例1～2的鋰離子動(dòng)力電池做循環(huán)測試、50℃高溫短路實(shí)驗(yàn)和針刺實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果見表1。
表1測試結(jié)果
從上表可見，在相同條件下，實(shí)施例1～8的電池和對比例1～2 的電池相比，實(shí)施例1～8的電池使用壽命和安全性能均有明顯提高，也就是說，本發(fā)明的鋰離子動(dòng)力電池具有較高的安全性能，同時(shí)也具有較好的循環(huán)性能。
根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還能夠?qū)ι鲜鰧?shí)施方式進(jìn)行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所作出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制。