一種具有散熱功能的鋰電池電極、制法及鋰電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有散熱功能的鋰電池電極及鋰電池，電極包括電池主體和主體外部的電極活性物質(zhì)，電池主體由熱管構(gòu)成，電極活性物質(zhì)設(shè)置在主體的外部，電極主體密封在殼體內(nèi)并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。電極通過熱管內(nèi)的冷卻介質(zhì)在熱端和冷端的循環(huán)而降低電池的溫度，且熱傳遞過程中沒有介質(zhì)的阻擋，散熱效率高，并且由電極直接作為散熱器件，簡化電池的結(jié)構(gòu)，降低加工難度與制造成本。
【專利說明】
一種具有散熱功能的鋰電池電極、制法及鋰電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種鋰電池電極及制法與鋰電池，具體涉及一種具有散熱功能的鋰電池電極、制法及鋰電池。
【背景技術(shù)】
[0002]廣義的鋰離子二次電池(以下簡稱鋰電池)主要是由正極、負極、介于正負極之間的隔膜及電解液所構(gòu)成，隔膜使正負極相互分開，彼此不相接觸。鋰電池具有高能量密度、高功率密度、電容量大及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。然而，鋰電池的電解液具有可燃性，并且鋰電池在工作過程中，正負極的活性物質(zhì)會分解并釋放大量熱量，致使鋰電池在不當使用情況之下，可能會產(chǎn)生危險，甚至引起爆炸。
[0003]鋰電池因不當使用所產(chǎn)生的熱，主要可分成兩種形式:一種為正負端遇上不當負載時，所引起的電池內(nèi)部反應(yīng)，例如過充(充電電壓過高)、過放、外部短路(瞬間大電流)等所產(chǎn)生的熱量會造成電池整體溫度上升；另一種是鋰電池遭受外力，如撞擊、穿刺、壓碎時，會使電池內(nèi)部瞬間局部短路而產(chǎn)生高溫。除了不當使用所產(chǎn)生的熱外，鋰電池正常的化學反應(yīng)也是主要的熱源。
[0004]當鋰電池溫度到達某一程度時，會引發(fā)鋰電池內(nèi)部材料產(chǎn)生化學反應(yīng)并放出熱量，若熱量累積速度大于散熱速度，使得溫度繼續(xù)升高，再引發(fā)其它放熱效應(yīng)，將導(dǎo)致鋰電池自行加熱，溫度快速上升，此稱之為熱失控(Thermal Runaray)，是鋰電池產(chǎn)生危險的主要原因。因此，如何除去鋰電池的熱量而避免熱量積存是非常重要的課題。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)通常采用設(shè)置散熱片的方式對鋰電池進行降溫，一種方式是將散熱片設(shè)置在電池外殼的外部，熱量從電池內(nèi)部擴散至電池外殼，再通過外殼將熱量傳遞給散熱片，由于外殼的導(dǎo)熱能力不佳，所以該方式的散熱效果有待提升；另一種方式是將散熱片設(shè)置在電池外殼的內(nèi)部并介于正負極板之間，該方式除了散熱效果不佳，正負極板之間的散熱片還會影響電池內(nèi)部離子的流動，進而影響電池的工作效率。
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種具有散熱功能的鋰電池電極及制造方法，電極的主體由熱管構(gòu)成，在主體的外部設(shè)置有電極活性物質(zhì)，電極主體密封在殼體內(nèi)并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。通過熱管內(nèi)的冷卻介質(zhì)在熱端和冷端的循環(huán)而降低電池的溫度，且熱傳遞過程中沒有介質(zhì)的阻擋，散熱效率高，并且由電極直接作為散熱器件，簡化電池的結(jié)構(gòu)，降低加工難度與制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種具有散熱功能的鋰電池電極，能有效提高電池的散熱效率，簡化電池結(jié)構(gòu)，并降低加工難度與制造成本。
[0008]具體而言，本發(fā)明的技術(shù)方案主要是通過以下方式實現(xiàn)的:
本發(fā)明提供一種具有散熱功能的鋰電池電極，電極包括電池主體和主體外部的電極活性物質(zhì)，電池主體由熱管構(gòu)成，電極活性物質(zhì)設(shè)置在主體的外部，電極主體密封在殼體內(nèi)并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。
[0009]進一步地，本發(fā)明所述的鋰電池電極，電極主體至少為兩個，分別位于隔膜的兩偵U，隔膜一側(cè)的電極主體外部設(shè)置正極活性物質(zhì)，隔膜另一側(cè)的電極主體外部設(shè)置負極活性物質(zhì)。
[0010]進一步地，本發(fā)明所述的鋰電池電極，電極主體分為兩組，分別位于隔膜的兩側(cè)，且每組電池在冷端通過電連接構(gòu)成一個整體。由多個電極主體構(gòu)成一組正電極或負電極能進一步提高電極的散熱效率，同時增大電極與電解液的接觸面積，提高電池的轉(zhuǎn)化效率。
[0011]進一步地，本發(fā)明所述的鋰電池電極，負極活性物質(zhì)可為鋰、鋰合金或石墨等，正極活性物質(zhì)可為磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等。
[0012]本發(fā)明還提供一種上述電極的制造方法，使用有機溶液對熱管的外表面進行預(yù)處理形成表面微結(jié)構(gòu)，之后在微結(jié)構(gòu)表面沉積電極活性物質(zhì)，最后在熱管的冷端引出電極的極耳。
[0013]進一步地，本發(fā)明所述的鋰電池電極的制造方法，先采用5%左右的稀硫酸或稀鹽酸對熱管的外表腐蝕30秒-2分鐘，在熱管的外表形成粗糙結(jié)構(gòu)，然后將熱管放入由聚苯硫醚30-50%、偶聯(lián)劑3-10%、抗氧劑0.5-5%、碳纖維粉末20-30%和余量碳酸氫鈉構(gòu)成的混合液體中，靜置30分鐘-2小時，以在熱管的外表附著由聚苯硫醚和碳纖維復(fù)合材料形成的表面微結(jié)構(gòu)。苯硫醚對金屬材料(熱管的外表一般由金屬制成)具有較高的粘附能力，復(fù)合材料材料中的碳纖維可以調(diào)整表面微結(jié)構(gòu)的電阻率。在制備過程中因為碳酸氫鈉的加入可阻止聚苯硫醚的完全交聯(lián)，從而使表面微結(jié)構(gòu)的表面形成大小和深度隨機分布的小凹坑，以便于后續(xù)電極活性物質(zhì)的沉積，增加活性物質(zhì)與表面微結(jié)構(gòu)的結(jié)合強度。
[0014]進一步地，本發(fā)明所述的鋰電池電極的制造方法，通過溶膠-凝膠反應(yīng)和紫外或/和熱交聯(lián)反應(yīng)在表面微結(jié)構(gòu)上沉積電極活性物質(zhì)。具體可為:將分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的燒氧基娃燒、荷正電燒氧基娃燒、石墨稀以及電極活性物質(zhì)共同進彳丁溶Jj父-凝膠反應(yīng)，隨后進行紫外交聯(lián)或熱交聯(lián)，已將電極活性物質(zhì)沉積在表面微結(jié)構(gòu)上。其中，分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的烷氧基硅烷、荷正電烷氧基硅烷在反應(yīng)過程中形成離子交換膜的主體，電極活性物質(zhì)在石墨稀的作用下鑲嵌在離子交換膜中，共同形成電極的最外層活性層。離子交換膜可使電解液中的離子穿透從而便于與電極活性物質(zhì)反應(yīng)。
[0015]所述分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的烷氧基硅烷，其化學式可表示為RlaR2bSiY(4-a-b)，其中Rl為4-乙烯基苯基、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基、γ-縮水甘油醚氧丙基或3-(對乙烯基-苯甲氨基)-丙基;R2為1-6個碳的烷基或芳基;Y為甲氧基或乙氧基;a的值為I或2，b的值為O或1，且(a+b)<2;可以選用其中的一種，也可以同時使用兩種或兩種以上分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的烷氧基硅烷。
[0016]所述荷正電烷氧基硅烷，其化學式可表示為[R33N(CH2 )nSiY3 ]+X-，其中R3為1_4個碳的直鏈烷基;η為1-4的整數(shù);Y為甲氧基或乙氧基;X為碘或溴。
[0017]本發(fā)明所述溶膠-凝膠反應(yīng)，是指將分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的烷氧基娃燒與荷正電燒氧基娃燒以及石墨稀和電極活性物質(zhì)，在加入有機溶劑、催化劑和引發(fā)劑的條件下不停攪拌直至形成粘稠狀混合物。催化劑包括鹽酸、硫酸、三氟乙酸、氫氧化鈉、氯化銨或氟化銨等，引發(fā)劑包括光引發(fā)劑1173、光引發(fā)劑184、光引發(fā)劑651、光引發(fā)劑907或過氧化二苯酰等，有機溶劑包括乙醇。
[0018]本發(fā)明所述的紫外交聯(lián)是指:在紫外燈的作用下，對粘稠狀混合物進行均勻光照。
[0019]本發(fā)明所述的熱交聯(lián)是指:將粘稠狀混合物升溫到200-300°C左右，然后保溫15-30分鐘。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明所描述的鋰電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
具體實施例說明
實施例1
如圖1所示，一種具有散熱功能的鋰電池電極(2)，鋰電池包括外殼(I)和設(shè)置在外殼
(I)內(nèi)的電解液(未標注附圖標記)和電極(2 )，所述的電極包括電極主體(2A，2B)和電極主體表面的活性物質(zhì)(3A，3B)，兩個電極主體分別位于膈膜(4)的兩側(cè)，電極主體由熱管構(gòu)成，位于外殼(I)內(nèi)的電極主體部分作為熱管的熱端(B)，伸出外殼(I)的電極主體部分作為熱管的冷端。鋰電池在工作時，大量的熱量聚集在電極(位于外殼內(nèi)部的電極分)附近，熱量加熱熱管中的冷卻介質(zhì)揮發(fā)并向冷端移動，以將電池內(nèi)部的熱量擴散至冷端，并由冷端向外發(fā)散，冷凝后的冷卻介質(zhì)重新流回熱管熱端，如此往復(fù)循環(huán)，以達到降低電池內(nèi)部溫度的效果O
[0021]
實施例2
鋰電池電極的制備過程:先將熱管批量放入盛有5%左右的稀硫酸或稀鹽酸的容器中，對熱管的外表腐蝕30秒，以在熱管的外表形成粗糙結(jié)構(gòu)，然后將熱管取出用去離子水反復(fù)漂洗3次，然后將熱管放入由聚苯硫醚50%、偶聯(lián)劑10%、抗氧劑3%、碳纖維粉末35%和余量碳酸氫鈉構(gòu)成的混合液體中，靜置45分鐘，以在熱管的外表附著由聚苯硫醚和碳纖維復(fù)合材料形成的表面微結(jié)構(gòu)。
[0022]將γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-570)、碘化Ν-(3-三乙氧基硅基)丙基-Ν，Ν，Ν-三甲基銨與適量石墨稀和電極活性物質(zhì)混和后，加入有機溶劑、催化劑和引發(fā)劑，攪拌12個小時形成粘稠狀混合物。其中，1(!1-560和101-570為分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的烷氧基硅烷，并且按1:1的比例混合石墨稀占混合物總質(zhì)量的10%，電極活性物質(zhì)占混合物總質(zhì)量的30%。有機溶劑為乙醇，乙醇的量為ΚΗ-560和ΚΗ-570總的量(摩爾比)的6倍，催化劑選取鹽酸，占混合物總質(zhì)量的5%，引發(fā)劑選取光引發(fā)劑1173，占混合物總質(zhì)量的2%。
[0023]最好將形成有表面微結(jié)構(gòu)的熱管浸漬在粘稠狀混合物中，并照射紫外光2小時，以在熱管的外表面形成最外層活性層。
[0024]
實施例3
鋰電池電極的制備過程:先將熱管批量放入盛有5%左右的稀硫酸或稀鹽酸的容器中，對熱管的外表腐蝕2分鐘，以在熱管的外表形成粗糙結(jié)構(gòu)，然后將熱管取出用去離子水反復(fù)漂洗5次，然后將熱管放入由聚苯硫醚60%、偶聯(lián)劑15%、抗氧劑3%、碳纖維粉末20%和余量碳酸氫鈉構(gòu)成的混合液體中，靜置I小時，以在熱管的外表附著由聚苯硫醚和碳纖維復(fù)合材料形成的表面微結(jié)構(gòu)。
[0025]將γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-570)、碘化Ν-(3-三乙氧基硅基)丙基-Ν，Ν，Ν-三甲基銨和四乙氧基硅烷與適量石墨稀和電極活性物質(zhì)混和后，加入有機溶劑、催化劑和引發(fā)劑，攪拌12個小時形成粘稠狀混合物。其中，ΚΗ-560和ΚΗ-570為分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的烷氧基硅烷，并且按1: 1.5的比例混合，石墨稀占混合物總質(zhì)量的15%，電極活性物質(zhì)占混合物總質(zhì)量的40%。有機溶劑為乙醇，乙醇的量為ΚΗ-560和ΚΗ-570總的量(摩爾比)的6倍，催化劑選取鹽酸，占混合物總質(zhì)量的5%，引發(fā)劑選取光引發(fā)劑1173，占混合物總質(zhì)量的2%。
[0026]最后將形成有表面微結(jié)構(gòu)的熱管浸漬在粘稠狀混合物中，并照射紫外光I小時，同時將混合物加熱至200°C，之后保溫15分鐘，以在熱管的外表面形成最外層活性層。
【主權(quán)項】
1.一種具有散熱功能的鋰電池電極，電極包括電池主體和主體外部的電極活性物質(zhì)，其特征在于，電池主體由熱管構(gòu)成，電極活性物質(zhì)設(shè)置在主體的外部，電極主體密封在殼體內(nèi)并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰電池電極，其特征在于，電極主體至少為兩個，分別位于隔膜的兩側(cè)，隔膜一側(cè)的電極主體外部設(shè)置正極活性物質(zhì)，隔膜另一側(cè)的電極主體外部設(shè)置負極活性物質(zhì)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰電池電極，其特征在于，電極主體分為兩組，分別位于隔膜的兩側(cè)，且每組電池在冷端通過電連接構(gòu)成一個整體。4.一種具有散熱功能的鋰電池電極的制法，其特征在于，使用有機溶液對熱管的外表面進行預(yù)處理形成表面微結(jié)構(gòu)，之后在微結(jié)構(gòu)表面沉積電極活性物質(zhì)，最后在熱管的冷端引出電極的極耳。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，采用聚苯硫醚30-50%、偶聯(lián)劑3-10%、抗氧劑0.5-5%、碳纖維粉末20-30%和余量碳酸氫鈉構(gòu)成的混合液體，對熱管的外表面進行預(yù)處理形成表面微結(jié)構(gòu)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，在對熱管的外表面進行預(yù)處理之前，先采用5%的稀硫酸或稀鹽酸對熱管的外表腐蝕30秒-2分鐘。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，通過溶膠-凝膠反應(yīng)和紫外或/和熱交聯(lián)反應(yīng)在表面微結(jié)構(gòu)上沉積電極活性物質(zhì)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，將分子鏈中含有可紫外或熱交聯(lián)的基團的燒氧基娃燒、荷正電燒氧基娃燒、石墨稀以及電極活性物質(zhì)共同進彳丁溶Jj父-凝膠反應(yīng)，隨后進行紫外交聯(lián)或熱交聯(lián)。9.一種鋰電池，包括上述的有散熱功能的電極。
【文檔編號】H01M10/613GK105958006SQ201610577114
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月20日
【發(fā)明人】孫健春
【申請人】孫健春