專利名稱：一種安全型鋰離子電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池，特別是涉及一種具有防止因過充、外部短路的不當(dāng)使用引起的燃燒甚至爆炸的高安全特性的鋰離子電池。
背景技術(shù)：
當(dāng)前商品化鋰離子電池所使用的電解質(zhì)主要為有機(jī)電解液，由于有機(jī)電解液易燃，使用有機(jī)電解液的鋰離子電池在使用時(shí)存在安全隱患。使用者由于對鋰離子電池安全隱患認(rèn)識不足，經(jīng)常出現(xiàn)外部短路、過充的不當(dāng)使用情況，繼而引起鋰離子電池因溫度升高而燃燒，甚至爆炸，不僅給使用者造成巨大的人身傷害，而且由于這類個(gè)別事件的發(fā)生，鋰電產(chǎn)商不得不召回大量已售出的電池，承受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。按照目前不同種類鋰離子電池的技術(shù)水平，很長的一段時(shí)間內(nèi)，有機(jī)電解液鋰離子電池仍將是市場的主導(dǎo)。為防止外部短路、過充等人為使用不當(dāng)情況所引發(fā)的安全問題， 業(yè)界做了很多工作。往電解液中加入防過充添加劑是研究較多的方法之一。其防過充原理有兩類，一類是氧化還原梭，另一類是電聚合，防過添加劑的加入雖然可以一定程度上避免小電流的過充、過放，對于大電流情況下的過充情況下的效果有限，而且防過充添加劑的加入通常會造成電池放電容量的降低、倍率性能的下降、自放電增加等不良影響。還有一類有效的方法是在電池充放電回路中加入PTC元件。如在電芯負(fù)極和保護(hù)板間連接自復(fù)保險(xiǎn)絲PTC(專利CN201466143U)；方形鋰離子電池單體內(nèi)置PTC，以 PTC做負(fù)極引流條(CN2762362Y)；極耳采用金屬片和設(shè)置于金屬片表面的PTC材料層 (CN101887960A)；將PTC至于鋰離子電池內(nèi)部，其一個(gè)引線與電池芯的陰/陽極的集流體直接或通過導(dǎo)線連接，另一個(gè)引線與電池的外接引出導(dǎo)線連接或直接作為電池的引出導(dǎo)線 (CN2599767Y)；其他大部分專利均將PTC元件設(shè)在電芯外部。本發(fā)明將正極集流體和負(fù)極集流體之一或全部用導(dǎo)電能力良好的有機(jī)物PTC導(dǎo)電薄膜取代，這一設(shè)計(jì)使PTC所感應(yīng)的溫度與電池內(nèi)部溫度一致，消除溫差，可使PTC開關(guān)動(dòng)作更加迅速有效，同時(shí)由于膨脹空間擴(kuò)大也使PTC受熱膨脹不受限制，能夠及時(shí)切斷鋰離子電池過充、短路時(shí)的電路，從而避免溫度持續(xù)升高引發(fā)的安全問題。另外，亞胺類鋰鹽，如LiTFSIJH比LiPF6,具有更高的熱穩(wěn)定性(350°C分解)，不易水解，與石墨負(fù)極具有很好相容性，能夠形成低阻抗且穩(wěn)定的SEI膜，但其對Al集流體具有腐蝕性，因而一般不使用。雷登新能源公司的Marc Jozkow等使用石墨箔替代鋁箔做集流體，用胺類鋰鹽替代LiPF6，電池高溫性能和循環(huán)性能均大為提高。本發(fā)明使用有機(jī)PTC 導(dǎo)電薄膜做正極集流體，不存在Al集流體的腐蝕，可以使用LiTFSI作為電解質(zhì)鋰鹽，這是本發(fā)明所取得的另一大益處。使用有機(jī)導(dǎo)電薄膜做集流體，還有利于減少極片切割時(shí)產(chǎn)生的毛刺，且不易掉料，也有利于提高電池安全性和循環(huán)性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有防止過充、外部短路的不當(dāng)使用所引起的燃燒甚至爆炸安全問題的安全型鋰離子電池。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的安全型鋰離子電池，包括正極體系、負(fù)極體系以及間隔于正極和負(fù)極之間的隔膜和電解液體系，正極體系包括正極集流體和附著在正極集流體上含有正極活性物質(zhì)的膜片，負(fù)極體系包含負(fù)極集流體和附著在負(fù)極集流體上含有負(fù)極活性物質(zhì)的膜片，所述的正極體系和負(fù)極體系之一或全部采用有機(jī)物導(dǎo)電薄膜作為集流體，且所述的有機(jī)物導(dǎo)電薄膜采用具有PTC熱敏電阻特性的聚合物基體。所述的具有PTC熱敏電阻特性的聚合物基體為硅膠、天然橡膠、丁腈膠、聚氨酯、 聚乙烯酯、聚丙烯酯、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚環(huán)氧乙烷中的一種或多種的混合物；導(dǎo)電填料為石墨、炭黑、碳纖維、金屬粉末中的一種或多種的混合物，導(dǎo)電填料的含量為 20-80wt. %。所述的有機(jī)物導(dǎo)電薄膜為聚丙烯PTC導(dǎo)電薄膜，其PTC開關(guān)溫度為165-176°c ；用作正極集流體時(shí)，導(dǎo)電填料或?qū)щ娡繉右訟l、炭黑、碳纖維、石墨中的一種或多種的混合物為導(dǎo)電體；用作負(fù)極集流體時(shí)，導(dǎo)電填料或?qū)щ娡繉右訡u、炭黑、碳纖維、石墨中的一種或多種的混合物為導(dǎo)電體，導(dǎo)電體含量為40-60wt. %。所述的正極集流體采用具有PTC效應(yīng)的導(dǎo)電聚丙烯薄膜，導(dǎo)電填料為石墨、炭黑、 碳纖維中的一種或多種，所用電解液溶劑為EC、PC、EMC、DMC、DEC中的至少兩種的混合物，電解質(zhì)鋰鹽采用 LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)、LiN(SO2C2F5)2(LiBETI)、LiN(SO2F2) (LiFSI)、 LiCF3SO3中的至少一種及其衍生物，鋰鹽濃度0. 6-1. 2mol/L。采用上述技術(shù)方案的安全型鋰離子電池，聚合物基體具有PTC熱敏電阻特性，當(dāng)溫度升高到一定溫度(居里溫度)時(shí)，它的電阻隨溫度的增高呈階躍性增高，從而起到電池過流或溫度過高時(shí)的保護(hù)作用。而且使用有機(jī)導(dǎo)電薄膜做集流體，還有利于減少極片切割時(shí)產(chǎn)生的毛刺，且不易掉料?；诒景l(fā)明提出的正極集流體，當(dāng)采用炭黑、石墨、碳纖維中的一種或多種做導(dǎo)電填料時(shí)，可以應(yīng)用LiTFSI等對傳統(tǒng)Al集流體存在腐蝕的電解質(zhì)鋰鹽來替代LiPF6。相比傳統(tǒng)LiPF6電解液，具有更高的熱穩(wěn)定性，而且不易水解，不產(chǎn)生HF，從而提高了電池的安全性和循環(huán)性。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，本發(fā)明不僅限于所述實(shí)施例。實(shí)施例1 按照技術(shù)要求，應(yīng)用40 μ m厚的聚丙烯PTC導(dǎo)電薄膜作正極集流體，導(dǎo)電填料為炭黑，含量為45wt. %，采用商業(yè)化的LiMn2O4做正極活性材料，正極配料按活性物質(zhì)炭黑 粘接劑=80 12 8的重量比進(jìn)行混合漿料，均勻涂覆于聚乙烯薄膜上，在80°C真空箱中烘干制成電極。采用商業(yè)化的人造石墨做負(fù)極，負(fù)極配料按活性物質(zhì)炭黑粘接劑= 86 8 6的重量比進(jìn)行混合漿料，均勻涂覆與厚度為15 μ m厚的銅箔集流體上，在120°C 進(jìn)行烘干制成電極。然后將這兩種電極按照規(guī)格進(jìn)行裁切，配對組裝成18650電池，所采用的隔膜為商用的鋰離子電池隔膜，電解液為IMLiPF6/(EC+EMC+DMC)溶液。在2. 2-4. OV電壓范圍內(nèi)工作。放電電流IC容量為1.8Ah。按GB/T18^7-2000測試標(biāo)準(zhǔn)對電池進(jìn)行過充、 過放、短路測試，當(dāng)殼體溫度升高到150°C時(shí)，電路被保護(hù)。
實(shí)施例2:按照技術(shù)要求，應(yīng)用40 μ m厚的聚丙烯PTC導(dǎo)電薄膜作負(fù)極集流體，導(dǎo)電填料為 Cu,含量為45wt%。正負(fù)極涂料配方與實(shí)施例1相同，正極漿料均勻涂覆于25 μ m的鋁箔集流體上，在120°C進(jìn)行烘干制成電極。負(fù)極漿料均勻涂覆于聚乙烯薄膜上，在80°C真空干燥箱中烘干制成電極。其余同實(shí)施例1，制成18650電池，放電電流IC容量為1.9Ah，按GB/ T18287-2000測試標(biāo)準(zhǔn)對電池進(jìn)行過充、過放、短路測試，當(dāng)殼體溫度升高到大約150°C時(shí)， 電路被保護(hù)。實(shí)施例3:按照技術(shù)要求，應(yīng)用50 μ m厚聚丙烯PTC導(dǎo)電薄膜做正負(fù)極集流體，正極集流體導(dǎo)電填料采用炭黑，負(fù)極采用Cu，含量為50%。正負(fù)極配方與實(shí)施例1相同，在80°C真空干燥箱中烘干制成電極。其余同實(shí)施例一，制成18650電池，放電電流IC容量為1. 7Ah，按GB/ T18287-2000測試標(biāo)準(zhǔn)對電池進(jìn)行過充、過放、短路測試，當(dāng)殼體溫度升高到大約150°C時(shí)， 電路被保護(hù)。實(shí)施例4:按照技術(shù)要求，應(yīng)用40 μ m厚的聚丙烯PTC導(dǎo)電薄膜作正極集流體，導(dǎo)電填料為炭黑，含量為50wt. %,電解液為IMLiTFSI/(EC+EMC+DMC)溶液，其余同實(shí)施例1，制成18650 電池。放電電流IC容量為1. 8Ah。按GB/T1^87-2000測試標(biāo)準(zhǔn)對電池進(jìn)行過充、過放、短路測試，當(dāng)殼體溫度升高到150時(shí)，電路被保護(hù)。與采用LiPF6的電解液電池相比，IC循環(huán)性能得到很大提高，以80%截止容量為標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)次數(shù)由450次提高到850次。
權(quán)利要求
1.一種安全型鋰離子電池，包括正極體系、負(fù)極體系以及間隔于正極和負(fù)極之間的隔膜和電解液體系，正極體系包括正極集流體和附著在正極集流體上含有正極活性物質(zhì)的膜片，負(fù)極體系包含負(fù)極集流體和附著在負(fù)極集流體上含有負(fù)極活性物質(zhì)的膜片，其特征在于所述的正極體系和負(fù)極體系之一或全部采用有機(jī)物導(dǎo)電薄膜作為集流體，且所述的有機(jī)物導(dǎo)電薄膜采用具有PTC熱敏電阻特性的聚合物基體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安全型鋰離子電池，其特征在于所述的具有PTC熱敏電阻特性的聚合物基體為硅膠、天然橡膠、丁腈膠、聚氨酯、聚乙烯酯、聚丙烯酯、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚環(huán)氧乙烷中的一種或多種的混合物；導(dǎo)電填料為石墨、炭黑、碳纖維、 金屬粉末或纖維中的一種或多種的混合物，導(dǎo)電填料的含量為20-80wt. %。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的安全型鋰離子電池，其特征在于所述的有機(jī)物導(dǎo)電薄膜為聚丙烯PT C導(dǎo)電薄膜，其PTC開關(guān)溫度為165-176°c;用作正極集流體時(shí)，導(dǎo)電填料或?qū)щ娡繉右訟l、炭黑、碳纖維、石墨中的一種或多種的混合物為導(dǎo)電體；用作負(fù)極集流體時(shí)，導(dǎo)電填料或?qū)щ娡繉右訡u、炭黑、碳纖維、石墨中的一種或多種的混合物為導(dǎo)電體，導(dǎo)電體含量為 40-60wt. %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安全型鋰離子電池，其特征在于所述的正極集流體采用具有PTC效應(yīng)的導(dǎo)電聚丙烯薄膜，導(dǎo)電填料為石墨、炭黑、碳纖維中的一種或多種，所用電解液溶劑為EC、PC、EMC、DMC、DEC中的至少兩種的混合物，電解質(zhì)鋰鹽采用 LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)、LiN (SO2C2F5) 2 (LiBETI) LiN (SO2F2) (LiFSI)、LiCF3SO3 中的至少一種及其衍生物，鋰鹽濃度0. 6-1. 2mol/L。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種安全型鋰離子電池，包括正極體系、負(fù)極體系以及間隔于正極和負(fù)極之間的隔膜和電解液體系，正極體系包括正極集流體和附著在正極集流體上含有正極活性物質(zhì)的膜片，負(fù)極體系包含負(fù)極集流體和附著在負(fù)極集流體上含有負(fù)極活性物質(zhì)的膜片，所述的正極體系和負(fù)極體系之一或全部采用有機(jī)物導(dǎo)電薄膜作為集流體，且所述的有機(jī)物導(dǎo)電薄膜采用具有PTC熱敏電阻特性的聚合物基體。有機(jī)物導(dǎo)電薄膜具有正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC熱敏電阻)特性。該種鋰離子電池可以避免電池因過充、外部短路引起電池溫度升高所導(dǎo)致的電池燃燒甚至爆炸等安全問題。
文檔編號H01M10/0525GK102208678SQ201110097330
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者劉晉, 盧海, 宋海申, 張治安, 李劼, 洪樹, 袁長福, 賴延清 申請人:中南大學(xué), 長沙業(yè)翔能源科技有限公司