CN109119681A - 一种高安全锂离子电池 - Google Patents

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刘文明
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Abstract

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种高安全的锂离子电池。采用含有沟槽、刻痕、腐蚀坑、激光孔、编织孔或其它缺陷的铝箔作为正极集流体制成锂离子电池，尤其是高能量密度锂离子电池，包括但不仅限于三元锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池。本发明通过采用含缺陷的铝箔作为正极集流体制成的锂离子电池，在针刺时，形成较少的劈锋和毛刺，减少内短路的形成，从而提高锂离子电池的针刺安全性。测试结果表明，采用上述含缺陷铝箔的三元锂离子电池，在针刺时安全性得到明显改善，同时能兼顾电性能。

Description

一种高安全锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，特别涉及一种高安全锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有高的能量密度和循环效率、低自放电、无记忆效应等优点，在动力电池方面具有广阔的应用前景。目前，许多汽车生产厂家均选择锂离子电池作为电动汽车的动力电源，推出了自己品牌型号的电动汽车。电动汽车作为一种交通工具，其续驶里程、加速性能、安全性能等是大家关注的重点，而这些方面主要取决于动力电池的性能，集中在能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等方面。
高能量密度锂离子电池在续驶里程上具有明显优势，与此同时，随之带来的安全性隐患也成为大家关注的焦点。因此，提高锂离子电池的安全性，是关乎高能量密度锂离子电池在动力电源领域广泛应用的关键前提，也是目前研究的热点方向之一。
在评估锂离子电池安全性的各种滥用条件中，针刺是最为苛刻的滥用条件之一，也是锂离子电池安全测试的常见失效形式之一。针刺引起的内短路有四种短路模式：正极-负极、铝箔-负极、铜箔-正极、铝箔-铜箔。已有研究表明，铝箔-负极这种短路模式放热量最大，是针刺过程内短路产生热量的主要来源。原因在于，铝箔、负极膜片的电阻率较小，接触时会产生巨大的短路电流，瞬间产生较大的热量汇聚于短路点，会引发严重的热失控。因此，减少铝箔-负极膜片短路接触，从而降低针刺内短路产热，是提高针刺安全性的有效途径。
目前，提高锂离子电池针刺安全性的手段主要包括：电解液添加剂、绝缘/阻燃涂层、PTC涂层、马甲结构、功能性结构盖板等。
专利CN202817080U公开了一种锂离子电池抗针刺结构电芯及其锂离子电池，具体公开了锂离子电池抗针刺结构电芯，正负极表面分别附有涂层，且在卷绕结构的正负极末端分别增加一整圈保护片，保护片实质上是集流体，构成了马甲结构，在针刺时在电芯外侧先形成短路点，将电流引到电芯外侧，消耗部分电量，并将热量快速发散出去，这种结构对于一定容量和体系的电池能够起到一定的抗针刺作用，但对于高能量密度锂离子电池作用有限。
专利CN104409681 A公开了一种含PTC涂层的锂离子电池极片的制备方法，具体公开了在集流体上涂布包含正极或负极活性物质的浆料之前，预先在集流体上涂布具有温度敏感性的预涂层，该预涂层内包含粘结剂、正温度系数材料、以及导电剂，在常温时预涂层导电性良好，当温度升高时，电阻急剧上升，电子转移速度降低，防止电池进一步升温，从而提高锂离子电池的安全性。但是由于针刺热失控瞬间发生，该涂层的作用机制往往来不及起作用，不能起到有效地提高针刺安全性的作用。
专利CN104966840 A公开了一种高安全性的锂离子电池正极集流体及其制备方法与锂离子电池。具体公开了表面覆有一层多孔氧化铝的铝箔，及采用这种铝箔的锂离子电池，该铝箔表面的氧化铝层采用电化学氧化的方法制备，含有通孔+盲孔的结构，通过氧化铝的电阻较大的特性，降低电池内短路时的电阻值，从而减少产热。该方法的不足之处在于，在电池正常使用时，电池内阻偏高，影响电性能。
因此，针对提高锂离子电池的针刺安全性这一难题，尚待进一步提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对锂离子电池、尤其是高能量密度三元锂离子电池安全性较差的不足，提出了一种能够改善针刺安全性、同时兼顾电性能的锂离子电池。
本发明的技术方案为：采用含缺陷的铝箔作为正极集流体制备锂离子电池，用于改善锂离子电池针刺安全性。
一种高安全的锂离子电池，是采用含缺陷的铝箔作为正极集流体制成的锂离子电池，尤其是高能量密度锂离子电池，包括但不仅限于三元锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池。
所述高安全的锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液、壳体，所述正极极片包括正极集流体和正极膜片，所述正极集流体为上述含缺陷的铝箔。
所述含缺陷的铝箔为：含有沟槽、刻痕、腐蚀坑、激光孔、编织孔或其它缺陷的铝箔；
所述含缺陷的铝箔中所指的缺陷，包括但不仅限于腐蚀、刻蚀、冲压、激光辐照、编织等工艺所制备的缺陷；
所述含缺陷的铝箔中所指的缺陷，包括通孔和/或盲孔；
优选的，所述缺陷的间距为10-1000μm，缺陷尺寸为1-100μm；
优选的，所述含缺陷的铝箔厚度为：6-20μm；
优选的，所述缺陷呈规则形状排列，包括但不仅限于点阵状、圆环状、辐射状等。
本发明的有益效果为：本发明通过采用含缺陷的铝箔作为正极集流体，在针刺时，由于缺陷的作用，部分毛刺/劈锋脱落，形成较少的劈锋和毛刺，降低铝箔与铜箔/负极接触的面积，从而降低针刺内短路时的电流值，减少产热量和产热速率，最终能够提高针刺安全性。
本发明所采用的含缺陷的铝箔在宏观上仍处于连续状态，并保持较好的力学性能，因此，对涂布、辊压等工艺性能影响较小；同时，上述含缺陷的铝箔由于缺陷面积较小，作为正极集流体保持了较好的过流能力，因此，从电子迁移角度来说，对电池的内阻、倍率等性能的不利影响较小，另一方面，部分通孔的存在，有利于锂离子的传输，因此有利于倍率性能的提升。
综上所述，采用含缺陷铝箔制备的锂离子电池在具有较高的针刺安全性的同时，兼具有较好的电性能。
附图说明
图1为对比例1制得的电池针刺后拆解极片的毛刺情况图；
图2为实施例1制得的电池针刺后拆解极片的毛刺情况图；
图3为铝箔上的缺陷形状呈规则点阵状分布示意图；
图4为铝箔上的缺陷形状呈规则圆环状分布示意图；
图5为铝箔上的缺陷形状呈规则辐射状分布示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，下面用具体实施例来详细说明本发明的技术方案，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
采用经过腐蚀工艺得到的含有腐蚀坑(通孔+盲孔)的铝箔作为正极集流体，铝箔上的腐蚀坑呈规则点阵排列，腐蚀坑尺寸10-100μm，间距100-1000μm，铝箔厚度15μm。采用市售镍钴锰酸锂(NCM622，Ni含量约60％)作为正极材料，市售人工石墨作为负极材料，采用常规型电解液(含有溶剂EC:EMC:DEC＝3:5:2(wt％)、1mol/L LiPF6、以及2％VC作为添加剂)和陶瓷隔膜(12微米厚PE基膜+4微米厚陶瓷层)，制成锂离子软包电池，容量10Ah左右。
实施例2
采用经过冲压工艺得到的含有冲压孔(通孔)的铝箔作为正极集流体，铝箔上的冲压孔呈规则点阵排列，冲压孔尺寸10-50μm，间距50-200μm，铝箔厚度15μm。采用与上述实施例1相同的材料体系制备锂离子电池，容量10Ah左右。
实施例3
采用经过刻蚀工艺得到的含有刻痕(盲孔)的铝箔作为正极集流体，铝箔上的刻痕呈规则圆环状排列，孔尺寸1-50μm，间距20-100μm，铝箔厚度15μm。采用与上述实施例1相同的材料体系制备锂离子电池，容量10Ah左右。
实施例4
采用经过激光辐照得到的含有激光孔(通孔)的铝箔作为正极集流体，铝箔上的激光孔呈规则辐射状排列，孔尺寸10-25μm，间距200-1000μm，铝箔厚度20μm。采用与上述实施例1相同的材料体系制备锂离子电池，容量10Ah左右。
实施例5
采用经过编织工艺得到的含有编织孔(通孔)的铝箔作为正极集流体，铝箔上的编织孔呈规则点阵排列，孔尺寸50-100μm，间距200-1000μm，铝箔厚度20μm。采用与上述实施例1相同的材料体系制备锂离子电池，容量10Ah左右。
对比例1
采用厚度15μm的常规铝箔。采用与上述实施例1相同的材料体系制备锂离子电池，容量保持一致。
对比例2
采用经过腐蚀工艺得到的含有腐蚀坑(通孔+盲孔)的铝箔作为正极集流体，铝箔上的腐蚀坑呈规则点阵排列，腐蚀坑尺寸1-10μm，间距1000-1200μm，铝箔厚度15μm。采用与上述实施例1相同的材料体系制备锂离子电池，容量保持一致。
对比例3
采用经过冲压工艺得到的含有冲压孔(通孔)的铝箔作为正极集流体，铝箔上的冲压孔呈规则点阵排列，冲压孔尺寸100-150μm，间距200-1000μm，铝箔厚度15μm。采用与上述实施例1相同的材料体系制备锂离子电池，容量保持一致。
上述实施例与对比例按照相同测试条件进行针刺测试，并进行电性能测试。
针刺测试条件：直径10mm钢针，速度3mm/s，刺入电池后，在电池内部停留10min，观察现象，记录视频、正负极电压、正负极耳、针孔附近温度。
测试结果对比如表1所示。
表1
测试结果表明，采用上述含缺陷铝箔的三元锂离子电池，在针刺时安全性得到明显改善。针刺后电池拆解分析表明，含缺陷铝箔针刺后毛刺较少，部分劈锋脱落，边缘较平整，普通铝箔针刺后毛刺较多，如图1、2所示。
采用本发明提供的方法所制备的锂离子电池，与常规样品相比，针刺安全性得到很大提高，同时能够保持电性能不降低。本发明可用于高能量密度锂离子电池的针刺安全性改善。

Claims (8)

1.一种高安全的锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液、壳体，其中，正极极片包括正极集流体和正极膜片，其特征在于，采用含缺陷的铝箔作为正极集流体制成锂离子电池。
2.如权利要求1所述高安全的锂离子电池，其特征在于，所述制成的锂离子电池为高能量密度锂离子电池，包括但不限于三元锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池。
3.如权利要求1所述高安全的锂离子电池，其特征在于，所述含缺陷的铝箔为：含有沟槽、刻痕、腐蚀坑、激光孔、编织孔或其它缺陷的铝箔。
4.如权利要求1所述高安全的锂离子电池，其特征在于，所述含缺陷的铝箔中所指的缺陷，包括但不仅限于腐蚀、刻蚀、冲压、激光辐照、编织工艺所制备的缺陷。
5.如权利要求1所述高安全的锂离子电池，其特征在于，所述缺陷呈规则形状排列，包括但不仅限于点阵状、圆环状、辐射状。
6.如权利要求1所述高安全的锂离子电池，其特征在于，所述含缺陷的铝箔中所指的缺陷，包括通孔和/或盲孔。
7.如权利要求1所述高安全的锂离子电池，其特征在于，所述缺陷的间距为10-1000μm，缺陷尺寸为1-100μm。
8.如权利要求1所述高安全的锂离子电池，其特征在于，所述含缺陷的铝箔厚度为：6-20μm。
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