CN2914339Y - 一种电池电极及包括该电极的锂二次电池 - Google Patents

一种电池电极及包括该电极的锂二次电池 Download PDF

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CN2914339Y CNU2005201471249U CN200520147124U CN2914339Y CN 2914339 Y CN2914339 Y CN 2914339Y CN U2005201471249 U CNU2005201471249 U CN U2005201471249U CN 200520147124 U CN200520147124 U CN 200520147124U CN 2914339 Y CN2914339 Y CN 2914339Y
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Abstract

一种电池电极，该电极包括集流体和涂覆在该集流体上的电极材料，其中，所述电极的集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖。本实用新型提供的电极安全性高，在电池运输和使用过程中发生挤压、震动、碰撞等异常，介于正极与负极之间的隔膜被电极边缘的毛刺破坏引起正负极接触短路的情况下，可以有效防止正极材料和负极材料发生分解反应，由此避免了由短路引起的电池燃烧甚至***。

Description

一种电池电极及包括该电极的锂二次电池
技术领域
本实用新型是关于一种电池电极及包括该电极的电池，尤其是关于一种电池电极及包括该电池电极的锂二次电池。
背景技术
锂二次电池与传统的镍氢、镍镉二次电池相比具有很多优点，比如比能量高、重量轻、工作电压高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长、无污染等，因此广泛应用于移动电子设备和通讯设备，如手机、笔记本电脑、手持电脑、个人数字助理(PDA)、小型摄相机、数码照相机等。
锂二次电池包括电极组和电解液，所述电极组和电解液密封在电池壳体内，所述电极组包括正极、负极和介于正极与负极之间的隔膜。所述正/负极包括集流体和涂覆在该集流体上的正/负极材料。现有锂二次电池的电极边缘存在大量几微米到几十微米的毛刺，在电池运输和使用过程中若出现挤压、震动、碰撞等异常情况，介于正极与负极之间的隔膜会被上述毛刺破坏，导致正极和负极接触短路。
短路产生的热量使短路点附近的正极活性物质锂氧化物分解，产生氧原子。氧原子与负极碳层中的锂离子以及正极集流体铝金属发生反应，释放出更多的热量。热量的积聚使上述反应加剧，进而引发电解液也发生剧烈的化学反应，最终导致电池温度迅速升高到200℃以上，甚至达到500℃以上，引发电池燃烧或***。
综上，目前的电极使锂离子电池存在很大的安全隐患，因此急需一种安全性好的锂离子二次电池电极。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中锂二次电池电极安全性差的缺点，提供一种安全性好的锂离子二次电池电极。
本实用新型的第二个目的是提供使用上述正极的锂二次电池。
现有锂二次电池的电极边缘存在大量几微米到几十微米的毛刺，在电池运输和使用过程中若出现挤压、震动、碰撞等异常情况，介于正极与负极之间的隔膜会被上述毛刺破坏，导致正极和负极接触短路，进而导致电池生热燃烧甚至***。本实用新型的发明人经过研究发现，使所述电极的集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖，当毛刺刺破隔膜时，由于电极边缘没有电极材料，即使正极和负极因此发生了短路接触生热，短路点附近也没有电极材料，因此不会发生电极材料的分解，更不会引起电池燃烧甚至***。
本实用新型提供了一种电池电极，该电极包括集流体和涂覆在该集流体上的电极材料，其中，所述电极的集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖。
本实用新型还提供了一种锂二次电池，该电池包括电极组和电解液，所述电极组和电解液密封在电池壳体内，所述电极组包括正极、负极和介于正极与负极之间的隔膜，其中，所述正极和/或负极为本实用新型提供的电极。
本实用新型提供的电极安全性高，在电池运输和使用过程中发生挤压、震动、碰撞等异常，介于正极与负极之间的隔膜被电极边缘的毛刺破坏引起正负极接触短路的情况下，可以有效防止正极材料和负极材料发生分解反应，由此避免了由短路引起的电池燃烧甚至***。
附图说明
图1实施例1电池卷绕电极正面示意图；
图2实施例1电池卷绕电极反面示意图；
图3比较例1电池卷绕电极正面示意图；
图4比较例1电池卷绕电极反面示意图；
图5实施例2电池卷绕电极正面示意图；
图6实施例2电池卷绕电极反面示意图；
图7本实用新型电池卷绕电极卷绕方式示意图；
图8实施例3电池叠片电极正面示意图。
图中
1——电池电极正面极耳部位             2——极耳
3——电池正极                         4——电池负极
5——电池隔膜                         6——电池壳体
7——集流体上为安装极耳预留的突出部分
图1、图2、图5和图6中，W1指平行于电极卷绕方向的一边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度，W2指垂直于电极卷绕方向的一边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度。图8中，W3指电极任意一边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度。图1至图6以及图8中，阴影部分为涂敷有电极材料的集流体表面，空白部分为裸露的集流体表面。
具体实施方式
本实用新型提供的电池电极包括集流体和涂覆在该集流体上的电极材料，其中，所述电极的集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖。
本领域人员公知，现有锂二次电池的电极边缘存在大量几微米到几十微米的毛刺，在电池运输和使用过程中若出现挤压、震动、碰撞等异常情况，介于正极与负极之间的隔膜会被上述毛刺破坏，导致正极和负极接触短路，进而导致电池生热燃烧甚至***。本实用新型提供的电极，电极的集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖，当毛刺刺破隔膜时，由于电极边缘没有电极材料，因此即使正极和负极发生接触，实际上正极材料和负极材料也不会发生能引起短路的接触，因此本实用新型的电极可以有效防止毛刺刺破隔膜引起的正极负极接触短路，从而提高电池的安全性。
所述电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度至少为1毫米。若所述电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度小于1毫米，则不能完全避免短路点正极材料和负极材料的接触，无法阻止短路点附近正极活性物质锂氧化物的分解反应，安全性能得不到提高；若所述宽度过大，电极上的电极材料过少，导致电池容量低，影响电池的正常使用。因此所述宽度应当兼顾电池的安全性能和电池容量。
本领域人员公知，锂离子电池电极根据电池装配方式不同分为卷绕电极和叠片电极两种，本实用新型所述的电极可以是卷绕电极，也可以是叠片电极。
所述电极为卷绕电极时，优选所述电极集流体正反两面的平行于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为1-10毫米，更优选5-10毫米；垂直于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为1-50毫米，更优选20-30毫米。卷绕电极集流体正反两面的平行/垂直于电极卷绕方向的两边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度可以相同也可以不同，优选相同便于制备。此外本领域人员公知，电极一般连接有导电端子即极耳，卷绕电极极耳的位置和大小随电池型号的不同而不同。电极正反两面为安装极耳，在集流体上还存在一部分无电极材料覆盖，该部分与本实用新型电极集流体无电极材料覆盖部分的关系，可以重叠，可以各自独立存在；如图1和图2以及图5和图6所示，重叠与否取决于极耳距离电池边缘的距离。
所述电极为叠片电极时，所述电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为1-10毫米，优选4-8毫米。叠片电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度可以相同也可以不同，优选相同便于制备。
可以利用本领域常用的各种方法制备本实用新型的电极，如在集流体上间隔涂敷含有电极材料的浆料，或者在压延前刮掉部分电极材料，裸露出集流体等，都可以得到所述边缘上特定宽度无电极材料覆盖的电极。
本实用新型还提供了一种锂二次电池，该电池包括电极组和电解液，所述电极组和电解液密封在电池壳体内，所述电极组包括正极、负极和介于正极与负极之间的隔膜，其中，所述正极和/或负极为本实用新型提供的电极。本实用新型电池可以是正极和负极同时为上述边缘无电极材料覆盖集流体的电极，也可以是只有正极为所述电极，还可以是只有负极为所述电极，都能达到本实用新型的目的，即在短路点附近没有正极活性物质和负极活性物质同时存在。优选正极和负极同时为上述边缘无电极材料覆盖集流体的电极，正极和负极无电极材料覆盖部分的宽度可以一致也可以不一致。
由于本实用新型只涉及对现有技术锂二次电池电极结构的改进，因此对锂二次电池的其它组成和结构没有特别的限制。
例如，所述集流体可以是本领域技术人员所公知的各种集流体，如铝箔、铜箔、镀镍钢带等，本实用新型选用铝箔作集流体。
所述正极材料可以是本领域技术人员所公知的各种正极材料，通常包括正极活性物质、粘合剂和选择性含有的导电剂，所述正极活性物质可以选自锂二次电池常规的正极活性物质，如LixNi1-yCoO2(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、LimMn2-nBnO2(其中，B为过渡金属，0.9≤m≤1.1，0≤n≤1.0)、Li1+aMbMn2-bO4(其中，-0.1≤a≤0.2，0≤b≤1.0，M为锂、硼、镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌、镓、钇、氟、碘、硫元素中的一种或几种)。优选的所述正极活性物质为锂镍钴氧化物、锂钴氧化物、或锂锰氧化物的一种或几种。
本实用新型所述的正极材料对粘合剂没有特别的限制，可以采用本领域已知的所有可用于锂二次电池的粘合剂。优选所述粘合剂为憎水性粘合剂与亲水性粘合剂的混合物。所述憎水性粘合剂与亲水性粘合剂的比例没有特别的限制，可以根据实际需要确定，例如，亲水性粘合剂与憎水性粘合剂的重量比例可以为0.3∶1-1∶1。所述粘合剂可以以水溶液或乳液形式使用，也可以以固体形式使用，优选以水溶液或乳液形式使用，此时对所述亲水性粘合剂溶液的浓度和所述憎水性粘合剂乳液的浓度没有特别的限制，可以根据所要制备的正极和负极浆料的拉浆涂布的粘度和可操作性的要求对该浓度进行灵活调整，例如所述亲水性粘合剂溶液的浓度可以为0.5-4重量％，所述憎水性粘合剂乳液的浓度可以为10-80重量％。所述憎水性粘合剂可以为聚四氟乙烯、丁苯橡胶或者它们的混合物。所述亲水性粘合剂可以为羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚乙烯醇或者它们的混合物。所述粘合剂优选聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羟甲基纤维素及丁苯橡胶中的一种或几种。所述粘合剂的含量为正极活性物质的0.01-8重量％，优选为1-5重量％。
本实用新型提供的正极材料还可以选择性地含有现有技术正极材料中通常所含有的导电剂。由于导电剂用于增加电极的导电性，降低电池的内阻，因此本实用新型优选含有导电剂。所述导电剂可以选自导电碳黑、乙炔黑、镍粉、铜粉和导电石墨中的一种或几种。所述导电剂的含量和种类为本领域技术人员所公知，例如，以正极材料为基准，导电剂的含量一般为0-15重量％，优选为0-10重量％。
负极的组成为本领域技术人员所公知，一般来说，负极包括导电基体及涂覆和/或填充在导电基体上的负极材料。所述导电基体为本领域技术人员所公知，例如可以选自铝箔、铜箔、镀镍钢带、冲孔钢带中的一种或几种。所述负极活性材料为本领域技术人员所公知，它包括负极活性物质和粘合剂，所述负极活性物质可以选自锂二次电池常规的负极活性物质，如天然石墨、人造石墨、石油焦、有机裂解碳、中间相碳微球、碳纤维、锡合金、硅合金中的一种或几种。所述粘合剂可以选自锂二次电池常规的粘合剂，如聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羟甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种。一般来说，所述粘合剂的含量为负极活性物质的0.5-8重量％，优选为2-5重量％。
本实用新型所述用于制备正极浆料和负极浆料的溶剂可以选自常规的溶剂，如可以选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二乙基甲酰胺(DEF)、二甲亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)以及水和醇类中的一种或几种。溶剂的用量使所述浆料能够涂覆到所述集流体上即可。一般来说，溶剂的用量为使浆液中正极活性物质的浓度为40-90重量％，优选为50-85重量％。
所述隔膜具有电绝缘性能和液体保持性能，设置于正极和负极之间，并与正极、负极和电解液一起密封在电池壳中。所述隔膜可以是本领域通用的各种隔膜，比如由本领域人员在公知的各厂家生产的各生产牌号的改性聚乙烯毡、改性聚丙烯毡、超细玻璃纤维毡、维尼纶毡或尼龙毡与可湿性聚烯烃微孔膜经焊接或粘接而成的复合膜。
所述电解液为本领域常用的电解液，如电解质锂盐和非水溶剂的混合溶液。电解质锂盐选自六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、卤化锂、氯铝酸锂及氟烃基磺酸锂中的一种或几种。有机溶剂可以选自链状酸酯和环状酸酯混合溶液，其中链状酸酯可以为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸二丙酯(DPC)以及其它含氟、含硫或含不饱和键的链状有机酯类中的至少一种。环状酸酯可以为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、γ-丁内酯(γ-BL)、磺内酯以及其它含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类中的至少一种。所述电解液中，电解质锂盐的浓度一般为0.1-2摩尔/升，优选为0.8-1.2摩尔/升。
除电极按照本实用新型的要求制备外，本实用新型的电池可以用本领域公知的方法制备，该方法包括将正极和负极之间设置隔膜，构成电极组，将该电极组容纳在电池壳体中，注入电解液，密闭电池壳体即可。
下面结合实施例对本实用新型做进一步的说明。
实施例1
本实施例说明本实用新型提供的卷绕电极及包括该电极的锂二次电池。
(1)正极的制备
将90克聚偏二氟乙烯(阿托菲纳公司，761#PVDF)溶解在1350克N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂中制得粘合剂溶液，然后将事先混合均匀的2895克LiCoO2与90克乙炔黑粉末加入到上述溶液中，充分搅拌混合均匀制得正极浆料；用拉浆机将该正极浆料间隔涂覆到厚20微米的铝箔两面，经过120℃真空加热干燥1小时，裁切成360毫米(长)×52毫米(宽)的长方形，按照图1和图2所示刮除部分正极材料，其中，电极集流体正反两面的平行于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为10毫米；垂直于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为20毫米。然后压延成130微米厚的正极，点焊上4毫米宽的正极极耳(导电端子)。每片正极上含有4.3-4.5克的LiCoO2。
(2)负极的制备
将30克羟甲基纤维素(CMC)(江门量子高科公司商品，型号为CMC1500)和75克丁苯橡胶(SBR)胶乳(南通申华化学公司商品，牌号为TAIPOL1500E)溶解在1875克水中，搅拌均匀制得粘合剂溶液，将1395克石墨(SODIFF公司商品，牌号为DAG84)加入到该粘合剂溶液中，混合均匀制得负极浆料，用拉浆机均匀涂布到12微米的铜箔两面，经过120℃真空加热干燥1小时，裁切成325毫米(长)×53毫米(宽)的长方形，按照图1和图2所示刮除部分负极材料，其中，电极集流体正反两面的平行于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为10毫米；垂直于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为20毫米。然后压延成140微米厚的负极，点焊上4毫米宽的负极极耳(导电端子)，每片负极上含有2.0-2.1克的石墨。
(3)电解液的制备
将LiPF6与碳酸乙烯酯(EC)及碳酸二甲酯(DMC)配置成LiPF6浓度为1摩尔/升的溶液(EC/DMC的体积比为1∶1)，得到电解液。
(4)电池的装配
将上述(1)得到的正极、(2)得到的负极用20微米聚丙烯隔膜按隔膜/负极/隔膜/正极的次序叠放后，卷绕成3.2毫米×33毫米×55毫米的电极组；把具有聚酯/尼龙/铝箔/流延聚丙烯(PET/NY/AL/CPP)多层结构的软包装复合膜冲压成带有3.5毫米×33毫米×55毫米凹槽的电池壳体(如图7所示)；并将电极组纳入电池壳体中，注入上述(3)得到的电解液约2.5毫升，密封，制得容量为550毫安小时、3.8毫米×35毫米×62毫米的卷绕式结构软包装锂二次电池。
实施例2
本实施例说明本实用新型提供的卷绕电极及包括该电极的锂二次电池。
按照实施例1的方法制备电池电极和锂二次电池，不同的是间隔涂覆电极材料，如图5和图6所示，使电极集流体正反两面的平行于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为5毫米；垂直于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为30毫米。
实施例3
本实施例说明本实用新型提供的叠片电极及包括该正极的电池。
(1)正极的制备
将90克聚偏二氟乙烯(阿托菲纳公司，761#PVDF)溶解在1350克N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂中制得粘合剂溶液，然后将事先混合均匀的2890克LiCoO2与90克乙炔黑粉末加入到上述溶液中，充分搅拌混合均匀制得正极浆料；用拉浆机将该正极浆料间隔涂覆到厚20微米的铝箔两面，经过120℃真空加热干燥1小时，裁切成52毫米(长)×32毫米(宽)的长方形，并在该长方形一边预留4×7毫米的突出部分(如图8所示)，以供焊接正极极耳(导电端子)用，按照图8所示刮除部分正极材料，其中，电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为6毫米。然后压延成130微米厚的正极。每片正极上含有0.39-0.41克的LiCoO2。
(2)负极的制备
将30克羟甲基纤维素(CMC)(江门量子高科公司商品，型号为CMC1500)和75克丁苯橡胶(SBR)胶乳(南通申华化学公司商品，牌号为TAIPOL1500E)溶解在1875克水中，搅拌均匀制得粘合剂溶液，将1395克石墨(SODIFF公司商品，牌号为DAG84)加入到该粘合剂溶液中，混合均匀制得负极浆料，用拉浆机均匀涂布到12微米的铜箔两面，经过120℃真空加热干燥1小时，裁切成53毫米(长)×33毫米(宽)的长方形，并在该长方形一边预留4×7毫米的突出部分(如图8所示)，以供焊接正极极耳(导电端子)用，按照图8所示刮除部分负极材料，其中，电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为6毫米。然后压延成135微米厚的负极，每片负极上含有0.20-0.21克的石墨。
(3)电解液的制备
将LiPF6与碳酸乙烯酯(EC)及碳酸二甲酯(DMC)配置成LiPF6浓度为1摩尔/升的溶液(EC/DMC的体积比为1∶1)，得到电解液。
(4)电池的装配
将上述(1)得到的正极11片、(2)得到的负极10片，以及20微米聚丙烯隔膜按隔膜/负极/隔膜/正极的次序叠放成3.2毫米×33毫米×55毫米的电极组；使每个正极上预留的铝箔集流体的突出部分对齐后，与4毫米正极极耳(导电端子)焊接在一起；使每个负极上预留的铜箔集流体的突出部分与4毫米负极极耳(导电端子)焊接在一起。把具有聚酯/尼龙/铝箔/流延聚丙烯(PET/NY/AL/CPP)多层结构的软包装复合膜冲压成带有3.5毫米×33毫米×55毫米凹槽的电池壳体；并将电极组纳入电池壳体中，注入上述(3)得到的电解液约2.5毫升，密封，制得容量为550毫安小时、3.8毫米×35毫米×62毫米的叠片式结构软包装锂二次电池。
比较例1
本比较例说明现有技术的卷绕电极及包括该电极的锂二次电池。
按照实施例1的方法制备电解液添加剂和锂二次电池，不同的是如图3和图4所示，电极边缘有正极材料覆盖。
电池挤压测试：
环境温度为25℃下，电池在锂电测试柜上用550毫安恒压充电，充电上限4.5伏，截止电流20毫安，搁置10分钟后，把电池放在挤压设备中，给电池正面逐步施加压力，达到35兆帕后停止，观察测试过程中的现象，并测量电池表面达到的最高温度。
测试结果见表1：
表1
      电池             测试过程中的现象       最高温度(℃)
     实施例1        无冒烟、起火、***现象发生           116
     实施例2        无冒烟、起火、***现象发生           110
     实施例3        无冒烟、起火、***现象发生           97
     比较例1        出现冒烟、起火、***现象           280
从表1可以看出，本实用新型的实施例电池，在安全性能方面大大优于比较例电池。

Claims (7)

1.一种电池电极，该电极包括集流体和涂覆在该集流体上的电极材料，其特征在于，所述电极的集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖。
2.根据权利要求1所述的电池电极，其中，所述电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度至少为1毫米。
3.根据权利要求2所述的电池电极，其中，所述电极为卷绕电极，所述电极集流体正反两面的平行于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为1-10毫米；垂直于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为1-50毫米。
4.根据权利要求3所述的电池电极，其中，所述电极集流体正反两面的平行于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为5-10毫米；垂直于电极卷绕方向的两边，每边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为20-30毫米。
5.根据权利要求2所述的电池电极，其中，所述电极为叠片电极；所述电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为1-10毫米。
6.根据权利要求5所述的电池电极，其中，所述电极集流体正反两面的四边边缘上无电极材料覆盖部分的宽度为4-8毫米。
7.一种锂二次电池，该电池包括电极组和电解液，所述电极组和电解液密封在电池壳体内，所述电极组包括正极、负极和介于正极与负极之间的隔膜，其特征在于，所述正极和/或负极为权利要求1-6中任意一项所述的电极。
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